DE102017102225B3

DE102017102225B3 - Verwendung von behandeltem Wüstensand als Zuschlagstoff für Beton, Verfahren zu seiner Herstellung und Wüstensand als Zuschlagstoff

Info

Publication number: DE102017102225B3
Application number: DE102017102225.2A
Authority: DE
Inventors: Jörg Binner
Original assignee: KHD Humboldt Wedag AG
Current assignee: KHD Humboldt Wedag AG
Priority date: 2016-04-11
Filing date: 2017-02-06
Publication date: 2017-09-07
Anticipated expiration: 2037-02-07
Also published as: MA43470A1; EP3442924A1; MA43470B1; MX2018012352A; US20190177221A1; CN109071341A; WO2017178362A1

Abstract

Die Erfindung betrifft die Verwendung von Wüstensand als Zuschlagstoff für Beton, ein Verfahren zur Herstellung eines Zuschlagstoffes für Beton und einen Zuschlagstoff für Beton. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Wüstensand zuvor zerkleinert worden ist, indem in einer ersten Stufe eine Pressung einer Schüttung des Wüstensandes zwischen den Mahlwalzen einer Hochdruckrollenpresse mit mindestens 50 MPa erfolgt, was zum Zerkleinern und Agglomerieren der Bruchstücke ausreicht und in einer zweiten Stufe die Agglomerate durch eine weitere mechanische Beanspruchung zerstört werden. So hergestellter Zuschlagstoff führt bei Zuschlag zu Beton zu einer wesentlich höheren Betonfestigkeit als bei Zuschlag von unbehandeltem Wüstensand.

