Zementtechnologie aktuell

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1 Zementtechnologie aktuell Mischmeisterschulung Holleben Dipl.-Ing. Roland Mellwitz

2 Das aktuelle Regelwerk für die Zemente Welche Normen gelten? März 2015 Schwenk Mischmeisterschulung 2

3 Normen für Zement DIN EN 197-1: Zement - Teil 1: Zusammensetzung, Anforderungen und Konformitätskriterien von Normalzement (Entw ) DIN EN 197-2: Zement - Teil 2: Konformitätsbewertung DIN EN 14216: Sonderzement mit sehr niedriger Hydratationswärme (Entw ) DIN : Zement mit besonderen Eigenschaften 3

4 Welche Zementarten gibt es in der DIN EN (2011)? Slag-puzzolanic cement* Kompositzement CEM VI * 4

5 DIN EN 197-1: Zement-Hauptbestandteile und deren Reaktionsverhalten Hauptbestandteile Reaktionsverhalten PZ-Klinker K hydraulisch Hüttensand S latent-hydraulisch Silicastaub D puzzolanisch Puzzolan natürlich P puzzolanisch natürlich getempert Q Flugasche kieselsäurereich V puzzolanisch kalkreich W Gebrannter Schiefer T hydraulisch Kalkstein L inert LL 5

6 Zusammensetzung der Zemente nach DIN EN (2011) 6

7 Zusammensetzung der Zemente nach DIN EN Entwurf

8 Zusammensetzung der Zemente nach DIN EN (Fortsetzung) Entwurf

9 Erweiterung des Zementsortimentes Quelle: VDZ 9

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11 Europäische Produktnormen für Zement Norm-Nr. Zement/Bindemittel Bezeichnung Festigkeitsklasse neue Klassen Stand DIN EN DIN EN Normalzement (27 Zemente)... mit niedriger Hydratationswärme (27 Zemente) CEM I CEM II CEM III CEM IV CEM V 32,5 N/R 42,5 N/R 52,5 N/R J/g (LH) DIN EN DIN EN Hochofenzement mit niedriger Anfangsfestigkeit (3 Zemente) Normalzement mit hohem Sulfatwiderstand (7 Zemente) CEM III/A CEM III/B CEM III/C CEM I CEM III/B 32,5 L 42,5 L 52,5 L 32,5 L/N/R 42,5 L/N/R 52,5 L/N/R 270 J/g (LH) SR 0 SR 3 SR 5 SR

12 Zusätzliche Anforderungen an Normalzemente mit hohem Sulfatwiderstand 12

13 Die sieben Produkte der Familie der Normalzemente mit hohem Sulfatwiderstand 13

14 Europäische Produktnormen für Zement Norm-Nr. Zement/Bindemittel Bezeichnung Festigkeitsklasse neue Klassen Stand DIN EN DIN EN Normalzement (27 Zemente)... mit niedriger Hydratationswärme (27 Zemente) CEM I CEM II CEM III CEM IV CEM V 32,5 N/R 42,5 N/R 52,5 N/R J/g (LH) DIN EN Hochofenzement mit niedriger Anfangsfestigkeit (3 Zemente) CEM III/A CEM III/B CEM III/C 32,5 L 42,5 L 52,5 L 270 J/g (LH) DIN EN Normalzement mit hohem Sulfatwiderstand (7 Zemente) CEM I CEM III/B 32,5 L/N/R 42,5 L/N/R 52,5 L/N/R SR 0 SR 3 SR 5 SR DIN EN Zement mit sehr niedriger Hydratationswärme (6 Zemente) VLH III/B, III/C VLH IV/A, IV/B VLH V/A, V/B 22,5 220 J/g (VLH)

15 Nationale Produktnormen für Zement Norm-Nr. Zement/Bindemittel Klassen Stand DIN Zement mit besonderen Eigenschaften HS - hoher Sulfatwiderstand NA - niedriger wirksamer Alkaligehalt DIN Zement mit verkürztem Erstarren FE - frühes Erstarren SE - schnell erstarrend DIN Zement mit einem erhöhten Anteil an organischen Zusätzen HO - erhöhter organischer Zusatz Grundanforderungen sind in DIN EN geregelt 15

16 Zemente mit besonderen Eigenschaften nach DIN ( ) niedrige Hydratationswärme NW Zementart Zement-NW In DIN EN als "LH-Zement" aufgenommen Anforderung Lösungswärme in den ersten 7 Tagen 270 J/g Zement 3 M.-% C 3 A und 5 M.-% Al 2 O 3 hoher Sulfatwiderstand Portlandzement-HS HS In DIN EN als "SR-Zement" aufgenommen 5 M.-% Al 2 O 3 niedrig wirksamer Alkaligehalt NA Hochofenzement-HS CEM III/B Zement-NA CEM II/B-NA CEM III-NA Hüttensandgehalt [M.-%] wirksamer Alkaligehalt [%Na 2 O-Ä.] 0,60 0,70 0,95 1,10 2,00 16

