Wissenschaft

ETH-Forscher entschlüsseln Korrosionsprozesse im Beton – und ebnen Weg für nachhaltigere Bauten

An dieser Stahlbetonmauer im Wallis erkennt man Korrosionsschäden.

An dieser Stahlbetonmauer im Wallis erkennt man Korrosionsschäden.

ETH-Forscher können berechnen, mit welcher Geschwindigkeit Stahl in Beton und anderen porösen Materialien rostet. Das könnte umweltfreundlichen Zementsorten zum Durchbruch verhelfen.

Wenn Stahlbetonbrücken unvermittelt einstürzen, kann es sein, dass der Stahl im Beton zu rasch gerostet ist und das Bauwerk deshalb den Belastungen nicht mehr standgehalten hat. Bis vor kurzem hat die Wissenschaft den Vorgang der Korrosion von Stahl in porösen Materialien – und dazu zählt Beton – nicht bis ins letzte Detail verstanden. Eine Forschergruppe um Ueli Angst, ETH-Professor für Dauerhaftigkeit von Werkstoffen, hat das alte Rätsel nun gelöst.

Den Beton kann man sich wie Emmentaler Käse vorstellen. Würde man eine Metallstange durch den Käse bohren, wäre das Metall teils von Käsemasse umgeben, teils von den Löchern im Käse. Analog der Stahl im Beton. Dort, wo der Stahl Feststoffe wie Zementstein oder Sandkörner berührt (Käsemasse), findet keine Korrosion statt. Anders an jenen Stellen, wo der Stahl mit Poren in Kontakt ist (Löcher im Käse). Sind die Poren mit Wasser gefüllt, kann es zu Korrosion kommen, nicht aber, wenn sie mit Luft gefüllt sind. «Je feuchter das Material ist, desto mehr Poren füllen sich mit Wasser, und das führt zu einer ausgeprägteren Korrosion», sagt Angst. Die Forscher haben ein Modell entwickelt, mit dem sie berechnen können, wie schnell Stahl in unterschiedlichen porösen Materialien rostet. Die Geschwindigkeit ist abhängig von der Porenstruktur des Materials und den Feuchtebedingungen.

Ist ökologischer Beton auch dauerhaft?

Beton enthält immer Poren. Die kleinsten sind einige wenige Nanometer (Milliardstel Meter), die grössten sind Millimeter oder gar Zentimeter gross. Den Anteil der Poren und die Verteilung der Porengrösse kann man bei der Produktion des Materials steuern. Je dichter der Beton ist, je weniger Poren er also enthält, desto dauerhafter und teurer ist er.

In dichterem Zementstein (links) ist die Korrosion (rötlich eingefärbt) weniger stark als in einem durchlässigeren Porensystem.

In dichterem Zementstein (links) ist die Korrosion (rötlich eingefärbt) weniger stark als in einem durchlässigeren Porensystem.

Um besonders dichten Beton herzustellen, braucht es mehr Zement. Dies führt grundsätzlich zu höheren Kosten und ist nicht sehr ökologisch. Bei der Herstellung von Zement wird viel CO2 freigesetzt. Die Zementindustrie ist global für rund 8 Prozent des CO2-Ausstosses verantwortlich. Seit Jahren arbeitet sie daran, alternative Rohstoffe für die Zementproduktion einzusetzen. Die bis jetzt gängigste Zementsorte weist eine Eigenschaft auf, die den Stahl im Beton vor Korrosion schützt. Bei den klimafreundlicheren Alternativen ist diese Eigenschaft weniger stark vorhanden.

Nach den heutigen Normen muss der Beton über die ganze Lebensdauer eines Bauwerkes sicherstellen, dass der Stahl gar nicht erst zu rosten beginnt. Mit den neuen Zementsorten kann man diese Vorgaben aber teilweise kaum mehr sinnvoll erfüllen. Und hier kommt die Entdeckung von Ueli Angst und seinem Forscherteam ins Spiel. «Korrosion muss nicht zwingend zu Schäden an einem Bauwerk führen, sofern sie langsam genug abläuft», sagt Angst. Und genau diese Geschwindigkeit können die Forscher nun berechnen. Ihre Erkenntnisse könnten also dazu führen, dass vermehrt umweltfreundlichere Zementsorten eingesetzt werden.

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