Description

Die Erfindung betrifft die Verwendung von behandeltem Wüstensand als Zuschlagstoff für Beton.
Es ist bekannt, herkömmlichen Sand als Zuschlagstoff für Beton zu nutzen. Der Zuschlagstoff bildet ein die Festigkeit des Betons nicht beeinflussendes Füllmittel, das durch das Bindemittel aus gemahlenem Zementklinker, Betonzusatzstoffen und Betonzusatzmitteln gebunden wird. Die Betonzusatzstoffe beeinflussen das Abbindeverhalten des Betons und dessen rheologischen Eigenschaften. Die Betonzusatzstoffe sind im abbindenden Beton chemisch aktiv, wie beispielsweise Wasser. Bei der empirischen Untersuchung der Betonfestigkeit hat sich herausgestellt, dass Sand unterschiedlicher Provenienz als Zuschlagstoff einen sehr erheblichen Einfluss auf die Betonfestigkeit hat. Wenngleich die meisten Sandsorten, die als Betonzuschlagstoff genutzt werden, größtenteils aus Quarzbruch bestehen, so finden sich in verschiedenen Sandsorten auch Anteile von carbonathaltigem Gestein, wenn der Sand beispielsweise Strandsand ist, oder granit- oder basalthaltigem Gestein, wenn der Sand von Kiesgruben stammt. Die Sandprovenienz bestimmt also dessen chemische Zusammensetzung, die Korngrößenverteilung und auch die Kornform. Der weltweite Bedarf an Bausand ist groß. Sand steht als Wirtschaftsgut an dritter Stelle im weltweiten Verbrauch. Der weltweite Sandbedarf pro Jahr beträgt etwa 15 Milliarden Tonnen. Die knappen Reserven von als Betonzusatzstoff geeignetem Sand führen dazu, dass Bausand mittlerweile mit Schiffen aus dem Meer gewonnen wird. Dazu wird der geeignete Sand mit Schiffen über große Meeresdistanzen transportiert.
Es besteht auch sehr großer Bedarf an Bausand in Ländern mit ausgedehnten Sandwüsten oder in Ländern nahe ausgedehnter Sandwüsten, so dass sich die Verwendung von Wüstensand als Betonzuschlagstoff anbietet. Leider hat Wüstensand, besonders, wenn er als Oberflächensand oder als Dünensand abgebaut wird, eine runde, bis kugelförmige Sandform. Die Kornform entsteht durch das Rollen des Sandes über Jahrmillionen innerhalb der Wüste, wobei die einzelnen Körner regelrecht rundgeschliffen werden. Auch Strandsand, der durch die Brandung immer wieder umgewälzt wird, weist eine runde Form der einzelnen Sandkörner auf. Wüstensand als solcher ist also zur Verwendung als Betonzuschlagstoff für Betonanwendungen, die besonders festen Beton erfordern, nicht geeignet. Für Turmbauten, Brückenbauten, Unterwasserfundamente wird in der Regel ein geologisch junger Bruchsand benötigt, der in der Regel aus Flüssen gewonnen wird, wo der Sand aus Moränen abgetragen wird. Es kann somit notwendig sein, Sand mit hohem Aufwand in Sandwüstenregionen zu transportieren, um diesen dort als Bausand verwenden zu können.
In dem deutschen Patent DE 10 2014 006 942 B3 wird ein Verfahren zur Umwandlung von Wüstensand in kantigen Sand offenbart, der unter Anderem zur Betonherstellung und als Schüttgut zur Neulandgewinnung geeignet ist. In diesem Verfahren wird der Wüstensand formlos aufgeschüttet und einer thermischen Behandlung unterzogen, wobei sich Form und Oberflächenrauheit zu Gunsten der Anwendung im Beton verändern. Das daraus entstandene dreidimensionale Gebilde wird anschließend abgekühlt und in einer Zerkleinerungsmaschine auf Bruchstücke kleiner 2 mm zerbrochen. Dieses Verfahren erfordert aber den Einsatz von großen Mengen thermischer Energie.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zu entwickeln, durch den Wüstensand als Zuschlagstoff für Beton verwendet werden kann.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird dadurch gelöst, dass der Wüstensand zuvor in einer Hochdruckwalzenpresse gebrochen worden ist bei der in einer ersten Stufe der Wüstensand in einer Schüttung durch Druckbeanspruchung gebrochen wird und agglomeriert und dann in einer zweiten Stufe die Agglomerate durch eine weitere mechanische Beanspruchung zerstört werden, wobei die Druckbeanspruchung in der ersten Stufe durch einmalige Pressung zwischen zwei Flächen mit über 50 MPa Druck erfolgt.
Nach der Erfindung ist also vorgesehen, Wüstensand mit im Wesentlichen runder Kornform durch eine Hochdruckwalzenpresse, wie sie nach Schönert et al. in der deutschen Offenlegungsschrift DE 27 08 053 A1 erstmals veröffentlicht worden ist und dessen Offenbarungsgehalt in diese Anmeldung einbezogen wird, laufen zu lassen. Bei der Passage des Wüstensandes mit im Wesentlichen runder Kornform durch die erste Stufe der Hochdruckwalzenpresse durch den Walzenspalt zweier Walzenoberflächen mit über 50 MPa Druck wird der Wüstensand gebrochen und bildet eine zerklüftete und unregelmäßige Kornform, die etwa vergleichbar ist mit der Unregelmäßigkeit von Gesteinssplit, der üblicherweise für den Straßenbau in Europa verwendet wird. Durch die Ausbildung der unregelmäßigen, zerklüfteten Kornform neigt dieser so behandelte