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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)
Grundlagen und Rohstoffe der Baustoffe 2011
• 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
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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
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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
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Zeit
M ß th d Ch kt i iMeßmethoden zur Charakterisierungder Hydratationskinetik
Leitfähigkeit
Lösungsphase Induktions Massive
Zeit
periode Hydratphasenbildung
Wärmefluß
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Zeit
L itfähi k itLeitfähigkeitsmessung
Rührer
L itfähi k it dZement in Suspension LeitfähigkeitssondeZement in Suspension
LeitfähigkeitsmeßgerätKühlkreislauf
Doppelwandbecher
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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)
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Torque = f(t)Time
gel time
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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
IV
• Massive HydratphasenbildungIII Massive Hydratphasenbildung• W/C
I II
• Löslichkeit und Keimbildung• Zusatzmittel
• Löslichkeit• Wechselwirkung • Oberflächenkräfte
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• 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.
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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
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( gZementindustrie, Düsseldorf) Zementindustrie, Düsseldorf
Mikrostruktur der CSH Phasen
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Z sammenset ng der Porenlös ng im Zementstein a s Portland ement
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Zusammensetzung der Porenlösung im Zementstein aus Portlandzement
(w/z = 0,65) in Abhängigkeit von der Hydratationsdauer
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Hydratationsstadien für Calciumsilikate
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PhasenentwicklungPhasenentwicklung
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PhasenentwicklungPhasenentwicklung
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PhasenentwicklungPhasenentwicklung
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PhasenentwicklungPhasenentwicklung
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PhasenentwicklungPhasenentwicklung
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PhasenentwicklungPhasenentwicklung
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PhasenentwicklungPhasenentwicklung
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PhasenentwicklungPhasenentwicklung
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PhasenentwicklungPhasenentwicklung
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PhasenentwicklungPhasenentwicklung
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PhasenentwicklungPhasenentwicklung
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S k bild i Bi d i lStrukturbildung in Bindemitteln
• Intrinsic Strength• Porosity
Widerstand gegen• Porosity
IVScherung
• Massive HydrationIII
• W/C Ratio
I II
• Nucleation• Growth of hydrates
• Solubility• Particle – Particle
Interaction
Zeit
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• Growth of hydrates
Porosität
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Klassifizierung von PorenKlassifizierung von Poren
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Powers ModellPowers Modell
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Powers ModellPowers Modell
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Gefüge ZementsteinGefüge Zementstein
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Mikrostruktur von ZementsteinMikrostruktur von Zementstein
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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
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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
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Hydratationsprodukte des Zements sowie das Gelwasser in den Gelporen werden als Einheit angesehen und mit Zementgel bezeichnet.
Kapillarporen und GelporenKapillarporen und Gelporen
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Kapillarporen und GelporenKapillarporen und Gelporen
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
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Gelwasser: ρwg = 1,001 ≈ 1,0 kg/dm3
Volumen des ZementgelsVolumen des Zementgels
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KapillarporenvolumenKapillarporenvolumen
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HydratationsgradHydratationsgrad
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Verteilung der PhasenVerteilung der Phasen
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W/Z Porosität HydratationsgradW/Z, Porosität, Hydratationsgrad
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W/Z Kapillarporenvolumen FestigkeitW/Z, Kapillarporenvolumen Festigkeit
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W/Z Kapillarporenvolumen FestigkeitW/Z, Kapillarporenvolumen Festigkeit
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W/Z Kapillarporenvolumen FestigkeitW/Z, Kapillarporenvolumen Festigkeit
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W/Z Kapillarporenvolumen FestigkeitW/Z, Kapillarporenvolumen Festigkeit
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W/Z, Kapillarporenvolumen Festigkeit
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W/Z, Kapillarporenvolumen Festigkeit
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W/Z, Kapillarporenvolumen Festigkeit
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W/Z, Kapillarporenvolumen Festigkeit
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W/Z, Kapillarporenvolumen Festigkeit
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FolgerungenFolgerungen
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