Mineralische Bindemittel

Transkript

1 Werkstoffe III (Praktikum) Herbstsemester 2009 mittwochs, bis Uhr Mineralische Bindemittel Name: Gruppe: Datum: Leitung: Dr. Jan Bisschop (HIF E 21) Raum: HIF C 19/20 Wichtiger Hinweis: Abgabe der vollständig gelösten Übungen und der ausgewerteten Praktikumsversuche bis ca. eine Woche nach der Durchführung. Die Übungen können im roten Briefkorb in einem gekennzeichneten Schrank im Gang des E-Stockes beim Büro HIF E18 abgegeben werden. Korrigierte Exemplare können eine Woche nach dem letzten Praktikumstermin im entsprechenden grünen Briefkorb an derselben Stelle abgeholt werden.

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3 Werkstoffe III Mineralische Bindemittel Inhalt zu Mineralische Bindemittel Zement - Kalk - Gips 1 Einführung 2 2 Zement Allgemeiner Überblick Zementherstellung Charakterisierung der Hauptklinkerphasen Hydratation von Zement Hydratationsverhalten von C 3 S Hydratationsverhalten von C 2 S Hydratationsverhalten von C 3 A Hydratationsverhalten von C 4 AF Zementhydratation Zementarten und -eigenschaften 11 3 Kalk Luftkalk Hydraulischer Kalk 17 4 Gips 17 5 Materialcharakterisierung 19 6 Zum Ablauf des heutigen Nachmittags 21 7 Praktischer Teil 22 Versuch 1: Kalklöschen 22 Versuch 2: Hydratationswärme 23 Versuch 3: Erstarrungszeiten nach Vicat 25 Versuch 4: Mahlfeinheit nach Blaine 27 8 Anleitung zum Bericht Mineralische Bindemittel 30 1

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5 Werkstoffe III Mineralische Bindemittel Im Portlandzement liegen die Hauptklinkerphasen Alit (Tricalciumsilicat: (C 3 S 1 ), Belit (Dicalciumsilicat: C 2 S), Calciumaluminatferrit (C 4 (A,F)) und Tricalciumaluminat (C 3 A) vor. Dabei tritt Alit mit einem durchschnittlichen Massenanteil von 63 Gew.-% als Hauptphase auf. Auf die stoffliche Charakterisierung der Zementklinker wird im nächsten Unterkapitel näher eingegangen. Nebenbestandteile von Zement sind je nach Anforderung Hüttensand (granulierte Hochofenschlacke), Puzzolan (z.b. Trass), Flugasche, gebrannter Schiefer, Kalkstein, Silicatsstaub, Calciumsulfat (Gips oder Anhydrit als Erstarrungsregler) und Zementzusatzmittel mit hydratationsbeschleunigender (z.b. Calciumchlorid) oder hydratationsverzögernder Wirkung (z.b. Natriumborate). Nach dem Fe 2 O 3 -Gehalt unterscheidet man grauen und weissen Portlandzement. Grauzement enthält durchschnittliche 2,5 Gew.-% Fe 2 O 3. Im weissen Portlandzement ist ein Grossteil des Fe 2 O 3 durch Al 2 O 3 ersetzt. Er enthält im Mittel nur 0,5 Gew.-% Fe 2 O 3. Weitere Informationen zu den einzelnen Zementarten können dem Skript Mineralische Bindemittel entnommen werden. Wichtigstes Anwendungsgebiet von Zement ist die Herstellung von Mörtel und Beton, d.h. das Verbinden von Gesteinskörnungen. Massgebend für die Unterscheidung zwischen Mörtel und Beton ist die Korngrösse des Grösstkornes der Gesteinskörnung. Diese liegt in Mörteln bei maximal 4 mm; bei Betonen ist der Grösstkornwert 32 mm. 2.2 Zementherstellung Gesteine, die die Ausgangsstoffe für den Zementklinker liefern sind Kalkstein und Ton oder deren natürlich vorkommendes Gemisch, der sog. Kalksteinmergel. Kalkstein besteht im Wesentlichen aus Calciumcarbonat (CaCO 3 ). Bestandteile des Tones sind die sehr feinkörnigen Tonminerale sowie in geringen Mengen Quarz und Feldspäte. Die Tonminerale (wie zumeist Illit, Kaolinit) und Feldspäte sind Verbindungen, die sich im Wesentlichen aus Siliciumdioxid, Aluminiumoxid und den Alkalioxiden zusammensetzen. Zur Herstellung von Portlandzement werden Mischungen aus aufgemahlenen Kalkstein und Ton (oder Kalksteinmergel) sowie Korrekturstoffe (z.b. Quarzsand, Eisenerz) bis zur Sinterung erhitzt, d.h. bis auf Temperaturen ( C), bei denen partielles Schmelzen eintritt (Schmelzanteil 20.30%). Hierzu werden die gemahlenen Rohstoffe in einen sog. Drehrohrofen eingebracht. Dabei handelt es sich um ein feuerfest ausgemauertes Rohr mit einem Durchmesser bis etwa 6 m, das bis 3,5 geneigt gelagert ist und sich mit 1,5 3 Umdrehungen in der Minute um seine Längsachse dreht. Infolge Neigung und Drehung des Rohres läuft das am oberen Ende aufgegebene Brenngut einer Kohlenstaub-, Öl oder Gasflamme entgegen, die am unteren Ende des Drehrohres angeordnet ist. Im Bereich der Flamme, d.h. im Bereich der Sinterzone des Drehofens mit Gastemperaturen von C, werden die erforderlichen Brennguttemperaturen von C erreicht. Nach dem Sintern verlässt der infolge diverser Festkörperreaktionen entstandene Klinker den Drehrohrofen und fällt in den Klinkerkühler, der die folgende Aufgabe hat: 1 C 3 S, C 2 S, C 2 (A, F) und C 3 A sind in der Zementchemie gebräuchliche Abkürzungen gemäss folgender Nomenklatur: C = CaO, S = SiO 2, A = Al 2 O 3, F = Fe 2 O 3, H = H 2 O; z.b.: C 3 S = 3CaO*SiO 2 = Ca 3 SiO 5 3

