DE102009005610B3 - Process for the preparation of a hydraulic binder - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines hydraulischen Bindemittels, bestehend aus einer fein gemahlenen Komponente Kalkstein und wenigstens einer weiteren silikatischen Komponente, das dadurch gekennzeichnet ist, dass als silikatische Komponente Kieselgur verwendet wird, wobei je nach Reinheit der Rohstoffkomponenten Kalkstein und Kieselgur das Brenngut so konzipiert ist, dass das durch das Mischen der beiden Hauptkomponenten Kalkstein und Kieselgur enthaltene molare Verhältnis von Calciumoxid (CaO) zu Siliziumoxid (SiO2) 3:1 beträgt, wobei sich nach der thermischen Zersetzung des Calciumcarbonates (CaCO3) und dem anschließenden Brennprozess ein Alitanteil von >= 90% im Brenngut bildet.The present invention relates to a method for producing a hydraulic binder, consisting of a finely ground component limestone and at least one other silicate component, which is characterized in that is used as the siliceous component diatomaceous earth, depending on the purity of the raw material components limestone and diatomaceous earth the kiln is designed so that the molar ratio of calcium oxide (CaO) to silicon oxide (SiO 2) contained by the mixing of the two main components limestone and diatomaceous earth is 3: 1, whereby after the thermal decomposition of the calcium carbonate (CaCO 3) and the subsequent firing process an alite moiety of> = 90% in the kiln.
Description
Technisches GebietTechnical area
Die vorliegende Erfindung betrifft ein neuartiges Verfahren zur Herstellung eines hydraulischen Bindemittels aus einem Brenngut, bestehend aus feingemahlenem Kalkstein und wenigstens einer weiteren silikatischen Komponente Kieselgur als Hauptkomponenten.The The present invention relates to a novel process for the preparation a hydraulic binder from a kiln, consisting of fine limestone and at least one other silicate Component kieselguhr as main components.
Stand der TechnikState of the art
Zur Herstellung von Zement – insbesondere Portlandzement – werden nach dem bekannten Stand der Verfahrenstechnik im Anschluss einer Vorzerkleinerung die Rohstoffe Kalkstein (CaCO3), Ton (Al2O3-2SiO2-2H2O) mit Quarzsand (SiO2) und Eisenoxid (Fe2O3) in einem genau festgelegten Verhältnis zu einem sogenannten Rohmehl vermischt, wobei gegebenenfalls Korrekturstoffe wie beispielsweise Bauxit, Sand oder Eisenerz zugesetzt werden. Durch Mühlen wird das Rohmehl weiter zerkleinert, getrocknet und sodann über einen Vorwärmer einem Drehrohofen staubförmig zugeführt, in dem aus dem Rohmehl bei Temperaturen zwischen 1250°C bis 1450°C der Zementklinker gebrannt wird, so dass nach der thermischen Zersetzung des Calciumcarbonats (CaCO3) (sogenannte Calcinierungsreaktion) eine bestimmte Zusammensetzung an Calciumoxid (CaO), Siliziumoxid (SiO2), Aluminiumoxid (Al2O3) und Eisenoxid (Fe2O3) vorliegt.For the production of cement - in particular Portland cement - the raw materials limestone (CaCO 3 ), clay (Al 2 O 3 -2SiO 2 -2H 2 O) with quartz sand (SiO 2 ) and iron oxide (according to the known state of the process technology following pre-comminution Fe 2 O 3 ) are mixed in a precisely defined ratio to a so-called raw meal, where appropriate, correction substances such as bauxite, sand or iron ore are added. By milling the raw meal is further crushed, dried and then fed via a preheater a Drehrohofen dusty, in which the cement clinker is fired from the raw meal at temperatures between 1250 ° C to 1450 ° C, so that after the thermal decomposition of the calcium carbonate (CaCO 3 ) (so-called calcination reaction) a certain composition of calcium oxide (CaO), silicon oxide (SiO 2 ), aluminum oxide (Al 2 O 3 ) and iron oxide (Fe 2 O 3 ) is present.
