Einfluss von Saccharose auf den Erhärtungsprozess von Zementsuspensionen und -mörteln

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. Das Versuchsprogramm umfasste die Bestimmung der Ansteif- und Erstarrungszeiten von Zementen sowie der Biegezug- und Druckfestigkeit von Mörteln mit unterschiedlichem Zuckergehalt. Die Ergebnisse wichen teilweise von den in der Literatur angegebenen Werten ab. Daraus ergibt sich das Erfordernis weiterer Kontrollversuche, deren Ergebnisse eine zielsichere Verwendung von Zucker als Verzögerer im Betonbau ermöglichen werden.

1 Einleitung

Jedem mit der Praxis vertrauten Ingenieur ist geläufig, dass sich Saccharose, also Lebensmittelzucker, ungünstig auf Zement und damit hergestellte Produkte auswirkt. Aus der eigenen Laborpraxis ist dem Autoren ein Fall bekannt, in dem es Probleme bei der Ermittlung der Festigkeit von Betonproben gab. Es stellte sich heraus, dass die Betonzuschläge in Säcken angeliefert wurden, die zuvor für Zucker verwendet worden waren.

In Fachkreisen ist die Meinung weit verbreitet, dass bereits eine geringe Menge Zucker den Erstarrungsprozess des Zements vollständig zum Stillstand bringen und letztlich die Betonfestigkeit drastisch verringern oder sogar auf null reduzieren kann. In der Literatur finden sich nur wenige, teilweise widersprüchliche Angaben zum Einfluss von Zucker auf die Zementeigenschaften.

Daher wurde der aktuelle Wissensstand zu diesem Thema anhand der verfügbaren Literatur ausgewertet und nachfolgend zur Verifizierung der entsprechenden Daten Laborversuche an mit Zucker versetzten Zementsuspensionen und -mörteln durchgeführt. Dabei wurden die Ansteif- und Erstarrungszeiten von Zementsuspensionen und die Biegezug- und Druckfestigkeitswerte von Zementmörteln mit unterschiedlichem Zuckergehalt bestimmt.

2 Saccharose als Zusatzmittel zur Verzögerung der Zementerstarrung

Verzögerer werden in der Baupraxis häufig verwendet. Vor allem kommen sie bei der Betonage großer Flächen und bei der Verwendung großer Betonmengen zum Einsatz, aber auch bei der Betoneinbringung unter hohen Temperaturen und beim Transport von Betongemengen. Der geschickte Einsatz von Verzögerern ermöglicht zudem eine fachgerechte Nachverdichtung des eingebauten Betons.

Unter den organischen Verbindungen verzögern Kohlenhydrate wie Glucose, Saccharose, Stärke und Zellulose besonders wirksam die Betonerstarrung. Nach [3,4] ist die Zugabe von 0,01-0,05 % Zucker bezogen auf das Zementgewicht mit der Wirkung von Phosphorsäure vergleichbar. Dieser Anteil verzögert den Erstarrungsprozess erheblich, verbessert die Verarbeitbarkeit des Betongemenges und hat praktisch keinen Einfluss auf die 28-Tage-Festigkeit. Nach Ansicht vieler Autoren [2,3,5] hat ein Zuckergehalt von bis zu 0,25 % bezogen auf das Zementgewicht keinen wesentlichen Einfluss auf die grundlegenden physikalischen und mechanischen Eigenschaften des Betons. Allgemein wird angenommen, dass ein Zuckergehalt von 0,05 % bezogen auf das Zementgewicht die Erstarrung um etwa vier Stunden verzögert, ohne dass sich dies ungünstig auf die Gebrauchseigenschaften des Betons auswirkt. Nach [3,5] hat die chemische und mineralogische Zusammensetzung des Zements einen erheblichen Einfluss auf die Wirkintensität des Zuckers. In [4] findet sich die Annahme, dass die Verzögerung des Erstarrungsprozesses aus der Bedeckung der Partikel des schnell abbindenden C₃A durch in Wasser gelösten Zucker resultieren könnte. Daher sollte die Wirkintensität von Zucker in jedem Fall experimentell geprüft werden. Die Wirksamkeit von Verzögerern hängt von der Lufttemperatur ab. In diesem Zusammenhang wurde festgestellt, dass sich die Intensität des zugegebenen Verzögerungsmittels umgekehrt proportional zur Umgebungstemperatur verhält.

