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Verfahren zur Herstellung hydraulischer Binder.
Die hydraulischen Binder, u. zw. namentlich die Zemente, erfahren nach dem Abbinden mit zunehmender Erhärtung und Trocknung einen gewissen Schwund, was Vorsichtsmassregeln erforderlich macht, um die schädlichen Wirkungen des Schwinden zu begrenzen.
Zu diesem Zweck bemüht man sich, die Rissbildung und das Haarrissigwerden der Überzüge durch Wahl einer geeigneten Körnung zu vermindern. Beim Verlegen von Fliesen, für Arbeiten von grossen Abmessungen und für Strassenbeläge werden sogenannte Kontraktionsfugen vorgesehen.
Bei Bauten aus Eisenbeton wird das Problem noch komplizierter, da die Kontraktion des Betons die Armierungen unter Druckspannung setzt. Erfolgt nun eine Belastung, so können die Armierungen erst wirksam werden, nachdem sich diese Druckspannungen durch Ausdehnung des Betons gelöst haben, was unvermeidlich Rissbildungen auf der gespannten Seite des Betons zur Folge hat.
Diese kurzen Beispiele mögen genügen, um klar zu zeigen, welch ausserordentliche Bedeutung der Verwendung eines Zementes ohne Schwindung oder selbst mit einer beabsichtigten und genau bemessenen Dehnung der Mörtel oder des Betons zukommt. Die Wichtigkeit einer solchen Vervollkommnung ist den Zementfachleuten auch nicht entgangen und diese haben seit vielen Jahren Versuche in dieser Richtung ausgeführt. Leider haben aber die bisher vorgeschlagenen Lösungen den Hoffnungen, welche unvollständige instabile Ergebnisse zeitweilig erweckt hatten, nicht entsprochen.
Man kann drei Arten der Sehwindurg unterscheiden :
1. Die Schwindung, die auf die Verfestigung des kolloidalen Gels zurückzuführen ist, das im Augenblick des Abbinden und bei der fortschreitenden Umwandlung des kristallinen, sich stabilisierenden Systems eintritt ; diese Schwindung ist irreversibel.
2. Die Schwindung, welche auf die Änderungen des Feucbtigkeitszustandes des Konglomerats zurückzuführen ist ; diese Schwindung ist vollkommen reversibel.
3. Die Schwindung, welche durch eine Senkung der Temperatur bedingt ist ; in diesem Falle unterliegt der Zement einfach den allgemeinen physikalischen Gesetzen mit einem bekannten und unveränderlichen Ausdehnungs-oder Zusammenziehungskoeffizienten.
Unter diesen verschiedenen Arten des Schwinden lässt sich lediglich die erste durch die Mittel, welche Gegenstand der vorliegenden Erfindung bilden, aufheben.
Die 7weite Art der Schwindung gehorcht den Gesetzen der Kapillarphysik und kann nur durch den Grad der Dichtigkeit des Mörtels und des Betons, abgesehen von deren Feuchtigkeitszustand, beeinflusst werden.
Die dritte Art des Schwinden entzieht sich vollkommen jeglicher Abhilfe.
Um eine Lösung des Problems der Schwindung zu liefern, sind nun bereits verschiedene Mittel vorgeschlagen worden, welche jedoch nicht vollkommen zufriedenstellend sind. Die wichtigsten bisher vorgeschlagenen Mittel sollen nachstehend an Hand der Fig. 1, 2 und 3 der beiliegenden Zeichnung besprochen werden.
1. Man hat eine Magerung des Zementes versucht, indem man in dieser. inerte, auf die Feinheit des Binders zermahlene Stoffe hineinbrachte. Die Magerung, welche ihre relative Wirksamkeit im Bereiche der Grobkörnung von Mörtel und Beton bewiesen hat, wird wirkungslos, wenn man sie bei sehr feinen Körnungen, wie denjenigen des Zementes (etwa 10-80 Mikron), anwendet. Dies lässt sich dadurch erklären, dass diese inerten, feinen Körner Oberflächenreaktionen mit dem Anrührwasser auf-
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weisen, ebenso wie die Körner der Zemente, und dass die Gesamtkapillar (Oberflächen-) spannung unverändert bleibt.
Auf Fig. 1 sind als Abszissen die Zahl der Tage und als Ordinaten die Schwindungen in Millimetern aufgetragen. Die Kurve 1 bezieht sich auf einen künstlichen, als Testzement dienenden Portlandzement, die Kurve 2 auf denselben Zement mit Zusatz von 20% gemahlener Kieselsäure, die Kurve 3 ebenfalls auf denselben Zement mit Zusatz von 20% gemahlenem gebranntem Ton.
