Aufsatz: Properties of aluminate cement based on alumina-containing slag – Fraunhofer IRB

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Properties of aluminate cement based on alumina-containing slag

Autor: Samchenko, Svetlana V.; Krivoborodov, Yury R.
Quelle: Ibausil. 20. Internationale Baustofftagung, 12.-14. September 2018, Weimar, Bundesrepublik Deutschland. Tagungband 2
Seiten: 461-468
2018

Sprache: Englisch

Publikationslisten zum Thema:
Kompositzement, Zementzusammensetzung, Chemische Zusammensetzung, Zusammensetzung(mineralogisch), Ausgangsstoff, Abfallstoff, Schlacke, Aluminatgehalt, Calciumaluminat, Auswirkung, Zementherstellung, CO2-Emission, Emissionsminderung, Zementeigenschaft, Betoneigenschaft, Eigenschaft(physikalisch), Dichte, Schrumpfen, Temperaturbeständigkeit, Eigenschaft(mechanisch), Druckfestigkeit, Festigkeitsentwicklung, Mikrostruktur, Untersuchungsmethode, Composite cement, cement composition, chemical composition, composition (mineralogical), raw material, refuse material, slag, concentration of aluminous cement, calcium alluminate, effect, cement production, emission reduction, cement property, concrete property, characteristic (physical), density, shrinking, temperature resistance, characteristic (mechanical), compressive strength, strength development, microstructure,

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Zur Eignung und Wirkungsweise calcinierter Tone als reaktive Bindemittelkomponente im Zement
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Der angestrebte vermehrte Einsatz klinkerreduzierter Bindemittel erfordert zukünftig leistungsfähige Zementzumahl- und Betonzusatzstoffe (SCM, engl. für supplementary cementitious materials) in ausreichender Quantität und Qualität. Ein entsprechend großes Potenzial wird calcinierten Tonen zugesprochen. Im Fokus stehen dabei insbesondere Tongemische, die in ihrer mineralogischen Zusammensetzung sehr komplex, aber aufgrund ihrer globalen Verfügbarkeit äußerst interessant sind. Natürliche Tonvorkommen weisen nach einem auf die Mineralogie abgestimmten Calcinierungsprozess puzzolane Eigenschaften auf. Die Beurteilung der Eignung und Leistungsfähigkeit calcinierter Tongemische als zukünftige SCM erfordert Kenntnisse zur Wirkungsweise im zementären System. In der Arbeit werden sowohl ein grundlegendes Verständnis der puzzolanen Effizienz und der Unterschiede der puzzolanen Reaktionsmechanismen herausgearbeitet als auch die Wirkungsweise eines ausgewählten calcinierten Tongemisches von der eines hochreaktiven Metakaolins abgegrenzt. Dafür wurden chemisch-mineralogische Untersuchungen zur Beurteilung der Reaktivität und der ablaufenden puzzolanen Reaktionsmechanismen im klinkerfreien Modellsystem und im zementären System durchgeführt. Die puzzolane Effizienz des calcinierten Tongemisches liegt deutlich unter der von hochreaktivem Metakaolin. Der maßgebliche Anteil an Hydratphasen wird jedoch bei beiden Tonen in den ersten 28 Tagen gebildet. Beide calcinierte Tone beeinflussen deutlich die aluminatische Klinkerreaktion über eine sehr ausgeprägte AFt-AFm-Phasenbildung in der frühen Hydratation. Auch im weiteren Hydratationsverlauf zeigt sich mit zunehmendem Gehalt an reaktiven Aluminiumionen im Bindemittelgemisch eine stark favorisierte AFm-Phasenbildung gegenüber den C-S-H-Phasen. Die klassische Formulierung der puzzolanen Reaktion für Si-reiche SCM muss vor diesem Hintergrund für calcinierte Tone entsprechend erweitert und spezifiziert werden.

