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ZI – Studentenexkursionbei
Firma Creaton, Wertingen03.-04.11.2015
Eine Gemeinschaftsveranstaltung der Unternehmen
Bauverlag - Grothe Rohstoffe – Händle – Keller - HCW – Lingl – Opavsky – Refratechnik
Referent: Michael Optenplatz– Grothe Rohstoffe, Bückeburg
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Der kleine aber feine Unterschiedbei der Engoben- und Glasurentwicklung
von baukeramischen ErzeugnissenBesonderheiten und Anforderungen die bei der Entwicklung von Engoben und Glasuren für die
Dachziegelindustrie beachtet werden müssen
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• Historie• Rohstoffe für die Baukeramik• Vergleich zu Sanitär, Fliesen und Ofenkacheln• Engoben und Glasuren für Dachziegel• Besonderheiten bei der Glasuren-Entwicklung für Dachziegel• Gefahrenpotential von Erdalkalien• Prüfverfahren / Auslaugtest• Zusammenfassung
Inhalt
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Historie
Glasierte und engobierte Ziegel haben eine lange Tradition in Asien und Europa
- Ischtar Tor in Babylon:6-5 Jhd. v. Chr.
- Deutschland römische Dachziegel: 3-4 Jhd. n. Chr.
Limesmuseum Aalen
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Rohstoffe für die BaukeramikDachziegelwerke befinden sich heute an Orten mit großen Rohstoffvorkommen – Rohstoffquantitäten von mehreren Jahrzehnten sind keine Seltenheit– Dachziegelmassen:
• verfestigte plastifizierbare tonige Rohstoffe• häufig Bestandteile von Pyriten, Gips und lösliche Salze enthalten• Belastungen durch organische Komponenten• Komponenten zum Abmagern: Basalt etc.
– Charakteristische Anforderungen an Rohstoffe und Scherben:• rote Scherben Brennfarbe• geringe quellfähige Tonmineralien• diffusionsoffen, Wasseraufnahmefähigkeit• Frostbeständig
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Standorte der Dachziegelwerke
• Aufgrund unterschiedlichster Massen, hiermit verbunden differierenden Brennbedingungen, ist jede Engoben- und Glasurenentwicklung eine auf den Dachziegelproduzenten individuell abgestimmte Produktadaption
Keramische Zeitschrift 08-2004, aktuelle Ziegelrohstoffe in Deutschland, H. Ratzenberger, E. Werling, A. Eppner
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Vergleich baukeramischer Produkte:
Dachziegel: Sanitär: Fliesen: Ofenkacheln:
Masse: Rotbrennende
Lehme und tonige
Komponenten,
Magerungsmittel
Weißrennende Tone
und Kaoline,
Feldspäte,
Quarzsande
Meist
weißbrennende
Tone, Feldspäte und
Quarzsande
Meist
weißbrennende Tone
und schamottierte
Zuschlagsstoffe
Aufbereitung: Klassische
grobkeramische
Aufbereitung
Nassaufbereitung
über Kugelmühlen
Herstellung über
Sprühgranulat
Nassaufbereitung
über Kugelmühlen
Formgebung: Extrudieren /
Pressen
Gießen Trockenpressen Gießen
Brenntemperatur: 950°C – 1100°C 1200°C - 1280°C 1180°C – 1280°C 1050°C-1100°C
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Engoben – Glasuren für Dachziegel
Bor-Erdalkalifritte
Bor-Alkali-Fritte
Engobetone / Kaolin
Glasuren
Dachziegel-GlasurenEngoben
Seidenmatt-Engoben
Glanzengoben
• Dachziegel werden gewöhnlich mit folgenden Oberflächen hergestellt:engobiert, glasiert und naturrot
• Der Übergang von einer Engobe zu einer Glasur verläuft fließend und ist maßgeblich vom prozentualem Glasanteil abhängig.
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Engoben – Glasuren in der Segerformel
Engobe rot Edelengobe rot Glasur rot
Na2O 0,40 0,52
K2O 0,42 0,23 0,08
MgO 0,50 0,27 0,01
CaO 0,07 0,09 0,06
SrO 0,30
BaO 0,01 0,01 0,03
Netzwerkwandler: ∑1 1.00 1.00 1.00
Al2O3 1,31 0,93 0,52
Fe2O3 1,03 0,74 0,46
SiO2 6,73 7,60 6,10
B2O3 1,16 2,06
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Besonderheiten die bei der Entwicklung von Dachziegelglasuren zu beachten sind
Mögliche Einflussgrößen die Auswirkungen auf die Qualität der gebrannten Glasuroberfläche besitzen, sind u.a.:
• die physik., chem. Eigensch. der Glasur (WAK, Oberfl.sp., …)• die Schlickereigenschaften (Rheologie, Nasszeiten…)• die Brenntechnologie (Stabilität über Querschnitt, Brennzyklen…)
Qualitative Mängel, die durch obige Faktoren nach dem Brand erkennbar sind, sollten fallsmöglich, gleich durch entsprechende Korrekturen beseitigt werden.Fehler, die erst unter Bewitterungseinfluss auf dem Dach sichtbar werden, stellen ein großes Gefahrenpotential dar.
