Zementmahlung - Untersuchungen zum Zusammenhang von Mahlaggregat und Materialeigenschaften

  • Die Mahlung als Zerkleinerungsprozess stellt seit den Anfängen der Menschheit eine der wichtigsten Verarbeitungsformen von Materialien aller Art dar - von der Getreidemahlung, über das Aufschließen von Heilkräutern in Mörsern bis hin zur Herstellung von Tonern für Drucker und Kopierer. Besonders die Zementmahlung ist in modernen Gesellschaften sowohl ein wirtschaftlicher als auch ein ökologischerDie Mahlung als Zerkleinerungsprozess stellt seit den Anfängen der Menschheit eine der wichtigsten Verarbeitungsformen von Materialien aller Art dar - von der Getreidemahlung, über das Aufschließen von Heilkräutern in Mörsern bis hin zur Herstellung von Tonern für Drucker und Kopierer. Besonders die Zementmahlung ist in modernen Gesellschaften sowohl ein wirtschaftlicher als auch ein ökologischer Faktor. Mehr als zwei Drittel der elektrischen Energie der Zementproduktion werden für Rohmehl- und Klinker- bzw. Kompositmaterialmahlung verbraucht. Dies ist nur ein Grund, warum der Mahlprozess zunehmend in den Fokus vieler Forschungs- und Entwicklungsvorhaben rückt. Die Komplexität der Zementmahlung steigt im zunehmenden Maße an. Die simple „Mahlung auf Zementfeinheit“ ist seit langem obsolet. Zemente werden maßgeschneidert, mit verschiedensten Kombinationsprodukten, getrennt oder gemeinsam, in unterschiedlichen Mahlaggregaten oder mit ganz neuen Ansätzen gefertigt. Darüber hinaus gewinnt auch der Sektor des Baustoffrecyclings, mit allen damit verbundenen Herausforderungen, immer mehr an Bedeutung. Bei der Fragestellung, wie der Mahlprozess einerseits leistungsfähige Produkte erzeugen kann und andererseits die zunehmenden Anforderungen an Nachhaltigkeit erfüllt, steht das Mahlaggregat im Mittelpunkt der Betrachtungen. Dementsprechend gliedert sich, neben einer eingehenden Literaturrecherche zum Wissensstand, die vorliegende Arbeit in zwei übergeordnete Teile: Im ersten Teil werden Untersuchungen an konventionellen Mahlaggregaten mit in der Zementindustrie verwendeten Kernprodukten wie Portlandzementklinker, Kalkstein, Flugasche und Hüttensand angestellt. Um eine möglichst effektive Mahlung von Zement und Kompositmaterialien zu gewährleisten, ist es wichtig, die Auswirkung von Mühlenparametern zu kennen. Hierfür wurde eine umfangreiche Versuchsmatrix aufgestellt und abgearbeitet. Das Spektrum der Analysemethoden war ebenfalls umfangreich und wurde sowohl auf die gemahlenen Materialien als auch auf die daraus hergestellten Zemente und Betone angewendet. Es konnte gezeigt werden, dass vor allem die Unterscheidung zwischen Mahlkörpermühlen und mahlkörperlosen Mühlen entscheidenden Einfluss auf die Granulometrie und somit auch auf die Zementperformance hat. Besonders stark wurden die Verarbeitungseigenschaften, insbesondere der Wasseranspruch und damit auch das Porengefüge und schließlich Druckfestigkeiten sowie Dauerhaftigkeitseigenschaften der aus diesen Zementen hergestellten Betone, beeinflusst. Bei Untersuchungen zur gemeinsamen Mahlung von Kalkstein und Klinker führten ungünstige Anreicherungseffekte des gut mahlbaren Kalksteins sowie tonigen Nebenbestandteilen zu einer schlechteren Performance in allen Zementprüfungen. Der zweite Teil widmet sich der Hochenergiemahlung. Die dahinterstehende Technik wird seit Jahrzehnten in anderen Wirtschaftsbranchen, wie der Pharmazie, Biologie oder auch Lebensmittelindustrie angewendet und ist seit einiger Zeit auch in der Zementforschung anzutreffen. Beispielhaft seien hier die Planeten- und Rührwerkskugelmühle als Vertreter genannt. Neben grundlegenden Untersuchungen an Zementklinker und konventionellen Kompositmaterialien wie Hüttensand und Kalkstein wurde auch die Haupt-Zementklinkerphase Alit untersucht. Die Hochenergiemahlung von konventionellen Kompositmaterialien generierte zusätzliche Reaktivität bei gleicher Granulometrie gegenüber der herkömmlichen Mahlung. Dies wurde vor allem bei per se reaktivem Zementklinker als auch bei latent-hydraulischem Hüttensand beobachtet. Gemahlene Flugaschen konnten nur im geringen Maße weiter aktiviert werden. Der generelle Einfluss von Oberflächenvergrößerung, Strukturdefekten und Relaxationseffekten eines Mahlproduktes wurden eingehend untersucht und gewichtet. Die Ergebnisse bei der Hochenergiemahlung von Alit