Modelle zur Kinetik der Hydratation von Calciumaluminatzement mit Caiciumsulfat aus kristallchemischer und mineralogischer Sicht

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1 Modelle zur Kinetik der Hydratation von Calciumaluminatzement mit Caiciumsulfat aus kristallchemischer und mineralogischer Sicht

2 Vorwort Danksagung Inhalteverzeichnis Nomenklatur I III IV XI Zusammenfassung 1 1 Einleitung und Konzeption 4 2 Kenntnisstand Eigenschaften und Anwendungsmöglichkeiten von Calciumaluminatzement Herstellungsverfahren Einflussfaktoren auf den Phasenbestand im Calciumaluminatzementklinker Abhängigkeit des Phasenbestandes im CAZ vom Herstellungsverfahren Abhängigkeit des Phasenbestandes im CAZ von der chemischen Zusammensetzung Struktur von Monocalciumaluminat (CA) Hydratation von Calciumaluminatzementen und Calciumaluminat Hydratation der Calciumaluminate Hydratation von CA Hydratation von Calciumaluminat mit Additiven Hydratation von Calciumaluminat mit Lithiumsalzen Hydratation von Calciumaluminat mit Fruchtsäuren Hydratation der Ferratphase Hydratation von Calciumaluminat und Caiciumsulfat System CaO-AI 2 O3-CaSO4-H 2 O Struktur von Ettringit Ettringitbildung in Zementen XRD-Untersuchungen zur Hydratation von Zementen und Bindemitteln 35 3 Experimentelle Methoden und Charakterisierung der Ausgangsstoffe Röntgenbeugungsanalyse Messparameter für Untersuchungen am D5000 PulverdiffraktometeP Messparameter für die in-situ Röntgenbeugungsanalyse der Hydratation am D8 Diffraktometer Rietveld-Analyse Instrumentparameter für Rietveld-Analyse 42 -IV-

3 3.2.2 Verwendete Strukturdaten für Verfeinerung der Strukturmodelle zur Quantifizierung Anreicherungsmethoden zur qualitativen Phasenanalyse des Fe-reichen CAFZ und SCAFZ (Selektive Anreicherung/Abreicherung) KOH/Saccharose-Auszug Salicylsäure/Methanol-Auszug Salzsäure-Auszug Essigsäure-Auszug Synthesen der Reinphasen mit und ohne Fe-Dotierung Bestimmung der Phasenreinheit der Synthesen Aufbau von Verfeinerungsroutinen zur quantitativen Phasenanalyse von CAZ, CAFZ und SCAFZ Synthetische Fe-freie Calciumaluminatzemente (CAZ) aus Einzelphasen Synthetische CAFZ aus Einzelphasen Modellschmelzzement SCAFZ im System CaO-Al2O3-Fe2C-3-SiO Chemische Zusammensetzung und Charakterisierung der eingesetzten Zemente und Zusatzstoffe Fe-freier Calciumaluminatzement (CAZ) Fe-reicher Calciumaluminatzement (CAFZ) Calciumsulfat-Halbhydrat Weinsäure Spezifische Oberflächen nach Blaine Chemische Zusammensetzung der Mischungen mit Caiciumsulfat halbhydrat und der Hydratphasen der in-situ Hydratation Chemische Zusammensetzung der Mischung Monocalciumaluminat (CA) mit Calciumsulfathalbhydrat (CA-CSHo.s) bei W/F=0, Chemische Zusammensetzung der Mischung Calciumaluminatzement mit Calciumsulfathalbhydrat (CAZ-CSHos) bei W/F=0, Chemische Zusammensetzung der Mischung aus synthetischem Fe-reichen Calciumaluminatzement mit Calciumsulfathalbhydrat k (SCAFZ-CSH0.5) bei W/F=0, Chemische Zusammensetzung der auftretenden Hydratphasen Quantifizierung der in-situ Hydratation mit Calciumsulfathalbhydrat CSH Herstellung der Mischungen mit Calciumsulfathalbhydrat CSH Verfeinerungsroutine zur quantitativen Phasenanalyse von CA-CSHo.s-Pasten Verfeinerungsroutine zur quantitativen Phasenanalyse von CAZ-CSHo.5-Pasten 67 -V-