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7 Werkstoffe III Mineralische Bindemittel Ungemahlener Zementklinker (s. Abb. 2) hat eine so geringe spezifische Oberfläche, dass er nur langsam mit Wasser reagiert. Abb. 2: ungemahlener Klinker Erst durch das Mahlen wird die Oberfläche soweit vergrössert, dass die Reaktionen in überschaubaren Zeiten ablaufen. Der Mahlprozess wird in so genannten Kugel- oder Rohrmühlen durchgeführt. Der Aufmahlungsgrad wirkt sich auf die Reaktivität entscheidend aus. In Abhängigkeit vom Aufmahlungsgrad variiert die Spezifische Oberfläche. Die Angabe der Spezifischen Oberfläche ist daher eine wichtige Kenngrösse (siehe auch Blaine-Versuch). Die zum Aufmahlen verwendeten Mühlen sind rotierende Stahlzylinder, in denen die Zerkleinerung des Mahlgutes durch die Bewegung von Mahlkörpern, wie z.b. Stahlkugeln, zustande kommt. Der Mahlprozess ist sehr energieintensiv. Bei modernen Mahlwerken muss eine spezifische Mahlenergie von ca. 50 J pro m 2 Oberfläche aufgebracht werden. Die Zusammensetzung der Ausgangsstoffe und Klinkerphasen zeigt folgende Abbildung 3: Abb. 3: Klinkerzusammensetzung 5

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9 Werkstoffe III Mineralische Bindemittel Dicalciumsilicat (Belit): 2CaO * SiO 2, kurz C 2 S C 2 S tritt auf, wenn der Klinker nicht vollständig an CaO gesättigt ist. Im Gegensatz zu C 3 S zeigt das C 2 S eine langsame, jedoch stetige Erhärtung und führt nach längerer Hydratationszeit zu gleichen oder gar höheren Festigkeiten wie beim C 3 S. Die Hydratationswärme ist genauso wie die Schwindneigung geringer als beim C 3 S. Bei einem Angriff durch Sulfat verhält sich C 2 S wie C 3 S. (Tetra-) Calciumaluminatferrit: überwiegend 4CaO * (Al 2 O 3, Fe 2 O 3 ), kurz C 4 (A,F) Im Calciumaluminatferrit sind der grösste Teil des im Klinker enthaltenen Eisenoxids und ein Teil des Aluminiumoxids gebunden. Der Calciumaluminatferrit ist eine Phase aus der unvollständigen Mischkristallreihe zwischen dem unter normalen Bedingungen beständigen Dicalciumferrit (2CaO * Fe 2 O 3 ) und dem Dicalciumaluminat (2CaO * Al 2 O 3 ). Im Zementklinker entspricht seine Zusammensetzung etwa der Formel 4CaO*(Al 2 O 3, Fe 2 O 3 ), kurz C 4 (A,F). Calciumferrit trägt wenig zur hydraulischen Erhärtung bei und liefert einen geringen Beitrag zur Festigkeit. Die Wärmeentwicklungsrate und die Schwindneigung sind gering. Tricalciumaluminat: 3CaO * Al 3 O 2, kurz C 3 A Der im Calciumaluminatferrit ungebundene Al 2 O 3 -Anteil führt zur Ausbildung von Tricalciumaluminat. C 3 A stellt die CaO-reichste Verbindung im Zweistoffsystem CaO-Al 2 O 3 dar. C 3 A reagiert mit Wasser sehr schnell, besitzt jedoch wenig hydraulische Eigenschaften. Diese Klinkerphase bewirkt eine schnelle Erstarrung und entwickelt eine extrem hohe Hydratationswärme, begünstigt das Schwinden und ist empfindlich gegen Sulfateinwirkung. Mit Sulfaten bildet es ein voluminöses Salz, das Trisulfat (auch als Ettringit bekannt). Bedingt durch die Bildung dieses Salzes im Zentrum wird das Zementgefüge mechanisch zerstört (sog. Ettringittreiben). Nebenbestandteile - Ungebundenes CaO (sog. Freikalk) und freies MgO (sog. Periklas) - Alkalisulfat 2.4 Hydratation von Zement Unter Zementhydratation wird der gesamte komplexe Prozess der Reaktion eines Zementes mit Wasser (Erstarren und Erhärten) verstanden. Dieser Prozess, bei dem die Hydratation und die Hydrolyse (Zementkorn wird vom Wasser umhüllt) eine Rolle spielen, besteht aus einer Reihe verschiedenartiger Reaktionen, wobei kinetische und strukturelle Parameter von Bedeutung sind. Das Erstarren und Erhärten des Zementes beruht auf der Bildung wasserhaltiger Verbindungen, die bei der Reaktion zwischen den Zementbestandteilen und dem Anmachwasser (in der Zementbranche übliche Bezeichnung für das hinzugefügte Wasser) entstehen. Die bei der Hydratation gebildeten Reaktionsprodukte werden, unabhängig von der Art der Wasserbindung, als Hydrate oder Hydratphasen bezeichnet (siehe auch folgende Abbildung 5). 7

