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Grundlagen und Rohstoffe der Baustoffe - HydratationBaustoffe Hydratation

und Mikrostruktur

Thomas A. BIER

Institut für Keramik, Glas- und Baustofftechnik, Leipziger Straße 28, 09596 Freiberg,

Grundlagen und Rohstoffe der Baustoffe 2011

Grundlagen und Rohstoffe der Baustoffe

• EinleitungDefinitionen, volkswirtschaftliche Bedeutung, Geschichteg

• RohstoffeNatürliche, Gesteine, organische

• Grundlegende Verfahren zur Herstellung von BaustoffenGesteine, Zuschläge, Gips, Zement, Kalk, Mörtel, Baukeramik, Steine, Bauteile,Beton, Glas

• Grundlagen der Baustofflehre - EigenschaftenAllgemeine Eigenschaften, Struktur, Kenngrößen

• Hydratations und PolymerisationsvorgängeLösungsgleichgewicht, Chemisches Potenzial, Strukturierung

• Rheologie technischer Suspensionen (mineralischer Baustoffe)

Hydratationsreaktionen für PZ

2C3S + 6H C3S2H3 + 3CH

bzw. 2C3S + (y+z)H CxS2Hy + zCH

2C2S + 4H C3S2H3 + CH

bzw. 2C2S + (2-x+y)H CxS2Hy + (2-x)CH

2C3A + 21H C4AH13 + C2AH8

H d i k i l fHydratationskreislauf

Die Zementhydrate sind schwerer löslich als die Zementphasen ( CA und C12A7)

Hydratphasen

Gesättigte LösungUntersättigte Lösung =

Ausfällungvon HydratenIn Lösung

Wasser

Zement

Übersättigte LösungGesättigte Lösung

Keimbildung

=– Temperatur– Keimbildung- und Keimwachstumsgeschwindigkeiten

Di H d t h bild hä t b

g g g– C/A Verhältnis– Löslichkeit der einzelnen Hydratphasen etc.

Die Hydratphasenbildung hängt ab von

Hydratation und Wells KurvenHydratation und Wells Kurven

Ionenkonzentration

[Ca2+]

[Al(OH)4-]

B BInduktionsperiode

ZeitA C

Lösungsphase MassiveHydratphasenbildung

M ß th d Ch kt i iMeßmethoden zur Charakterisierungder Hydratationskinetik

Leitfähigkeit

Lösungsphase Induktions Massive

periode Hydratphasenbildung

Wärmefluß

L itfähi k itLeitfähigkeitsmessung

Rührer

L itfähi k it dZement in Suspension LeitfähigkeitssondeZement in Suspension

LeitfähigkeitsmeßgerätKühlkreislauf

Doppelwandbecher

Kühlkreislauf

Methods:Methods: Physical and Chemical

Conductivity in suspensionElectrical conductivity = f(t)

Chemical reactor in suspensionChemical reactor in suspensionIon concentration = f(t)

Calorimetry on pasteHeat flow = f(t)

Rheology on pasteTorque = f(t)

Torque = f(t)Time

gel time

Physical aspects of Cement Hydration

Plastic mix Setting mix

Grundlagen und Rohstoffe der Baustoffe 2011Structure developing Stable final structure

Chemische Reaktionen undChemische Reaktionen und Entwicklung der Mikrostruktur

• Chemie und Festigkeit der Hydratphasen• Porosität

• Massive HydratphasenbildungIII Massive Hydratphasenbildung• W/C

• Löslichkeit und Keimbildung• Zusatzmittel

• Löslichkeit• Wechselwirkung • Oberflächenkräfte

• Zusatzmittel• Oberflächenkräfte

C-S-H(I) liegt folienförmig C-S-H(II) in Form von Faserbündeln vorC-S-H(I) liegt folienförmig, C-S-H(II) in Form von Faserbündeln vor Beide C-S-H-Phasen sind nahezu röntgenamorph. Ihre Bausteine, Moleküle und Ionen, sind jedoch nicht regellos angeordnet, sondern sie sind, auf relativ wenige Elementarzellen beschränkt, ebenso angeordnet wie in einem Kristall (Nanostruktur ). Dieseangeordnet wie in einem Kristall (Nanostruktur ). Diese Nahordnung ist beim C-S-H(I) ähnlich wie bei der wasserreicheren Form des Tobermorits, dem 1,4 nm-Tobermorit, und beim C-S-H(II) ähnlich wie beim Jennit. Im elektronenmikroskopischen Bild ist der Tobermorit folien- oder leistenförmig,der Jennit bildet ebenfalls g,Folien oder Aggregate aus faserförmigen Partikeln. Strukturelemente des 1,4 nm- Tobermorits sind, wahrscheinlich ebenso wie die des wasserärmeren 1,1 nm- Tobermorits, eine verzerrte Doppelschicht aus Ca2+- und O2-lonen mit der Z t [C O ]Z d K tt [SiO 4]4 T t dZusammensetzung [CaOz]Z- und Ketten aus [SiO 4]4- Tetraedern.

