Portland-Zement - Portland cement

Mehrere Säcke Portlandzement verpackt und auf einer Palette gestapelt.
Blue Circle Southern Cement arbeitet in der Nähe von Berrima , New South Wales, Australien.

Portlandzement ist die weltweit am häufigsten verwendete Zementart als Grundbestandteil von Beton , Mörtel , Stuck und nicht spezieller Mörtel . Er wurde Anfang des 19. Jahrhunderts in England von Joseph Aspdin aus anderen Arten von hydraulischem Kalk entwickelt und wird normalerweise aus Kalkstein hergestellt . Es ist ein feines Pulver , das durch Erhitzen von Kalkstein und Tonmineralien in einem Ofen zu Klinker , Mahlen des Klinkers und Zugabe von 2 bis 3 Prozent Gips hergestellt wird. Es gibt verschiedene Arten von Portlandzement. Der gebräuchlichste, gewöhnlicher Portlandzement (OPC) genannt, ist grau, aber auch weißer Portlandzement ist erhältlich. Sein Name leitet sich von seiner Ähnlichkeit mit Portland-Stein ab, der auf der Isle of Portland in Dorset , England, abgebaut wurde. Benannt wurde es von Joseph Aspdin, der 1824 ein Patent dafür erhielt. Sein Sohn William Aspdin gilt jedoch aufgrund seiner Entwicklungen in den 1840er Jahren als Erfinder des „modernen“ Portlandzement.

Portlandzement ist ätzend und kann daher Verätzungen verursachen. Das Pulver kann Reizungen oder bei starker Exposition Lungenkrebs verursachen und kann eine Reihe gefährlicher Bestandteile enthalten, darunter kristallines Siliziumdioxid und sechswertiges Chrom . Umweltbedenken sind der hohe Energieverbrauch, der für den Abbau, die Herstellung und den Transport des Zements erforderlich ist, und die damit verbundene Luftverschmutzung, einschließlich der Freisetzung des Treibhausgases Kohlendioxid , Dioxin , NO x , SO 2 und Partikel . Die Produktion von Portlandzement trägt etwa 10 % der weltweiten Kohlendioxidemissionen bei . Die Internationale Energieagentur schätzt, dass die Zementproduktion bis 2050 um 12 bis 23 % steigen wird, um den Bedarf der wachsenden Weltbevölkerung zu decken. Es gibt mehrere laufende Forschungen, die auf einen geeigneten Ersatz von Portlandzement durch ergänzende zementartige Materialien abzielen.

Die geringen Kosten und die weit verbreitete Verfügbarkeit von Kalkstein, Schiefer und anderen natürlich vorkommenden Materialien, die in Portlandzement verwendet werden, machen ihn zu einem der kostengünstigsten Materialien, die im letzten Jahrhundert weit verbreitet waren. Beton aus Portlandzement ist einer der vielseitigsten Baustoffe der Welt.

Geschichte

Gedenktafel in Leeds zum Gedenken an Joseph Aspdin
William Aspdin gilt als Erfinder des „modernen“ Portlandzements.
Frisch verlegter Beton

Portlandzement wurde ab Mitte des 18. Jahrhunderts aus natürlichen Zementen in Großbritannien entwickelt. Sein Name leitet sich von seiner Ähnlichkeit mit Portland Stone ab , einer Art Baustein, der auf der Isle of Portland in Dorset, England, abgebaut wird .

Die Entwicklung des modernen Portlandzements (manchmal auch als gewöhnlicher oder normaler Portlandzement bezeichnet) begann 1756, als John Smeaton mit Kombinationen verschiedener Kalksteine ​​und Zusatzstoffe, darunter Trass und Puzzolane , experimentierte , im Zusammenhang mit dem geplanten Bau eines Leuchtturms, der heute als Smeaton's Tower bekannt ist . Im späten 18. Jahrhundert wurde Romanzement entwickelt und 1796 von James Parker patentiert . Romanzement wurde schnell populär, wurde aber in den 1850er Jahren weitgehend durch Portlandzement ersetzt. Im Jahr 1811 stellte James Frost einen Zement her, den er Britischer Zement nannte. James Frost soll 1826 eine Manufaktur zur Herstellung eines künstlichen Zements errichtet haben. 1811 ließ Edgar Dobbs aus Southwark einen Zement patentieren, der sieben Jahre später von dem französischen Ingenieur Louis Vicat erfunden wurde . Vicat's Zement ist ein künstlicher hydraulischer Kalk und gilt als "Hauptvorläufer" des Portlandzements.

