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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Baustoffzusammensetzung, die als Bestandteil eines Bindemittels oder als Bestandteil einer Baustoffmischung mit einem Bindemittel vorgesehen ist.
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Stand der Technik
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Formbare Baumaterialien, die aus fließfähigen Baustoffmischungen und Aushärten oder Abbinden dieser Baustoffmischungen erzeugt werden, wie z. B. Beton oder Mörtel sind in verschiedensten Zusammensetzungen bekannt. Neben den Zuschlagsstoffen sind von entscheidender Bedeutung die Bindemittel, bei denen man üblicherweise zwischen hydraulischen, latent hydraulischen, puzzolanen und nicht hydraulischen Bindemitteln unterscheidet.
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Beton entsteht aus einem Gemisch von Zement als hydraulischem Bindemittel, Gesteinskörnung und Wasser durch Erhärten des Zement-Wasser-Gemisches.
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Die europäische Norm EN 197/1:2000 gibt eine Übersicht über 27 sogenannten Normalzemente oder CEM-Zemente mit deren Bestandteilen. Zement ist gemäß EN 197-1 ein hydraulisches Bindemittel und ein fein gemahlener anorganischer Stoff, der, mit Wasser gemischt, Zementleim ergibt. Der Zementleim erstarrt und erhärtet durch Hydratation und bleibt nach dem Erhärten auch unter Wasser fest und raumbeständig. Zement muss nach der EN 197/1 bei entsprechender Dosierung und nach entsprechendem Mischen mit Zuschlag und Wasser Beton oder Mörtel ergeben, der ausreichend lange verarbeitbar sein muss, nach einer bestimmten Zeit ein festgelegtes Festigkeitsniveau erreichen und langfristig raumbeständig sein muss.
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Die hydraulische Erhärtung von CEM-Zement beruht vorwiegend auf der Hydratation von Calciumsilikaten (kieselsaures Calcium), jedoch können auch andere chemische Verbindungen an der Erhärtung beteiligt sein, wie zum Beispiel Aluminate. Der Massenanteil an reaktionsfähigem Calciumoxid (CaO) und reaktionsfähigem Siliciumdioxid (SiO2) muss in CEM-Zementen mindestens 50% betragen. Bei Tonerdezementen beruht die Erhärtung hauptsächlich auf Calciumaluminaten.
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Die 27 Normalzementsorten werden gemäß EM 197/1:2000 in fünf Hauptzementarten unterteilt, die sich in ihren Hauptbestandteilen unterscheiden, nämlich Portlandzement (CEM I), Portlandkompositzemente (CEM II), Hochofenzemente (CEM III), Puzzolanzemente (CEM IV) und Kompositzemente (CEM V). Die unterschiedlich zugegebenen Hauptbestandteile des Zements beeinflussen die Hydratationsgeschwindigkeit, die Beständigkeit gegen chemische Stoffe und auch die Verarbeitbarkeit des vielfähigen Zementes und die Festigkeit des ausgehärteten Zementes.
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Der in allen Zementen enthaltene Hauptbestandteil ist der Portlandzementklinker oder kurz Klinker, der durch Sinterung einer genau festgelegten Rohstoffmischung hergestellt wird, die gewöhnlich als Oxide ausgedrückte Elemente chemische Elemente enthält, nämlich Calciumoxid (CaO), Siliciumdioxid (SiO2), Aluminiumoxid (Al2O3), Eisenoxid (Fe2O3) sowie geringe Mengen anderer Stoffe. Portlandzementklinker muss gemäß der Norm nach Massenanteilen zumindest zu zwei Dritteln aus Calciumsilicaten (3CaO·SiO2 und 2CaO·SiO2) bestehen, und zum Rest aus Aluminium und Eisen enthaltenden Klinkerphasen und anderen Verbindungen. Das Massenverhältnis CaO/SiO2 muss mindestens 2,0 betragen. Der Massenanteil von Magnesiumoxid (MgO) darf 5,0% nicht überschreiten.
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Die fünf Hauptzementarten CEM I bis V unterscheiden sich einerseits in ihren Masseanteilen an Portlandzementklinker, jedoch hauptsächlich auch in den weiteren Hauptbestandteilen, nämlich Hüttensand, Slicastaub, Puzzolane, Flugasche, gebrannter Schiefer und Kalkstein. Ferner enthält Zement Nebenbestandteile und Zusätze, die gemeinsam unter 5 Gew.-% liegen. Die genauen Zusammensetzungen sind in der Norm EN 197/1:2000 angegeben.
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Für die mechanischen, physikalischen und chemischen Anforderungen an die Dauerhaftigkeit eines Zements gibt es in den EN-196-Normen genormte Prüfkriterien und Prüfverfahren. Gemäß EN 196-1:2005 D werden Festigkeit der Prüfkörper nach 24 h ± 15 min, nach 48 h ± 30 min, nach 72 h ± 45 min und nach 7 Tagen ± 2 h sowie nach typischerweise 28 Tagen ± 8 h bestimmt. Gemäß EN 197-1:2000 ist als Anfangsfestigkeit von Zement die Druckfestigkeit von Prüfprismen nach zwei Tagen oder sieben Tagen festgelegt. Eine übliche Anfangsfestigkeit wird mit N gekennzeichnet, eine hohe Anfangsfestigkeit mit R. Als Normfestigkeit von Zement ist die 28-Tage-Prismendruckfestigkeit festgelegt. Bei der Normalfestigkeit unterscheidet man drei verschiedene Festigkeitsklassen der Zemente: Klasse 32,5, Klasse 42,5 und Klasse 52,5.
