17.5.2 Hydratation und Gefüge

Die Zugabe von SAP hat große Auswirkungen auf den Hydratationsprozess und die Gefügeentwicklung von Beton. Dafür gibt es eine Reihe von Gründen. Erstens kann die anfängliche SAP-Absorption den effektiven w/b-Wert und die frühen Hydratationseigenschaften verändern. Zweitens fördert die anschließende Freisetzung von Wasser aus dem SAP die weitere Hydratation des Zements, wodurch zusätzliche Hydratationsprodukte und eine Verfeinerung der Poren entstehen. Drittens hinterlässt der getrocknete und kollabierte SAP Makroporen, die im gesamten Zementstein verteilt sind, was je nach SAP-Dosierung die Gesamtporosität und Größenverteilung verändert. Außerdem entsteht eine Grenzfläche zwischen SAP und der Zementsteinmatrix mit einzigartigen Mikrostruktureigenschaften, die wichtige Auswirkungen haben können.

Mechtcherine et al. (2014) und Justs et al. (2014) beobachteten, dass SAP eine leichte Verzögerung der frühen Hydratation verursachte, während Hasholt und Jensen (2015) von einem leichten Beschleunigungseffekt berichteten. In diesen Fällen wurde zusätzliches Wasser zugegeben, um die SAP-Absorption im frischen Mischgut zu kompensieren. Dennoch stimmen die meisten Studien darin überein, dass SAP den Hydratationsgrad im späteren Alter, insbesondere ab 14 Tagen, aufgrund des zusätzlichen Wassers, das für die Reaktion mit Zement zur Verfügung steht, erhöht (z. B. Igarashi und Watanabe, 2006; Lura et al., 2006; Justs et al., 2014). Darüber hinaus scheint die längerfristige Hydratation eher durch den gesamten w/b-Wert als durch den anfänglichen effektiven w/b-Wert gesteuert zu werden (Justs et al., 2014; Reinhardt und Assmann, 2014; Hasholt und Jensen, 2015). Mit anderen Worten: Der endgültige Hydratationsgrad hängt vom gesamten im System verfügbaren Wasser ab, unabhängig davon, dass ein Teil davon in frühen Altersstufen in SAP eingeschlossen wurde.

Die verbesserte Hydratation in SAP-haltigen Systemen sollte zu einer Verringerung der Kapillarporosität und einer Verfeinerung der Porengrößenverteilung führen, insbesondere in späteren Altersstufen. Die Ergebnisse der verfügbaren Studien stimmen jedoch nicht vollständig überein. Dies liegt daran, dass die Nettoauswirkung auf die Porenstruktur von einer Reihe von Faktoren abhängt, darunter die SAP-Dosierung und -Absorptionskapazität, das w/b-Verhältnis und die Frage, ob bei der Dosierung zusätzliches Wasser zugegeben wurde, um die SAP-Absorption auszugleichen oder nicht. Die Verringerung der Kapillarporosität infolge einer verbesserten Hydratation (interne Aushärtung) oder die Verringerung des effektiven w/b-Verhältnisses aufgrund der SAP-Absorption kann ausreichen, um die Erhöhung der Porosität durch die Bildung von Makroporen auszugleichen. Der Nettoeffekt hängt auch vom w/b-Verhältnis ab, da die interne Aushärtung nur für Systeme mit sehr niedrigem w/b-Verhältnis von Vorteil ist. Dies verdeutlicht die gegenläufigen Auswirkungen von SAP auf die Mikrostruktur. Die Unsicherheiten bei der Abschätzung der SAP-Absorption in zementären Materialien, wie sie in Abschnitt 17.4.3 erörtert werden, erschweren diese Frage zusätzlich.