Die Wirkung der Zugabe von Zucker zum Zement wird in manchen Fällen in der Baupraxis genutzt. So erleichtert ein geringer Zuckeranteil (0,01-0,02 %) die Herstellung der Vorsatzschale von Sichtbetonbauteilen [2]. Hingegen lässt sich durch einen höheren Gehalt (über 1 %) der Erstarrungs- und Erhärtungsprozess des Zements vollständig zum Erliegen bringen. Dies ist beispielsweise dann sinnvoll, wenn beim Transport des Betongemenges Probleme auftreten oder die Mischanlage ausfällt. Nach [3] wurde Zucker, insbesondere die darin enthaltene Melasse, beim Bau des Tunnels durch den Ärmelkanal verwendet, um dem Erstarren des Betons entgegenzuwirken, wenn das sofortige Waschen des Gemenges (aufgrund der Tunnellänge) nicht möglich war.

Für die stark verzögernde Wirkung des Zuckers auf das Abbinden des Zements finden sich in der Literatur unterschiedliche Erklärungen. Am häufigsten wird angeführt, dass Zucker die Bildung der C-S-H-Phase blockiert [3]. Als weiterer wichtiger Grund wird das Phänomen genannt, dass Zucker auf der Oberfläche der Zementpartikel ein Schutzkolloid bildet, wodurch sich der Sol-Gel-Prozess verlangsamt. Zudem wird angenommen, dass die Calciumsaccharose, die durch die Zugabe von Zucker zum Zement entsteht, zur Bildung von Aluminosilikat-Gelen beiträgt, die den Kristallisationsprozess erheblich behindern [2].

Auch der Einsatz eines stark verzögernden Zusatzmittels in der Baupraxis ist mit einer Reihe von Vorteilen verbunden [5]. So verlängert sich die Zeitspanne, innerhalb derer die Bindungswärme freigesetzt wird. Dadurch wird die Wärmewirkung im Beton reduziert, was insbesondere bei der Herstellung massiver Bauteile und bei der Betonage unter hohen Temperaturen von großer Bedeutung ist. Zudem kann sich bei verzögerter Erstarrung und Erhärtung des Zements die Betonmatrix ungestörter bilden (Begrenzung der Mikrorissbildung), und langfristig ist eine höhere Betonfestigkeit erzielbar [1].

3 Versuchsergebnisse und Auswertung

Die Versuche wurden im Labor des Instituts für Bauingenieurwesen an der Technischen Universität Poznan durchgeführt. Dabei wurden die Ansteif- und Erstarrungszeiten von Zementen mit einem Zuckergehalt von 0,01-0,6 % bezogen auf das Zementgewicht sowie die Zug-, Biege- und Druckfestigkeit von Zementmörteln mit einem Zuckergehalt von 0,01-0,1 % bezogen auf das Zementgewicht nach 3, 7 und 28 Tagen Erhärtung ermittelt. Für die Herstellung der Suspensionen und Mörtel kam ein Zement CEM I 42,5R zum Einsatz. Die Versuche zur Bestimmung der Erstarrungszeiten wurden bei einer Temperatur von 20 ± 1 °C durchgeführt. Für die Herstellung der Mörtel wurde Normsand mit einer Korngröße gemäß [6] verwendet. In den Mörteln betrug das Gewichtsverhältnis von Zement zu Sand 1:3. Die Versuchsergebnisse werden in den folgenden Abschnitten 3.1 und 3.2 vorgestellt.

