DE10009833A1

DE10009833A1 - Zementgemische mit höherer Fliessfähigkeit

Info

Publication number: DE10009833A1
Application number: DE2000109833
Authority: DE
Inventors: Richard C First; Frank T Gay; Jeffrey T Champa
Original assignee: MBT Holding AG
Current assignee: Construction Research and Technology GmbH
Priority date: 1999-03-03
Filing date: 2000-03-01
Publication date: 2000-09-07
Also published as: GB2347414A; AT409862B; ATA3272000A; AU2061700A; GB0004558D0; JP2000272948A

Abstract

Beschrieben wird ein Verfahren zum Verspritzen eines Zementgemisches auf ein Substrat, das ein Aufschäumen des Gemisches mit Hilfe eines zugesetzten Treibmittels, ein Fördern des aufgeschäumten Gemisches zu einer Sprühdüse und ein Zuleiten von Druckluft und eines nicht-beschleunigenden Versteifungsmittels in das Gemisch an der Düse umfaßt. Die Versteifungsmittelmenge ist ausreichend, um das Gemisch bei Kontakt mit dem Substrat zu versteifen. Das Verfahren eignet sich insbesondere zum Verspritzen von feuerfesten Betonen.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft aufschäumbare Zementgemische. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung Zementgemische, die in situ unter Erreichung einer höheren Fließfähigkeit für Spritzverfahrensanwendungen aufgeschäumt werden und bei denen der Schaum aus der Endzusammen setzung nach Verspritzen entfernt worden ist.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Beim Verfahren zum Verspritzen von Beton im Rahmen eines Naßspritzverfahrens wird ein Zementgemisch pumpfähiger Konsistenz durch Pumpen oder durch pneumatische Beförderung des Gemi sches zum Anwendungszeitpunkt durch Rohrleitungen oder Schlauchleitungen zu einer Düse geführt. An der Düse wird Druckluft eingeleitet. Dies bricht den festen Betonstrom auf, der anschließend unter Zwang aus der Düse herausgeführt und auf ein Substrat aufgespritzt werden kann. Ein rasches Verfestigen oder Härten dieses verspritzten Zementgemisches kann durch Einführen eines Härtungsaktivierungsmittels, das mit Hilfe spezieller Dosiervorrichtungen oder durch Einarbeiten in die Druckluft zugesetzt werden kann, in den Betonstrom erreicht werden. Dieses Verfahren ist in der US-5 628 940 A beschrieben. Es ist jedoch immer noch wünschenswert, ein Betongemisch mit höherer Fließfähigkeit über weite Distanzen hinweg zu haben.

Typischerweise sind hohe Drücke (etwa 4000 psi (28,17 MPa) oder mehr) erforderlich, um ein Zementbetongemisch für eine Spritzbetonanwendung entweder durch Pumpen oder auf pneumatischem Wege zu befördern. Es ist wünschenswert, den erforderlichen Druck zu verringern, um die Geräte- und Betriebskosten zu senken und um für eine einfache Verwendung zu sorgen.

Insbesondere für feuerfeste Betone ist ein Weiterleiten des Zementgemisches schwieriger. Feuerfeste Betone, die auf dem Gebiet der feuerfesten Materialien industriell als hauptsächliche Bindemittel für monolithische feuerfeste Auskleidungen verwendet werden, basieren typischerweise auf aluminiumoxidreichen Calciumaluminatzementen. Diese Zemente besitzen eine andere Stöchiometrie als die in Portland-Zementen vorhandene Calciumaluminatkomponente. Die Struktur des gehärteten feuerfesten Betons besitzt eine kristalline Natur, während die Struktur eines gehärteten Portland-Zementbetons eine gelatinöse Natur besitzt. Darüber hinaus besitzen nicht eingesetzte trockene feuerfeste Betongemische Alte rungsprobleme, wie sie bei Portland-Zementbetongemischen nicht festgestellt werden. Insbesondere im Verlaufe einer mehrmonatigen Lagerung nimmt die Fließfähigkeit des feuerfesten Betongemisches ab, wobei sich selbst beschleunigte Gemischverfestigungszeiten verlängern.

Ein Verfahren zur Erhöhung der Fließfähigkeit von Zementgemischen besteht darin, die Teilchengrößeverteilung der Aggregate im Zementgemisch zu optimieren. In feuerfesten Zementgemischen auf der Basis von Aluminiumoxid und Spinell besitzt das Gemisch jedoch eine Dilatanz selbst bei gut gesteuerten Teilchengrößen.

Ein weiteres auf dem einschlägigen Fachgebiet zur Erhöhung der Fließfähigkeit von Zement gemischen bekanntes Verfahren besteht darin, dem Gemisch zur Verringerung der Dichte Schaum zu zusetzen. Typischerweise wird getrennt von dem Zementgemisch ein Schaum erzeugt und dieser an schließend mit dem Zementgemisch vermischt. In der US-5 393 341 A wird das Schäumen eines Betonge misches bis zu einem quasi einstufigen Vorgang gefördert. Dieser Vorgang erfordert keine vorzeitige Herstellung des Schaums, er erfordert jedoch die getrennte Zugabe eines Treibmittels zu dem Zement gemisch über eine Mischkammer. Dies erfordert, daß das Treibmittel getrennt von dem Zementgemisch eingespeist wird. Ferner ist auf der Arbeitsseite die weitere Stufe eines Einmischens des Treibmittels in das Zementgemisch erforderlich.

