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Beschrieben wird die Herstellung von mechanisch sehr stabilen Poren durch Einführen eines hochporösen, jedoch mit dem Zement gut verträglichen anorganischen Zuschlagstoffes.
Bekanntlich enthalten alle Betone einen höheren Anteil an Poren, welche sich leicht mit Wasser sättigen können. In unseren Breiten kann es dadurch bei Betonen im Winter zu beträchtlichen Schädigungen des Betones kommen.
Es ist bekannt, dass sich das Wasser beim Übergang zu Eis beträchtlich ausdehnt und somit starke
Sprengwirkungen ausüben kann. Um also einen Körper frostbeständig zu machen, ist es einerseits möglich die
Wasseraufnahme durch den Körper zu verhindern, oder aber im Körper Reserveräume zu schaffen, welche in der
Lage sind, das sich ausdehnende Wasser aufzunehmen. Es hat sich herausgestellt, dass bei porösen Körpern der sogenannte Sättigungswert in Beziehung mit der Frostbeständigkeit steht. Der Sättigungswert gibt die Menge an feinen Poren wieder, welche bei normaler Lagerung nicht im Wasser gefüllt werden, sondern erst bei erhöhtem
Druck.
Aus der Betontechnologie ist bekannt, dass das Schaffen von einigen Prozent an künstlichen Poren die
Frostbeständigkeit des Betones sehr stark verbessert. Die dem Zementleim künstlich zugefügten Poren sollen grösser sein als die feinen Kapillaren, welche beim Trocknen des Zementleimes entstehen. Sie sind dann in der
Lage, das Aufsaugen von Wasser durch die Kapillaren zu unterbrechen, erleichtern die Austrocknung und bieten, da sie mit Wasser nicht vollständig gefüllt werden, freies Volumen beim Erstarren des Wassers. Um eine vollkommene Frostwiderstandsfähigkeit zu erreichen, benötigt man etwa 5 Vol. % gröbere Poren. Es hat sich weiter in der Praxis gezeigt, dass diese Poren auch die Beständigkeit des Betones gegen die stark zerstörende
Wirkung der Tausalze stark erhöhen. Die Ursache hiefür ist noch nicht geklärt.
Für die Herstellung der Poren verwendet man in den meisten Fällen organische oberflächenaktive Mittel, welche die Oberflächenspannung des Wassers stark herabsetzen, wodurch das Wasser viel leichter schäumen kann.
Neben diesen Mitteln, welche die Oberflächenspannung des Wassers verhindern, benötigt man aber auch
Stabilisatoren für den erzeugten Schaum. Meist benutzt man zu diesem Zweck kolloidale Stoffe.
Trotz dieser stabilisierenden Mittel sind die so erzeugten Schäume bzw. Poren wenig stabil und werden bei der mechanischen Verarbeitung des Betones, beispielsweise Vermischen, Torkretieren und Einrütteln abgebaut. Um diesen Nachteil zu beseitigen und um ein Betongemisch zu erzeugen, welches allen diesen mechanischen Beanspruchungen standhält, wurde vorgeschlagen, die Poren in Form von feinkörnigen, hochporösen Zuschlagstoffen einzuführen.
Es ist naheliegend, dass die Poren, welche den Wasserüberdruck aufnehmen sollen, gleichmässig im Zementleim verteilt sein müssen. Der Frostwiderstand eines Betones mit frostbeständigem Zuschlag ist umso grösser, je geringer der Abstand von irgendeinem Punkt des Zementleimes zur nächsten Pore ist. Ein Mass dafür ist der sogenannte Abstandsfaktor, welcher von der Feinheit (spez. Oberfläche) der Luftporen und dem Gesamtluftporengehalt des Betones und dem Zementsteingehalt abhängt. Grobkörnige, poröse Zuschläge bringen keine Verbesserung der Frostbeständigkeit.
Es ist eine Reihe an hochporösen, organischen Stoffen bekannt. Bedauerlicherweise sind alle diese Materialien kompakt und liegen höchstens in Form von Granulat vor. Die Zerkleinerung dieser Stoffe ist infolge ihrer Zähigkeit nicht möglich. Eine direkte Herstellung von feinkörnigen, porösen Partikeln ist bis jetzt nicht durchgeführt worden.
Es wurde auch versucht, Poren über feine, anorganische Leichtstoffe einzuführen. So wurde zu diesem Zweck unter anderem auch Perlit vorgeschlagen. Dieses Material wird durch Blähen eines Vulkanglases erzeugt.
Dieses Vulkanglas hat 4 bis 5% Alkalien, enthält auch etwas Wasser, welches bei höherer Temperatur, wenn das Glas plastisch-viskos ist, entweicht und damit das Glas bläht. Geblähter Perlit kann entsprechend zerkleinert werden, hat ein niedriges Schüttgewicht (etwa 80 g/l) und über 90% Porosität. Die mechanische Festigkeit des Perlits ist so hoch, dass er der mechanischen Beanspruchung während der Herstellung und Verarbeitung der Betonmischung standhält.
