Beispiel Zement

Hochleistungswerkstoffe umfassend charakterisieren

Die Materialcharakterisierung hilft bei der Bewertung des Materialverhaltens z.B. bei und auch nach der Verarbeitung. Hier werden verschiedene Analysemethoden am Beispiel eines Zements und eines Schnellzements zeigt.

Die Anforderungen an moderne Hochleistungswerkstoffe im Bausektor steigen kontinuierlich – Baustoffe müssen an unterschiedliche Bedingungen angepasst werden, und gleichzeitig rückt die Ökologie und Nachhaltigkeit immer mehr in den Fokus. Analysemethoden helfen bei der Bewertung der Materialien in Bezug auf Eigenschaften, Verhalten, Eignung und nicht zuletzt Qualität.

© Ingo Bartussek/stock.adobe.com

Die Auswirkungen der physikalischen und strukturellen Eigenschaften auf die Verarbeitbarkeit, Lagerfähigkeit, das Abbindeverhalten und die finalen Eigenschaften des Zements sind signifikant. Als Konsequenz ist eine umfassende Überwachung über die komplette Prozesskette zwingend notwendig. Im Folgenden werden verschiedene Analysemethoden (Gaspyknometrie, Laserbeugung, Gassorption, Röntgendiffraktometrie, Rheologie und instrumentierte Eindringprüfung) entlang des Prozesses vorgestellt, anhand der Charakterisierung eines Zements und eines Schnellzements.

Pulveranalyse von außen nach innen

Die Partikelanalyse umfasst die Parameter Partikelgröße, Dichte und spezifische Oberfläche, welche direkt das Fließverhalten, die Packungsdichte und das Abbindeverhalten beeinflussen. Mittels Gaspyknometrie kann die Feststoffdichte von Pulvern mithilfe des Boyle-Mariotte‘schen Gesetzes bestimmt werden. Die Bestimmung der Dichte der beiden Zementpulver erfolgte hier mit dem Gaspyknometer Ultrapyc 500 und Helium als Messgas, da dieses in die kleinsten noch zugänglichen Poren eindringen kann. Die Messergebnisse zeigen, dass Zement mit 3,122 g cm−3 eine um ca. 10 % größere Dichte besitzt als Schnellzement mit einer Dichte von 2,854 g cm−3.

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Partikelgrößenverteilungen von Pulvern sind über die Laserbeugung einfach zugänglich. Die Zementpulver wurden im PSA 1190 LD trocken mittels Druckluft dispergiert und vermessen. Schnellzement (D90 186 µm) zeigt eine deutlich breitere Verteilung mit mehr Grobanteil (> 25 µm: 35 % zu 17 %) als Zement (D90 32 µm); s. Bild 1. Im Feinanteil (< 1 µm) sind keine Unterschiede sichtbar. Der geringere Grobanteil beim Zement deutet auf eine höhere äußere Oberfläche hin – bei gleichem Volumenanteil, was die Wasseraufnahmefähigkeit und die Fließeigenschaften beeinflussen kann.

Bild 1: Partikelgrößenverteilung von Zement (in Rot) und Schnellzement (in Grün); (Messbedingung: 2bar, 55%, 45Hz, Fraunhofer). © Anton Paar

Der physikalische Prozess der Adsorption beschreibt die Anlagerung, z. B. über Physisorption, von Gasmolekülen an eine Oberfläche. Das Ergebnis einer Physisorptionsmessung wird häufig in Form einer Isotherme aufgetragen. Aus den Daten können die spezifische Oberfläche, die Porengrößenverteilung und das Porenvolumen abgeleitet werden. Zu diesem Zweck wurden beide Zementproben mit Stickstoff bei 77 K mit dem Gassorptionsmessgerät „NOVA“ charakterisiert.

