Wirkung von Zucker auf den Beton-Abbindeprozess: Mechanismen, Risiken und praxisnahe Beobachtungen
Seit langem ist bekannt, dass Zucker den Erstarrungs- und Erhärtungsprozess von Zement verzögern kann. In der Literatur finden sich zu diesem Thema nur wenige, oft widersprüchliche Angaben. Daher stellt der vorliegende Artikel Prüfungen von Zementsuspensionen und -mörteln vor, die zur Verifizierung dieser Daten durchgeführt wurden. 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. Frischbeton benötigt etwa 24 Stunden zum Erstarren.
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. Doch Beton erhärtet, gerade weil Wasser vorhanden ist, nicht etwa, weil Wasser entweicht. 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.
Grundlagen der Hydratation und Mikrostrukturentwicklung
Hydratation von Zement und Wasser. Unterm Mikroskop: Bei der Reaktion von Zement mit Wasser entstehen nadelförmige Calciumsilikathydrat-Kristalle, die untereinander zu einer festen Verbindung „verfilzen“. 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.
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.
Phasen des Erhärtens und Rolle des Wasserzementwertes
Zemente mit einer hohen Festigkeit sind nach etwa 24 Stunden weitgehend erstarrt. Dies ist vielmehr ein langwieriger Prozess, der, je nach Zementrezeptur, vier Wochen oder auch bis zu mehreren Monaten andauern kann. Damit ein leistungsfähiger Beton entsteht, ist es übrigens von großer Bedeutung, dass das Mengenverhältnis von Wasser und Zement stimmt. 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.
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Wie Zucker den Abbindeprozess beeinflusst
Zuckerartige Verbindungen können das Erhärten extrem verzögern. Ursache der Erhärtungsverzögerung ist eine verlängerte Induktionsperiode des Tricalciumsilicat (C3S, Alit), also der etwa zweistündigen Ruheperiode nach der ersten Reaktion. So verlängern z.B. Zusätze von nur 0,2 M.-% Zucker die Induktionsperiode des Tricalciumsilicat auf 6 h. Noch höhere Zusätze können den Beginn des Erhärtens um mehrere Tage verzögern. Zucker und vermutlich auch andere organische Verbindungen werden anscheinend an der Oberfläche der ersten Hydratationsprodukte adsorbiert und hemmen das Weiterwachsen.
Mögliche Quellen von Zucker im Baualltag
Wer kennt es nicht, dass oft auf Baustellen Energiedrinks oder andere zuckerhaltigen Getränke konsumiert werden. Die Wenigsten sind sich aber über die Folgen nicht bewusst die entstehen wenn eine geringe Menge in den Frischbeton oder auf eine Arbeitsfuge gelangt und sich dort mit dem Beton vermischt. Wenn man den Männern auf der Baustelle sagt das der Konsum solcher Getränke an Betoneinbaustellen nichts verloren hat und diese den Beton massiv schädigen können wird man oft ungläubig angeguckt.
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Experimentelle Beobachtungen: Einfluss geringer Zuckerzugaben
Aber genau dies hat mich zu einem Experiment mit zwei Vorarbeitern veranlasst. Wir haben zwei Erhärtungswürfel hergestellt.Dem linken Erhärtungswürfel im Video habe ich eine geringe Menge eines Energiedrinks beigemischt und der rechte Erhärtungswürfel wurde mit dem reinen Transportbeton hergestellt. Nach 48 Stunden wurden die beiden Würfel in Anwesenheit aller Beteiligten ausgeschalt und den Beteiligten übergeben. Die beiden Würfel wurden gleichzeitig und aus gleicher Höhe fallen gelassen. Als die Würfel aufgeschlagen sind hat das Ergebniss für sich gesprochen . Es sind oftmals Kleinigkeiten die zu einen großen Schaden führen können.
