Projekt 34647/01

Granulometrische Optimierung klinkereffizienter Zemente Effekte auf die Dauerhaftigkeit und Nachhaltigkeit von Beton

Projektdurchführung

VDZ Technology gGmbH Forschungsinstitut der Zementindustrie (FIZ)
Toulouser Allee 71
40476 Düsseldorf

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Ziel des Projektes war es, klinkereffiziente Zemente mit Klinkerfaktoren von 50 % bzw. bei 35 % unter Verwendung von Kalkstein in Kombination mit Hüttensand bzw. ziegelreichem Recyclingmaterial aus der Planziegelproduktion granulometrisch so zu optimieren, dass zulassungsrelevante Prüfungen am Beton sicher bestanden werden. Einige Zemente wiesen bei einem Kalksteinanteil von 30 M.-% und einem Klinkeranteil von 40 M.-% Zusammensetzungen außerhalb der Zementnorm auf (sog. CEM X Zemente).

Neben dem technischen Ziel, neue klinkereffiziente Zemente in dauerhaften Betonen und damit in der Baupraxis anzuwenden, wurden auch umweltrelevante Projektziele verfolgt. Die Kenntnisse aus dem Projekt tragen dazu bei, die Prozessemissionen (CO2) bei der Zementherstellung und damit die CO2-Intensität der Betonbauweise weiter deutlich zu senken. Lag das Treibhauspotenzial eines deutschen Durchschnittszements mit ca. 75 M.-% Klinker zu Projektbeginn bei rd. 590 kg CO2-Äq/t (netto), so sollte das Treibhauspotenzial der klinkereffizienten Zemente mit 50 M.-% (CEM II/C) bzw. 35 M.-% Klinker (CEM VI) auf ? 400 kg CO2-Äq/t reduziert werden und somit zur Nachhaltigkeit von Beton beitragen.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenUm den Einfluss der Granulometrie der Zementhauptbestandteile auf das Ergebnis von Frost- und Frost-Tausalzprüfungen sowie von Chloridmigrations- und Carbonatisierungsprüfungen am Beton festzustellen, wurden CEM II/C-M (S-LL)-Zemente konstanter Zusammensetzung mit 50 M.-% Klinker, 30 M.-% Hüttensand und 20 M.-% Kalkstein granulometrisch verändert. Die Herkunft der Hauptbestandteile blieb unverändert, während ihre Korngrößenverteilungen (KGV) je nach Mahlbarkeit und je nach Aufbereitung in verschiedenen Mahlverfahren (Kugelmühle, Wälzmühle) variierten. So wurden an den getrennt gemahlenen Hauptbestandteilen Mahlfeinheiten zwischen 3000 cm²/g und 7500 cm²/g (Blaine) sowie enge KGV (RRSB, z. B. n > 1,1) und breite KGV (RRSB, n < 0,9) ermittelt. Der Klinker wurde auf eine Mindestfeinheit von 5000 cm²/g gemahlen, in den meisten Fällen mit enger KGV. Die Mindestfeinheit des Hüttensandes betrug 4000 cm/g, die des Kalksteins zwischen 3000 - 4000 cm²/g. In ähnlicher Weise wurden auch Zemente CEM VI mit 35 M.-% Klinker und 20 M.-% Kalkstein bzw. CEM X mit 40 M.-% Klinker und 30 M.-% Kalkstein granulometrisch verändert. Neben den hüttensandhaltigen CEM II/C-Zusammensetzungen wurden in diesem Projekt erstmalig R-Zemente mit 30 M.-% Ziegelschleifstaub und 20 M.-% Kalkstein hergestellt und in Mörtel und Beton untersucht.

Der Großteil der Versuchszemente wurde durch getrenntes Mahlen und anschließendes Mischen hergestellt, einige Versuchszemente wurden gemeinsam gemahlen. Es folgten Untersuchungen der zementtechnischen Eigenschaften an Zementen, Zementleimen und Zementmörteln. Neben Normmörteln mit konstantem Wasserzementwert (EN 196-1, w/z = 0,50) wurden auch Untersuchungen bei einem auf konstante steifplastische Konsistenz angepassten w/z-Wert durchgeführt, jeweils ohne Verwendung von Zusatzmitteln. Die Leistungsfähigkeit der Zemente wurde anhand der Mörteldruckfestigkeiten im Alter von zwei und 28 Tagen sowie anhand der Porenradienverteilung im Alter von 28 Tagen beurteilt. Für die praktische Anwendung der Zemente im Beton sind Nachweise notwendig, um sie in entsprechenden Expositionsklassen einsetzen zu dürfen. Diese Untersuchungen erfolgen in der Regel in den Grenzzusammensetzungen der Betone nach Betonnorm DIN 1045-2.