Es hat sich jedoch gezeigt, dass dieses Material mit den Komponenten des Zementklinkers, insbesondere mit dem Kalk, reagiert. In der Arbeit von P. P. Budnikow u. a. : Untersuchung des Perlits aus Beregow, "Strojiteljnije materijaly" (Baustoffe), [1965] Nr. l, 24-25, wurde festgestellt, dass Perlit im Kontakt mit der Zementpaste sehr stark abgebaut wird und in der Kontaktzone Reaktionsprodukte entstehen, welche die Festigkeit des Zementanteiles im Beton herabsetzen. Ähnlicher Effekt wurde auch bei Gläsern im Kontakt mit Klinkermineralien (hydratisierten) in der Arbeit von P. P. Budnikow u. a. : Mit Glasfaser armierter Zementstein, "Strojiteljnije materijaly" (Baustoffe), [1966] Nr. 4,17-19 beobachtet.
Erfmdungsgemäss ist es gelungen anorganische Porenbildner einzusetzen, welche gegen die Wirkung der alkalischen Klinkermineralien beständig sind. Es handelt sich hiebei um Reisschalenasche. Dieses Material fällt als preiswertes Nebenprodukt an. Sie wird erzeugt durch Verbrennen des Reisschalen bei relativ niedriger Temperatur. Aus der chemischen Analyse sieht man, dass die Reisschalenasche aus 95% Si02 besteht. Bei dem erwähnten thermischen Prozess bildet sich aus diesem Si02 kein glasiges (amorphes) Produkt, sondern es entsteht vorzugsweise Tridymit und daneben etwas Cristobalit. Somit liegt das Si02 nicht in der reaktionsfähigen, amorphen Form vor, sondern ist kristallin und daher gegen Ca (OH) beständiger.
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Die Kombinationen Reisschalenasche-Zement sind bereits bekannt. In der franz. Patentschrift Nr. 1. 040. 287 wird die Herstellung von Formkörpern aus 25 bis 75 Gew.-% Reisschalenasche mit anorganischen Bindern wie Zement, Kalk od. dgl. beschrieben. Ein ähnliches Verfahren wird in der brit. Patentschrift Nr. l, 158, 306 vorgeschlagen. Hier werden 40 bis 60 Gew.-% Reisschalena. sche, welche infolge unvollständiger Verbrennung noch organische Substanz enthält, mit hydraulischen Bindern wie Zement zu Formkörpern verbunden. In beiden Patentschriften wird weiters noch eine Nachbehandlung der Formkörper mit Salzlösungen empfohlen.
Bei diesen Körpern ist der Volumsanteil der Reisschalenasche infolge ihrer Leichtigkeit noch wesentlich höher und macht den Hauptanteil des Körpers aus. Überraschenderweise zeigte es sich, dass schon sehr geringe Zusätze vollkommen entkohlte Reisschalenasche zu Betonen deren Frostbeständigkeit sehr stark erhöhen. Im Gegensatz zu den oben genannten Patentschriften beträgt der Gewichtsanteil der Reisschalenasche erfindungsgemäss etwa 1 Gew.-%.
Die Reisschalenasche ist ein sehr lockeres Produkt mit Schüttgewichten von etwa 200 g/l. Betrachtet man dieses Produkt mikroskopisch, so sieht man darin die Zellen des Aufbaues der Schalen. Diese Hohlräume bilden dann im Beton die Reserveräume.
Die Reisschalenasche hat zum Teil noch die Grösse der Schalen aus denen sie hergestellt wurde. Diese Grösse ist erfindungsgemäss zu gross und muss daher durch schonende Zerkleinerung, beispielsweise in einer Stiftmühle mit entsprechenden Sieben auf Korngrössen von unter 0, 2 mm reduziert werden.
Erfindungsgemäss ist es notwendig, zum Zement 4 bis 30 Vol.-%, vorzugsweise 8 bis 20 Vol.-% Reisschalenasche, bezogen auf den Rauminhalt der Zementpaste, zuzufügen. Das Einarbeiten in den Mischer bereitet keine Schwierigkeiten. Um das lästige Stauben vor dem Einarbeiten zu verhindern, ist es zweckmässig, die Reisschalenasche schon bei Lagerung mit einigen Prozent Wasser anzufeuchten.
Ausführungsbeispiel : Für einen Oberbeton der Autobahn wird folgende Betonmischung angesetzt. Zuschlagstoffe entsprechend der Ö-Norm B 3302 mit dem Kornaufbau : 25 Gew.-% 0 bis l mm ; 15 Grew.-% 1 bis 3 mm ; 15 Gew.-% 3 bis 7 mm ; 20 Gew.-% 7 bis 15 mm und 25 Gew.-% 15 bis 30 mm werden mit 300 kg PZ 275/m3 kurz trocken gemischt und angefeuchtet. Anschliessend kommen 80 1/m3 (dies entspricht 20 kg Trockensubstanz) feinzerkleinerte Reisschalenasche dazu. Nach intensivem Durchmischen und Einstellung der optimalen Bildsamkeit wird der Beton wie üblich verarbeitet. Dieser Beton ist vollkommen frostbeständig und wird auch nicht durch Tausalze zerstört.