Laborprüfungen zu Ansteif- und Festigkeitsverlauf
Das Versuchsprogramm umfasste die Bestimmung der Ansteif- und Erstarrungszeiten von Zementen sowie der Biegezug- und Druckfestigkeit von Mörteln mit unterschiedlichem Zuckergehalt. 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.
| Parameter | Ohne Zucker | Mit 0,2 M.-% Zucker |
|---|---|---|
| Induktionsperiode C3S | ≈ 2 h | ≈ 6 h |
| Beginn Erhärten | ≈ 1-2 h nach Anmischen | bis zu mehreren Tagen verzögert (bei höheren Zusätzen) |
| Erstarren Frischbeton | ≈ 24 h | deutlich verlängert |
Mechanistische Einordnung: Adsorption und Wachstumshemmung
Zucker und vermutlich auch andere organische Verbindungen werden anscheinend an der Oberfläche der ersten Hydratationsprodukte adsorbiert und hemmen das Weiterwachsen. Beim Portland-Zement, der sehr viele Calciumsilikate enthält, sind es vor allem Calciumsilikathydrate (CSH). Die Kristallnadeln „verfilzen“ sozusagen miteinander. Diese Form spielt eine große Rolle für die hohe Festigkeit des späteren Zementsteins und damit des Betons.
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Einordnung im Kontext von Zusatzmitteln
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. Um die Verarbeitbarkeit der Bindemittelzusammensetzungen bei möglichst geringem Wasser/Bindemittel-Verhältnis zu verbessern ist es zudem üblich, sogenannte Dispergiermittel als Verflüssiger einzusetzen. Als besonders effektive Dispergiermittel bekannt sind beispielsweise Kammpolymere auf Polycarboxylatbasis.
Die Qualität der Zuschlagstoffe hat dabei einen grossen Einfluss auf die Verarbeitbarkeit der Bindemittelzusammensetzung und die Eigenschaften des ausgehärteten Produkts. Gewisse Zuschläge beeinflussen den Wasser- und Fliessmittelbedarf massiv. Ein Entfernen der problematischen Feinanteile oder Tone ist zwar möglich, bedingt aber einen relativ grossen Aufwand und ist entsprechend teuer. In solchen Fällen wird daher üblicherweise der Anteil an Fliessmittel erhöht, was jedoch höhere Kosten mit sich bringt, die Frühdruckfestigkeiten reduzieren, das Abbinden verzögern, und die Qualität der ausgehärteten Bindemittelzusammensetzung beeinträchtigen kann.
Spezialfall karamellisierter Zucker (Zuckerkulör) als Verflüssiger
Die Erfindung betrifft die Verwendung von Verflüssigern für mineralische Bindemittelzusammensetzungen. Überraschenderweise wurde gefunden, dass dies durch die Verwendung von karamellisiertem Zucker als Verflüssiger für mineralische Bindemittelzusammensetzungen erreicht werden kann. Wie sich gezeigt hat, kann durch die Verwendung von karamellisiertem Zucker der Wasserbedarf und/oder der Fliessmittelbedarf in mineralischen Bindemittelzusammensetzungen enthaltend Recyclingzuschlagstoffe und/oder Zuschlagstoffe mit hohen Anteilen an Feinstoffen und/oder Tonen signifikant reduziert werden. Zudem kann eine gute Verarbeitbarkeit der mineralischen Bindemittelzusammensetzungen erreicht werden, welche über längere Zeit bestehen bleibt.
Gemäss einem ersten Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung die Verwendung von karamellisiertem Zucker als Verflüssiger für mineralische Bindemittelzusammensetzungen. Der Ausdruck "karamellisierter Zucker" steht vorliegend insbesondere für Bräunungsprodukte, welche durch Wärmebehandlung oder Erhitzen von Zucker erhältlich sind. Insbesondere umfasst der karamellisierte Zucker Karamell oder er besteht daraus. Gemäss einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform umfasst der karamellisierte Zucker Zuckercouleur oder er besteht daraus.
Ausgangsstoffe und Herstellung
Der Begriff "Zucker" umfasst insbesondere Monosaccharide, Oligosaccharide oder Mischungen davon. Diese können z.B. in Form von Glucosesirup, Fructose, Lactose, Dextrose, Invertzucker, Sucrose, Maissirup, Malzsirup, Melasse und/oder hydrolysierte Stärke vorliegen. Die Wärmebehandlung des Zuckers erfolgt insbesondere bei Atmosphärendruck (1 bar) und an Luft bzw. in Erdatmosphäre. Der Zucker wird bei der Wärmebehandlung typischerweise auf Temperaturen von 110 - 180°C erhitzt. Der Zucker wird dabei insbesondere so lange erhitzt, bis eine Braunfärbung eintritt.
