Der quantifizierte Abbindeverlauf von Bindemittelpasten und Mörteln

1 Einleitung und Aufgabenstellung

Nach Abschluss der rheologischen Vorgänge in Pasten und Frischmörteln aus Zement und anderen Bindemitteln läuft der gewünschte Übergang vom flüssigen in den festen Zustand stets in den drei nacheinander folgenden Phasen An- oder Versteifen, Erstarren und Erhärten ab. Das Zement-Taschenbuch [1] zitiert und aktualisiert eine grundlegende Arbeit aus dem Jahre 1981 über das „Ansteifen und Erstarren von Zement und Beton“ [2]. Für die Beurteilung des Ansteifens und Erstarrens von Zement gibt es ein genormtes Prüfverfahren, das Prüfen mit dem Nadelgerät nach Vicat. Aussagen über den zeitlichen Ablauf des Ansteifens und Erstarrens erhält man, indem man die Veränderungen der „Viskosität“ über der Zeit nach Beginn der Anmachwasserzugabe aufträgt. Dabei wird stets die Viskosität im übertragenen Sinne als rheologische Kenngröße verwendet, obwohl die Messverfahren zum Teil nicht oder nur indirekt eine Zähigkeit erfassen. Bindemittel und passende Wassermenge ergeben – nach dem Homogenisieren – als „Ausgangsviskosität V₀“ die Normsteife; das Ansteifen beginnt nicht zwingend mit der Anmachwasserzugabe oder dem Mischende und kann mit dem nach der Zementnorm definierten Nadelgerät noch nicht gemessen werden.

Sobald nach dem Prüfkriterium 1 die „Anfangsviskosität V_A“ (Bild 1) erreicht ist, spricht man vom Ende des Ansteifens
und gleichzeitig vom Erstarrungsbeginn. Etwa ab diesem Zeitpunkt nimmt das System vorkapillare Eigenschaften eines Gefüges an. Sobald mit der „Endviskosität V_E“ Prüfkriterium 2 erreicht ist, also die genormte Prüfmethode zu versagen beginnt, sind ­Erstarrungsende und gleichzeitig Erhärtungsbeginn erreicht.

Das weitere Erhärten nach Erstarrungsende kann mit dem ­Nadelgerät nach Vicat nicht mehr gemessen werden und tritt nach bisherigen Erfahrungen und gemäß individueller ­Aufgabe des jeweiligen Bindemittels grundsätzlich breit gefächert ein. Welche Endfestigkeit sich einstellt, hängt ebenfalls von der Art des Bindemittels ab. Eine Quantifizierung der Begriffe ­Ansteifen, Versteifen, Erstarren und Erhärten ist – soweit bekannt – derzeit nicht möglich, obwohl es seit 1974 erste Ansätze für eine quantifizierende Messmethode gibt [3,4,5].

Durch gestiegene Materialkenntnisse auf der chemischen [6-14],
chemisch-physikalischen [15], werkstoffkundlichen [16–23], qualitätssichernden [24–37, 53] und messtechnischen [38–45] Seite, Normen [46–49] und Handbücher [1, 50–52] wird die Einstellung und Anwendung von Mörteln erleichtert. Eine bestimmte Qualität der ausgehärteten Mörtel ist dadurch nicht nur im Labormaßstab sondern auch auf Baustellen realisierbar [25]. Dafür ist aber ein ambivalentes, einheitliches Verfahren zur Messung der Abbindezeiten im Labor und auf der Baustelle erforderlich. Ein solches Verfahren zu entwickeln, ist Gegenstand dieses Beitrags.

2 Praktische Bedeutung des Abbindeverlaufes

Für die Qualität des ausgehärteten Mörtels ist außer der rezeptmäßig vorgegebenen Zusammensetzung auch der tatsächlich erfolgte Abbinde- und der anschließende Erhärtungsverlauf maßgebend. Der Abbindeverlauf hängt von der Zusammensetzung, dem Anmachen und dem Mischen des Mörtels ebenso ab wie von äußeren Einflüssen nach erfolgter Applikation der Paste bzw. des Mörtels. Unabhängige und abhängige, d.  h. beeinflussbare Variablen, greifen ineinander:  Verlauf des labormäßigen Abbindens unter dem Einfluss der Baustellenbedingungen, praktische Austrocknung, Hydratations- und Carbonatisierungsgeschwindigkeit, Größe der neu gebildeten Kristalle bzw. Kristallite des Festigkeitsträgers, Porosität, Porenform, Festigkeiten, Kriechverhalten, Art der Sinterhaut, Wasseraufnahme, Schwindverhalten, Verhalten gegenüber Witterung und Frost, Endfestigkeit.