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11 Werkstoffe III Mineralische Bindemittel Abb. 6: Die einzelnen Stadien der C 3 S-Hydratation (Locher) Die in den einzelnen Stadien ablaufenden Prozesse sind in Tab. 2 zusammengestellt. Tab. 2: Stadien der C 3 S-Hydratation (Henning & Knöfel) Reaktionsstadium Reaktionskinetik Chemische Prozesse Einfluss auf die Betoneigenschaften 1 Prä-Induktionsperiode Chemisch kontrollierte, Beginn der Hydrolyse, Inlösung- Anstieg des ph-wertes der schnelle Reaktion gehen von Ionen wässrigen Lösung auf 12,3 2 Induktionsperiode keimbildungskontrolliert, langsame Reaktion 3 Accelerationssperiode Chemisch kontrollierte, schnelle Reaktion 4 Decelerationsperiode Chemisch und diffusionskontrollierte Reaktion 5 Stetige Periode Diffusionskontrollierte Reaktion Hydratationsverhalten von C 2 S Kontinuierliche Lösung von Ionen Beginn der Bildung von Hydratationsprodukten Kontinuierliche Bildung von Hydratationsprodukten Langsame Bildung von Hydratationsprodukten Bestimmt das erste Ansteifen Bestimmt das späte Ansteifen und die Erstarrungsentwicklung Bestimmt die Frühfestigkeit Bestimmt die Endfestigkeit Analog der Hydratation von C 3 S werden auch bei der Hydratation von C 2 S CSH-Phasen gebildet. Die Reaktion von C 2 S mit Wasser verläuft kinetisch langsamer, wodurch bei gleichen Hydratationszeiten insgesamt weniger C 2 S als C 3 S abgebaut ist. C 2 S + (2 - x + y) H C x SH y + (2 - x) CH z.b.: 2 C 2 S + 4 H C 3 S 2 H 3 + CH, mit x, y jeweils variabel Hydratationsverhalten von C 3 A Von den Hauptklinkerphasen hydratisiert C 3 A am schnellsten unter Bildung von Calcium- Aluminat-Hydratphasen, kurz CAH-Phasen. Während die CSH-Phasen massgebend für die Erhärtung sind, entstehen bei der Erstarrung durch Hydratation von C 3 A hauptsächlich CAH- Phasen. Die Hydratation von C 3 A verläuft allerdings so extrem schnell, dass der Klinker sofort wegreagiert und die Probe steif wird. Dadurch ist die Probe nicht mehr verarbeitbar. Zur längeren Verarbeitbarkeit wird gemahlener Gips (CaSO 4* 2H 2 O) zugesetzt. Die Wirkungsweise von Gips kann vereinfacht wie folgt zusammengefasst werden: Innerhalb der ersten 30 Minuten 9