Folienförmiges C-S-H(I), TEM-Bild (Aufnahme: Forschungsinstitut der

Faserbündel von C-S-H(II), TEM-Bild (Aufnahme: Forschnngsinstitut der Z ti d t i Dü ld f

( gZementindustrie, Düsseldorf) Zementindustrie, Düsseldorf

Mikrostruktur der CSH Phasen

Z sammenset ng der Porenlös ng im Zementstein a s Portland ement

Zusammensetzung der Porenlösung im Zementstein aus Portlandzement

(w/z = 0,65) in Abhängigkeit von der Hydratationsdauer

Hydratationsstadien für Calciumsilikate

PhasenentwicklungPhasenentwicklung

S k bild i Bi d i lStrukturbildung in Bindemitteln

• Intrinsic Strength• Porosity

Widerstand gegen• Porosity

IVScherung

• Massive HydrationIII

• W/C Ratio

• Nucleation• Growth of hydrates

• Solubility• Particle – Particle

Interaction

• Growth of hydrates

Porosität

Klassifizierung von PorenKlassifizierung von Poren

Powers ModellPowers Modell

Gefüge ZementsteinGefüge Zementstein

Mikrostruktur von ZementsteinMikrostruktur von Zementstein

Feststoffe: 1) Reste des unhydratisiertenZementes2) C3S2H3, u.a. Hydratationsprodukte3) Calciumhydroxid

Poren:Poren: a) Kapillarporenb) Gelporen

Die im Zementstein enthaltenen Poren sind für dessen Eigenschaften von wesentlicher Bedeutung

Die Hydratationsprodukte weisen einige charakteristische Eigenschaften auf:y p g g

Mittlere spezifische Oberfläche: ca. 2 - 3.105 m2/kg

Mittlere Teilchengröße: 1.10-9 m

Die Hydratationsprodukte sind daher um etwa drei Größenordnungen kleiner als die unhydratisierten Zementkörner und

weisen eine kolloidiale Größe auf. Die Struktur eines erhärteten Zementsteins entspricht daher einem starren Gel.

Kapillarporen und GelporenKapillarporen und Gelporen

Die Kapillarporen sind die Reste des Volumens, das ursprünglich von Mischwasser eingenommen wurde. Je nach Feuchtegehalt des Zementsteins sind die Kapillarporen mehr oder weniger mit Wasser gefüllt. Die Gelporen trennen die einzelnen Gelpartikel voneinander; sie haben Durchmesser im Bereich von ca. 10-5 bis 10-7mm und bieten demnach Platz für höchstens 5 Moleküle Wasser. Sind diese Poren wassergefüllt, so bezeichnet man das darin enthaltene Wasser mit Gelwasser. Da das Wasser in den Poren des Zementsteins im Kräftefeld der großen Oberflächen des hydratisierten g yZementsteines liegt, kann es u.U. die Eigenschaften des freien Wassers verlieren, d.h. es gewinnt an Festigkeit, wird schwerer beweglich und dichter. Sowohl Kapillarwasser als auch Gelwasser sind verdampfbar, d.h. bei Erwärmung auf 105°C entweicht dieses Wasser. Darüber hinaus enthält Zementstein auch chemisch gebundenes Wasser oder Kristallwasser, das in die Hydratationsprodukte eingelagert und im Allgemeinen bei 105°C nicht verdampfbar ist. Alle Hydratationsprodukte des Zements sowie das Gelwasser in den Gelporen werden als Einheit angesehen und mit

Hydratationsprodukte des Zements sowie das Gelwasser in den Gelporen werden als Einheit angesehen und mit Zementgel bezeichnet.

Aus vielen Untersuchungen wurden für den Zementstein folgende Kenngrößen experimentell

bestimmt:

a) Jedes Gramm Zement bindet im Mittel eine bestimmte Menge an nicht verdampfbarema) Jedes Gramm Zement bindet im Mittel eine bestimmte Menge an nicht verdampfbarem

Wasser wn, um vollständig hydratisieren zu können:

wn = 0,24.m.z (D.8.1)

Dabei bedeuten:

wn : Gewicht an nicht verdampfbarem (chemisch gebundenem) Wasserwn : Gewicht an nicht verdampfbarem (chemisch gebundenem) Wasser

z : Gesamtgewicht des Zements

m : Hydratationsgrad, d.i. der Gewichtanteil des Zementes, der mit Wasser

reagiert hat

b) Die Menge an Gelwasser im wassergesättigten Zementstein und damit auch) g g g

das Gelporenvolumen sind der Menge an hydratisiertem Zement proportional:

wg = 0,18.m.z , (D.8.2)

wobei wg = Gewicht des Gelwassers

c) Das chemisch gebundene Wasser nimmt in seiner gebundenen Form einen

kleineren Raum ein als in seiner ungebundenen Form. Es gelten daher folgende

Reindichten:

Freies Wasser: ρw = 1,0 kg/dm3

Chemisch gebundenes Wasser: ρwn = 1,33 kg/dm3

Gelwasser: ρwg = 1,001 ≈ 1,0 kg/dm3

Volumen des ZementgelsVolumen des Zementgels

KapillarporenvolumenKapillarporenvolumen

HydratationsgradHydratationsgrad

Verteilung der PhasenVerteilung der Phasen

W/Z Porosität HydratationsgradW/Z, Porosität, Hydratationsgrad

W/Z Kapillarporenvolumen FestigkeitW/Z, Kapillarporenvolumen Festigkeit

W/Z, Kapillarporenvolumen Festigkeit

FolgerungenFolgerungen

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