Monocalciumaluminat (CA) ist die in allen Tonerdezementen mit mindestens 40% vertretene und für das Hydratationsverhalten und die erzielten Eigenschaften des erhärteten Tonerdezements verantwortliche Hauptphase. Aufbauend auf den Untersuchungen von NEUMANN (2001)wurde im Rahmen dieser Arbeit der Einfluss der anorganischen Additive Mayenit (C12A7), Portlandit (CH) und Calciumoxid (CaO) auf das Hydratationsverhalten von Monocalciumaluminat mit Hilfe eines wärmeflusskalorimeters und röntgenographischer Pulvermethoden (XRPD) untersucht. Hierzu wurden zunächst die Reinphasen CA und C12A7, sowie eine Probe der Zusammensetzung 95 Gew. % CA und 5 Gew. % C12A7 bei 1250°C in einem Kammerofen unter Luftatmosphäre synthetisiert, mittels Rietveldmethode charakterisiert und auf eine einheitliche spezifische Oberfläche aufgemahlen. Um den Einfluss der anorganischen Additive auf das Hydratationsverhalten von CA zu zeigen, wurden sowohl die Reinphasen CA und C12A7 als auch die Mischungen der synthetisierten Reinphasen unter Zugabe von 5 Gew.% des jeweiligen Additivs im Wärmeflusskalorimeter hydratisiert. In einem weiteren Schritt wurde der Einfluss von 0,02% Li2CO3 in Wasser gelöst als Beschleuniger auf das Hydratationsverhalten untersucht. Die entstandenen Hydratationsprodukte wurden mit XRPD identifiziert. Um den zeitlichen Verlauf des Phasenbestandes mit den aufgenommenen Wärmeflusskurven korrelieren zu können, wurde an ausgewählten Proben die Phasenbestände während der Hydratation mittels Röntgenbeugung analysiert. In allen Fällen, bei denen die anorganischen Additive zugesetzt wurden, kam es zu einer signifikanten Verbesserung der Reproduzierbarkeit des Hydratationsverhaltens von CA. Gleiches ergibt sich auch beim Einsatz des Li2CO3, das sich beschleunigend auf das Hydratationsverhalten auswirkt. Des weiteren wurden die Zeitpunkte maximalen Wärmeflusses bei Einsatz der Additive deutlich früher erreicht als bei der Hydratation des reinen CA ohne Zugabe von Additiven. Die Röntgenbeugungsanalysen während der Hydratation ergaben, dass die Bildung einer Hydratphase stets mit dem Lösen des CA zu korrelieren ist.
Inhaltsverzeichnis
1.Kurzzusammenfassung
2.Einleitung
2.1.Aufgabenstellung und Konzeption der Arbeit
3.Kenntnisstand
3.1.Systeme
3.1.1.System CaO – Al2O3 – SiO2
3.1.2.System CaO-Al2O3
3.1.3.Die Phase Monocalciumaluminat (CA)
3.1.4.Die Phase Mayenit (C12A7)
3.2.Hydratation
3.2.1.Hydratation von TZ allgemein
3.2.2.Hydratation von CA
3.2.3.Hydratation von C12A7
3.2.4.Einfluß von Lithium auf das Hydratationsverhalten von CA
4.Experimentelle Methoden
4.1.Synthesen
4.1.1.Synthese der Reinphasen CA und C12A7
4.1.2.Synthese der Probe CA95M5s
4.1.3.Synthese des Ca(OH)2
4.2.Herstellung der Mischungen
4.3.Untersuchungsmethoden
4.3.1.Qualitative Röntgenbeugungsanalyse
