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Eigenschaften von Calciumcarbonat CaCO3 und die Karbonatisierung


Bei Hydration von Zement entsteht als Nebenprodukt Kalkhydrat Ca(OH)2. Damit wird zum Beispiel der Betonkörper stark basisch mit einem pH-Wert von 12,6.
Ca(OH)2 ist wasserlöslich und kann so im Zementmörtel oder Beton gelöst und an die Oberfläche transportiert werden. An der Oberflächenschicht oder bei schlecht verdichteten und porösem Beton wird das Kalkhydrat mit dem über das Porensystem eindringende Kohlendioxid der Luft in Anwesenheit von Wasser zu Kalziumkarbonat CaCO3 (Kalkstein) überführt. Einerseits erfolgt die Verringerung der Porosität und eine Verfestigung des Gefüges und andererseits sinkt der pH-Wert von 12,6 auf 9,5 und der passive Korrosionsschutz des Bewehrungseisens wird aufgehoben. [3] Die Ablaufgeschwindigkeit des Karbonatisierungsprozesses ist bei einer relativen Luftfeuchte von 50 bis 70 % am größten. [3] Die Ausblühungen sind ein fest haftender, schwer entfernbarer weißer Belag aus CaCO3.

Ca(OH)2 + CO2 --> Ca CaO3 + H2O (Wie bei der Erhärtung von Luftkalk.)

Dieser Kalkstein ist als Aussinterung oder Ausblühung an der Betonoberfläche sichtbar.

"Neben der Bildung von Calciumcarbonat aus Calciumhydroxid sind auch Reaktionen des CO2 mit dem C-S-H-Gel und den Aluminatphasen möglich. Ersteres setzt sich dabei über eine topochemische Reaktion [6] in kristallines Calciumcarbonat [7] und amorphe Kieselsäure [8, 9] um, die nach EITEL [10] ein poröses Gel mit einer bimodalen Porenverteilung mit Maxima bei 5 nm und bei 200 - 400 nm darstellt:"

C-S-H + CO2 --> CaCO3 + Si02*H20.

"Die Karbonatisierung der Aluminathydrate führt zur Bildung von Calciumcarbonat und Aluminiumoxid, das als Bayerit und später als Gibbsit vorliegt [11]. Bei sulfathaltigen Aluminatphasen entsteht zusätzlich noch Gips [12]." [4]
Durch die Umwandlung von Calciumhydroxid in Calciumcarbonat nimmt das Volumen um etwa 11 Voll-% zu. Damit verringert sich das Porenvolumen. Dabei werden "kleine Poren (Mikroporen) verschlossen, da diese aufgrund ihrer höheren Oberflächenenergie bevorzugt als Keimbildungszentren für die Kristallisation von Calciumcarbonat aus der Porenlösung geeignet sind. Neben der Veränderung des Porensystems, die sich vor allem signifikant in einer Verdichtung des Kapillarporenraumes äußert, wird seine spezifische Oberfläche stark verringert."[4]

Die Tiefe und der Fortschritt der Karbonatisierung wird von mehreren Einflussgrößen bestimmt, dass sind ( Porengefüge, Zementart, Nachbehandlungsdauer, Feuchtigkeit, C02-Konzentration und die Diffusion von Kohlendioxid und deren Reaktion mit der Zementsteinphasen. BIER [5] Die CO2-Diffusion wird durch die chemische Reaktion von CO2 mit Calciumhydroxid und C-S-H zu Calciumcarbonat und amorphe Kieselsäure behindert.

Durch diese "Carbonatisierung" verringert sich der pH-Wert und der Korrosionsschutz des Bewährungseisens wird aufgehoben. Daher ist eine bestimmte Betonmindestdeckung laut ÖNORM B 4200-10 erforderlich. Im Innenbereich ist sie 1,5 cm und im Außenbereich 2,5 cm stark auszuführen. Bei Straßenbauten und tausalzhaltigem Sprühnebel von Verkehrsflächen 2,5 cm sowie 3,5 cm bei Flächen, die Frost-Tausalz-Angriffe oder chemischen Angriffe ausgesetzt sind. Sichtflächen und bei starkem mechanischem Angriff ist die Deckung um 1 cm zu vergrößern.

Eindringtiefe [in mm] der Karbonatisierung in Abhängigkeit der Betontiefe und der Nutzungszeit [1]

Betongüte7 Jahre30 Jahre
B40023
B300610
B2251017
B1601830

Luftkalk erhärtet an Luft, braucht CO2 und geringe Feuchte, um H2CO3 zu bilden.
Soll die Erhärtungsreaktion beschleunigt werden, so kann man zum Beispiel Propangasstrahler zum "Trocknen" von Putz verwenden (früher Koksbecken). Wichtig ist, dass ein Propangasstrahler beim Verbrennen von Gas neben der Wärme auch das für die Erhärtungsreaktion benötigte CO2 abgibt.
Wird statt dessen ein Elektrostrahler betrieben, so hat das eine Unterbrechung der Erhärtungsreaktion zur Folge, weil das benötigte CO2 fehlt. Beim erneuten Starten der Erhärtungsreaktion kann es durch CO2 Zufuhr (zum Beispiel beim Einzug) zu Bauschäden (zum Beispiel nasse Stellen an der Wand) kommen.

