Entschlüsselung der Betonkrankheit

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Wenn Wasser in Beton eindringt, kommt es zu einer chemischen Reaktion, der Alkali-Aggregat-Reaktion. Forscher konnten nun erstmals den Aufbau des dabei entstehenden Materials entschlüsseln – eine bislang unbekannte kristalline Anordnung von Atomen.

Die Alkali-Aggregat-Reaktion (AAR) ist durch dunkle Risse im Beton erkennbar. Ausgelöst wir sie durch von außen in den Beton dringende Feuchtigkeit. Für das auch als Betonkrankheit oder Betonkrebs bekannt Phänomen ist eine Grundzutat des Betons selbst das Problem: Zement. Dieser enthält Alkalimetalle wie Natrium und Kalium. Die in den Beton dringende Feuchtigkeit wird so alkalisch.

Auch die Betonbestandteile Sand und Kies wirken bei der AAR mit. Sie bestehen aus mineralischen Gesteinen, beispielsweise Quarz oder Feldspat – chemisch betrachtet sind es Silikate. Mit diesen Silikaten reagiert das alkalische Wasser und führt zur Bildung von sogenanntem Alkali-Kalzium-Silikat-Hydrat. Dieses kann Feuchtigkeit aufnehmen. Allerdings dehnt es sich dadurch auch aus und sprengt mit der Zeit den Beton von innen. Dieser gesamte Prozess ist die Alkali-Aggregat-Reaktion AAR – die chemischen Vorgänge sind bereits lange bekannt.

Kristall mit bisher noch nie gesehener Silizium-Schichtenstruktur

Wissenschaftler des Paul Scherrer Instituts PSI und der Empa, einem interdisziplinären Forschungsinstitut des Bereichs für Materialwissenschaften und Technologieentwicklung an der ETH Zürich, entschlüsselten nun den Aufbau des dabei entstehenden Materials auf Ebene einzelner Atome.

Bei der physikalischen Struktur stellten die Forscher fest, dass die Atome sehr regelmäßig angeordnet sind, sodass es sich um ein Kristall handeln muss. Vom Aufbau her handelt es sich um eine sogenannte Silizium-Schichtenstruktur, die in dieser Form noch nie zuvor beobachtet wurde. Die Wissenschaftler hoffen nun, dass mithilfe ihrer Ergebnisse ein langlebigerer Beton entwickelt werden kann.