Betonkrebs oder Alkali-Kieselsäure-Reaktion

Die Alkali-Kieselsäure-Reaktion (kurz AKR) oder auch nur Alkalireaktion oder Alkalitreiben, umgangssprachlich auch Betonkrebs, ist die chemische Reaktion zwischen Alkalien des Zementsteins im Beton und der Gesteinskörnung mit alkalilöslicher Kieselsäure. Die Bezeichnung Alkali-Aggregat-Reaktion (AAR) fasst ähnliche Prozesse zusammen, von denen die AKR die wichtigste ist. Es entstehen aus Löschkalk Ca(OH)2 und Quarz SiO2 durch Kristallbildung u. a. Wollastonit und andere Calciumsilicate, z. B. Ca(OH)2 • SiO2.


Von der Alkali-Kieselsäure-Reaktion gezeichnete Oberfläche eines Betonpfeilers

Die Reaktion kann schwere Schäden an Beton-Konstruktionen wie Brücken und Autobahnbelägen hervorrufen. Sie tritt auf, wenn der Beton der Feuchtigkeit ausgesetzt ist und mit Kies hergestellt wurde, der zu viel lösliche Kieselsäuren enthält. In Deutschland wurde der Sanierungsbedarf allein für die von Betonkrebs befallenen Pisten der Flughäfen 2016 auf 1,2 Milliarden Euro geschätzt.[1]

Ursache und Folgen

In der Literatur gibt es unterschiedliche Überlegungen zum Reaktionsverlauf.[2] Ausgangspunkt ist die Alkalität von reinem Zement, die durch das Calciumhydroxid bestimmt ist. Es fällt bei pH-Werten über 12,6 aus. Siliciumdioxid in Form von Quarz wird erst ab einem pH-Wert von 13 merklich gelöst. Beimengungen von Natrium oder Kalium steigern die Alkalität über diesen Wert hinaus. Die einsetzende puzzolanische Reaktion ist normalerweise gewollt, da sie das unerwünschte Calciumhydroxid abbaut. Da sie über Jahre hinweg abläuft, und Schäden teilweise auch erst nach Jahren auftreten, ist sie wahrscheinlich mitverantwortlich für die Schädigung von Beton durch AKR. Je nach Reaktionsbedingungen und Theorie kann das entstehende CSH (engl. calcium silicate hydrate) eine Diffusionsbarriere aufbauen, die den Zutritt von Alkaliatomen zu siliciumreichen Phasen begünstigt. Dort bildet sich dann ein quellfähiges Alkali-Kieselsäure-Gel oder auch ein quellfähiges CSH-Gel, das durch Volumenvergrößerung den Beton von innen aufbricht.
Alkaliempfindliche Gesteine

Als alkaliempfindlich gelten Gesteine, die amorphe oder feinkristalline Silicate enthalten, wie z. B. Opalsandstein und poröser Flint. Insbesondere die in Norddeutschland in größeren Mengen vorkommenden Opalsandsteine sowie die Grauwackevorkommen in der Lausitz können schädliche Mengen an alkalilöslicher Kieselsäure enthalten. Durch Verwendung von Zementen mit niedrig wirksamen Alkaligehalt (Zement-Kennbuchstaben: NA) und durch Begrenzung des Zementgehaltes im Beton kann bei Verwendung von Betonzuschlägen mit alkaliempfindlichen Bestandteilen die Alkalireaktion meist vermieden werden. Weitergehende Angaben dazu sind in der Alkali-Richtlinie des Deutschen Ausschusses für Stahlbeton zu finden.[3]
Betroffene Bauwerke

Betroffen sind nur Betonteile, die mit Wasser in Kontakt kommen, insbesondere Betonfahrbahnen und Eisenbahnschwellen. Beton in Gebäuden, der dauerhaft trocken gehalten wird, ist von der AKR-Problematik nach bisheriger Kenntnis nicht betroffen.

Aufgrund von Schäden aus der Alkalireaktion musste unter anderem die 1965/66 erbaute Lachswehrbrücke in Lübeck zwei Jahre später wieder abgerissen werden.

Mitte der 1970er Jahre begann man bei der Deutschen Reichsbahn im Gleisbau Ostseekies für Spannbetonschwellen beizumischen, wodurch der Beton sehr schnell kristallisierte und zunächst ungewöhnliche Festigkeit erhielt. Unter ständiger Belastung setzte sich die Kristallisation bis zur Zerstörung des Betons fort. Betroffen waren mehrere tausend Kilometer Eisenbahnstrecken, was vor allem auf den stark ausgelasteten Hauptbahnen enorme Auswirkungen auf den Zugbetrieb hatte. Es dauerte bis in die 1990er Jahre, bis alle betroffenen Streckenabschnitte wieder erneuert werden konnten.

Eine vergleichbare Reaktion wurde 2007 im Beton der verbauten Schwellen der Bahnstrecke Berlin–Hamburg festgestellt. Die Sanierung erfolgte 2009.

Im Mai 2009 meldete das Bundesverkehrsministerium, dass etwa 320 Kilometer Betonfahrbahn des deutschen Autobahnnetzes betroffen sind.[4] Davon z. B. alleine in Hessen 79 Kilometer der stark frequentierten Bundesautobahn 5, in Sachsen bzw. Sachsen-Anhalt ist die Bundesautobahn 14 betroffen.[5] Außerdem stark in Mitleidenschaft gezogen ist auch die Bundesautobahn 9 (München – Berlin), die bis 2006 größtenteils erneuert wurde und wieder sanierungsbedürftig ist.[6] Ein Mitarbeiter des Instituts für Baustoffforschung in Duisburg wies darauf hin, dass durch „Betonkrebs“ entstandene Schäden auf Grund einer Art von Inkubationszeit in der Regel erst fünf bis zehn Jahre nach Fertigstellung der Autobahnen in Erscheinung träten. Bereits im Jahre 1992 wies der Geologe und Mineraloge Gerhard Hempel aus Weimar jedoch darauf hin, dass das Risiko von AKR-Schäden durch die Auswahl der richtigen Gesteinskörnungen reduziert werden könne.[7]

Quelle