Grundlagen der Betoninstandsetzung (I)

• Karbonatisierung

Die Verbindung von mit Zement gebundener Gesteinsmasse (Beton) und innenliegender Bewehrung bezeichnen wir allgemein als Stahlbeton. Damit das Zusammenspiel der zugeordneten Aufgaben funktioniert - der Beton ist überwiegend zuständig für die Druckbelastung, der Stahl für die Aufnahme der Zugkräfte -, ist die Zusammensetzung bzw. die Anordnung und der dauerhafte Erhalt der einzelnen Komponenten von größter Wichtigkeit. Wenn hohe Zugkräfte aufgenommen werden müssen, werden Spannstähle zur Bewehrung verwendet und man spricht dann von Spannbeton.

zu geringe Betondeckung
Bilder: G.Swatek

Auf den Beton können verschiedene Schadensmechanismen einwirken, z.B. mechanische Belastungen oder chemischer Angriff. Der im Beton eingebettete Stahl wird bei ordnungsgemäßem Einbau von diesem geschützt und kann die ihm zugedachten Aufgaben übernehmen. Voraussetzung dazu ist, dass der Einbau des Stahles beim Betonieren richtig positioniert und mit einwandfreier Überdeckung versehen wurde. Ist dies nicht der Fall, treten früher oder später Schäden auf und wir sprechen dann von Schäden infolge Stahlkorrosion. Da dies das häufigste Schadensbild in der Betoninstandsetzung darstellt, wird im SIVV-Lehrgang überwiegend auf die Beseitigung dieser Schäden und die Ausführung geeigneter Schutzmaßnahmen eingegangen.

• Karbonatisierung

Beton enthält nach der Hydratation u.a. das sogenannte alkalische Kalkwasser (Porenwasser) bestehend aus Calciumhydroxid plus Wasser mit einem pH-Wert von 13-14 (zementabhängig). Stahl, der sich wie beim Frischbeton in einer derart alkalischen Umgebung befindet, wird mit einer Oxidschicht umgeben und ist somit durch diese Schutzhaut vor Korrosion durch Sauerstoffeinfluss geschützt.

Die Stabilität dieser Schutzhaut ist aber stark abhängig vom Wasser/Zementwert der Frischbetonmischung. Ein hoher W/Z-Wert vermindert die Festigkeit im Beton, erzeugt große Poren im Zementstein und fördert dadurch die Durchlässigkeit von Luft.

pH - Skala

Da Luft auch einen Anteil Kohlendioxid enthält, wird die Oxidschicht - das Schutzmäntelchen, auch als Passivschicht bezeichnet - durch die Reaktion von Calciumhydroxid und Kohlendioxid zerstört. Es entsteht Calciumkarbonat - daher der Ausdruck Karbonatisierung.
Maßgebender Faktor dabei ist der absinkende pH-Wert. Allgemein geht man davon aus, dass bei einem pH-Wert von < 10 die Zerstörung der Passivschicht einsetzt.

zeitlicher Karbonatisierungsverlauf

Durch die Bildung von Calciumkarbonat verstopfen sich allmählich die Poren, so dass im Laufe der Jahre der von der Oberfläche des Betons nach innen verlaufende Karbonatisierungsprozess abnimmt.

Einflussparameter der Karbonatisierung

Folgende Faktoren wirken sich auf das Karbonatisierungsverhalten aus:

• das Alter des Betons
• der Wasser/Zement-Wert
• die Art des Zementes
• die Umweltbedingungen (Standort des       Bauteils)
• die Nachbehandlung

Nebenstehende Skizze zeigt die Zusammenhänge. Man kann sehen, dass bei sonst gleichen Voraussetzungen, aber Änderung des Standortes des Betonbauteils vom Trockenen ins Freie mit starker Niederschlagseinwirkung (Sektor: Umweltbedingungen), die Karbonatisierungstiefe geringer ausfällt. Ferner ist zu beachten, dass der Faktor der Nachbehandlung nach dem Ablesen der Karbonatisierungstiefe noch einzurechnen ist. Im Beispiel mit 8 mm Karbonatisierungstiefe würde bei nur einem Tag Nachbehandlung der Wert mal zwei zu nehmen sein, so dass das Endergebnis 16 mm lauten würde. Daran kann man die Wichtigkeit der Nachbehandlung bei zementhaltigen Produkten (z.B. Beton, Mörtel, Spachtel) erkennen.

Phenolphthaleintest
Bild: M. Schröder

Die Tiefe der Karbonatisierung im Beton lässt sich u.a. durch das Aufsprühen von Phenolphthalein feststellen. Wichtig dabei ist, dass man zuvor eine frische Bruchfläche im Beton herstellt und diese unmittelbar danach ansprüht. Der nicht karbonatisierte Bereich färbt sich dabei violett. Alles was im äußeren Bereich des abgebildeten Würfels farblos ist, ist karbonatisiert.

• Zusammenfassung:   

• Stahl, der in einer stark alkalischen Umgebung (Calciumhydroxid mit pH = 10 - 14) liegt, ist durch eine Passivschicht (Oxidhaut) vor Korrosion geschützt.
• Durch den Einfluss von Kohlendioxid aus der Luft wird das Calciumhydroxid zu Calciumkarbonat umgewandelt. Dabei sinkt der pH-Wert ab.
• Liegt die Bewehrung im Bereich von karbonatisiertem Beton mit einem pH-Wert kleiner 10, geht die Schutzwirkung durch Zerstörung der Oxidschicht verloren.
  Der Verlust der Oxidschicht bedeutet aber nicht automatisch die Bildung von Rost!
• Die Tiefe der Karbonatisierung lässt sich durch Aufsprühen von Phenolphthalein auf eine frische Bruchfläche feststellen. Nicht karbonatisierte Bereiche färben sich violett.

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