Einfluss der Reaktionen verschiedener Zementhauptbestandteile auf den Alkalihaushalt der Porenlösung des Zementsteins

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Bei Verwendung alkaliempfindlicher Gesteinskörnungen kann eine ggf. auftretende schädigende Alkali-Kieselsäure-Reaktion (AKR) in Mörtel oder Beton vermieden werden, wenn - unter der Voraussetzung, dass keine Alkalizufuhr von Außen stattfindet - Zemente mit niedrigem wirksamen Alkaligehalt (NA-Zemente) eingesetzt werden. NA-Zemente sind in Deutschland in der DIN 1164 genormt und werden anhand ihres Gesamtalkaligehalts eingestuft. In Zementen mit mehreren Hauptbestandteilen kann der wirksame Alkaligehalt jedoch in unterschiedlichem Maß von dem Gesamtalkaligehalt abweichen. Die Ursache liegt in der unterschiedlichen Löslichkeit der in den Zementbestandteilen enthaltenen Alkalien sowie der unterschiedlichen Alkaliaufnahme in den Reaktionsprodukten. Über das dynamische Zusammenwirken zwischen den Lösungs- und Bindungsvorgängen ist bisher wenig bekannt. Ziel der vorliegenden Untersuchungen war es, die Zusammenhänge zwischen dem in der Porenlösung gelösten Alkalianteil in hüttensand-, steinkohlenflugasche-, silicastaub- und metakaolinhaltigen Zementsteinen und den Reaktionen der darin enthaltenen Hauptbestandteile zu erarbeiten. Hierzu wurde die Porenlösung unterschiedlich zusammengesetzter Zementsteine in Abhängigkeit von der Hydratationsdauer ausgepresst und auf ihren Alkaligehalt hin analysiert. Es wurden Zemente mit drei Hüttensanden, zwei Flugaschen, zwei Silicastäuben und einem Metakaolin hergestellt. Die Wirkung der Hauptbestandteile auf den gelösten Alkalianteil wurde in Kombination mit Klinkern mit unterschiedlichem Alkaligehalt bzw. in dotierten Zementsystemen analysiert. Parallel dazu wurde die Veränderung der Feststoffphase analysiert. Dabei war zu klären, welche Korrelation zwischen der Veränderung des gelösten Alkalianteils und dem Reaktionsfortschritt der Zementbestandteile besteht, in welcher Weise sich die Zusammensetzung der CSH-Phasen durch den Einsatz der Hüttensande und Puzzolane verändert, wie sich diese Veränderungen auf die Bindungskapazität für Alkalien auswirken, ob bei der Reaktion der verschiedenen Hauptbestandteile weitere alkalibindende Phasen gebildet werden. Die Alkaliionenkonzentration in der Porenlösung der hüttensandhaltigen Zementsteine erreicht nach 28 Tagen ein konstantes Niveau. Dabei ist die Konzentration in der Porenlösung geringer als in den mit dem gleichen Klinker hergestellten Portlandzementsteinen. Bei einem Hüttensandgehalt von 20 M.-% des Zements ist die Abnahme der Konzentration jedoch geringer als es bei der aus der reduzierten Klinkermenge berechneten Verdünnung zu erwarten wäre. Erst bei höheren Hüttensandgehalten sinkt die Alkaliionenkonzentration der Porenlösung deutlich. Aus der Alkaliionenkonzentration wurde der in der Porenlösung gelöste Alkalianteil berechnet. Die Ergebnisse zeigen, dass bei hüttensandhaltigen Zementsteinen ein Teil der löslichen Alkalien aus den Hüttensanden stammt. Im Vergleich zum Klinker ist der Alkalibeitrag des Hüttensands zur Porenlösung jedoch gering und nahezu unabhängig von dem Gesamtalkaligehalt des verwendeten Hüttensands. Die Untersuchung der Feststoffphase ergab, dass die Alkalibindung in den hüttensandhaltigen Zementsteinen auf die Sorption von Alkalien in den CSH-Phasen beschränkt ist. Dabei weisen die CSH-Phasen in Zementsteinen mit einem Hüttensandgehalt von bis zu 40 M.