DE10066270B4

DE10066270B4 - Verfahren zum Herstellen von Porenbeton

Info

Publication number: DE10066270B4
Application number: DE2000166270
Authority: DE
Inventors: Siegfried Dr. Zürn; Michael Huber
Original assignee: Xella Baustoffe GmbH
Current assignee: Xella Baustoffe GmbH
Priority date: 2000-08-23
Filing date: 2000-08-23
Publication date: 2007-05-24
Anticipated expiration: 2020-08-24
Also published as: DE10066270B9

Abstract

Verfahren zum Herstellen von Porenbeton, wobei zumindest eine reaktionsfähige SiO¶2¶-Komponente, insbesondere eine Sandkomponente, sowie eine reaktionsfähige CaO-Komponente, insbesondere Feinkalk, Zement, Gasbildner und gegebenenfalls ein Sulfat und/oder ein Sulfatträger sowie Wasser zu einer Schlämme gemischt, in Formen gegossen und anschließend auftreiben und ansteifen gelassen werden und die Masse anschließend gegebenenfalls geschnitten und dampfgehärtet wird, wobei zur Steuerung der Festigkeiten und/oder E-Moduli und/oder der Rohdichte und/oder der Wärmeleitfähigkeit des erhärteten Porenbetons die Kornverteilung der Sandkomponente derart eingestellt wird, dass zumindest eine feine SiO¶2¶-reiche Fraktion vorhanden ist, die bezüglich ihrer Oberfläche und Reaktivität derart beschaffen ist, dass sie mit dem vorhandenen reaktiven Kalk während der Autoklavierung CSH-Phasen, insbesondere Tobermorit bildet und zumindest eine grobe Kornfraktion als Stützgefügebildner zugesetzt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Porenbetons nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Aus der DE 36 33 471 A1 ist es bekannt, Gasleichtbeton aus den Hauptmaterialien siliciumhaltigem Pulver wie Quarzsand und Quarzstein sowie kalkhaltigem Pulver wie Zement oder Kalk herzustellen, wobei 1 bis 20 Gew.% einer Art eines pulverförmigen Erdalkalimetallcarbonats und 3 bis 10 Gew.% Calciumsulfat bezogen auf die Menge der Gesamtfeststoffe im Rohmaterial gemischt werden. Bei dem Verfahren gemäß dieser Druckschrift soll im Produkt möglichst viel und möglichst gleichmäßig hochkristalliner Tobermorit gebildet werden, wobei in dieser Druckschrift beschrieben wird, dass es hierzu bisher notwendig war, ein Verhältnis des CaO im kalkhaltigen Material zum SiO₂ im siliciumhaltigen Material > 0,45 einzustellen. Es soll jedoch möglich sein, das CS-Verhältnis zu verringern und die Bildung von niedrigkristallinen Hydraten zu verhindern bei gleichzeitiger Mehrbildung von hochkristallinem Tobermorit, wenn 21 Gew.% eines pulverförmigen Erdalkalimetallcarbonats verwendet werden.

Aus der DE 27 44 365 B2 ist ein Verfahren zur Herstellung von Gasbeton bekannt, wobei ein Gemenge aus einer calcium- und/oder magnesiumhaltigen Komponente, Wasser und eine Sandkomponente sowie ein Treibmittel, insbesondere Aluminiumpulver zu einer gießfähigen Masse gemischt werden, die Masse in Form gegossen wird, gären und ansteifen gelassen wird, wobei dem Gemenge natürliche und/oder synthetische Primärcarbonate des Calciums und/oder Magnesiums in sehr fein gemahlener Form zugesetzt werden. Gemäß dieser Druckschrift wurde herausgefunden, dass die Dimensionsstabilität und die Festigkeit ein Maximum in Abhängigkeit vom Feinkalkgehalt der Mischung ergeben, wobei dieses Maximum jedoch nicht erreicht werden kann, da der bei derartigen Mischungen zugegebene Feinkalk durch seine Hydratation hohe Endtemperaturen verursacht. Diese hohen Temperaturen können schädlich sein, weshalb der Kalkgehalt üblicherweise begrenzt wird. Gemäß dieser Druckschrift hat es sich in überraschender Weise gezeigt, dass sehr fein aufbereitete beziehungsweise gemahlene Calciumcarbonate als Reaktionspartner zur Kieselsäure fungieren, wenn das Kristallgitter derart fehlgeordnet wird, dass die CaO- und/oder MgO-Ionen von den CO₂-Ionen unter der Temperatureinwirkung im Hydrothermalprozeß gespalten werden können. Derart hergestellter Porenbeton weist eine stärkere Tobermoritausbildung im Vergleich zu üblichen Gasbetonbauteilen auf.

