Zement. Lafarge. Heidelberger-Zement

Transkript

1 Zement Lafarge Heidelberger-Zement

2 Zementherstellung im Überblick Zementwerk

3 Zementherstellung im Überblick

4 Rohmaterialgewinnung: Zerkleinerung und Transport Wichtigste Rohstoffe: Kalkstein, Ton und Mergel. Gewinnung: In Steinbrüchen durch Sprengen oder mit schwerem Gerät durch Reißen Transport und Zerkleinerung: Radlader und Muldenkipper transportieren Rohmaterialien zu Brecheranlagen. Dort Zerkleinerung grob auf Größe von Straßenschotter. Heidelberger-Zement

5 Zementherstellung im Überblick Rohmaterialgewinnung

6 Zementherstellung im Überblick Rohmaterialverladung

7 Zementherstellung im Überblick Rohmaterialzerkleinerung

8 Zementherstellung im Überblick Zementrohstoffe

9 Rohmaterialaufbereitung: Lagerung Homogenisierung Material heißt Rohschotter und wird über Förderbänder, mit Seil- oder Schienenbahn und in Ausnahmen auch mit LkWs in die Schotterhalle des Zementwerks transportiert und dort in Mischbetten eingelagert und homogenisiert (vergleichmäßigt) Heidelberger-Zement

10 Zementherstellung im Überblick Rohstoff-Homogenisierung

11 Rohmaterialaufbereitung: Trocknung und Rohmahlung Rohmischung aus Schotter und den je nach Zementsorte erforderlichen Zuschlagstoffen wie z. B. Quarzsand und Eisenerz wird über Dosiereinrichtungen hergestellt. Rohmahlung, Trocknung: Walzenschüssel- und Kugelmühlen vermahlen Gemisch mehlfein und trocknen es gleichzeitig, bevor es zur weiteren Homogenisierung in die Rohmehlsilos gefördert wird. Heidelberger-Zement

12 Das Brennen Das Brennen des Rohmehls bei ca C erfolgt in Lepol- oder Wärmetauscheröfen. In ihnen entsteht durch chemische Umwandlung, der sog. Sinterung, ein neues Produkt, der Zementklinker Heidelberger-Zement

13 Zementherstellung im Überblick Drehrohrofen / Wärmetauscher

14 Zementherstellung im Überblick Drehrohrofen (innen)

15 Klinkerlagerung und Zementmahlung Abkühlung des Klinkers Bevorratung in Klinkersilos Von dort gelangt Klinker in Mühlen - Zusatz von Gips und Anhydrit und ggf. auch anderen Zuschlägen - Mahlen zu dem sehr feinen Zement Heidelberger-Zement

16 Zementherstellung im Überblick Klinkerlager

17 Zementherstellung im Überblick Ausgangsstoffe und Hauptbestandteile

18 Zementherstellung im Überblick Kugelmühle

19 Zementherstellung im Überblick Kugelmühle (innen)

20 Heidelberger-Zement Verladung und Versand

21 Qualitätssicherung und Umwelt Heidelberger-Zement WWF-Canon/Roger LEGUEN

22 Bestimmung der: Zementherstellung im Überblick Zusammensetzung Festigkeit Erstarrungszeiten (Nadelgerät nach Vicat) Raumbeständigkeit (Le-Chatelier-Ring) Hydratationswärme Zement-Prüfungen

23 Zementherstellung im Überblick Mörtelprismen

24 Zementherstellung im Überblick Zementdruckfestigkeit

25 EU Konformitätszeichen (CE Zeichen), Übereinstimmungszeichen (Ü-Zeichen) Zeichen der Überwachungsgemeinschaft des Vereins der Deutschen Zementwerke e. V. (VDZ) Güteüberwachungszeichen

26 Zementherstellung im Überblick Zement

27 Zement - Vorbemerkungen Zement ist ein anorganisches fein gemahlenes, hydraulisch wirkendes Bindemittel für Mörtel und Beton Erhärtung bei Zugabe von Wasser durch Hydratation zu Zementstein Erhärtung sowohl an Luft als auch unter Wasser Zementnorm DIN EN 197-1, DIN 1164 Nach EN 206 / DIN gilt als geeignet Zement nach DIN EN und nach DIN 1164

