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Verfahren zur Herstellung steinartig erhärtender Massen
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Verbindung der einzelnen Teile und Teilchen durch physikalisch-mechanische Adhäsion und nicht durch chemische Umsetzungen hervorgerufen. Damit handelt es sich bei der Erfindung um die technische An- wendung eines Vorganges, welcher in geologischen Zeiträumen die Formation vieler sedimentärer Ge- steine und Erzlager bestimmt hat. Derartige Lager, wie z. B. Bauxit, Magnesit, Sandstein, viele Braun- eisenlager und andere, sind sehr kompakt aufgebaut und besitzen grosse Härte.
Gemäss der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung steinartig erhärtender Massen, die für sich oder als Zusatz verwendbar sind, wobei zwei Stoffgruppen gemischt werden, deren eine trocken und pul- verförmig ist und Magnesiumoxyd enthält und deren andere ein Hydroxyd enthält und in Pastenform vor- liegt, vorgeschlagen, das dadurch gekennzeichnet ist, dass die erste Gruppe aus karbonatischen oder hy- droxydischen Mineralien der Erdalkalimetalle durch Brennen hergestellt wird und mindestens 15% MgO enthält und die zweite Stoffgruppe entweder Mineralien, die mindestens 9% chemisch gebundenes Was- ser enthalten, oder solche Hydroxyde oder Hydrate umfasst, die durch Kochen von oxydischen Mineralien in kolloidaler Form in Wasser hergestellt werden.
Gemäss einem weiteren Merkmal der Erfindung können dieser Mischung auch noch Stoffe einer dritten Gruppe zugesetzt werden. Diese Hilfsgruppe umfasst Stof- fe, deren Beimischung vor der Erhärtung die Eigenschaften der steinartig erhärtenden Masse noch mehr verbessern.
Diejenigen Stoffe, die den einzelnen Stoffgruppen zuzuordnen sind, werden im folgenden ausführlich beschrieben. Es handelt sich bei der ersten Stoffgruppe vorzugsweise um Mineralien, die kaustisch ge- brannt sind und eine Saugwirkung für Feuchtigkeit aufweisen und bei der zweiten Stoffgruppe um Mine- ralien, die in nassem, pulverförmigem Zustand zur Verarbeitung kommen. Die letztgenannten Minera- lien bestehen vorzugsweise aus Hydroxyden oder Hydraten. Die Stoffe der dritten oder Hilfsgruppe stellen
Zuschlagstoffe dar.
Mit der steinartig erhärtenden Masse gemäss der Erfindung kann eine einfache, billige und rasche
Mörtelherstellung erfolgen, die es ermöglicht, die Bauprobleme insbesondere auch in industriell weniger gut entwickelten Ländern erheblich zu vereinfachen, da jeweils ein Material der ersten und zweiten und auch der dritten Gruppe im Land zur Verfügung stehen wird. Wie weiter unten noch erläutert wird, wird durch das neue Verfahren ein Teil des enthaltenen überflüssigen Wassers durch Absorption gebunden und damit die Qualität der Mischung verbessert.
Die steinartig erhärtenden Massen gemäss der Erfindung erlangen eine sehr gute Festigkeit und sehr gute hydraulische Eigenschaften. Hinzu kommt, dass in diesen Massen keine korrosiven Bestandteile und keine unbeständigen Anteile enthalten sind. Die Verfestigung der Teilchen unter sich erfolgt rein mechanisch und nicht chemisch. Die Masse stellt ein hartes Hydrogel dar, wobei Magnesium-Hydrogel in Mischung mit Hydrogelen anderer Metalle vorliegen. Die steinartig erhärtenden Massen der Erfindung werden deshalb auch als "Magnesium-Hydrogel-Zement oder allgemeiner als "Hydrogel-Zement" bezeichnet.
Nachfolgend werden in Ausführungsbeispielen die einzelnen Gruppen und die zu diesen Gruppen gehörenden Mineralien sowie in weiteren Ausführungsbeispielen die Herstellung und die Eigenschaften einzelner Hydrogel-Zemente ausführlich beschrieben.
Die erste Gruppe der benötigten Stoffe umfasst im wesentlichen : a) Magnesit (MgCOj und Brucit (Mg (OH)). Diese Mineralien werden bei einer Temperatur von etwa 9000C kalziniert, so dass sich ein Produkt bildet, welches auf dem Markt als kaustische Magnesia (MgO) bekannt ist. Der Reinheitsgrad spielt keine Rolle, so dass die in der kaustischen Magnesia enthaltenen Unreinheiten nicht stören. b) Dolomit, der bei etwa 1100 - 11500C kalziniert wird und der nach Kalzination mindestens 15% Magnesiumoxyd enthalten muss.
