Feuerbeton

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Hitzebeständiger Beton, feuerfester Beton und hochfeuerfester Beton werden häufig unter dem Überbegriff Feuerbeton zusammengefasst.

Bei Gebrauchstemperaturen > 250 °C muss Feuerbeton eingesetzt werden. Er kann Temperaturen bis ca. 1200 °C bei Portlandzement und bis 1700 °C bei Tonerdezement längere Zeit ausgesetzt werden und findet daher im Feuerungs- und Hochofenbau Anwendung.
Unterschieden werden nach Feuerfestigkeit bzw. Anwendungstemperatur:

Bezeichnung Kegelfallpunkt Verwendungstemperatur
hitzebeständiger Beton ≤ 1500 °C 200 °C ... 1100 °C
feuerfester Beton > 1500 °C ≤ 1790 °C 1100 °C ... 1300 °C
hochfeuerfester Beton > 1790 °C > 1300 °C

Der Kegelfallpunkt bezeichnet hierbei die Temperatur, bei der die Spitze eines aus dem zu prüfenden Material hergestellten Kegels vollständig umkippt.

Die Wärmedehnung der Gesteinskörnung muss derjenigen des Zementsteins entsprechen. Dabei sollte wegen der möglichen Entsäuerung bei hohen Temperaturen (600 °C bis 800 °C) kein Kalkstein verwendet werden. Die Verwendung von Quarzen ist nur sehr eingeschränkt möglich, da sie sich bei 573 °C umwandeln und ihr Volumen sprunghaft vergrößern (Quarzsprung) mit der Folge von Gefügestörungen und Festigkeitsverlusten. Als Gesteinskörnung lassen sich am besten solche Mineralstoffe verwenden, deren Wärmedehnung nicht hoch ist und die unter thermischer Belastung keine Modifikationsumwandlungen aufweisen. Für feuerfesten Beton haben sich als Gesteinskörnung u. a. Chromerze, Hochofenschlacke, Korunde, Magnesit, Schamotte, Siliziumkarbid und Ziegelsplitt bewährt.

Für die Herstellung von feuerfesten Produkten sind Al2O3-reichere Zemente gebräuchlich. Für niedrigere Anwendungstemperaturen kommen auch Portlandzement, Portlandhüttenzement und Hochofenzement zum Einsatz. Portlandkalksteinzement ist wie schon beschrieben wegen der möglichen Entsäuerung bei hohen Temperaturen (600 °C bis 800 °C) nicht geeignet.

Chemisch-physikalische Grundlagen: Wird ein erhärteter Portlandzement einer thermischen Behandlung unterzogen, gibt er in bestimmten Temperaturbereichen sein adsorbiertes und sein chemisch gebundenes Wasser ab. Die Calciumsilikathydratphasen (CSH) geben ihr Hydratwasser vorwiegend bei Temperaturen über 450 °C ab. Die Calciumaluminathydratphasen (CAH) und Aluminiumhydroxid entwässern bereits ab 60 °C, wobei der Prozess bei 350 °C im Wesentlichen abgeschlossen ist. Im Bereich von 500 °C bis 600 °C spaltet sich das CA(OH)2 auf in CaO und Wasser. Kann das dabei entstandene freie CaO bei einem zwischenzeitlichen Abkühlen erneut hydratisieren, so kann es durch ausgeprägte Volumenvergrößerung zu Treiberscheinungen kommen. Bei Temperaturen von mehr als 600 °C beginnt sich das Calciumcarbonat (CaCO3) zu zersetzen. Bis zu einer Temperatur von 700 °C zerfallen die CSH-Phasen unter Abgabe von Wasser zu β-C2S. Diese Prozesse und weitere parallel verlaufende Strukturveränderungen führen bis zum Einsetzen der keramischen Bindung zu einer erheblichen Festigkeitsminderung. Hochofenzemente verhalten sich ähnlich, der Festigkeitsabfall ist aber auch aufgrund der CaO-Bindung durch den Hüttensand nicht so ausgeprägt.
Im Gegensatz zur Hydratation des Portlandzements wird beim Al2O3-reicheren Tonerdezement kein Calciumhydroxid freigesetzt. Die Hydratation verläuft überwiegend unter Bildung von Al(OH) und Calciumaluminathydraten. Die sich bildenden Hydrate sind metastabil und wandeln sich unter Wärmeeinwirkung um in das stabile Hydrat C3AH6. Daneben besteht der thermodynamisch stabile Hydrargillit (Gibbsit).

Für Temperaturen bis 250 °C siehe Beton für hohe Gebrauchstemperaturen.

Literatur