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Karbonatisierung des Betons

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Fachtext: FH Campus Wien

Allgemeines

Nach dem Abbinden (Hydratation) sind im Beton Calciumoxid in chemischer Bindung und freies Calciumhydroxid vorhanden. Letzteres wirkt alkalisch und verleiht dem Beton einen pH-Wert von bis zu 12,6 (Sättigungswert für Ca(OH)2. Als Karbonatisierung bezeichnet man die Umwandlung des Calciumoxids und Calciumhydroxids des Betons durch eindringende Kohlensäure zu Calciumcarbonat.

Eindringendes Kohlensäuregas reagiert nur nach Lösung im Porenwasser.

– Völlig trockener Beton kann daher nicht karbonatisieren.

– Wassergesättigter Beton wird nur sehr langsam karbonatisieren, da das Porenwasser das Eindringen der gasförmigen Kohlensäure sehr erschwert.

– Luftfeuchtigkeitswerte bis 80% fördern die Karbonatisierung (Hieraus resultiert z. B. die Festlegung der Betonüberdeckung in Abhängigkeit von den Umweltbedingungen)

Häufige Schlagregenbeanspruchung vermindert die Karbonatisierung, weil sie den Gehalt an Porenwasser hoch hält und somit das Eindringen von CO2 behindert. Am stärksten wird die Karbonatisierung bei anhaltend feuchter Luft ohne oder bei nur geringem Schlagregeneinfluss fortschreiten.

Auch in „trockenen“ Innenräumen kann bei ausreichendem Gehalt an Porenwasser Karbonatisierung stattfinden. Die Ausgleichsfeuchte im Beton reicht hierzu aus. Der Stahl wird in der Regel nicht rosten, weil das Feuchteangebot hierfür nicht ausreicht.

Eindringen von Wasser und Gasen in die Betonporen sowie Korrosion in Abhängigkeit von der Luftfeuchte

Die Karbonatisierung findet in mehreren Schritten chemischer Umwandlungen statt, die hier verkürzt wiedergegeben werden:

Der normale Gehalt der Luft an Kohlensäure beträgt etwa 600 mg/m³, in Industriegebieten, in Tiefgaragen kann er bis zu 2000 mg/m³ ansteigen

Folgen der Karbonatisierung

Die Karbonatisierung dringt als „Karbonatisierungsfront“ mehr oder weniger gleichmäßig in den Beton vor, wobei die Geschwindigkeit des Eindringens immer mehr abnimmt. Dabei entstehen:

– im Bereich der Karbonatisierung (also oberflächennah) eine deutliche Festigkeitssteigerung im Beton („Härtung“ durch Kalksteinbildung).

– eine Erhöhung der Dichte des Betons, die zu einer Reduzierung des weiteren Karbonatisierungsfortschrittes führt.

– ein Abfallen des pH-Wertes auf deutlich unter 10 und damit verbunden die Schädigung der Passivschicht des Stahles. Hieraus entsteht unter ungünstigen Umständen Rost.

Hinweis: Die „Härtung“ des Betons muss bei Messungen der Druckfestigkeit mit dem Rückprallhammer nach Schmidt berücksichtigt werden.

Eindringen der Karbonatisierung in den Beton

Ungerissener Beton

Von wesentlichem Einfluss auf die Karbonatisierung ist, wie schon angedeutet, die Dichtigkeit der oberflächennahen Betonschichten und damit die Betongüte und die Nachbehandlung.

Die Druckfestigkeit des Betons ist ein indirekter Indikator, da Betone höherer Festigkeit in der Regel auch mit niedrigerem w/z-Wert hergestellt und besser nachbehandelt werden. Somit nimmt die während der üblichen Nutzungsdauer von Bauwerken eintretende Karbonatisierungstiefe mit zunehmender Betongüte deutlich ab.

Das Eindringen der Karbonatisierungsfront in den Beton kann rechnerisch abgeschätzt werden. Die Eindringtiefe x als Funktion der Zeit t ergibt sich als Lösung der Diffusions-Differentialgleichung:

mit    DB = Diffusionskoeffizient für CO2 in teilkarbonatisiertem
Beton (abh. vom w/z-Wert) in cm²/s aus Versuchen

c1 = Kohlendioxidgehalt an der Betonoberfläche in g/cm³

a   = CO2-Menge, die zur Umwandlung sämtlicher karbona-
tisierter Hydratationsprodukte erforderlich ist, g/cm³

t     = Zeit in Sekunden

Einfluss des w/z-Wertes und der Luftfeuchte auf die Karbonatisierungstiefe

Karbonatisierungstiefe in Abhängigkeit von der Betonfestigkeitsklasse

An einer 30 Jahre alten Fassaden-Vorsatzschale wurde beidseitige Karbonatisierung festgestellt. Die Karbonatisierungstiefen betrugen an der frei bewitterten (aber mit Anstrich versehenen) Außenseite etwa 14 mm und an der mit feuchter Luft hinterlüfteten inneren Oberfläche etwa 18 mm.

Die größere Karbonatisierungstiefe an der Innenseite ist auf geringere Wasserfüllung der Poren zurück zu führen (kein Schlagregen).

Bohrkern aus hinterlüfteter Vorsatzschale – etwa C25

Intensive Karbonatisierung in Bereichen mit hoher Luftfeuchte aber ohne Schlagregen

Karbonatisierung im Bereich von Rissen

Ab einer gewissen Breite stellen Risse deutliche Schwachstellen mit schneller fortschreitender und weiter in die Tiefe reichender Karbonatisierung dar. Schmale Risse unter 0,2 mm Breite werden als unkritisch in dem Sinne angesehen, dass sie nicht wesentlich ungünstiger wirken als die ungerissenen Bereiche. Nach neueren Forschungsergebnissen werden selbst Risse bis 0,3 mm als zulässig erachtet (man bedenke, dass sich die Rissbreiten bei ausreichender Betondeckung bis hin zur Bewehrung deutlich verringern).

Je dichter (also besser) der Beton ist, umso stärker macht sich relativ der Einfluss der Risse bemerkbar. Die Karbonatisierungstiefe y im Riss kann in Abhängigkeit von der Rissbreite w durch eine modifizierte Gleichung aus der Risstiefe x benachbarter ungerissener Bereiche abgeschätzt werden:

Korrosion im Bereich von Rissen

Im Riss bildet sich zumeist eine lokale Anode, im Beton neben den Rissen entsteht ein kathodischer Bereich.

Quelle: FH Campus Wien

Die Fachhochschule FH Campus Wien bietet als Bildungsunternehmen eine bunte Vielfalt an 19 Bachelor- und 15 Masterstudiengängen, 5 Masterlehrgängen und 6 Diplomstudiengängen in den Bereichen Technik und Management, Gesundheit, Soziales, Public Management und Hochschuldidaktik. An der Schnittstelle zwischen den Disziplinen entsteht Innovation in Lehre, Forschung und Praxis.

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Written by bauinformant

9. August 2009 um 18:48

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