Auch hier spielt der Reinheitsgrad keine Rolle. c) In die unter a) und b) erwähnten Gruppen können auch diejenigen magnesitischen, brucitischen und dolomitischen Gesteine gerechnet werden, die weniger als le MgO im kalzinierten Zustand enthalten. Dieser Fehlbetrag kann durch Zusatz von Magnesia aus anderer Herkunft ausgeglichen werden. Bei den Mischungen, bei denen dolomitische Ausgangsmaterialien benutzt werden, ergeben sich die besten Ergebnisse, wenn 50 Gew.-% CaO und 50 Gew.-% MgO vorliegen.
Die zweite Gruppe umfasst im wesentlichen Mineralien, a) die mindestens 9% chemisch gebundenes Wasser enthalten und somit hauptsächlich entweder die Oxyd-Hydrate oder die Silikat-Hydrate darstellen, und die b) in feiner Pulverform eine grosse Wassermenge absorbieren und festhalten, und die c) durch Wasserzusatz eine Paste bilden, die dann nach Trocknung und Pressung (z. B. durch Vibration) sich erhärtet und eine kompakte und harte Masse ergibt, die eventuell nur geringe Härte zu besitzen
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braucht, und die d) vorzugsweise nicht kristallin vorliegen, sondern deren Pulver kolloidale Form besitzt und die vorzugsweise in der Natur bereits eine gewisse molekulare Zersetzung erlitten haben.
Unter diesen Mineralien wurden beispielsweise folgende Mineralien für den vorliegenden Verwendungszweck ausgewählt :
A) Magnesiumhydroxyd in nicht kristalliner, sondern in kolloidaler Form, im Zustand einer wasser-
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es sich um Monohydrat oder Trihydrat und ob es sich um reines oder nicht vollständig reines Material handelt.
C) In der Natur als Eisenocker vorkommende Eisenhydroxyde Fe (OH)
D) Hydratisierte Magnesiumsilikate, die mindestens e gebundenes Wasser enthalten. Ein Beispiel für ein solches Silikat stellt Serpentinit-Gestein dar, das aus Peridotit und Pyroxenit durch natürliche
Metamorphose entstanden ist. Diese Serpentinite enthalten etwa 11-13% Wasser.
E) Silikate des Magnesiums in Faserform, wie beispielsweise Chrysotil- oder Amphibol-Asbeste.
Die dritte oder Hilfsgruppe der Mineralien umfasst : Stoffe, die als Zuschlag eine Verbesserung der Eigenschaften des Hydrogelzementes ergeben und entweder bereits vorhandene Vorteile verstärken oder neue Vorteile in der auch bei andern Zementen bekannten Weise hinzufügen. Diese Vorteile können beispielsweise betreffen die Isolation, die Dichtung gegen Wasser und Feuchtigkeit, die Färbung, die Härte oder die Verringerung des spezifischen Gewichtes. Als hiefür geeignete Stoffe kommen beispiels- weise organische Abfall- oder Reststoffe in Faserstruktur, Holzwolle, Holzmehl, gekörnte Kork, mehliger Kork und Kunststoff in Frage.
Weiterhin können industrielle Silikate, wie Schlacken, Bauxitkörner, Schmirgel, Korund, Carborund, Baryt. Weissdolomit, harte gekörnte Silikate, Bimsstein (Lava), Eisenerzkörner usw., verwendet werden.
Nachfolgend werden einige Beispiele für Hydrogelzement-Mischungen und der zugehörigen Mörtel angegeben.
Beispiel l : Es werden aus der zweiten Gruppe verwendet :
50% Gew.-Teile einer Paste, die durch Erwärmung von kaustischer Magnesia in Pulverform auf 80 bis 900C 1 Stunde lang unter Zusatz der zehnfachen Menge Wasser erzeugt wurde. Die verwendeten Korn- grössen dürfen nicht grösser als 0, 075 mm, jedoch auch nicht kleiner sein. Die gebildete Paste enthält etwa 3e Magnesiumoxyd, das infolge der Erwärmung im Magnesiumhydroxyd umgewandelt wurde, sowie 65 7e freies Wasser mit einer Toleranz von etwa 6% nach oben und unten.
