Werkstoffe 1 - Zement
ETHZ Bsc. Bauingenieur 4.Semester
ETHZ Bsc. Bauingenieur 4.Semester
Klassifizierung von Zusatzstoffen
CEM I: Portlandzemente
Klinkerersatz bis zu 5% gestattet. (Meistens Kalkstein)
CEM II: Portland(hütten-, flugasche, etc)zemente
Klinkerersatz bis zu 35% gestattet.
A: 6 - 20% B: 20 - 35%
CEM III: Hochofenzemente
Nur Hüttensand als Klinkerersatz.
Kategorien:
A: 35 - 65% B: 66 - 80% C: 81 - 95%
CEM IV: Puzzolanzemente
Nur puzzolanische Zusatzstoffe
Wird in Regionen mit vulkanischen Materialien produziert.
A: 11 - 35% B: 36 - 55%
CEM V: Kompositzemente
Klinkerersatz bis zu 80% gestattet.
A: 36 - 60% B: 61 - 80%
Hydratation
Reaktion zwischen Zement und Anmachwasser.
Das Erstarren und Erhärten vom Zementleim zum Zementstein.
Hydratphasen
Portlandit (CH)
Calciumsilicahydrat (C-H-S)
Ettringit (AFt)
AFm
Portlandit
Hydratphase - CH
Entsteht bei der Hydratisierung von Calciumsilikaten --> grosse sperrige Kristalle
Anteil im hydratisierten Zementleims: 25 - 28%
Wichtige Rolle bei Dauerhaftigkeit: Mit eindringendem CO2 --> Kalzit (CaCO3)
Dadurch wird der hohe pH-Wert im Beton beibehalten --> verzögert Korrosion der Bewehrung
Calciumsilicathydrat
Hydrationsphase - C-H-S
Verantwortlich für Festigkeit des hydratisierten Zementleims
Mengenanteil: 60 - 65%
Variable Stöchiometrie (durch "-" gekennzeichnet)
Komplexe Anordnung von C-H-S Kristallen --> Stark gewundenes , poröses Netzwerk
--> verlangsamt Eindringen von agressiven Stoffen
AFt
Hydratphase
Gruppe von Mineralien (Aluminat-Ferrit-Trisulfaten)
Ettringit das Wichtigste
Entsteht als Nebenprodukt der Reaktion von C3A mit dem Calciumsulfat
AFm
Gruppe von Mineralien, die aus positiv geladenen Calcium- und Aluminiumschichten gebildet sind.
Die positive Ladung wird zwischen Schichten durch unterschiedliche Anionen ausgeglichen.
z.B. Friedelsches Salz
Hydratationswärme
Entstehende Wärme durch die exotherme Reaktion bei der Hydratation.
Chemisches Schwinden
Bei der Hydratation der Silikatphasen erhöht sich zwar das Volumen der Feststoffe, jedoch nimmt das Gesamtvolumen ab.
Hydratation der Aluminatphasen
C3A und C4AF + Wasser und Calciumsulfat --> AFt und AFm
Flash Set
C3A reagiert extrem schnell mit Wasser --> daher wichtig diese Reaktion zu stoppen
Sonst wird in kurzer Zeit Hydrocalcium und/oder Monosulfat ausgeschieden.
Um diese Reaktion zu kontrollieren: Während der Feinmahlung Calciumsulfat hinzugeben
False Set
Dabei werden sehr schnell Gipsnadeln ausgefällt.
Dies passiert wenn die Bildungsrate von Calcium- und Sulfationen grösser ist als die Verbrauchrate der Reaktion mit C3A.
Erste Wärmespitze
Kommt von einer Erstauflösung, die sofort die Ionenkonzentration erhöht.
Zweite Wärmespitze
Weil die extrem rasche Reaktion von C3A mit Wasser nicht mehr zu kontrollieren ist.
Einflussfaktoren auf die Hydratation
Temperatur: je höher die Temperatur --> desto früher und höher fällt die Wärmeabgabe aus.
Mineralische Bindemittel
Stoffe, die gemenge von mineralischen Stoffen fest miteinander verkitten.
