Carbonatisierung bezeichnet die Reaktion von Kohlendioxid aus der Luft mit den alkalischen Bestandteilen des Zementsteins im Beton, insbesondere mit Calciumhydroxid. Dabei entsteht Calciumcarbonat, und der pH-Wert der Zementmatrix sinkt. Diese pH-Absenkung ist entscheidend: Die Bewehrung ist im stark alkalischen Milieu passiviert; erreicht die Carbonatisierungsfront die Bewehrungslage, kann die Passivierung verloren gehen, was Korrosion begünstigt.

Wie entsteht Carbonatisierung im Beton?

In der Regel setzt sich Beton aus Zement, Wasser und Gesteinskörnung zusammen. Durch Wasser kommt es zur Hydratation des Zements, was zu dessen Aushärtung führt. Bei dieser chemischen Reaktion entsteht Calciumhydroxid Ca(OH)₂. Calciumhydroxid besitzt einen pH-Wert von 12. Dank dieses alkalischen Milieus entsteht eine Passivierungsschicht auf der Stahlbewehrung, wodurch sie vor Korrosion geschützt wird.

Calciumhydroxid reagiert mit dem CO₂ aus der Luft zu CaCO₃ – Kalkstein. Diese Carbonatisierung ist zunächst nicht problematisch, weil sie den Beton festigt. Mit der Zeit bewirkt die chemische Reaktion jedoch eine Abnahme des pH-Werts. Sinkt der pH-Wert unter 9, ist das alkalische Milieu nicht mehr in der Lage, die Betonbewehrung zu schützen.

Welche Faktoren beschleunigen den Prozess?

Die Geschwindigkeit der Carbonatisierung hängt von mehreren Einflussfaktoren ab:

  • Feuchtegehalt: Carbonatisierung ist bei mittlerer relativer Luftfeuchte am aktivsten; sehr trockene oder gesättigte Poren hemmen die Reaktion.
  • Porosität und Wasserzementwert: Niedrige w/z-Werte, geringe Porosität und eine wirksame Nachbehandlung reduzieren die CO₂-Diffusion. Je größer die Porenoberfläche, desto schneller die Carbonatisierung.
  • Temperatur und CO₂-Konzentration: Höhere Temperaturen und erhöhte CO₂-Konzentrationen beschleunigen den Prozess.
  • Rissigkeit und Betondeckung: Risse und geringe Deckungen begünstigen die Frontwanderung bis zur Bewehrung.
  • Exposition: Außenbauteile und belüftete Innenbereiche mit Wechselklima karbonatisieren schneller.
  • Alter des Bauteils: Je älter das Bauteil, desto weiter kann die Carbonatisierung vorangeschritten sein.

Dichte, gut nachbehandelte Betone carbonatisieren langsamer; rissige oder ausgetrocknete Oberflächen schneller. Die Eindringtiefe wächst unter Praxisbedingungen näherungsweise proportional zur Quadratwurzel der Zeit.

Was passiert mit der Bewehrung?

Die vormals durch das alkalische Milieu geschützte Bewehrung ist der in Folge von Carbonatisierung eindringenden Feuchtigkeit schutzlos ausgeliefert und beginnt zu rosten. Dieser Prozess führt dazu, dass die Carbonatisierung auch nach außen hin sichtbar wird, denn durch den Rost vergrößert sich das Volumen der Bewehrung. Außerdem wird dabei ein Sprengdruck aufgebaut, durch den Betonteile abplatzen können.

Für Stahlbeton bedeutet dies: Neben der Dauerhaftigkeit beeinflusst Carbonatisierung auch mechanische Eigenschaften, etwa Dichte, Steifigkeit und lokale Sprödigkeit der Randzone. Typische pH-Werte carbonatisierter Zonen liegen im Bereich von etwa 8 bis 9.

Wie misst man die Carbonatisierungstiefe?

Um die Carbonatisierungstiefe zu ermitteln, wird der Beton an einer frisch aufgebrochenen Stelle mit einer Indikatorlösung (Phenolphthalein) benetzt. An der Stelle, an der der Beton nicht carbonatisiert ist, erzeugt der Indikator eine Violettfärbung. Solange nur die äußeren Schichten betroffen sind – also die ohne Verfärbung –, erzeugt der chemische Prozess noch keine Probleme. Erst wenn auch tiefere Schichten keine Färbung aufzeigen, ist die Stahlbewehrung nicht mehr ausreichend geschützt, sodass Maßnahmen zur Betonsanierung erforderlich sind.

Konsequenzen für Planung und Rückbau

Carbonatisierung ist ein zentrales Thema bei Planung, Instandsetzung und Rückbau von Stahlbeton. Sie verändert die chemische Beschaffenheit des Betons, beeinflusst die Korrosionsgefährdung der Bewehrung und damit die Lebensdauer eines Bauwerks. Für den praktischen Umgang – etwa beim Betonabbruch und Spezialrückbau, bei Entkernung und Schneiden oder bei der Sanierung – hilft ein tiefes Verständnis der Carbonatisierung, Abbruchverfahren und Werkzeuge sicher, effizient und materialgerecht auszuwählen.

Eine sorgfältige Zustandsaufnahme mit dokumentierten Versuchsbissen oder Probebohrungen schafft Planungssicherheit und reduziert Risiken im Bauablauf. Bei der Untersuchung des Prozesses müssen immer mehrere Einflüsse sowie die jeweiligen Betoneigenschaften berücksichtigt werden. Es kann passieren, dass die spezielle Beschaffenheit des Betons dazu führt, dass die Carbonatisierung gestoppt wird.