Baustoffkunde

Chemische Reaktion unter Aufnahme von Wassermolekülen

Temperaturanstieg durch das Freiwerden von Energie infolge der exothermen Reaktion

nennt man einen Stoff, der nach dem Mischen mit Wasser sowohl an der Luft als auch unter Wasser erhärtet und auch beständig ist.

haben nur eine geringe Hydraulizität, die keine technisch verwertbaren Fertigkeiten liefert. Solche werden erst durch Anregung mit einem CaO-Träger erreicht.

Puzzolane (natürliche oder künstliche) sind ohne selbstständiges Bindevermögen, können mit Wasser und Kalk jedoch zementartige Eigenschaften bilden.

Eine Reaktion von amorpher Kieselsäure mit Calciumhydroxid und Wasser zu CSH-Phasen.
 

ph-Wert einer Lösung (z.B. Porenwasser) ist größer als 7, d.h. Überschuss an OH- Ionen gegenüber H²O+ Ionen.

Der SToff beteiligt sich nicht (oder nur geringfügig) an den in Betracht kommenden chemischen Reaktionen mit Wasser.

• nach der Kornrohdichte (schwere/normale/leichte Gesteinskörnung)
• nach dem Gefüge (Gesteinskörnungen mit dichtem/porigem Gefüge)
• nach der Herkunft (natürliche Gesteinskörnung wie z. B. Sand, Splitt, pder industriell hergestellte Gesteinskörnung wie z. B. Schlacken, Blähton)
• nach der Kornform (kugelig/würfelig/gedrungen/plattig)
• Art der Aufbereitung (ungebrochen/gebrochen)

• Dichte (Reindichte)
• Rohdichte (Kornrohdichte)
• Schüttdichte

Nach DIN EN 12620 bzw. DIN 1045-2 werden die Anforderungen an die Gesteinskörnungen unterteilt in:

• Geometrisch Kornform, Kornzusammensetzung, Muschelschalengehalt, Feinanteile
• physikalisch Festigkeit, Widerstand gegen Zertrümmerung, -Verschleiß, -Polieren, -Abrieb, -Frost, -Frost-Tausalz, Schüttdichte, Raumbeständigkeit, Kornrohdichte
• Chemisch Chloridgehalt, schwefelhaltige Bestandteile, leichtgewichtige organische Verunreinigungen, Salze, organische Stoffe, Alkali-Kieselsäure-Reaktivität

Die Anforderungen an die Zusammensetzung der Gesteinskörnung sind in DIN EN 12620 bzw. DIN 1045-2 zusammengefasst. Zur Erzielung geringer Gesteinskornoberflächen und dementsprechend geringem Zementleimbedarf sollte ein möglichst grobkörniges und hohlraumarmes Haufwerk der Gesteinskörnungen generiert werden; dies bedeutet, der Kornaufbau soll ein möglichst dichtes Korngerüst darstellen - es sollen Körner unterschiedlicher Durchmesser verwendet werden (Lastabtrag). Das Größtkorn ist in Abhängigkeit der Bauteilabmessungen und der Bewehrung zu wählen (lichter Abstand der Bewehrung, Breite des Bauteils, Betondeckung). 

Feinanteil: Anteil einer Gesteinskörnung, der durch das 0,063-mm-Sieb hindurchgeht (u.a. Zement).

Mehlkorn: sämtliche Komponenten des Betons bis zu einem Durchmesser von 0,25 mm werden als Mehlkorn zusammengefasst, z.B. Zement, Feinstoffe der Zuschläge, evtl. vorhandene Zusatzstoffe.

Feinstsand (gebrochen; Feinst-Brechsand): natürlicher, ungebrochener Zuschlag der Korngruppe 0/0,25 mm.

Feinsand (gebrochen; Fein-Brechsand): natürlicher, ungebrochener Zuschlag der Korngruppe 0/1 mm. Grobsand (gebrochen; Grob-Brechsand): natürlicher, ungebrochener Zuschlag der Korngruppe 1/4 mm.