Der Name Portlandzement ist in einem 1823 veröffentlichten Verzeichnis verzeichnet, das mit einem William Lockwood und möglicherweise anderen in Verbindung steht. In seinem Zementpatent von 1824 nannte Joseph Aspdin seine Erfindung wegen seiner Ähnlichkeit mit Portlandstein "Portlandzement" . Der Zement von Aspdin war jedoch nichts mit modernem Portlandzement, sondern war ein erster Schritt in der Entwicklung des modernen Portlandzements und wurde als "Proto-Portlandzement" bezeichnet.

William Aspdin hatte die Firma seines Vaters verlassen, um seine eigene Zementfabrik zu gründen. In den 1840er Jahren produzierte William Aspdin anscheinend zufällig Calciumsilikate, die einen Mittelschritt in der Entwicklung von Portlandzement darstellen. 1848 verbesserte William Aspdin seinen Zement weiter. Dann, 1853, zog er nach Deutschland, wo er in der Zementherstellung tätig war. William Aspdin stellte her, was man "Meso-Portlandzement" nennen könnte (eine Mischung aus Portlandzement und hydraulischem Kalk). Isaac Charles Johnson verfeinerte die Produktion von "Meso-Portlandzement" (mittlere Entwicklungsphase) weiter und behauptete, der wahre Vater des Portlandzements zu sein.

Im Jahr 1859 legte John Grant vom Metropolitan Board of Works die Anforderungen an Zement für das Londoner Abwasserprojekt fest . Dies wurde zu einer Spezifikation für Portlandzement. Die nächste Entwicklung bei der Herstellung von Portlandzement war die Einführung des Drehrohrofens , der 1885 (UK) und 1886 (USA) von Frederick Ransome patentiert wurde ; was eine stärkere, homogenere Mischung und einen kontinuierlichen Herstellungsprozess ermöglichte. Der "endlose" Ofen von Hoffmann, von dem gesagt wurde, dass er "perfekte Kontrolle über die Verbrennung" bietet, wurde 1860 getestet und zeigte, dass das Verfahren eine bessere Zementqualität ergab. Dieser Zement wurde in der Portland Cementfabrik Stern in Stettin hergestellt, die als erster einen Hoffmann-Brennofen verwendete. Der Verband Deutscher Zementhersteller hat 1878 eine Norm für Portlandzement herausgegeben.

Portlandzement war aus Deutschland und England in die Vereinigten Staaten importiert worden und wurde in den 1870er und 1880er Jahren von Eagle Portlandzement in der Nähe von Kalamazoo, Michigan, hergestellt. 1875 wurde der erste Portlandzement in den Brennöfen der Coplay Cement Company unter der Leitung von David O. Saylor in Coplay, Pennsylvania, hergestellt . Zu Beginn des 20. Jahrhunderts hatte der in den USA hergestellte Portlandzement den größten Teil des importierten Portlandzements verdrängt.

Komposition

ASTM C150 definiert Portlandzement als:

hydraulischer Zement (Zement, der nicht nur durch Reaktion mit Wasser härtet, sondern auch ein wasserbeständiges Produkt bildet), der durch das Pulverisieren von Klinkern hergestellt wird, die im Wesentlichen aus hydraulischen Calciumsilikaten bestehen, die normalerweise eine oder mehrere Formen von Calciumsulfat als Zwischenmahlung enthalten.

Die Europäische Norm EN 197-1 verwendet die folgende Definition:

Portlandzementklinker ist ein hydraulisches Material , das von mindestens zwei Dritteln Masse- bestehen sollte Calciumsilikaten , (3 CaO · SiO 2 und 2 CaO · SiO 2 ) , wobei der Rest aus Aluminium- und Eisen-enthaltenden Klinkerphasen und andere Verbindungen. Das Verhältnis von CaO zu SiO 2 soll nicht kleiner als 2,0 sein. Der Gehalt an Magnesiumoxid ( MgO ) darf 5,0 Masse-% nicht überschreiten.

(Die letzten beiden Anforderungen wurden bereits in der Deutschen Norm von 1909 festgelegt).

