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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 70 80 90 100 1999 2001 2003 2005 2007 2009 2011 2013 CEM I CEM II CEM III Anteil der Zementart in % andere

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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

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1999 2001 2003 2005 2007 2009 2011 2013

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CEM I CEM II CEM III others

An

teil

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andere

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Entwicklung der Zementarten in Deutschland (Inlandversand)

Quelle: VDZ

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

1999 2001 2003 2005 2007 2009 2011 2013

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are

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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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tart

in

%

andere

Entwicklung der Zementarten

4

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

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Prognose des Klinker-/Zement-Faktors

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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

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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 -

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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

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Packungsdichte und Zementeigenschaften

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0

5

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20

25

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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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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.

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Bewertungshintergrund Carbonatisierung Deutschland

z w/z g

450 g/Mischung 0,50 1350 g/Mischung

Bauaufsichtlich eingeführter

Bewertungshintergrund

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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

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Widerstandklassen vs. Praxis Deutschland

22

0

2

4

6

8

10

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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

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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

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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

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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

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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

[email protected]