Zemente mit geringem Klinkeranteil für die Betone der Zukunft Christoph Müller, Sebastian Palm, Katrin Severins, Düsseldorf Technisch-Wissenschaftliche Zementtagung 2011
Zementarten (Inlandversand Deutschland) Anteile in % 70 60 50 40 30 20 10 0 62 34 34 30 CEM I 15 22 13 13 8 17 24 24 CEM II/S CEM II/LL CEM II/T 10 10 9 21 20 18 14 2000 2008 2009 2010 CEM II/M CEM III sonst. 1 Quelle: BDZ
Zementarten für alle Expositionsklassen Portlandzement CEM I Portlandhüttenzemente CEM II/A-S und CEM II/B-S Portlandschieferzemente CEM II/A-T und CEM II/B-T Portlandkalksteinzemente CEM II/A-LL Portlandflugaschezemente CEM II/A-V und CEM II/B-V Portlandkompositzemente CEM II/A-M mit S, LL, T, V bzw. D 1) Portlandkompositzemente CEM II/B-M mit S, T, V bzw. D 1) Portlandkompositzemente CEM II/B-LL und CEM II/B-M mit abz (Anwendungszulassung AZ) Hochofenzemente CEM III/A 2) 1) (D-V) nicht in XF2/XF4 2) Expositionsklasse XF4: CEM III/A der Festigkeitsklasse 42,5 N oder der Festigkeitsklasse 32,5 R mit bis zu 50 M.-% Hüttensand
Baustoffprofil für 1 t Zement (Durchschnitt 1996 und 2006) 1996 2006 Wirkungskategorie global regional Treibhauseffekt (GWP) Ozonabbau (ODP) 1) Versauerung (AP) Überdüngung (NP) 872 670 kg CO 2 -Äq. 0 1,6*10-5 kg R11-Äq. 1,68 0,92 kg SO 2 -Äq. 0,20 0,12 kg PO 3- -Äq. 4 Sommersmog (POCP) 2) 0,07 0,10 kg C 2 H 4 -Äq. Primärenergie (nicht erneuerbar) 4355 2713 MJ 1) Indikator wurde 1996 zu Null gesetzt 2) Indikator lag 1996 ein anderes Berechnungsverfahren zugrunde
Baustoffprofil für 1 t Zement (Durchschnitt 1996 und 2006) 1996 2006 Wirkungskategorie global regional Treibhauseffekt (GWP) Ozonabbau (ODP) 1) Versauerung (AP) Überdüngung (NP) 872 670 kg -CO 23 2 %-Äq. 0 1,6*10-5 kg R11-Äq. 1,68 0,92 kg SO 2 -Äq. 0,20 0,12 kg PO 3- -Äq. 4 Sommersmog (POCP) 2) 0,07 0,10 kg C 2 H 4 -Äq. Primärenergie (nicht erneuerbar) 4355 2713 MJ 1) Indikator wurde 1996 zu Null gesetzt 2) Indikator lag 1996 ein anderes Berechnungsverfahren zugrunde
Neue Bindemittel(konzepte)? Alte Ideen neu entdeckt!? Belitzemente Calciumsulfoaluminatzemente Geopolymere Möglichkeiten und Grenzen der EN 197-1 Zemente mit unkonventionellen Hauptbestandteilen CEM X Zemente Neue Ausgangsstoffe und Herstellungswege Glaszemente Celitement Novacem
Zusammensetzung ausgewählter (neuer) Zemente CEM II CEM II CEM X CEM X CEM II CEM X CEM II/B-LL bis 35 M.-% % Kalkstein CEM II/B-M M (S-LL) bis 35 M.-% % S, LL CEM X (S-LL) hier bis 40 M.-% S, LL CEM X (S-LL) hier bis 50 M.-% % S, LL CEM II/B-M (V-LL) bis 35 M.-% V, LL CEM X (V-LL) hier bis 40 M.-% V, LL 30 M.-% % Kalkstein im Zement 10 M.-% % Hüttensand H und 25 M.-% % Kalkstein im Zement 20 M.-% Hüttensand und 20 M.-% Kalkstein im Zement 40 M.-% % Hüttensand H und 10 M.-% % Kalkstein im Zement 10 M.-% Steinkohlenflugasche und 25 M.-% Kalkstein im Zement 20 M.-% Flugasche und 20 M.-% Kalkstein im Zement
Beispiel: Relative Betondruckfestigkeit ( r-wert ) 1,2 Relative Betondruckfestigkeit... 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 30% LL 10% S 25% LL 20% S 20% LL 40% S 10% LL 10% V 25% LL 20% V 20% LL CEM I 32,5 R CEM III/A 32,5 N CEM III/A 42,5 N 0 5 10 15 20 25 30 Prüfalter in Tagen Oberflächentemp. (Frischbetontemp.) in C 25 25 > 15 15 > 10 10 > 5 0,15 2 (4) 4 (4) 7 (7) 10 (14) r = f cm2 /f cm28 0,30 2 (2) 2 (2) 4 (4) 6 (8) 0,50 Mindestdauer der Nachbehandlung in d nach DIN 1045-3 *) 1 (1) 1 (1) 2 (2) 3 (4) *) Werte für Expositionsklassen außer X0, XC1 und XM; (...) Werte für XC2, XC3, XC4 und XF1