Die beiden Isothermen (s. Bild 2) zeigen nur eine geringe Porosität. Die Adsorption und Kondensation des Stickstoffs erfolgt über einen weiten Porengrößenbereich (und interpartikuläre Zwischenräume). Die spezifischen Oberflächen sind ebenfalls gering, unterscheiden sich aber signifikant voneinander (Zement: 1,34 m2 g−1; Schnellzement: 0,79 m2 g−1) und korrespondieren mit den Aussagen der Partikelgrößenanalyse.

Bild 2: Isothermen (bei 77K, N2) von Zement (in Rot) und Schnellzement (in Grün). © Anton Paar

Für die strukturelle Untersuchung von Zementproben ist die Röntgenpulverdiffraktometrie (XRD) geeignet. In der Diffraktometrie zeigt jede kristalline Phase ein strukturspezifisches Muster von Reflexen (Diffraktogramm). Anzahl, Position und Intensität der Reflexe sind abhängig von kristallografischen Eigenschaften sowie der chemischen Zusammensetzung. Dadurch lassen sich kristalline Phasen eindeutig identifizieren (qualitative Analyse) und relative Anteile einzelner Komponenten bestimmen (quantitative Analyse). Die Zementpulver wurden mit dem Diffraktometer „XRDynamic 500“ untersucht, welches durch einen großen Goniometeradius und moderne Röntgenoptiken ein besonders hohes Auflösungsvermögen besitzt. Zusätzlich wird das Signal-zu-Rausch-Verhältnis durch den evakuierten Strahlengang minimiert und die Mess- und Hands-on-Zeit durch die automatisierten Optiken verkürzt.

In der Zementprobe konnten alle 15 Phasen von Portlandzement, die laut ASTM C1365 [1] auftreten können, über Reflexe im Diffraktogramm identifiziert werden (s. Bild 3). Schnellzement zeigt die gleichen Hauptbestandteile, enthält aber zusätzlich Quarzsand, was sowohl die Partikelgrößenverteilung als auch die Unterschiede in der Dichte und spezifischen Oberfläche erklärt.

Bild 3: Identifikation kristalliner Phasen (qualitative Analyse) in Portlandzement mittels XRD. © Anton Paar

Wie gezeigt, ist Zement nicht gleich Zement. Je nach Zusammensetzung ergeben sich andere Eigenschaften. Zudem ist es wichtig, deren Zusammenhänge mit dem Lagerverhalten zu verstehen. Über Untersuchungen mit dem Pulverrheometer MCR 302e und der Pulverscherzelle kann die Kohäsion, aber auch die für Transport und Füllprozesse wichtige Wandreibung von Pulvern ermittelt werden. Die Wandreibung bezieht sich auf die Interaktion des Schüttgutes mit dem Wandmaterial des verwendeten Behältnisses. Bei den Messungen der zwei Zementarten zeigt sich: Beim gleichen Wandmaterial weisen Zement und Schnellzement sehr ähnliche Wandreibungskoeffizienten auf. Hingegen unterscheiden sich die Werte bei den verschiedenen Wandmaterialien untereinander deutlich. In der Tabelle sind die gemessenen Wandreibungskoeffizienten für drei typische Wandmaterialien – blanker Stahl, Aluminium und gealterter Stahl – aufgeführt.

Da sich Schüttgut mit der Zeit verändert, mechanisch als auch chemisch, muss die Wandreibung über eine lange Nutzungsdauer betrachtet werden, um Probleme bei Füllprozessen zu vermeiden.

Abbindeverhalten

Das Abbinden von Zement ist ein chemischer Prozess: Wenn Zement mit Wasser gemischt wird, kommt es zur Hydration des Zements und zur Bildung des Zementleims. Aus dem Zementleim kristallisieren Calciumsilikathydrat und Calciumhydroxid (Portlandit), welche das Aushärten bewirken. Für den Aushärteprozess selbst ist vor allem das Wasser-zu-Zement-Verhältnis wichtig (Vorgaben sind für Zement 4 : 1,3; für Schnellzement 5 : 1). Zusatzstoffe wie Quarzsand, Flugasche oder Gips verändern zudem die Applikationseigenschaften und mechanischen Eigenschaften des entstehenden Betons. [2]

Mittels XRD und pulverrheologischer Messungen können unter definierten Feuchtebedingungen strukturelle und mechanische Veränderungen des Schüttguts verfolgt werden.