Kies (gebrochen; Splitt 4/32): natürlicher, ungebrochener Zuschlag einer Korngruppe mit D ≥ 4 mm und d ≥ 2 mm (z.B. 2/8, 8/16, 4/32). Im Regelfall definiert man die Korngruppe 4/32 als Kies.

Grobkies (gebrochen; Schotter): natürlicher, ungebrochener Zuschlag der Korngruppe 32/63. Plattiges Korn: Korn, dessen Oberfläche im Vergleich zum Volumen sehr groß ist.

Überkorn: Anteil, der bei der Prüfsiebung einer Korngruppe auf dem entsprechend obersten Prüfsieb liegen bleibt, weil er entsprechend größer als die größte Nennkörnung ist.

Unterkorn: Anteil im Korngemisch, der bei der Prüfsiebung einer Korngruppe hindurchfällt, weil er kleiner als die kleinste Nennkorngröße ist

• Zur Erzielung geringer Gesteinskornoberflächen und dementsprechend geringem Zementleimbedarf sollte ein möglichst grobkörniges und hohlraumarmes Haufwerk der Gesteinskörnungen generiert werden; dies bedeutet, der Kornaufbau soll ein möglichst dichtes Korngerüst darstellen - es sollen Körner unterschiedlicher Durchmesser verwendet werden (Lastabtrag). Das Größtkorn ist in Abhängigkeit der Bauteilabmessungen und der Bewehrung zu wählen (lichter Abstand der Bewehrung, Breite des Bauteils, Betondeckung).
• Man benutzt Sieblinienkennwerte, um Zuschläge bzw. Haufwerkszusammensetzungen hinsichtlich ihrer Verwendungsfähigkeit zu beurteilen. Mit der Zusammensetzung der Gesteinskörnung nach Fuller soll eine optimale Packungsdichte und damit ein minimaler Bindemittelbedarf erreicht werden. 
• Körner, die zwar in die Kornzwischenräume der größeren Körner passen, aber nicht zwischen den angrenzenden Körnern hindurch in die Hohlräume gelangen können, werden als Füllkörner bezeichnet. Körner die etwas kleiner sind und denen dass in die Hohlräume Schlüpfen möglich ist, heißen Schlüpfkorn. Das empfohlene Verhältnis von Schlüpfkorn zu Füllkorn wird mit d:D = 1:8 angegeben. Ein Sperrkorn ist größer als ein Füllkorn und erzeugt somit Hohlräume zwischen den größeren Körnern.
• Unter Ausfallkörnung versteht man eine Sieblinie, bei der eine oder mehrere Fraktionen fehlen, die sogenannte U-Sieblinie.
• Eine höhere Sieblinie C (höherer Anteil der feinen Kornfraktionen) wird z.B. wegen der besseren Verarbeitbarkeit gewählt; ein weiterer Grund könnten die örtlichen Gegebenheiten bzw. die Kosten sein. Die tiefere A-Sieblinie ist wesentlich grobkörniger als die B- und C-Sieblinie; eine tiefere Sieblinie als A sollte aufgrund der Gefahr von Hohlräumen/Kiesnestern nicht gewählt werden. Die größte Packungsdichte wird erreicht, wenn man eine Sieblinie zwischen A und B wählt, welche näher an A als an B liegt. Allgemein gilt: Je kleiner das Größtkorn, desto mehr Oberfläche, desto mehr Wasser, desto mehr Zement!

Je grobkörniger das gewählte Korngemisch ist, desto kleiner ist seine spezifische Oberfläche. Die spezifische Oberfläche ist definiert als die Kornoberfläche auf sein Volumen bezogen. Daher hat eine plattige Körnung beispielsweise eine höhere spezifische Oberfläche bei gleichem Volumen als eine Körnung die überwiegend aus kugeligen Körnern besteht. Es gilt: geringe spezifische Oberfläche = geringer Wasseranspruch

Man schätzt den Wasseranspruch einer Gesteinskörnung mithilfe des k-Wertes ab, wobei die Körnungsziffer „k“ die Summe der Rückstände auf den Prüfsieben ab einem Lochdurchmesser von 0,25 mm dividiert durch 100 ist.