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Die genannten Zemente werden für die Herstellung von Beton, Mörtel, Einpressmörtel und anderen Mischungen für den Bau und die Herstellung von Bauprodukten verwendet.
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Bei Frischbeton, also der noch fließfähigen Betonmischung, wird das Ausbreitmaß als Maß für die Konsistenz des Frischbeton ermittelt (EN 12350-5 Teil 5). Je größer das Ausbreitmaß, umso fließfähiger ist der Frischbeton.
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Baukalke sind als Bindemittel für Mauermörtel und Putzmörtel sowie zum Weißen und für Kalkfarbanstriche zu verwenden, Feinkalk auch zur Herstellung von Kalkstandsteinen. Bei Baukalken unterscheidet man, beispielsweise in der DIN EN 459, Luftkalke und hydraulische Kalke. Luftkalk ist im Wesentlichen gelöschter Kalk (oder: Calciumhydroxid oder Kalkhydrat) Ca(OH)2, der durch Löschen von gebranntem Kalk (CaO), der durch Brennen von Kalkstein oder Calciumcarbonat CaCO3 erzeugt wurde, mit Wasser (H2O) hergestellt wird. Der Luftkalk hat seinen Namen daher, dass beim Erhärten der gelöschte Kalk Ca(OH)2 mit Wasser und Kohlendioxid aus der Luft, die zusammen Kohlensäure (H2CO3) bilden, zu erhärtetem Kalk (Kalkstein, CaCO3) und Wasser exotherm reagiert. Hydraulische Kalke enthalten Bestandteile, die durch Reaktion mit Wasser zementähnlich unter Hydratation erhärten, wie auch unter Wasser erstarrende und erhärtende hydraulische Verbindungen auf Basis von Ton, der im Wesentlichen Kieselsäure (SiO2), Tonerde (Al2O3) und Eisenoxid (Fe2O3) enthält. Kalksandsteine werden durch Pressen von Kalk und Sand in einer Presse und anschließende Härtung unter Dampfdruck in einem Autoklaven hergestellt.
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Tone oder Tonminerale sind in der Erdkruste, meist oberflächennah vorkommende feinstkörnige Materialien. Die Korngröße liegt in der Regel unter 2 μm. Tonminerale bestehen aus zwei charakteristischen Schichten, einerseits einer Tetraederschicht aus SiO4-Tetraedern, wobei zum Teil eine Substitution Si-Al vorliegt, und zum anderen aus einer Oktaederschicht aus AlO6-Oktaedern bei zum Teil vorliegender Substitution Al-Mg. Je nach sich periodisch wiederholender Reihenfolge dieser beiden Schichten unterscheidet man Zweischicht-, Dreischicht- und Vierschicht-Tonmaterialien. Zwischen den Schichten des Tones ist Wasser gebunden (sogenanntes Kristallwasser). Beim sogenannten Kalzinieren wird der Ton erhitzt, um das Kristallwasser auszutreiben und teilweise auch Carbonate und Hydrate zu zerlegen. Dabei entstehen im kalzinierten Ton neue reaktive Phasen und bleiben schon bestehende reaktive Phasen erhalten. Es ist dabei wichtig, die entsprechende Kalziniertemperatur für eine entsprechende Zusammensetzung des Tones zu kennen oder ermitteln zu können.
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Tone werden nicht nur als Bestandteile in Tonerdezementen eingesetzt, sondern auch neben Kalkstein, Sand und Eisenerz als Rohstoff für die Zementklinkerherstellung verwendet durch Brennen des derart gemischten und gemahlenen Rohmehls bei Temperaturen von ca. 1450°C.
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Ferner ist das Brennen von Tonen oder Schiefer bei Temperaturen von 1000°C bis 1300°C zur Herstellung von Blähton oder Blähschiefer bekannt, das aber in keiner Beziehung zur Zementtechnologie steht.
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Aufgabe und Lösung gemäß der Erfindung
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Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein neues Verfahren zum Herstellen einer Baustoffzusammensetzung, die als Bestandteil eines Bindemittels oder als Bestandteil einer Baustoffmischung mit einem Bindemittel vorgesehen ist, einerseits und ein neues Bindemittel andererseits anzugeben. Vorzugsweise sollen, insbesondere durch teilweise Substitution von Zement oder Kalk, die Eigenschaften, insbesondere die Druckfestigkeit der abgebundenen Baustoffmischung und/oder die Verarbeitbarkeit der noch nicht abgebundenen Baustoffmischung verbessert werden.
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Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung hinsichtlich des Verfahrens gelöst mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und des Patentanspruchs 3 und hinsichtlich des Bindemittels mit den Merkmalen des Patentanspruchs 7.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.