28 Zement Normung der Zemente Norm Ausgabe Inhalt Europäische Zementnormen DIN EN DIN EN DIN EN DIN EN /2004 Prüf und Probenahmeverfahren 08/2004 Normalzemente (incl. LH: < 270 J/g) - Zusammensetzung, Anforderungen, Konformitätskriterien 08/2004 Hochofenzement mit niedriger Anfangsfestigkeit L - - Zusammensetzung, Anforderungen, Konformitätskriterien 08/2004 Zemente mit sehr niedriger Hydratationswärme VLH - Zusammensetzung, Anforderungen, Konformitätskriterien Nationale Zementnormen DIN /2004 Normalzement mit besonderen Eigenschaften (HS; NA) - Zusammensetzung, Anforderungen, Konformitätskriterien DIN /2003 Zement mit verkürztem Erstarren (HE; SE) - Zusammensetzung, Anforderungen, Konformitätskriterien DIN /2003 Zement mit erhöhtem Anteil an organ. Bestandteilen (HO) - Zusammensetzung, Anforderungen, Konformitätskriterien

29 Zement Zementarten DIN EN unterteilt Zement in fünf Hauptarten: Portlandzement Portlandkompositzemente Hochofenzemente Puzzolanzemente Kompositzemente CEM I CEM II CEM III CEM IV CEM V

30 Zement Zementarten 1

31 Zement Zementarten 2

32 Zement Zusammensetzung der Zemente Hauptbestandteile des Zements Portlandzementklinker (K), Hüttensand (S), Puzzolane (P, Q), Flugasche (V, W), Gebrannter Schiefer (T),Kalkstein (L, LL) Nebenbestandteile Bis zu 5 Masse-% von den Hauptbestandteilen, die nicht Hauptbestandteile des jeweiligen Zementes sind. Als Nebenbestandteil auch Füller. Calciumsulfat Zur Regelung des Erstarrens wird dem Zement in geringen Mengen Calciumsulfat (Gips und/oder Anhydrit) zugegeben.

33 Hauptbestandteile des Zementes Portlandzementklinker (K) Beim Brennen des Rohmehls entstehen neue Mineralien (Klinkerphasen) hydraulischer Stoff: Reagiert mit Wasser, erhärtet an der Luft und unter Wasser und ist wasserbeständig Hüttensand (S) granulierte Hochofenschlacke, glasig latent-hydraulischer Stoff ( schlummernde Hydraulizität ): Stoff kann nicht selbstständig reagieren, benötigt einen Anreger: Calciumhydroxid entsteht bei der Reaktion von Zementklinker mit Wasser Puzzolane (P,Q) - natürliche Puzzolane (P), aus vulkanischem Gestein, z. B. Trass, Lava, Tone - natürlich getemperte Puzzolane (Q), Tone, Schiefer puzzolanischer Stoff: hat kein eigenes Reaktionsvermögen, reagiert nur mit einem Partner: Calciumhydroxid Flugasche (V,W) Kieselsäure- oder kalkreiche staubartige Partikel, die aus Abscheideanlagen für Rauchgase aus Kohlekraftwerken gewonnene werden puzzolanischer Stoff Kalkstein (L, LL) fein gemahlenes Kalksteinmehl, verbessert den Anteil an feinsten Körnern und dadurch die Verarbeitbarkeit inerter Stoff: kann nicht reagieren, Füller

34 Zement Ausgangsstoffe Rohmehl Klinker Zement

35 Portlandzementklinker Stoffgemisch zur Herstellung des Portlandzementklinkers: C S A F Kalk (CaO) aus Kalkstein, kalkreichem Mergel, Kreide Silikate (SiO 2 ) aus Ton, Lehm, Quarzsand, tonreichem Mergel Tonerde (Al 2 O 3 ) aus Ton, Lehm, tonreichem Mergel Ferrite (FeO, Fe 2 O 3 ) aus Ton, Bauxit, Kiesabbrand Verschmelzung + Umbildung der Rohstoffe oberhalb Sintergrenze ( C) Klinkerphasen: Calciumsilicate: Dicalcium- und Tricalciumsilicat, Tricalciumalumninat, Calciumaluminatferrit.

