Bauhaus-Universität Weimar – Fakultät Bauingenieurwesen – F. A. Finger-Institut für Baustoffkunde – Coudraystraße 11 – 99421 Weimar – Referent: Prof. Dr.-Ing. habil. J. Stark – Co-Referenten: Prof. Dr.-Ing. P. Wang – Prof. Dr. rer. nat. H.-U. Hummel – Termin der Disputation: 24. Februar 2005 – Kurzfassung – Im Spritzbeton sind Erstarrungsbeschleuniger die maßgebenden chemischen Zusatzmittel. Sie dienen der Beschleunigung des Erstarrens und der Erhöhung der Frühfestigkeit des Betons. Die in dieser Arbeit ausgewählten Erstarrungsbeschleuniger auf Basis von NaAl(OH)4 und von Al2(SO4)3 werden derzeit am häufigsten für Spritzbeton im Tunnelbau eingesetzt. Aufgrund der schnellen Wirkung der Beschleuniger ist ihr Einfluss auf die frühe Hydratation des Zements von großer Bedeutung. – Eine Optimierung des Spritzbeton-Systems ist erst möglich, wenn der Mechanismus der Reaktionen bekannt ist. Im Gegensatz zur zunehmenden Anwendung von Beschleunigern sind die Kenntnisse über ihren chemischen Wirkungsmechanismus sehr begrenzt. Ziel dieser Arbeit war, die Ursache des schnellen Erstarrens und der hohen Frühfestigkeit des Zementleims mit Beschleuniger zu klären, die chemischen Reaktionen der Beschleuniger im Zement zu beschreiben, die frühe Hydratation des Zement-Beschleuniger-Systems zu modellieren, den Einfluss eines zweiten Zusatzes (Weißkalkhydrat) auf die Wirksamkeit des Beschleunigers zu diskutieren und den Einfluss der Wirkstoffe der Beschleuniger auf die Dauerhaftigkeit des Spritzbetons zu beurteilen. – Zur Bestimmung des Erstarrens von Zement mit dem Beschleuniger wurde mit einem praxisnahen Tauchkonusverfahren gearbeitet. Mit einem selbst entwickelten Prüfverfahren mittels Ultraschall konnte die Entwicklung der Frühfestigkeit zerstörungsfrei nachgewiesen werden. Mit ESEM-FEG (Environmental Scanning Electron Microscope mit Field Emission Gun) und XRD (röntgendiffraktometrische Analyse) mit Rietveld-Verfeinerung wurde der Hydratationsprozess des Zements qualitativ und quantitativ verfolgt. Mittels ICP-OES (Inductively Coupled Plasma - Optical Emission Spektrometer) wurde die chemische Zusammensetzung der flüssigen Phase analysiert. Die Ergebnisse wurden für thermodynamische Berechnungen verwendet. Ergänzend wurden auch Untersuchungen mittels DCA, DTA/TG, BET usw. durchgeführt. – Die Arbeit gliedert sich in drei Teile: die frühe Hydratation des Portlandzements ohne chemische Zusätze, die frühe Hydratation des Portlandzements mit dem alkalihaltigen NaAl(OH)4-Beschleuniger und die frühe Hydratation des Portlandzements mit dem alkalifreien Al2(SO4)3-Beschleuniger. – #Die Anzahl an Ca2+-, Al(OH)4--, SO42-- und OH--Ionen hat einen wichtigen Einfluss auf die Bildungsgeschwindigkeit des Ettringits während der frühen Hydratation des Portlandzements. Nach Analyse der Kristallstruktur des Ettringits wird seine Morphologie sehr von sich lösendem C3A und CaSO4 beeinflusst. Je mehr CaSO4 in Lösung geht, um so kompaktere Ettringitkristalle bilden sich aus. Je mehr verfügbares C3A vorhanden ist, um so dünner und länger kristallisiert der Ettringit. – #Der alkalihaltige NaAl(OH)4-Beschleuniger reagiert sofort mit Ca(OH)2 im Zementleim unter Bildung von C-A-H Phasen. Die schnelle Ausbildung von folienförmigen C-A-H Phasen verursacht das schnelle Erstarren und die hohe Frühfestigkeit des Zement-Beschleuniger-Systems. Die Ettringitbildung wird durch die Zugabe des NaAl(OH)4-Beschleunigers in der dormanten Periode verzögert. Der verzögert ausgebildete Ettringit tritt dünn faserförmig auf. Der Grund dafür liegt in dem erhöhten Al2O3-Gehalt und der Verringerung des in Lösung gehenden CaSO4 im Zement-NaAl(OH)4-Beschleuniger-System. – #Der alkalifreie Al2(SO4)3-Beschleuniger tritt im Zementleim anfangs als SO42 -Ionen, Al(OH)4 -Ionen und amorphe Al(OH)3-Ausfällungen auf. Al(OH)4 reagiert sofort zu Ettringit. Al(OH)3 reagiert in der späteren Accelerationsperiode zu Ettringit. Die verstärkte Ettringitbildung und der vermehrte Verbrauch des Wassers sind für das schnelle Erstarren und die rasche Festigkeitsentwicklung des Zement-Al2(SO4)3-Beschleuniger-Systems verantwortlich. Die erhöhte Ca2+-Ionenkonzentration in der Lösung und die verstärkte Ettringitbildung verringern die Haupthydratation des C3S bis 24 Stunden im Zement-Beschleuniger-System. – #Weißkalkhydrat begünstigt nicht die Wirkung des Beschleunigers hinsichtlich der Ettringitbildung. – #Eine schädigende ARK und ein späterer Sulfatangriff sind die potenziellen Gefahren für die Dauerhaftigkeit des Spritzbetons mit dem alkalihaltigen und alkalifreien Beschleuniger. – Der chemische Wirkungsmechanismus der Erstarrungsbeschleuniger während der frühen Zementhydratation wird mit dieser Arbeit eindeutig geklärt. Der Hydratationsverlauf bis 24 h wurde qualitativ modelliert. Mit dem gewonnenen Wissenszuwachs ist es möglich, Spritzbeton auf einem wissenschaftlichen Fundament ökologisch und wirtschaftlich zu optimieren. – Kontakt:Dr.-Ing. Qi Xu – Tel.:0049-(0)3643-584732 – Mobil: 0049-(0)15202784735 – E-Mail:xuqi_de@yahoo.com – – Die Dissertation wurde im CUVILLIER VERLAG, Göttingen (www.cuvillier-verlag.de) veröffentlicht. – ISBN Nr.: 3-86537-421-2 – Ein ausführlicher Beitrag zur Thematik wurde in CEMENT INTERNATIONAL 3 (2005) H. 4 veröffentlicht. –