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Gemäß der Erfindung wird durch eine vorteilhafte, synergistische Kombination der physikalischen und thermischen Behandlung eines Rohtonmateriales (oder: tonhaltigen Rohmaterials) ein feinkörniges Tonmaterial in zwei Varianten erhalten, das bei Zugabe zu einem Zement oder Kalk eine überraschende Verbesserung der Eigenschaften hinsichtlich Druckfestigkeit des abgebundenen Baustoffes, insbesondere Betons, Mörtels oder Kalksandsteins, als auch hinsichtlich der Verarbeitbarkeit, insbesondere dem Zusammenhalt, der noch nicht abgebundenen Baustoffmischung, insbesondere des Frischbetons oder Nassmörtels, erbringt.
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Zur Herstellung einer ersten Variante des feinkörnigen Tonmaterials wird gemäß dem Verfahren gemäß der Erfindung wie folgt vorgegangen:
- (i) grobes Zerkleinern, insbesondere Brechen, eines Rohtonmaterials derart, dass mindestens 90%, vorzugsweise mindestens 95%, der Partikel eine Partikelgröße von höchstens 100 mm aufweisen du dass vorzugsweise mindestens 70%, vorzugsweise mindestens 80%, der Partikel eine Partikelgröße von mindestens 10 mm aufweisen und/oder dass mindestens 90%, vorzugsweise mindestens 95%, der Partikel eine Partikelgröße von mindestens 1 mm aufweisen,
- (ii) Brennen des grob zerkleinerten Rohtonmaterials bei Brenntemperaturen aus einem Temperaturbereich von 650°C bis 950°C,
- (iii) feines Zerkleinern, insbesondere Mahlen, des gebrannten Rohtonmaterials derart, dass die Partikelgröße kleiner als 32 μm für mindestens 90% bis 99% der Partikel beträgt und kleiner als 100 μm, vorzugsweise kleiner als 63 μm, für 95% bis 100% der Partikel beträgt und dass die Feinheit in einer spezifischen Oberfläche aller Partikel zwischen 6000 und 12000 cm2/g, insbesondere zwischen 6000 und 8000 cm2/g, resultiert.
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Diese Variante beruht unter anderem auf der Überlegung, ein nur in spezieller Weise gemäß Verfahrensschritt (i) grob zerkleinertes Rohtonmaterial bei relativ niedrigen Temperaturen gemäß Verfahrensschritt (ii) zu brennen. Dabei entstehen in den relativ großen Tonpartikeln beim Brennen aufgrund der gewählten Brenntemperaturen zwischen 650°C und 950°C und aufgrund der Temperaturgradienten in den Partikeln reaktive Phasen und bereits enthaltene reaktive Phasen bleiben wenigstens teilweise bestehen. Dadurch entsteht beim anschließenden feinen Zerkleinern gemäß Verfahrensschritt (iii) ein reaktives feinkörniges Stoffgemisch, das die verbesserten Bindungseigenschaften, die insbesondere zur höheren Druckfestigkeit führen, aufweist. Die physikalische grobe Struktur des zu brennenden Rohtonmaterials in Synergie mit den speziell gewählten Brenntemperaturen zeitigt also die genannten Vorteile.
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Zur Herstellung einer zweiten Variante des Tonmaterials wird gemäß dem Verfahren gemäß der Erfindung wie folgt vorgegangen:
- (i) Brennen eines Rohtonmaterials bei Brenntemperaturen aus einem Temperaturbereich von 1000°C bis 1300°C, insbesondere 1150°C bis 1300°C,
- (ii) feines Zerkleinern, insbesondere Mahlen, des gebrannten Rohtonmaterials derart, dass die Partikelgröße kleiner als 32 μm für mindestens 90% bis 99% der Partikel beträgt und kleiner als 100 μm, vorzugsweise kleiner als 63 μm, für 95% bis 100% der Partikel beträgt und dass die Feinheit in einer spezifischen Oberfläche aller Partikel zwischen 6000 und 12000 cm2/g, insbesondere zwischen 6000 und 8000 cm2/g, resultiert.
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Hier wird nun das Rohtonmaterial bei höheren Brenntemperaturen gemäß Verfahrensschritt (i) gebrannt, wobei es hier auf die physikalische Vorbereitung des Rohtonmaterials vor dem Brennen nicht so wesentlich ankommt, also eine breite Varianz an Korngrößen möglich ist. Auch das zweite Tonmaterial wird wie das erste Tonmaterial fein zerkleinert mit einer entsprechenden Feinkörnigkeit. Auch dieses zweite Tonmaterial zeigte überraschenderweise die genannten Vorteile als Bindemittelbestandteil.
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Da sich das erste Tonmaterial und das zweite Tonmaterial in ihren Eigenschaften im Detail unterscheiden, ist eine Verwendung einer gezielt im Mischungsverhältnis eingestellten Mischung beider Tonmaterialien als Baustoffzusammensetzung besonders vorteilhaft, wenn auch beide Tonmaterialien jeweils für sich allein als Baustoffzusammensetzung eingesetzt werden können.
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Die gewählten Brenntemperaturen werden im Allgemeinen zum Einstellen einer gewünschten Reaktivität des gebrannten Tones abhängig von der mineralogischen Zusammensetzung des Rohtonmateriales gewählt. Beim Herstellen des ersten Tonmaterials ist die Brenntemperatur bevorzugt im Bereich der Kalziniertemperatur des Rohtonmateriales gewählt.
