Schweizer Studie zeigt, dass Luftfeuchtigkeit ein entscheidender Faktor für die Korrosion von Beton ist

Laut einem neuen Modell des ETH Zürich kann eine Betonmischung mit niedrigem Kohlendioxid-(CO₂-)Ausstoß an einigen Standorten bis zu 50 Jahre lang nachhaltig genutzt werden, während sie an anderen Orten möglicherweise früher an Qualität verliert. Das am 7. September veröffentlichte Modell zielt darauf ab, die weitverbreitete Nutzung umweltfreundlichen Betons zu fördern, ohne zusätzliche Wartungsprobleme zu verursachen. Das Forschungsteam testete drei Betonmischungen und nutzte meteorologische Daten aus Zürich in der Schweiz, Bergen in Norwegen, Manaus in Brasilien und Huailai in China. Das Modell verfolgt die Feuchtigkeitsveränderungen im Betoninneren und berechnet die Korrosionsgeschwindigkeit der Bewehrung.

Luftfeuchtigkeit wird zum entscheidenden Faktor.

Der Einfluss der Luftfeuchtigkeit auf Beton

Beton ist in der modernen Architektur unverzichtbar, aber die Zementproduktion setzt große Mengen CO₂ frei. Niedrigemissionszement hilft beim Bau umweltfreundlicherer Gebäude, aber der Beton, der mit diesen Zementen hergestellt wird, karbonisiert oft schneller als traditionelle Mischungen. Bei der Karbonatisierung dringt CO₂ aus der Atmosphäre in den Beton ein und verändert seine chemische Zusammensetzung, was dazu führen kann, dass die schützende Schicht um die eingebettete Bewehrung entfernt wird und die Bewehrung rostet. Der aktuelle Standard konzentriert sich darauf, die Karbonatisierung zu verlangsamen, aber die Forscher weisen darauf hin, dass dies die Nachteile von CO₂-armen Rezepturen in Bezug auf die anschließende Korrosionsgeschwindigkeit der Bewehrung übersieht.

Der Einfluss der Luftfeuchtigkeit übertrifft die Unterschiede zwischen den drei Mischungen bei weitem. "Der Stahl rostet in feuchtem Beton bis zu 100-mal schneller als in trockenem Beton", sagt Cristhiana Albert vom Institut für Baustoffe der ETH Zürich.

Betonleistung unter verschiedenen Klimabedingungen

Obwohl die klimatischen Bedingungen an den vier Standorten unterschiedlich sind, ordnet der europäische Standard alle vier Standorte in die gleiche Kategorie "abwechselnd feucht und trocken" ein. Das Modell zeigt, dass die Leistung des gleichen Betons an jedem Standort völlig unterschiedlich sein kann. "Der Einfluss des Klimas übersteigt unsere Erwartungen bei weitem, der gleiche Beton kann unter verschiedenen Klimabedingungen völlig unterschiedlich abschneiden", sagt Ueli Angst, Professor für Materialbeständigkeit an der ETH Zürich. Bergen und Manaus bieten klare Beispiele, beide haben eine jährliche Niederschlagsmenge von etwa 2.500 Millimetern, aber die berechneten Korrosionsraten sind unterschiedlich.

Diese Diskrepanz kann durch den Zeitfaktor erklärt werden, da Beton schnell Wasser aufnimmt, aber langsam trocknet. Die Reihenfolge von Regen- und Trockenzeiten hat einen größeren Einfluss auf die jährliche Niederschlagsmenge oder die durchschnittliche Luftfeuchtigkeit als die Gesamtmenge des Niederschlags. Daher können einige Betonarten mit niedrigem CO₂-Ausstoß an einigen Standorten 50 Jahre oder länger nachhaltig genutzt werden, während sie in anderen Umgebungen möglicherweise früher an Qualität verlieren.

Das Modell muss noch in der Praxis validiert werden. Die Ergebnisse bedeuten nicht, dass Beton mit niedrigem CO₂-Ausstoß unbedingt weniger haltbar oder unsicher ist. Seine Festigkeit kann mit der von herkömmlichem Beton vergleichbar sein, und selbst wenn die Karbonatisierungsrate höher ist, kann die Korrosionsrate der Bewehrung immer noch langsamer sein, wenn das Material nicht feucht gehalten wird. "Wir müssen das langfristige Verhalten von umweltfreundlichem Beton unter verschiedenen klimatischen Bedingungen besser verstehen", sagt Albert. Daher müssen zukünftige Projekte möglicherweise Beton basierend auf dem lokalen Klima auswählen, anstatt in allen Regionen die gleichen Standards anzuwenden. Besonders feuchte Gebiete benötigen möglicherweise zusätzliche Maßnahmen, um die Wasserdurchdringung zu begrenzen.

"Der aktuelle Standard kann daher zu einem Hindernis für neue, umweltfreundlichere Materialien werden", fügt Angst hinzu.

Diese Methode ist noch nicht bereit für die routinemäßige Planung, ihre Berechnungen sind noch komplex und es ist weitere Validierung an tatsächlichen Gebäuden erforderlich, bevor Forscher einfachere Methoden zur Bewertung neuer Betonarten entwickeln können. Zukünftige Klimatests könnten auch die Auswirkungen des Klimawandels berücksichtigen, da Änderungen in der Häufigkeit und Dauer von Regen- und Trockenperioden die Korrosionsrate verändern und bestimmen könnten, welche CO₂-arme Betonart langfristig für einen bestimmten Standort geeignet ist.

Herausforderungen und Reaktionen auf umweltfreundlichen Beton

Mit dem wachsenden Umweltbewusstsein wird Beton mit niedrigem CO₂-Ausstoß zunehmend an Bedeutung gewinnen, aber seine langfristige Haltbarkeit wird durch klimatische Faktoren herausgefordert. Die Studie zeigt, dass der Einfluss der Luftfeuchtigkeit auf die Stahlkorrosion die Betonmischung selbst weit übertrifft, was bedeutet, dass die Leistung des Betons unter verschiedenen klimatischen Bedingungen stark variieren kann. Diese Erkenntnis veranlasst die Bauindustrie, die Standards neu zu überdenken, und zukünftig muss bei der Auswahl von Beton die regionale Klimacharakteristik berücksichtigt werden, um die Dauerhaftigkeit und Sicherheit der Struktur zu gewährleisten.