-
Verfahren zur Herstellung von Gegenständen aus Beton Das Verfahren
gemäß der vorliegenden Erfindung dient dem Zweck, die Erhärtung von Gegenständen
und Bauteilen aus Beton bis zur Transportfähigkeit bzw. vollen Belastbarkeit in
einem Bruchteil der üblichen Zeiten und eine wesentliche Steigerung der Festigkeitseigenschaften
derselben ohne Änderung der Zusammensetzung und Minderung der Wirtschaftlichkeit
des Herstellungsverfahrens solcher Gegenstände zu erreichen und dadurch das Bauen
zu beschleunigen und zu verbilligen.
-
Bekannterweise werden Gegenstände aus Beton dadurch hergestellt, daß
ein Teil Zement mit 2 bis 8 Teilen an Zuschlagstoffen, bestehend aus Sand, Kies,
Schlacke, Splitt u. a. m., mit Wasser im Betonmischer gemischt und in Formen gefüllt
werden. Zur Erhöhung der Dichte wird die Betonmasse in den Formen vor Beginn des
Erhärtung.sprozesses durch Stampfen, Rütteln oder Pressen verdichtet. In Aden Formen
bleiben die :Gegenstände, bis die Erhärtung so weit fortgeschritten ist, daß sie
ohne Beschädigungsgefahr bis zur Verwendungsfähigkeit gestapelt werden können. Bei
sofortiger Entschalung nach der Formgebung und Verdichtung sind besondere Vorsichtsmaßnahmen,
wie Anwendung von Unterlagbrettern, bei der Stapelung notwendig. Für .die Festigkeit
der Betongegenstände ist allein :diejenige des Zementgerüstes und dessen innige
Verklammerung mit den Zuschlagstoffen ausschlaggebend. Ist allerdings die Festigkeit
des Zementgerüstes höher als diejenige der Zuschlagstoffe, so wird letztere für
die Gesamtfestigkeit des Betons bestimmend. Wegen der außerordentlich großen Oberfläche
des zu verarbeitenden Materials, seiner zum Teil hohen Porosität und damit Wasseraufnahmefähigkeit
wird sowohl zur Herstellung einer gleichmäßigen Mischung im Mischer als auch zur
Erreichung der notwendigen Verform:barkeit und Verdichtungsfähigkeit wesentlich
mehr Wasser verwandt, als zur Erzielung des Erhärtungseffektes des Zementes notwendig
ist. In der Regel werden etwa 45 bis 65% der eingesetzten Zementgewichte an Anmachewasser
bei der Herstellung der Betonmischung zugefügt, während der theoretische Wasserbedarf
zwischen 15 und 20% bei normalem Zement liegt. Die überschüssige Wassermenge wird
zum überwiegenden Teil durch Adsorption gebunden, während der Rest verdunstet.
-
Es ist nun bekannt, daß die Festigkeit :des Betons um so höher wird,
je mehr sich die verwendete Anmachew assermenge der theoretisch notwendigen nähert.
Deshalb zielen alle Entwicklungsarbeiten auf dem Gebiete der Betontechnik mehr oder
weniger auch auf die Verminderung des Anmachewasserbedarfes ab.
-
Für die Länge der notwendigen Lagerzeit, in welcher Gegenstände aus
Beton nach dem Einfüllen in die Formen Transport- bzw. volle Belastungsfähigkeit
erlangen-nach den heutegeltendenVorschriften beträgt letztere 28 Tage -, ergeben
sich nach den vorhergehenden Darlegungen folgende Abhängigkeiten: Einmal verzögert
die überschüssige Wassermenge sowohl den Eintritt als auch den Ablauf des physikalischen
Teiles des chemisch-physikalischen Vorganges, den die Erhärtung es Zementes darstellt.
Weiterhin muß bei zu großer Überschußmenge an Anmachewasser, das nicht restlos durch
Adsorption gebunden werden kann, ein Teil desselben verdunsten.
-
Es sind nun schonfrüher die verschiedensten Wege beschritten worden,
um die für die praktische Verarbeitung des Betons notwendige Anmachewassermenge
zu verringern. Neben :der laufenden Verbesserung der Mischmaschinen ist hier die
Anwendung der verschiedenen Rüttelverfahren, also einer Schwingbehandlung, zur Verdichtung
des Betons hervorzuheben. Dabei tritt durch den Übergang der kolloidalen Bestandteile
der Mischung in einen thixotropen Zustand eine erhöhte Plastizität der Betonmasse
ein, wodurch der Anmachewasserbedarf entsprechend sinkt. Es wurde auch schon vorgeschlagen,
schon bei dem Mischprozeß Schwingungen anzuwenden und die Thixotropie auszunutzen.
