DE102016001791A1 - Initiierung der Zementaushärtung durch Zugabe von Kohlendioxid zum Anmachwasser - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahrung zur Herstellung einer schnell härtenden Zementsuspension oder eines schnell härtenden Betons, mit dem Schritt: Mischen eines nicht-hydraulischen Zements umfassend Zementklinker mit Anmachwasser und optional mit mindestens einem Zuschlagstoff zu einer Zementsuspension oder einem Beton, wobei der Zementklinker durch einen Kalksteingehalt von höchstens 50% (w/w) gekennzeichnet ist, und wobei dass das Anmachwasser Kohlendioxid enthält.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer schnell härtenden Zementsuspension oder eines schnell härtenden Betons, sowie mit einem solchen Verfahren hergestellte Formkörper.
• Ein solches Verfahren umfasst die Schritte: Mischen eines nicht-hydraulischen Zements umfassend Zementklinker mit Anmachwasser und optional mit mindestens einem Zuschlagstoff zu einer Zementsuspension oder einem Beton, wobei der Zementklinker durch einen Kalksteingehalt von höchstens 50% (w/w) gekennzeichnet ist.
• Beton ist ein vielseitiger und häufig genutzter Baustoff, der üblicherweise als ein Gemisch aus einem Bindemittel und einer Gesteinskörnung hergestellt wird. In der Regel kommt dabei Zement als Bindemittel zum Einsatz. Die Zugabe von Wasser, das typischerweise als Anmachwasser oder Zugabewasser bezeichnet wird, führt zu einer chemischen Reaktion des Zements (Abbinden), wodurch dieser erhärtet und ein festes Baustoffgemisch, der Beton, entsteht.
• Zemente können dabei in prinzipiell zwei Kategorien eingeteilt werden: Hydraulische Zemente, wie beispielsweise der Portlandzement, binden einen Großteil des Anmachwassers unter Bildung von Hydraten und Hydroxiden während des Abbindens. Diese Hydratisierungsreaktion schreitet jedoch sehr langsam voran, so dass das Aushärten eines solchen Betons bis zum einem Monat benötigt. Nicht-hydraulische Zemente wie etwa der Solidia Zement hingegen reagieren kaum mit dem Anmachwasser, wobei hierbei das Anmachwasser lediglich als Lösungsmittel der Abbindereaktion dient und nicht umgesetzt wird. In der Abbindereaktion reagieren die Zementbestandteile mit Kohlendioxid.
• Üblicherweise wird zur Herstellung von Betonprodukten unter Verwendung von nicht-hydraulischen Zementen zunächst eine Zementsuspension aus dem nicht-hydraulischen Zement, Anmachwasser und weiteren Zuschlagstoffen wie z. B. Sand und Kies hergestellt zum gewünschten Körper geformt und anschließend in sogenannten Aushärtekammern Kohlendioxid zugesetzt, um die Abbindereaktion zu starten. Je nach Dauer zwischen Mischen und der Zugabe von Kohlendioxid kann es wegen der fehlende Abbindereaktion zu einer unerwünschten Entformung des Betonproduktes kommen.
• Es wäre daher wünschenswert, dass die Abbindereaktion bereits unmittelbar nach dem Mischen und Formen des Betonprodukts beginnt, um eine Entformung zu verhindern.
• Vor diesem Hintergrund ist es die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe, ein einfaches und wirtschaftlich sinnvolles Verfahren zur Herstellung einer schnell härtenden Zementsuspension oder eines schnell härtenden Betons zur Verfügung zu stellen.
• Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den entsprechenden Unteransprüchen angegeben und werden nachfolgend beschrieben.
• Gemäß Anspruch 1 wird ein Verfahren zur Herstellung einer schnell härtenden Zementsuspension oder eines schnell härtenden Betons zur Verfügung gestellt. Das Verfahren umfasst den Schritt: Mischen eines nicht-hydraulischen Zements umfassend Zementklinker mit Anmachwasser und optional mit mindestens einem Zuschlagstoff zu einer Zementsuspension oder einem Beton, wobei der Zementklinker durch einen Kalksteingehalt von höchstens 50% (w/w) gekennzeichnet ist, und wobei das Anmachwasser Kohlendioxid enthält.
• Vorteilhafterweise beginnt durch das erfindungsgemäße Verfahren die Abbindereaktion bereits beim Zusammenmischen der Zementsuspension oder des Betons. Somit beginnen die mit dem Verfahren hergestellten Produkte bereits frühzeitig eine gewisse Härte aufzubauen und eine Formstabilität zu erreichen. Die Abbindezeit wird deutlich reduziert. Insbesondere auf längeren Verfahrwegen von der Formgebung bis zur Aushärtekammer kann die Ausschussrate durch Entformen aufgrund Vibrationen (unebene Verfahrwege) reduziert werden.
