Dipl.-Geol. Martin Sauder

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1 Anorganische Bindemittel Antike Form des Kalkbrennofens

2 Historische Form des Kalkbrennens Brennen von Kalk Brenntemperatur: C CaCO 3 CaO + CO 2 Calciumcarbonat Calcit, Kalkstein Branntkalk Kohlendioxid Kalzination

3 Löschen von Kalk CaO + H 2 O Ca(OH) 2 Branntkalk Wasser Kalkhydrat ph-wert: 12,6! Alkalisch, starke Lauge Erhärten von Kalk Carbonatisierung Ca(OH) 2 + CO 2 CaCO 3 + H 2 O Kalkhydrat Kohlendioxid Kalk Wasser ph-wert: 12,6! ph-wert: ~ 8,5

4 Kreislauf des Kalks Kalk als Bindemittel: Kreislauf des Kalks

5 ph-wert? Was ist das? Definition: Der negative dekadische Logarithmus der H 3 O + - Ionenkonzentration Welchen ph-wert hat Coca-Cola?

6 Kalkherstellung synthetisch CaCO C CaC 2 + CO 2 Kalk Kohlenstoff Calciumcarbid CaC 2 + H 2 O C 2 H 2 + Ca(OH) 2 Calciumcarbid Wasser Acethylen Kalkhydrat Diese Reaktion liegt auch einer Feuchtigkeitsmessmethode zugrunde: CM -Methode. Moderne Form des Kalkbrennofens

7 Aus Kalk wird Kalkmörtel Trocken gelöschter Kalk: Stückkalk Nass gelöschter Kalk: Kalkteig Zuschläge für Mörtel: Grubensand 0-6 mm Zuschläge für Putz Flusssand 0-4 mm Mischungsverhältnis: 1 : 4 Raumteile Wasserzugabe: Nach Erfahrung so viel, dass der Mörtel schnittfest und plastisch ist Sumpfkalk Gelöschter Kalk wird in eine gegen das Erdreich abgeschlossene Grube gefüllt und mit Wasser versetzt. Der Kalk wird unter Wasserüberschuss gelöscht = eingesumpft. Auf der Oberfläche des Kalkteigs bleibt eine Wasserschicht, so dass der Kalk nicht carbonatisieren kann. Möglichst langes Einsumpfen hat folgende Vorteile: Verunreinigungen im Kalkteig sinken langsam zu Boden, der Kalkteig wird sehr rein Das Kalkhydrat bildet große Kristalle und erhöht seine Bindekraft

8 Mauerwerk: Freskomalerei: Seccomalerei: Sumpfkalk: Verwendung: 1-jähriger Sumpfkalk 6-jähriger Sumpfkalk 3-jähriger Sumpfkalk Vorteil des langen Einsumpfens ist auch das Verschwinden von Branntkalkresten, die als so genannte Kalktreiber zu Schäden führen. Kalk und Baukalk: Bezeichnungen Ungelöschter Kalk: Q Kalkhydrat: Weißkalk: S, Pulver oder Teig, durch kontrolliertes Löschen von Q CL, v. a. CaO oder Ca(OH) 2, ohne Zusatz von hydraulischen Stoffen Dolomitkalk DL, wie vor, einschl. MgO bzw. Mg(OH) 2 Nat. Hydraul. Kalk: Hydraul. Kalk NHL mit Zusätzen NHL, entstanden durch Brennen von tonund kieselsäurehaltigem Kalk HL, Zusammensetzung wie vor, aber hergestellt durch Mischung geeigneter Stoffe Z, Zugesetzt max. 20 % Puzzolane

9 Bezeichnungen von Kalken DIN EN CL 90 - Q CL Carbonatkalk 90 CaO+MgO > 90 % Q ungelöschter Kalk, also CaO NHL DIN EN NHL 2- Z natürlich hydraulischer Kalk 2 28-Tage-Druckfestigkeit in MPa Z Bezeichnungen von Kalken max. 20 % Puzzolanzusatz enthalten

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11 Konfiguration des neuen Mörtels Wasseraufnahme: Saugfähigkeit des neuen Mörtels sollte ungefähr in der Höhe des Wasseraufnahmevermögens des umgebenden Mauerwerks liegen. Wasseraufnahme zu niedrig: Stauwirkung, Durchfeuchtung von Fugenflanken, Hinterfeuchtung von Mauerwerksoberflächen Wasseraufnahme zu hoch: Durchfeuchtung ausgehend von den Fugen, Abhängig von der Art der Verarbeitung