Auf dem einschlägigen Fachgebiet wird kein Zementgemisch zur Verwendung in Spritzbe tonanwendungen, insbesondere kein feuerfestes Zementgemisch offenbart, in dem ein Treibmittel vorhanden ist das in situ unter Erhöhung der Fließfähigkeit des Zementgemisches aufgeschäumt wird, wobei das Zementgemisch anschließend vor Beschichten eines Substrats mit einem Zementüberzug, der das Gemisch umfaßt, entschäumt wird. Es gibt einen auf dem einschlägigen Fachgebiet anerkannten Bedarf hinsichtlich einer Verbesserung der Fließfähigkeit von Betongemischen, insbesondere von feuerfesten Betongemischen.

Für Pumpanwendungen bei feuerfesten Materialien wurden bisher in feuerfesten Gemischen Treibmittel nicht verwendet, da es erwünscht war, so viel Luft wie möglich aus dem Gemisch auszu schließen, so daß die verspritzte feuerfeste Masse nicht porös ist und eine äquivalente Dichte aufweist, um feuerfeste Einheiten zu gießen. Ferner sind Treibmittel organische Verbindungen, wobei es bei an fänglichem Erwärmen des Ofens dazu kommt, daß jegliche vorhandenen Treibmittel "ausgebrannt" werden, was möglicherweise zu einer unerwünschten Porosität des letztendlichen gebrannten Gegenstands führen kann, wenn die feuerfeste Einheit aufgeschäumt war. Poröse Überzüge neigen dazu, daß sie ein Eindringen von Wärme und Ausgangsmaterialien zur Ofenwand ermöglichen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es folglich, für eine höhere Fließfähigkeit bei einem Zementgemisch in einer Sprühprozeßanwendung zu sorgen.

Weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein feuerfestes Gemisch, in dem ein or ganisches Treibmittel, das nicht zu einer unerwünschten Porosität des erhaltenen aufgespritzten Überzugs beiträgt, enthalten ist, für eine Spritzverfahrensanwendung bereitzustellen.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung liefert ein Verfahren zum Bespritzen eines Substrats mit einem Zementgemisch in den folgenden Stufen:
Bereitstellen eines Zementgemisches, das einen Zement, ein organisches Treibmittel, Aggregat und Wasser umfaßt;
Aufschäumen des Zementgemisches;
Fördern des Gemisches zu einer Sprühdüse;
Zuleiten von Druckluft und einer Menge eines nicht-beschleunigenden Versteifungsmittels zu der Sprühdüse in einer ausreichenden Menge, um für eine im wesentlichen augenblickliche Versteifung des Zementgemisches auf dem Substrat zu sorgen; und
Aufspritzen des Zementgemisches auf das Substrat, wobei das Gemisch bei Kontakt mit dem Substrat im wesentlichen augenblicklich versteift und hydratisiert, wobei ein im wesentlichen entschäumter, nichtporöser Zementüberzug gebildet wird.

Die vorliegende Erfindung liefert ferner ein feuerfestes Gemisch, das einen feuerfesten Zement, ein organisches Treibmittel und Aggregat umfaßt.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Gegenstand einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Besprit zen eines Substrats mit einem Zementgemisch in den folgenden Stufen:
Bereitstellen eines Zementgemisches, das einen Zement, ein organisches Treibmittel, Aggregat und Wasser umfaßt;
Aufschäumen des Zementgemisches;
Fördern des Zementgemisches zu einer Sprühdüse;
Zuleiten von Druckluft und einer Menge eines nicht-beschleunigenden Versteifungsmittels zu der Sprühdüse in einer ausreichenden Menge, um für eine im wesentlichen augenblickliche Versteifung des Zementgemisches auf dem Substrat zu sorgen; und
Aufspritzen des Zementgemisches auf das Substrat, wobei das Gemisch im wesentlichen au genblicklich bei Kontakt mit dem Substrat eine Verfestigung erfährt und unter Bildung eines im wesent lichen entschäumten, nichtporösen Zementüberzugs hydratisiert.

Die Förderung des Gemisches kann durch Pumpen oder pneumatisches Fördern erreicht werden.

In einem bevorzugten Verfahren wird das aufgeschäumte Zementgemisch durch einen Schlauch gepumpt, an dessen Ende eine Düse angebracht ist, die die folgenden Bestandteile zusammen bringt: Einen das gepumpte Zementgemisch enthaltenden Schlauch, einen eine bekannte Dosis Ver steifungsmittel freisetzenden Schlauch und einen oder zwei ein großes Volumen Druckluft freisetzende Schläuche. Vorzugsweise wird ein großes Volumen Druckluft an der Düse freigesetzt.

Der erfindungsgemäß verwendbare Zement umfaßt - ohne darauf begrenzt zu sein - Calci umaluminatzement, hydratisierbare Alaunerde, hydratisierbares Aluminiumoxid, kolloidales Siliciumdi oxid, Siliciumoxid, Portland-Zement, Magnesiumoxid und Gemische hiervon.