• Als nicht-hydraulischer Zement wird im Sinne der Erfindung insbesondere ein nicht-hydraulisches Bindemittel für Baustoffe wie etwa Beton bezeichnet, wobei der nicht-hydraulische Zement nach Anrühren mit Wasser in Gegenwart von Kohlendioxid selbstständig erstarrt und erhärtet, wobei das Wasser im Wesentlichen nicht vom Bindemittel gebunden wird. Als Beton wird im Sinne der Erfindung insbesondere ein Gemisch bezeichnet, das Zement, Wasser und insbesondere eine Gesteinskörnung umfasst.
• Als Zementklinker wird im Sinne der Erfindung insbesondere der gebrannte Bestandteil des Zements bezeichnet, der unter Beimengung von Wasser und Kohlendioxid die Aushärtung des Zements bewirkt.
• Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das Anmachwasser Kohlendioxid in einer Konzentration im Bereich von 0,5 g Kohlendioxid je kg Wasser bis 3,35 g Kohlendioxid je kg Wasser enthält, insbesondere bei oder oberhalb der Sättigungskonzentration.
• Als Sättigungskonzentration im Sinne der Erfindung wird insbesondere die Kohlendioxidkonzentration im Anmachwasser verstanden, oberhalb derer kein weiteres Kohlendioxid mehr im Anmachwasser gelöst werden kann.
• Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das Anmachwasser eine Temperatur im Bereich von 0°C bis 10°C aufweist, bevorzugt 0°C bis 4°C.
• Vorteilhafterweise steigt die Löslichkeit von Kohlendioxid in Wasser mit sinkender Temperatur. Zudem kann ein Abkühlen des Anmachwassers auch in dem saisonbedingt stärkeren Produktionszeitraum im Sommer eine bessere Produktionsqualität gewährleisten.
• Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der Zementklinker einen Kalksteingehalt (CaO) von 40% (w/w) bis 50% (w/w) hat. Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der Zementklinker einen Kalksteingehalt von 42% (w/w) bis 48% (w/w) hat.
• Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der Zementklinker Silikate hauptsächlich in Form von Wollastonit/Pseudowollastonit (CaO·SiO₂) und/oder Rankinit (3CaO·SiO₂) umfasst, das heißt insbesondere, dass die im Zementklinker vorhandenen Silikate zu über 50% (w/w) in Form von Wollastonit/Pseudowollastonit (CaO·SiO₂) und/oder Rankinit (3CaO·SiO₂) vorliegen.
• Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der Zementklinker mindestens 50% (w/w) Silikate in Form von Wollastonit/Pseudowollastonit (CaO·SiO₂) und/oder Rankinit (3CaO·SiO₂) umfasst.
• Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass es sich bei dem mindestens einen Zuschlagstoff um eine Gesteinskörnung handelt, insbesondere Sand und/oder Kies.
• Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Zementsuspension oder der Beton vor dem Aushärten, insbesondere unmittelbar nach dem Mischen des nicht-hydraulischen Zements mit dem Anmachwasser und optional mit dem mindestens einen Zuschlagstoff, zu mindestens einem Körper geformt wird, insbesondere zu einem Pflasterstein, einem Beton-Gestaltungselement oder einem Dachziegel.
• Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der Körper durch Extrusion geformt wird.
• Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der Körper nach dem Formen mit Kohlendioxid, einem kohlendioxidhaltigem Gasgemisch oder einer kohlendioxidhaltigen Lösung, insbesondere einer kohlendioxidhaltigen wässrigen Lösung, umspült wird, insbesondere in einer Kammer, die bevorzugt abgeschlossen ist.
• Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Zementsuspension oder der Beton in einer durch eine Verschalung begrenzten Aufnahme gemischt wird.
• Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Formkörper aus einer zumindest teilweise erhärteten Zementsuspension oder einem zumindest teilweise erhärteten Beton bereitgestellt, wobei die zumindest teilweise erhärtete Zementsuspension oder der zumindest teilweise erhärtete Beton durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellt wird.
• Vorteilhafterweise weist der Formkörper der Erfindung bereits unmittelbar nach dem Mischen und Formen eine bestimmte Härte auf, so dass der Formkörper der Erfindung gefahrlos zu einer Vorrichtung zur vollständigen Aushärtung des Formkörper transportiert werden kann, ohne dass der Formkörper bricht oder sich entformt.
