Die Zementhydratation setzt Wärme frei. Diese Hydratationswärme wird im Lösungskalorimeter gemessen und in Joule pro Gramm oder Kilojoule pro Kilogramm angegeben. Für Planer und Bauausführende ist dieser Prozess besonders bei massigen Betonbauteilen relevant: Große Temperaturunterschiede zwischen Kern und Oberfläche erzeugen Zwangsspannungen, die zu Rissen führen können.

Wie entsteht Hydratationswärme?

Die Hydratation des Zements ist ein exothermer Vorgang. Bei der chemischen Reaktion lagern sich Wassermoleküle an gelöste Ionen an, wobei Wärme frei wird. Die Geschwindigkeit und das Ausmaß dieser Wärmefreisetzung hängen von mehreren Faktoren ab:

  • Mahlfeinheit: Je feiner der Zement gemahlen ist, desto reaktionsfähiger ist er und desto schneller wird Wärme frei.
  • Zusammensetzung: Hohe Anteile an Tricalciumsilicat und Tricalciumaluminat beschleunigen die Wärmeentwicklung.
  • Klinkeranteil: Je höher der Anteil des Zementklinkers im Zement, desto größer die Hydratationswärme.

Aus dieser Abhängigkeit ergibt sich eine gezielte Steuerungsmöglichkeit: Für unterschiedliche Anwendungsfälle werden Zemente mit hoher oder niedriger Hydratationswärme eingesetzt. LH-Zemente (Low Heat) und VLH-Zemente (Very Low Heat) kommen häufig für massige Bauteile zum Einsatz.

Warum ist Hydratationswärme bei massigen Bauteilen kritisch?

In dicken Betonbauteilen kann die freigesetzte Wärme nicht schnell genug abgeführt werden. Der Betonkern heizt sich auf, während die Oberfläche kühler bleibt. Diese Temperaturdifferenz erzeugt Zwangsspannungen, die zu Rissen führen können – ein Problem für Gebrauchstauglichkeit und Dauerhaftigkeit. Besondere Maßnahmen sind daher bei Fundamentplatten, Brückenpfeilern oder Staumauern sinnvoll.

Messverfahren: Lösungskalorimeter und adiabatisches Verfahren

Die Hydratationswärme wird im Lösungskalorimeter nach Lösungswärmeverfahren gemessen. Dieses Verfahren ist in vielen nationalen Zementnormen vorgeschrieben, beispielsweise in DIN EN 196-8. Dabei wird die Wärmemenge gemessen, die beim Auflösen von nicht hydratisiertem und bei 20 °C isotherm hydratisiertem Zement mit einem Wasser-Zement-Verhältnis von 0,4 in einem Gemisch aus Salpetersäure und Flusssäure frei wird. Die Differenz der beiden Lösungswärmen ergibt die Hydratationswärme.

Beim adiabatischen Verfahren hydratisieren die Zementproben bei ständig steigender Temperatur und damit schneller als beim Lösungswärmeverfahren. Das adiabatische Verfahren liefert daher insbesondere zu Beginn der Hydratation höhere Werte. Der Temperaturanstieg hängt stark vom Zementgehalt ab, weshalb sich dieses Verfahren besonders für die Baupraxis eignet: Es ermittelt die zu erwartende Wärmeentwicklung für einen Beton mit der geplanten Zusammensetzung.

Maßnahmen zur Temperatursteuerung

Um Rissbildung zu vermeiden, stehen Planern mehrere Ansätze zur Verfügung:

  • Verwendung von LH- oder VLH-Zementen, die durch reduzierten Klinkeranteil oder Zusatzstoffe wie Hüttensand oder Flugasche eine geringere Wärmeentwicklung zeigen
  • Reduzierung des Zementgehalts durch optimierte Betonzusammensetzung
  • Einsatz von Betonzusatzmitteln zur Steuerung der Hydratationsgeschwindigkeit
  • Bauablaufplanung: Abschnittsbauweise und kontrollierte Abkühlung
  • Kühlung des Frischbetons oder Einbau von Kühlrohren in massige Bauteile

Praxisrelevanz und Normen

Verschiedene nationale und internationale Normen adressieren die Hydratationswärme. DIN EN 196-8 legt Prüfverfahren fest, Zement-Merkblätter wie B1 und B11 geben Hinweise zur Zementauswahl und zur Planung massiger Bauteile. In der Schweiz regelt SIA 262 die Berechnung und Beurteilung der Temperaturentwicklung. Eine fundierte Kenntnis der Hydratationswärme ist daher unverzichtbar für dauerhaften Stahlbeton.

Weiterführende Informationen zu verwandten Themen finden Sie in unseren Artikeln über Abbindeverhalten von Zement und Carbonatisierung von Beton.