Die rheologischen Eigenschaften des erfindungsgemäßen Zementgemisches unterscheiden sich von den Gemischen mit mitgeführter Luft des Standes der Technik, die bis zu 10 Vol.% Luft enthalten. Das erfindungsgemäße Treibmittel liefert eine Verringerung der Dilatanz, wodurch eine Pumpfähigkeit bei etwa 25-35 Vol.-% Luft ermöglicht wird.

Die erfindungsgemäßen Treibmittel sind organische Verbindungen. Erfindungsgemäß ver wendbare Treibmittel umfassen Alkanolamide, Alkanolamine, Alkylarylsulfonate, Polyethylenoxid/Poly propylenoxid-Blockcopolymere, Alkylphenolethoxylate, Carboxylate von Fettsäuren, Ethoxylate von Fettsäuren, Sulfonate von Fettsäuren, Sulfate von Fettsäuren, fluorkohlenstofthaltige grenzflächenaktive Mittel, Olefinsulfonate, Olefinsulfate, hydrolysierte Proteine und Gemische hiervon. Ein bevorzugtes Treibmittel ist ein alpha-Olefinsulfonat, das unter der Marke RHEOCELL® RHEOFILL™ von Master Builders, Inc., Cleveland, Ohio, vertrieben wird.

Erfindungsgemäße Alkanolamidtreibmittel umfassen - ohne darauf begrenzt zu sein - solche mit etwa 12 bis etwa 20 Kohlenstoffatomen.

Erfindungsgemäße Alkanolamintreibmittel umfassen - ohne darauf begrenzt zu sein - solche mit etwa 12 bis etwa 20 Kohlenstoffatomen.

Erfindungsgemäße Alkylarylsulfonattreibmittel umfassen - ohne darauf begrenzt zu sein - solche mit einer Arylgruppe und mit Alkylgruppen mit etwa 12 bis etwa 20 Kohlenstoffatomen.

Erfindungsgemäße Polyethylenoxid/Polypropylenoxid-Blockcopolymere umfassen - ohne darauf begrenzt zu sein - solche mit etwa 10 bis etwa 20 Einheiten eines jeden Blocks.

Erfindungsgemäße Alkylphenolethoxylattreibmittel umfassen - ohne darauf begrenzt zu sein - solche mit einer Alkylgruppe mit etwa 12 bis etwa 20 Kohlenstoffatomen.

Erfindungsgemäße Treibmittel in Form von Carboxylaten einer Fettsäure umfassen - ohne darauf begrenzt zu sein - solche, worin die Fettsäureeinheit etwa 12 bis etwa 20 Kohlenstoffatome auf weist.

Erfindungsgemäße Treibmittel in Form von Ethoxylaten einer Fettsäure umfassen - ohne darauf begrenzt zu sein - solche, worin die Zahl der Ethoxylatgruppen etwa 10 bis etwa 20 beträgt und die Fettsäureeinheit etwa 12 bis 20 Kohlenstoffatome aufweist.

Erfindungsgemäße Treibmittel in Form von Sulfonaten einer Fettsäure umfassen - ohne darauf begrenzt zu sein - solche, worin die Fettsäureeinheit etwa 12 bis etwa 20 Kohlenstoffatome aufweist.

Erfindungsgemäße Treibmittel in Form von Sulfaten einer Fettsäure umfassen - ohne darauf begrenzt zu sein - solche, worin die Fettsäureeinheit etwa 12 bis etwa 20 Kohlenstoffatome aufweist.

Erfindungsgemäße fluorkohlenstoffhaltige grenzflächenaktive Treibmittel umfassen - ohne darauf begrenzt zu sein - solche mit etwa 12 bis etwa 20 Kohlenstoffatomen, wobei eine oder mehrere CH₂-Einheiten durch CF₂-Einheiten ersetzt sind.

Erfindungsgemäße Olefinsulfonattreibmittel umfassen - ohne darauf begrenzt zu sein - solche mit etwa 12 bis etwa 20 Kohlenstoffatomen.

Erfindungsgemäße Olefinsulfattreibmittel umfassen - ohne darauf begrenzt zu sein - solche mit etwa 12 bis etwa 20 Kohlenstoffatomen.

Erfindungsgemäße hydrolysierte Proteintreibmittel umfassen - ohne darauf begrenzt zu sein - die von der Hydrolyse von Proteinen abgeleiteten Produkte. Das relative Molekulargewicht des Proteins kann ein beliebiges Molekulargewicht sein, das ihr eine Treibwirkung im Zementgemisch sorgt. Vorzugs weise liegt das relative Molekulargewicht in einem Bereich von etwa 10.000 bis etwa 50.000. Bevorzugte hydrolysierte Proteine sind hydrolysierte Gelatine, hydrolysiertes Collagen und hydrolysierte Proteine, die von Blut abgeleitet sind. Ein nicht einschränkendes Beispiel für hydrolysierte Gelatine ist TG222 von Milligan & Higgins (Johnstown, New York).

