BE1021721B1 - Bouwmateriaal en werkwijze om het te vervaardigen - Google Patents

Abstract

Ecologisch cement daardoor gekenmerkt dat het gevormd is door het samenvoegen van twee componenten: enerzijds een additief in gelvorm met sterk zure en sterk alkalische componenten en anderzijds een metaal- en silicium- ionenhoudend bindmiddel, waarbij een ecologisch cement gevormd wordt uit C02_arme grondstoffen, met vorming van een ecologisch cement dat traditionele portlandcement vervangt in bouwmaterialen.

Description

Bouwmateriaal en werkwijze om het te vervaardigen.

De huidige uitvinding heeft betrekking op een bouwmateriaal en op een werkwijze om het te vervaardigen.

Meer speciaal, is de uitvinding bedoeld voor het vervaardigen van beton zonder traditionele portlandcement, maar met een gelijkaardige of betere compressiesterkte.

Portlandcement is een onmisbaar ingrediënt voor het vervaardigen van traditionele beton, als bindmiddel voor zand en kiezelstenen. De vervaardiging van portlandcement is echter een energieverslindend proces, hetgeen leidt tot een aanzienlijke emissie van C02 in de atmosfeer ten gevolge van het gebruik van koolstofhoudende brandstoffen.

Het vervaardigen van portlandcement is verantwoordelijk voor 8% van de wereldwijde C02-emissies. Anderzijds dient de toename van broeikasgassen zoals C02 in de atmosfeer vermeden te worden omwille van de klimaatverandering die er het gevolg van kan zijn.

De Europese Gemeenschap streeft een economie na die weinig koolstof behoeft en vaardigt directieven uit waarbij op lange termijn tot 90 % van de bouwmaterialen zullen moeten bestaan uit gerecycleerde materialen die opnieuw gebruikt worden.

Deze gerecycleerde materialen moeten echter ook door middel van een bindmiddel samengehouden worden om er bijvoorbeeld beton mee te maken. Het traditionele bindmiddel is portlandcement, maar dat is, om hogervermelde redenen niet C02 neutraal, zodat het niet geschikt is om het nagestreefde doel te bereiken.

De huidige uitvinding heeft tot doel voor de voornoemde en andere nadelen een oplossing te bieden, doordat zij voorziet in een ecologisch cement waarmee beton met de gewenste eigenschappen vervaardigd kan worden, maar zonder traditionele portlandcement te gebruiken.

De huidige uitvinding betreft daarom een ecologisch cement gevormd door het samenvoegen van twee componenten: enerzijds een additief in gelvorm met sterk zure en sterk alkalische componenten en anderzijds een metaal- en silicium-ionenhoudend bindmiddel, waarbij een ecologisch cement gevormd wordt uit C02-arme grondstoffen, die traditionele portlandcement kan vervangen in bouwmaterialen.

Een voordeel van dit ecologisch cement is dat voor de productie van de aluminiumsilicaten erin aanwezig, veel minder C02 wordt geproduceerd, dan bij de productie van portlandcement.

Nog een voordeel van dit ecologisch cement is dat afvalproducten die aluminium-silicaten bevatten zoals glas of bepaalde stenen, in het beton verwerkt kunnen worden.

Een bijkomend voordeel van dit ecologisch cement is dat gedurende de verharding van het cement de pasta C02 fixeert hetgeen het mogelijk maakt C02-neutraal beton te vervaardigen.

Bij voorkeur omvat het additief in gelvorm sterk zure componenten zoals kiezelzuur, harsen met vrije zuren en lactaten (pH 2.2) en ook sterk basische componenten en alkali-metaal activators, zoals alkali hydroxides of gelijkaardige organische zouten (pH 12-14) en metaal-carbonaten (pH 11.6).

Een voordeel van het additief in gelvorm is dat het additief na samenvoegen met het bindmiddel het additief een oplossing veroorzaakt van de vaste metaal- en siliciumoxiden uit het bindmiddel met vorming van een ecologisch cement.

Een voordeel van het gebruik van deze zure harsen is dat ze zuur-base reacties veroorzaken gedurende hun toepassing.