Aus "Die Erhöhung der Dauerhaftigkeit von dampfgehärteten Porenbetonen"; Butnikow, P.P., Barbaranow, A.T.; Vorobjew, A.A.; aus "Staoitelnyje Materialy", 1968, 12, Seite 25 bis 26 ist es bekannt, zur Verbesserung der Qualität zum Herabsetzen der Gestehungskosten von Erzeugnissen aus Porenbeton Karbonatmikrofüller in die Zusammensetzung des Porenbetons anstelle eines Teils des Portlandzements einzuführen. Dabei habe sich gezeigt, dass die Karbonatmikrofüller durch ihre gegenseitige Reaktion mit den sich hydratisierenden Klinkerbestandteilen des Zements aktiv an der Formierung der Struktur des Zementsteins teilnehmen. Als Mikrofüller werden Kalksteinmehle mit Oberflächen von 6000 cm²/g, 8250 cm²/g und 4500 cm²/g beschrieben. Aus dieser Textstelle geht hervor, dass das Einführen dieser Karbonatmikrofüller die Schwindung des Gasbetons verringert.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Herstellen von Porenbeton zu schaffen, mit dem, bei größtmöglicher prozesstechnischer Sicherheit und Einfachheit insbesondere bei verkürzten Behandlungszeiten, die Eigenschaften des hergestellten Porenbetons wie Festigkeiten, E-Moduli, Rohdichte und Wärmeleitfähigkeit gezielt steuerbar einstellbar sind.

Die Aufgabe wird mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den hiervon abhängigen Unteransprüchen gekennzeichnet.

Erfindungsgemäß werden die Eigenschaften des Porenbetons, wie die Festigkeiten (beispielsweise Druckfestigkeit, Biegezugfestigkeit etc.) und/oder E-Moduli und/oder die Rohdichte und/oder die Wärmeleitfähigkeit gesteuert bzw. gezielt eingestellt, wobei zur Steuerung dieser Eigenschaften bei gleichzeitiger prozeßtechnischer Optimierung der Herstellung des Porenbetons das Kornband des eingesetzten Zuschlagstoffs z. B. der Sandkomponente modelliert und insbesondere ein Stützkorngefüge im Porenbeton vorgesehen wird. Dieses Stützkorngefüge ist in einer Matrix aus Calciumsilicathydrat-(CSH-)Phasen eingebettet.

Mit den bisherigen Verfahren, insbesondere der üblichen Mahlung der eingesetzten Sande bzw. Sandmehle war eine gezielte Steuerung und Einstellung einzelner oder aller der oben genannten Eigenschaften des Porenbetons nicht möglich. Insbesondere war mit der durch herkömmliche Mahlung des Zuschlagstoffs z. B. der Sandkomponente erhaltenen Kornverteilung eine Steuerung ausgeschlossen, vielmehr traten prozeßtechnische Schwierigkeiten auf.

Dies wird unter anderem darauf zurückgeführt, dass die üblicherweise verwendeten Quarzsande bzw. Quarzsandmehle einen relativ hohen Anteil von Nebenbestandteilen insbesondere Nebenmineralien wie Calcit enthalten.

