Dipl.-Geol. Martin Sauder

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1 Anorganische Bindemittel Kreislauf des Kalks

2 Kalk als Bindemittel: Kreislauf des Kalks Antike Form des Kalkbrennofens

3 Brennen von Kalk Brenntemperatur: C CaCO 3 CaO + CO 2 Calciumcarbonat Calcit, Kalkstein Branntkalk Kohlendioxid Kalzination Löschen von Kalk CaO + H 2 O Ca(OH) 2 Branntkalk Wasser Kalkhydrat ph-wert: 12,6! Alkalisch, starke Lauge

4 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 ph-wert? Was ist das? Definition: Der negative dekadische Logarithmus der H 3 O + - Ionenkonzentration

5 Welchen ph-wert hat Coca-Cola? 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.

6 Historische Form des Kalkbrennens Moderne Form des Kalkbrennofens

7 Aus Kalk wird Kalkmörtel Trocken gelöschter Kalk: Stückkalk Nass gelöschter Kalk: Zuschläge für Mörtel: Zuschläge für Putz Mischungsverhältnis: Wasserzugabe: Kalkteig Grubensand 0-6 mm Flusssand 0-4 mm 1 : 4 Raumteile 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 CL DIN EN CL 90 - Q Carbonatkalk 90 CaO+MgO > 90 % Q Bezeichnungen von Kalken 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

10 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) 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

11 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 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.

12 Herstellung von Zement Herstellung von Zement

13 Herstellung von Zement Herstellung von Zement

14 Herstellung von Zement Herstellung von Zement

15 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 Neu: CEM I

16 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) 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 ph-wert: 12,6 Calciumsilikathydrat (CSH) Calciumhydroxid

17 Zementklinker (Rasterelektronenmikroskop) 10 µm (0,01 mm) Zementzusätze: Hüttensand 10 µm

18 Zementzusätze: Flugasche (EFA) Zementzusätze: Kalksteinmehl 10 µm

19 Mikrosilika (Rasterelektronenmikroskop) 500 µm (0,5 mm) Ablauf der Hydratation

20 Erhärtung und Hydratation Bildung der Hydratphasen 1

21 Bildung der Hydratphasen 2 Reaktionen beim Erstarren Nach 1 h: Beginn der Hydratation, kleine Aufwachsungen Nach 3 h: Ettringitkristalle, Calciumsilikathydrat - Nester (CSH)

22 Ettringit 3 CaO. Al 2 O 3. 3 CaSO 4. 32H 2 O Calcium - Aluminat Calcium - Sulfat Wasser 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

23 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 Zementerhärtung nach 28 Tagen Nach 28 Tagen: Dichtes Gefüge im ausgehärteten Zustand

24 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 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 cm 2 /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

25 Verteilung der Porenradien m Partikel Poren Prüfungsmethoden Kies Sand Zementgel Zementklinker Rüttelporen Luftporen Gelporen Kapillarporen Auge Elektronenmikroskop Mikroskop indirekte Methoden Zementarten: alte Bezeichnungen Bez. Name PZ-Klinker Hüttensand Trass PZ Portland Z. 96 % - - EPZ Eisenportland-Z. 65 % < 35 % - HOZ Hochofenzement % % - TrZ Trasszement % %

26 Zementarten nach DIN EN CEM I CEM II CEM III CEM IV CEM V Portlandzement Portlandkompositzement Hochofenzement Puzzolanzement Kompositzement Zementarten nach DIN EN CEM III/A CEM III/B CEM III/C % Zementklinker % Hüttensand % Zementklinker % Hüttensand 5 19 % Zementklinker % Hüttensand

27 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 % Zusatzbezeichnungen von Zementen Besondere Eigenschaften NW: Zement mit niedriger Hydratationswärme HS: Zement mit hohem Sulfatwiderstand NA: Zement mit niedrigem wirksamem Alkaligehalt Festigkeitsklassen N: Zement mit normaler Anfangsfestigkeit R: Zement mit hoher Anfangsfestigkeit

28 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: Zementtypen nach DIN EN 197-1

29 Zementtypen nach DIN EN 197-1