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Die Gefahrenpotentiale von ErdalkalioxidenFehlerbeschreibung:
• Ende der 1990er und erneut im Jahre 2011 waren Aufhellungen / Trübungen an glasierten Ziegeln unter längerem Bewitterungseinfluss visuell zu erkennen
• Dieses Erscheinungsbild getrübter Ziegel war nicht auf einen Ziegelproduzenten begrenzt
• Es waren nicht alle Ziegel einer Fertigung betroffen• Die Trübung / Aufhellung war besonders am getrocknetem Ziegel erkennbar
Was ist unter Bewitterungseinfluss mit der Glasur geschehen?
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Die Gefahrenpotentiale von ErdalkalioxidenTrübungserscheinungen an Glasuren
Vergrößerung DraufsichtDraufsicht verfärbter Dachziegel
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Anhydritbildung / Vermeidung
Bildungsmechanismus für Anhydrit:*
- Entstehung während der Erweichung der Glasur
- SOx aus dem Rauchgas reagiert mit Erdalkalien aus der Glasur
- Bildung von Anhydrit oder Celestin
- wenn Glasur schmilzt, wird Anhydritbildung unterbrochen
- Anhydritkristalle sind in Glasur eingeschlossen
- Menge Ca-, Sr-, Sulfat abhängig von Verweilzeit zwischen Erweichungsbeginn und Schmelzen der
Glasur aus: „Trübungserscheinungen an glasierten Dachziegeln durch Anhydritauswaschungen“ von Dr. Jörg Keyn ZI 6(2003), Seite 26 – 31) und K. Hohlfeld 51. Würzburger Ziegellehrgang
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aus: „Trübungserscheinungen an glasierten Dachziegeln durch Anhydritauswaschungen“ von Dr. Jörg Keyn ZI 6(2003), Seite 26 – 31) und K. Hohlfeld 51. Würzburger Ziegellehrgang
Anhydritbildung / Vermeidung
- Bewitterung / Wechsel Feuchtigkeit und Trockenheit löst Anhdyrit
Bildungsmechanismus für Schwammstruktur:*
-Schlüsselrolle dabei Trocknung bzw. Erwärmung – Trübung nur auf Bereichen, die Sonnenstrahlung
ausgesetzt sind
Vermeidung der Anhydritbildung:*
- „calziumfreie“ Glasuren verwenden
- Schwefelgehalt der Masse unter 0,04 %
- glasierte und unglasierte DZ nicht zusammen brennen
- glasierte Dachziegel nicht bei verlängerter Schubzeit produzieren
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Fußzeile - Titel der Präsentation, Vortragsdatum 15
Analyse der getrübten Bereiche:
• Lichtmikroskopie: - getrübte schneeflockenartige Strukturen im Glasquerschnitt
• Rasterelektronenmikroskop (REM / EDX): Nachweis von Hohlräumen
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RFA - Glasuranalyse (Festkörper)
DZ mit Fehlerbild DZ ohne Fehlerbild (gleiches Dach)
Gehalt CaO < 1,5 % Gehalt CaO < 1,5 %
Gehalt SrO > 2,0 % Gehalt SrO > 2,0 %
Gehalt SO3 > 1,0 % Gehalt SO3 < 0,5 %
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RFS - Glasuranalyse (Festkörper)
DZ mit Fehlerbild DZ ohne Fehlerbild (gleiches Dach)
Celestine (Sr-Sulfat mit Barium)
Rostite (hydratisiertes Aluminiumsulfat)
Keine Sulfatverbindungen
nachweisbar
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RFA – Glasurpulver
S iO 2 5 ,1 5 A l2 O 3 0 ,5 7 C a O 0 ,1 3
B 2O 3 1 ,2 9 F e 2 O 3 0 ,2 5 N a 2O 0 ,2 5
S rO 0 ,3 6
K 2 O 0 ,0 9
M g O 0 ,0 6
B a O 0 ,0 6
Z n O + L i2 O 0 ,0 5
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Thermisches Verhalten / EHM
S in te rb e g in n E rw e ic h u n g s p u n k t s p h ä r is c h e r P u n k t H a lb k u g e lp u n k t F lie ß p u n k t
6 8 8 °C 9 0 6 °C 9 4 4 °C 1 1 6 6 °C 1 2 1 9 °C
E rw e ic h u n g s b e re ic h : 9 0 6 °C b is 1 1 6 6 °C
F lie ß b e re ic h : 1 1 6 6 °C b is 1 2 1 9 °C
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Vergleich mit anderen Glasuren
Glasur A: bisher keine Verfärbungen nachgewiesen
BaO .... 19,1 Masse - % (0,30 mol) SrO ..... 7,8 Masse - % (0,23 mol)
