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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Porenbeton
aus einer Mischung, die quarzhaltigen Sand und/oder quarzhaltiges
Gesteinsmehl, gebrannten Kalk enthaltenes Bindemittel, Wasser und
einen Porenbildner umfasst. Dabei betrifft die Erfindung insbesondere
ein Verfahren, welches eine bessere Kontrolle des Porosierungsvorgangs
erlaubt und damit die Herstellung von Porenbeton niedriger Rohdichte
bei erhöhter Druckfestigkeit.
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In
jüngster
Zeit ist zunehmend Porenbeton gefragt, der eine noch höhere Porosität, das heißt eine niedrigere
Rohdichte, und eine hohe Wärmedämmung aufweist
(vergleiche zum Beispiel DIN 4165 E vom März 2001). Die Herstellung von
Porenbeton niedriger Rohdichten von gleichbleibender Qualität ist in
der Praxis jedoch schwierig, einerseits wegen der Schwankungen in
den Ausgangsstoffen, andererseits und hauptsächlich jedoch wegen der Schwierigkeiten
bei einer reproduzierbaren Durchführung des Treibprozesses.
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In
den bekannten Verfahren zur Herstellung von Porenbeton, wie sie
beispielsweise aus der
DE
196 19 263 C2 bekannt sind, werden die Ausgangsstoffe – üblicherweise
Branntkalk (Feinkalk), Zement, gemahlener, quarzhaltiger Sand, Wasser
und ein Porenbildner wie Aluminiumpulver, gegebenenfalls in Anwesenheit weiterer
Zusatzstoffe wie Anhydrit (Calciumsulfat) – in einer festgelegten Reihenfolge
kurz nacheinander in einen Mischer gegeben und innerhalb einer Gesamtmischzeit
von wenigen Minuten gemischt. Beim Ablassen der Mischung besitzt
diese eine Temperatur von etwa 35 bis 40°C, unter anderem deshalb, weil
eine Anfangsreaktion des Branntkalks unter Bildung von Kalkhydrat
nicht zu vermeiden ist.
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Nach
dem Einfüllen
der fließfähigen Mischung
in eine Gießform
(Volumen zum Beispiel etwa 4 m3) steigt
die Mischungstemperatur infolge der stark exothermen Reaktion des
Branntkalks mit Wasser stetig an und erreicht je nach Rezeptur Werte
von etwa 75 bis 95°C.
Gleichzeitig steift die Mischung zunehmend an, und zwar sowohl durch
die Bindung von freiem Wasser an das Calciumoxid des Branntkalks
als auch durch Bildung von hochdispersem Kalkhydrat. Zement in der
Mischung verzögert
die Kalk- und Aluminiumreaktion. Die verfestigende Wirkung in der
Mischung setzt jedoch erst merklich später ein, wenn die Porosierung
bereits erfolgt ist. Ziel ist hier unter anderem, eine bestimmte
Sägereife
der Mischung zu einem gewünschten
Zeitpunkt zu erreichen.
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Kennzeichnend
für die
Herstellung von Porenbeton nach den bekannten Verfahren ist, dass
die Reaktion des Porenbildners (des Aluminiumpulvers) mit dem Calciumhydroxid
im Verlauf zunehmender Mischungstemperatur und steigender Konsistenz
der Gießmasse
erfolgt. Die Porosierung findet daher unter sich ständig ändernden
physikalischen, chemischen und Theologischen Bedingungen statt.
Dies bedeutet, dass im Gesamtsystem Fest-Flüssig-Gasförmig sowohl bezüglich der
Ausbildung der Phasengrenzen Fest-Flüssig-Gasförmig als auch bezüglich der
Gasphase selbst, deren Temperatur und Druck und folglich auch Volumen
von der ständig
zunehmenden Temperatur der Gießmasse
beeinflusst wird, höchst
komplexe Zwischenstadien zu durchlaufen sind, bis das Treibmaximum
erreicht ist. Hinzu kommt noch ein ständig steigender, weil ebenfalls temperaturabhängiger Wasserdampf-Partialdruck,
der gemeinsam mit dem aus der Aluminiumreaktion gebildeten Wasserstoff
den Gesamtdruck in der Pore bildet.