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Zuckercouleur wir auch Caramel Colour genannt. Zuckerkulör kann analog zu Karamell hergestellt werden, wobei bei der Wärmebehandlung oder beim Karamellisieren jedoch üblicherweise zusätzlich Reaktionsbeschleuniger zugegeben werden. Dies sind z.B. Basen oder Säuren. Je nachdem welcher Reaktionsbeschleuniger bei der Herstellung von Zuckercouleur eingesetzt wird, entstehen unterschiedlich zusammengesetzte Zuckercouleure. Die Zuckercouleur ist insbesondere eine Zuckercouleur vom Typ INS Nr. 150, bevorzugt 150a, 150b, 150c und/oder 150d.
Leistungswirkung in Bindemittel-Systemen
Dadurch wird sowohl eine gute Verarbeitbarkeit der flüssigen Bindemittelzusammensetzung als auch hohe mechanischen Festigkeit nach deren Aushärten erreicht. In solchen Fällen wird daher üblicherweise der Anteil an Fliessmittel erhöht, was jedoch höhere Kosten mit sich bringt, die Frühdruckfestigkeiten reduzieren, das Abbinden verzögern, und die Qualität der ausgehärteten Bindemittelzusammensetzung beeinträchtigen kann. Auch möglich ist es, andere Dispergiermittel einzusetzen, beispielsweise Ligninsulfonate, welche auf die unterschiedlichen Qualitäten der Zuschlagstoffe weniger empfindlich reagieren. Üblicherweise ist aber die maximal erreichbare Wasserreduktion mit derartigen Dispergiermitteln massiv geringer.
Praxisnahe Hinweise für Baustellen
- 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.
- Frischbeton benötigt etwa 24 Stunden zum Erstarren, diese Spanne wird auch als Abbindezeit bezeichnet.
- Es sind oftmals Kleinigkeiten die zu einen großen Schaden führen können.
- Die Wenigsten sind sich aber über die Folgen nicht bewusst die entstehen wenn eine geringe Menge in den Frischbeton oder auf eine Arbeitsfuge gelangt und sich dort mit dem Beton vermischt.
Erstaunlicherweise reagieren die H 2 O-Moleküle mit dem Zement zu steinharten Feststoffen. Beim Portland-Zement, der sehr viele Calciumsilikate enthält, sind es vor allem Calciumsilikathydrate (CSH). Die Kristallnadeln „verfilzen“ sozusagen miteinander. So verlängern z.B. Zusätze von nur 0,2 M.-% Zucker die Induktionsperiode des Tricalciumsilicat auf 6 h.
Herstellung von Zement und Einordnung der Reaktionskinetik
Zement wird vor allem aus den Rohstoffen Kalkstein und Ton hergestellt. 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? Erst frühestens eine Stunde nach dem Hinzufügen des Wassers brechen die Klinkeroberflächen auf und es beginnt der eigentliche Erstarrungsprozess des Zementleims.
Zusammenhang zwischen Zusatzmitteln, Zucker und Abbinden
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. Die Qualität der Zuschlagstoffe hat dabei einen grossen Einfluss auf die Verarbeitbarkeit der Bindemittelzusammensetzung und die Eigenschaften des ausgehärteten Produkts. In solchen Fällen wird daher üblicherweise der Anteil an Fliessmittel erhöht, was jedoch höhere Kosten mit sich bringt, die Frühdruckfestigkeiten reduzieren, das Abbinden verzögern, und die Qualität der ausgehärteten Bindemittelzusammensetzung beeinträchtigen kann.
So verlängern z.B. Zusätze von nur 0,2 M.-% Zucker die Induktionsperiode des Tricalciumsilicat auf 6 h. Noch höhere Zusätze können den Beginn des Erhärtens um mehrere Tage verzögern. Zucker und vermutlich auch andere organische Verbindungen werden anscheinend an der Oberfläche der ersten Hydratationsprodukte adsorbiert und hemmen das Weiterwachsen.
Kernaussagen auf einen Blick
- Zuckerartige Verbindungen können das Erhärten extrem verzögern.
- Ursache der Erhärtungsverzögerung ist eine verlängerte Induktionsperiode des Tricalciumsilicat (C3S, Alit).
- Schon 0,2 M.-% Zucker verlängern die Induktionsperiode auf ca. 6 Stunden.
- Noch höhere Zusätze können den Beginn des Erhärtens um mehrere Tage verzögern.
- Zucker adsorbiert an frühen Hydratationsprodukten und hemmt das Weiterwachsen der CSH-Strukturen.
- Auf Baustellen können geringe Mengen zuckerhaltiger Getränke relevante Schäden verursachen.
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