Nach dem Mahlen unter Zumischung von Zumahlstoffen (Calciumsulfat, Hüttensand, Flugaschen, Kalksteinmehl, gebrannter Ölschiefer, Trass u. s. w.) entsteht der eigentliche Zement. Bei diesem Vorgang bilden sich künstliche Mineralphasen, welche für die hydraulischen Eigenschaften des Bindesmittels maßgeblich verantwortlich sind. Wichtigster Bestandteil des Zementklinkers ist die Mineralphase Alit (Tricalciumsilikat (3CaOxSiO2)), die dem Zement die gewünschten Eigenschaften wie ein schnelles Erhärten und eine hohe Festigkeit verleiht.After grinding mixed with admixtures (calcium sulfate, blastfurnace slag, fly ash, limestone powder, burned oil shale, trass, etc.), the actual cement is produced. In this process, artificial mineral phases are formed, which are largely responsible for the hydraulic properties of the binding agent. The most important component of the cement clinker is the mineral phase alite (tricalcium silicate (3CaOxSiO 2 )), which gives the cement the desired properties such as rapid hardening and high strength.
Beim anschließenden Klinkerbrennen bilden sich nach dem vorbeschriebenen Verfahren neben dem Hauptbestandteil Alit weitere Klinkerphasen wie Dicalciumsilikat (C2S-Belit), Calciumaluminat (C3A) und Calciumaluminatferrit (C4AF) sowie freies Calciumoxid (CaO). Oberhalb von einer Temperatur von ca. 1250°C bildet sich unter einer Abnahme des CaO-Gehaltes eine Schmelze, wobei sich verstärkt Alit bildet, der gewöhnlich einen Anteil von ca. 40–80 Gew.-% des Gesamtbindemittels darstellt.During the subsequent clinker burning, further clinker phases such as dicalcium silicate (C 2 S -belite), calcium aluminate (C 3 A) and calcium aluminate ferrite (C 4 AF) as well as free calcium oxide (CaO) form in addition to the main constituent alite according to the method described above. Above a temperature of about 1250 ° C., a melt is formed with a decrease in the CaO content, with the formation of increased alite, which usually represents a proportion of about 40-80% by weight of the total binder.
Die üblichen
Anteile der einzelnen Phasen im Zementklinker sind in der folgenden
Tabelle dargestellt:
Der Nachteil dieses nach dem Stand der Technik angewandten Verfahrens besteht darin, dass Calciumaluminat sehr schnell reagiert und ohne Zusatz eines Sulfatträgers zum schnellen Erstarren des Bindemittels führen würde.Of the Disadvantage of this method used according to the prior art is that calcium aluminate reacts very quickly and without Addition of a sulfate carrier would lead to rapid solidification of the binder.
Aus diesem Grund wird Portlandzementen vorwiegend Calciumsulfat (Gips und/oder Anhydrit) beim Vermahlen zugesetzt. Das Calciumaluminat macht aber den erhärteten Beton empfindlich gegen einen Sulfatangriff. Die Bildung von Ettringit bzw. ettringitähnliche Phasen durch einen Sulfatangriff führt bekanntermaßen zur Expansion, Rissbildung sowie schlussendlich zum Verlust der Festigkeit in Betonen und zementbasierten Bauwerken. Zudem ist aus der Zementchemie bekannt, dass Belit und Calciumaluminatferrit nur langsam reagieren. Diese Komponenten, die in jedem Portlandzement gemäß obiger Tabelle in unterschiedlichen Anteilen vorkommen, binden aber CaO, müssen gebrannt und gemahlen werden. Dies bedeutet, dass durch die Integration dieser beiden Phasen unnötige Energie verbraucht wird, obwohl der selektive Beitrag der Phasen zur Erhärtung sehr gering ist.Out For this reason, Portland cements are predominantly calcium sulfate (gypsum and / or anhydrite) added during grinding. The calcium aluminate but make the hardened Concrete sensitive to a sulfate attack. The formation of ettringite or ettringike Phases due to a sulfate attack are known to lead to Expansion, cracking and finally loss of strength in concrete and cement-based structures. Moreover, from the cement chemistry It is known that belite and calcium aluminate ferrite react only slowly. These components, which in each Portland cement according to above Occur in different proportions but bind CaO, have to burned and ground. This means that through integration these two phases are unnecessary Energy is consumed, although the selective contribution of the phases to corroboration is very low.
