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Lehrplan
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01 Feuer
02 Dampf
03 Kennzeichen
04 Vinyl
05 Datenband
06 CD
07 Reifen
08 Öl
09 Katalysator
10 Holz
11 Beton
12 Dämmstoffe
13 Treibgase
14 Treibhaus
15 Regen
16 Brausen
17 Eis
18 Nudeln
19 Butter
20 Protein
21 Kochen
22 Bonbon
Gedanken
Impressum

Der Trick bei Zement und Beton

Fragen vorweg

1. "Über Nacht eingestürzt": Die dramatischen Zusammenbrüche von Beton-Brücken, während sie noch im Bau sind, oder von Betongebäuden, wenn sie gealtert sind, stimmen nachdenklich. Finden Sie einen Bericht über eine dieser "Pannen, die angeblich gar nicht eintreten können".

2. Stahlbeton: Was ist das? Wo liegen die Vorteile? Was sind die Probleme?

3. Aushärten von Zement: Was geschieht da chemisch?

4. Kunst auf und mit Zement und Beton: Wie kann man das graue Zeug gestalten? Finden Sie Beispiele.

Einzelheiten           Fachworte          Betonkunst

Zement ist ein meist graues Pulver, das aus den Rohmaterialien Kalkstein, Ton, Sand und Eisenerz hergestellt wird. Kalzium, Silizium, Aluminium und etwas Eisen sind die Elemente des Zementes. Alle sind sie mit Sauerstoff verbunden, also Oxide. In einfachster Form wären das: CaO, SiO2, Al2O3, FeO. Die Ausgangsstoffe des Zementes werden gesintert, also mit hoher Temperatur geröstet, und anschließend feingemahlen. Nach dem Anrühren mit Wasser erstarrt und erhärtet Zement infolge chemischer Reaktionen mit dem Anmachwasser. Zement bleibt nach dem Erhärten auch unter Wasser fest.

Zement erhärtet nicht wie Kalkmörtel unter Aufnahme von Kohlenstoffdioxid aus der Luft, sondern reagiert mit Wasser unter Bildung unlöslicher, stabiler Calciumsilikathydrate. Diese Stoffe bilden feine nadelförmige Kristalle aus, welche sich untereinander verzahnen und so zur hohen Festigkeit eines Zementmörtels oder Betons führen.

Kalkmörtel ist gelöschter Kalk, also Calciumhydroxid, plus Sand, also zum großen Anteil Siliziumdioxid. Kalkmörtel wirkt feuchtigkeitsregulierend und kann daher für Innenputze eingesetzt werden.

... diese drei Kapitel enthalten bedeutsames für die Klausur.

Das Erhärten von Zement war Anlass für Doktorarbeiten. Der folgende Text soll nicht gelernt werden, nicht einmal verstanden. Er zeigt nur mal, wie ein chemischer Vorgang im Detail beschrieben wird - da ist unter anderem das Erfinden zahlreicher neuer Wörter notwendig: 

Kurz nach dem Kontakt mit Wasser setzt eine kurze, intensive Hydratation ein (Prä-Induktionsperiode), Calciumsulfate gehen teilweise und Alkalisulfate nahezu vollständig in Lösung. 
Aus der Reaktion von Calcium- und Sulfationen mit Tricalciumaluminat bilden sich auf den Oberflächen der Klinkerpartikel kurze, hexagonal säulenförmige Ettringitkristalle. Daneben kommt es, ausgehend vom Tricalciumsilicat, zur Bildung von ersten Calciumsilicathydraten (CSH) in kolloidaler Form. 
Durch die Bildung einer dünnen Lage von Hydratationsprodukten auf den Klinkerpartikeln verebbt diese erste Hydratationsperiode, und die Ruheperiode oder Induktionsperiode, während der praktisch keine weitere Hydratation stattfindet, beginnt. 
Die ersten Hydratationsprodukte sind noch zu klein, um den Raum zwischen den Zementpartikeln zu überbrücken und ein festes Gefüge aufzubauen. Damit bleiben die Zementpartikel noch gegeneinander beweglich, das bedeutet die Konsistenz des Zementleims ist nur wenig steifer geworden. 
Das Erstarren des Zementleims beginnt nach etwa ein bis drei Stunden, wenn sich erste, noch sehr feine Calciumsilicathydratkristalle auf den Klinkerpartikeln bilden. 
Nach Abschluss der Ruheperiode setzt erneut eine intensive Hydratation der Klinkerphasen ein. Diese dritte Periode (Beschleunigungsperiode) beginnt nach etwa vier Stunden und endet nach 12 bis 24 Stunden. Dabei baut sich ein Grundgefüge auf, bestehend aus CSH-Faserbüscheln bzw. CSH-Blattstrukturen, plattigem Calciumhydroxid und in die Länge wachsenden Ettringitkristallen. Durch die größeren Kristalle werden die Räume zwischen den Zementpartikeln überbrückt. 
Im weiteren Hydratationsverlauf nimmt die Verfestigung stetig zu, jedoch mit reduzierter Hydratationsrate. Das Gefüge verdichtet sich dabei und die Poren werden zunehmend ausgefüllt. 
Die chemischen Reaktionen der Klinkerphasen mit dem Anmachwasser lassen sich  ausgeschrieben als chemische Formeln so darstellen:

  • \mathrm{\ 2 \ (3CaO \cdot SiO_2) + 6 \ H_2O \longrightarrow (3CaO \cdot 2SiO_2 \cdot 3H_2O) + 3 \ Ca(OH)_2}
  • \mathrm{\ 2 \ (2CaO \cdot SiO_2) + 4 \ H_2O \longrightarrow (3CaO \cdot 2SiO_2 \cdot 3H_2O) + Ca(OH)_2}
  • \mathrm{\ (3CaO \cdot Al_2O_3) + 12 \ H_2O + Ca(OH)_2 \longrightarrow (4CaO \cdot Al_2O_3 \cdot 13H_2O)}
  • \mathrm{\ (4CaO \cdot Al_2O_3 \cdot Fe_2O_3) + 13 \ H_2O \longrightarrow (4CaO \cdot Al_2O_3 \cdot Fe_2O_3 \cdot 13H_2O)}

Die Hydratationsprodukte bilden sich nicht gleichzeitig, sondern entsprechend ihrer Reaktionsfähigkeit mit unterschiedlicher Geschwindigkeit und nach unterschiedlicher Dauer. 
Der Übergang von Erstarren zum Erhärten erfolgt „fließend“.