Beton: Hydratation

Hydratation und Festigkeitsentwicklung

Das Erstarren und Erhärten des Zements beruht auf der Bildung wasserhaltiger Verbindungen, die bei der Reaktion zwischen den Zementbestandteilen und dem Anmachwasser entstehen. Im Allgemeinen reagiert der Zement in einem verhältnismäßig wasserarmen, plastischen Gemisch mit Wasserzementwerten zwischen etwa 0,3 und 0,6. Die Reaktion wird als Hydratation, die Reaktionsprodukte werden als Hydrate oder Hydratphasen bezeichnet. Eine Folge der unmittelbar einsetzenden Reaktionen ist ein Ansteifen des Zementleims, das anfangs noch sehr gering ist, sich aber mit der Zeit verstärkt. Erreicht das Ansteifen des Zementleims ein bestimmtes Maß, so spricht man vom Beginn des Erstarrens. Die zeitlich anschließende weitere Verfestigung des Zementleims gilt als Erstarren, die danach fortschreitende Verfestigung wird Erhärten genannt.

Ursache des Ansteifens, Erstarrens und Erhärtens ist die Bildung eines mehr oder weniger starren Gefüges aus Hydratationsprodukten, das den wassergefüllten Zwischenraum zwischen den Feststoffpartikeln des Zementleims, Mörtels oder Betons ausfüllt. Der zeitliche Verlauf, nicht jedoch die Art der Hydratationsprodukte, hängt daher in sehr starkem Maß von der Größe des Zwischenraums ab, d. h. vom Wasserzementwert. Die festigkeitsbildenden Hydratationsprodukte sind bei den silicatischen Zementen in erster Linie Calciumsilicathydrate und beim Tonerdezement Calciumaluminathydrate. Weitere Hydratationsprodukte sind Calciumhydroxid, Calciumferrithydrate, sulfathaltige Hydrate und verwandte Verbindungen, Hydrogranat und Gehlenithydrat. Silicatische Zemente bestehen zu über 70 M.-% aus Calciumsilicaten oder silicatischen Bestandteilen. Daher kommt der Hydratation dieser Verbindungen und den Eigenschaften der dabei entstehenden Calciumsilicathydrate besondere Bedeutung zu. Da die Calciumsilicathydrate CaO-ärmer als die Calciumsilicate des Zementklinkers sind, bildet sich bei der Hydratation des Portlandzements außerdem Calciumhydroxid. Alle Zemente enthalten als wesentliche Bestandteile auch Aluminium- und Eisenoxide sowie Sulfate, daher bilden sich auch Calciumaluminathydrate, Calciumferrithydrate und sulfathaltige Verbindungen sowie auch komplexere Hydratationsprodukte. Der pH-Wert der Porenlösung nimmt vergleichsweise hohe Werte an und ist für die meisten Hydratationsreaktionen von besonderer Bedeutung.

1. Allgemein: Reaktion eines Stoffs mit Wasser, bei der das Wasser an den betreffenden Stoff angelagert wird. Es handelt sich um einen chemisch-physikalischen Vorgang.
2. Beim Zement: Das Erstarren und Erhärten des Zementleims zum Zementstein beruht auf der Bildung wasserhaltiger Verbindungen, die bei der Reaktion zwischen den Hauptbestandteilen des Zements (z. B. Klinkerphasen) und dem Anmachwasser entstehen. Diese Reaktion wird als Hydratation, die Reaktionsprodukte werden, unabhängig von der Art der Wasserbindung, als Hydrate oder Hydratphasen bezeichnet.