Klinker machen mehr als 90 % des Zements aus, zusammen mit einer begrenzten Menge an Calciumsulfat (CaSO 4 , das die Abbindezeit steuert) und bis zu 5 % Nebenbestandteilen (Füllstoffe), die von verschiedenen Normen zugelassen sind. Klinker sind Knötchen (Durchmesser 5,1–25,4 Millimeter) eines gesinterten Materials, die erzeugt werden, wenn eine Rohmischung einer vorbestimmten Zusammensetzung auf eine hohe Temperatur erhitzt wird. Die wichtigste chemische Reaktion, die Portlandzement aus anderen hydraulischen Kalken definiert, findet bei diesen hohen Temperaturen (> 1.300 ° C (2.370 ° F)) statt, da Belit (Ca 2 SiO 4 ) sich mit Calciumoxid (CaO) zu Alit (Ca 3 SiO .) verbindet 5 ).

Herstellung

Portlandzementklinker wird durch Erhitzen einer Mischung von Rohstoffen in einem Zementofen auf eine Kalzinierungstemperatur von über 600 °C (1.112 °F) und dann auf eine Schmelztemperatur, die bei etwa 1.450 °C (2.640 °F) liegt, hergestellt moderne Zemente, um die Materialien zu Klinker zu sintern .

Die Materialien in Zementklinker sind Alit, Belit, Tricalciumaluminat und Tetracalcium-Alumino-Ferrit. Die Aluminium-, Eisen- und Magnesiumoxide sind als Flussmittel vorhanden, wodurch sich die Calciumsilikate bei einer niedrigeren Temperatur bilden können, und tragen wenig zur Festigkeit bei. Bei Spezialzementen, wie z. B. Typen mit geringer Hitze (LH) und Sulfatbeständigkeit (SR), ist es erforderlich, die Menge an gebildetem Tricalciumaluminat (3 CaO·Al 2 O 3 ) zu begrenzen .

Der Hauptrohstoff für die Klinkerherstellung ist in der Regel Kalkstein (CaCO 3 ) gemischt mit einem zweiten Material, das Ton als Quelle für Alumosilikat enthält. Normalerweise wird ein unreiner Kalkstein verwendet, der Ton oder SiO 2 enthält . Der CaCO 3 -Gehalt dieser Kalksteine ​​kann bis zu 80 % betragen . Sekundärrohstoffe (andere Stoffe in der Rohmischung als Kalkstein) hängen von der Reinheit des Kalksteins ab. Einige der verwendeten Materialien sind Ton , Schiefer , Sand , Eisenerz , Bauxit , Flugasche und Schlacke . Wenn ein Zementofen mit Kohle befeuert wird, dient die Asche der Kohle als Sekundärrohstoff.

Zementmahlen

Eine 10-MW-Zementmühle, die Zement mit 270 Tonnen pro Stunde produziert.

Um die gewünschten Abbindeeigenschaften im Fertigprodukt zu erreichen , wird dem Klinker eine Menge (2–8 %, typischerweise jedoch 5 %) Calciumsulfat (meist Gips oder Anhydrit ) zugesetzt und die Mischung zum fertigen Zement fein gemahlen Pulver. Dies wird in einer Zementmühle erreicht . Der Mahlprozess wird gesteuert, um ein Pulver mit einem breiten Partikelgrößenbereich zu erhalten , in dem typischerweise 15 Massen-% aus Partikeln unter 5 µm Durchmesser und 5 % aus Partikeln über 45 µm bestehen. Das üblicherweise verwendete Feinheitsmaß ist die „ spezifische Oberfläche “, das heißt die gesamte Partikeloberfläche einer Einheitsmasse Zement. Die Reaktionsgeschwindigkeit (bis zu 24 Stunden) des Zements bei Wasserzugabe ist direkt proportional zur spezifischen Oberfläche. Typische Werte sind 320–380 m 2 ·kg −1 für Allzweckzemente und 450–650 m 2 ·kg −1 für „schnell erhärtende“ Zemente. Der Zement wird per Band- oder Pulverpumpe zur Lagerung in ein Silo gefördert. Zementwerke verfügen in der Regel über ausreichend Silofläche für eine bis zu 20 Produktionswochen, abhängig von den lokalen Nachfragezyklen. Der Zement wird entweder in Säcken an den Endverbraucher geliefert oder als loses Pulver aus einem Druckfahrzeug in das Silo des Kunden geblasen. In Industrieländern werden 80 % oder mehr Zement als Schüttgut geliefert.