Die Treibmittel können in dem Zementgemisch in einer Menge von etwa 0,02 bis etwa 0,1%, bezogen auf das Gesamtgewicht des Betongemisches, vorhanden sein. Die optimale zu verwendende Treibmittelmenge hängt von der Aggregatabstufung des Zementgemisches sowie von der Wirksamkeit des speziellen bereitgestellten Treibmittels ab.

Der Schaum wird in dem Zementgemisch durch ein Durchmischen erzeugt. Wenn die Kompo nenten des Zementgemisches vermischt werden, wird Schaum erzeugt.

Die im Zementgemisch erzeugte ungefähre Schaum- oder Porositätsmenge hängt von mehreren Faktoren ab. Hierzu gehören die Abstufung der Aggregatteilchen, der prozentuale Anteil der feinen Teilchen (einer Maschenzahl von größer als 140 (ASTM E-11)) im Gemisch, der Wassergehalt des Gemi sches, der zum Vermischen verwendete Mischertyp, die Länge der Mischzeit und die Umgebungstempe ratur. Bei Verwendung des bevorzugten alpha-Olefinsulfonattreibmittels gemäß der vorliegenden Erfindung beträgt der durch die Zugabe der speziellen oder nominalen Dosis erzeugte typische Porositäts(schaum)gehalt etwa 25 bis etwa 35 Vol.%.

Normalerweise ist es wünschenswert, daß die fertigen Zementgegenstände oder Überzüge eine eingeschränkte oder gesteuerte Porosität aufweisen. Die vorliegende Erfindung, die die Merkmale, eine höhere Pumpfähigkeit des Zementgemisches und ein höheres Volumen von Druckluft an der Düse, erreicht, erhöht die Geschwindigkeit des auf das zu beschichtende Substrat aufgespritzten Zementgemisches in einer derartigen Weise, daß der Schaum gebrochen wird und die erhaltene Porosität des Gemisches bei Auftreffen des Materials auf die Substratoberfläche verringert wird. Der erhaltene Überzug ist dicht und vermag bei Verwendung zur Ausbildung eines feuerfesten Betonüberzugs das Substrat, beispielsweise eine Ofenwand, vor dem Eindringen von Wärme und Ausgangsmaterialien zu schützen.

Die Versteifungsmittel fördern eine Versteifung des Zementgemisches bei Applikation auf das Substrat, so daß ein Rutschen des Gemisches verhindert wird. Die Versteifungsmittel sind hinsichtlich des Zements nicht beschleunigend. Erfindungsgemäß verwendbare Versteifungsmittel umfassen vorgelatinierte Stärken, Celluloseether, Polyethylenoxide, Alginate, Carageene, Polyvinylalkohol, synthetische Polyelektrolyte, natürliche Gummis und Gemische hiervon. Ein bevorzugtes Versteifungsmittel ist ein unter der Marke PS-1151 von Master Builders, Inc., Cleveland, Ohio, vertriebenes geschütztes Gemisch von Celluloseethern.

Celluloseetherversteifungsmittel gemäß der vorliegenden Erfindung umfassen - ohne darauf begrenzt zu sein - Hydroxyethylcellulose.

Polyethylenoxidversteifungsmittel gemäß der vorliegenden Erfindung umfassen - ohne darauf begrenzt zu sein - solche mit einem massegemittelten Molekulargewicht von mehr als etwa 100.000.

Polyvinylalkoholversteifungsmittel gemäß der vorliegenden Erfindung umfassen - ohne darauf begrenzt zu sein - solche mit einem massegemittelten Molekulargewicht von größer als etwa 1000.

Synthetische Polyelektrolytversteifungsmittel gemäß der vorliegenden Erfindung umfassen - ohne darauf begrenzt zu sein - Polyacrylamide mit einem massegemittelten Molekulargewicht von größer als etwa 10.000, Polyvinylsulfonate mit einem massegemittelten Molekulargewicht von größer als etwa 1000, Carboxyvinylpolymere mit einem massegemittelten Molekulargewicht von größer als etwa 1000 und Gemische hiervon.

Natürliche Gummiversteifungsmittel gemäß der vorliegenden Erfindung umfassen - ohne darauf begrenzt zu sein - Guargummi, Welangummi und Gemische hiervon.

Die im erfindungsgemäßen Verfahren als gewichtsprozentualer Anteil des Zementgemisches verwendbare Versteifungsmittelmenge hängt von Faktoren ab, mit denen ein Fachmann auf dem einschlä gigen Fachgebiet vertraut ist. Diese Faktoren umfassen: 1.) das spezielle verwendete Versteifungsmittel, 2.) die in dem Betongemisch verwendeten Gemischtypen und 3.) die Temperatur des Betongemisches. Erfindungsgemäß können Versteifungsmittel in einem bevorzugten Bereich von etwa 0,5 bis etwa 0,7%, bezogen auf das Gesamtgewicht des Zementgemisches, zugegeben werden.

Das Versteifungsmittel versteift das Zementgemisch auf dem Zielsubstrat durch Festhalten des Wassers, das an den Porenwänden vorhanden ist, nachdem die Poren bei Auftreffen kollabieren. Der Versteifungsmechanismus beeinträchtigt das normale Verfestigungsverhalten des Zementgemisches nicht signifikant.

