Auswirkungen der CO2-Nachbehandlung auf die Leistungsfähigkeit der Passivschicht von Bewehrungsstäben in zementbasierten Werkstoffen

Warum umweltfreundlicher Betonschutz wichtig ist

Moderne Städte sind auf bewehrten Beton angewiesen, bei dem innenliegende Stahlstäbe einen großen Teil der Last tragen. Mit der Zeit können diese Stäbe korrodieren und dadurch Brücken, Gebäude und Küstenschutzanlagen gefährden. Gleichzeitig ist die Zementindustrie eine bedeutende Quelle von Kohlendioxid (CO2). Diese Studie untersucht eine Technologie namens CO2-Nachbehandlung, die auf beiden Gebieten gleichzeitig helfen könnte: Sie bindet CO2 in jungem Beton und kann, wie diese Arbeit zeigt, den im Inneren befindlichen Stahl besser vor Korrosion schützen.

CO2 einatmen, um stärkeren Beton zu erzeugen

Anstatt neuen Beton nur in feuchter Luft oder Dampf aushärten zu lassen, setzt die CO2-Nachbehandlung ihn in der frühen Lebensphase hoher Kohlendioxidkonzentration aus. Das Gas reagiert mit der Zementmatrix und bildet feste Carbonatmineralien, die sich in den Poren nahe der Oberfläche anreichern. Diese Reaktion speichert CO2 im Material und erzeugt eine dichtere äußere Schicht. Da die meisten Betonbauteile bewehrt sind, konzentrierten sich die Autoren darauf, welche Auswirkungen dieses veränderte Umfeld auf die dünne Schutzschicht — die Passivschicht — hat, die sich in hochalkalischem Beton natürlicherweise auf Stahl bildet und ihn vor Rost schützt.

Beobachtung des Passivwerdens des Stahls und des Verlusts des Schutzes

Das Team goss kleine Mörtelzylinder mit eingespannten Stahlstäben und härtete die Hälfte mit CO2 und die andere Hälfte unter üblichen feuchten Bedingungen. Anschließend verfolgten sie mit mehreren elektrochemischen Techniken, die kleinste Ströme an der Stahloberfläche messen, wie der Stahl vom aktiven, ungeschützten Zustand in den passiven, geschützten Zustand überging. Diese Messungen zeigten, dass der Stahl in normalem Mörtel etwa drei Wochen brauchte, um einen stabilen passiven Zustand zu erreichen, während dies im CO2-geheilten Mörtel ungefähr halb so lange dauerte. Die Autoren führen diese Beschleunigung auf eine vorübergehend höhere Sauerstoffkonzentration um den Stahl zurück, die durch die CO2-Reaktion und die Verdichtung der äußeren Mörtelschicht entsteht, was gelösten Sauerstoff nach innen drückt und die schnellere Bildung der Schutzschicht begünstigt.

Eine dünnere, aber robustere Schutzhaut

Auf den ersten Blick erscheint die Passivschicht in CO2-geheilten Proben schlechter: Sie ist etwas dünner — etwa 4,06 Nanometer gegenüber 4,73 Nanometer bei Standardhärtung. Dieselben Tests zeigten jedoch, dass sie dem Ladungstransfer stärker widersteht, was bedeutet, dass korrosive Reaktionen schwerer ablaufen können. Die Mikroskopie der Stahloberfläche erläuterte den Grund. Im CO2-geheilten Mörtel ist die Schicht gleichmäßiger und feiner geordnet und bildet ein durchgehendes vertikales Kornmuster, das Wege für Chloridionen und Sauerstoff blockiert. Chemische Analysen mittels Röntgenphotoelektronenspektroskopie zeigten zudem, dass diese Schicht einen höheren Anteil an Eisen in niedrigerer Oxidationsstufe (Fe2+) im Verhältnis zu Fe3+ enthält. Dieses Verhältnis scheint die Schicht dichter zu packen und ihr eine größere Fähigkeit zur Selbstreparatur kleiner Defekte zu verleihen, wodurch die überraschende Kombination aus geringerer Dicke und besserem Schutz erklärbar wird.

Salzschäden deutlich länger aufhalten

Reale Bauwerke sind oft Salzen aus Meerwasser oder Auftausalzen ausgesetzt, die die Passivschicht nach und nach angreifen können. Um dies zu simulieren, ließen die Forscher ihre Proben wiederholt Salzlösung eintauchen und trocknen. Stahl in standardgehärtetem Mörtel verlor nach 18 solcher Zyklen seinen Schutzzustand, wobei die Korrosionsströme stark anstiegen. Im Gegensatz dazu blieb der Stahl im CO2-geheilten Mörtel bis etwa 30 Zyklen passiv; der Beginn ernsthafter Korrosion wurde also um ungefähr zwei Drittel hinausgezögert. Diese Verbesserung resultiert aus einem doppelten Effekt: Die karbonatisierte äußere Mörtelschicht verlangsamt das Eindringen von Chloridionen, und die verfeinerte Passivschicht selbst ist stabiler und weniger fehleranfällig unter Angriff.

Was das für künftige Bauwerke bedeutet

In der Summe deuten die Ergebnisse darauf hin, dass CO2-Nachbehandlung mehr leistet als nur Treibhausgas im Beton zu binden; sie verändert auch den mikroskopischen Schutzschild für den im Inneren liegenden Stahl. Indem sie die Bildung einer dichteren, chemisch widerstandsfähigeren Passivschicht beschleunigt und dies mit einer dichteren Porenstruktur an der Oberfläche kombiniert, kann CO2-geheilter Beton der salzinduzierten Korrosion über längere Zeit besser widerstehen. Für Ingenieure bedeutet dies, dass der Ersatz herkömmlicher Dampf- oder Feuchthärtung von Fertigteilen durch CO2-Nachbehandlung die Lebensdauer von Brücken, maritimen Bauwerken und anderer kritischer Infrastruktur verlängern und zugleich zur CO2-Nutzung beitragen könnte — ein seltener Gewinn für Dauerhaftigkeit und Klimaauswirkung.

Zitation: Guo, B., Shi, L., Chu, J. et al. Effect of CO₂ curing on the performance of the passivation film of steel bars in cement-based materials. npj Mater Degrad 10, 50 (2026). https://doi.org/10.1038/s41529-026-00762-3

Schlüsselwörter: CO2-Nachbehandlung, Bewehrter Beton, Stahlkorrosion, Passivschicht, Chloridangriff