Typische Bestandteile von Portlandklinker plus Gips
mit Zementchemikernotation (CCN)
Klinker CCN Masse (%)
Tricalciumsilikat (CaO) 3 · SiO 2 C 3 S 25-50%
Dicalciumsilikat (CaO) 2 · SiO 2 C 2 S  20–45%
Tricalciumaluminat (CaO) 3 · Al 2 O 3 C 3 A  5–12%
Tetracalciumaluminiumferrit (CaO) 4 · Al 2 O 3 · Fe 2 O 3 C 4 AF  6-12%
Gips CaSO 4 · 2 H 2 O CS̅H 2  2–10 %
Typische Bestandteile von Portlandzement mit Zementchemiker-
Notation
Zement CCN Masse (%)
Calciumoxid, CaO C 61–67 %
Siliziumdioxid, SiO 2 S 19–23%
Aluminiumoxid, Al 2 O 3 EIN  2,5–6%
Eisenoxid, Fe 2 O 3 F  0–6%
Schwefel(VI)-oxid, SO 3 S 1,5–4,5 %

Setzen und Härten

Zement härtet beim Mischen mit Wasser durch eine komplexe Reihe chemischer Reaktionen aus, die noch immer nur teilweise verstanden sind. Die verschiedenen Bestandteile kristallisieren langsam und das Ineinandergreifen ihrer Kristalle verleiht dem Zement seine Festigkeit. Kohlendioxid wird langsam absorbiert, um den Portlandit (Ca(OH) 2 ) in unlösliches Calciumcarbonat umzuwandeln . Nach der anfänglichen Einstellung beschleunigt das Eintauchen in warmes Wasser die Einstellung. Gips wird als Inhibitor hinzugefügt, um eine Blitz- (oder schnelle) Abbindung zu verhindern.

Verwenden

Dekorative Verwendung von Portlandzementplatten auf dem Londoner Anwesen Grosvenor

Portlandzement wird am häufigsten in der Betonherstellung verwendet. Beton ist ein Verbundwerkstoff aus Zuschlagstoffen ( Kies und Sand ), Zement und Wasser. Als Baustoff kann Beton in fast jede gewünschte Form gebracht werden und nach dem Aushärten zu einem strukturellen (tragenden) Element werden. Beton kann bei der Konstruktion von Strukturelementen wie Platten verwendet werden, Balken, und Stadtmöblierung oder kann Guss- in situ für Aufbauten wie Straßen und Dämme. Diese können mit Beton geliefert werden, der vor Ort gemischt wird, oder können mit " Fertigbeton " versehen werden, der an ständigen Mischplätzen hergestellt wird. Portlandzement wird auch in Mörteln (nur mit Sand und Wasser), für Putze und Estriche und in Fugen (Zement-Wasser-Mischungen, die in Spalten gepresst werden, um Fundamente, Straßenbetten usw. zu verfestigen) verwendet.

Wenn Wasser mit Portlandzement gemischt wird, härtet das Produkt in wenigen Stunden aus und härtet über einen Zeitraum von Wochen aus. Diese Prozesse können in Abhängigkeit von der verwendeten Mischung und den Aushärtungsbedingungen des Produkts stark variieren , aber ein typischer Beton härtet in etwa 6 Stunden aus und entwickelt eine Druckfestigkeit von 8 MPa in 24 Stunden. Die Festigkeit steigt auf 15 MPa nach 3 Tagen, 23 MPa nach 1 Woche, 35 MPa nach 4 Wochen und 41 MPa nach 3 Monaten. Im Prinzip steigt die Festigkeit langsam weiter an, solange Wasser für die weitere Hydratation zur Verfügung steht, jedoch lässt man Beton in der Regel nach einigen Wochen austrocknen und die Festigkeitszunahme wird dadurch gestoppt.

Typen

Allgemein

ASTM C150

Es gibt fünf Arten von Portlandzementen, mit Variationen der ersten drei gemäß ASTM C150.

Portlandzement vom Typ I ist als gewöhnlicher oder universeller Zement bekannt. Es wird im Allgemeinen angenommen, es sei denn, ein anderer Typ ist angegeben. Es wird häufig im allgemeinen Bauwesen verwendet, insbesondere bei der Herstellung von Fertigteilen und vorgefertigtem Spannbeton, der nicht mit Böden oder Grundwasser in Kontakt kommen darf. Die typischen Zusammensetzungen dieser Art sind:

55% (C 3 S), 19% (C 2 S), 10% (C 3 A), 7% (C 4 AF), 2,8% MgO, 2,9% (SO 3 ), 1,0% Glühverlust und 1,0 % freies CaO (unter Verwendung der Zementchemiker-Notation ).

