Ein Leitfaden zur Betonkarbonatisierung und zu beschleunigten Karbonatisierungsprüfungen

Der Mensch begann Beton , um Denkmäler zu errichten, die den Test der Zeit bestehen konnten.

Die alten Ägypter verwendeten eine Urform von Beton, um ihre Pyramiden zu bauen

Die Römer nutzten es zum Bau ihrer gewaltigen Aquädukte, die das rasante Wachstum des Reiches ermöglichten.

Im Jahr 1824 erfand Joseph Aspdin den Portlandzement, aus dem die modernen Wunderwerke entstanden, die wir noch heute genießen.

jedoch aufgrund der Karbonatisierung des Betons eingestürzt oder gefährdet.

Doch was genau ist Karbonatisierung und was macht Beton so besonders? Lesen Sie weiter, um mehr zu erfahren und herauszufinden, wie Hersteller beschleunigte Karbonatisierungstests durchführen.

Was ist Beton?

Beton ist ein Verbundwerkstoff, der aus einer Matrix und einem Bindemittel besteht. Die Matrix besteht aus Zuschlagstoffen aus Gesteinsmaterial, üblicherweise Kalkstein, Granit oder Kies.

Als Bindemittel dient üblicherweise Portlandzement , der die Matrix zusammenhält.

Nach den Bogue-Gleichungen enthält Portlandzement zwischen 60 und 67 % CaO, 17 bis 25 % SiO2, 3 bis 8 % Al2O3, 0,5 bis 6 % Fe2O3, 0,1 bis 4 % MgO, 1,3 bis 3 % SO3 und 0,4 bis 1,3 % Alkali.

Seine chemische Zusammensetzung macht es widerstandsfähigund fest und verleiht ihm die Fähigkeit, durch die anschließende Zugabe von Wasser seine Plastizität zu verlieren und an Kompaktheit zu gewinnen.

Einem trockenen Pulver und Zuschlagstoff wird Wasser hinzugefügt, wodurch eine weiche Substanz entsteht, die der Arbeiter in jede beliebige Form bringen kann.

Bei Konstruktionen aus Portlandzement wird häufig eine Stahlarmierung verwendet, wodurch eine stabile Struktur entsteht, die auch große Gewichte tragen kann, ohne sich zu verbiegen oder zu brechen.

Die größte Bedrohung für Betonkonstruktionen stellt jedoch der Prozess der Karbonatisierung.

Was ist Betonkarbonatisierung?

Die Karbonatisierung ist die chemische Reaktion zwischen Kohlendioxid CO2 und Zementhydratationsprodukten in Betonkonstruktionen.

Die Karbonisierungsrate hängt von vielen physikalischen Eigenschaften ab, wie zum Beispiel:

• Vorbereitung vor Ort
• Produktion und Schutz
• Die Gestaltung der Struktur

Zusätzlich zu den oben genannten Faktoren spielen auch andere Faktoren eine wichtige Rolle, wie beispielsweise der Standort des Bauwerks und seine Exposition gegenüber Schadstoffen.

Schließlich Umweltfaktorenwie Hitze, Regen, Schnee und Luftfeuchtigkeit eine Rolle bei der Kohlensäurebildung.

Welche Auswirkungen hat Kohlensäure? Warum ist sie schädlich?

Die Karbonatisierung dringt mit der Zeit immer tiefer in den Beton ein, im Allgemeinen mit einer Geschwindigkeit, die proportional zur Quadratwurzel der Zeit ist.

Die Betonoberfläche reagiert innerhalb weniger Stunden mit dem CO₂ in der Luft . Die Reaktion kann bei dickem Beton eine Tiefe von 1 mm und bei porösem und durchlässigem Beton 5 mm erreichen.

Dieser Prozess löst einen Dominoeffekt aus: Zunächst wird der pH-Wert reduziert, das heißt, die natürliche Alkalität des Betons wird von pH13 auf pH8 gesenkt.

Der niedrigere pH-Wert wiederum führt zum Abbau der Passivierungsschicht um den Stahl, wodurch der Bewehrungsstahl Wasser und Luft ausgesetzt wird und somit zu rosten beginnt.

Der verrostete Stahl dehnt sich dann aus und drückt gegen den umgebenden Beton.

Der Beton reißt schließlich, was die Struktur schwächt und sie ernsthaft gefährdet.

Die Karbonatisierung ist eine der vermuteten Ursachen für Gebäudeeinstürze in Lagos, Nigeria – ein Beispiel für die Schäden, die ungeprüfter Beton verursachen kann.

Es gibt gute Nachrichten.

Die meisten Menschen verbinden den Karbonatisierungsprozess mit der Schwächung der Bewehrung und dem Schrumpfen des Stahls, aber nicht alle Auswirkungen sind negativ.

Die Karbonatisierung erhöht auch die Druck- und Zugfestigkeit von Beton. Entscheidend ist es, das richtige Verhältnis zu finden. Dazu sind beschleunigte Karbonatisierungsversuche erforderlich.

