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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Zusammensetzung oder einen Betonzusatzstoff, dessen Verwendung und Betonmischungen enthaltend diesen Zusatzstoff.
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Betonzusatzstoffe sind feine anorganische oder organische Stoffe, die im Beton verwendet werden, um Eigenschaften gezielt zu verbessern oder zu erreichen. DIN EN 206-1/DIN 1045-2 unterscheidet dabei zwei Arten von anorganischen Zusatzstoffen (DIN = Deutsches Institut für Normung):
Typ I: nahezu inaktive Zusatzstoffe wie z. B. Gesteinsmehle oder Pigmente mit allgemeiner bauaufsichtlicher Zulassung und
Typ II: puzzolanische oder latent hydraulische Zusatzstoffe wie z. B. Trass, Flugasche oder Silicastaub mit allgemeiner bauaufsichtlicher Zulassung.
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Betonzusatzstoffe (auch Füller genannt) sind als Volumenbestandteile in der Stoffraumrechnung zu berücksichtigen. Bei Flugasche z. B. handelt es sich um einen feinkörnigen Verbrennungsrückstand von Kohlenstaub in Kraftwerken, der als Zusatzstoff für Zement und Beton Verwendung findet. Flugasche besitzt einen sog. k-Wert (k-Wert Zement = 1, k-Wert Flugasche = 0,4), der den Festigkeitsbeitrag dieser Stoffe beschreibt, und darf nach DIN EN 450 in Betonerzeugnissen auf den äquivalenten Wasserzementwert und den Mindestzementgehalt angerechnet werden. Der Markt für Flugasche in diesem Bereich liegt bei ca. 3,5 Mio. t im Jahr.
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Zu den genannten Betonzusatzstoffen des Typs I (nahezu inaktive Zusatzstoffe) zählen z. B. Gesteinsmehle wie Kalksteinmehl. Es handelt sich um inerte Materialien, die primär der Verbesserung der Sieblinie und damit der Verarbeitbarkeit des Betons dienen. Dabei sollte das Kalksteinmehl einen Calciumcarbonat-Gehalt von mehr als 75 Gew.-% aufweisen. Kalksteinmehl wird im Gegensatz zu Flugasche bei der Betrachtung von Betonmischungen kein k-Wert zugeordnet, der den Festigkeitsbeitrag des Stoffs zum diesen enthaltenden Erzeugnis (Betonmischung) beschreibt.
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Die oben gemachten Angaben finden sich z. B. in „Betontechnische Daten", September 2005, HeidelbergCement AG, Leimen, Deutschland.
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Auch in der Patentliteratur wird der Einsatz von Betonzusatzstoffen beschrieben.
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DE 802 502 beschreibt den Einsatz von Ton, Lehm und Bentonit bei der Herstellung von erdfeuchten Betonmischungen.
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WO 2005/090257 A1 bezieht sich auf einen speziellen Betonzusatzstoff, der insbesondere für die Herstellung erdfeuchter Betonerzeugnisse wie Bordsteine, Betondachsteine oder Pflastersteine geeignet ist und diesen u. a. eine verbesserte Grünstandsfestigkeit verleiht. Weiterhin kann durch den Einsatz dieses Zusatzstoffes, der Tonminerale wie Kaolinit und Illit und daneben auch Quarz enthält, der Wassergehalt des Frischbetons erhöht und damit die Hydratation des Zements verbessert, der Anteil an Zement in der Zementmischung bzw. dem Beton reduziert und die Druckfestigkeit und Rohdichte des Betons erhöht werden.
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Neben den obengenannten Vorteilen, die mit dem Betonzusatzstoff gemäß der
WO 2005/090257 bereits erzielt werden können, besteht aber noch ein Verbesserungsbedarf dahingehend, einen Betonzusatzstoff bereitzustellen, mit dem die Festigkeit von Endprodukten, wie z. B. Betonfertigerzeugnissen, weiter gesteigert werden kann. Weiterhin wäre es wünschenswert, wenn in der Industrie anfallende Neben- und Abfallstoffe, wie z. B. hydraulisch aktive Bypassstäube, Papieraschen und sonstige Aschen, in Betonmischungen eingesetzt und damit wieder verwertet werden können, ohne die Festigkeit der resultierenden Endprodukte negativ zu beeinträchtigen. So müssen Bypassstäube aus dem Zementherstellungsprozess zunächst aufwendig von den darin enthaltenen Alkalichloriden und -sulfaten befreit werden, bevor diese wieder als Zementzumahlstoff oder Rohmehlkomponente bei der Zementklinkerherstellung eingesetzt werden können (
DE 44 425 63 A1 ). Auch ist eine Reduzierung des Füllanteils, beispielsweise gegenüber Flugasche, bei solchen Betonzusatzstoffen bzw. deren Mischungen mit Zement äußerst vorteilhaft, da dies zu einer Reduzierung der notwendigen Transportkapazität und bei den Abnehmern und Verwendern dieser Stoffe und Mischungen zu einer deutlichen Verringerung des vorgehaltenen Siloraums führt. Idealerweise erfolgt dies bei gleichzeitiger Reduzierung des erforderlichen Bindemittelanteils (Zement).