36 Portlandzementklinker: Klinkerphasén Klinkermineral Name Formel Kurzzeichen Anteile im Klinker in M.-% im Mittel Extremwerte Tricalciumsilicat 3 CaO SiO 2 C 3 S Dicalciumsilicat 2 CaO SiO 2 C 2 S Tricalciumaluminat 3 CaO Al 2 O 3 C 3 A Calciumaluminatferrit 4 CaO Al 2 O 3 Fe 2 O 3 C 4 AF oder: 2 CaO (Al 2 O 3 Fe 2 O 3 ) C 2 (A,F) Daneben liegen noch freies Ca0, freies Mg0 und nicht kristallisierte Schmelze vor. Bei den Kurzzeichen steht C für CaO, S für Si0 2, A für Al 2 0 3, F für Fe

37 Portlandklinker: Klinkerphasen Klinkerphase Kurzzeichen Erstarren Anfangs- erhärtung Hydratations- wärme Endfestigkeit Verhalten gegen Sulfatwasser Sonstiges C 3 S C 2 S schnelle Erhärtung langsame, stetige Erhärtung hoch 500 sehr hoch günstig niedrig 260 sehr hoch günstig spalten Ca(OH) 2 ab (Korrosionsschutz) C 3 A schnelles Erstarren sehr hoch 870 1) ) (ungünstig) gering anfällig erhöhtes Schwinden 1) 2) C 4 AF bzw. C 2 (A, F) langsame, stetige Erhärtung mittel 420 gering günstig - Reaktion des C 3 A nur mit Wasser. Reaktion des C 3 A mit Wasser und dem im Zement enthaltenen CaSO 4

38 DIN 197-1/DIN 1164: Festigkeitsklassen, Kennfarben

39 Zement Zementarten

40 Normbezeichnungen Beispiel: Portlandzement DIN EN CEM I 42,5 R = Portlandzement nach europäischer Norm der Festigkeitsklasse 42,5 mit hoher Anfangsfestigkeit

41 Zemente mit besonderen Eigenschaften Zemente mit niedriger Hydratationswärme (LH-Zemente) Zemente mit hohem Sulfatwiderstand (HS-Zemente) Zemente mit niedrigem wirksamen Alkaligehalt (NA-Zemente) Straßenbauzemente Weißzement Wasserabstoßende Zemente Zemente mit verkürztem Erstarren

42 Zemente mit niedriger Hydratationswärme (LH; VLH) DIN EN 197-4; DIN EN 14216

43 Zemente mit niedriger Hydratationswärme (LH; VLH) DIN EN 197-4; DIN EN 14216

44 Zement mit Hohem Sulfatwiderstand (HS) DIN

45 Zement mit niedrigem wirksamem Alkaligehalt (NA) DIN Risse infolge Alkalitreiben

46 Weißzement Insgesamt ca ³ weißer Transportbeton verwendet. Farbgebende Komponenten aus Dyckerhoff Weiss-Zement, Weißpigment und weißem Gesteinsmehl. Ebenso die ca m² Betonfertigteile (Kragplatten, Leibungen, "Kanzlerauge", sowie ca m³ Beton in Form von sogenannten Bundeskanzleramt Kartoffelstützen (Säulen), Pergolabalken und Eckfassadenelementen.

47 Weißzement beim Bundeskanzleramt

48 Verwendung der Zemente Portlandzement CEM I Hauptbestandteil: Portlandzementklinker Anwendung / Eigenschaften: Meist verwendeter Zement Hoher C 3 S Gehalt hohe Anfangserhärtung Vorteile: - kurze Ausschalfristen - hohe Anfangsfestigkeiten (Betonsteinwerke, Spannbetonbau) - schnelles Erreichen der Frostbeständigkeit - hoher Ca(OH) 2 Gehalt infolge Hydratation guter Korrosionsschutz der Bewehrung

