Celitement enthält im Unterschied zu Portlandzement keinen Gipsträger. Wie steuert man denn dann die Verarbeitungseigenschaften aus?

Die Verarbeitungseigenschaften können, je nach Celitement Variante, am besten mit Fließmitteln wie PCE´s eingestellt werden. Aber auch die Zusätze anorganischer Stoffe wie Branntkalk, Kalksteinmehl oder Hüttensandmehl können zur Einstellung von Verarbeitungseigenschaften eingesetzt werden. Im Prinzip ist natürlich auch nur Wasser als Verflüssiger einsetzbar. Dabei ist dann aber zu berücksichtigen, dass der chemische Wasserbedarf von Celitementen wesentlich geringer ist als bei Portlandzement und zu viel Wasser die physikalischen Eigenschaften im Endprodukt überproportional verschlechtert. Der Gipsträger im konventionellen Zement wird ausschließlich zur Verzögerung reaktiver Aluminate am Beginn der Zementhydratation zugesetzt. Dadurch lässt sich Zement bis über mehrere Stunden verarbeiten. Celitement enthält keine Aluminate, es müssen daher auch keine Sulfatträger zugesetzt werden.

Die von uns für die Celitement Probe bestimmte Korngrößenverteilung stimmt nicht mit den uns Angaben der Celitement GmbH überein, warum?

Bei Celitementen handelt es sich um eine Gruppe hochfeiner Bindemittel mit einer nanoskaligen Gefügestruktur. Die Ermittlung der „tatsächlichen“ Partikelgrößenverteilung erfordert eine Kombination der etablierten Methoden wie Luftstrahlsiebung, Laserbeugung, dem Einsatz von bildauswertenden Verfahren der Mikroskopie oder sogar der Kleinwinkelstreuung.

Die Primärpartikel des hCHS lagern sich zu Agglomeraten oder Konglomeraten zusammen. Diese sind, je nach Herstellungsbedingungen, unterschiedlich mechanisch stabil. Abhängig vom gewählten Dispersionsverfahren zur Partikelgrößenbestimmung, der eingebrachten Dispersionsenergie und der Art des Messverfahrens, können die Agglomerate (bzw. Konglomerate) unterschiedlich zerfallen. Daher sollten zur Charakterisierung möglichst immer gleiche Verfahren und Dispersionstechniken eingesetzt werden. Der Vergleich von Partikelgrößenbestimmungen aus unterschiedlichen Laboren mit unterschiedlicher Technik, wird dadurch aber erschwert. Die Bestimmung der spezifischen Oberfläche nach BET liefert besser vergleichbare Absolutwerte. Die schwierige Vergleichbarkeit der Daten von Partikelgrößenverteilungen aus unterschiedlichen Quellen ist aber auch bei Zementen durchaus bekannt.

Gelten für den Einsatz von Celitementen besondere Maßnahmen beim Arbeits- und Gesundheitsschutz?

Nein, für den Umgang mit Celitement gelten dieselben Arbeitsschutzmaßen wie beim Umgang mit Portlandzement.

Hat man das System Celitement, nach mehr als 10 Jahren Forschung und Entwicklung, mittlerweile vollständig verstanden oder gibt es immer noch unbeantwortete Fragen?

Selbst das System Portlandzement, von dem jährlich immerhin mehrere Milliarden Tonnen produziert werden, ist bis heute nicht vollständig verstanden. Es wäre also vermessen zu behaupten, das wir alle Aspekte der Celitemente wissenschaftlich bereits verstanden haben. Ganz ähnlich wie im Portlandzement, bei dem auch viel empirisches Wissen als Basis für eine durchaus erfolgreiche Anwendung in der Praxis dient, ist das rein wissenschaftliche Verständnis eines Baustoffes sicher extrem hilfreich und wichtig. Aber wie beim klassischen Zement ist auch ein unvollständiges Wissen um alle Details, kein Hindernis für die Entwicklung eines leistungsfähigen Bindemittels. Hier kommt die feine Unterscheidung zwischen „Forschung“ und „Entwicklung“ ins Spiel. Die Forschung dient der Aufklärung der Prinzipien, die Entwicklung hilf diese in die Praxis umzusetzen. Die in der Anwendung von Celitementen entstehenden Reaktionsprodukte sind im Prinzip aber aus der Forschung an zementären Baustoffen bekannt. Das Rad mussten wir in manchen zementchemischen Fragestellungen daher nicht neu erfinden. Aber insbesondere die Aufklärung der vielfältigen Ursache-Wirkungsmechanismen bei der Hydratation, sowie die amorphe und schwierig zu charakterisierende Struktur der Zwischen- und Endprodukte, die auch das klassische Zementsystem so komplex machen, stellen für Celitemente eine große Herausforderung dar. Da hat das KIT und die Celitement GmbH viel Arbeit, Zeit und Geld in Forschung investiert.