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13 Werkstoffe III Mineralische Bindemittel Abb. 7: Schematische Darstellung der Bildung der Hydratationsprodukte im Portlandzement (links: bisheriger Kenntnisstand (Locher), rechts: aktueller Kenntnisstand (Möser et al.)) Die Beschreibung des Hydratationsverlaufs und die Zuordnung der einzelnen Phasen ist in der Bindmittelbranche ein wichtiges Prüfverfahren (Qualitätskontrolle), deshalb wird auch im Praktikum ein solcher Versuch (Calorimetrie) durchgeführt. 2.5 Zementarten und -eigenschaften Nach der europäischen Norm EN-197-1, die seit auch den Status einer Schweizer Norm (SIA) hat, werden die allgemeinen gebräuchlichen Zemente in 5 Hauptgruppen unterteilt. Diese sind in folgender Tabelle 4 zusammengestellt. Tab. 4: Hauptarten der Zemente nach EN (SIA ) Gruppe Bezeichnung I Portlandzement II Portlandkompositzement III Hochofenzement IV Puzzolanzement V Kompositzement Üblicherweise wird zur Zementart die vorliegende Festigkeitsklasse (Druckfestigkeit nach 28 Tagen) hinzugefügt, wie z.b. CEM I 42.5 R. Die beispielhafte Bezeichnung steht für einen Portlandzement mit hoher Frühfestigkeit (Buchstabe R steht für rapid) und einer Druckfestigkeit von 42.5 N/mm 2. Weitere Zementbezeichnungen können dem Skript entnommen werden. Im Folgenden sollen die gebräuchlichsten Zemente mit ihren Eigenschaften und Anwendungen näher charakterisiert werden. Für die Bezeichnung werden die üblichen Begriffe verwendet, die alten Bezeichnungen stehen in runder Klammer. EN CEM I 32.5/42.5/52.5 (alt Portland Cement, kurz PC) Der in der Schweiz normalerweise verwendete Portlandzement besteht aus Gew.-% Portlandzementklinker und 3 5 Gew.-% Erstarrungsregler (Gips bzw. Anhydrit). Seine Mahlfeinheit beträgt ca cm 2 /g nach Blaine. Einsatzgebiete: Hoch- und Tiefbau 11

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15 Werkstoffe III Mineralische Bindemittel aktion erst im Bereich zwischen Tagen, tritt also nicht direkt zu Beginn der Hydratation ein. Durch die puzzolanische Reaktion verändert sich auch die Porenstruktur des Zementsteins. So haben Untersuchungen gezeigt, dass nach einer Hydratationsdauer von 1 Jahr das Gefüge deutliche Unterschiede im Vergleich zu einem herkömmlichen Portlandzementstein aufweist. Das dichtere Zementsteingefüge erhöht die Beständigkeit gegen Angriffe betonaggressiver chemischer Verbindungen. Dadurch reduziert sich unter anderem auch die Wahrscheinlichkeit für die Korrosion der Stahlbeton-Bewehrung. EN CEM II A, B-S 32.5/42.5 (HochOfenZement) Diese setzen sich aus einem Anteil Portlandzementklinker und Hochofenschlacke als latent hydraulischem Zusatz zusammen. Bei der Hochofenschlacke handelt es sich um ein Abfallprodukt der Eisenverhüttung. Um die Gangart vom Eisen zu trennen, wird Kalkstein zugegeben. Durch diese Zugabe entsteht eine Schmelze, die von der Eisenschmelze abgetrennt werden kann. In der Schmelze reagiert der Kalkstein mit den Bestandteilen der Gangart, dem SiO 2 und dem Al 2 O 3, unter Bildung von Calciumsilicaten bzw. Calciumaluminaten. Bei langsamer Abkühlung der Schmelze kristallisieren diese Verbindungen aus, haben aber keine hydraulischen Eigenschaften. Nur eine glasartig erstarrte Schlacke ist reaktiv, daher muss diese durch Wasser rasch unter eine Temperatur von 800 C gekühlt werden. Zur Herstellung eines Hochofenzementes wird die Hochofenschlacke gemeinsam mit dem Portlandzementklinker vermahlen oder beide Komponenten werden miteinander vermischt. Der Mechanismus der Hydratation ist nicht vollständig aufgeklärt; bekannt ist aber, dass die Hydratationsprodukte der Hochofenschlacke, die in Gegenwart des hydratisierenden Zementes entstehen, dem CSH-Gel des Zementklinkers sehr ähnlich sind. Durch Zugabe von Hochofenschlacke werden die Eigenschaften des Zementes im Vergleich zu reinem Portlandzement deutlich verändert. So erreicht der Hochofenzement zur gleichen Hydratationszeit geringere Festigkeiten; erst bei optimaler Zusammensetzung werden vergleichbare Endfestigkeiten bei geringeren Hydratationswärmen erzielt. Die freigesetzte Hydratationswärme hat Konsequenzen für die Planung und Ausführung von Betonierarbeiten. Bei niedrigen Aussentemperaturen bewirkt die durch Freisetzung der Hydratationswärme bedingte Erhöhung der Betontemperatur eine beschleunigte Erhärtung des Betons. Beim Massenbeton (z.b. Staumauer) dagegen sollte die freigesetzte Hydratationswärme möglichst gering sein, da infolge der ungleichmässigen Abkühlung ein Temperaturgradient über den Betonquerschnitt von innen nach aussen entsteht. Die dadurch resultierenden thermischen Spannungen können zum Versagen des Materials (z.b. zur Rissbildung) führen. Einen Überblick über die verwendeten Zemente gibt folgende Tabelle: 13

