Beton Vorlesungen at Frankfurt University of Applied Sciences

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Für welche Einsatzgebiet ist der Zement CEM III/C 32,5 N gut geeignet?

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Einführung Vorlesung 1

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Zement Teil 1 - Vorlesung 2 
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Haupt- und Nebenbestandteile/ Zementarten

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Festigkeiten/ besondere Eigenschaften

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Wasser Vorlesung

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Wie wirken sich unterschiedliche Hüttensandanteile auf die Eigenschaften des Zement aus?
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Beschreiben und begründen Sie die Zusammenhänge zwischen Mahlfeinheit Und Zementeigenschaften (Zementnormfestigkeit, Festigkeitsentwicklung, Hydratationswärmeentwicklung)!

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Nennen Sie die gebräuchlichsten Zementarten und ihre typischen Merkmale !

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warum wird beim Mahlen des Zement auch Gips oder Anhydrit zugegeben ? 

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Nach welcher Systematik erfolgt die Farbkennzeichnung der Zementsäcke bzw. Aufkleber für die zementsilos?
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Nennen Sie beispielhaft je ein typisches Anwendunggebiet für folgende Zemente mit besonderen Eigenschaften 
LH - Zemente, HS - Zemente, NA- Zemente, Weißzemente, Wasserabstoßende Zemente ! 

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Beton Vorlesungen

Für welche Einsatzgebiet ist der Zement CEM III/C 32,5 N gut geeignet?

frühes Ausschalen

Beton Vorlesungen

Einführung Vorlesung 1
Beton (= zusammengesetzter Werkstoff)

Zement + Wasser = zementleim 
                 +
Kies und Sand = Gesteinskörnung ( = macht die hohe Festigkeit aus)
                 +
Zusatzstoffe ( = Hüttensand oder Flugasche usw. )
                 +
Zusatzmittel ( = Z.B. Betonverflüssiger)
                 =
             Beton ✓

⇒ Im Frischem Zustand ; Zementleim 
nach der Erhältung = Zementstein

Beton Bruchverhalten = Spröde ⇒ versagt ohne Vorankündigung.




Beton Vorlesungen

Zement Teil 1 - Vorlesung 2 
⇒ Heute haben wir die Möglichkeit Betone mit viel höher der Qualität herzustellen, weil wir Zusatzmittel und Zusatzstoffe haben, mit denen wir gezielt Eigenschaften des Betons steuern können.

1. Werkstoff Zement: ( fachliche Begriffe verwenden können )

hydraulisches Bindemittel ⇒ Es reagiert nur mit Wasser !

hydration ⇒ reaktion von Wasser und Zement ( CSH - Phasen )

" Igel " ⇒ Nadeln ( = CSH-Phasen) wachsen in jede Richtung wachsen zusammen → Das macht die Festigkeit aus.

Zementherstellung: 
Kalkstein, Ton,  Mergel werden abgebaut → Homogenisiert ( = durchmischt damit man gleichmäßige Verhältnisse hat ) → Rohmahlung → Brennen ( rd. 1400'C + Brennstoffe kohle, Öl, Reifen ... ) ⇒ klinker = Problem unseres Zement ! → KlinkermahIung (Klinker ggf. Zumahlstoffe + Gips)
→ Verladung und Transport. 

Rohstoffe :
Kalkstein CaCO3 ( wichtigstes )
Ton
Mergel 

Primärrohstoffe : Diese Bestandteile sind in den abgebauten Materialien drinne,  die benötigen wir für die Zementhydratation.
• Calcium Ca ⇒ Kalkstein, Kreide, Mergel
• Silicium Si ⇒ Mergel, Sand, Löss 
• Aluminium Al ⇒ Ton
• Eisen Fe ⇒ Ton, Eisenerze