Aber ähnlich wie bei klassischem Zement, müssen dann eben viele gut reproduzierbare praktische Versuche durchgeführt werden, um statistisch sichere Aussagen über Zusammenhänge zwischen strukturellen und physikalischen Eigenschaften ableiten zu können. Dieser Prozess ist weder bei Zementen noch bei Celitementen beendet. Wir sprechen bei solchen Systemen eher von „Evolution“ statt „Revolution“.

Ist die Entwicklung marktgängiger Baustoffsysteme mit Celitement schwieriger oder einfacher als mit Portlandzement?

Nicht unbedingt schwieriger, aber es hat sich gezeigt, dass es gut ist das Gesamtsystem in dem Celitemente eingesetzt werden sollen, vorurteilsfrei zu überdenken und auf die speziellen Eigenschaften von Celitementen hin anzupassen. Die möglicherweise leicht veränderten Wechselwirkung mit gängiger Bauchemie sollten zum Beispiel immer berücksichtigt werden

Kann Celitement Portlandzement zu 100% ersetzen?

Im Prinzip schon, zumindest in fast allen der bislang von uns im Labormaßstab getesteten Anwendungen. Ein vollständiger Ersatz ist aber zumindest nicht das vorrangige Ziel. Celitement ist zunächst einmal ein neuartiges Spezialbindemittel. Der Fokus liegt auf Anwendungen bei denen reine C-S-H Binder einen deutlichen Vorteil gegenüber Portlandzementen haben.

Natürlich sind immer Anpassungen und Optimierungen der Rezepturen notwendig. Ein einfacher 1:1 Austausch der beiden Bindemittel ist häufig wenig sinnvoll. Wir raten den Innovatoren immer, ihre jeweilige Applikationsidee auf die spezifischen Eigenschaften von Celitementen hin neu zu überdenken und dann entsprechend zu optimieren. Das erfordert Zeit, ermöglicht aber die optimale Leistungsfähigkeit dieses neuen Bindemittels abzurufen. Bei den weltweit produzierten Mengen an Portlandzementen und den dafür benötigten Anlagenkapazitäten hat kein alternatives Bindemittel, auch nicht Celitement, den Anspruch diesen sogar weiter steigenden Zementbedarf rasch zu decken oder Portlandzement zu ersetzten. Das wäre vermessen. Andererseits, wer nicht beginnt zu laufen kommt nie an. Daher wollen wir zunächst einmal zeigen das der Ersatz von Portlandzement technisch möglich ist, Menge und Geschwindigkeit der Substitution bestimmt dann der Markt.

Lässt sich Celitement wie ein normaler Zement verarbeiten?

Ja, im Prinzip schon. Celitement benötigt als bereits wasserhaltiger „Zement“ (hydraulisches Calciumhydrosilikat hCHS) aber deutlich weniger Wasser zur Bildung von C-S-H-Phase als Portlandzement. Daher ist der w/z-Wert entsprechend anzupassen und abzusenken. Dies hat Auswirkungen auf die Verarbeitbarkeit und muss daher z.B. mit PCE´s angepasst werden.

Muss man bereits etablierte Markenprodukte oder Anwendungen die auf Basis von Portlandzementen formuliert wurde völlig neu entwickeln und rezeptieren wenn dafür Celitement eingesetzt werden soll?

Völlig neu vielleicht nicht, wir empfehlen aber allen Entwicklern das System mit Celitement neu zu überdenken und nicht einfach einen 1:1 Austausch des Bindemittels vorzunehmen. Als erster Tastversuch mag das sinnvoll sein, aber spätestens danach sollte man versuchen die speziellen Eigenschaften dieses neuen Bindemittels auch wirklich optimal einzusetzen. Celitemente sind Portlandzementen in vielen Eigenschaften zwar sehr ähnlich, aber insbesondere die Erfahrungen zur Optimierung der Verarbeitungseigenschaften und der Rheologie unterscheiden sich durchaus. Für zahlreiche Anwendungen kann konventioneller Zement aber auch recht leicht einfach durch Celitement ausgetauscht werden. Manchnmal sind lediglich geringe Rezepturanpassungen notwendig. Bei anderen Anwendungen, z.B. im Bereich der Bauchemie, der Putz- und Mörteltechnik, können aber größere Anpassungen sinnvoll sein.

