Zement: Eigenschaften, Herstellung und Klassifizierung

1. Standardmodell und Prüfverfahren

• Zweck der Regelung: Festlegung der Vorschriften und Durchführung von Tests.
• Probenahme: Bestimmung von Merkmalen wie Größe, Volumen und Gewicht.
• Ausrüstung und Mitarbeiter: Beschreibung der Werkzeuge und Geräte für die Versuche (Ensayo).
• Ergebniserfassung: Dokumentation der erzielten Resultate.

2. Definition wichtiger Begriffe

Puzzolanische und hydraulische Aktivität

• Puzzolanische Aktivität: Fein gemahlene Puzzolane reagieren mit Calciumhydroxid (Ca(OH)₂), um stabile Verbindungen mit bindendem Charakter zu bilden.
• Hydraulische Aktivität: Hydraulische Bindemittel binden nach dem Mischen mit Wasser sowohl an der Luft als auch unter Wasser ab und härten aus.
• Volumenstabilität: Begrenzung von CaO (2 %) und MgO (5 %) im Zement und Beton, um expansives Treiben zu verhindern.

Festigkeitsklassen

Definition der Mindestanforderungen an die Druckfestigkeit von Beton nach 28 Tagen, ausgedrückt in N/mm². Es werden drei Klassen unterschieden: 32,5, 42,5 und 52,5.

Falsches Erstarren (False Set)

Verursacht durch die teilweise Entwässerung von Gips-Dihydrat während der Klinkermahlung bei zu hohen Temperaturen. Das entstehende Halbhydrat oder Anhydrit beschleunigt das Erstarren und führt zu einer Versteifung der Paste. Durch erneutes Kneten kann die Plastizität wiederhergestellt werden. Eine weitere Ursache kann die Karbonatisierung von Alkalien während der Lagerung sein.

Blitzartiges Erstarren (Flash Set)

Hierbei entwickelt der Beton innerhalb von 24 Stunden statt 48 Stunden Widerstand. Dies geschieht durch die Hydratation von C₃A, begleitet von hoher Wärmefreisetzung. Gips dient hierbei als Regulator, um diesen Prozess zu verlangsamen.

Festigkeitsverlust bei Tonerdezement (CAC-R)

Unter hohen Temperaturen und Feuchtigkeit kommt es zur Rekristallisation von Monocalciumaluminat (CA) zu Tricalciumaluminat (C₃A). Dies führt langfristig zu einem mechanischen Festigkeitsverlust. Daher ist bei der Verwendung (z. B. nicht in Spannbeton) große Vorsicht geboten.

Spezifikationen nach RC-03

Regelungen für sulfatbeständigen Zement (SR) und meerwasserbeständigen Zement (MR).

3. Einfluss der Klinkerkomponenten

1. C₃S (Tricalciumsilicat/Alit): Bietet hohe Frühfestigkeit. Mit ca. 60 % Anteil die wichtigste Komponente. Hohe Hydratationswärme (~120 cal/g).
2. C₂S (Dicalciumsilicat/Belit): Bietet langfristige Festigkeit. Niedrige Hydratationswärme (~62 cal/g).
3. C₃A (Tricalciumaluminat): Liefert in Kombination mit Silikaten die erste Festigkeit. Sehr hohe Hydratationswärme (~207 cal/g). Erfordert Gips als Erstarrungsregler.
4. C₄AF (Tetracalciumaluminatferrit): Wirkt als Flussmittel und senkt die Schmelztemperatur bei der Klinkerbildung. Geringer Beitrag zur Festigkeit (~100 cal/g).

4. Zusätzliche Merkmale von Normalzement

• SR: Beständig gegen Sulfate.
• MR: Seewasserbeständig.
• BC: Niedrige Hydratationswärme (Low Heat).

5. Mauermörtelzement mit Kennzeichnung X

Das X steht für einen Luftporenbildner. Diese erzeugen Luftblasen, die das kapillare Netzwerk unterbrechen. Dies verhindert Risse bei Frost, da sich das gefrierende Wasser ausdehnen kann. Es verbessert die Verarbeitbarkeit, reduziert jedoch die mechanische Festigkeit aufgrund der höheren Porosität.