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Diese Aufgabe wird durch den erfindungsgemäßen Betonzusatzstoff gelöst, bei dem die dafür notwendigen Merkmale und Eigenschaften gegenüber dem Stand der Technik verbessert sind.
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Die vorliegende Erfindung betrifft daher einen Betonzusatzstoff, der eine Mischung aus Concresol
® (eingetragene Marke der Anmelderin) und nahezu inaktiven Gesteinsmehlen (Typ I Zusatzstoffe, denen kein k-Wert zugeordnet ist) umfasst. Bei Concresol handelt es sich um den Betonzusatzstoff (Stoffmischung), wie er in der
WO 2005/090257 A1 , dort insbesondere in den Patentansprüchen, beschrieben ist. Auf den Offenbarungsgehalt dieses Dokuments, und hier insbesondere der der Seiten 3–7 und der Ansprüche 1–10, wird für die Zwecke dieser Erfindung und deren Offenbarung ausdrücklich Bezug genommen.
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In Übereinstimmung mit der genannten WO-Offenlegungsschrift steht im Folgenden Concresol für einen Stoff oder eine Stoffmischung, die 20–100 Gew.-% Tonminerale, vorzugsweise 50–70 Gew.-%, enthält, wobei bevorzugt 20–100 Gew.-% dieser Mischung, vorzugsweise 50–70 Gew.-%, mit einem Feinstkornanteil von ≤ 2 μm vorliegen.
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Neben diesen Tonmineralen enthält dieser Betonzusatzstoff (Concresol) bevorzugt auch Quarz, dessen Anteil bevorzugt wenigstens 15 Gew.-% beträgt.
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Bei den genannten Tonmineralen handelt es sich bevorzugt um Kaolinit und Illit, die bevorzugt jeweils zu wenigstens 10 Gew.-% in Concresol enthalten sind.
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Weiterhin enthält Concresol den Quarz in einer Form, dass dieser bevorzugt mit 10 bis 80 Gew.-% (bezogen auf den Gesamtquarzgehalt), insbesondere mit 25 bis 45 Gew.-%, in einer Korngröße von ≤ 63 μm vorliegt.
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Concresol weist bevorzugt eine spezifische Oberfläche von mindestens 5 m2/g auf.
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Soweit nicht anders angegeben bezieht sich die Angabe Gew.-% hier und im Folgenden auf das Gesamtgewicht des jeweils beschriebenen Stoffs oder Stoffgemischs.
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Der erfindungsgemäß bereitgestellte Betonzusatzstoff bzw. die Zusammensetzung umfasst bzw. enthält nun eine Mischung aus einem oder mehreren Gesteinsmehlen und Concresol, wobei Concresol in jeder beliebigen und oben beschriebenen Ausführungsform vorliegen kann. Bei den erfindungsgemäßen Gesteinsmehlen handelt es sich um verschiedene Typen, wobei z. B. auch Hartgesteinsmehle mit umfasst sind. Beispiele für solche Gesteinsmehle sind Kalkstein-, Basalt-, Dolomit- und Quarzmehl, unter denen Basalt- und Kalksteinmehl, insbesondere Kalksteinmehl, bevorzugt sind. Das Kalksteinmehl besteht bevorzugt zu mehr als 75 Gew.-% aus Calciumcarbonat. Erfindungsgemäß einsetzbar sind die aus dem Stand der Technik als Betonzusatzstoffe bekannten Gesteinsmehle, wie sie auch auf dem Markt erhältlich sind.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand der bevorzugten Zusammensetzungen näher erläutert, die Kalksteinmehl und Concresol enthalten. Die Angaben (z. B. Anteile in Gew.-%) beziehen sich jedoch gleichfalls auf Zusammensetzungen, welche anstelle von Kalksteinmehl andere erfindungsgemäße Gesteinsmehle oder deren Mischungen untereinander und/oder deren Mischungen mit Kalksteinmehl enthalten.