Sekundärrohstoff: sind Abfallprodukte ( um Ressourcen zu sparen)
• kalkartige: z.b. Kalkschlamm, Trinkwasserschlamm
• Silicium und aluminathaltige: Steinkohlenflugasche, Rohstoffe aus Natursteinherstellung
• Eisenhaltige: z.b. Zinnschlanke, Kiesabbrand

Hauptbestandteil :
   Kalkstein CaCO³
ca. 79% ⇒ Ca0, CO²
              +
            Ton
ca. 21% ⇒ Si0², Al²0³, Fe²0³, H²0

Eckdaten zum Brennen Prozess: 
• Während des Brennvorgangs erfolgt die chemische Umwandlung des Rohmaterials in den Klinker ( klinkerphasen)
• Verweildauer: 20 bis 40 Minuten
• Temperatur im Ofen: 1400 bis 1500 °C
• Abkühlung des grau -schwarzen Klinkers auf 200°C

Weißzement→ Für Weißzement muss man die Eisenanteile rausnehmen ( =FE Anteil) deswegen sehr teuer! 
⇒ die graue Farbe des Zement macht der FE Anteile aus.

C⁴AF → hat keine große Bedeutung.

Das was am Drehofen entsteht ist der Portlandzementklinker → Das ist das was so viel Energie verbraucht.

⇒ Der Unterschied zwischen Klinker und Zement sind bestimmte Bestandteile, die da noch hinzugegeben werden. 

                      Wasser + Zement 
  • 1)
            CAH+ CAFH 
            Chemisches Verhalten (z.B.Sulfatwiderstand)
  • 2) 
             CSH ⇒ Festigkeit
  • 3)
             Portlandit
             Calciumhydroxid
              ( Ca ( OH ) 2 )
            → Alkalität= hoher pH-Wert,
damit der Stahl in unserem Beton vor  Korrosion geschützt ist. 


C3A + Wasser (=reagiert sehr schnell mit Wasser,
sehr viel Wärme wird freigesetzt)
→ sehr frühes Erstarren des Zementleim
→ keine ausreichende Verarbeitebarkeit
Wird schon im Mischer erhärten→  deswegen Zugabe von Calciumsulfat (z.b. Gips)
→Erstarren des Zementleim wird verzögert
→ ausreichende Verarbeitbarkeit
→ später wandelt sich Ettringit in Monosulfat um.
! : Gibs drängelt sich vor und reagiert mit C3A vor Wasser= Ettringit.
! : Gips = Erstarrungsregeler











Beton Vorlesungen

Haupt- und Nebenbestandteile/ Zementarten
Hüttensand →Abfallprodukt aus der Stahlherstellung

Flugasche →Abfallprodukt aus der Steinkohle oder Braunkohle Verbrennung

1) Hauptbestandteil         
Portlandzementklinker        
2) Hauptbestandteil
inerte: Kalksteinmehl/ latent hydraulische: Hüttensand/ puzzolanische: Trasse, Flugasche, Silicastaub 

Hydraulizität Ca0/ Si02 Verhältnis

CEM I → nur k= Portlandzement
CEM II → Klinker bisschen rausgenommen und ersetzt ⇒ portlandkompositzemente 
CEM III→ nur ausgetauscht durch→ S = Hüttensand⇒ Hochofenzemente
CEM IV → nur puzzolan drin ⇒puzzolanzement
CEM V 

CEM II - A-S ⇒ A = Kleiner Anteil wurde ersetzt/ ausgetauscht 
CEM II - B-S ⇒ B = Größerer Anteil wurde ersetzt/ ausgetauscht 

Zunehmender S-Anteil → Hüttensand Anteil : 

→ langsamere Erhärtung
→ geringere Wärmeentwicklung, da C3A nur im klinker vorhanden. 
→ ausgeprägte Nacherhärtung ⇒ Die Phasen wachsen nach den 28 Tagen weiter 
→ Verfeinerung der Porenstruktur ⇒ Porenraum wird keiner ⇒ Festigkeit steigt 
→ erhöhte nachbehandlungsdauer /Empfindlichkeit ( = frühzeitiges Austrocknen verhindern ) 
! : Da die Phasen nach 28 Tagen weiter wachsen, muss man sich auch länger um den Beton kümmern, also wird die nachbehandlungsdauer verlängert.

