Die Erstausgabe des Rudolf Gutachtens auf vho.org/D/rga1
Vgl. auch die revidierte Fassung dieses Abschnittes, Stand Frühjahr 1999

2.5.2. Zementmörtel und Betone

Tabelle 5: Zusammensetzung von Portlandzement[133]

Al2O3 : 5 -10 %

K2O: 0,2 - 0,6 %

SiO2 : 20 %

Na2O: 0,5 - 3 %

CaO : 60 %

Fe2O3: < 5 %

Die chemische Zusammensetzung von Portlandzement, dem am häufigsten für Betone und Wassermörtel verwendeten Zement, ist aus Tabelle 6 ersichtlich.
Die spezifische Oberfläche des Zementpulvers liegt in Größenordnungen um 3000 cm2 pro g. Der Beton bzw. Zementmörtel erhält seine Festigkeit durch die Hydratation der Zementbestandteile Calciumoxid CaO (Branntkalk), Siliciumdioxid SiO2 (Quarz), Eisen- und Aluminiumoxid Fe2O3/Al2O3 zu gemischten, feinfaserigen Calciumalumosilikat-Hydraten mit einem chemisch gebundenen Wasseranteil von rund 25 Gew.%[134]. Er hat dann eine spezifische Oberfläche von bis zu 200 m2 pro g bei Ermittlung mittels Wasseradsorption, also einen überaus großen Wert. Bei anderen Meßmethoden (z.B. BET-Messung mit Stickstoff) erhält man nur 1/3 so hohe Werte und weniger[135]. Die Porosität von Mörtel und Beton ist stark abhängig von der bei der Zubereitung zugegebenen Wassermenge und liegt nach Literaturangaben minimal bei 27%[136], wobei hier auch das Volumen der bei Quecksilber-Penetrationsmessungen nicht erfaßbaren Mikrokapillarporen zwischen den Silikatfasern enthalten ist.
Entscheidend für die Reaktivität gegenüber Gasen ist neben der absoluten Porosität die Porengrößenverteilung. Wird das Hauptporenvolumen durch viele Mikroporen gebildet, so ist die Gasdiffusion in das Material mehr behindert, als wenn das Hauptporenvolumen durch größere Poren gebildet wird. In Grafik 7
sind die kumulierten Porengrößenverteilungen von Beton und einem Mauermörtel aufgeführt (genaue Zusammensetzung unbekannt, da von altem Gemäuer stammend.).

Grafik 7: Kumulierte Porengrößenverteilung von Beton, nach Forschungs- und Materialprüfungsanstalt, Abteilung 1: Baustoffe, Stuttgart, und von Mauermörtel, eigene Analyse. Ermittelt jeweils durch Hg-Penetration.

Beton hat bei ähnlichem Gesamtporenvolumen (hier nur 14 %, durch Meßmethode bedingt) den größten Porenvolumenanteil zwischen 0,01 und 0,1 µm Porenradius, der Mauermörtel dagegen zwischen 0,1 und 10 µm. Die Gasdiffusion in das Betoninnere wird daher gegenüber Mörtel beeinträchtigt sein. Allgemein verschiebt sich die mittlere Porengröße von Zementbaustoffen zu größeren Werten bei Zunahme des Sand- und Kalkgehaltes.
Frischer Beton weist eine besonders hohe Basizität auf, hervorgerufen durch einen hohen Anteil an Calciumhydroxid, der aber rasch abgebunden wird. Je nach Zementart wird jedoch mit der Zeit ein gewisser Anteil wieder freigesetzt. Der pH-Wert nichtcarbonatisierten Betons liegt bei etwa 12,5. Allmählich jedoch wird das Ca(OH)2 durch das CO2 der Luft carbonatisiert.
Die Geschwindigkeit der Carbonatisierung in die Tiefe des Betons ist stark abhängig von der Zusammensetzung und Porosität des Materials und folgt einer Wurzel-Abhängigkeit [134,135,137]:

