Was ist Sulfatangriff auf Beton?

Sulfatangriff ist eine chemische Reaktion zwischen Sulfat und dem Zementstein im Beton, die expansive Minerale bildet und den Beton reißen lässt. Die FHWA nennt Ettringit, Gips und Thaumasit als Produkte. Die britische Schreibweise ist Sulphatangriff. Es ist derselbe Vorgang.

Was reagiert

Sulfationen gelangen in das Porenwasser des Betons, entweder von außen oder von innen. Die Durchlässigkeit des Betons bestimmt, wie schnell sie eindringen. Die FHWA beschreibt die Reaktion in drei Formen.

• Ettringit ist ein Calciumsulfoaluminat-Mineral. Es bildet sich, wenn Sulfat mit den Aluminatphasen des Zementsteins reagiert. Die FHWA sagt, dass Ettringit den größten Teil der Schäden beim Sulfatangriff verursacht. Viele Forscher verbinden die Sulfatbeständigkeit eines Zements mit seinem Gehalt an Tricalciumaluminat (C3A), weil C3A bestimmt, wie viel Ettringit sich bilden kann.
• Gips entsteht, wenn sich Sulfat mit Calcium verbindet. Seine Expansion muss nicht zerstörerisch sein, aber Gips hat wenig Bindekraft, sodass der Beton seinen Zusammenhalt verliert. Die FHWA nennt einen Grenzwert: Gipskorrosion verstärkt die Schäden direkt oberhalb von 1 000 ppm Sulfat und spielt kaum eine Rolle, bis das Sulfat 4 000 ppm übersteigt.
• Thaumasit ist ein Mineral wie Ettringit, bei dem Kieselsäure statt Tonerde steht. Es hängt vom Calciumsilicathydrat (CSH) des Zementsteins ab, nicht vom C3A-Gehalt. Ein Zement mit niedrigem C3A-Gehalt begrenzt es daher nicht. Die FHWA sagt, dass es sich bei niedrigen Temperaturen leichter bildet und dass es oft mit Ettringit verwechselt wird. Es kann so lange fortschreiten, bis kein Bindemittel mehr übrig ist.

Äußerer und innerer Angriff

Bei einem äußeren Sulfatangriff dringt Sulfat von außerhalb des Betons in ihn ein und reagiert mit den Aluminatphasen des Zementsteins. Die FHWA nennt Grundwasser und Enteisungsmittel als Beispiele. Boden ist die häufigste Quelle. Die Schädigung hängt von der Quelle, der Sulfatkonzentration, der Durchlässigkeit des Betons und der Zusammensetzung des Zementsteins ab.

Enteisungssalz ist ein zweiter Weg. Die FHWA berichtet, dass Standard-Steinsalz nur zu 92 Prozent rein sein kann. Die Verunreinigungen sind oft Gips und Anhydrit. Eine Studie fand bis zu 4 Prozent Calciumsulfat in natürlichem Steinsalz. Die FHWA nennt die Schäden durch diese Verunreinigungen Enteisungsschäden.

Ein innerer Sulfatangriff nimmt das Sulfat aus dem Inneren des Betons. Die FHWA nennt drei Formen:

• Verzögerte Ettringitbildung (DEF) ist Ettringit, der sich im Beton nach dem Erhärten und dem Erreichen seiner Festigkeit bildet. Hohe Temperaturen während der frühen Erhärtung verhindern, dass sich primärer Ettringit richtig bildet. Nachdem der Beton abgekühlt ist, reagieren Sulfat und Aluminat und bilden expansiven Ettringit. Die FHWA zitiert Forschung zu einer Mindesttemperatur von 65 bis 80 °C, wobei viele Quellen 70 °C angeben. Sie merkt an, dass Dampfhärtung der übliche Zusammenhang ist und dass nicht sicher ist, ob vor Ort betonierte Befestigungen solche Temperaturen erreichen.
• Überschüssiges Sulfat stammt aus langsam löslichem Sulfat im Klinker, in der Flugasche oder im Zuschlag. Es erzeugt eine Expansion im Zementstein wie der äußere Angriff. Die FHWA sagt, dass es in einer Befestigung kaum möglich ist, es von DEF zu trennen.
• Sekundärer Ettringit ist Ettringit, der sich löst und dann in Hohlräumen und Rissen erneut kristallisiert. Die meisten Fachleute stimmen überein, dass er keinen ausreichenden Druck erzeugt, um intakten Zementstein zu zerbrechen. Er kann Luftporen füllen, und das kann den Frost-Tau-Widerstand verringern.

So erkennt man ihn

Die FHWA nennt für beide Arten feine Risse nahe Fugen und Plattenrändern oder Netzrisse über die ganze Platte. Äußerer Angriff zeigt sich meist zuerst als Rissbildung nahe Fugen und Plattenrändern, innerhalb weniger Jahre nach dem Bau. In fortgeschrittenen Fällen sagt die FHWA, dass der Zementstein zu einem nicht zusammenhaltenden Pulver werden kann. Die FHWA sagt, dass innerer Angriff sich bei vielen Bauwerken als eng stehende, feine Netzrisse mit in regelmäßigen Abständen breiten Rissen zeigt.

Andere Mechanismen erzeugen dasselbe Muster. Die FHWA nennt dieselben Risse für Alkali-Kieselsäure-Reaktivität (ASR) und Alkali-Karbonat-Reaktivität (ACR), daher zeigt die Rissbildung allein nicht die Ursache. Der Zeitpunkt des ersten Auftretens hilft ein wenig:

Ein zweites FHWA-Merkblatt (HIF-15-018) gibt 1 bis 5 Jahre für äußeren Angriff an. Die Bereiche überlappen sich, daher klärt die Zeit die Ursache ebenfalls nicht.

