Carbonatisierung

Feuchtegehalt des Betons und Carbonatisierungsfront

Einfluss der Bauteillage im Freien auf die Carbonatisierungstiefe

Einfluss des Wasserzementwerts auf die Carbonatisierungstiefe (Zementgehalte 420 kg/m³ / 300 kg/m³ / 240 kg/m³)

Bildung von Calciumcarbonat CaCO₃ aus dem Calciumhydroxid Ca(OH)₂ des Zementsteins infolge Einwirkung von Kohlendioxid CO₂:
Ca(OH)₂ + CO₂ ergibt CaCO₃ + H₂O
Das Kohlendioxid kann aus der umgebenden Luft stammen oder durch CO₂-haltiges Wasser zugeführt werden.

Carbonatisierung und Dauerhaftigkeit
Für den Rostschutz der Bewehrung von Stahlbeton ist die Carbonatisierung von größter Wichtigkeit, da hinter der Carbonatisierungsfront durch die Umwandlung des Calciumhydroxid der pH-Wert sinkt und das für den passiven Korrosionsschutz erforderliche alkalische Milieu verloren geht. Die Betondeckung muss immer so dick sein, dass die carbonatisierte Schicht (Carbonatisierungsfront) nicht bis an die Bewehrung heranreicht.
Die Überprüfung, ob ein Beton carbonatisiert ist, erfolgt z. B. an Bruchflächen mit Phenolphthalein.

Einflüsse auf den Fortschritt der Carbonatisierung
Die Aufnahmefähigkeit des Betons für Kohlendioxid - und damit der Fortschritt der Carbonatisierung - hängt stark von seinem Feuchtegehalt ab. Wassergesättigte Körper nehmen praktisch kein Kohlendioxid auf. Aber auch ein vollständig trockener Betonkörper carbonatisiert nicht weiter, da ein gewisser Feuchtegehalt Voraussetzung für den Ablauf der chemischen Reaktion ist. Daher carbonatisieren Bauteile, die direktem Niederschlag ausgesetzt sind, langsamer als Bauteile im Freien, die vor direktem Niederschlag geschützt sind.
Die Carbonatisierungstiefe wird insbesondere von der Porosität und Durchlässigkeit des Zementsteins bestimmt. Ein ausreichend hoher Zementgehalt, ein ausreichend geringer Wasserzementwert, eine genügend hohe Alkalitätsreserve sowie eine sorgfältige Nachbehandlung verringern die Carbonatisierungsgeschwindigkeit auf ein technisch tolerierbares Maß.
Die Alkalitätsreserve bezeichnet die Fähigkeit eines Betons, das durch Carbonatisierung aufgebrauchte Calciumhydroxid im Porenwasser des Zementsteins zu ersetzen. Sie wird durch den Gehalt an freiem Calciumoxid CaO im Zementstein gebildet. Latent-hydraulische Stoffe und Puzzolane "verbrauchen" einen Teil des freien CaO. Eine ausreichende Alkalitätsreserve kann nach Manns aus dem CaO-Gehalt im Porenwasser von Hochofenzement mit hohem Hüttensandgehalt abgeleitet werden. Jahrzehntelange Erfahrung hat gezeigt, dass dieser einen ausreichenden Widerstand gegenüber den Einflüssen der Carbonatisierung aufweist. Nach verschiedenen Untersuchungen beträgt der Grenzwert 2,0 M.-% CaO, bezogen auf den Zement.

Einfluss der Carbonatisierung auf Formänderung und Druckfestigkeit
Die Volumenabnahme durch Umkristallisation und die Verdunstung des Wassers im Zuge der Carbonatisierung von Beton ist die Ursache für das Carbonatisierungsschwinden.
Carbonatisierung erhöht die Druckfestigkeit der carbonatisierten Bereiche im Beton (Ausnahme Sulfathüttenzement). Ursache ist wahrscheinlich der Ersatz des festigkeitsmindernden Calciumhydroxids durch das festigkeitssteigernde Calciumcarbonat. Durch die Carbonatisierung wird außerdem das Zementsteingefüge verdichtet.

Anforderungen an den Beton
Stahlbeton ist in die Expositionsklassen XC (Carbonation) einzuordnen, je nach Feuchtegehalt. Entsprechend der oben aufgeführten Erkenntnisse sind die Anforderungen an den Beton in der Expositionsklasse XC1 (trocken oder ständig nass) am niedrigsten, in XC4 (wechselnd nass und trocken) am höchsten.

Carbonatisierung und „CO₂-Verbrauch“
Weltweit werden rd. 25 % der CO₂-Emissionen der Zementherstellung durch die Carbonatisierung von Beton und Mörtel im Laufe ihrer Lebensdauer gebunden. Die Atmosphäre wird so wieder dementsprechend von Treibhausgasen entlastet.

Literatur

• Verein Deutscher Zementwerke e. V. (Hrsg.): Zement-Taschenbuch 51. Ausgabe. Verlag Bau+Technik GmbH, Düsseldorf 2008
• Locher, Friedrich W.: Zement – Grundlagen der Herstellung und Verwendung. Verlag Bau+Technik GmbH, Düsseldorf 2000
• Bakker, R.F.M.; Roessink, G.: Zum Einfluss der Karbonatisierung und der Feuchte auf die Korrosion der Bewehrung im Beton. Beton-Informationen 31 (1991) H. 3/4, S. 27-31
• Schröder, F.; Smolczyk, H.-G.; Grade, K.; Vinkeloe, R.; Roth, R.: Einfluss von Luftkohlensäure und Feuchtigkeit auf die Beschaffenheit des Betons als Korrosionsschutz für Stahleinlagen. Deutscher Ausschuss für Stahlbeton, Heft 182. Verlag Wilhelm Ernst & Sohn, Berlin 1967
• Verein Deutscher Zementwerke e.V.: Carbonatisierung des Betons. Einflüsse und Auswirkungen auf den Korrosionsschutz der Bewehrung.In beton 7-1972, S. 296-299
• Manns, Wilhelm: Gemeinsame Anwendung von Silicastaub und Steinkohlenflugasche als Betonzusatzstoff. In: beton 12/1997, S. 716 - 720
• Grube, Horst; Krell, Jürgen: Zur Bestimmung der Carbonatisierungstiefe von Mörtel und Beton. In: beton 3-1986, S. 104
• Wischers, Gerd: Langzeitverhalten von Betonbauwerken. In Betonwerk + Fertigteiltechnik 8-1984, S. 589-592
• Verein Deutscher Zementwerke e.V. (Hrsg.): Dekarbonisierung von Zement und Beton – Minderungspfade und Handlungsstrategien, S. 35. Düsseldorf, November 2020