Ettringitbildung in zementgebundenen Systemen: Primär- und Sekundärettringit

Ettringit bildet sich während der Hydratation von Portlandzement als Zwischenprodukt und erfüllt eine zentrale Funktion: Das wasserstoffreiche Calcium-Aluminium-Sulfat verlangsamt die Erstarrung und macht Beton sowie Mörtel überhaupt erst verarbeitbar. Doch die gleiche Verbindung kann unter spezifischen Bedingungen zu schweren Gefügeschäden führen, wenn sie nachträglich im ausgehärteten Material entsteht – ein Mechanismus, der bereits 1892 von Wilhelm Michaëlis als „Zementbazillus" beschrieben wurde.

Was ist Ettringit – chemisch und mineralogisch?

Ettringit trägt die chemische Formel Ca₆Al₂(SO₄)₃(OH)₁₂·26H₂O und ist ein natürlich vorkommendes Mineral, benannt nach der Fundstätte Ettringen in der Eifel. Ein Molekül Ettringit enthält 26 Moleküle Kristallwasser, was einem theoretischen Wasseranteil von rund 37 Gewichtsprozent entspricht. Zum Vergleich: Gips bindet lediglich etwa 21 Gewichtsprozent Wasser. Mit einer Dichte von 1,75 g/ml bedeutet dies, dass 1 Liter Ettringit rund 650 ml Wasser kristallin bindet. Dieses hohe Wasserbindevermögen ist Grundlage für technologische Eigenschaften – positive wie negative.

Ettringit ist stabil in einem pH-Wert-Bereich von circa 10,7 bis 13,5 und bei Temperaturen bis etwa 70 °C. Außerhalb dieser Grenzen zerfällt die Kristallstruktur, und gebundene Ionen werden wieder freigesetzt.

Primäre Ettringitbildung: Erstarrungskontrolle beim Anmischen

Portlandzement enthält stets Aluminiumoxide, die aus tonhaltigen Rohstoffen stammen und nach dem Brennen als Tricalciumaluminat (C₃A) vorliegen. Ohne weitere Maßnahmen würde C₃A so schnell mit Wasser reagieren, dass der Zement unverarbeitbar wäre. Um dies zu verhindern, wird im Zementwerk Gips – Calciumsulfat-Dihydrat – als Sulfatspender zugesetzt. Dieser reagiert mit den C₃A-Teilchen zu Ettringit und bildet dabei eine Schutzschicht um deren Oberfläche, die den weiteren Wasserzutritt verzögert.

Etwa vier bis fünf Stunden nach dem Anmachen ist der Sulfatgehalt in der Porenlösung soweit abgesunken, dass der zuvor gebildete Ettringit unter Calciumsulfat-Abspaltung wieder zerfällt. Die Schutzschicht reißt auf, die Hydratation schreitet fort, und die Mischung erstarrt. Ohne diese primäre Ettringitbildung gäbe es keine praktisch nutzbare Verarbeitung von Zementmörteln.

Sekundäre Ettringitbildung: Schadensmechanismus durch Sulfatzufuhr

Problematisch wird Ettringit, wenn er nachträglich im ausgehärteten Stahlbeton oder Estrich entsteht. Werden dem erhärteten Beton später erneut SO₄-Ionen angeboten – etwa aus sulfathaltigem Grundwasser, Industrieabwässern oder chemisch aggressiven Böden – kann unter bestimmten Bedingungen eine sekundäre Ettringitbildung einsetzen. Dabei entsteht ein Kristallisationsdruck, der den Zementstein zertreiben und zu Rissen, Abplatzungen und strukturellem Versagen führen kann. Dieses Phänomen wird als Sulfattreiben bezeichnet.

Die genauen Bedingungen für schädigende Sekundärettringit-Bildung sind noch nicht vollständig geklärt. Diskutiert wird, dass nur vorgeschädigte Betone oder Betone mit ungünstiger Zusammensetzung betroffen sind. Gesichert ist der Zusammenhang mit der Zementzusammensetzung, den Konzentrationsverhältnissen in der Porenlösung und dem pH-Wert. Zemente mit geringeren Gehalten an Tricalciumaluminat – sogenannte SR-Zemente (sulfatresistente Zemente) – und reduziertem Sulfatgehalt zeigen deutlich geringere Schadensrisiken.

Wärmebehandlung als Risikofaktor

Eine weitere Ursache für schädliche Ettringitbildung ist unsachgemäße Wärmebehandlung von Beton. Wird Beton ohne ausreichende Vorlagerungsdauer thermisch nachbehandelt, bleibt ein Großteil des in Lösung gegangenen Sulfats nur physikalisch gebunden – nicht chemisch im Ettringit fixiert. Dieses physikalisch gebundene Sulfat kann später unter bestimmten Bedingungen wieder Ettringit bilden. Um dies zu verhindern, sollte die Temperatur bei der Wärmebehandlung 60 °C nicht überschreiten und erst nach ausreichend langer Vorlagerung erfolgen, damit die primäre Ettringitbildung bei der Hydratation nicht behindert wird.

Prävention durch Zementwahl und Betonzusammensetzung

Die Vermeidung von Schäden durch sekundäre Ettringitbildung beginnt bei der Material- und Rezepturwahl:

Für Anwendungen in chemisch aggressiven Böden oder Grundwasser mit hohem Sulfatgehalt gelten spezielle normative Vorgaben zur Zementwahl. Die richtige Auswahl der Expositionsklasse nach DIN EN 206 ist dabei entscheidend, um die Dauerhaftigkeit des Bauwerks sicherzustellen.

Fazit: Ettringit als Helfer und Risiko

Ettringit ist ein unverzichtbarer Bestandteil der Zementhydratation, der die Verarbeitung zementgebundener Baustoffe erst ermöglicht. Gleichzeitig stellt die nachträgliche Ettringitbildung unter ungünstigen Bedingungen ein erhebliches Schadensrisiko dar. Eine fundierte Materialauswahl, Beachtung der Expositionsbedingungen und sachgerechte Nachbehandlung sind die Schlüssel zur Prävention von Sulfattreiben und zur Sicherstellung langlebiger Betonbauwerke.