4.3.2.Röntgenbeugungsanalyse für die Rietveldverfeinerung
4.3.3.Verfeinerungsstrategien
4.3.4.Oberfächenbestimmung nach Blaine
4.3.5.Korngrößenuntersuchung mittels Lasergranulometrie
4.3.6.Kalorimetrische Messungen
4.3.7.Kinetische Röntgenbeugungsanalyse
5.Ergebnisse
5.1.Qualitative Röntgenbeugungsanalyse der Synthesen
5.2.Ergebnis Rietveldverfeinerung
5.2.1.Strukturanpassung CA
5.2.2.Strukturanpassung C12A7
5.3.Phasenreinheitsbestimmung mittels Rietveldanalyse
5.4.Quantitative Phasenanalyse mittels Rietveldmethode
5.5.Kalorimetrische Hydratationsuntersuchungen
5.5.1.Hydratation des reinen CA mit H2O [CA]
5.5.2.Hydratation von CA mit H2O +0,02% Li2CO3 [CALi]
5.5.3.Hydratation des reinen C12A7 mit H2O [C12A7]
5.5.4.Hydratation von C12A7 mit H2O + 0,02% Li2CO3 [C12A7-L]
5.5.5.Hydratation der Mischung 95 % CA und 5 % C12A7 mit H2O [CA95M5g]
5.5.6.Hydratation der Mischung 95% CA + 5% C12A7 mit H2O+0,02% Li2CO3 [CA95M5g-L]
5.5.7.Hydratation der Synthese 95% CA und 5% C12A7 mit H2O [CA95M5s]
5.5.8.Hydratation der Synthese 95% CA 5% C12A7 mit H2O + 0,02% Li2CO3 [CA95M5s-L]
5.5.9.Hydratation der Mischung 95% CA und 5% Ca(OH)2 mit H2O [CA95P5]
5.5.10.Hydratation der Mischung 95% CA + 5% Ca(OH)2 mit H2O + 0,02% Li2CO3 [CA95P5-L]
5.5.11. Hydratation der Mischung 95% CA + 5% CaO mit H2O [CA95C5]
5.5.12. Hydratation der Mischung 95% CA + 5% CaO mit H2O + 0,02% Li2CO3 [CA95C5-L]
5.6.Röntgenbeugungsanalyse der Hydratationsprodukte
5.7.Untersuchung der Kinetik der Hydratation mit der Röntgenbeugunsanalyse
5.7.1.Kinetische Untersuchung der Hydratation der Mischung aus 95 Gew.% CA und 5 Gew.% C12A7 [CA95M5g]
5.7.2.Kinetische Untersuchung der mit Li2CO3 beschleunigten Hydratation der Mischung aus 95 Gew.% CA und 5 Gew.% C12A7 [CA95M5g-L]
5.7.3.Kinetische Untersuchung der Hydratation der Mischung aus 95 Gew.% CA und 5 Gew.% CH [CA95P5]
5.7.4.Kinetische Untersuchung der mit Li2CO3 beschleunigten Hydratation der Mischung aus 95 Gew.% CA und 5 Gew.% CH [CA95P5-L]
6.Zusammenfassung und Diskussion
6.1.Rietveldverfeinerung der Röntgenbeugungsdaten
6.1.1.Strukturverfeinerungen der synthetisierten Reinphasen
6.1.2.Quantifizierung der synthetisierten Proben und Mischungen mit der Rietveld Methode
6.1.3.Zusammenfassung Rietveld-Verfeinerung der Röntgenbeugungsdaten
6.2.Hydratation der synthetisierten Phasen und Mischungen
6.2.1.Ausgangspunkt für die Untersuchungen
6.2.2.Einfluss der Zugabe eines Ca -reichen Additivs auf den Zeitpunkt des maximalen Wärmeflusses ( tmax)
6.2.3.Einfluss der Zugabe von 0,02% Li2CO3 in H2O gelöst auf tmax
6.2.4.Vergleich des Hydratationsverhaltens der Mischung aus den Reinphasen (CA95M5g) und der Synthese gleicher Zusammensetzung (CA95M5s)
6.2.5.Einfluss der Zugabe eines Ca -reichen Additivs auf die Hydratations-wärme in den ersten 24 Stunden nach Hydratationsbeginn (H24.)
