Reaktionen des Aluminats C3A

Sind keine Sulfattrtiger als Erstammgs – oder Abbinderegler vorhanden, reagiert C3A so rasch mit Wasser, dass ein frisch angemachter Zementmortel bereits nach Minuten erstarrt und nicht mehr verarbeitbar ist („ Loffelbinder “). Es bilden sich diinntafelige Calciumalu – minathydrate (Abb. 9.18), wobei eine erhebliche Warmemenge (ca. 900 J/g) freigesetzt wird. In Gl. 9-18a ist die Bildung von СгАНв und СдАН^ foraiuliert.

2 (3CaO • AI2O3) + 21H20 ——- ► 4CaO • A1203 • 13H20 + 2CaO • A1203 ■ 8H20 (9-18a)

2 C3A + 21 H ^ C4AH13 + C2AH3

Die entstehenden Kristalle der sulfatfreien Hydratphase verknupfen die einzelnen Zement – partikel. Sie uberbrucken den wassergefullten Porenraum durch Ausbildung eines karten – hausahnlichen Gefuges und verursachen so nach Wasserzugabe eine erste Verfestigung.

Die instabilen Calciumaluminathydrate C4AH13 und СгАНз wandeln sich anschlieBend in stabiles С3АКІ6 (Katoit) um (Gl. 9-18b).

C4AH13 + C2AH8——– ► 2 (C3AH6) + 9 H (9-18b)

image134Abbildung 9.18

Hydratation von C3A ohne Sulfatzusatz: auf ein С3А-К0ГП aufgewachsene diinn- tafelige Calciumaluminatkristalle

(Quelle: F. A. Finger-lnstitut fQr Baustoff – kunde, Bauhaus-Universitat Weimar)

Anwesenheit von Sulfattrtigern. Um das spontan einsetzende Erstarren des Aluminats zu verhindem, werden dem Zement Calciumsulfate CaS04 • x H20 (CsHx) als Erstarrungs – oder Abbinderegler zugesetzt. Zum Einsatz kommen in der Regel das Di – oder das Halb – hydrat bzw. ein Gemisch beider. Ist der Gehalt an CaS04 • x H20 hoch, verzogert dies das Erstarren bzw. Abbinden starker als ein geringer Gehalt. Je nach der CsHx -Konzentration laufen unterschiedliche Reaktionen ab, die zu verschiedenen Calciumaluminatsulfaten als Hydratationsprodukte fiihren.

Steht ein hoher CaS04-Gehalt zu Verfugung, reagiert das C3A mit Wasser und CaS04 zu Ettringit (Gl. 9-19a). Die Bezeichnung Ettringit wurde aufgrund der strukturellen Analogie des Tricalciumaluminattrisulfathydrates mit dem bei Ettringen/Eifel gefundenen Mineral Ca6Al2[(0H)4/S04]3 • 26 H20 gewahlt. Ettringit bildet stabchenformige Kristalle (Abb. 9.19). Bei ausreichendem Sulfatangebot ist es sehr stabil und andert seine Kj-istallform kaum. Da pro Mol Ettringit drei Mole CaS04 gebunden werden, bezeichnet man Ettringit auch als,,Trisulfat“ (in der englischsprachigen Literatur: ,,AFt-Phase“).

3 CaO • A1203 + 3 (CaS04 • 2 H20) + 26 H20 ———— ►

3 CaO • A1203 • 3 CaS04 • 32 H20 (9-19a)

Trisulfat (Ettringit), AFt

C3A + 3 CsH2 + 26 H ——– ► C3A(Cs)3H32 (9-19b)

1st der Sulfatgehalt in der Mischung niedrig, reagiert das Aluminat mit Sulfat zum Mono – sulfat C3A(Cs)H12 als sulfatarmere Phase (Gl. 9-20). Zur Bildung von Monosulfat (,,AFm-Phase“) kann es auch bei lokalem Mangel an Sulfattrager kommen.

