1
Leistungsmerkmale von Zement
- heute und morgen -
Christoph Müller, Düsseldorf
2. Jahrestagung und 55. Forschungskolloquium des DAfStb
Düsseldorf, 26./27. November 2014
Entwicklung der Zementarten in Deutschland (Inlandversand)
Quelle: VDZ
0
10
20
30
40
50
60
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80
90
100
1999 2001 2003 2005 2007 2009 2011 2013
sh
are
of
cem
en
t p
rod
ucti
on
in
%
CEM I CEM II CEM III others
An
teil
de
r Z
em
en
tart
in
%
andere
2
Entwicklung der Zementarten in Deutschland (Inlandversand)
Quelle: VDZ
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40
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1999 2001 2003 2005 2007 2009 2011 2013
sh
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cem
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CEM I CEM II CEM III others
An
teil
de
r Z
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en
tart
in
%
andere
Entwicklung der Zementarten
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Selbstverpflichtung zum Klimaschutz / CO2-Emissionshandel
Verfügbarkeit der Ausgangsstoffe
Akzeptanz in der Baupraxis - Sondereigenschaften: NA, SR, LH akzeptiert
- Im üblichen Hochbau akzeptiert
Estriche
Industriebetonböden bzw. vergleichbare Bauteile
Brückenkappen
Betonstraßenbau
3
Prognose des Klinker-/Zement-Faktors
5
Kli
nk
er-
/Ze
me
nt-
Fa
kto
r
Historische
Daten Basisszenario (Szenario 1)
Szenario 2 Szenario 3 Szenario 4
Jahr
Normung neuer Zemente in der EN 197-1
6
4
Kategorisierung und Bewertung neuer Zemente
Kategorie 1
Zement mit einer
neuen Kombination
traditioneller Bestandteile
Kategorie 2
Zement enthält einen
geringen Anteil eines oder
mehrerer neuer Bestandteile
Kategorie 3
Zement unterscheidet
sich deutlich von bisher
genormten Zementen
Bewertung der mechanischen, physikalischen
und chemischen Leistung
Bewertung hinsichtlich der Dauerhaftigkeit
Bewertung des Einflusses auf die Umweltverträglichkeit
Bewertung möglicher Gesundheitsgefahren
Vor einer Normung:
Relevante praktische
Erfahrung unter
anerkannten Bedingungen
8
Interne Überwachungsprüfungen an Zementen
Eigenschaft zu prüfende Zemente Prüfverfahren
Anfangsfestigkeit, Normfestigkeit alle EN 196-1
Erstarrungsbeginn alle EN 196-3
Raumbeständigkeit alle EN 196-3
Glühverlust CEM I, CEM III EN 196-2
Unlöslicher Rückstand CEM I, CEM III EN 196-2
Sulfatgehalt alle EN 196-2
Chloridgehalt alle EN 196-2
C3A im Klinker
CEM I-SR 0
CEM I-SR 3
CEM I-SR 5
CEM IV/A-SR
CEM IV/B-SR
196-2 für CEM I,
ansonsten über WPK
Puzzolanität EN 196-5
Hydratationswärme EN 196-8 / -9
Zusammensetzung alle -
5
India vs. Europe: Cement properties (examples)
Cement/Standard Grade in MPa Typical cement fineness in cm2/g
(Blaine) 1)
India Europe
OPC / CEM I 43 /42.5
53 /52.5
3.000 3,600
4,880
PSC / CEM III 33 / 32,5
43 / 42,5
3,600
n.a. 2)
3,920
4,440
PPC /
CEM II/B-V (W)
33 / 32,5 3,400 4,470
10
1) acc. to VDZ Database
2) not included in BIS (Bureau of Indian Standard)
source: Technical Report TR-ECRA-120/2012
India vs. Europe: Cement testing (examples)
Standard Temperture
in °C
Test conditions
BIS 27 standard (constant)
consistency
EN 20 standard (constant)
water/cement ratio
11
Indian cement standard is adapted to local conditions with respect to market,
available materials and ambient conditions
Indian cement producers can grind their cements much more coarsly compared
to other world regions and to minimise their electrical power consumption in
cement grinding
source: Technical Report TR-ECRA-120/2012
6
Packungsdichte und Zementeigenschaften
13
