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Baustoffchemie

Chemie der Werkstoffe im Bauwesen


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Erstarrungsstörungen bei Zementen: Falsches Erstarren.

Normales Erstarren

Wenn man feingemahlenen Portlandzementklinker mit Wasser anmacht, dann erstarrt das Gemisch nach spätestens zehn Minuten. Die Ursache dafür ist die schnell ablaufende Reaktion zwischen dem C3A und dem Wasser, wodurch sich in der Zementsuspension ein kartenhausähnliches Gerüst aus tafelförmigen Tetracalciumaluminiumhydratkristallen bildet.
Der Zusatz von Calciumsulfat als Erstarrungsregler bewirkt eine Verzögerung des Erstarrens von den zehn Minuten auf rund zwei Stunden. Ursache dieser Verzögerung ist der geänderte Reaktionsverlauf des C3A. Anstatt der recht großen Tetracalciumaluminiumhydrat-Tafeln bildet sich auf den C3A-Teilchen eine dünne Schicht aus feinen Calciumaluminatsulfatkristallen (Ettringit, Trisulfat), die das Fortschreiten der Reaktion zwischen C3A und Wasser verzögert.
Der Calciumsulfatzusatz muss um so höher sein, je höher der C3A-Gehalt und je höher die Mahlfeinheit ist (je höher die zu umhüllende Oberfläche der C3A-Teilchen ist). Als Erstarrungsregler (Sulfatträger) werden dabei Calciumsulfat-Halbhydrat (Stuckgips) und Calciumsulfat (löslicher Anhydrit, beta-AIII) eingesetzt. Calciumsulfat-Dihydrat (Gips) wird ebenso eingesetzt, jedoch entwässert er beim Mahlen des Klinkers zumindest zum Halbhydrat, je nach den Bedingungen sogar zum Anhydrit. Als Erstarrungsregler wirksam ist also wiederum das Halbhydrat bzw. der Anhydrit.

Der optimale Erstarrungsregler stellt nach Art und Menge exakt die richtige Sulfat zur Verfügung um das gesamte in Lösung gehende C3A komplett als Trisulfat zu binden.

Erstarrungsstörungen

Erstarrungsstörungen treten dann ein, wenn Art und Menge des Sulfatträgers eben nicht exakt genug auf die Menge und Reaktivität des C3A abgestimmt sind. Dabei sind zwei Fälle zu unterscheiden, deren wesentliche Merkmale in der Abbildung 1 dargestellt werden:

Frühes Erstarren
Wenn zu wenig Sulfat vorhanden ist, dann bildet sich Monosulfat im Wasser zwischen den Zementteilchen und die Reaktion des C3A wird zudem nicht optimal verzögert - es bildet sich Tetracalciumaluminiumhydrat. Dies ist also der zu frühe Anfang der normalen Erstarrungsvorgänge und die Versteifung des Mörtels oder Betons läßt sich durch Aufmischen nicht rückgängig machen.

Falsches Erstarren
Unter dem Begriff "falsches Erstarren" versteht man ein Ansteifen und Erstarren das bereits kurze Zeit nach dem Anmachen auftritt, aber durch kurzes Nachmischen oder Nachrütteln, ohne Nachteile für die Endeigenschaften des Mörtels, zu überwinden ist. Die Ursache ist ein Überangebot von Sulfat. Es bilden sich neben dem Trisulfat auch Gipsnadeln (Sekundärgips genannt), die aufgrund ihrer erheblichen Länge ein starres Gefüge ausbilden und die Paste erstarren lassen.

Schematische Darstellung der Gefügeentwicklung beim Erstarren von Portlandzement in Abhängigkeit von der Reaktionsfähigkeit des C<sub>3</sub>A und vom Sulfatangebot.
Abb. 1: Schematische Darstellung der Gefügeentwicklung beim Erstarren von Portlandzement. (aus [1])

Testmethode

Die Neigung eines Zementes zum Falschen Erstarren kann nach dem in ASTM C451-99 beschriebenen Verfahren ermittelt werden - "Standard Test Method for Early Stiffening of Hydraulic Cement (Paste Method)".


Quellenverzeichnis

[1]   Locher F.W.: Zement - Grundlagen der Herstellung und Verwendung.  Düsseldorf: Verl. Bau und Technik. 2000



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