DE102017120798A1 - Mortar and concrete based on one-component geopolymers for sewer construction and sewer rehabilitation - Google Patents
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Abstract
Es wird ein Mörtel oder Beton auf Basis von einkomponentigen Geopolymeren für den Kanalbau und die Kanalsanierung im Abwasserbereich vorgeschlagen, wobei der Mörtel und der Beton ein Geopolymer aus einer Silica und einem Natriumaluminat und ein Additiv, umfassend CaO, umfasst.A mortar or concrete based on one-component geopolymers for sewer construction and sewage sewer rehabilitation is proposed, the mortar and concrete comprising a geopolymer of a silica and a sodium aluminate and an additive comprising CaO.
Description
Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Bauwirtschaft und der Baustoffindustrie, und betrifft insbesondere Kanalinstandsetzer/-sanierer, z. B. im Abwasserbereich, und Hersteller von Mörtel und Beton.The invention is in the field of construction and the building materials industry, and relates in particular Kanalinstandsetzer / -sanierer, z. B. in the sewage sector, and manufacturers of mortar and concrete.
Betonbauteile oder gemauerte Bauteile (insbesondere Rohre, Zuläufe, Pass- oder Gelenkstücke, Schächte, Sammler) in Abwasseranlagen sind extremen chemischen Beanspruchungen ausgesetzt, insbesondere durch biogene Schwefelsäurekorrosion oder andere saure Angriffe (z. B. organische Säuren). Deshalb müssen die Instandsetzungsprodukte wie Mörtel und Beton für diese Bauteile einen sehr hohen Widerstand gegenüber biogener Schwefelsäurekorrosion besitzen, um eine erneute Instandsetzung nicht verfrüht notwendig werden zu lassen. Die bisher hierzu verwendeten mineralischen Mörtel oder Betone erfüllen diese Anforderung nur bedingt, sind sehr kostenintensiv oder mit Problemen bei der Anwendung behaftet. Beispielsweise ist die Verwendung von pulverförmigem Wasserglas als Aktivator mit erheblichen praktischen Problemen verbunden.Concrete components or masonry components (in particular pipes, inlets, mating or joint pieces, shafts, collectors) in wastewater treatment plants are exposed to extreme chemical stresses, in particular due to biogenic sulfuric acid corrosion or other acid attacks (eg organic acids). Therefore, the repair products such as mortar and concrete for these components must have a very high resistance to biogenic sulfuric acid corrosion, so as not to prematurely require a renewed repair. The mineral mortars or concretes previously used for this purpose meet this requirement only conditionally, are very expensive or subject to problems in the application. For example, the use of powdered waterglass as an activator involves considerable practical problems.
Vor diesem Hintergrund wird ein Instandsetzungsmörtel und/oder ein Instandsetzungsbeton nach Anspruch 1 vorgeschlagen. Dabei werden unter Mörtel und Beton Baustoffe verstanden, die sich im Wesentlichen nur durch die maximale Größe des jeweils verwendeten Zuschlagkorns (Gesteinskörnung) unterscheiden. Die Grenze wird - je nach Norm bzw. Literatur - im Allgemeinen mit 4 mm angegeben. Liegt die Korngröße unterhalb dieser Grenze, so spricht man von Mörtel, liegt sie oberhalb, so spricht man von Beton. Weiterhin wird unter Mörtel und Beton hier, wie fachüblich und jeweils vom Kontext abhängig, sowohl ein Trockenmörtel bzw. ein Trockenbeton als auch der abgebundene Mörtel bzw. Beton verstanden.Against this background, a repair mortar and / or a repair concrete according to claim 1 is proposed. Under mortar and concrete, building materials are understood to differ essentially only by the maximum size of the aggregate grain (aggregate) used in each case. The limit is generally 4 mm, depending on the standard or literature. If the grain size is below this limit, it is called mortar; if it is above it is called concrete. Furthermore, mortar and concrete here, as customary and depending on the context, both a dry mortar or a dry concrete and the hardened mortar or concrete understood.
Weitere Ausführungsformen, Modifikationen und Verbesserungen ergeben sich anhand der folgenden Beschreibung und der beigefügten Ansprüche.Other embodiments, modifications and improvements will become apparent from the following description and the appended claims.
Gemäß einer Ausführungsform wird ein mineralischer säurewiderstandsfähiger Mörtel oder Beton für den Neubau und die Sanierung im Abwasserbereich, z. B. für Kanalrohre, vorgeschlagen. Ein dem Mörtel bzw. Beton zu Grunde liegender Trockenmörtel bzw. Trockenbeton enthält eine Geopolymer-Ausgangsmischung, die eine Silica, ein Natriumaluminat und ein Additiv umfasst, wobei das Additiv CaO enthält. Unter einem Geopolymer wird hier ein Alumosilikat mit Netzwerkstruktur, das durch die alkalische Aktivierung von festen silikatischen Ausgangsstoffen über Lösungs- und Fällungsprozesse entstanden ist, verstanden. Beispiele für Geopolymere sind mit Natriumsilikatlösungen (Wasserglas) aktiviertes Metakaolin und mit Natriumsilikatlösungen oder Natriumhydroxidlösungen aktivierte Flugaschen oder Flugasche-Hüttensandmehl-Mischungen.According to one embodiment, a mineral acid-resistant mortar or concrete for the construction and renovation of wastewater, z. B. for sewer pipes, proposed. A dry mortar or concrete underlying the mortar or concrete contains a starting geopolymer mixture comprising a silica, a sodium aluminate and an additive, the additive containing CaO. Under a geopolymer here is an aluminosilicate with network structure, which has arisen by the alkaline activation of solid silicate starting materials via solution and precipitation processes understood. Examples of geopolymers are metakaolin activated with sodium silicate solutions (water glass) and fly ash or fly ash blastfurnace-sand mixtures activated with sodium silicate solutions or sodium hydroxide solutions.
