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Wie Beton altert

Das Alkali-Kalzium-Silikat-Hydrat wurde neu entdeckt. Die Kristallbildung ist verantwortlich für die Alterung von Betonbauwerken.

Beton altert – das ist nicht neu. Durch Witterungseinflüsse beginnt die Betonkorrosion, die Karbonatisierung der außen liegenden Betonschichten, was zur Reduzierung der Alkalität und damit zur Korrosion der Stahlbewehrungen führt. Je geringer deren Überdeckung, desto schneller ist der Beton ein Sanierungsfall.

Allerdings ist dies nicht die einzige problematische Alterungserscheinung. Da wäre zudem noch die Alkali-Aggregat-Reaktion (AAR), die tief in der Struktur des Betons ansetzt. Das Phänomen ist schnell beschrieben – und wieder ein Problem der Feuchtigkeit. Die dringt – je nach Wasserexposition unterschiedlich schnell – in den Beton ein, wo sie mit den alkalischen Bestandteilen des Zements Laugen bildet. Die wiederum reagieren mit den silikatischen Zuschlagstoffen Sand, Kies, Quarz, Feldspat. Als Ergebnis entsteht das erwähnte Alkali-Kalzium-Silikat-Hydrat, das in der Lage ist, weiteres Wasser einzulagern. Daraus wiederum resultiert eine Volumenzunahme der Betonstruktur, die in Form von Rissbildungen sichtbar wird. Besser gesagt: Nicht sichtbar, denn die Risse sind lediglich fünf bis 50 Mikrometer breit und damit selbst für die etablierte Röntgenstrukturanalyse zu fein.

Fünf bis zehn Jahre nach Fertigstellung beginnen sich diese unsichtbaren Risse zu bilden, nach drei bis vier Jahrzehnten Wachstum weiten diese sich auf und gefährden schließlich die Standfestigkeit des Betonbauwerks. In der Schweiz sind zahlreiche Brücken, und laut Empa bis zu 20 Prozent, der Staumauern von der AAR geschädigt.

Grund also, für die eidgenössische Materialprüfungsanstalt Empa, sich des Problems anzunehmen. Forscher der Empa und des Paul Scherrer Institutes PSI im schweizerischen Villigen haben nun gemeinsam die Kristallstruktur entschlüsselt – die chemische Reaktion war bereits bekannt.

Dazu nutzten die Forscher den extrem schmalen Röntgenstrahl des PSI-Synchotrons, um die auf 0,02 Millimeter Dicke heruntergeschliffene Probe einer knapp 45 Jahre alten Brücke in Graubünden zu analysieren. Erkennbar wurde dabei eine Silizium-Schichtenstruktur mit regelmäßig angeordneten Atomen, die man bisher in dieser Form noch nie sah.

Diese Grundlagenforschung soll dazu beitragen, bereits den Start der AAR zu hemmen oder gar ganz zu verhindern. „Es gibt prinzipiell die Möglichkeit, dem Beton organische Stoffe beizumengen, die den Spannungsaufbau reduzieren können“, so Empa-Forscher Andreas Leeman.

Erstmals überhaupt sichtbar gemacht: Die Kristallstruktur des AAR-Reaktionsproduktes. Fotos: Empa

Armin Scharf

praxisplus

Den beiden schweizerischen Instituten Empa und PSI gelang es erstmals, die Kristallstruktur sichtbar zu machen, die bei der Alkali-Aggregat-Reaktion entsteht und für die strukturschädigende Alterung verantwortlich ist.

www.empa.ch

Quelle: Malerblatt 02/2016
 

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