Calciumsilikathydrat (kurz CSH) ist eine Stoffklasse aus CaO, SiO2 und H2O, die aufgrund ihrer variablen Stöchiometrie und Eigenschaften eine Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten bietet. Die Stoffklasse umfasst dabei mehr als 40 Verbindungen. Sie kommt in der Natur in verschiedenen Mineralmodifikationen vor, aber wird vor allem synthetisch hergestellt.
Eine große technische und wirtschaftliche Bedeutung haben CSH-Phasen als Bindemittel in künstlichen mineralischen Baustoffen. Als Hauptprodukt der Hydratation und Kristallisation von sogenannten hydraulischen Bindemitteln (z. B. NHL-Kalk und Portlandzement) verkitten sie die Zuschlagstoffe in Mörteln und Beton zu einem festen Baustoff.K.-Ch. Thienel: Bauchemie und Werkstoffe des Bauwesens – Chemie und Eigenschaften mineralischer Baustoffe und Bindemittel (PDF-Datei), Kapitel 4.6.7 Erhärtung, S. 37ff, 2024. In: unibw.de
Vorkommen Das natürliche Vorkommen von Calciumsilikathydrat-Phasen ist eher selten und meist in Form von hydrothermalen Nebenprodukten.
Calciumsilikathydrat bildet eine Vielzahl an Mineralen, die sich in Stöchiometrie und Kristallstruktur unterscheiden. Mehr als 40 kristalline CSH-Phasen sind bekannt und zeigen eine hohe chemische Reinheit. Die gekoppelte Substitution von Silizium mit Aluminium und Natrium tritt jedoch häufig auf. Calciumsilikathydrat-Phasen haben keine bergbauliche Relevanz, sind jedoch synthetisch hergestellt von großer industrieller Bedeutung.
Modifikationen Eine besonders wichtige CSH-Modifikation ist die Tobermorit-Gruppe, die zu den Inosilikaten (Kettensilikate) gehört. Die Tobermorit-Gruppe besteht aus vier Mineralen, die unterschiedliche basale Abstände aufweisen. Es handelt sich um eine Mischkristallreihe mit den Endgliedern Ca₄Si₆O₁₅(OH)₂ · 5H₂O und Ca₅Si₆O₁₇ · 5H₂O. Diese Gruppe ist mit ihrer Ähnlichkeit zu C-S-H-Gelen aus der Zementherstellung eine der bereits besser untersuchten Gruppen. Eine Auswahl weiterer wichtiger CSH-Minerale ist:
Afwillit Jennit Thaumasit Xonotlit
Darstellung Es gibt unterschiedliche Methoden zur Darstellung von CSH-Phasen. Zum einen tritt es als Hauptprodukt der Hydratation von Portlandzement auf. Dabei wird Wasser zum Zementpulver hinzugegeben, wodurch beim Aushärten Tricalciumsilikat (Alit) (und Dicalciumsilikat (Belit) im späteren Verlauf) mit Wasser die Calciumsilikathydrat-Phasen bilden:
2Ca3SiO5 + 7H2O -> 3CaO . 2SiO2 . 4H2O + 3Ca(OH)2 + Energie
Eine weitere Methode ist die hydrothermale Erhärtung. Dazu werden Quarzsand und Kalk im gewünschten CaO/SiO2-Verhältnis mit Wasser gemischt und in Autoklaven bei typischerweise 250–350 °C über einen längeren Zeitraum erhitzt. Dabei wird Calciumsilikathydrat gebildet.
Eine dritte Methode stellt die Fällungsreaktion von Calciumsilikathydrat aus einer wässrigen Lösung dar. Hierbei wird gebranntes CaO in kochendem Wasser gelöst und tropfenweise in eine kochende SiO2-Lösung gegeben. Dadurch entsteht CSH als festes Niederschlagsprodukt, welches abgetrennt werden kann.
Eigenschaften Durch die variable Stöchiometrie gibt es wenige Eigenschaften, die alle CSH-Phasen beschreiben. Zudem haben C-S-H-Gele der Hydratation des Zements oft keine kristalline Struktur, wohingegen natürliche Calciumsilikathydrate kristallin sind und ihre Mineraleigenschaften näher bestimmt werden können.
Natürliche Calciumsilikathydrate treten in den Mineralklassen Nesosubsilikate, Sorosilikate, Inosilikate, Gerüstsilikate, Phyllosilikate, sowie Gemischte Ketten- und Schichtsilikate auf. Bei den bekannten Mineralen variiert das Ca/Si-Verhältnis von ca. 0,45 bis 3,0.
Verwendung
Farbe und Lacke Xonotlit wird in konservierungsmittelfreien Dispersionsfarben eingesetzt. Das Mineral generiert einen stabilen Puffereffekt und ermöglicht eine dauerhafte Einstellung des pH-Wertes im Bereich von 11,0–11,5. In diesem pH-Bereich kann auf klassische Topfkonservierungsmittel verzichtet werden.
Xonotlit wirkt mit seiner Stäbchen-Form als mechanischer Abstandshalter zwischen den Titandioxid-Partikeln. Dadurch generiert es Mikroporosität, was die Lichtbrechung erhöht und somit die Opazität verbessert. Durch diesen Effekt kann die Menge an Titandioxid verringert werden.
Bauchemie In der Bauchemie wird vor allem synthetisch hergestelltes Calciumsilikathydrat in Form von Tobermorit als Rohstoff verwendet. Hauptanwendung ist hierbei in Fliesenkleber und Trockenmörtel.
In Zementsystemen beeinflusst eine Zugabe von Tobermorit den Abbindeprozess. Es kann als Impfkristall in bestimmte Zementsysteme gegeben werden, was die gleichmäßige Hydratation unterstützt und einen beschleunigenden Effekt mit sich bringt. Dabei erhöht es die Frühfestigkeit und verringert die Temperaturabhängigkeit in ternären Zementsystemen. Es findet zudem Einsatz als multifunktionales Leichtfüllmittel.
Durch die Zugabe der CSH-Phase kann die Ergiebigkeit gesteigert und Verarbeitbarkeit verbessert werden aufgrund des definierten Porenvolumens, niedrigen Schüttgewichts und einer guten Wasserretention von Tobermorit.
Papier Bei der Veredelung von Papier oder Karton wird dazu eine Streichfarbe mit speziellen Streichaggregaten aufgetragen. Calciumsilikathydrat wird hierbei als Pigment und Füllstoff für diese Streichfarbe verwendet. Es sorgt für eine gute Abdeckung der Papieroberfläche und ist opazitätsgebend. Zusätzlich liefert es Eigenschaften, die eine Bedruckbarkeit mit Digitaldruck oder Laser- und Inkjetcodierbarkeit ermöglichen.
Sonstiges CSH in Form von Tobermorit bietet physikalische Eigenschaften, die es als Trägermaterial nutzbar machen. So können beispielsweise flüssige Entschäumer auf das Material aufgetragen werden und somit als Feststoff gehandhabt werden. Auch in der Pharmazie kann es als Träger für Wirkstoffe wie Ibuprofen verwendet werden.
Weitere Anwendungsgebiete finden CSH-Phasen z. B. in Reibebelägen, als Absorber oder in der Wasserchemie.
Einzelnachweise
Externe Links zu erwähnten Verbindungen
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