Hiezu werden aus der ersten Gruppe gegeben :
70 Gew.-Teile kaustischer Magnesia in Pulverform von einer maximalen Korngrösse von 0, 075 mm.
Nach Zusatz dieser 70 Gew.-Teile zu der vorgeschriebenen Paste muss eine gute Mischung vorgenommen werden, wobei insbesondere auch auf eine homogene Befeuchtung zu achten ist.
Beispiel 2 : Es werden aus der zweiten Gruppe verwendet :
50 Gew.-Teile einer Paste aus Magnesium-Hydroxyd, die in der gemäss Beispiel 1 beschriebenen Weise hergestellt ist.
Hiezu werden aus der ersten Gruppe gegeben : 50-70 Gew.-Teile gebrannten Dolomits, je nach der Absorptionsfähigkeit und des jeweiligen unterschiedlichen Magnesitgehaltes des zur Verwendung kommenden Materials. Die Korngrösse soll maximal 3, 075 mm betragen. Der Dolomit wird der Paste unter guter Durchmischung und homogener Befeuchtung zugegeben. Falls die Mischung zu dünnflüssig wird, kann man kaustisch gebranntes Dolomitpulver oder auch kaustisch gebrannten Magnesit in Pulverform beigeben, bis eine homogene nur feuchte Masse vorliegt.
Beispiel 3 : Es werden aus der zweiten Gruppe verwendet : zo 0 Gew. -Teile Bauxitpulver./on einer maximalen Korngrösse von 0, 075 mm.
Hiezu kommen aus der ersten Gruppe :
50 Gew.-Teile kaustisch gebrannten Magnesits von einer maximalen Korngrösse von 0,075 mm. Die Mischung wird gut homogen im trockenen Zustand durchgeführt. Das Produkt wird in Säcken verpackt, die jedoch'on Feuchtigkeit und Wasser geschützt werden müssen. Das notwendige Anmachwasser wird in einer Mischmaschine an der Baustelle zugegeben, u. zw. 25 Gew.-Teile. Die Mischung muss gründlich erfolgen, und die Masse muss homogen feucht sein.
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4 : Es50 Gew.-Teile pulverförmiger Bauxit von einer maximalen Korngrösse von 0, 075 mm mit 25 Gew.Teilen Wasser.
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Hiezu kommen aus der ersten Gruppe :
50 Gew.-Teile kaustisch gebrannten Dolomits von einer maximalen Korngrösse von 0,075 mm. Das
Gemisch muss mit ausreichender Homogenität feucht bleiben.
Beispiel 5 : Es werden aus der zweiten Gruppe verwendet : 15-25 Gew.-Teile Eisenhydroxyd (gelbes Ocker) von einer maximalen Korngrösse von 0 075 mm.
Diesem Material werden 35-45 Gew.-Teile Wasser zur Herstellung eines dünnflüssigen Breies hinzuge- geben. Der Brei besitzt einen Wassergehalt von 60 bis 70go, bezogen auf das Endgewicht.
Hiezu kommen aus der ersten Gruppe :
70 Gew.-Teile kaustisch gebrannten Magnesits von einer maximalen Korngrösse von 0,075 mm.
Beispiel 6 : Es werden aus der zweiten Gruppe verwendet :
Der im Beispiel 5 beschriebene Brei aus Eisenhydroxyd.
Hiezu kommen aus der ersten Gruppe :
70 Gew.-Teile kaustisch gebrannten Dolomits von einer maximalen Korngrösse von 0, 075 mm.
Beispiel 7 :
Es werden aus der zweiten Gruppe verwendet :
40 Gew.-Teile pulverförmiger Serpentinit mit einem Wassergehalt von mindestens 9% und einer maximalen Korngrösse von 0,045 mm. Das Gestein wird durch Zugabe von 40 Gew.-Teilen Wasser zu einer Paste vermischt.
Hiezu kommen aus der ersten Gruppe :
70 Gew.-Teile kaustisch gebrannter Magnesit in Pulverform von einer Korngrösse von maximal
0,045 mm.
Beispiel 8 : Es werden aus der zweiten Gruppe verwendet :
Der im Beispiel 7 beschriebene wässerige Serpentinit-Brei.
Hiezu kommen aus der ersten Gruppe : 2
75 Gew.-Teile kaustisch gebrannter Magnesit in Korngrössen von maximal 0, 045 mm una. weitere
35 Gew.-Teile gebrannter Dolomit in Korngrössen von maximal 0, 0 75 mm.
Für die Berechnung des bei den obigen Beispielen zugesetzten Wassers wurde zugrundegelegt, dass der verwendete kaustisch gebrannte Magnesit, wie er handelsüblich ist, einen Magnesiumoxyd-Gehalt von etwa 90% besitzt. Damit ergibt sich statt der theoretisch notwendigen Wassermenge von 31% eine Wasser- menge von nur 28%. Hinzu kommt das durch Verdampfung am Bauplatz verlorengehende Wasser, welches mit 2 - 30/0 angesetzt wurde. Weiterhin wurden noch 100/0 Wasser hinzugefügt, die zum Erzeugen einer ausreichenden Plastizität der Mischung erforderlich sind, damit die Masse vergossen werden kann.
