Zement: Herstellung und Eigenschaften

448 Pages·1971·34.058 MB·German

by  Dr. phil. Fritz Keil (auth.)

ZEMENT
Herstellung und Eigenschaften
Fritz Keil
Springer-Verlag Berlin· Heidelberg. New York 1971
Dr. phil. FRITZ KEIL
apl. Professor an der TH Aachen
ehem. Direktor des Forschungsinstituts der Zementindustrie, Diisseldorf
(Verein deutscher Zementwerke VDZ)
Mit 96 Abbildungen
ISBN-13: 978-3-642-80578-3 e-ISBN-13: 978-3-642-80577-6
DOl: 10.1007/978-3-642-80577-6
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® by Sp);jnger-Verlag, Berlin/Heidelberg 1971. Library of Congress
Softcover reprint of the hardcover first edition 1971
Catalog Card Number: 74-143988.
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Bucbe berecbtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicbt zu der Annabme, daB solche
Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten
waren und daher von jedermann benutzt werden dtlrften.
Vorwort
Dieses Buch behandelt die chemischen und verfahrenstechnischen
Grundlagen der Zementhersteliung. Au.Berdem beschreibt es wesent
liche Eigenschaften von Beton und Martel. Diese Eigenschaften hangen
von Rohstoff~n, Brand und Feinheit des Zements, von Zusatzen und
Zumahlungen ab und werden vom l\fischen, Verarbeiten und Behandeln
des Betons beeinfluBt. Einbezogen sind andere Fragen, wie z. B. die
Staub- und Larmbekampfung, mit denen sich ein Zementwerk in zu
nehmendem MaBe befassen muB.
Die Rohstoffe des Betons, besonders die des Zements, verdanken
den machtigen Kriiften der Verwitterung ihr Entstehen. Dem Wirken
dieser Kriifte ist aber auch der Beton haufig unmittelbar ausgesetzt.
Diese Beanspruchung wird durch die hochentwickelte Technik und
ZiviIisation noch wesentIich gesteigert. Ihr hat der Beton bisher uberaus
gut widerstanden.
Nicht aHe Tatsachen und Gedanken haben in dem Buch Platz ge
funden. Die aus dem Dusseldorfer Forschungsinstitut hervorgegangenen
und die ubrigen deutschsprachigen Arbeiten nehmen einen Vorrang ein.
Dafur werden, so hoffe ich, die nicht namentlich erwahnten oder nur
sehr kurz zitierten KoHegen Verstandnis haben.
Der Verzicht auf viele Einzelheiten und Hinweise hat es ermoglicht,
den Zusammenhang zwischen den einzelnen Fachrichtungen der Chemie
und Physik des Zements und Betons starker als bisher ublich zu be
tonen. Dadurch soHen vor aHem dem Nachwuchs in unserer Wissen
schaft die Ansatzpunkte fUr eigene Forschungs- und Entwicklungs
arbeit deutlich werden.
Dieses Buch schopft aus vielen QueJlen. Das dreibandige Werk des
im vorigen Jahr verstorbenen deutschen Zementseniors H.ANS KfuIL
hat griffbereit neben mir gestanden. Die andere QueUe war mir im
Forschungsinstitut der Zementindustrie unmittelbar zugangIich. Dafur
habe ich dem Vorstand des Vereins und meinem Nachfolger KURT
W ALZ zu danken, fur Anregungen und Hinweise vor aHem J. BONZEL,
F. W. I .. OCHER, G. WISCHERS, ferner R. FRANKENBERGER, G. FUNKE,
H. MATHIEU und W. RICHARTZ.
IV Vorwort
Dem Buch liegen Gedanken zugrunde, die von meinen Lehrmeistern
GOTTLOB LINCK, RICHARD GRliN, ARTHUR GUTTMANN geweckt und
wahrend meiner Tatigkeit in Herstellung, Forschung und Lehre, be
sonders in der langjahrigen Zusammenarbeit mit FRITZ GILLE, weiter
entwickelt worden sind. Es solI zeigen, wie Zementchemie, Zement
technik sowie Betontechnologie, von denen jede auf mehreren Fach
wissenschaften fuEt, die Entwicklung der Betontechnik auch auf ihren
neuen Wegen zu fordern vermogen.
