Die Produktion von Zement ist sehr energieintensiv und verursacht hohe CO2-Emissionen. Um ihren CO2-Ausstoss zu reduzieren, senkt die Zementindustrie den Klinkergehalt im Zement immer weiter. Denn bei der Produktion einer Tonne Klinker werden 0,72 Tonnen CO2 freigesetzt. Als Klinkerersatz werden u. a. Kalkstein, natürliche Puzzolane, Flugasche aus Kohlekraftwerken und Hüttensand (Hochofenschlacke) zugemahlen. Die Frühfestigkeitsentwicklung dieser Zemente bzw. Betone stellt jedoch häufig eine Herausforderung dar.
Die Festigkeitsentwicklung des Zements vom Ansteifen bis zum Erhärten lässt sich grob in vier Phasen unterteilen:
Induktionsperiode
Kurz nach dem Kontakt des Zements mit Wasser setzt eine kurze, intensive Reaktion ein. Dabei reagiert das Wasser mit der Oberfläche der Zementklinker, was zu einem ersten Ansteifen des Zementleims führt.
Ruheperiode
Danach gerät die spontane Reaktion zunächst ins Stocken. Nach ca. ein bis drei Stunden nach dem Hinzufügen des Wassers brechen die Klinkeroberflächen auf und es beginnt der eigentliche Erstarrungsprozess.
Beschleunigungsperiode
Diese beginnt nach ca. vier Stunden.
Auf den Oberflächen der Klinkerpartikel bilden sich in die Länge wachsende Ettringit-Kristalle. Daneben kommt es zur Bildung von ersten Calciumsilicathydraten (CSH-Kristalle). Durch die grösseren Kristalle werden die Räume zwischen den Zementpartikeln überbrückt und der Zement beginnt zu erhärten.
Retardationsperiode
Im weiteren Verlauf wird das Betongefüge immer dichter und verfestigt sich immer weiter, jedoch mit reduzierter Hydratationsrate.
Bei Zementen mit geringem Klinkergehalt verläuft die Festigkeitsentwicklung zunächst deutlich langsamer. Um den Ansprüchen der Ingenieure an die Festigkeitsentwicklung und dem stetig schnelleren Baufortschritt gerecht zu werden, werden dem Zement Beschleuniger zugesetzt. Die Forschungsabteilung von Mapei hat einen komplett neuen Beschleuniger entwickelt, der sich deutlich von herkömmlichen Produkten unterscheidet.
Im Gegensatz zu herkömmlichen Beschleunigern auf Basis anorganischer oder organischer Salze wirkt Mapefast Ultra als Katalysator für die Keimbildung und das Wachstum der Kristalle im Zement. Durch die Nanopartikel von Mapefast Ultra bilden sich die CSH-Kristalle deutlich früher und intensiver aus. Mapefast Ultra verkürzt die Ruheperiode und sorgt dafür, dass die Festigkeitsentwicklung deutlich schneller einsetzt. Die Nanopartikel ermöglichen ausserdem eine homogenere Verteilung der CSH-Kristalle im Leimvolumen. Dadurch verkürzt sich die Abbindezeit und das mittlere Porenvolumen verringert sich. Folglich weist der Zementleim höhere mechanische Eigenschaften und eine geringere Wasserdurchlässigkeit auf.
Das Aushärten von Beton durch externe Wärmezufuhr (z. B. Dampf und Warmluft) ist in der Betonfertigteilindustrie ein gängiges Verfahren. Diese Methode bringt jedoch auch Nachteile mit sich: Wärmebehandelter Beton unterliegt thermischen Belastungen, die die Mikrostruktur des Zementleims beeinträchtigen können. Dadurch büsst der Beton an mechanischer Festigkeit und Dauerhaftigkeit ein. Durch den Einsatz von Mapefast Ultra kann komplett auf eine Wärmebehandlung verzichtet werden. Damit lassen sich Kosten und CO2-Emissionen einsparen. Anhand einer Lebenszyklusanalyse konnte Mapei aufzeigen, dass der CO2-Ausstoss sich dadurch um ganze 10 Prozent reduzieren lässt.
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