Wüstensand plötzlich zur Agglomeration, so dass sich Schülpen bilden, die in einer zweiten Stufe durch eine weitere mechanische Beanspruchung zerstört werden. Als zweite Stufe eignen sich insbesondere Windsichter, in welcher die leicht zerfallenden Schülpen über jalousieartig angeordnete Bleche fallen und dabei aufbrechen und den behandelten Wüstensand aus seiner Agglomeration befreien. Dabei wird der gebrochene Wüstensand durch ein entsprechendes Windsichtungsverfahren aus dem Mahlkreislauf herausgesichtet, wenn es sich um eine Hochdruckwalzenpresse in einer Kreislaufmühle handelt oder der Wüstensand wird durch einen einmaligen Durchlauf durch die Hochdruckwalzenpresse mit Schülpendesagglomerator gebrochen. Durch die Behandlung des Wüstensandes in einer Hochdruckwalzenpresse nach Schönert et al. bricht das Korn des Wüstensandes, wobei eine feinere Körnung entsteht. Es ist also für die an sich bekannten Betonrezepturen, die auch die Körnung des als Betonzuschlagstoff verwendeten Sandes auf der als RRSB-Verteilung (nach Rosin, Rammler, Sperling und Bennet) bekannten Statistik vorschreibt, darauf zu achten, dass das Grobgut als Mahlgut eine entsprechend gröbere Korngröße aufweist. Der Wüstensandbruch ist sodann mit den bekannten Mitteln der Windsichtung und der Sandmischung auf die vorgegebene Korngrößenverteilung zu bringen. Der durch die Hochdruckbehandlung nach Schönert et al. erhaltene Sand hat überraschenderweise die Eigenschaft einen steileren Böschungswinkel bei einer Schüttung auszubilden als es der rundkörnige Wüstensand hat. Dadurch unterscheidet sich der durch eine Hochdruckrollenpresse behandelte Sand von Sand aus einer Vermahlung im Kollergang oder einer Vertikalmühle. Die Ausbildung des steileren Böschungswinkels ist darauf zurückzuführen, dass er nach Schönert et al. hochdruckbehandelte Sand eine Kornform aufweist, die zu einer gegenseitigen Verkeilung der einzelnen Sandkörner in der Schüttung führt. Es wird hier vermutet, dass die gleichen geometrischen Eigenschaften des durch eine Hochdruckbehandlung gebrochenen Sandes dazu führen, dass die Betonfestigkeit des frisch gebrochenen Wüstensandes höher ist als bei anderen Natursandsorten. Eine weitere Vermutung ist, dass die frischen Bruchkanten des gebrochenen Wüstensandes noch keine chemische Passivierung durchlaufen sind, so dass die Reaktivität an der Bruchfläche des Sandes höher ist, so dass eine kristalline Verbindung zwischen dem abbindenden Zementklinker und der frischen Bruchkante des gebrochenen Sandes entsteht. Natürlich gealterter Sand hat auf der Oberfläche aufgewachsene Oxidschichten, Eisenoxid oder Phosphatschichten, die eine direkte Reaktion der sich ausbildenden Calciumsilikat-Phasen aus dem Zementklinker mit der Quarzbruchkante des Sandes verhindern oder dämpfen. Die Hochdruckbehandlung führt offensichtlich zu größeren Einzelbruchflächen in dem Gefüge des einzelnen Sandkorns als eine Zerkleinerung durch eine scherende Behandlung, in der vor allem Schleifspuren das grobe Korn charakterisieren. Das feinere Mahlgut weist dann zwar eine frische Oberfläche auf, jedoch bei eher runder Kornform.
Insbesondere hat sich durch die Hochdruckbehandlung nach Schönert et al. behandelter Wüstensand der Provenienz Dubai, Oman, Vereinigte Arabische Emirate und Saudi-Arabien, aber auch Marokko als besonders geeignet herausgestellt. Die 7-Tage-Festigkeit, 40-Tage-Festigkeit und 100-Tage-Festigkeit eines mit einer Hochdruckbeanspruchung von 50 MPa behandeltem Sand hat sich als ausreichend für die Verwendung im Bau von Hochhäusern, Brücken und Unterwasserfundamenten erwiesen. Die Kriterien der Betonfestigkeit sind in den korrespondierenden Normen, wie z.B. DIN 1045, DIN 1992 festgelegt. Die Rezepturen für den jeweils erwünschten Beton, insbesondere die Korngrößenverteilungen des einzusetzenden Sandes, werden auch in den einschlägigen Betonhandbüchern vorgegeben. Die vorgegeben Körnung und Korngrößenverteilung kann bei der Herstellung des durch die Hochdruckbehandlung gebrochenen Sandes durch bekannte Mittel wie Sichten und Mischen eingestellt werden.
In Ausgestaltung des Verfahrens ist es möglich, den Wüstensand im Umlauf zu zerkleinern. Dazu wird der Sand pneumatisch oder über einen mechanischen Förderer nach Passage der Rollenpresse stets wieder zurück gefördert und erneut der Rollenpresse aufgegeben. Um das Mahlgut, also den gebrochenen Wüstensand auszusortieren, wird der umlaufende Sand als Mahlgut durch einen statischen oder durch einen dynamischen Sichter, wie ein Stabkorbsichter gesichtet. Das Feingut verlässt die Umlaufmahlanlage und die Grieße als Grobgut des Sichters werden rezirkuliert. Zur Einstellung der richtigen Korngrößenverteilung wird der gebrochene Wüstensand durch Sieben, das auch im zuvor genannten Umlauf geschehen kann, auf die erwünschte Korngrößenverteilung eingestellt.