Eine Beschränkung der Zusammensetzung besteht darin, dass (C 3 A) 15% nicht überschreiten darf.

Typ II bietet eine moderate Sulfatbeständigkeit und gibt während der Hydratation weniger Wärme ab. Diese Art von Zement kostet ungefähr so ​​viel wie Typ I. Seine typische Zusammensetzung ist:

51% (C 3 S), 24% (C 2 S), 6% (C 3 A), 11% (C 4 AF), 2,9% MgO, 2,5% (SO 3 ), 0,8% Glühverlust und 1,0 % freies CaO.

Eine Beschränkung der Zusammensetzung besteht darin, dass (C 3 A) 8% nicht überschreiten darf, was seine Anfälligkeit für Sulfate verringert. Dieser Typ ist für allgemeine Konstruktionen, die einem mäßigen Sulfatangriff ausgesetzt sind, und für den Einsatz vorgesehen, wenn Beton mit Boden und Grundwasser in Kontakt kommt, insbesondere im Westen der Vereinigten Staaten aufgrund des hohen Schwefelgehalts des Bodens. Aufgrund des ähnlichen Preises wie Typ I wird Typ II häufig als Allzweckzement verwendet, und der Großteil des in Nordamerika verkauften Portlandzements erfüllt diese Spezifikation.

Hinweis: Zement, der (unter anderem) die Spezifikationen für Typ I und II erfüllt, ist auf dem Weltmarkt allgemein verfügbar geworden.

Typ III hat eine relativ hohe Frühfestigkeit. Seine typische Zusammensetzung ist:

57 % (C 3 S), 19 % (C 2 S), 10 % (C 3 A), 7 % (C 4 AF), 3,0 % MgO, 3,1 % (SO 3 ), 0,9 % Glühverlust und 1,3 % freies CaO.

Dieser Zement ist Typ I ähnlich, aber feiner gemahlen. Einige Hersteller stellen einen separaten Klinker mit höherem C 3 S- und/oder C 3 A-Gehalt her, dies wird jedoch immer seltener, und es wird normalerweise der Allzweckklinker verwendet, der auf eine spezifische Oberfläche von typischerweise 50–80 % höher gemahlen ist . Der Gipsgehalt kann auch geringfügig erhöht werden. Dadurch erhält der Beton mit dieser Zementart eine Drei-Tage-Druckfestigkeit, die der Sieben-Tage-Druckfestigkeit der Typen I und II entspricht. Seine 7-Tage-Druckfestigkeit entspricht fast der 28-Tage-Druckfestigkeit der Typen I und II. Der einzige Nachteil ist, dass die Sechs-Monats-Stärke von Typ III gleich oder etwas geringer ist als die von Typ I und II. Daher wird die Langzeitfestigkeit geopfert. Es wird normalerweise für die Herstellung von Betonfertigteilen verwendet, wo eine hohe Tagesfestigkeit einen schnellen Formenwechsel ermöglicht. Es kann auch bei Not- und Reparaturarbeiten sowie beim Bau von Maschinenständern und Toranlagen eingesetzt werden.

Portlandzement vom Typ IV ist allgemein für seine geringe Hydratationswärme bekannt. Seine typische Zusammensetzung ist:

28 % (C 3 S), 49 % (C 2 S), 4 % (C 3 A), 12 % (C 4 AF), 1,8 % MgO, 1,9 % (SO 3 ), 0,9 % Glühverlust und 0,8 % freies CaO.

Die Prozentsätze von (C 2 S) und (C 4 AF) sind relativ hoch und (C 3 S) und (C 3 A) sind relativ niedrig. Eine Beschränkung dieses Typs besteht darin, dass der maximale Prozentsatz von (C 3 A) sieben beträgt und der maximale Prozentsatz von (C 3 S) fünfunddreißig beträgt. Dadurch entwickelt sich die durch die Hydratationsreaktion abgegebene Wärme langsamer. Dadurch entwickelt sich jedoch die Festigkeit des Betons langsam. Nach ein bis zwei Jahren ist die Festigkeit nach vollständiger Aushärtung höher als bei den anderen Typen. Dieser Zement wird für sehr große Betonkonstruktionen wie Dämme verwendet, die ein geringes Verhältnis von Oberfläche zu Volumen haben. Diese Art von Zement wird in der Regel von den Herstellern nicht auf Lager gehalten, einige könnten jedoch eine große Sonderbestellung in Betracht ziehen. Diese Art von Zement wird seit vielen Jahren nicht mehr hergestellt, da Portland-Puzzolan-Zemente und Hüttensand- Zugabe eine kostengünstigere und zuverlässigere Alternative bieten.