Portlandzement
80% Kalkstein
20% Ton
C
CaO (Calciumoxid)
S
SiO2 (Siliziumdioxid)
A
Al2O3 (Aluminiumoxid)
F
Fe2O3 (Eisen(III)-Oxid)
C‘ oder C̅
CO2 (Kohlenstoffdioxid)
S‘ oder S̅
SO3 (Schwefeltrioxid)
C3S
Tricalciumsilikat (Alit):
Verantwortlich für die Früh- und Spätfestigkeit
C2S
Dicalciumsilikat (Belit):
Auswirkungen auf die sehr späte Festigkeit.
C3A
Tricalciumaluminat:
- Auswirkungen auf die sehr frühe Festigkeit
- Während dem Brennvorgang Teil der Schmelze
C4AF
Tetracalciumferrit:
- Verantwortlich für die graue Farbe
- Während dem Brennvorgang Teil der Schmelze
Zement Mikrostruktur
C3S -Kristalle haben eher eckige Formen.
C2S -Kristalle sind eher rund.
C3A und C4AF Phasen befinden sich zwischen den C3S - und C2S -Kristallen (Zwischengitterplatz).
Spezifische Oberfläche
Blaine-Methode
Methode für die Bestimmung der spezifischen Oberfläche von Zement.
Dabei wird die Permeabilität eines Gases durch eine Schüttschicht von Zement gemessen.
Zementherstellung
Brennprozess (Diagramm)
4 Stufen des Brennprozess
1. Decarbonatisieren
2. Phasenumwandlung
3. Brennen
4. Abschrecken
CO2 - Ausstoss
Während dem Decarbonatisieren (1.Stufe des Brennprozess).
CaCO3 → CaO + CO2
Für jede Tonne produziertes CaO werden 780 kg CO2 frei.
Klinker
Endprodukt des Brennprozess
-
- 1 / 48
-
Lernkarten
Brennprozess (Diagramm)
4 Stufen des Brennprozess
1. Decarbonatisieren
2. Phasenumwandlung
3. Brennen
4. Abschrecken
CO2 - Ausstoss
Während dem Decarbonatisieren (1.Stufe des Brennprozess).
CaCO3 → CaO + CO2
Für jede Tonne produziertes CaO werden 780 kg CO2 frei.
Klinker
Endprodukt des Brennprozess
SCM
Supplementary Cementious Materials (Zusatzstoffe)
Zusatzstoffe
- Flugasche
- Hochofenschlacke /Hüttensand
- Silicastaub
- Ungebrannter Kalkstein
Puzzolane
Kieselsäurehaltige oder kieselsäure- und tonerdhaltige Stoffe, die bei Wasserzugabe festigkeitsbildend reagieren können.
Hydraulizität
Wasserbindevermögen: Eigenschaft des Bindemittels hydraulisch (mit Wasser), sowohl an der Luft als auch unter Wasser zu reagieren, zu erhärten und fest zu bleiben.
hydraulisch, latent hydraulisch, puzzolane
Latent hydraulisch
"Schlummernde" Hydraulizität: Stoffe die erst bei Zugabe eines Anregers (z.B. Calciumhydroxid) hydraulisch erhärten.
Flugasche
- Abfallprodukt von Kohlekraftwerke
- Reagiert mit CH zu C-H-S
- Reagiert sehr langsam --> bremst die Geschwindigkeit der Festigkeitsentwicklung
- Reduziert die Hitzeentwicklung
- Flugasche kann die Verarbeitbarkeit von Beton verbessern und Entmischung verhindern
Hochofenschlacke / Hüttensand
- Reststoff aus dem Hochofen, der bei der Eisen- und Stahlproduktion anfällt
- Ähnliche Zusammensetzung wie Zement, aber geringerer CaO-Gehalt
- Latent hydraulisch
- Abbinden des Zements wird deutlich verzögert (bei dicken Bauteilen nützlich)
- Bessere Spätfestigkeit und Dauerhaftigkeit
Silicastaub
- Nebenprodukt bei der Siliziumproduktion
- Anteil >85% amorphe Kieselsäure
- Spezifische Oberfläche: 15000 m2/g
- Hoher Kieselsäureanteil, Grosse Spezifische Oberfläche --> fast vollständige Reaktion des Zements
- Vorallem für hoch- und ultrahochfester Beton
- Erhöhte Dauerhaftigkeit
Klassifizierung von Zusatzstoffen
CEM I: Portlandzemente
Klinkerersatz bis zu 5% gestattet. (Meistens Kalkstein)
CEM II: Portland(hütten-, flugasche, etc)zemente
Klinkerersatz bis zu 35% gestattet.
