Verbesserung der Frühfestigkeit von Hochofenzementen

Das Bestreben der Zementindustrie, neue Wege zur ökologischen Herstellung von Bindemitteln zu finden, drückt sich vor allem im zunehmenden Ersatz von Zementklinker durch andere Zementhauptbestandteile aus. Eigenschaften der Substituenten können auch neue gewünschte Bindemitteleigenschaften hervorrufen wie etwa eine erhöhte Sulfatbeständigkeit bei Hochofenzementen. Allerdings führt im Fall von Hochofenzementen der Ersatz von Zementklinker oft zu einer Verringerung der Frühfestigkeit. Für eine breite Anwendung von Hochofenzementen ist dies ein Nachteil.

In den vergangenen Jahren wurde im Forschungsinstitut der Zementindustrie eine von den bisherigen Vorstellungen grundlegend abweichende Hypothese für die Erklärung der oft geringen Frühfestigkeiten von Hochofenzementen entwickelt. Die Ursache hierfür ist nach neuen Erkenntnissen nicht eine geringe Reaktivität der Hüttensande im Hochofenzement, sondern die Entstehung festigkeitsmindernder Hydratationsprodukte.

Komplexe Reaktionen erzeugen verschiedene Verbindungen

Die Verbindungen, die bei den frühen Hydratationsreaktionen auf der Oberfläche des Hüttensandpartikels entstehen, beeinflussen den weiteren Fortschritt der Hydratation. Beispielsweise können sich Alumosilikate bilden, die wie eine Schutzschicht auf dem Partikel liegen und weitere Korrosion verlangsamen. Wenn der Hüttensand nur wenig Aluminium enthält, kann nach der Bildung verschiedener aluminiumhaltiger Reaktionsprodukte zu wenig Aluminium für einen solchen Schutzfilm zur Verfügung stehen. Die Folge ist eine verstärkte Korrosion. Dabei entstehen zunächst calciumarme Silikathydrogele. Ihre Menge wird vom Grad der Korrosion und von dem Überschuss an Silikat bestimmt.

Silikathydrogele sind schwache Gefügebestandteile

Die Silikathydrogele sind plastisch formbare amorphe Massen. Die Kontaktzone zwischen dem Hydrogel und den anderen Produkten der frühen Hydratations-reaktionen zum noch nicht korrodierten Hüttensandpartikelkern stellt eine schwache Verbundstelle im Zementsteingefüge dar (siehe Bild). Im Verlauf der weiteren Hydratation werden die Silikathydrogele in mechanisch stabilere Phasen wie Calciumsilicathydrate oder auch einfach in wasserärmere Gele umgewandelt. Die festigkeitsmindernde Wirkung der silicatreichen Hydrogele beschränkt sich daher auf die Frühfestigkeit der Hochofenzemente.

: REM-Aufnahme der Zementsteinbruchstelle eines Hochofenzements mit einem leistungsschwachen Hüttensand nach 7-tägiger Hydratation. A: nicht korrodierter Kern eines Hüttensandpartikels mit nahezu vollständig abgelöster Schicht aus Korrosionsprodukten; B: Schale aus Korrosionsprodukten, Hüttensandpartikelkern vollständig entfernt; C: Teil der Schicht aus Korrosionsprodukten noch am Partikelkern haftend.

Reaktive Aluminate verdoppeln Frühfestigkeit

: Mörtelnormdruckfestigkeiten nach EN 196-10. Hochofenezemente (HOZ) 1, 2, 3, 4, 5 und 6 nach 2-, 7- und 28-tägiger Hydratation.

: Prozentuale Änderung der Normdruckfestigkeiten durch Zugabe von Metakaolin (MK) bezogen auf die Werte ohne Metakaolinzugabe.

Durch Unterdrückung der zugrunde- liegenden Reaktionen bzw. durch Umwandlung dieser Silikathydrogele zu belastbaren, nicht plastischen Phasen (z. B. Alumosilikate) lässt sich die Frühfestigkeit von hochofenzementge-bundenen Baustoffen verbessern. Dazu eignen sich reaktive Aluminate. Die Untersuchungen ergeben, dass die Hochofenzemente, die ohne Aluminium-Additive eine geringere Frühfestigkeit aufweisen, besonders deutlich auf Additivzugabe (5 M.%) reagieren (siehe Bilder). In der Reihe der untersuchten Additivstoffe wurde eine Erhöhung der Frühfestigkeit jedoch nur mit den reaktiven, thermisch aktivierten Aluminaten wie Metakaolin und Calcium-aluminatzement erreicht. Verfügt der eingesetzte Hüttensand bereits über einen hohen Aluminiumgehalt, so weist der entsprechende Hochofenzement bei zusätzlich angebotenem Aluminat erwartungsgemäß keine effizient erhöhte Frühfestigkeit auf.

Literatur:

Wassing, W., Tigges, V. E.: Die Bedeutung des Silikats in Hüttensanden für die Frühfestigkeit von Hochofenzementmörteln und -betonen. Cement International 6 (2008), Nr. 2, S. 98-109.

Wassing, W., Tigges, V. E.: Verbesserung der Frühfestigkeit von Hochofenzementmörteln und -betonen durch Bindung der Silikathydrogele mit reaktiven Aluminaten. Cement International 6 (2008), Nr. 5, S. 62-78.