Zukunft dauerhaft mit neuen Zementen? Dipl.-Ing. Peter Lyhs Technisches Marketing CEMEX Zement 1. Historischer Rückblick 2. Grundanforderungen 3. Aktuelle Situation 4. Ausblick 5. Zusammenfassung 1
- 1877 Gründung des Vereins Deutscher Cement Fabrikanten - 1878 Erste deutsche Zementnorm (Zusammensetzung, Prüfung und Anforderungen) - 1888 Umbenennung in Verein Deutscher Portland-Cement- Fabrikanten - 1901 Gründung des Verein Deutscher Eisen-Eisenportlandzementwerke - 1907 Gründung des Verein Deutscher Hochofenzementwerke Forschung und Qualitätsüberwachung mit dem Ziel: Rohstoffe für dauerhafte Bauwerke - 1952 Umbenennung in Verein Deutscher Zementwerke e.v. - 1956 Das Forschungsinstitut nimmt seine Arbeit im neu errichteten VDZ Gebäude auf 2
National (getrennt) organisiert National organisiert International organisiert - 1878 Erste deutsche Zementnorm (Zusammensetzung, Prüfung und Anforderungen) - 1973 Beauftragung des CEN mit der Erarbeitung einer Zementnorm - 1994 Herausgabe der DIN 1664 auf der Basis der Inhalt der EN 197-1 - 2000 Einführung der DIN EN 197-1 3
CEM I Portlandzement CEM II Portland-Kompositzement S, LL, V, D, T, P, Q, W CEM III Hochofenzement CEM IV Puzzolanzement S P, Q, V, W, D, T CEM V Kompositzement P, Q, V,S, T K S LL V D T P Q W Portlandzementklinker Hüttensand Kalkstein (TOC < 0,20 M.-%) Kieselsäurereiche Flugasche Silikastaub Gebrannter Schiefer Natürliches Puzzolan Natürliches getempertes Puzzolan Kalkreiche Flugasche 1994: PZ wird CEM I EPZ wird CEM II HOZ wird CEM III National (getrennt) genormt National genormt International genormt 4
- 1987 Bericht der Brundlandkommission - 1997 Das Kyoto-Protokoll Nachhaltigkeit & Umweltschutz Die IEA Cement Technology Roadmap 2009 legt die CO 2 -Minderungsstrategie fest 5
Regionale Verantwortung National Verantwortung International Verantwortung 1. Historischer Rückblick 2. Grundanforderungen 3. Aktuelle Situation 4. Ausblick 5. Zusammenfassung 6
Dauerhaftigkeit bedeutet, dass Bauteile über die vorgesehene Nutzungsdauer gegenüber allen Einwirkungen (Last, Zwänge ) bei ausreichender Wartung und Instandhaltung genügend beständig sind. Quelle: Stark/Wicht Dauerhaftigkeit von Beton Die größte und vermutlich bekannteste Pyramide ist die des Pharao Cheops. Er regierte etwa um 2620 bis 2580 (nach anderer Quelle um 2604 bis 2581) v. Chr. Die Cheops-Pyramide war ursprünglich 146,6 m hoch (heute: 138,75 m). Grundlagen der Tragwerksplanung, Deutsche Fassung EN 1990: 2001; Ausgabe Oktober 2002 7
Robustheit Fähigkeit des Tragwerks oder bestimmter Teile davon, nicht schlagartig zu versagen bzw. den Verlust eines ausreichenden Tragwiderstandes durch große Verformungen oder Rissbildungen anzukündigen. DIN 1055-100 In der Industrie wird der Begriff Robuster Produktionsprozess verwendet. Automobilindustrie ( VDA-Band Produktherstellung und -lieferung, Robuster Produktionsprozess ): Danach zeichnet sich ein robuster Produktionsprozess dadurch aus, dass er gegen unerwünschte Einflussgrößen unempfindlich ist und eine termin- und abrufgerechte Produktion mit ausgezeichneter Qualität unter Einhaltung des geplanten wirtschaftlichen Aufwandes sicherstellt. Quelle: Wikipedia Verfügbarkeit Weltweit werden über 2.800 Millionen t Zement produziert ( 2.800 Zementwerken mit 1.000.000 t/a, Anlagenvermögen von 400 Millionen ) Zement und Klinker Handel Das gesamte Handelsvolumen belief sich 2008 auf 140 Mio. t 65 % der Handelsmengen waren Zement, 77 % der Zement-Handelsmengen per Schiff transportiert. 82 % der Klinkerhandelsmengen per Schiff transportiert. 8
Welthandel Dauerhaftigkeit (Nutzung) Robustheit (Verwendung) Verfügbarkeit (zeitlich, räumlich) 1. Historischer Rückblick 2. Grundanforderungen 3. Aktuelle Situation 4. Ausblick 5. Zusammenfassung 9