6. Hauptoxide und Klinkerbildung

• Rohstoffe: Kalkstein (CaCO₃), Mergel und Ton liefern Oxide wie SiO₂, Al₂O₃, CaO und Fe₂O₃.
• Reaktionen:
  • 900 °C: Entsäuerung und Zersetzung der Tone.
  • 1200 °C: Klinkerbildung (Sinterung), bei der die Hauptkomponenten C₂S, C₃S, C₃A und C₄AF entstehen.

7. Beschreibung CEM II/A-P 42,5 R (UNE 80306)

• CEM II: Portlandkompositzement mit Zusätzen.
• P: Zusatz von natürlichem Puzzolan.
• A: Hoher Klinkergehalt.
• 42,5: Festigkeitsklasse (Mindestdruckfestigkeit nach 28 Tagen).
• BC: Zusätzliches Merkmal: niedrige Hydratationswärme.

8. Schwinden und Treiben

• Schwinden (Kontraktion): Zusammenziehung der Paste während des Erstarrens. Abhängig von der Mahlfeinheit: Je feiner der Zement, desto größer das Schwinden.
• Treiben (Expansion): Volumenzunahme durch Hydratation von freiem CaO und MgO oder durch Bildung von Ettringit (Candlot-Salz) aus C₃A und Gips.

9. Herstellungsverfahren

Trockenverfahren

1. Zerkleinerung und Trocknung von Kalkstein und Ton.
2. Injektion von Brennstoffen.
3. Mahlen der Rohstoffe.
4. Lagerung in Homogenisierungssilos.
5. Brennen im Ofen zu Klinker, gefolgt von gemeinsamer Mahlung mit Gips.
6. Lagerung in Zementsilos und Verpackung.

Nassverfahren

1. Nassmahlung von Kalkstein und Aufschlämmen von Ton. Trennung von Steinen und Sand.
2. Dosierung der Schlämme.
3. Feinmahlung in Raffinationsmühlen.
4. Homogenisierung in Silos unter ständigem Rühren.
5. Einfuhr der feuchten Paste in den Drehofen.

10. Zusatzstoffe (Additive) für CEM II

• Hochofenschlacke (S): Nebenprodukt der Eisenherstellung. Verbessert die Beständigkeit gegen Säuren und Sulfatwasser. Niedrige Hydratationswärme.
• Silikastaub (D): Sehr feiner amorpher Quarzstaub, wirkt ähnlich wie Schlacke.
• Puzzolane (P/Q): Natürlich (P) oder industriell (Q). Reagieren mit Ca(OH)₂ zu bindenden Verbindungen. Erhöhen die chemische Beständigkeit.
• Flugasche (V/W): Kieselsäurereich (V) oder kalkreich (W). Besitzen puzzolanische Eigenschaften.
• Kalkstein (L/LL): Inerter Füllstoff. Verbessert die Verarbeitbarkeit und reduziert das Schwinden durch Schließen der Poren.

11. Faktoren, die das Erstarren und Erhärten beeinflussen

• Wasser-Zement-Wert: Zu viel Wasser bremst den Prozess.
• Temperatur: Kälte verzögert, Hitze beschleunigt das Erstarren.
• Mahlfeinheit: Höhere Feinheit beschleunigt die Reaktionen, erhöht aber auch die Hydratationswärme und das Schwindrisiko.

12. Puzzolanzement und Tonerdezement

Puzzolanzement

Mischung aus Portlandzement und Puzzolanen. Erfordert intensive Aushärtung und mehr Anmachwasser. Bietet hohe langfristige Festigkeit und Dichte, ideal für Wasserbauten und Kanäle.

Tonerdezement (Aluminatzement)

Hergestellt aus Kalkstein und Bauxit. Bietet extrem hohe Frühfestigkeit und Säurebeständigkeit. Ideal für Betonieren bei Kälte oder als feuerfester Beton. Achtung: Gefahr der Festigkeitsregression bei Feuchtigkeit und Wärme.

13. Definition: Erstarren vs. Erhärten

• Erstarren (Setting): Übergang der Zementpaste vom flüssigen in den festen Zustand durch Viskositätszunahme.
• Erhärten (Hardening): Progressive Zunahme der mechanischen Festigkeit durch Kristallisation und kolloidale Adhäsion über einen Zeitraum von meist 28 bis 90 Tagen.