Bei vollständiger Hydratation bindet der Zement etwa 25 % seiner Masse an Wasser chemisch (Hydratwasser) und etwa 15 % seiner Masse physikalisch (Gelwasser). Das so gebundene Wasser beträgt also etwa 40 M.-%, entsprechend einem Wasserzementwert von w/z = 0,40.
Ein höherer Wasserzementwert führt im Zementstein stets zu Kapillarporen.
Die Hydratation ist temperaturabhängig und wird von höheren Temperaturen beschleunigt. Bei Temperaturen des Zementleims unter 5°C verlangsamt sich die Hydratation extrem und kommt bei Temperaturen unter -10°C vollständig zum Erliegen.
Die Hydratation läuft in den ersten Stunden und Tagen schneller ab und wird im Laufe der Zeit langsamer (Nacherhärten). Sie bricht ab, wenn nicht genügend Wasser zur Verfügung steht. Daher ist eine möglichst früh einsetzende und genügend lang wirkende Nachbehandlung des Betons erforderlich.

Kurz nach dem Kontakt mit Wasser setzt eine kurze, intensive Hydratation ein (Prä-Induktionsperiode), Calciumsulfate gehen teilweise und Alkalisulfate nahezu vollständig in Lösung. Aus der Reaktion von Calcium- und Sulfationen mit Tricalciumaluminat bilden sich auf den Oberflächen der Klinkerpartikel kurze, hexagonal säulenförmige Ettringitkristalle. Daneben kommt es, ausgehend vom Tricalciumsilicat, zur Bildung von ersten Calciumsilicathydraten (CSH) in kolloidaler Form. Durch die Bildung einer dünnen Lage von Hydratationsprodukten auf den Klinkerpartikeln verebbt diese erste Hydratationsperiode, und die Ruheperiode oder Induktionsperiode, während der praktisch keine weitere Hydratation stattfindet, beginnt. Die ersten Hydratationsprodukte sind noch zu klein, um den Raum zwischen den Zementpartikeln zu überbrücken und ein festes Gefüge aufzubauen. Damit bleiben die Zementpartikel noch gegeneinander beweglich, d. h. die Konsistenz des Zementleims ist nur wenig steifer geworden. Das Erstarren des Zementleims beginnt nach etwa ein bis drei Stunden, wenn sich erste, noch sehr feine Calciumsilicathydratkristalle auf den Klinkerpartikeln bilden. Nach Abschluss der Ruheperiode setzt erneut eine intensive Hydratation der Klinkerphasen ein. Diese dritte Periode (Beschleunigungsperiode) beginnt nach etwa vier Stunden und endet nach 12 bis 24 Stunden. Dabei baut sich ein Grundgefüge auf, bestehend aus CSH-Faserbüscheln bzw. CSH-Blattstrukturen, plattigem Calciumhydroxid und in die Länge wachsenden Ettringitkristallen. Durch die größeren Kristalle werden die Räume zwischen den Zementpartikeln überbrückt. Im weiteren Hydratationsverlauf nimmt die Verfestigung stetig zu, jedoch mit reduzierter Hydratationsrate. Das Gefüge verdichtet sich dabei und die Poren werden zunehmend ausgefüllt. Die chemischen Reaktionen der Klinkerphasen mit dem Anmachwasser lassen sich vereinfacht wie folgt darstellen:

C3S: 2 (3CaO.SiO₂) + 6 H₂O → 3CaO.2SiO₂.3H₂O + 3 Ca(OH)₂

C2S: 2 (2CaO.SiO₂) + 4 H₂O → 3CaO.2SiO₂.3H₂O + Ca(OH)₂

C3A: 3CaO.Al₂O₃ + 12 H₂O + Ca(OH)2 → 4CaO.Al₂O₃.13H₂O

C4AF: 4CaO.Al₂O₃.Fe₂O₃ + 13 H₂O → 4CaO.Al₂O₃.Fe₂O₃.13H₂O

Die Hydratationsprodukte bilden sich nicht gleichzeitig, sondern entsprechend ihrer Reaktionsfähigkeit mit unterschiedlicher Geschwindigkeit und nach unterschiedlicher Dauer. Der Übergang von Erstarren zum Erhärten erfolgt “fließend“.