Der vorgeschlagene Instandsetzungsmörtel und der vorgeschlagene Instandsetzungsbeton weist nach dem Abbinden den hohen Säurewiderstand von Geopolymermörteln bzw. von sogenannten Silikatmörteln auf, kann dabei aber mit Wasser angemischt und zum Erhärten gebracht werden, also ohne Verwendung einer hochalkalischen Aktivatorlösung hergestellt werden. Dies stellt einen erheblichen Vorteil gegenüber anderen (aktivatorlösungsbasierten) Systemen bei der Verarbeitung dar.The proposed repair mortar and the proposed repair concrete after setting on the high acid resistance of geopolymer mortars or so-called silicate mortars, but it can be mixed with water and made to harden, so be prepared without using a highly alkaline activator. This represents a significant advantage over other (activator solution based) systems in processing.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das Additiv des vorgeschlagenenen Mörtels oder des vorgeschlagenen Betons ausgewählt unter: einem gemahlenen Hüttensand, einer Steinkohlenflugasche mit mind. 6 % CaO, einer Braunkohlenflugasche und einem Zement.According to another embodiment, the additive of the proposed mortar or of the proposed concrete is selected from: a ground blastfurnace slag, a coal fly ash with at least 6% CaO, a lignite fly ash and a cement.
Die benannten Additive stellen lösliches CaO zur Verfügung. Vorteil einer Zugabe von löslichem CaO zum Reaktionssystem ist die schnellere Erstarrung und die schnellere Erhärtung im Unterschied zur fehlenden Zugabe von löslichem CaO.The named additives provide soluble CaO. The advantage of adding soluble CaO to the reaction system is the faster solidification and faster hardening as opposed to the lack of soluble CaO addition.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst das Additiv einen gemahlenen Hüttensand. Der Anteil des gemahlenen Hüttensandes am Bindemittel des Mörtels oder Betons beträgt zwischen 2,5 bis 50 Masse-%, insbesondere zwischen 2,5 und 30 Masse-%, beispielsweise zwischen 5 und 25 Masse-%.According to another embodiment, the additive comprises a ground blastfurnace slag. The proportion of ground blastfurnace slag to the binder of the mortar or concrete is between 2.5 to 50% by mass, in particular between 2.5 and 30% by mass, for example between 5 and 25% by mass.
Vorteilhaft weist ein solcher mit Wasser angemischter Trockenmörtel oder Trockenbeton verbesserte rheologische Eigenschaften gegenüber einem Mörtel oder einem Beton auf, der auf einem Geopolymer basiert, das nur Silica und Natriumaluminat enthält.Advantageously, such water-mixed dry mortar or dry concrete has improved rheological properties over a mortar or concrete based on a geopolymer containing only silica and sodium aluminate.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform hat das im Mörtel oder im Beton eingesetzte Hüttensandmehl einen d(90)-Wert von ≤ 0,08 mm, insbesondere von ≤ 0,07 mm, bevorzugt von ≤ 0,063 mm.According to a further embodiment, the granulated blast furnace slag used in the mortar or concrete has a d (90) value of ≦ 0.08 mm, in particular of ≦ 0.07 mm, preferably of ≦ 0.063 mm.
Vorteil dieser Korngrößen ist, dass das Hüttensandmehl ausreichend schnell in Lösung geht, um ein Erstarren und Erhärten des Mörtels oder des Betons innerhalb von 24 h zu bewirken.The advantage of these particle sizes is that the granulated blastfurning material dissolves sufficiently quickly to cause solidification and hardening of the mortar or concrete within 24 hours.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das Additiv des vorgeschlagenen Mörtels oder Betons ausgewählt unter: einem Portlandzement, einem Zement aus Portlandklinker, einem Zement der entweder pur oder verschnitten sein kann, wobei der Zusatzstoff zum Verschneiden entweder ein latent hydraulisches Material, ein Puzzolan oder selbst eine Mischung aus latent hydraulischem Material und Puzzolanen sein kann.According to a further embodiment, the additive of the proposed mortar or concrete is selected from: a Portland cement, a cement from Portland clinker, a cement which may be either pure or blended, the additive for blending either a latent hydraulic material, a pozzolan or even a Mixture of latent hydraulic material and pozzolans may be.
Vorteil dieser Zemente ist, dass sie ausreichend schnell in Lösung gehen, um ein Erstarren und Erhärten des Mörtels bzw. des Betons innerhalb von 24 h zu bewirken. Die resultierenden Materialien entsprechen den in
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst die Silica eine Microsilica, einen kieselsäurereichen Reststoff aus der chemischen Industrie oder eine biogene Asche, insbesondere Reisschalenasche.According to a further embodiment, the silica comprises a microsilica, a siliceous residue from the chemical industry or a biogenic ash, in particular rice husk ash.
In diesem Zusammenhang wird unter Microsilica dasselbe verstanden wie unter Silicastaub. Vorteile einer Microsilica sind eine hohe spezifische Oberfläche von mindestens 5 m2/g, eine hohe Reaktivität bedingt durch die amorphe Struktur und ein hoher SiO2-Gehalt von mindestens 80 Masse-%.In this context, microsilica is understood to mean the same as silica fume. Advantages of a microsilica are a high specific surface area of at least 5 m 2 / g, a high reactivity due to the amorphous structure and a high SiO 2 content of at least 80 mass%.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform beträgt der Gehalt des CaO, bezogen auf die Gesamt-Feststoffmasse des Bindemittels des Mörtels oder Betons, zwischen 1 Masse-% und 20 Masse-%, insbesondere zwischen 1 Masse-% und 12 Masse-%, beispielsweise zwischen 2 Masse-% und 10 Masse-%.According to a further embodiment, the content of CaO, based on the total solids mass of the binder of the mortar or concrete, is between 1 mass% and 20 mass%, in particular between 1 mass% and 12 mass%, for example between 2 mass -% and 10% by mass.
