Alkalitätsreserve im Beton: Wie pH-Wert und CaO-Gehalt die Bewehrung schützen

Die Alkalitätsreserve bezeichnet die Fähigkeit eines Betons, das durch Karbonatisierung verbrauchte Calciumhydroxid im Porenwasser des Zementsteins zu ersetzen. Sie wird durch den Gehalt an freiem Calciumoxid (CaO) im Zementstein gebildet und entscheidet darüber, wie lange der Beton seine Schutzfunktion für die Bewehrung aufrechterhält. Ohne ausreichende Reserve sinkt der pH-Wert hinter der Karbonatisierungsfront ab – die Passivschicht auf dem Stahl verschwindet, und Bewehrungskorrosion setzt ein.

Wie entsteht die Alkalitätsreserve und warum ist sie wichtig?

Im Stahlbeton sorgt die hohe Alkalität des Porenwassers mit pH-Werten zwischen 12,5 und 13,5 für eine Passivschicht auf der Stahloberfläche. Diese Schicht unterbindet die anodische Eisenauflösung praktisch vollständig. Das chemische Fundament dieser Schutzwirkung ist Calciumhydroxid Ca(OH)₂, das bei der Hydratation des Zements entsteht. Dringt jedoch Kohlendioxid (CO₂) aus der Umgebungsluft in den Beton ein, reagiert es mit dem Calciumhydroxid zu Calciumcarbonat (CaCO₃) und Wasser:

Ca(OH)₂ + CO₂ → CaCO₃ + H₂O

Durch diese Karbonatisierung wird das alkalische Calciumhydroxid verbraucht, der pH-Wert sinkt. Die Alkalitätsreserve definiert die Menge an freiem Calciumoxid, die nachgeliefert werden kann, um das Porenwasser alkalisch zu halten und die Passivschicht zu stabilisieren. Latent-hydraulische Stoffe wie Hüttensand oder puzzolanische Zusätze verbrauchen allerdings einen Teil des freien CaO, wodurch die Reserve sinkt.

Messung der Alkalitätsreserve: Der CaO-Grenzwert

Eine ausreichende Alkalitätsreserve lässt sich aus dem CaO-Gehalt im Porenwasser ableiten. Jahrzehntelange Erfahrung mit Hochofenzement mit hohem Hüttensandgehalt hat gezeigt, dass dieser einen ausreichenden Widerstand gegenüber Karbonatisierung aufweist. Nach verschiedenen Untersuchungen beträgt der Grenzwert 2,0 Massen-% CaO, bezogen auf den Zement. Liegt der CaO-Gehalt darunter, ist mit beschleunigter Karbonatisierung und frühzeitiger Depassivierung der Bewehrung zu rechnen.

Die Überprüfung, ob ein Beton bereits karbonatisiert ist, erfolgt in der Praxis an Bruchflächen mit Phenolphthalein. Diese Indikatorlösung färbt sich in alkalischem Milieu (pH > 9) violett. Bleibt die Färbung aus, ist die Karbonatisierung bis zu dieser Tiefe vorgedrungen.

Einflussfaktoren auf die Karbonatisierung

Die Geschwindigkeit, mit der CO₂ in den Beton eindringt, hängt stark vom Feuchtegehalt ab. Wassergesättigte Körper nehmen praktisch kein Kohlendioxid auf, da die Poren mit Wasser gefüllt sind. Ein vollständig trockener Betonkörper karbonatisiert ebenfalls nicht weiter, weil ein gewisser Feuchtegehalt Voraussetzung für die chemische Reaktion ist. Deshalb karbonatisieren Bauteile, die direktem Niederschlag ausgesetzt sind, langsamer als solche im Freien, die vor direktem Niederschlag geschützt sind.

Die Karbonatisierungstiefe wird insbesondere von der Porosität und Durchlässigkeit des Zementsteins bestimmt. Folgende Parameter verringern die Karbonatisierungsgeschwindigkeit auf ein technisch tolerierbares Maß:

Expositionsklassen und Anforderungen

Stahlbeton ist in die Expositionsklassen XC (Carbonation) einzuordnen, je nach Feuchtegehalt. Die Anforderungen an den Beton steigen mit der Intensität der Feuchtwechsel:

Basierend auf der Expositionsklasse werden der erforderliche Mindestzementgehalt und der höchstzulässige Wasserzementwert festgelegt. Abhängig vom w/z-Wert ist die Dichtigkeit des Zementsteins mehr oder weniger hoch – und damit die Eindringtiefe des Kohlendioxids.

Chlorideinwirkung als zweites Depassivierungsrisiko

Neben der Karbonatisierung kann auch Chlorideinwirkung den passiven Korrosionsschutz zerstören. Dringen Tausalze oder Meerwasser in den Beton ein, verdrängen die Chloridanionen die Hydroxidionen an der Bewehrung. Bei Anwesenheit von Feuchtigkeit und Sauerstoff beginnt die Bewehrung zu rosten. Die Reaktionsprodukte (Eisenoxide) lagern sich an der Oberfläche der Bewehrungsstäbe ab und vergrößern das Volumen. Dadurch können Teile der Betonüberdeckung abgesprengt werden.

Für Bauteile, die Tausalzen ausgesetzt sind, gilt die Expositionsklasse XD (Deicing), für Meerwasserexposition XS (Seawater). Beide erfordern strengere Anforderungen an Betonrezeptur und Betondeckung als die XC-Klassen.

Fazit: Alkalitätsreserve gezielt planen

Die Alkalitätsreserve ist ein zentraler Parameter für die Dauerhaftigkeit von Stahlbetonbauteilen. Ein CaO-Gehalt von mindestens 2,0 Massen-% im Zementstein, kombiniert mit niedrigem Wasserzementwert, ausreichender Betondeckung und fachgerechter Nachbehandlung, sichert die pH-Wert-Stabilität über Jahrzehnte. Bei Verwendung latent-hydraulischer oder puzzolanischer Zusatzstoffe muss die Alkalitätsreserve gezielt nachgewiesen oder durch höhere Zementgehalte kompensiert werden. Regelmäßige Phenolphthalein-Prüfungen im Bestand ermöglichen die frühzeitige Erkennung von Karbonatisierungsschäden – lange bevor die Bewehrung korrodiert.