Beispiel: Widerstand gegen eindringende Chloride 35 30 25 20 15 Chloridmigrationskoeffizienten D Cl,M in 10-12 m 2 /s w/z = 0,50 z = 320 kg/m³ Prüfalter 98 Tage Wasserlagerung CEM II/B-LL CEM II/B-M (V-LL) CEM II/B-M (S-LL) CEM I CEM II/B-V CEM X (V-LL) CEM II/B-M (S-V) CEM X (S-LL) CEM II/B-S CEM III/A Erhöhung des Chlorideindringwiderstandes 10 5 0 Werkzement
Weltweite Verfügbarkeit latent hydraulischer und puzzolanischer Stoffe 2003 [Mt] 140 120 100 80 490 (720) 120 102 (214) 90 Verfügbarkeit 2003 Verwendung 2003 Source: Harder, Joachim; 2006 60 40 20 0 Flugasche Flugasche (2007): 720 Mt (Quelle: ecoba 2007) 15 12 5 4,5 Hüttensand nat. Puzzolane gebrannter Ölschiefer Hochofenschlacke (2008): 306 Mt davon 214 Mt als Hüttensand (Quelle: FEhS 2010) 0,9 Mikrosilika 15 0,5 0,3 0,2 0,1 Reisschalenasche Metakaolin
Entwicklung des weltweiten Zementverbrauchs bis 2050 Mt/Jahr 5000 k/z (erreichbar): 0,75 4000 3000 2000 1000 Other India China Brazil Canada&US OECD Pacific Europe 0 2005 2015 2030 2050 H.-M. Ludwig: VDZ Congress 2009 Quelle: IEA 2008
Klinker/Zement-Faktor 0,82 0,80 Klinker/Zement-Faktor 0,78 0,76 0,74 0,72 0,70 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 Jahr Quelle: BDZ
Klinkerleistungsfähigkeit Betondruckfestigkeit in MPa in N/mm 2 160 140 120 100 80 60 40 20 0 0 100 200 300 400 500 600 Einflüsse: z. B. - Zementgehalt - Zementfestigkeit -(w/z) eq Klinkergehalt in kg/m 3 Klinkergehalt in kg/m 3
Klinkerleistungsfähigkeit Klinker Klinkergehalt / Festigkeit / Festigkeit in in kg/(m 3 x 3 MPa) x MPa) 16,0 14,0 12,0 10,0 8,0 6,0 4,0 2,0 0,0 0 25 50 75 100 125 150 Einflüsse: z. B. - Zementgehalt - Zementfestigkeit -(w/z) eq Betondruckfestigkeit in MPa Betondruckfestigkeit in N/mm 2
Vergleich der Anwendungsregeln für Zemente in Europa Beispiel: Außenbauteilbeton Land max min z CEM I (w/z) eq kg/m 3 CEM II S LL M A B A B A B CEM III CEM IV CEM V Österreich 0,55 300 x x x (x) x (x) Belgien 0,50 320 x x x x x x x x x Dänemark 0,55 150 (x) (x) Finnland 0,60 250 x x (x) (x) x (x) Deutschland 0,60 280 x x x x (x) (x) x x (x) (x) (x) Irland 0,55 320 x Italien 0,50 320 x x x x x x x x x x x x x Niederlande 0,50 300 x x x x x Norwegen 0,60 250 x x x Großbritannien 0,60 280 x x x x x x x x erlaubt nicht erwähnt (x) mit Einschränkungen nicht erlaubt
Klinkerleistungsfähigkeit 16,0 14,0 12,0 10,0 8,0 6,0 4,0 2,0 0,0 0 25 50 75 100 125 150 Klinker Klinkergehalt / Festigkeit / Festigkeit in in kg/(m 3 x 3 MPa) x MPa) Betondruckfestigkeit in MPa Betondruckfestigkeit in N/mm 2
Minimal- / Maximalwerte aus dem gekennzeichneten Bereich (Betondruckfestigkeit (40 5) N/mm 2 ) Klinkergehalt in kg/m³ weitere Hauptbestandteile in kg/m³ 500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0 weitere Hauptbestandteile Klinker S + LL w/z = 0,60 w/z = 0,32 Abstimmung der Hauptbestandteile und des w/z Wertes ermöglicht Reduzierung des Klinkergehalts max. Klinker min. Klinker Klinker: 97,5 kg/m 3 Hüttensand: 52,5 kg/m 3 Kalkstein: 289 kg/m 3
Minimal- / Maximalwerte aus dem gekennzeichneten Bereich (Betondruckfestigkeit (40 5) N/mm 2 ) Klinkergehalt in kg/m³ weitere Hauptbestandteile in kg/m³ 500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0 weitere Hauptbestandteile Klinker max. Klinker S + LL w/z = 0,60 w/z = 0,32 min. Klinker k/z (Klinker/Zement-Faktor) 1,0 0,25 zum Vergleich: k/z (2010): 0,74
Forschungsprojekt Titel: Projektlaufzeit: Förderung: Reduzierung der Umweltwirkung der Betonbauweise durch neuartige (kalksteinhaltige) Zemente und daraus hergestellte Betone 01.05.2011-30.04.2013 DBU - Deutsche Bundesstiftung Umwelt Spenner Zement GmbH & Co. KG (Antragsteller) Kooperation mit: Herkules Transportbeton TU Darmstadt Assoziierte Partner: VDZ-Mitgliedsunternehmen
