Zusatzmittel: Beschleuniger – Der Turbo für den Beton

Das Abbindeverhalten eines Zementes wird von einer Reihe von Einflussfaktoren geprägt. Zunächst definiert der jeweilige Klinker wie schnell ein Zement fest wird und erhärtet. Maßgeblich dafür ist das jeweilige Rohstoffvorkommen, der Kalkstein, die Rohmehlzusammensetzung und die Brennbedingungen im Ofen. Je feiner ein Zement aufgemahlen wird, desto schneller bindet er ab. Darüber hinaus beeinflussen auch Zumahlstoffe, wie Kalksteinmehl, Hüttensandmehl und Flugasche sowie Art und Menge des verwendeten Abbindereglers die Erstarrungszeit und Festigkeitsentwicklung. Bei der Herstellung eines Zementes müssen Erstarrungszeiten und Festigkeitsentwicklung auf die jeweilige Anwendung angepasst werden. Zemente für den Transportbeton müssen über einen langen Zeitraum verarbeitbar bleiben. Das Erstarren sollte also möglichst spät einsetzen. Zemente für Betonfertigteile werden meist sehr schnell verarbeitet. Die Abbindezeiten können kurz ausfallen. Dafür müssen Fertigteilzemente eine hohe Frühfestigkeit erreichen. Oftmals ist es notwendig diese Zement- oder Betoneigenschaften gezielt zu verändern. Dies geschieht über die Zugabe von Zusatzmitteln.

Bei den Beschleunigern werden zwei Arten grundsätzlich unterschieden:

• Erstarrungsbeschleunigung und
• Erhärtungsbeschleunigung

Bei der Erstarrungsbeschleunigung geht es darum, einen Mörtel oder Beton möglichst schnell von einer fließfähigen und gut verarbeitbaren Konsistenz in einen festen Zustand zu überführen. Erstarrungsbeschleuniger werden hauptsächlich bei Spritzbetonen eingesetzt. Spritzbetone verwendet man zur Sicherung im Tunnelbau oder bei der Böschungs- und Hangsicherungen. Bei dieser Anwendung wird der Beton mit hohem Druck durch eine Düse an den Einsatzort gespritzt. An der Spritzdüse wird dem Beton ein Erstarrungsbeschleuniger zugegen. Dieser bewirkt ein sehr schnelles Ansteifen des Betons, was das Auftragen des Betons auf Wänden und Decken in mehreren Schichten ermöglicht ohne dass der Beton wieder nach unten läuft.

Bild 1: Einsatz von Spritzbeton im Tunnelbau
Bild 2: Einsatz von Spritzbeton zur Böschungssicherung

Der Mechanismus der Erstarrungsbeschleunigung beruht auf der sehr schnellen Bildung großer Mengen des Minerals Ettringit. Ettringit entsteht grundsätzlich beim Abbinden von Portlandzement. Durch die Zugabe von Beschleuniger wird diese Reaktion enorm verstärkt. Das Mineral sorgt für einen schnellen Wasserverbrauch und bildet ein dichtes Netz aus nadeligen Kristallen. Ettringit ist allerdings nicht in der Lage hohe Festigkeiten im Beton zu generieren. Dies geschieht erst zu späteren Zeitpunkten durch die Bildung von Calciumsilikathydraten (C-S-H). Als Erstarrungsbeschleuniger kommen in Europa spezielle Aluminiumhydroxid-Aluminiumsulfat-Mischungen zum Einsatz.

Bild 3: Elektronenmikroskopische Aufnahme von Ettringitkristallen in einem Spritzbeton bei 20.000-facher Vergrößerung. Dicke der Kristalle ca. 0,0001 mm

Zemente wie der CEM I 52,5 R (bs) aus Mergelstetten oder der CEM III/A 52,5 N-SR aus Karlstadt werden u.a. zur Herstellung von Spritzbeton im Tunnelbau eingesetzt. Diese Zemente sind speziell auf eine gute Wechselwirkung mit Erstarrungsbeschleunigern optimiert.

Eine andere Wirkung zeigen Erhärtungsbeschleuniger. Diese Zusatzmittel zielen auf eine möglichst starke Beschleunigung der Festigkeitsentwicklung ab. Jeder Zement zeigt nach dem Anmischen mit Wasser und einer ersten Reaktion mit dem Wasser eine ausgeprägte Ruheperiode. Während dieses Zeitraums ist der Zementleim, Mörtel oder Beton noch fließfähig und verarbeitbar. Erst mit dem Ende der Ruheperiode, nach ca. zwei bis fünf Stunden, beginnt die Festigkeitsentwicklung. Diese Festigkeitsentwicklung basiert auf der Reaktion von Alit (Hauptbestandteil von Klinker) mit Wasser. Dabei entsteht ein dichtes Netz aus sehr feinen Fasern, dem Calciumsilikathydrat (C-S-H). Auch diese Reaktion kann durch Additive beeinflusst werden. Zum einen kann über eine Erhöhung der Calcium-Konzentration im Wasser, zum anderen über das Einbringen von sogenannten C-S-H Keimen eine deutliche Beschleunigung erzielt werden. Die Erhöhung der Calcium-Konzentration kann über die Zugabe von leicht löslichen Calcium-Salzen wie z.B. Calciumchlorid oder Calciumnitrat sehr effektiv und preiswert realisiert werden. Diese Stoffe sind allerdings aufgrund ihrer korrosionsfördernden Eigenschaften bzgl. Stahl in konstruktiven Bauteilen verboten und damit nur sehr eingeschränkt einsetzbar. Alternative nicht korrosive Calciumverbindungen werden im Produkt Fastcrete plus aus Mergelstetten und im CEM I 52,5 R (fc) aus Bernburg und Karlstadt eingesetzt.

Seit einigen Jahren gibt es bauchemische Produkte die in die Kristallisationsvorgänge bei der Zementhydratation eingreifen. Impfkristalle sorgen hierbei für eine deutlich frühere und intensivere C-S-H-Bildung. Das Ergebnis ist ein wesentlich höherer Umsetzungsgrad im Vergleich zur nicht beschleunigten Reaktion. Die Ruheperiode wird verkürzt und die Festigkeitsentwicklung beginnt deutlich schneller. Das bekannteste Zusatzmittel dieser Kategorie ist „X-Seed“ der Firma BASF.

Bild 4: C-S-H Bildung in einem Beton ohne Beschleuniger nach ca. 4 Stunden, schematische Darstellung [Quelle: BASF]
Bild 5: C-S-H Bildung in einem Beton mit Beschleuniger nach ca. 4 Stunden, schematische Darstellung [Quelle: BASF].

Beide Beschleunigervarianten, die Erstarrungs- und die Erhärtungsbeschleuniger werden mit BE abgekürzt. Die Produkte werden als Normenprodukte seitens  der Zusatzmittelindustrie eng überwacht.