Tabelle: Vergleich der Wandreibungskoeffizienten von zwei Zementarten.

Um Viskositäten, Fließgrenzen und Abbindereaktionen zu untersuchen, eignet sich die rheologische Charakterisierung. Aus den Viskositätskurven kann auf das Applikationsverhalten bei verschiedenen Prozessparametern geschlossen werden. Auch Konzentrationsversuche können helfen, die für die Verarbeitung und jeweilige Anwendung optimale Konzentration eines Zuschlagsstoffes [3] zu bestimmen.

Bild 4: Verteilung des E-Moduls (EIT, links) und der Härte (HIT, rechts) auf einer Zementprobe. © Anton Paar

Beide gemessenen Proben verhalten sich wie viskoelastische Festkörper (da der elastische Anteil G´ größer ist als der viskose Anteil G´´), wobei Schnellzement gegenüber dem Zement eine leicht höhere Viskosität zeigt (1 712 Pas zu 1 312 Pas bei Scherrate 0,1 s-1). Die Oszillationsversuche zeigen, dass der Schnellzement bereits nach drei Minuten die Endfestigkeit erreicht, während der Zement noch weit über 30 Minuten weiter aushärtet. Die Messungen wurden mit dem Rheometer MCR 302e und der Baustoffzelle BMC durchgeführt.

Mechanische Eigenschaften

Um den Einfluss des Wassers auf die mechanischen Eigenschaften der Betonproben zu bestimmen, eignet sich die Nanoindentierung (auch: Nanoidentation) mit geringen Prüflasten [4]. Dabei wird ein Prüfkörper mit bekannter Geometrie in eine Probenoberfläche gedrückt. Normalkraft und Eindringtiefe werden gemessen (Last-Eindringkurve), um z. B. die Härte und das sog. E-Modul, aber auch die Packungsdichte und Volumenanteile zu bestimmen. Am Beispiel einer ausgehärteten und geschliffenen Zementprobe wurden zwei Phasen mit entsprechender Härte (HIT)- und E-Modul (EIT)-Verteilung mit dem Nanoindenter NHT3 bestimmt (Bild 4). In diesem Beispiel sind die härteren Anteile (rötliche Bereiche) und deren räumliche Verteilung auf der Oberfläche erkennbar, welche sich mit makroskopischen Eigenschaften korrelieren lassen.

Zusammenfassung

Verschiedene Analysemethoden kommen für die Qualitätskontrolle und -sicherung von Materialien und bei Forschung und Entwicklung neuer Werkstoffe zum Einsatz. Das perfekte Zusammenspiel chemischer und physikalischer Eigenschaften, angepasst an die Einsatzbedingungen – das zu entwickeln ist ein komplexer Prozess, welcher viel Know-how erfordert. In diesem Bericht wurde eine Auswahl an Messungen am Beispiel von Zement gezeigt, um die umfassenden Charakterisierungsmöglichkeiten an Hochleistungswerkstoffen zu zeigen.

Literatur

  1. ASTM C1365-06, ASTM international, 2011.
  2. J. Beaudoin und I. Odler: „Hydration, Setting and Hardening of Portland Cement“, in Lea‘s Chemistry of Cement and Concrete, 2019.
  3. R. Kampen und T. Richter: „Zement-Merkblatt B3 2.2014“, 2014.
  4. F.-J. Ulm: „Nano-Engineering of Concrete“, Arabian Journal for Science and Engineering, Bd. 37, pp. 481-488, 2012.

AUTOREN
Vanessa Fronk, Dr. Marius Kremer, Markus Nemeth, Paul Pavlov, Michael Schäffler, Dr. Denis Schütz, Dr. Kevin Turke
Anton Paar Germany GmbH, Ostfildern
Tel.: 0711/72091-0
info.de@anton-paar.com
www.anton-paar.com

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