• Eine zumindest teilweise erhärtete Zementsuspension oder ein zumindest teilweise erhärteter Beton im Sinne der Erfindung bezeichnet eine Zementsuspension oder einen Beton, in welcher oder in welchem sich ein Teil des eingesetzten Zementklinkers in Calcit und/oder Kieselerde, insbesondere Quarz (SiO₂), umgewandelt hat.
• Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der Formkörper bezogen auf das Gewicht des eingesetzten Zementklinkers Calcit aus der Umsetzung des nicht-hydraulischen Zements mit Kohlendioxid in einer Konzentration im Bereich von mindestens 0,1% (w/w), 0,5% (w/w), mindestens 1% (w/w), mindestens 1.5% (w/w) oder mindestens 2% (w/w) und/oder Kieselerde aus der Umsetzung des nicht-hydraulischen Zements mit Kohlendioxid in einer Konzentration im Bereich von mindestens 0,1% (w/w), 0,5% (w/w), mindestens 1% (w/w), mindestens 1.5% (w/w) oder mindestens 2% (w/w) aufweist.
• Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das Calcit und/oder die Kieselerde, die aus dem Zementklinker entstanden sind, im Wesentlichen homogen innerhalb des Formkörpers der Erfindung verteilt sind. Das heißt insbesondere, dass die Oberfläche und der Kern des erfindungsgemäßen Formkörpers im Wesentlichen gleiche Konzentrationen an aus dem Zementklinker entstandenen Calcits oder aus dem Zementklinker entstandener Kieselerde aufweisen.
• Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der Formkörper als ein Pflasterstein, ein Beton-Gestaltungselement oder Dachziegel ausgebildet ist.
• Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sollen durch die nachfolgende Figurenbeschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Figur erläutert werden.
• Es zeigt:
• 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung.
• Die chemische Abbindung eines nicht-hydraulischen Zements, wie des Solidia Zementes, erfolgt durch CO₂, mit dem hergestellte Betonprodukte umspült werden und ein chemisches Abbinden auslösen. Bei der oben beschriebenen Technologie wird das CO₂ erst nach der Mischung und Formgebung zugesetzt und das Produkt dadurch ausgehärtet. Im Unterschied zu herkömmlichen Produkten mit Portlandzement, bei denen die Aushärtung bereits während/nach dem Mischen und Formen einsetzt, kann es bei den geformten Teilen durch fehlende Abbindung des Produktes zum Entformen kommen. Zudem ruht während des gesamten Zeitraumes des Transportweges bis zum Schließen der Aushärtekammer der chemische Abbindevorgang. Diese Zeit kann ca. 3 bis 4 Stunden betragen, ohne dass diese Zeit genutzt wird. Um diese Zeit zu nutzen und um den Abbindevorgang frühzeitig zu initiieren, kann dem Anmachwasser CO₂ bis zur Sättigung beigefügt werden. Dadurch kann bereits das geformte Produkt direkt nach dem Mixen mit dem Abbindeprozess beginnen.
• 1 illustriert eine bevorzugte Verfahrensführung der Erfindung. Nicht-hydraulischer Zement 11, wie beispielsweise Solidia Zement erhältlich etwa von der Firma Lafarge Zement GmbH, Karsdorf/Unstrut, Deutschland, wird mit Anmachwasser 12 und einer Gesteinskörnung 16 als Zuschlagstoff, insbesondere Sand und/oder Kies, versetzt, und ein noch flüssiger bzw. fließfähiger Beton 13 entsteht. Alternativ kann der nicht-hydraulische Zement 11 bereits die oben genannte Gesteinskörnung 16 aufweisen. Der nicht-hydraulische Zement enthält Zementklinker mit einem Kalksteingehalt von etwa 42% (w/w) bis 48% (w/w) und besteht hauptsächlich aus Wollastonit/Pseudowollastonit (CaO·SiO₂) und Rankit (3CaO·2SiO₂). Dem Anmachwasser wird vor dem Mischen mit dem Zement Kohlendioxid bis zur Sättigung zugegeben, beispielsweise etwa 1,7 g je kg Wasser bei 20°C und Umgebungsdruck. Dadurch beginnt die Abbindereaktion unmittelbar beim Mischen gemäß der folgenden Formeln: CaO·SiO₂ + CO₂ + H₂O → CaCO₃ + SiO₂ + H₂O 3CaO· 2SiO₂ + 3CO₂ + H₂O → 3CaCO₃ + 2SiO₂ + H₂O
