Wie reagiert CO2 armer Beton auf das Klima?

Mit CO2 armem Zement hergestellter Beton karbonatisiert meist schneller als herkömmlicher. Das macht seine Verwendung vor allem bei Stahlbeton schwierig. Ist aber dabei klar, wie rt an einem spezifischen Standort auf Feuchtigkeit reagiert, wäre ein breiterer Einsatz möglich. Wie sich dies ändern liesse, weiss ein Team der  ETH.

Quelle: Ueli Angst, Copyright: ETH Zürich

Wie lange Stahlbeton hält, hängt nicht nur vom Material ab, sondern auch vom Klima am Standort. Genau diesen Einfluss wollen ETH-Forschende künftig besser vorhersagen.

Während pro Jahr weltweit rund 30 Milliarden Tonnen Beton verbaut werden, verursacht die Herstellung des darin enthaltenen Zements Unmengen an CO₂. Ein wichtiger Hebel für klimafreundlicheres Bauen sind Zemente, deren Produktion weniger CO₂ verursacht. Allerdings karbonatisiert derartiger Beton oft schneller als herkömmlicher. Dies, weil das aus der Luft eindringende CO₂ seine chemische Zusammensetzung verändert. Vor allem bei Stahlbeton ist dies problematisch; Der Stahl der im Innern für die Stabilität der Konstruktion sorgt, kann zu rosten beginnen.  Bau-Normen schreiben daher vor, dass der Stahl möglichst lange vor diesen Veränderungen geschützt werden muss, was aber umweltfreundliche Beton-Arten gegenüber herkömmlichem Beton benachteiligt. 

Wie eine die Untersuchung eines Forschungsteams der ETH zeigt, ist ein solcher Normansatz nicht optimal: Laut Cristhiana Albert vom Institut für Baustoffe der ETH Zürich ist entscheidend, wie schnell der Stahl danach tatsächlich rostet. Wesentlich ist dabei vor allem die Feuchtigkeit: Ist der Beton nass, kann dieser Prozess laut Albert bis zu hundertmal schneller ablaufen als im trockenen Zustand. Albert hat deshalb zusammen mit Kollegen drei Betonmischungen an vier Standorten mit unterschiedlichen Klimabedingungen untersucht: Zürich, Bergen in Norwegen, Manaus in Brasilien und Huailai in China. Dazu speisten sie detaillierte Wetterdaten in ein Modell ein, das die zeitlichen Schwankungen der Feuchtigkeit im Beton abbildet, und so zeigt, wie schnell der Stahl im Innern rostet. 

Beton verhält sich nicht überall gleich

Quelle: Ueli Angst, Copyright: ETH Zürich

Zuerst verändert eindringendes CO₂ den Beton. Danach bestimmen Wetter und Feuchtigkeit, wie schnell der Stahl im Innern rostet. Bei CO₂-armem Beton kann die erste Phase schneller ablaufen.

«Das Klima spielt eine viel grössere Rolle, als wir erwartet haben. Derselbe Beton kann sich in einem anderen Klima völlig anders verhalten» Dies, obwohl heutige europäische Normen alle vier Standorte der Kategorie «wechselnd nass und trocken», kommentiert Ueli Angst, Professor für Dauerhaftigkeit von Werkstoffen an der ETH Zürich, diesen Umstand, den er besonders überraschend fand. «Derselbe Beton kann sich in einem anderen Klima völlig anders verhalten.» Dies, obwohl heutige europäische Normen alle vier Standorte der Kategorie «wechselnd nass und trocken» zuordnen.

Besonders deutlich zeigte sich dies in  Bergen und Manaus. Denn obwohl beide Orten pro Jahr  rund 2500 Millimeter Niederschlag verzeichnen, rostet der Stahl gemäss den Berechnungen unterschiedlich schnell: Weil Beton Wasser schnell aufnimmt und nur langsam wieder austrocknet, ist von Bedeutung, wie sich Regen- und Trockenphasen abwechseln. Überdies verdeutlichen die  Modellrechnungen auch: Je nach Standort können unterschiedliche untersuchte CO₂-arme Betonarten 50 Jahre oder länger halten, unter anderen Bedingungen aber früher Schaden nehmen. Daher sagt die jährliche Regenmenge oder die durchschnittliche Luftfeuchtigkeit laut dem Forschungsteam allein noch wenig darüber aus, wie stark der Stahl im Beton angegriffen wird. 

CO₂-armer Beton ist nicht automatisch schlechter 

Wie es in der Medienmitteilung der ETH heisst, bedeuten die Ergebnisse nicht, dass CO₂-armer Beton grundsätzlich weniger lange hält oder gar unsicher ist. Bei der Festigkeit könne er mit herkömmlichem mithalten. Die entscheidende Frage ist vielmehr, wie er sich über Jahrzehnte verhält: Zwar kann er seinen natürlichen Schutz für den Stahl schneller verlieren, aber ist der Beton nicht dauerhaft feucht, rostet der Stahl über lange Zeit nur sehr langsam.  

Quelle: Maesi64, eEigenes Werk, CC0

Am Estadio Manuel Fuentes Borges in Barcoa, Kuba, hat die die Karbonatisierung Spuren hinterlassen.

«Wir müssen besser verstehen, wie sich klimafreundliche Beton-Arten unter unterschiedlichen Witterungsbedingungen langfristig verhalten», sagt Albert. Statt überall denselben Beton nach denselben Regeln einzusetzen, rät er künftig stärker zu berücksichtigen, wo ein Bauwerk steht. Eine einzige Lösung, die überall gleich gut funktioniert, wird es nicht mehr geben. So könnten zum Beispiel in besonders feuchten Regionen zusätzliche Massnahmen nötig sein, die das Eindringen von Wasser reduzieren. 

Dieser neue Ansatz könnte auch eine Hürde für CO₂-ärmere Baustoffe abbauen, da viele heutige Prüfverfahren für herkömmliche Zemente entwickelt worden sind. Angst dazu: «Die aktuellen Normen können dadurch zu einem Hindernis für neue und umweltfreundlichere Materialien werden.»

Vom Modell zur Praxis

Allerdings: Noch ist der entwickelte Ansatz nicht für die Planungspraxis geeignet. Denn die Berechnungen sind aufwendig und müssen an realen Bauwerken weiter überprüft werden. Langfristig will das Forschungsteam eine einfachere Methode entwickeln, mit der sich neue Beton-Arten schneller beurteilen lassen, ohne dass dafür jahrzehntelang Erfahrungen aus realen Bauwerken abgewartet werden müssen. Auch im Hinblick auf den Klimawandel ist dies sinnvoll: Verändern sich Häufigkeit und Dauer von Regen- und Trockenphasen, kann sich auch die Geschwindigkeit ändern, mit der Stahl im Beton rostet. Ein solcher «Klimatest» könnte künftig zeigen, welcher CO₂-arme Beton an welchem Standort langfristig geeignet ist. (mgt/mai)