DE102006057076A1

DE102006057076A1 - Hydraulisches Bindemittel

Info

Publication number: DE102006057076A1
Application number: DE200610057076
Authority: DE
Inventors: Frank Dr.-Ing. Bellmann; Jochen Prof. Dr.-Ing. Stark
Original assignee: Bauhaus Universitaet Weimar
Current assignee: Bauhaus Universitaet Weimar
Priority date: 2006-11-30
Filing date: 2006-11-30
Publication date: 2008-06-05
Anticipated expiration: 2026-12-01
Also published as: DE102006057076B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein hydraulisches Bindemittel zur Herstellung von Beton und Mörtel, u.a. bestehend aus Hüttensand. Die Aufgabe der Erfindung, ein Bindemittel auf der Basis von Hüttensand anzugeben, das die Nachteile des Standes der Technik nicht aufweist, um Zemente herzustellen, die einen hohen Anteil an Hüttensand enthalten, aber bessere Dauerhaftigkeitseigenschaften als der Sulfathüttenzement aufweisen und mit anderen Bindemitteln verträglich sind, wird dadurch gelöst, dass das hydraulische Bindemittel 40-97 M-% feingemahlenem Hüttensand, 2-30 M.-% Calciumhydroxid und 0,1-10 M-% Calciumacetat umfasst.

Description

Die Erfindung betrifft ein hydraulisches Bindemittel zur Herstellung von Beton und Mörtel, u.a. bestehend aus Hüttensand.
Bei Hüttensand bzw. Hochofenschlacke handelt es sich um ein Nebenprodukt, das bei der Verhüttung von Roheisen zu Stahl anfällt. In der BRD verwendeter Hüttensand besitzt in der Regel die folgende chemische Zusammensetzung: SiO₂ = 27–40 %, CaO = 30–50 %, Al₂O₃ = 5–15 %, MgO = 1–10 %.
Da Hüttensand durch Abschrecken der Hochofenschlacke mit Wasser hergestellt wird, weist dieser eine glasig-amorphe Struktur unter Einschluss geringer Mengen an kristallinen Phasen (z. B. Quarz, Merwinit, Maghemit, Belit) auf.
Hüttensand wird im Wesentlichen in der Zementindustrie als Zusatzstoff zur Herstellung von Kompositzementen und Hochofenzementen verwendet.
Dabei wird der Hüttensand durch das alkalische Milieu des Klinkeranteils im Zement zur Hydratation angeregt. Bei dieser Hydratation löst sich der Hüttensand partiell und aus den entstandenen Ionen bilden sich Hydratphasen wie Hydrotalcit, AFm-Phasen und C-S-H Phasen.
Allerdings ist die Menge des Hüttensandes in den genannten Zementen begrenzt. Bei einer Überschreitung eines bestimmten Limits kommt es zu einer deutlichen Verschlechterung der Produkteigenschaften (z. B. Druckfestigkeit).
Neben der erwähnten Anregung des Hüttensandes im alkalischen Milieu existiert eine weitere Anregungsmöglichkeit. Diese wird als sulfatische Anregung bezeichnet.
Dabei wird der Hüttensand mit Calciumsulfat (Gips oder Anhydrit) und eventuell weiteren Zusätzen vermahlen oder gemischt. Ein Brennprozess findet nicht statt. Das entsprechende Bindemittel wird als Sulfathüttenzement oder Gipsschlackenzement bezeichnet. Es erreicht bei relativ langsamer Hydratation eine hohe Endfestigkeit. Der Anregergehalt liegt üblicherweise deutlich über 5 M.-% vom Bindemittel, um eine ausreichende Hydratation zu gewährleisten. Dadurch liegt im erhärteten Rindmittel noch nicht verbrauchter Abbinderegler (Calciumsulfat) vor.
