Mechanisms of chemical re-alkalization using hybrid alkali-activated mortars

Glawe, Clarissa; Kapteina, Gesa; Raupach, Michael

doi:45560

Mechanisms of chemical re-alkalization using hybrid alkali-activated mortars = Mechanismen der chemischen Realkalisierung unter Anwendung hybrider alkalisch-aktivierter Mörtel

Glawe, Clarissa^RWTH*

2026

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Clarissa Glawe

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2026

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2026

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak03

Hauptberichter/Gutachter
Raupach, Michael (Thesis advisor)^RWTH* ; Kapteina, Gesa (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2026-07-13

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2026-07037
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1039224/files/1039224.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Baustoffkunde - Bauwerkserhaltung (311310)

Projekte

DFG project G:(GEPRIS)540001237 - Wirkmechanismen der Realkalisierung von carbonatisiertem Beton und Einsatzmöglichkeiten alternativer Bindemittel (540001237) (540001237)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 624

Kurzfassung
Die Dauerhaftigkeit bestehender stahlbewehrter Stahlbetonkonstruktionen wird maßgeblich durch carbonatisierungsinduzierte Bewehrungskorrosion begrenzt. Vor dem Hintergrund alternder Bestandsbauwerke sowie steigender Anforderungen an ressourceneffiziente und CO₂-arme Baustoffe kommt der Entwicklung und wissenschaftlichen Bewertung dauerhafter Instandsetzungsverfahren eine hohe Bedeutung zu. Die chemische Realkalisierung (CRA) stellt ein weit verbreitetes Instandsetzungsverfahren dar, das darauf abzielt, die für die Passivierung der Bewehrung erforderlichen alkalischen Bedingungen wiederherzustellen, indem alkalische Porenlösung aus einem oberflächlich aufgebrachten Reparaturmörtel in den carbonatisierten Beton transportiert wird. Die zugrunde liegenden Mechanismen der CRA, insbesondere bei der Verwendung alternativer Bindemittelsysteme, sind bislang jedoch noch nicht ausreichend verstanden.Die vorliegende Dissertation untersucht die Mechanismen der chemischen Realkalisierung mit besonderem Fokus auf hybride alkalisch aktivierte Bindemittel (HAABs). Diese Bindemittel kombinieren einen reduzierten Portlandzementanteil mit einer alkalischen Aktivierung und bieten somit das Potenzial, dauerhafte Instandsetzungsstrategien mit den Anforderungen an nachhaltige Baustoffe zu verbinden. Die Arbeit untersucht den Einfluss carbonatisierungsbedingter Materialveränderungen, Bindemittelchemie, Alkalitransportprozesse sowie der Zusammensetzung der Porenlösung auf die Wirksamkeit der chemischen Realkalisierung.Eine umfassende Literaturübersicht zur chemischen Realkalisierung carbonatisierten Betons bildet die Grundlage dieser Dissertation. Sie fasst die bisher untersuchten Instandsetzungsmaterialien zusammen und behandelt die durch Carbonatisierung verursachten Veränderungen der Porenlösungschemie sowie der Porenstruktur des Betons. Dabei wird die puzzolanische Reaktivität von Carbonatisierungsprodukten im Kontakt mit Portlandit als ein potenziell hemmender Faktor für die chemische Realkalisierung identifiziert, der bislang nicht systematisch untersucht wurde. Zur Charakterisierung carbonatisierungsbedingter Veränderungen wurde die zerstörungsfreie einseitige Wasserstoff-Kernspinresonanzspektroskopie (¹H-NMR) an zementgebundenen Mörteln angewendet und anhand etablierter Methoden validiert. Die Ergebnisse bestätigen die Eignung der ¹H-NMR zur Bestimmung des Carbonatisierungsfortschritts sowie der Entwicklung der Porenstruktur.Experimentelle Untersuchungen zeigen, dass HAAB-basierte Reparaturmörtel Realkalisierungstiefen von bis zu 33 mm ermöglichen. Mithilfe einer quantitativen, auf LIBS basierenden Analyse des Kaliumtransports wurde ein erweitertes Diffusionsmodell entwickelt, das zwischen einer anfänglichen Saugphase, beschrieben durch den Saugfaktor a und gesteuert durch den anfänglichen pH-Wert der Porenlösung, sowie einer anschließenden Diffusionsphase, beschrieben durch den Verzögerungsfaktor b und bestimmt durch den Kaliumkonzentrationsgradienten zwischen Reparaturmörtel und Beton, unterscheidet. Das entwickelte Modell stellt einen analytischen Rahmen für die quantitative Bewertung der Eignung unterschiedlicher Reparaturmörtel für die chemische Realkalisierung bereit.

The durability of existing steel-reinforced concrete structures is significantly limited by carbonation-induced corrosion of the reinforcement. Against the background of aging existing reinforced concrete structures and increasing requirements for resource-efficient and low-CO₂ construction materials, the development and scientific assessment of durable repair methods is of high relevance. Chemical re-alkalization (CRA) represents a widely applied repair technique aiming to restore the alkaline conditions required for steel passivation by transporting alkaline pore solution from a surface-applied repair mortar into carbonated concrete. However, the underlying mechanisms of CRA, particularly when using alternative binder systems, are not yet sufficiently understood.The present thesis investigates the mechanisms of CRA with a focus on hybrid alkali-activated binders (HAABs). These binders combine a reduced Portland cement content with alkaline activation and thus offer the potential to reconcile durability-oriented repair strategies with sustainability requirements. The work addresses the influence of carbonation-induced material changes, binder chemistry, alkali transport processes, and pore solution composition on the effectiveness of CRA.A comprehensive review of CRA of carbonated concrete forms the basis of this dissertation. The review summarizes previously investigated repair materials and addresses carbonation-induced changes in pore solution chemistry and concrete pore structure. The pozzolanic reactivity of carbonation products in contact with portlandite is identified as a potentially inhibiting factor for CRA that has not yet been systematically investigated. To characterize carbonation-related changes, non-destructive unilateral hydrogen nuclear magnetic resonance (¹H NMR) was applied to cement-based mortars and validated against established methods. The results confirm the suitability of ¹H NMR for assessing carbonation progress and pore structure evolution.Experimental investigations show that HAAB-based repair mortars enable re-alkalization depths of up to 33 mm. Quantitative LIBS-based analysis of potassium transport enabled the development of an adapted diffusion model distinguishing an initial suction phase, governed by the suction factor a and controlled by the initial pore solution pH, and a diffusion phase, governed by the deceleration factor b and controlled by the potassium concentration gradient between mortar and concrete. The developed model provides an analytical framework for the quantitative assessment of the suitability of different repair mortars for CRA.

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