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Insbesondere beim Herstellen des zweiten Tonmaterials, wird das Rohtonmaterial bevorzugter Weise homogenisiert.
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Das zum Einsatz kommende Rohtonmaterial enthält in bevorzugten Ausführungsformen:
- – 30 bis 60 M-% (Massenprozent oder Gew.-%) Siliciumdioxid (SiO2), insbesondere zwischen 45 M-% und 60 M-%;
- – 15 bis 30 M-% Aluminiumoxid (Al2O3), insbesondere zwischen 18 und 21 M-%, vorzugsweise zwischen 18,3 und 20,3 M-%;
- – 2 bis 10 M-% Kalk oder Calciumoxid (CaO), insbesondere zwischen 3 und 5 M-%, vorzugsweise zwischen 3,3 und 4,3 M-%
- – 5 bis 15 M-% Eisenoxid (Fe2O3), vorzugsweise zwischen 9,5 und 11,5 M-%,
- – 1,5 bis 3 M-% Magnesiumoxid (MgO), insbesondere zwischen 1,8 und 2,4 M-%
- – 0 bis 0,5 M-% Natriumoxid (Na2O), insbesondere 0,2 bis 0,4 M-%
- – 1 bis 4 M-% Kaliumoxid (K2O), insbesondere 2,5 bis 3,1 M-%
- – 0,5 bis 2 M-% Titanoxid (TiO2), insbesondere 0,8 bis 1,2 M-%
- – 0 bis 0,5 M-% Phosphoroxid (P2O5), insbesondere 0,1 bis 0,3 M-%
- – 0 bis 0,5 M-% Manganoxid (MnO), insbesondere 0,1 bis 0,3 M-%
- – 0 bis 0,5 M-% Schwefel (S), insbesondere in Form von Schwefeloxid (SO3), insbesondere 0 bis 0,3 M-%.
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Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbespielen weiter erläutert.
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In einer ersten Gruppe von Ausführungsbeispielen wird von einem Lias Delta Ton als Rohton oder Ausgangstonmaterial ausgegangen, der stöchiometrisch und nach chemischer Analyse oder chemisch in Oxiden angegeben die folgende Zusammensetzung aufweist:
| SiO2 | 47,5 ± 2,0 M-% |
| Al2O3 | 19,3 ± 1,0 M-% |
| TiO2 | 1,0 ± 0,2 M-% |
| FeO2 | 10,5 ± 1,0 M-% |
| P2O5 | 0,2 ± 0,1 M-% |
| MnO | 0,2 ± 0,1 M-% |
| CaO | 3,8 ± 0,5 M-% |
| MgO | 2,1 ± 0,3 M-% |
| Na2O | 0,3 ± 0,1 M-% |
| K2O | 2,8 ± 0,3 M-% |
| Sges(als SO3) | 0,2 ± 0,1 M-% |
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Der Glühverlust dieses Tons beträgt 12 ± 5 M-%.
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M-% ist eine Abkürzung für Massenprozent oder den in Prozent angegebenen Massenanteil des Bestandteils an der Gesamtmasse der Mischung oder Zusammensetzung, die 100 M-% beträgt.
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Der Rohton kann bei der Mineralanalyse folgende Zusammensetzung an Mineralien aufweisen:
| Quarz | 23 M-% |
| Kaolinit | 20 M-% |
| Dreischichttonminerale | 33 M-% |
| Dolomit | < 2 M-% |
| Kalzit | 4 M-% |
| Chlorit/Chamosite | 7 M-% |
| Hämatit | 5 M-% |
| Feldspat | 4 M-% |
| Anatas | 1 M-% |
| Pyrit | < 1 M-% |
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Das aus der Tongrube erhaltene Tonmaterial geht durch einen Grobbrecher, der eine Körnung oder Partikelgrößenverteilung im Grobkornbereich erzeugt, insbesondere derart, dass mindestens 90%, vorzugsweise mindestens 95%, der Partikel (oder: Körner) eine Partikelgröße (oder: Korngröße) von höchstens 100 mm aufweisen. Neben dieser Korngrößenobergrenze weist der grob gebrochene Rohton vorzugsweise auch eine Untergrenze für die Partikelgröße auf, insbesondere derart, dass mindestens 70%, vorzugsweise mindestens 80%, der Partikel eine Partikelgröße von mindestens 10 mm aufweisen und dass mindestens 90%, vorzugsweise mindestens 95%, der Partikel eine Partikelgröße von mindestens 1 mm aufweisen. Entscheidend ist bei einem Grobbrecher im Allgemeinen das Größtkorn. Die bestimmte Sieblinie ist nicht so entscheidend und fällt auch je nach Feuchtegehalt unterschiedlich aus. Als Grobbrecher kann prinzipiell jeder bekannte Brecher oder jede bekannte Zerkleinerungsmaschine verwendet werden, die eine solche Zerkleinerung und Reduzierung der Partikelgröße ermöglicht, z. B. ein Backenbrecher, ein Walzenbrecher, ein Prallbrecher, Hammerbrecher, ggf. auch eine Kugelmühle oder auch ein Schredder.
