Beton ist eine Mischung aus Zement, Wasser und Kies beziehungsweise Sand und zählt zu den am häufigsten verwendeten Baumaterialien im Bauwesen, insbesondere im Stahlbetonbau. Er zeichnet sich durch seine hohe Festigkeit, Haltbarkeit und Vielseitigkeit aus. Dennoch sind Betonbauteile nicht immun gegenüber Umwelteinflüssen, sodass im Laufe der Zeit die Materialeigenschaften beeinträchtigt werden können. Hierbei kann die sogenannte Carbonatisierung besonders große Schäden mit sich bringen.
Was ist Carbonsierung?
Der Begriff beschreibt eine chemische Reaktion zwischen Beton und Kohlenstoffdioxid (CO2). Im Beton entsteht durch diesen Prozess Calciumcarbonat, das zur einer physikalischen und chemischen Veränderung des Materials führt. Hierbei handelt es sich zwar um einen natürlichen Vorgang, der jedoch die Stabilität von Betonbauwerken negativ beeinflusst. Carbonsierung ist auch bekannt als Carbonatisierung bzw. Karbonatisierung.
Was passiert bei einer Carbonatisierung?
Bei der Karbonatisierung reagiert das im Betonmaterial vorhandene Calciumhydroxid (Kalkhydrat) mit CO2 aus der Luft. Dadurch bildet sich Calciumcarbonat, ein weißes, kristallines Pulver, das den Beton allmählich durchdringt. Das Calciumhydroxid wird in Calciumcarbonat umgewandelt, wodurch die alkalische oder auch basische Umgebung im Beton neutralisiert wird. Die Carbonatisierung beeinflusst die chemischen Eigenschaften des Betons und kann zur Korrosion des Bewährungsstahls, auch Bewehrung genannt, führen. Wird der Schaden nicht behoben, können gravierende strukturelle Veränderungen im Bauwerk entstehen.
Wann karbonisiert Beton?
Im Allgemeinen hängt die Geschwindigkeit der Carbonatisierung von der Umgebung, den Witterungseinflüssen sowie der Betonstruktur ab. Eine steigende Konzentration von CO2 gepaart mit hoher Luftfeuchtigkeit beschleunigt den Vorgang der Carbonatisierung.
Zusammengefasst tragen folgende Faktoren zu der chemischen Reaktion bei:
- Struktur und Beschaffenheit: Poröse oder beschädigte Betonoberflächen sind besonders anfällig für Feuchtigkeitsschäden. Durch Risse und Löcher kann Wasser in Betonbauten gelangen und zu viel Feuchtigkeit löst dann den Prozess der Carbonisierung aus.
- Feuchtigkeit: Nicht nur Feuchtigkeit durch eindringendes Wasser, sondern auch hohe Luftfeuchtigkeit trägt zum Verfall bei.
- ph-Wert: Die Oberfläche des Bewehrungstahls sollte einen hohen ph-Wert vorweisen. Das kann als Passivschicht dienen, die das Material vor Korrosion bewahrt. Optimal sollte der Wert über 10 liegen. Umso niedriger der Wert ist, desto anfälliger ist der Stahlbeton.
- Materialermüdung: Bauwerke müssen starken Umwelteinflüssen sowie Temperaturschwankungen und mechanischen Belastungen standhalten. Es ist daher ein natürlicher Prozess, dass Baumaterial aus Wasser, Zement und Sand im Laufe der Zeit nachgibt.
Carbonatisierung: Prüfen und Auswirkung
Es ist wichtig, karbonatisierten Beton zu erkennen und mit den richtigen Maßnahmen einen sogenannte Betoninstandsetzung vorzunehmen. Es gibt verschiedene Methoden, der Produktion von Calciumcarbonat entgegenzuwirken.
Wie prüft man, ob Betonbauteile karbonatisiert ist?
