Reaktivität von Hüttensanden

Der Einsatz von Hochofenzementen hat sich in der Bauwirtschaft seit vielen Jahrzehnten bewährt. Bei ihrer Hydratation erzeugen sie eine geringe Hydratationswärme, so dass sie bei der Herstellung massiger Betonbauteile vorteilhaft eingesetzt werden können. Im Vergleich zu Portlandzement zeigen sie allerdings eine langsamere Festigkeitsentwicklung - vor allem in den frühen Phasen der Hydratation. Für den gezielten und effizienten Einsatz hüttensandhaltiger Zemente ist das Verständnis der chemischen Reaktivität der Hüttensande und deren Auswirkung auf die physikalischen Eigenschaften der daraus hergestellten Baustoffe notwendig. Von grundlegender Bedeutung sind hierbei u. a. die Rolle der Hüttensandkörner als druckbelastete Partikel in der Zementsteinmatrix sowie die Auswirkung der chemischen Zusammensetzung.

: Beziehung zwischen der Wasserbindung durch Hüttensande nach 7-tägiger Suspension und der Normdruckfestigkeit der entsprechenden Hochofenzemente nach DIN EN 196-1

Bisher wurde fast ausschließlich angenommen, dass die Festigkeitsentwicklung hüttensandhaltiger Baustoffe und die chemische Reaktivität der enthaltenen Hüttensande proportional zueinander sind. Aktuelle Untersuchungen des Forschungsinstituts legen allerdings das Gegenteil nahe (siehe Bild).

Beziehung zwischen Hydratation und technischen Eigenschaften

Als Kriterium für die technischen Leistungsmerkmale eines Zements dienen die Ergebnisse der physikalischen Zementprüfungen, insbesondere der Druckfestigkeitsprüfung nach EN 196-1. Für den technisch wichtigen Verlauf der Festigkeitsentwicklung ist entscheidend, wie die bei der Hydratation der Zementbestandteile entstehenden Mörtelgefügeelemente auf angelegten Druck reagieren. Nach Erkenntnissen des FIZ korreliert die Geschwindigkeit der chemischen Umsetzung des Hüttensandes („Reaktivität“) nicht mit der Belastbarkeit (Druckfestigkeit).

Hüttensand im Zementsteingefüge

: Hüttensandkorn mit Reaktionssaum

Es ergeben sich Hinweise, dass nicht chemisch reaktive, sondern chemisch eher träge Hüttensande zusammen mit den übrigen Hochofenzementbestandteilen stabile, druckbelastbare Gefügeelemente aus Hydratationsprodukten aufbauen. Durch eine gut verzahnte, feste Kontaktzone zwischen noch unreagiertem Hüttensandglas im Korninneren und Hydratationsprodukten aus Hüttensand-, Klinker- und Sulfatträgerbestandteilen führen chemisch träge Hüttensande zu einem belastbaren Druckgefüge. In Verbindung mit den im Mörtel- und Betongefüge eingebundenen, stark druckbelastbaren Gesteinskörnungen führt dies zu hohen Druckfestigkeiten in der Normmörtelprüfung. Dagegen entstehen durch schnelle Reaktion von Hüttensand mit Wasser ausgeprägte Reaktionssäume um die Hüttensandkörner. Diese Säume sind wasserreich und gelartig (siehe Bild).
Anliegendem Druck können solche Strukturelemente durch Verformung oder Scherbewegungen entlang von Schichtgrenzen innerhalb der Säume ausweichen. Wird bei der Druckfestigkeitsbestimmung der Druck nicht nur von den Partikeln der Gesteinskörnung getragen, sondern auch über die mehr oder weniger stark belastbaren Hüttensandpartikel abgeleitet, kommt es zu unterschiedlich frühem Versagen des Prüfkörpers.

Die Rolle des Titandioxids

: Druckfestigkeiten der Hochofenzemente

Der Titandioxidgehalt von Hüttensanden beeinflusst in sehr starkem Maße die Frühfestigkeiten von hochofenzementgebundenen Baustoffen. Dabei enthalten Hüttensande nur etwa 1 % TiO₂. Die geringe Erhöhung des Titandioxidgehaltes eines Hüttensandes um absolut nur 0,5 % kann die Hochofenzementfrühfestigkeit drastisch senken. Die chemische Reaktivität eines Hüttensandes nimmt mit steigendem Titandioxidgehalt dagegen eher ab. Titandioxidreiche Hüttensande sind daher oft eine Ausnahme von der Beobachtung, dass chemisch reaktive Hüttensande eher nur geringe Druckfestigkeiten im Hochofenzement erzeugen. Es steht allerdings fest, dass ein hoher Titandioxidgehalt nicht die alleinige Ursache geringer Frühfestigkeiten ist (siehe Bild).

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Literatur:

Wassing, W.: Chemische Reaktivität und Normdruckfestigkeit. 15. Internationale Baustofftagung, 24.-27. September 2003 Weimar, Tagungsbericht Band 1, ISBN 3-00-010932-3

Wassing, W.: Relationship between the chemical reactivity of granulated blastfurnace slags and the mortar standard compressive strength of the blastfurnace cements produced from them. Cement International 1 (2003); Nr. 5, S. 94-104

Wassing, W.: Reactions of aluminium. Cement International 1 (2003), Nr. 4, S. 49

Stand: 05.09.2010