Zemente für Beton mit geringer Wärmeentwicklung
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Zemente für Betone mit geringer Wärmeentwicklung oberkaernten.info 29.03.2012 Vilser Baustofftag 2012, Röck; Ostheimer 1 INHALT Einleitung 1. Normen und Richtlinien 2. Einflüsse auf die Hydratationswärme von Zement 3. Geeignete Zementsorten 4. Prüfmethoden 5. Zusammenfassung 29.03.2012 Vilser Baustofftag 2012; Röck, Ostheimer 2 1. Normen und Richtlinien – ÖN EN 197-1 – ÖN EN 196-8 (Lösungswärme) – ÖN EN 196-9 (Teiladiabate) – ÖN B 4710-1 – ÖN B 3327-1 29.03.2012 Vilser Baustofftag 2012; Röck; Ostheimer 3 ÖN EN 197-1 Zusammensetzung, Anforderungen und Konformitätskriterien von Normalzement • 7.2.3 Hydratationswärme Die Hydratationswärme von Normalzementen mit niedriger Hydratationswärme darf den charakteristischen Wert 270 J/g nicht überschreiten. Die Hydratationswärme ist entweder nach 7 Tagen nach EN 196-8 oder nach 41 h nach EN 196-9 zu bestimmen. Normalzemente mit niedriger Hydratationswärme sind durch das Kurzzeichen „LH“ zu kennzeichnen. ANMERKUNG 1: In einem vornormativen Forschungsvorhaben wurde nachgewiesen, dass die Prüfergebnisse, die nach EN 196-8 nach 7 Tagen und nach EN 196-9 nach 41 h erzielt werden, gleichwertig sind. Dennoch sollte in Streitfällen zwischen Laboratorien vereinbart werden, welches Verfahren anzuwenden ist. ANMERKUNG 2: Für einige Anwendungen ist ein Zement mit einem höheren Wert der Hydratationswärme geeignet. Dieser Wert sollte zwischen Hersteller und Anwender vereinbart werden. Der betreffende Zement sollte nicht als Zement mit niedriger Hydratationswärme (LH) bezeichnet werden. 29.03.2012 Vilser Baustofftag 2012; Röck; Ostheimer 4 ÖN B 4710-1 Beton- Festlegung, Herst., Verw. und Konformitätsnachweis 29.03.2012 Vilser Baustofftag 2012; Röck; Ostheimer 5 ÖN B 3327-1 –Zemente für besondere Verwendung 29.03.2012 Vilser Baustofftag 2012; Röck; Ostheimer 6 ÖN B 3327-1 –Zemente für besondere Verwendung 29.03.2012 Vilser Baustofftag 2012; Röck; Ostheimer 7 INHALT 1. Normen und Richtlinien 2. Einflüsse auf die Hydratationswärme von Zement 3. Geeignete Zementsorten 4. Prüfmethoden 5. Zusammenfassung 29.03.2012 Vilser Baustofftag 2012; Röck; Ostheimer 8 Wann ist niedrige Wärmeentwicklung wichtig? • Massive Bauwerke – Staumauern – Dicke Maschinenfundamente – Verfüllung von großen Hohlräumen (Kavernen; Luftschutzbunker etc.) • Wasserundurchlässige Bauwerke (Weiße Wannen) – – – – – – 29.03.2012 Klärbecken, Wasserbehälter Unterführungen Tiefgaragen Tunnelbauwerke U-Bahnen Keller Vilser Baustofftag 2012; Röck; Ostheimer 9 Warum ist niedrige Wärmeentwicklung wichtig? Hohe Betontemperaturen zeigen nachteilige Eigenschaften für das Bauwerk: – Bildung thermodynamisch nicht stabiler Hydratationsphasen; gefährlich besonders ab Temperaturen über 70 °C – Gefahr