4 3.9.4 Verfeinerungsroutine zur quantitativen Phasenanalyse von SCAFZ-CSHo.5-Pasten Statistischer und absoluter Fehler der Quantifizierung des Phasenbestandes in den Pasten Verfeinerte Struktur von Ettringit Ca6AI 2 (S04)3(0H)i2-26H Wärmeflusskalorimetrie 77 4 Ergebnisse der kalorimetrischen Untersuchungen im Wärmeflusskalorimeter Hydratationsuntersuchung mit dem Wärmeflusskalorimeter ohne Additive Untersuchung von Fe-freiem Calciumaluminatzement (CAZ) im Wärmeflusskalorimeter Fe-freier Calciumaluminatzement (technisches Produkt) Untersuchung der Hydratation des synthetischen Calciumaluminatzements SCAZ-1 im Wärmeflusskalorimeter Untersuchung der Hydratation des synthetischen SCAZ-2 im Wärmeflusskalorimeter Untersuchung der Hydratation von CA im Wärmeflusskalorimeter Hydratation von eisendotiertem CAi-xF x (x = 0,03; 0,06; 0,10) im Wärmeflusskalorimeter Untersuchung der Hydratation von CA2 im Wärmeflusskalorimeter Untersuchung der Hydratation von C12A7 und Mischungen mit CA im Wärmeflusskalorimeter Untersuchung der Hydratation von C12A7 im Wärmeflusskalorimeter Untersuchung der Hydratation von CA mit C12A7 im Wärmeflusskalorimeter Untersuchung der Hydratation von CA mit CH im Wärmeflusskalorimeter Untersuchung der Hydratation von CA mit CaO im Wärmeflusskalorimeter Untersuchungeines Fe-reichen Calciumaluminatzements (CAFZ) im Wärmeflusskalorimeter Untersuchung der Hydratation von CA mit Ferratphase im Wärmeflusskalorimeter Hydratationsuntersuchung von CA in Mischung mit Caiciumsulfat halbhydrat mit dem Wärmeflusskalorimeter ohne Additive Hydratationsuntersuchung von CA mit Calciumsulfathalbhydrat (CA+HH)in unterschiedlichen Mischungsverhältnissen ohne Additive Hydratationsuntersuchung von CAixFx (x=0,05, 0,10) mit Calciumsulfathalbhydrat ohne Additive (CA+HH) in Mischungen 1: VI-

5 4.3 Vergleichende Untersuchungen zur Hydratation von CA, CAZ, CAFZ und SCAFZ mit den Additiven U2CO3 und Weinsäure Hydratation von CAFZ bei W/F=0,5 mit 0,01 Ma. % Ü2CO Hydratation von CAZ bei W/F=0,5 mit unterschiedlichen Konzentrationen an U2CO Hydratation von CA, CAZ, CAFZ und SCAFZ bei W/F=0,5 mit 0,2 Ma. % U2CO3 und 0,05 Ma. % Weinsäure Hydratation von CAZ bei W/F=0,5 mit unterschiedlichen Konzentrationen der Additive U2CO3 und Weinsäure Hydratation von CAZ bei W/F=0,5 mit 0,2 Ma. % U2CO3 und verschiedenen Zugaben an Weinsäure Hydratation von CAZ bei W/F=0,5 mit 1 Ma. % U2CO3 und verschiedenen Zugaben an Weinsäure Vergleich der Untersuchungen zur Hydratation von CA, CAZ und SCAFZ in jeweils einer Mischung mit Calciumsulfathalbhydrat (HH) für Ca0/SC-3=2, Vergleich der Hydratation von CA, CAZ, CAFZ und SCAFZ mit Calcium sulfathalbhydrat bei W/F=0,5 ohne Additive Vergleich der Hydratation von CA, CAZ, CAFZ und SCAFZ mit Calcium sulfathalbhydrat bei W/F=0,5 mit 0,02 Ma. % U2CO Vergleich der Hydratation von CA, CAZ, CAFZ und SCAFZ mit Calcium sulfathalbhydrat bei W/F=0,5mit 0,2 Ma. % U2CO Vergleich der Hydratation von CA, CAZ, CAFZ und SCAFZ mit Calcium sulfathalbhydrat bei W/F=0,5 mit 0,2 Ma. % U2CO3 und 0,05 Ma. % Weinsäure Vergleich der Hydratation von CA, CAZ, CAFZ und SCAFZ mit Calcium sulfathalbhydrat bei W/F=0,5mit 0,2 Ma. % Ü2CO3 und 0,2 Ma. % Weinsäure Hydratation von CA mit Calciumsulfathalbhydrat bei W/F=0,5 mit unterschiedlichen Konzentrationen der Additive U2CO3 und Weinsäure Hydratation von CAZ mit Calciumsulfathalbhydrat bei W/F=0,5 mit unterschiedlichen Konzentrationen der Additive U2CO3 und Weinsäure Hydratation von CAFZ mit Calciumsulfathalbhydrat bei W/F=0,5 mit unterschiedlichen Konzentrationen der Additive U2CO3 und Weinsäure Hydratation von SCAFZ mit Calciumsulfathalbhydrat bei W/F=0,5 mit unterschiedlichen Konzentrationen der Additive U2CO3 und Weinsäure Ergebnisse der in-situ XRD-Untersuchungen der Hydratation von CA, CAZ und SCAFZ Qualitative Phasenentwicklung der in-situ Hydratation von CA, CAZ und SCAFZ zu frühen Zeiten 137 -VII-