d = c · Öt                    (3)
d = Carbonatisierungstiefe
c = Konstante
t = Zeit
In wasserdichten Betonen bedarf es vieler Jahrzehnte, bis die Carbonatisierungsgrenze aufgrund der gehemmten Diffusion im kompakteren Material um nur einen Zentimeter vorrückt, im Mauermörtel kann dies innerhalb von Monaten erfolgen.
Im Bereich der Carbonatisierung sinkt der pH-Wert auf etwa 7 ab, den Gleichgewichts-pH der gesättigten Calciumcarbonat-Lösung. Ist die Wand jedoch sehr feucht, kommt es zu einem Protonenaustausch und damit zu keiner scharfen Grenze des pH. Ist ein Großteil der Luftporen (Größenordnung zehntel Millimeter) mit kohlensäurearmem Wasser geflutet, so schreitet die Carbonatisierung langsamer voran, da die Diffusion in der wässrigen Phase um Größenordnungen langsamer ist als in der Gasphase. Im Fall kohlensäurereicher Wässer kann jedoch eine Beschleunigung der Carbonatisierung eintreten.

Beton und Mörtel haben prinzipiell einen höheren Wassergehalt als Ziegel, im Bereich von unter einem Prozent bei 20°C und 60% relativer Luftfeuchte bis zu 10% Prozent bei wassergesättigter Luft[132]. Bei andauernd hohen Luftfeuchtigkeiten und eventuell andrängender Nässe von außen kann ein großer Teil des Porensystems mit Wasser gefüllt sein[136]. Im Erdreich gebaute, mangelhaft isolierte Gebäude haben durch ihre große Austauschfläche mit dem Erdreich eine meist kühle und feuchte Wand, zum einen durch die Aufnahme von Feuchtigkeit aus dem Erdreich, zum anderen durch die Kondensation der Luftfeuchtigkeit an der kühlen Wand bei Unterschreitung des Taupunktes. Der Wassergehalt dieser Wände dürfte daher im Bereich bis 10% liegen, also um den Faktor 10 und mehr über dem trockener Wände.

2.5.3. Kalkmörtel
Luft- bzw. Kalkmörtel wird nur aus CaO und Sand hergestellt und erhält seine Festigkeit durch das Abbinden des Löschkalks (Ca(OH)2) mit dem Luftkohlendioxid zu Kalk. Dieser Vorgang dauert dank des gröberen, die Gasdiffusion erleichternden Porensystems nur Wochen bis Monate, der End-pH-Wert liegt bei 7. Da dieses Medium für Eisenbewehrungen nicht mehr genügend schützend wirkt und der Mörtel auch nur eine geringe Umweltresistenz zeigt, wird er in der Regel nur als Wandverputz und für Ziegelmauerwerke benutzt, hier oft mit Zement gemischt[136]. Die spezifische Oberfläche von Luftmörtel liegt mangels Ausbildung feinstkristalliner Alumosilicate wesentlich unter dem Wert von Zementmörtel.
Der Eisengehalt von Kalkmörtel rührt in erster Linie von dem beigemischten Sand her, der bis zu 4 % Fe2O3 enthält. Der Wassergehalt gleicht dem des Zementmörtels. Für frischen Luftmörtel kann ein extrem hoher Wassergehalt schädlich sein, da das zum Abbinden nötige Kohlendioxid der Luft das Innere des Mauerwerks nicht mehr erreichen kann.

Anmerkungen

  1. W.H. Duda, Cement-Data-Book, Bauverlag, Wiesbaden 1976, S. 4ff.
  2. Verein Deutscher Zementwerke, Zement Taschenbuch 1972/73, Bauverlag, Wiesbaden 1972, S. 19ff.
  3. W. Czernin, Zementchemie für Bauingenieure, Bauverlag, Wiesbaden 1977, S. 49f.
  4. K. Wesche, Baustoffe für tragende Bauteile, Band 2, Bauverlag, Wiesbaden 1981, S. 51f.
  5. N.V. Waubke, Transportphänomene in Betonporen, Dissertation, Braunschweig 1966.


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