Um festzustellen, ob Betonelemente karbonatisieren, kann eine einfache Prüfung durchgeführt werden. Hier sind einige gängige Methoden:
Phenolphthalein-Test: Bei diesem Test wird eine Phenolphthaleinlösung auf eine Bruchfläche aufgetragen. Wenn der Beton karbonatisiert ist, verfärbt sich die Oberfläche von pink (alkalisch) zu farblos (neutral).
Chemische Testkits: Es gibt kommerziell erhältliche Testkits, die speziell zur Überprüfung der Carbonatisierung entwickelt wurden. Diese Kits enthalten Indikatoren, die eine Farbänderung anzeigen, wenn der Beton karbonatisiert ist.
pH-Test: Durch Messung des pH-Werts kann festgestellt werden, ob ein hoher Gehalt von Calciumhydroxid vorhanden ist. Normalerweise liegt der pH-Wert von nicht karbonatisiertem Beton bei etwa 12 bis 13, während karbonatisierter Beton einen niedrigeren pH-Wert aufweist.
Was sind die Folgen von karbonisierten Beton?
Sowohl Gebäude als auch Infrastruktur wie Brücken, Tunnel und Parkplätze können betroffen sein und ein unentdeckter Materialschaden kann eine große Gefahr darstellen. Es ist daher wichtig, die Carbonatisierung als potenzielles Problem bei der Planung, Konstruktion und Instandhaltung von Betonstrukturen zu berücksichtigen.
reduzierte Alkalität: Durch die Umwandlung von Calciumhydroxid in Calciumcarbonat wird die alkalische Umgebung im Betonmateiral neutralisiert. Dies kann zu einer verringerten Schutzwirkung für den in der Betonstruktur befindlichen Stahl führen.
Korrosion des Stahls: Die Neutralisierung der alkalischen Umgebung durch die Carbonatisierung kann die Korrosion des in der Betonstruktur eingebetteten Bewehrungsstahls fördern. Korrosion führt zur Bildung von Rost, der das Volumen des Stahls erhöht und zu Rissbildungen und strukturellen Schäden führen kann.
verschlechterte Festigkeit: Die Carbonatisierung kann auch die Festigkeit der Betonbauteile beeinträchtigen, insbesondere wenn die Karbonatisierung bis zur Bewehrungsebene fortschreitet. Dies kann die Struktur gefährden und die Tragfähigkeit reduzieren.
ästhetische Veränderungen: Karbonatisierter Beton kann eine Verfärbung aufweisen, da Calciumcarbonat in Form von weißen Flecken auf der Oberfläche sichtbar wird. Dies kann das Erscheinungsbild beeinträchtigen, insbesondere bei architektonischen Konstruktionen.
Wie kann man eine Carbonatisierung verhindern?
Es gibt verschiedene Maßnahmen, die ergriffen werden können, um die Carbonatisierung zu verhindern oder zu minimieren:
Verwendung von luftundurchlässigen Materialien: Durch die Verwendung von luftundurchlässigen Materialien wie wasserabweisenden Beschichtungen oder Dampfsperren kann der Kontakt von Calciumhydroxid mit Kohlendioxid reduziert werden.
Betonelemente mit niedrigem Wassergehalt: Betonmaterial mit niedrigem Wassergehalt hat eine geringere Porosität und ist weniger anfällig für die Aufnahme von Kohlendioxid aus der Luft.
Verwendung von Zusatzstoffen: Die Zugabe von Zusatzstoffen wie Flugasche oder Silikatstaub bzw. Silica Fume kann die Empfindlichkeit gegenüber Carbonatisierung verringern.
erhöhte Betonabdeckung: Eine ausreichende Betonabdeckung über dem Bewehrungsstahl kann dazu beitragen, dass die Carbonatisierung nicht bis zur Bewehrungsebene fortschreitet und die Korrosion des Stahls verhindert wird.
regelmäßige Wartung: Eine regelmäßige Inspektion und Instandhaltung von Betonkonstruktionen kann dazu beitragen, frühzeitig Anzeichen von Carbonatisierung oder Korrosion zu erkennen und geeignete Maßnahmen zu ergreifen.