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17 Werkstoffe III Mineralische Bindemittel 3 Kalk Unter Kalk wird üblicherweise sowohl der Kalkstein (CaCO 3 ) als auch der daraus durch Brennen hergestellte gebrannte Kalk (CaO) verstanden. Die Hauptkomponente CaCO 3 kommt in der Natur in Form von Calcit (seltenere Varietäten: Aragonit und Vaterit) vor. In den natürlichen Vorkommen liegen oft Mischungen aus CaCO 3 und MgCO 3 vor; diese Mischkristalle werden als Dolomite (CaMg(CO 3 ) 2 ) bezeichnet. Gemenge von Kalkstein mit Tonen sind sog. Mergel. Andere Vorkommen von Kalkstein sind Marmor, Travertin, Muschelkalk und Kreide, die entsprechend ihrer Entstehung (Genese) unterschiedliche Eigenschaften haben. Bei den Kalken lassen sich je nach Erhärtungsverhalten zwischen Luftkalk, Wasserkalk, hydraulischem Kalk und hochhydraulischem Kalk unterscheiden. Der Unterschied im Erhärtungsverhalten beruht im Wesentlichen auf der Zusammensetzung des Rohmaterials und den Herstellungsbedingungen. 3.1 Luftkalk Herstellung Zur Herstellung von Luftkalk werden natürliche Kalksteine mit einem sehr hohem CaCO 3 - Gehalt (> 95 Gew.-%) in Schacht-, Ring- oder Drehrohrofen über längere Zeit bei Temperaturen zwischen 900 und 1200 C erhitzt. Bei diesem Brennvorgang (Calcinieren) zersetzt sich CaCO 3 gemäss folgender Zersetzungsreaktion: CaCO 3 CaO + CO 2 H: kj/mol, d.h. endotherme Reaktion T: C Die Qualität des Luftkalkes hängt dabei in besonderem Masse von dem Brennprozess ab. Bei zu niedrigen Brenntemperaturen oder zu kurzen -dauern enthält das Brenngut noch zuviel CaCO 3. Werden zu hohe Temperaturen gewählt, dann bildet sich kristallines Calciumoxid (CaO), welches nur sehr langsam mit Wasser reagieren kann (je höher kristallin die Probe desto weniger reaktiv). Bei der Weiterverarbeitung dieses unvollständig gelöschten Kalkes kann durch Aufnahme von Wasser aus der Atmosphäre der erhärtete Putz durch Treiben zerstört werden. Die Eignung von Kalk als mineralisches Bindemittel beruht auf der Reaktion von Calciumhydroxid mit dem Kohlenstoffdioxid der Luft (Schritt 2). Aus diesem Grunde muss der gebrannte Kalk zunächst in gelöschten Kalk überführt werden (Schritt 1). Schritt 1: Kalklöschen Unter Kalklöschen versteht man die stark exotherme Umsetzung von Calciumoxid mit Wasser zu Calciumhydroxid gemäss folgender Reaktionsgleichung: CaO + H 2 O Ca(OH) 2 H: kj/mol, d.h. exotherme Reaktion T: C 15

