Korrosiver Angriff auf die Bewehrung

9.4.2.3.1 Carbonatisierung des Betons

Der pH-Wert des Porenwassers liegt durch das bei der Hydratation der Calciumsilicatpha – sen gebildete Ca(OH)2 (Gl. 9-16, 9-17) und die in Losung gehenden Alkalien im Bereich pH = 13…13,8. Diffundiert C02 aus der Umgebungsluft in den Beton, erfolgt eine Neutrali­sation des basischen Milieus des Betons. Das C02 reagiert mit dem im Porenwasser gelos – ten Ca(OH)2 zu Calciumcarbonat CaC03 (9-12):

Ca(OH)2 + C02 + H20 -> CaC03 + 2 H20

Diesen Vorgang bezeichnet man als Carbonatisierung des Betons. Durch die ablaufende Neutralisation wird die Konzentration der OH"-Ionen emiedrigt und der pH-Wert des Po­renwassers kann auf einen Wert < 9,5 absinken. Die Umwandlung des Ca(OH)2 in CaC03 fuhrt zu einem standigen Mangel an Ca(OH)2 in der Porenlosung, was eine allmahliche Auflosung der Portlanditkristalle des Zementsteins zur Folge hat. Auch die Hydratphasen des Zementsteins konnen carbonatisieren. Sie bilden bei Umsetzung mit Luftkohlensaure neben CaC03 Verbindungen unterschiedlicher Zusammensetzung, z. B. Si02 • n H20.

Im stark alkalischen Milieu des Zementsteins bildet der Stahl auf der Oberflache eine diinne, nur wenige Atomlagen umfassende Oxidschicht aus, den so genannten Passivfilm. Diese Schutzschicht besitzt eine Dicke von etwa 50 nm und besteht vor allem aus Eisenoxi – den. Sie schutzt die Stahlbewehrung im Bereich 11 ,5 < pH <13,8 gegen Korrosion.

Wie vorher beschrieben, kann unter Carbonatisierungsbedingungen der pH-Wert auf Werte unter 9,5 absinken. Bereits bei einem pH-Wert von ca. 11 wird die Wirkung der Passivie – rungsschicht sukzessive aufgehoben (Depassivierung) und der Stahl beginnt in Gegenwart von Luft (02) und Feuchtigkeit zu rosten. Es bildet sich FeO(OH), neben anderen Eisenoxi – den/-hydroxiden. Die entstehenden Korrosionsprodukte nehmen allesamt ein groiieres Vo – lumen als der metallische Stahl ein. Im Falle von FeO(OH) erhoht sich beispielsweise das Volumen auf mindestens das Doppelte (Кар. 8.2.2). Die Folge sind Treibwirkungen. Sie reichen haufig aus, um die im Schadensfall mitunter zu geringe Betondeckung abzuspren – gen (Abb. 9.39).

image162"Abbildung 9.39

Absprengung der Betondeckung durch Rosten der Bewehrung eines StQtzpfeilers

Fur den unbewehrten Beton hat die Carbonatisierung (friiher auch: chemische Alterung des Betons) keinerlei Konsequenzen. Im Gegenteil: Durch die Bildung von kristallinem СаСОз erhoht sich die Dichtigkeit des Zementsteins bei Portlandzementen.

Das Ausmafi der Carbonatisierung, die im Beton langsam von aufien nach innen fort – schreitet, hangt wesentlich von der Betonzusammensetzung (Porositat), der Nachbehand – lung des Betons, den Lagerungsbedingungen wahrend der Carbonatisierung (Luftfeuchte, Feuchtigkeitsgehalt des Betons) sowie der Carbonatisierungsdauer ab. Relative Luftfeuch – tigkeiten zwischen 50…70% bewirken einen schnellen Carbonatisierungsfortschritt, da fur den Neutralisiationsprozess C02 und H20 benotigt werden. An trockener Luft (relative Luftfeuchtigkeit < 30%) kann der Zementstein nicht carbonatisieren. Mit zunehmender Feuchtigkeit dringt die Carbonatisierungsfront langsamer in Richtung Bewehrung vor, da die Diffusion des C02 sukzessive erschwert wird. Befindet sich der Beton vollstandig unter Wasser, kann infolge weitgehenden Luftausschlusses eine Carbonatisierung ebenfalls ver – nachlassigt werden. Vor Regen ungeschutzter Beton im Freien carbonatisiert etwa 2…3 mal langsamer als vor Regen geschlitzter (,,im Freien unter Dach“), da – wie bereits betont – in den mit Wasser gefullten Poren die Diffusion des C02 ins Betoninnere vemachlassigbar ge – ring ist. Die Betoncarbonatisierung setzt sich in gut messbaren Fronten am Anfang schnel – ler, nach etwa 20…30 Jahren langsamer in die Tiefe fort. Erst wenn lokal der gesamte Kalk carbonatisiert ist, kann sich der Neutralisationsprozess nach innen fortsetzen. Wenn die Carbonatisierungsfront die Bewehrung erreicht hat, setzt die Korrosion am Stahl ein.

Ein niedriger w/z-Wert und ein hoher Zementgehalt wirken dem Carbonatisierungs­fortschritt entgegen. Beschleunigt wird die Carbonatisierung durch hohe C02-Konzentrati – onen und erhohte Durchschnittstemperaturen, z. B. in Ballungsgebieten.

Fur die Bestimmung der Carbonatisierungstiefe sind neben anspruchsvolleren Methoden wie der Rontgendiffraktometrie, der Polarisationsmikroskopie und der IR-Spektroskopie auch chemisch-analytische Verfahren im Einsatz. Eine sehr einfache qualitative Methode zur Bestimmung der Carbonatisierungstiefe ist die Anwendung von Saure-Base-Indikato – ren, meist von Phenolphthalein (im Sauren: farblos, im Basischen: rot; Umschlagpunkt bei pH = 9; Кар. 6.5.3.3). Man benutzt in der Regel eine l%ige alkoholische Phenolphthalein – losung, die auf die frische Bruchstelle des Mortels oder Betons aufgespriiht wird. Carbona- tisierte Bereiche bleiben farblos, nichtcarbonatisierte Bereiche farben sich rot. Die Carbo­natisierungstiefe ergibt sich als Abstand der Grenze des Farbumschlags zur jeweiligen Bau – stoffoberflache. Bei einer zweiten, mehr quantitativen Methode erfolgt die Bestimmung der Konzentration der OH~-Ionen mittels Saure-Base-Titration. Der Beton wird schichtweise abgetragen und auf eine bestimmte KomgroBe zerkleinert. Die titrimetrische Bestimmung der Konzentration an OFT-Ionen erfolgt entweder am pulverformigen Baustoff oder an der durch Extraktion des Baustoffes mit H20 erhaltenen Losung gegen eine starke Saure.