Was ist der beschleunigte Karbonisierungstest?

Vereinfacht ausgedrückt handelt es sich bei diesem Test um nichts anderes als eineeingehende Untersuchung zur Beschleunigung der Kohlensäurebildung in einer kontrollierten Umgebung.

Für Betonfachleute ist dies eine Methode, ihr Produkt zu testen und seine Beständigkeit unter bestimmten Bedingungen zu bestimmen. Dieser Test wird durch die Prüfung der Korrosionsbeständigkeit. Daher ist es selbstverständlich, dass eine korrekte Diagnose von Problemen aus Sicherheits- und Präventionssicht von entscheidender Bedeutung sein kann.

Bei jedem Test werden unterschiedliche Parameter verwendet, je nachdem, welchen Bedingungen der Beton ausgesetzt sein kann.

Zu diesen Faktoren gehören unter anderem:

• • Die CO2-Gaskonzentration – Dies ist ein besonders wichtiger Faktor für Beton, der in den am stärksten verschmutzten Städten verwendet wird.
  • Luftfeuchtigkeit – Die optimale Luftfeuchtigkeit liegt zwischen 50 % und 70 %. Bei hoher Luftfeuchtigkeit ist weniger Wasser vorhanden. Zu viel Wasser hemmt die CO₂-Diffusion.
  • Temperatur – In wärmeren Umgebungen findet eine höhere Kohlensäurebildung statt.
  • Wasser-Zement-Verhältnis: Bestimmt das Porensystem des Betons und den Hydratationsgrad.
  • Porosität und Permeabilität

Das Problem besteht darin, dass es ohne die richtige Ausrüstung schwierig, wenn nicht gar unmöglich ist, all diese Variablen zu kontrollieren.

Bereits geringfügige Änderungen dieser Variablen können zu fehlerhaften Testergebnissen und zur Entstehung unzureichender oder unsicherer Konstruktionen führen.

Selbst wenn Forscher diese Faktoren berücksichtigen, kann es immer noch einen Unterschied zwischen dem Beobachteten und dem geben, was in einer realen natürlichen Umgebung tatsächlich geschieht.

Es ist unmöglich, alle Variablen zu kontrollieren, aber es ist möglich , die Erfolgsaussichten der Untersuchung zu erhöhen, wenn man die richtige Testkammer verwendet.

Um diese Tests in einem kontrollierten Labor durchzuführen, stellt FDM eine Testkammer_CO2- , die in der Lage ist, angereicherte Atmosphären zu simulieren und die von der Norm EN 12390-12 geforderten stabilen Temperatur- und Feuchtigkeitsparameter aufrechtzuerhalten.

Normen und Verfahren zur Prüfung von Beton auf Karbonatisierung

Die empfohlenen Profile für Karbonisierungstests sind:

• CO2-Gehalt bei 4%
• Relative Luftfeuchtigkeit bei 65 %
• Die Temperatur auf 20°C einstellen
• Aktive CO2-Regelung
• Ein effizienter Umwälzventilator
• Eine Referenzmischung
• Kalibrierung und ordnungsgemäße Aufzeichnung der Ergebnisse

Es wird empfohlen, die Proben einen Monat lang bei 20-23°C in Laborluft zu konditionieren.

Wenn Sie Beton mit einer Schutzbeschichtung testen, müssen Sie die Proben vor dem Auftragen der Schutzschicht sandstrahlen, sie drei Tage lang „aushärten“ lassen und sie dann mindestens drei Monate nach ihrer Auswahl ins Labor bringen.

Die ideale Dicke für den Test liegt zwischen 40 und 50 mm. Dadurch steht genügend Material zur Verfügung, um die Ergebnisse auszuwerten.

Abb. 1: Experimenteller Test der beschleunigten Karbonisierung

Abhilfemaßnahmen gegen die Karbonatisierung von Beton

Wie Sie sich leicht vorstellen können, gibt es keine Heilmittel oder Linderungsmaßnahmen, die ein Problem im Zusammenhang mit Beton, der einen Karbonatisierungsprozess durchlaufen hat, einfach lösen können.

Sehr oft ist die einzige Lösung, größere Sanierungsarbeiten durchzuführen, wenn keine schwerwiegenderen Probleme wie Einstürze oder irreparable Schäden mehr auftreten.

Die einzig praktikable Option ist, dem Problem vorzubeugen, indem alle notwendigen Tests und Analysen durchgeführt werden, bevor der Beton hergestellt und massenhaft für Bauarbeiten verwendet wird. 

Wie man die richtige Testkammer findet

Hier einige Vorschläge zum Verständnis der wichtigsten Beurteilungen, die während der Untersuchungsphase mit einer Betonprüfkammer vorgenommen werden müssen.

• Messen Sie für jede getestete Betonsorte unterschiedliche Variablen.
• Je nachdem, wo der Beton verwendet wird, sollten diesen Variablen unterschiedliche Werte zugewiesen werden.