Sie geben an, dass es unterschiedliche Varianten von Celitement gibt. Worin unterscheiden sich diese? Was sind die Unterschiede zwischen den verschiedenen Celitement-Varianten die derzeit hergestellt werden können?

Celitemente können sich insbesondere im Calcium zu Siliciumverhältnis (C/S) unterscheiden. Dieses Verhältnis kann zwischen 0,5-2,0 variieren und bestimmt in einem wichtigen Maße ihre Eigenschaften. Üblicherweise liegt es bei C/S=1,3. Weiterhin unterscheiden sich die Celitement Varianten in der spezifischen Oberfläche (z.B. nach BET), dem Umsetzungsgrad in hCHS und der Art und Menge von Verunreinigungen. Je nachdem wie diese Parameter eingestellt werden, können Celitemente mit sehr hohen Frühfestigkeiten, die kaum Nacherhärtung zeigen, über Varianten mit einer Erhärtungscharakteristik wie Portlandzemente der Klassen 42,5-52,5 oder auch sehr langsamen Varianten, hergestellt werden. Insbesondere die rheologischen Verarbeitungseigenschaften lassen sich in einem weiten Bereich variieren.

Warum ist die analytische Charakterisierung von Celitementen so schwierig?

Celitemente sind, im Gegensatz zu den Mineralphasen im Portlandzementklinker, fast vollständig amorph. Die analytische Charakterisierung amorpher Substanzen ist im Allgemeinen anspruchsvoller als die von gut kristallinen Stoffen. Zudem sind sich sowohl das Zwischenprodukt aus dem Autoklaven (eine CSH-Phase), das nach der tribochemischen Umwandlung daraus gebildete Endprodukt (das hydraulische Calcium Hydro Silikat: hCHS) und das bei einer Hydratation von Celitement entstehende C-S-H (das Calzium Silikat Hydrat) sehr ähnlich. Wie bei vielen anderen Reaktionen auch, ist die Bildung bzw. der Umsatz der einzelnen Zwischen- und Endprodukte des Celitement Prozesses nicht quantitativ (d.h. Umsetzungsgrad 100%). Soll also z.B. der tatsächliche Umsetzungsgrad von Celitement nach einer Anwendung mit hoher Genauigkeit bestimmt werden, müssen im Prinzip alle drei Stoffgruppen (CSH, HCHS, C-S-H) voneinander unterschieden werden. Das ist eine analytisch sehr anspruchsvolle Aufgabe, wie die vielen Bemühungen zur qualitativen und quantitativen Bestimmung nur der C-S-H-Phasen bei der Umsetzung von Portlandzement, zeigt.

Warum sprechen sie von Celitement als einem „nahezu“ monophasigen Bindemittel?

Weil kein Herstellungsprozess eines Baustoffs die quantitative Umsetzung aller Ausgangs- und Zwischenstoffe erlaubt, enthält das Endprodukt immer gewisse Nebenphasen in untergeordneten Mengen. Das Hauptprodukt ist natürlich das hCHS (Celitement) aber die derzeit produzierten Chargen enthalten Anteile an nicht umgesetzten Ca(OH)2, Reste an Quarz oder auch Feldspäten aus Verunreinigungen der natürlichen Sandrohstoffe, kristallines oder auch amorphes Calciumcarbonat und, je nach Reinheit und Herkunft des Rohstoffs Kalk, auch Spurrite oder Phasen die beim industriellen Entsäuerungsprozess der Herstellung von Branntkalk oder Calciumhydroxid (gelöschter Kalk) entstehen.

Warum tauchen in den neuen Veröffentlichungen und Vorträgen zu Celitement die anfänglich (2009-2013) gezeigten core-shell Darstellungen nicht mehr auf?