Bei Abweichungen von normalen Verhältnissen der Umgebung oder von normalen Eigenschaften der zur Benutzung kommenden Materialien, muss entsprechend den damit verbundenen Variationen im Mörtel der Wassergehalt entsprechend angepasst werden. Die Mischungen dürfen nicht zu trocken, aber auch nicht zu feucht sein, damit optimale Ergebnisse erzielt werden. So muss beispielsweise in tropischen Ländern das am Bauplatz verdampfende Wasser auf sicher mehr als 2 - 3ça veranschlagt werden.
Zweckmässig wird die Wassermenge, die der Mischung zugegeben wird, derart bemessen, dass etwa 80% des Anmachwassers gebunden werden und etwa 20% während des Trockenprozesses verdampfen.
Die beschriebenen Hydrogelzemente zeigen während ihrer mechanischen Verfestigung keinerlei Schrumpfungen. Auch daran anschliessend bis zur Erhärtung treten keine Schrumpfungen auf. Das bekannte Kochen und Aufschwellen bei der Bewässerung des Kalkes tritt bei kaustisch gebranntem Dolomit nicht in Erscheinung. Dagegen entsteht eine stetige und annehmbare Temperatursteigerung um etwa 10 bis 20 C.
Für den Fall. dass doch einmal Schrumpfungen auftreten sollten, die sich dann in sehr geringst ! Grenzen halten, kann zur Ausschaltung dieser Erscheinung Sand zugesetzt werden. Es können beispielsweise 25 Gew.-Teile Sand, bezogen auf das Gesamtgewicht, von einer Korngrösse von minimal 0, 43 rnm zugesetzt werden, falls nicht dem Material bereits anderes inertes grobkörniges Material zugesetz worden ist. Durch die grobkörnigen Zusätze wird dem überschüssigen Wasser die Möglichkeit gegeben aus der Masse heraus an die Oberfläche zu steigen. Dieses überschüssige Wasser erzeugt die Schrumpfung
Die Haftfähigkeit der Hydrogelzemente an inerten Materialien ist grösser, wenn diese ine en Materialien eine matte an Stelle einer glatten und glasartigen Oberfläche aufweisen.
Die mechani che Festigkeit wird grösser, wenn Bauxitsand an Stelle von Quarzsand zugesetzt wird. Auch sind alle i iiier der dritten Hilfsgruppe genannten Materialien besser als Quarzsand geeignet.
Wenn finanzielle Gründe bestimmend sind, können verschiedene Materialien einer einzigen Gruppe untereinander gemischt werden, anstatt dass nur ein Material aus dieser Gruppe verwendet wind. Das
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Eine weitere Variation der oben erläuterten Beispiele kann dadurch vorgenommen werden, dass bis zu 4cPlo Stoffe zugesetzt werden, die der dritten oder Hilfsgruppe angehören. Dieses kommt Insbesondere ! dann in Frage, wenn bestimmte Eigenschaften in bestimmter Richtung erzeugt oder verstärkt werden sol- len. Selbstverständlich müssen die Materialien so ausgewählt werden, dass der Abbindeprozess nicht be- hindert wird, wie dies weiter oben beschrieben ist.
Die Hydrogelzemente und ihre Mörtel können auch vorteilhaft zur Verbesserung der Eigenschaft anderer Mörtel dienen. Ein Zusatz bis zu 3'1/o zu andern Mörteln, die auf der Grundlage von Ätzkalk oder gebranntem Dolomit aufgebaut sind, beschleunigt die Erstarrung. Ein Zusatz der Mischungen gemäss
Beispielen l, 2 oder 7 bis zur Menge von 25% zu Portlandzement-Mörtel verringert das Schrumpfen und erhöht die Festigkeit. Zugleich wird die Wasserdurchlässigkeit verringert, da ein grosser Teil des Rest- wassers gebunden wird. Auf diese Weise wird der Beton porenfreier.
Die Mischung mit dem Zement kann auch so erfolgen, dass dem Zement lediglich die kaustisch ge- brannte Magnesia (also ein Stoff der ersten Stoffgruppe) zugesetzt wird. Hiebei nimmt der Zementmörtel die Stelle des Stoffes der zweiten Stoffgruppe ein.