So wurde in einigen Studien, die die Quecksilberintrusionsporosimetrie verwendeten, eine höhere Gesamtporosität in Mörteln und Betonen mit SAP und eingeschlepptem Wasser festgestellt. Dies wurde auf die Makroporen zurückgeführt, die sich beim Trocknen des SAP bilden (Mönnig, 2005; Mechtcherine et al., 2009). Allerdings wurde in Systemen ohne eingeschlepptes Wasser eine geringere Gesamtporosität beobachtet (Mönnig, 2005; Igarashi und Watanabe, 2006), vermutlich weil das effektive w/b-Verhältnis durch die SAP-Absorption verringert wurde. Mit Hilfe der Röntgentomographie beobachteten Lura et al. (2008) eine Verringerung der kleinen Kapillarporen aufgrund der zusätzlichen Hydratationsprodukte aus der internen Aushärtung und eine Verringerung der durch autogenes Schrumpfen verursachten Mikrorisse. Unter Verwendung der Wasserdampfsorption beobachteten Snoeck et al. (2015), dass Zementpasten mit SAP und ohne eingeschlepptes Wasser eine leichte Abnahme im Mikro- (<2 nm) und Mesoporenbereich (2-50 nm) aufwiesen. Zementpasten mit SAP und mitgerissenem Wasser zeigten keine signifikante Veränderung im Mikroporenbereich, aber einen leichten Anstieg im größeren Mesoporenbereich. Beushausen et al. (2014) fanden ebenfalls keine signifikante Auswirkung von SAP auf die Porosität, was darauf schließen lässt, dass die höhere anfängliche Leere, die durch SAP entsteht, durch eine verbesserte Mikrostruktur aufgrund der internen Aushärtung ausgeglichen wird.

Abbildung 17.4 zeigt einige Beispiele von Rückstreuelektronenbildern von Pasten, Mörteln und Betonen mit SAP. Es ist zu erkennen, dass die SAP-Partikel und Makroporen isoliert und gut im erhärteten Zementstein verteilt sind. Die Makroporen reichen von ~10 bis über 500 μm, abhängig von der ursprünglichen Größe des trockenen SAP und der Quellung (Lam, 2005; Lee et al., 2010a,b,c, 2016). Die Grenzen der Makroporen folgen in der Regel der ursprünglichen Form des trockenen SAP, wie auch mit Röntgentomografie beobachtet wurde (Lura et al., 2008). Die kollabierten SAP-Partikel können als feste, poröse/zelluläre oder schmale ringförmige Partikel erscheinen. Einige Proben weisen aufgrund von Schrumpfung einen Spalt zwischen Paste und SAP auf (Lam, 2005), während bei Proben mit suspensionspolymerisiertem SAP mit rauer Textur und größerer Oberfläche ein guter Verbund erhalten bleibt (Lee et al., 2010a,b,c), wie z. B. in Abb. 17.4F zu sehen. Gelegentlich enthalten die Makroporen Kalziumhydroxidausfällungen oder kleine Zementkörner, die anschließend zu Hydratationsprodukten innerhalb des Wasserreservoirs reagiert haben und den ursprünglich vom gequollenen SAP eingenommenen Raum auffüllen (Abb. 17.4D-F).

Der Zementleim, der den SAP umgibt, weist eine sehr variable Mikrostruktur auf und hat ähnliche Eigenschaften wie die „Übergangszone“ zwischen Aggregat und Zementleim und die Grenzfläche zwischen Luftporen und Leim (Scrivener et al, 2004; Wong und Buenfeld, 2006; Wong et al., 2011). Die Grenzfläche enthält weniger Zement als der weiter entfernte Zementleim, was auf eine gestörte Partikelpackung zurückzuführen ist. Außerdem ist sie tendenziell sehr porös und enthält gelegentlich große Kalziumhydroxidablagerungen (Abb. 17.4C,D). Diese Merkmale lassen sich auf den hohen Wassergehalt an der Oberfläche des gequollenen SAP zurückführen oder möglicherweise auf die frühzeitige Abgabe von absorbiertem Wasser an die umgebende Paste, was zu einer bevorzugten Ausfällung führt. Die Schrumpfung des SAP beim Trocknen kann zu Mikrorissen im umgebenden Zementstein führen (Lee et al., 2010a,b,c), aber es wird erwartet, dass die vom SAP abgegebene Feuchtigkeit die weitere Hydratation und die Entwicklung der Mikrostruktur im umgebenden Zementstein fördert. In Mörteln und Betonen haben die SAP-Hohlräume die Größe von Sandkörnern und können sich zwischen Gesteinskörnern erstrecken (Lee et al., 2016), z. B. Abb. 17.4B.