CaO .... 0,4 Masse - % B2O3.... 3,9 Masse - %
RFA:
EHM:
Schwindungsbeginn : 785 °C
Erweichungsbeginn: 939 °C
Halbkugelpunkt: 989 °C
Fließpunkt: 1032 °C
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Vergleich mit anderen Glasuren
Glasur B: bisher keine Verfärbungen nachgewiesen
BaO .... 16,5 Masse - % (0,29 mol) SrO ..... 9,1 Masse - % (0,23 mol)
CaO .... 0,3 Masse - % B2O3 .... 9,2 Masse - %
RFA:
EHM:
Schwindungsbeginn : 779 °C
Erweichungsbeginn: 942 °C
Halbkugelpunkt: 992 °C
Fließpunkt: 1075 °C
ZI-Studentenexkursion bei Fa. Creaton, Wertingen - 03.11.2015
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Abbildung : KI Meißen K. Hohlfeld
Prüfverfahren zur beschleunigten Simulation: Auslaugtest
Auslaugung über 48 / 96 h mit entionisiertem Wasser bei 100 °C bzw. Dampf
–
anschließend visuelle Kontrolle mittels Stereomikroskop
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Auslaugtest / Lichtmikroskopische Betrachtung
Abbildung : KI Meißen K. Hohlfeld
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Zusammenfassung Erklärungsversuch zur Strontiumsulfatbildung:
• Analyse der verwendeten Glasuren:- nach Segerformel auffallend hohen SrO-Konzentration 0,36 mol
• Untersuchung des thermischen Verhaltens: - langes Glas mit EB bei 906°C und HKP bei 1166°C- ab diesem Erweichungsbeginn startet nach Keyn (2003) die intensive
Reaktion des Kalziums in der Glasur mit dem Schwefel aus der Ofenatmosphäre (warum?)
- Reaktion mit SO3 ist somit über einen langen Temperaturbereich möglich- Vergleich weiterer Glasuren u.a. auch auf Borgehalt <15% (Hydrolytische
Beständigkeit)
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ZI-Studentenexkursion bei Fa. Creaton, Wertingen - 03.11.2015 25
Zusammenfassung Maßnahmen zur Vermeidung der Sulfatbildung:
• Glasurenentwicklung unter Berücksichtigung des Brennzyklus:- Brennzeit, Brenntemperatur, Atmosphäre
• Glasurenentwicklung unter Berücksichtigung der Glaschemie:- thermische Eigenschaften, wie Sinterbeginn, Erweichungsbeginn und
Halbkugelpunkt• Glasurenentwicklung unter Berücksichtigung der chemischen Beständigkeit:
- Säureresistenz, hydrolytische Beständigkeit• Entwicklung von Prüfverfahren zur Fehlernachstellung – Früherkennung• Weitere Klärung der Zusammenhänge von höheren Lamdawerten,
Schwefelkreisläufen . . .
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Zusammenfassung:Ausblick
• Pauschale CaO und SrO Begrenzungen reichen nicht aus um Schäden auszuschließen.
• Forschung notwendig: Sulfat Bildung ist noch nicht gänzlich geklärt (warum ist Erdalkaligehalt in der Auslaugzone so hoch, vielleicht zusätzlich Glasphasentrennung?)
• Verschiedene Phänomene zeigen ähnliches Schadensbild (z.B.: Alle Gläser mit schlechter Hydrolytischer Beständigkeit > 15% B2O3).
• Verbindliche Prüfkriterien sollten zwischen allen Zieglern und Glasurherstellern festgelegt werden.
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ZI-Studentenexkursion bei Fa. Creaton, Wertingen - 03.11.2015 27
Es gibt noch vieles zu erkunden und zu erforschen.Packen wir es gemeinsam an!
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit
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ZI-Studentenexkursion bei Fa. Creaton, Wertingen - 03.11.2015 28
Literatur:• Trübungserscheinungen an glasierten Dachziegeln durch Anhydritauswaschungen“
von Dr. Jörg Keyn ZI 6(2003), Seite 26 – 31)
• Die heimlichen Tücken des Glasierens von Baukeramik ,Dipl.-Ing. Kerstin Hohlfeld
KI Keramik-Institut GmbH 51. Würzburger Ziegellehrgang
• Glaschemie; Werner Vogel; Springer Verlag
• Glas „Natur, Struktur und Eigenschaften“, Horst Scholze; Springer Verlag