Metallkorrosion an Gebäuden: Wer rostet, der kostet
Vom Jahrhundertbauwerk bis zum Strassenschild ist unsere gebaute Umwelt
Wind und Wetter ausgesetzt. Doch welche atmosphärischen Einflüsse sind es,
vor denen man Neubauten schützen muss? Und wie lässt sich der «Zahn der
Zeit» am Weltkulturerbe ausbremsen? Empa-Forschende analysieren die
Korrosion von Metall-Bauelementen und arbeiten an einem wirtschaftlichen
und nachhaltigen Umgang mit dem grossen Rosten.
Die gute Nachricht zuerst: Heute ist alles besser. Zumindest, wenn es um
Korrosion geht. Was noch in den 1980er Jahren rostete und zerfiel, hält
heute länger. Allerdings sind die Herausforderungen, das grosse Rosten
aufzuhalten, weiterhin enorm: Auch heute sind es noch mehrere Tonnen
Stahl, die jede Sekunde auf der Welt den Weg alles Irdischen gehen und –
kostbare Rohstoffe verbrauchend – ersetzt werden müssen. Schätzungsweise
drei bis vier Prozent des Bruttoinlandprodukts eines Industrielandes
kostet die Korrosion, ein volkswirtschaftlicher Schaden an Brücken,
Dächern, Schienen im Milliardenbereich.
Einer, der Ausmass und Entstehung der Korrosion untersucht und daran
arbeitet, die gebaute Umwelt zukunftsfähig zu machen, ist der Empa-
Forscher Ulrik Hans vom Labor für «Fügetechnologie und Korrosion» in
Dübendorf. Und weil Korrosion keine Grenzen kennt, ist er im «ICP
Materials» engagiert, kurz für «International Co-operative Program on
Effects on Materials including Historic and Cultural Monuments», einem
Netzwerk mit mehr als 60 Standorten in Europa und darüber hinaus. In
seinem jüngsten Bericht zeigte das Netzwerk den markanten Rückgang der
Korrosion basierend auf Langzeitexperimenten auf und publizierte die
Ergebnisse im Fachmagazin «Corrosion and Materials Degradation».
Musterland Schweiz
Zur Ursachenforschung und für einen nachhaltigen Schutz von Bauten, die
auch in Zukunft noch stehen sollen, liefert Ulrik Hans in Zusammenarbeit
mit dem Bundesamt für Umwelt (BAFU) Daten zur Korrosionsgeschwindigkeit an
das «ICP Materials»-Netzwerk. Und so werden an jedem Standort des
Netzwerks standardisierte Metallproben ausgelagert, beispielsweise aus
wetterfestem Stahl oder aus Titanzink, einem der wichtigsten
Dachbaustoffe. «Titanzink ist auf dem Bau beliebt, weil es komplett
recyclebar ist. Für den Gebäudeerhalt macht es dabei einen erheblichen
Unterschied, ob das Metalldach und die Dachrinnen nach 40 oder erst nach
80 Jahren ersetzt werden müssen», so Hans.
Der Standort in der Schweiz auf dem Chaumont, dem Hausberg der Stadt
Neuenburg, ist dabei quasi das Musterbeispiel im «ICP Materials»-Verbund:
Die «ausgewilderten» Proben korrodieren praktisch ohne schädliche
Einflüsse aus der Umwelt, sondern lediglich aufgrund der rein natürlichen
Redoxreaktion von Metall, Wasser und Sauerstoff. Am anderen Ende der Skala
befanden sich zu Messbeginn Industriestandorte wie das deutsche Bottrop
und das tschechische Kopisty. In Kopisty konnten die Korrosionsforscher im
Jahr 1987 ein halbes Kilo Rost von einem Quadratmeter Stahl kratzen. Heute
sieht es indes an allen Standorten besser aus. In Industriegebieten gehen
pro Jahr zwischen 100 und 150 Gramm Stahl pro Quadratmeter verloren. Auf
dem Chaumont rosten zeitgleich gerade mal 30 Gramm. Zink, das weniger
stark korrodiert, büsste vor 40 Jahren an Industriestandorten noch rund 15
Gramm pro Quadratmeter ein; heute sind es bei allen Standorten nur noch um
die 7 Gramm.
