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D U I S B U R GE S S E N

Universität Institut fürBauphysik und Materialwissenschaft

Baukalke, Gips und Anhydrit


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Universität Institut fürBauphysik und MaterialwissenschaftInhaltsangabe

• Verfestigungsprozesse– Hydrolyse und Hydratation– hydratische Verfestigung– hydraulische Verfestigung– carbonatische Verfestigung

• Gips– Vorkommen– Brennen– Hydratstufen– Erhärtung

• Kalk– Vorkommen– Kristallmodelle– Brennen– Entsäuerung– Löschen– Kalkarten– Erhärtung von Luftkalken und hydraulischen Kalken


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Universität Institut fürBauphysik und MaterialwissenschaftInhaltsangabe

• Zement– Zementarten– Dreistoffsystem– Klinkerphasen– Verhalten der Klinkermineralien– Hydratisierungsverlauf– Verfestigung– Gefügeentwicklung– Hydratisierung von C3S und C2S– Hydratisierung von C3A– Erstarrungsregelung– Hydratisierung von C4AF– Sulfattreiben– Carbonatisierung– Friedelsches Salz


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Universität Institut fürBauphysik und MaterialwissenschaftVerfestigungsprozesse

Unter Verfestigung wird im Bauwesen in der Regela. der Übergang eines fluiden Mediums in ein

festes Medium oder b. der Übergang eines weniger festen Mediums in

ein Medium höherer Festigkeit verstanden.

• Die ablaufenden Verfestigungsprozesse können in mehrere Teilprozesse untergliedert werden.

• Unterscheidungskriterien sind die chemischen Umsetzungen bei der Verfestigung.

• Entscheidend sind die auftretenden Hydrolyse-und Hydratationsreaktionen.


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Universität Institut fürBauphysik und MaterialwissenschaftHydrolyse

Unter Hydrolyse versteht man eine chemische Reaktion, bei der eine Verbindung durch Einwirkung von Wasser gespalten wird.Allgemein:

AB + H-OH → AH + B-OHInfolge der Hydrolyse kommt es zu einer Verschiebung des pH-Wertes.

Ca2SiO4 + 4•H2O → 2•Ca2+ + SiO44-+ 4•H2O → 2•Ca2+ + H4SiO4+ 4•OH-

Hier entsteht Kieselsäure, die fast undissoziiert vorliegt. Es kommt zu einem Überschuss an Hydroxidionen, was den pH-Wert >> 7 werden lässt.


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Universität Institut fürBauphysik und MaterialwissenschaftHydratation

• Unter Hydratation versteht man allgemein die Anlagerung von Wasser an eine chemische Verbindung unter Bildung eines Hydrates.

CaSO4•½H2O+1,5 • H2O→CaSO4 • 2H2O• Das Wasser kann reversibel aufgenommen

werden.• Bei der Zementhydratation wird der Begriff weiter

gefasst.• Bei der Zementhydratation kommt es bei der

Reaktion zu einem „Verbrauch“ von Wasser. Unabhängig davon in welcher Form das Wasser reagiert, spricht man dennoch von einer Hydratation.


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Universität Institut fürBauphysik und MaterialwissenschaftUnterschiedliche Arten der Verfestigung

• Es werden drei generell unterschiedliche Arten der Verfestigung bei mineralischen Bindemitteln unterschieden:– hydratische Verfestigung– hydraulische Verfestigung– carbonatische Verfestigung


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Universität Institut fürBauphysik und MaterialwissenschaftHydratische Verfestigung

• Unter hydratischer Verfestigung versteht man die Reaktion eines Bindemittels mit Wasser, die unter Wasserverbrauch zu einem festen Endprodukt führt.

• Bei einem großen Wasserüberschuss und unter Wasser findet keine Verfestigung statt.

Gipsverfestigung:CaSO4•½H2O+1,5 • H2O→CaSO4 • 2H2O


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Universität Institut fürBauphysik und MaterialwissenschaftHydraulische Verfestigung

• Zu Beginn der Reaktion findet eine Hydrolyse statt, falls die Ausgangsstoffe aus stärker basischen Kationen und schwächer sauren Anionen bestehen.