Da die normalerweise verwendeten Eisenarmierungen an der Oberfläche oxydiert sind und hauptsäch-' lich aus Eisenhydroxyd bestehen, welches sich mit den Hydrogelzementen ausserordentlich gut verbindet, ergibt der Kontakt der Armierungsstäbe mit den Hydrogelzenemten, besonders zum Zement gemäss Bei- spiel l, einen starken Schutz gegen weitere Oxydation. Durch die enge Adhäsion zwischen Eisen und Hy- drogelzement wird ein weiterer Zutritt von Wasser und Luft zum Eisen verhindert.
Die Hydrogelzemente verbinden sich durch ihre gute Adhäsionsfähigkeit auch mit Portlandzement-
Mörteln und dem aus Portlandzement hergestellten Beton.
Es i t möglich, mit Hilfe der erfindungsgemässen steinartig erhärtenden Massen auch die Eisenarmie- rung in Jortlandzement-Beton zu schützen. Hiebei ist es lediglich nötig, dass die Eisenarmierung mit einer
Masse gemäss der Erfindung bestrichen wird, bevor sie in den Portlandzement eingesetzt wird, vorzugs- weise sc, lte die überstrichene Masse vor dem Einsetzen erhärtet sein. Der Schutz der Armierung kann auch so erfol, len, dass man die Eisenstäbe benässt, sie sodann mit kaustischer Magnesia bestreut und dann mit
Portlandzement vergiesst. In beiden Fällen erfolgt ein völlig dichter Abschluss der Armierung und eine einwandfreie Verbindung zum Portlandzement hin.
Die Materialkörnchen aus der ersten Materialgruppe saugen sich bei Vorhandensein von Wasser mit grosser Kraft an den feuchten Oberflächen der Materialkörner der zweiten Gruppe fest, da das zur Be- feuchtung der Korner der ersten Gruppe notwendige Wasser in dem Material der zweiten Gruppe zur Ver- fügung steht. Hiedurch erfolgt im wesentlichen die Bindung. Die Bindung der Körner untereinander wird durch Stampfen oder entsprechende Massnahmen vergrössert. Das Einstampfen oder Vibrieren der Masse wurde bereits weiter oben empfohlen. Das durch die Körner der ersten Gruppe angesaugte Wasser wird in diesen Körnern gebunden', u. zw. von 40% des Gesamtwassers der Mischung etwa die Menge von 30%. Die restlichen 10% gelangen an die Oberfläche und verdampfen.
Hiebei trocknen langsam alle im Mörtel be- findlichen Bestandteile aus, das Gemisch wird hart und die die Körner zusammenhaltende Adhäsion bleibt in vollem Umfang bestehen.
Die Bindung der Körner untereinander erfolgt also mechanisch und nicht chemisch. Die Masse stellt ein hartes Hydrogel dar. bei welchem das in irgendeiner Form stets zur Benutzung kommende Magnesium- oxyd der Grundstoff der ersten Gruppe ist. Die Hydrogelzemente können daher auch, wie bereits erwähnt,
Magnesium-Hydrogel-Zemente genannt werden. In der Praxis handelt es sich aber um mehrere Hydrogele in Mischung untereinander.
Bei, feineren Korngrössen der verwendeten Materialien entstehen kompaktere und härtere Massen, da die spezifische Oberfläche und damit die Adhäsionsfähigkeit der Substanzen vergrössert wird. Ausserdem werden bai feinen Körnungen Lücken ausgefüllt, die sonst als Poren verbleiben würden.
Die gute Adhäsionsfähigkeit der Zementmischungen bleibt auch bestehen, wenn inerte Materialien zugegeben werden. Auch bei solchen Zugaben erfolgt eine Bindung auf Grund der Adhäsionsfähigkeit nach dem we'tOr oben beschriebenen Mechanismus.
Da ei der Trocknung der Masse des Mörtels keine Reaktionen ablaufen, ergeben sich auch keine
Schrumpfungen, wie sie bei andern Zementarten immer auftreten. Daher kann es keine Lockerung der
Einsätze und Zuschlagstoffe geben, u. zw. bereits vom Zeitpunkt der Trocknung ab. Hiedurch lassen sich die Vorteile einer Festigkeitssteigerung durch Zuschlag von beispielsweise Korund, Bauxitsand, gekörntem Eisenerzlpder Chromit im Gegensatz zu Portlandzement-Mörtel voll ausschöpfen.
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