Die Sande müssen für die Porenbetonproduktion sehr fein aufgemahlen werden, um eine sehr hohe Oberfläche des Quarzes zu schaffen, so dass der feine Quarz unter den Bedingungen der hydrothermalen Behandlung mit der zur Verfügung stehenden reaktiven CaO-Komponente zu Calciumsilicathydratphasen reagieren kann.

Bei den üblichen mit Nebenmineralien versetzten Sanden reichern sich bei der Vermahlung diese Nebenbestandteile im Feinanteil an, so dass der Grobanteil im wesentlichen aus Quarzmehl besteht, da die Nebenbestandteile erheblich leichter mahlbar sind als Quarz. Hierbei ist von Nachteil, dass üblicherweise die Quarzkomponente für eine optimale Reaktion der reaktiven CaO-Komponente etwas zu grob vorliegt, während die Nebenmineralien, die besonders fein aufgemahlen sind, im besten Fall überhaupt keinen Effekt haben, jedoch häufig die Ausbildung der CSH-Phasen stören.

Zudem sind diese groben Quarzpartikel oftmals nicht in der Lage, die während der Dampfbehandlung im Autoklaven mit dem vorhandenen reaktiven CaO derart zu CSH-Phasen zu reagieren, dass die gewünschte Festigkeit ausgebildet wird. Dem konnte dadurch abgeholfen werden, dass äußerst hochwertige und somit hochquarzhaltige Sande verwendet wurden, welche jedoch sehr teuer sind.

Es ist daher üblich, die mit Nebenmineralien versetzten üblichen Sande auf eine erheblich höhere mittlere Feinheit aufzumahlen als bei reinem Quarz oder hochquarzhaltigen Sanden notwendig wäre. Durch dieses sogenannte "Übermahlen" werden auch die gröberen Kornfraktionen, in denen sich der Quarz anreichert, in einen Feinheitsbereich angehoben, der für die Reaktion mit dem reaktiven CaO in der gewünschten Zeit ausreicht. Der Gesamtzuschlagstoff z. B. das Gesamtsandmehl und natürlich auch die nebenbestandteilreichen mittleren und feinen Fraktionen werden hierdurch jedoch noch feiner aufgemahlen. Hierdurch wird der Wasseranspruch der Trockenbestandteile zur Herstellung einer gießbaren Schlämme und damit der Wasser-Mehl-Wert erheblich erhöht. Dieser erhöhte Wasser-Mehl-Wert führt zu erheblichen technischen Schwierigkeiten, insbesondere führt dieser erhöhte Wasser-Mehl-Wert zu einer schlechteren Gießbarkeit der Porenbetonschlämme und zu schlechteren bzw. stark schwankenden Festigkeiten und unkontrollierbaren und unbeherrschbaren Schwindungen. Der Fertigungsprozeß ist insofern insgesamt auch schlechter zu beherrschen. Davon abgesehen steigen die Produktionskosten hierbei durch den erhöhten Mahlaufwand erheblich.

Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, den Zuschlagstoff z. B. die Sandkomponente bezüglich seiner Kornverteilung so einzustellen, dass zum einen ein für die Festigkeit des Porenbetons notwendiges Stützkorngefüge ausgebildet wird und zum anderen der Quarz, der nicht an der Ausbildung des Stützkorngefüges beteiligt ist, derart beschaffen ist beziehungsweise derart fein vorliegt, dass er praktisch vollständig mit dem anwesenden reaktionsfähigen Kalk zu CSH-Phasen, insbesondere Tobermorit reagiert beziehungsweise umgewandelt wird.

Hierdurch wird ein Produkt mit optimalen, steuerbaren Eigenschaften geschaffen, welches ohne die im Stand der Technik bekannten prozeßtechnischen Schwierigkeiten in verkürzten Arbeitstakten herstellbar ist.