• Die Ausgangsstoffe werden aufgespalten und H2O wird fest eingebunden. Das Wasser wird nicht einfach angelagert sondern chemisch gebunden.

• Neben der chemischen Bindung werden auch noch H2O-Anteile physikalisch gebunden.

• Die hydraulische Erhärtung kann auch unter Wasser stattfinden und die gebildeten Produkte sind weitestgehend wasserfest.

Hydratation von C3S:2(3CaO•SiO2)+ 7H2O → 3CaO•2SiO2•4H2O + 3Ca(OH)2


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Universität Institut fürBauphysik und MaterialwissenschaftCarbonatische Verfestigung

• Bei der carbonatischen Verfestigung wird atmosphärisches CO2 aufgenommen und chemisch gebunden.

Verfestigung von Kalkmörtel:Ca(OH)2 + CO2 + H2O → CaCO3 + 2H2O


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Gips


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Universität Institut fürBauphysik und MaterialwissenschaftGipsvorkommen

• Gips ist schwefelsaures Calcium, das in der Natur als Gipsstein vorkommt.

• Der Gipsstein wird als Dihydrat bezeichnet und hat die Form CaSO4*2H2O.

• Neben den reinen Naturvorkommen fällt das Dihydrat unter anderem auch noch als Nebenprodukt in der Rauchgasentschwefelung an.SO2 + H2O + ½O2 H2SO4

H2SO4 + Ca(OH)2 CaSO4*2H2O


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Universität Institut fürBauphysik und MaterialwissenschaftGipsbrennen

• Beim Brennen des Rohgipses wird nur Kristallwasser ausgetrieben.

• Das Calciumsulfat wird nicht umgewandelt.• Je nach Brenndauer und Brenntemperatur bilden

sich unterschiedliche Modifikationen aus.130..180

4 2 4 2 2180

4 2 4 2

2 1 2 1,52 2

C

C

CaSO H O CaSO H O H O

CaSO H O CaSO H O

°

> °

⋅ ⎯⎯⎯⎯→ ⋅ +

⋅ ⎯⎯⎯⎯→ +

Halbhydrat

Anhydrit


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Universität Institut fürBauphysik und MaterialwissenschaftHydratstufen des Calciumsulfats

HydratstufeChemische Formel

Bezeichnung Form

CaSO4*2H2OCalsiumsulfat-dihydrat Ausgangsstoff

CaSO4*1/2*H2O α 110

nasses Brennen, hohe Festigkeit

β 125

trockenes Brennen, niedrige Festigkeit

CaSO4 α 110β 290

CaSO4 Anhydrit II 300-500CaSO4 Anhydrit I 1200

Anhydrit III

Calciumsulfat-halbhydrat

techn. Entstehungs-temperatur in °C

Bemerkungen


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Universität Institut fürBauphysik und MaterialwissenschaftGipserhärtung

• Gips ist ein nur an der Luft erhärtendes Bindemittel.• Man spricht von einer hydratischen Verfestigung.• Bei der Hydratation des Wasser-Gips-Gemisches finden

keine chemischen Umwandlungen statt.• Abbinden und Erhärten des Gipses ist ein

Kristallisationsvorgang.

2(CaSO4*½H2O)+3H2O 2(CaSO4*2H2O) + 38,6kJ/Formelumsatz

CaSO42H2O 2(CaSO4*2H2O) + 30,23kJ/mol


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Universität Institut fürBauphysik und MaterialwissenschaftKristallwasser

• Das zuvor ausgetriebene Kristallwasser wird wieder eingebaut.

• Dabei wird exakt soviel Wasser aufgenommen wie zur Bildung von CaSO4*2H2O erforderlich ist.

• Die Menge des erforderlichen Wasser hängt von der Restkristallwassermenge der Hydratphase ab.


