Dr. Dipl.-Ing. Wolfgang Fischer - Gutachter und Sachverständige für Rohre und Kunststoffe    
Beispiele
 
 
 

Karbonatisierung von Beton

Karbonatisierung

Die Bewehrung von Stahlbetonteilen ist durch die vollständige Umhüllung von Beton geschützt. Bei der Hydradation des Zements entsteht Calziumhydroxid. Dieses ist verantwortlich für die hohe Alkalität des Zementsteins mit einem ph-Wert ≥ 12. Es schützt den Stahl vor dem Rosten (der Korrosion). Calziumhydoxid nimmt jedoch im Lauf der Zeit Kohlensäure aus der Luft auf, was ein Absenken des pH-Werts auf etwa 9 zufolge hat. Im Bereich des dann karbonatisierten Betons ist der Schutz vor Feuchtigkeit, CO2 und sauren Lösungen nicht mehr gegeben. Die Folge ist, z.B. bei Außenbauteilen, die dem Schlagregen ausgesetzt sind oder bei häufig wiederkehrender hoher Luftfeuchtigkeit, dass die Bewehrung oberflächlich rosten kann, was mit einer Volumenvergrößerung und – bei Behinderung – mit einem Absprengen der Betonüberdeckung verbunden ist.

Je nach Dichtigkeit des Zementsteins (w/z-Wert-abhängig) kann die Kohlensäure aus der Luft einige Millimeter bis wenige Zentimeter in den Beton eindringen, (Karbonatisierungstiefe).

In der Betonnorm werden zwei Klassen von Expositionsklassen unterschieden, je nachdem ob die Bewehrungskorrosion infolge von Karbonatisierung oder durch das Eindringen von Chloriden erfolgt. In Abhängigkeit dieser Expositionsklassen sollen die Forderungen nach einem Mindestzementgehalt und einem höchstzulässigen Wasserzementwert, zusammen mit einer ausreichend langen Nachbehandlung für einen dauerhaften Rostschutz sorgen. Eine ausreichend dicke Überdeckung der Bewehrung ist in jedem Fall erforderlich.

Bei der Hydradation des Zements entsteht Calziumhydroxid Ca(OH)2. Dieses ist verantwortlich für die hohe Alkalität des Zementsteins mit einem ph-Wert ≥ 12. Dieses Calziumhydoxid nimmt jedoch im Lauf der Zeit Kohlensäure aus der Luft auf und wird in CaCO3 umgewandelt, was ein Absenken des pH-Werts auf etwa 9 zufolge hat.

Während die Bewehrung im Stahlbeton bei vollständiger Umhüllung mit Zementstein durch die hohe Alkalität auch bei Anwesenheit von Feuchtigkeit und Sauerstoff wirksam vor Korrosion geschützt ist, ist dies im Bereich des karbonatisierten Betons nicht mehr der Fall. Die Folge ist, dass bei Anwesenheit von Feuchtigkeit (z.B. bei Außenbauteilen, die dem Schlagregen ausgesetzt sind oder bei häufig wiederkehrender hoher Luftfeuchtigkeit) die Bewehrung oberflächlich rosten kann, was mit einer Volumsvergrößerung und – bei Behinderung – mit einem Absprengen der Betonüberdeckung verbunden ist. Je nach Dichtigkeit des Zementsteins (w/z-Wert-abhängig) kann die Kohlensäure aus der Luft einige Millimeter bis wenige Zentimeter in den Beton eindringen (Karbonatisierungstiefe).

Alkalität

Alkalität bezeichnet die Stärke einer Base. Je höher die Basizität, desto höher ist auch die Stärke der Base. Als basisch gelten Milieus mit pH-Werten über 7.

Bewehrung

Als Bewehrung bezeichnet man Stahl - oder Fasern, die in den Beton eingelegt sind und Zugkräfte aufnehmen können. Zur Verlegung der Bewehrung wird ein Bewehrungsplan erstellt. Die Bewehrung kann sowohl zur Aufnahme von Zugkräften (meistens aus Biegung - Biegezug) als auch von Druckkräften (Stützen) angeordnet werden. Wird der Stahl mechanisch vorgespannt und unter dieser Spannung eingebaut, spricht man von Spannbeton. Die Verwendung von Glasfaser- oder Kunstfasergeweben ist in der Entwicklung und wird verstärkt eingesetzt.

Stahlbeton

Ein Beton, der mit Stahleinlagen in Form von Drähten, Stäben oder Matten bewehrt ist.
Stahlbeton ist für Konstruktionen notwendig, bei denen starke Zugkräfte auftreten. Im Eigenheimbau können das beispielsweise Decken mit großen Spannweiten, freitragenden Treppen und Balkone sein.