Das Stützkorngefüge wird hierbei aus Körnern einer bestimmten Kornfraktion ausgebildet, die im fertigen Erzeugnis sich nach allen Seiten gegenseitig abstützend angeordnet sind. Zwischen diesen Körnern, insbesondere in den Zwickeln ist eine Matrix aus im wesentlichen feinkristallinem Calciumsilicathydrat (CSH-Phasen), insbesondere Tobermorit vorhanden. Diese Matrix hat die Aufgabe, die Stützkörner räumlich zu fixieren und miteinander zu verbinden. Die Ausbildung eines derartigen Gesamtgefüges wird erfindungsgemäß dadurch erzielt, dass die Sandkomponente beziehungsweise die das Gefüge ausbildenden Minerale entsprechend einer gewünschten Gesamtoberfläche (cm²/g, insbesondere nach Blaine) aus verschiedenen Kornfraktionen zusammengesetzt wird und zwar wird die Sandkomponente entsprechend einer Gleichverteilung, nämlich einer Graf'schen Gleichverteilung aus einer feinen und einer groben Komponente aufgebaut. Die Begriffe "fein" und "grob" sind in diesem Zusammenhang als relative Bezeichnungen zu verstehen, da die "feine" Komponente bis hinunter zu kryptokristallinen bzw. hochdispersen SiO₂-Trägern wie Microsilica reichen kann, während die "grobe" Komponente ein Größtkorn von ca. 300 μm aufweist.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird das Stützkorngefüge nicht aus einer groben Sand- oder Quarzkomponente, sondern aus einem Gestein bzw. Mineral ausgebildet, welches im fertigen Porenbeton ähnlich hohe Festigkeiten ergibt, also ein ähnliches gutes Stützkorngefüge ausbildet, jedoch eine geringere Wärmeleitfähigkeit als Quarz aufweist.

Als derartiges Gestein bzw. Mineral ist beispielsweise Kalkstein bzw. Calcit geeignet. Ferner können auch die Minerale Dolomit, Magnesit, Anglesit, Siderit oder beliebige Mischungen derselben, auch mit Quarz und/oder Calcit sowie sämtliche möglichen Mischkristalle der genannten Minerale eingesetzt werden.

Ferner ist es möglich, als natürliche Gesteinsmehle beispielsweise auch vulkanische Schlacken, Aschen und/oder Gläser, beispielsweise Basaltmehle, Vermiculitmehl, Traß oder ähnliches zu verwenden, wobei auch alle anderen natürlichen Gesteinsmehle sofern vorhanden geeignet sind.

Darüber hinaus können auch synthetische oder synthetisierte Rohstoffe wie zum Beispiel Sinterrohstoffe (Tonerde, Magnesia etc.) Verwendung finden, insbesondere jedoch auch Sekundärrohstoffe wie metallurgische Schlacken, Aschen, Filterstäube etc.

Die Größe und Anzahl der notwendigen Stützkörner kann auf die Anzahl und Größe beschränkt werden, die zur Ausbildung eines für den jeweiligen Anwendungsfall optimalen Stützkorngefüges notwendig ist. Die feinsten oder feinen Quarz- bzw. SiO₂-Anteile sind dabei derart bemessen, dass sie ausreichen, um mit dem vorhandenen reaktiven Kalk eine CSH-Matrix mit der gewünschten Festigkeit auszubilden. Insofern wird bei der Zusammenstellung des Kornbandes bzw. der Modellierung des Kornbandes aus Kornfraktionen und/oder der Auswahl des Stützgefügebildnermaterials zunächst von einem optimalen Fein-SiO₂-Trägeranteil, der auf den reaktiven CaO-Anteil abgestimmt ist, ausgegangen und auf diesen das gesamte Kornband unter Berücksichtigung der einzustellenden Eigenschaften abgestimmt.

Eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform des Verfahrens sieht vor, relativ minderwertige und damit günstige Sande mit einem relativ geringen Quarzgehalt grob aufzumahlen, um aus diesen das Stützkorngefüge auszubilden und besonders hochwertige Sande sehr fein aufzumahlen und zur Ausbildung der Matrix zu verwenden. Hierbei können erhebliche Einsparungen in den Rohstoffkosten erzielt werden. Um die Reaktivität der Feinstkomponente zu steigern kann diese teilweise oder ausschließlich aus hochdisperser Kieselsäure wie der sogenannten Microsilica ausgebildet sein. Hierdurch lassen sich erheblich niedrigere Reaktionszeiten bzw. Prozesszeiten im Autoklaven erzielen.

Um die Wärmeleitfähigkeit abzusenken und die Rohdichte zu verringern, kann beispielsweise eine Kornverteilung ausgewählt werden, die möglichst viele Gefügehohlräume ausbildet, während im Verhältnis hierzu und zur Größe der Stützkörner des Stützkorngefüges nur wenige Berührungspunkte der Stützkörner untereinander und damit Wärmebrücken gebildet werden. Dies gelingt beispielsweise durch die Verwendung einer Grobfraktion mit einem engen Kornband, so dass die Größenunterschiede zwischen den einzelnen Körnern möglichst gering sind. Um eine gegenüber der Verwendung von Quarz weiter abgesenkte Wärmeleitfähigkeit zu erreichen, kann das angesprochene grobe Stützkorngefüge der Sandkomponente aus Mineralien oder Gesteinen ausgebildet werden, die bei ähnlichem Festigkeitsniveau eine geringere Wärmeleitfähigkeit besitzen als Quarz wie zum Beispiel Kalkstein bzw. Calcit.

Überraschenderweise hat sich erfindungsgemäß herausgestellt, dass auch Zuschlagstoffe z. B. Sande, deren Gesamtkornband beziehungsweise Verteilungskurve einer Graph'schen Gleichverteilung entspricht, die Forderungen erfüllen können. wird das Kornband der Sandkomponente entsprechend einer Graf'schen Gleichverteilung – insbesondere aus einer Mehrzahl definierter Kornfraktionen – modelliert bzw. zusammengesetzt, kann hierdurch ein Stützkorngefüge erzielt werden, bei dem trotz einer für die Festigkeit wichtigen optimalen Abstützung der Stützkörner untereinander ein aufgelockerter Gefügeaufbau durch ein für eine dichteste Packung ungünstige Kornverteilung erzielt wird. Hierdurch wird zum einen eine hohe Festigkeit und zum anderen eine niedrige Rohdichte und Wärmeleitfähigkeit gewährleistet. Ferner liegt bei einer derartigen Graf'schen Verteilung der Feinstanteil in einer Anzahl und Verteilung vor, welcher offenbar eine optimale CSH-Phasenausbildung nach Art, Verteilung und Menge bezogen auf das Stützkorngefüge ermöglicht.

Die Erfindung wird im nachfolgenden anhand eines Beispiels erläutert. Es wird zunächst eine Mischung aus 55 M-% Quarzmehl und
Die Erfindung schafft somit ein Verfahren zum Herstellen von Porenbeton, bei dem unter Vermeidung prozeßtechnischer Schwierigkeiten bei größtmöglicher prozeßtechnischer Sicherheit und Einfachheit insbesondere auch bei verkürzten Prozeß- bzw. Autoklavierungszeiten die Eigenschaften des hergestellten Porenbetons wie Festigkeiten, E-Moduli, Rohdichte und Wärmeleitfähigkeit gezielt steuerbar und insbesondere einzeln optimierbar einstellbar sind sowie einen Porenbeton, bei dem durch die gezielte Modellierung der Sandkomponente die Eigenschaften wie Festigkeiten, E-Moduli, Rohdichte und Wärmeleitfähigkeit gezielt voreingestellt gesteuert sind, der eine hohe Materialgüte bei geringstmöglichen Produktschwankungen aufweist.
Die Erfindung schafft ein Verfahren zum Herstellen eines Porenbetons, bei dem – ausgehend von einem gewünschten Quarzumsatz – die Korngrößenverteilung des Sandmehls oder einer Mischung von feinem Sandmehl und gröberer Komponente so modelliert beziehungsweise angepaßt wird, daß die Einflußgrößen Löslichkeit des Quarzes beziehungsweise Quarzumsatz und Stützkorngefüge in einem optimalen Verhältnis zueinander stehen. Hierdurch kann ein Porenbeton geschaffen werden, bei dem die Wärmeleitfähigkeit und die Rohdichte sowie die Druckfestigkeit in einem weiten Bereich steuerbar und einstellbar sind. Hierdurch kann ein auf den jeweiligen Einbau- bzw. Kundenbedarf optimal eingestelltes Produkt erzielt werden.