Darstellung der ErfindungPresentation of the invention
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Bindemittel zu entwickeln, dass auch bei erhöhten Verarbeitungstemperaturen langsam abbinden kann und leicht auf entsprechende Verarbeitungsbedingungen einstellbar ist. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Bindemittel zu schaffen, das sulfatbeständig ist. Hierzu ist es erforderlich, die Anteile an Belit (C2S), Calciumaluminat (C3A) und Calciumaluminatferrit (C4AF) im Bindemittel möglichst gering zu halten bzw. vorzugsweise vollkommen auszuschließen und den prozentualen Anteil an Alit (3CaOxSiO2) durch ein optimales Mischungsverhältnis im Brenngut möglichst hoch zu gestalten.The present invention is based on the object to develop a binder that can set slowly even at elevated processing temperatures and is easily adjustable to appropriate processing conditions. Another object of the present invention is to provide a binder which is resistant to sulfate. For this purpose, it is necessary to keep the proportions of belite (C 2 S), calcium aluminate (C 3 A) and calcium aluminate ferrite (C 4 AF) in the binder as low as possible or preferably completely exclude and the percentage of alite (3CaOxSiO 2 ) by to make an optimal mixing ratio in the kiln as high as possible.
Erfindungsgemäß werden die voranstehenden Aufgaben mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in Unteransprüchen angegeben.According to the invention the above objects with the features of the claim 1 solved. Advantageous embodiments of the method according to the invention are specified in subclaims.
Im Gegensatz zum üblichen Portlandzenentklinker werden erfindungsgemäß anstelle von Kalksteinmergel als Komponente mit hohem CaO-Anteil und Ton/Tonschiefer als Träger von SiO2, Al2O3 und Fe2O3 höherwertigerer, also calziumcarbonatreicherer Kalkstein als Träger für CaO und Kieselgur als Träger von SiO2 einsetzt.In contrast to the usual Portlandzenentklinker be instead of limestone marl as a component with high CaO content and clay / slate as a carrier of SiO 2 , Al 2 O 3 and Fe 2 O 3 höherwertigerer, so calzcarbonatreicherer limestone as a carrier for CaO and diatomaceous earth as a carrier SiO 2 is used.
Aus
dem Stand der Technik ist bereits bekannt, dass sich Alit durch
Brennen einer Mischung von Kalkstein und einer Siliciumquelle, wie
Kieselgur (diatomite) herstellen lässt (vgl u. a.
Um die Anteile an Belit in dem zu erstellenden Alit-Brenngut aufgabengemäß so hoch wie möglich zu halten, ist es notwendig, das zu brennende Gemisch so zu erstellen, dass ein molares Verhätnis von Calciumoxid zu Siliciumoxid von (zumindest) 3:1 erreicht wird. Das erfindungsgemäße Bindemittel ist dabei so konzipiert, dass sich durch die Zusammensetzung des Brenngutes ein Alitanteil von >= 90 Gew.-% bilden kann.Around According to the task, the shares in belite in the alit kiln to be produced are so high as possible to keep it, it is necessary to create the mixture to be burned so that a molar ratio from calcium oxide to silica of (at least) 3: 1. The binder according to the invention is designed so that the composition of the Kiln good an Alitanteil of> = 90 wt .-% can form.
