Zemente für Betone mit geringer Wärmeentwicklung

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1 Zemente für Betone mit geringer Wärmeentwicklung oberkaernten.info Vilser Baustofftag 2012, Röck; Ostheimer 1

2 INHALT Einleitung 1. Normen und Richtlinien 2. Einflüsse auf die Hydratationswärme von Zement 3. Geeignete Zementsorten 4. Prüfmethoden 5. Zusammenfassung Vilser Baustofftag 2012; Röck, Ostheimer 2

3 1. Normen und Richtlinien ÖN EN ÖN EN (Lösungswärme) ÖN EN (Teiladiabate) ÖN B ÖN B Vilser Baustofftag 2012; Röck; Ostheimer 3

4 ÖN EN Zusammensetzung, Anforderungen und Konformitätskriterien von Normalzement Hydratationswärme Die Hydratationswärme von Normalzementen mit niedriger Hydratationswärme darf den charakteristischen Wert 270 J/g nicht überschreiten. Die Hydratationswärme ist entweder nach 7 Tagen nach EN oder nach 41 h nach EN zu bestimmen. Normalzemente mit niedriger Hydratationswärme sind durch das Kurzzeichen LH zu kennzeichnen. ANMERKUNG 1: In einem vornormativen Forschungsvorhaben wurde nachgewiesen, dass die Prüfergebnisse, die nach EN nach 7 Tagen und nach EN nach 41 h erzielt werden, gleichwertig sind. Dennoch sollte in Streitfällen zwischen Laboratorien vereinbart werden, welches Verfahren anzuwenden ist. ANMERKUNG 2: Für einige Anwendungen ist ein Zement mit einem höheren Wert der Hydratationswärme geeignet. Dieser Wert sollte zwischen Hersteller und Anwender vereinbart werden. Der betreffende Zement sollte nicht als Zement mit niedriger Hydratationswärme (LH) bezeichnet werden Vilser Baustofftag 2012; Röck; Ostheimer 4

5 ÖN B Beton- Festlegung, Herst., Verw. und Konformitätsnachweis Vilser Baustofftag 2012; Röck; Ostheimer 5

6 ÖN B Zemente für besondere Verwendung Vilser Baustofftag 2012; Röck; Ostheimer 6

7 ÖN B Zemente für besondere Verwendung Vilser Baustofftag 2012; Röck; Ostheimer 7

8 INHALT 1. Normen und Richtlinien 2. Einflüsse auf die Hydratationswärme von Zement 3. Geeignete Zementsorten 4. Prüfmethoden 5. Zusammenfassung Vilser Baustofftag 2012; Röck; Ostheimer 8

9 Wann ist niedrige Wärmeentwicklung wichtig? Massive Bauwerke Staumauern Dicke Maschinenfundamente Verfüllung von großen Hohlräumen (Kavernen; Luftschutzbunker etc.) Wasserundurchlässige Bauwerke (Weiße Wannen) Klärbecken, Wasserbehälter Unterführungen Tiefgaragen Tunnelbauwerke U-Bahnen Keller Vilser Baustofftag 2012; Röck; Ostheimer 9

10 Warum ist niedrige Wärmeentwicklung wichtig? Hohe Betontemperaturen zeigen nachteilige Eigenschaften für das Bauwerk: Bildung thermodynamisch nicht stabiler Hydratationsphasen; gefährlich besonders ab Temperaturen über 70 C Gefahr der Sekundärettringitbildung Verminderung der Endfestigkeiteit Verminderung der Dauerhaftigkeit Rissgefahr beim Abkühlen (Reißrahmenversuch) Vilser Baustofftag 2012; Röck; Ostheimer 10

11 Einfluss der Klinkerphasen Klinkerphasen: Nach der Lehre der Thermodynamik verläuft keine chemische Reaktion vollständig ab sondern nur bis zu einem Gleichgewichtszustand, der durch das Massenwirkunsgesetz vorgegeben ist. Jede chemische Reaktion ist aber mit einem Energieumsatz verbunden, der durch die Änderung der freien Enthalpie nach der GIBBS-HELMHOLTZ- Gleichung ΔG R = ΔH R T*ΔS R beschrieben wird Vilser Baustofftag 2012; Röck; Ostheimer 11

12 Einfluss der Klinkerphasen ΔG R = ΔH R T*ΔS R ΔG R molare freie Reaktionsenthalpie (Gibbs sches Potenzial maximaler Teil der Energie des Systems, der unter isobaren Bedingungen in Arbeit umgewandelt werden kann) in kj/mol. ΔH R molare Enthalpie (Wärmeinhalte der in Bindungen zwischen den Teilchen eines Systems enthalten ist und bei der Reaktion abgegeben oder aufgenommen wird, je nachdem in welche Richtung diese verläuft.) in kj/mol. ΔS R molare Entropie (Maß für den Ordnungszustand der Teilchen in einem System) in kj/mol T Reaktionstemperatur in Vilser Baustofftag 2012; Röck; Ostheimer 12