Typ V wird dort verwendet, wo Sulfatbeständigkeit wichtig ist. Seine typische Zusammensetzung ist:

38 % (C 3 S), 43 % (C 2 S), 4 % (C 3 A), 9 % (C 4 AF), 1,9 % MgO, 1,8 % (SO 3 ), 0,9 % Glühverlust und 0,8 % freies CaO.

Dieser Zement hat eine sehr niedrige (C 3 A) Zusammensetzung, die für seine hohe Sulfatbeständigkeit verantwortlich ist. Der maximal zulässige Gehalt an (C 3 A) beträgt 5 % für Portlandzement des Typs V. Eine weitere Einschränkung besteht darin, dass die Zusammensetzung (C 4 AF) + 2(C 3 A) 20 % nicht überschreiten darf. Dieser Typ wird in Beton verwendet , um zu belichtenden Alkali Boden und Grundwasser Sulfate , die reagieren mit (C 3 A) verursachen störende Expansion. Es ist an vielen Orten nicht verfügbar, obwohl es im Westen der Vereinigten Staaten und Kanada verwendet wird. Wie beim Typ IV wurde der Portlandzement Typ V hauptsächlich durch die Verwendung von gewöhnlichem Zement mit zugesetztem Hüttensand oder tertiären Mischzementen, die Schlacke und Flugasche enthalten, ersetzt.

Die Typen Ia, IIa und IIIa haben die gleiche Zusammensetzung wie die Typen I, II und III. Der einzige Unterschied besteht darin, dass bei Ia, IIa und IIIa ein Luftporenbildner in die Mischung eingemahlen wird. Der Lufteinschluss muss den minimalen und maximalen optionalen Spezifikationen entsprechen, die im ASTM-Handbuch zu finden sind. Diese Typen sind nur im Osten der Vereinigten Staaten und Kanada, nur eingeschränkt verfügbar. Sie sind ein schlechter Ansatz für den Lufteinschluss, der die Frostbeständigkeit bei niedrigen Temperaturen verbessert.

Die Typen II(MH) und II(MH)a haben eine ähnliche Zusammensetzung wie die Typen II und IIa, jedoch mit einer milden Schärfe.

EN 197-Norm

Die europäische Norm EN 197-1 definiert fünf Klassen von Normalzement, die Portlandzement als Hauptbestandteil enthalten. Diese Klassen unterscheiden sich von den ASTM-Klassen.

Klasse Beschreibung Bestandteile
CEM I Portland-Zement Bestehend aus Portlandzement und bis zu 5 % zusätzlicher Nebenbestandteile
CEM II Portland-Verbundzement Portlandzement und bis zu 35 % anderer* Einzelbestandteile
CEM III Hochofenzement Portlandzement und höhere Anteile an Hüttensand
CEM IV Puzzolan-Zement Portlandzement und bis zu 55 % puzzolanische Bestandteile
CEM V Kompositzement Portlandzement, Hochofenschlacke oder Flugasche und Puzzolan

* Zulässige Bestandteile in Portland-Verbundzementen sind künstliche Puzzolane (Hochofenschlacke (eigentlich ein latent hydraulisches Bindemittel), Silikastaub und Flugasche) oder natürliche Puzzolane (kiesel- oder kieselhaltige aluminiumhaltige Materialien wie vulkanische Aschegläser, kalzinierte Ton und Schiefer).

CSA A3000-08

Die kanadischen Normen beschreiben sechs Hauptklassen von Zement, von denen vier auch als Mischung mit gemahlenem Kalkstein geliefert werden können (wobei in den Klassennamen ein Suffix L vorhanden ist).