Im erfindungsgemäßen Verfahren beeinträchtigen die oben genannten Gemische die End eigenschaften des Zementgemisches, verglichen mit Zementgemischen, denen die Treibmittel und/oder Ver steifungsmittel nicht zugesetzt werden, wenn die Zementgemische in der hier beschriebenen Weise appliziert werden, nicht in widriger Weise. Erfindungsgemäß sollte das Material nicht beliebig schneller gepumpt werden als es erforderlich ist, so daß die Druckluft den kompakten Zementstrom aufbrechen kann und ferner die notwendige Geschwindigkeit zur Entfernung der Porosität des Zementgemisches bei Auftreffen auf das Substrat durch Brechen des Schaums zu liefern vermag. Dies führt zu der gewünschten Dichte und Porosität im Endprodukt.

In Fällen, in denen das Zementgemisch ein feuerfestes Gemisch ist, wird das feuerfeste Gemisch nach Applizieren des feuerfesten Gemisches auf das Substrat, beispielsweise eine Ofenwand, gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren gebrannt. Die organischen Materialien im Gemisch, das Treibmittel und das Versteifungsmittel, werden beim Brennen "ausgebrannt" und sind somit nicht länger vorhanden. Der erhaltene feuerfeste Zementüberzug entwickelt keine Porosität oder Glasphasen, die für die Integrität des Überzugs schädlich sind. Im Gegensatz dazu bleiben anorganische Treibmittel bei Brennen in Verbindung mit dem feuerfesten Beton in dem Gegenstand und beeinträchtigen die Eigenschaften des gebrannten feuerfesten Gegenstands, beispielsweise durch Ausbilden von Glasphasen, die die Integrität des Überzugs bei den Betriebstemperaturen gefährden. Somit werden in einem erfindungsgemäßen Verfahren die Hochtemperaturleistungsfähigkeitseigenschaften des gebrannten feuerfesten Gegenstands nicht merklich beeinträchtigt. Da das feuerfeste Gemisch zu diesem Zeitpunkt nicht aufgeschäumt ist, erzeugt das Ausbrennen der organischen Materialien nicht in merklichem Ausmaß eine Porosität des gebrannten Endgegenstands.

Das feuerfeste Gemisch kann zusätzlich Wasser umfassen. Das Wasser ist in einer Menge von etwa 4 bis etwa 8%, bezogen auf das Trockengewicht des Zements, vorhanden.

In einer Ausführungsform ist das neue feuerfeste Gemisch für eine Verwendung in einem Spritzbetonverfahren zum Aufspritzen des feuerfesten Gemisches auf ein Substrat angepaßt. Obwohl diese Beschreibung Spritzbetonanwendungen beschreibt, ist die vorliegende Erfindung für jede beliebige Anwendung einsetzbar, in der ein feuerfestes Gemisch zu einem Applikationspunkt geführt und auf ein Substrat aufgespritzt werden soll.

Die erfindungsgemäß verwendbaren feuerfesten Bindemittel umfassen - ohne darauf begrenzt zu sein - Calciumaluminatzement, kolloidales Siliciumdioxid, Siliciumoxid, hydratisierbare Alaunerde, hydratisierbares Aluminiumoxid, Magnesiumoxid und Gemischen hiervon.

Feuerfeste Zementgemische umfassen üblicherweise etwa 10 bis etwa 40 Gew.-% Feinstoffe, einschließlich etwa 0 bis etwa 30 Gew.-% Calciumaluminatzement, 0 bis etwa 10 Gew.-% Quarzstaub oder Mikrosilica und etwa 0 bis etwa 20 Gew.-% calciniertes Aluminiumoxid, wobei der Rest des Gemisches aus klassiertem Aggregat, das - ohne darauf begrenzt zu sein - calcinierte Flinttone, Bauxite oder tafelförmiges Aluminiumoxid umfaßt, besteht. Das Gemisch kann ferner bis zu etwa 5 Gew.-% synthetische Fasern enthalten.

Die Calciumaluminatphasen, die den Hauptanteil des Calciumaluminatzements mit hohem Aluminiumoxidanteil ausmachen, sind hauptsächlich CA und CA₂. Weitere aluminiumoxidhaltige Phasen in dem Calciumaluminatzement mit hohem Aluminiumoxidanteil sind C₄AF, C₄A₃S (Sulfat) und C₂AS, die allesamt kristallin sind. Die Aluminatphasenvergesellschaltung in dem Calciumaluminatzement mit hohem Aluminiumoxidanteil unterscheidet sich merklich von der der primären calcium- und aluminiumhaltigen Phase im Portland-Zement, bei der es sich um C₃A handelt, wobei C₄AF auch im Großteil der Portland-Zemente vorhanden ist. Beim Vermischen des Zements mit Wasser beginnen verschiedene Phasen zu hydratisieren und Hydratationsreaktionsprodukte auszubilden. Das letztendliche Hydratationsprodukt in dem Calciumaluminatzementsystem mit hohem Aluminiumoxidanteil ist ein kristallines Produkt, während im Portland-Zement das primäre Hydratationsprodukt ein amorphes Gel ist. Abkürzung besitzen die in der Industrie akzeptierte Bedeutung, wie sie in der folgenden Tabelle A angegeben ist.