Vorteile solcher Gehalte an CaO sind das schnellere Erstarren und Erhärten als ohne CaO-Zugabe (wie oben beschrieben), wobei gleichzeitig das hauptsächliche Reaktionsprodukt ein Geopolymer bleibt. Ab ca. 20 Masse-% CaO findet ein Übergang von Geopolymer zu Calcium-Silikat-Hydrat (C-S-H) als hauptsächlichem Reaktionsprodukt statt. C-S-H ist die Bindungsphase, die bei der Hydratation von herkömmlichem Beton entsteht und für die hier beschriebenen Anwendungen unerwünscht ist.Advantages of such levels of CaO are faster solidification and hardening than without CaO addition (as described above), while at the same time the major reaction product remains a geopolymer. From about 20% by mass of CaO, a transition from geopolymer to calcium silicate hydrate (C-S-H) takes place as the main reaction product. C-S-H is the bonding phase that results from the hydration of conventional concrete and is undesirable for the applications described herein.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform liegt ein CaO-Gehalt bezogen auf eine Masse eines Bindemittels, umfassend das Geopolymer und das Additiv zwischen 1 bis 20 Masse-%, bevorzugt zwischen 5 bis 17 Masse-%, insbesondere bei 10 ± 2 Masse-%.According to a further embodiment, a CaO content is based on a mass of a binder, comprising the geopolymer and the additive between 1 to 20% by mass, preferably between 5 to 17% by mass, in particular 10 ± 2% by mass.
Vorteilhaft führt ein solcher Gehalt zu schnellerem Erstarren und Erhärten, verglichen mit dem Verhalten ohne CaO-Zugabe. Gleichzeitig ist der CaO-Gehalt nicht so hoch, dass er den Säurewiderstand des Mörtels oder Betons (quantifiziert z. B. durch eine Restdruckfestigkeit nach siebzigtägiger Lagerung in Schwefelsäure mit pH = 1) unter den erforderlichen Grenzwert von (z. B. 75 % nach obiger Lagerung) absenkt.Advantageously, such a content leads to faster solidification and hardening, compared with the behavior without CaO addition. At the same time, the CaO content is not so high as to quantify the acid resistance of the mortar or concrete (quantified eg by residual compressive strength after storage for seventy days in sulfuric acid at pH = 1) below the required limit of (eg 75%) above storage) lowers.
Gemäß weiteren Ausführungsformen umfasst der oben vorgeschlagene Mörtel:
- - 6 bis 18 Masse-% Microsilica, insbesondere 10 bis 15 Masse-% Microsilica und/oder eines anderen kieselsäurereichen Reststoffs;
- - 2,5 bis 7,5 Masse-% Natriumaluminat, insbesondere 3-8 % Masse-% Natriumaluminat;
- - 2,5 bis 7,5 Masse-% Hüttensandmehl, insbesondere 3-7 Masse-% Hüttensandmehl;
- - 50 bis 75 Masse-%, insbesondere 55 -75 Masse-% Quarzsand mit Korngrößen unterhalb von 2 mm, wobei der resultierende Mörtel, also die Trockenmischung, mit 7-14 Masse-% Wasser, bezogen auf die Masse der Gesamtmenge verarbeitet wird.
- - 6 to 18% by mass of microsilica, in particular 10 to 15% by mass of microsilica and / or another siliceous residue;
- 2.5 to 7.5% by weight of sodium aluminate, in particular 3-8% by weight of sodium aluminate;
- - 2.5 to 7.5% by mass of blastfurnace slag flour, in particular 3-7% by weight of blastfurnace slag flour;
- - 50 to 75% by mass, in particular 55-75% by mass of quartz sand with particle sizes of less than 2 mm, the resulting mortar, ie the dry mixture, being processed with 7-14% by mass of water, based on the mass of the total amount.
Beispielsweise umfasst der vorgeschlagene Mörtel: 6-18 Masse-% Microsilica und/oder eines kieselsäurereichen Reststoffs; 2,5-7,5 % Masse-% Natriumaluminat; 2,5-7,5 Masse-% Hüttensandmehl; 55-75 Masse-% Quarzsand mit Korngrößen unterhalb 2 mm (für Mörtel) wobei der Mörtel mit 5-18 Masse-% Wasser, bezogen auf die Gesamtmenge angesetzt wird.For example, the proposed mortar comprises: 6-18% by mass of microsilica and / or a siliceous residue; 2.5-7.5% mass% sodium aluminate; 2.5-7.5% by mass of blastfurnace slag flour; 55-75% by mass of quartz sand with grain sizes below 2 mm (for mortar), the mortar being used with 5-18% by mass of water, based on the total amount.
Gemäß weiteren Ausführungsformen umfasst der vorgeschlagene Beton:
- - 6 bis 18 Masse-% Microsilica, insbesondere 10 bis 15 Masse-% Microsilica und/oder eines anderen kieselsäurereichen Reststoffs;
- - 2,5 bis 7,5 Masse-% Natriumaluminat, insbesondere 3-8 % Masse-% Natriumaluminat;
- - 2,5 bis 7,5 Masse-% Hüttensandmehl, insbesondere 3-7 Masse-% Hüttensandmehl;
- - 50 bis 75 Masse-%, insbesondere 65 -75 Masse-% Gesteinskörnung mit Korngrößen bis 16 oder 32 mm, wobei der resultierende Beton mit 7-14 Masse-% Wasser, bezogen auf die Gesamtmenge verarbeitet wird.
- - 6 to 18% by mass of microsilica, in particular 10 to 15% by mass of microsilica and / or another siliceous residue;
- 2.5 to 7.5% by weight of sodium aluminate, in particular 3-8% by weight of sodium aluminate;
- - 2.5 to 7.5% by mass of blastfurnace slag flour, in particular 3-7% by weight of blastfurnace slag flour;
- - 50 to 75 mass%, in particular 65-75 mass% aggregate with particle sizes up to 16 or 32 mm, the resulting concrete with 7-14% by mass of water, based on the total amount is processed.