Claims

Verfahren zum Herstellen von Porenbeton, bei dem – Bindemittel aus Zement und einer reaktionsfähigen CaO-Komponente, – Zuschlagstoff, der aus zumindest einer feinen, reaktionsfähigen SiO₂-Komponente und zumindest einer groben Komponente so zusammengesetzt wird, dass er eine Graf'sche Gleichverteilung aufweist, – Gasbildner – und Wasser zu einer Schlämme gemischt werden, die Schlämme in Formen gegossen zum Auftreiben und Ansteifen gebracht wird, und die angesteifte Masse dampfgehärtet wird, wobei a) die feine SiO₂-Komponente in einer Körnung bis maximal 60 μm eingesetzt wird, und die CaO-Komponente und die feine SiO₂-Komponente in einem solchen CaO/SiO₂-Molverhältnis eingesetzt werden, dass bei der Dampfhärtung ein möglichst vollständiger Umsatz der feinen SiO₂-Komponente und der CaO-Komponente zu Calciumsilikathydratphasen erfolgt und b) die grobe Komponente des Zuschlagstoffes in einer Körnung von 30 bis 400 μm eingesetzt wird, so dass sie mit der CaO-Komponente im wesentlichen nicht reagiert und als Stützkorn in die gebildete Matrix der Calciumsilikathydratphasen eingebettet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schlämme hergestellt wird, die ein Sulfat und/oder einen Sulfatträger enthält.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein CaO/SiO₂-Molverhältnis im Bereich von 0,6 bis 0,95 eingestellt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als CaO-Komponente Feinkalk oder Branntkalk und Kalkhydrat verwendet wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als feine, reaktionsfähige SiO₂-Komponente Quarzmehl verwendet wird, welches bei einer Korngröße von maximal 60 μm ein Verteilungsmaximum bei 5 bis 30 μm aufweist.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Korngröße von maximal 50 μm ein Verteilungsmaximum bei einem Wert zwischen 5 und 20 μm eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Verteilungsmaximum bei einem Wert zwischen 10 und 20 μm eingestellt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass als feine, reaktionsfähige SiO₂-Komponente teilweise oder vollständig hochdisperse oder kryptokristalline Kieselsäure verwendet wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als grobe Zuschlagstoffkomponente die Mineralien Quarz, Calcit, Dolomit, Magnesit, Anglesit, Siderit, deren Mischungen oder die möglichen Mischkristalle der Mineralien verwendet werden.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als grobe Zuschlagstoffkomponente natürliche Gesteinsmehle verwendet werden.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Kalksteinmehl und/oder Mehle vulkanischer Schlacken, Gläser oder Aschen verwendet werden.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die grobe Zuschlagstoffkomponente Sekundärrohstoffmehle wie Flugaschenmehl, Filterstäube, Mehle metallurgischer Schlacken verwendet werden.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die grobe Zuschlagstoffkomponente in einer Körnung von 50 bis 300 μm, bevorzugt 80 bis 200 μm, verwendet wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als grobe Zuschlagstoffkomponente mit einem Verteilungsmaximum bei einem wert zwischen 100 und 150 μm verwendet wird.