Warum härtet Zement im Gegensatz zu vielen anderen Bindemitteln auch unter Wasser aus?

Zement unterscheidet sich von vielen anderen Bindemitteln (wie z. B. einfachem Kalkmörtel oder Lehm) dadurch, dass er ein hydraulisches Bindemittel ist.

Hier sind die Gründe, warum Zement auch unter Wasser aushärtet:

1. Chemische Reaktion statt Trocknung

Die meisten Menschen denken bei "Aushärten" an "Trocknen" (also das Verdampfen von Wasser). Bei Zement ist das Gegenteil der Fall: Das Aushärten ist eine chemische Reaktion, die man Hydratation nennt.

Das Wasser verdunstet nicht einfach, sondern wird chemisch im Gestein gebunden. Die Bestandteile des Zements (vor allem Calciumsilikate) reagieren mit den Wassermolekülen und bilden neue, feste Kristalle. Da das Wasser für die Reaktion notwendig ist, stört es den Prozess nicht, wenn der Zement komplett von Wasser umgeben ist.

2. Bildung von Kristallnadeln (CSH-Phasen)

Sobald Zement mit Wasser in Kontakt kommt, lösen sich Ionen aus den Zementkörnern. Nach kurzer Zeit bilden sich daraus mikroskopisch kleine, nadelartige Kristalle (hauptsächlich Calcium-Silikat-Hydrate, kurz CSH). Diese Nadeln wachsen in den wassergefüllten Raum zwischen den Zementkörnern hinein und verzahnen sich ineinander.

Dieses "Verfilzen" der Kristalle führt dazu, dass die Masse fest wird. Da dieser Prozess auf molekularer Ebene direkt an der Oberfläche der Zementkörner stattfindet, benötigt er keine Luft.

3. Unabhängigkeit von der Luft (Unterschied zu Luftkalk)

Um den Unterschied zu verstehen, hilft ein Vergleich mit Luftkalk:

• Luftkalk härtet durch Carbonatisierung aus. Er braucht Kohlendioxid ($CO_2$) aus der Luft, um wieder zu Kalkstein zu werden. Unter Wasser gibt es kein gasförmiges $CO_2$, weshalb Kalkmörtel dort niemals fest werden würde – er würde einfach aufweichen.
• Zement benötigt kein $CO_2$. Er trägt alle notwendigen Reaktionspartner (die Silikate im Pulver und das umgebende Wasser) bereits in sich.

4. Schutz vor Austrocknung

Tatsächlich ist Wasser für Zement sogar so wichtig, dass Beton (der Zement enthält) oft künstlich feucht gehalten wird ("Nachbehandlung"). Wenn der Zement zu schnell austrocknet, bevor die Hydratation abgeschlossen ist, bricht die chemische Reaktion ab, und der Beton wird instabil oder bekommt Risse. Unter Wasser zu härten ist für die Festigkeit von Zement also eigentlich der Idealzustand.

Zusammenfassung

Zement härtet unter Wasser aus, weil er hydraulisch ist. Er nutzt das Wasser als Reaktionspartner, um ein stabiles Kristallgerüst aufzubauen, anstatt darauf angewiesen zu sein, dass Wasser verdunstet oder Gase aus der Luft eindringen.