2.2 Anorganische Bindemittel. pulverförmige anorganische Verbindungen

Transkript

1 2.2 Anorganische Bindemittel pulverförmige anorganische Verbindungen Erhärtung einer Bindemittel-Wasser-Suspension durch chemische Reaktionen, Lösungsvorgänge und Kristallisationsprozesse Unterteilung in nicht hydraulische Bindemittel Erhärtung an der Luft hydraulische Bindemittel Erhärtung sowohl an der Luft wie auch unter Wasser wasserbindend, wasserfest, unter Wasser erhärtend Einbindung von Gesteinskörnungen Bildung eines künstlichen Steines Lehm: Urbaustoff und ältestes Bindemittel der Menschheit Chr. Verwendung vor über Jahren, Lehmziegel v. Noch heute lebt 1/3 der Erdbevölkerung in Lehmhäusern

2 Kalk gebräuchliche Bezeichnung für CaO, gebrannter Kalk häufig ebenfalls für CaCO 3, Kalkstein und Ca(OH) 2, gelöschter Kalk, verwendet hinsichtlich der Erhärtung als Bindemittel in Kalkmörteln wird unterschieden Luftkalk (Erhärtung von Ca(OH) 2 und evtl. Mg(OH) 2 durch Luftzutritt) - Weißkalk (CL - calcium lime) - Dolomitkalk (DL - dolomitic lime) Wasserkalk (veraltet, zusätzlich geringe hydraulisch erhärtende Anteile) hydraulischer Kalk (zusätzlich hydraulisch erhärtende Anteile, HL - hydraulic lime β D 28 : HL 2, HL 3,5, HL 5)

3 Luftkalk 900 C Brennen von Kalkstein CaCO 3 (s) CaO(s) + CO 2 (g) H = 178 kj/mol Entsäuerung oder Calcinierung des Kalksteins poröses Reaktionsprodukt (CO 2 -Verlust), bei Volumenkonstanz theoretisches Porenvolumen von 52 Vol.-%! zunehmende Brenntemperatur ermöglicht schnelleres Brennen, führt jedoch zu größeren CaO-Kristallen unter Sinterung Weichbranntkalk (900 C) Mittelbranntkalk Hartbranntkalk (1400 C) Sinterkalk CaO CaCO 3

4 Löschen von Branntkalk CaO(s) + H 2 O(l) Ca(OH) 2 (s) H = - 65 kj/mol ρ rein = 3,34 g/cm 3 ρ rein = 2,24 g/cm 3 exotherme Reaktion (T > 100 C, Spritzgefahr!), Volumenvergrößerung Zerfall des Stückkalks zu kleinsten Ca(OH) 2 -Teilchen Löschen mit stöchiometrischer Wassermenge (einschließlich Verdunstungswasser) Trockenlöschen, Kalkpulver (Werk) Löschen mit mäßigen Überschuss an Wasser Nasslöschen, Kalkbrei (Baustelle) Löschen mit hohem Wasserüberschuss, Kalkmilch Ca(OH) 2 mit geringer Löslichkeit, alkalische Lösung, Kalkwasser Löschgeschwindigkeit sinkt mit steigender Brenntemperatur

5 H 2 O Erhärten von Luftkalk Ca(OH) 2 (s) + CO 2 (g) CaCO 3 (s) + H 2 O(l) H 0 = kj/mol exotherme Reaktion, Carbonatisierung Reaktion läuft nur in Gegenwart von Feuchtigkeit ab Bildung von Kohlensäure Neutralisation (trockenes Ca(OH) 2 carbonatisiert nicht) CO 2 (g) + H 2 O(l) H 2 CO 3 (aq) Ca(OH) 2 (s) + H 2 CO 3 (aq) CaCO 3 (s) + 2 H 2 O(l) "Verdursten" von Kalkmörtel (Sonne, Wärme, Untergrund) langsame Reaktion, nur 0,04 Vol.-% CO 2 in der Luft, Beschleunigung durch CO 2 -Anreicherung Wasserfreisetzung durch Erhärtungsvorgang, ein Jahr oder länger Baufeuchtigkeit Problem bei Fliesen, Wandspachtel, Lacktapeten

6 Wie viel Kilogramm Wasser werden aus 50 kg technischem Weißkalkhydrat mit einem Gehalt von 95 % Ca(OH) 2 im Verlauf der Carbonatisierung freigesetzt?

