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Kohlensäure-Problematik

 


Anreicherung von CO2 bei
aeroben Stabilisierungsanlagen:

►       CO2 aus Kohlenstoffabbau , Bio-P

►       fehlende Ausstrippung von CO2

►       niedrige Temperaturen im Winter   höhere Löslichkeit von CO2

►       tiefere Belebungsbecken   höhere Löslichkeit von CO2

 

Verschiebung der Calcitsättigung (früher Kalk-Kohlensäure-Gleichgewicht) (DIN 38404 Teil 10 R 2)


►       pH-Absenkung durch Nitrifikation    pH-Wert sinkt unter 7


             Verschiebung des Gleichgewichtes zwischen Kalk und Kohlensäure


►       kalkaggressives Wasser“: Abbau des wichtigen Calciumcarbonats auf der Flocke durch CO2,

                         Schädigung der Flockenstruktur (Flockenkorrosion)

                Wachstumsvorteile für Fadenbakterien (Niedriglastbakterien)

Zusätzliches CO2 ist die freie überschüssige Kohlensäure:

►       Erhöhung des Calcitlösevermögens (Kalk-Kohlensäure-System ist nicht mehr im Gleichgewicht!)

►       kalkaggressives Wasser

►       Auflösung von Kalk


Betonkorrosion durch Kohlensäure (CO2 ) - Lösender Angriff
Unter Korrosion (lat. "corrodere", d.h. zernagen) versteht man normalerweise das Verwittern von Baustoffen. Ursache ist bei Beton in der Regel das in der Luft vorhandene, inzwischen weithin als Klimakiller bekannte Kohlendioxid.
Neben der durch "Luft"-CO2 verursachten Betonkorrosion wird verstärkt auf Kläranlagen auch unter der Wasseroberfläche Betonkorrosion festgestellt, die viel schneller voranschreitet als bisher angenommen.
Im DWA-Regelwerk : Merkblatt DWA-M 168 im Abschnitt 4.2.2 Korrosion durch kalklösende Kohlensäure sind die chemischen Zusammenhänge ebenfalls ausführlich beschrieben.

CO2
verursacht Carbonatisierung von Zementmörteln:
    Säureangriff auf beton druch Kohlensäurekorrodierter Beton

      •   Entfestigung derZementsteinoberfläche:
      Die Auslaugung durch Kohlensäure geschieht in zwei Schritten:
      (Im Folgenden werden die Formeln immer mit Kohlendioxid [CO2 ] und Wasser [H2O] dargestellt. Kohlensäure [H2CO3] bildet sich abhängig vom pH-Wert aus diesen beiden Molekülen. Im Wasser sind immer unter den gegebenen Bedingungen Kohlendioxid und Kohlensäure vorhanden.)

      1.Beginn der Einwirkung: Die Verfestigung bzw. Carbonatisierung
      Zementstein bindet nicht vollständig ab. Es bleibt nach dem Abbinden ein Teil an Calciumhydroxid [Ca(OH)2] übrig. Dieser Anteil bewirkt Zweierlei: Erstens verschiebt er den pH-Wert auf 12-14 und verhindert somit die Korrosion der Stahlbewehrung, zweitens dichtet er den Zementstein gegen Korrosionsangriffe ab. Dies ist auch der Grund dafür, dass in den ersten 2-3 Jahren nach Fertigstellung die Auswirkungen der biogenen Kohlensäure noch nicht offensichtlich werden. Dieser "Puffer" verbraucht sich zunächst an der Oberfläche und in den Poren. Gebildetes Calciumcarbonat [CaCO3] führt zu höherer Festigkeit desBetons und einer Verschiebung des pH-Wertes von 13 auf 9:
      Der Beton carbonatisiert.

      CO2  +  Ca(OH)2     CaCO3 +  H2O
                         pH 13                      pH 9

        umgewandelte Schicht ist durchlässiger noch tieferes Eindringen von CO2 möglich

      In Folge der Eindringtiefen bis zur Bewehrung : Stahlbewehrung wird durch sinkenden pH nicht mehr vor Korrosion geschützt
       ⇒ Rost vergrößert das Volumen  ⇒  der Beton bricht zusätzlich auf
      Dieses passiert aber erst wenn die Verfestigung die Bewehrung erreicht hat. Vorher beginnt eine andere Korrosion:


      Ist das gesamte Calciumhydroxid [Ca(OH)2] an der Oberfläche umgewandelt beginnt die korrodierende Wirkung der "Entfestigung".