13 Einfluss der Klinkerphasen ΔG R = ΔH R T*ΔS R Die Wahrscheinlichkeit für das spontane Ablaufen einer chemischen Reaktion steigt, je niedriger das Gibbs sche Potenzial ΔG R ist. Bei negativen Werten verläuft die Reaktion von selbst ab, bei ΔG R = 0 findet keine Reaktion statt und bei positiven Werten von ΔG R muss Energie zugeführt werden, damit eine Reaktion in Gang kommt bzw. Sie läuft unter Umständen in die Gegenrichtung ab Vilser Baustofftag 2012; Röck; Ostheimer 13

14 Einfluss der Klinkerphasen Hohe Hydratationswärmen besitzen: C 3 S und C 3 A Niedrige Hydratationswärmen besitzen: C 2 S und C 4 AF Vilser Baustofftag 2012; Röck; Ostheimer 14

15 Einfluss der Klinkerphasen Literaturwerte für die Hydratationswärme der Klinkerphasen in J/g Phase Verbeck & Foster Bogue Woods Lerch Chatelier Nist Waller C 3 S C 2 S C 3 A C 4 AF CaO frei MgO frei Vilser Baustofftag 2012; Röck; Ostheimer 15

16 Zumahlstoffe; Zusatzstoffe Zumahlstoffe: Werden gemeinsam mit dem Klinker und Gips vermahlen. Die vorliegende Mahlfeinheit hängt von der Mahlbarkeit ab. Kalkstein und Flugaschen sind eher feiner als der Klinker. Hüttensand ist stets gröber als der Klinker. Zusatzstoffe: Werden dem Beton gemäß ÖN B zugemischt. Es wird unterschieden zwischen Zusatzstoffen gem. ÖN EN 450 und Aufbereiteten Hydraulisch Wirksamen Zusatzstoffen, AHWZ gemäß ÖN B Nicht aufbereitete Zusatzstoffe weisen oft keine optimale Kornverteilung auf und wirken daher schlechter. Der Aktivitätsindex liegt zwischen 90 und 100 % AHWZ sind optimal abgestimmte Mischungen aus Flugasche, Hüttensand und Kalkstein. Der Aktivitätsindex liegt bei ca. 110 % Vilser Baustofftag 2012; Röck; Ostheimer 16

17 Zumahlstoffe; Zusatzstoffe Kalkstein: Kein Beitrag zur Wärmeentwicklung Hüttensand: Hydratationswärme stark abhängig von der Temperatur; gering bei Temperaturen <40 C, darüber ähnlich wie Zement. ( J/g) Flugasche: Hydratationswärme etwa halb so hoch wie bei Zementen (ca. 150 J/g) AHWZ: Hydratationswärmebeitrag im Mittel 186 J/g Vilser Baustofftag 2012; Röck; Ostheimer 17

18 Zusatzstoffe Aus insgesamt 8 Versuchen mit Purzement und entsprechenden Zement- AHWZ 80:20 Mischungen wurde ein durchschnittlicher Beitrag zur Wärmeentwicklung der AHWZ berechnet. Ergebnis: 186 J/g Im Mittel zeigten die Mischungen eine Wärmeentwicklung von 280 J/g Vilser Baustofftag 2012; Röck; Ostheimer 18

19 Zusatzstoffe Erlaubte Zusatzmengen an Zusatzstoffen Zement Flugaschen gemäß ÖN EN 450 AHWZ gemäß ÖN B 3309 CEM I 25 % 30 % CEM II/A 32,5 15% 15 % CEM II/A 42,5 20% 20 % CEM II/B 32,5 0 % 0 % CEM II/B 42,5 10 % 10 % Anrechnungsfaktor 0,4 0, Vilser Baustofftag 2012; Röck; Ostheimer 19

20 INHALT 1. Normen und Richtlinien 2. Einflüsse auf die Hydratationswärme von Zement 3. Geeignete Zementsorten 4. Prüfmethoden 5. Zusammenfassung Vilser Baustofftag 2012; Röck; Ostheimer 20

21 Geeignete Zementsorten gemäß ÖN EN 197-1: Purzemente: CEM I 32,5 R HS/SR 0 CEM I 42,5 N LH-HS/SR 0 CEM II/A-S;V;L;M 32,5 R LH; CEM II/A-S;V;L;M 42,5 N LH CEM III-Zemente: CEM III/A 32,5 N; CEM III/A 32,5 R LH; CEM III/A 42,5 N LH CEM III/B 32,5 N; CEM III/B 32,5 R LH; CEM III/B 42,5 N LH Zement-Zusatzstoff-Mischungen: CEM I + 30 (25) % AHWZ (Zusatzstoff EN 450) CEM II/A % Zusatzstoff CEM II/B % Zusatzstoff Vilser Baustofftag 2012; Röck; Ostheimer 21