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
0,43 0,45 0,47 0,49 0,51
Dru
ckfe
sti
gekit
in
MP
a
exp. Packungsdichte
2 Tage 28 Tage
CEM II/B-LL
0
10
20
30
40
50
60
0,42 0,44 0,46 0,48 0,50
Dru
ckfe
sti
gekit
in
MP
aexp. Packungsdichte
2 Tage 28 Tage
CEM II/B-M (S-LL)
z w/z g
450 g/Mischung 0,50 1350 g/Mischung
Kategorisierung und Bewertung neuer Zemente
Kategorie 1
Zement mit einer
neuen Kombination
traditioneller Bestandteile
Kategorie 2
Zement enthält einen
geringen Anteil eines oder
mehrerer neuer Bestandteile
Kategorie 3
Zement unterscheidet
sich deutlich von bisher
genormten Zementen
Bewertung der mechanischen, physikalischen
und chemischen Leistung
Bewertung hinsichtlich der Dauerhaftigkeit
Bewertung des Einflusses auf die Umweltverträglichkeit
Bewertung möglicher Gesundheitsgefahren
Vor einer Normung:
Relevante praktische
Erfahrung unter
anerkannten Bedingungen
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7
Comparison of cement application in Europe:
Example “Concrete for exterior building elements (XF1)"
State max.
w/ceq
min.
c CEM I
CEM II CEM III CEM IV CEM V
S L/LL M
kg/m³ A B A B A B A B A B A B
Austria 0.55 300 x x x x (x) x (x) x (x)
Belgium 0.55 300 x x x x x x x x x (x)
Denmark 0.55 150 (x) (x)
Finland 0.60 270 x x x x x x x
France 0.60 280 * x x x x x x x x x x x x x
Germany 0.60 280 x x x x ● (x) (x) x x ● (x) (x) (x)
Ireland 0.60 300 x x
Italy 0.50 320 x x x x x x x x x x x x x
Netherlands 0.55 300 x x x (x) (x) (x) (x) x x (x) (x) (x) (x)
Norway 0.60 250 x x x
United Kingdom 0.60 280 x x x x x x x (x) (x)
x (x) ● not mentioned use allowed with limitations use not allowed
* and (x) Indicates that there are qualifications, e.g. types of main constituents.
17
Bewertungshintergrund Carbonatisierung Deutschland
z w/z g
450 g/Mischung 0,50 1350 g/Mischung
Bauaufsichtlich eingeführter
Bewertungshintergrund
8
TU München, Gehlen, Greve-Dierfeld (Präsentation Brüssel 22.10.2014)
Vergleich mit Widerstandsklassen Karbonatisierung
Carbonation depth xc [mm]
Rela
tive
frequency [
-]
depth X [mm] / rate K [mm/a0.5]
RC20 RC40 RC30 RC50 RC60
0 20/2.8 30/4.2 40 /5.7 50/7.1 60/8.5
10% probability
Carbonation depth xc [mm]
xc,90 = 90% quantile
Corresponding carbonation rate k [mm/a0.5]
0 1.4 2.8 4.2 5.7 7.1 8.5 0 1.4 2.8 4.2 5.7 7.1 8.5
Corresponding carbonation rate k [mm/a0.5]
10% probability
xc,90 = 90% quantile
Widerstandklassen vs. Praxis Deutschland
19
0
2
4
6
8
10
12
0 20 40 60 80
Vc
,14
0d
in
mm
/√a
compressive strength in Mpa
7d pre-storageDIBt background
RC20
RC30
RC40
RC50
RC60
Vorlagerung: 7d
9
Widerstandklassen vs. Praxis Deutschland
22
0
2
4
6
8
10
12
CEM I CEM II/B-M CEM III/A CEM III/B
Vc
,14
0d
in
mm
/√a
7d pre-storage
RC20
RC30
RC40
RC50
RC60
DIBt limit
RC20
RC30
RC40
RC50
RC60
z w/z g
450 g/Mischung 0,50 1350 g/Mischung Vorlagerung: 7d
Differenzierung des
bauaufsichtlich eingeführten
Bewertungshintergrundes
TU München, Gehlen, Greve-Dierfeld (Präsentation Brüssel 22.10.2014)
Zusammenhang zwischen Widerstandsklasse und
Betondeckung
Design service life tSL
RCX [mm]
curing 7 Tage (kc=1)
semiprobabilistic calculation RC50
cmin = 27 mm is required for XC4
semiprobabilistic calculation RC30
cmin = 18 mm is required for XC4
10
TU München, Gehlen, Greve-Dierfeld (Präsentation Brüssel 22.10.2014)
Zusammenhang zwischen Widerstandsklasse und
Betondeckung
Design service life tSL
RCX [mm]
curing 7 Tage (kc=1)
semiprobabilistic calculation RC50
cmin = 27 mm is required for XC4
semiprobabilistic calculation RC30
cmin = 18 mm is required for XC4
Einführung von Widerstandsklassen in EN 206?
