Einfluss von K2SO4 auf das rheologische Verhalten von ... · Einfluss von K2SO4 auf das rheologische Verhalten von Zementleimen mit Fließmitteln F.A. Finger-Institut für Baustoffkunde

Einfluss von K2SO4 auf dasrheologische Verhalten vonZementleimen mit Fließmitteln

F.A. Finger-Institutfür Baustoffkunde

Bauhaus-Universität Weimar

Institut für Baustofftechnologieund BauteileTechnische Universität in Brno (CZ)

Christiane RößlerHana Kučerová

Mögliche Reaktionen am BeginnZementhydratation

Ettringit (Monosulfat)-Bildung / pH (Locher)3K2SO4+ C3A + 3Ca(OH)2 + 32H2O C3A.3CaSO4.32H2O + 6KOHK2SO4+ C3A + Ca(OH)2 + 12H2O C3A.CaSO4.12H2O + 2KOH

Erhöhung des pH – Wertes der Porenlösung Auflösung von Aluminat und Sulfatträger

Syngenitbildung (Glasser et.al.)CaSO4.2H2O + K2SO4 K2SO4.CaSO4.H2O + H2O

falsches Erstarren

Kompetetive Adsorption zwischen SO4 – Ionen undFließmittelmolekülen

Verminderung der Adsorption von Fließmitteln an die Oberfläche vonZementteilchen

(Yamada et.al., Aïtcin et.al. – Untersuchungen mit Na2SO4)

Ziel der Untersuchungen

Der Verlust der Zementleimfließfähigkeit in Anwesenheit vonFließmitteln und Alkalisulfaten wird oft nur mittels derFließmitteladsorption erklärt.

Erweiterung des Models um die Erkenntnisse mikrostrukurellerUntersuchungen (ESEM – FEG, XRD – Rietveld etc.)

Einfluss von Fließmitteln auf die Bildung von Syngenit

Kombination der rheologischen Daten und Adsorptionmessungen mitmikrostrukurellen Untersuchungsmethoden.

Methoden

Fließfähigkeit und Rücksteifen des Zementleimes:VISKOMAT NT (Messung des Drehmoments unterkontinuierlicher Scherbelastung während der ersten zweiStunden der Hydratation)

Adsorption von FMn: TOC-Analyse der Porenlösung

Phasenzusammensetzung der Zementleime:quantitative XRD-Analyse (Rietveld-Methode) an Rückständen vonSalicylsäureaufschlüssenArt und Morphologie der Hydratationsprodukte:ESEM-FEG Untersuchungen

Verwendete Materialien: Zement

5170cm2/g0,06%0,4%2,3 ± 0,1%7,5 ± 0,3 %15,9 ± 0,8%61,5 ± 0,9 %

BlaineNa2OwlK2OwlC4AFC3AC2SC3S

CEM I 52,5 R

M = mol/l0,29 MZ_0,29M K2SO4

0,18 MZ_0,18M K2SO4

0,12 MZ_0,12M K2SO4

0 MZ_0M K2SO4

K2SO4-LösungBezeichnungvon Zementleimen

* theoretisch2,74%*1,48% *2,74%1,94%*1,05% *1,2%1,57%*0,85% *0,83%0,74%*0,4%0%

K2SO4

gesamt.K2Owl

K2SO4-Zugabe

XRD-Rietveld-Analyse

Verwendete Materialien: Fließmittel

TransportbetonFertigteilbetonTransportbetonAnwendung

--hochniedrigMolekulargewichtder Seitenketten

--83,5VerhältnisCOO- / Ester

NSFPCEPCEBasis NSFPC 2PC 1Fließmittel

COO-: negativ

Ester: neutral

COO- / Ester = hochCOO- / Ester = klein

Wasser/Zement-Wert = 0,39

Vorversuch: Messung des DrehmomentsAuswahl der FM-Dosierung für die Untersuchungen

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

220

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8 1,9 2FM-Dosierung in %

Dre

hmom

ent n

ach

30 m

in (N

mm

)

PC1_0 M K2SO4 PC2_0 M K2SO4 NSF_0M K2SO4

Messfehler: ± 8,4 Nmm (für 220 Nmm) ± 1,3 Nmm (für 45Nmm)

Messung mit dem Viskomat NTEinfluss der K2SO4-Konzentration auf das Ansteifen

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0

30

60

90

120

150

180

210

240

270

0 20 40 60 80 100 120Zeit (min)

Dreh

mom

ent (

Nmm

)

PC 1 PC 2 NSF ohne Fließmittel

K2SO4 -Konzentration

0 mol/l (M)

0,12 M

0,18 M

0,29 M

FM-Dosierung: 1,5%

W/Z=0,39

0,18M

0M0,12M

0,29 M – nicht messbar

Messung mit dem VISKOMAT NTEinfluss der K2SO4-Konzentration auf dieVerflüssigung eines Fließmittels auf NSF-Basis

(NSF -Dosierung 1,5%, W/Z=0,39)