49 Hochofenzement CEM III/A oder CEM III/B und Portlandhüttenzement CEM II/A-S oder CEM II/B-S Hauptbestandteile: Portlandzementklinker + Hochofenschlacke (Hüttensand) Hüttensand hat latent-hydraulische Eigenschaften Eigenschaften gegenüber CEM I: langsamere Anfangserhärtung geringere Hydratationswärme meist größere Nacherhärtung i.allg. größerer Widerstand gegen schwachsaure + sulfathaltige Wässer Eigenschaften mit zunehmendem Schlackengehalt ausgeprägter. Anwendung: Z.B. Massenbeton (im Tief- und Wasserbau)

50 Zement Zusammensetzung der Zemente

51 Hydratation Reaktion Zement und Anmachwasser wasserhaltige Verbindungen = Hydratphasen, die Erstarren, Erhärten bewirken. Maßgebende Hydratphasen für Erhärtung Calciumsilicathydrate. Hydratation Zementleim = Zement + Wasser Zementstein Wichtigster hydraulisch reagierender Hauptbestandteil bei deutschen Normzementen ist Portlandzementklinker bestehend aus folgenden Klinkerphasen: Tricalciumsilicat (C 3 S) Dicalciumsilicat (C 2 S) Tricalciumaluminat (C 3 A) Calciumaluminatferrit (C 2 (A,F))

52 Hydratationsablauf Gemisch aus Zement und Wasser = Zementleim Hydratationreaktionen beginnen unmittelbar nach Wasserzugabe anfangs geringes Ansteifen (Ruheperiode durch Gips), später stärkeres Ansteifen Weitere Verfestigung Erstarren Danach fortschreitende Verfestigung Erhärten Zementstein

53 Hydratationsablauf

54 Hydratation von Portlandzement Portlandzement nach 5 h Hydratation (Quelle: Stark/Möser/Eckart: Neue Ansätze zur Zementhydratation; ZKG Intern. 2001

55 Portlandzement nach 24 h Hydratation (Quelle: Stark/Möser/Eckart: Neue Ansätze zur Zementhydratation; ZKG Intern. 2001

56 Bildung von spitznadeligen C-S-H-Phasen bei der Hydratation von C 3 S. Die Fasern wachsen nach 600 Tagen Hydratationszeit bis auf eine Länge von 1,5 µm, wobei die Nadelspitzen einen Durchmesser um 5 nm aufweisen.

57 C-S-H in Kalksandstein: auf ein Quarzkorn gewachsene schwertförmige Tobermoritkristalle, 1,13 nm Tobermorit [C5S6H5], Kristalldicke: 20 nm, Spitzen: <10 nm.

58 5 min 140 min hydratisiertes C3S, gelförmige Hüllen um die C3SKörner. hydratisiertes C3S, Ausbildung einer voluminösen C-S-H Schicht mit Wabenstruktur. 4h 16 h hydratisiertes C3S, erste stumpf-nadelige C-S-H-Bündel (Länge bis 300nm) und Portlandit. hydratisiertes C3S, spitznadelige C-S-HPhasen (Länge bis 400 nm). 21 d hydratisiertes C3S, spitznadelige C-S-H-Phasen (Länge bis 900 nm). 360 d hydratisiertes C3S, Verzahnung der bis 1200 nm langen C-S-HPhasen und Portlandit.

59 Zementleim - Zementstein Ausgangssituation: Wasser und Zement bilden im nicht hydratisierten Zustand den Zementleim. Der Zementleim verkittet die Zuschlagkörner im Beton. Das Maß für das Mischungsverhältnis Wasser und Zement ist der Wasserzementwert w/z (Gewichtsverhältnis), der für die Ausbildung der Eigenschaften des erhärteten Zementleims (= Zementstein) wesentlich ist.

60 Gefüge des Zementsteins - Wasserzementwert

61 Porenarten im Zementstein und ihre Größenbereiche Porenart Porengrößenbereiche (Porenradien) Nanometer Millimeter nm mm Porenmenge (Portlandzement w/z = 0,5) Vol.-% Gesamtporosität 10 0 bis bis Luftporen 10 3 bis bis Kapillarporen 10 1 bis bis 10-1 Schrumpfporen um 10 1 um Gelporen 10 0 bis bis 10-5

62 Kapillarporosität- Druckfestigkeit, Wasserdurchlässigkeit