• größerer k-Wert: weniger Feinkorn → geringere spezifische Oberfläche → geringerer Zementleimanspruch
• kleinerer k-Wert: viel Feinkorn → größerer spezifische Oberfläche → höherer Zementleimanspruch

1. Probenentnahme/Probenteilung/Trocknung der Gesteinskörnung

2. Ermittlung der Trockenmasse (Wiegen)

3. Sieben der Trockenmasse mit Siebmaschine

4. Ermittlung der Einzelrückstände auf den jeweiligen Prüfsieben

5. Ermittlung der prozentualen Einzelrückstände Ri (bezogen auf die Gesamtmasse)

6. Ermittlung der prozentualen Siebdurchgänge D = 100% - R

7. Darstellung der Ergebnisse in Form einer Summenkurve

Abschlämmbare Bestandteile

• sehr feine (D < 0,063 mm), oftmals tonige Gesteinsstäube
• erhöhen den Wasseranspruch
• Störung des Verbundes Gesteinskorn/Zementleim durch Anhaften an der Oberfläche der Gesteinskörner
• ggf. Festigkeitseinbußen

Stoffe organischen Ursprungs

• z.B. Holzpartikel
• können fein verteilt in natürlichen Gesteinskörnungen vorkommen
• können die Erhärtung des Zements stören
• können durch Quellen Oberflächensprengungen des Betons hervorrufen

Schwefelverbindungen

• z.B. Gips
• führen bei feiner Verteilung und in großen Mengen zum Treiben des Betons
• dadurch können Risse im Bauteil entstehen
• -Besonders bedenklich im Feinzuschlag (große Risikofläche)

Alkalilösliche Kieselsäuren

• Alkalireaktive Minerale in der Gesteinskörnung (Opal, Flint) führen bei Feuchtezufuhr zum Alkalitreiben
• Rissbildung und Zerstörung von Betonbauteilen.
• Gefahr des Alkalitreibens ist abhängig vom Gewinnungsort der Gesteinskörnung (Norddeutschland)

Quellen: Quellen bezeichnet die lastunabhängige Volumenzunahme eines Körpers durch Feuchtigkeitszunahme (Gegenteil von Schwinden).

Treiben: Nimmt bei einer chemischen Reaktion das Volumen des Reaktionsproduktes einen größeren Wert an als die Summe der Ausgangsvolumina der Reaktionspartner, so bezeichnet man diese Volumenzunahme als Treiben (Gegenteil von Schrumpfen).

Das Größtkorn ist die oberste Prüfkorngröße einer Zusammensetzung. Das Größtkorn wird in Abhängigkeit der geometrischen Abmessungen, der Bewehrung und der Betondeckung gewählt.

Wenn der Zuschlag feucht ist, so muss der Feuchtegehalt beim Anmachwasser berücksichtigt werden, d. h. vom Wasseranspruch abgezogen werden und die Masse des Zuschlages ist um das Gewicht der Feuchte zu erhöhen.

Diese Probenentnahme würde keinen repräsentativen Durchschnitt der Gesteinskörnung widerspiegeln; aufgrund der geometrischen und physikalischen Eigenschaften der unterschiedlichen Korngruppen wird es zu Häufungen einzelner Korngruppen an unterschiedlichen Stellen an und im Lagerhaufen kommen. Um dieser fehlerhaften Probenentnahme vorzubeugen, sind die unterschiedlichen Lagen von Entnahmestellen an einem Lagerhaufen eindeutig definiert. Es sind gleichgroße Proben an der Längs- und Querseite des Haufens, sowie in der Mitte oben und unten zu entnehmen.

