Rohstoffe und Herstellung von Portlandzement

Die Rohstoffe fur die Herstellung von Portlandzement СЕМ I (altes Kurzzeichen: PZ) sind in erster Linie Kalk und Ton oder ihre „natiirlichen Gemische“ Kalkmergel bzw. Mer – gelkalk. Da entsprechende Mergel allerdings nur selten in der benotigten Zusammenset­zung zur Verfugung stehen, kommen meistens geeignete Mischungen aus Kalkstein und Ton (,,Rohmehle“) zum Einsatz. In den Fallen, wo die chemische Zusammensetzung der eingesetzten Rohstoffe nicht den geforderten Bedingungen entspricht, werden dem Roh – mehl Korrekturkomponenten zugesetzt. So erfolgt z. B. bei einem zu niedrigen Si02-Gehalt ein Zusatz von Sand und bei einem zu niedrigen Fe203-Gehalt ein Zusatz von Kiesabbrand. Kiesabbrande (60…65% Fe) fallen beim Abrosten von Pyrit FeS2 (Erzaufbereitung fur den Hochofenprozess, Кар. 8.1.2) an.

Brennen. Hinsichtlich der beim Brennprozess der Zementrohstoffe ablaufenden Vorgange gibt es einige Gemeinsamkeiten mit den hydraulischen Kalken. Da es sich um komplizierte Festkorperreaktionen handelt, miissen die Reaktionspartner zunachst in einen moglichst intensiven Kontakt zueinander gebracht werden. Um dies zu erreichen, mahlt man die Roh­stoffe im richtigen Mengenverhaltnis so fein, bis etwa 90% der Teilchen einen geringeren Durchmesser als 90 pm besitzen. Das Rohmehl gelangt nach einem Homogenisierungs – schritt (Pressluft!) in 50…100 m lange Drehrohrofen. Durch die schrage Lagerung der Ofen und die langsame Drehung um die Langsachse wird das von oben eingefiihrte Brenngut nach unten bewegt, wo sich die Flamme befindet. Das Rohmehl gelangt so in immer hei – Bere Zonen und es laufen temperaturabhangig folgende Reaktionen ab:

Подпись: 2 CaO • Si02 + CaO C2S + c Подпись: 3 CaO • Si02 C3S Подпись: (9-13)

Nach dem Trocknen des fein gemahlenen Brenngutes erfolgt zunachst die Dehydratation der Tonminerale, wobei die Hydraulefaktoren entstehen. Die Temperatur der Dehydrata­tion hangt von der chemischen Zusammensetzung der Tonminerale ab. Sie liegt in der Re­gel zwischen 500…800°C. Oberhalb von 600°C (bis etwa 900°C) erfolgt die Abspaltung von C02 aus dem Kalkstein. Das entstehende CaO ist unter diesen Reaktionsbedingungen nicht stabil. Es setzt sich zwischen 800…1000°C mit den Hydraulefaktoren unter Bildung von Dicalciumsilicat, Calciumaluminaten und einer Reihe stochiometrisch unterschiedlich aufgebauter Zwischenverbindungen (Aluminate, Aluminatferrite) um. Oberhalb von 1280°C entsteht eine Schmelze, in der diese Zwischenverbindungen wieder zerfallen. Bei der maximalen Temperatur im Drehrohrofen von ca. 1450°C (Sintertemperatur) liegen alle Bestandteile auBer den Silicaten geschmolzen vor (Schmelzanteil 20…30%). Noch nicht umgesetztes CaO reagiert mit dem Dicalciumsilicat zum Tricalciumsilicat (Gl. 9-13).

Das Tricalciumsilicat ist die fur den Portlandzement charakteristische Verbindung. Sie ist fur einige wichtige Eigenschaften verantwortlich, bezliglich derer das Bindemittel Zement den Kalken uberlegen ist. Die Klinkerminerale werden im Ergebnis des Sinterprozesses als harte Massen, meist in Form walnussgroBer Stiicke erhalten (Portlandzementklinker). Die anschlieBende Feinmahlung bewirkt eine signifikante VergroBerung der reaktiven O – berflache. Erst jetzt liegt ein hydraulisches, rasch erstarrendes Bindemittel vor.

Der Begriff Zementklinker wurde wegen der Ahnlichkeit der Brennprodukte mit den aus Lehm gewonnenen und ebenfalls bis zur Sinterung gebrannten, dichten, sehr festen Ziegel – steinen (.Klinkern) gewahlt.

Nach dem Ofendurchgang wird der Klinker mit Kaltluft abgekiihlt, wobei die mineralische Zusammensetzung des Klinkers im Wesentlichen erhalten bleibt. Aluminat – und Ferritpha – sen kristallisieren aus. Die Abkiihlung muss rasch erfolgen, da ansonsten Tricalciumsilicat unterhalb von 1250°C wieder in Dicalciumsilicat und CaO zerfallt, wobei die hydraulische Modifikation des C2S erhalten wird (Gl. 9-13, Ruckreaktion).

Подпись: KSt I Rohstoffe und Herstellung von Portlandzement Подпись: (9-14a)

Um einen normgerechten Zement herzustellen, muss das Rohmehl eine optimale chemische Zusammensetzung besitzen. Zu ihrer Berechnung werden Kennwerte oder Moduln ver – wendet, in die die durch chemische Analyse ermittelten Prozentgehalte fur die einzelnen Oxide eingesetzt werden. Zur Berechnung des optimalen Kalkgehaltes dienen die soge – nannten Kalkstandards (KSt) (Gl. 9-14a: KSt I). Sie werden in Prozent angegeben.

Rohstoffe und Herstellung von Portlandzement Подпись: (9-14b)

In die Formel (9-14a) werden die jeweiligen Massenanteile in Prozent eingesetzt. Der Kalkstandard technischer Klinker liegt zwischen 92… 102%, der hochwertiger Klinker uber 97%. In einem PZ-Klinker mit einem KSt-Wert von 100% ist das gesamte CaO an die Hydraulefaktoren gebunden, d. h. es liegt der optimale CaO-Gehalt vor. Die Koeffizienten vor den Hydraulefaktoren leiten sich aus den Stochiometrieverhaltnissen der entstehenden Phasen ab. Beispielsweise binden 3 Mol CaO 1 Mol Si02 (zu Tricalciumsilicat), das Mas – senverhaltnis lautet demnach: 168,3g CaO/ 60, lg Si02 = 2,8. Eine Optimierung der Koeffi­zienten unter zusatzlicher Beriicksichtigung des MgO, das bis zu 2% CaO ersetzen kann, geht z. B. auf Spohn, Woermann und Knofel zuruck (9-14b, [ВС 1]).

Подпись: HM Подпись: CaO Si02 + Al203 + Fe203 Подпись: (9-15)

Zur Beurteilung der Zementeigenschaften wurden noch weitere Kennwerte eingefiihrt. Dabei handelt es sich meist um Verhaltniszahlen zwischen einzelnen Bestandteilen (Mo­duln) des Zements. Ein wesentlicher Modul ist der Hydraulemodul HM. Er erfasst das Massenverhaltnis zwischen Kalk CaO und den Tonbestandteilen bzw. Hydraulefaktoren А120з, Si02 und Fe2 O3 (9-15). Fur HM werden im Allgemeinen Werte zwischen 1,8 und 2,2 angestrebt.