0M

0,18M K2SO4

0,12M K2SO4

0,29M K2SO4

0

30

60

90

120

150

0 20 40 60 80 100 120

Zeit (min)

Dre

hmom

ent (

Nm

m)

(PC1, PC2 -Dosierung 0,4%, W/Z=0,39)

Messung mit dem VISKOMAT NTEinfluss der K2SO4-Konzentration auf die Verflüssigungeines Fließmittels auf PCE-Basis: PC1

0M

0,18M K2SO40,12M K2SO4

0,29M K2SO4

0

30

60

90

120

150

0 20 40 60 80 100 120

Zeit (min)

Dre

hmom

ent (

Nm

m)

Messung mit dem VISKOMAT NTEinfluss der K2SO4-Konzentration auf dieVerflüssigung eines Fließmittels auf PCE-Basis: PC2

(PC1, PC2 -Dosierung 0,4%, W/Z=0,39)

0M0,18M K2SO4

0,12M K2SO4

0,29M K2SO4

0

30

60

90

120

150

0 20 40 60 80 100 120

Zeit (min)

Dre

hmom

ent (

Nm

m)

TOC-Analyse der PorenlösungAdsorption von FMn nach 10 minEinfluss der K2SO4-Konzentration

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0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Adso

rptio

n %

PC 1 -1,5% PC 2 -1,5% NSF -1,5%PC 10,4%

PC 20,4%

0 0,18 0 0,18 0 0,12 0,18 0,29 0 0,12 0,18 0,29 0 0,12 0,18 0,29

[M ]K2SO4

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

unhydratisiert 0M K2SO4 0,12M K2SO4 0,18M K2SO4

Geh

alt a

n S

ynge

nit (

%)

unhydratisiert

referenz

PC1-1,5%

PC2-1,5%

NSF-1,5%

XRD-Rietveld-Analyse:Syngenitbildung nach 10 min Hydratation

(0,4% K2Owl) (0,85% K2Owl)(1,05% K2Owl)

XRD-Rietveld-Analyse:C3A-Gehalt nach 10 min Hydratation

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9


Geh

alt a

n C

3A (%

)

unhydratisiert

referenz

PC 1-1,5%

PC 2-1,5%

NSF-1,5%

ESEM-FEG: Hydratationsprodukte nach 10minHydratation

Syngenit

EttringitEttringit

Referenzprobe + 0 M K2SO4

Referenzprobe + 0,18 M K2SO4

Zusammenfassung

Fließmittel – Eigenschaften:Verflüssigung: PCE (PC1 > PC2) >> NSF

Rücksteifen: in Zementleimen mit PC 2 und NSF Adsorption von FMn:

tendenzielle Verminderung durch K2SO4-Zugabe Bei gleicher FM-Dosierung: NSF > PCE (PC2 > PC1)

Mittels Rietveld-Analyse an Rückständen vom Salicylsäureaufschluß istes möglich Syngenit in allen Proben nachzuweisen.Durch Zugabe von K2SO4 erhöht sich die Syngenitmenge während derHydratation.Fließmittel beeinflussen die Syngenitbildung spezifisch.Die höchste Verflüssigung wurde mit PC 1 erzielt. Dies korreliert mitdem geringeren Syngenitgehalt.Der C3A-Abbau wird im untersuchten Zement durch Zugabe von FMnund K2SO4 nicht nachweisbar verändert.

Einfluss von Na2SO4auf das Ansteifen

150

180

210

240

270

300

0 20 40 60 80 100 120

Zeit (min)

Dre

hmom

ent (

Nm

m)

Z_0M

Z_0.12M K2SO4

Z_0.18M K2SO4

150

180

210

240

270

300

0 20 40 60 80 100 120

Zeit (min)

Dre

hmom

ent (

Nm

m) Z_0M

Z_0.12M Na2SO4

Z_0.18M Na2SO4

Z_0,29M Na2SO4

Z_0.29M K2SO4 – nicht messbar

Zementleime ohne FMmit K2SO4 - Zugabe

Zementleime ohne FMmit Na2SO4 - Zugabe

Messung mit demViskomat NTK2SO4-Zugabe

versus

Na2SO4-Zugabe

REFERENZ

0M

0,18M Na2SO4

0,12M Na2SO4

0,29 M Na2SO4

0

30

60

90

120

150

0 20 40 60 80 100 120

Zeit (min)

Dre

hmom

ent (

Nm

m)

0M

0,18M K2SO4

0,12M K2SO4

0,29M K2SO4

0

30

60

90

120

150

0 20 40 60 80 100 120

Zeit (min)

Dre

hmom

ent (

Nm

m)

Zementleime mit NSF-1,5%mit Na2SO4 - Zugabe

Zementleime mit NSF-1,5%mit K2SO4 - Zugabe


versus

Na2SO4-Zugabe

NSF

0M

0,18M Na2SO40,12M

Na2SO4

0,29M Na2SO4

0

30

60

90

120

150

0 20 40 60 80 100 120

Zeit (min)

Dre

hmom

ent (

Nm

m)