12 Konfiguration des neuen Mörtels Bei niedrig festem Mauerwerk: Verwendung reiner Kalkmörtel Kalkhydrat oder natürlich hydraulische Kalke Festigkeiten reiner Luftkalkmörtel: nicht definiert, aber erfahrungsgemäß Festigkeiten > 2 MPa Natürlich hydraulische Kalkmörtel: NHL 2 Druckfestigkeit 2-7 MPa NHL 5 Druckfestigkeit 5-15 MPa Vorteile: langsame Erhärtung, keine zu große Endfestigkeit Nachteile: Wegen des C3A-Gehaltes bei sulfathaltigem Mauerwerk problematisch Konfiguration des neuen Mörtels Beispiel für einen Putz nach historischem Vorbild Bindemittel NHL 2 natürlich hydraulischer Kalk Zuschläge Rheinsand 0/2 mm Grubensand 0/4 mm Rheinsand/Grubensand: 2/1,5 Mischungsverhältnis 1 / 3,5 Zusätze Tierhaare zur Rissüberbrückung (Kälber-, Dachshaare) Eventuell Kaseinzusatz: macht das Ganze geschmeidiger, reduziert den Wasserbedarf, macht den Mörtel auch wetterfester

13 Historische Kalkfarbe selbstgemacht Man nehme Rezept Farbe wasserfest: 350 g Kreidepulver, 10 g Borax (natürliches Natriumborat) 130 g Magerquark und etwas heißes Wasser Borax in 1 Tasse heißem Wasser auflösen Quark reinrühren und ca. 1 Stunde stehen lassen. Der Quark wird vom Borax aufgeschlossen Kreidepulver in Wasser einrühren zu einem dünnen Brei Zusammenrühren. Der Quark/Borax Anteil wirkt als Kleber für die Farbe Farbe fertisch! In das fertige Gemisch etwas Leinöl einrühren (3 EL) (Dadurch entsteht eine Kalkseife, die ein dichtes Gefüge verursacht) Altes Rezept Teil 1: "In sehr vielen Fällen dauerhafter als Leimfarbe-Anstrich ist der Anstrich mit Farben, welche mit Milch-und Käsestoff zubereitet werden. Eine erprobte Mischung für ein Bindemittel, welches selbst im freien dauerhaft ist und den Vorzug hat, daß es wochenlang aufbewahrt werden kann: 4 Pfd. abgerahmter Milch, 6 Unzen gelöschten kalk, 4 Unzen Leinöl und 3 Pfd. weißem Thon oder geschlämmter Kreide. Den gelöschten Kalk rührt man mit fettarmer Milch zu einem dicken Brei, setzt diesem das Oel zu, alsdann unter beständigem Durcharbeiten die übrige Milch und zuletzt den Thon oder die Kreide.

14 Altes Rezept Teil 2: Mit diesem Grundstoff werden die Farben zusammengerieben, welche sodann, wie die Leimfarben, mehrmals gestrichen werden. Ist der Anstrich vollkommen trocken, so kann dem selben durch einen Überzug Glanz gegeben werden, welche aus Eiweiß und Wasser besteht. Man bereitet diese Flüssigkeit, indem man zu 3 Pfd. Wasser das Weiße von 12 Eiern giebt und durch Quirlen auf`s Innigste vermischt. Altes Rezept Teil 3: Der Grundstoff einer vorzüglichen Milch-und Käsefarbe wird wie folgt hergestellt. Zu 1 Kubikfuß gelöschten Kalk wird 2/5 Kubikfuß Käsestoff zusammengeknetet und dieser Masse so viel rahmfreie Milch zugesetzt, als erforderlich ist, um die Masse durch ein feines Drahtsieb zu treiben. Wird die durchgesiebte Masse mit 14 Maß rahmfreier Milch unter beständigem Umrühren verdünnt, so hat sie die richtige Konsistenz zum Anstrich der vorher in Wasser geriebenen und in verdünntem Zustande zugesetzten Farben. Der Anstrich kann vier bis sechs Mal wiederholt werden und bildet einen überaus festen festen und wetterbeständigen Überzug, welcher nach vollständigem Austrocknen einen matten Glanz annimmt, wenn er mit wollenen Lappen gerieben wird. Quelle: HARRES, B.: Die landwirtschaftliche Baukunst.- Großh. hess. Baurath, Lehrer der Architektur an der "Technischen Schule" zu Darmstadt. Verlag von Otto Spamer, Leipzig 1868.