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Aus dem grob gebrochenen Rohton wird nun in einem ersten Herstellprozess gemäß der Erfindung ein erstes Material hergestellt, das als Tonmaterial I bezeichnet wird.
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Der Rohton wird dazu zunächst in Form der grob vorgebrochenen Partikel und Stücke in einen Brennofen eingebracht und bei Brenntemperaturen aus einem Temperaturbereich von 650°C bis 950°C, insbesondere etwa 750°C, gebrannt. Dabei wird der Rohton vorzugsweise kalziniert und in seiner Reaktivität und dem Gehalt an reaktiven Phasen verbessert, um als Bindemittel und Zementersatz dienen zu können. Die Brenntemperatur wird zum Einstellen einer gewünschten Reaktivität des gebrannten Tones abhängig von der mineralogischen Zusammensetzung des Rohtones gewählt. Als Brenntemperatur ist insbesondere eine im Bereich der Kalziniertemperatur des Tones liegende Temperatur gewählt, bei der das Kristallwasser ausgetrieben wird, reaktive Phasen aber erhalten bleiben und zusätzliche reaktive Phasen, insbesondere durch Zerlegen von Calciumverbindungen entstehen. Hierbei sind in synergistischer Weise die speziell gewählten Partikelgrößen des grob gebrochenen Rohtons vor dem Brennen entscheidend, die in Kombination mit den Brenntemperaturen zu einer vorteilhaften Entstehung von reaktiven Phasen in den gebrannten Tonstücken und Tonpartikeln führt aufgrund der speziellen Temperaturverteilungen in den Partikeln beim Brennen.
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Die Brenndauer beträgt im Allgemeinen 25 bis 45 Minuten, bevorzugt 30 bis 40 Minuten.
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Um auch eine als Bindemittel ausreichende spezifische Oberfläche zu erreichen, wird der derart gebrannte Rohton anschließend derart zerkleinert, insbesondere in einer Mühle, beispielsweise einer Kugelmühle oder Walzenmühle, derart gemahlen, dass eine Partikelgröße von kleiner als 32 μm für mindestens 90% bis 99% der Partikel und kleiner als 100 μm, vorzugsweise kleiner als 63 μm, für 95% bis 100% der Partikel erreicht wird und/oder dass eine mit Zement vergleichbare oder noch höhere Feinheit erreicht wird, insbesondere eine Feinheit, die in einer spezifischen Oberfläche aller Partikel zwischen 6000 und 12000 cm2/g, insbesondere zwischen 6000 und 8000 cm2/g resultiert.
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Dieses Mehl oder feinkörnige Material aus grob gebrochenem, gebranntem und dann gemahlenem Ton wird nun als Tonmaterial I bezeichnet und weiterverwendet.
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In einem zweiten Herstellprozess zum Herstellen eines zweiten Tonmaterials, das hier Tonmaterial II genannt wird, wird gemäß der Erfindung Rohton, vorzugsweise der gleiche Rohton, insbesondere Lias Delta Ton, zunächst bei einer höheren Brenntemperatur aus einem Temperaturbereich von 1000°C bis 1300°C gebrannt.
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In einem anschließend Schritt wird dieses bei höheren Temperaturen gebrannte (oder: hochgebrannte) Tonmaterial durch Mahlen zu einem (gebrannten) Tonmehl weiterverarbeitet. Um auch eine als Bindemittel ausreichende spezifische Oberfläche zu erreichen, wird das hochgebrannte Tonmaterial dabei derart zerkleinert, insbesondere in einer Mühle, beispielsweise einer Kugelmühle oder Walzenmühle, derart gemahlen, dass eine Partikelgröße von kleiner als 32 μm für mindestens 90% bis 99% der Partikel und kleiner als 100 μm, vorzugsweise kleiner als 63 μm, für 95% bis 100% der Partikel erreicht wird und/oder dass eine mit Zement vergleichbare oder noch höhere Feinheit erreicht wird, insbesondere eine Feinheit, die in einer spezifischen Oberfläche aller Partikel zwischen 6000 und 12000 cm2/g, insbesondere zwischen 6000 und 8000 cm2/g resultiert.
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Dieses hochgebrannte Tonmehl bildet nun das Tonmaterial II.
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Vorzugsweise wird der Rohton zumindest beim Herstellen des Tonmaterials II auch in seiner mineralogischen Zusammensetzung möglichst homogenisiert, insbesondere durch eine homogene Durchmischung der aus unterschiedlichen Tongrubenbereichen geförderten Tonminerale in an sich bekannter Weise beim Transport und Lagern, beispielsweise durch Mischbettverfahren oder durch pneumatische Förderung.
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Die beiden in den beiden Herstellprozessen erhaltenen Tonmaterialien I und II wurden nun als Teilsubstituenten einem handelüblichen Zement CEM-II/B-S 32,5 R in verschiedenen gravimetrischen Anteilen zugemischt.
