Aufgabe 2 · Abitur NRW Chemie GK · Beton 2025

Beton – Ein Werkstoff für die Ewigkeit?

Jedes Jahr werden weltweit zwölf Kubikkilometer Beton produziert, genug, um eine 30 Zentimeter dicke und über tausend Meter hohe Mauer einmal um den Äquator herum zu bauen. Jedoch scheint dieser Superwerkstoff nicht ewig haltbar und stabil zu sein, sondern kommt im Laufe der Jahre an seine Grenzen.

Material 1: Das Aushärten von Beton

Für Beton werden Kies, Sand und das Bindemittel Zement vermengt und anschließend mit Wasser versetzt. Dabei dient das Wasser nicht allein dazu, eine gut verarbeitbare Masse an Beton zu erhalten, sondern ist notwendig für dessen Aushärteprozess durch die sogenannte Hydratation des Zements. Hierbei kommt es zur Bildung von Calciumhydroxid ($\text{Ca(OH)}_2$), das neben anderen Bestandteilen in dem noch frischen Beton für relativ hohe pH-Werte zwischen 12,5 und 13,5 sorgt.

Material 2: Stahlbeton

Die Zugfestigkeit von Betonbauteilen lässt sich entscheidend verbessern, wenn in die Betonmasse Stahlstäbe oder Stahlgitter (sogenannte Stahlbewehrungen) einbetoniert werden. Dabei wird der Stahl durch das stark basische Milieu der ihn umgebenden Betonmasse vor Korrosion geschützt, indem sich eine Schutzschicht auf dem Stahl ausbildet.

Material 3: Carbonatisierung von Beton

Unter Carbonatisierung versteht man die Gleichgewichtsreaktion von gelöstem Calciumhydroxid mit Kohlenstoffdioxid aus der Umgebungsluft zu schwerlöslichem Calciumcarbonat (Kalkstein, $\text{CaCO}_3$) und Wasser.

Durch die Kalksteinbildung erhöht sich zwar die Festigkeit des Betons, jedoch ist das stark basische Milieu des Betons nicht mehr gegeben. Der pH-Wert des angefeuchteten Betons sinkt von 12,5 auf unter 9. Ab einem pH-Wert deutlich unter 9 beginnt der im Beton verbaute Stahl bei eindringender Feuchtigkeit zu rosten. Die Folge davon ist möglicherweise ein Stabilitätsverlust der Konstruktion sowie das Abplatzen von Betonteilen an der Oberfläche.

Material 4: Schnelltest zur Überprüfung des Fortschrittes der Carbonatisierung

An frischen Betonbruchstellen wird der Fortschritt der Carbonatisierung in der Regel durch Besprühen mit einer Lösung des Säure-Base-Indikators Phenolphthalein sichtbar gemacht. Hierüber lässt sich eine Aussage zum noch vorhandenen Schutz des Baustahles vor Korrosion treffen.

Material 5: Schäden durch „Sulfattreiben“ in Abwasserkanälen

Beim Durchfließen von relativ warmem Haushaltsabwasser durch erdverlegte, kühle Abwasserrohre aus Beton kommt es zur Kondensation von Wasser im oberen Teil der inneren Rohrfläche. Abwasserrohre führen Schwefelwasserstoff-Gas ($\text{H}_2\text{S}$) mit, das bei der biologischen Zersetzung von Eiweißen im Haushaltswasser anfällt. Dieses Gas bildet in Gegenwart bestimmter Schwefelbakterien, dem Kondenswasser und dem Sauerstoff aus der Luft das Reaktionsprodukt Schwefelsäure. Aus dem im Beton enthaltenen Calciumhydroxid wird durch die Reaktion mit Schwefelsäure festes Calciumsulfat ($\text{CaSO}_4$) gebildet. Dadurch kommt es zu einer Volumenvergrößerung gegenüber dem Calciumhydroxid, wodurch der Beton aufquillt und hiernach Risse und Abplatzungen bekommt (siehe Abbildung 3). Dies ist in der Fachwelt als sogenanntes „Sulfattreiben“ bekannt.

Material 6: Analyse einer Betonprobe

Bei Kenntnis des Massenanteils an Calciumhydroxid einer Betonprobe kann auf den Zustand des Betons geschlossen werden. Ist der Calciumhydroxidanteil infolge der Carbonatisierung zu niedrig, fehlt der Korrosionsschutz für den Baustahl. Dadurch ist die Tragfähigkeit eines Stahlbetonteils nicht mehr dauerhaft gewährleistet. In dem nachfolgenden Diagramm ist eine Referenzgerade abgebildet, die die zum Erhalt des Korrosionsschutzes notwendigen Mindestanteile an Calciumhydroxid im Beton bezogen auf dessen Alter ausweist.

Untersuchung einer Betonprobe:

Von einer 27 Jahre (ca. 10.000 Tage) alten Brücke wurde eine Bohrkernprobe genommen und pulverisiert. Davon wurden 100 g Betonpulver in 1,0 L Wasser aufgeschlämmt. Diese Aufschlämmung wurde so lange stehen gelassen, bis das gesamte Calciumhydroxid der Probe gelöst war, und anschließend filtriert. Der pH-Wert des Filtrates betrug 12,36.

2.

Formulieren Sie die Reaktionsgleichung für die Carbonatisierung von Beton (M 3).

Nennen Sie das Prinzip von Le Chatelier und begründen Sie auf dieser Grundlage den sinkenden pH-Wert bei zunehmender Carbonatisierung des Betons (M 3).