Ergebnisse und Diskussion

Im Würfelverfahren (Frostwiderstand) wurde an den Betonen unter Verwendung von getrennt gemahlenen Zementen CEM II/C-M (S-LL), CEM VI und CEM X das in den Zulassungsverfahren des DIBt relevante Bewertungskriterium von 10 M.-% nach 100 Frost-Tau-Wechseln (FTW) stets eingehalten.

Der Frost-Tausalz-Widerstand wurde im CDF-Test an Luftporenbetonen untersucht. Das DIBt-Bewertungskriterium beträgt 1,5 kg/m² Abwitterungen nach 28 Frost-Tau-Wechseln. Bei Betonzusammensetzung nach DIN 1045-2 lag das Ergebnis nur bei Anwendung eines granulometrisch optimierten Zements CEM II/C-M (S-LL) knapp unterhalb des Grenzwertes. Das Kriterium wurde eingehalten, wenn hüttensand- und ziegelhaltige CEM II/C-M-Zemente im LP-Beton mit abgesenktem w/z-Wert zur Anwendung kamen.

Die Ergebnisse aus den Prüfungen des Chlorideindringwiderstandes und des Carbonatisierungswiderstandes erfüllten stets die Anforderungen des DIBt.

Als Treibhauspotenziale der klinkereffizienten Zemente wurden durchweg Werte ? 400 kg CO2 -Äq/t (netto) ermittelt.



Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

- Z. B. in Projektgesprächen und im Wissensaustausch mit dem VDZ und dem FIB (mehrfach jährlich), der Firma Loesche GmbH und der Firma Spenner GmbH & Co. KG
- „R-ZiEMENT, Ziegelhaltige Recyclingbaustoffe als Rohstoff für ressourceneffiziente Zemente in dauerhaften Betonen“ (BMBF, PTJ, FONA, FKZ: 033R263A) – z. B. bei der ReMin-Stauskonferenz 2023 in Clausthal
- Wedekind, L.; Ludwig, H.-M.; Severins, K.; Müller, C. (2023) Einfluss der Granulometrie von klinkereffizienten Zementen auf die Hydratation. IBAUSIL: Internationale Baustofftagung in Weimar. (http://dx.doi.org/10.1002/cepa.2899)
- Severins, K.; Müller, C.; Wedekind, L; Ludwig, H.-M.. (2023) Granulometrische Einflüsse klinkereffizienter Zemente auf den Frost- und Frost-Tausalzwiderstand von Beton. IBAUSIL: Internationale Baustofftagung in Weimar.
- „Hydratation und Porengefüge bei Verwendung RC-haltiger Zemente“: (BBSR/BBSR, ZukunftBau, Az. SWD-10.08.18.7-20.04), z. B. bei den ZukunftBau-Projektetagen 2022 und 2023
- Veröffentlichung von Forschungsergebnissen in den VDZ-Mitteilungen und bei LinkedIn (www.vdz-online.de)
- Veröffentlichung von Forschungsergebnissen in Masterarbeiten an der Ruhruniversität Bochum bzw. an der FH Aachen
- Präsentation „Herstellung und Anwendung klinkereffizienter R-Zemente“, Kolloquium „Nachhaltig effizient, Ressourcen des zukünftigen Bauens“ der BAM, Berlin, 18.01.2024



Fazit

Die aktuelle Betonnorm DIN 1045-2 sieht für klinkereffiziente Zemente CEM II/C-M (S-LL) die Anwendung in allen Expositionsklassen außer XF2 - XF4 vor. Für diese Expositionsklassen sind allgemeine bauaufsichtliche Zulassungen notwendig. Der Nachweis erfolgt in Frost- und Frost-Tausalzprüfungen; in der Regel in den Grenzzusammensetzungen der Betone nach Betonnorm.

Sollen unter Verwendung klinkereffizienter Zemente, z. B. mit geringstmöglichen Klinkergehalt von 50 % und einem maximalen Kalksteingehalt von 20 %, neben einer Verringerung ihres Treibhauspotenzials auf Werte ? 400 kg CO2 Äq/t auch Bewertungskriterien des DIBt erfüllt werden, kann eine granulometrische Optimierung der Zementhauptbestandteile einen deutlichen Einfluss auf das Ergebnis von zulassungsrelevanten Dauerhaftigkeitsprüfungen haben.

Die zunehmende Verringerung des Klinkerfaktors, z. B. auf 35 % im CEM VI, eine Erhöhung des Kalksteingehaltes, z. B. auf 30 % im CEM X, oder eine Substitution des Hüttensandes durch Ziegelmehl in ressourcenschonenden R-Zementen machen neben einer verstärkten granulometrischen Optimierung aller Zementbestandteile auch eine Optimierung der stofflichen und granulometrischen der Betonzusammensetzung (z. B. w/z-Wert, Mehlkornanteile) erforderlich, um Nachhaltigkeitsziele (z. B. deutlich verringerte Treibhauspotenziale) sicher zu erreichen.