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Es wurde dann gemäß EN 196-1:2005 die Druckfestigkeit eines mit dem Zement zu 100 M-% hergestellten Mörtelprüfkörpers und eines aus einer Mischung des Zements mit dem Tonmaterial I und/oder dem Tonmaterial II hergestellten Mörtelprüfkörpers nach verschiedenen Zeitintervallen bestimmt. Zusätzlich zu den gemäß den Normen EN 196-1 und EN 197-1 zur Messung der Druckfestigkeit vorgeschlagenen Prüfzeitpunkten von sieben Tagen und 28 Tagen nach dem Anmischen wurden gemäß der Erfindung zwei spätere Zeitpunkte nach 56 Tagen und nach 90 Tagen festgelegt und die Druckfestigkeit des Mörtelprüfkörpers wurde zu diesen Zeitpunkten nach der in EN 197-1:2005 festgelegten Weise noch einmal gemessen.
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Die folgende Tabelle 1 zeigt die Ergebnisse für eine Mischung aus 80 M-% Zement und 20 M-% Tonmaterial I (zweite Zeile der Tabelle 1), 60 M-% Zement und 40 M-% Tonmaterial I (vierte Zeile der Tabelle 1) sowie 80 M-% Zement und 20 M-% Tonmaterial II (dritte Zeile der Tabelle 1) und 60 M-% Zement und 40 M-% Tonmaterial II (fünfte Zeile der Tabelle 1) im Vergleich zu 100 M-% Zement (erste Zeile der Tabelle 1).
| Mörtel mit | Druckfestigkeit [N/mm2] |
| | 7 Tage | 28 Tage | 56 Tage | 90 Tage |
| 100 M-% CEM-II/B-S 32,5 R | 30,3 | 41,3 | 55,6 | 57,7 |
| 80 M-% CEM-II/B-S 32,5 R + 20 M-% Tonmaterial I | 30,8 | 56,9 | 66,1 | 69,9 |
| 80 M-% CEM-II/B-S 32,5 R + 20 M-% Tonmaterial II | 29,3 | 50,4 | 62,7 | 70,2 |
| 60 M-% CEM-II/B-S 32,5 R + 40 M-% Tonmaterial I | 26,4 | 47,0 | 58,2 | 63,5 |
| 60 M-% CEM-II/B-S 32,5 R + 40 M-% Tonmaterial II | 23,3 | 53,5 | 56,3 | 70,2 |
Tabelle 1
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Es zeigt sich aus diesen Ergebnissen in Tabelle 1, dass das Tonmaterial I bereits nach sieben Tagen zu einer höheren Frühfestigkeit führt als der reine Zement und auch als die Mischung aus Zement und Tonmaterial II.
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Bei der Prüfung der Prismen nach 28 Tagen ist eine frappierend größere Druckfestigkeit festzustellen bei der Mischung aus Zement und Tonmaterial I im Vergleich jeweils zu 100 M-% Zement.
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Ferner ist auch die Prismendruckfestigkeit nach 28 Tagen bei der Mischung aus 80 M-% Zement und 20 M-% Tonmaterial II deutlich höher als bei 100 M-% Zement.
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Bei der Messung nach 56 Tagen lag die Festigkeit bei der Mischung aus Zement und Tonmaterial I nicht nur immer noch deutlich höher als bei 100 M-% Zement, sondern immer noch höher als bei der Mischung aus 80 M-% Zement und 20 M-% Tonmaterial II.
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Nach 90 Tagen lag die Festigkeit der Mischung aus 80 M-% Zement und 20 M-% Tonmaterial II nunmehr höher als die der Mischung aus 80 M-% Zement und 20 M-% Tonmaterial I und beide waren deutlich höher als bei dem Mörtel mit 100 M-% Zement.
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Der Vergleich der Mischung von 80 M-% Zement und 20 M-% Tonmaterial I mit der Mischung von 60 M-% Zement und 40 M-% Tonmaterial I zeigt, dass bei einer höheren Substitution des Zements mit 40 M-% Tonmaterial I gegenüber 20 M-% Tonmaterial I die Prismendruckfestigkeit bei jedem der gemessenen Zeitpunkte niedriger lag, jedoch im Vergleich zu 100 M-% Zement die Frühfestigkeit nach sieben Tagen zwar niedriger lag, jedoch die Prismendruckfestigkeit nach 28 Tagen deutlich höher lag und auch nach 56 Tagen und 90 Tagen die Festigkeit immer noch deutlich höher lag als bei reinem Zement.
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Der Vergleich der Mischung von 80 M-% Zement und 20 M-% Tonmaterial II mit der Mischung von 60 M-% Zement und 40 M-% Tonmaterial II zeigt, dass bei einer höheren Substitution des Zements mit 40 M-% Tonmaterial II gegenüber 20 M-% Tonmaterial I die Druckfestigkeit bei jedem der gemessenen Zeitpunkte niedriger lag, jedoch im Vergleich zu 100 M-% Zement die Frühfestigkeit nach sieben Tagen zwar niedriger lag, jedoch die Prismendruckfestigkeit nach 28 Tagen deutlich höher lag und auch nach 56 Tagen und 90 Tagen die Festigkeit immer noch deutlich höher lag als bei reinem Zement.
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Im Vergleich zu Tonmaterial I liefert Tonmaterial II nach 90 Tagen die höchste Druckfestigkeit.
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Das Tonmaterial I, aber auch das Tonmaterial II, ist also als Substituent von Zement insbesondere vorteilhaft zur Erhöhung der Frühfestigkeit, aber auch zur Erhöhung der Festigkeit im höheren Alter oder der Endfestigkeit.