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Universität Institut fürBauphysik und MaterialwissenschaftBeispiel Stuckgips

CaO SO3 H2ODihydrat

CaSO4 2H2O

CaO SO3 H2O

CaSO4 ½H2O

1½H2O beim Brennen ausgefallenHalbhydrat

Brennen

CaO SO3

CaSO4 n*H2O

Gipsbrei

Anmachen

CaO SO3 H2O

CaSO4 2H2O

überschüssigesH2O verdunstet

Dihydrat(abgebundener

Gips)

Abbinden


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Universität Institut fürBauphysik und MaterialwissenschaftAnregung von Anhydrit A II

Es werden drei Arten der Anregung unterschieden:– Sulfatische Anregung

Alkalisulfate FeSO4, ZnSO4,CuSO4

– Basische AnregungAlkalihydroxide Ca(OH)2, Portlandzement

– Saure AnregungH2SO4, KHSO4, NaHSO4


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Kalk


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Universität Institut fürBauphysik und MaterialwissenschaftKalkvorkommen

• Calciumcarbonat tritt in drei Modifikationen auf, dem Calcit, Vaterit und Aragonit.

• Alle drei Modifikationen weisen dasselbe Molekulargewicht und bestehen zu 56,03% aus CaO und 43,97% aus CO2.

• Der Unterschied der Modifikationen liegt in ihrem zugrunde liegenden Kristallaufbau.

• Von den drei genannten Modifikationen ist lediglich Calcit unter normalen Bedingungen stabil.

• Vaterit und Aragonit sind metastabil.


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Universität Institut fürBauphysik und MaterialwissenschaftKristallmodelle


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Universität Institut fürBauphysik und MaterialwissenschaftKristallaufnahmen - Calcit


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Universität Institut fürBauphysik und MaterialwissenschaftKristallaufnahmen - Aragonit


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Universität Institut fürBauphysik und MaterialwissenschaftKalkbrennen

• Carbonate werden bei hohem Temperaturen in CaO und CO2 zersetzt.

•Der Brennprozess wird auch als Calcinierung oder Entsäuerung (Dissoziation) bezeichnet.•Die Dissoziationstemperatur und das Brennverhalten sind abhängig von:

•Kalksteinart•Verunreinigungen im Kalkstein•Gitterzustands des Calcits•Korngröße•CO2-Patialdruck im Brennaggregat


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Schematische Darstellung des Entsäuerungsprozesse

Kalkstein bei Raumtemperatur

Ausdehnung vor der Entsäuerung

Beginn der oberflächlichen Entsäuerung

Zersetzung ist abgeschlossen; die CaO-Kristallitewachsen

die CaO-Kristallite wachsen weiter und sintern zusammen, Poren- und Probenvolumen nehmen ab


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Universität Institut fürBauphysik und MaterialwissenschaftProzessparameter des Kalkbrennens

• Steigende Brenntemperaturen beschleunigen den Brennprozess.

• Zu hohe Brenntemperaturen wirken sich nachteilig auf das Endprodukt aus.– Größe der CaO-Kristalle nimmt zu– Packungsdichte der Kristalle nimmt zu– Porosität verringert sich– innere Oberfläche nimmt ab

• Löschreaktion mit Wasser erfolgt infolge dessen deutlich langsamer und träger.


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Universität Institut fürBauphysik und MaterialwissenschaftKalklöschen

• Die Umwandlung von Branntkalk CaO in Löschkalk Ca(OH)2 erfolgt in vier Phasen:

1. Wasseraufnahme (Adsorption von H2O-Molekülen)

2. Bildung metastabiler Oxidhydrate in der Zusammensetzung CaO*2H2O und CaO*H2O

3. Bildung von Calciumhydroxid (Portlandit)CaO*2H2O → Ca(OH)2+ H2O

4. Nachflockung und Agglomeration


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Universität Institut fürBauphysik und MaterialwissenschaftGeschwindigkeit des Löschvorgangs

Der Löschvorgang erfolgt umso schneller und vollständiger:• je reiner der Branntkalk ist,• je frischer der Branntkalk ist,• je weicher er gebrannt wurde,• je reiner das Löschwasser ist,• je höher der Druck ist unter dem gelöscht wird.


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Universität Institut fürBauphysik und MaterialwissenschaftTrockenlöschen - Nasslöschen

• Erfolgt das Löschen mit Wasserüberschuss, entsteht ein Kalkbrei und man spricht von Nasslöschen. (i.d.R. auf der Baustelle)

• Wird nur das stöchimetrisch erforderliche Wassermenge inklusive der verdampfende Wassermenge verwendet, entsteht Kalkpulver und man spricht von Trockenlöschen.


