Portlandzement (im Folgenden "Zement") gehört zu einer Gruppe von künstlichen hydraulischen Bindemitteln. Er ist ein anorganisches Material, das durch Brennen von Ton und Kalkstein zusammen mit einem Gemisch aus korrigierenden Rohstoffen (meist Quellen von Eisenoxid (Fe₂O₃), Aluminiumoxid (Al₂O₃) und Siliziumdioxid (SiO₂ )) und anschließendes Mahlen zu einem feinen Pulver entsteht. Das Adjektiv "hydraulisch" bedeutet, dass Zement nach dem Anmischen mit Wasser auch unter Wasser abbinden und aushärten kann - im Gegensatz zu Luftbindemitteln, die zum Abbinden und Aushärten Luft benötigen, wie z. B. Kalk oder Gips.

Beim Brennen im Zementofen werden die Rohstoffe bei Temperaturen von bis zu 1400 °C, bei Weißzement sogar bis zu 1600 °C geschmolzen. Aus diesen abgebauten Bausteinen entstehen neue Mineralien. Die vier Hauptminerale des Klinkers (Hauptbestandteil des Zements) sind Tricalciumsilikat (auch Alit, C₃S, Gehalt 50 bis 60 %), Dicalciumsilikat (Belit, C₂S, Gehalt 20 bis 25 %), Tricalciumaluminat (C₃A, Gehalt 6 bis 10 %) und Tetracalciumaluminatferrit (C₄AF, Gehalt 6 bis 10 %). Vor der endgültigen Vermahlung des Klinkers zum Zement wird ein Teil des Gipses zugegeben, dessen Hauptaufgabe darin besteht, die schnelle Hydratationsreaktion von C₃A zu hemmen, da es sonst zu einem vorzeitigen Verlust der Verarbeitbarkeit des Betons kommt – dem sogenannten falschen Erstarren.

Unter Hydratation versteht man allgemein die Reaktion von wasserfreiem Material mit Wasser, wobei als Produkt eine neue Substanz - Hydrat - entsteht. Durch das Mischen von Zement mit Wasser erstarrt und härtet der entstehende Zementleim aufgrund von Hydratationsreaktionen. Es handelt sich um einen Prozess, bei dem eine flüssige Suspension bei Raumtemperatur und ohne zusätzlichen Energieaufwand in ein festes Material übergeht. Die Zementhydratation ist ein sehr komplexer physikalisch-chemischer Vorgang. Der Einfachheit halber kann er in 5 verschiedene Stufen unterteilt werden:

Phasen der Zementhydratation

Stufe 1: Sofort nach dem Mischen

Sobald die Zementpartikel mit dem Anmachwasser in Berührung kommen, beginnt sich ihre Oberfläche aufzulösen und es bildet sich eine wässrige Lösung aus Calcium- und Kieselsäure-Ionen.

Stufe 2: Minuten nach dem Mischen

Die Ionenlösung wird übersättigt und es beginnen sich Kerne der ersten Hydratationsprodukte auszufällen. Dies sind meist Calciumsilikathydrat (C-S-H) Gele, die Hauptbausteine des Zementsteins.

Stufe 3: Stunden nach dem Mischen

Die Bildung von Zementstein ist in vollem Gange. Ionen treten aus der Lösung aus und bilden neue Hydratationsprodukte wie (Calciumsilikathydrat, Portlandit, Ettringit und andere). Um die Konzentration auszugleichen, werden neue Ionen aus noch ungelösten Teilen der Zementkörner freigesetzt.

Stufe 4: Tage nach dem Mischen

Wenn der unlösliche Zementstein wächst und reift, wird die Diffusion langsamer und die weitere Ausfällung wird durch die abnehmende Oberfläche begrenzt. Infolgedessen verlangsamt sich der Hydratationsprozess erheblich.

Stufe 5: Bis zu 28 Tagen*

Der Hydratationsgrad beträgt etwa 80% und der größte Teil des verbleibenden unhydratisierten Materials ist sehr reaktionsträge Belit C₂S.

*In Wirklichkeit hören die chemischen Reaktionen im Beton nie wirklich auf, sie werden nur unendlich langsamer und langsamer.

Zementhydratation Teil I: Wie sie abläuft