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Hydratation

Unter Hydratation (griechisch) versteht man die Eigenschaft von einigen Mineralien, Wasser zu binden. Mit der Hydratation sind eine Volumenzunahme (Quellwirkung) und der daraus resultierende Hydratationsdruck verbunden, diese führen zur Verwitterung eines Gesteins, Betons oder Gipses, die sich in Haarrissen und einer Gefügelockerung äußert. Anhydrit (CaSO4) beispielsweise vergrößert bei der Hydratation sein Volumen um ca. 60 %, es entsteht Gips. Die Hydratation erfolgt spontan und ist in der Regel zusätzlich zur Volumenvergrößerung mit dem Freisetzen von Hydratationswärme (Hydratationsenergie) verbunden, die insbesondere bei massigen Betonbauteilen zu oftmals unerwünschten Effekten führt.

 

Nach dem Vermischen von Wasser (Zugabewasser) mit Zement erhärtet der Zementleim (eine flüssige bis plastische Suspension), weil das flüssige Medium Wasser in die amorphen (glasartigen) Klinkermineralien unter Bildung des Zementsteins aufgenommen wird. Die dabei ablaufenden chemischen Reaktionen werden als Hydratation bezeichnet. Unmittelbar nach dem Anmachen (Zugabe von Zement und Wasser) beginnen chemisch-physikalische Reaktionen, die nach einer gewissen Zeit Ansteifen, Erstarren und anschließend Verfestigen (Erhärten, d. h. aus dem Zementleim wird fester Zementstein) des Zement-Wasser-Gemisches bewirken.

 

Diese als Hydratation des Zements bezeichnete Reaktion beginnt an der Oberfläche der Zementkörner und dringt zum Kern hin vor, solange das für die Reaktion erforderliche Wasser vorhanden ist. Das Erstarren und Erhärten beruht vor allem auf der Bildung kristallwasserhaltiger Verbindungen, die als Hydratphasen bezeichnet werden.

 

Zur vollständigen Hydratation von Portlandzement ist Wasser in einer Menge von etwa 40 % des Zementgewichts erforderlich. Eine Wassermenge von 25 % des Zementgewichts wird chemisch gebunden. Die verbleibende Menge (etwa 15 % des Zementgewichts) wird physikalisch, in verdampfbarer Form gebunden, dieses verbleibt somit in den Kristallen. Dieses Wasser ist erforderlich, um eine vollständige Hydratation zu bewirken. Es befindet sich in den feinsten Poren zwischen den Hydraten, den Gelporen (Anhaltswert für Gelporendurchmesser: << 50 nm). Durch die Volumenverminderung des chemisch gebundenen Wassers während der Reaktion, durch unvollständige Hydratation (z. B. durch zu frühes Austrocknen infolge praller Sonnenbestrahlung) und durch Verwendung von W/Z-Werten = 0,40 entstehen größere Poren, die Kapillarporen genannt werden (Anhaltswert für Kapillarporendurchmesser: 50 nm bis 100 nm). Während das chemisch gebundene Wasser unverdampfbar ist und deshalb zum Feststoff des Zementsteins gerechnet wird, kann das in den Gel- und Kapillarporen physikalisch gebundene Wasser verdampfen.

 

Die Hydratation läuft bei hohen Temperaturen beschleunigt ab, da sich schneller langfaserige Hydrate bilden können. Die Folge ist eine höhere Anfangsfestigkeit. Bei niedrigen Temperaturen verlangsamt sich die Hydratation, die Anfangsfestigkeit wird dabei später erreicht. Bei Temperaturen unter 5°C kann sich kein Gel mehr bilden. Dies gilt für Mörtel wie Beton gleichermaßen, dennoch kann immer wieder beobachtet werden, dass trotz kalter Temperaturen um oder sogar unter dem Gefrierpunkt Mörtel oder Beton verarbeitet werden. Die Folgeschäden sind damit vorprogrammiert, ohne dass die nicht fachkundigen Bauherren und vielfach auch unkundige Handwerker ob dieser physikalischen und chemischen Zusammenhänge Kenntnis davon haben.

 

Bei vorzeitigem Austrocknen des Betons wird die Gelbildung unterbrochen, der Betonverdurstet“. Er erreicht nicht die geforderte Festigkeit, was sich z. B. am Absanden der Betonoberfläche zeigt. Zu wenig Wasser kann außerdem zur Volumenverringerung des Zementgels, d. h. zum Schwinden führen. Dabei trocknet Wasser aus den Gelporen aus. Das Schwinden ist umso größer, je höher der Gelanteil ist. Wird jedoch wieder Wasser aufgenommen, spricht man vom Quellen, d. h. von einer Volumenvergrößerung. Allerdings ist das Quellen wesentlich geringer als das Schwinden. Die Volumenveränderungen können zu Spannungen im Beton und damit zur Rissbildung führen. Bei unzureichender oder gar fehlender Nachbehandlung von Beton- oder Mörteloberflächen bilden sich häufig mehr oder weniger gut sichtbare Risse. Solche Schwindrisse sind nahezu immer ein Zeichen dafür, dass die geforderte Beton- bzw. Mörtelfestigkeit aufgrund eines zu schnellen Wasserverlusts nicht erreicht werden kann.

 

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