6 5.1.1 Phasenentwicklung der in-situ Hydratation der Mischungen von CA bei W/F=0,5 ' Phasenentwicklung der in-situ Hydratation von CA mit H2O Phasenentwicklung der in-situ Hydratation von CA mit 0,01 Ma. % U2CO3 in H2O Phasenentwicklung der in-situ Hydratation von CA mit 0,2 Ma. % U2CO3 in H2O Phasenentwicklung der in-situ Hydratation der Mischungen des Fe-freien Calciumaluminatzements (CAZ) bei W/F=0, Phasenentwicklung der in-situ Hydratation von CAZ mit 0,2 Ma. % U2CO3 in H2O Phasenentwicklung der in-situ Hydratation von CAZ mit 0,5 und 1 Ma. % U2CO3 in H2O Phasenentwicklung der in-situ Hydratation von CAZ mit 0,2 Ma. % U2CO3 und Weinsäure (0,05 / 0,1 / 0,2 / 0,3 Ma. %) in H Phasenentwicklung der in-situ Hydratation der Mischungen von SCAFZ und CAFZ bei W/F=0, Phasenentwicklung der in-situ Hydratation von CAFZ mit 0,2 Ma. % U2CO3 und 0,2 Weinsäure in H2O Phasenentwicklung der in-situ Hydratation von SCAFZ mit 0,2 Ma. % Ü2CO3 und 0,2 Ma. % Weinsäure in H Qualitative Phasenentwicklung der in-situ Hydratation der Mischungen mit Calciumsulfathalbhydrat bis 24 h Phasenentwicklung der in-situ Hydratation der Mischungen von Monocalciumaluminat (CA) mit Calciumsulfathalbhydrat (CSH0.5) bei W/F=0, Phasenentwicklung der in-situ Hydratation der Mischungen CA-CSHo.5mitH 2 O Phasenentwicklung der in-situ Hydratation der Mischungen CSHo.smit 0,02 Ma. % U2CO3 in H2O Phasenentwicklung der in-situ Hydratation der Mischungen CA- CSHo.smit 0,2 Ma. % U2CO3 in H2O Phasenentwicklung der in-situ Hydratation der Mischungen CA- CSH0.5 mit 0,2 Ma. % U2CO3 und 0,05 Ma. % Weinsäure in H2O Phasenentwicklung der in-situ Hydratation der Mischungen CA- CSH0.5 mit 0,2 Ma. % U2CO3 und 0,2 Ma. % Weinsäure in H2O Phasenentwicklung der in-situ Hydratation der Mischungen von Calciumaluminatzement (CAZ) mit Calciumsulfathalbhydrat (CSH0.5) bei W/F=0, Phasenentwicklung der in-situ Hydratation der Mischungen CAZ- CSH0.5 mit H2O Phasenentwicklung der in-situ Hydratation der Mischungen mit CAZ- CSH0.5 mit 0,02 Ma. % U2CO3 in H Phasenentwicklung der in-situ Hydratation der Mischungen CAZ-CSH0.5 mit 0,2 Ma. % U2CO3 in H2O 161 -VIII-