15 Historische Kalkrezepte Die Vorteile dieser Rezepturen, für Mörtel und Farbsysteme: Sehr dauerhaft Langzeiterfahrung von mehreren 1000 Jahren! (bereits die alten Hebräer.) Hohe Diffusionsfähigkeit Keine Feuchtigkeitsstaus, da nicht wasserabweisend Fungizid durch ph-wert und häufige Holzkohlereste zu 100 % kompostierbar Bindemittel: Gips und Anhydrit Anhydrit: CaSO 4 Bassanit: CaSO 4 * ½ H 2 O Halbhydrat Gips: CaSO 4 * 2 H 2 O Dihydrat Natürlicher Gips Künstlicher Gips: Naturgips ist ein Mineral, das zusammen mit Kalk, Anhydrit, Steinsalz, Kalisalz etc. in großen Mengen vorkommt. REA Gips (Gips aus Rauchgas- EntschwefelungsAnlagen)

16 Modifikationen des Gipses a - Halbhydrat: Brenntemperatur: 100 C ß Halbhydrat: Brenntemperatur 125 C (Stuckgips) Anhydrit III Brenntemperatur 180 C Anhydrit II s Brenntemperatur C Anhydrit II u Brenntemperatur C Anhydrit I Brenntemperatur 1200 C (instabil, technisch ohne Bedeutung) s: schwerlöslich, wandelt sich langsam in Halbhydrat um u: unlöslich Stuckgips: Putzgips: Gips als Bindemittel Gemisch von Halbhydrat und Anhydrit III Halbhydrat, Anhydrit II und III, schnellere Versteifung, kürzere Verarbeitung Estrichgips: Anhydrit II mit Kalk, bei C gebrannt. Verwendung: Gipsputze und Gipsmörtel Formenbau, Abformungen, Dentaltechnik Gispkarton - Trockenbauplatten Estriche: Anhydritestriche, AFE Wandbauplatten, Gipsmassivplatten

17 Gips als Bindemittel Probleme beim Einsatz von Gipsmörteln: Gipsmörtel ist wasserlöslich, ca. 2,8 g/l Gipsmörtel ist wasseranziehend (hygroskopisch) Bei wiederkehrender Durchfeuchtung: Gips fault, d. h. er wird umkristallisiert, sehr weich und damit nicht mehr verwendbar. Herstellung von Zement

18 Herstellung von Zement Herstellung von Zement Quelle:

19 Herstellung von Zement Quelle: Herstellung von Zement Quelle:

20 Herstellung von Zement Quelle: Herstellung von Zement

21 Herstellung von Zement Herstellung von Zement Gemeinsame Vermahlung von Kalkstein, Mergel und Gips Brennen in Drehrohröfen bei C 3 CaCO 3 + SiO 2 3 CaO * SiO 2 C 3 S 2 CaCO 3 + SiO 2 2 CaO * SiO 2 C 2 S Fein Zermahlen des Zementklinkers Verpackung und Transport

22 Neu: CEM I Bildung der Zementsteinphasen (Hydratation) 3 CaO * SiO 2 + H 2 O CaO * SiO 2 * nh 2 O C 3 S Calciumsilikathydrat (CSH) CaO + H 2 O Ca(OH) 2 ph-wert: 12,6 Portlandit (Calciumhydroxid)

23 Bildung von Zementsteinphasen: Hydratation 2 (3 CaO. SiO 2 ) + 6 H 2 O Tricalciumsilikat (C 3 S) Wasser 3 CaO. 2 SiO 2. 3H 2 O + 3 Ca(OH) 2 Calciumsilikathydrat (CSH) Calciumhydroxid ph-wert: 12,6 Zementklinker (Rasterelektronenmikroskop) 10 µm (0,01 mm)