Claims

Verwendung von Wüstensand als Zuschlagstoff für Beton, dadurch gekennzeichnet, dass der Wüstensand zuvor in einer Hochdruckwalzenpresse gebrochen worden ist, in der – der Wüstensand In einer ersten erste Stufe der Hochdruckwalzenpresse durch den Walzenspalt zweier Walzenoberflächen mit über 50 MPa Druck gebrochen und zu Schülpen agglomeriert wird – und die Schülpen in einer zweiten Stufe durch eine weitere mechanische Beanspruchung zerstört werden, wobei, wenn es sich um eine Hochdruckwalzenpresse in einer Kreislaufmühle handelt, die Schülpen zerfallen, wenn der in der Hochdruckwalzenpresse gebrochene Wüstensand durch ein Windsichtungsverfahren aus dem Mahlkreislauf herausgesichtet wird, oder der Wüstensand durch einen einmaligen Durchlauf durch eine Hochdruckwalzenpresse mit Schülpendesagglomerator gebrochen wird.
Verfahren zur Herstellung eines Zuschlagstoffes für Beton, gekennzeichnet durch Brechen von Wüstensand in einer Hochdruckwalzenpresse, in der – der Wüstensand In einer ersten erste Stufe der Hochdruckwalzenpresse durch den Walzenspalt zweier Walzenoberflächen mit über 50 MPa Druck gebrochen und zu Schülpen agglomeriert wird – und die Schülpen in einer zweiten Stufe durch eine weitere mechanische Beanspruchung zerstört werden, wobei, wenn es sich um eine Hochdruckwalzenpresse in einer Kreislaufmühle handelt, die Schülpen zerfallen, wenn der in der Hochdruckwalzenpresse gebrochene Wüstensand durch ein Windsichtungsverfahren aus dem Mahlkreislauf herausgesichtet wird, oder der Wüstensand durch einen einmaligen Durchlauf durch eine Hochdruckwalzenpresse mit Schülpendesagglomerator gebrochen wird.
Zuschlagstoff für Beton, dadurch gekennzeichnet, dass dieser durch Brechen von Wüstensand in einer Hochdruckwalzenpresse wie folgt gewonnen worden ist: – der Wüstensand wird in einer ersten erste Stufe der Hochdruckwalzenpresse durch den Walzenspalt zweier Walzenoberflächen mit über 50 MPa Druck gebrochen und zu Schülpen agglomeriert, – die Schülpen werden in einer zweiten Stufe durch eine weitere mechanische Beanspruchung zerstört wobei, wenn es sich um eine Hochdruckwalzenpresse in einer Kreislaufmühle handelt, die Schülpen zerfallen, wenn der in der Hochdruckwalzenpresse gebrochene Wüstensand durch ein Windsichtungsverfahren aus dem Mahlkreislauf herausgesichtet wird, oder der Wüstensand durch einen einmaligen Durchlauf durch eine Hochdruckwalzenpresse mit Schülpendesagglomerator gebrochen wird.