22 INHALT 1. Normen und Richtlinien 2. Einflüsse auf die Hydratationswärme von Zement 3. Geeignete Zementsorten 4. Prüfmethoden 5. Zusammenfassung Vilser Baustofftag 2012; Röck; Ostheimer 22

23 Prüfmethoden Man unterscheidet die Prüfmethoden prinzipiell nach den Umgebungsbedingungen der Reaktion: Isotherme Methoden: Die Reaktion läuft unter konstanter Temperatur ab Adiabatische Methoden: Bei der Reaktion findet kein Wärmeaustausch statt Teiladiabatische Methoden: Die Reaktion läuft unter annähernd Praxisbedingungen ab Vilser Baustofftag 2012; Röck; Ostheimer 23

24 Isotherme Prüfmethoden Die sich entwickelte Wärme wird sofort abgeführt, sodass die Probe (Zementleim oder Beton) stets auf derselben Temperatur (z.b. 20 C) bleibt. Vorteil: Man kann die Reaktionsenthalpie bei einer ganz bestimmten Temperatur messen. Nachteil: Die Wärmemenge ist schwer zu messen und muss auf Umwegen (Hess scher Satz ; Peltier-Kühlung) bestimmt werden. Es wird die Lösungswärme vor und nach der Hydratation gemessen und aus der Differenz die Reaktionsenthalpie berechnet oder mittels Peltier-Kühlung die gebildete Wärme abgeführt Vilser Baustofftag 2012; Röck; Ostheimer 24

25 ÖN EN Prüfverfahren für Zement- Hydratationswärme Lösungsverfahren Vergleich der Lösungswärmen von hydratisiertem Zementleim und nicht hydratisiertem Zement in einer Säuremischung. Wiederholpräzession im selben Labor +/- 22 J/g Vergleichpräzession in versch. Laboratorien +/- 50 J/g Vilser Baustofftag 2012; Röck; Ostheimer 25

26 Isotherme Messeinrichtung für die Lösungswärmebestimmung von Zement Säurefester Rührbehälter Vilser Baustofftag 2012; Röck; Ostheimer 26

27 Isothermes Wärmeflusskalorimeter Zelle zur Zumischung von Wasser von außen Zementkalorimeter MC CAL - C3 Prozess- und Analysentechnik GmbH Vilser Baustofftag 2012; Röck; Ostheimer 27

28 Peltier-Element (Prinzipbild) Vilser Baustofftag 2012; Röck; Ostheimer 28

29 ÖN EN Prüfverfahren für Zement- teiladiabatisches Verfahren Mörtel nach nach EN (Normenmischung) Wiederholpräzession im selben Labor +/- 14 J/g Vergleichpräzession in versch. Laboratorien +/- 42 J/g Vilser Baustofftag 2012; Röck; Ostheimer 29

30 Teiladiabatisches Verfahren nach Langavant Der Wärmefluss wird aus der Temperaturdifferenz zu einer inerten Vergleichsprobe gemessen Vilser Baustofftag 2012; Röck; Ostheimer 30

31 Adiabatische Methode Die Probe befindet sich in einem Wasserbad, das stets auf derselben Temperatur gehalten wird wie die Probe. Damit kann keine Wärmemenge entweichen, sodass die spezifische Wärmeentwicklung durch Messung der Temperaturerhöhung in Verbindung mit der Wärmekapazität des Kalorimeters berechnet werden kann. Die Genauigkeit der Steuerung muss mindestens +/- 0,01 C betragen Vilser Baustofftag 2012; Röck; Ostheimer 31

32 Adabatisches Kalorimeter für Beton Temperaturfühler für Probe und Wasserbad Vilser Baustofftag 2012; Röck; Ostheimer 32

33 Adiabatische Messung Vilser Baustofftag 2012; Röck; Ostheimer 33

34 Vergleich Adiabate mit Langavant Vilser Baustofftag 2012; Röck; Ostheimer 34

35 INHALT 5. Zusammenfassung Vilser Baustofftag 2012; Röck; Ostheimer 35

36 Zemente für Betone mit niedriger Wärmeentwicklung Normen und Richtlinien Einflüsse durch: Chemie Zusätze Zementsorten: LH-Klinker Hohe Zumahlstoffanteile Zemente mit Zusatzstoffen Prüfmethoden: Isotherm Adiabatisch Teiladiabatisch Vilser Baustofftag 2012; Röck; Ostheimer 36

37 Danke für die Aufmerksamkeit Vilser Baustofftag 2012; Röck; Ostheimer 37