Um Beton herzustellen, mischt man das Bindemittel Zement mit Gesteinskörnungen und fügt Wasser hinzu. Als Ergebnis entsteht zunächst Frischbeton, der noch weich und verformbar ist. Er benötigt etwa 24 Stunden zum Erstarren, diese Spanne wird auch als Abbindezeit bezeichnet. Währenddessen findet die so genannte Hydratation statt: Zementleim verwandelt sich in Zementstein. Doch was läuft dabei eigentlich genau im Beton ab?
Die feuchte, dickflüssige Konsistenz von Frischbeton hat einen Riesenvorteil. Nur dadurch erreicht der Baustoff seine einmalige Flexibilität, die Bauwerke mit außergewöhnlichen Formen erst möglich macht. Der lange Zeitraum, in dem man frisch angemischten Beton noch verarbeiten kann, hängt damit zusammen, dass die Erhärtung ein relativ langsam verlaufender chemischer Prozess ist.
Hydratation von Zement und Wasser
Entscheidend ist dabei die Reaktion zwischen dem Zement und dem Anmachwasser. Diese bezeichnet man als Hydratation, weil das Wasser größtenteils chemisch gebunden wird. Deshalb ist es streng genommen falsch zu sagen, dass Beton trocknet. Das wäre der Fall, wenn das Anmachwasser an die Umgebung abgegeben würde. Doch Beton erhärtet, gerade weil Wasser vorhanden ist, nicht etwa, weil Wasser entweicht. Erstaunlicherweise reagieren die H 2 O-Moleküle mit dem Zement zu steinharten Feststoffen.
Zement wird vor allem aus den Rohstoffen Kalkstein und Ton hergestellt. Meist kommen noch Quarzsand und Eisenerz hinzu. Die Rohstoffe werden gemahlen und bei 1.400 bis 1.500 °C gebrannt. Als Ergebnis entstehen hart gebrannte und sehr dichte Kügelchen. Diese so genannten Zementklinker werden mit Zusatzstoffen wie Hüttensand, Flugasche, Kalkstein und Gips vermischt, und alles zusammen wird dann noch einmal gemahlen. Fertig ist der Zement.
Was passiert nun genau, wenn man den Zement mit Wasser und Gesteinskörnungen mischt? Die im Beton enthaltenden Gesteinszuschläge bleiben unverändert und spielen bei der chemischen Reaktion keine Rolle. Aber das sie umschließende Gemisch aus Zement und Wasser – der so genannte Zementleim – verändert seine Konsistenz und wird zu festem Zementstein. Dass man Betonmischungen in der Praxis meist noch Zusatzstoffe und Zusatzmittel hinzufügt, um bestimmte gewünschte Eigenschaften zu erzielen, ist für das grundsätzliche Prinzip der Betonerhärtung nicht von Belang.
Bildung von CSH-Kristallen
Wenn der Zement mit Wasser in Berührung kommt, kommt es praktisch augenblicklich zur so genannten Hydrolyse. Dabei reagiert das Wasser mit der Oberfläche der Zementklinker, was zu einem ersten Ansteifen des Zementleims führt. Doch danach gerät die spontane Reaktion zunächst ins Stocken. Erst frühestens eine Stunde nach dem Hinzufügen des Wassers brechen die Klinkeroberflächen auf und es beginnt der eigentliche Erstarrungsprozess des Zementleims. Bei dieser Hydratation werden die mit Wasser gefüllten Zwischenräume zwischen den Zement-Feststoffpartikeln nach und nach durch Hydratverbindungen ersetzt. Dabei handelt es sich um kristalline Feststoffe, in denen Wasser chemisch gebunden ist.
Je nach verwendetem Zementtyp bilden sich unterschiedliche Hydratkristalle. Beim Portland-Zement, der sehr viele Calciumsilikate enthält, sind es vor allem Calciumsilikathydrate (CSH). Am Anfang sind diese Kristalle noch sehr winzig, erst nach etwa vier Stunden bilden sich größere CSH-Verbindungen, die zunehmend in der Lage sind, die Zwischenräume zwischen den Zementpartikeln zu überbrücken. Es entstehen langfaserige, nadelförmige Strukturen. Diese Form spielt eine große Rolle für die hohe Festigkeit des späteren Zementsteins und damit des Betons. Die Kristallnadeln „verfilzen“ sozusagen miteinander.
Langzeitreaktion
Zemente mit einer hohen Festigkeit sind nach etwa 24 Stunden weitgehend erstarrt. Das bedeutet aber nicht, dass der Beton bereits komplett erhärtet wäre. Dies ist vielmehr ein langwieriger Prozess, der, je nach Zementrezeptur, vier Wochen oder auch bis zu mehreren Monaten andauern kann. Dieser abschließende Erhärtungsprozess wird auch als dritte Phase der Hydratation bezeichnet – nach dem Ansteifen und dem Erstarren.
Damit ein leistungsfähiger Beton entsteht, ist es übrigens von großer Bedeutung, dass das Mengenverhältnis von Wasser und Zement stimmt. Nur dann ist eine optimale Abbindereaktion möglich, bei der der Großteil des Anmachwassers chemisch gebunden wird. In diesem Zusammenhang muss der so genannte Wasserzementwert beachtet werden, der das Verhältnis zwischen der Masse des Anmachwassers und der Masse des Zements beschreibt. Er sollte zwischen 0,3 und 0,6 liegen. Aus der Null vor dem Komma lässt sich ableiten, dass eine „gute“ Betonmischung mehr Zement als Wasser enthält.