Tabelle A

Ein Beispiel für ein Calciumaluminatfeuerfestbetongemisch mit hohem Aluminiumoxidgehalt ist in der folgenden Tabelle 1 (angegeben in Gew.-%) dargestellt.

Tabelle 1

Erfindungsgemäß verwendbare Treibmittel umfassen die oben angegebenen organischen Treibmittel. Ein bevorzugtes Treibmittel ist ein alpha-Olefinsulfonat, das unter der Marke RHEOCELL® RHEOFILL™ von Master Builders, Inc., Cleveland, Ohio, vertrieben wird.

Die Treibmittel können in dem feuerfesten Gemisch in Mengen von etwa 0,02 bis etwa 0,1%, vorzugsweise in Mengen von etwa 0,02 bis 0,06%, bezogen auf das Gesamtgewicht des feuerfesten Ge mischs, vorhanden sein. Die optimale Menge des zu verwendenden Treibmittels hängt von der Aggre gatabstufung des feuerfesten Betongemisches ab. Je stärker die Aggregatabstufung abstandsklassiert (gap graded) ist, desto kleiner ist die für einen gewünschten Schaumgehalt erforderliche Treibmitteldosis. Die vorliegende Erfindung wird im folgenden anhand der folgenden nicht-beschränkenden Beispiele weiter veranschaulicht.

BEISPIELE

Hier und im folgenden besitzen die folgenden Ausdrücke die folgende Bedeutung: PLC be zeichnet die prozentuale Länge der Veränderung. Der Ausdruck MOR bezeichnet den Bruchmodul und der Ausdruck HMOR bezeichnet den Heißbruchmodul.

Bei Gemischen, die im Rahmen eines Spritzbetonverfahrens verspritzt werden, werden die Gemische durch eine Allentown-MR-450-Pumpe von Allentown Pump and Gun, eine Abteilung der Master Builders Inc., gepumpt. Der Schlauch besitzt einen Durchmesser von 1,5 Zoll (3,81 cm). Druckluft wird an der Düse zugesetzt.

Der Test wird durchgeführt, um die Wirkungen des Treibmittels und des Versteifungsmittels gemäß der vorliegenden Erfindung zu bestimmen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2A angegeben. Alle Gemische basieren auf einem feuerfesten Zementgemisch, das mit einem unter der Marke SFL-224 von Alcoa Industrial Chemicals, Bauxite, Arkansas, vertriebenen, geschützten tafelförmigen Aluminiumoxid/Spinell-Feuerfestbetongemisch hergestellt wurde. Jedes Gemisch enthält 300 englische Pfund (136,1 kg) feuerfesten Zement. Der Prozentanteil Wasser ist, bezogen auf die Wassermenge im Gesamtgewicht aus Zement und Wasser, angegeben. Das in den Beispielen "Mischungen" mit einem vor handenen Treibmittel verwendete Treibmittel ist ein alpha-Olefinsulfonat, das von Master Builders Inc., Cleveland, Ohio, unter der Marke RHEOCELL® RHEOFILLT™ vertrieben wird.

Einige der Gemische werden im Rahmen eines Spritzbetonverfahrens verspritzt, während andere als Stäbe für Vergleichszwecke gegossen werden. Die Gemische 4A, 5A und 6A sind sowohl gegos sen worden als auch gespritzt worden. Für das gegossene Gemisch 4A wurden insgesamt fünf Stäbe gegos sen, wobei drei bei 1000°C und zwei bei 1500°C gebrannt wurden.

Die Gemische 3A, 4A und 5A enthalten ein dem Zementgemisch zugesetztes Dispergiermittel. Bei dem Dispergiermittel handelt es sich um ein beta-Naphtalinsulfonsäureformaldehydkondensat (BNS). Darüber hinaus wird an der Düse bei den verspritzten Gemischen ein Versteifungsmittel zugesetzt. Das Gemisch 1A verwendet ein unter der Marke RA-160 von Master Builders, Inc., Cleveland, Ohio, vertriebenes Aluminiumsalz. Das Gemisch 6A verwendet ein unter der Marke RA-430 von Master Builders, Inc., Cleveland, Ohio, vertriebenes Natriumsilicat. Die Gemische 2A bis 5A verwenden ein unter der Marke PS-1151 von Master Builders, Inc., Cleveland, Ohio, vertriebenes, geschütztes Gemisch von Celluloseethern.

Die zugesetzte Treibmittelmenge verringert den Pumpdruck nicht. Das Treibmittel in den Gemischen 1A bis 6A ist in einer Menge unterhalb der wirksamen Dosis vorhanden.

Das Gemisch 6A weist keinerlei in den gegossenen Stäben vorhandenes Treibmittel oder Versteifungsmittel auf und stellt den Standard dar, mit dem die gespritzten Gemische verglichen werden sollen.