Es gibt verschiedene Zwischenprodukte aus dem Autoklaven die mittels einer Aktivierungsmahlung zu Celitement umgewandelt werden können. Die anfängliche Variante basiert auf alpha-C2SH, das zusammen mit Silikatträgern vermahlen wird. Im Zuge der Aktivierungsmahlung bildet sich hCHS (Celitement) auf der Oberfläche des Silikaträgers. Man erhält eine sogenannte Core-Shell-Struktur. Als wir diesen Ansatz bei der europäischen Chemikalienagentur ECHA zur chemikalienrechtlichen Registrierung anmelden wollten, wurde uns mitgeteilt, dass bei Core-Shell Verbindungen für jedes unterschiedliche Kernmaterial, also jedes Silikat das wir eigentlich nur als Träger benötigen, eine eigene REACH-Registrierung erforderlich ist. Wenn aber für Sand, Hüttensandmehl, Glas, oder jedes anderen denkbare silikatische Kernmaterial eine eigene REACH-Registrierung notwendig ist, wird ein solcher Baustoff wirtschaftlich uninteressant. Wir haben uns dann entschlossen zunächst nur das reine Celitement, also reines hCHS ohne den Kern aus Silikaten, weiterzuverfolgen. Von der sogenannten C1-Variante (Core-Shell) sind wir also nur aus Gründen des europäischen Chemikalienrechtes auf die sogenannte C2-Variante (reines hCHS), ausgewichen. Das ist sehr schade, denn der erste Ansatz war auch sehr gut. Vielleicht ändert sich die Gesetzgebung diesbezüglich aber und wir nehmen Forschung zur C1-Variante wieder auf.

Was ist der wichtigste Unterschied zwischen Portlandzement und Celitement?

Im Gegensatz zu Portlandzement enthalten Celitemente keine Nebenphasen wie Aluminate oder Ferrite. Celitment besteht fast ausschließlich aus hCHS. Rein stofflich gesehen, liefert Celitement aber die gleiche Hauptfestigkeitsphase wie sie aus der Hydratation von klassischem Portlandzement bestens bekannt ist, die sog. C-S-H- Phase. Diese bildet sich ansonsten aus den Calciumsilikaten C3S und C2S, bei Celitement bildet sie sich aus dem hCHS. Dies haben wir früher im Slogan „Celitement- reduced to the max“ ausgedrückt. Während die Endprodukte also große Ähnlichkeiten aufweisen, ist das Ausgangsrezept aber durchaus unterschiedlich. Celitemente basieren auf einer wesentlich kalkärmeren Rezeptur als Portlandzement. Das sogenannte C/S-Verhältnis kann zwischen 0,5-2,0 variieren. Das Grundprinzip haben wir auf der Homepage erläutert.

Was ist die höchste Frühfestigkeit im Mörteltest die bislang mit Celitement erzielt wurde?

Wir haben bereits Proben mit Festigkeiten nach zwei Tagen von 44 N/mm2 hergestellt. Nach 24h werden mit Standardvarianten üblicherweise Werte um 25 N/mm2 erzielt.

Was ist die höchsten Mörteldruckfestigkeiten nach 28 Tagen die mit Celitement bislang erzielt wurde?

Wir haben Standardproben mit Mörtelfestigkeiten von 70 N/mm2 hergestellt. Diese Werte wurden bei dem, für Celitemente üblichen, w/z-Wert von 0,40 erhalten. Bei der Beurteilung dieses w/z-Wertes ist zu beachten dass es sich, im Gegensatz zu Portlandzementen, um bereits wasserhaltige Bindemittel handelt.

Welche Druckfestigkeiten sind mit Celitementen zu erzielen?

Die mit Celitementen erzielbaren Druckfestigkeiten liegen in der gleichen Größenordnung wie bei konventionellen Zementen (CEM I 42,5R bis CEM I 52,5R ). Es muss aber angemerkt werden, dass aufgrund des geringeren chemischen Wasserbedarfs von Celitement, der Wasser/Bindemittel-Wert unter dem von konventionellen Zementen liegt. Letztlich gelten bezüglich der Druckfestigkeiten die bekannten Beton- und mörteltechnischen Zusammenhänge. Auch eine „Walz-Kurve“ ist für Celitemente herstellbar.

Welches Fließmittel setzten Sie bei der Verarbeitung von Celitement ein?

Üblicherweise setzen wir PCE-Fließmittel ein. Die Produkte fast aller etablierten Hersteller sind einsetzbar, für unsere Standardmischungen setzten wir üblicherweise BASF Glenium ACE40 ein.

Wie groß sind die Primärpartikel von Celitement im Durchschnitt?

Elektronenmikroskopische Bilder zeigen üblicherweise Partikelgrößen von 200-500nm für die Primärpartikel von Celitementen. Diese lagern sich aber häufiger zu größeren Agglomeraten zusammen.