Welchen Einfluss eine Beschichtung auf die Karbonatisierung hat, zeigt die nachfolgende Tabelle einer praktischen Versuchsdurchführung.
Es wurden 16 Wochen lang die Karbonatisierung der Mörtelgruppe PI untersucht.[13]

BeschichtungTiefe der Karbonatisierung
Unbeschichtet8 mm
Acrylatfarbe0,5 mm
Silikonharzfarbe
ohne Grundierung
2 mm
Silikonharzfarbe
+ hydrophobe Grundierung
1 mm
Silikonharzfarbe
+ Tiefengrund
1 mm
Dispersionssilikatfarbe7 mm

Nachweisreaktionen

Nachweis der Karbonatisierung
Indikatorflüssigkeit: Phenolphthalein
Die Beton- oder Zementmörtelprobe aus dem Bauteilinneren erst kurz vor dem Versuch herausbrechen und von Staub säubern.
Das Probestück mit 1%iger Phenolphthaleinlösung betropfen. Nicht karbonatisierte Betonzone färbt sich rot-violett. Damit besteht ein ausreichender Rostschutz. Während der karbonatisierte Teil mit einem pH-Wert unter 9,5 farblos bleibt. [3, 1]

Nachweis von Carbonat CO32-
Man gibt eine kleine Probe der Ausblühung in ein Reagenzglas und versetzt das Salz wird mit 2 M HCl (Salzsäure)und beobachtet die Reaktion.

CO32- + 2 HCl ---> Cl2- + CO2↑ + H2O (heftige Reaktion, CO2 entweicht)

Nachweis von Calzium
Flammenfärbung als analytischer Nachweis, Platindraht bzw. Magnesiastäbchen in Salz einstecken und in nicht leuchtende Bunsenflamme wird eine ziegelrote Flamme(hell)(622,0 nm) und Grün (533,3 nm) angezeigt. [2]

Quellen:
[1] Hubert, Gerhard; Riccolona, Christof; Baustoffkunde, 1994, Manz Verlags- und Universitätsbuchhandlung Wien, S.68-69
[2] Jander, Gerhard; Blasius, Ewald; Lehrbuch der analytischen und präparativen anorganischen Chemie, S. Hinzel Verlag Leipzig 1965 S. 182, 196
[3] Scholz, Wilhelm; Baustoffkenntnis, Werner Verlag, 1995, S. 173, 295, 321
[4] Schlüßler, Karl-Heinz; Der Baustoff Beton Grundlagen der Strukturbildung und der Technologie 1. Auf. 1990, Verlag für Bauwesen Berlin S. 86-87
[5] Bier, T.A.: Carbonatisierung und Realkalisierung von Zementstein und Beton. Schriftenreihe des Instituts für Massivbau und Baustofftechnologie, H. 4. 1988
[6] Callejam, J.: Durability. Proc. of the 7th Int. Conf. an the Chemistry of Cement, Paris 1980, Principal Report
[7] Lach, V.; Saumann, Z.: The determination of CaCO3. modifications in the carbonated concrete. Rilem Int. Symposium of Carbonation of Concrete, Fulmer Grange 1976
[8] Slegers, P.A.; Rouxhet, P.G.: Carbonation of the hydration products of tricalcium silicate. International Cement Research., Vol.6(1976)
[9] Gaspar-Tebar, D.; Vasquez-Moreno, T.; Nunoz-Plaza, M.: Action du CO2 sur le liment Portland Hydrate dans des conditionnes normales. RILEM Int. Symposium an Carbonation of Concrete, Fulmer Grange 1976
[10] Eitel, W.: The Physical Chemistry of the Silicates. Chicago: The tiniversity of Chicago press 1954
[11] Gaspar, D.: Carbonation of Concrete. Mat. et Constr., IETCC- Spain. No. 163 (1976)
[12] Venuat, M.: Relation entre la carbonation du beton et les phenomenes de corrosion des armature du beton. Hnn. ITBTE, (1978)364
Weinmann, Kurt; Hösle, Richard; Bauschädliche Salze, Handbuch Bautenschutz Bd 2, Bauphysik und Bauchemie, expert Verlag 1992, S.47f
Eigene Aufzeichnungen von Peter Rauch
[13] Erfurth, Uwe; Fassadenanstrichsysteme Leipziger Bauführer 1995, S. 130

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