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Universität Institut fürBauphysik und MaterialwissenschaftKalkarten

• Bei Naturvorkommen – kein reiner Kalkstein - wird unterschieden in:– Luftkalke– Wasserkalke– hydraulische Kalke

• Unterscheidungskriterium ist der zunehmende Gehalt an Hydraulefaktoren.

Kalkart Anteile der Hydraulefaktoren(SiO2+Al2O3,Fe2O3) in %

Erforderliche Lufterhärtung in Tagen

Druckfestig-keit in N/mm²

Wasserkalk 10-15 7 1

hydraulischer Kalk 15-25 5 2hochhydraulischer Kalk 25-30 3 5


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Universität Institut fürBauphysik und MaterialwissenschaftDreistoffdiagramm


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Universität Institut fürBauphysik und MaterialwissenschaftErhärtungsprozess von Luftkalk

• Bei der Erhärtung von Kalkmörteln kommt es zu einer Bindung von Kohlendioxid aus der Umgebungsluft.

• Diese Erhärtungsart wird als Carbonaterhärtung bezeichnet, da als Endprodukt Calciumcarbonat entsteht.

• Man spricht auch von einer carbonatischenVerfestigung.


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Universität Institut fürBauphysik und MaterialwissenschaftReaktionsgleichung

Die Reaktionsgleichung kann vereinfacht so beschrieben werden:

Ca(OH)2 + CO2 → CaCO3 + H2O + 112,9kJ/mol

Berücksichtigt man die für die Reaktion erforderliche Feuchtigkeit, muss man die Reaktion genauer formulieren:

Die Festigkeitsentwicklung erfolgt nicht durch den Verlust von Restfeuchtigkeit, sondern durch eine chemische Reaktion bei der Wasser freigesetzt wird.


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Universität Institut fürBauphysik und MaterialwissenschaftReaktionsgeschwindigkeit

• In der Umgebungsluft sind lediglich 0,035 Vol.-% an CO2 enthalten.

• Infolge dessen verläuft die Carbonaterhärtung nur relativ langsam.

• Eine Erhöhung der CO2-Konzentration erhöht die Reaktionsgeschwindigkeit.

• Um die CO2-Konzentration zu erhöhen können Propangasbrenner eingesetzt werden (früher auch offene Koksöfen).


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Universität Institut fürBauphysik und MaterialwissenschaftNebenprodukte

• Als Nebenprodukt bei der Carbonaterhärtung fällt Wasser an.

• Diese Wassermenge wird als Baufeuchtigkeit bezeichnet und muss über eine gute Lüftung abgeführt werden.

• Wird die Abtrocknungszeit zu gering gewählt, kann es im weiteren Baufortschritt bei nachfolgenden Gewerken zu Schäden kommen.


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Universität Institut fürBauphysik und MaterialwissenschaftErhärtungsprozess von hydraulischem Kalk

• Hydraulische Kalke bestehen vorwiegend aus Calciumsilikaten, Calciumaluminaten, Calciumhydroxid und tonhaltigem Kalkstein.

• Diese Kalke erstarren und erhärten unter Wasser. Die Hydratationsprodukte sind wasserfest.

• Anders als bei den Luftkalken trägt das atmosphärische Kohlendioxid zwar zum Erhärtungsprozess bei, ist aber nicht alleiniger Motivator der Erstarrung.


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Zement


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Universität Institut fürBauphysik und MaterialwissenschaftZement

• Zement besteht aus Verbindungen von Calciumoxid mit Siliciumdioxid, Aluminiumdioxid und Eisenoxid.

• Die wichtigsten Rohstoffe sind natürliche Mineralien:– Kalkstein, Kreide– Ton, Feldspat– Quarzsand– Traß


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Universität Institut fürBauphysik und MaterialwissenschaftZementarten

• Es werden drei Hauptarten von Zement unterschieden:– Portlandzement CEM I– Portlandkompositzement CEM II– Hochofenzement CEM III

• Portlandkompositzement und Hochofenzement werden aus Portlandzement unter Zugabe von Hüttensand, Flugasche, Puzzolanen und weiteren Stoffen hergestellt.