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Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens wurden Daten von Langzeitstandtests aus zahlreichen Literaturquellen in einer Datenbank gesammelt und ausgewertet. Die Freisetzungen der meisten Spurenelemente aus zementgebundenen Baustoffen sind sehr klein. Ausgenommen sind Chrom, Kupfer, Thallium und Vanadium, deren Freisetzung umweltrelevant sein kann. Um die Auslaugkinetik zu bestimmen, wurden die Auslaugraten in doppellogarithmischem Maßstab über der Zeit aufgetragen (IgJ-Igt-Diagramm) und die Steigungen ermittelt. Die theoretische Steigung einer rein diffusionskontrollierten Auslaugung mit konstantem Diffusionskoeffizienten ist 0,5. Aufgrund der Gefügeverdichtung durch eine weitere Hydratation sinkt der Diffusionskoeffizient während der Versuchsdurchführung. Die Freisetzungsraten umweltrelevanter Parameter klingen daher normalerweise schneller ab als mit Steigung 0,5. Die Alkalien, die kaum in Hydratationsprodukte eingebunden werden und daher diffusiv freigesetzt werden, zeigen im IgJ-Igt-Diagramm Steigungen um 0,66. Eine Reihe von umweltrelevanten Stoffen zeigt ebenfalls Steigungen im Bereich von 0,65. Bei einigen Schwermetallen sind jedoch Abweichungen festzustellen. Vanadium zeigt flachere z. T. sogar zum Ende des Auslaugversuchs ansteigende Freisetzungsraten. Offenbar ist Diffusion hier nicht maßgeblich. Es sollten weitere Versuche zur Freisetzung über längere Zeiträume durchgeführt werden. Die Auslaugung von Blei, Molybdän und Zink fällt steiler ab als -0,65. Neben der Erstellung der Datenbank wurde das derzeitige Bewertungskonzept des DIBt in dieser Literaturrecherche grundlegend erläutert und es wurden die getroffenen Konventionen begründet. Im bestehenden Konzept wurde ein Diffusionsansatz mit zeitlich konstantem Diffusionskoeffizienten gewählt. Im Rahmen dieses Projekts wurden die in der Datenbank zusammengestellten realitätsnäheren Freisetzungsverläufe genutzt. Die Modellierung wurde für Chromat durchgeführt. Die im Bewertungskonzept abgeleitete Gleichung zur Berechnung der zulässigen Freisetzung (zul. E56d =

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Für die Untersuchungen standen Proben von 3 Portlandzementen und einem Portlandhüttenzement (CEM II-S) aus unterschiedlichen Zementwerken zur Verfügung. Für jeden Zement - aus jeweils demselben Lieferwerk - waren maximal 6 Proben vorhanden, die verschiedenen Zulieferungen an 3 Transportbetonwerke über einen Zeitraum von einem halben Jahr entnommen wurden. Zusätzlich wurden in die Untersuchungen auch zwei Zementproben eines Zementwerkes einbezogen, von denen die Zusammensetzung der im Herstellungsprozess verwendeten Brennstoffe bekannt war. Entsprechend dem mit der Arbeitsgruppe abgestimmten Arbeitsplan wurden Untersuchungen am Ausgangsstoff Zement (Chemisch-mineralogische Zusammensetzung und Korngrößenverteilung), an Zementleimen (Wasseranspruch, Erstarrungsverhalten, Rheologie), an Mörteln (Rheologie, Konsistenz / Ansteifen, Druckfestigkeit) sowie an LP-Betonen (Luftporenkennwerte, Frost-Taumittelwiderstand) durchgeführt. Als Betonzusatzmittel wurden Fließmittel auf Basis PCE, Melaminsulfonat, Naphthalinsulfonat und Ligninsulfonat, ein Verzögerer auf Phosphat-Basis sowie ein LP-Bildner eingesetzt. Die Zusatzmittel stammten aus einer einzigen Liefercharge, sodass diesbezüglich Unterschiede ausgeschlossen werden konnten.

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