7 Hydraulischer Kalk Natürliche Produkte Brennen tonhaltigen Kalksteins (Kalkmergel) unterhalb 1250 C ( NHL, natural hydraulic lime) Bildung von CaO und der Hydraulefaktoren SiO 2, Al 2 O 3, Fe 2 O 3 (reaktionsfähige Oxide, s. Zement) Reaktion von CaO mit Hydraulefaktoren oberhalb 900 C (siehe Portlandzementklinker) Werkseitige Hydratation des noch vorhandenen freien Kalks zu Ca(OH) 2 (CaO immer gelöscht) Erhärtung durch Carbonatisierung und Hydratatation Künstliche Mischungen Heute überwiegend Mischungen von Luftkalk mit Zement (hydraulisch), Hüttensand (latent hydraulisch) oder Puzzolanen (Trass, Flugasche) ( HL)

8 Verwitterungsprodukte Minerale Gestein Sand, Kies SiO 2 Gesteinsverwitterung, Verwitterungsprodukte und Baustoffe Urgestein Granit Quarz Feldspat Glimmer SiO 2 Al 2 O 3 2 SiO 2 (aq) CaO Na 2 O, K 2 O Boden, Meer CO 2 SO 3 Lehm Ton Mergel Kalkstein Gipsstein Al 2 O 3 2 SiO 2 (aq) CaCO 3 CaSO 4 (aq) Baustoffe Betonzuschlag Glas Ziegel Klinker Steinzeug Zement Kalk Gips

9 Zement größte Gruppe anorganischer Bindemittel, nach Vermischen mit Wasser ("Anmachen") hydraulisch erhärtend enthält, je nach Zusammensetzung, verschiedene Hauptbestandteile und insgesamt bis zu 5 M.-% Nebenbestandteile unterschiedliche Erhärtungsvorgänge Haupzementarten (DIN EN 197-1) Portlandzement.. CEM I Portlandkompositzement.. CEM II Hochofenzement CEM III Puzzolanzement. CEM IV Kompositzement CEM V Zuordnung von 27 Normalzementen, je nach Zusammensetzung, möglich Hauptbestandteile der Zemente (DIN EN 197-1) Portlandzementklinker K Hüttensand. S natürliches Puzzolan.. P natürliches, getempertes Puzzolan Q gebrannter Schiefer T kieselsäurereiche Flugasche.. V kalkreiche Flugasche.. W Kalkstein L / LL Silicastaub D CEM II mit mehr als 2 Hauptbestandteilen. M

10 Herstellung, Zusammensetzung, Eigenschaften von Portlandzementklinker Trocknen und Aufmahlen von ca. 70 % Kalkstein (CaCO 3 bzw. CaO CO 2 ) und 27 % Ton (Al 2 O 3 2 SiO 2 2 H 2 O) bzw. ihrer natürlichen Gemische sowie evtl. Korrekturstoffen (Quarzmehl, Eisenerz) Rohmehle (< 90 µm) Kalkstein: CaCO 3 bzw. CaO CO 2 Ton: Al 2 O 3 2 SiO 2 2 H 2 O Brennen in m langen Drehrohröfen, Erhitzen bis auf 1450 C, rasches Abkühlen bis auf 200 C geringer Spielraum für die Zusammensetzung des Rohmehls ergibt sich aus der prozentualen Zusammensetzung des Zementes an Klinkermineralien den stöchiometrischen Verhältnissen der Oxide CaO, SiO 2, Al 2 O 3 und Fe 2 O 3 in den entstehenden Klinkermineralien

11 Nutzung von Kalkkennwerten wie Hydraulemodul (HM) und Kalkstandard (KSt I) zur Berechnung der chemischen Klinkerzusammensetzung zu geringer Kalkgehalt führt zu Abfall der Festigkeit zu hoher Kalkgehalt verursacht Kalktreiben HM = CaO SiO + + HM 2,0 2,4 2 Al2O 3 Fe 2O 3 KStI 100 CaO = 2,8 SiO 2 + 1,1 Al2O 3 + 0,7 Fe 2O 3 KSt I % hochwertige Klinker > 97 %

