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Zementhydratation

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Durch den Prozess der Hydratation (Reaktion mit Wasser) entsteht aus Portlandzement, der mit Sand, Kies und Wasser vermischt wird, das synthetische Gestein, das wir Beton nennen. Beton ist aus der modernen Welt ebenso wenig wegzudenken wie Elektrizität oder Computer.
Auf anderen Seiten dieser Website wird beschrieben, wie PC hergestellt wird und was in ihm enthalten ist. Hier geht es darum, was passiert, wenn er mit Wasser gemischt wird.
Diese Seite ist eine kurze Einführung. Das Buch „Understanding Cement“ enthält eine ausführlichere Beschreibung des Hydratationsprozesses und der Hydratationsprodukte.
Klinker ist wasserfrei (ohne Wasser) und kommt aus einem heißen Ofen. Zementpulver ist ebenfalls wasserfrei, wenn man von der geringen Wassermenge des Gipses absieht, der beim Mahlen des Klinkers zugesetzt wird.
Die Reaktion mit Wasser wird als „Hydratation“ bezeichnet. Es handelt sich dabei um viele verschiedene Reaktionen, die oft gleichzeitig ablaufen. Im Laufe der Reaktionen verbinden sich die Produkte des Hydratationsprozesses allmählich mit den einzelnen Sand- und Kiespartikeln und anderen Bestandteilen des Betons zu einer festen Masse.

Der Hydratationsprozess: Reaktionen

Im wasserfreien Zustand sind normalerweise vier Haupttypen von Mineralien vorhanden: Alit, Belit, Aluminat (C3A) und eine Ferritphase (C4AF). Weitere Informationen über die Zusammensetzung von Klinker finden Sie auf den Klinkerseiten. Außerdem sind geringe Mengen an Klinkersulfat (Natrium-, Kalium- und Kalziumsulfat) sowie Gips vorhanden, der beim Mahlen des Klinkers hinzugefügt wurde, um das bekannte graue Pulver zu erhalten.
Wenn Wasser hinzugefügt wird, laufen die Reaktionen meist exotherm ab, d. h. die Reaktionen erzeugen Wärme. Wir können einen Hinweis auf die Reaktionsgeschwindigkeit der Mineralien erhalten, indem wir die Geschwindigkeit der Wärmeentwicklung mit einer Technik namens Leitungskalorimetrie überwachen. Ein anschauliches Beispiel für die erzeugte Wärmeentwicklungskurve ist unten abgebildet.

Die Grafik zeigt eine typische Wärmeentwicklung, aufgetragen gegen die Zeit vom Mischen bis zu 60 Stunden

Drei Hauptreaktionen treten auf:
Nahezu unmittelbar nach der Zugabe von Wasser lösen sich einige der Klinkersulfate und der Gips auf, wodurch eine alkalische, sulfatreiche Lösung entsteht.
Nach dem Mischen reagiert die (C3A)-Phase (das reaktionsfreudigste der vier Hauptklinkermineralien) mit dem Wasser und bildet ein aluminatreiches Gel (Stufe I auf der obigen Wärmeentwicklungskurve). Das Gel reagiert mit Sulfat in Lösung und bildet kleine stäbchenförmige Kristalle aus Ettringit. (C3A) Die Reaktion mit Wasser ist stark exotherm, dauert jedoch nicht lange, in der Regel nur wenige Minuten, und wird von einer Periode von einigen Stunden mit relativ geringer Wärmeentwicklung gefolgt. Dieser Zeitraum wird als Ruhephase oder Induktionsphase (Phase II) bezeichnet.
Der erste Teil der Ruhephase, etwa bis zur Hälfte, entspricht dem Zeitpunkt, an dem Beton eingebracht werden kann. Mit fortschreitender Ruhezeit wird der Zementstein zu steif, um verarbeitbar zu sein.
Am Ende der Ruhezeit beginnen Alit und Belit im Zement zu reagieren, wobei Calciumsilikathydrat und Calciumhydroxid entstehen. Dies entspricht der Hauptphase der Hydratation (Phase III), in der die Festigkeit des Betons zunimmt. Die einzelnen Körner reagieren von der Oberfläche nach innen, und die wasserfreien Teilchen werden kleiner. Die (C3A)-Hydratation setzt sich ebenfalls fort, da frische Kristalle für Wasser zugänglich werden.
Die Phase der maximalen Wärmeentwicklung tritt typischerweise zwischen 10 und 20 Stunden nach dem Mischen auf und klingt dann allmählich ab. Bei einer Mischung, die nur PC enthält, ist der größte Teil des Festigkeitszuwachses innerhalb von etwa einem Monat erreicht. Wenn PC teilweise durch andere Materialien wie Flugasche ersetzt wurde, kann die Festigkeitszunahme langsamer erfolgen und mehrere Monate oder sogar ein Jahr andauern.
Die Ferritreaktion beginnt ebenfalls schnell, wenn Wasser hinzugefügt wird, verlangsamt sich dann aber, wahrscheinlich weil sich eine Schicht aus Eisenhydroxidgel bildet, die das Ferrit überzieht und als Barriere wirkt, die eine weitere Reaktion verhindert.