17 Zusammensetzung der Zemente Nebenbestandteile 17 17

18 Nebenbestandteile der Zemente Zement darf bis 5% fein zerkleinerte, anorganische, mineralische Stoffe aus der Klinkerproduktion (Rohmehl), Calciumsulfat, Mahlhilfe und Chromatredurierer enthalten. Calciumsulfat zur Regelung des Erstarrens. Mahlhilfe um Agglomerationen zu vermeiden Chromatreduzierer zur Senkung der Allergiegefahr 18

19 Normbezeichnung der Zemente n. DIN EN 197-1/DIN 1164 Kurzzeichen Festigkeits- Anfangs- besondere Zementart klasse festigkeit Eigenschaften Beispiele : Portlandzement DIN (alt) CEM I 42,5 R-HS neu nach DIN EN CEM I 42,5 R-SR 3 Portlandzement DIN EN Portlandzement DIN Portlandkompositzement DIN EN Hochofenzement DIN EN Hochofenzement DIN (alt) neu CEM I 32,5 R CEM I 52,5 N-NA CEM II/A-M (S-V) 32,5 R CEM III/A 32,5 L-LH CEM III/B 32,5 N-LH/NA/HS CEM III/B 32,5 N-LH/NA/SR 19

20 Konformität (Übereinstimmung) Normalzement nach DIN EN 197 Zement mit besonderen Eigenschaften nach DIN EG-Konformitätszeichen (CE-Zeichen), Übereinstimmungszeichen (Ü-Zeichen) und Zeichen der Überwachungsgemeinschaft des Vereins Deutscher Zementwerke e.v. (VDZ) 20

21 Ursache für globale Erwärmung sind die sog. Treibhausgase: In erster Linie Methan, Kohlendioxid, Chlorkohlenwasserstoffe Hauptbelastung wird den weltweiten CO 2 -Emissionen zugeschrieben Kyoto-Protokoll (1997): 1.Verpflichtungsperiode - Reduzierung der CO 2 -Emissionen von 2008 bis 2012 gegenüber 1990 um 5 % Verlängerung 2.Verpflichtungsperiode 2013 bis 2020 in Doha ohne neue Verpflichtungen (bis 2015 wird neues Abkommen verhandelt) EU-Verpflichtung Reduzierung der CO 2 -Emissionen von 2008 bis 2012 im Durchschnitt aller EU-Länder gegenüber 1990 um 8 %, (bis ,2% erreicht) Beschluss der 28 EU-Staaten - 40% Reduzierung bis 2030 Deutschland deutsche Verpflichtung überdurchschnittlich bei 21 % (bis 2013 schon 22,8% reduziert) bis 2020 will Deutschland 40% reduzieren Selbstverpflichtung Zementindustrie Reduzierung der CO 2 -Emissionen aus Brennstoffbedarf von 2008 bis 2012 gegenüber 1990 um 28 %. (49% erreicht) 21

22 Weltzementproduktion nach Ländern und Regionen im Jahr 2013 China Asien (ohne China,Indien,Japan) Indien Europa Amerika (ohne USA) Afrika GUS USA Japan Ozeanien 7 5,8 4,9 4,8 2,6 1,9 1,5 0,3 12,3 58,6 Quelle: Statista Anteil der Produktionsmenge in % 22

23 Weltzementmenge Entwicklung bis

24 Ausbildung der Klinkerphasen Temperatur in C Vorgang chemische Umsetzung Trocknung Abgabe adsorbiertes Wasser Tonzersetzung, Bildung von Metakaolinit Al 4 (OH) 8 Si 4 O 10 2(Al 2 O 3 2SiO 2 ) + 4H 2 O Metakaolinitzersetzung Calciumcarbonatzersetzung Al 2 O 3 2SiO 2 Al 2 O 3 + 2SiO 2 CaCO 3 CaO + CO Bildung von CS und CA 3 C + 2 S + A 2CS + CA Kalkaufnahme durch CS und CA, Bildung C 4 AF und C 3 A weitere Kalkaufnahme durch C 2 S CS + C C 2 S CA + 2C C 3 A CA + 3 C + F C 4 AF C 2 S + C C 3 S 24

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26 SCHWENK Zement KG Werk Bernburg Altenburger Chaussee Bernburg SCHWENK Zement KG Werk Karlstadt Laudenbacher Weg Karlstadt SCHWENK Zement KG Werk Allmendingen Fabrikstraße Allmendingen SCHWENK Zement KG Werk Mergelstetten Hainenbachstraße Mergelstetten 26

27 Energiebedarf zur Herstellung von Zementklinker Der seit dem Jahr 2000 geringfügig steigende Energieeinsatz geht mit dem von 25,7 % auf 58,4 % deutlich steigenden Einsatz von Sekundärbrennstoffen einher. Quelle: VDZ Spezifischer Brennstoffenergieverbrauch (bis 1986 alte Bundesländer, danach gesamte Bundesrepublik) 27

28 Spezifische CO 2 Emissionen der deutsche Zementindustrie 0,90 spezifis sche CO 2 Emissionen in tco 2 / t Zement 0,80 0,70 0,60 0,50 0,40 0,30 0,20 0,10 0,00 Quelle: VDZ elektrische Energieverbrauch aus Kalksteinentsäuerung thermischer Energieverbrauch (ohne Sekundärbrennstoffe) 28