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Die Frühfestigkeit ist im Bauablauf besonders wichtig. Die Endfestigkeit bestimmt natürlich die Festigkeit im Bau für dessen Dauertragfähigkeit.
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Vor allem das Tonmaterial II, aber auch das Tonmaterial I, hat überdies den Vorteil, dass es die Dauerhaftigkeit, insbesondere den Widerstand des erhärteten Mörtels gegen Umwelteinwirkungen, z. B. CO2, Chloride oder auch Sulfate gegenüber reinem Zement und auch dem Material I erhöht.
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Die Teilsubstitution von Zement hat bei beiden Tonmaterialien I und II, vor allem aber beim Tonmaterial I aufgrund der niedrigeren Brenntemperaturen eine beachtliche Reduzierung der CO2-Emission und Energieeinsparung zur Folge. Außerdem entsteht weniger Hydratationswärme beim Abbinden und der mit dem Zement-Tonmaterial I und/oder II-Gemisch hergestellte Beton hat eine bessere Temperaturbeständigkeit.
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Ein weiterer Vorteil der Zugabe des Tonmaterials I und/oder II zum Zement als Bindemittelzusatz oder -substituent ist der bessere Zusammenhalt des Frischmörtels oder Frischbetons.
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Die folgende Tabelle 2 zeigt Werte für das Ausbreitmaß von Frischbetonen, die sich mit dem angegebenen Zement zu 100 M-% (erste Zeile der Tabelle 2) und den angegebenen Mischungen von 80 M-% Zement mit 20 M-% Tonmaterial I (zweite Zeile der Tabelle 2), 80 M-% Zement mit 20 M-% Tonmaterial II (dritte Zeile der Tabelle 2) und 60 M-% Zement mit 40 M-% Tonmaterial I (vierte Zeile der Tabelle 2) und 60 M-% Zement mit 40 M-% Tonmaterial II (fünfte Zeile der Tabelle 2) ergibt. Das Ausbreitmaß wird dabei am Frischbeton gemäß
EN 196-1:2000 bestimmt.
| Frischbeton mit | Ausbreitmaß [cm] |
| | |
| 100 M-% CEM-II/B-S 32,5 R | 17,5 |
| 80 M-% CEM-II/B-S 32,5 R + 20 M-% Tonmaterial I | 15,5 |
| | |
| 80 M-% CEM-II/B-S 32,5 R + 20 M-% Tonmaterial II | 16,6 |
| 60 M-% CEM-II/B-S 32,5 R + 40 M-% Tonmaterial I | 14,6 |
| 60 M-% CEM-II/B-S 32,5 R + 40 M-% Tonmaterial II | 16,2 |
Tabelle 2
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Die Tabelle 2 zeigt, dass das Ausbreitmaß und damit die Konsistenz und die Verarbeitbarkeit des Betons bei Zumischung des Tonmaterials I zum Zement besser wird als bei reinem Zement, bei Zumischung des Tonmaterials II zum Zement jedoch noch besser wird als bei Tonmaterial I.
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Die bessere Verarbeitbarkeit bei dem geringeren Ausbreitmaß ist wegen des damit verbundenen besseren Zusammenhalts der Mischung und dem deutlich verringerten Rückprall bei Spritzbeton besonders vorteilhaft, oder auch bei selbstverdichtenden Betonen.
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Es können somit durch Zugabe von Tonmaterial I oder Tonmaterial II oder durch Zugabe von Tonmaterial I und zugleich Tonmaterial II zum Zement die Eigenschaften des zementbasierten Bindemittels und der daraus hergestellten Baustoffe, insbesondere Mörtel und Betone, gezielt verändert werden. Die Zusammensetzung der Mischung aus den beiden Tonmaterialien I und II oder der Mischung aus Zement und den beiden Tonmaterialien I und II richtet sich nach der gewünschten Eigenschaft, die beeinflusst werden soll.
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Für eine hohe Frühfestigkeit und eine sehr guten Zusammenhalt des Frischbetons kann ausschließlich auf Tonmaterial I zurückgegriffen werden. Für eine hohe Endfestigkeit und nur geringe Auswirkungen auf die Ausgangskonsistenz kann ausschließlich Tonmaterial II eingesetzt werden.
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Durch eine Zumischung unterschiedlicher Anteile vom Tonmaterial I oder Tonmaterial II oder Tonmaterial I + Tonmaterial II zu einem Zement oder auch direkt in den Mörtel oder Frischbeton die Festigkeit und die Verarbeitbarkeit je nach Anforderung verbessert werden.
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Bevorzugt werden in der Praxis die Zugabe einer Mischung aus beiden Tonmaterialien I und II oder allgemein die Zugabe beider Tonmaterialien I und II zum Bindemittel und/oder zur Baustoffmischung, vorzugsweise im Verhältnis von 20:80 bis 80:20, also zwischen 1:4 und 4:1. Damit können ausgewogene Eigenschaften des Betons oder Baustoffes allgemein erhalten werden.