• Unmittelbar nach dem Mischen wird der noch flüssige, aber bereits erstarrende Beton 13 in eine Form oder Verschalung gegossen, in welcher er unter Entstehung eines Formkörpers 14 weiter bzw. vollständig erstarrt. Alternativ kann das Produkt auch direkt nach dem Formen entformt werden und erst danach in den Aushärteprozess überführt werden. Bevorzugte Formkörper 14 sind Pflastersteine, Beton-Gestaltungselemente oder Dachziegel. Der bereits erstarrende Formkörper 14 kann zusätzlich noch in eine Aushärtekammer verbracht werden, wo er von Kohlendioxid umspült wird. Alternativ dazu kann der Beton 13 auch in der Form oder der Verschalung hergestellt werden. Die derart hergestellten Formkörper 14 zeichnen sich durch eine anfänglich höhere Härte aus, so dass sie bereits kurze Zeit nach der Herstellung der Zementsuspension 13 oder des Betons 13 gefahrlos transportiert werden können. Auch kann ein frühzeitiges Entformen so mit geringerer Ausschussrate durchgeführt werden. Bezugszeichenliste

  11	Zement
  12	Anmachwasser
  13	Flüssige Zementsuspension/fließfähiger Beton
  14	Formkörper aus teilweise erhärteter Zementsuspension oder Beton
  15	Kohlendioxid
  16	Gesteinskörnung, insbesondere Sand und/oder Kies

Claims (13)

1. Verfahren zur Herstellung einer Zementsuspension oder eines Betons, umfassend den Schritt: – Mischen eines nicht-hydraulischen Zements (11) umfassend Zementklinker mit Anmachwasser (12) und optional mit mindestens einem Zuschlagstoff (16) zu einer Zementsuspension (13) oder einem Beton (13), wobei der Zementklinker durch einen Kalksteingehalt von höchstens 50% (w/w) gekennzeichnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Anmachwasser (12) Kohlendioxid (15) enthält.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Anmachwasser (12) Kohlendioxid (15) in einer Konzentration im Bereich von 0,5 g je kg Wasser bis 3,35 g je kg Wasser enthält, insbesondere bei oder oberhalb der Sättigungskonzentration.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Anmachwasser (12) eine Temperatur im Bereich von 0°C bis 10°C aufweist, bevorzugt 0°C bis 4°C.
4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zementklinker einen Kalksteingehalt von 40% (w/w) bis 50% (w/w) aufweist, insbesondere einen Kalksteingehalt von 42% (w/w) bis 48% (w/w).
5. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zementklinker Silikate hauptsächlich in Form von Wollastonit/Pseudowollastonit (CaO·SiO₂) und/oder Rankinit (3CaO·SiO₂) umfasst.
6. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zementklinker mindestens 50% (w/w) Silikate in Form von Wollastonit/Pseudowollastonit (CaO·SiO₂) und/oder Rankinit (3CaO·SiO₂) umfasst.
7. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem mindestens einen Zuschlagstoff um eine Gesteinskörnung handelt, bevorzugt Sand und/oder Kies.
8. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zementsuspension (13) oder der Beton (13) vor dem Aushärten, insbesondere unmittelbar nach dem Mischen des nicht-hydraulischen Zements (11) mit dem Anmachwasser (12) und optional dem mindestens einen Zuschlagstoff (16), zu mindestens einem Körper (14) geformt wird, insbesondere zu einem Pflasterstein, einem Beton-Gestaltungselement oder einem Dachziegel.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper (14) durch Extrusion geformt wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Zementsuspension (13) oder der Beton (13) in einer durch eine Verschalung begrenzten Aufnahme gemischt wird.
11. Formkörper (14) aus einer teilweise erhärteten Zementsuspension (14) oder einem teilweise erhärtetem Beton (14), dadurch gekennzeichnet, dass die teilweise erhärtete Zementsuspension (14) oder der teilweise erhärtete Beton (14) durch ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10 hergestellt wird.
12. Formkörper nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Formkörper (14) bezogen auf das Gewicht des eingesetzten Zementklinkers Calcit aus der Umsetzung des nicht-hydraulischen Zements (11) mit Kohlendioxid (16) in einer Konzentration von mindestens 0,1% (w/w), 0,5% (w/w), mindestens 1% (w/w), mindestens 1.5% (w/w) oder mindestens 2% (w/w) und/oder einen Kieselerde aus der Umsetzung des nicht-hydraulischen Zements (11) mit Kohlendioxid (16) in einer Konzentration von mindestens 0,1% (w/w), 0,5% (w/w), mindestens 1% (w/w), mindestens 1.5% (w/w) oder mindestens 2% (w/w) aufweist.
13. Formkörper nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Formkörper (14) als ein Pflasterstein, ein Beton-Gestaltungselement oder Dachziegel ausgebildet ist.

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