Struktur-Reaktivitätsbeziehung von Tricalciumsilicat und Tricalciumaluminat bei multiplem Einbau von Fremdoxiden
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die im Projekt geplanten Synthesen von Tricalciumsilicat unter multiplem Einbau der Fremdoxide MgO, Al2O3 und Fe2O3 konnten wie vorgesehen durchgeführt werden. Das Sinterverhalten wurde durch alle Fremdoxideinbauten verbessert. Die Mahlbarkeit des C3S wurde durch MgO nicht beeinflusst, Fe2O3 verschlechterte dieses leicht, der Einbau von Al2O3 führte zu einer deutlich schlechteren Mahlbarkeit. Bereits die Färbung der Proben deutete auf unterschiedliches Verhalten von Proben mit einfacher und mehrfacher Dotierung hin. Der Einfluss des Fremdoxideinbaus in das C3S auf Änderungen bei den Gitterparametern nimmt von MgO zu Al2O3 ab, Fe2O3 hat fast keinen Einfluss mehr auf die gemessenen Gitterparameter. Die Einflüsse von MgO in Kombination mit Al2O3 sind additiv. Die Intensität der weiteren strukturellen Änderung ist jedoch umso geringer, je höher die Gesamtdotierung aller Fremdionen ist. Die strukturellen Änderungen durch Fe2O3 waren hingegen bei Anwesenheit von MgO und/oder Al2O3 deutlich stärker als bei alleiniger Dotierung mit Fe2O3. An Laborklinkern ließen sich auf Grundlage der gemessenen Gitterparameter an den Reinphasen verschiedene Fremdoxidarten und Einbaumengen nachvollziehen, ein Nachweis beim Industrieklinker steht noch aus. Eine wichtige Erkenntnis aus der Kombination von Struktur- und Hydratationsuntersuchungen ist, dass es keinen direkten Zusammenhang zwischen der Stärke der Strukturänderungen und dem Einfluss auf die Hydratationseigenschaften gibt. So hat der MgO-Einbau einen starken Einfluss auf die C3S-Gitterparameter, jedoch kaum Einfluss auf die Hydratationseigenschaften. Ein Al2O3-Einbau wirkt sich beschleunigend auf die Anfangshydratation von C3S aus. Der Fe2O3-Einbau, der kaum zur Änderung der Gitterparameter führt, bewirkt eine deutliche zeitliche Spreizung der Haupthydratation bei gleichzeitiger Verminderung der maximalen Hydratationswärmeentwicklung. Der kombinierte Einbau von MgO mit Al2O3 oder Fe2O3 bewirkt kaum Wechselwirkungen, hingegen kommt es beim kombinierten Einbau von Al2O3 und Fe2O3 zu einer deutlichen gegenseitigen Beeinflussung bei der Hydratationswärmeentwicklung. Beim C3A war der Einbau von Fe2O3, SiO2 und Na2O wie geplant möglich, hingegen war es weder in Abwesenheit noch in Anwesenheit von SiO2 möglich K2O in das C3A einzubauen. Um den Einbau verschiedener Fremdoxide in das C3A auch beim Klinker nachvollziehen zu können, muss ohne einen Phasenwechsel, wie er durch den Einbau größerer Mengen Na2O hervorgerufen wird, auch ein weiterer Parameter wie "strain" in die Untersuchungen einbezogen werden. Die Hydratationsuntersuchungen des dotierten C3A wurden sowohl ohne die Zugabe eines Sulfatträgers als auch unter Zugabe eines Gemisches aus Halbhydrat und Anhydrit durchgeführt. Die Hydratation von C3A in Kombination mit dem Sulfatträger führte zwar zu deutlichen Unterschieden bei den verschiedenen Dotierungen, die Schwankungsbreite bei Mehrfachmessungen war jedoch so groß, dass derzeit keine gesicherte Aussage über die genaue Wirkung der einzelnen Dotierungen bei der Hydratation in Kombination mit Sulfatträger gemacht werden kann. Im System C3A + Wasser waren die Mehrfachbestimmungen gut reproduzierbar. Der Einbau von Fe2O3 führt zu deutlichen Verzögerungen bei der Hydratation. Werden die Proben gleichzeitig mit SiO2 dotiert, so bleibt eine anfängliche Verzögerung erhalten, bzw. wird bei höherem SiO2-Gehalt sogar noch verstärkt. Im weiteren Verlauf wird die verzögernde Wirkung jedoch durch den SiO2-Einbau kompensiert, die später in eine beschleunigte Reaktion umschlägt. Der alleinige Einbau von SiO2 führt bei sehr hoher Konzentration anfänglich zu einer leichten Verzögerung, ansonsten jedoch ab ca. 5 min. zu einer