Ratingen, im Janul;Lr 1971 Fritz KeU
Inhaltsverzeichnis
1 Zement als Bindemittel in der Bautechnik . . . 1
1.1 Grundbegriffe der Verwendung von Zement .. 1
1.1.1 Anforderungen an Zement, an Beton, Stahlbeton und Spann-
. beton ..., ................ . 1
1.1.2 Weitere Begriffe der Beton- und Morteltechnologie . 8
1.1.3 Geschichtlicher tTherblick . . . . . . . . . 12
1.2 Genormter und anderer ublicher Zement . . • . . 15
1.2.1 Einteilung, Bezeichnung und Klassifizierung . 15
1.2.2 Zusammensetzung und Eigenschaften . . . . 19
1.2.3 Sulfathuttenzement . . . . . . . . . . . . 25
1.3 Zement fiirbesondere Verwendungszwecke (auBer Quellzement und
Tonerdezement). . . . . . . . . . . . . . . . 26
1.3.1 Hydrophober Zement zur Bodenvermortelung 26
1.3.2 Tiefbohrzement (oil well cement) 28
1.3.3 Asbestzement. . . 31
2 Chemie des Zementklinkers 35
2.1 Chemismus und Eigenschaften des Klinkers sowie der hydraulischen
Stoffe. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.1.1 Zementchemie und Zementtechnik . . . . . . 35