Klasse Beschreibung
GU, GUL (auch bekannt als Typ 10 (GU) Zement) Zement für allgemeine Verwendung
FRAU Mäßig sulfatbeständiger Zement
MH, MHL Zement mit mittlerer Hitze
ER, HEL Zement mit hoher Frühfestigkeit
LH, LHL Zement mit niedriger Hitze
HS Hohe Sulfatbeständigkeit; entwickelt im Allgemeinen weniger schnell Stärke als die anderen Typen.

Weißer Portlandzement

Weißer Portlandzement oder weißer gewöhnlicher Portlandzement (WOPC) ist in jeder Hinsicht dem gewöhnlichen grauen Portlandzement ähnlich, abgesehen von seinem hohen Weißgrad. Um diese Farbe zu erhalten, sind hochreine Rohstoffe (niedriger Fe 2 O 3 -Gehalt) und einige Modifikationen des Herstellungsverfahrens erforderlich, unter anderem eine höhere Ofentemperatur, die zum Sintern des Klinkers erforderlich ist, ohne dass Eisenoxide als Flussmittel in normalem Klinker fungieren . Da Fe 2 O 3 zur Senkung des Schmelzpunktes des Klinkers (normalerweise 1450 °C) beiträgt, benötigt der Weißzement eine höhere Sintertemperatur (ca. 1600 °C). Aus diesem Grund ist es etwas teurer als das graue Produkt. Die Hauptanforderung ist ein niedriger Eisengehalt, der für Weißzement weniger als 0,5 Gew.-%, ausgedrückt als Fe 2 O 3 , und weniger als 0,9 Gew.-% für cremefarbenen Zement betragen sollte. Es hilft auch, das Eisenoxid als Eisenoxid (FeO) zu haben, das durch leicht reduzierende Bedingungen im Ofen erhalten wird, dh ohne Sauerstoffüberschuss am Ofenausgang zu arbeiten. Dadurch erhalten Klinker und Zement einen Grünstich. Auch andere Metalloxide wie Cr 2 O 3 (grün), MnO (rosa), TiO 2 (weiß) usw. können in Spurenanteilen Farbstiche geben, daher ist es für ein bestimmtes Projekt am besten, Zement aus a . zu verwenden einzelne Charge.

Sicherheitsprobleme

Auf Zementsäcken sind routinemäßig Gesundheits- und Sicherheitshinweise aufgedruckt, da Zement nicht nur stark alkalisch ist , sondern auch der Abbindeprozess exotherm ist . Daher ist nasser Zement stark ätzend und kann leicht schwere Hautverbrennungen verursachen, wenn er nicht sofort mit Wasser abgewaschen wird. Ebenso kann trockenes Zementpulver in Kontakt mit Schleimhäuten schwere Augen- oder Atemwegsreizungen verursachen. Auch die Reaktion von Zementstaub mit Feuchtigkeit in den Nebenhöhlen und Lunge kann zu Verätzungen sowie Kopfschmerzen, Müdigkeit und Lungenkrebs führen.

Die Herstellung von vergleichsweise niedrigalkalischen Zementen (pH<11) ist Gegenstand laufender Untersuchungen.

In Skandinavien , Frankreich und dem Vereinigten Königreich darf der Chrom(VI)-Gehalt , der als giftig und stark hautreizend gilt, 2 Teile pro Million (ppm) nicht überschreiten .

In den USA hat die Occupational Safety and Health Administration (OSHA) den gesetzlichen Grenzwert ( zulässiger Expositionsgrenzwert ) für die Portlandzement-Exposition am Arbeitsplatz auf 50 MPPCF (Million Partikel pro Kubikfuß) über einen 8-Stunden-Arbeitstag festgelegt. Das National Institute for Occupational Safety and Health (NIOSH) hat einen empfohlenen Expositionsgrenzwert (REL) von 10 mg/m 3 Gesamtexposition und 5 mg/m 3 Atemwegsexposition über einen 8-Stunden-Arbeitstag festgelegt. Bei Konzentrationen von 5000 mg/m 3 ist Portlandzement unmittelbar gefährlich für Leben und Gesundheit .

Auswirkungen auf die Umwelt

Die Herstellung von Portlandzement kann in allen Phasen des Prozesses Umweltauswirkungen verursachen . Dazu gehören Emissionen von Luftschadstoffen in Form von Staub; Gase; Lärm und Vibrationen beim Betrieb von Maschinen und beim Sprengen in Steinbrüchen; Verbrauch großer Kraftstoffmengen bei der Herstellung; Freisetzung von CO 2 aus den Rohstoffen bei der Herstellung und Schädigung der Landschaft durch den Abbau. Geräte zur Reduzierung von Staubemissionen während des Abbaus und der Zementherstellung sind weit verbreitet, und Geräte zum Auffangen und Trennen von Abgasen werden immer häufiger verwendet. Zum Umweltschutz gehört auch die Wiedereingliederung von Steinbrüchen in die Landschaft nach ihrer Stilllegung durch Rückführung in die Natur oder Rekultivierung.

