Hydratationswärme

Die Hydratation des Zements ist ein exothermischer Vorgang. Die dabei frei werdende Wärmemenge wird als Hydratationswärme bezeichnet, die im Lösungskalorimeter gemessen wird (Einheit: J/g oder kJ/kg).
Die Hydratationswärme wird umso schneller frei, je reaktionsfähiger der Zement ist, d.h. je feiner er gemahlen ist und je mehr Tricalciumsilicat und Tricalciumaluminat der Hauptbestandteile des Zements enthalten bzw. je höher der Anteil des Zementklinkers im Zement ist. Je nach Anwendungsfall werden Zemente mit hoher oder solche mit niedriger Hydratationswärme (LH-Zement, VLH-Zement) gezielt eingesetzt. LH-Zement und VLH-Zement werden z. B. häufig für Beton für massige Bauteile eingesetzt.
Große Hydratationswärmeentwicklung kann in dicken Betonbauteilen (massige Bauteile) zu großen Temperaturunterschieden zwischen Kern und Betonoberfläche führen. Daraus können Zwangsspannungen und Risse entstehen. Um unter diesen Randbedingungen die Gebrauchstauglichkeit und die Dauerhaftigkeit dieser Betonbauteile sicherzustellen, sind besondere Maßnahmen sinnvoll (siehe "Massige Bauteile").

Hydratationswärme H_n(t) verschiedener Zemente unter adiabatischen Bedingungen

Temperaturanstieg infolge Hydratationswärme im Bauteilkern unter Verwendung unterschiedlicher Zementarten

Das Messen der Hydratationswärme mit dem Lösungskalorimeter (Lösungswärmeverfahren) ist in vielen nationalen Zementnormen (z. B. DIN EN 196-8) vorgeschrieben, um Zemente mit niedriger Hydratationswärmeentwicklung zu kennzeichnen. Damit wird die Wärmemenge gemessen, die beim Auflösen des nicht hydratisierten und des isotherm bei 20 °C hydratisierten Zements (w/z = 0,4) in einem Gemisch aus 39 Vol.-Teilen Salpetersäure (2,00 N) und 1 Vol.-Teil Flusssäure (38 M.-% bis 40 M.-%) frei wird. Die Differenz der beiden Lösungswärmen ist die Hydratationswärme.
Für die Bestimmung der Hydratationswärme mit dem Lösungswärmeverfahren hydratisieren die Zementproben bei konstanter Temperatur, beim adiabatischen Verfahren aber bei ständig steigender Temperatur und dementsprechend schneller. Das adiabatische Verfahren liefert deshalb insbesondere zu Beginn der Hydratation höhere Werte als das Lösungswärmeverfahren. Beim adiabatischen Verfahren hängt der Temperaturanstieg in dem Mörtel oder Beton - und infolgedessen auch der Hydratationsfortschritt und die Hydratationswärme - stark vom Zementgehalt ab. Das Verfahren eignet sich daher vor allem für die Baupraxis, um für einen Beton mit der geplanten Zusammensetzung die zu erwartende Wärmeentwicklung zu ermitteln.

Siehe auch:

• Zementarten

Literatur

• Locher, Friedrich W.: Zement – Grundlagen der Herstellung und Verwendung. Verlag Bau+Technik GmbH, Düsseldorf 2000
• Vinkeloe, R.; Weber, R.: Ermittlung der Temperatur des frischen und des erhärtenden Betons. In: Beton-Informationen 26 (1986) 5, S. 47–52
• Zement-Merkblatt B1: Zemente und ihre Herstellung
• Zement-Merkblatt B11: Massige Bauteile aus Beton
• Röhling, Stefan: Zwangsspannungen infolge Hydratationswärme. Verlag Bau+Technik, Düsseldorf 2009