6.2.6.Einfluss der Zugabe von 0,02% Li2CO3 auf H24
6.2.7.Einfluss der Zugabe eines Ca -reichen Additivs auf die Hydratations-wärme in den ersten 48 Stunden nach Hydratationsbeginn (H48.)
6.2.8.Einfluss der Zugabe von 0,02% Li2CO3 auf H48
6.3.Untersuchungen der Kinetik der Hydratation mit Röntgenbeugungsanalyse und Wärmeflusskalorimeter
6.4.Schlussfolgerungen
7.Ausblick
Zielsetzung & Themen
Die vorliegende Arbeit untersucht den Einfluss der anorganischen Additive Mayenit (C12A7), Portlandit (CH) und Calciumoxid (CaO) sowie von Lithiumcarbonat auf das Hydratationsverhalten von Monocalciumaluminat (CA), um die Reproduzierbarkeit des Abbindeverhaltens von Tonerdezementklinkern zu verbessern.
- Charakterisierung synthetisierter Phasen mittels Rietveldmethode.
- Analyse des Hydratationsverlaufs durch Wärmeflusskalorimetrie.
- Kinetische Untersuchung der Hydratation mittels röntgenographischer Pulvermethoden.
- Vergleich der Hydratation von Reinphasen und unterschiedlichen Mischungsverhältnissen.
- Einfluss von Additiven auf die Reproduzierbarkeit und Kinetik der Hydratation.
Auszug aus dem Buch
3.1.4 Die Phase Mayenit (C12A7)
NURSE, WELCH und MAJUMDAR untersuchten 1965 die das System CaO-Al2O3 mit dessen Phasen und stellten fest, dass C12A7 unter normalen Herstellungsbedingungen (normale Luftfeuchte) nicht völlig kristallwasserfrei ist und in ein reversibles Gleichgewicht mit der Ofenatmosphäre eintritt, was dazu führt, dass bei etwa 950 °C bis zu 1,3 % Wasser in Form ionischer OH-Gruppen in die Struktur mit eingebunden werden. Die OH- -Ionen können diadoch durch F- oder Cl- ersetzt werden. Thermodynamische Berechnungen zeigen, dass die Phasenzusammensetzung CA + C3A bei der Verbindung C12A7 stabiler sind als die Verbindung C12A7 selbst. Die Phase wird also durch die ionischen OH-Gruppen (bzw. Cl-, F-) stabilisiert, so dass die chemische Zusammensetzung der Verbindung, wenn sie völlig mit Wasser abgesättigt ist, Ca12Al14O32(OH)2 lautet und streng genommen keine binäre Verbindung des Systems CaO-Al2O3 darstellt.
C12A7 kristallisiert in der kubischen Raumgruppe I -4 3 d . Der Gitterparameter wird mit a = 11,9839 Å angegeben. Zwei Formeleinheiten mit 118 Atomen pro Elementarzelle bauen eine komplexe dreidimensionale offene Gerüststruktur aus AlO4 -Tetraedern auf, die teilweise über Sauerstoffe verknüpft sind. Die Ca-Atome sind darin statistisch auf zwei Positionen verteilt. Abbildung 3.1-4 zeigt die Mayenitstruktur von BARTL & SCHELLER (1970).
Zusammenfassung der Kapitel
1.Kurzzusammenfassung: Bietet einen Überblick über die Zielsetzung, die verwendeten Untersuchungsmethoden wie Kalorimetrie und Röntgendiffraktometrie sowie die wesentlichen Ergebnisse zur Hydratation und Reproduzierbarkeit.
2.Einleitung: Beschreibt die historische Entwicklung, die besonderen Eigenschaften von Tonerdezementen und stellt die Aufgabenstellung sowie die Konzeption der Untersuchung vor.
3.Kenntnisstand: Bietet eine theoretische Übersicht über die relevanten chemischen Systeme (CaO-Al2O3-SiO2, CaO-Al2O3) und den aktuellen Wissensstand zur Hydratation der beteiligten Phasen.