Handlungsoptionen: - Reduzierung der erforderlichen Prozessenergie - Substitution der Primärenergie - Verwendung weiterer Hauptbestandteile - Optimierung der Zementzusammensetzung - Substitution von Portlandklinkerrohstoffen (Rohmehl) - Neue Bindemittelsysteme Haupt- Rohstoff Kalkstein. Hochtemperaturprozess 1.460 C Dabei Reaktion CaCO 3 CaO + CO 2 Führt gemeinsam mit Prozessenergie zu: ca. 800 kg CO 2 je 1 t Portlandklinker! 10
Portlandzementklinker K : durch Sinterung entstandenes hydraulisches Material mindestens zu 2/3 Calziumsilikat Rest: Aluminium und Eisen enthaltende Klinkerphasen sowie weitere Verbindungen Kalkstein LL : Natürliches Gestein Kalziumkarbonat-(CaCO 3 )-Gehalt mind. 75 M.-% Gehalt an org. Kohlenstoff 0,20 M.-% Tongehalt (Methylenblau-Verfahren) 1,20g/100g Weltweit nahezu unbegrenzt verfügbar In Deutschland als Zementhauptbestandteil etwa. 1,5 Mio. Hüttensand S : entsteht durch schnelles Abkühlen einer Hochofenschlacke aus dem Hochofenprozess mindestens 2/3 glasig erstarrte Schlacke bei geeigneter Anregung hydraulische Eigenschaften Weltweit verfügbar etwa 200 Mio. t In Deutschland ca. 7,5 Mio. t für die Zementproduktion Flugasche V : wird durch elektrostatische oder mechanische Abscheidung aus Rauchgasen von Kohlenstaubfeuerungen erhalten mindestens 25% reaktionsfähiges SiO 2 maximal 10% reaktionsfähiges CaO Glühverlust maximal 5%, bei Deklaration 7% Weltweit verfügbar etwa 500 Mio. t In Deutschland ca. 0,5 Mio. t in der Zementproduktion plus ca. 2 Mio. t SFA als Betonzusatzstoff 11
DIN 1164 : 1994 DIN EN 197 0,8 0,75 0,7 0,65 t CO2 / t Zement 0,6 0,55 0,5 0,45 0,4 Entwicklung, Zulassung, Markteinführung neuer Zemente 0,35 2010 2015 2020 2025 2030 2035 2040 2045 2050 Cement Technology Roadmap 2009 und Zeitachse für Produktentwicklung und einführung (Massenprodukt). 12
Portland-Kompositzement Portlandhüttensandement Portlandsilikastaubzement Portlandpuzzolanzement Portlandflugaschezement Portlandschieferzement Portlandkalksteinzement Portlandkompositzement CEM II/A-S 6-20 % CEM II/B-S 21-35 % Hüttensand: S CEM II/A-D 6-10 % Silikastaub: D CEM II/A-P/Q CEM II/B-P/Q CEM II/A-V/W CEM II/B-V/W CEM II/A-L/LL CEM II/B-L/LL 6-20 % 21-35 % 6-20 % 21-35 % CEM II/A-T 6-20 % CEM II/B-T 21-35 % 6-20 % 21-35 % Natürliche Puzzolane: P Getemperte Puzzolane: Q Kieselsäurereiche FA: V Kalkreiche FA: W Gebrannter Schiefer: T TOC 0,50 M.-%: L TOC 0,20 M.-%: LL CEM II/A-M 6-20 % S + D* + P + Q + CEM II/B-M 21-35 % V + W + L + LL - CEM II/B-M mit folgende Kombinationen K + (LL + S) K + (LL + V) K + (LL + T) - Seit 2004 über 20 allgemeine bauaufsichtliche Zulassungen mit Nachweis der Dauerhaftigkeit: -Carbonatisierungsverhalten -Widerstand gegenüber dem Eindringen von Chloriden -Frostwiderstand -Frost-Tausalz-Widerstand - CEM II/ -M Zemente machen inzwischen rund 10,5 % des gesamten Inlandversandes aus (Transportbeton, DYS- Produkte). 13
Messwerte Frost-Tausalz-Widerstand von LP-Beton bei Prüfung mit dem CDF-Verfahren (w/z-werte 0,41 bis 0,50; Zementgehalte 320 bis 365 kg/m³; Zementfestigkeitsklassen 32,5 R und 42,5 N) [9] 1995 wurde an in den 20/30 iger Jahren des vorherigen Jahrhunderts gebauten Betonfahrbahndecken noch (wesentliche) Anteile nicht hydratisierter Portlandklinker gefunden. Quelle: www. Maximale Ausnutzung des Potentials des Portlandzementklinkers und Maximales Leistungspotential des je Tonne CO2 Ausstoß produzierten Portlandzementklinkers. 14