СзА + CsH2 + 10 H ———– ► C3A(Cs)H12 (9-20)

Monosulfat; AFm

Die Monosulfatkristalle (AFm) sind im Unterschied zum Trisulfat blattchenformig ausge – bildet. Beim Anmachen eines ,,normalen“ Portlandzements ist der Sulfatgehalt der Losung zu Beginn relativ hoch. Es bildet sich zunachst Trisulfat (Gl. 9-19). Die zur Erstarrungsre- gelung des angemachten Zements benotigten Sulfatmengen verbrauchen sich in den ersten Stunden des Erhartungsprozesses. Damit ist die primare Ettringitbildung abgeschlossen. In der Regel steht noch urspriingliches C3A fur die weitere Hydratation zur Verfiigung. Da die Aluminatphase eine groBe Neigung zur Bildung sulfathaltiger Hydrate besitzt, reagiert das СзА mit Trisulfat und Wasser gemaB Gl. 9-21. Unter Zerfall des urspriinglich gebilde – ten Trisulfats entsteht Monosulfat. Trisulfat ist unterhalb einer Sulfationenkonzentration von 2,35 mg S0427Liter nicht mehr stabil. Wird diese Konzentration im Porenwasser un – terschritten, wandelt es sich in Monosulfat um.

C3A(Cs)3H32 + 2 C3A + 4 H ——– ► 3 C3A(Cs)H12 (9-21)

Ist die Gipsmenge zu reichlich bemessen, kann es im bereits erhdrteten Zementstein zur Trisulfatbildung kommen. Da das Trisulfat ein im Vergleich zum C3A deutlich groBeres Volumen aufweist, sind Sprengwirkungen im Gefuge die Folge (Abb. 9.35). Diese Schadi – gung kann vor allem durch den spateren Kontakt des Zementsteins mit sulfathaltigen Was – sem (Abwasser, Grundwasser) eintreten (Кар. 9.4.2.2, Sulfattreiben).

image135Abbildung 9.19

Lokale Anreicherung der stabchenformi – gen Ettringitkristalle auf der Oberflache der Aluminatphase. Links: C-S-H-Pha – sen.

(Quelle: F. A. Finger-lnstitut for Baustoff – kunde, Bauhaus-Universitat Weimar

Sollte nach der Umwandlung des Trisulfats in Monosulfat immer noch nicht umgesetztes СзА vorhanden sein, bildet sich sulfatfreies C4AH13 (Gl. 9-22a), das spater in stabiles СзАНв (9-22b) iibergehen kann.

3 CaO • AI2O3 + Ca(OH)2 + 12 H20 ——– ► 4 CaO • A1203 • 13 H20 (9-22a)

СзА + CH + 12 H ——————— ► C4AH13

4 CaO • A12Os • 13 H20 —— ► 3 CaO • A1203 • 6 H20 + Ca(OH)2 + 6 H20 (9-22b)

C4AH13 ——– ► СзАНб + CH + 6 H

Um zu erreichen, dass die Aluminatphase moglichst vollstandig in Ettringit umgewandelt wird, mussen Menge und Loslichkeit der zugefuhrten Sulfattrager auBerst genau auf die Reaktionsfahigkeit des СзА abgestimmt sein. Das gelingt in der Praxis nur selten. Deshalb konnenje nach dem Verhaltnis СзА/СвНг unterschiedliche Hydratationsprodukte erwartet werden (Tab. 9.6).

Tabelle 9.6 Hydratationsprodukte for verschiedene C3A/CsH2-Verhaltnisse [AB 7]

C3A/CSH2

Hauptprodukte der Hydratation

>3

Ettringit und freier Gips

3,0

Ettringit

1,0…3,0

Ettringit und Monosulfat

1,0

Monosulfat

< 1,0

Monosulfat und С^Ніз, C2AH8 bzw. C3A (Cs, CH)H12

0

СзАНе

Hydratation der Aluminatferritphase C2(A, F)

Die Hydratation der Aluminatferritphase gehort bis heute zu den am wenigsten aufgeklar – ten und verstandenen Prozessen. Prinzipiell bilden sich ahnliche Produkte wie bei der Hydratation von СзА, wobei Aluminium teilweise durch Eisen ersetzt ist. In welcher Form das Eisen in die Hydratationsprodukte eingebaut wird, ist bis heute unklar.