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Universität Institut fürBauphysik und MaterialwissenschaftNomenklatur der Bestandteile

Bestandteil Darstellung

CaO C

SiO2 S

Al2O3 A

Fe2O3 F

MgO M

SO3 S

CaSO4 Cs,

Mn2O3

CS


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Universität Institut fürBauphysik und MaterialwissenschaftDarstellung der Klinkerphasen

Klinkerphase FormelKurz-bezeichnung

Massenanteile im CEM I Klinker in %

Tricalciumsilicat (Alit) 3CaO•SiO2 C3S 60

Dicalciumsilikat (Belit) 2CaO•SiO2 C2S 15

Tricalciumaluminat 3CaO•Al2O3 C3A 11

Calciumaluminatferrit 4CaO•(Al2O3,Fe2O3) C4(A,F) 8

freier Kalk CaO C 1

freies Periklas MgO M 1


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Universität Institut fürBauphysik und MaterialwissenschaftDreistoffsystem Portlandzement


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Universität Institut fürBauphysik und MaterialwissenschaftZusammensetzung

Bestandteil Portlandzement Hochofenzement

CaO 64 53

SiO2 20 25

Al2O3 5 9

Fe2O3 2,5 1,6

MgO 0,1 0,5

SO3 1,5 3,5

Mn2O3 2,5 2,5

Da es sich um Mittelwerte handelt ist die Summe aller Bestandteile größer 100%.

Bei den Hochofenzementen wird zwischen Typ A und B unterschieden. Unterscheidungsmerkmal ist der unterschiedliche Gehalt an Hüttensand.


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Universität Institut fürBauphysik und MaterialwissenschaftVerfestigung

• Bei der Verfestigung des Zements handelt es sich um eine hydraulische Verfestigung.

• Dabei werden die Ausgangsstoffe aufgespaltenund H2O wird fest eingebunden. Das Wasser wird nicht einfach angelagert sondern chemisch gebunden.

• Neben der chemischen Bindung werden auch noch H2O-Anteile physikalisch gebunden.

• Die hydraulische Erhärtung kann auch unter Wasser stattfinden und die gebildeten Produkte sind weitestgehend wasserfest.


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Universität Institut fürBauphysik und MaterialwissenschaftHydratation von C3S und C2S

Die Hydratation von C3S und C2S kann schematisch wie folgt beschrieben werden:

3CaO•SiO2 + (3-a+b)H2O → aCaO•SiO2•bH2O + (3-a)Ca(OH)2

und

2CaO•SiO2 + (2-a+b)H2O → aCaO•SiO2•bH2O + (2-a)Ca(OH)2

Bei der Hydratation entstehen Calciumsilikathydrate (CSH-Phasen) ,mit variabler Zusammensetzung:

C3S + (x+y)H → CxSHy + zCHC2S + (2-x+y)H → CxSHy + (2-x)CH


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Hydratation von C3A ohne Sulfatanwesenheit

• C3A weist die höchste Reaktionsgeschwindigkeit aller Klinkermineralien auf.

• Ohne Anwesenheit von Sulfat hydratisiert C3A sofort zu Calciumaluminathydraten.

• Die Calciumaluminathydrate überbrückt augenblicklich den wassergefüllten Porenraum und führt zu einer Verfestigung.

2C3A + 21H → C4AH13 + C2AH8

• Infolge der sofortigen Verfestigung ist eine Verarbeitung des Materials nicht möglich.


