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Moving-Boundary-Modellierung der Karbonatisierung von Beton

ArbeitsgruppeAG Modellierung und PDEs
Leitung: Prof. Dr. Michael Böhm ((0421) 218-63841, E-Mail: mbohm@math.uni-bremen.de)
Bearbeiter: Prof. Dr. Adrian Muntean
Projektförderung: DFG SPP 1122
Projektpartner: Labor für Baustofftechnologie, Hochschule Bremen
Baustoffinstitut TU Dresden
Laufzeit: 01.07.2001 - 30.06.2006

Bild des Projekts Moving-Boundary-Modellierung der Karbonatisierung von Beton Stahlbeton ist ein weit verbreitetes Baumaterial. Es ist nicht nur preisgünstig, sondern auch sehr haltbar. In den letzten Jahrzehnten hat sich allerdings herausgestellt, dass die Haltbarkeit von Stahlbeton stark von der Korrosion seiner Stahlbewehrung beeinflusst wird. Normalerweise wird die Stahlbewehrung durch eine dünne Oxidschicht geschützt, die sich aufgrund der hochalkalischen Umgebung im Betoninneren bildet. Der hohe pH-Wert in Beton (etwa 13) ist in erster Linie bedingt durch das Ca(OH)2, das während des Abbindeprozesses gebildet wird. Da Beton ein poröses Material ist, diffundiert gasförmiges CO2 unter normalen Umweltbedingungen in sein Inneres, wo es mit vorhandenem Ca(OH)2 reagiert und dabei CaCO3 (und H2O) bildet.
Karbonatisierungs-Reaktion
Quaderförmiges Betonstück, bei dem der CO2-Angriff von links und von oben erfolgte (Experiment und Foto: TU Hamburg-Harburg)Quaderförmiges Betonstück, bei dem der CO2-Angriff von links und von oben erfolgte (Experiment und Foto: TU Hamburg-Harburg)
Während dieser Karbonatisierungsprozess keine akute Bedrohung für den abgebundenen Zement darstellt, senkt er den pH-Wert im Beton und ermöglicht so eine Korrosion der Stahlbewehrung. Dieses Phänomen wird als einer der primären, Korrosion auslösenden Prozesse in Beton angesehen und führt in Deutschland zu enormen Verlusten in Höhe von mehreren hundert Millionen Euro jährlich. Daher ist es von großer Wichtigkeit, einfache (d.h. leicht berechenbare) Modelle zu haben, mit denen die Wirkung der Karbonatisierung genau bestimmt werden kann.

Um den Fortschritt der Karbonatisierungsfronten in Beton zu bestimmen, werden Systeme partieller und gewöhnlicher Differentialgleichungen genutzt, wobei der Austausch von Bestandteilen zwischen Porenwasser und Porenluft ebenso berücksichtigt wird wie der zwischen Porenwasser und fester Matrix. Die chemischen Reaktionen werden im wassergefüllten Teil der Poren angenommen.

Schematische Darstellung der Karbonatisierungsfront in einem Betonbauteil. Schematische Darstellung der Karbonatisierungsfront in einem Betonbauteil.
Eine spezielle phänomenologische Eigenschaft der Karbonatisierung ist die Bildung von Reaktions-Oberflächen und/oder -Schichten, die in den Beton eindringen. Der Karbonatisierungsprozess wird als Ganzes formuliert. Das Resultat ist ein gekoppeltes System nichtlinearer partieller Differentialgleichungen in festen oder beweglichen Gebieten. Die wichtigsten Prozesse, die behandelt werden, sind die Karbonatisierungsbewegung und die Veränderungen in den Porenkonfigurationen, die von der Reaktion und dem Feuchtigkeitstransfer induziert werden. Die Betrachtung solcher Prozesse ermöglicht Schlussfolgerungen über das Verhalten von beweglichen Reaktionsfronten und kann zu einer besseren Vorhersage der Penetrationstiefen und des zeitlichen Beginns der Korrosion führen.