Numerische Berechnungen zum Einfluss der Hydrophobierung auf die Carbonatisierung von Beton

Heinrichs, J.1, Gerdes, A.2, 3
1 Hochschule Karlsruhe - Technik und Wirtschaft, Institut für Angewandte Forschung
2 Hochschule Karlsruhe - Technik und Wirtschaft , Fakultät für Mechatronik und Naturwissenschaften
3 Forschungszentrum Karlsruhe, Institut für Technische Chemie, Bereich für Wasser- und Geotechnologie

Aus technischen, ökologischen und ökonomischen Gründen nimmt die Dauerhaftigkeit von Stahlbetonbauwerken in der heutigen Zeit einen immer größeren Stellenwert ein. Schadensursachen an solchen Bauwerken werden oft durch chemisch-physikalische Prozesse, wie z.B. den kapillaren Transport betonaggressiver Wässer in die Betonrandzone, hervorgerufen. Um nun die Dauerhaftigkeit bzw. die Nutzungsdauer zu erhöhen, werden oberflächentechnologische Schutzmaßnahmen eingesetzt. Hierzu zählt beispielsweise die Hydrophobierung, durch die die kapillare Wasseraufnahme unterbunden wird. Dies bewirkt beispielsweise eine drastische Verringerung des Eindringens von Chloriden. Daneben verändert sie aber auch andere Werkstoffeigenschaften, wie zum Beispiel das Austrocknungsverhalten bzw. den Feuchtehaushalt des Betons. Eine weitere Schadensursache an Stahlbetonbauwerken stellt die Carbonatisierung dar. Auch hier hat eine Veränderung des Feuchtehaushalts einen direkten Einfluss auf das Fortschreiten der Carbonatisierung. Aus diesen Zusammenhang wird deutlich, dass die Carbonatisierung eines hydrophobierten Betons wesentlich durch den Feuchtehaushalt bestimmt und somit ein sehr komplexer Vorgang ist. Bisher ist der jetzige Stand des Wissens zu diesem Thema durch eine Reihe von offenen Fragen gekennzeichnet. So existieren auf der einen Seite Hinweise, dass die Carbonatisierung hydrophobierter Betone eher langsamer verläuft. Auf der anderen Seite liegen aber auch experimentelle Ergebnisse vor, die eine beschleunigte Carbonatisierung hydrophobierter Betone nachweisen. Diese Frage muss aufgrund ihrer großen Bedeutung geklärt werden, da dies die Voraussetzung für eine breite Anwendung der Hydrophobierung ist. Erschwert wird diese Aufgabe durch den Umstand, dass die Carbonatisierung ein langwieriger Prozess ist, d.h. es dauert Jahrzehnte bis die Carbonatisierungsfront die Stahlbewehrung erreicht. Dadurch ist es nur bedingt möglich aus experimentellen Untersuchungen das Korrosionsrisiko vorherzusagen. Aus diesem Grund wurde ein numerisches Modell entwickelt, welches den Transport von Feuchte und CO2, die Feuchtespeicherung und die chemische Reaktion als entscheidende Einflussgrößen für die Carbonatisierung im hydrophobierten Beton beschreibt. Dieses numerische Modell ermöglicht nun eine bessere Abschätzung des Carbonatisierungsfortschritts von Stahlbetonbauwerken. Die gewonnenen Erkenntnisse sind auch Vorraussetzung für die Entwicklung neuer bauchemischer Produkte. Für die Berechnung wird, vereinfacht ausgedrückt, der poröse zementgebundene Werkstoff als chemischer Festbettreaktor betrachtet. Für die Modellierung kam das Finite-Elemente-Programm „FEMLAB“ (Version 3.0) zur Anwendung. Hier steht für die angesprochene Problematik das „Chemical Engineering“ Modul zur Verfügung. Damit lassen sich dann Materialbilanzen wie beispielsweise Diffusion und Konvektion lösen.

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