der Sekundärettringitbildung – Verminderung der Endfestigkeiteit – Verminderung der Dauerhaftigkeit – Rissgefahr beim Abkühlen (Reißrahmenversuch) 29.03.2012 Vilser Baustofftag 2012; Röck; Ostheimer 10 Einfluss der Klinkerphasen Klinkerphasen: Nach der Lehre der Thermodynamik verläuft keine chemische Reaktion vollständig ab sondern nur bis zu einem Gleichgewichtszustand, der durch das Massenwirkunsgesetz vorgegeben ist. Jede chemische Reaktion ist aber mit einem Energieumsatz verbunden, der durch die Änderung der freien Enthalpie nach der GIBBS-HELMHOLTZGleichung ΔGR = ΔHR – T*ΔSR beschrieben wird. 29.03.2012 Vilser Baustofftag 2012; Röck; Ostheimer 11 Einfluss der Klinkerphasen ΔGR = ΔHR – T*ΔSR • ΔGR molare freie Reaktionsenthalpie (Gibbs´sches Potenzial – maximaler Teil der Energie des Systems, der unter isobaren Bedingungen in Arbeit umgewandelt werden kann) in kJ/mol. • ΔHR molare Enthalpie (Wärmeinhalte der in Bindungen zwischen den Teilchen eines Systems enthalten ist und bei der Reaktion abgegeben oder aufgenommen wird, je nachdem in welche Richtung diese verläuft.) in kJ/mol. • ΔSR molare Entropie (Maß für den Ordnungszustand der Teilchen in einem System) in kJ/mol • T Reaktionstemperatur in . 29.03.2012 Vilser Baustofftag 2012; Röck; Ostheimer 12 Einfluss der Klinkerphasen ΔGR = ΔHR – T*ΔSR Die Wahrscheinlichkeit für das spontane Ablaufen einer chemischen Reaktion steigt, je niedriger das Gibbs´sche Potenzial ΔGR ist. • Bei negativen Werten verläuft die Reaktion von selbst ab, bei • ΔGR = 0 findet keine Reaktion statt und bei • positiven Werten von ΔGR muss Energie zugeführt werden, damit eine Reaktion in Gang kommt bzw. Sie läuft unter Umständen in die Gegenrichtung ab. 29.03.2012 Vilser Baustofftag 2012; Röck; Ostheimer 13 Einfluss der Klinkerphasen • Hohe Hydratationswärmen besitzen: C3S und C3A • Niedrige Hydratationswärmen besitzen: C2S und C4AF 29.03.2012 Vilser Baustofftag 2012; Röck; Ostheimer 14 Einfluss der Klinkerphasen Literaturwerte für die Hydratationswärme der Klinkerphasen in J/g Phase Verbeck & Foster Bogue Woods Lerch Chatelier Nist Waller C 3S 502 500 570 500 500 517 510 C 2S 251 260 260 260 251 262 260 C 3A 1340 866 840 866 1340 1144 1100 C4AF 419 125 125 420 420 725 410 CaO frei 1154 1166 1172 MgO frei 837 850 624 29.03.2012 Vilser Baustofftag 2012; Röck; Ostheimer 15 Zumahlstoffe; Zusatzstoffe • Zumahlstoffe: Werden gemeinsam mit dem Klinker und Gips vermahlen. Die vorliegende Mahlfeinheit hängt von der Mahlbarkeit ab. Kalkstein und Flugaschen sind eher feiner als der Klinker. Hüttensand ist stets gröber als der Klinker. • Zusatzstoffe: Werden dem Beton gemäß ÖN B 4710-1 zugemischt. Es wird unterschieden zwischen Zusatzstoffen gem. ÖN EN 450 und Aufbereiteten Hydraulisch Wirksamen Zusatzstoffen, AHWZ gemäß ÖN B 3309. – Nicht aufbereitete