Vorteile der beschriebenen Zusammensetzung sind wie oben beschrieben die Möglichkeiten, den Mörtel oder den Beton mit Wasser anzumachen, einen hohen Säurewiderstand und ein Erstarren und Erhärten des Mörtels oder des Betons, bevorzugt innerhalb von 24 Stunden, zu gewährleisten.Advantages of the composition described are, as described above, the possibilities of rendering the mortar or the concrete watery, of ensuring a high acid resistance and of setting and hardening of the mortar or of the concrete, preferably within 24 hours.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird ein Verfahren zur Sanierung eines Abwasserkanals, insbesondere zur Sanierung eines Betonbauteils im Abwasserbereich vorgeschlagen, welches die folgenden Schritte umfasst: Bereitstellen eines Mörtels oder Betons nach einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen; Auftragen des angemischten Mörtels und/oder des Betons auf eine zu sanierende Wand des Abwasserkanals und Erhärten des aufgetragenen Mörtels oder Betons.According to a further embodiment, a method is proposed for the rehabilitation of a sewer, in particular for the rehabilitation of a concrete component in the sewer area, comprising the following steps: providing a mortar or concrete according to one of the previously described embodiments; Apply the mixed mortar and / or concrete to a wall of the sewer to be renovated and harden the applied mortar or concrete.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform erfolgt das Erhärten des mit Wasser angesetzten Mörtels oder Betons innerhalb von 24 Stunden durch Einleiten einer erhitzten und optional befeuchteten Luft in den Abwasserkanal, wobei die erhitzte und optional befeuchtete Luft eine Temperatur von 50-90 °C aufweist und das Einleiten über eine Zeitdauer von zumindest 6 Stunden erfolgt. According to another embodiment, hardening of the water-applied mortar or concrete within 24 hours by introducing a heated and optionally humidified air into the sewer, wherein the heated and optionally humidified air has a temperature of 50-90 ° C and the introduction via a period of at least 6 hours.
Die kurze Abbindezeit bietet besondere Vorteile für die Kanalsanierung, da hierdurch die Kosten, die durch das Einleiten von erhitzter und optional befeuchteter Luft entstehen, gering gehalten werden können und die weiteren Arbeitsschritte früher begonnen werden können. Bei der Renovierung von großen begehbaren Kanälen ist die Wasserhaltung bzw. Abwasserlenkung ein wirtschaftlich bedeutender Faktor. Es fallen hier regelmäßig hohe Pumpkosten an. Die Projekte sind hochrisikobelastet durch nicht vorhersehbare Regenereignisse. Ein frühzeitiger Wasserbelastungszeitpunkt eines Beschichtungsmörtels oder -betons führt somit zu einer Kostenersparnis. Der hier vorgeschlagene Instandsetzungsmörtel bzw. -beton weist vorteilhaft einen frühzeitigen Wasserbelastungszeitpunkt auf.The short setting time offers particular advantages for the sewer rehabilitation, as this can minimize the costs of introducing heated and optionally humidified air and the further steps can be started earlier. In the renovation of large walk-in channels, the drainage and drainage is an economically significant factor. There are regularly high pumping costs. The projects are at high risk due to unforeseeable rain events. An early water exposure time of a coating mortar or concrete thus leads to a cost savings. The repair mortar or concrete proposed here advantageously has an early water load time.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform erfolgt das Erhärten des mit Wasser angesetzten Mörtels oder Betons bei Raumtemperatur.According to another embodiment, the hardening of the water-applied mortar or concrete takes place at room temperature.
Vorteilhaft kann unter bestimmten Umständen eine verhältnismäßig lange Erhärtungsdauer toleriert werden, sodass man in diesen Fällen auf das Einleiten von heißer Luft verzichten würde. Auch findet unter günstigen Bedingungen, beispielsweise einem Oberflächen/Volumen-Verhältnis von mindestens 13 dm2/dm3, eine Erhärtung innerhalb 24 h auch ohne zusätzliche Wärmezufuhr statt.Advantageously, under certain circumstances, a relatively long hardening time can be tolerated, so that one would do without the introduction of hot air in these cases. Also, under favorable conditions, for example, a surface / volume ratio of at least 13 dm 2 / dm 3 , a hardening within 24 h takes place without additional heat.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird die Verwendung eines Mörtels und/oder Betons gemäß den vorstehenden Ausführungsformen zur Sanierung eines Betonbauteils im Abwasserbereich vorgeschlagen.According to a further embodiment, the use of a mortar and / or concrete according to the above embodiments for the rehabilitation of a concrete component in the sewage area is proposed.
Gerade hier bewirkt die ausgeprägte Netzwerkstruktur der beim Erstarren ausgebildeten Silikate des Geopolymeren einen hohen Säurewiderstand der sanierten Betonbauteile.This is where the pronounced network structure of the silicates of the geopolymer formed during solidification causes a high acid resistance of the rehabilitated concrete components.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst die Sanierung eine Spritzapplikation des Mörtels oder Betons.According to a further embodiment, the renovation comprises a spray application of the mortar or concrete.
Die Vorteile der Spritzapplikation sind offensichtlich und schlagen sich in verkürzten Bau- bzw. Sanierungszeiten, verminderten Kosten und verbesserten Materialeigenschaften nieder.The advantages of the spray application are obvious and are reflected in shorter construction and refurbishment times, reduced costs and improved material properties.
Die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen können beliebig miteinander kombiniert werden.The above-described embodiments may be arbitrarily combined with each other.