Wie kann man die Qualität von Celitement prüfen? Kann man die aus der Qualitätssicherung von Portlandzement bekannten Verfahren dafür einsetzen?

Hier sind die physikalischen Verfahren von den analytischen zu unterscheiden. Beim Autoklavenzwischenprodukt und dem daraus hergestellten hCHS handelt es sich, genauso wie dem Endprodukt einer Hydratation von Celitement dem C-S-H, um amorphe, hoch ungeordnete strukturell aber recht ähnliche Verbindungen. Dies macht die analytische Charakterisierung im Rahmen einer Produktionskontrolle schwierig. Zwar kann die in der Produktionskontrolle der Zementherstellung etablierte Röntgenfluoreszenzanalyse RFA zur Kontrolle der chemischen Zusammensetzung herangezogen werden. Wenn aber das „Autoklavenrohmehl“ nur aus den recht reinen und in ihrer chemischen Zusammensetzung gut bekannten Ausgangstoffen Kalkhydrat (Ca(OH)2 und Sand (SiO2) besteht, ist der Informationsgehalt aus der RFA (Chemie) relativ beschränkt. Gleiches gilt auch für den Einsatz eines Diffraktometers (XRD), das vornehmlich wichtig ist um nicht vollständig umgesetzte Ausgangsphasen oder kristalline Verunreinigungen zu identifizieren. Zur direkten Bestimmung des Gehaltes an hCHS bei der Aktivierungsmahlung genügt die XRD alleine aber nicht. Aufgrund des amorphen Charakters aller Zwischen- und Endprodukte sind eher schwingungsspektroskopische Methoden zur Charakterisierung einsetzbar. Diese Verfahren sind aus der Qualitätssicherung von Portlandzementen noch wenig bekannt, wurden von uns aber für die Analyse von Celitementen hin entwickelt. Mit der Thermoanalyse und kalorimetrischen Verfahren, die aus der Qualitätssicherung in Zementwerken aber bestens bekannt sind, stehen weitere etablierte Untersuchungsverfahren zur Verfügung. Sie können auch für Celitemente erfolgreich eingesetzt werden. Eine besondere Herausforderung ist die Partikelgrößenanalytik, die wegen der Bildung von Agglomeraten und Konglomeraten besondere Anforderungen stellt. Die physikalische Prüfung von Celitementen unterscheidet sich dagegen kaum von der physikalischen Prüfung von konventionellen Zementen. Das heißt, hier werden Wasseranspruch, Bindezeiten und Festigkeiten analog zu klassischen Zementen geprüft.

Wie lange kann man Celitement lagern?

Wir haben bei Langzeit Lagerversuchen unter verschiedenen Bedingungen festgestellt, dass Celitement sich diesbezüglich nicht von hoch aufgemahlenen Portlandzementen unterscheiden. Als reaktive hydraulische Bindemittel reagieren sie mit der Luftfeuchtigkeit und Kohlendioxid. Trocken und luftdicht gelagert sind sie mehrere Monate bis über ein Jahr lagerfähig. Danach sinkt die Leistungsfähigkeit, ähnlich wie bei Portlandzementen, ab.

Wie unterscheidet sich das, im Autoklaven hergestellte, Zwischenprodukt des Celitement Herstellungsprozesses vom späteren Endprodukt?

Das Zwischenprodukt aus dem Autoklaven sind bereits abreagierte, hydraulisch daher nicht aktive, CSH-Phasen. Sie werden durch starke Wasserstoffbrücken stabilisiert und sind dadurch hydraulisch unreaktiv. Erst im Zuge der Aktivierungsmahlung werden diese Wasserstoffbrücken zerstört, es findet eine strukturelle Umordnung und Teilentwässerung der CSH-Phasen statt und man erhält die gewünschte Reaktivität der hCHS Endprodukte. Die Vertauschung der Buchstabenreihenfolge CSH à CHS und die Voranstellung des h (für hydraulisch) zu hCHS soll dieses Prinzip verdeutlichen.

Wo kann ich Informationen zu technischen Daten, der chemischen Zusammensetzung, der Mineralogie sowie den physikalischen Eigenschaften von Celitement erhalten?

Im Downloadbereich unserer Homepage finden Sie Verweise auf eine Auswahl unterschiedlichster Publikationen zu Celitement. Darunter finden sich auch wissenschaftliche Arbeiten die Aussagen zur chemischen und mineralogischen Zusammensetzung von Celitement enthalten.

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