Calciumsilicathydrate

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.^[1]

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.^[2][3]

Das natürliche Vorkommen von Calciumsilikathydrat-Phasen ist eher selten und meist in Form von hydrothermalen Nebenprodukten.^[4]

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.^[1]

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.^[5] Eine Auswahl weiterer wichtiger CSH-Minerale ist:^[1]

• Afwillit
• Jennit
• Thaumasit
• Xonotlit

Es gibt unterschiedliche Methoden zur Darstellung von CSH-Phasen. Zum einen tritt es als Hauptprodukt der Hydratation von Portlandzement auf.^[3] Dabei wird Wasser zum Zementpulver hinzugegeben, wodurch beim Aushärten Tricalciumsilikat (Alit) (und Dicalciumsilikat (Belit) im späteren Verlauf) mit Wasser die Calciumsilikathydrat-Phasen bilden:

${\displaystyle {\ce {2Ca3SiO5 + 7H2O -> 3CaO . 2SiO2 . 4H2O + 3Ca(OH)2 + Energie}}}$

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.^[6]

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.^[1]

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.^[7]

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.^[1]

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.^[8]

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.^[8]

In der Bauchemie wird vor allem synthetisch hergestelltes Calciumsilikathydrat in Form von Tobermorit als Rohstoff verwendet. Hauptanwendung ist hierbei in Fliesenkleber und Trockenmörtel.^[9]

In Zementsystemen beeinflusst eine Zugabe von Tobermorit den Abbindeprozess. Es kann als Impfkristall^[10] 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.^[11]

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.

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.^[12]

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.^[13]

Weitere Anwendungsgebiete finden CSH-Phasen z. B. in Reibebelägen, als Absorber oder in der Wasserchemie.^[14]

1. ↑ ^{a b c d e} K. Garbev: Struktur, Eigenschaften und quantitative Rietveldanalyse von hydrothermal kristallisierten Calciumsilikathydraten (C-S-H-Phasen). 2004, doi:10.5445/IR/200058269 (kit.edu [abgerufen am 3. November 2025]). 
2. ↑ 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
3. ↑ ^{a b} I. G. Richardson: The calcium silicate hydrates. In: Cement and Concrete Research (= Special Issue — The 12th International Congress on the Chemistry of Cement. Montreal, Canada, July 8–13 2007). Band 38, Nr. 2, 1. Februar 2008, S. 137–158, doi:10.1016/j.cemconres.2007.11.005. 
4. ↑ Michele Mattioli, Matteo Giordani, Franco Filippi: Metasomatic to Hydrothermal Genesis of Natural Calcium Silicate Hydrates (C-S-H): Evidence from Lessini Mountains, Veneto Volcanic Province, Italy. In: Minerals. Band 15, Nr. 1, 2024, S. 26, doi:10.3390/min15010026. 
5. ↑ Cristian Biagioni, Stefano Merlino, Elena Bonaccorsi: The tobermorite supergroup: a new nomenclature. In: Mineralogical Magazine. Band 79, Nr. 2, 2015, S. 485–495, doi:10.1180/minmag.2015.079.2.22. 
6. ↑ A. Hartmann, M. Khakhutov, J.-Ch. Buhl: Hydrothermal synthesis of CSH-phases (tobermorite) under influence of Ca-formate. In: Materials Research Bulletin. Band 51, 2014, S. 389–396, doi:10.1016/j.materresbull.2013.12.030. 
7. ↑ André Nonat: The structure and stoichiometry of C-S-H. In: Cement and Concrete Research (= H. F. W. Taylor Commemorative Issue). Band 34, Nr. 9, 2004, S. 1521–1528, doi:10.1016/j.cemconres.2004.04.035. 
8. ↑ ^{a b} Vielseitigkeit auf einen Streich. In: FARBE UND LACK // 360°. Abgerufen am 3. November 2025 (Bezahlschranke). 
9. ↑ Patent EP3233751B1: Chemisches Baumaterial für Fliesenmörtel. Angemeldet am 17. Dezember 2015, veröffentlicht am 13. März 2019, Anmelder: BASF SE, Erfinder: Alexander Assmann et al.‌
10. ↑ Ana Cuesta, Alejandro Morales-Cantero, Angeles G. De la Torre, Miguel A. G. Aranda: Recent Advances in C-S-H Nucleation Seeding for Improving Cement Performances. In: Materials. Band 16, Nr. 4, 2023, S. 1462, doi:10.3390/ma16041462, PMID 36837090, PMC 9965738 (freier Volltext). 
11. ↑ Dovile Rubinaite, Tadas Dambrauskas, Kestutis Baltakys, Raimundas Siauciunas: Effect of Hydrothermal Curing on the Hydration and Strength Development of Belite Cement Mortar Containing Industrial Wastes. In: Sustainability. Band 15, Nr. 12, 2023, S. 9802, doi:10.3390/su15129802. 
12. ↑ Quan Xiao Liu, Yan Na Yin, Wen Cai Xu: Characteristics of Hydrated Calcium Silicate and Paper Filler. In: Applied Mechanics and Materials. Band 395–396, 2013, S. 577–581, doi:10.4028/www.scientific.net/AMM.395-396.577. 
13. ↑ Ying-Jie Zhu, Tsun-Kong Sham: The potential of calcium silicate hydrate as a carrier of ibuprofen. In: Expert Opinion on Drug Delivery. Band 11, Nr. 9, 2014, S. 1337–1342, doi:10.1517/17425247.2014.923399, PMID 24857363. 
14. ↑ Jie Li, Jingshu Zhang, Xuan Wu, Jiajun Zhao, Minjie Wu, Weiwei Huan: A nanocomposite paper comprising calcium silicate hydrate nanosheets and cellulose nanofibers for high-performance water purification. In: RSC Advances. Band 10, Nr. 51, 2020, S. 30304–30313, doi:10.1039/D0RA05513A, PMID 35516068, PMC 9056274 (freier Volltext). 

1. ↑ Externe Identifikatoren von bzw. Datenbank-Links zu Calciumsiliciumoxid, Hydrat (1:?): CAS-Nr.: 1344-96-3, Wikidata: Q136766784.