Das Dilemma zwischen CO2-Speicherung und Korrosion im Beton: Erkenntnisse aus CSA‑PC‑Mörtel im Frühalter

Warum das Einschließen von Kohlenstoff in Beton nicht so einfach ist

Beton gehört zu den weltweit größten CO2‑Quellen, kann aber über die Zeit auch CO2 wieder aufnehmen. Eine neue Idee besteht darin, frischem Beton gezielt zusätzliches CO2 einzuführen, um es „einzuschließen“ und das Material sogar zu stärken. Diese Studie stellt eine wichtige praktische Frage: Wenn wir einem weit verbreiteten, CO2‑armen Zementgemisch im Frühalter aggressiv zusätzliches CO2 zuführen, gewinnen wir dadurch wirklich an Dauerhaftigkeit — oder machen wir das eingegossene Bewehrungsstahl heimlich anfälliger für Rost?

Beton als versteckter Kohlenstoffschwamm

Moderne Gesellschaften gießen jährlich rund 30 Milliarden Tonnen Beton, und zementbasierte Materialien nehmen bereits fast eine Gigatonne CO2 pro Jahr auf, während sie langsam mit der Luft reagieren. Ingenieure experimentieren nun mit sogenannter „erzwungener Carbonatisierung“, bei der frischer oder recycelter Beton konzentriertem CO2 unter Druck ausgesetzt wird. In diesem frühen Stadium ist das Material noch relativ porös, sodass Gas leicht eindringen kann und die chemischen Reaktionen, die CO2 als feste Carbonatmineralien binden, beschleunigt werden. Diese Reaktionen können zudem die Poren verfestigen und die Frühfestigkeit erhöhen, was einen attraktiven Weg zu umweltfreundlicheren, widerstandsfähigeren Gebäuden und Infrastrukturen eröffnet.

Ein CO2‑armes Zementgemisch unter dem Mikroskop

Die Autoren konzentrierten sich auf einen hybriden Mörtel aus 75 % Calciumsulfoaluminat‑(CSA‑)Zement und 25 % Portlandzement. CSA benötigt bei der Herstellung weniger Energie und setzt weniger CO2 frei, schafft aber auch ein weniger alkalisches (weniger basisches) inneres Milieu als Standardzement. Das ist relevant, weil Bewehrungsstahl in herkömmlichem Beton normalerweise durch eine sehr alkalische Porenlösung geschützt wird, die seine Oberfläche passiviert und gegen Rost beständig hält. In dieser Arbeit wurden schlanke Mörtelzylinder, die jeweils eine dünne Stahlstange enthielten, entweder keiner künstlichen Carbonatisierung oder 4, 24 bzw. 72 Stunden Hochdruck‑CO2 im Alter von nur einem Tag ausgesetzt. Danach wurden alle Proben bis zum 28. Tag nachgeheilt und anschließend über 43 Wochen wiederholten Zyklen aus Salzwasser‑Immersion und Trocknung ausgesetzt, um aggressive, chloridreiche Umgebungen zu simulieren.

Zusehen, wie der Stahl seinen Schutz verliert

Während der Exposition nutzte das Team elektrochemische Techniken, um den Zustand des Stahls zu verfolgen — sie maßen das Open‑Circuit‑Potential, den Polarisationswiderstand und die Korrosionsstromdichte, die gemeinsam anzeigen, wie aktiv das Metall aufgelöst wird. Zudem bestimmten sie periodisch den pH‑Wert des Mörtels. Schon vor der aggressiven Salzeinwirkung lag der Gesamt‑pH in diesem CSA‑reichen Mörtel unter der konventionellen Schwelle (etwa 11,5), die für eine robuste passive Schicht auf Stahl nötig ist. Mit den Feucht‑Trocken‑Zyklen fiel der pH weiter, besonders in den vorgencarbonatierten Proben. Die Korrosionsströme in carbonatisierten Mörteln stiegen schnell auf Werte, die etwa zehnmal höher waren als in der nicht carbonatierten Referenz und einem „hohen“ Korrosionsniveau entsprechen. Mit anderen Worten: Während alle Stäbe gefährdet waren, trieb die frühzeitige erzwungene Carbonatisierung den Stahl eindeutig in ein stärkeres Korrosionsregime.