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19 Werkstoffe III Mineralische Bindemittel Als Erhärtungsprodukt tritt der Ausgangsstoff des Kalkbrennens, das Calciumcarbonat, wieder auf. Die beim Brennen zugeführte Energie wird beim Löschen und Erhärten wieder abgegeben (Kreislauf, siehe Werkstoffe II Skriptum Abb. 1.9). Da Luft im Mittel nur etwa Vol.-% CO 2 enthält, verläuft die Carbonaterhärtung relativ langsam. Durch Erhöhung der CO 2 -Konzentration (offene Koksöfen, Propangasbrenner) kann der Vorgang beschleunig werden. Als Nebenprodukt tritt bei der Erhärtung von Kalkmörtel Wasser auf, das als Baufeuchtigkeit in Neubauten in Erscheinung tritt und durch gute Durchlüftung abgeführt werden muss. Das Haften luftundurchlässiger Fliesen, Wandspachtel, Lacktapeten und dergleichen wird durch die allmähliche Wasserbildung beeinträchtigt, wenn die Anbringung vor Abschluss der Carbonaterhärtung erfolgt. 3.2 Hydraulischer Kalk Bei der Erhärtung von Mörtel aus hydraulischem Kalk tritt neben der Carbonaterhärtung auch hydraulische Erhärtung ein, wobei höhere Festigkeiten als bei reinen Luftkalken erhalten werden. Hydraulische Kalke werden aus Kalkstein/Ton-Gemischen (z.b. Mergel) hergestellt. Beim Brennen der fein aufgemahlenen Ausgangsmischung entstehen neben dem Brandkalk ähnliche Verbindungen wie sie bereits vom Portlandzementklinker bekannt sind, wie Dicalciumsilicat und Tricalciumaluminat. Allerdings reichen die Brenntemperaturen von 1200 C nicht aus um Tricalciumsilicat zu bilden. Tricalciumaluminat und Dicalciumsilicat wirken hierbei als hydraulische Komponenten. Diese zeichnen sich bekanntlich durch die Eigenschaft ohne Luft mit Wasser und in Wasser zu erhärten. So bilden sich z.b. bei der Hydratation von C 2 S die bereits aus der Zementhydratation bekannten Calcium-Silicat-Hydrat-Phasen (CSH-Phasen). Der Anteil der hydraulischen Komponente ist entscheidend für die erzielbare Festigkeit der Mörtel, d.h. je höher ihr Anteil ist desto höher ist die Festigkeit. Der ungebundene Anteil an CaO (aus Brandkalk) reagiert wie der Luftkalk beim Mischen mit Wasser (zunächst Löschen und dann Carbonatisieren). Hinweis: Hydraulische Kalke sind keine vollhydraulischen Bindemittel. Stattdessen stellen sie einen Übergang zwischen lufterhärtenden und wassererhärtenden Bindemitteln dar. 4 Gips Gips gehört zur Gruppe der Calciumsulfate. Aus chemisch-mineralogischer Sicht handelt es sich bei Gips um eine kristallwasserhaltige Verbindung, auch als Dihydrat (CaSO 4* 2H 2 O) bekannt. Zu den Calciumsulfaten zählt ebenfalls der wasserfreie Gips, welcher auch als Anhydrit (CaSO 4 ) bezeichnet wird. Der Übergang zwischen Dihydrat zu Anhydrit verläuft unter Temperaturzunahme und entsprechender Entwässerung über mehrere Stadien, denen unterschiedliche Calciumsulfat- Modifikationen zugeordnet werden können, wie folgende Zusammenstellung zeigt: 17

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21 Werkstoffe III Mineralische Bindemittel den man auch unter dem Mikroskop mitverfolgen kann. Das gebildete kristalline Dihydrat besteht aus einem Gefüge von verfilzten nadelförmigen Dihydrat-Kristallen. Je stärker sich die Kristallnädelchen durchdringen desto höher ist die Festigkeit. Diese Eigenschaft erhält das Material insbesondere bei einem geringeren Wassergehalt. Am Ende des Verfestigungsprozesses verdampft dann das Porenwasser. Verhalten von Gips Das in Gips gebundene Kristallwasser (21 M.-%) ist der Grund für die besonders hohe Feuerschutzwirkung von Gipsverkleidungen. Im Brandfall wird es frei und bildet einen schützenden Wasserdampfschleier, der die Temperatur unter der Verkleidung für längere Zeit niedrig hält. Die Kristallwasseraufnahme beim Abbinden von Gips bedingt eine Volumenvergrösserung um etwa 1 Vol.-%, die gegebenenfalls konstruktiv zu berücksichtigen ist. Der Kristallisationsdruck macht Gipsmörtel besonders geeignet zum Eindübeln und Ausgiessen von Formen (presst sich in feinste Unebenheiten). Die Löslichkeit des Dihydrates ist zwar gering (etwa 2 g/l), doch sind Schäden bei stärkerer Feuchtigkeitsaufnahme (z.b. Regen) unvermeidlich, da Gips teilweise in Lösung geht und aus dieser beim Austrocknen unter erneuter Kristallwasseraufnahme immer wieder auskristallisiert. Gips ist daher nur an trockenen und trocken bleibenden Bauteilen zu verarbeiten. Die Wasserlöslichkeit aller Gipse verlangt Vorsicht bei Verarbeitung auf Beton oder Zementgebundenem Untergrund, da die in den Zementen eindringende Mörtelfeuchtigkeit (CaSO 4 - Lösung) zur Bildung des Zementbazillus (Sulfattreiben) führen kann. Gips ist nahezu chemisch neutral und nicht wie Zementmörtel oder Beton stark basisch. Daher ist für Eisen und Stahl kein Rostschutz gegeben, bei Feuchtigkeit erfolgt Korrosion. 5 Materialcharakterisierung Nachdem bisher die Mineralischen Bindemittel kurz beschrieben wurden, werden hier die wichtigsten Methoden zur Materialprüfung respektive -charakterisierung aufgelistet. Zudem spielt die Analyse der Bindemittel und deren Ausgangsstoffe eine wichtige Rolle, insbesondere um die Materialeigenschaften der Baustoffe nachhaltig zu optimieren. Es gibt verschiedene Klassifizierungsmöglichkeiten der verwendeten Prüfverfahren für die Baumaterialien. Die hier verwendeten differenzieren auf 2 Ebenen, und zwar integral, über das gesamte Probenvolumen respektive grosse Teile der Probe Druckfestigkeit (mechanische Eigenschaften) Vicat-Härte zur Bestimmung des Erstarrungsbeginns und -endes (Praktikumsversuch) Spezifische Oberfläche des Ausgangsmaterials nach dem Blaine-Verfahren, z.b. der Zementkörnchen (Praktikumsversuch) Calorimetrie: Hydratationswärme (Praktikumsversuch) Chemische/Mineralogische Information: Röntgenographische Phasenanalyse und teilweise Strukturbestimmung der jeweils vorhandenen Phasen (Rietveld-Methode); Untersuchung sowohl der nicht hydratisierten als auch der hydratisierten Probe. Aufgrund der Struktur der CSH-Phasen gibt es Probleme diese qualitativ zu analysieren. 19