Dabei ist der bei Mischende vorgegebene und der bei der Anwendung am Objekt sich einstellende Abbindeverlauf die empfindlichste Größe. Deshalb muss er bereits im Herstellwerk durch Additive gesteuert und den objektspezifischen Anforderungen angepasst werden. In der Praxis haben es der Maurer, der Stuckateur, der Estrichleger und der Restaurator mit Produkten weit gespannter Abbindewerte zu tun. Ein und dasselbe Abbindekriterium kann sich selbst bei vergleichbaren  ­Materialien in den Größenordnungen von Minuten, Stunden und ­Tagen bewegen – bisher ohne echte Kenntnis dieser ­Werte. – Die einzelnen Marken des Abbindeverlaufs haben für die ­Bearbeitung von Putzen in der Praxis eine große praktische Bedeutung (Tabelle 1). Ähnliche Zusammenhänge wurden auch in der brasilianischen Arbeit [44–45] aufgezeigt.

3 Messprinzip, Ermittlung der fünf Messgrößen

Es wird der Eindringwiderstand einer stumpfen Nadel von 1,13  mm Durchmesser und 1,0  mm² Querschnittsfläche, der genormten Vicat-Nadel, gemessen. Um richtungsunabhängig zu sein, werden die schwerkraftinduzierten Gewichte ge­normter Geräte durch entsprechende Federkräfte ersetzt. Tabelle 2 zeigt den Bezug der Abbindemarken zu den jeweiligen Prüfnormen.

Unter Eindringwiderstand wird die sich während des Abbindens einstellende „Festigkeit“ der Paste bzw. des Mörtels verstanden, die einem weiteren Eindringen der Vicat-Nadel unter den vorgegebenen Kräften entgegensteht. Das betreffende Abbindekriterium ist erreicht, wenn die abgestuft belastete Vicat-Nadel zum ersten Mal im Mittel mehrerer Einstiche weniger als 0,5 Millimeter in die Probenoberfläche eindringt. Eine Eindringtiefe von 0 mm würde den Messvorgang zu sehr in die Länge ziehen und sich in die Abhängigkeit der Probentrocknung begeben.

Sofern die jeweilige Probe eine „10-Newton-Zeit“ erreicht, stößt man damit bereits in Bereiche von echten Festigkeitsangaben vor, denn genau genommen handelt es sich dabei um den Eindringwiderstand von 10  N/mm²   =  1000  pond/mm². Inwieweit diese Größe einer echten Druckfestigkeit entspricht, wäre der Herstellung und Prüfung umfangreicher Vergleichsprobekörper vorbehalten. Diesen hohen Wert, der im getrockneten Zustand noch höher ist, wird nur der Entwicklungsleiter als Prüfkriterium wählen, der solche hohen Festigkeiten bewusst anstrebt, z.  B. für einen Squashhallenputz, oder der ­diese bewusst zu umgehen sucht, z.  B. für einen Innenputz auf ­einer Betondecke oder für einen historisierenden Innenputz auf Holzuntergrund.

Auch ist es eine Frage der verfügbaren Zeit. Die 10-N-Zeit messen zu wollen, hat nur dann einen Sinn, wenn aus Erfahrung an ähnlichen Produkten die Erfüllung dieses Festigkeitskriteriums in absehbarer Zeit und ohne Austrocknung der Probe zu erwarten ist. Die Messung der 6,5- oder 10-Newton-Zeit leitet zur Messung der Shore-C- und -D-Härten über, die sich je nach vorhandener Körnung auch zur weiteren Beschreibung von Mörteln eignen.

Zur Harmonisierung mit bisherigen Veröffentlichungen gelten folgende Annahmen: Das Wort Ansteifen bei Zementleim wird gleichbedeutend mit Versteifen verzögerter Gipsmörtel verwendet. Weiterhin wird die 1-mm-Ø-Konusspitze (Versteifen verzögerter Gipse) mit  der Nadelquerschnittsfläche von 1 mm² (Erstarren von Zementleim) im Rahmen der Prüfgenauigkeit gleichgesetzt. In der vorliegenden Arbeit wird jedoch korrekt mit 1 mm² aktiver Prüffläche gearbeitet.

4 Versuchsvorbereitung, Bedarf an Gerätschaften

Die Probenformen haben einen Durchmesser von 100 mm. ­Pasten und Mörtel für Mauerzwecke, Wand- und Deckenputz sollten möglichst eine Schichtdicke von 10 mm, solche für ­Estriche eine Höhe von 40 mm aufweisen. Sondermörtel können auch in 5 mm Dicke gemessen werden. Als nicht saugender Untergrund für die Mörtelproben dienen beispielsweise ­Platten aus Acrylglas der Abmessungen 120 mm im Quadrat bei 4 mm Dicke. Ringe und Platten werden leicht eingefettet.