29 Einsatz von sekundären Brennstoffen in der Zementindustrie in Deutschland Sekundärbrenn nstoffrate in % Tiermehl BGS Klärschlamm (tr.) Quelle: VDZ Papierreststoffe 29

30 Energieeinsatz zur Herstellung von Zement Quelle: VDZ Monitoringbericht

31 CO 2 -Emissionen bei der Zementherstellung CEM I 32,5 R ( = 100 %) 31,3 % 54,4 % CEM II/B-S 30 % Hüttensand ( = 72,2 %) 30,4 % 16,9 % 52,7 % 14,3 % CEM III/A 50 % Hüttensand ( = 53,3 %) 29,4 % 51,0 % Entsäuerung: 0,55 t CO 2 je t kl Elektrische Energie: 651 g/kwh 19,6 % 26,4 % CEM III/B 75 % Hüttensand 27,8 % ( Ø = 29,7 %) 45,8 % 31

32 16000 Zement-Inlandsversand in 1000 t/a* * Verbandsmitglieder des VDZ CEM I CEM II CEM III Quelle: VDZ 32

33 Zementmühle (Steigerung des Durchsatzes) ausgelegt als Combi-Mahlanlage mit vorgeschalteter Gutbett Walzenmühle : Walzen: Sepolsichter: d = 1.87 m b = 1,15 m d = 3,10 m 33

34 Zementmahlung mit aktivierenden Mahlhilfen 34

35 Prinzip einer Zweikammer Kugelmühle Forschung: Optimierung Mahlkörpergattierung für bessere Energieeffizienz der Mühle 35

36 Spezialisierung und Individualisierung von Zementen Fertigteilzemente (ft) Betonwarenzement (bw) Bahnschwellenzemnt (bs) Straßendeckenzement (sd) Zement f. Nassspritzbeton Ankerzement Zemente m. red. Alkaligehalt Zemente f. Hochleistungsbetone Zemente f. Bodenverfestigungen SVB-Zemente hydrophobierte Zemente Feinstzemente Schnellzemente (sb) (az) (ra) (hf) 36

37 Qualität und Labor CEM I 32,5 R CEM I 42,5 R CEM I 42,5 R-SR3 CEM I 42,5 N (sd) CEM I 52,5 R CEM I 52,5 N CEM I 52,5 N-NA CEM I 52,5 N (bs) CEM II/A-LL 32,5 R CEM II/A-LL 42,5 N CEM II/A-LL 42,5 N (ez) CEM II/A-S 52,5 R CEM II/A-S 52,5 R (sb) - Sortimentsverteilung CEM II/B-M (S-LL) 42,5 R-AZ CEM III/A 32,5 N-LH/NA CEM III/A 42,5 N-NA CEM III/A 42,5 N CEM III/A 42,5 N-LH/SR/NA CEM III/B 32,5 N-LH/SR/NA HRB E4 20 Sortimente + Spezialbindemittel Stand: 2014:11 37

38 3 A 3. A 3. B Silogruppe C 3. E 3. D Bindemittel - mischwerk (Silogruppe 2) 2. B 2. A 1. A 1 1. A 2 1. B 1 1. B 2 1. C 1 1. C 2 1. D 1 1. D Silogruppe Sackware 1. E 1 1. E 2 1. F 1 1. F 2 38

39 Grundriss neuer, moderner Silos 39

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41 Mischanlage / Mischturm für zementäre Bindemittel Mischanlage mit Chargenmischer, Rezepturen frei einstellbar Leistung: 120 t/h max. Mischleistung je Charge bis 4,0 t Mischerfüllung Silokapazität der Anlage 16 x Rohstoffsilo mit 110 bzw. 230 m³ 4 x 1000 t Rohstoff oder Verladesilo 8 x 230 m³ Fertiggutsilo 8 x 7 m³ Kleinkomponentensilo 3 x Kleinkomponentenaufgabe per BigBag 41

42 Alternative Bindersysteme Weiterentwicklung bekannter Konzepte ocalciumsulfoaluminat Zement (Lafarge) osulfathüttenzement obelitzement ogeopolymere 42

43 Quelle: FIB Weimar Prof. Dr.-Ing. Ludwig 43

44 Alternative Bindersysteme Weiterentwicklung bekannter Konzepte ocalciumsulfoaluminat Zement (Lafarge) osulfathüttenzement obelitzement ogeopolymere Entwicklung neuartiger Konzepte oc-s-h-binder (Celitement Schwenk) (Ca-Si-Binder Heidelberg) obinder auf MgO-Reaktion (Novacem) obinder mit amorphen/metastabilen CaCO 3 (Calera) om3k-binder (Wolter) Quelle Zusammenstellung: Prof.Dr.-Ing. Ludwig 44

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46 Bilder: M.Breig KIT 46

47 Quelle: U.Deck dpa nano_celitement.mp4 Quelle: KIT Quelle: U.Deck dpa 47

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