Die Zeit bis zum Erstarrungsbeginn des Zements im Beton muß aus verarbeitungstechnischen Gründen mehr als eine Stunde betragen. Dies wird bei der Zementherstellung durch den Zusatz von Sulfatträgern Anhydrit, Halbhydrat und Gips zum Klinker erreicht. Ohne den Sulfatzusatz entstünden nach dem Kontakt des Zements mit dem Zugabewasser aus dem Klinkerbestandteil Tricalciumaluminat (C3A) Calciumaluminathydrate, die aufgrund ihrer Kristallstruktur ein schnelles Erstarren bewirken.

Bei sulfatoptimierten Zementen reagiert unmittelbar nach Wasserzugabe das Sulfat mit dem Calciumaluminat, und es entsteht auf den Zementkörnern feinkörniger Ettringit (Calciumaluminatsulfathydrat). Dadurch und aufgrund einer vorübergehenden Unterbrechung der Hydratationsreaktion (dormant period") bleibt die Beweglichkeit der Zementkörner während der Verarbeitbarkeitszeit" fast uneingeschränkt erhalten. Voraussetzung dafür ist, daß die einzelnen Sulfatträger auf die chemisch-mineralogische Zusammensetzung des Klinkers und besonders auf die Menge und Reaktivität des C3A abgestimmt sind. Bei der heutigen Zementproduktion gehört diese Sulfatoptimierung zum Stand der Technik.

Unterschiedliche Betonierbedingungen können es erforderlich machen, die Zeit bis zum Erstarrungsbeginn des Zements zu verlängern und damit eine längere Verarbeitbarkeit des Betons zu ermöglichen. Zu diesem Zweck werden Erstarrungsverzögerer (Zusatzmittel VZ), die im allgemeinen aus mehreren anorganischen und/oder organischen Substanzen, wie z.B. Phosphonaten, Ligninsulfonaten, Zuckerderivaten oder Oxicarbonsäuren bestehen, eingesetzt.

Diese Zusatzmittel greifen sehr stark in die chemisch-mineralogischen Reaktionen des Zements mit dem Zugabewasser ein und verzögern nicht nur den Erstarrungsbeginn, sondern können auch die Erhärtungscharakteristik des Zements verändern. Dadurch wird u.U. ein späteres Ausschalen oder eine längere Nachbehandlung des Betons erforderlich. So kann der Zeitraum zwischen Erstarrungsbeginn und -ende, der bei Normzement i.d.R. weniger als zwei Stunden beträgt, auf bis zu rd. 1,5 Tage ausgedehnt werden. Wird dem Beton während dieser Zeit durch Austrocknung Wasser entzogen, so ist mit Rißbildungen durch Kapillarschwinden zu rechnen. Außerdem können als Erstarrungsverzögerer eingesetzte Zusatzmittel unter ungünstigen Bedingungen umschlagen", d.h. als Erstarrungsbeschleuniger wirken. Dies macht deutlich, daß die Verwendung von Erstarrungsverzögerern mit einem gewissen Risiko behaftet ist und hohe Ansprüche an die Qualität und Gleichmäßigkeit der Verzögerer sowie an die Betonverarbeitung stellt.

Um den Kenntnisstand über die Wirkungsmechanismen verzögernder Betonzusatzmittel zu vertiefen, wurden im Forschungsinstitut systematische Untersuchungen zum Erstarrungsverhalten und zur Hydratationswärmeentwicklung von Mörteln sowie rasterelektronenmikroskopische Untersuchungen an Zementstein durchgeführt. Dabei kamen als verzögernde Basiswirkstoffe Kaliumpyrophosphat und Saccharose zum Einsatz. Das Erstarrungsverhalten wurde in Anlehnung an den Vicat-Versuch an Mischungen aus 200 g Zement, 300 g Quarzsand (0-0,2 mm) und 100 g Wasser (Feinmörtel) durchgeführt, um mit w/z-Werten arbeiten zu können, wie sie in Betonen üblich sind. Die Ergebnisse dieser Prüfungen zeigen, daß allein der Zugabezeitpunkt der Verzögerer { genau wie bei verflüssigenden Betonzusatzmitteln { einen entscheidenden Einfluß auf den Erstarrungsverlauf hat.



Im Bild ist der Erstarrungsbeginn eines Feinmörtels mit einem Zement CEM I 32,5 R in Abhängigkeit von der Zugabemenge von Kaliumpyrophosphat für zwei Zugabezeiten aufgetragen. Die Zugabe des Zusatzmittels vier Minuten nach dem Zugabewasser bewirkt über den gesamten untersuchten Konzentrationsbereich eine deutliche Verzögerung des Erstarrungsbeginns. Dagegen wird für die direkte Zugabe mit dem Zugabewasser eine verzögernde Wirkung nur bei Konzentrationen bis zu 0,30



Der starke Einfluß des Zugabezeitpunkts der Verzögerer zeigte sich auch bei der Hydratationswärmefreisetzung von Mörteln, gemessen mit Hilfe des Langavant-Verfahrens. Während für die Mörtel ohne Zusatzmittel die Höchsttemperatur nach etwa 16 Stunden erreicht wurde, verschob sich dieser Zeitpunkt bei der direkten Zugabe auf etwa 28 Stunden und bei der nachträglichen Zugabe auf etwa 40 Stunden (Bild). Auch hier ist zu erkennen, daß die gewünschte verlängerte Ruhephase" ohne Entwicklung von Hydratationswärme bei der Zugabe des Verzögerers gleichzeitig mit dem Anmachwasser nicht eintritt. Dementsprechend ergaben sich bei rasterelektronenmikroskopischen Untersuchungen in Abhängigkeit vom Zugabezeitpunkt deutliche Unterschiede. Besonders auffällig war, daß bei den Zementsteinproben, bei denen die verzögernden Basiswirkstoffe mit dem Zugabewasser zugegeben wurden, die einzelnen Zementpartikel mit einem geschlossenen, flächigen Belag überzogen sind, aus dem an einigen Stellen Hydratationsprodukte herauswachsen (Bild).


Den Ursachen der zuvor beschriebenen Effekte und den zugrunde liegenden Wirkungsmechanismen wird z.Z. in einem von der AiF finanziell geförderten Forschungsvorhaben nachgegangen. Eine besondere Bedeutung kommt dabei rasterelektronenmikroskopischen Untersuchungen mit dem im Forschungsinstitut neu installierten ESEM-Gerät zu, mit dem sich auch feuchte Zementsteinproben im frühen Alter untersuchen lassen.