Ettringit in einem Bohrkern ist kein Beweis. Die FHWA sagt, dass Ettringitablagerungen in Luftporen und Rissen geschädigten Betons sehr häufig sind. Der Ettringit kann ein Anzeichen für Wasserbewegung sein und nicht die Ursache der Schäden. Die FHWA verlangt einen Petrografen, der Dünnschliffe des Bohrkerns anfertigt und beurteilt, ob der Ettringit die Rissbildung verursacht hat oder Risse füllt, die ein anderer Mechanismus erzeugt hat. Die FHWA sagt außerdem, dass Bohrkerne die volle Dicke des Betons umfassen sollen. Als Rahmen für die petrografische Untersuchung nennt sie ASTM C856. Unter dem Mikroskop zeigt sich DEF als Spalte im Zementstein um Zuschlagkörner, im Verhältnis zur Korngröße.

ACI 318 Expositionsklassen

ACI 318-19 ordnet die Sulfatexposition in vier Klassen nach dem wasserlöslichen Sulfat im Boden oder im Wasser ein. Der Wert für den Boden ist in Massenprozent und stammt aus ASTM C1580. Der Wert für das Wasser ist in ppm und stammt aus ASTM D516 oder ASTM D4130. Meerwasser gehört zu S1.

MS und HS bedeuten die mäßig und hoch sulfatbeständigen Typen von Mischzement. S3 hat zwei Optionen. Die erste ist 0,45 und 4 500 psi mit einem Puzzolan oder Hüttensand. Die zweite ist 0,40 und 5 000 psi mit reinem Typ V. Ein Calciumchlorid-Zusatzmittel ist in S2 und S3 nicht zulässig. Zement Typ I oder Typ III kann in S1 verwendet werden, wenn sein C3A-Gehalt unter 8 Prozent liegt. In S2 kann er verwendet werden, wenn sein C3A-Gehalt unter 5 Prozent liegt.

Vorbeugung

Die FHWA konzentriert sich auf zwei Schritte. Der erste ist, die Durchlässigkeit des Betons durch ein niedrigeres w/cm und durch anerkannte ergänzende zementartige Stoffe (SCM) zu senken. Der zweite ist, ein Bindemittelsystem zu verwenden, das Sulfat widersteht. Die FHWA nennt Portlandzement Typ II oder Typ V sowie mäßig oder hoch sulfatbeständigen Mischzement, dem ein Puzzolan oder Hüttensand zugegeben wird. Die FHWA nennt außerdem Flugasche Klasse F und Hüttensand als wirksame SCM. Die FHWA sagt, dass ein w/cm unter 0,45 gegen äußeren Angriff hilft.

Eine Mischung kann sich auch im Versuch bewähren. ACI legt Grenzen für die Expansion von Mörtel im Test ASTM C1012 fest, bei dem der Mörtel einer Sulfatlösung ausgesetzt wird:

• S1: 0,10 Prozent nach 6 Monaten.
• S2: 0,05 Prozent nach 6 Monaten oder 0,10 Prozent nach 12 Monaten, wenn die Grenze nach 6 Monaten nicht eingehalten wird.
• S3, Option 1: 0,10 Prozent nach 18 Monaten.

Die Tabelle der FHWA lässt außerdem zu, dass in S2 anstelle von Typ V ein Zement beliebigen Typs verwendet wird. Seine Expansion nach 14 Tagen nach ASTM C452 darf höchstens 0,040 Prozent betragen.

Flugplatzbefestigungen

Die FHWA sagt, dass Sulfatangriff bei Befestigungen kein häufiges Problem ist. Bei Beton im Kontakt mit Boden ist er in vielen Gebieten des westlichen Teils der Vereinigten Staaten ein Problem. Zeigt der Bodentest die Klassen S1 bis S3, sind Gegenmaßnahmen erforderlich.

FAA AC 150/5320-6G weist den Planer an, vor einer chemischen Stabilisierung mit Kalk oder Zement das lösliche Sulfat im Boden und im Anmachwasser zu prüfen. Sie empfiehlt Vorsicht über 3 000 ppm und die Kontrolle der Expansion über 5 000 ppm.

Die Stabilisierungs-Items der FAA AC 150/5370-10H (P-154 bis P-157) enthalten den gleichen Hinweis. Der verantwortliche Ingenieur prüft das lösliche Sulfat bereits im Entwurf, um festzustellen, ob die Stabilisierung reagieren und Hebungen verursachen kann. Item P-219 erlaubt keine Tragschicht aus recyceltem Betonzuschlag an Stellen mit sulfatreichem Boden (höchstens 0,5 Prozent).

Für die Platte selbst gibt die FAA AC 150/5370-10H in Item P-501 Hinweise. Der Bindemittelgehalt soll mindestens 517 Pfund pro Kubikyard betragen, wenn starker Frost-Tau-Wechsel, Enteisungsmittel oder Sulfatexposition zu erwarten sind. Der verantwortliche Ingenieur legt ein maximales w/cm von 0,45 oder einen niedrigeren Wert für Sulfatexposition fest. Für Magerbeton (Item P-306) sagt sie, dass Zement Typ II vorzugeben ist, wenn das gewählte Gestein bekanntermaßen zu Sulfatreaktionen neigt.

Für einen Prüfer ist Sulfatangriff eine mögliche Ursache für Fugen- und Oberflächenrisse in Beton. Eine Drohnenbefliegung hält fest, wo die Risse liegen. Die Ursache braucht eine Prüfung des Boden- oder Wassersulfats und eine Laboruntersuchung eines Bohrkerns.