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In einer zweiten Gruppe von Ausführungsbeispielen wird von einem Rohton mit der folgenden Zusammensetzung ausgegangen:
| SiO2 | 57,5 ± 7,5 M-% |
| Al2O3 | 19,0 ± 2,0 M-% |
| FeO2 | 8,5 ± 1,5 M-% |
| CaO | 2,0 ± 1,0 M-% |
| MgO | 2,0 ± 1,0 M-% |
| Na2O | 0,5 ± 0,3 M-% |
| K2O | 2,0 ± 1,0 M-% |
| Sges (als SO3) | 0,5 ± 0,2 M-% |
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Mit diesem Material wurden exemplarisch wieder Mörtelprismen zur Prüfung der Druckfestigkeit hergestellt und gemäß der zuvor genannten Normen nach sieben und 28 Tagen geprüft.
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Die folgende Tabelle 3 zeigt die Ergebnisse für eine Mischung aus 80 M-% Zement und 20 M-% Tonmaterial III (zweite Zeile der Tabelle 3), 60 M-% Zement und 40 M-% Tonmaterial III (vierte Zeile der Tabelle 3) im Vergleich zu 100 M-% Zement (erste Zeile der Tabelle 3). Die Mahlfeinheit des Tonmaterial III lag mit 86,5% < 32 μm knapp unter der unteren beanspruchten Grenze. Angesichts dessen ist die erzielte Leistungsfähigkeit als brauchbar einzustufen.
| Mörtel mit | Druckfestigkeit [N/m2] |
| | 7 Tage | 28 Tage |
| 100 M-% CEM-II/M(S-LL) 32,5 R-AZ | 38,3 | 48,2 |
| 80 M-% CEM-II/M(S-LL) 32,5 R-AZ + 20 M-% Tonmaterial III | 32,3 | 49,4 |
| 60 M-% CEM-II/M(S-LL) 32,5 R-AZ + 40 M-% Tonmaterial III | 23,0 | 40,5 |
Tabelle 3
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Bei der Prüfung nach 28 Tagen ist gemäß Tabelle 3 die Prismendruckfestigkeit geringfügig höher bei einer Mischung aus 80 M.-% Zement und 20 M.-% Tonmineral III im Vergleich zu 100 M.-% Zement.
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Bei der Normfestigkeit nach 28 Tagen ist die Druckfestigkeit nur 16% geringer bei einer Mischung aus 60 M.-% Zement und 40 M.-% Tonmineral III im Vergleich zu 100 M.-% Zement und zeigt dadurch noch eine ausgeprägte Reaktivität.
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Im Alter von 7 Tagen lässt die Zugabe von Tonmineral III noch keine puzzolane Reaktion erkennen. Die Druckfestigkeit bei einer Mischung aus 60 M.-% Zement und 40 M.-% Tonmineral III lag bei 84% und bei einer Mischung aus 60 M.-% Zement und 40 M.-% Tonmineral III lag bei 60% im Vergleich zu 100 M.-% Zement.
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Die Mahlfeinheit des Tonmaterials III für die vorstehend aufgeführten Ergebnisse lag an der unteren beanspruchten Grenze. Die erzielte Leistungsfähigkeit ist als brauchbar einzustufen.
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Die vorgenannten Tonmaterialien I bis III erbrachten auch eine vorteilhafte Wirkung als Bestandteile von Kalk-Bindemitteln.
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So konnte bei Versuchen mit in Autoklaven unter Druck und erhöhter Temperatur hergestellten Kalksandsteinen eine Erhöhung um eine ganze Druckfestigkeitsklasse erreicht werden, wenn man anstelle von 100 M.-% Kalk eine Mischung aus 85 M.-% Kalk und 15 M.-% Mischung aus Tonmaterial I und II im Mischverhältnis 60:40 verwendete. Der wechselseitige Austausch von Tonmaterial I durch Tonmaterial II oder Tonmaterial III brachte hier wenig Unterschiede in der Druckfestigkeit des Kalksandsteins, wohl aufgrund dessen, dass das Abbinden bei der thermischen Nachbehandlung unter Druck im Autoklaven deutlich beschleunigt wird und anders als bei üblichen Umgebungsbedingungen abläuft.
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Die hier verwendeten Rohtone sind nur Ausführungsbeispiele. Die Vorteile gemäß der Erfindung werden auch bei Rohtonen mit anderen Zusammensetzungen erzielt. Vorteilhaft ist es, wenn der Rohton neben einem Silicatanteil von wenigstens 40 M-% und einem Aluminatanteil von wenigstens 15 M-% auch einen ausreichenden Anteil an Calciumcarbonat (CaCO3, Kalkstein), entsprechend Calciumoxid (CaO, gebrannter Kalk) in der chemischen Betrachtung, enthält. Der Kalkanteil, insbesondere Calciumcarbonatanteil, sollte mindestens 2 M-% im Rohton betragen, insbesondere zwischen 2 M-% und 10 M-% liegen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Norm EN 197/1:2000 [0004]
- EN 197-1 [0004]
- EN 197/1 [0004]
- Norm EN 197/1:2000 [0008]
- EN-196-Normen [0009]
- EN 196-1:2005 D [0009]
- EN 197-1:2000 [0009]
- EN 12350-5 Teil 5) [0011]
- DIN EN 459 [0012]
- EN 196-1:2005 [0044]
- EN 196-1 [0044]
- EN 197-1 [0044]
- EN 197-1:2005 [0044]
- EN 196-1:2000 [0059]