Durch die hohen Zugabemengen an Calciumsulfat ergeben sich zwei Nachteile der sulfatischen Anregung:
Im Fall des Kontaktes von erhärtetem Sulfathüttenzement mit anderen Zementen bzw. daraus hergestellten Betonen oder Mörteln, ist die Gefahr einer sekundären Ettringitbildung bzw. eines Sulfatangriffs gegeben. Dies ist darauf zurückzuführen, dass der im Sulfathüttenzement verbleibende Rest an Calciumsulfat (Anhydrit, Gips) in gelöster Form in den Mörtel eindiffundieren kann, welcher nicht aus Sulfathüttenzement hergestellt ist. Die Sulfationen können dort zu einer Ettringitbildung im erhärteten Mörtel bzw. Beton beitragen und somit einen Schaden im Kontaktbereich dieses Betons mit dem Beton aus Sulfathüttenzement provozieren.
Der zweite Nachteil einer hohen Zugabemenge an Calciumsulfat-Anreger beruht auf einer Beeinträchtigung der Dauerhaftigkeitseigenschaften von Betonen auf der Basis von Sulfathüttenzement. Durch den hohen Gehalt an Calciumsulfat (Anhydrit, Gips) bildet sich bei der Hydratation eine beträchtliche Menge an Ettringit (C₃A·3 CaSO₄·32 H₂O). Bei einer Austrocknung des Betons bei normalen Luftfeuchten kommt es zu einem Verlust von Kristallwasser im Ettringit. Diese Wasserabgabe durch Austrocknung führt zur Ausbildung von Mikrorissen im Zementsteingefüge. Dabei tritt häufig ein Zusammenwachsen der Risse bis in den optisch erkennbaren Bereich (> 100 μm) ein. Diese Risse vermindern die Dauerhaftigkeit von Beton auf der Basis von Sulfathüttenzement (Frostwiderstand, Widerstand gegen Karbonatisierung und Eindringen aggressiver Lösungen).
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Bindemittel auf der Basis von Hüttensand anzugeben, das die genannten Nachteile des Standes der Technik nicht aufweist, um Zemente herzustellen, die einen hohen Anteil an Hüttensand enthalten, aber bessere Dauerhaftigkeitseigenschaften als der Sulfathüttenzement aufweisen und mit anderen Bindemitteln verträglich sind.
Die vorstehend genannte Aufgabe wird durch die Merkmale des ersten Patentanspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den untergeordneten Ansprüchen entnehmbar.
Das Wesen der Erfindung besteht darin, dass das hydraulische Bindemittel im Wesentlichen Hüttensand und Anreger umfasst.
Diese Anreger sind derart zusammengesetzt, dass sie eine Bindung des im Hüttensand enthaltenen Aluminium in einer Hydratphase mit AFm-Struktur ermöglichen und die Reaktion des Hüttensandes durch die Einstellung geringer pH-Werte in der Porenlösung beschleunigen, wobei keine Stoffe zugegeben werden, die zu einer Korrosion der Bewehrung führen können, so dass eine gegenüber dem Stand der Technik veränderte Anregung erreicht wird.
Erfindungsgemäß besitzt das hydraulische Bindemittel neben der Schlacke zwei Arten von Anregern, die gleichzeitig zugegeben werden:

1. Calciumhydroxid
2. Ein oder mehrere leichtlösliche Salze, deren Zugabe zu einer hohen Calciumkonzentration in der Porenlösung führt und dadurch via des Portlanditgleichgewichtes den pH-Wert verringern, ohne dass dabei eine Korrosion der Bewehrung eintritt. Zu diesen Salzen zählt z. B. Calciumacetat.

Die Zugabe von Calciumhydroxid allein ist bereits Stand der Technik. Allerdings wird durch die alleinige Zugabe von Calciumhydroxid ein so hoher pH-Wert in der Porenlösung eingestellt, dass die Hydratation nur sehr langsam verläuft und nur geringe Druckfestigkeiten erreicht werden können.
Die erfindungsgemäße kombinierte Zugabe der beiden Anreger führt zu einem niedrigen pH-Wert in der Porenlösung. Dadurch wird die Hydratation des Hüttensandes beschleunigt.
Bei der Zugabe dieser Anreger entsteht kein zusätzlicher Ettringit, da kein Sulfat in den Anregern enthalten ist. Lediglich der bei der Reaktion des Hüttensandes freiwerdende Schwefel kann zur Bildung von Ettringit beitragen. Dadurch ist die Menge an entstehendem Ettringit deutlich geringer als bei der sulfatischen Anregung. Somit können weniger Mikrorisse bei einer Austrocknung des Zementsteines entstehen und die Dauerhaftigkeitseigenschaften des Bindemittels werden verbessert. Die Zugabe einiger Calciumsalze führt jedoch neben der Beschleunigung der Hüttensandreaktion auch zu einer Korrosion der Bewehrung im Beton. Wichtigstes Beispiel für ein solches Verhalten ist Calciumchlorid. Bei der erfindungsgemäßen Verwendung von leichtlöslichen, Calziumsalzen, wie z. B. den organischen Salzen Calciumacetat und Calciumformiat, tritt diese nachteilige Wirkung auf die Dauerhaftigkeit der Bewehrung nicht auf.
Bei Ausschluss von Calciumsulfat vom Phasenbestand bei Verzicht auf die sulfatische Anregung ist das derart hergestellte Bindemittel verträglich mit Bindemittel auf Zementbasis. Das bei der Reaktion des Hüttensandes freiwerdende Aluminium kann als Hydrotalcit oder als AFm-Phasen gebunden werden. Welche AFm-Phase ausgebildet wird, hängt vom Phasenbestand ab.
Das erfindungsgemäße hydraulische Bindemittel umfasst 40–97 M.-% feingemahlenem Hüttensand sowie weiterhin 2–30 M.-% Calciumhydroxid und 0,1–10 M.-% Calciumactetat als Anreger, ist jedoch frei von Sulfatträgern in Form von Calciumsulfat (Sulfatträger = Calciumsulfat).
Anstelle von Calciumactetat kann auch ein anderes organisches oder anorganisches Calciumsalz bzw. eine Kombination von mindestens zwei Calciumsalzen zugegeben werden, wobei durch diese Zugabe die Calciumkonzentration in der Porenlösung des Bindemittels stark erhöht und der pH-Wert in der Porenlösung verringert (< 12,4 nach 3 Tagen) wird, wobei dieses Salz bzw. diese Salze jedoch keine Bestandteile enthalten dürfen, die eine Korrosion der Bewehrung bewirken (z.B. Calciumchlorid).
Das erfindungsgemäße hydraulische Bindemittel kann anstelle von Hüttensand eine Mischung von mindestens zwei feingemahlenen Hüttensanden beinhalten.
Ebenso kann das erfindungsgemäße hydraulische Bindemittel zusätzliche Stoffe wie Kalksteinmehl, Quarzmehl, Portlandzementklinker usw. beinhalten (s.g. Kompositzemente).
Es liegt auch im Rahmen der Erfindung, dass das Bindemittel anstelle von Calciumhydroxid andere Verbindungen, bei deren Reaktion im Bindemittel Calciumhydroxid abgeschieden wird, enthält (wie bspw. Calciumoxid oder Portlandzementklinker).
Weiterhin besteht die Möglichkeit, dass das erfindungsgemäße Bindemittel geringe Mengen Sulfatträger (≤ 3 %) enthält (bspw. in Form von Verunreinigungen) bzw. dass diesem geringe Mengen Sulfatträger (≤ 3 %) zugegeben werden.
Durch die erfindungsgemäßen Anreger ist es möglich, den Hydratationsgrad des Hüttensandes zu steigern.
Alle in der Beschreibung und den nachfolgenden Ansprüchen dargestellten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.

Claims

Hydraulische Bindemittel umfassend 40–97 M.-% feingemahlenem Hüttensand, 2–30 M.-% Calciumhydroxid und 0,1–10 M.-% Calciumactetat.
Hydraulische Bindemittel gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es anstelle von Calciumactetat ein anderes organisches oder anorganisches Calciumsalz bzw. eine Kombination von mindestens zwei Calciumsalzen enthält, wobei diese Calciumsalze keine Bestandteile enthalten, die eine Korrosion der Bewehrung bewirken.
Hydraulische Bindemittel gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es anstelle von Hüttensand eine Mischung von mindestens zwei feingemahlenen Hüttensanden enthält.
Hydraulische Bindemittel gemäß einem oder mehreren der voran stehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es Portlandzementklinker enthält.
Hydraulische Bindemittel gemäß einem oder mehreren der voran stehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es Kalksteinmehl oder Quarzmehl enthält.
Hydraulische Bindemittel gemäß einem oder mehreren der voran stehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es anstelle von Calciumhydroxid andere Verbindungen, bei deren Reaktion im Bindemittel Calciumhydroxid abgeschieden wird, enthält.
Hydraulische Bindemittel gemäß einem oder mehreren der voran stehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es geringe Mengen Sulfatträger (≤ 3%) enthält.