2.1.2 Wesen und Moglichkeiten der Klinkerrechnung 37
2.1.3 Klinkerphasen und Klinkereigenschaften. . . . 43
2.1.4 BerechD.ungsbeispiele und Variationsbreite . . . 49
2.1.5 WeiBer und farbiger Zement. . . . . . • . . 51
2.1.6 Herstellen von Klinker mit hohem KieseIsauregehalt '. 54
2.1.7 Chemische Zusammensetzung von Klinker und Zement . 57
2.1.8 Chrom als Ursache der Chromatallergie . . . • . . . . 65
2.2 Reaktionen beim Sintern und Hydratisieren des Klinkers . . 66
2.2.1 Reaktionen beirn Klinkerbrand, auch mit besonderem Rohmehl 66
2.2.2 Klinkerphasen. . . . . . . . . • . . . . . . . . . . . . . 68
2.2.3 Klinkerstruktur als Folge des Sinterns, Schmelzens und KUhlens 72
2.2.4 Klinker aus besonderen Herstellungsverfahren (Basset-, Seailles-,
Bayer-Verfahren) . . . . . . . . . . . . . . . . 75
2.2.5 GIeichgewichte beirn Schmelzen und Sintern. . . . . . . . . 77
2.2.6 GIeichgewichte beirn Hydratisieren (Hydrolyse) , . . . . . . . 80
2.2.7 Reaktionsgeschwindigkeit und spezifische Oberfliiche (Gips und
Kalk als Beispiele) . . . . . . . . . . . . 83
2.3 Hydratationsprodukte. . . . . . . . . . . . . . 86
2.3.1 Silicatische Hydratphasen' . . . . . . . . . . . . 87
2.3.2 Aluminatische und ferritische Hydratphasen. . . . 89
2.3.3 Chemische Wirkungen auf die Hydratphasen (C02, CaC12, Zn-
und Mg-Salze) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
VI Inhaltsverzeichnis
2.3.4 Bemessung des Kalksulfats. . . . . 95
2.3.5 Verlauf der Hydratation. . . . . . 99
2.3.6 Ursachen der Erhirtung und Bestlindigkeit 104
2.4 Hiittenzement und Puzzolanzement . . . . . . 111
2.4.1 Zusammensetzung von Hiittensand, Puzzolane und anderen hy.
draulischen. Stoffen . . . . . . . . . . . . . . 111
2.4.2 Hochofenschlacke fUr Hiittenzement (Hiittensand) 114
2.4.3 puzzolane (TraB) . . . . . . . . . . . . . . . 121
2.4.4 Flugasche und Schmelzgranulat. . . . . . . . . 123
2.4.5 Bewertung von Puzzolane . . . . . . . . . . : 125
2.5 Forschungseinrichtungen und Bestimm~gsverfahren . 129
2.5.1 Porenmessung. . . . 129
2.5.2 Thermische Verfahren 130
2.5.3 Lichtmikroskop . . . 132
2.5.4 Elektronenmikroskop 135
2.5.5 Spektrographische Verfahren und Kernresonanz 136
2.5.6 ROntgenbeugungsanalyse. . . . . . . . 140
2.5.7 Betriebliche Anwendung von Priif· und MeBverfahren (Auto.
mation) • . . . . . . . . . . . . . . . . 142
S Physikalische Eigenschaften des Zements und Betons 144
3.1 Vorgeschichte, Grobstruktur und Zuschlagstoffe. . 144
3.1.1 Zement und Wasser beirn Anmachen . . . . 144
3.1.2 Srorungen des Erstarrens und warmer Zement. 146
3.1.3 Bestimmung von Normsteife, Erstarren und Konsistenz 149
3.1.4 Mischen, Verdichten und Nachverdichten (AusguBbeton, In·
jektionsmortel, Pumpbeton Riittelbeton, Vacuumbeton) 152
3.1.5 Grobstruktur von Normalbeton und Leichtbeton . 157
3.1.5.1 Strukturmerkmale .. . . . . . . 157
3.1.5.2 Leichtzuschlag fUr Stahlleichtbeton . . . 158
3.1.5.3 Gas· und Schaumbeton . . . . . . . . 161
3.1.6 Eignung der Zuschlagstoffe und Haftfestigkeit . 162
3.1.7 Alkali.Zuschlag.Reaktion. 165
3.2 Feinstruktur des Zementsteins . 170
~.2.1 Festigkeitsformeln. . . . 170
3.2.2 Gelmodell von POWERS . 172
3.2.3 Eigenschaften von Porensystemen 176
3.2.4 Wasserundurchlassigkeit . . . . . 177
3.2.5 Luftporengehalt und Frostbestitndigkeit . 180
3.2.6 Zement und Beton im StraBenbau 187
3.3 Festigkeit und deren Priifung . . . . . . . . 192
3.3.1 Zersrorende Priifung ......... 192
3.3.2 Zerstorungsfreie Priifung. . . . . . . . 196
3.3.3 Einfliisse auf die Festigkeit (Winterbau) 198
3.3.4 _Entwicklung der Normenpriifung in Deutschland 202
3.3.5 Schnellpriifung von Zement (Priifungvon Mortelkleinzylinderu) 203
3.3.6 Festigkeit.Zuwachs. Diagramm (FZ.D iagramm)
Bewertung hydraulischer Stoffe ...... 206
3.3.7 Auswertung und Darstellung von Ergebnissen 211
3.4 Raumliche Veranderungen von Beton . 216
3.4.1 Schwinden, Schrumpfen, Kriechen 216
3.4.2 Schwindpriifung und Schwindwerte 218
Inhaltsverzeichnis VII
3.4.3 Kriechen. . . . . . . . . . . 221
3.4.4 Raumbestandigkeit des Klinkers. Kalk- und Magnesiatreiben 222
3.4.5 Quellzement . . . . . . . . . 227
3.5 Anderungen durch die Temperatur ....... . 229
3.5.1 Hydratationswarme und Massenbeton ........ . 229
3.5.2 Beschleunigen des Erhartens durch Warme (Allgemeines) 236
3.5.3 Autoklavhartung . . . . . . . . . . 237
3.5.4 Warmebehandlung unter 100 °C 240
4 Natiirliche und technische Einfliisse auf Beton 244
4.1 Verwitterung und we Produkte (Zementrohstoffe) 244