Arbeitsschritte Labortechnische Optimierung der Zemente Industrielle Herstellung optimierter Zemente Herstellung und Prüfung von Betonen Baupraktische Umsetzung (Transportbetonwerk) und Bauteilversuche Ökobilanzielle Bewertung
Zemente für die Mörtelversuche Zement Referenz CEM I 32,5 R Referenz CEM II/A-LL 32,5 R Referenz CEM II/B-LL 32,5 R 50/50 LL1-3 40/60 LL1-3 30/70 LL1-3 Portlandzementklinker [%] mind. 95 80 65 (70) 50 40 30 Kalkstein LL [%] - 20 35 50 60 70 Herstellung der Zemente im Labor Mörtelversuche mit w/z - Werten zwischen 0,5 und 0,3 ggf. Fließmittel zur Einstellung eines konstanten Ausbreitmaßes konstantem Leimgehalt konstantem Zementgehalt (alternativ) Auswahl geeigneter Zemente für die Betonversuche
Erste Ergebnisse 80 Mörteldruckfestigkeit in MPa 70 60 50 40 30 20 10 0 Referenz CEM I 52,5 R Referenz CEM I 42,5 N Referenz CEM II/A-LL 32,5 R CEM X-LL (50 LL1) CEM X-LL (50 LL1) CEM X-LL (50 LL1) w/z = 0,5 w/z = 0,5 w/z = 0,5 w/z = 0,5 w/z = 0,4 w/z = 0,3 2d 7d 28d Mörtel mit konstantem Leimvolumen / konstantem Ausbreitmaß
Dauerhaftigkeitsorientierte Optimierung von Zementen Druckfestigkeit in MPa... 55 50 45 40 35 30 25 20 Versuch 1 mit 7020 cm²/g Versuch 2 mit 7430 cm²/g Versuch 3 mit 6140 cm²/g Versuch 4 mit 6900 cm²/g 0 5 10 15 20 25 30 Prüfalter in Tagen Abwitterungen in M.-%... 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 Versuch 1 mit 7020 cm²/g Versuch 2 mit 7430 cm²/g Versuch 3 mit 6140 cm²/g Versuch 4 mit 6900 cm²/g 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Anzahl der Frost-Tau-Wechsel Druckfestigkeitsentwicklung (links) und Abwitterungen von Betonen im Würfelverfahren (rechts) bei Portlandkalksteinzementen mit rd. 30 M.-% Kalkstein
Dauerhaftigkeitsorientierte Optimierung von Zementen Druckfestigkeit in MPa... 55 50 45 40 35 30 25 20 Versuch 1 mit 7020 cm²/g Versuch 2 mit 7430 cm²/g Versuch 3 mit 6140 cm²/g Versuch 4 mit 6900 cm²/g 0 5 10 15 20 25 30 Prüfalter in Tagen Abwitterungen in M.-%... 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 Versuch 1 mit 7020 cm²/g Versuch 2 mit 7430 cm²/g Versuch 3 mit 6140 cm²/g Versuch 4 mit 6900 cm²/g 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Anzahl der Frost-Tau-Wechsel Druckfestigkeit Dauerhaftigkeit Druckfestigkeitsentwicklung (links) und Abwitterungen von Betonen im Würfelverfahren (rechts) bei Portlandkalksteinzementen mit rd. 30 M.-% Kalkstein
Nachweis der Leistungsfähigkeit neuer Zemente Im System der Mindestanforderungen an die Betonzusammensetzung nach DIN EN 206-1/DIN 1045-2 alle Expositionsklassen (Status quo) nur bestimmte Expositionsklassen (z. B. Innenbauteile oder nur bis XC4/XF1 ( normale Außenbauteile)) Unter angepassten betontechnischen Randbedingungen (z. B. geringerer w/z-wert)
Schlussfolgerungen Technisch und ökologisch optimierte Zemente mit mehreren Hauptbestandteilen als nachhaltige Lösungen für das Bauen mit Beton Potentiale für neue Zemente (CEM X) Die vorliegenden Ergebnisse zu neuen Zementen können nicht verallgemeinert werden Herstellprozess (Granulometrie, Qualität der Hauptbestandteile) - bisher in abz i. d. R. nicht spezifiziert Labortechnische Theorie vs. robuste, praxistaugliche Lösungen für die großtechnische Herstellung von Zement und Beton Leistungsfähigkeit des Betons muss gleichmäßige, robuste Frisch- und Festbetoneigenschaften einschließlich der Dauerhaftigkeit des Betons umfassen
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