Epidemiologische Notizen und Berichte der Schwefeldioxid-Exposition in Portlandzementwerken von den Centers for Disease Control heißt es:

Arbeiter in Portlandzementwerken, insbesondere solche, die schwefelhaltige Brennstoffe verbrennen, sollten sich der akuten und chronischen Auswirkungen einer Exposition gegenüber SO 2 [Schwefeldioxid] bewusst sein , und die Spitzen- und Gesamtschichtkonzentrationen von SO 2 sollten regelmäßig gemessen werden.

Eine unabhängige Forschungsarbeit von AEA Technology zur Identifizierung kritischer Probleme für die Zementindustrie kam heute zu dem Schluss, dass die wichtigsten Umwelt-, Gesundheits- und Sicherheitsleistungsprobleme der Zementindustrie die Freisetzung in die Atmosphäre sind (einschließlich Treibhausgasemissionen , Dioxin, NO x , SO 2 und Partikel). ), Unfälle und Staubexposition der Arbeitnehmer.

Das mit der Portlandzementherstellung verbundene CO 2 stammt hauptsächlich aus vier Quellen:

CO 2 -Quelle Betragen
Entkarbonisierung von Kalkstein Ziemlich konstant: Minimum ca. 0,47 kg CO 2 pro kg Zement, Maximum 0,54, typischer Wert weltweit ca. 0,50.
Ofenbrennstoffverbrennung Variiert je nach Anlageneffizienz: effiziente Vorkalzinieranlage 0,24 kg CO 2 pro kg Zement, Nassprozess mit niedrigem Wirkungsgrad bis zu 0,65, typische moderne Verfahren (zB Großbritannien) im Durchschnitt um 0,30.
Produziert von Fahrzeugen in Zementwerken und im Vertrieb Bei 0,002–0,005 fast unbedeutend. Das typische Gesamt-CO 2 beträgt also etwa 0,80 kg CO 2 pro kg Fertigzement.
Stromerzeugung Variiert je nach lokaler Stromquelle. Der typische elektrische Energieverbrauch liegt in der Größenordnung von 90–150 kWh pro Tonne Zement, was 0,09–0,15 kg CO 2 pro kg Fertigzement entspricht, wenn der Strom aus Kohle erzeugt wird.

Insgesamt kann die CO 2 -Erzeugung mit Atom- oder Wasserkraft und effizienter Herstellung auf 0,7 kg pro kg Zement reduziert werden , kann aber doppelt so hoch sein. Der Innovationsschub für die Zukunft besteht darin, die Quellen 1 und 2 durch eine Änderung der Zementchemie, durch die Verwendung von Abfällen und durch die Einführung effizienterer Verfahren zu reduzieren. Obwohl die Zementherstellung eindeutig ein sehr großer CO 2 -Emittent ist, schneidet Beton (wobei Zement etwa 15% ausmacht) in dieser Hinsicht recht gut mit anderen Bausystemen ab.

Zementwerke zur Abfallentsorgung oder -aufbereitung

Gebrauchte Reifen werden einem Paar Zementöfen zugeführt

Aufgrund der hohen Temperaturen im Inneren von Zementöfen , kombiniert mit der oxidierenden (sauerstoffreichen) Atmosphäre und langen Verweilzeiten, werden Zementöfen als Aufbereitungsoption für verschiedene Arten von Abfallströmen verwendet; tatsächlich zerstören sie effizient viele gefährliche organische Verbindungen. Die Abfallströme enthalten oft auch brennbare Materialien, die es ermöglichen, einen Teil des normalerweise im Prozess verwendeten fossilen Brennstoffs zu ersetzen.

Abfallstoffe, die in Zementöfen als Brennstoffergänzung verwendet werden:

Die Portlandzementherstellung hat auch das Potenzial, von der Verwendung industrieller Nebenprodukte aus dem Abfallstrom zu profitieren. Dazu zählen insbesondere:

Siehe auch

Verweise

Externe Links