Die Hydratation des Zements ist ein exothermischer Vorgang: Bei der Anlagerung von Wassermolekülen an gelöste Ionen wird Wärme abgegeben, die als Hydratationswärme bezeichnet wird. Diese Wärmemenge lässt sich im Lösungskalorimeter messen und wird in Joule pro Gramm oder Kilojoule pro Kilogramm angegeben. Die zu erwartende Wärmeentwicklung eines Zements ermöglicht es, den Temperaturanstieg im Inneren von Betonbauteilen abzuschätzen. Der Zeitpunkt des Temperaturmaximums lässt sich abhängig von der Dicke des Bauteils annäherungsweise ermitteln.

Welche Faktoren beeinflussen die Hydratationswärme?

Die Hydratationswärme wird umso schneller freigesetzt, je reaktionsfähiger der Zement ist. Drei Faktoren bestimmen die Reaktionsgeschwindigkeit maßgeblich:

  • Mahlfeinheit: Je feiner der Zement gemahlen ist, desto größer ist die reaktive Oberfläche und desto schneller läuft die Hydratation ab.
  • Klinkeranteil: Ein höherer Anteil an Portlandzementklinker im Zement führt zu einer intensiveren Wärmeentwicklung.
  • Mineralogische Zusammensetzung: Insbesondere der Gehalt an Tricalciumsilicat und Tricalciumaluminat – beides Hauptbestandteile des Zementklinkers – treibt die Wärmefreisetzung voran.

Je nach Anwendungsfall werden Zemente mit hoher oder solche mit niedriger Hydratationswärme gezielt eingesetzt. Zemente mit der Kennzeichnung LH (Low Heat) oder VLH (Very Low Heat) spielen vor allem bei Beton für massige Bauteile eine zentrale Rolle.

Risiken bei massigen Betonbauteilen

In dicken Betonbauteilen – etwa Fundamenten, Bodenplatten oder Stützmauern – kann eine große Hydratationswärmeentwicklung zu erheblichen Temperaturunterschieden zwischen dem Bauteilkern und der Oberfläche führen. Während das Bauteilinnere durch die exotherme Reaktion stark aufheizt, kühlt die Oberfläche schneller ab. Diese unterschiedlichen Temperaturverläufe erzeugen Zwangsspannungen, die wiederum Risse verursachen können.

Risse beeinträchtigen nicht nur die Gebrauchstauglichkeit, sondern auch die Dauerhaftigkeit des Bauwerks. Sie ermöglichen das Eindringen von Feuchtigkeit und aggressiven Medien, was langfristig zur Bewehrungskorrosion führen kann. Um diese Risiken zu minimieren, sind besondere Maßnahmen bei der Planung und Ausführung massiger Bauteile erforderlich.

Messverfahren und Praxisrelevanz

Das Messen der Hydratationswärme mit dem Lösungskalorimeter ist in vielen nationalen Zementnormen vorgeschrieben – beispielsweise in DIN EN 196-8 –, um Zemente mit niedriger Hydratationswärmeentwicklung zu kennzeichnen. Dabei wird die Wärmemenge ermittelt, die beim Auflösen des nicht hydratisierten und des isotherm bei 20 °C hydratisierten Zements in einem Gemisch aus Salpetersäure und Flusssäure freigesetzt wird. Die Differenz der beiden Lösungswärmen entspricht der Hydratationswärme.

Beim Lösungswärmeverfahren hydratisieren die Zementproben bei konstanter Temperatur. Im Gegensatz dazu läuft die Hydratation beim adiabatischen Verfahren bei ständig steigender Temperatur ab – und damit schneller. Das adiabatische Verfahren liefert deshalb insbesondere zu Beginn der Hydratation höhere Werte. Es eignet sich vor allem für die Baupraxis, um für einen Beton mit der geplanten Zusammensetzung die zu erwartende Wärmeentwicklung zu ermitteln. Der Temperaturanstieg in dem Mörtel oder Beton hängt dabei stark vom Zementgehalt ab.

Baustellenpraktische Steuerungsmaßnahmen

Um die negativen Folgen der Hydratationswärme zu begrenzen, stehen Planern und Ausführenden mehrere Strategien zur Verfügung:

  • Zementwahl: Der Einsatz von LH-Zementen oder VLH-Zementen reduziert die Wärmefreisetzung. Diese Zemente enthalten weniger Klinker und/oder einen höheren Anteil an latent hydraulischen oder puzzolanischen Zusatzstoffen wie Hüttensand oder Flugasche.
  • Reduzierung des Zementgehalts: Eine optimierte Betonrezeptur mit möglichst geringem Zementgehalt verringert die Gesamtwärmemenge.
  • Bauteilgeometrie: Schlankere Querschnitte oder abschnittsweise Betonage verringern die Bauteildicke und damit die Temperaturdifferenzen.
  • Temperaturkontrolle: Kühlung der Ausgangsstoffe, Betonieren in den kühleren Tageszeiten sowie gezielte Nachbehandlung – etwa durch Abdecken oder Bewässern – beugen übermäßigen Temperaturspitzen vor.

Für Details zu Expositionsklassen und Anforderungen an die Dauerhaftigkeit von Betonbauteilen sei auf die einschlägigen Normen und Merkblätter verwiesen. Die gezielte Steuerung der Hydratationswärme bleibt eine zentrale Aufgabe bei der Herstellung massiger Bauteile, um Zwangsspannungen und Rissbildung von vornherein zu vermeiden.