-% ein ähnliches Ca/Si-Verhältnis und damit ähnliche sorptive Eigenschaften auf wie diejenigen des Portlandzementsteins. Die Abnahme des gelösten Alkalianteils in hüttensandhaltigen Zementsteinen ist damit nicht auf eine verstärkte Alkalibindung in den CSH-Phasen zurückzuführen, sondern in erster Linie auf den sinkenden Klinkeranteil im Zement. Bis zu einem Alter von 28 Tagen ist der Einfluss von Flugasche auf den Alkalihaushalt der Porenlösung mit dem des Hüttensands vergleichbar. Bei weiterer Hydratation sinkt der in der Porenlösung gelöste Alkalianteil sukzessive und erreicht nach 180 Tagen ein konstantes Niveau. Durch die bei der puzzolanischen Reaktion gebildeten CSH-Phasen sinkt das mittlere Ca/Si-Verhältnis im Zementstein mit fortschreitender Hydratationsdauer. Dadurch steigt das Vermögen der CSH-Phasen Alkalien zu binden. Ferner können bei der Flugaschereaktion alkalihaltige Zeolithe als metastabile Zwischenprodukte gebildet werden. Die Bindungskapazität dieser Phasen gewinnt mit zunehmendem Flugascheanteil im Zement an Bedeutung. Die Dauerhaftigkeit der Alkalibindung in den Zeolithen ist jedoch schwer zu beurteilen. In Gegenwart von Calcium sind die Zeolithe nicht stabil, sondern werden in CSH- bzw. CAH-Phasen umgesetzt, die ihrerseits Alkalien aufnehmen können. Ob dieser Prozess zu einem Anstieg des gelösten Alkalianteils führt, hängt von der Menge und der Stöchiometrie der gebildeten Phasen ab. Silicastaub reduziert den Alkaligehalt der Porenlösung sehr viel stärker als Hüttensand oder Steinkohlenflugasche. Die Alkalibindung setzt dabei bereits während der ersten zwei Tage der Hydratation ein. Verantwortlich hierfür ist in erster Linie die Reaktion des Silicastaubs mit den in der Porenlösung gelösten Alkalien. Dabei bildet sich zunächst ein Alkali-Kiesel-Gel, das im weiteren Verlauf der Hydratation in CSH-Phasen umgesetzt wird. Bei der Umsetzung des Gels werden Alkalien freigesetzt. Dies kann langfristig zu einem Anstieg des in der Porenlösung gelösten Alkalianteils führen. Die Höhe der alkalibindenden Wirkung des Silicastaubs ist somit, insbesondere in Zementsteinen mit geringem Silicastaubgehalt, zeitlich begrenzt. Der Einsatz von Metakaolin führt ähnlich wie Silicastaub zu einer sehr schnellen, über den Verdünnungseffekt hinausgehenden Abnahme des gelösten Alkalianteils. Auch hierbei ist nach der ersten Einbindung ein erneuter Anstieg des gelösten Alkalianteils festzustellen. Die Alkalibindung beruht in den metakaolinhaltigen Zementsteinen auf der Bildung alkalihaltiger Zeolithe. Nachfolgend werden diese Verbindungen in CSH-Phasen und Strätlingit umgewandelt. Aufgrund der im Vergleich zur Flugasche geringen Menge an Metakaolin reicht die Bindungskapazität der CSH-Phasen jedoch nicht aus, die bei der Umsetzung freigesetzten Alkalien aufzunehmen. Unter den im Zementstein herrschenden Bedingungen ist die Bindung der Alkalien in den Reaktionsprodukten stabil. In allen Zementsteinen steigt die Alkaliaufnahme in den Reaktionsprodukten mit zunehmendem Alkaliangebot aus der Lösung. Bei einer Verringerung der Alkaliionenkonzentration der Porenlösung, z. B. bei einer Feuchteaufnahme des Betons oder bei einer Abnahme der Alkaliionenkonzentration infolge einer Alkali-Kieselsäure-Reaktion, können die an den CSH-Phasen sorbierten Alkalien teilweise wieder freigesetzt werden. Die Untersuchungen an synthetisch hergestellten CSH-Phasen ergaben, dass die Ursache in der Ausbildung eines Gleichgewichts zwischen den in den CSH-Phasen sorbierten und den in der Porenlösung gelösten Alkalien liegt. Für eine zuverlässige Voraussage des wirksamen Alkalianteils muss daher das quantitative Bindungsvermögen der jeweiligen CSH-Phasen berücksichtigt werden. Für eine solche Berechnung ist es notwendig, die Bindungseigenschaften der Reaktionsprodukte sehr viel detaillierter zu untersuchen als es im Rahmen dieser Arbeit möglich war. Hierbei sind u. a. die CAH-Phasen zu berücksichtigen, über deren Bindungsvermögen bislang nur wenig bekannt ist.