4.1.1 Wasser, Kohlensaure und Kalk in der Natur 244
4.1.2 Kalkstein, Kreide, Kalkmergel ... . 248
4.1.3 Ton ................. . 250
4.1.4 Obrige Carbonate und Calciumsulfate . . 252
4.2 Korrosion und Korrosionsschutz der Bewehrung . 256
4.2.1 Betonangreifende Kohlensaure und pH-Wert von Losungen 256
4.2.2 Korrosion und KorrosionserlaB . . . . . . . 259
4.2.3 EinfluB von Zementstein und Chlorid besonders auf Stahl 263
4.2.4 Carbonatisierung . . . . . . . . . . . . . . . . . 266
4.3 Chemischer Angriff und SchutzmaBnahmen. . . . . . . . 268
4.3.1 Obersicht iiber Versuche, Erfahrungen und Vorschriften 268
4.3.2 Angreifende Wasser, Losungen und Gase 272
4.3.3 Priifung des chemischen Angriffs 276
4.3.4 Versuche mit Meerwasser . . . . . . 278
4.3.5 Einwirkung von 01 . . . . . . . . . 279
4.3.6 Betonzusatzmittel und Schutzanstriche 280
4.3.7 Verfarbungen, Ausbliihungen und Aussinterungen 287
4.3.8 Besonderheiten von Hiittenzement . . . . . . . 289
4.4 Tonerdezement, feuerfester und feuerbestandiger Beton aus Tonerde-
zement und Portlandzement . 293
4.4.1 Tonerdezement . . . . . . . . 293
4.4.2 Tone~dezement in Stahlbeton. . 296
4.4.3 Feuerfester Beton (Feuerbeton) . 297
4.4.4 Warme- und Feuerbestandigkeit von Stahl- und Spannbeton 301
5 Verfahrenstechnik des Brennens und Mahlens. 303
5.1 Entwicklung der Brennofen . . . . . 304
5.1.1 Yom Schachtofen zum Drehofen . . . 304
5.1.2 Sinterband . . . . . . . . . . . . . 307
5.1.3 NeuzeitIiche Trockenverfahren. Wirbelschicht-Verfahren 309
5.1.4 Herstellung und Eigenschaften der Granalien 311
5.2 Heutige Brennofen . . . . . . . . . . . . . . . . 314
5.2.1 Schachtofen . . . . . . . . . . . . . . . . 414
5.2.2 Lepolverfahren (Drehofen mit Rostvorwarmer) . 317
5.2.3 Schwebegas-Warmetauscher-Verfahren (SWT-Verfahren, Drehofen
mit Mehlvorwarmer) 320
5.2.4 Langer Trockenofen. . . . . 325
5.2.5 NaBofen . . . . . . . ... . 326
5.2.6 Vergleich der Brennverfahren 327
5.2.7 Kiihlen ...... . . . . 334
5.2.8 Theoretischer Warmebedarf und Verbrennung 337
VIII Inhaltsverzeichnis
5.3 Feuerfestes Futter, Brenngut und Gasphase . . . . . . . .. 343
5.3.1 Anforderungen an das Futter und Futterarten . . . . .. 343
5.3.2 Bildung von Ansatz und Ansatzringen (Granulationsmodell) 347
5.3.3 EinfluB der Asche .. . . . . . 349
5.3.4 Alkali· und Sulfatkreislauf. . . . . . 351
5.3.5 .Ansatzringe und ihre Beseitigung. . . 356
5.3.6 Veranderungen der ff. Steine im Of en 358
5.4 Ofe ns taub , Entstaubung, Emission und Immission 359
5.4.1 Ofenabgase und behiirdliche Anforderungen . 359
5.4.2 Schwefel. und Fluorverbindungen im Ofenstaub 362
5.4.3 Of ens taub und Landwirtschaft . . 366
5.4.4 Entstaubungseinrichtungen. . . . . . 369
5.4.5 Verringerung der Gerauschemission . . 371
5.5 Mahlfeinheit, Mahlwiderstand und Mahlhilfen 372
5.5.1 Wesen der Zerkleinerung. . . . . . . 372
5.5.2 Bestimmung der Mahlfeinheit von Rohmehl und Zement 375
5.5.3 Mahlwiderstand von Klinker 381
5.5.4 Mahlhilfen 384
Literaturverzeichnis . 387
Sachverzeichnis 421
1 Zement als Bindemittel in der Bautechnik
1.1 Grllndbegrille der Verwendung von Zement
1.1.1 Anforderungen an Zement, an Beton, Stahlbeton
und Spannbeton
Aus Beton in seinen verschiedenen Abarten entstehen heute Bau
werke groBter Abmessungen und Beanspruchung, wie Hochhauser,
Hallen, Briicken, Fernsehtiirme, Fahrbahnen und Talsperren. Aller
dieser Beton verdankt seine wesentlichen Eigenschaften, das sind Druck
festigkeit und Bestandigkeit, dem Zement. Durch die chemische Re
aktion des Zements mit dem Anmachwasser entsteht aus Zementleim
der Zementstein, nach englischem Sprachgebrauch aus der frischen die
erhartete Zementpaste. Der Zementstein verbindet das aus Sand, Kies,
Splitt oder Schotter sorgfaltig zusammengesetzte Zuschlaggerust des
Betons in dauerhafter Weise zu dem einheitlichen Kunstgestein Beton.
Dem Zuschlaggeriist kommt dabei eine groBe Bedeutung zu. Das geht
aus den vielen in diesem und im nachsten Abschnitt erlauterten Be
griffen hervor, die zu den wesentlichen Grundlagen von Betontechno
logie und Betontechnik gehoren.
Vom Zement erwartet der Verbraucher, daB er daraus einen fUr
moglichst viele Aufgaben geeigneten Beton herstellen kann, und zwar
moglichst einfach und schnell. Beton ist dabei im weitesten Sinne als
zementgebundener Baustoff zu verstehen und schlieBt z. B. Mortel und
Asbestzement ein. Der Beton soIl bestandig sein und die Stahlbewehrung
vor Korrosion schUtzen.
