Techn. Universiẗat, Diss., 2001--Braunschweig.

Die Herstellung klinkereffizienter, innovativer Zemente mit einem niedrigen CO2-Footprint wird in den nächsten Jahren für die mittelständischen Unternehmen (KMU) der deutschen Zementindustrie aus ökologischen und ökonomischen Gründen zunehmend wichtiger werden. Um die Akzeptanz dieser Zemente in der Bauindustrie zu erhöhen, müssen sie eine hohe Leistungsfähigkeit und gute Dauerhaftigkeitseigenschaften in Beton aufweisen. Besonders die Kombination der beiden Zementhauptbestandteile Hüttensand (S) und calcinierter Ton (Q) neben Portlandzementklinker (K) ist hinsichtlich ihrer Zementleistungsfähigkeit, ihrer Dauerhaftigkeitseigenschaften und ihres CO2-Einsparpotentials sehr vielversprechend. Aufgrund fehlender Kenntnisse und Erfahrungen werden solche Zemente in Deutschland bisher nicht hergestellt. Ziel des Forschungsvorhabens war daher die eingehende Untersuchung der Leistungsfähigkeit, der Dauerhaftigkeit und des Hydratationsverhaltens von ternären Zementen mit Hüttensand und calciniertem Ton als Hauptbestandteil (KSQ-Zemente). Dabei wurden Synergieeffekte zwischen den verschiedenen Zementhauptbestandteilen und ihre Hydratationsprodukte untersucht. Um einen weiten Zusammensetzungsbereich abdecken zu können und so eine deutliche Erweiterung des Wissensstandes auf diesem Gebiet zu erzielen, wurden hierfür Methoden der statistischen Versuchsplanung und -auswertung genutzt. Zudem wurde das CO2-Einsparpotential von KSQ-Zementen durch Modellrechnungen in Abhängigkeit von der Zementzusammensetzung, der Tonmineralogie und der Calcinierungstechnik ermittelt. Das in diesem Forschungsvorhaben erzeugte Wissen soll dazu genutzt werden, KSQ-Zemente über den bisher genormten Bereich hinaus in die europäische Normung aufzunehmen (z. B. CEM VI-Zemente in EN 197-5) und so den Weg für die Produktion dieser klinkereffizienten Zemente für deutsche KMU zu ebnen.

Die polymere Komponente in reaktiven Zement-in-Polymer (c/p) Dispersionen hat einen entscheidenden Einfluss auf die Bildung der Mikrostruktur von c/p beschichteten Rovings in Beton. Elektronenmikroskopische Untersuchungen zeigen für den gut wasserlöslichen Poly(vinylalkohol) Ca(OH)2- Ablagerungen an der Grenzfläche, während für das hydrophobe Poly(vinylacetat) ein Gefüge aus teilhydratisiertem Klinker gefunden wird. Durch eine zeitliche Verfolgung der Wasseraufnahme mittels kernmagnetischer Resonanzspektroskopie konnte dies auf Unterschiede im Quellungsverhalten als Resultat der unterschiedlichen chemischen Struktur und Reaktivität gegenüber Alkalien zurückgeführt werden.

Thesis (Habilitationsschrift)--Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg. / Includes bibliographical references (p. 225-232).

In Deutschland werden derzeit zur Zementmahlung meist Kugelmühlen eingesetzt (über 100 Mühlen, teilweise über 40 Jahre alt). Die Fertigmahlung von Zementen auf deutlich energieeffizienteren Vertikal-Wälzmühlen ist international insbesondere bei Neubauprojekten bereits heute verbreitet, wird in Deutschland jedoch kaum praktiziert (weniger als fünf Mühlen). Ein Grund dafür sind immer noch fehlende Kenntnisse, wie durch den Mahlbetrieb in Vertikal-Wälzmühlen auftretende Veränderungen der Zementeigenschaften durch Vorhydratation systematisch entgegengewirkt werden kann, um möglichst gleiche Zementeigenschaften wie von auf Kugelmühlen hergestellten Zementen zu erhalten. Das Forschungsvorhaben verfolgte zwei Ziele. Zum ersten sollte untersucht werden, ob bestimmte zementchemische Eigenschaften einen Klinker robuster gegenüber einer Vorhydratation machen. Dazu wurde im Versuchsprogramm eine Auswahl unterschiedlicher Klinker verwendet, die ein breites mineralogisches Spektrum abdeckt. Es sollte geklärt werden, in welcher Größenordnung sich die Effekte einer Vorhydratation in Abhängigkeit vom Klinker, seiner Feinheit und der Intensität der Vorhydratation bei Hydratationsreaktionen und Zementeigenschaften bemerkbar machen. Klinkermehle wurden systematisch vorhydratisiert. Aus den entstandenen Materialien wurden Laborzemente hergestellt, deren Hydratationsreaktionen und Normeigenschaften charakterisiert wurden. Zum zweiten sollte untersucht werden, mit welchen Maßnahmen möglichen negativen Auswirkungen entgegengewirkt werden kann, insbesondere durch Anpassung der Sulfatträgerzusammensetzung. Dazu wurden aus ausgewählten vorhydratisierten Klinkern Serien an Laborzementen mit unterschiedlicher Sulfatträgerzusammensetzung hergestellt und untersucht. Besonders die kleinen und mittelständischen Unternehmen der deutschen Zementindustrie würden dadurch in ihrer Wettbewerbsfähigkeit gestärkt, da sie nicht auf Erfahrungen mit Vertikal-Wälzmühlen an anderen Standorten zurückgreifen können, um Investitionsentscheidungen zu treffen oder Strategien zur Optimierung von Zementen zu entwickeln.