Üblicherweise kommen für die Kanalsanierung auf Portlandzement basierende Mörtel- oder Betonsysteme zum Einsatz. Diese enthalten Portlandzement als Bindemittel, Gesteinskörnung (i. A. mit Größtkorn 1-8 mm), ggf. Zusatzstoffe (inert, puzzolanisch und/oder latent hydraulisch), Fasern und organische Additive (z. B. zur Verbesserung der Verarbeitbarkeit, des Haftverbunds oder des Schwindverhaltens). Das erhärtete Bindemittel - der Zementstein - ist jedoch systembedingt (kapilllarporöses System aus säureunbeständigen Phasenbestandteilen, z. B. Portlandit) unbeständig gegenüber dem Angriff von Säuren. Daraus resultiert, dass ein ausreichender Widerstand und einen akzeptable Nutzungsdauer der Mörtel- und Betonsysteme bei Säureangriff nur durch ein möglichst dichtes Gefüge erzielt werden kann. Dichte Gefüge hingegen erfordern niedrige Wasser/Zement-Werte sowie häufig auch die Zugabe von Puzzolanen in Form feiner Pulver. Beides verschlechtert die Verarbeitbarkeit des Mörtels oder Betons beträchtlich. Um die Verarbeitbarkeit zu verbessern, werden Zusatzmittel, insbesondere zur Verbesserung der rheologischen Eigenschaften, eingesetzt. Die marktüblichen Mörtel und Betone bestehen daher im Allgemeinen aus einer großen Anzahl miteinander wechselwirkender Komponenten. Sie sind somit deutlich komplexer und auch teurer als herkömmliche, z. B. im Hochbau gebräuchliche, mineralische Mörtelsysteme bzw. Betone.Normally, mortar or concrete systems based on Portland cement are used for sewer rehabilitation. These contain Portland cement as a binder, aggregate (generally with largest grain 1-8 mm), optionally additives (inert, pozzolanic and / or latent hydraulic), fibers and organic additives (eg., To improve the processability of the adhesive bond or the shrinkage behavior). The hardened binder - the cement paste - is, however, due to the system (Kapilllarporöses system of acid-resistant phase components, eg Portlandit) inconsistent to the attack of acids. The result of this is that sufficient resistance and an acceptable service life of the mortar and concrete systems in case of acid attack can only be achieved by the densest possible structure. Dense structures, on the other hand, require low water / cement values and often also the addition of pozzolans in the form of fine powders. Both significantly deteriorate the workability of the mortar or concrete. In order to improve the processability, additives, in particular for improving the rheological properties, are used. The commercially available mortars and concretes therefore generally consist of a large number of interacting components. They are thus much more complex and also more expensive than conventional, eg. B. in building construction, mineral mortar systems or concretes.
Neben den Portlandzement-basierten Systemen kommen in geringerem Umfang auch Mörtelsysteme auf Basis von Tonerdezement, EPC-Systeme (epoxidharzmodifizierte Zementmörtel), PCC-Systeme (kunststoffmodifizierte Zementmörtel), PC-Mörtel (Reaktionsharzmörtel) sowie Auskleidungen aus verschiedenen Materialien (z. B. PVC, PE oder Glas) zum Einsatz. Letztere erfordern für die Applikation naturgemäß einen sehr viel höheren Arbeitsaufwand als Mörtelsysteme; sie sind darüber hinaus i. A. auch deutlich teurer als herkömmliche Mörtel. Den polymergebundenen Systemen stehen Schwierigkeiten der Untergrundanforderungen bei der Applikation im Wege. Diese Systeme benötigen eine Untergrundfeuchte von unter 5 %, was im Kanal kaum sichergestellt werden kann. Desweiteren ist die Problematik der Dampfdiffusion und der Osmose nicht gelöst.In addition to the Portland cement-based systems, mortar systems based on alumina cement, EPC systems (epoxy resin-modified cement mortar), PCC systems (plastic-modified cement mortar), PC mortar (reaction resin mortar) and linings made of various materials (eg PVC , PE or glass) are used. The latter naturally require a much higher workload than mortar systems for the application; they are beyond i. A. also significantly more expensive than conventional mortar. The polymer-bound systems stand in the way of difficulties of the substrate requirements in the application. These systems require an underground moisture content of less than 5%, which can hardly be guaranteed in the sewer. Furthermore, the problem of vapor diffusion and osmosis is not solved.
Seit jüngerer Zeit werden in geringerem Umfang auch sogenannte Silikat- oder Geopolymermörtel für die Kanalsanierung eingesetzt. Diese enthalten wie die herkömmlichen Mörtelsysteme im Wesentlichen Gesteinskörnung und ein Bindemittel. Das Bindemittelsystem unterscheidet sich jedoch chemisch grundlegend von Portland- und Tonerdezement-basierten Bindemitteln. Aufgrund der andersgearteten Zusammensetzung und Struktur besitzt die erhärtete Bindermatrix - das Geopolymer - einen deutlich höheren Widerstand gegenüber Säuren. Silikate des Geopolymers weisen im Gegensatz zu Schichtsilikaten und Kettensilikaten eine ausgeprägte Netzwerkstruktur auf. Nachteilig ist jedoch, dass die Geopolymere zur Erhärtung mit einer hochalkalischen Lösung (i. A. Natriumhydroxidlösung oder Natriumsilikatlösung) aktiviert werden müssen. Der Umgang mit diesen hochalkalischen Lösungen am Einsatzort ist jedoch mit erheblichen Problemen hinsichtlich Umweltschutz, Alterung und Sicherheit verbunden.More recently, so-called silicate or geopolymer mortars have also been used for sewer rehabilitation. These, like the conventional mortar systems, essentially contain aggregate and a binder. However, the binder system differs chemically fundamentally from Portland and alumina cement based binders. Because of the different kind The hardened binder matrix - the geopolymer - has a much higher resistance to acids in terms of composition and structure. Silicates of the geopolymer, unlike phyllosilicates and chain silicates, have a pronounced network structure. The disadvantage, however, is that the geopolymers must be activated to harden with a highly alkaline solution (ia sodium hydroxide solution or sodium silicate solution). The handling of these highly alkaline solutions at the site, however, is associated with significant problems in terms of environmental protection, aging and safety.