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Der erfindungsgemäße Betonzusatzstoff enthält bevorzugt 10–90 Gew.-% Kalksteinmehl und 1–30 Gew.-% Concresol. Besonders bevorzugt sind 70–90 Gew.-% Kalksteinmehl und 10–20 Gew.-% Concresol. Das heisst, der erfindungsgemäße Betonzusatzstoff enthält bevorzugt Kalksteinmehl, Tonminerale, wobei es sich insbesondere um Kaolinit und Illit handelt, und Quarz.
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Wie ausgeführt, kann das Kalksteinmehl ganz oder zum Teil durch andere nicht hydraulisch aktiv wirkende Gesteinsmehle ersetzt sein. Bevorzugt unter diesen weiteren Gesteinsmehlen sind Dolomit – und/oder Basaltmehl, insbesondere Basaltmehl.
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Des Weiteren kann der erfindungsgemäße Betonzusatzstoff (Zusammensetzung) weitere hydraulisch aktive Stoffe enthalten. Hierbei handelt es sich bevorzugt um Neben- und Abfallprodukte aus der Industrie – und Zementproduktion, wie z. B. Bypassstäube, Papieraschen und sonstige Aschen (z. B. Filteraschen, Müllverbrennungsaschen, Flugaschen insbesondere Braunkohleflugaschen). Diese Stoffe können bevorzugt zu 0–50 Gew.-%, insbesondere zu 10–30 Gew.-%, vorhanden sein.
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Der erfindungsgemäße Betonzusatzstoff weist bevorzugt zu mehr als 80 Gew.-%, insbesondere zu mehr als 90 Gew.-%, Korngrößen von bevorzugt kleiner als 63 μm auf.
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In einer speziellen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden die Komponenten des Betonzusatzstoffs bzw. der Zusammensetzung oder auch die fertige Zusammensetzung selbst einer sogenannten Schockhitzebehandlung unterzogen. Dabei werden einzelne Komponenten vor der Mischung oder die fertige Zusammensetzung für einen Zeitraum von wenigen Sekunden bis zu ca. 60 Minuten Temperaturen von bevorzugt höher als 600°C ausgesetzt. Insbesondere bevorzugt ist eine solche thermische Behandlung für die erfindungsgemäßen Gesteinsmehle. Diese Behandlung führt zu einer Dehydrierung und einer mehr oder weniger weitgehenden Zerstörung der Kristallstruktur. Allgemein führt eine solche Behandlung zu einer Steigerung der Frühfestigkeit von z. B. Betonerzeugnissen, welche den erfindungsgemäßen und so hergestellten Betonzusatzstoff enthalten.
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Nach der Erfindung ist es auch möglich, dass im Bedarfsfall der Zusatzstoff zusätzlich ein Fließmittel aus den Stoffgruppen der Ligninsulfonate, Polykarboxylate, Naphthaline und/oder Verflüssiger und/oder Alkali – und/oder Erdalkalisalze enthält. Durch den Einsatz von Fließmitteln kann der nicht durch den Betonzusatzstoff bedingte freie Wassergehalt des Betons weiter reduziert werden, wodurch z. B. die Grünstandsfestigkeit frisch ausgeschalter erdfeuchter Betonerzeugnisse weiter verbessert werden kann. Insbesondere bei Verwendung von Zementen der Hauptzementart CEM I und auch CEM II sind hier deutlich positive Effekte zu erzielen.
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Nach der Erfindung ist es auch möglich, den Betonzusatzstoff als Bestandteil von hydraulischen Bindemitteln, wie z. B. Zemente aller Typen, bevorzugt OEM I und II, hochhydraulischer Kalk oder alkalisch aktivierte Gläser (z. B. Hüttensand und Natriumsulfat), insbesondere von Zementen oder Zementmischungen zu verwenden. Solche Mischungen werden ebenfalls von der vorliegenden Erfindung umfasst. Die fertige (Zement-)Mischung enthält den Betonzusatzstoff bevorzugt zu 0–20 Gew.-%, insbesondere zu 3–15 Gew.-%.
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Schließlich umfasst die Erfindung die Verwendung des Betonzusatzstoffs zur Herstellung von Betonmischungen und daraus hergestellter Erzeugnisse, wie z. B. Bordsteine, Betondachsteine oder Pflastersteine, sowie entsprechende Betonmischungen, z. B. in Form von Transportbeton, und daraus hergestellte Betonerzeugnisse, welche den erfindungsgemäßen Betonzusatzstoff enthalten. Dabei ergeben sich hinsichtlich Zement- oder Betontyp keinerlei Beschränkungen.
