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Baustoffdesign
Thomas A. BIER
Institut für Keramik, Glas- und Baustofftechnik, Leipziger Straße 28, 09596 Freiberg,
BaustoffdesignEttringit und Ettringitbindemittel
Baustoffdesign
Gliederung
1- Quick setting
2- Quick setting with improved hardening
3 - Shrinkage Compensation / Rapid hardening / Rapid drying
Schwindkompensierung / Hohe Frühfestigkeiten / Schnelle Trocknung
4- Quick setting / Rapid hardening
5- Corrosion resistant
Baustoffdesign
Hydration of Ettringite
C3A.CS.12H
C3A + 3CS + 32H C3A3CS.32H (ettringite)
3CA + 3CS + 35H C3A.3CS.32H+2AH3
3CA + 9CS + 6CH + 90H 3C3A.3CS.32H
Baustoffdesign
Abkürzungen
OPC Portlandzement
CAC Kalziumaluminatzement
TRG Ternal® RG
CFL Ciment Fondu Lafarge
Zementnomenklatur für die PhasenCS Kalziumsulfat
CA Monokalziumaluminat
C3A Trikalziumaluminat
AH3 Gibbsit
CH Kalziumhydroxid
etc.
Baustoffdesign
Stabilität von Ettringit als Mineral
Ettringit kann sich in Anwesenheit vonWasser (die Grundstrukur kann dabei erhalten bleiben)
Kohlendioxid CO2
Kalziumaluminat und Feuchte (Monosulfatbildung) verändern
Deshalb ist reines Ettringit empfindlich gegenTemperatur und Temperaturzyklen
Feucht- trocken Zyklen
Karbonatisierung
Sulfatmangel und Aluminatüberschuss bei Feuchte
Baustoffdesign
In Zone A the major hydrates are Ettringite and AHx gel which is has a low crystallinity
This later phase plays an important role in the microstructurebut cannot be well characterised by classic techniques such as XRD.In pastes the reaction of Ettringite with unreacted CAC to form AFm phases appears to be sluggish
In systems with a major component of OPC, as in zone B, calcium silicate hydrate, C-S-H will be the major hydrate
Consumption of lime by CA + 2C + 3CaSO4 to form ettringite will reduce formation of Portlandite.
Formation of AHx gel is largely reduced
Hydrates formed in CAC/OPC/C$ systems
Baustoffdesign
3 CA + 3C$Hx + (38-x) H
C3A(C$)3H32 + 2 AH3
Alumina source
CAC (CA)
Lime/silica Source
OPC, C3S, CaOC-S-H+ CHAH3
C3A(C$)3H32= ettringite
ZONE B
Hydrates formed in CAC/OPC/C$ systems
Sulfate Source
anhydrite, gypsum, plaster
Baustoffdesign
• large field of stability
• calcium-alumino monosulfate is only metastable and forms only when the reaction is driven by the presence of an unstable anhydrous phase
Ettringite as part of a phase assemblage
Baustoffdesign
Eigenschaften des CAC - CS Modellsystems
Schnelles Abbinden wie in beschleunigten Portland Systemen mit folgenden zusätzlichen Eigenschaften :
Hohe Frühfestigkeit und rasche Festigkeitsentwicklung
Schnelles Trocknen
Schwindkompensation
Baustoffdesign
Basic Formulation for a Repair MortarSystem CAC - CS
Fondu Hemi Hydrate OPC
Max 75,00% 30,00% 0,00%
Min 49,00% 15,00% 35,00%
Binder CompositionWater / Solids 15,40%Water / Binder 35,70%
Silica sand 0.315 / 1 mm 18,70%Silica sand 1 / 4 mm 18,70%
Sodium Gluconate 0,10%Silca sand 0 / 0.315 mm 18,70%
Rapid Repair Mortar recipe
Binder 43,00%Lithium Carbonate 0,10%
Baustoffdesign
44,637,4
31,8 50,236,7
34,0
53,643,1
38,7
47,3
54,3
58,840,0
49,5
37,2
41,3
-0,10
0,00
0,10
0,20
0,30
0,40
0,50
0,60
0,70
0,00 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 0,60 0,70