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Die
Gasbildung ist besonders in der Frühphase der Kalkhydratation
kritisch für
den Porenbeton, weil noch keine stabilen Phasengrenzen ausgebildet
sind und daher eine diffuse Gasverteilung zu feinsten Poren in der
gesamten Gießmasse
führt,
wodurch die Festigkeit des späteren
Feststoffgerüsts
beeinträchtigt
wird. Auch ist die erreichte Treibhöhe besonders bei sehr leichtem
Porenbeton, zum Beispiel der Rohdichteklasse 0,40 nach DIN 4165,
mit Trockenrohdichten zwischen 0,35 und 0,40 kg/dm3,
vielfach nicht beständig,
weil Gas ausbläst
und die Masse bis zu mehreren Prozent der Gesamthöhe zusammenfällt. Dadurch
steigt die Rohdichte wieder an.
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Problematisch
für den
Treibprozess sind neben den Temperaturschwankungen auch die Schwankungen
in der Konsistenz der Gießmasse
während
des Porosierungsvorgangs. Die Konsistenzänderung von anfangs niedriger
Konsistenz der Mischung zu hoher Konsistenz am Ende des Treibprozesses
zwingt, ebenso wie der ständige
Temperaturanstieg, zur Überdosierung
des Aluminiumpulvers, um die gewünschte
Treibhöhe zu
erreichen. Die Überdosierung
ist dabei um so größer, je
höher die
Anfangskonsistenz, das heißt
je niedriger der Wassergehalt der Mischung ist. Folge der Überdosierung
sind Gasausbrüche,
Zurückfallen
der Masse, Gefügestörungen und
Qualitätsmängel. Als
Folge davon wird üblicherweise
ein möglichst
hoher Wassergehalt der Mischung gewählt (mit Wasser-Feststoffwerten
um 0,6), um die Porosierung bei möglichst niedrigen Konsistenzwerten
vornehmen zu können.
Das Resultat ist jedoch ein Anstieg der Kapillarporen im Feststoffgerüst und ein
Absinken der Festigkeit des gehärteten
Porenbetons.
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Es
bestand daher ein Bedarf an einem Verfahren, welches zu Porenbeton,
besonders Porenbeton mit niedriger Trockenrohdichte, von gleichbleibend
hoher Qualität
führt.
Insbesondere bestand ein Bedarf an einem derartigen Verfahren, welches
die Durchführung
der Porosierungsprozesses unter kontrollierbaren Bedingungen erlaubt.
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Aufgabe
der Erfindung ist es entsprechend, ein Verfahren anzugeben, welches
zu Porenbeton, besonders Porenbeton niedriger Trockenrohdichte,
von gleichbleibend hoher Qualität
führt und
welches insbesondere die Durchführung
der Porosierungsprozesse unter kontrollierten Bedingungen erlaubt.
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Die
Lösung
dieser Aufgabe gelingt mit dem Verfahren gemäß Anspruch 1. Weitere Verfahrensvarianten
sind in den Unteransprüchen
beschrieben.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
unterscheidet sich von den Verfahren des Standes der Technik darin,
dass zunächst
der gebrannte Kalk mit Wasser im Wesentlichen vollständig gelöscht wird,
bevor der Porenbildner zum Erhalt der Mischung für die Herstellung des Porenbetons
zugesetzt wird. Die erfindungsgemäße Vorgehensweise führt dazu,
dass die Kalkhydratation und die Bildung des hochdispersen Kalkhydrats
bereits im Wesentlichen vollständig
abgeschlossen ist, bevor der Porenbildner zugefügt wird. In den herkömmlichen Verfahren
dagegen findet die Kalkhydratation gleichzeitig mit dem Treibvorgang
statt. Die fortschreitende Kristallisation des sukzessiv entstehenden
Kalkhydrats führt
dabei zu immer neuen Gefügeverzahnungen,
vor allem im späteren
Stadium der Kalkhydratation. Rheologisch wird dabei ein so genannter
Anlasswert wirksam; es ist also eine bestimmte zusätzliche
Kraft erforderlich, damit eine Porenvergrößerung stattfinden kann. In
den herkömmlichen
Mörtelsystemen
bei der Herstellung des Porenbetons besitzt das System Fest-Flüssig daher eine
andere Konstitution und damit einen anderen inneren Aufbau des Systems
aus Feststoffteilchen und Wasser, als dies im Mörtelsystem des erfindungsgemäßen Verfahrens
der Fall ist.