  Beispielsweise muss der Feuchtigkeitsgehalt für die Prüfung von Beton, der in Florida verwendet wird, im Vergleich zu Prüfungen in Kansas erhöht werden. Außerdem muss die ganzjährige Hitze in Florida im Vergleich zu den kalten Wintern in Kansas berücksichtigt werden.

• Verwenden Sie eine Testkammer , die die gleichen Variationen wie die Experimente zulässt.
• Bevorzugen Sie eine Testkammer, die über einen längeren Zeitraum haltbar ist, insbesondere da die Prüfung der beschleunigten Karbonisierung ein fortlaufender Prozess ist.

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Wir bieten eine breite Palette an Testkammern für jeden Testbedarf.

Je nachdem, ob Sie Stabilitätstests oder dynamische Tests durchführen , können Sie zwischen verschiedenen Größen und zwei verschiedenen Controllern wählen

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Die Referenzstandards für Karbonisierungstests

Beschleunigte Karbonisierungstests werden durch mehrere internationale Normen geregelt, die Betriebsparameter, Probenvorbereitung und Bewertungskriterien definieren:

• EN 13295 — Bestimmung der Karbonatisierungsbeständigkeit von erhärtetem Beton nach dem europäischen Standardverfahren (1% CO₂, 20°C, 60% RH).
• EN 14630 — Verfahren zur Bestimmung der Karbonatisierungstiefe mittels Phenolphthalein-Test.
• UNI EN 12390-12 — Italienische Spezifikation für beschleunigte Karbonatisierungsprüfungen an erhärtetem Beton unter definierten Umgebungsbedingungen (3% CO₂, 20°C, 57% RH).
• ISO 1920-12 — Internationaler Standard für die Prüfung von Beton auf seine Beständigkeit gegen Karbonatisierung.
• RILEM TC 56-MHM — Technische Empfehlungen des RILEM-Komitees zur Messung der Karbonatisierungstiefe.
• ASTM C1202 — Ergänzendes Verfahren zur Bewertung der Chloridionenpermeabilität, das häufig in Verbindung mit Karbonatisierungstests angewendet wird.

Häufig gestellte Fragen zur Betonkarbonatisierung

Wie lange dauert ein beschleunigter Karbonisierungstest?

Ein Standardtest nach EN 13295 oder UNI EN 12390-12 dauert typischerweise 28 bis 70 Tage, wobei die Karbonatisierungstiefe regelmäßig gemessen wird. Langzeittests zur Validierung spezieller Zementmischungen können bis zu 180 Tage dauern. Der Vorteil des beschleunigten Tests (mit 3–4 % CO₂ im Vergleich zu 0,04 % atmosphärischem CO₂) liegt in einer 50- bis 100-fachen Reduzierung der Testdauer im Vergleich zur natürlichen Exposition.

Was sind die optimalen Umgebungsbedingungen für die Tests?

Die Normen konzentrieren sich auf einen engen Bereich: 20 ± 2 °C Temperatur, 57–65 % relative Luftfeuchtigkeit und 1–4 % CO₂-Konzentration. Die Luftfeuchtigkeit ist der kritischste Parameter: Unter 50 % verlangsamt sich die Karbonatisierung, da kein Wasser für die Reaktion vorhanden ist; über 75 % sind die Betonporen gesättigt und CO₂ kann nicht eindringen.

Wie wird die Karbonatisierungstiefe gemessen?

Das Standardverfahren nach EN 14630 ist der Phenolphthalein-Test: Die Probe wird gebrochen und eine 1%ige alkoholische Phenolphthalein-Lösung auf die frische Oberfläche gesprüht. Der nicht-karbonisierte Bereich (pH > 9) färbt sich rosaviolett, während der karbonisierte Bereich (pH < 9) farblos bleibt. Die Tiefe wird vom äußeren Rand bis zur Farbfront in Millimetern gemessen.

Benötigen Sie eine separate Klimakammer oder reicht ein klimatisierter Raum aus?

Für normkonforme Prüfungen ist eine spezielle Karbonisierungskammer mit simultaner CO₂-, Temperatur- und Feuchtigkeitsregelung sowie Datenaufzeichnung erforderlich. Ein klimatisierter Raum kann die CO₂-Konzentration weder kontrollieren noch über einen längeren Zeitraum stabil halten. Die Karbonisierungsprüfkammern von FDM verfügen über ein integriertes CO₂-Dosiersystem mit Rückkopplung und Konzentrationserhaltung innerhalb von ±0,2 %.

Autoritative Quellen

• ISO 1920-12 — Prüfung von Beton — Bestimmung der Karbonatisierungsbeständigkeit.
• RILEM — Internationaler Verband der Laboratorien und Experten für Baustoffe.
• fib – Internationaler Verband für Stahlbeton.
• UNI – Italienische Normungsorganisation.