Darüber hinaus wurde auch bereits der Weg beschritten, durch Anwendung höherer Verformungsdrücke
Anmache-Wasser einzusparen und die Festigkeit entsprechend zu erhöhen. Alle bisher
bekannten Verfahren erzielen aber in dieser Hinsicht nur Anfangserfolge, so daß
selbst der niedrigste, praktisch erreichte Wasserbedarf noch um über 100%: über
dem theoretisch für die Erhärtung des Zementes notwendigen liegt.
Die
vorliegende Erfindung geht nun von der grundlegenden Auffassung aus, daß die Erhärtung
des Zementes nicht nur auf den chemischen Prozeß, die Hydratation .der Calciumverbindungen,
sondern zu einem nicht unwesentlichen, wenn nicht sogar ausschlaggebenden Teil auch
auf rein physikalische, in das Gebiet der Physik -der dünnen Schichten fallende
Vorgänge zurückzuführen ist. Daraus folgernd setzt sich die Mindestwassermenge,
welche für die vollständige Erhärtung des Zementes notwendig ist, zusammen aus dem
Teil, der nach den Gesetzen der Stöchiometrie für den chemischen Vorgang benötigt
wird, und weiterhin der Menge, welche zur Auslösung der physikalisch bedingten Spannungssysteme
vorhanden sein muß. Dabei läßt sich folgern, daß der letztgenannte Effekt erst dann
zur höchstmöglichen Auswirkung gelangt, wenn der Mindestwasserbedarf gerade erreicht
und nicht überschritten wird. Jede Überschußmenge an Wasser vermindert seinen Einfluß
und verhindert damit das Erzielen höchster Festigkeitseigenschaften. Ebenso verursacht
sie eine Verzögerung des Erhärtungsprozesses in entsprechendem Ausmaße. Weiterhin
ist zu beachten, daß der theoretische Mindestwasserbedarf eine im wesentlichen von
der Analyse des Zementes abhängige Toleranz nach oben zuläßt, die hauptsächlich
aus der Tatsache resultiert, daß gelöschter Kalk, der bei der Hydratation des Zementes
entsteht, in der Lage ist, in erheblichem Umfange mehr Wasser zu absorbieren, als
stöchiometrisch zu seiner Entstehung notwendig ist. Die richtige Ermittlung dieser
Toleranz für jede Zementsorte ist neben der Bestimmung der theoretischen Mindestwassermenge
für den Erfolg des hier vorgeschlagenen Verfahrens ausschlaggebend.
-
Für die notwcndige Erhärtungszeit ergibt sich, daß diese zunächst
einmal durch den zeitlichen Ablauf des chemischen Vorganges bestimmt wird. Es ist
folglich bei der Herstellung einer Betonmischung als vordringlich die Aufgabe gestellt,
Zement und Wasser in eine möglichst innige Verbindung zu bringen. Darüber hinaus
kann dann der zeitliche Ablauf -des chemischen Umsetzungsprozesses nur durch den
Aufwand von Wärme beschleunigt werden. Weiterhin beeinflußt den Erhärtungsprozeß
die Zeit, -die für die Verdunstung überschüssigen Anmachewassers notwendig ist.
Ihr Einfluß ist also um so geringer, je mehr sich die tatsächlich verwendete Anmachewassermenge
dem Mindestwasserbedarf nähert.
-
Nun ist aber die Beschränkung des Anmachewasserbedarfes bei der Herstellung
einer Betonmischung zunächst einmal ein reines Mischproblem, das folgendermaßen
gelöst wird: Zunächst wird der Zement mit .der ermittelten Mindestwassermenge unter
Ausnutzung der vorerwähnten Toleranz gemischt und dieses Gemisch dann hochfrequenten
Schwingungen in an sich bekannter Weise ausgesetzt. Dabei genügt eine auf wenige
Sekunden beschränkte Behandlungszeit. Es tritt eine absolut gleichmäßige Verteilung
des Wassers und gleichzeitig eine so intensive Bindung desselben an den Zement ein,
daß die besten Voraussetzungen für einen schnellen Ablauf des chemischen Umwandlungsprozesses
gegeben sind. Weiterhin erleichtert die auftretende Thixotropie der Gelmassen die
danach erfolgende Beimischung der Zuschlagstoffe. Diese Vorbehandlung zeitigt nun
den weiteren Erfolg, daß bei der Beimischung der Zuschlagstoffe die auf Grund deren
Aufbau und Oberflächengestalt in Erscheinung tretenden Kapillar- und Abhäsionskräfte
nicht mehr ausreichen, um .das Wasser aus seinem innigen Verband mit dem Zement
zu trennen. Diese Kräfte stehen vielmehr nun in ihrer Gesamtheit dazu zur Verfügung,
um den Zementleim, wie man in der Praxis das Zement-Wasser-Gemisch nennt, innig
mit den Zuschlagstoffen zu verbinden, wenn man beim Mischprozeß dafür sorgt, daß
eine gleichmäßige Beaufschlagung der Gesamtoberfläche aller Zuschlagstoffe mit Zementleim
realisiert wird. Es ist deshalb vorteilhaft, die Beimischung der Zuschlagstoffe
in einem Zwangsmischer vorzunehmen.