Herstellungsverfahrenproduction method
Zur Herstellung von Zementklinker durch das erfindungsgemäße Verfahren wird das Rohstoffgemenge gemäß allgemein nach dem Stand der Technik bewährten Verfahren unter Zusatz von Wasser und weiteren Zusatzmitteln miteinander intensiv vermischt und zu Formkörpern verpresst. Als Zusatzmittel dienen besondere Stoffe, die als Sinterhilfsmittel einerseits die Bildung der Glasphase bewirken und dadurch zu einer Begünstigung der Festkörperreaktion zwischen dem nach der Entsäuerung des Calziumcarbonates (CaCO3) entstandenen reaktivem Calciumoxid (CaO) und der amorphen Kieselsäure (SiO2) aus dem Kieselgur beitragen, und andererseits als Mineralisatoren die Bildung von Alit begünstigen. Als Pressverfahren kommen die in der Kalsandsteinfertigung üblichen Formgebungsverfahren oder die Walzenpresstechnik zum Einsatz.For the production of cement clinker by the method according to the invention, the raw material batch is intensively mixed together according to generally well-known in the prior art method with the addition of water and other additives and pressed into moldings. The additives used are special substances which, on the one hand, cause the formation of the glass phase as sintering aids and thereby favor the solid-state reaction between the reactive calcium oxide (CaO) formed after the deacidification of the calcium carbonate (CaCO 3 ) and the amorphous silica (SiO 2 ) from the diatomaceous earth contribute to the formation of alite as mineralizers. The pressing method used is the usual shaping method or the roll press technology used in the sand-lime brick production.
Die Formkörper werden in einem anschließenden Prozess getrocknet und gebrannt. Als Brennaggregate dienen Tunnelöfen, Schachtöfen oder Drehrohröfen. Die Prozessführung ist vorzugsweise so zu wählen, dass ein vollständiger Umsatz von CaO im Brenngut erreicht wird (Freikalkanteil CaO-frei kleiner 1,5 Gew.-%). Um den im Brenngut gebildeten Alit zu stabilisieren, wird das Brenngut – wie beim Brennen von Portlandzementklinker üblich – schnell abgekühlt. Die Kühlluft wird zum Trocknen der Formkörper eingesetzt.The moldings be in a subsequent Process dried and fired. As firing units are used tunnel kilns, shaft kilns or Rotary kilns. The litigation is preferably to be chosen so that a complete one Sales of CaO is achieved in the kiln (free lime content CaO-free less than 1.5% by weight). To stabilize the alite formed in the kiln, will the kiln - like when burning Portland cement clinker common - cooled quickly. The cooling air is used to dry the moldings used.
Ausführungsbeispieleembodiments
Unter Zugrundelegung der Tatsache, das im Alitgitter andere Oxide wie MgO, Al2O3, Fe2O3, ZnO, CaF2, Mn2O3, BaO, P2O5 eingebaut werden können und die Alitbildung stabilisieren, werden solche Komponenten über die Hauptbestandteile Kalksteinmehl und Kieselgur als Verunreinigungen in das Brenngemisch eingebracht, oder als Zusätze über bis zu 2 Gew.-%, alleine oder in Kombination zugegeben. Unter Berücksichtigung der in der Kieselgur vorkommenden Verunreinigungen verändert sich die Zusammensetzung des Brenngutes nur unwesentlich.On the basis of the fact that other oxides such as MgO, Al 2 O 3 , Fe 2 O 3 , ZnO, CaF 2 , Mn 2 O 3 , BaO, P 2 O 5 can be incorporated in the alite lattice and stabilize the alite formation, such components become incorporated as impurities in the fuel mixture over the main components limestone and diatomaceous earth as impurities, or added as additives over up to 2 wt .-%, alone or in combination. Taking into account the impurities present in the diatomaceous earth, the composition of the burning material changes only insignificantly.