Rost, der sich ausbreitet und den Beton füllt

Um zu sehen, wo und wie sich der Schaden entwickelte, arbeiteten die Forschenden mit hochauflösender Bildgebung und chemischer Analyse. Die Computertomographie mit Röntgenstrahlen lieferte 3D‑Karten rostgefüllter Zonen um die Bewehrung, während rückgestreute Elektronenmikroskopie und Elementkarten zeigten, wie eisenreiche Korrosionsprodukte in den umgebenden Mörtel eingedrungen waren. In den nicht carbonatierten Proben haftete nur eine dünne Rostschicht am Stahl und drang nur wenige zehn Mikrometer in den Mörtel ein. Im Gegensatz dazu zeigten die carbonatierten Mörtel deutlich dickere und unregelmäßigere Rostbänder, mit Korrosionsprodukten, die bis zu etwa 2 Millimeter in die Matrix eindrangen und Cluster bildeten, deren mittleres Volumen sich bereits nach nur 4 Stunden frühzeitiger CO2‑Behandlung ungefähr verdoppelte. Die Röntgenphotoelektronenspektroskopie bestätigte zudem, dass die Stahloberfläche in den carbonatierten Proben mehr hochvalente Eisenoxide und ‑hydroxide sowie mehr gebundenes Wasser aufwies — Kennzeichen einer dickeren, aktiveren Rostschicht, die zu weiterem Angriff neigt.

Ein dichteres Material, das dennoch schneller korrodiert

Paradoxerweise machte dieselbe Carbonatisierung, die die Korrosion beschleunigte, die Mikrostruktur des Mörtels dichter. Thermische Analysen und Stickstoffsorptionsmessungen zeigten, dass äußere Bereiche der Zylinder mehr Calciumcarbonat bildeten und sich eine Verschiebung von größeren Poren zu feineren Mikro‑ und Mesoporen ergab, während innere Bereiche nahe dem Stahl sowohl durch Carbonatisierung als auch durch das einwärts wachsende und nach außen wandernde Rostwachstum verändert wurden. Insgesamt wurde das Porennetz feiner, was prinzipiell die Bewegung aggressiver Ionen wie Chloride verlangsamen und die Ausbreitung von Korrosionsprodukten begrenzen sollte. Die Studie beobachtete tatsächlich, dass eine Verlängerung der Carbonatisierung von 4 auf 72 Stunden das Gesamtvolumen des Rosts nicht stark vergrößerte, sondern vor allem dessen Verteilung veränderte — mehr zahlreichere, flachere Rostzonen statt einiger großer —, weil die verfeinerten Poren ein weiteres Eindringen hemmten.

Was das für grüneren Beton bedeutet

Für Nichtfachleute lautet die Kernbotschaft: Zusätzliche CO2‑Zufuhr in jungen, stahlbewehrten Beton ist ein zweischneidiges Schwert. Sie hilft zwar, Kohlenstoff zu binden, und macht die inneren Poren des Materials feiner und dichter. In einem wenig alkalischen System wie dieser CSA–Portland‑Mischung nimmt die tiefe Frühcarbonatisierung jedoch auch einen großen Teil des chemischen Schutzes weg, der normalerweise Stahl vor Rost bewahrt. Das Ergebnis ist eine häufigere Korrosionsinitiierung und eine stärkere Ausbreitung von Rost in den Beton, selbst wenn die dichtere Mikrostruktur die maximale Eindringtiefe begrenzt. Die Autoren schließen, dass erzwungene Carbonatisierung im Frühalter zwar klare ökologische und mechanische Vorteile haben kann, die Dauerhaftigkeit von bewehrten Bauteilen jedoch ernsthaft gefährdet werden kann, sofern Chemie und Entwurf nicht sehr sorgfältig abgestimmt sind.

Zitation: Qiang, Z., Yan, L., Yue, Q. et al. The carbon sinking-corrosion dilemma in concrete: insights from early-age CSA-PC mortar. npj Mater Degrad 10, 24 (2026). https://doi.org/10.1038/s41529-026-00737-4

Schlüsselwörter: Betoncarbonatisierung, Stahlkorrosion, Calciumsulfoaluminat‑Zement, CO2‑Speicherung, Haltbarkeit von Stahlbeton