Beton ist vielen chemischen Angriffen ausgesetzt – besonders aggressive Wirkung hat dabei der Sulfatangriff. Wenn Sulfationen aus Boden, Grundwasser oder Meerwasser in die Betonmatrix eindringen, reagieren sie mit den Hydratationsprodukten des Zements. Dabei entstehen unter bestimmten Bedingungen nicht nur die bekannten expansiven Verbindungen Ettringit und Gips, sondern auch das Mineral Thaumasit – ein Calciumsilicatcarbonatsulfathydrat mit der chemischen Formel CaSiO₃·CaCO₃·CaSO₄·15H₂O.

Während Ettringit den Zementstein durch innere Zugspannungen schädigt, führt Thaumasit zu einem fundamentaleren Problem: Es löst den Zementstein regelrecht auf. Die Entfestigung kann so weit gehen, dass die betroffenen Bereiche ihre Tragfähigkeit vollständig verlieren. Besonders gefährdet sind erdberührte Bauteile wie Brückenfundamente, Tunnelauskleidungen und Stützmauern in sulfatreichen Umgebungen.

Wie entsteht Thaumasit im Beton?

Für die Bildung von Thaumasit müssen mehrere chemische Komponenten gleichzeitig vorliegen: Kieselsäure, Calciumcarbonat, Sulfat, Wasser und Calcium. Kieselsäure, Wasser und Calcium sind in jedem Beton vorhanden – sie stammen aus den normalen Bestandteilen des erhärteten Zementsteins. Kritisch wird es, wenn Sulfat von außen zugeführt wird und Calciumcarbonat verfügbar ist.

Die Sulfatzufuhr erfolgt typischerweise über sulfathaltige Wässer und Böden. In ariden und semiariden Regionen können Boden-Sulfatkonzentrationen extrem hohe Werte erreichen – in bestimmten Regionen des Nahen Ostens, Australiens, des Westens der USA und Teilen Kanadas übersteigen sie 10.000 ppm (1 Gew.-%). Meerwasser enthält etwa 2.700 ppm Sulfat, was ebenfalls aggressive Bedingungen für Meeresbauwerke schafft.

Calciumcarbonat kann aus zwei Quellen stammen: Es kann als Bestandteil der Gesteinskörnung vorliegen – etwa bei Verwendung von kalkhaltigem Zuschlag – oder durch Carbonatisierung des Zementsteins gebildet werden. Bei der Carbonatisierung reagiert das Calciumhydroxid im erhärteten Zement mit Kohlendioxid aus der Luft zu Calciumcarbonat.

Was unterscheidet Thaumasit-Bildung von anderen Sulfatangriffen?

Der klassische Sulfatangriff auf Beton führt zur Bildung von Ettringit (3CaO·Al₂O₃·3CaSO₄·32H₂O) und Gips (CaSO₄·2H₂O). Diese beiden Verbindungen sind expansiv – sie nehmen mehr Volumen ein als die Ausgangsprodukte und erzeugen dadurch innere Zugspannungen. Das Ergebnis sind Rissbildung, netzförmige Rissmuster, Oberflächenerweichung und Abplatzen.

Thaumasit hingegen bildet sich bevorzugt bei niedrigeren Temperaturen und führt nicht primär zur Expansion, sondern zur direkten Auflösung des Zementsteins. Die Calciumsilicathydrat-Phasen (C-S-H), die für die Festigkeit des Betons verantwortlich sind, werden durch Thaumasit ersetzt. Der Beton verliert seine bindenden Eigenschaften und wird breiig oder pulvrig.

Besonders kritisch: Thaumasit-Bildung kann auch bei Temperaturen nahe dem Gefrierpunkt auftreten und ist daher in gemäßigten und kalten Klimazonen ein relevantes Risiko. Sie tritt häufig in Kombination mit Ettringit-Bildung auf, was die Schadensdiagnose erschwert.

Welche Bauteile sind besonders gefährdet?

Zu den am stärksten gefährdeten Bauwerken gehören alle erdberührten Betonelemente in sulfatreichen Umgebungen:

  • Brückenpfeiler und -widerlager in sulfathaltigem Grundwasser
  • Fundamente in Böden mit hoher Sulfatkonzentration
  • Tunnelauskleidungen, die direktem Kontakt mit sulfathaltigem Bergwasser ausgesetzt sind
  • Stützmauern und Entwässerungsbauwerke
  • Meeresbauwerke und Hafenanlagen
  • Flugplatzbefestigungen in sulfatreichen Böden

Die Bewertung des Sulfatangriffsrisikos erfolgt gemäß ACI 318 in vier Expositionskategorien: S0 (vernachlässigbar), S1 (moderat), S2 (stark) und S3 (sehr stark). Je nach Expositionsklasse gelten unterschiedliche Anforderungen an die Betonzusammensetzung, insbesondere an den Wasserzementwert, den Zementtyp und den Einsatz von Zusatzstoffen wie Hüttensand oder Flugasche.

Wie vermeiden Sie Thaumasit-Schäden in der Praxis?

Der wirksamste Schutz vor Thaumasit-Bildung ist die richtige Wahl der Expositionsklasse und die darauf abgestimmte Betonrezeptur. In sulfatreichen Umgebungen sollten Sie sulfatresistente Zemente mit niedrigem C₃A-Gehalt (Tricalciumaluminat) einsetzen. Hochofenzemente (CEM III) mit hohem Hüttensandanteil haben sich in der Praxis bewährt, da sie die Bildung von Calciumhydroxid reduzieren.

Zusätzlich ist ein niedriger Wasserzementwert entscheidend: Er verringert die Porosität des Betons und erschwert das Eindringen von Sulfationen. Bei besonders aggressiven Bedingungen (Expositionsklasse S3) kann eine zusätzliche chemische Abdichtung oder der Einsatz von Beschichtungen sinnvoll sein.

Praxis-Tipp: Lassen Sie vor Baubeginn bei erdberührten Bauteilen eine Bodenuntersuchung durchführen, die den Sulfatgehalt im Boden und Grundwasser ermittelt. Die Kosten dieser Analyse sind marginal im Vergleich zu späteren Sanierungskosten bei Thaumasit-Schäden.

Weitere Informationen zu verwandten Schädigungsmechanismen finden Sie in unserem Artikel zur Frost-Tau-Wechsel-Beständigkeit von Beton.