3.1 Bestimmung der Ansteif- und Erstarrungszeit

Die Versuchsergebnisse sind in Tabelle 1 und Abbildung 1 dargestellt. Die Zugabe von nur 0,01 % Zucker bezogen auf das Zementgewicht führt zu einer erheblichen Verlängerung sowohl der Ansteif- als auch der Erstarrungszeit. Mit steigendem Zuckergehalt von 0,01-0,2 % in der Suspension nimmt die Wirkung dann deutlich ab. Bei einem Zuckergehalt von 0,2 % sind sowohl die Ansteif- als auch die Erstarrungszeit mit den Zeiten vergleichbar, die für eine Suspension ohne Zuckerzusatz ermittelt wurden. Die Versuchsergebnisse widersprechen den Angaben in der Literatur („die Zugabe von 0,2 % Zucker verlängert die Erstarrungszeit um vier Stunden“).

Gleichwohl gibt es hier eine gewisse Übereinstimmung, da die Zugabe von 0,25 % Zucker keine signifikanten Auswirkungen auf die Zementeigenschaften hat. Ein Zuckergehalt von über 0,2 % bezogen auf das Zementgewicht führt bereits zu einer deutlichen Verlängerung der Ansteif- und Erstarrungszeit des Zements. Man kann folglich davon ausgehen, dass ein Zuckerzusatz von 1 % zum Zement zu dessen „Abtötung“, also zu einer vollständigen Hemmung des Erstarrungsprozesses führt, was den Angaben in der Literatur entspricht.

3.2 Biegezug- und Druckfestigkeitsprüfungen

Die Versuche zur Bestimmung der Biegezug- und Druckfestigkeit wurden nach 3-, 7- und 28-tägiger Erhärtung von Normzementmörteln unter Laborbedingungen durchgeführt. Hierfür wurden 4 × 4 × 16 cm messende Standard-Probekörper hergestellt. Die Festigkeitsprüfungen wurden für Referenzproben (ohne Zuckerzugabe) und für einen Zuckergehalt im Mörtel (bezogen auf das Zementgewicht) von 0,01, 0,02, 0,05 und 0,1 % durchgeführt. Dabei wurde angenommen, dass die Obergrenze des Zuckergehalts (gemäß Literaturangaben) in einem Bereich liegt, der die Dauerhaftigkeit des Mörtels nicht beeinträchtigt. Die in den Festigkeitsprüfungen ermittelten Werte sind in den Tabellen 2 und 3 sowie in den Abbildungen 2 und 3 dargestellt.

Die Auswertung des Einflusses des Zuckergehalts auf die 3-Tage-Festigkeit des Mörtels erbrachte recht interessante Ergebnisse, denn bereits ein Zuckergehalt von 0,01 % verringert die Festigkeit des Mörtels um mehr als 50 %, und ein Zuckergehalt von 0,1 % bringt den Erhärtungsprozess vollständig zum Erliegen. Es zeigt sich, dass die Erhärtungszeit des Mörtels die verzögernde Wirkung des Zuckers deutlich verringert (was den Angaben in der Literatur entspricht). Die nach sieben Tagen Erhärtung bestimmte Biegezugfestigkeit nimmt bis zu einem Zuckergehalt von 0,02 % allmählich ab. Sobald der Zuckergehalt 0,02 % überschreitet, nimmt sie wieder zu und erreicht etwa 70 % der Festigkeit, die für die Referenzprobe mit einem Zuckergehalt von 0,1 % ermittelt wurde. Ein ähnlicher Verlauf der Veränderungen der Biegezugfestigkeit zeigt sich nach 28 Tagen Aushärtung: Bei einem niedrigen Zuckergehalt (bis zu 0,02 %) nimmt die Festigkeit deutlich ab. Bei einem Zuckergehalt von 0,05 % und mehr kommt es zu einem deutlichen Anstieg der Biegezugfestigkeit, die dann ca. 70 % der Festigkeit der Referenzprobe erreicht.