T etracalciumaluminatferrit C4AF – als typischer Vertreter der Aluminatferrite – setzt sich zwar langsamer mit Wasser um als C3A, die Reaktion muss aber ebenfalls mit einem Sul­fattrager verzogert werden. Gleichung (9-23a) beschreibt die Hydratation von C4AF bei Abwesenheit eines Sulfattragers. (A, F)H3 steht fur das Gemisch Eisenhydroxid Fe(OH)3 und Aluminiumhydroxid Al(OH)3. Die instabilen Reaktionsprodukte zerfallen anschlie – Bend gemaB Gl. (9-23b) in C3(A, F)H6.

2C4AF + 32 H ———- ► C4(A, F)H13 + 2 C2(A, F)H8 + (A, F)H3 (9-23a)

C4(A, F)H13 + C2(A, F)H8 ———– ► 2 C3(A, F)H6 + 9 H (9-23b)

In Gegenwart eines Sulfattragers werden ebenfalls Trisulfate C3(A, F)(Cs)3H32 (Aluminat – ferrit-Trisulfat, AFt; ,,Eisenettringit(() gebildet (Gl. 9-24a), die sich spater in Monosulfate der allgemeinen Formel C3(A, F) Cs Hi2umwandeln konnen (Gl. 9-24b).

3C4AF + 12 CsH2 + 110H —————- ► 4 C3(A, F)(Cs)3H32 +2(A, F)H3 (9-24a)

Eisenettringit, AFt

3 C4AF + 4 C3 (A, F)(Cs)3H32 + 12 CsH2 + 14 H ——–

4 C3 (A, F)CsH12 + 2 (A, F)H3 (9-24b)

Aluminatferrit’Monosulfat, AFm

Das gerade beschriebene Modell der Hydratation der Ferritphase zu Ahiminatferrit-Trisul – fat und Aluminatferrit-Monosulfat stammt von Taylor [AB 6]. Im Licht der in den letzten Jahren von Stark und Mitarb. [AB 7-9] durchgefuhrten ESEM-Untersuchungen wurden auch hierzu neuere Erkenntnisse gewonnen:

• Die im Vergleich zur Aluminatphase langsamere Hydratation des C4AF wird durch eine Auslaugung des Aluminiums aus den СдАР-Кбтегп erklart. Je hoher der Eisenanteil in den Aluminatferriten ist, desto langsamer verlauft der Hydratationsprozess.

• Das in Losung gelangte Aluminat reagiert mit Sulfat und Ca(OH)2 zu Ettringit. Gleich – zeitig entstehen an Aluminium verarmte, eisenreiche СдАР-Кбтег. Sie sind im Geftige auch nach langer Zeit noch sichtbar.

• Da die Auslaugung ein langsamer Prozess ist, der Sulfattrager dagegen meist sehr rasch in Losung geht, kann voriibergehend sekundarer Gips im Geftige des Zementsteins ge – bildet werden. Er verschwindet wieder, sobald fur die Ettringitbildung des ausgelaugten Aluminats weiteres Sulfat benotigt wird.

• Die Hydratation des C4AF fuhrt demnach zunachst zur Bildung von eisenfreiem Ettrin­git, der sich spater in Monosulfat und sekundaren Gips umwandelt (s. Abb. 9.21). Ent – gegen den Vorstellungen von Taylor konnte kein Eisenhydroxid gefunden werden.

Weitere Untersuchungen zur vollstandigen Klarung des C4AF-Hydratationsprozesses sind notwendig.