1. Historischer Rückblick 2. Grundanforderungen 3. Aktuelle Situation 4. Ausblick 5. Zusammenfassung EN 197 - Zemente, die bei allen Beton- und Stahlbetonbauten verwendet werden können und in den meisten Ländern gebräuchlich sind, jahrelang hergestellt und verwendet wurden. Kurz gesagt, diese Zemente erfüllen die Kriterien traditionell und bewährt. Puzzolanzemente Kompositzemente CEM IV/A CEM IV/B CEM V/A CEM V/B 11-35 % Silikastaub: D Natürliche Puzzolane: P Getemperte Puzzolane: Q 36-55 % 18-30% 18-30% 31-50% 31-50% Kieselsäurereiche FA: V Kalkreiche FA: W Hüttensand: S P + Q + V Hüttensand: S P + Q + V EN 197 Neue Zemente auf der Basis bekannter Hauptbestandteile 15
Für die in Deutschland relevanten Hauptbestandteile Portlandzementklinker (K), Hüttensand (S), Kalksteinmehl (LL) und kieselsäurereiche Flugasche (V) ergibt sich dann nachfolgender Tetraeder, dessen Seitenflächen durch Rankin Diagramme von jeweils drei dieser Hauptbestandteile gebildet werden. Farblich hinterlegt sind die durch die EN 197 belegten Bereiche, als weiße Fläche dargestellt sind mögliche Bereiche für neue Zemente (CEM X ), die unter Berücksichtigung bisheriger Erfahrungen einen möglichst breiten Anwendungsbereich haben könnten. < 20 % V < 50 % S > 50 % K Lösungsfeld K-V-S inklusive der EN 197-Zemente und möglicher CEM X -Zemente 16
< 20 % LL < 50 % S > 50 % K Lösungsfeld K-LL-S inklusive der EN 197-Zemente und möglicher CEM X -Zemente < 20 % LL < 35 % V > 50 % K Lösungsfeld K-LL-V inklusive der EN 197-Zemente und möglicher CEM X -Zemente 17
Das Müller-Kühne-Verfahren Das Gipsschwefelsäure-Verfahren basiert auf einer reduzierenden Spaltung von Calciumsulfat mit Kohlenstoff oberhalb von 700 C (Gegenstromprinzip im Drehrohrofen). Schwefelträger, Kohlenstoffträger, Sekundärbrennstoff Al 2 O 3 -/Fe 2 O 3 -/SiO 2 -Träger Rohstofflager Trocknung, Zerkleinerung, Dosierung Rohmehl- Ofensilo Drehrohrofen SO 2 CaO Schwefelsäureanlage Portlandklinkerherstellung Low Temperatur Clinker Technology Low Temperature Clinker Technology (fluorite/gypsum mineralizing process) seeking the feasibility of temperature reduction to fix Chloride retention in the clinker and production increase in the kiln. CaSO 4 adds by traditional raw materials CaSO 4 adds by alternate source CaF 2 adds as promoter agent of Phases LOW TEMPERATURE CLINKER PRODUCTION Decrease of sintering temperature improvement of raw mix burnability Control of new operation conditions Decrease of volatiles cycle Incorporation of fuel SO3 Decrease of the fuel Low Temperature Clinker SO3 increases in clinker SO3 fix as CaSO 4 Free lime in normal parameters. Quelle: www 18
1. Historischer Rückblick 2. Grundanforderungen 3. Aktuelle Situation 4. Ausblick 5. Zusammenfassung - Neuer Zemente müssen die erforderlichen Dauerhaftigkeit der Bauwerke (mit) sichern. Die Rohstoffbasis muss nachhaltig und überregional verfügbar sein. - Im Kern prozessgetrieben hat die Zementproduktion in den letzten 15 20 Jahren zusätzlichen einen starke produktbezogenen Aspekt bekommen. - Die EN 197-2000 ermöglicht die Entwicklung und Markteinführung von Portlandkompositzemente mit bekannten und bewährten Hauptbestandteilen. - Das Potential der CEM IV bzw. CEM V Zemente nach EN 197 wird aktuell geprüft. - CEM X Zemente sind hinsichtlich der grundsätzlichen Anforderungen an die Ausgangsstoffe in der EN 197 definiert. 19
- In Bereich mit einer produktgenormte Verwendung bestehen günstige Voraussetzungen zur Anwendung und Markteinführung von Neuentwicklungen. - Mit den gestiegenen Anforderungen aus Nachhaltigkeit und Ökologie entstand auch ein neuer Druck auf die Prozessentwicklung und Neubewertung bekannter. - Komplett neue stoffliche Lösungen können in den kommenden Jahren punktuell bisherige Zementsysteme ablösen. - Nachhaltigkeit ist auch Sicherung der Dauerhaftigkeit durch qualitätsgerechte Bauausführung. 20