A: 6 - 20% B: 20 - 35%
CEM III: Hochofenzemente
Nur Hüttensand als Klinkerersatz.
Kategorien:
A: 35 - 65% B: 66 - 80% C: 81 - 95%
CEM IV: Puzzolanzemente
Nur puzzolanische Zusatzstoffe
Wird in Regionen mit vulkanischen Materialien produziert.
A: 11 - 35% B: 36 - 55%
CEM V: Kompositzemente
Klinkerersatz bis zu 80% gestattet.
A: 36 - 60% B: 61 - 80%
Hydratation
Reaktion zwischen Zement und Anmachwasser.
Das Erstarren und Erhärten vom Zementleim zum Zementstein.
Hydratphasen
Portlandit (CH)
Calciumsilicahydrat (C-H-S)
Ettringit (AFt)
AFm
Portlandit
Hydratphase - CH
Entsteht bei der Hydratisierung von Calciumsilikaten --> grosse sperrige Kristalle
Anteil im hydratisierten Zementleims: 25 - 28%
Wichtige Rolle bei Dauerhaftigkeit: Mit eindringendem CO2 --> Kalzit (CaCO3)
Dadurch wird der hohe pH-Wert im Beton beibehalten --> verzögert Korrosion der Bewehrung
Calciumsilicathydrat
Hydrationsphase - C-H-S
Verantwortlich für Festigkeit des hydratisierten Zementleims
Mengenanteil: 60 - 65%
Variable Stöchiometrie (durch "-" gekennzeichnet)
Komplexe Anordnung von C-H-S Kristallen --> Stark gewundenes , poröses Netzwerk
--> verlangsamt Eindringen von agressiven Stoffen
AFt
Hydratphase
Gruppe von Mineralien (Aluminat-Ferrit-Trisulfaten)
Ettringit das Wichtigste
Entsteht als Nebenprodukt der Reaktion von C3A mit dem Calciumsulfat
AFm
Gruppe von Mineralien, die aus positiv geladenen Calcium- und Aluminiumschichten gebildet sind.
Die positive Ladung wird zwischen Schichten durch unterschiedliche Anionen ausgeglichen.
z.B. Friedelsches Salz
Hydratationswärme
Entstehende Wärme durch die exotherme Reaktion bei der Hydratation.
Chemisches Schwinden
Bei der Hydratation der Silikatphasen erhöht sich zwar das Volumen der Feststoffe, jedoch nimmt das Gesamtvolumen ab.
Hydratation der Aluminatphasen
C3A und C4AF + Wasser und Calciumsulfat --> AFt und AFm
Flash Set
C3A reagiert extrem schnell mit Wasser --> daher wichtig diese Reaktion zu stoppen
Sonst wird in kurzer Zeit Hydrocalcium und/oder Monosulfat ausgeschieden.
Um diese Reaktion zu kontrollieren: Während der Feinmahlung Calciumsulfat hinzugeben
False Set
Dabei werden sehr schnell Gipsnadeln ausgefällt.
Dies passiert wenn die Bildungsrate von Calcium- und Sulfationen grösser ist als die Verbrauchrate der Reaktion mit C3A.
Erste Wärmespitze
Kommt von einer Erstauflösung, die sofort die Ionenkonzentration erhöht.
Zweite Wärmespitze
Weil die extrem rasche Reaktion von C3A mit Wasser nicht mehr zu kontrollieren ist.
Einflussfaktoren auf die Hydratation
Temperatur: je höher die Temperatur --> desto früher und höher fällt die Wärmeabgabe aus.