Einen alternativen Ansatz stellen die sogenannten einkomponentigen Geopolymere (engl.: one-part geopolymers) dar. Bei diesen liegt der Aktivator in fester Form im Bindemittel vor, sodass nur noch Wasser zur Initiierung der Erhärtungsreaktionen zugegeben werden muss. Bei der Verwendung von pulverförmigem Wasserglas oder Natriumhydroxid als festem Aktivator können Schwankungen der Lösungsgeschwindigkeit auftreten, und die Materialien sind sehr stark hygroskopisch, was die Lagerfähigkeit der trockenen Bindemittel bzw. Trockenmörtel einschränkt. Die Verwendung von Natriumaluminat als Aktivator für Geopolymere ist i. A. ausgeschlossen, da für die gewünschten Eigenschaften des erhärteten Bindemittels SiO2/Al2O3-Verhältnisse notwendig sind (i. A. SiO2/Al2O3 ≥ 3 mol/mol), die über dem SiO2/Al2O3-Verhältnis üblicher fester Ausgangsstoffe (Flugasche, Hüttensandmehl) liegen. Daher ist eine Verwendung von Natriumaluminat nur dann sinnvoll, wenn als (weiterer) fester Ausgangsstoff ein SiO2-reiches Material verwendet wird. Solche einkomponentigen Geopolymere mit Natriumaluminat als festem Aktivator weisen aber i. A. zahlreiche technische Unzulänglichkeiten wie z. B. die Notwendigkeit hoher Erhärtungstemperaturen und eine große Empfindlichkeit gegenüber Schwankungen der Erhärtungstemperatur, niedrige Festigkeiten, hohen Flüssigkeitsanspruch und dadurch hohe Porositäten auf, was bisher eine Verwendung dieser Bindemittel im Bereich der Kanalsanierung ausschloss.An alternative approach is the so-called one-component geopolymers. In these, the activator is in solid form in the binder, so that only water must be added to initiate the hardening reactions. When using powdered waterglass or sodium hydroxide as a solid activator, variations in dissolution rate may occur and the materials are highly hygroscopic, which limits the shelf life of the dry binders or dry mortars. The use of sodium aluminate as an activator for geopolymers is i. A. excluded, since for the desired properties of the hardened binder SiO 2 / Al 2 O 3 ratios are necessary (i.A. SiO 2 / Al 2 O 3 ≥ 3 mol / mol), the above the SiO 2 / Al 2 O 3 ratio of customary solid starting materials (fly ash, granulated blastfurnace slag). Therefore, a use of sodium aluminate only makes sense if as a (further) solid starting material, a SiO 2 -rich material is used. However, such one-component geopolymers with sodium aluminate as a solid activator have i. A. numerous technical shortcomings such. As the need for high hardening temperatures and a high sensitivity to variations in the setting temperature, low strength, high liquid content and thus high porosity, which previously excludes the use of these binders in the field of sewer rehabilitation.
Die hochsäurewiderstandsfähigen Silikatmörtel sind bei zunehmendem Säurewiderstand empfindlich gegenüber früher Wasserbelastung. Dies führt in der Praxis zu Schäden schon kurz nach dereren Applikation. Ein weiteres zu beobachtendes Phänomen ist die Ablösung von Silikatmörteln nach mehreren Jahren. Welche Vorgänge dafür verantwortlich sind ist nicht eindeutig geklärt.The highly acid-resistant silicate mortars are sensitive to early water stress with increasing acid resistance. This leads to damage in practice shortly after the application. Another phenomenon that can be observed is the replacement of silicate mortars after several years. Which processes are responsible for this is not clear.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Beschleunigung der Erhärtung bei moderaten Temperaturen, eine Verringerung des Flüssigkeitsanspruchs und damit der Porosität sowie die Erhöhung des Säurewiderstands und der Festigkeit bei gleichzeitiger Sicherstellung der Eignung zur Spritzapplikation von Instandsetzungssystemen auf Basis von einkomponentigen Geopolymeren aus Silica und Natriumaluminat bereitzustellen.It is therefore an object of the present invention to accelerate the hardening at moderate temperatures, to reduce the liquid content and thus the porosity and increase the acid resistance and strength while ensuring the suitability for spray application of repair systems based on one-component geopolymers of silica and sodium aluminate provide.
Erfindungsgemäße LösungInventive solution
Es erwies sich, dass bei Zugabe von CaO-Trägern, bevorzugt von Hüttensandmehl, zu Systemen aus Silica und Natriumaluminat die oben geschilderten Nachteile bisheriger einkomponentiger Geopolymere überwunden werden können. Dabei werden als Hüttensandmehle Materialien bezeichnet, die durch Granulation und anschließende Mahlung von Hochofenschlacke entstehen. Hüttensandmehle enthalten im Allgemeinen zwischen 30 % und 50 % CaO; typischerweise beträgt der Wert ca. 40 %. Die Menge des dem Mörtel oder dem Beton zugesetzten Hüttensandmehls richtet sich nach dem Gehalt des Hüttensandmehls an CaO und wird bei von 40 % abweichenden CaO-Gehalten entsprechend angepasst, indem z. B. bei höheren CaO-Gehalten eine geringere Menge an Hüttensandmehl zugesetzt wird.It was found that when adding CaO carriers, preferably from granulated blastfurnace slag, to systems made from silica and sodium aluminate, the above-described disadvantages of previous one-component geopolymers can be overcome. Here are referred to as slag granules materials that are produced by granulation and subsequent grinding of blast furnace slag. Slag granules generally contain between 30% and 50% CaO; typically the value is about 40%. The amount of the granulated blastfurnaceous meal added to the mortar or the concrete depends on the content of the granulated blastfurnaceous meal in CaO and is adjusted accordingly at CaO contents deviating from 40%, for example by B. at higher CaO levels, a smaller amount of blastfurnace sludge is added.
Erfindungsgemäß wird für das Hüttensandmehl eine Korngröße d(90) ≤ 0,063 mm angestrebt. Dabei wird als d(90) ein mittlerer Korndurchmesser bei einem Siebdurchgang von 90 % bezeichnet.According to the invention, a particle size d (90) ≦ 0.063 mm is desired for the granulated blastfurnace. In this case, d (90) denotes a mean grain diameter at a sieve passage of 90%.