In Bild 2 sind drei der fünf vorgeschlagenen Prüfgeräte aus ­Kunststoff, Aluminium, Messing, Edelstahl und Federstahl dargestellt. Das Gerät mit 10 pond für Versteifungsbeginn trägt eine Plattfeder, alle weiteren Geräte tragen Spiralfedern. Entsprechende Justierschrauben sind vorhanden. Für T650 und T1000 wurden aus Kostengründen ersatzweise Taster mit entsprechendem Eigengewicht verwendet. Der gewählte Gerätetyp ist bewusst kein Penetrometer, d.  h. kein Gerät zur Messung größerer oder verschiedener Eindringtiefen, sondern jeweils ein Taster für den Oberflächenbereich, d.  h. für 0,5 mm Eindringtiefe¹.

5 Mess- und Auswertungsprinzip

Zweck der neu konzipierten Messgeräte ist folgendes:

­– Messung nahe der Oberfläche der Proben in realistischer Anwendungsdicke mit Hilfe entsprechender Federkräfte,

­– Messung je nach Anwendungsfall nicht nur nach unten auf den Labortisch bzw. auf den Estrich, sondern auch seitlich-waagrecht und senkrecht nach oben auf die jeweiligen Putzoberflächen,

­– Messung praxisgerechter Schichtdicken und freier Ober­flächen.

Mit Hilfe der fünf Messgeräte werden die Zeitpunkte ermittelt, die zur Eindringtiefe der Vicat-Nadel von 0,5 mm bei den verschiedenen Belastungsstufen gehören.

Die Zeitpunkte für diese Eindringwiderstände können in Abhängigkeit von der Zeit nach Beginn der Anmachwasserzugabe oder nach Auftrag auf den saugenden Untergrund berechnet und grafisch dargestellt werden. Außerdem kann in weitgehend linearen Abschnitten der Funktion die Abbindegeschwindigkeit in p/mm² pro Zeiteinheit berechnet werden. Schließlich kann man versuchen, die erhaltene Abbindefunktion einer mathematischen Analyse zu unterziehen.

6 Misch- und Messmethode

Im Labor werden die Prüfmörtel entweder nach Norm, nach Hausvorschrift oder wie folgt angemischt:

­– Vorversuch zur Ermittlung des richtigen Massenverhältnis-ses Wasser/Bindemittel (W/B) oder Wasser/Trockenmörtel (W/TrM) zur Erzielung normen- bzw. baustellengerechter Konsistenz,

­– Abwiegen der entsprechenden Massen, Verwendung von ­definiertem Wasser,

­– Start der Messuhr und gleichzeitig „Einstreubeginn“ bzw. „Wasserzugabe“

­– 1 Minute Einstreuen in randlose Edelstahlschale,

­– 1 Minute Einsumpfen des eingestreuten Trockenmörtels,

­– 1–1,5 Minuten Mischen mit einem Haushaltslöffel.

Auf der Baustelle werden die technisch angerührten Mörtel auf praxisgerecht saugenden Untergrund und vergleichsweise auf nicht saugendes Acrylglas aufgebracht. Als saugender modellartiger Untergrund für den Laborbereich dienen beispielsweise Kalksandsteine oder Ziegelplatten (Bild 3).

Im Labor werden die Probenoberflächen innerhalb der Ringe bis zum Erreichen des jeweiligen Eindringwiderstandes – beginnend mit dem nur wenige pond belasteten Gerät – abgetastet; auf der Baustelle werden die Putze, die aus den ­Mauerfugen herausquellenden oder abgezogenen Mörtel und die Estriche auf ihrer jeweiligen Oberfläche geprüft. Dabei gelten nur die Vicat-Nadel-Einstiche, die offensichtlich nicht auf grobes ­Zuschlagkorn getroffen haben. Etwa fünf Einstiche in der ­grobkornfreien Matrix pro Messvorgang sind erforderlich. Für VB6 hat es sich bewährt, statt bei 6 pond 0,5 mm einzuhalten, 10 pond vorzugeben und die Nadel 2 mm eindringen zu ­lassen.