      2.Stufe des Betonangriffs: Die Entfestigung
      In Wasser schwerlösliches
      Calciumcarbonat [CaCO3] wird durch Umwandlung mit Kohlensäure zu löslichemCalciumhydrogencarbonat [Ca(HCO3)2]:

      CaCO3   +  CO2  H2O     Ca(HCO3)2

      Was ist Calciumhydrogencarbonat [Ca(HCO3)2] ? ► Wasserhärte

      Dieser Vorgang arbeitet sich von außen nach innen durch den Beton und wäscht nach und nach den Kalk heraus, wodurch es zu einer Gefügelockerung kommt. Da es sich um ein chemisches Gleichgewicht handelt verstärkt sich der Vorgang bei ausreichendem CO2-Gehalt, je mehr Calciumhydrogencarbonat gebildet wird.

      ►     Betonoberfläche wird angegriffen(Waschbetonoberfläche)
      ► 
            Verminderung der Tragfähigkeit

      Expositionsklassen

      Mögliche Einwirkungen auf den Baustoff Beton werden berücksichtigt durch die Expositionsklassen:

      Expositionsklasse XF(Freezing) durch Frost mit/ohne Taumitteleinwirkung

      Expositionsklasse XA (Chemical Attack) durch chemischen Angriff

      Expositionsklasse XM (Mechanical Abreasion) durch Verschleiß


      Betonangriff durch aggressive chemische Umgebung:  XA
      Klassen- bezeichnungBeschreibung der
      Umgebung
      Beispiele für die Zuordnung von Expositionsklassen (informativ) Mindestdruckfestigkeitsklasse min f ck
      XA1chemisch schwach angreifende UmgebungBehälter von Kläranlagen

      Güllebehälter
      C25/30
      XA2chemisch mäßig angreifende UmgebungBetonbauteile, die mit Meerwasser in Berührung kommen

      Bauteile in Betonangreifenden Böden
      C35/45

      C30/37 LP möglich, wenn gleichzeitig XF (Angriff durch Frost)
      XA3chemisch stark
      angreifende Umgebung
      Industrieabwasseranlagen mit chemische angreifenden Abwässern

      Futtertische der Landwirtschaft

      Kühltürme mit Rauchgasableitung
      C35/45

      C30/37 LP möglich, bei gleichzeitig XF2 oder XF3 (Angriff durch Frost)
      erforderlich bei XF4
      Quelle: Zement-Merkblatt Betontechnik B9 3.2006

      dabei gilt als Grenzwerte für die Expositionsklassen:(hier nur pH-Wert, CO2 und SO42- aufgelistet)
      Chemisches MerkmalXA1
      (schwach angreifend)
      XA2
      (mäßig angreifend)
      XA3
      (stark angreifend)
      pH-Wert6,5 ... 5,5 4,0
      kalklösende Kohlensäure (CO2) [mg/l]15 ... 40> 40 ... 100> 100 bis zur Sättigung
      Sulfat (SO42-) [mg/l]200 ... 600> 600 ... 3000> 3000 und
      Quelle: Zement-Merkblatt Betontechnik B9 3.2006

      Vergleicht man heutige Werte auf Klärwerken so hat die Kohlensäure gegenüber dem Sulfat an Bedeutung zugenommen. Sulfat wird intensiv gemessen und bleibt in der Regel unterhalb der Grenzwerte.
      Bisher war, wie in der obigen Tabelle angegeben, die Einstufung auf XA1 für Behälter von Kläranlagen ausreichend. Man ist von viel geringeren Konzentrationen kalklösender Kohlensäure ausgegangen ohne sie aber ausreichend zu kontrollieren:
      • Beanspruchung bei üblichem kommunalem Abwasser: 2)
      • ausreichender Betonwiderstand bei dauernder Beanspruchung: Richtwerte in Abwasser 2)
      Zitat aus DWA-M 168: "Im üblichen kommunalen Abwasser wird dieser Wert nicht erreicht. Allenfalls bei der Ableitung großer Mengen kohlensäurehaltiger Grundwässers (z.B. Dränagewasser) ist in Einzelfällen ein Wert in der angegebenen Größenordnung denkbar."

      Aktuelle Messungen machen aber eine Einstufung nach XA2 in den meisten Fällen und sogar in einzelnen Fällen nach XA3 nötig.
      (gängige aktuelle CO
      2 -Werte:  Ablauf Kläranlage: 30 - 120 mg/l; Nitrifikationsbecken: 50 - 200 mg/l)
      .
      Zu beachten ist, das die Löslichkeit von CO2 im Winter höher ist als im Sommer und daher die Messungen bei niedrigen Temperaturen erfolgen sollte.

       weitereUrsacheninformationensiehe:

       DR.LANGE Anwendungsbericht Ch.Nr. 77 :

       Die Bedeutung der Säurekapazität auf Kläranlagen

      Dieser Anwendungsbericht von stammt vom August 2000. Zu dieser Zeit war ein Dolomitreaktor noch unbekannt. Es wird daher nur eine Kalkdosierung empfohlen. Die  Grundlagen und chemische Zusammenhänge haben sich in den letzten Jahren noch weiter bestätigt und sind u.a. Basis für die Entwicklung des Dolomitreaktors.

      Carl Wassermann © 2010


      L ö s u n g