Im Allgemeinen wurden bei der Prüfung der Druckfestigkeit ähnliche Veränderungen beobachtet, die sich aus dem allmählich steigenden Zuckeranteil in dem im Mörtel enthaltenen Zement ergaben. Nach drei Tagen Erhärtung führt der steigende Zuckergehalt zu einer allmählichen Abnahme der Festigkeit, die bei einem Anteil von 0,1 % den Wert Null erreicht. Bei der Prüfung der Druckfestigkeit nach 7 und 28 Tagen Erhärtung wurde zunächst (bei einem Zuckergehalt von bis zu 0,02 %) eine allmähliche Abnahme der Festigkeit im Vergleich zur Referenzprobe und nachfolgend mit weiterer Erhöhung des Zuckergehalts ein allmählicher Anstieg der 28-Tage-Festigkeit auf etwa 55 % der 28-Tage-Festigkeit der Referenzprobe beobachtet. Auch bei der Druckfestigkeitsprüfung hat sich die Annahme aus der Literatur bestätigt, dass Zucker (wie auch andere organische Stoffe, die das Ansteifen und Erstarren des Zements verzögern) langfristig eine deutliche Festigkeitssteigerung bewirkt, die oft über der Festigkeit der Vergleichsprobe liegt. Daher liegt die Annahme nahe, dass ein ähnlicher Effekt eintreten würde, wenn die Festigkeitsprüfungen beispielsweise nach 90 Tagen Erhärtung durchgeführt würden.

4 Fazit

Nach einer vergleichenden Betrachtung der aus der Literatur zusammengetragenen Daten und der Auswertung der Versuchsergebnisse kommt der Autor zu folgenden Schlussfolgerungen:

Zu einer signifikanten Verlängerung sowohl der Ansteif- als auch der Erstarrungszeit des Zementmörtels kam es nach Zugabe von mehr als 0,4 % Zucker. Daher sollte die in der Literatur enthaltene Angabe, dass ein Zuckergehalt von 0,05 % das Abbinden des Zements um vier Stunden verzögere, überprüft werden. Aus den Versuchsergebnissen kann jedoch geschlossen werden, dass die Zugabe von mehr als 0,6 % Zucker (in der Literatur > 1 %) den Prozess der Zementerhärtung vollständig zum Erliegen bringt.

Bereits 0,1 % Zucker blockiert nach drei Tagen Erhärtung den Erstarrungsprozess im Zementmörtel nahezu vollständig. Die in der Literatur enthaltene Information, wonach ein Zuckergehalt von bis zu 0,25 % bezogen auf das Zementgewicht die grundlegenden physikalischen und mechanischen Eigenschaften des Mörtels nicht beeinträchtigt, konnte daher nicht bestätigt werden.

Andererseits ließ sich die Annahme aus der Literatur bestätigen, dass die Zugabe von Zucker die Festigkeit des Zementmörtels langfristig deutlich erhöht.

Die in Abschnitt 3 des vorliegenden Beitrags vorgestellten Versuchsergebnisse beziehen sich auf Suspensionen und Mörtel, die mit einem Zement CEM I 42,5R hergestellt wurden. Daher wird davon ausgegangen, dass die in der Literatur enthaltenen Angaben, wonach die Zusammensetzung der Zementphasen, insbesondere der Gehalt an schnell abbindendem C₃A, einen erheblichen Einfluss auf die verzögernde Wirkung von Zucker hat, zutreffend sind. Diese bedürfen jedoch einer sorgfältigen Überprüfung. Weitere Versuche sind auch erforderlich, um den Einfluss der Lufttemperatur und der spezifischen Oberfläche des Zements auf die „Wirksamkeit“ des Zuckers zu bestimmen.

Die vorgestellten Versuchsergebnisse zeigen, dass die Wirkungen von Zucker auf Zement nicht in jedem Fall genau bekannt und definiert sind. Die in der Literatur zu diesem Thema enthaltenen Informationen sind oft ungenau bzw. unzutreffend. Folglich besteht Bedarf an weiteren Untersuchungen. Zucker kann, wenn er richtig eingesetzt wird, in der Baupraxis ein sehr nützliches und kostengünstiges Zusatzmittel sein.