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Universität Institut fürBauphysik und MaterialwissenschaftHydratation des C4(A,F)

Die Hydratation von C4(A,F) erfolgt unter Beteiligung des zugegebenen Gipses und des bei der Hydratation von C3S und C2S entstandenen Ca(OH)2:

+ Ca(OH)2 + 3CaSO4 + 31H2O→ 3Ca•(Al2O3,Fe2O3)•3CaSO4•32H2O

+ Ca(OH)2 + CaSO4 + 11H2O → 3Ca•(Al2O3,Fe2O3)•CaSO4•12H2

+ 2Ca(OH)2 + 17H2O → 4CaO• (Al2O3,Fe2O3)•19H2O

2CaO•(Al2O3, Fe2O3)


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Hydratation von C3A unter Sulfatanwesenheit

Die Hydratation von C3A erfolgt unter Beteiligung des zugegebenen Gipses und des bei der Hydratation von C3S und C2S entstandenen Ca(OH)2:

+ 3CaSO4 + 32H2O → 3Ca•Al2O3•3CaSO4• 32H2O

+ CaSO4 + 12H2O → 3Ca•Al2O3•CaSO4• 12H2O

+ Ca(OH)2 + 18H2O→ 4CaO•Al2O3•19H2O

3CaO•Al2O3


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Universität Institut fürBauphysik und MaterialwissenschaftKlinkerphasen

• Beim Brennen der eingesetzten Oxide entstehen die so genannten Klinkerphasen.

• Geringfügige Verschiebungen innerhalb der Menge der Ausgangsstoffe haben signifikante Auswirkungen auf die Zusammensetzung der Klinkerphasen.

• Zur vereinfachenden Darstellung der Klinkerphasen hat man sich auf Abkürzungen verständigt.


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Universität Institut fürBauphysik und MaterialwissenschaftVerhalten der Klinkermineralien

Festigkeit

Klinkerphase Hydratationsprodukt Beginn Ende

C3S

CSH-Phase, abspalten von Ca(OH)2

schnell und hoch hoch schnell 500 J/g

C2S

CSH-Phase, abspalten von Ca(OH)3 niedrig hoch langsam 250 J/g

C3ACaSO4, Trisulfat und Monosulfat niedrig niedrig schnell 1330 J/g

C4(A,F) C4(A,F)H13 niedrig niedrig langsam 420 J/g

ErhärtenHydratationswärme


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Universität Institut fürBauphysik und MaterialwissenschaftHydratationsverlauf


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Universität Institut fürBauphysik und MaterialwissenschaftEinfluss des w/z-Wertes

Bei vollständiger Hydratation der Ausgangsprodukte werden 25 M-% des Wassers chemisch und 15 M-%physikalisch gebunden.


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Universität Institut fürBauphysik und MaterialwissenschaftGefügeentwicklung

• Die Gefügeentwicklung kann in drei Stufen gegliedert werden.– Anmachphase

Es liegt eine Suspension von Zement und Wasser ohne Festigkeit vor. Die Oberfläche der Zementkörner ist mit einer dünnen Hydratschicht belegt.

– ErstarrungsphaseLange Kristallfasern breiten sich von der Oberfläche der Zementkörner aus und überbrücken die Zwischenräume. Je länger diese Phase anhält umso höher wird die Endfestigkeit.

– ErhärtungsphaseNoch bestehende Hohlräume werden mit kurzen Kristallfasern ausgefüllt.


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Universität Institut fürBauphysik und MaterialwissenschaftKlassische Theorien der Zementerhärtung

Kristalltheorie Kolloidtheorie

1. Periode In Lösung gehen der Klinkerbestandteile, Hydrolyse + Hydratation, Übersättigte Lösung

Bildung kolloidaler Grund-masse aus Ca-Si-Hydrat, Ca-Al- und Ca-Fe-Hydrat, Gel

2.Periode Ausscheidung sich verfilzender, nadelförmiger Kristalle aus übersättigter Lösung

Schrumpfung des Hydrogels


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Universität Institut fürBauphysik und MaterialwissenschaftErstarrungsregelung

• Dem Zement wird Gips zur Erstarrungsregelung beigemischt.

• In den ersten Minuten der Anmachphase bildet sich auf den Oberflächen der C3A-Kristallen ein Überzug aus Trisulfat.

• Die erhebliche Volumenzunahme wird ohne Schaden aufgenommen, da der Zementleim noch beweglich ist.

• Die Reaktion des C3A wird so verlangsamt, da der Wasserzutritt deutlich gebremst wird.

• Das Trisulfat bildet erst nach mehreren Stunden langprismatische, stäbchenförmige Trisulftakristalle, die eine Verzahnung und damit eine erste Verfestigung hervorrufen.