24 Zementzusätze: Hüttensand 10 µm Zementzusätze: Flugasche (EFA)

25 Zementzusätze: Kalksteinmehl 10 µm Mikrosilika (Rasterelektronenmikroskop) 500 µm (0,5 mm)

26 Ablauf der Hydratation Erhärtung und Hydratation

27 Bildung der Hydratphasen 1 Bildung der Hydratphasen 2

28 Reaktionen beim Erstarren Nach 1 h: Beginn der Hydratation, kleine Aufwachsungen Nach 3 h: Ettringitkristalle, Calciumsilikathydrat - Nester (CSH) Ettringit 3 CaO. Al 2 O 3. 3 CaSO 4. 32H 2 O Calcium - Aluminat Calcium - Sulfat Wasser

29 Ettringitbildung 1 Vol. 3 CaO. Al 2 O 3. 3 H 2 O + 3 (CaSO 4. 2H 2 O) + 26 H 2 O Ca - Aluminathydrat 8 Vol. Gips Wasser 3 CaO. Al 2 O 3. 3 CaSO 4. 32H 2 O Ettringit Zementerhärtung nach 12 bzw. 24 h Nach 12 h: Langfaserige Kristalle von CSH und Ettringit im erstarrten Zement Nach 24 h: Bildung von Portlandit neben CSH und Ettringit

30 Zementerhärtung nach 28 Tagen Nach 28 Tagen: Dichtes Gefüge im ausgehärteten Zustand Eigenschaften und Reaktionen -1- Beginn der Reaktion an Korngrenzen und säumen Zunächst Bildung langfaseriger Kristalle Danach Ausbildung kurzfaseriger nadeliger Kristalle mit guter Verzahnung Daraus resultierende Eigenschaften: hoher ph-wert, gute Druckfestigkeit, Porosität, geringe Zug- und Biegefestigkeit Portlandit (Calciumhydroxid): verantwortlich für ph-wert

31 Eigenschaften und Reaktionen -2- Partikelgröße der CSH - Phasen: < 0,1 µm. Daraus resultiert die Bezeichnung Zementgel Sehr große innere Oberfläche der CSH Phasen, von ca cm2/g Daher: große Massenanziehungskräfte innerhalb des Zementgels ( van der Waals-Kräfte ), die wiederum guten inneren Zusammenhalt bewirken. Dies zusammen mit der chemischen Bindung führt zu der hohen Festigkeit und der großen Bedeutung des CSH innerhalb der verschiedenen Zementsteinphasen Verteilung der Porenradien m Partikel Poren Prüfungsmethoden Kies Sand Zementgel Zementklinker Rüttelporen Luftporen Gelporen Kapillarporen Auge Elektronenmikroskop Mikroskop indirekte Methoden

32 Zementarten: alte Bezeichnungen Bez. Name PZ-Klinker Hüttensand Trass PZ Portland Z. 96 % - - EPZ Eisenportland-Z. 65 % < 35 % - HOZ Hochofenzement % % - TrZ Trasszement % % Zementarten nach DIN EN CEM I CEM II CEM III CEM IV CEM V Portlandzement Portlandkompositzement Hochofenzement Puzzolanzement Kompositzement

33 Zementarten nach DIN EN CEM III/A CEM III/B CEM III/C % Zementklinker % Hüttensand % Zementklinker % Hüttensand 5 19 % Zementklinker % Hüttensand Zementbestandteile nach DIN EN Hauptbestandteile K: Portlandzementklinker S: Hüttensand D: Silikastaub Puzzolane P: natürliches Puzzolan Q: natürliches getempertes Puzzolan Flugasche V: Kieselsäurereiche Flugasche W: Kalkreiche Flugasche Kalkstein L: TOC < 0,05 Masse % LL: TOC < 0,2 Masse %

34 Zusatzbezeichnungen von Zementen Besondere Eigenschaften NW: HS: NA: Zement mit niedriger Hydratationswärme Zement mit hohem Sulfatwiderstand Zement mit niedrigem wirksamem Alkaligehalt Festigkeitsklassen N: Zement mit normaler Anfangsfestigkeit R: Zement mit hoher Anfangsfestigkeit Bezeichnungen von Zementen Hochofenzement DIN EN 197-4: CEM III/B 32,5 L - LH CEM III: Hochofenzement B Hüttensand zwischen 66 % und 80 % 32,5 Zementfestigkeitsklasse 32,5 N/mm² L LH niedrige Anfangsfestigkeit niedriger Hydratationswärme:

35 Zementtypen nach DIN EN Zementtypen nach DIN EN 197-1