Eine zweite Vergleichsstudie wird unter Verwendung von feuerfesten Zementgemischen auf der Basis eines unter der Marke SFL-224 von Alcoa Industrial Chemicals, Bauxit, Arkansas, vertriebenen, geschützten tafelförmigen Aluminiumoxid/Spinell-Feuerfestbetongemisches durchgeführt. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2B angegeben. Jedes Gemisch enthält 300 englische Pfund (136,1 kg) feuerfesten Zement. Die prozentuale Menge Wasser ist auf die Wassermenge im Gesamtgewicht aus Zement und Wasser bezogen. Das in den Gemischen mit vorhandenem Treibmittel verwendete Treibmittel ist ein alpha- Olefinsulfonat, das unter der Marke RHEOCELL® RHEOFILL™ von Master Builders, Inc., Cleveland, Ohio, vertrieben wird.

Proben der Gemische werden sowohl gegossen als auch verspritzt. Der Rest der Gemische weist ein dem Zementgemisch zugesetztes Dispergiermittel, nämlich BNS, auf. Darüber hinaus wird an der Düse ein Versteifungsmittel in einer Menge von 1,3 englische Pfund (0,59 kg) pro min bei den verspritzten Gemischen zugesetzt. Das Versteifungsmittel ist ein unter der Marke PS-1151 von Master Builders, Inc., Cleveland, Ohio, vertriebenes, geschütztes Gemisch aus Celluloseethern.

Der prozentuale Anteil Wasser in den Gemischen bei dieser Untersuchung ist, verglichen mit der Erstuntersuchung, erhöht, um die Wirkung eines höheren Wassergehalts im Gemisch auf den Pumpdruck zu bestimmen. Die erhöhte Wassermenge verringert den Pumpdruck bei den Gemischen ohne Treibmittel, verglichen mit den Ergebnissen für das Gemisch 1B (gespritzt), nicht.

Wie das Gemisch 2B (gespritzt) zeigt, liefert die Verwendung einer wirksamen Dosis von 0,03% Treibmittel eine Verringerung des Pumpdrucks von 4000 psi (28,17 MPa) auf etwa 2500 psi (17,60 MPa).

Eine dritte Vergleichsuntersuchung wird mit feuerfesten Zementgemischen durchgeführt, die mit 300 englischen Pfund (136,1 kg) eines unter der Marke SFL-224 von Alcoa Industrial Chemicals vertriebenen, geschützten, tafelförmigen Aluminiumoxid/Spinell-Feuerfestbetongemisches mit 5% Wasser und Treibmittel (RHEOCELL® RHEOFILL™) in einer Menge von 0,018% (24,2 g/136,1 kg) hergestellt wurden. Das Gemisch wird mit einem Druck von etwa 4000 psi (28,17 MPa) gepumpt. Dem Gemisch wird eine weitere Dosis von 0,018% RHEOCELL® RHEOFILL™ zugesetzt und das Gemisch wird gepumpt. Der Druck wird auf etwa 2800 bis 3000 psi (19,72-21,13 MPa) verringert.

Anschließend wurden Chargen feuerfester Gemische hergestellt und Testplatten bespritzt. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2C angegeben. Das verwendete feuerfeste Gemisch enthält feuerfesten SFL-224- Zement für alle Platten, mit Ausnahme der Platte 5, bei der ein ähnliches feuerfestes Gemisch, wie das des feuerfesten SFL-224-Zements verwendet wurde, das jedoch eine leicht unterschiedliche Aggregatabstufung (das Aggregat war weniger abstandsklassiert (gapgraded)) enthält. Die verwendete Pumpe ist eine Allentown-MR-450-Pumpe. Die Pumpe besitzt einen 24 Zoll(61 cm)-Kolben und wird bei etwa 13,5 Schüben pro min betrieben. Das Material wird durch einen 1,5" (3,81 cm)-Schlauch zu der Sprühdüse gepumpt, wo Druckluft und ein Versteifungsmittel zugesetzt werden. Das Versteifungsmittel ist ein unter der Marke PS-1151 von Masters Builders Inc., Cleveland, Ohio, vertriebenes, geschütztes Gemisch aus Celluloseethern.

Darüber hinaus wird für Vergleichszwecke ein feuerfestes Zementgemisch, das feuerfesten SFL-224-Zement mit 4,8% Wasser und kein Treibmittel oder Versteifungsmittel umfaßt, gegossen. Der HMOR für das Gießen betrug 2897 psi (20,40 MPa).

Bei der Platte 1 wird eine Treibmitteldosis (RHEOCELL® RHEOFILL™) von 0,03% unter Zusatz von PS-1151-Versteifungsmittel an der Düse verwendet. Bei der Platte 2 wird das Gemisch der Platte 1 wieder eingesetzt. Die Pumpe wird jedoch 1,5-mal langsamer betrieben. Bei der Platte 3 ist die Wassermenge im Gemisch auf 4,7% verringert, um die Wirkung eines verringerten Wassergehalts zu bestimmen. Die Mischung bei der Platte 4 entspricht der von Platte 3, mit der Ausnahme, daß der Treibmittelgehalt RHEOCELL® RHEOFILL™ von 0,03% auf 0,045% erhöht ist. Bei der Platte 5 wird ein feuerfestes Betongemisch verwendet, das eine ähnliche chemische Zusammensetzung wie der oben beschriebene feuerfeste SFL-224-Zement besitzt. Die Aggregatabstufung ist jedoch verändert, wobei 5% Wasser und 0,03% RHEOCELL® RHEOFILL™ zugegeben werden. Bei der Platte 6 wird feuerfester SFL-224-Zement mit 4,7% Wasser und 0,03% RHEOCELL® RHEOFILL™ verwendet.