zeigten, dass die durch Mahlung eingebrachten Strukturdefekte eine Erhöhung der Reaktivität zur Folge haben. Hierbei konnte festgestellt werden, das maßgeblich Oberflächendefekte, strukturelle (Volumen-)defekte und als Konterpart Selbstheilungseffekte die reaktivitätsbestimmenden Faktoren sind. Weiterhin wurden Versuche zur Mahlung von Altbetonbrechsand durchgeführt. Im Speziellen wurde untersucht, inwieweit eine Rückführung von Altbetonbrechsand, als unverwertbarer Teil des Betonbruchs, in Form eines Zement-Kompositmaterials in den Baustoffkreislauf möglich ist. Die hierfür verwendete Mahltechnik umfasst sowohl konventionelle Mühlen als auch Hochenergiemühlen. Es wurden Kompositzemente mit variiertem Recyclingmaterialanteil hergestellt und auf grundlegende Eigenschaften untersucht. Zur Bewertung der Produktqualität wurde der sogenannte „Aktivierungskoeffizient“ eingeführt. Es stellte sich heraus, dass die Rückführung von Altbetonbrechsand als potentielles Kompositmaterial wesentlich vom Anteil des Zementsteins abhängt. So konnte beispielsweise reiner Zementstein als aufgemahlenes Kompositmaterial eine bessere Performance gegenüber dem mit Gesteinskörnung beaufschlagtem Altbetonbrechsand ausweisen. Bezogen auf die gemessenen Hydratationswärmen und Druckfestigkeiten nahm der Aktivierungskoeffzient mit fallendem Abstraktionsgrad ab. Ebenfalls sank der Aktivierungskoeffizient mit steigendem Substitutionsgrad. Als Vergleich wurden dieselben Materialien in konventionellen Mühlen aufbereitet. Die hier erzielten Ergebnisse können teilweise der Hochenergiemahlung als gleichwertig beurteilt werden. Folglich ist bei der Aktivierung von Recyclingmaterialien weniger die Mahltechnik als der Anteil an aktivierbarem Zementstein ausschlaggebend.show moreshow less
  • Grinding as a comminution process has been one of the most important forms of processing of all kinds of materials since the beginning of mankind - from grain grinding over digesting medicinal herbs in mortars to producing toners for printers and copiers. Cement grinding in particular is both an economic and an ecological factor in modern societies. More than two-thirds of the electrical energyGrinding as a comminution process has been one of the most important forms of processing of all kinds of materials since the beginning of mankind - from grain grinding over digesting medicinal herbs in mortars to producing toners for printers and copiers. Cement grinding in particular is both an economic and an ecological factor in modern societies. More than two-thirds of the electrical energy of cement production is consumed for raw meal and clinker or composite material grinding. This is just one reason why the milling process is increasingly becoming the focus of many research and development projects. And the complexity of cement grinding is increasing. The simple demand to grind to a certain cement fineness is obsolete. Cements are custom-made with a variety of combination products, comminuted separately or together in different grinding units or made with completely new approaches. In addition, the sector of building materials recycling - with all the associated challenges - also wins more and more importance. In terms of the question of how the grinding process could produce high-performance products on the one hand and the increasing demands on sustainability on the other hand, the grinding devices are the focus of the considerations. Accordingly, in addition to an in-depth literature review on the state of knowledge, the present work is divided into two major parts: In the first part investigations are made on conventional grinding devices with core products used in the cement industry, such as Portland cement clinker, limestone, fly ash and granulated blast furnace slag. To ensure the most effective grinding of cement and composite materials, it is important to know the effect of grinding parameters. For this, an extensive experimental matrix was set up and processed. The spectrum of analysis methods was also extensive and was applied to both the milled materials and the cements and concretes made from them. It could be shown that especially the distinction between grinding media mills and non-grinding media mills has a decisive influence on the granulometry and thus also on the cement performance. The processing properties, especially