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Universität Institut fürBauphysik und MaterialwissenschaftHydratationsverlauf


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• Die Reaktionsgleichungen geben den Hydratationsverlaufnur angenähert wieder.

• Die reale Zusammensetzung der Hydratationsprodukteweicht von den stöchiometrischen Formeln mehr oder weniger stark ab.

• C3A und C2(A,F) hydratisieren nicht unabhängig voneinander.

• Die vom C2(A,F) gebildeten Fe3+-Ionen werden sowohl vom Ca4AH19 als auch vom Ettringit (Trisulfat) und vom Monosulfat aufgenommen.

• Häufig werden diese Hydrate deswegen zusammengefasst und es wird nur noch zwischen AFt-(Trisulfat) bzw. AFm-Phasen (Monosulfat) unterschieden.


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Universität Institut fürBauphysik und MaterialwissenschaftReaktion eines Zementkorns


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Universität Institut fürBauphysik und MaterialwissenschaftGrößenordnung

1 nm 30 nm 1 µm 30 µm 1 mm

Meso-gelporen

Pore

n

Mik

roge

lpor

en Mikro-kapillarporen

1 cm

Gefüg

e

Zuschlag

charakteristische Länge

ZuschlagSandZement

Sand ZuschlagZement

ZuschlagSandHydrate

AugeSEM Mikroskop

Meso-kapillarporen

Makro-kapillarporen

Haufwerks-poren


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Universität Institut fürBauphysik und MaterialwissenschaftSulfattreiben

Wirken auf erhärteten Beton oder Mörtel sehr sulfathaltige Lösungen ein, so kommt es in Gegenwart von Calciumaluminat bzw. Calciumaluminathydraten zur Bildung von Trisulfat (Sekundär-Ettringit):

3CaO•Al2O3+3(CaSO4 •2H2O)+26H2O → 3CaO•Al2O3•CaSO4 • 32H2O

Der Übergang von C3A zu Trisulfat ist mit einer Zunahme des Molvolumens um den Faktor 7-8 verbunden. Dies führt zu einer erheblichen Sprengwirkung.


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Universität Institut fürBauphysik und MaterialwissenschaftCarbonatisierung

Das bei der Hydratation gebildete Ca(OH)2 reagiert mit dem atmosphärischen CO2 als Base in einer Neutralisationsreaktion zu Calcit.

Ca(OH)2 + CO2 + H2O → CaCO3 + 2H2O

Diese Neutralisationsreaktion wird als Carbonatisierungbezeichnet.


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Universität Institut fürBauphysik und MaterialwissenschaftCarbonatisierungsgeschwindigkeit

• Die Carbonatisierung verläuft wesentlich langsamer als die Hydratisierung.

• Die Eindringtiefe der Carbonatisierungsfrontschreitet mit einem Wurzel-Zeit-Gesetz voran:

y = c•√tmit

y = Carbonatisierungstiefec = Carbonatisierungskoeffizientt = Zeit in Jahren


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Universität Institut fürBauphysik und MaterialwissenschaftEinflussparameter auf die Carbonatisierung

• Die Carbonatisierungsgeschwindigkeit hängt von folgenden Faktoren ab:– Betonzusammensetzung– Qualität der Nachbehandlung– Zusammensetzung des Zements– Temperatur – Luftfeuchtigkeit

• Unter Wasser kann keine Carbonatisierungstattfinden, da der CO2-Zutritt verhindert wird.


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Universität Institut fürBauphysik und MaterialwissenschaftEinwirkung von CO2 auf Monosulfat

CO2

Aluminium-hydroxid

+

Gips

+

CalcitMonosulfat

Ettringit

Monosulfat

Porenlösung


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Universität Institut fürBauphysik und MaterialwissenschaftFriedelsches Salz

Cl, NaClMonosulfat

Ettringit

MonosulfatPorenlösung

Friedelsches Salz

Wirkt Chlorid oder NaCl in hohen Konzentrationen auf den hydratisierten Zementstein ein, so kann mit CaCl2(Friedelsches Salz), ein Calcium-Aluminium-Chloridhydrat entstehen. 3Cao•Al2O3•CaCl2•10H2O

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