2. Auch Zusätze von hydrophoben Stoffen, von Bitumen sowie von hygroskopischen Salzen haben ihre Anhänger gefunden. Theoretisch wenigstens sollten diese Zusätze eine gewisse Verminderung des Schwinden herbeiführen, indem sie die Verdampfung herabsetzen oder im Innern des Betons eine dauernde Feuchtigkeit aufrechterhalten. Was die hydrophoben oder feuchtigkeitsvertreibenden Zusätze und ein Bitumenzusatz anbelangt, so stellt man mitunter tatsächlich während der ersten Erhärtungsperioden eine Abnahme des Schwinden fest ; aber diese Erscheinung bleibt im Laufe der Zeit nicht bestehen, und man erreicht schliesslich nichts weiter als eine Verzögerung der Entwicklung der Schwundvorgänge.
Auf Fig. 2 sind wieder als Abszissen die Zahlen der Tage und als Ordinaten die Schwindungen in Millimetern eingetragen. Die Kurve 4 bezieht sich auf einen Testzement, während die Kurve 5 diejenige eines Zementes mit Zusatz von 2% feuchtigkeitsvertreibenden Stoffen ist.
Was die hygroskopischen Salze, wie Calciumchlorid, anbelangt, so erreicht man durch Zusatz derselben im allgemeinen völlig entgegengesetzte Ergebnisse als erwartet, wie Fig. 3 zeigt, wo wieder die Erhärtungszeit in Tagen und das Schwinden in Millimetern eingetragen ist. Die Kurve 4 ist wieder diejenige eines Testzementes, während die Kurve 6 diejenige eines Zementes mit einem Zusatz von 2% CaCl, ist.
Die vorliegende Erfindung liefert nun eine Lösung für das Problem der Schwindung, und das erfindungsgemässe Verfahren besteht darin, dass der Schwund durch die fortschreitende, entsprechende
Quellung eines Zusatzstoffes, vorzugsweise eines hydraulischen Binders, ausgeglichen wird, der die Bindefähigkeit (das Agglomeriervermögen) der Mischung unterstützt.
Dieser Zusatzstoff braucht nur auf gewisse Bestandteile des Grundzementes einzuwirken und kann dadurch die Bildung einer gewissen Menge eines neuen Stoffes von grösserem Volumen als die vorher in der Mischung vorhandenen Bestandteile hervorrufen. Unbedingt müssen aber die Mengenverhältnisse und der physikalische Zustand des Zusatzstoffes angemessen gewählt werden, damit dessen axiale Ausdehnungswirkung immer unterhalb der Elastizitätsgrenze des Konglomerats bleibt.
Ein zusätzlicher Vorteil des Ausgleichs der Schwindung ist die Erhöhung der Dichtigkeit der Mörtel.
Es ist ferner zweckmässig, diesen Ausgleich der Schwindung über das den irreversiblen Schwund entsprechende Mass hinaus zu steigern und eine gewisse Ausdehnung hervorzurufen, ohne dabei jedoch die Elastizitätsgrenze des Betons zu überschreiten, so dass man :
1. über einen gewissen Dehnungsbereich zum Ausgleich der Wirkung eines aussergewöhnlichen Troeknungsgrades und einer dauernden Deformation verfügt, die auf die Druckspannungen zurückzuführen ist, welche die Dehnung des Betons entgegen den Armierungen während des ersten Härtungsstadiums entwickelt ;
2. die Armierungen unter eine Vorspannung setzt, was für das Verhalten des Eisenbetons sehr vorteilhaft ist.
Erfindungsgemäss erhält man ein günstiges Ergebnis durch Anwendung folgender Mittel :
1. Für die Portlandzemente oder ähnliche Werkstoffe : a) Durch Einführung einer solchen Menge Calciumsulfat oder Gips in die Rohmischung bei der Herstellung des Portlandzementes, dass nach dem Brand in dem Klinker ein Prozentsatz an SOg verbleibt, der ausreicht, um in dem fertigen Zement eine Quellung hervorzurufen, deren Ausmass geregelt werden kann, um genau den Schwund auszugleichen oder eine zusätzliche Ausdehnung zu bewirken.
Man verhütet die Reduktion des Gipses, damit er in eine Sulfat-Aluminat-Verbindung eintritt, und erreicht dies dadurch, dass man in einer stark oxydierenden Atmosphäre arbeitet. b) Die Ergebnisse werden noch viel sicherer und beweisender, wenn man dem Portlandzement veränderliche Mengen von auf Basis von Sulfat-Aluminat-Verbindungen, sogenannten Sulfo-Aluminaten, zusammengesetzten Zementen zusetzt, welche durch doppelte Umsetzung auf die Aluminate des Grundzementes einwirken können, um einen grösseren Prozentsatz an Sulfo-Aluminaten oder ein neues Sulfo- Aluminat (Sulfat-Aluminat-Doppelverbindung) zu bilden, das mit mehr Wassermolekülen kristallisiert.
Um das gewünschte Ergebnis zu erzielen, d. h., um die Schwindung der hydraulischen Binder zu beseitigen und eine gewünschte, messbare Ausdehnung derselben herbeizuführen, genügt es im allgemeinen nicht, nur einfach ein beliebiges Sulfat oder Calciumsulfat zu einem Zement zuzusetzen (z. B. Portlandzement), sondern dieses Calciumsulfat muss einen Teil einer andern Verbindung oder einer der andern Mischungen bilden, von denen weiter unten die Rede sein wird.