4.Experimentelle Methoden: Erläutert die Syntheseverfahren für die Reinphasen, die Probenvorbereitung, die Kalorimetrie und die verschiedenen röntgenographischen Analysemethoden inklusive der Rietveld-Verfeinerungsstrategien.
5.Ergebnisse: Präsentiert die Daten aus der qualitativen und quantitativen Röntgenanalyse, die kalorimetrischen Messungen zur Hydratationswärme sowie die kinetischen Untersuchungen.
6.Zusammenfassung und Diskussion: Vergleicht die Ergebnisse der unterschiedlichen Auswertungsstrategien, diskutiert den Einfluss der Additive auf die Kinetik und Reproduzierbarkeit und zieht Schlussfolgerungen.
7.Ausblick: Reflektiert über mögliche zukünftige Forschungsansätze, insbesondere hinsichtlich niedrigerer Hydratationstemperaturen und verbesserter Messtechnik.
Schlüsselwörter
Monocalciumaluminat, Tonerdezement, Hydratation, Mayenit, Portlandit, Calciumoxid, Lithiumcarbonat, Kalorimetrie, Röntgenbeugung, Rietveldanalyse, Kinetik, Phasenbestand, Abbindeverhalten, Kristallisation, Hydratphase
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit untersucht das Hydratationsverhalten von Monocalciumaluminat (CA), der Hauptphase in Tonerdezementen, und den Einfluss verschiedener anorganischer Additive auf diesen Prozess.
Was sind die zentralen Themenfelder?
Zentrale Themen sind die Synthese von Reinphasen, die Untersuchung des Einflusses von Calcium-Additiven (wie Mayenit, Portlandit und CaO) und Lithiumsalzen auf die Hydratationswärme sowie die Analyse der Hydratationskinetik.
Was ist das primäre Ziel der Arbeit?
Das primäre Ziel ist es, Wege zu finden, die Reproduzierbarkeit des Hydratationsverhaltens von CA zu verbessern, das in reiner Form oft unvorhersehbare Ergebnisse liefert.
Welche wissenschaftliche Methode wird primär verwendet?
Hauptmethoden sind die Wärmeflusskalorimetrie zur Messung der Hydratationswärme und die Röntgenbeugungsanalyse (XRPD), speziell unter Anwendung der Rietveld-Methode zur quantitativen Phasenanalyse.
Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?
Der Hauptteil behandelt die experimentellen Methoden zur Probenherstellung, die Kalibrierung, die detaillierten Messergebnisse der kalorimetrischen Untersuchungen sowie die zeitaufgelöste kinetische Analyse der Phasenbildung.
Welche Schlüsselbegriffe charakterisieren die Arbeit?
Wichtige Begriffe sind Monocalciumaluminat, Hydratationskinetik, Rietveld-Verfeinerung, Wärmeflusskalorimetrie und Additive zur Beschleunigung des Abbindevorgangs.
Wie beeinflusst Lithiumcarbonat das Abbindeverhalten?
Lithiumcarbonat wirkt als starker Beschleuniger, indem es die Keimbildungsbarriere reduziert und so die Induktionsperiode deutlich verkürzt, was zu einer schnelleren Hydratation führt.
Warum ist die Wahl des Wasser-Feststoff-Verhältnisses (W/F) so wichtig?
Ein niedriges W/F-Verhältnis von 0,45 wird gewählt, um eine unerwünschte Phasen-Konversion zu vermeiden und sicherzustellen, dass die Hydratationsreaktion unter kontrollierten Bedingungen abläuft, was die Festigkeitsentwicklung begünstigt.
- Quote paper
- Ralph Enderle (Author), 2002, Untersuchungen des Einflusses von Ca(OH)2, CaO, C12A7 und Li2CO3 auf das Hydratationsverhalten von Monocalciumaluminat, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/10273
