Beton ist aus der modernen Welt kaum wegzudenken. Weil weltweit enorme Mengen davon verbaut werden, verursacht insbesondere die Herstellung des darin enthaltenen Zements viel CO2 – ein Treibhausgas, das den Klimawandel beschleunigt. Ein wichtiger Hebel für klimafreundlicheres Bauen sind deshalb Zemente, bei deren Herstellung weniger CO2 entsteht.
Doch solcher Beton karbonatisiert häufig schneller als herkömmlicher: CO2 aus der Luft dringt in den Beton ein und verändert seine chemische Zusammensetzung. Dadurch kann der Stahl, der im Innern wesentlich zur Tragfähigkeit der Konstruktion beiträgt, zu rosten beginnen. Heutige Bau-Normen setzen deshalb darauf, den Stahl möglichst lange vor diesen Veränderungen zu schützen. Mit diesem Ansatz werden jedoch moderne, ökologische Beton-Arten gegenüber dem traditionellen Beton benachteiligt, was deren Einführung in die Praxis behindert.
Den Forschenden greift der heutige Normansatz daher zu kurz: Entscheidend ist laut Cristhiana Albert vom Institut für Baustoffe der ETH Zürich vielmehr, wie schnell der Stahl danach tatsächlich rostet.
Vier Orte im Klimatest
Vor allem die Feuchtigkeit entscheidet darüber, wie schnell der Stahl im Beton rostet. Ist der Beton nass, kann dieser Prozess laut Albert bis zu hundertmal schneller ablaufen als im trockenen Zustand. Bei den untersuchten Betonmischungen machte deren Zusammensetzung im Vergleich dazu einen deutlich kleineren Unterschied.
Die Forschenden untersuchten drei Betonmischungen an vier Standorten mit unterschiedlichen Klimabedingungen: Zürich, Bergen, Manaus und Huailai. Detaillierte Wetterdaten speisten sie in ein Modell ein, das die zeitlichen Schwankungen der Feuchtigkeit im Beton abbildet, und somit zeigt, wie schnell der Stahl im Innern rostet.
Für Ueli Angst, Professor für Dauerhaftigkeit von Werkstoffen an der ETH Zürich, war eines der Ergebnisse besonders überraschend: „Das Klima spielt eine viel grössere Rolle, als wir erwartet haben. Derselbe Beton kann sich in einem anderen Klima völlig anders verhalten.“ Trotzdem ordnen heutige europäische Normen alle vier Standorte derselben Kategorie „wechselnd nass und trocken“ zu.
Regenmenge allein sagt wenig
Besonders deutlich zeigt sich das bei Bergen und Manaus: An beiden Orten fallen jährlich rund 2500 Millimeter Niederschlag. Trotzdem rostet der Stahl in den Berechnungen unterschiedlich schnell. Denn Beton nimmt Wasser schnell auf, trocknet aber nur langsam wieder aus. Entscheidend ist deshalb, wie sich Regen- und Trockenphasen abwechseln. Die Modellrechnungen zeigen zudem: Bestimmte untersuchte CO₂2-arme Beton-Arten können je nach Standort 50 Jahre oder länger halten, unter anderen Bedingungen aber früher Schaden nehmen. Die jährliche Regenmenge oder die durchschnittliche Luftfeuchtigkeit allein sagen deshalb noch wenig darüber aus, wie stark der Stahl im Beton angegriffen wird.
CO2-armer Beton ist nicht automatisch schlechter
Die Ergebnisse bedeuten nicht, dass CO2-armer Beton grundsätzlich weniger lange hält oder gar unsicher ist. Bei der Festigkeit kann solcher Beton mit herkömmlichem mithalten. Die entscheidende Frage ist vielmehr, wie er sich über Jahrzehnte verhält. Zwar kann er seinen natürlichen Schutz für den Stahl schneller verlieren. Ist der Beton aber nicht dauerhaft feucht, rostet der Stahl danach über lange Zeit nur sehr langsam.
„Wir müssen besser verstehen, wie sich klimafreundliche Beton-Arten unter unterschiedlichen Witterungsbedingungen langfristig verhalten“, sagt Albert. Statt überall denselben Beton nach denselben Regeln einzusetzen, müsse man künftig stärker berücksichtigen, wo ein Bauwerk steht. Eine einzige Lösung, die überall gleich gut funktioniert, wird es nicht mehr geben. In besonders feuchten Regionen könnten beispielsweise zusätzliche Massnahmen nötig sein, die das Eindringen von Wasser reduzieren.
Der neue Ansatz könnte damit auch eine Hürde für CO2-ärmere Baustoffe abbauen. Viele heutige Prüfverfahren wurden für herkömmliche Zemente entwickelt und werden den spezifischen Eigenschaften klimafreundlicher Beton-Arten zunehmend nicht mehr gerecht. „Die aktuellen Normen können dadurch zu einem Hindernis für neue und umweltfreundlichere Materialien werden“, sagt Angst.
Vom Modell zur Praxis
Noch ist der entwickelte Ansatz nicht für die Planungspraxis geeignet: Die Berechnungen sind aufwendig und müssen an realen Bauwerken weiter überprüft werden. Langfristig wollen die Forschenden eine einfachere Methode entwickeln, mit der sich neue Beton-Arten schneller beurteilen lassen, ohne jahrzehntelang auf Erfahrungen aus realen Bauwerken zu warten.
Das ist auch mit Blick auf den Klimawandel wichtig: Verändern sich Häufigkeit und Dauer von Regen- und Trockenphasen, kann sich auch die Geschwindigkeit ändern, mit der Stahl im Beton rostet. Ein solcher „Klimatest“ könnte künftig zeigen, welcher CO2-arme Beton an welchem Standort langfristig geeignet ist.