0M

0,18M K2SO40,12M K2SO4

0,29M K2SO4

0

30

60

90

120

150

0 20 40 60 80 100 120

Zeit (min)

Dre

hmom

ent (

Nm

m)

Zementleime mit PC1-0,4%

mit Na2SO4 - Zugabe

Zementleime mit PC1-0,4%mit K2SO4 - Zugabe


versus

Na2SO4-Zugabe

PC 1

0M

0,18M Na2SO40,12M Na2SO4

0,29M Na2SO4

0

30

60

90

120

150

0 20 40 60 80 100 120

Zeit (min)

Dre

hmom

ent (

Nm

m

0M0,18M K2SO4

0,12M K2SO4

0,29M K2SO4

0

30

60

90

120

150

0 20 40 60 80 100 120

Zeit (min)

Dre

hmom

ent (

Nm

m)

Zementleime mit PC2-0,4%

mit Na2SO4 - Zugabe

Zementleime mit PC2-0,4%mit K2SO4 - Zugabe


versus

Na2SO4-Zugabe

PC 2

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3


Geh

alt a

n Sy

ngen

it (%

)

unhydratisiert

referenz

PC1-1,5%

PC2-1,5%

NSF-1,5%

XRD-Rietveld-Analyse:Syngenitbildung nach10 min Hydratation

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

Geh

alt a

n Sy

ngen

it (%

)

unhydratisiertreferenzPC 1-1,5%PC 2-1,5%NSF-1,5%

0,18M Na2SO4

Zugabe von K2SO4

Zugabe von Na2SO4

ESEM:Hydratationsproduktenach 2 Stunden Hydratation

Referenzprobe + 0,29 M Na2SO4

��

��

��

��

��

Referenzprobe

00,5

11,5

22,5

33,5

44,5

0M K2SO4 0,29MK2SO4

0,29MNa2SO4

Geh

alt a

n Sy

ngen

it (%

)XRD-Rietveld-Analyse:Gehalt an Syngenit

Syngenitbildung und Ansteifen(Refenzproben)

Zugabe von K2SO4 SyngenitbildungGleich nach dem Anmischen: schneller Anstieg des ScherwiderstandesMechanische Zerstörung von Syngenitkristallen infolge derScherbelastung während der Viskomatmessung Senkung desScherwiderstandesDie Syngenitmenge > 1 % erhöht den Scherwiderstand signifikantBei der Syngenitbildung wird weniger Wasser chemisch gebunden als beider Ettringitbildung, dies evtl. vermindert das Rücksteifen.

Zugabe von Na2SO4Signifikanter Anstieg des Scherwiderstandes erst bei hohen Na2SO4 –Konzentrationen (0,29M) infolge der erhöhten Ettringitbildung (XRD-Analyse)Keine Verminderung des Rücksteifens.

Syngenitbildung und Ansteifen inGegenwart von Fließmitteln

Na2SO4 K2SO4

Einfluss von FM-Adsorption und Syngenitbildung auf:1. Scherwiderstand

Verminderungkein EffektPCE

Verminderung (0,12M – 0,29M)Verminderung(0,12M/0,18M)NSF

2. Rücksteifen

zuerst Senkung (0,12M)dann Anstieg (ab 0,18M)

zuerst Senkung(0,12M/0,18M) dann

Anstieg (0,29M)NSF

Anstieg ab 0,12MAnstieg ab 0,29MPCE

Zugabe von Na2SO4 beeinflusst: FM-AdsorptionZugabe von K2SO4 beeinflusst: FM-Adsorption und Syngenitbildung

0M K2SO4 0,12M K2SO4 0,18M K2SO4 0,29M K2SO4

Wirkungsbereich von Fließmittelnin Abhängigkeit von K2Owl- undNa2Owl – Gehalt im Zement

0M Na2SO4 0,12M Na2SO4 0,18M Na2SO4 0,29M Na2SO4

0,06 %Na2OWL 0,35% Na2OWL 0,5% Na2OWL 0,76% Na2OWL

0,4 %K2OWL 0,85% K2OWL 1,05% K2OWL 1,48% K2OWL

NSF

PCE NSF

PCE

Zusammenfassung

Das rheologische Verhalten von Portlandzement wird kontrolliert durch:

• Gehalt an Na2SO4 und K2SO4 im Zement

• Adsorptionsverhalten der FM

• Reaktivität und Menge an C3A

Um die Verflüssigung von FM mit verschiedenen Zementen vorherzusagen,muss zuerst die Phasenbildung der Zementhydratation qualitativ undquantitativ beschrieben werden.

nein

vermindertNa2SO4

ja- vom FM spezifisch beeinflusst(gering adsorbierende FMunterdrücken)- Syngenitgehalt > 1%: signifikanterEinfluss auf den Scherwiderstand

Syngenitbildung

vermindertFM-AdsorptionK2SO4

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit

Der Beitrag wurde aus den Mitteln des Projekts GA ČR Nr.103/04/0668 und vom FIB Uni-Weimar finanziell unterstüzt.

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