the water demand and thus the pore structure and finally compressive strength and durability properties of the concretes made from these cements, have been strong influenced, particularly. In studies on the common grinding of limestone and clinker an unfavorable enrichment of easily grindable limestone and clayey secondary constituents led to a poorer performance in all cement tests. The second part is devoted to high-energy milling. The technology behind it has been used for decades in other sectors of the economy, such as pharmacy, biology and the food industry and has also been used in cement research for some time. As representatives, the planetary and stirred media ball mill may be mentioned here. In addition to basic investigations on cement clinker and conventional composite materials such as blast furnace slag and limestone, the main Portland cement clinker phase alite was also investigated. The high-energy milling of conventional composite materials generated additional reactivity with the same granulometry compared to conventional grinding. This was observed especially on per se reactive Portland cement clinker as well as on latent-hydraulic blast furnace slag. Ground fly ash could be activated only to a small extent. The general influence of surface enlargement, structural defects and relaxation effects of a ground product were thoroughly investigated and weighted as well. The high-energy milling results of alite showed that the structural defects introduced by milling result in an increased reactivity. It was found that mainly surface defects, structural (volume) defects and as counterpart self-healing effects are the factors determining reactivity. Furthermore, attempts were made to grind concrete waste sand (CDW). In particular, it was examined to what extent a return of CDW, as an unvaluable part of the concrete fracture, in the form of a cement composite material in the building material cycle is possible. The grinding technique used for this purpose includes both conventional mills and high-energy mills. Composite cements with a varied proportion of recycled material were produced and examined for their fundamental properties. For the evaluation of the product quality the so-called äctivation coefficient"was introduced. It was found that the return of used concrete crushed sand as a potential composite significantly depends on the content of the cement paste. For example, pure cement paste as a milled composite showed better performance than the aggregated contaminated CDW. Based on the measured heat of hydration and compressive strengths, the activation coefficient decreased with decreasing degree of abstraction and the activation coefficient also decreased with increasing degree of substitution. For comparison, the same materials were prepared in conventional mills. The results obtained here can be partly considered as equivalent to high-energy milling. Consequently, when activating recycled materials, the grinding technique is less important than the amount of activatable cement paste.show moreshow less

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Metadaten
Document Type:Doctoral Thesis
Author: Martin ReformatGND
URN (Cite-Link):https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:gbv:wim2-20201102-42794Cite-Link
DOI (Cite-Link):https://doi.org/10.25643/bauhaus-universitaet.4279Cite-Link
ISBN:978-3-00-067121-0
Referee:Prof. Dr. rer. nat. Albrecht WolterGND, Prof. Dr.-Ing. Christoph MüllerGND
Advisor:Prof. Dr.-Ing. Horst-Michael LudwigGND
Language:German
Date of Publication (online):2020/11/02
Date of first Publication:2020/11/02
Date of final exam:2020/09/16
Release Date:2020/11/02
Publishing Institution:Bauhaus-Universität Weimar
Granting Institution:Bauhaus-Universität Weimar, Fakultät Bauingenieurwesen
Institutes and partner institutions:Fakultät Bauingenieurwesen / Professur Werkstoffe des Bauens
Page Number:224
Tag:Mahlaggregat; Mahlung; Zementmahlung
Vertical roller mill
GND Keyword:Zement; Beton
Dewey Decimal Classification:600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 620 Ingenieurwissenschaften / 629 Andere Fachrichtungen der Ingenieurwissenschaften
BKL-Classification:56 Bauwesen / 56.45 Baustoffkunde
Licence (German):License Logo Creative Commons 4.0 - Namensnennung-Nicht kommerziell-Keine Bearbeitung (CC BY-NC-ND 4.0)