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Im
erfindungsgemäßen Verfahren
bestehen für
die Porenbildung über
den gesamten Porosierungsprozess hinweg gleichbleibende Voraussetzungen
für den
Aufbau der Phasengrenzen zwischen dem System Fest-Flüssig einerseits
und der Gasphase andererseits. Dabei kommt dem hochdispersen Kalkhydrat,
das von Anfang an im Wesentlichen vollständig zur Verfügung steht,
im Zusammenwirken mit der Oberflächenspannung
des Wassers besondere Bedeutung zu. Im erfindungsgemäßen Verfahren
erfolgt die Porenbildung bei konstanter Konsistenz der Mischung.
Jede Veränderung
in den Ausgangsstoffen und der Rezeptur hat daher eindeutige Auswirkungen
auf die Porosierung, so dass sich gezielte Steuerungsmöglichkeiten über die
Zusammensetzung der Mischung ergeben.
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Zudem
kann der Porosierungsvorgang bei im Wesentlichen konstanter Temperatur
durchgeführt
werden. Im Unterschied zu den Verfahren des Standes der Technik,
bei denen Temperaturanstiege um 40 bis 50°C während des Porosierungsvorgangs
die Regel sind, wird das erfindungsgemäße Verfahren so durchgeführt, dass
die Temperaturschwankung während
der Porenbildung nur maximal etwa ± 2°C beträgt. Grund hierfür ist, dass
die exotherme Kalkhydratation im erfindungsgemäßen Verfahren im Wesentlichen
abgeschlossen ist, bevor der Porosierungsvorgang ausgelöst wird.
In Folge der Durchführung
der Porenbildung bei konstanter Temperatur ist die Intensität der Gasbildung
allein vom Porenbildner und dessen spezifischer Oberfläche abhängig und
kann zudem gezielt dadurch beeinflusst werden, dass die Temperatur
der Mischung während
der Porenbildung auf eine geeignete Temperatur eingestellt wird.
Gegenüber
den herkömmlichen
Verfahren ergibt sich damit der deutliche Vorteil, dass die angestrebte
Volumenzunahme der Mischung praktisch proportional zur Dosierung
des Aluminiumpulvers erfolgt.
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Ein
weiterer entscheidender Vorteil gegenüber herkömmlichen Verfahren besteht
darin, dass die Porosierung bei hoher Konsistenz der Mischung durchgeführt werden
kann. Die Wassergehalte beziehungsweise die Wasser-Feststoff-Werte
können
also deutlich unter den bisher praktikablen Werten liegen. Entsprechend steigt
die Festigkeit des fertigen, dampfgehärteten Porenbetons. Konkret
können
beispielsweise im erfindungsgemäßen Verfahren
für die
niedrigen Porenbeton-Rohdichteklassen 0,30 bis 0,40 Wasser-Feststoff-Werte
von 0,40 bis 0,55 und insbesondere 0,45 bis 0,55 verwirklicht werden,
während
in den bekannten Verfahren Werte um 0,6 in Anwendung sind. Dabei
werden deutlich höhere
Druckfestigkeiten erreicht, als dies bisher im Stand der Technik
möglich
war. Beispielsweise lassen sich nach dem erfindungsgemäßen Verfahren Porenbetone
herstellen, welche bei einer Trockenrohdichte nach DIN 4165 von
0,30 oder 0,35 kg/dm3 eine Druckfestigkeit
von mindestens 2,0 N/mm2 besitzen. Bisher
waren hier etwa 1,6 N/mm2 möglich. Während im Stand
der Technik für
die Rohdichteklasse 0,40 nach DIN 4165 bislang Druckfestigkeiten
von etwa 2,0 N/mm2 erreicht wurden, erzielt
das erfindungsgemäße Verfahren
hier Druckfestigkeiten von mindestens 2,5 N/mm2.
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Als
Porenbildner im erfindungsgemäßen Verfahren
können
grundsätzlich
alle im Stand der Technik üblichen
Porenbildner und Treibmittel verwendet werden. Besonders geeignet
ist Aluminium, beispielsweise in Form von Aluminiumpulver oder Aluminiumpaste.
Besonders bevorzugt ist passiviertes Aluminium, dessen Reaktionsfähigkeit
ausreichend gebremst ist, um den Treibprozess unter besonders konstanten
Bedingungen durchführen
zu können.
Wegen der gleichbleibenden Bedingungen im Verlauf der Porosierung
können
im erfindungsgemäßen Verfahren
jedoch auch andere Porenbildner wie beispielsweise Schaummittel
eingesetzt werden.
