Quantitative Bestimmung der Hydratationsprodukte des Zementsteins mit Hilfe der XRD-Rietveld Methode unter besonderer Berücksichtigung der primären und sekundären Ettringitbildung
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die sekundäre Ettringitbildung in nicht wärmebehandelten Betonen ist nicht als primäre Schadensursache anzusehen, sondern kann in Folge einer bestehenden Vorschädigung auftreten. Dem entsprechend wurde an Betonen eine sekundäre Ettringitbildung provoziert. Die aufgetretenen sichtbaren Schädigungen liegen in einem weiten Bereich. Sie reichen von geringen Dehnungen, die für den Beton praktisch keine Beeinträchtigung darstellen bis zu stärken Dehnungen, bei denen der Betons seine tragende Funktion nicht mehr erfüllt und die innere Struktur zerstört ist. Die zunehmenden Dehnungen der Betone korrespondieren mit dem Anstieg der Rissweiten und einer zunehmenden Füllung von Rissen und Poren mit Ettringit. Als wichtige Einflussgröße auf den Grad der Schädigung wurde der Anteil der Alkalien (Natriumäquivalent) in den Zementen ermittelt. Mit zunehmenden Alkaligehalt stiegen die Dehnungen der Betone. Besonders ausgeprägt ist dieses Verhalten bei Verwendung von Zementen mit einem C3A-Gehalt größer 3 %. Die Verwendung von Zementen mit hohem Sulfatwiderstand (HS-Zemente) kann nicht immer eine verstärkte sekundäre Ettringitbildung verhindern, obwohl durch den geringen C3A-Gehalt (C3A < 3 %) die Freisetzung des für die Bildung wichtigen Aluminium wesentlich reduziert wurde. Der Fortschritt der Hydratation im Zementstein und die Entwicklung der Phasen unter Wechsellagerungsbedingungen kann durch XRD-Messungen ermittelt werden. Durch angepasste und gleich bleibende Präparation der Zementsteinproben unter Verwendung eines inneren Standards können für die XRD repräsentative Pulverproben hergestellt werden. Durch die anschließende Auswertung der Messwerte nach Rietveld ist eine umfassende Ermittlung der kristallinen Phasengehalte in Abhängigkeit vom Zeitpunkt der Probennahme möglich. Es wurde festgestellt, dass für die Hauptklinkerphasen C3S, C2S und C3A die Hydratation für alle Zemente etwa gleichschnell abläuft und in keinem Zusammenhang zu später auftretenden Schädigungen steht. Die Reaktion des C4AF verläuft jedoch in Abhängigkeit vom Zement unterschiedlich in Geschwindigkeit und Umsetzungsgrad. Es wurden Umsetzungsgrade zwischen 30 – 85 % ermittelt. Die HS-Zemente weisen eine langsamere und geringere Umsetzung auf, als die Zemente mit hohem C3A-Gehalt. Bedingt wird das durch die verstärkte Einbindung des Eisens in das C4AF der HS-Zemente. Durch die reduzierte Umsetzung wird gleichzeitig Aluminium langfristig gebunden und steht für eine Reaktion zu Ettringit nicht zur Verfügung. Als aluminiumhaltige Phasen wurden neben Ettringit auch Monosulfat, Monocarbonat und Hemicarbonat quantifiziert. Die primäre Ettringitbildung erreicht nach spätestens 2 Tagen ihr Maximum. Danach nehmen die Ettringitgehalte geringfügig zu, nehmen ab oder stagnieren. Die Phasen Monosulfat, Monocarbonat und Hemicarbonat wurden überwiegend in den C3A-reichen Zementsteinen gefunden, da dort nach der Bildung von Ettringit noch ausreichend Aluminium für deren Entstehung zur Verfügung stand. Ein Zusammenhang zwischen der Veränderung des Ettringitgehaltes und den Dehnungen während der Wechsellagerung ist nicht ersichtlich. Allerdings lässt der hohe Füllgrad der Risse und Poren mit mittleren und großen Dehnungen darauf schließen, dass der darin enthaltene Ettringit nur durch Lösungs- und Ausfällungsprozesse während der Wechsellagerung entstanden sein kann. In weiteren Untersuchungen zum Einfluss der Zusammensetzung des Zements auf die Widerstandsfähigkeit des Betons gegen extreme Belastungen sollten vor allem die Auswirkungen des Alkaligehaltes untersucht werden. Dessen Variation beeinflusst die Porenlösung im Zementstein signifikant und führt u.a. zu unterschiedlich ausgebildeten C-S-H-Phasen, einem veränderten Einbau von Fremdionen (z.B. Aluminium) in diese und damit zu einer sehr unterschiedlichen Mikrostruktur der Betonmatrix. Von Interesse ist dabei wie sich die Morphologie der C-S-H-Phasen auf die physikalischen Kennwerte (z.B. Druckfestigkeit, Porosität) auswirkt, besonders aber auf die davon unabhängige Dauerhaftigkeit. Ein weiterer offener Aspekt ist der Einfluss der langsamen Hydratation des C4AF auf die bereits ausgebildeten C-S-H-Phasen. Die durch Lösungsprozesse freigesetzten Ionen (Aluminium, Eisen, Calcium …) können teilweise neue Phasen bilden, können aber auch in bestehende C-S-H-Phasen eingebaut oder angelagert werden. Dadurch können sie deren Struktur modifizieren und zu veränderten Eigenschaften beitragen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Beiträge zur Hydratation hydraulischer Bindemittel, Habilitation, Bauhaus-Universität Weimar, 2010
Bellmann, F.