Durch die Korngrößenverteilung des Hüttensandmehls, die i. A. weniger fein als die Korngrößenverteilung von Microsilica und anderen SiO2-reichen Ausgangsstoffen ist, sowie durch die Bereitstellung von leicht löslichem CaO verbessern sich die rheologischen Eigenschaften des Mörtels oder Betons sowie die technischen Eigenschaften des erhärteten Bindemittels und darauf basierender Mörtel- oder Betonsysteme entsprechend der oben genannten Aufgaben.Due to the particle size distribution of the granulated blastfurnace, the i. A. is less fine than the particle size distribution of microsilica and other SiO 2 -rich starting materials, and by providing slightly soluble CaO improve the rheological properties of the mortar or concrete and the technical properties of the hardened binder and based thereon mortar or concrete systems accordingly the above tasks.
Erfindungswesentlich ist die gezielte Nutzung von CaO-Trägern, insbesondere von Hüttensandmehl, für die Verbesserung der Eigenschaften von Systemen auf Basis von einkomponentigen Geopolymeren aus Silica und Natriumaluminat.Essential to the invention is the targeted use of CaO carriers, in particular granulated blastfurnace, for improving the properties of systems based on one-component geopolymers of silica and sodium aluminate.
Die hier als Microsilica bezeichneten Materialien kommen beispielsweise aus der Ferrosiliciumherstellung oder ähnlichem. Ebenso können kieselsäurereiche Reststoffe aus der chemischen Industrie, z. B. aus der Chlorsilanherstellung, sowie biogene Aschen, insbesondere Reisschalenasche als Microsilica eingesetzt werden. Grundsätzlich kommen für den hier beschriebenen Einsatz in einer Trockenmischung für die Kanalinstandsetzung (Mörtel oder Beton) alle SiO2-reichen Stoffe mit einem SiO2-Gehalt > 80 %, einer spezifischen Oberfläche von mindestens 5 m2/g und überwiegend amorpher oder semikristalliner Struktur oder einer entsprechenden Reaktivität als Microsilica in Frage.The materials referred to here as Microsilica come for example from the Ferrosiliciumherstellung or the like. Likewise, siliceous residues from the chemical industry, eg. B. from chlorosilane production, as well as biogenic ashes, especially rice husk ash be used as microsilica. In principle, all SiO 2 -rich substances with an SiO 2 content> 80%, a specific surface area of at least 5 m 2 / g and a predominantly amorphous or semicrystalline structure are used for the described use in a dry mix for the channel repair (mortar or concrete) or a corresponding reactivity as microsilica in question.
Natriumaluminat (NaAlO2) ist einerseits kommerziell erhältlich (z. B. für die Trinkwasseraufbereitung); kann aber auch aus Abfallströmen, z. B. bei der Aluminium-Anodisierung, gewonnen werden. Dabei muss das verwendete Natriumaluminat nicht die exakte „stöchiometrische“ Zusammensetzung von NaAlO2 aufweisen; Abweichungen des Na/AI-Wertes von 1 sind möglich. Die Verwendung von Natriumaluminat als Aktivator für Geopolymere ist i. A. ausgeschlossen, da für die gewünschten Eigenschaften des erhärteten Bindemittels SiO2/Al2O3-Verhältnisse notwendig sind, die über dem SiO2/Al2O3-Verhältnis üblicher fester Ausgangsstoffe (Flugasche, Hüttensandmehl) liegen. Daher ist eine Verwendung von Natriumaluminat nur dann sinnvoll, wenn als (weiterer) fester Ausgangsstoff ein sehr SiO2-reiches Material - wie z. B. Microsilica - verwendet wird. Typische Bereiche für das SiO2/Al2O3-Verhältnis (molar) sind 1,9-5,8 für Steinkohlenflugaschen, 3,4-6,2 für Hüttensandmehl und 35-1000 für Microsilica; der typischerweise angestrebte Bereich für Geopolymere (fester Ausgangsstoff und Aktivator zusammen) liegt bei etwa 3-6. Sodium aluminate (NaAlO 2 ) is on the one hand commercially available (eg for drinking water treatment); but also from waste streams, eg. As in the aluminum anodization can be obtained. The sodium aluminate used does not have to have the exact "stoichiometric" composition of NaAlO 2 ; Deviations of the Na / Al value of 1 are possible. The use of sodium aluminate as an activator for geopolymers is i. A. excluded, since for the desired properties of the hardened binder SiO 2 / Al 2 O 3 ratios are necessary, which are above the SiO 2 / Al 2 O 3 ratio of conventional solid starting materials (fly ash, granulated blastfurnace). Therefore, a use of sodium aluminate only makes sense if as a (further) solid starting material a very SiO 2 -rich material - such. B. Microsilica - is used. Typical ranges for the SiO 2 / Al 2 O 3 ratio (molar) are 1.9-5.8 for hard coal fly ash, 3.4-6.2 for granulated blastfurnace flour and 35-1000 for microsilica; the typically desired range for geopolymers (solid starting material and activator together) is about 3-6.
Wirtschaftliche Vorteile der beschriebenen Ausführungsformen sind:
- - hoher Säurewiderstand, dadurch erhöhte Marktchancen und Anwendungsbereiche;
- - keine Lagerhaltung und keine Verwendung hochalkalischer Lösungen notwendig, dadurch Kostenersparnis und höhere Marktakzeptanz;
- - Einsatz verschiedener kieselsäurereicher Reststoffe möglich, dadurch Kostenersparnis.
- - high acid resistance, thus increased market opportunities and applications;
- - no storage and no use of highly alkaline solutions necessary, thereby cost savings and greater market acceptance;
- - Use of various siliceous residues possible, thereby cost savings.
Ausführungsbeispielembodiment
Gemäß einem praktischen Ausführungsbeispiel lautet eine erfindungsgemäß einsetzbare Rezeptur für einen hier beschriebenen Instandsetzungsmörtel wie folgt (Angaben bezogen auf die Gesamtmasse inkl. Wasser):
- 12 Masse-% Microsilica (oder ein ähnliches SiO2-reiches Material (vgl. Folgeabsatz);
- 5 Masse-% Natriumaluminat;
- 5 Masse-% Hüttensandmehl; bezogen auf die Trockenmasse des Mörtels sind dies 5,5 %.