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Im
erfindungsgemäßen Verfahren
können
grundsätzlich
die gleichen Ausgangsstoffe verwendet werden, die auch bisher bei
der Herstellung von Porenbeton eingesetzt wurden. Die Mischung umfasst
dazu quarzhaltigen Sand und/oder quarzhaltiges Gesteinsmehl, gebrannten
Kalk enthaltendes Bindemittel, Wasser und einem Porenbildner. Ferner
kann die im erfindungsgemäßen Verfahren
eingesetzte Mischung weitere bei der Porenbetonherstellung übliche Zusätze enthalten
wie Zement und/oder Anhydrit. Zement in der Mischung dient der Aussteifung
der Masse bis zur Sägereife
und wird zweckmäßig so verwendet,
dass die verfestigende Wirkung erst nach dem Abschluss des Treibprozesses
merklich einsetzt. Auch Rückgut,
also aus der Porenbetonherstellung zurückgewonnenes, nicht gehärtetes Material,
kann als Ausgangsstoff verwendet werden.
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Es
ist grundsätzlich
möglich,
den gebrannten Kalk in Anwesenheit aller weiteren Bestandteile der
Mischung mit Ausnahme des Porenbildners zu löschen. Bevorzugt ist es jedoch,
den gebrannten Kalk zunächst allein,
ohne weitere Zusätze,
mit Wasser zu löschen
und erst anschließend
die weiteren Komponenten der Mischung zuzufügen. Auf diese Weise kann eine
Agglo merierung im entstehenden Kalkhydrat besonders vorteilhaft
vermieden werden, und die anschließende Calciumsilicathydrat-Bildung
verläuft
besonders gleichmäßig. Im
Falle der Verwendung von Rückgut
in der Mischung kann es jedoch auch von Vorteil sein, das Rückgut bereits
zu Beginn mit dem gebrannten Kalk zu vermischen und den gebrannten
Kalk in Anwesenheit des Rückguts
zu löschen.
Der Vorteil dieses Vorgehens besteht darin, dass das im Rückgut enthaltene
Wasser bei der zum Löschen
des Branntkalks benötigten
Wassermenge mit berücksichtigt
werden kann und so die Wassermenge im Mörtel nicht größer als
nötig ist.
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Beim
Löschen
des Branntkalks mit Wasser erhöht
sich durch die exotherme-Reaktion der Komponenten die Temperatur
der hergestellten Vormischung. Ist der Branntkalk entweder allein
oder nur in Anwesenheit des Rückguts
mit Wasser gelöscht
worden, sinkt die Temperatur in der Suspension durch Einmischen
der weiteren Komponenten wie Zement oder Anhydrit wieder ab. Das
erfindungsgemäße Verfahren
wird so geführt, dass
der Porosierungsvorgang bei einer Temperatur zwischen 60 und 90°C und insbesondere
zwischen 70 und 85°C
stattfindet. In der fertigen Mischung, die alle Komponenten einschließlich des
Porenbildners enthält, ändert sich.
die Temperatur während
des Porosierungsverfahrens dann praktisch nicht mehr. Bis zum Abschluss
der Porosierung bleibt die Temperatur der Mischung in einem Bereich
von maximal ± 2°C konstant
Diese konstanten Bedingungen gewährleisten
eine steuerbare, gleichmäßige und
gut reproduzierbare Porenbildung.
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Wie
bereits erwähnt,
ist nicht nur die Temperatur während
des erfindungsgemäßen Porosierungsverfahrens
konstant, sondern auch die einmal eingestellte Konsistenz der Mischung ändert sich
im Verlauf der Porosierung praktisch nicht. Die Porosierung kann
von Anfang an in einer Mischung von fließfähiger bzw. plastischer Konsistenz
durchgeführt
werden. Bevorzugt beträgt
der Wassergehalt in der Mischung entsprechend 40 bis 60 Masse-%,
insbesondere 45 bis 55 Masse-%, der festen Einsatzstoffe. Um insbesondere
bei plastischer Konsistenz der Mischung eine gleichmäßige Porosierung
zu gewährleisten,
kann es dabei vorteilhaft sein, den Treibvorgang unter Einsatz eines
Rüttlers
durchzuführen.