-
Der Erfolg des vorgeschlagenen Verfahrens zeigt sich in zweierlei
Hinsicht. Einmal steigt die Endfestigkeit des Betons durch die wesentliche Herabsetzung
der Anmachewassermenge in bekanntem Umfange an. Außerdem aber gelingt es, den Erhärtungsvorgang
insbesondere in seinem Anfangsstadium ohne besonderen Energieaufwand so zu beschleunigen,
daß Frühfestigkeiten - Festigkeitswerte nach 3tägiger Erhärtungszeit - erreicht
werden, die 80% und mehr der nach den bisher bekannten Verfahren erzielbaren Endfestigkeiten
betragen.
-
Die Ergebnisse einiger Versuche, die allerdings noch nicht unter technisch
optimalen Voraussetzungen durchgeführt werden konnten,und deshalb noch keine erzielbaren
Höchstwerte angeben, sollen den durch das vorgeschlagene Verfahren erzielbaren Effekt
beispielsweise erläutern.
-
Die Versuche wurden unter Verwendung fabrikfrischen Zementes Z 325
und normal gelagerter Zuschlagstoffe durchgeführt. Der Feuchtigkeitsgehalt der Zuschlagstoffe
wurde genau bestimmt und der Anmachewassermenge rechnerisch zugeschlagen. Die Mischungen
wurden in einem Zwangsmischer hergestellt, mit Hochfrequenzschwingungen von 150
Hz und einer Amplitude von etwa 2 mm, welche mittels eines durch Unwucht erregten
Senders erzeugt wurden, behandelt, in Würfelformen von 200 mm Seitenlänge gefüllt
und auf einem handelsüblichen Rütteltisch verdichtet. Die Proben wurden nach den
Normvorschriften gelagert und nach 3, 7, 28 Tagen auf Druckfestigkeit geprüft. Die
Einzelergebnisse stellen jeweils den Mittelwert von drei Proben dar. Es werden folgende
Versuchsreihen gegenübergestellt: a) Unter Variation des Wasser-Zement-Faktors in
üblicher Weise hergestellte Mischungen, b) unter Variation des Wasser-Zement-Faktors
nach vorliegender Erfindung behandelte Mischungen gleicher Zusammensetzung.
-
Es wurden folgende Mischungen untersucht: I. Reiner Zement Z 325.
-
II. Z_ 325: Zuschlagstoffen - 1 : 6,8 in Gewichtsteilen.
-
Zuschlagstoffe in Gewichtsteilen: 54% Rheinsand, 23% Kies 8/12,23%
Basaltsplitt 8/12.
-
III. Z 325 : Zuschlagstoffen ^ 1:6,8 in Gewichtsteilen.
-
Zuschlagstoffe in Gewichtsteilen: 40% Rheinsand, 30% Kies 8/12,3011/o
Basaltsplitt 8/12. In der folgenden Tabelle sind von jeder Versuchsreihe und Mischung
die erzielten Höchstwerte der Druckfestigkeit in kg/cm2 nach 3, 7 und 28 Tagen Erhärtungszeit
und ihr Verhältnis zu dem jeweiligen Höchstwert der Versuchsreihe a) nach 28 Tagen
Erhärtungszeit in Prozent angegeben. Außerdem ist für den jeweiligen Festigkeitswert
der Wasser-Zement-Faktor erwähnt, bei welchem derselbe erzielt wurde. Dabei sei
hinsichtlich -der Werte für die Versuchsreihe b) nochmals auf die schon früher erwähnten
technischen Unzulänglichkeiten und auf die außerordentlich zementarmen Betonmischungen
hingewiesen.