Carbonatisierung (Beton)

Bewehrungskorrosion mit Betonabplatzungen infolge Carbonatisierung und geringer Betondeckung

Als Carbonatisierung wird im Bauwesen eine chemische Reaktion bezeichnet, die in jedem Beton bei Anwesenheit von Kohlendioxid und Feuchtigkeit (als Transport und Reaktionsmedium) abläuft.

Obwohl dieser Vorgang dem Beton selbst nicht schadet (eher im Gegenteil, durch die Entstehung von Kalkstein wird die Festigkeit erhöht) ermöglicht er im Falle von Stahlbeton durch den Verlust des alkalischen Milieus (Verlust der Passivierung) Bewehrungskorrosion, die schwerwiegende Schäden am Beton verursacht.

Chemische Reaktion im Beton

Carbonatisierung ist die chemische Umwandlung der alkalischen Bestandteile des Zementsteines durch CO₂ in Calciumcarbonat.

Carbonatisierungsreaktion des Zementsteins:

Ca(OH)₂ + CO₂ → CaCO₃ + H₂O

Calciumhydroxid aus dem Beton (Portlandit) und Kohlenstoffdioxid aus der Luft reagieren zu Kalkstein und Wasser

Dabei laufen folgende Teilreaktionen ab:

Lösen des kristallinen Portlandit

$\mathrm{Ca(OH)_2 \ \rightarrow \ Ca^{2+}+2OH^-}$

Lösen von CO₂ im alkalischen Porenwasser

$\mathrm{CO_2 + H_2O\ \rightarrow \ H_2CO_3}$

Neutralisation von Ca(OH)₂ durch H₂CO₃

$\mathrm{Ca(OH)_2 + H_2CO_3 \ \rightarrow \ CaCO_3 + 2\,H_2O}$

Es sinkt der pH-Wert des Zementsteines von durchschnittlich 12,5 auf unter 10 ab und die Porenstruktur des Zementsteins verändert sich.

Die Geschwindigkeit der Carbonatisierung von der Betonoberfläche aus in den Beton hinein hängt von verschiedenen Faktoren ab:

• Feuchtegehalt - Ein Maximum der Carbonatisierungsgeschwindigkeit stellt sich bei 50 – 70 % Betonfeuchte ein. Daher carbonatisieren trockene Betone in Innenräumen oder an witterungsgeschützten Einbauorten langsamer als Betone, die der freien Bewitterung ausgesetzt sind.
• w/z-Wert und die Druckfestigkeit des Betons.
• Porosität des Betons – Aufgrund der größeren Oberfläche carbonatisieren poröse Betone schneller als dichte Betone.
• Alter des Betons – Die Carbonatisierungsgeschwindigkeit verringert sich mit zunehmendem Betonalter nach dem Wurzel-Zeit-Gesetz. Aufgrund dieses Zusammenhangs lassen sich Aussagen zum Carbonatisierungsfortschritt treffen.

In Abhängigkeit von diesen Faktoren kann die Carbonatisierung ab einer gewissen Tiefe zum Erliegen kommen.

An frischen Betonbruchstellen oder Bohrkernen wird der Carbonatisierungsfortschritt (Carbonatisierungstiefe) durch Besprühen mit 1-prozentiger ethanolischer Phenolphthaleinlösung sichtbar. Bei pH-Werten zwischen 8,2 und 9,8 findet ein Farbumschlag von farblos (neutral) zu violett (alkalisch) statt.

Schadensbild an Stahlbeton

Schäden an einer Stahlbetondecke

Nachteilig ist die Carbonatisierung für den (oberflächennahen) Betonstahl. Bei pH-Werten des Betons oberhalb 10 bildet sich auf der Oberfläche des im Beton eingebetteten Bewehrungsstahls eine Passivierungsschicht, die den Stahl dauerhaft vor Bewehrungskorrosion schützt. Sinkt der pH-Wert im Beton, wird die Oxidschicht um den Betonstahl aufgelöst (Depassivierung). Dadurch nimmt die Stahloberfläche Korrosionsbereitschaft an und beginnt bei Vorliegen ungünstiger Parameter, z.B. ausreichende Feuchte, zu korrodieren. Da dieser Vorgang mit einer Volumenzunahme (ca. Faktor 2,5) verbunden ist, entstehen in der Umgebung des Bewehrungsstahles Zugspannungen im Betongefüge. Diese verursachen, wenn sie die Eigenfestigkeit des Betons übersteigen, Risse im Betongefüge, später Abplatzungen der Betondeckung. Die Erosion der oberflächennahen Betonzone bedingt zum einem den Verlust des Verbundes zwischen Bewehrung und Beton und zum anderen wird der Zutritt von korrosiven Medien weiter begünstigt. In der Folge treten meist strukturelle Schäden an der Stahlbetonkonstruktion auf.

Damit wird die Lebensdauer von Stahlbeton durch zwei Faktoren bestimmt: Zum einen ist es die Einleitungsphase, also der Zeitraum, innerhalb dessen die Carbonatisierung die Bewehrungslage erreicht. Zum anderen ist es die Zerstörungsphase, hier korrodiert die Bewehrung. Für die Berechnung der Einleitungsphase stehen anerkannte Modelle zur Verfügung. Ein probabilistisches Modell liefert das Heft 510 des Deutschen Ausschusses für Stahlbeton (DAfStb). Für die Zerstörungsphase liefert der derzeitige (Juli 2006) Stand des Wissens kaum anerkannte Modelle. Nähere Informationen lassen sich dem Heft 510 vom DAfStb entnehmen.

Siehe auch

• Schäden an Betonbauwerken
• Betoninstandsetzung

Weblinks

 Commons: Carbonatisierung – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

• Concrete corrosion (englisch)