Die Zementmahlung ist energieintensiv. Verfahrenstechnische Optimierung und optimale Nutzung von Mahlaggregaten verbessern die Effizienz des Zerkleinerungsprozesses maßgeblich. Den Anforderungen des europäischen Marktes werden die Produkte aus hocheffizienten Mahlanlagen allerdings nicht vollständig gerecht. Ein weiterer Freiheitsgrad in der Produktion durch Einführung separater Feinstmahlung wurde in der Zementindustrie bislang nicht realisiert. Gezielter Einsatz von Feinst- und Grobanteilen verbessert die Raumausfüllung der Zementschüttung und damit die Zementeigenschaften bedeutend. Der Energiebedarf bei mehrstufiger, angepasster Feinstzerkleinerung wird gesenkt. Die Steuerung von Hydratationsablauf und Festigkeitsentwicklung wird durch praxisnahe Beeinflussung der Korngrößenverteilung ermöglicht. Kleine Feinstmahlaggregate sind weniger kapitalintensiv und die Mischung mit hochfein aufgemahlenen Anteilen kann direkt in vorhandenen Mischeinrichtungen umgesetzt werden. Die Modellierung von Mischungen ermöglicht tiefergehende Erkenntnisse der Auswirkung von Kornform und Korngrößenverteilung auf die Raumausfüllung und damit auf die Zementeigenschaften. Das Design von Korngrößenverteilungen kann dauerhaft den Einsatz von neuen Bestandteilen im Zement fördern. Die Zementeigenschaften werden optimiert, die CO2-Bilanz durch Klinkersubstitution verbessert und nachhaltigere Nutzung von Ressourcen ermöglicht.

Ziel des Forschungsvorhabens war, Basiswissen zu Wechselwirkungen zwischen Beschleunigern und Zementen mit mehreren Hauptbestandteilen zu generieren. Systematisch wurde ermittelt, inwieweit sich die Zementleistungsfähigkeit durch Beschleunigerzugabe verbessern und so der Anteil an rohstoff- sowie energieintensivem Klinker effizienter nutzen bzw. weiter verringern lässt. Möglichkeiten und Grenzen der Erhöhung der Frühfestigkeit klinkereffizienter Zemente wurden durch Variation von zementtechnischen Parametern verbunden mit dem gezielten Einsatz unterschiedlicher Beschleunigerwirkstoffe systematisch bestimmt. Einflüsse verringerter w/z-Werte und zur Verarbeitbarkeit nötigem, zum Teil verzögernd wirkendem Fließmittelzusatz auf die Festigkeitsentwicklung beschleunigter Systeme wurden analysiert.

