Zementtechnologie aktuell Mischmeisterschulung Holleben 02.+03.03.2015 Dipl.-Ing. Roland Mellwitz
Das aktuelle Regelwerk für die Zemente Welche Normen gelten? März 2015 Schwenk Mischmeisterschulung 2
Normen für Zement DIN EN 197-1: 2011-11 Zement - Teil 1: Zusammensetzung, Anforderungen und Konformitätskriterien von Normalzement (Entw. 2014-07) DIN EN 197-2: 2014-05 Zement - Teil 2: Konformitätsbewertung DIN EN 14216: 2004-08 Sonderzement mit sehr niedriger Hydratationswärme (Entw. 2014-11) DIN 1164-10: 2013-03 Zement mit besonderen Eigenschaften 3
Welche Zementarten gibt es in der DIN EN 197-1 (2011)? Slag-puzzolanic cement* Kompositzement CEM VI * 4
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
Zusammensetzung der Zemente nach DIN EN 197-1 (2011) 6
Zusammensetzung der Zemente nach DIN EN 197-1 Entwurf 2014 7
Zusammensetzung der Zemente nach DIN EN 197-1 (Fortsetzung) Entwurf 2014 8
Erweiterung des Zementsortimentes Quelle: VDZ 9
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Europäische Produktnormen für Zement Norm-Nr. Zement/Bindemittel Bezeichnung Festigkeitsklasse neue Klassen Stand DIN EN 197-1 DIN EN 197-1 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 - 2011-11 270 J/g (LH) 2011-11 DIN EN 197-1 DIN EN 197-1 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 2011-11 2011-11 11
Zusätzliche Anforderungen an Normalzemente mit hohem Sulfatwiderstand 12
Die sieben Produkte der Familie der Normalzemente mit hohem Sulfatwiderstand 13
Europäische Produktnormen für Zement Norm-Nr. Zement/Bindemittel Bezeichnung Festigkeitsklasse neue Klassen Stand DIN EN 197-1 DIN EN 197-1 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 - 2011-11 270 J/g (LH) 2011-11 DIN EN 197-1 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) 2011-11 DIN EN 197-1 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 2011-11 DIN EN 14216 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) 2004-08 14
Nationale Produktnormen für Zement Norm-Nr. Zement/Bindemittel Klassen Stand DIN 1164-10 Zement mit besonderen Eigenschaften HS - hoher Sulfatwiderstand NA - niedriger wirksamer Alkaligehalt 2013-03 DIN 1164-11 Zement mit verkürztem Erstarren FE - frühes Erstarren SE - schnell erstarrend 2003-11 DIN 1164-12 Zement mit einem erhöhten Anteil an organischen Zusätzen HO - erhöhter organischer Zusatz 2005-06 Grundanforderungen sind in DIN EN 197-1 geregelt 15
Zemente mit besonderen Eigenschaften nach DIN 1164-10 (2013-03) niedrige Hydratationswärme NW Zementart Zement-NW In DIN EN 197-1 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 197-1 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.-%] --- 21-35 36-49 50-65 66 wirksamer Alkaligehalt [%Na 2 O-Ä.] 0,60 0,70 0,95 1,10 2,00 16
Zusammensetzung der Zemente Nebenbestandteile 17 17
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
Normbezeichnung der Zemente n. DIN EN 197-1/DIN 1164 Kurzzeichen Festigkeits- Anfangs- besondere Zementart klasse festigkeit Eigenschaften Beispiele : Portlandzement DIN 1164-10 (alt) CEM I 42,5 R-HS neu nach DIN EN 197-1 CEM I 42,5 R-SR 3 Portlandzement DIN EN 197-1 Portlandzement DIN 1164-10 Portlandkompositzement DIN EN 197-1 Hochofenzement DIN EN 197-4 Hochofenzement DIN 1164-10 (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
Konformität (Übereinstimmung) Normalzement nach DIN EN 197 Zement mit besonderen Eigenschaften nach DIN 1164 1 2 3 1 2 3 EG-Konformitätszeichen (CE-Zeichen), Übereinstimmungszeichen (Ü-Zeichen) und Zeichen der Überwachungsgemeinschaft des Vereins Deutscher Zementwerke e.v. (VDZ) 20
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 2012 19,2% erreicht) 23.10.2014 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
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 2014 0 10 20 30 40 50 60 70 Anteil der Produktionsmenge in % 22
Weltzementmenge Entwicklung bis 2050 23
Ausbildung der Klinkerphasen Temperatur in C Vorgang chemische Umsetzung 20-200 Trocknung 200-450 Abgabe adsorbiertes Wasser 450-600 Tonzersetzung, Bildung von Metakaolinit Al 4 (OH) 8 Si 4 O 10 2(Al 2 O 3 2SiO 2 ) + 4H 2 O 600 900 Metakaolinitzersetzung Calciumcarbonatzersetzung Al 2 O 3 2SiO 2 Al 2 O 3 + 2SiO 2 CaCO 3 CaO + CO 2 900-1000 Bildung von CS und CA 3 C + 2 S + A 2CS + CA 1000-1300 Kalkaufnahme durch CS und CA, Bildung C 4 AF und C 3 A 1200-1450 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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SCHWENK Zement KG Werk Bernburg Altenburger Chaussee 06406 Bernburg SCHWENK Zement KG Werk Karlstadt Laudenbacher Weg 5 97753 Karlstadt SCHWENK Zement KG Werk Allmendingen Fabrikstraße 89604 Allmendingen SCHWENK Zement KG Werk Mergelstetten Hainenbachstraße 30 89522 Mergelstetten 26
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
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
Einsatz von sekundären Brennstoffen in der Zementindustrie in Deutschland Sekundärbrenn nstoffrate in % 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 Tiermehl BGS Klärschlamm (tr.) Quelle: VDZ Papierreststoffe 29
Energieeinsatz zur Herstellung von Zement Quelle: VDZ Monitoringbericht 1990-2012 30
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
16000 Zement-Inlandsversand in 1000 t/a* 14000 12000 10000 8000 6000 4000 2000 0 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 * Verbandsmitglieder des VDZ CEM I CEM II CEM III Quelle: VDZ 32
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
Zementmahlung mit aktivierenden Mahlhilfen 34
Prinzip einer Zweikammer Kugelmühle Forschung: Optimierung Mahlkörpergattierung für bessere Energieeffizienz der Mühle 35
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
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
3 A 3. A 3. B Silogruppe 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3 3. 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 2 1.9 1.10 1.11 1.12 1.13 1.14 1.15 1.16 Silogruppe 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 Sackware 1. E 1 1. E 2 1. F 1 1. F 2 38
Grundriss neuer, moderner Silos 39
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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
Alternative Bindersysteme Weiterentwicklung bekannter Konzepte ocalciumsulfoaluminat Zement (Lafarge) osulfathüttenzement obelitzement ogeopolymere 42
Quelle: FIB Weimar Prof. Dr.-Ing. Ludwig 43
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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Bilder: M.Breig KIT 46
Quelle: U.Deck dpa nano_celitement.mp4 Quelle: KIT Quelle: U.Deck dpa 47
1876 1901 1943 48