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23 Werkstoffe III Mineralische Bindemittel 6 Zum Ablauf des heutigen Nachmittags 1. Das Praktikum beginnt mit der Vorbereitung des Versuchs 1, Abschnitte A und B (siehe unten). 2. Anschliessend gibt es eine kurze wiederholende Einführung. 3. Danach soll Versuch 2 (Calorimetrie) durchgeführt werden. Im Anschluss findet eine Demonstration an einem Mörtelcalorimeter statt. 4. Im Folgenden wird zunächst die Einwaage für Versuch 3 (Vicat) vorgenommen und der Versuch durchgeführt. 5. Nach Ablauf von 2 Stunden werden die gebrannte Proben für Versuch 1 aus dem Ofen genommen und gemäss Abschnitt C behandelt. 6. Pause 7. Jetzt wird mit Versuch 4 (Blaine) fortgefahren. 8. Nun wird Versuch 1 (Kalklöschen) abgeschlossen. 9. Abschliessend können noch offene Fragen besprochen werden. Abweichungen von obiger Reihenfolge bleiben den Praktikumsbetreuern vorbehalten. Viel Spass!!! 21

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25 Werkstoffe III Mineralische Bindemittel 5. Zur Auswaage der Probe mit der Analysenwaage ist wichtig, dass das Brenngut abgekühlt ist. Wie erklären sie sich dies? 6. Die Erhärtung von Kalkmörtel kann neben Wasserverdunstung durch CO 2 -Aufnahme begünstigt werden. Wie könnte eine erhöhte CO 2 -Aufnahme im Labormassstab realisiert werden? Versuch 2: Hydratationswärme Allgemeines Die Hydratation des Zementes ist ein exothermer Vorgang. Die dabei frei werdende Wärmemenge ist die Hydratationswärme, die im Allgemeinen in J/g angegeben wird. Sie führt zu einer Erhöhung der Mörteltemperatur, die unter bestimmten Bedingungen erwünscht sein kann (z.b. bei niedrigen Umgebungstemperaturen). Die Abkühlung nach der Erwärmung kann jedoch, insbesondere bei Betonbauteilen mit grösseren Abmessungen, unerwünscht hohe mechanische Spannungen und infolgedessen Rissbildung hervorrufen. Zur Bestimmung der Hydratationswärme werden im Wesentlichen 4 Calorimtertypen unterschieden: Lösungscalorimeter, Adiabatisches Calorimeter, Teiladiabatisches Calorimeter und Wärmeflusscalorimeter. Im Praktikum erfolgt der Versuch an einem Teiladiabatischen Calorimeter. Die Untersuchung wird im Allgemeinen an Zementstein (Mörtel) ausgeführt. Die Probe wird unmittelbar nach dem Mischen in einem verschliessbaren zylindrischen Behälter eingefüllt, der in ein Thermogefäss eingesetzt wird. Im Zentrum der Probe wird die Temperaturänderung fortlaufend gemessen und mittels Computer direkt aufgezeichnet. Der dafür erforderliche Temperaturfühler wird durch ein einseitig geschlossenes Kabel geführt. Die Temperatur der Probe nimmt zu, solange die bei der Hydratation des Zementes frei werdende Wärmemenge grösser als die abfliessende Wärmemenge ist. Das Temperaturmaximum wird im Allgemeinen innerhalb 24 Stunden erreicht. Bei Zementen aus mehreren Hauptbestandteilen können auch mehrere Temperaturmaxima auftreten. Da das Verfahren nur einen mässigen Aufwand erzeugt, wird es auch dazu verwendet, um die Wärmeentwicklung verschiedener Zemente miteinander zu vergleichen oder um z.b. die Veränderung des Hydratationsverhaltens von Zementen unter dem Einfluss von Zusätzen abschätzen zu können. Werden die Wärmeverluste berücksichtigt, die durch Eichung ermittelt werden können, so lässt sich auch die Hydratationswärme des Zementes berechnen. Zur Bestimmung der freigesetzten Hydratationswärme eines Bindemittels bzw. Mörtels (Betons) wird der Temperaturverlauf in einem Bindemittelleim oder Frischbeton bekannter Zusammensetzung in Abhängigkeit von der Zeit gemessen. Es wird angenommen, dass in erster Näherung adiabatische Bedingungen vorherrschen, d.h. dass der Wärmeverlust der Apparatur näherungsweise vernachlässigbar ist. 23