Weitere Harmonisierung erscheint möglich
Differenzierung des bauaufsichtlich eingeführten Bewertungshintergrundes
Verantwortung des Planers: „Vorentscheidung“ bzgl. Baustoffauswahl
Bei einem echten „Trade-Off“ müsste die Qualitätssicherung entlang der
Wertschöpfungskette auf eine neue Basis gestellt werden
Dauerhaftigkeitsrelevante Leistungsmerkmale neuer Betonausgangsstoffe
(z. B. Zemente) und Betoneigenschaften ließen sich stärker in Korrelation
bringen
11
27
Dauerhaftigkeitsrelevante Leistungsmerkmale
Simultanthermoanalyse mit
Massenspektrometer
Auswertung des auf Wasser
zurückzuführenden Massenverlustes
Relation zu einer vollständig
hydratisierten Portlandzementprobe
bzw. zum Literaturwert
0
1E-10
2E-10
3E-10
4E-10
5E-10
6E-10
70
75
80
85
90
95
100
0 200 400 600 800 1000 1200 1400
Ion
en
str
om
in
A
TG
in
M.-
%
Temperatur in °C
Referenz Probe H₂O CO₂
rd. 23 M.-%
rd. 10 M.-%
0
2
4
6
8
10
12
14
0,001 0,01 0,1 1 10
Po
ros
itä
t in
vo
l.-%
Porenradius in µm
Porosität bis 0,004 µm = 11,7 %
Porosität bis 0,03 µm = 3,9 %
Porosität bis 0,02 µm = 5,3 %
Porosität bis 0,01 µm = 8,2 %
Auswertung
- der Gesamtporosität
- definierter Porenradienbereiche
29
Ergebnisse - Kennwerte CIF-Test und CDF-Test
z w/z
320 kg/m³ 0,50
0
20
40
60
80
100
120
0 5 10 15 20
rela
tive
r d
yn
am
isc
he
r E
-Mo
du
l n
ac
h 2
8
FT
W i
n %
KCIF,E
linear, R² = 0,86
Grenzwert BAW XF3 (100a)
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
4,5
0 50 100 150 200
Ab
wit
teru
ng
in
kg
/m²
KCDF
linear, R² = 0,88
Grenzwert XF4 Zulassung (50a)
LP
12
Zusammenfassung
Zemente mit mehreren Hauptbestandteilen sind ein Kernelement nachhaltiger
Zementproduktion in Deutschland.
Randbedingungen für die weitere Entwicklung:
– Verfügbarkeit geeigneter Ausgangsstoffe
– Umweltpolitische Randbedingungen (z. B. Klimaschutz vs. Energieeffizienz)
– Qualitativ hochwertige, dauerhafte Betonbauwerke im Fokus
Zementnorm der Zukunft
– Aspekte der Dauerhaftigkeit von Beton angemessen berücksichtigen
Einführung von Widerstandsklassen in EN 206?
– Chancen und Risiken sorgfältig ausloten
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!
Dr. Christoph Müller
VDZ gGmbH