Je nach Abbindegeschwindigkeit besteht auch im Labor die Gefahr, dass die Proben zur Luft hin austrocknen. Um bei langen Zeiten eine vorzeitig vorgetäuschte Anzeige einer „Festigkeit“ zu vermeiden, empfehlen sich – je nach Aufgabenstellung – eine Abdeckung der Probenoberfläche ab Versteifungsende VE100 und/oder eine Wiederbefeuchtung der Probenober­fläche mit neutralem Wasser mit Hilfe eines Pinsels etwa 5 Minuten vor dem geplanten Messzeitpunkt. Liegen ­ausgesprochene Kalkmörtel vor, so soll deren Carbonatisierung ermöglicht werden; hier empfiehlt sich der Wechsel von Austrocknung an die ­umgebende Luft und Wiederbefeuchtung mit CO₂-freiem Wasser.

7 Ermittlung und Vergleich der Prüfstreuungen

Zur Überprüfung der Reproduzierbarkeit der Ergebnisse kam eine trockene Vormischung von je 50  Masse-% Maschinenputzgips und entsprechendem Basisgips zum Einsatz. Zehn mal wurden 500  g Trockengips und 230  g Wasser mit dem genormten elektrischen Mischer angemischt und in die entsprechenden Probenringe eingefüllt; der zeitliche Abstand von Probe zu Probe zwischen 6 und 29 Minuten wurde vorher durch Los festgelegt. Der Prüfer der hier vorgestellten Methode (II) war räumlich, optisch und akustisch vom Mischraum ab­geschirmt und deshalb völlig unvoreingenommen, was Anmachbeginn und zu erwartende Ergebnisse angeht (Tabelle 3).

Überraschend hoch war die Prüfstreuung bei der automatischen Prüfung; demnach ist ein Teil der Prüfstreuung misch- und probenbedingt. Beide Prüfmethoden (I und II) sind jedoch so genau, dass sie ausreißerfrei die kürzeste und die längste Probe dieser Reihe übereinstimmend demaskieren. Bei der ­Methode im Sinn der vorliegenden Veröffentlichung ist die Variation von VB6 gegenüber einer automatischen Labormethode bei 10 einzeln angemachten Proben  2,5-fach so groß. Bei VE100 ist die Variation der neuen Methode um den Faktor 1,5 ­größer. Bei EE300 ist die vorgestellte händische Methode sogar um 10  % genauer als die automatische Messung (v_II/v_I  =  0,9). Auch bei T650 und T1000 beträgt der Variationskoeffizient nur ca. 5 %. Daraus folgt, dass die Genauigkeit von EE300,  T650 und T1000 ausreicht und dass man zur langfristigen Erhöhung der Genauigkeit von VB6 statt der 1,13-mm-Vicat-Nadel eine solche von 1,6 mm Ø
in Verbindung mit doppelter Federkraft, also 20 p, verwenden sollte.

8 Demonstrationsbeispiel

Im Labor des Zementwerks Leimen wurde aus Zement CEM I 42,5R bei einem W/Z-Wert von 0,28 eine Zementpaste unter normengemäßen Bedingungen hergestellt und der genormten bzw. der vorgestellten neuen Prüfmethode unterzogen ­(Tabelle 4).

Das Ergebnis ist in Bild 4 grafisch dargestellt. Die Übereinstimmung EB EN und VE100 ist ausreichend, die von EE300 nach beiden Methoden vollkommen. Nach der neuen Methode gelingt es, den qualitativen Kurvenzug von Bild 1 zu quantifizieren und um den Faktor 3,3 nach oben zu höheren „Festigkeiten“ zu verlängern. – Zwischen EE300 und T650 beträgt der Abbindegradient 700 p/(mm^{2 .} h).

Bei dekadisch logarithmischer Darstellung des Eindringwiderstands auf der y-Achse ergibt sich – zumindest im vorliegenden Fall – eine lineare Funktion. Je nach physikalisch-chemischen Wirkprinzipien können aber auch andere Ergebnisse möglich sein.

9 Zwischenergebnis und Ausblick

Durch Einsatz von fünf federkraftgestützten, einfach handhabbaren Prüfgeräten gelingt es, Bindemittelpasten und Mörtel im Labor ebenso wie auf der Baustelle auf ihr Abbindeverhalten bis zur „Festigkeit“ von 10 N/mm² in jeder beliebigen Richtung zu messen. Der Abbindeverlauf kann – in einem weit größeren Bereich als bisher  – quantifiziert und ausgewertet werden. Je nach der Linearität oder Rundung der Funktion, die aus der grafischen Auswertung der Punkte berechnet wurde, kann die Zunahme des Eindringwiderstands als Abbindegradient bzw. als Steigung der Geraden bei teillogarithmischer Darstellung ermittelt werden. Möglicherweise gelingt es zukünftig, ein für alle Federkräfte gültiges Prüfgerät zu entwickeln. 

In einer weiteren Veröffentlichung sollen Fall- und Rechenbeispiele zur Quantifizierung des Abbindens verschiedener Bindemittel­systeme vorgestellt werden.