leichten Beschleunigung. Auch bei Na2O-haltigen Proben kommt es zu einem kombinatorischen Effekt. Die sonst nur moderate verzögernde Wirkung des Na2O wird durch den zusätzlichen Einbau von Fe2O3 deutlich verstärkt. In das Hydratationsprodukt des C3A, dem Katoit (C3AH6) wird sowohl SiO2 als auch Fe2O3 eingebaut, ein Einbau von Na2O konnte hingegen nicht nachgewiesen werden. Wie schon beim C3S ließen sich auch beim C3A einige der an Reinphasen gewonnenen Erkenntnisse mit den Messungen am Laborklinker korrelieren, ein weiterreichender Vergleich mit Messungen an Klinkern und Zementen aus dem industriellen Prozess steht jedoch noch aus. Bei künftigen Arbeiten sollte der Einfluss von K2O auf die Struktur und Reaktivität der einzelnen Klinkerphasen im Vordergrund stehen. Obwohl insbesondere in Deutschland die Gehalte an K2O im Zement höher sind als die des wesentlich besser untersuchten Na2O ist über den Einbau in die einzelnen Klinkerphasen, die Auswirkung auf die Gitterstruktur und den Einfluss auf das Hydratationsverhalten kaum etwas bekannt. Da die Alkalien auch einen erheblichen Einfluss auf die Wirkung von bauchemischen Zusatzmitteln haben, könnten in diesem Zusammenhang auch Wechselwirkungen zwischen Zement und Zusatzmitteln besser erklärt werden und Inkompatibilitäten vermieden werden. Bereits die jetzigen Ergebnisse lassen sich auf die Qualitätskontrolle bei der Zementherstellung übertragen. Dazu müssen bei der schon heute in vielen Zementwerken routinemäßig durchgeführten Quantifizierungen der Phasenzusammensetzungen der Klinker bzw. Zemente mit Hilfe der Rietveld-Analyse auch die Gitterparameter der einzelnen Phasen verfeinert werden. Beim Einsatz einer statistischen Versuchsauswertung, in die neben der quantitativen Phasenzusammensetzung des Klinkers bzw. Zementes und den ermittelten Gitterparametern der einzelnen Phasen auch die Frisch- und Festmörteleigenschaften der Zemente einfließen, könnten dann Erfahrungen für eine bessere Qualitätskontrolle und Steuerung der Produktionsprozesses gewonnen werden. Dadurch kann bereits bei der Analyse des Klinkers im laufenden Produktionsprozess eine Vorhersage zu den späteren Frisch- und Festbetoneigenschaften gemacht werden, bzw. es können frühzeitig Gegenmaßnahmen bei möglichen Reaktivitätsänderungen einzelner Phasen getroffen werden (z. B. Abstimmung des Sulfatträgers bei einem veränderten Alkalieinbau in die Aluminat-Phase oder Veränderung der Mahlfeinheit bei verändertem Fremdoxideinbau in das C3S).
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Einfluss des multiplen Einbaus von Fremdionen auf Gitterparameter und Hydratationseigenschaften von Tricalciumsilicat. In: GDCh- Monographie Bd. 35, 2005, S. 43-51.
Stephan, D.; Dikoundou Njooh, S.
- Crystal structure refinement and hydration behaviour of 3CaO·SiO2 solid solutions with MgO, Al2O3 and Fe2O3. Journal of the European Ceramic Society 26 (2006) S. 141-148.
Stephan, D.; Wistuba, S.
- Crystal structure refinement and hydration behaviour of doped tricalcium aluminate. Cement and Concrete Research 36 (2006) S. 2011-2020.
Stephan, D.; Wistuba, S.
- Portland cement clinker with a defined cubic and orthorhombic aluminate content. ZKG International 59 (2006) S. 70-80.
Plank, J.; Wistuba, S.; Stephan, D.
- Hydration and hydration products of two-phase Portland cement clinker doped with Na2O. Advances in Cement Research 19 (2007) S. 125-131.
Wistuba, S., Stephan, Raudaschl-Sieber, D. G. Plank, J.
- Influence of Foreign Oxides on Lattice Parameters and Reactivity of Pure Clinker Phases of OPC. 12th International Congress on the Chemistry of Cement, Montreal 2007, S. M3-01.04
Stephan, D.; Plank, J.
- Hydration characteristics and hydration products of tricalcium silicate doped with a combination of MgO, Al2O3 and Fe2O3. Thermochimica Acta 472 (2008) S. 64-73.
Stephan, D.; Dikoundou, S. N.; Raudaschl-Sieber, G.