Schadstoffe der Zukunft identifizieren
Beinahe zeitgleich mit dieser erfreulichen Entwicklung, so zeigen es die
Daten, ging der Gehalt von Schwefeldioxid in der Luft zurück, einem
Schadstoff, der zu Messbeginn in den 1980er Jahren als «saurer Regen» vom
Himmel fiel. Mit Spitzenwerten von 460 µg giftigem Schwefeldioxid pro
Kubikmeter Luft wurde denn auch im Ruhrgebiet die höchste Smogalarmstufe
ausgelöst. Wo Industrieabgase gefiltert werden und Braunkohleheizungen aus
der Mode gekommen sind, ist Schwefeldioxid seither kein Problem mehr. In
Industriegebieten liegen die Werte heute unter 10 µg/m³, während sie auf
dem Chaumont bereits seit 25 Jahren zwischen 0 und 1 µg/m³ pendeln.
Zwar liegt die Korrelation von verminderter Korrosion und abnehmender
Schwefeldioxid-Belastung auf der Hand – dennoch verhalten sich die Daten
der Forschenden nicht immer entlang dieser Korrelation. «Korrosion ist ein
komplexes, multifaktorielles Geschehen, das noch nicht vollständig
verstanden ist», sagt Ulrik Hans. «Wir müssen jetzt weitere Schadstoffe
identifizieren, die in Zukunft relevanter werden.» So ist beispielsweise
noch zu wenig geklärt, inwieweit hohe Ozonwerte moderne Polymerwerkstoffe
angreifen und wie Feinstaub die Korrosion begünstigt. Stickoxide und
flüchtige Kohlenwasserstoffe sind weitere Parameter, die mitsamt
klimatischen Veränderungen die Haltbarkeit der metallischen Infrastruktur
beeinflussen könnten.
Modernste Rost-Prognosen
Kennt man die Zusammenhänge besser, lassen sich passende Legierungen,
Beschichtungen oder nanometerfeine Passivschichten einsetzen, um die
Haltbarkeit etwa von additiv gefertigten oder laserstrukturierten
Bauteilen zu gewährleisten. Hinzu kommt eine neue Herausforderung an die
heutige Bauwirtschaft, die beim Bau des Kölner Doms oder der Akropolis
noch keine Rolle spielte: Heute muss auf einen schonenden Umgang mit
vorhandenen Ressourcen geachtet werden.
Damit Entwicklungsprozesse von geeigneten zukunftsfähigen Produkten
effizient und nachhaltig ablaufen, analysieren Empa-Forschende neue
Materialien bereits in der Entwicklungsphase. Zum Einsatz kommen hier
modernste oberflächenanalytischer Techniken wie die Kelvin-Sonden-
Kraftmikroskopie oder die Röntgenphotoelektronenspektros
HAXPES. Die einzige Anlage in der Schweiz steht im Labor für
«Fügetechnologie und Korrosion» an der Empa. Dank hochenergetischer
Strahlung dringt HAXPES tief ins Material ein und erlaubt eine präzise
Charakterisierung von Materialien und ihren Korrosionseigenschaften. «Mit
den daraus resultierenden aussagekräftigen Korrosionsprognosen lassen sich
auch in Zukunft langlebige Bauten effizient erstellen und erhalten», ist
Empa-Forscher Hans überzeugt.
Box: Korrodierendes Kulturerbe
Auch am Weltkulturerbe nagt der Zahn der Zeit. Seit 2010 beobachtet das
«ICP Materials»-Netzwerk daher 26 UNESCO-Weltkulturerbe-Standort
Altstadt von Bern und den St. Galler Stiftsbezirk. In Fallstudien konnten
die Forschenden aufzeigen, dass Luftverschmutzung – und hier vor allem der
Strassenverkehr – bis zu 80% der Kosten zum Erhalt der Gebäude ausmacht.
Anhand von Risikobewertungen soll schliesslich kalkulierbar werden, wo die
Grenze zwischen natürlicher Alterung eines Kulturdenkmals und dem
drohenden Verfall liegt, um Restaurationsarbeiten nach wirtschaftlichen
Kriterien einzusetzen. Hierbei werden Daten zur Materialzusammensetzung,
Metallkorrosion, Kalkstein-Verwitterung und Schadstoffbelastung der
Umgebung hinzugezogen.
Metallkorrosion stellt beispielsweise ein Risiko für die Lebensdauer der
kupfernen Turmdächer der St. Galler Kathedrale dar, berechneten die
Korrosionsforscher. Zunächst muss aber im kommenden Jahr das Ziegeldach
der zum UNESCO-Weltkulturerbe gehörenden Kirche restauriert werden. Auch
hier war Korrosion am Werk: Die Nägel im 100 Meter langen Dachstuhl sind
verrostet. Es werden geschätzte Kosten von knapp acht Millionen Franken
anfallen.
