Einfluss von CO2-Druck und Betonfeuchtegehalt auf das Porengefüge des Betons während der Carbonatisierung

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Christoph Gehlen
• Fachliche Zuordnung: Baustoffwissenschaften, Bauchemie, Bauphysik
• Förderung: Förderung von 2012 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 221646279

Bei der Schädigung von Stahlbetonbauteilen durch carbonatisierungsinduzierte Bewehrungskorrosion ist der Carbonatisierungswiderstand des Betons eine maßgebende Einflussgröße. Um diesen Widerstand bestimmen zu können, werden aktuell sogenannte Schnelltests mit hohen (praxisfremden) CO2-Konzentrationen durchgeführt. Da diese Schnelltests das Praxisverhalten nicht korrekt abbilden, wird ihr Einsatz in der Fachwelt stark kritisiert. So zeigten Versuche der ersten Förderperiode bereits, dass CO2-Konzentrationen ≥ 4 Vol.-% zu einer starken Änderung des Porengefüges und des Phasenbestands führen, die sich so nicht in der natürlichen Carbonatisierung nach dreijähriger Exposition wiederfindet. Eine Beaufschlagung mit geringen CO2-Konzentrationen bis 2 Vol.-% und erhöhten Gasdrücken bis 10 bar veränderte hingegen das Betongefüge weit weniger und führte gleichzeitig zu einer effizienten Beschleunigung der Carbonatisierung. Außerdem konnte anhand von Feuchtegehaltsprofilen mit 1H-NMR festgestellt werden, dass die Bildung von Wasser während der beschleunigten Carbonatisierung den Carbonatisierungsprozess deutlich beeinflusst. Dieses Verhalten war stark abhängig von der Bindemittelart. So wurden bei Proben mit hohem Portlanditgehalt und damit hoher Bindekapazität insbesondere in den ersten zwei Tagen der CO2-Beaufschlagung ein signifikanter Anstieg im Porenwassergehalt gemessen, während bei Proben mit geringerem Portlanditgehalt und damit Bindekapazität (z.B. CEM III) die Carbonatisierung weniger durch anfallendes Wasser behindert wird.Während das Eindringen von CO2 durch Diffusion gut beschrieben ist, gibt es noch Forschungsbedarf zur Wirkung der Permeation und deren Auswirkung auf die Carbonatisierungsreaktionen. Daher sollen die Einsatzmöglichkeiten von CO2-Gasdrücken zur Bewertung des Carbonatisierungsverhaltens von zementgebundenen Baustoffen analysiert und besser verstanden werden. Durch Automatisierung der Feuchte- und CO2-Regelung sollen präzise Rahmenbedingungen für die Versuchsdurchführung geschaffen werden. Neben der Art des Bindemittels und des w/z-Werts sollen die Beaufschlagung mit CO2-Druck und Feuchtebedingungen orientierend auch der CO2–Konzentration gezielt variiert werden. In den Untersuchungen werden dünne Mörtelscheiben, Mörtel- und Betonzylinder in verschiedenen CO2/N2-Gasgemischen bei zyklischer Variation des Gesamtgasdrucks (0 bis 10 bar) und der Dauer (wenige Stunden bis zu 14 d) gelagert. Mit hochmodernen Prüfgeräten werden in Abhängigkeit von der Zeit die Verteilung von Wasser in der Randzone bestimmt (1H-NMR), die Bildung und Lösung von Phasen beobachtet (XRD, TGA, Al/Si-NMR, REM/EDX) und das Porengefüge quantifiziert (Hg-Druckporosimetrie, Permeabilität). Die Ergebnisse werden u.a. mit Hilfe thermodynamischer Rechenmodelle interpretiert. Zusammenhänge werden abgeleitet und Empfehlungen für einen Schnelltest für eine realitätsnahe Bestimmung des Carbonatisierungswiderstands gegeben.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Robin Edward Beddoe, Ph.D.