Bij voorkeur bevat het additief in gelvorm een activator op basis van melkzuur-zouten dat als reactieversneller fungeert.

Een voordeel van deze reactieversneller is dat het gevormde beton sneller verhardt en sneller kan ontkist worden, hetgeen een snellere oplevering van geprefabriceerd beton of beton voor wegenwerken mogelijk maakt.

Bij voorkeur bevat het additief in gelvorm boor- verbindingen als reactievertrager.

Een voordeel van een reactievertrager is dat hiermee de verharding uitgesteld kan worden hetgeen voor sommige toepassingen zoals vervoer over langere afstand of oppompen van beton nuttig kan zijn.

Bij voorkeur wordt ecologisch beton vervaardigd door ecologisch cement volgens deze uitvinding te mengen met keien, zand of afvalglas of materialen die aluminium- en/of silicium bevatten.

Een voordeel van ecologisch beton dat door middel van deze uitvinding is vervaardigd is dat gedurende het uitharden ervan het additief in gelvorm nog C02 opneemt, hetgeen het aldus gevormd beton C02-neutraal maakt.

Nog een voordeel van het ecologisch beton dat door middel van deze uitvinding is vervaardigd, is dat aan het oppervlak ervan het sterk basisch milieu dat gecreëerd werd, zal reageren met de zuren in de atmosfeer (lees koolstofdioxide) met vorming van een verhard oppervlak dat uiteindelijk bestand is tegen zouten, zuren en basen.

Door toevoeging van het additief in gelvorm ontstaat er een complex mengsel van metaal- en silicaat-ionen die samen een vaste verbinding vormen van metaalsilicaat.

Het basisch milieu versnelt de reacties met deze ionen en daardoor wordt een sterk verzadigd netwerk gevormd. Na de gelvorming blijft het systeem zich constant reorganiseren waardoor de binding van het gel netwerk nog versterkt wordt.

Het resulterend driedimensionaal vernet ecologisch beton levert druksterktes van meer dan 60 MPa na 14 dagen. Deze druksterkte is tenminste gelijk aan of beter dan de druksterkte van traditionele betonsoorten met portlandcement vervaardigd.

Nog hogere druksterktes tot boven 70 MPa worden bekomen indien de aluminium-silicium deeltjes van het bindmiddel volledig bedekt worden met het additief in gelvorm volgens de uitvinding, zoals met microscopische opnamen aangetoond werd.

Een bijkomend voordeel van het ecologisch beton is dat de toevoeging van een bepaalde hoeveelheid additief in gelvorm de hoeveelheid aan water kunnen verminderen en dat bij behoud van eenzelfde vloeibaarheid. Dit uit zich in een verhouding water/bindmiddel van 0,30 en dit is beduidend lager dan de water/cement factor voor traditioneel beton die hoger is dan 0,45.

Als gevolg van dit lager watergehalte vertoont het ecologisch beton na uitharding zeer fijne en dichte poriënstructuren, hetgeen ertoe leidt dat het ecologisch beton ingezet kan worden bij lagere temperaturen dan met traditionele beton met portlandcement mogelijk is. Het additief in gelvorm zelf is bestand tegen vriestemperaturen waardoor wij toch binding en verharding krijgen bij temperaturen onder 0 °C.

De binding van het ecologisch beton komt immers niet tot stand door de hydratatie van het bindmiddel zoals bij traditioneel beton, maar wel het additief in gelvorm een basisch milieu creëert dat de oxides van gedaante doet veranderen ongeacht de temperatuur waarbij zij zich bevinden en dit is maximaal zo wanneer het oppervlak van de aluminium/silicium deeltjes volledig bedekt wordt met het additief in gelvorm.