Heutzutage werden im Mittel- und Großguss, durch die technologischen Vorteile, vorrangig kaltharzgebundene Formstoffe eingesetzt. Die organischen Formstoffbinder emittieren jedoch im Gießereibetrieb leichtflüchtige Kohlenwasserstoffe. Der Zementformstoff stellt demzufolge auf Grund fehlender organischer Emissionen eine umweltfreundliche Alternative dar. Im Projekt „RapidZem“ wurde ein konkurrenzfähiger Schnellzement mit entsprechenden technologischen Eigenschaften entwickelt. Für den industriellen Einsatz war es jedoch zwingend erforderlich, dass dessen Regenerierbarkeit und Anwendung im Kreislauf nachgewiesen wird. Dementsprechend wurden in dieser Arbeit Methoden zur Regenerierung und Wiederverwendung des umweltfreundlichen Schnellzementformstoffes untersucht. Dabei wurde im industriellen Maßstab aufgezeigt, dass unter der Verwendung von Regenerat im Formstoffkreislauf beim Vollformverfahren gute Gussteile hergestellt werden können. Deren Qualität entspricht Gussstücken, die in Furanharzformen produziert wurden. Zur Regenerierung des Schnellzementformstoffes empfehlen sich mechanische Regenerierungsanlagen, die im Chargenbetrieb mit eingebauten Schleifkörpern arbeiten. Auf Grund der starken Haftung des Zementbinders am Sandkorn hat sich die Prallbelastung als ungeeignet erwiesen, da es entweder zu einer geringen Regenerierungsintensität oder einer Zerstörung der Sandkörner kommt. Mit der in dieser Arbeit erzielten Regeneratqualität kann ein Formstoff mit max. 93,3 % Regeneratanteil hergestellt werden, bei entsprechender Prozessführung ist ein Regeneratanteil von 93,3 bis 100 % als theoretisch realisierbar einzustufen. Der Schnellzementformstoff erzielt gegenüber furanharzgebundenen Formstoffen derzeit keine vollständige Kostenneutralität. Aber durch die Tatsache, dass der Schnellzement keinerlei leichtflüchtige Kohlenwasserstoffe emittiert, stellt dieser dennoch eine Alternative zum Furanharz dar und zwar für Gießereien die sich an ihrem Standort mit verschärften Anforderungen gegenüber Emissionen und Geruchsausbreitung konfrontiert sehen. Im Zusammenhang mit der TA-Luft kann es in mittel- bis langfristiger Zukunft zu Beschränkungen oder sogar einem eventuellen Genehmigungsverweigerung des Einsatzes von kaltharzgebundenen Formstoffsystemen kommen. Es ist abzusehen, dass der Umstieg auf den Schnellzementformstoff eine kostengünstigere und umweltfreundliche Alternative darstellen wird. Zum gegenwärtigen Zeitpunkt muss dem Schnellzement als Formstoffbinder noch ein Prototypen-Status zugeordnet werden. In Hinblick auf die industrielle Anwendung ist von einer weiteren Optimierung durch den Hersteller auszugehen.

Die Materialeigenschaften und Dauerhaftigkeit von zementgebundenen Baustoffen hängen von den Hydratationsbedingungen und dem Wiederstand gegen chemische Angriffe während bzw. nach der Fertigstellung eines Bauwerkes ab. In dieser Arbeit wurden experimentelle Aufbauten entwickelt, um in diesen Zeiträumen von zementgebundenen Baustoffen die Änderungen des Phasenbestandes hochaufgelöst zu untersuchen. Sie basieren auf Röntgenbeugungsexperimente unter der Nutzung intensiver Synchrotronstrahlung. Dieses ermöglicht einen detaillierten Einblick in die Dynamik der Hydratationsprozesse im Frühstadium und die Änderung des Phasenbestandes durch alltägliche Lösungen. / The material properties and life time of cementitious materials depends on both hydration conditions and resistance against chemical attacks during and after the construction of buildings respectively. In this study, experimental setups were developed to investigate the changes of the phase composition with a high resolution during this different time periods of cementitious materials life. They based on X-Ray diffraction methods using intensive synchrotron radiation. This provides a detail view into the dynamics of the hydration processes at early ages and the change of the phase composition due to interaction with common solution.

Die polymere Komponente in reaktiven Zement-in-Polymer (c/p) Dispersionen hat einen entscheidenden Einfluss auf die Bildung der Mikrostruktur von c/p beschichteten Rovings in Beton. Elektronenmikroskopische Untersuchungen zeigen für den gut wasserlöslichen Poly(vinylalkohol) Ca(OH)2- Ablagerungen an der Grenzfläche, während für das hydrophobe Poly(vinylacetat) ein Gefüge aus teilhydratisiertem Klinker gefunden wird. Durch eine zeitliche Verfolgung der Wasseraufnahme mittels kernmagnetischer Resonanzspektroskopie konnte dies auf Unterschiede im Quellungsverhalten als Resultat der unterschiedlichen chemischen Struktur und Reaktivität gegenüber Alkalien zurückgeführt werden.