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Struktur der „Betonkrankheit“ entschlüsselt

Hässlich und zerstörerisch: Nahaufnahme von Rissen in Beton, die aufgrund der Alkali-Aggregat-Reaktion (AAR) entstanden sind. Foto: Empa / Andreas Leemann

Im Material bildet sich Kristalle mit ungewöhnlicher Anordnung der Atome, die zu den Rissen führen

Wenn Brücken, Staumauern und andere Bauwerke aus Beton nach einigen Jahrzehnten von dunklen Rissen durchzogen sind, dann ist AAR die Ursache: die Alkali-Aggregat-Reaktion. Umgangssprachlich auch Betonkrankheit oder gar Betonkrebs genannt, handelt es sich um eine chemische Reaktion zwischen im Beton vorhandenen Stoffen und Feuchtigkeit von außen. Wie das Material, das im Zuge der AAR entsteht, auf der Ebene einzelner Atome aufgebaut ist, haben jetzt Forschende der beiden Schweizer Einrichtungen Paul Scherrer Institut (PSI) und Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (Empa) entschlüsselt – und dabei eine bislang unbekannte kristalline Anordnung der Atome entdeckt.

Einfach gesagt handelt es sich um ein Phänomen wie beim Frieren von Wasser: Im Zuge der AAR entsteht ein Material (beim Frieren: das Eis), das mehr Raum einnimmt als der ursprüngliche Beton und ihn im Laufe von Jahrzehnten langsam von innen heraus sprengt.

Den genauen Aufbau dieses Materials haben die Forschenden nun ergründet. Sie konnten zeigen, dass hier die Atome sehr regelmäßig angeordnet sind, es sich also um einen Kristall handelt. Auch den Aufbau dieses Kristalls haben sie entschlüsselt: Es ist eine sogenannte Silizium-Schichtenstruktur, die in dieser Form noch nie zuvor beobachtet wurde. Diese Erkenntnis verdanken die Forschenden Messungen an der Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS am PSI.

Die Forschungsergebnisse wiederum könnten helfen, zukünftig langlebigeren Beton zu entwickeln.

Dabei sind bei der Betonkrankheit die Zutaten des Materials selber das Problem: Zement als Hauptbestandteil enthält Alkalimetalle wie Natrium und Kalium. Wenn nun Feuchtigkeit eindringt, wird sie alkalisch.

Die zweite Hauptzutat sind Sand und Kies. Diese wiederum bestehen aus mineralischen Gesteinen, beispielsweise Quarz oder Feldspat, so genannte Silikate.

Mit diesen reagiert nun das alkalische Wasser und führt zur Bildung von so genanntem Alkali-Kalzium-Silikat-Hydrat. Dieses wiederum kann neue Feuchtigkeit aufnehmen. Dadurch dehnt es sich aus und sprengt mit der Zeit den Beton von innen. Dieser gesamte Prozess ist die Alkali-Aggregat-Reaktion AAR.

Zunächst entstehen nur winzige Risse, die mit bloßem Auge nicht sichtbar sind. Im Laufe von drei, vier Jahrzehnten jedoch wachsen sie jedoch auf beträchtliche Breite und bedrohen schließlich die Dauerhaftigkeit des gesamten Beton-Bauwerks.

Auch wenn diese chemischen Vorgänge der AAR schon lange bekannt sind – die physikalische Struktur des im Zuge der AAR entstehenden Hydrats hatte bisher noch niemand identifiziert. Diese Wissenslücke konnten die Forschenden des PSI und der Empa nun schließen.

Es zeigte sich, dass das Hydrat eine bisher unbekannte Silizium-Schichten-Kristallstruktur aufweist.

Die Erkenntnisse zur Kristallstruktur aber geben Hoffnung, dass sich das Problem vielleicht lösen lässt: Prinzipiell besteht die Möglichkeit, dem Beton organische Stoffe beizumengen, die den Spannungsaufbau reduzieren können“, erklärt Materialwissenschaftler Leemann. „Unsere Erkenntnisse könnten die Basis für neue Materialentwicklungen sein.”

Quelle: Paul Scherrer Institut

Das Ergebnis im Fachblatt wichtigsten Fachmagazin für Baustoffforschung veröffentlicht: Cement and Concrete Research, 14. Oktober 2015 (online), DOI: 10.1016/j.cemconres.2015.07.012

(06.12.2015)