Zusatzstoffe weisen oft keine optimale Kornverteilung auf und wirken daher schlechter. Der Aktivitätsindex liegt zwischen 90 und 100 % – AHWZ sind optimal abgestimmte Mischungen aus Flugasche, Hüttensand und Kalkstein. Der Aktivitätsindex liegt bei ca. 110 % 29.03.2012 Vilser Baustofftag 2012; Röck; Ostheimer 16 Zumahlstoffe; Zusatzstoffe • Kalkstein: Kein Beitrag zur Wärmeentwicklung • Hüttensand: Hydratationswärme stark abhängig von der Temperatur; gering bei Temperaturen <40°C, darüber ähnlich wie Zement. (200-300 J/g) • Flugasche: Hydratationswärme etwa halb so hoch wie bei Zementen (ca. 150 J/g) • AHWZ: Hydratationswärmebeitrag im Mittel 186 J/g 29.03.2012 Vilser Baustofftag 2012; Röck; Ostheimer 17 Zusatzstoffe Aus insgesamt 8 Versuchen mit Purzement und entsprechenden ZementAHWZ 80:20 Mischungen wurde ein durchschnittlicher Beitrag zur Wärmeentwicklung der AHWZ berechnet. Ergebnis: 186 J/g Im Mittel zeigten die Mischungen eine Wärmeentwicklung von 280 J/g 29.03.2012 Vilser Baustofftag 2012; Röck; Ostheimer 18 Zusatzstoffe • Erlaubte Zusatzmengen an Zusatzstoffen 29.03.2012 Zement Flugaschen gemäß ÖN EN 450 AHWZ gemäß ÖN B 3309 CEM I 25 % 30 % CEM II/A 32,5 15% 15 % CEM II/A 42,5 20% 20 % CEM II/B 32,5 0% 0% CEM II/B 42,5 10 % 10 % Anrechnungsfaktor 0,4 0,8 Vilser Baustofftag 2012; Röck; Ostheimer 19 INHALT 1. Normen und Richtlinien 2. Einflüsse auf die Hydratationswärme von Zement 3. Geeignete Zementsorten 4. Prüfmethoden 5. Zusammenfassung 29.03.2012 Vilser Baustofftag 2012; Röck; Ostheimer 20 Geeignete Zementsorten gemäß ÖN EN 197-1: • Purzemente: CEM I 32,5 R HS/SR0 CEM I 42,5 N LH-HS/SR0 CEM II/A-S;V;L;M 32,5 R LH; CEM II/A-S;V;L;M 42,5 N LH • CEM III-Zemente: CEM III/A 32,5 N; CEM III/A 32,5 R LH; CEM III/A 42,5 N LH CEM III/B 32,5 N; CEM III/B 32,5 R LH; CEM III/B 42,5 N LH • Zement-Zusatzstoff-Mischungen: CEM I + 30 (25) % AHWZ (Zusatzstoff EN 450) CEM II/A + 15-20 % Zusatzstoff CEM II/B + 0-10 % Zusatzstoff 29.03.2012 Vilser Baustofftag 2012; Röck; Ostheimer 21 INHALT 1. Normen und Richtlinien 2. Einflüsse auf die Hydratationswärme von Zement 3. Geeignete Zementsorten 4. Prüfmethoden 5. Zusammenfassung 29.03.2012 Vilser Baustofftag 2012; Röck; Ostheimer 22 Prüfmethoden Man unterscheidet die Prüfmethoden prinzipiell nach den Umgebungsbedingungen der Reaktion: • Isotherme Methoden: Die Reaktion läuft unter konstanter Temperatur ab • Adiabatische Methoden: Bei der Reaktion findet kein Wärmeaustausch statt • Teiladiabatische Methoden: Die Reaktion läuft unter annähernd Praxisbedingungen ab. 29.03.2012 Vilser Baustofftag 2012; Röck; Ostheimer 23 Isotherme Prüfmethoden Die sich entwickelte Wärme wird sofort abgeführt, sodass die Probe (Zementleim oder Beton) stets auf derselben Temperatur (z.B. 20 °C) bleibt. Vorteil: Man kann die Reaktionsenthalpie bei einer ganz bestimmten Temperatur messen. Nachteil: Die Wärmemenge ist schwer zu messen und muss auf Umwegen (Hess´scher Satz ; Peltier-Kühlung) bestimmt werden. Es wird die Lösungswärme vor und nach der Hydratation gemessen und aus der Differenz die Reaktionsenthalpie berechnet oder mittels Peltier-Kühlung die gebildete Wärme abgeführt. 