Technische Universität München – Fakultät für Chemie – Lichtenbergstr. 4 – 85747 Garching – Tag der Disputation: 05. Mai 2008 – Gutachter: Univ.-Prof. Dr. Johann Plank, München – Univ.-Prof. Dr.-Ing. Detlef Heinz, München – apl. Prof. Dr. Anton Lerf, München – Bei der Entwicklung moderner, innovativer Baustoffe wie z.B. selbstverdichtendem oder ultrahochfestem Beton, spielen neben öko-nomischen Gesichtspunkten zunehmend Faktoren wie Verarbeitbarkeit und Dauerhaftigkeit eine entscheidende Rolle. Um diese An-forderungen erfüllen zu können, kommen in der Praxis komplexe Rezepturen mit einem abgestimmten Verhältnis von Zement, Gesteins-körnung, Zusatzstoffen sowie verschiedenen bauchemischen Zusatzmitteln zum Einsatz. Trotzdem werden immer wieder „Unverträglich-keiten“ zwischen den eingesetzten Zementen und dem Zusatzmittel festgestellt, welche im schlimmsten Fall zum Versagen des Baustoff-systems führen können. Von besonderer Bedeutung ist dabei die chemisch-physikalische Wechselwirkung zwischen dem Tricalciumaluminat (C3A), dem reaktivsten Bestandteil des Portlandzements, und Fließmitteln, welche zu den am häufigsten eingesetzten Zusatzmitteln gehören. – Schwerpunkt dieser Arbeit waren deshalb grundlegende Untersuchungen zur Wechselwirkung zwischen den verschiedenen Modi-fikationen des Tricalciumaluminats (kubisch, orthorhombisch, monoklin) und unterschiedlich strukturierten Fließmitteln auf Polykondensat- bzw. Polycarboxylat-Basis. Dazu wurden zunächst drei klar definierte Bindemittelmodellsysteme auf Basis von reinem C3A, Weißzement und Portlandzement hergestellt. Bei der Synthese der Reinphase C3A und der Zementklinker konnte das Verhältnis von kubischer zu ortho-rhombischer und monokliner C3A-Modifikation durch gezielten Einbau bestimmter Mengen von Na2O gesteuert werden. – Im ersten Modellsystem wurde die Wechselwirkung zwischen Na2O-dotierten reinen C3A-Phasen und Fließmitteln in Anwesenheit eines Sulfatträgers studiert. In Gegenwart von Fließmittel wird die Anfangshydratation unabhängig von der C3A-Modifikation generell deutlich beschleunigt. Hydratationswärme und Ettringitbildungsrate steigen zeitgleich an, zwischen beiden Größen besteht ein linearer Zusammen-hang. Die Steigerung der C3A-Reaktivität korreliert nicht mit der anionischen Ladungsdichte der Fließmittel. Polykondensate zeigen im Ver-gleich zu Polycarboxylaten generell eine höhere Adsorption auf hydratisierenden Aluminat-Phasen. Mit zunehmendem Na2O-Gehalt der C3A-Phasen nimmt die Adsorption der PCE-Fließmittel um bis zu 10 % ab, während sie im Falle des Polykondensats Naphthalinsulfonsäure-Formaldehyd konstant bleibt. Neben der Ettringitbildungsrate erhöhen Polycarboxylate auch das Längen-Dicken-Verhältnis der Ettringit-kristalle. Es treten bevorzugt langstängelige, nadelförmige Kristalle auf. Mit zunehmender Na2O-Dotierung der Aluminatphase verstärkt sich dieser Effekt. In Gegenwart von Fließmitteln findet die Hauptreaktion zeitlich verzögert statt. Bei nicht-kubischen Aluminatphasen ist dieser Effekt stärker als bei kubischen. – Das zweite Modellsystem, basierend auf zweiphasigem, Na2O-dotiertem Weißzementklinker, erweitert das vorangegangene C3A-System um die Klinkerphase Tricalciumsilikat (C3S). Dadurch war es möglich, die Wechselwirkung zwischen C3A und Fließmitteln in Gegenwart von C3S zu untersuchen. Im Weißzement wird die Anfangsreaktion mit zunehmendem Na2O -Gehalt der Aluminatphase deutlich erhöht. Die Anwesenheit von PCE-Fließmitteln in Kombination mit einem steigenden Na2O-Gehalt des Weißzements bewirkt in der frühen Phase der Hydratation generell eine schnellere Hydrolyse des C3A sowie des Sulfatträgers. Konsequenz ist eine höhere Ettringitbildungsrate. Tritt ein Polycarboxylat mit hoher anionischer Ladungsdichte mit Weißzement, der vorwiegend orthorhombisches C3A enthält, in Wechselwirkung, kommt es bereits nach 5 Minuten Hydratationsdauer zu einem vollständigen Gipsverbrauch. In der Praxis hätte dies ein beschleunigtes Er-starren des Baustoffs mit negativen Folgen für die Verarbeitbarkeit zur Folge. – Das dritte Modellsystem auf Grundlage Na2O-dotierter, vierphasiger Portlandzementklinker berücksichtigt zusätzlich die Klinkerphasen Dicalciumsilikat (C2S) und Tetracalciumaluminatferrit (C4AF). In Gegenwart von Polycarboxylaten wird die Anfangsreaktion des Portland-zements mit zunehmendem Gehalt an orthorhombischem C3A stärker verzögert, sie dauert jedoch länger an. Dieser Effekt wird bei höherer anionischer Ladungsdichte des Polymers verstärkt. Konsequenzen sind eine größere Hydratationswärmemenge sowie eine gesteigerte Ettringitbildungsrate. Der Beginn der Hauptreaktion, die aus mindestens zwei Teilreaktionen besteht, erfährt unter PCE-Zugabe keine Ver-zögerung. Die zuerst eintretende Teilreaktion wird mit steigendem Na2O-Gehalt des Zements zugunsten der zweiten Teilreaktion aktiviert. Zusätzlich verzögert sich die zweite Teilreaktion. Nach 5 min Hydratationsdauer adsorbieren PCE-Fließmittel bei steigendem Na2O-Gehalt der Zemente zunehmend schwächer. Nach 30 Minuten kehrt sich der Trend jedoch um. Je mehr Ettringit gebildet wird, desto mehr Hydrata-tionswärme wird frei und desto mehr Fließmittel adsorbiert. Zudem konnte bewiesen werden, dass die Fließmittelpolymere zu Beginn der Hydratation auch bei Anwesenheit anderer Klinkerphasen weitgehend auf den Hydratphasen des C3A adsorbieren. Ausgehend von Fließ-maßuntersuchungen zeigte sich weiterhin, dass eine zunehmende Adsorption des Polycarboxylats nur dann eine entsprechend höhere Fließ-wirkung mit sich bringt, wenn gleichzeitig die zur Adsorption verfügbare Ettringitmenge konstant bleibt bzw. der Belegungsgrad der Ettringitoberflächen mit Polymer ansteigt. – Kontakt:Sebastian Wistuba – Technische Universität München – Lehrstuhl für Bauchemie – Lichtenbergstr. 4 – 85748 Garching, Deutschland – E-Mail:wistuba.sebastian@schwenk.de –