Diese Verbindungen, die hier Sulfo-Aluminate (Sulfo-Aluminat-Verbindungen) genannt seien, unabhängig davon, ob sie durch einen Brandprozess oder durch Mischung erhalten worden sind, haben
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teilen. Aber nach dem ihnen eigentümlichen Abbindeprozess wird durch ihre Hydrolyse in Gegenwart von Wasser CaS04 in sozusagen naszierendem Zustand freigemacht, das unmittelbar auf das hydratisierte Aluminat einwirkt, welches sich durch das Abbinden des als Grundstoff dienenden Portlandzementes gebildet hat, und so zur Bildung des quellenden Sulfo-Aluminats führt.
Fig. 4 zeigt für eine lediglich beispielsweise Stoffzusammensetzung das Ergebnis, welches mit einem reinen Brei aus künstlichem Portlandzement durch einen absichtlich übersteigerten Zusatz erreicht wird, um die Wirksamkeit dieses Zusatzes und die Beständigkeit seiner Wirkung in der Zeit deutlich zu machen.
Die Kurve 7 bezieht sich auf einen künstlichen Vergleichszement, während die Kurve 8 sich auf eine Mischung von 80% des künstlichen Zements mit 20% Sulfo-Aluminat bezieht.
Als Abszissen sind wieder die Tage der Erhärtung abgetragen und als Ordinaten sind oberhalb von null die Dehnungen in Millimetern, unterhalb von null die Schwindungen in Millimetern abgetragen.
Praktisch setzt man dem Portlandzement veränderliche Mengen von auf Basis von SulfoAluminaten zusammengesetztem Zement zu, die etwa 15-20% betragen.
Die benutzten Sulfo-Aluminate können von Mischungen von Tonerdezement und CaS04, von Schlacke (Schlackenzement) und Anhydrit (CaS04), Schlacke und totgebranntem Gips oder auch von überreich sulfathaltigen Zementen gebildet werden, welche durch doppelte Umsetzung bei ihrer Reaktion mit dem Anrührwasser Calcium-Sulfate-Aluminate bilden können.
Vorzugsweise werden wasserfreie Sulfat-Aluminate (Sulfat-Aluminat-Doppelverbindungen) verwendet, welche auf feuertechnischem Wege erhalten werden : Wasserfreies Sulfo-Aluminat wird gemäss der französischen Patentschrift Nr. 780747 durch das Klinkern einer Mischung von Bauxit oder Tonerde, Kalk und Gips zu etwa 30-30 und 40 Teilen, erhalten. Das Brennen der Mischung aus Bauxit oder Tonerde, Kalk und Gips wird unter angemessener Temperatur durchgeführt. Vorzugsweise wird das wasserfreie Sulfo-Aluminat entsprechend den Beimengungen, bei Temperaturen von 900 -1500 C erhalten.
Bei wasserfreien Sulfo-Aluminaten, welche gemäss der französischen Patentschrift Nr. 780747 erhalten werden, stellt nämlich jedes Korn des in den Portlandzement eingeführten Zusatzstoffes eine Verbindung dar, welche alle Bestandteile einschliesst, die für das gesuchte Ergebnis in günstigem Sinne mitwirken, und die Zusätze liefern regelbare, überwachbar und genau bemessbare Reaktionen. Zur Kompensation der Schwindung der Portlandzemente ist es angebracht, vorzugsweise Sulfat-Aluminate zu verwenden, die reich an S03 sind und einen geringen Gehalt an CaO aufweisen.
2. Bei Tonerde- und Schlackenzementen kann man quellende Sulfo-Aluminate oder Mischungen von Portlandzement und CaS04 zusetzen.
Die oben angegebenen Beispiele zur Ausführung des Verfahrens sind lediglich zur Erläuterung der Erfindung angegeben worden und lassen sich im einzelnen in dem beschriebenen Rahmen vielfach abwandeln.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Herstellung hydraulischer Binder, insbesondere von Portlandzementen od. dgl. mit einem Zusatz von Sulfaten oder sulfathaltigen Stoffen, dadurch gekennzeichnet, dass dem Portlandzement od. dgl. veränderliche, zwischen 10-50% betragende Mengen von auf Basis von SulfoAluminat-Verbindungen zusammengesetzten Zementen zugesetzt werden, die durch doppelte Umsetzung auf die Aluminate des Grundzementes einwirken können, um einen grösseren Prozentsatz an SulfoAluminaten oder ein neues Sulfo-Aluminat zu bilden, das mit mehr Wassermolekülen kristallisiert, um das Schwinden der hydraulischen Binder durch ein fortschreitendes Quellen auszugleichen, das gleich oder grösser als das Schwinden ist und genau überwacht und bemessen wird, so dass die Quellung im Laufe der Reaktion die Elastizitätsgrenze nicht überschreitet.