- 69 Masse-% Quarzsand mit Korngrößen 0 bis 2 mm;
- 9 Masse-% Wasser.
- 12% by mass of microsilica (or a similar SiO 2 -rich material (see following paragraph);
- 5% by mass of sodium aluminate;
- 5% by mass of blastfurnace slag flour; this is 5.5% based on the dry mass of the mortar.
- 69% by mass of quartz sand with grain sizes 0 to 2 mm;
- 9% by mass of water.
Die angegebene Zusammensetzung bezieht sich auf eine Rezeptur mit Quarzsand mit einer üblichen Sieblinie (Durchgang bei 2 mm: 100-98 %; bei 1,60 mm: 93 ± 5 %; bei 1,00 mm: 67 ± 7 %; bei 0,50 mm: 33 ± 7 %; bei 0,16 mm: 13 ± 5 %; bei 0,08 mm: 0-3 %) und Microsilica als SiO2-reichem Material. Für feinere Sande und/oder feinere SiO2-reiche Materialien sind höhere Wassergehalte von bis zu 18 % möglich, für gröbere Sande und/oder gröbere SiO2-reiche Materialien sind niedrigere Wassergehalte von nicht weniger als 6 % möglich.The composition given refers to a formulation with quartz sand with a standard sieving line (passage at 2 mm: 100-98%, at 1.60 mm: 93 ± 5%, at 1.00 mm: 67 ± 7%, at 0, 50 mm: 33 ± 7%, at 0.16 mm: 13 ± 5%, at 0.08 mm: 0-3%) and microsilica as SiO 2 -rich material. For finer sands and / or finer SiO 2 -rich materials higher water contents of up to 18% are possible, for coarser sands and / or coarser SiO 2 -rich materials lower water contents of not less than 6% are possible.
Die Erhärtung erfolgt bei Temperaturen von 50 °C bis 90 °C innerhalb von maximal 24 h. Bei der Sanierung von Abwassersammlern u. ä. können diese Temperaturen durch Einleiten von heißer (ggf. befeuchteter) Luft erreicht werden. Prinzipiell ist aber auch eine Erhärtung bei Raumtemperatur möglich; hier sind dann aber, abhängig von Schichtdicke, Randbedingungen etc., z. T. deutlich längere Erhärtungszeiten von bis zu mehreren Tagen erforderlich. Beispielsweise erhärten die Mörtel mit Bindermittelgehalten zwischen 20 Masse-% und Masse-50 % bei Wassergehalten von bis zu 19 Masse-% und Oberflächen/Volumen-Verhältnissen von circa 2,5 dm2/dm3 bei einer Temperatur von 23 °C und einer relativen Luftfeuchtigkeit von 50 % innerhalb von circa 2,5 Tagen. Bei Oberflächen/Volumen-Verhältnissen von mindestens 13 dm2/dm3 erfolgt die Erhärtung derselben Mörtel unter denselben klimatischen Bedingungen innerhalb von 24 Stunden.Hardening takes place at temperatures of 50 ° C to 90 ° C within a maximum of 24 h. In the rehabilitation of sewage collectors u. Ä., These temperatures can be achieved by introducing hot (possibly humidified) air. In principle, however, a hardening at room temperature is possible; Here are but, depending on layer thickness, boundary conditions, etc., z. T. significantly longer hardening times of up to several days required. For example, the mortars with binder contents hold between 20% by mass and 50% by mass at water contents of up to 19% by mass and surface / volume ratios of approximately 2.5 dm 2 / dm 3 at a temperature of 23 ° C and one relative humidity of 50% within about 2.5 days. At surface / volume ratios of at least 13 dm 2 / dm 3 , the hardening of the same mortar takes place under the same climatic conditions within 24 hours.
Bevorzugte Bereiche für eine Mörtel-Rezeptur sind in Masse-% (Angaben bezogen auf die Gesamtmasse inkl. Wasser):
- 6-18 % Microsilica;
- 2,5-7,5 % Natriumaluminat;
- 2,5-7,5 % Hüttensandmehl; bezogen auf den Mörtel sind dies im Mittel 5,5 %.
- 55-75 % Quarzsand mit Korngrößen 0-2 mm oder 0-1 mm oder 0-0,5 mm;
- 5-18 % Wasser.
- 6-18% microsilica;
- 2.5-7.5% sodium aluminate;
- 2.5-7.5% granulated blastfurnace flour; based on the mortar, this is on average 5.5%.
- 55-75% quartz sand with grain sizes 0-2 mm or 0-1 mm or 0-0.5 mm;
- 5-18% water.
Eine erfindungsgemäß einsetzbare Rezeptur für einen Instandsetzungsbeton lautet wie folgt (Angaben bezogen auf die Gesamtmasse inkl. Wasser):
- 6-18 % Microsilica;
- 2,5-7,5 % Natriumaluminat;
- 2,5-7,5 % Hüttensandmehl; bezogen auf den Beton sind dies im Mittel 5,5 %.
- 55-75 % Gesteinskörnung mit Korngrößen 0-8 mm oder 0-16 mm oder 0-32 mm;
- 5-18 % Wasser.
- 6-18% microsilica;
- 2.5-7.5% sodium aluminate;
- 2.5-7.5% granulated blastfurnace flour; in terms of concrete, this is on average 5.5%.
- 55-75% aggregate with grain sizes 0-8 mm or 0-16 mm or 0-32 mm;
- 5-18% water.
Wenngleich hierin spezifische Ausführungsformen dargestellt und beschrieben worden sind, liegt es im Rahmen der vorliegenden Erfindung, die gezeigten Ausführungsformen geeignet zu modifizieren, ohne vom Schutzbereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Die nachfolgenden Ansprüche stellen einen ersten, nicht bindenden Versuch dar, die Erfindung allgemein zu definieren. While specific embodiments have been illustrated and described herein, it is within the scope of the present invention to properly modify the illustrated embodiments without departing from the scope of the present invention. The following claims are a first, non-binding attempt to broadly define the invention.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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