12 Mineralogische Zusammensetzung von Portlandzementklinker Klinkerphase Oxidschreibweise Abkürzung Farbe Anteil in % Bauchemie reine Phase Bereich Mittelwert Alit Tricalciumsilicat Belit Dicalciumsilicat Aluminatphase Tricalciumaluminat Ferritphase Calciumaluminatferrit 3 CaO SiO 2 C 3 S weiß CaO SiO 2 C 2 S weiß CaO Al 2 O 3 C 3 A weiß CaO C 2 (A,F) dunkelbraun Al 2 O 3 Fe 2 O 3 * * durch MgO-Einschlüsse graugrün Chemische Zusammensetzung CaO 65 % (gerundete Mittelwerte) SiO 2 21 % Al 2 O 3 6 % Fe 2 O 3 3,5 % SO 3 1 %

13 Kurzschreibweise im Bauwesen CaO : C SiO 2 : S Al 2 O 3 : A Fe 2 O 3 : F H 2 O : H SO 3 : s CO 2 : c

14 Dicalciumsilicat (Ca 2 SiO 4 ): aufgebaut aus Ca 2+ - und SiO Ionen Tricalciumsilicat (Ca 3 SiO 5 ): aufgebaut aus Ca 2+ -, SiO und O 2- - Ionen

15 Tricalciumaluminat (Ca 3 Al 2 O 6 ): aufgebaut aus Ca 2+ - und Al 6 O Ionen

16 Brennen von Rohmehl Brennstoff Heizöl Kohlenstaub Gas Wasserverlust (bis 450 C) Tonzersetzung ( C) und Oxidbildung ( C), Kalksteinzersetzung ( C) Bildung von CS und CA ( C) Kalkaufnahme ( C), Bildung von C 2 S und C 2 (A,F) weitere Kalkaufnahme ( C), Bildung von C 3 S, Sinterung

17 Erhärtung von Portlandzement (Partikelgröße < 60 µm) Hydratation von C 3 S und C 2 S (ca. 80 % des Phasenbestandes) Bildung von Monosilicaten Disilicaten kalkärmeren polymeren Calciumsilicathydraten, sogenannten C-S-H-Phasen, z. B.: 2 C 3 S + 6 H C 3 S 2 H CH 2 C 2 S + 4 H C 3 S 2 H 3 + CH Zusammensetzung schwankt innerhalb bestimmter Grenzen Einflussgrößen - Zementzusammensetzung - w/z-wert - Temperatur - Mahlfeinheit Hydratation von C 3 A Bildung von Aluminathydraten C 3 A + 6 CH C 3 AH 6 In Gegenwart von CH "Löffelbinder" Zement ohne Anhydrit/Gips Abdichten bei Wasseranfall - Erstarrung nach 2 min, - Erhärtung nach 4 bis 5 min! C 3 A + CH + 12 H C 4 AH 13

18 Hydratation von C 3 A in Gegenwart von Calciumsulfat Im Zement als Erhärtungsverzögerer Calciumsulfat enthalten (1 % SO 3 = 1,7 % Cs bzw. 2,2 % CsH 2 ) Zugabemenge abhängig von C 3 A-Gehalt und Mahlfeinheit Zusammensetzung des Sulfatträgers (Cs, CsH 0,5, CsH 2 ) beeinflusst Erstarrungsbeginn Es entsteht zunächst Trisulfat (Ettringit): C 3 A + 3 Cs + 32 H C 3 A 3 Cs 32 H 2 O Ettringit (stäbchenförmig) Bei niedrigem Sulfatgehalt wird Monosulfat gebildet: C 3 A + Cs + 12 H C 3 A Cs 12 H 2 O Monosulfat (blättchenförmig) C 3 A Ettringithülle Zutritt von H 2 O und SO 2-4 beim Aufreißen

19 Hydratphasen und Gefügeentwicklung des Zements (Locher, Richards, Sprung) CSH Ansteifen Erstarrung Erhärtung verdichtbar C 3 A Ruhe C C 3 S C 3 S C 2 S