Der Porosierungsvorgang selbst findet dabei auf an sich bekannte
Weise in Gießformen
statt, in welche die zu porosierende Mischung zweckmäßig als fließfähige, sich
selbst mollierende Suspension eingefüllt wird. Auch die weiteren
Verfahrenschritte, einschließlich
der Dampfhärtung
des Porenbetons, erfolgen auf an sich im Stand der Technik bekannte
Weise.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
kann ohne weiteres mit den auch bisher bei der Herstellung von Porenbeton üblichen
Vorrichtungen und Gerätschaften
erfolgen. Bereits vorhandene Vorrichtungen zur Porenbetonherstellung
können
weiter verwendet werden. Zweckmäßig wird
ihnen lediglich ein Vormischer vorangestellt, in welchem die Löschung des
gebrannten Kalks gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren
vorab erfolgt. Anschließend
wird die noch heiße
Vormischung in einen Hauptmischer überführt, um dort mit den restlichen
Bestandteilen der Mischung zum Erhalt der Mischung vermischt und
anschließend
auf grundsätzlich übliche Weise
weiterverarbeitet zu werden. Die Zumischung der Bestandteile erfolgt
mit den auch sonst gebräuchlichen
Dosiereinrichtungen. Bei Verwendung lediglich eines Vormischers
zur Löschung
des Branntkalks wird das erfindungsgemäße Verfahren intermittierend
durchgeführt.
Die Weiterverarbeitung richtet sich entsprechend nach der Reaktionszeit
des Branntkalks während
des Löschvorgangs.
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Besonders
zweckmäßig ist
es, für
die vorgeschaltete Hydratation des Branntkalks mehrere Vormischer
zu verwenden, in denen das Löschen
des gebrannten Kalks zeitlich versetzt durchgeführt wird. Die Anzahl der erforderlichen
Vormischer richtet sich dabei nach der Hydratationsdauer des Branntkalks,
die üblicherweise
etwa 12 bis 20 Minuten beträgt,
und auch der Gießrhythmus
der Produktion kann berücksichtigt
werden. Besonders rationell lässt
sich das Verfahren durchführen,
wenn die Vormischung vor Erreichen der maximalen Löschtemperatur
in den Hauptmischgang überführt wird.
Dabei ist jedoch darauf zu achten, dass eine Agglomerierung des
entstehenden Kalkhydrats und eine zu starke Erniedrigung der Dispersität der Mischung
vermieden werden.
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Die
Erfindung soll nachfolgend anhand von Beispielen näher erläutert werden.
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Ausführungsbeispiele
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Sämtliche
Beispiele sind auf 100 kg Gesamtfeststoff (ohne Aluminiumpulver)
bezogen.
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Zur
Stabilisierung des Porosierungsprozesses und zur Erhöhung der
Festigkeit des dampfgehärteten Porenbetons
ist in allen Beispielen eine Erhöhung
des Branntkalkgehalts beziehungsweise, nach Ausschöpfung des
möglichen
Temperaturanstiegs, die Erhöhung
des Kalkhydratzusatzes, jeweils im Austausch gegen Sand, vorgesehen.
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Die
Temperaturdifferenzen ΔT
beziehen sich im Falle der Vormischung auf die Erwärmung, die
die bei Umgebungstemperatur zusammengemischten Komponenten Branntkalk
(Brk), Wasser (W) und gegebenenfalls Rückgut nach Abschluss des Löschvorgangs
erfahren haben.
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Im
Falle der Hauptmischung bezieht sich die Temperaturdifferenz auf
die Temperaturerhöhung
der übrigen
Einsatzstoffe durch Zugabe der heißen Vormischung. Nach Abschluss
des Mischvorgangs bleibt die Temperatur der Mischung während der
Porosierung innerhalb eines Intervalls von ± 2°C konstant.
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"Beton 0,30" bezeichnet einen
Porenbeton mit einer Trockenrohdichte nach DIN 4165 von 0,30 kg/dm
3. 1.
VORMISCHUNG (ohne Wärmeverluste)
2.
HAUPTMISCHUNG (ohne Wärmeverluste)
- 1 Der Reinheitsgrad
des verwendeten Aluminiumpulvers ist noch zu berücksichtigen
- 2 Der Bedarf ist in Form eines Grundwerts
und eines Faktors angegeben. Der Grundwert ergibt das Gasvolumen
bei Reaktionstemperatur und Atmosphärendruck, entsprechend der
erforderlichen Volumenvergrößerung der
Mischung. Der Faktor berücksichtigt
die Konsistenz der Mischung, deren mittlere Auflast auf der Pore
und die Porenvergrößerung gegen
den Atmosphärendruck.
Der Faktor kann nur geschätzt
werden und ist empirisch zu ermitteln.
