Die chemische Zusammensetzung von Beton

By Isabelle Robinson, M.Sc.Mar 4 2019

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Beton ist ein wichtiger Bestandteil der modernen Infrastruktur. Er wird in Gebäuden, Straßen, Brücken und Dämmen verwendet. Er ist bekannt für seine hohe Druckfestigkeit und seine Vielseitigkeit, was ihn zu einem idealen Material für die Grundlage der meisten Bauwerke macht.

Beton ist eigentlich eine Mischung aus Zement (dem Bindemittel), Wasser und einer Form von Zuschlagstoffen (dem Füllstoff). Das bedeutet, dass Beton ein Verbundwerkstoff ist. Darüber hinaus ist Zement auch ein Verbundwerkstoff, da er ein Gemisch aus Kalkstein und Ton ist. Er wird hergestellt, indem die beiden Verbindungen bei extrem hohen Temperaturen von 1400 bis 1600 °C zusammengebrannt werden.

Auch wenn es auf dem Markt eine Reihe von Zementen gibt – zusätzlich zu neuen Forschungen über nachhaltige Alternativen – ist der beliebteste Zementtyp der so genannte Portlandzement. Für Portlandzement wird zerkleinertes CaCO3 (auch als Kalkstein bekannt) verwendet, das mit Ton, Sand und Eisenerz zu einem homogenen Pulver vermischt wird.

Dieses Pulver wird auf die bereits erwähnten hohen Temperaturen erhitzt. Um diese Temperaturen zu erreichen, wird das Gemisch in Öfen gegossen, die aus langen Stahlzylindern bestehen, die sich auf einer schiefen Ebene drehen. Je nach Größe des Ofens kann es bis zu 2 Stunden dauern, bis die Materialien langsam durch den Zylinder laufen. Durch den langsamen Prozess können die verschiedenen Elemente des Materials reagieren. Die Reaktion dieser Materialien umfasst die folgenden Prozesse:

1. Verdampfung – die erste Stufe des Prozesses ist der Verlust von Wasser aus der Mischung durch Verdampfung.
2. Kalzinierung – in der trockenen Mischung findet eine Zersetzung durch den Verlust von Wasser und Kohlendioxid statt.
3. Klinkern – die Mischung durchläuft dann eine Umwandlung, bei der Kalziumsilikate gebildet werden. Dabei handelt es sich um Stücke in der Größe von Murmeln.
4. Abkühlen – sobald das Gemisch den Ofen verlässt, lässt man es auf Arbeitstemperatur abkühlen.

Der abgekühlte Klinker wird dann erneut gemahlen, und dem Gemisch wird eine als Gips bekannte Verbindung zugesetzt. Dies geschieht, um das Abbinden der Mischung zu regulieren. Portlandzement besteht zu 5 % aus dem Mineral Gips.

Die wichtigsten Bestandteile von Portlandzement sind Tricalciumsilikat, Dicalciumsilikat, Tricalciumaluminat, Tetracalciumaluminoferrit und Gips. Nach Abschluss dieses Prozesses wird der Zement verpackt und gelagert, um später in Beton verwendet zu werden.

Beton kann auf der Baustelle mit Hilfe einer rotierenden Metalltrommel hergestellt werden, die treffend als Zementmischung bezeichnet wird. Der Zement wird mit Wasser rehydriert, um eine dicke Konsistenz zu erhalten, und je nach Verwendungszweck werden große oder feine Zuschlagstoffe hinzugefügt.

Zuschlagstoffe sind ein wichtiger Bestandteil der Betonmischung, da sie die gewünschten Eigenschaften des Betons bestimmen. Alle Zuschläge sind bekanntermaßen chemisch inert, unterscheiden sich aber in Form, Größe und Material. Am häufigsten wird eine Mischung aus feinem Sand und grobem Gestein verwendet. Sie machen auch den größten Teil der Materialzusammensetzung des Betons aus, idealerweise zwischen 70-80 % des Volumens. Anschließend muss der Beton gerüttelt werden, um Luftblasen zu entfernen, die die strukturelle Integrität des Materials beeinträchtigen könnten. Nach dem Gießen muss der Beton mindestens 28 Tage aushärten, um seine volle Festigkeit zu erreichen.

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