Beton Vorlesungen

Festigkeiten/ besondere Eigenschaften
• Zementfestigkeitsklassen 32,5 /42,5 /52,5 nach 28 Tagen Normwert
• Anfangsfestigkeit nach 2 oder 7 Tagen
" Übliche " Anfangsfestigkeit: Zusatz N
 "hohe " Anfangsfestigkeit: Zusatz R

Zementsackfarbe: 
braun ( hautfarbe) → 32,5
grün → 42,5 
lila → 52,5
⇒ wenn er schnell erhärtet ist die Schrift auf dem Sack rot. Normale Erhärtung ist die Schrift schwarz

⇒ je höher die Festigkeitsklasse, desto feiner ist der Zement gemahlen. Das bedeutet der 52,5 ist am feinsten gemahlen danach der 42,5 und zuletzt der 32,5. 

SR-Zemente ( HS-Zemente )
Für Betonbauteile die in mineralischen Böden gebaut werden (viele sulfate haben wir z.b. in Abwasserkanälen)
⇒ wenn sulfate mit CAH -Phasen in Kontakt kommen reagieren diese → dehnt sich aus und dann platzt alles ab. Das heißt in Abwasserkanälen muss man SR -Zemente verwenden. 

NA-Zemente ( Niedrige Alkaligehalt ) 
→ In Nord Deutschland brauchen in das vorallem!

LH/NW- Zemente ( Niedrige Wärmeentwicklung ) → C3A fehlt

An der Festigkeitsklasse ( 32,5/ 42,5/ 52,5) erkennt man die Temperaturentwicklung → 52,5 hohe Wärmeentwicklung, da feiner gemahlen→ größere Oberfläche → Schnellere Reaktion → höhere Festigkeit nach 28 Tagen. 


SR/HS- Zemente ( Hoher Sulfatwiderstand)
• CEM I - SR0  C3A -Gehalt des Klinker < 0 M%
• CEM I - SR3  C3A - Gehalt des Klinkers < 3 M%
• CEM I - SR5  C3A - Gehalt des Klinkers < 5 M%

CEM III/B → keine Anforderung an den C3A-Gehalt
CEM III/ C → keine Anforderng an den C3A - Gehalt
/
Muss man gar nicht testen, die haben das automatisch, weil man so viel Klinker austauscht durch Hüttensand → hohen sulfatwiderstand!

CEM I 42,5 R 
42,5 = nach 28 Tagen Festigkeitsentwicklung
R= vor 28 Tagen Festigkeitsentwicklung



Beton Vorlesungen

Wasser Vorlesung
→ sehr wichtig sonst keine Reaktion
60% des Zement sind Wasser

Zement + Wasser 
= hydratation = bilden sich hydrate
→ Temperaturanstieg durch das frei werden von Energie.
→ Exotheme Reaktion ( = bedeutet: Wärme wird freigesetzt)
1. CSH } für die Festigkeit verantwortlich 
2. CAH + CAFH } chemisches Verhalten Z.B. Sulfertwiderstand 
CAFH = mit Ferrid/Eisen→ Unbedeutend
3. calciumhydroxid/ Portlandit (Ca(OH)2) } Alkalität = hoher pH-Wert, damit der Stahl in unserem Beton vor Korrosion geschützt ist.  

W / Z - Wert :
Dies ist das Gewichtsverhältnis von Wasser/ Zement.
→ ganz entscheidend für die Festigkeit und Langlebigkeit.
→ beeinflusst die Druckfestigkeit des Betons !
→ beeinflusst den Widerstand gegen das Eindringen von Schadstoffen in den Beton!
! : wenn man hier einen Fehler macht, hat man ein Problem mit der Dauerhaftigkeit und Festigkeit.