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Bevorzugt sind dabei Betonmischungen, welche den Betonzusatzstoff in einem Betonzusatzstoff: Zement-Verhältnis von 10–50 Gew.-%, insbesondere von 20–30 Gew.-% enthalten.
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Der Einsatz des erfindungsgemäßen Betonzusatzstoffs führt zu vorteilhaften Ergebnissen in verschiedener Hinsicht.
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Einmal können problematische Neben- und Abfallprodukte, wie z. B. ungereinigte Bypassstäube aus der Zementproduktion oder bisher für die Zement- oder Betonherstellung nicht zugelassene Aschen, wie Müllverbrennungsaschen und Papieraschen, mit in den Zusatzstoff eingebunden werden, ohne dass die Festigkeit der entsprechenden Betonerzeugnisse dadurch beeinträchtigt wird. In den Neben- oder Abfallprodukten enthaltene schädliche Salze, wie z. B. die eingangs genannten Chloride, können so wesentlich toleranter in eine Betonrezeptur eingebunden werden. Da der erfindungsgemäße Betonzusatzstoff die physikalischen Eigenschaften (Festigkeit) und Gebrauchseigenschaften von Beton bzw. Betonerzeugnissen deutlich erhöht, kann sein Einsatz auch zu einer Reduzierung des Bindemittelanteils (Zement) führen. Schließlich führt die Kombination von Concresol mit Kalksteinmehl bzw. weiteren Gesteinsmehlen zu einer deutlich besseren Verarbeitbarkeit der Betonzusatzstoffe insgesamt. Die schlechten Fließeigenschaften, welche einige der hier genannten Mehle und Aschen aufweisen, können beim Verarbeiter zu Dosierproblemen führen. Der Einsatz von Concresol verbessert jedoch diese Fließeigenschaften deutlich und löst damit die aus dem Stand der Technik bekannten Dosierprobleme.
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Die Herstellung des erfindungsgemäßen Betonzusatzstoffs erfolgt nach dem Fachmann geläufigen Verfahren, welche insbesondere die Grundoperationen Mahlen, Sieben und Mischen der Ausgangskomponenten umfassen.
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Für die Zwecke der Erfindung werden die Korngrößen mittels Luftstrahlsiebung (Luftstrahlsieb der Firma Alpine (DE)), der Feinstkornanteil von kleiner als 2 μm nach DIN 18123 (Areometermethode), bestimmt.
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Das nachfolgende Beispiel dient zur näheren Erläuterung der Erfindung und deren positiver Effekte, ohne die Erfindung darauf zu beschränken. Dabei bilden alle beschriebenen Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegentand der Erfindung.
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Es wurden folgende erdfeuchte Ausgangsmischungen hergestellt:
- a) Stand der Technik
Sand 0–2 800 kg
Rundkies 2–8 850 kg
Splitt 5–8 350 kg
PZ 42,5 240 kg
Flugasche 50 kg
BV 1,2 kg
Wassergehalt ca. 120 l
- b) erfindungsgemäße Mischung
Sand 0–2 825 kg
Rundkies 2–8 850 kg
Splitt 5–8 350 kg
PZ 42,5 240 kg
erfindungsgemäßes Produkt: 25 kg (90% Kalksteinmehl/10% Concresol)
BV 1,2 kg
Wassergehalt ca. 123 l
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Die Herstellung dieser Mischungen und der entsprechenden Probekörper erfolgte wie in der
WO 2005/090257 beschrieben.
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Die erfindungsgemäße Mischung b) (bzw. daraus hergestellte Probekörper) zeigte gegenüber dem Vergleichsbeispiel a) deutliche Vorteile bezüglich der Gebrauchseigenschaften wie Verarbeitbarkeit, Robustheit gegenüber Wasserschwankungen und Optik und wies zudem eine erhöhte Spaltzugfestigkeit nach DIN EN 1338 bei gleichzeitiger Reduktion des Füllanteils (Flugasche) auf.
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Vergleichbare Ergebnisse werden auch erzielt, wenn im erfindungsgemäßen Produkt der Mischung b) ein Teil des Kalksteinmehls gemäß Anspruch 8 durch Bypassstäube und/oder Aschen ersetzt wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 802502 [0007]
- WO 2005/090257 A1 [0008, 0011]
- WO 2005/090257 [0009, 0035]
- DE 4442563 A1 [0009]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- DIN EN 206-1 [0002]
- DIN 1045-2 [0002]
- DIN EN 450 [0003]
- „Betontechnische Daten”, September 2005, HeidelbergCement AG, Leimen, Deutschland [0005]
- DIN 18123 [0032]
- DIN EN 1338 [0036]