Eine höhere Packungsdichte führt zu einer besseren Verarbeitbarkeit und zu einem besseren Lastabtrag(Druckfestigkeit). Bei einer Verwendung von 4/8 und 16/32 ist 8/16 die sogenannte Ausfallkörnung. Es würden bei der Verwendung Zwischenräume in der Matrix entstehen. Daher sollte 8/16 noch angeliefert werden oder zumindest durch eine Schlüpfkörnung ersetzt werden. 

höherer Wasserbedarf

• Bindemittel sind Stoffe, die gröbere und feinere Körper fest untereinander kitten.
• Man unterscheidet organische (Bitumen, Kunstharze) und anorganische (Kalke, Zemente, Sulfatbindemittel, Magnesiabinder) Bindemittel. Die anorganischen Bindemittel werden in Luftbindemittel (z. B. Lehm, Gips) und hydraulische Bindemittel (z. B. Zement) unterteilt

Unter einem hydraulische Bindemittel versteht man ein Bindemittel, das mit Wasser angemacht und sowohl an der Luft als auch unter Wasser erhärten kann und im erhärteten Zustand wasserbeständig ist.

• Brennen des Kalksteins bei ca. 1.000° C: CaCO3 = CaO + CO2
• Löschen des Branntkalks mit Wasser: CaO + H2O = Ca(OH)2
• Erhärten des gelöschten Kalks (Calziumhydroxit): Ca(OH)2+ H2O + CO2 = CaCO3 +2H2O 

Man unterscheidet an der Luft (Luftkalke) und unter Wasser erhärtende (hydraulische) Kalke. Beide gehören in die Gruppe der Baukalke und finden Anwendung als Putz- und Mauermörtel sowie als dampfgehärtete Baustoffe. Mischt man den Kalkstein mit Ton und brennt dieses Gemisch über der Sintergrenze, so entsteht Zement, welcher hauptsächlich als Bindemittel im Beton eingesetzt wird.

Risse, Aussprengungen, Zerfall

Beginn des Erstarrens ca. 1 Stunde nach dem Anmachen. Nach ca. 12 Stunden Ende des Erstarrens; Lösung der Bestandteile des Zementklinkers von der Oberfläche her - Entstehung von Ca(OH)2; Ebenso werden die anderen Klinkermaterialien hydratisiert; es bildet sich Gel um die Zementkörner Verkittung (Abbinden) 

Rohmaterialien

• Kalkstein (CaCO3)
• Ton aus Siliciumdioxid (SiO2), Aluminiumoxid (Al2O3), Eisenoxid (Fe2O3) oder als natürliches Gemisch aus Kalkstein und Ton: Mergel
• Verhältnis: Kalkstein/Ton ≈ 3/1 

Herstellung von Rohmehl:

1. Gewinnung von Kalkstein und Ton im Steinbruch

2. Zerkleinerung zu Schotter

3. ggf. vorab homogenisieren des Rohschotters zum Ausgleich der Schwankungen in der chemischen Zusammensetzung des Rohmaterials.

4. Mahlen des Rohmaterials (Trockenverfahren); getrennte Rohmaterialkomponenten werden nach unterschiedlichen Kalk- und Tongehalten gemengt und zu Rohmehl gemahlen.

Brennen des Zementes zu Zementklinker:

• vorwiegend in Drehöfen
• Zugabe des Rohmehls am oberen Ende des Drehofens (T ≈ 500 °C) Ton gibt Kristallwasser ab (Entwässerung)
• Material wird langsam zum unteren Ende des Drehofens gefördert (T ≈ 1.400 - 1.450 °C) Bei T ≈ 800 - 1.000 °C wird Kohlensäure aus dem Kalkstein getrieben (CaCO3 = CaO + CO2 vgl. Kalkkreislauf)
• Bei T ≈ 1.250 °C: Reaktion des CaO mit Tonbestandteilen zu den Klinkerphasen weitere Temperaturerhöhung bis zur Sinterung (nicht Schmelze!) (Die vier wesentlichen Klinkerphasen sind Tricalciumsilikat, Dicalciumsilikat, Calciumaluminatferrit, Tricalciumaluminat.)
• bei T ≈ 1.450 °C: Bildung von Tricalciumsilikat (Sintergrenze)
• Produkt des Brennprozesses ist Portlandzementklinker
• Klinkerphasen verantwortlich für Festigkeitsentwicklung

Mahlen des Zements:

• Zugabe von Gips (3-5 M.-%) zur Regulierung des Ansteifens ggf. Zumahlen von Hochofenschlacke oder Trass 

