Kieselsäurehaltige Zuschläge und ständiger Wasserkontakt begünstigen die Alkalireaktion.
Betonschäden (Teil 2): Sulfattreiben und Alkalireaktion
Im Teil 1 des Beitrags zu typischen Betonschäden ging es um die Phänomene Carbonatisierung und Chloridschäden durch äußere chemische Einflüsse. Im Folgenden befassen wir uns nun mit Schäden durch Sulfattreiben und Alkalireaktion.
Das so genannte Sulfattreiben bei Beton-Bauteilen ist ein häufiges Phänomen, das durch eine Reaktion des Zementsteins mit sulfathaltigen Lösungen ausgelöst wird. Die betroffenen Zementbereiche in der Betonmatrix verwandeln sich dabei in Sulfatkristalle, die meist stark wasserhaltig sind.
Enorme Volumenvergrößerungen
Abwasserrohre aus Beton sind oft von Sulfattreiben betroffen.
Fotos: Pixabay
Durch die Reaktion kommt es oft zu massiven Spannungen im Beton, da die Sulfatkristalle in der Lage sind, sehr viele Wassermoleküle einzulagern. Volumenvergrößerungen um 300 Prozent und mehr sind keine Seltenheit. Man spricht hier von einer Treibreaktion – daher der Name Sulfattreiben. Als Folge kommt es zu Abplatzungen an der Betonoberfläche und zu großflächigen Rissbildern.
Verhindern oder zumindest abschwächen lässt sich das Sulfattreiben durch Verwendung von Betonmischungen, die Zemente mit hohem Sulfatwiderstand enthalten – so genannte HS-Zemente. Diese Bindemittel sind zementreduziert, als Ersatzstoffe kommen zum Beispiel Kalksteinmehl, Hüttensand oder Flugasche zum Einsatz. HS-Zemente sollte man einsetzen, wenn der Beton in einer Umgebung mit hohem Sulfatgehalt verbaut wird.
Sulfattreiben in der Praxis
Sulfate kommen zum Beispiel in vielen Böden, im Grundwasser und nicht zuletzt im Abwasser ganz normaler Haushalte vor. Schadensfälle treten daher häufig auf Verkehrsflächen und bei Abwasserbauwerken auf. Im Winter 2014 kam es zum Beispiel zu umfangreichen Betonschäden auf der kurz zuvor erneuerten Autobahn A71. Das Sulfattreiben war dort durch die örtlichen Gipsböden ausgelöst worden. Bei Gips handelt es sich chemisch betrachtet um Calciumsulfat.
Typisch sind auch Schäden an Abwasserrohren. Wenn durch erdverlegte, kühle Betonrohre das relativ warme Haushaltsabwasser fließt, dann setzt sich an ihren inneren Oberflächen schnell Wasserkondensat ab. Vermischt sich dieses Kondensat nun mit Schwefelwasserstoff-Gas, dann entsteht Schwefelsäure an der Betonoberfläche. Schwefelwasserstoff ist ein häufiges Nebenprodukt der biologischen Zersetzung von Eiweißen, die in Haushaltsabwasser meist in großen Mengen mitgeführt werden.
Trifft Schwefelsäure (Dihydrogensulfat) auf den Beton, dann beginnt das Sulfattreiben. Der Zementstein verwandelt sich dabei in Calciumsulfat – und damit in eine nicht wasserfeste Gipsverbindung. Verhindern lässt sich diese Form des Sulfattreibens durch Verwendung von Betonrohren, die innenwandig mit einer Schutzschicht ausgestattet sind. In Gelsenkirchen wurde zum Beispiel Ende 2005 ein von Sulfattreiben betroffener Abwasserkanal saniert und dabei mit einer Glasbeschichtung behandelt.
Alkalireaktion
Während Carbonatisierung und Lochfraß (siehe Teil 1 dieses Beitrags) sowie das Sulfattreiben durch Chemikalien aus der Umgebung des Betonbauteils ausgelöst werden, geht es bei der Alkalireaktion um eine Reaktion innerhalb des Betons, die nicht durch äußere Einflüsse angestoßen wird. Stattdessen kommt es zu einer ungewollten Reaktion zwischen Bestandteilen des Zements und den Gesteinskörnungen im Beton. Ursache ist also eine falsche Betonrezeptur. Allerdings kommt die Alkalireaktion nur bei solchen Bauteilen richtig in Gang, die regelmäßig mit Wasser in Kontakt kommen. Insofern spielen äußere Begebenheiten also doch eine Rolle.
Für die Alkalireaktion sind noch einige andere Ausdrücke gebräuchlich: Alkalitreiben, Betonkrebs und Alkali-Kieselsäure-Reaktion. Der letzte Name verweist auf die entscheidende Voraussetzung für das Phänomen. Die Alkalireaktion kommt nämlich nur bei Betonen vor, deren Gesteinskörnungen alkalilösliche Kieselsäure enthalten. Als kritisch haben sich diesbezüglich vor allem norddeutsche Opalsandsteine und Grauwacke-Sandsteine aus der Lausitz erwiesen. Da Zementstein hoch alkalisch ist (pH-Wert > 12), kommt es zu einer Reaktion mit der alkalilöslichen Kieselsäure, wodurch die Gesteinskörnungen ihr Volumen vergrößern. Dadurch wird die innere Festigkeit des Betons zerstört.
Beispiele für die Alkalireaktion
In den letzten Jahrzehnten waren vor allem Beton-Autobahnen und Beton-Eisenbahnschwellen von der Alkalireaktion betroffen. Bauwerke also, die regelmäßig mit Wasser in Kontakt kommen. Die Schäden betrafen in Deutschland hunderte Kilometer Autobahn sowie tausende Kilometer Bahnschienen und verursachten riesige Sanierungskosten. Da das Alkalitreiben oft erst viele Jahre nach Einbau des Betons seine zerstörerische Wirkung entfacht, dauerte es entsprechend lange, bis man auf das Problem aufmerksam wurde und die problematischen Gesteinskörnungen als solche identifizierte.
Mittlerweile ist man klüger. Die Alkalireaktion lässt sich heute einfach verhindern, indem man Gesteinskörnungen ohne alkalilösliche Kieselsäure verwendet. Wo man auf diese nicht verzichten möchte, kann man auch auf Zement mit niedrigem Alkaligehalt (NA-Zement) zurückgreifen. Der Deutsche Ausschuss für Stahlbeton (DAfStb) hat zu diesem Thema 2007 die Anwendungsrichtlinie „Vorbeugende Maßnahmen gegen schädigende Alkalireaktion im Beton“ veröffentlicht. Zu beachten ist in diesem Zusammenhang, dass sich der Alkaligehalt des Zements auch nachträglich noch infolge äußerer Einflüsse erhöhen kann – beispielsweise durch das Eindringen von Meerwasser oder Tausalzlösungen in den Beton.
Über den Autor
Roland Grimm ist seit Februar 2013 freier Journalist mit Sitz in Essen und schreibt regelmäßig Fachwissen-Artikel für
BaustoffWissen. Zuvor war er rund sechs Jahre Fachredakteur beim Branchenmagazin
BaustoffMarkt und außerdem verantwortlicher Redakteur sowie ab 2010 Chefredakteur der Fachzeitschrift
baustoffpraxis.
Kontakt:
freierjournalist@rolandgrimm.com
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