Je nach Einsatzgebiet wird das Bindemittel auf unterschiedliche Mahlfeinheiten gemahlen. Dabei liegen die Mahlfeinheiten im Bereich von 3000 cm2/g bis 6500 cm2/g. Für die Vermahlung von Produkten mit hoher Mahlfeinheit werden zweckmäßigerweise Mahlhilfsmittel, die eine Reduzierung der Mahlenergiekosten ermöglichen, zugesetzt. Die Mahlfeinheiten werden nach dem in der Zementtechnologie üblichen Verfahren (Blaine-Messung) ermittelt. Als Mahlverfahren kommen Mahlaggregate zum Einsatz, die für die Vermahlung von harten Materialien geeignet sind, bevorzugt aber solche, die eine steile Korngrößenverteilung des Mahlgutes ermöglichen.Depending on the application, the binder is ground to different grinding finenesses. The grinding finenesses are in the range of 3000 cm 2 / g to 6500 cm 2 / g. For the grinding of products with a high fineness of grinding, it is expedient to add grinding aids which allow a reduction in the grinding energy costs. The grinding fineness is determined by the usual method in cement technology (Blaine measurement). The grinding process used are grinding units which are suitable for the grinding of hard materials, but preferably those which permit a steep particle size distribution of the material to be ground.
In vorteilhafter Ausführung wird darüber hinaus noch ein weiteres, bisher in der Literatur nicht erwähntes Sinterhilfsmittel zugesetzt, nämlich Recycling-Glas, in einer entsprechend feingemahlen Menge von bis zu 5 Gew.-% zugesetzt. Recycling-Glas zeichnet sich durch seine gesundheitliche Verträglichkeit und ökologische Unbedenklichkeit aus.In advantageous embodiment gets over it In addition, another, not previously mentioned in the literature sintering aid added, namely Recycled glass, in a correspondingly finely ground amount of up added to 5 wt .-%. Recycled glass stands out for its health compatibility and ecological safety out.
Die
besonderen Eigenschaften des innovativen Bindemittes, das auf die
spezifischen Anforderungen der angestrebten Anwendungsbereiche durch
Zusatz von in der Baustoffchemie üblichen Betonzusatzstoffen wie
Verzögerer,
Beschleuniger, Verflüssiger,
Stabilisatoren gezielt optimiert werden kann, werden erreicht durch
die nachfolgenden Merkmale:
Das Bindemittel ist gekennzeichnet
durch einen hohen Anteil an reaktivem Alit, wodurch hohe Früh- und Endfestigkeiten
erreicht werden können.
Tricalciumaluminat ist gar nicht bzw. nur als äußerst geringer Bestandteil im
Bindemittel enthalten. Es besteht kein Erfordernis, die schnelle
Hydratation des C3A im frühen Bereich
des Erstarrens durch Zusatz von Dihydrat oder anderen Sulfatträgern zu
verzögern.
Die Abwesenheit von C3A eröffnet Möglichkeiten
zur Herstellung von Zementen mit langen Verarbeitungszeiten auch
bei höheren
Temperaturen, z. B. Bohrlochzemente für die Erdölförderung. Der gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren
hergestellte Zement ist sulfatbeständig; durch die Abwesenheit
von C3A entsteht kein Sulfattreiben infolge
des Sulfatangriffs aus sulfathaltigen Lösungen.The special properties of the innovative binder, which can be specifically optimized for the specific requirements of the intended application areas by adding concrete admixtures customary in construction chemicals such as retarders, accelerators, liquefiers and stabilizers, are achieved by the following features:
The binder is characterized by a high proportion of reactive alite, whereby high early and final strengths can be achieved. Tricalciumaluminat is not or only as extremely low component contained in the binder. There is no need to delay the rapid hydration of the C 3 A in the early range of solidification by addition of dihydrate or other sulfate carriers. The absence of C 3 A opens up possibilities for the production of cements with long processing times even at higher temperatures, eg. B. borehole cements for oil production. The cement produced by the method according to the invention is resistant to sulphate; the absence of C 3 A does not produce sulphate rubbing due to sulphate attack from sulphate-containing solutions.