LH: niedrige Hydratationswärme langsame Erhärtung, geringer C3A- und C3S-Anteil (in Hochofenzementen) z.B. in massigen Bauteilen > 80 cm

HS: hoher Sulfatwiderstand geringer C3A-Gehalt (in CEM I HS und Hochofenzementen) z.B. zum Schutz vor Meerwasser oder (industriellen) Abwässern

NA: niedrig wirksamer Alkaligehalt in CEM I NA und Hochofenzementen z.B. bei alkalikieselsäure-anfälligen Zuschlägen

FE = Zement mit frühem Erstarren

SE = Zement mit schnellem Erstarren

HO = Zement mit erhöhtem Anteil organischer Anteile

Durch Zugabe von Wasser (Anmachwasser) zum Zement entsteht je nach w/zWert eine steife bis dünnflüssige Paste, der Zementleim: 

1.Hydratationsstufe (unmittelbar nach Zugabe des Anmachwassers)

Beginn der Hydratation Bildung von niedrig festem Calciumhydroxid (CaOH)2 → hexagonale Kristalle Tricalciumaluminat (C3A) reagiert sofort, sehr rasch mit Wasser und würde zum schnellen Ansteifen des Zementleimes führen. Die Gipszugabe verhindert dies: CaSO4 baut C3A in wasserreiche Verbindungen → Ettringit Bildung Trisulfat = Ettringit kristallisiert in langen Nadeln von der Oberfläche des Zementkorns aus → erstes Ansteifen; Volumenzunahme im plastischen Zustand des Zementleims

2.Hydratationsstufe (nach ca. vier Stunden:

Bildung von langfaserigen Calciumsilikathydraten (CSH) aus...  

Tricalciumsilikat C3S (schnelle Reaktion) , Dicalciumsilikat C2S (langsame Reaktion)

Bilden feine, lange Calciumsilicathydrat-Nadeln (CSH-Phasen), die den wassergefüllten Raum überbrücken und sich ineinander verfilzen [festigkeitsbestimmender Prozess] durch Kristallnadelbildung erfolgt eine Vergrößerung der spezifischen Oberfläche (etwa 1.000-mal größer als vor der Hydratation) es entstehen neben chemischer Bindung sehr hohe Massenanziehungskräfte (van der Waalsche - Kräfte) Verfestigung, Erstarrungsbeginn

3. Hydratationsstufe (nach ca. einem Tag)

Bildung von kurzfaserigen Calciumsilikathydraten Bildung von niedrigfesten Tetracalciumaluminathydraten Der Raum wird erfüllt und verdichtet → stabiles Gefüge C3S und C2S spalten große Mengen von Kalkhydrat [Ca(OH)2] ab, das für die hohe Alkalität des Porenwassers verantwortlich ist und so den Korrosionsschutz der Bewehrung im Beton sichert 

CEM I: Portlandzement

CEM II: Portlandkompositzement

CEM III: Hochofenzement

CEM IV: Puzzolanzement

CEM V: Kompositzement

CEM I 42,5 R HS:

CEM I = Portlandzement 42,5 = Mindestnormfestigkeit ist 42,5 N/mm² nach 28 Tagen R = schnelle Anfangserhärtung HS = hoher Sulfatwiderstand

CEM II / A – LL 32,5 N:

CEM II / A - LL = Portlandkalksteinzement mit hohem Anteil an Portlandzementklinker LL = Der Gesamtgehalt an organischem Kohlenstoff darf einen Massenanteil von 0,20 % nicht überschreiten.32,5 = Mindestnormfestigkeit ist 32,5 N/mm² nach 28 Tagen N = normale Anfangserhärtung

CEM III / B 32,5 N - LH / HS / NA:

CEM III / B = Hochofenzement mit mittleren Anteil nicht ganz hohem Anteil Portlandzementklinker 32,5 = Mindestnormfestigkeit ist 32,5 N/mm² nach 28 Tagen N = normale Anfangserhärtung LH / HS / NA = niedrige Hydratationswärme / hoher Sulfatwiderstand / niedriger, wirksamer Alkaligehalt