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27 Werkstoffe III Mineralische Bindemittel Aufgaben Zur Beantwortung dieser Aufgabe erhalten Sie per den Datensatz Ihrer Calorimetrie am Montag in der darauf folgenden Woche (Grund: Messdauer von 72 Stunden). 1. Führen Sie nach Anweisung diesen Praktikumsversuch durch. 2. Ergänzen Sie die unten aufgeführte Tabelle 3. Wieso unterscheiden sich die Hydratationswärmen der verwendeten Zemente so deutlich voneinander? 4. Wozu ist die Kenntnis über die Hydratationswärme und den Hydratationsverlauf von Zement so wichtig für Sie als angehender Bauingenieur? 5. Welchen Nachteil hat der durchgeführte Versuch? Bindemittel Temperaturmaximum in ( C) Zeitpunkt t im Temperaturmaximum in (h) Freigesetzte Hydratationswärme zum Zeitpunkt t in (kj/kg) Versuch 3: Erstarrungszeiten nach VICAT Allgemein Als Erstarrungszeit gilt der Zeitraum, nach dem eine Nadel bis zu einer bestimmten Tiefe in den Zementleim von Normsteife eingedrungen ist. Eine detaillierte Beschreibung kann der SIA , Abschnitt EN entnommen werden. Schematisch ist der Ablauf in Abb. 9 zusammengestellt. Abb. 9: Vicat-Versuch 25

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29 Werkstoffe III Mineralische Bindemittel Versuch 4: Mahlfeinheit nach Blaine Allgemein Die Reaktivität des Zementes hängt im Wesentlichen von der spezifischen Oberfläche des Bindemittels ab. Die spezifische Oberfläche steht im direkten Zusammenhang mit der Mahlfeinheit. Zur Bestimmung der Mahlfeinheit wird daher die spezifische Oberfläche aus der Luftdurchlässigkeit eines definierten Pulverbettes bestimmt. Praktisch wird die Zeit gemessen, in die eine bestimmte Luftmenge das Pulverbett durchströmt. Unter genormten Bedingungen ist dann die spezifische Oberfläche des Zementes t -1/2 der gemessenen Zeit proportional. Mit dieser Zeit wird eine spezifische Oberfläche berechnet, die in cm 2 /g angegeben wird. Durchführung Die Temperatur des Prüfraumes muss 20 ± 2 C betragen, die relative Feuchtigkeit darf 65% nicht übersteigen. Das zu prüfende Bindemittel und die Prüfgeräte sind mindestens 24 Stunden bei diesen Bedingungen zu lagern. Es darf kein Durchzug herrschen. Vorbereitung der Probe Die zu prüfende Zementprobe wird zwei Minuten in einem Gefäss geschüttelt, um Agglomerate zu zerkleinern. Das Gefäss bleibt anschliessend 2 Minuten stehen. Das Pulver wird mit einem sauberen, trocknen Stab vorsichtig umgerührt, um den Feinanteil gleichmässig im Zement zu verteilen. Berechnung der Bindemitteleinwaage Die Bindemitteleinwaage wird mit der folgenden Gleichung berechnet: W V ( 1 e) W: Bindemitteleinwaage V: Pulverbettvolumen in cm 3 (hier: V=1.68 cm 3 ) : Reindichte des Bindemittels in g/cm 3 Ein üblicher Wert für von CEM I 42.5 ist: CEM I 42.5=3.10 g/cm 3 Einwaage der Bindemittelprobe Mit der Analysenwaage wird die berechnete Bindemittelmenge auf 0.01g genau eingewogen. 27

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31 Werkstoffe III Mineralische Bindemittel Abb. 8: Blaine-Bestimmung 29

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