Plaster / CFL
Portland cement / ( Plaster + CFL )
44,637,4
31,8 50,236,7
34,0
53,643,1
38,7
47,3
54,3
58,840,0
49,5
37,2
41,3
-0,10
0,00
0,10
0,20
0,30
0,40
0,50
0,60
0,70
0,00 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 0,60 0,70
Plaster / CFL
Portland cement / ( Plaster + CFL )
Strength for different Binder Compositions
Baustoffdesign
Influence of Lime Source
27,6
34,1
39,7 38,71,8
2,1
11,7
1,4
26,1
5,06,7
12,2
1,01,7
35,1
29,2
-0,005
0,000
0,005
0,010
0,015
0,020
0,025
0,030
0,035
0,040
0,045
0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7
Plaster / Ternal RG
Hydrated lime / (Ternal RG +
Plaster )
27,6
34,1
39,7 38,71,8
2,1
11,7
1,4
26,1
5,06,7
12,2
1,01,7
35,1
29,2
-0,005
0,000
0,005
0,010
0,015
0,020
0,025
0,030
0,035
0,040
0,045
0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7
Plaster / Ternal RG
Hydrated lime / (Ternal RG +
Plaster )
Baustoffdesign
CA und CS Verbrauch für verschiedene CAC/CS/OPC Verhältnisse
104
130
138
164
186
95
28
7
96
27
19
-0,100,000,100,200,300,400,500,600,70
0,00 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 0,60 0,70
%C$1/2H / %CAC
%O
PC /
( CA
C +
C$1
/2H
)
CA résiduelSemihydrate résiduel
Baustoffdesign
Ettringit- und Gibbsitbildung für verschiedene CAC/CS/OPC Verhältnisse
192
157
132
114
130
114
6,1
7,8
8,3
2,2
20,1
-0,100,000,100,200,300,400,500,600,70
0,00 0,20 0,40 0,60 0,80%C$1/2H / %CAC
%O
PC /
( CA
C +
C$1
/2H
)
Pic(s) initial(aux) DSC:Ettringite + AH3 gel
Pic à environ 300°C: AH3 -gibbsite
Baustoffdesign
Shrinkage Kinetics in Self Levelers
0,0
10,0
20,0
30,0
40,0
50,0
60,0
70,0
0,0 50,0 100,0 150,0 200,0 250,0
Joules / g or nb impulses / second
Com
pres
sive
Stre
ngth
, MPa
DSC: ettringite + amorphous phases
DRX: ettringite
0,0
10,0
20,0
30,0
40,0
50,0
60,0
70,0
0,0 50,0 100,0 150,0 200,0 250,0
Joules / g or nb impulses / second
Com
pres
sive
Stre
ngth
, MPa
DSC: ettringite + amorphous phases
DRX: ettringite
Baustoffdesign
Festigkeitsentwicklung für CAC/CS/OPC
79,5
41,5
57,1
62,3621,9
43,2
36,8
53,15
72,45
72,80
60,8547,65
50,05
43,95
-0,10
0,00
0,10
0,20
0,30
0,40
0,50
0,60
-0,2 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8
%C$1/2H / %CAC
%O
PC /
( CA
C +
C$1
/2H
)
RC 28 jours RC 3 mois
Baustoffdesign
Schwind/Quellverhalten als Funktion der CAC/CS/OPC Verhältnisse
-2-101234567
0 200 400 600 800 1000 1200 1400temps/min
mm/m
75%CAC / 25% C$ 75% CAC / 20% C$ / 5% OPC62,5% CAC / 25% C$ / 12,5% OPC 62,5% CAC / 15% C$ / 22,5% OPC50% CAC / 25% C$ / 25% OPC 50% CAC / 15% C$ / 35% OPC
Baustoffdesign
Längenänderung nach 24 Std für unter-schiedliche CAC/CS/OPC Verhältnisse
- 600- 1000- 1200
+ 5800
+ 1600
+ 1900
-0,10
0,00
0,10
0,20
0,30
0,40
0,50
0,60
0,70
0,00 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 0,60%C$1/2H / %CAC
%O
PC /
( CA
C +
C$1
/2H
) Retrait 24h,microns / mExpansion 24h,microns / m
Baustoffdesign
Funktion : Schwindkompensation
-3600
-2400
-1200
0
1200
0,01 0,1 1 10 100
Zeit (Tage)
Schw
inde
n/D
ehnu
ng (
µm/m
)
TZ/Halbhydrat/PZ
PZ/TZ/AnhydritPZ/TZ
-3600
-2400
-1200
0
1200
0,01 0,1 1 10 100
Zeit (Tage)
Schw
inde
n/D
ehnu
ng (
µm/m
)
TZ/Halbhydrat/PZ
PZ/TZ/AnhydritPZ/TZ
Baustoffdesign
-100