Met het inzicht de kenmerken van de uitvinding beter aan te tonen, is hierna, als voorbeeld zonder enig beperkend karakter, een voorkeurdragende uitvoeringsvorm beschreven van ecologisch cement en ecologisch beton volgens de uitvinding, met verwijzing naar de bijgaande tekeningen, waarin:

Figuur 1 het verband weergeeft tussen de concentratie vrijgestelde Si4+ ionen en de concentratie van het additief in gelvorm volgens de uitvinding, en dit in functie van de tijd; figuur 2 figuur 1 weergeeft maar nu voor de concentratie vrijgestelde Al3+ ionen; figuur 3 schematisch het oppervlak van een aluminaat korrel van 35 micron diameter weergeeft na behandeling met het additief in gelvorm volgens de uitvinding bij verschillende concentraties van het additief; figuur 4 in tabelvorm de grenzen weergeeft waartussen de vier voorgestelde verhoudingen van componenten in het ecologisch beton moeten liggen; figuur 5 het verband weergeeft tussen de bekomen druksterkte in het ecologisch beton en de verhouding bindmiddel / additief in gelvorm in het ecologisch beton.

Figuur 1 toont een curve die de concentratie van silicium ionen (Si4+) die uit het bindingsmiddel vrijkomen in functie van de tijd weergeeft ten gevolge van het contact met het additief in gelvorm en dit voor een drietal concentraties van het additief (5 M, 10 M en 15 M) waarbij M staat voor molaire concentratie van elk bestanddeel in het additief aanwezig.

Figuur 2 toont een curve die de concentratie van aluminium ionen (A13+) die uit het bindingsmiddel vrijkomen in functie van de tijd weergeeft ten gevolge van het contact met het additief in gelvorm en dit voor een drietal concentraties van het additief (5 M, 10 M en 15 M).

Figuur 3 toont het oppervlak van een bolvormig aluminaatdeeltje 1 van 35 micrometer diameter na inwerking van het additief in gelvorm volgens de uitvinding, en dit voor een drietal concentraties van het additief (5 M, 10 M en 15 M) , zoals onder een microscoop waargenomen.

Figuur 4 geeft in tabelvorm de grenzen weer van de verhoudingen van vier ingrediëntenparen, waartussen deze verhoudingen moeten liggen, om de druksterkte uit een grafiek te kunnen aflezen.

Zo dient de verhouding - S1O2/AI2O3 - tussen 1 en 10 te liggen, en de verhouding - additief in gelvorm /A1203 -tussen 1 en 15, terwijl de verhouding - additief in gelvorm/Si02 - tussen 1 en 7 dient te liggen, en de verhouding - water/additief in gelvorm - tussen 20 en 55 moet liggen, om toe te laten de te verwachten druksterkte te kunnen aflezen uit de grafiek weergegeven in figuur 5.

Figuur 5 geeft het verband weer van de bekomen compressiesterkte van het ecologisch beton in functie van de verhouding - ecologisch cement/additief in gelvorm - , en dit voor vier verschillende concentraties van het additief in gelvorm 2.

De werkwijze om ecologisch beton te vervaardigen, maakt deel uit van deze uitvinding en kan met de volgende stappen beschreven worden. - Eerst wordt het ecologisch cement bereid door het mengen van het additief in gelvorm met een bindmiddel dat metaal-en siliciumoxiden bevat, waaruit een complex mengsel van metaal- en siliciumoxiden ontstaat dat tot een vaste verbinding van metaalsilicaat leidt.

Het additief in gelvorm bevat sterke zuren en basen die ervoor zorgen dat de silicium-ionen en de metaal-ionen uit het bindmiddel zoals aluminium, in oplossing gaan en verder kunnen reageren. - Daarna wordt het cement gemengd met een vulmateriaal dat aluminium- en/of siliciumhoudend is zoals glas of recyclagematerialen. - Daarna worden eventueel procesversnellers of -vertragers toegevoegd om de uithardingssnelheid van het ecologisch beton te sturen. Versnellende additieven zoals melkzuur-zouten of vertragende additieven zoals boorverbindingen kunnen optioneel aan het mengsel worden toegevoegd.

Het gegoten ecologisch beton hardt uit na het reorganiseren van de gel en wordt vervolgens uit zijn bekisting of matrijs verwijderd.

Het gegoten ecologisch beton is C02-neutraal omdat er minder energie nodig is om het ecologisch cement te maken en omdat C02 uit de lucht bij het uitharden wordt opgenomen.