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Hydratationsprodukte

Die Produkte der Reaktion zwischen Zement und Wasser werden als „Hydratationsprodukte“ bezeichnet. In Beton (oder Mörtel oder anderen zementhaltigen Materialien) gibt es typischerweise vier Hauptarten:
Calciumsilikathydrat: Dies ist das Hauptreaktionsprodukt und die Hauptquelle der Betonfestigkeit. Es wird häufig in der Schreibweise der Zementchemiker mit „C-S-H“ abgekürzt, wobei die Bindestriche darauf hinweisen, dass kein strenges Verhältnis von SiO2 zu CaO angenommen wird. Das Si/Ca-Verhältnis ist etwas variabel, liegt aber typischerweise bei etwa 0,45-0,50 in hydratisiertem Portlandzement, aber vielleicht bis zu etwa 0,6, wenn Schlacke oder Flugasche oder Mikrokieselsäure vorhanden ist, je nach den Anteilen.
Calciumhydroxid: (oder Portlandit)- Ca(OH)2, oft mit „CH“ abgekürzt. CH entsteht hauptsächlich durch Alithydratation. Alit hat ein Ca:Si-Verhältnis von 3:1 und C-S-H ein Ca/Si-Verhältnis von etwa 2:1, so dass überschüssiger Kalk zur Bildung von CH zur Verfügung steht.
AFm- und AFt-Phasen: Dies sind zwei Gruppen von Mineralien, die in Zement und anderswo vorkommen. Eine der häufigsten AFm-Phasen in hydratisiertem Zement ist Monosulfat und die bei weitem häufigste AFt-Phase ist Ettringit. Die allgemeinen Definitionen dieser Phasen sind etwas technisch, aber zum Beispiel ist Ettringit eine AFt-Phase, weil es drei (t-tri) Moleküle Anhydrit enthält, wenn es als C3A.3CaSO4.32H2O geschrieben wird, und Monosulfat ist eine AFm-Phase, weil es ein (m-mono)-Molekül Anhydrit enthält, wenn es als C3A.CaSO4.12H2O geschrieben wird.
Die häufigsten AFt- und AFm-Phasen in hydratisiertem Zement sind:
Ettringit: Ettringit ist als stäbchenförmige Kristalle in den frühen Phasen der Reaktion oder manchmal als massive Wucherungen vorhanden, die Poren oder Risse in reifem Beton oder Mörtel füllen. Die chemische Formel für Ettringit lautet 2.2H2O] oder, in Mischungsnotationen, C3A.3CaSO4.32H2O.
Monosulfat: Monosulfat tritt in der Regel in den späteren Stadien der Hydratation auf, ein oder zwei Tage nach dem Mischen. Die chemische Formel für Monosulfat lautet C3A.CaSO4.12H2O. Man beachte, dass sowohl Ettringit als auch Monosulfat Verbindungen aus C3A, CaSO4 (Anhydrit) und Wasser in unterschiedlichen Anteilen sind.
Monocarbonat: Das Vorhandensein von feinem Kalkstein, ob mit dem Zement vermahlen oder als feines Kalksteinaggregat vorhanden, führt wahrscheinlich zur Bildung von Monocarbonat (C3A.CaCO3.11H2O), da ein Teil des Kalksteins mit der Porenflüssigkeit des Zements reagiert.
Andere AFm-Phasen, die vorhanden sein können, sind Hemicarbonat, Hydroxy-AFm und Friedelsalz.
Einige wichtige Punkte, die bei AFm- und AFt-Phasen zu beachten sind, sind:

  • Sie enthalten viel Wasser, insbesondere AFt – im Zusammenhang mit Zement hauptsächlich Ettringit.
  • AFm enthält ein höheres Verhältnis von Aluminium/Calcium im Vergleich zu AFt.
  • Das Aluminium kann sowohl in der AFm- als auch in der AFt-Phase teilweise durch Eisen ersetzt werden.
  • Das Sulfat-Ion in der monosulfatischen AFm-Phase kann durch andere Anionen ersetzt werden; eine 1:1-Substitution, wenn das Anion doppelt geladen ist (z. B. Carbonat, CO22-) oder 1:2, wenn das substituierende Anion einfach geladen ist (z. B. Hydroxyl, OH- oder Chlorid, Cl-).
  • Das Sulfat in Ettringit kann durch Karbonat oder wahrscheinlich teilweise durch zwei Hydroxyl-Ionen ersetzt werden, obwohl in der Praxis oft keines von beiden beobachtet wird.

In einem Beton, der nur aus Klinker und Gips besteht, bildet sich Ettringit früh nach dem Mischen von Zement und Wasser, wird aber allmählich durch Monosulfat ersetzt. Dies liegt daran, dass das Verhältnis von verfügbarem Aluminiumoxid zu Sulfat mit fortgesetzter Hydratation des Zements zunimmt; beim ersten Kontakt mit Wasser ist der größte Teil des Sulfats leicht löslich, aber ein Großteil des C3A ist in den Zementkörnern enthalten, die anfangs keinen Zugang zum Wasser haben. Bei fortgesetzter Hydratation wird allmählich Aluminiumoxid freigesetzt, und der Anteil an Ettringit nimmt mit zunehmendem Monosulfatanteil ab.
Steht schließlich mehr Aluminiumoxid als Sulfat zur Verfügung, liegt das gesamte Sulfat als Monosulfat vor, während das zusätzliche Aluminiumoxid als hydroxylsubstituierte AFm-Phase (Hydroxy-AFm) vorliegt. Bei einem geringen Überschuss an Sulfat enthält der Zementstein eine Mischung aus Monosulfat und Ettringit. Mit zunehmendem Sulfatangebot gibt es mehr Ettringit und weniger Monosulfat, und bei noch höherem Sulfatgehalt gibt es Ettringit und Gips.
Wenn feiner Kalkstein vorhanden ist, werden Karbonationen verfügbar, wenn ein Teil des Kalksteins reagiert. Das Karbonat verdrängt Sulfat oder Hydroxyl in AFm; der Anteil an Monosulfat oder Hydroxy-AFm nimmt daher ab, während der Anteil an Monokarbonat steigt. Das verdrängte Sulfat verbindet sich in der Regel mit dem verbleibenden Monosulfat zu Ettringit, aber wenn Hydroxy-AFm vorhanden ist, verdrängt das Sulfat die Hydroxyl-Ionen und bildet mehr Monosulfat. Entscheidend ist hier das Gleichgewicht zwischen verfügbarem Aluminiumoxid einerseits und Karbonat und Sulfat andererseits.
Hydrogranat: Hydrogranat bildet sich hauptsächlich als Ergebnis der Ferrit- oder C3A-Hydratation. Hydrogranate haben eine Reihe von Zusammensetzungen, von denen C3AH6 die häufigste Phase ist, die sich aus normaler Zementhydratation bildet, und zwar nur in geringen Mengen. Ein breiteres Spektrum an Hydrogarnzusammensetzungen findet sich in autoklavierten Zementprodukten.

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Zement besser verstehen

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