100
300
500
700
900
0 200 400 600 800 1000 1200 1400
Zeit (min)
Ausd
ehnu
ng (
µm/m
)
Schwindung/Dehnung
Kalorimetrie
I+II III
-100
100
300
500
700
900
0 200 400 600 800 1000 1200 1400
Zeit (min)
Ausd
ehnu
ng (
µm/m
)
Schwindung/Dehnung
Kalorimetrie
I+II III
-100
100
300
500
700
900
0 40 80 120 160 200
Zeit (min)-100
100
300
500
700
900
0 40 80 120 160 200
Zeit (min)
III
Lösungsphase
Schwindung und Hydratationfür ein Ettringitsystem
Baustoffdesign
Trocknungsschwinden und Bindemittel
1Tag 1 - 7
Tage 7 - 14Tage 14 - 28
Tage 28 - 90Tage
TZ/Halbhydrat/ PZ
PZ/TZ/ Anhydrit
PZ/TZ
PZ/TZ
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
Schwindrate (µ/mTag)
Meßzeitraum
PZ/TZ/ Anhydrit
Baustoffdesign
Funktion : Schnelle Trocknung
0
4
8
12
16
20
0 8 16 24 32 40 48
Zeit (Stunden)
Feuc
hteg
ehal
t nac
h de
r CM
Met
hode
(%)
Keine Trocknung
Trocknung in 9 mm Schicht
Trocknung in 3 mm Schicht
PZ/TZ
TZ/Halbhydrat/PZ
0
4
8
12
16
20
0 8 16 24 32 40 48
Zeit (Stunden)
Feuc
hteg
ehal
t nac
h de
r CM
Met
hode
(%)
Keine Trocknung
Trocknung in 9 mm Schicht
Trocknung in 3 mm Schicht
PZ/TZ
TZ/Halbhydrat/PZ
Baustoffdesign
The action of Ettringite: Rapid drying through rapid crystallisation of hydrates
0
4
8
12
16
20
24
0 6 12 18 24 30 36 42 48time in hours
% o
f wat
er
0
4
8
12
16
20
24
0 6 12 18 24 30 36 42 48time in hours
% o
f wat
er
Evaporation / Absorption
Crystallised water
Residual moisture
CAC Based self leveller3 mm thickness
OPC CAC CaSO45 % 20 % 7-8 %
CAC Based self leveller3 mm thickness
OPC CAC CaSO45 % 20 % 7-8 %
Time saving
Baustoffdesign
Performance in the CAC - CS - OPC commercial product systems
Self Levelers with rapid drying and also :
High early strength and fast strength development
Shrinkage compensation
Baustoffdesign
Example of self levelers
Laboratory SLU (3% Resin)
20°C - 70%HR 20°C - 50%HRunder water after 7 days at
20°C - 70%HR
time Compressive Strength
Size variations Compressive Strength
Size variations Compressive Strength
Size variations
1 day 20,1 780 18 580 - -7 days 28,2 580 - - 28,2 580
28 days 30,2 420 36,8 -77 27,9 56742 days 31 370 - - - -
3 months 36 287 38,5 -107 36,5 5876 months 28,8 240 32,5 -100 - -
1 year 27,3 230 34,3 -100 43 - 2 years 25,4 230 - - - -
Laboratory SLU w/o Resin
20°C - 70%HRunder water after 7 days at
20°C - 70%HR
time Compressive Strength
Size variations Compressive Strength
Size variations
1 day 26,5 333 - -7 days 38,4 -33 38,4 -33
28 days 29,5 -177 34,2 26742 days 21 -220 - -
3 months 15,8 -293 41,5 2936 months - -520 - -
1 year 13,3 -620 38,7 -
2 years 12,6 -620 - -
Baustoffdesign
Stabilität eines Ettringitsystems ohne Kunst-stoff aber niedrigem Wasseranspruch
Strength evolution of a Rapid mortar
0
10
20
30
40
50
60
70
80
0 2 4 6 8 10 12 14Time (months)
20°C-50%HR 20°C-95%HR
Under water Outside
Cycles
Baustoffdesign
Evolution of hydrated phases in Rapid Repair Mortar n°1,
under water at 20°C
Repair mortars: material stability despite phase transformation
Baustoffdesign
Evolution of hydrated phases in Rapid Repair Mortar n°120°C - 50%HR
Some examples
Repair mortars: material stability despite phase transformation
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