Je höher der W/Z - Wert ist, desto schneller wird Wasser aufgesaugt! 

Je mehr Wasser ich habe, desto mehr blutet der Beton → Wasser setzt sich ab ! → geringere Festigkeit an der Oberfläche. 
Beispiel: Orangensaft mit Fruchtfleisch. Das Fruchtfleisch ( = Feststoff ), setzt sich unten ab. Der O-saft schwimmt drüber, da geringere Dichte als das Fruchtfleisch. 

W/Z- Wert niedrig → höhere Festigkeit
W/ Z- Wert hoher → niedrige Festigkeit

Gewichtsverhältnis: 
⇒ da Wasser eine andere Dichte hat, als Zement deswegen ein Gewichtsverhältnis und KEIN Volumenverhältnis!

180 Liter Wasser und 300kg Zement 
180/ 300 = 0,60 = W/z - wert

→ Bei 0,20 = W/Z -Wert kann nicht alles reagieren → zu wenig Wasser → das Wasser reicht nicht aus, damit der Zement vollständig reagieren kann ⇒ Das ist gar nicht so schlecht für die Festigkeit, jedoch können wir diesen Zement aber nicht auf der Baustelle gebrauchen→ zu steif → lässt sich schlecht verarbeiten.

→ Bei 0,60 = W/Z -Wert mehr Wasser, als wir brauchen ⇒ Überschusswasser im Überflusswasser werden später Kapillarporen raus→ sehr schlecht→ geht ganz schnell Wasser durch und Schadstoffe können schneller eindringen. 

Frage: welche Poren gibt es in einem Beton mit einem W/Z -wert von 0,20 = Gelporen ( kleine Poren) 
Welche Poren gibt es in einem Beton mit einem WZ wert von 0,60 = Kapillarporen

⇒ Je mehr Kapillarporen ich habe, desto geringer ist die Festigkeit und desto schneller können Schadstoffe eindringen

⇒ Damit alle Phasen vollständig reagiert und können, brauchen wir einen WZ wert von 0,40! 

Poren :
Gelporen → ganz klein 
Kapillarporen → größer, um drei Größenordnungen
Risse → noch größer, sehen wir 
⇒ wenn wir Beton haben, oder irgendwas das mit Zement gebunden ist, dann haben wir Gelporen, Kapillarporen und Risse.
Mauerwerksbaustoffe haben keine Gelporen.

Poren haben ein ganz entscheidenen Einfluss auf die Bauteilqualität.
→ mehr W/Z -wert, mehr Kapillarporen → Betonqualität niedrig

⇒ viele Poren bedeuten immer kein Feststoff, bedeutet niedrige Festigkeit! 

Weiße wanne → Betonkeller, der nicht abgedichtet werden muss→ gilt das Wurzelgesetz ( W = B X wurzel t )  nicht, deshalb braucht man die nicht abzudichten. 

Schwarze Wanne → ist ein Keller aus z.b. Mauerwerk
( Vollziegel, Natursandstein, Kalksandstein) → Weil das Wasser da so schnell eindringt muss das abgedichtet werden. Die Wasseraufnahme ist linear → Wurzelgesetz gilt: W = B x Wurzel t 

Welches Wasser dürfen wir für den Beton verwenden? → Wasserqualität

Restwasser→ kommt von den Mischern zurück entsteht durch das Reinigen der Mischer ( Wasser mit Betonresten) → muss geprüft werden , danach dürfen wir es wieder verwenden.
Das sogenannte "Restwasser" ist ein Gemisch aus Wasser und Feinststoffen.
Das sogenannte Restwasser ist das Waschwasser nach dem ausspülen von Mischertrommeln.
Meerwasser → Die Salze stören unseren Beton nicht,  jedoch die Chloride ⇒ deswegen prüfung erforderlich 
Grundwasser → sulfate drinne ⇒ deswegen Prüfung erforderlich 
Trinkwasser → keine prüfung erforderlich 



Beton Vorlesungen

Wie wirken sich unterschiedliche Hüttensandanteile auf die Eigenschaften des Zement aus?
- umso weniger Hüttensand, desto langsamer die Hydratation.
- mehr Hüttensand→ höhere Druckfestigkeit, geringere Hydratationswärme. 