Es bestehen ferner keine bzw. nicht nennenswerte Anteile an Belit. Durch das Fehlen der langsam reagierenden Komponente Belit in dem nach dem innovativen Verfahren hergestellten Klinker, resultiert ein höheres Festigkeitspotential durch hohe Alitanteile. Unter normalen Baustellenbedingungen kommt das Erhärtungspotential des Belits, das ja bekanntlich erst bei einer längeren Lagerung unter Wasser reagiert, gar nicht zum Tragen. Unter normalen Baustellenbedingungen kann der in Portlandzementen vorhandene Belit-Anteil als inert angesehen werden.It Furthermore, there are no or not significant shares in Belit. Due to the absence of the slow reacting component belit in the clinker produced by the innovative process results a higher one Strength potential through high Alitanteile. Under normal site conditions comes the hardening potential of the Belits, which is well known only when stored under water for a long time reacts, not at all. Under normal site conditions For example, the proportion of belit present in Portland cements may be considered inert become.
Es bestehen darüber hinaus keine oder nicht nennenswerte Anteile an der aluminatisch-ferritischen Phase C4AF. Auch der aus dem C4AF resultierende Festigkeitsbeitrag beim Erhärten von üblichen Portlandzementen dürfte vernachlässigt werden.In addition, there are no or not significant shares in the aluminate-ferrite phase C 4 AF. Also the strength contribution resulting from the C 4 AF when hardening of usual Portland cements should be neglected.
Aus
dem so gewonnenen alitreichen Zementklinker werden Zemente mit besonderen
Eigenschaften durch Feinmahlung und Zusatz von Zumahlstoffen wie
Gips und/oder Anhydrit, Hüttensand,
Kalkstein und Kieselgur oder anderen puzzolanisch wirksamen Materialien
hergestellt. Das erfindungsgemäße Verfahren
ermöglicht
die Herstellung von innovativen und leistungsstarken hydraulischen
Bindemittel mit den folgenden Eigenschaften der daraus herzustellenden
Mörtel
und Betone:
Die Zemente haben günstige, auf den jeweiligen
Anwendungsbereich einstellbare Verarbeitungseigenschaften, verfügen über eine
hohe Früh-
und Endfestigkeit, sind wasserundurchlässig, beständig gegen Carbonatisierung
und bieten letztlich einen hohen Schutz der Stahlbewehrung gegen
Korrosion.Cements with special properties are produced from the alumina-rich cement clinker obtained by fine grinding and the addition of additives such as gypsum and / or anhydrite, blastfurnace slag, limestone and kieselguhr or other pozzolanic materials. The process according to the invention makes it possible to produce innovative and high-performance hydraulic binders having the following properties of the mortars and concretes to be produced therefrom:
The cements have favorable processing properties which can be adjusted to the respective field of application, have high early and final strength, are impermeable to water, are resistant to carbonation and ultimately provide high protection of the steel reinforcement against corrosion.
Die Anwendungsbereiche für solche Bindemittel liegen in den Bereichen bauchemischer Produkte wie Fliesenkleber, Fugenmörtel, Dünnbettmörtel, Klebe- und Armierungsmörtel für Wärmedämmverbundsysteme, Spachtelmassen, Oberputze (Edelputze), Betone mit hohen An forderungen gegen Angriff von aggressiven sulfat- und cloridhaltigen Lösungen, Tiefbohrzemente für den Einsatz bei Bohrprojekten für die Exploration und Förderung von Öl, Gas, Wasser oder Wärme sowie ferner CO2- resistente Bohrlochzemente für die Abdichtung von CO2-Speichern.The areas of application for such binders are in the areas of construction chemical products such as tile adhesive, grout, thin-bed mortar, adhesive and reinforcing mortar for thermal insulation systems, fillers, top plasters (precious plasters), concretes with high demands on against attack by aggressive sulfate and cloridhaltigen solutions, deep well cements for Used in drilling projects for the exploration and production of oil, gas, water or heat as well as CO 2 - resistant well cement for the sealing of CO 2 reservoirs.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines hydraulischen Bindemittels beschränkt sich in seiner Ausführung nicht auf die vorstehend angegebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele. Vielmehr sind eine Vielzahl von Ausgestaltungsvariationen denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteter Ausführung Gebrauch machen.The inventive method for producing a hydraulic binder is limited in its execution not to the preferred embodiments given above. Rather, a variety of design variations are conceivable which of the illustrated solution also in principle different type of execution Make use.
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