Zementstein

Der Zementleim umhüllt die Gesteinskörner, füllt die Hohlräume und macht den Frischbeton verarbeitbar. Durch das Erhärten des Zementleims entsteht Zementstein. Die Beschaffenheit des Zementsteins ist maßgebend für den Festbeton.

Wasserzementwert

Der Wasserzementwert (w/z-Wert) beeinflusst entscheidend die Qualität des Betons:

  • Festigkeit des Betons:
    mit zunehmenden Wasserzementwert nimmt die Festigkeit des Betons ab.

  • Wasser- und Witterungseinflüsse:
    mit hohem Wasserzementwert saugt der Beton mehr Wasser auf, da die Kapillarporen zahlreich vorhanden sind. Gefahr von Rosten des Bewehrungstahls!

  • Hoher Zementwert:
    sorgt für schnelleres Schwinden und Austrocknen, Risse sind die Folge.

  • Sedimentation:
    Frischbeton mit hohem Wasserzemetwert, also dünnflüssigem Zementleim, sondert Wasser ab, weil die Zementkörnchen sich absetzen - auch Ausbluten genannt.

  • Betonfarbe:
    niedriger Wasserzementwert ergibt eine dunklere Oberfläche, mit hohem eine hellere.

Sämtliche Ausgangsstoffe haben Einfluss auf die Funktionalität und Qualität des Betons in seiner jeweiligen Anforderung. Wichtig für die erwünschte Qualität des Betons ist in jedem Fall die Festlegung des Zementgehaltes und der Wasserzementwert durch die Planer.

Bei Beton mit guter Oberflächenqualität muss der Zementgehalt über 350 kg/m³ liegen, das Zuschlag-Zement-Verhältnis darf den Wert 6:1 nicht überschreiten, der Wasserzementwert sollte nicht größer als 0,5 sein.

Gültig für die Herstellung von Beton ist die DIN EN 206-1 Beton, Teil 1: Festlegung, Eigenschaften, Herstellung und Konformität und die DIN 1045 - Tragwerke aus Beton, Stahlbeton und Spannbeton; Teil 2 – Festlegung, Eigenschaften, Herstellung und Konformität Anwendungsregeln zu DIN 206 – 1.

Expositionsklassen

In der DIN 206-1/DIN 1045-2 sind die chemischen und physikalischen Einflüsse, denen ein Gebäude oder Bauteil ausgesetzt sein kann in Expositionsklassen für Bewehrung und Betonkorrosion wie folgt eingeteilt:

  • kein Korrosions- oder Angriffsrisiko: XO
  • Bewehrungskorrosion: XC,XD,XS
  • Betonkorrosion:XF,XA,XM

Grundlage ist die Nutzungsdauer von mindestens 50 Jahren unter üblichen Instandhaltungsbedingungen.

Bewehrung

Bewehrung aus Stahl ist anfällig gegen Umwelteinflüsse und große Hitzeentwicklung beispielsweise durch Feuer. Sie muss deshalb durch eine ausreichend dicke Betondeckung geschützt sein, die im Regelfall zwischen 2,5 cm und 5 cm liegt. Die Betondeckung sichert

  • den Verbund von Beton und Stahl
  • den Korrosionsschutz
  • und den Brandschutz
Im oberflächennahen Bereich muss der Beton so beschaffen sein, dass er verdichtet und nachbehandelt ist, um große Rissbildung zu vermeiden. Auf die Notwendigkeit einer gründlichen und ausreichend lang wirkenden Nachbehandlung wird in DIN 1045-2 ausdrücklich hingewiesen. Die Nachbehandlungsdauer ist in DIN 1045-3 festgelegt und wird anhand der Festigkeitsentwicklung des Betons bestimmt. Nach DIN 1045-2 ist die Festigkeitsentwicklung in schnell, mittel und langsam erhärtend unterteilt.

Sind die vorgenannten Bedingungen erfüllt, ist ein korrosionsschützendes und alkalisches Milieu gewährleistet, die das Tragverhalten über die gesamte Nutzungsdauer gewährleistet. Die Betondeckung ist durch das Nennmaß definiert. Die Mindestmaße der Betondeckung hängen von den Umwelteinflüssen und von den Durchmessern der Stahleinlagen ab. Beim Zuschlag von Korngröße > 32 mm muss das Maß der Betondeckung entsprechend erhöht werden, ebenso bei noch zu behandelnden Oberflächen wie Waschbeton oder scharrierten Oberflächen sowie bei Bauteilen mit erhöhtem Brandschutz.

Die Bewehrungsführung ist in der DIN 1045-1 angegeben.



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