Der Sulfatwiderstand beschreibt die Beständigkeit von Beton gegen treibend wirkende chemische Angriffe durch Sulfate. Nach Expositionsklasse XA2 der DIN EN 206-1/DIN 1045-2 muss Beton als Beton mit hohem Sulfatwiderstand ausgelegt werden, wenn der Sulfatgehalt des auf das Bauwerk einwirkenden Wassers mehr als 600 mg/l beträgt. Entscheidend für die Dauerhaftigkeit sind die chemische Sulfatempfindlichkeit des Zements und die Fähigkeit des Zementsteins, die Diffusion von Sulfationen zu behindern.

Welche Zemente erfüllen die Anforderungen an hohen Sulfatwiderstand?

Für Betone ab Expositionsklasse XA2 schreibt die Norm die Verwendung von SR-Zement vor. Dieser sulfatresistente Zement erfüllt nach DIN EN 197-1 besondere Anforderungen an die mineralogische Zusammensetzung, um das Risiko von Gipstreiben und Ettringittreiben zu minimieren. Bei einem Sulfatgehalt des angreifenden Wassers bis 1500 mg je Liter darf alternativ eine Mischung von Zement und Flugasche verwendet werden.

Für die Verwendung von Flugasche als Ersatz für SR-Zement gelten nach DIN EN 206-1/DIN 1045-2 differenzierte Randbedingungen. Bei CEM I, CEM II/A-S, CEM II/B-S, CEM II/A-V, CEM II/A-LL, CEM II/A-M mit den Hauptbestandteilen S, V, T, LL und CEM II/B-M (S-T) muss der Flugascheanteil mindestens 30 Prozent der gesamten Bindemittelmenge betragen, ausgedrückt als f ≥ 0,3·(z + f). Bei CEM II/A-T, CEM II/B-T und CEM III/A genügt ein Flugascheanteil von mindestens 10 Prozent der gesamten Bindemittelmenge, entsprechend f ≥ 0,1·(z + f).

Mechanismen des Sulfatangriffs

Beim treibend wirkenden chemischen Angriff von Sulfaten ist zwischen Gipstreiben und Ettringittreiben zu unterscheiden. Gipstreiben entsteht durch die Reaktion von Sulfationen mit Calciumhydroxid im Zementstein unter Bildung von Gips, der ein größeres spezifisches Volumen aufweist und dadurch Spannungen im Gefüge erzeugt. Ettringittreiben resultiert aus der Reaktion von Sulfat mit den Aluminatphasen des Zements unter Bildung von Ettringit, einem hochvoluminösen Mineral, das ebenfalls Sprengdrücke verursacht.

Entscheidend für den Sulfatwiderstand des Zementsteins im Beton sind die chemische Sulfatempfindlichkeit der hydratisierten und noch nicht hydratisierten Bestandteile des Zements sowie die Fähigkeit des Zementsteins, die Diffusion der Sulfationen zu behindern. Dafür sind Betone hoher Dichtigkeit und damit hoher Festigkeit erforderlich.

Prüfverfahren zur Beurteilung des Sulfatwiderstands

In Deutschland wird der Sulfatwiderstand eines Zementsteins üblicherweise mit dem SVA-Schnellprüfverfahren bestimmt. Dabei werden Flachprismen mit den Abmessungen 10 mm × 40 mm × 160 mm in einer Natriumsulfat-Lösung (NaSO₄) gelagert, deren Konzentration stark überhöht ist und nicht den natürlichen Gegebenheiten entspricht. Die Lagerung erfolgt über einen Zeitraum von 91 Tagen, anschließend werden die durch Sulfattreiben entstehenden Dehnungen gemessen.

Andere Verfahren beurteilen den Sulfatwiderstand über die Gefügestörung nach Lagerung in einer Sulfatlösung. Dazu wird nach der Lagerung die Biegezugfestigkeit beziehungsweise Zugfestigkeit bestimmt und mit der von gleichlang in Wasser gelagerten Mörtelprismen verglichen. Die Praxis zeigt, dass Mörtel mit Zementen, die in der Praxis einen hohen Sulfatwiderstand aufweisen, nicht immer in diesen Prüfverfahren die Kriterien für einen hohen Sulfatwiderstand erfüllen. Derzeit werden modifizierte Prüfverfahren entwickelt, bei denen nach der Lagerung in der Sulfatlösung zusätzlich zur Dehnung der dynamische Elastizitätsmodul als Indikator für die Gefügestörung bestimmt wird.

Sonderregelung für Meerwasser

Beton, der Meerwasser widerstehen soll, erfordert trotz des hohen Sulfatgehalts dieses Wassers keinen SR-Zement. Die Normvorgaben berücksichtigen die komplexe Zusammensetzung von Meerwasser, in dem neben Sulfat auch Chlorid und weitere Ionen in hohen Konzentrationen vorliegen, die die Mechanismen des Sulfatangriffs beeinflussen.

Verbesserung des Sulfatwiderstands durch Zusatzstoffe

Die Verwendung von Steinkohlenflugasche kann den Sulfatwiderstand von Beton deutlich verbessern. Flugasche reagiert puzzolanisch mit dem bei der Zementhydratation entstehenden Calciumhydroxid und bildet zusätzliche Calcium-Silikat-Hydrat-Phasen, die das Gefüge verdichten und die Diffusion von Sulfationen reduzieren. Gleichzeitig senkt Flugasche den Gehalt an Tricalciumaluminat, der primäre Reaktionspartner für Sulfat, und erhöht die Dichtigkeit des Gefüges. Die quantitativen Mindestanforderungen an den Flugascheanteil sind in der Norm präzise definiert und müssen bei der Betonrezeptur strikt eingehalten werden.

Für Planer und Baustoffverantwortliche ist die korrekte Einstufung der Umgebungsbedingungen in die entsprechende Expositionsklasse entscheidend, um die langfristige Dauerhaftigkeit sulfatexponierter Bauteile sicherzustellen.