Notiz: 
Hüttensand besteht aus CaO=  Kalkstein. 
Hüttensand enthält kein C3A, deswegen geringere Hydratationswärme ( C3A ist im klinker drinne, also im Portlandit/ calciumhydroxid) 

Beton Vorlesungen

Beschreiben und begründen Sie die Zusammenhänge zwischen Mahlfeinheit Und Zementeigenschaften (Zementnormfestigkeit, Festigkeitsentwicklung, Hydratationswärmeentwicklung)!
- je feiner der Zement gemahlen, desto größere/ höhere Fertigkeiten !
- mitzunehmen der Mahlfeinheit erhöht sich die Normfestigkeit nach 28 Tagen
- Schnellere, höhere Hydratationswärmeentwicklung

Beton Vorlesungen

Nennen Sie die gebräuchlichsten Zementarten und ihre typischen Merkmale !
Portlandzement CEM I  : aus 100% Portlandzementklinker→ hohe Hydratationswärmeentwicklung,  Schnelle Festigkeitsentwicklung 

Portlandkompositzement CEM II : aus mindestes 65% Portlandzementklinker und einem anderen Bindemittel ( frei Wählbar ) → mittlere Hydratation und Festigkeit 

Hochofenzement CEM III : aus mindestes 5- 64% Klinker, Rest Hüttensand → langsamere Festigkeitsentwicklung, aber hohe Druckfestigkeit, geringe Hydratationswärmeentwicklung 

Beton Vorlesungen

warum wird beim Mahlen des Zement auch Gips oder Anhydrit zugegeben ? 
- Gipsstein, Anhydrit (Erstarrungsregler) → stört, Verzögert die Erhärtung 
- Gips verhindert Zunächst das sofortige erstarren. 

Beton Vorlesungen

Nach welcher Systematik erfolgt die Farbkennzeichnung der Zementsäcke bzw. Aufkleber für die zementsilos?
- Kennfarben von Zementsäcken → Festigkeitklasse
32,5 N/mm2 → braunen Sack ( nach 28 Tagen )
42,5 N/mm2 → grünen Sack
52,5 N/ mm2 → lila Sack
- Schriftfarbe → Entwicklung der Anfangsfestigkeit N oder R 
rote Schrift → Schnelle Anfangsfestigkeitsentwicklung ⇒ R
Schwarze Schrift → normale Anfangsfestigkeitsentwicklung 


Beton Vorlesungen

Nennen Sie beispielhaft je ein typisches Anwendunggebiet für folgende Zemente mit besonderen Eigenschaften 
LH - Zemente, HS - Zemente, NA- Zemente, Weißzemente, Wasserabstoßende Zemente ! 
LH /NW- Zemente → Zemente mit niedriger Hydratationswärme 
⇒ Anwendung: massige Bauteile und zum Betonieren bei hohen Außentemperaturen. 

SR /HS - Zemente → Zemente mit hohem Sulfatwiderstand [sulfat → salze]
⇒ Anwendung: massive Bauwerke mit großen Volumen, kleinen Oberflächen
Abwasserkanäle, Mineralböden 
( Staudämme/ Baraj )

NA - Zemente → Zemente mit niedrig wirksamen Alkaligehalt 
⇒ Anwendung: Bauteile, die mit alkaliempfindlichen Gesteinskörnungen hergestellt werden 

Weißzement 
Anwendung: Sichtbeton, gut zum Einfärben

wasserabstoßender Zement
Anwendung: gegen Feuchtigkeit ( Regen) Unempfindlich ( Bodenverfestigung und Verfestigung frostsicherer Böden ) 


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