29.03.2012 Vilser Baustofftag 2012; Röck; Ostheimer 24 ÖN EN 196-8 Prüfverfahren für Zement- Hydratationswärme Lösungsverfahren Vergleich der Lösungswärmen von hydratisiertem Zementleim und nicht hydratisiertem Zement in einer Säuremischung. Wiederholpräzession im selben Labor +/- 22 J/g Vergleichpräzession in versch. Laboratorien +/- 50 J/g 29.03.2012 Vilser Baustofftag 2012; Röck; Ostheimer 25 Isotherme Messeinrichtung für die Lösungswärmebestimmung von Zement Säurefester Rührbehälter 29.03.2012 Vilser Baustofftag 2012; Röck; Ostheimer 26 Isothermes Wärmeflusskalorimeter Zelle zur Zumischung von Wasser von außen Zementkalorimeter MC CAL - C3 Prozess- und Analysentechnik GmbH 29.03.2012 Vilser Baustofftag 2012; Röck; Ostheimer 27 Peltier-Element (Prinzipbild) 29.03.2012 Vilser Baustofftag 2012; Röck; Ostheimer 28 ÖN EN 196-9 Prüfverfahren für Zement- teiladiabatisches Verfahren Mörtel nach nach EN 196-1 (Normenmischung) Wiederholpräzession im selben Labor +/- 14 J/g Vergleichpräzession in versch. Laboratorien +/- 42 J/g 29.03.2012 Vilser Baustofftag 2012; Röck; Ostheimer 29 Teiladiabatisches Verfahren nach Langavant Der Wärmefluss wird aus der Temperaturdifferenz zu einer inerten Vergleichsprobe gemessen 29.03.2012 Vilser Baustofftag 2012; Röck; Ostheimer 30 Adiabatische Methode Die Probe befindet sich in einem Wasserbad, das stets auf derselben Temperatur gehalten wird wie die Probe. Damit kann keine Wärmemenge entweichen, sodass die spezifische Wärmeentwicklung durch Messung der Temperaturerhöhung in Verbindung mit der Wärmekapazität des Kalorimeters berechnet werden kann. Die Genauigkeit der Steuerung muss mindestens +/- 0,01 °C betragen. 29.03.2012 Vilser Baustofftag 2012; Röck; Ostheimer 31 Adabatisches Kalorimeter für Beton Temperaturfühler für Probe und Wasserbad 29.03.2012 Vilser Baustofftag 2012; Röck; Ostheimer 32 Adiabatische Messung 29.03.2012 Vilser Baustofftag 2012; Röck; Ostheimer 33 Vergleich Adiabate mit Langavant 29.03.2012 Vilser Baustofftag 2012; Röck; Ostheimer 34 INHALT 5. Zusammenfassung 29.03.2012 Vilser Baustofftag 2012; Röck; Ostheimer 35 Zemente für Betone mit niedriger Wärmeentwicklung • Normen und Richtlinien • Einflüsse durch: – Chemie – Zusätze • Zementsorten: – LH-Klinker – Hohe Zumahlstoffanteile – Zemente mit Zusatzstoffen • Prüfmethoden: – Isotherm – Adiabatisch – Teiladiabatisch 29.03.2012 Vilser Baustofftag 2012; Röck; Ostheimer 36 Danke für die Aufmerksamkeit 29.03.2012 Vilser Baustofftag 2012; Röck; Ostheimer 37