Wie durch die Ergebnisse bei der Mischung 2B (gespritzt) in der Tabelle 2B und bei der Platte 1 in der Tabelle 2C gezeigt ist, wird der Pumpdruck durch Verwendung der Treibmittel und Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung verringert. Der verringerte Pumpdruck zeigt, daß die Gemische eine höhere Fließfähigkeit aufwiesen.

Wir haben festgestellt, daß die Verwendung des erfindungsgemäßen Zementgemisches, das ein organisches Treibmittel enthält, nach dem offenbarten Spritzbetonverfahren unter Bildung eines dichten, nichtporösen Zementüberzugs auf einem Substrat verspritzt werden kann. Das aufgeschäumte Gemisch besitzt eine erhöhte Fließfähigkeit und wird in einfacher Weise gepumpt und verspritzt. Das Auftreffen des verspritzten Gemisches auf das Substrat bei Zusatz ausreichender Druckluft führt zu einem Brechen des aufgeschäumten Betonstroms, so daß die Luft bei Auftreffen auf das Substrat ausgetrieben und ein nicht poröser Überzug erhalten wird.

Es ist darauf hinzuweisen, daß die vorliegende Erfindung nicht auf die oben beschriebenen speziellen Ausführungsformen begrenzt ist, sondern verschiedene Variationen, Modifikationen und äqui valente Ausführungsformen, die durch die folgenden Patentansprüche definiert sind, umfaßt.

Claims

1. Verfahren zum Bespritzen eines Substrats mit einem Zementgemisch in den folgenden Stufen:

a) Bereitstellen eines Zementgemisches, das einen Zement, ein organisches Treibmittel, Aggregat und Wasser umfaßt;
b) Aufschäumen des Zementgemisches;
c) Fördern des Gemisches zu einer Sprühdüse;
d) Zuleiten von Druckluft und einer Menge eines nichtbeschleunigenden Versteifungsmittels zu der Sprühdüse in einer ausreichenden Menge, um für eine im wesentlichen augenblickliche Versteifung des Zementgemisches auf dem Substrat zu sorgen; und
e) Verspritzen des Zementgemisches auf das Substrat, wobei das Gemisch im wesentlichen augenblicklich bei Kontakt mit dem Substrat versteift und hydratisiert, wobei ein im wesentlichen entschäumter, nichtporöser Zementüberzug gebildet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Fördern eine Maßnahme aus Pumpen und pneu matischem Fließen ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei das Versteifungsmittel aus vorgela tinierten Stärken, Celluloseethern, Polyethylenoxiden, Alginaten, Carrageenen, Polyvinylalkohol, syn thetischen Polyelektrolyten, natürlichen Gummis und Gemischen hiervon ausgewählt ist.

4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei das Versteifungsmittel ein Gemisch aus Celluloseethern ist.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Zement aus Calciumaluminat zement, hydratisierbarer Alaunerde, hydratisierbarem Aluminiumoxid, kolloidalem Siliciumdioxid, Sili ciumoxid, Portland-Zement, Magnesiumoxid und Gemischen hiervon ausgewählt ist.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Zementgemisch des weiteren ein Additiv umfaßt, das aus Dispergiermitteln, wasserreduzierenden Mitteln, Verfestigungsverzöge rungsmitteln, Verfestigungsbeschleunigungsmitteln, Pigmenten und Gemischen hiervon ausgewählt ist.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Treibmittel aus Alkanolamiden, Alkanolaminen, Alkylarylsulfonaten, Polyethylenoxid/Polypropylenoxid-Blockcopolymeren, Alkyl phenolethoxylaten, Carboxylaten von Fettsäuren, Ethoxylaten von Fettsäuren, fluorkohlenstoffhaltigen grenzflächenaktiven Mitteln, Olefinsulfonaten, Olefinsulfaten, hydroylsierten Proteinen und Gemischen hiervon ausgewählt ist.

8. Feuerfestes Gemisch, das einen feuerfesten Zement, ein organisches Treibmittel und Aggregat umfaßt.

9. Feuerfestes Gemisch nach Anspruch 8, wobei der feuerfeste Zement aus Calcium aluminatzement, kolloidalem Siliciumdioxid, Siliciumoxid, hydratisierbarer Alaunerde, hydratisierbarem Aluminiumoxid, Magnesiumoxid und Gemischen hiervon ausgewählt ist.

10. Feuerfestes Gemisch nach Anspruch 8 oder Anspruch 9, wobei das Treibmittel aus Alkanolamiden, Alkanolaminen, Alkylarylsulfonaten, Polyethylenoxid/Polypropylenoxid-Blockcopoly meren, Alkylphenolethoxylaten, Carboxylaten von Fettsäuren, Ethoxylaten von Fettsäuren, fluorkohlen stoffhaltigen grenzflächenaktiven Mitteln, Olefinsulfonaten, Olefinsulfaten, hydroylsierten Proteinen und Gemischen hiervon ausgewählt ist.