Bij de uitharding ontstaat hydratatiewarmte, doch de warmtehoeveelheid is maar een vierde van de hoeveelheid warmte voor traditioneel beton met portlandcement en met dezelfde afmeting. Dit is zo vooral omdat bij het hydrateren van CaO, gevormd uit de pyrolyse van СаСОЗ met vorming van portlandcement, veel meer warmte vrijkomt dan bij het hydrateren van de silicaten en aluminaten in het ecologisch beton.

Deze eigenschappen laten toe het ecologisch beton toe te passen voor massieve constructies, zoals een stuwdam in beton, waarbij het geheel sneller afgewerkt kan zijn, omdat het ecologisch beton minder warmte produceert dan een traditioneel beton met portlandcement waardoor er een minder groot temperatuursverschil is tussen het inwendige en het uitwendige van de constructie.

Deze eigenschappen zijn ook nuttig voor het toepassen van ecologisch beton in geprefabriceerd beton. Met versnelde uitharding kan het ecologisch beton veel sneller uit de matrijs of bekisting worden gehaald dan bij traditionele beton met portlandcement, zodat een beduidend hogere productie per tijdseenheid gehaald kan worden met dezelfde matrijs of herbruikbare bekisting.

De huidige uitvinding is geenszins beperkt tot de als voorbeeld beschreven en in de figuren weergegeven uitvoeringsvormen, doch het ecologisch cement en de werkwijze om ecologisch beton te bekomen volgens de uitvinding kan in allerlei vormen, afmetingen, en varianten worden verwezenlijkt zonder buiten het kader van de uitvinding te treden.

Claims (7)

1. Conclusies .

   1. - Ecologisch cement daardoor gekenmerkt dat het gevormd is door het samenvoegen van twee componenten: enerzijds een additief in gelvorm met sterk zure en sterk alkalische componenten en anderzijds een metaal- en silicium-ionenhoudend bindmiddel, waarbij een ecologisch cement gevormd wordt uit СОг~агте grondstoffen, met vorming van een ecologisch cement dat traditionele portlandcement vervangt in bouwmaterialen.
2. 2. - Ecologisch cement volgens conclusie 1, daardoor gekenmerkt dat het additief in gelvorm sterk zure componenten omvat zoals kiezelzuur, harsen met vrije zuren en lactaten (pH 2.2) en ook sterk basische componenten en alkali-metaal activators omvat zoals alkali hydroxides of gelijkaardige organische zouten (pH 12-14) en metaal-carbonaten (pH 11.6).
3. 3. - Ecologisch beton daardoor gekenmerkt dat het vervaardigd is door ecologisch cement volgens de uitvinding te mengen met keien, zand of afvalglas of materialen die aluminium- en/of silicium-ionen bevatten.
4. 4. - Ecologisch cement volgens conclusie 2, daardoor gekenmerkt dat het additief in gelvorm een activator op basis van melkzuur-zouten bevat die als reactieversneller fungeert.
5. 5. - Ecologisch cement volgens conclusie 2, daardoor gekenmerkt dat het additief in gelvorm boorverbindingen bevat die als reactievertrager fungeren.
6. 6. - Ecologisch beton daardoor gekenmerkt dat het beton vervaardigd is door ecologisch cement volgens conclusie 1 te mengen met keien, zand of afvalglas of materialen die aluminium- en/of silicium-ionen bevatten.
7. 7. - Werkwijze om ecologisch beton te vervaardigen daardoor gekenmerkt dat ze de volgende stappen omvat: - Het bereiden van ecologisch cement door het mengen van het additief in gelvorm met een bindmiddel dat metaal- en siliciumoxiden bevat; - het mengen van het ecologisch cement met een vulmateriaal dat aluminium- en/of siliciumhoudend is zoals glas of recyclagematerialen; het optioneel toevoegen van procesversnellers of vertragers om de uithardingssnelheid van het ecologisch beton te sturen waarbij versnellende additieven zoals melkzuurzouten of vertragende additieven zoals boorverbindingen aan het mengsel worden toegevoegd; - het laten uitharden van het gegoten ecologisch beton tot de uitharding volledig is en vervolgens het verwijderen ervan uit zijn bekisting of matrijs.