7 Phasenentwicklung der in-situ Hydratation der Mischungen CAZ-CSH0.5 mit 0,2 Ma. % U2CO3 und 0,05 Ma. % Weinsäure in H Phasenentwicklung der in-situ Hydratation der Mischungen CAZ-CSH0.5 mit 0,2 Ma. % U2CO3 und 0,2 Ma. % Weinsäure in H Phasenentwicklung der in-situ Hydratation der Mischungen von synthe tischem Fe-reichen Calciumaluminatzement mit Calciumsulfathalbhydrat (SCAFZ- CSH0.5) bei W/F=0, Phasenentwicklung der in-situ Hydratation der Mischungen SCAFZ- CSHo. 5 mit H2O Phasenentwicklung der in-situ Hydratation der Mischungen SCAFZ- CSH0.5 mit 0,02 Ma. % U2CO3 in H2O Phasenentwicklung der in-situ Hydratation der Mischungen SCAFZ- CSH0.5 mit 0,2 Ma. % U2CO3 in H2O Phasenentwicklung der in-situ Hydratation der Mischungen SCAFZ- CSH0.5 mit 0,2 Ma. % U2CO3 und 0,05 Ma. % Weinsäure in H 2 O Phasenentwicklung der in-situ Hydratation der Mischungen SCAFZ- CSH0.5 mit 0,2 Ma. % U2CO3 und 0,2 Ma. % Weinsäure in H Quantifizierung der in-situ Hydratation der Mischungen von CA, CAZ und SCAFZ mit Calciumsulfathalbhydrat (CSH0.5) Quantifizierung der in-situ Hydratation der Mischungen von Mono calciumaluminat (CA) mit Calciumsulfathalbhydrat (CSH0.5) bei W/F=0, Quantifizierung der in-situ Hydratation der Mischungen CA- CSH0.5 mit 0,02 Ma. % U2CO3 in H2O Quantifizierung der in-situ Hydratation der Mischungen CA- CSH0.5 mit 0,2 Ma. % U2CO3 in H2O Quantifizierung der in-situ Hydratation der Mischungen CA- CSH0.5 mit 0,2 Ma. % U2CO3 und 0,05 Ma. % Weinsäure in H2O Quantifizierung der in-situ Hydratation der Mischungen CA-CSH0.5 mit 0,2 Ma. % Ü2CO3 und 0,2 Ma. % Weinsäure in H2O Vergleich der Quantifizierungen der Mischungen CA-CSH0.5 in Abhängigkeit der Additive U2CO3 und Weinsäure Quantifizierung der in-situ Hydratation der Mischungen von Calcium aluminatzement mit Calciumsulfathalbhydrat (CSH0.5) bei W/F=0, Quantifizierung der in-situ Hydratation der Mischungen CAZ- CSH0.5 mit H2O Quantifizierung der in-situ Hydratation der Mischungen CAZ- CSH0.5 mit 0,02 Ma. % U2CO3 in H2O Quantifizierung der in-situ Hydratation der Mischungen CAZ-CSH0.5 mit 0,2 Ma. % U2CO3 in H Quantifizierung der in-situ Hydratation der Mischungen CAZ- CSH0.5 mit 0,2 Ma. % U2CO3 und 0,05 Ma. % Weinsäure in H Quantifizierung der in-situ Hydratation der Mischungen CAZ- CSH0.5 mit 0,2 Ma. % U2CO3 und 0,2 Ma. % Weinsäure in H2O 186 -IX-

8 Vergleich der Quantifizierungen der Mischungen CAZ- CSH0.5 in Abhängigkeit der Additive U2CO3 und Weinsäure Quantifizierung der in-situ Hydratation der Mischungen aus synthetischem Calciumaluminatzement (SCAFZ) mit CSH0.5 bei W/F=0, Quantifizierung der in-situ Hydratation der Mischungen SCAFZ- CSH0.5 mit 0,2 Ma. % U2CO3 in H Quantifizierung der in-situ Hydratation der Mischungen SCAFZ- CSH0.5 mit 0,2 Ma. % U2CO3 und 0,05 Ma. % Weinsäure in H Schlussfolgerungen und Diskussion Hydratation von Calciumaluminat und Calciumaluminatzementen Hydratation von Calciumaluminat (CA) mit H2O Hydratation von Calciumaluminat (CA) mit H2O bei Zugabe von U2CO Modell zur Wirkungsweise von U2CO3 bei der Hydratation von Calciumaluminat (CA) Zusammenfassung der Hydratationskinetik von Calciumaluminat (CA) mit U2CO Hydratation von Calciumaluminat (CA) mit H2O bei Zugabe von U2CO3 und Weinsäure Modell zur Wirkungsweise von U2CO3 und Weinsäure bei der Hydratation von Calciumaluminat (CA) Zusammenfassung der Hydratationskinetik Calciumaluminat (CA) mit U2CO3 und Weinsäure Hydratation von Calciumaluminat (CA) und von Calciumaluminatzement (CAZ) mit ß-Calciumsulfat-Hemihydrat (CSH0.5) Abhängigkeit des Wärmeflusses von den Reaktionsprodukten der Hydratation von CA mit CSH Abhängigkeit des Wärmeflusses von den Reaktionsprodukten der Hydratation von Fe-freiem Calciumaluminatzement (CAZ) mit CSH Vergleich der Hydratation von CA, CAZ, SCAFZ und CAFZ mit CSH0.5 inh Vergleich der Hydratation von CA, CAZ und SCAFZ mit CSH0.5 bei Zugabe von U2CO Vergleich der Hydratation von CA und CAZ mit CSH0.5 bei Zugabe von U2CO3 und Weinsäure Literaturverzeichnis 225 -X-