Gleicher Stahlbeton, anderes Wetter – warum das die Lebensdauer von Brücken drastisch verkürzen kann

Beton gilt als Inbegriff von Dauerhaftigkeit. Doch derselbe Baustoff kann an zwei Orten völlig unterschiedlich altern. Entscheidend ist nicht nur seine Zusammensetzung, sondern auch das Klima, dem er über Jahrzehnte ausgesetzt ist. Forscher der ETH Zürich haben untersucht, wie stark das Wetter die Lebensdauer von Stahlbeton verändern kann, wie er etwa in Brücken, Tunneln und vielen Gebäuden steckt. Besonders relevant ist das für neue CO₂-arme Mischungen, die beim Bauen Emissionen senken sollen und künftig häufiger eingesetzt werden dürften.

Für ihre Untersuchung verglichen die Forscher drei Betonmischungen unter sehr unterschiedlichen Bedingungen: in Zürich, im norwegischen Bergen, im brasilianischen Manaus und im chinesischen Huailai. Dafür kombinierten sie detaillierte Wetterdaten mit einem Modell, das den Feuchteverlauf im Material über lange Zeiträume berechnet. Die Studie erschien in Nature Communications. „Das Klima spielt eine viel größere Rolle, als wir erwartet haben. Derselbe Beton kann sich in einem anderen Klima völlig anders verhalten“, sagt Ueli Angst, Professor für Dauerhaftigkeit von Werkstoffen an der ETH Zürich.

Feuchtigkeit lässt Stahl im Beton deutlich schneller rosten

Stahlbeton enthält Stahlstäbe, die dem Material zusätzliche Stabilität geben. Solange der Beton den Stahl chemisch schützt, bleibt dieser weitgehend vor Rost bewahrt. Mit der Zeit dringt jedoch Kohlendioxid aus der Luft in den Beton ein und verändert dessen Zusammensetzung. Fachleute sprechen von Karbonatisierung. Erreicht dieser Prozess die Stahlbewehrung, kann der Korrosionsschutz verloren gehen.

CO₂-arme Betonsorten karbonatisieren häufig schneller als herkömmlicher Beton. Das heißt aber nicht automatisch, dass sie auch früher beschädigt werden. Wie rasch der Stahl nach dem Verlust des Schutzes rostet, hängt vor allem davon ab, wie feucht der Beton über längere Zeit bleibt. In nassem Beton kann Korrosion laut Cristhiana Albert vom Institut für Baustoffe der ETH Zürich bis zu hundertmal schneller ablaufen als in trockenem.

Wetter kann die Lebensdauer von Stahlbeton stark verändern

Die Unterschiede werden beim Vergleich von Bergen und Manaus besonders deutlich. In beiden Städten fallen jährlich rund 2500 Millimeter Niederschlag. Trotzdem entwickelt sich die Korrosion in den Berechnungen unterschiedlich schnell. Der Grund liegt im zeitlichen Verlauf des Wetters: Beton nimmt Wasser rasch auf, braucht aber deutlich länger, um wieder auszutrocknen.

Deshalb reicht die jährliche Regenmenge allein nicht aus, um die Haltbarkeit einzuschätzen. Auch die durchschnittliche Luftfeuchtigkeit liefert nur einen Teil der Informationen. Wichtiger ist, wie lange feuchte Phasen dauern und wie viel Zeit zwischen zwei Regenperioden zum Trocknen bleibt.

Für die Lebensdauer von Beton spielen daher mehrere Wetterfaktoren zusammen:

Dauer und Häufigkeit von Regenphasen
Länge der trockenen Abschnitte
Feuchtigkeit im Beton über längere Zeit
örtliche Temperatur- und Klimabedingungen

Heutige Normen unterscheiden Klimabedingungen nur grob

Für die Baupraxis ist das deshalb relevant, weil europäische Normen alle vier untersuchten Standorte derselben Kategorie „wechselnd nass und trocken“ zuordnen. Innerhalb dieser Einstufung unterscheiden sich die tatsächlichen Belastungen aber erheblich. Derselbe Beton kann daher an einem Standort über Jahrzehnte kaum Korrosionsprobleme entwickeln, während der Stahl anderswo deutlich schneller angegriffen wird.

Das trifft CO₂-arme Betonsorten besonders stark. Ihre Herstellung verursacht weniger Kohlendioxid, doch viele heutige Prüfverfahren wurden für klassische Zemente entwickelt. Dadurch können neuere Mischungen schlechter bewertet werden, obwohl sie unter passenden Klimabedingungen lange haltbar wären. „Die aktuellen Normen können dadurch zu einem Hindernis für neue und umweltfreundlichere Materialien werden“, sagt Angst.

© Ueli Angst / ETH Zürich CO₂ schwächt den chemischen Schutz des Stahls im Beton. Bleibt der Beton danach lange feucht, kann Wasser den Korrosionsprozess ermöglichen – und die Bewehrung rostet schneller. © Ueli Angst / ETH Zürich

Standort beeinflusst die Lebensdauer von Beton über Jahrzehnte

Die Modellrechnungen ergaben, dass einige der untersuchten CO₂-armen Betone je nach Standort 50 Jahre oder länger halten können. Unter ungünstigeren Bedingungen kann Korrosion jedoch deutlich früher einsetzen. In feuchten Regionen könnten deshalb zusätzliche Schutzmaßnahmen nötig sein, die verhindern, dass Wasser tief in den Beton eindringt.

Noch lässt sich das Verfahren nicht direkt auf einzelne Bauprojekte übertragen. Die Berechnungen sind aufwendig und müssen an realen Bauwerken weiter überprüft werden. Langfristig wollen die Forscher daraus eine einfachere Methode entwickeln, mit der sich neue Betonmischungen schneller auf ihre Eignung für bestimmte Standorte prüfen lassen.

Auch der Klimawandel könnte solche Bewertungen verändern. Wenn sich Regenzeiten verschieben oder feuchte Phasen länger dauern, verändert sich die Wassermenge im Beton. Dadurch kann auch die Korrosion der Stahlbewehrung schneller oder langsamer verlaufen. Für langlebige Bauwerke dürfte deshalb künftig stärker zählen, welche Wetterbedingungen an ihrem Standort über Jahrzehnte zu erwarten sind.

Kurz zusammengefasst:

Die Lebensdauer von Stahlbeton hängt stark davon ab, wie feucht das Material über längere Zeit bleibt.
Derselbe Beton kann unter unterschiedlichen Klimabedingungen sehr verschieden schnell altern.
CO₂-armer Beton ist nicht grundsätzlich weniger haltbar, muss aber stärker an den jeweiligen Standort angepasst werden.

Übrigens: Forscher arbeiten auch an Beton, der mit weniger Material auskommt und dadurch CO₂ sparen könnte. Ein Test mit Graphen-Beton benötigte rund 30 Prozent weniger Beton und sogar keine Stahlbewehrung. Mehr dazu in unserem Artikel.