20 Zusatzstoffe Hüttensand und Silicastaub (Microsilica, Nanosilica) HS alkalische oder sulfatische Anregung der glasigen Bestandteile, die neben SiO 2 hohen CaO-, Al 2 O 3 - und MgO-Gehalt aufweisen Erhärtung unter Bildung von C-S-H-Phasen latent hydraulisch MS besteht zu % aus amorphem SiO 2 glasige kugelähnliche Partikeln, mittlerer Korndurchmesser 0,1-0,2 µm ca mal kleiner als durchschnittliche Zementpartikeln keine hydraulischen Eigenschaften, Wirkung als Füllstoff und Erhärtung durch Reaktion mit Ca(OH) 2 SiO 2 + Ca(OH) 2 + H 2 O C-S-H puzzolanische Reaktion / Puzzolan weitere Puzzolane sind Trass und Ziegelmehl

21 Gips Gips ist die gebräuchliche Bezeichnung für CaSO 4 2 H 2 O Dihydrat / DH Als natürlicher Gipsstein oder technisches Produkt REA-Gips und Chemiegips CaSO 4 ½ H 2 O entsteht durch thermische Entwässerung Halbhydrat / HH Je nach Entwässerungsbedingungen α-hh (makro-) oder β-hh (mikrokristallin) Weitere Temperaturerhöhung führt zu CaSO 4 Anhydrit / A je nach Brenntemperatur wird AIII (αund β-form), AII und AI unterschieden Baugipse enthalten mindestens 50 % Dehydratationsprodukte Gipstypen im Bauwesen Stuckgips (β-gips) besteht überwiegend aus β- HH, wenig AIII Putzgips 1) (Mehrphasengips) aus β-hh, β-aiii und AII β D bis 10 N/mm 2 Estrichgips, Anhydritbinder AII β D bis 30 N/mm 2 Modell- und Formengips Hartformgips aus α-hh β D bis 50 N/mm 2 1) frühere Versteifung, länger verarbeitbar

22 Bildung von CaSO 4 -Phasen (Henning, Knöfel, 2002) Phase Temperatur 1) Vorgang /Bemerkungen HH C CaSO 4 2 H 2 O CaSO 4 ½ H 2 O + 3/2 H 2 O beginnende Entwässerung bereits ab 40 C α-hh: nasse Entwässerung (Autoklav, Dämpfer) β-hh: trockene Entwässerung (Drehrohr, Kocher) AIII > 180 C CaSO 4 ½ H 2 O CaSO 4 + ½ H 2 O α-aiii: aus α-hh β-aiii: aus ß-HH (löslicher Anhydrit) AII > 240 C > 700 C CaSO 4 (AIII) CaSO 4 (AII) AII-s: schwer löslich AII-u: unlöslich (totgebrannter Gips) AII-E: Estrichgips (beginnende Bildung von CaO) AI > 1196 C CaSO 4 (AII) CaSO 4 (AI) CaO > 1214 C CaSO 4 (AI) CaO + SO 3 1) grobe Orientierung

23 Erhärtung von CaSO 4 -Phasen durch Kristallisation Löslichkeit in Wasser (Benedix, 2011) 8,8 2,4 2,0 20 CaSO 4 ½ H 2 O + 3/2 H 2 O CaSO 4 2 H 2 O H 0 = - 38,6 kj/mol Lösung von HH und Kristallisation des schwerer löslichen DH, Verfilzung der Nadeln, geringe Volumenzunahme bis 1 % CaSO 4 (AII) + 2 H 2 O CaSO 4 2 H 2 O H 0 = - 30,2 kj/mol langsame Hydratation Hydratationsbeschleuniger (Anreger), Hydratation unvollständig Natürlicher Anhydrit AII Volumenzunahme bis 60 %

24 Struktur von CaSO 4 2 H 2 O SO 4 Ca SO 4 -Ketten Schichten aus H 2 O 1) SO 4 Ca SO 4 -Ketten 1) Bindung über H-Brücken

25 Anwendung von Gipsbaustoffen hohe Porosität bis 50 % wasserlöslich hohes Wassersaugvermögen gute Feuchtigkeitsaufnahme und Abgabe (Speichervermögen für Wasserdampf) schalldämmende und wärmeisolierende Eigenschaften Rückgang der Festigkeit und Haftfestigkeit bei Durchfeuchtung problematisch für Außenbauteile und Feuchträume Treibmineralbildung mit Zementbeton chemisch gebundes feuerhemmend durch Wasserabspaltung bei Wasser Hitzeeinwirkung (Temperaturerniedrigung) neutrale Reaktion kein Korrosionsschutz für Bewehrungsstahl