Der Zement beeinfluBt zunachst aIle Einzelvorgange beim Herstellen
des Betons: das Verhalten bei kurzem oder durch Transportwege ver
langertem M ischen, dann beim Transportieren in GefaBen, auf Bandel'll
oder in Rohrleitungen wie beim Pumpbeton, beim Schiitten und Ver
teilen, dann beim Verdichten durch Stampfen, Riittelu, Schleudel'll,
Pressen, Schocken, das in einem mehrmaligen AufstoBen besteht, sowie
Abkurzungen: Zemente: PZ = Portlandzement, EPZ = Eisenportlandzement,
HOZ = Hochofenzement, TrZ = TraBzement, 8HZ = Sulfathiittenzement; Klin
kerminerale s. Tab. 9 unter 2.1.3; weitere Abkiirzungen s. Literaturverzeichnis
nach dem Textteil.
Keil, Zement 1
2 I Zement als Bindemittel in der Bautechnik
sein Verhalten bei der Herstellung von Spritzbeton, endlich auch sein
Verhalten wahrend des Erhiirtens auf der BausteHe und im Betonwerk.
Die Anforderungen des Verbrauchers beziehen sich vor aHem auf
den fertigen Baustoff Beton, der den von ihm erwarteten Beanspru
chungen iiber eine lange Zeit standhalten muB. Solche Beanspruchungen
konnen konstruktiver Art sein und z. B. darin bestehen, daB der Beton
Druck- und Zugspannungen aufnehmen, verteilen und weitergeben muB.
Sie schlieBen meist die Widerstandsfahigkeit gegen die Krafte der Ver
witterung wenigstens an AuBenflachen ein, oft WasseI1.W-durchlassig
keit, manchmal Widerstandsfahigkeit gegen angreifende Wasser und
umgebende Boden, einlagernde Fliissigkeiten oder gasformige Stoffe.
Durch Wahl des Zements, durch betontechnische und bautechnische
MaBnahmen laBt sich Eignung bzw. Widerstand des iiblichen Betons
erhohen. Impragnierung, Anstrich und Beschichtung, notfalls Verklei
dung, konnen zusatzlichen Schutz bewirken. - AIle diese Verwendungs
zwecke stellen besondere Anforderungen an das Herstellen, Verarbeiten
und Nachbehandeln des Betons. Das gilt neben dem erwahnten Spritz
betonauch fUr Schockbeton und Pumpbeton, vor allem fUr Sichtbeton.
tiber Spritz beton, Pumpbeton und Sichtbeton finden sich zu Beginn
von Abschn. 1.1.2 weitere Artgaben.
Betonwaren und Betonfertigteile machen einen zunehmenden Anteil
des Zementverbrauchs aus. Ebenso wie den Sichtbeton am Bauwerk
(s. dort) macht man die Oberflache vieler Betonwaren an der AuBenseite
lllcht nur widerstandsfahig gegen Wind und Wetter und ggf. Abrieb,
sondern auch abwechslungsreich und dekorativ, Z. B. durch Abreiben,
Abwaschen (Waschbeton), Absauern, Bearbeiten mit Sandstrahl oder
steinmetzartigen Geraten, Schleifen oder Beschichten, wie u. a. das
Betonstein-Jahrbuch darlegt. Das Bauen mit Betonfertigteilen gewinnt
zunehmend an Umfang, weil es die witterungsabhangige Arbeit auf der
Baustelle durch fabrikmaBiges Herstellen unter giinstigen konstanten
Bedingungen ersetzt. Betonfertigteile verwendet man heute im Hallen
bau, Briickenbau, Industriebau, sogar Feuerungsbau, auch im Wohn
bau als GroBplattenbauweise, woriiber K. BERNDT 1967 [B 22] eine
Zusammenstellung gegeben hat. Dabei spielen die verbindenden F1tgen
massen eine besondere Rolle. Fiir we Priifung bestehen in der BRD
seit 1967 Vorlaufige Richtlinien 1, bei denen die Priifung auf kiinstliche
Alterung als wesentlich angesehen wird und die Einzelheiten der Priif
verfahren Gegenstand von Erorterungen geworden sind.
MaBstabe fUr das Beurteilen und Unterscheiden von Zement sind
Priifungen iiber den Verlauf des Erstarrens, das sich im Beton als Ver
steifung bemerkbar macht und die Verarbeitung behindern kann, auf
1 Normb)atter, Richtlinien, Merkblatter S. Lit. IILI bis 111.11.