DE112021002785T5

DE112021002785T5 - Glasartiger kohlenstoffzuschlagstoff für leichtbeton

Info

Publication number: DE112021002785T5
Application number: DE112021002785.9T
Authority: DE
Inventors: Andrew III. Rudolph Olson
Original assignee: CFOAM LLC
Current assignee: CFOAM LLC
Priority date: 2020-05-15
Filing date: 2021-05-12
Publication date: 2023-02-23
Also published as: BR112022023120A2; WO2021231515A1; US11685690B2; US20230135210A1; AU2021271835A1; CA3182908A1; AU2021271835B2; CN115734953A

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Herstellung eines kostengünstigen, leichten Kohlenstoffzuschlags aus Kohle bei, über oder unter Atmosphärendruck und eine Leichtbetonzusammensetzung unter Verwendung des leichten Kohlenstoffzuschlags beschrieben.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
Die vorliegende Erfindung beansprucht die Priorität der vorläufigen US-Patentanmeldung Nr. 63/025.235 , die am 15. Mai 2020 eingereicht wurde und hierin durch Bezugnahme in vollem Umfang enthalten ist.
GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines leichten Glas- bzw. glasartigen Kohlenstoffaggregats bzw. - Zuschlagstoffs aus Kohle und eine aus dem Zuschlagstoff hergestellte Betonzusammensetzung. Das Verfahren kann bei atmosphärischem Druck, über atmosphärischem Druck oder unter atmosphärischem Druck durchgeführt werden.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Jährlich werden etwa 10 Milliarden Tonnen Beton hergestellt, das ist mehr als eine Tonne pro Person auf der Erde; es ist nach Wasser das am zweithäufigsten verwendete Material. Etwa 70 % des Betonvolumens bestehen aus Zuschlagstoffen, was bedeutet, dass jährlich mehrere Milliarden Tonnen an Zuschlagstoffen verbraucht werden.
Beton macht einen großen Teil der Infrastruktur der Vereinigten Staaten aus, die unter erheblicher Belastung steht. Es sind verbesserte Betonkonstruktionen erforderlich, die die Lebensdauer der Strukturen, die unsere Infrastruktur ausmachen, verlängern. Das Spektrum der Betonprodukte ist recht breit, und es gibt eine große Vielfalt von Konstruktionen. Ein effizientes und ausgereiftes Produkt ist struktureller Leichtbeton, ein Material, das leichte Zuschlagstoffe verwendet, um bestimmte Eigenschaften gegenüber schwereren, konventionellen Betonkonstruktionen zu verbessern. Beispiele hierfür sind bessere thermische Eigenschaften, bessere Brandschutzwerte, geringeres autogenes Schwinden, ausgezeichnete Frost- und Tauwetterbeständigkeit, verbesserte Kontaktzone zwischen Zuschlagstoff und Zementmatrix, weniger Mikrorisse infolge besserer elastischer Kompatibilität, höhere Sprengfestigkeit, bessere Stoß- und Schalldämpfung, geringere Rissbildung, verbesserte Rutschfestigkeit und einfachere Einbringung durch Pumpen von Beton. Beispiele für spezifische Anwendungen sind die Wärmedämmung von Dächern, Isolierung von Wasserleitungen, Bau von Trennwänden und Paneel-Wänden in Rahmenkonstruktionen, allgemeine Isolierung von Wänden und Oberflächenreinigung für Außenwände von kleinen Häusern.
Zuschlagstoffe, die wesentliche Bestandteile von Beton sind, können aus natürlichen Quellen mit minimaler Verarbeitung oder aus natürlich vorkommenden Materialien, die wärmebehandelt werden, gewonnen werden. Zuschlagstoffe können auch synthetisch sein. Zuschlagstoffe aus natürlichen Quellen wie Steinbrüchen, Gruben und Flussbetten bestehen in der Regel aus Gesteinsbruchstücken, Kies, Stein und Sand, die je nach Bedarf zerkleinert, gewaschen und kalibriert werden können. Zu den natürlichen Materialien, die für die Herstellung von Zuschlagstoffen verwendet werden können, gehören Ton, Tonstein und Schiefer, die Pyroverarbeitet werden, was zur Expansion des Materials führt, OPTIROC und LECA sind Beispiele für im Handel erhältliche Blähtonzuschlagstoffe. Synthetische Zuschlagstoffe können industrielle Nebenprodukte umfassen, bei denen es sich um Abfallstoffe handeln kann. LYTAG zum Beispiel ist ein handelsüblicher gesinterter Zuschlagstoff, der aus pulverisierter Brennstoffasche („PFA“), auch Flugasche genannt, besteht. PFA ist das partikelförmige Oxidmaterial, das bei der Verbrennung von Kohle beispielsweise in Kraftwerken übrigbleibt.
Zuschlagstoffe können leicht- oder normalgewichtig sein. Leichte Zuschlagstoffe („LWAs“) weisen eine Partikeldichte von weniger als 2,0 g/cm³ oder eine trockene lose Schüttdichte von weniger als 1,1 g/cm³, wie in der ASTM-Spezifikation C330 definiert. Normalgewichtige Zuschlagstoffe aus Kies, Sand und Schotter weisen im Allgemeinen ein spezifisches Schüttgewicht von etwa 2,4 bis 2,9 g/cm³ (sowohl ofentrocken als auch gesättigt-oberflächen trocken) und eine Schüttdichte von bis zu etwa 1,7 g/cm³ . Hochwertige LWAs weisen einen festen, aber wenig dichten und porösen Kern mit gleichmäßiger Strukturfestigkeit. LWAs können auch eine dichte, kontinuierliche, relativ undurchlässige Oberflächenschicht aufweisen, um die Wasseraufnahme zu verhindern. Sie sind physikalisch stabil, dauerhaft und umweltverträglich. LWAs können eine nahezu kugelförmige Form aufweisen, um die Rheologie und das Fließen des Frischbetons zu verbessern, oder eine eckigere Form, um eine bessere Festigkeit zu erzielen, nachdem der Beton richtig verdichtet wurde. Die Oberfläche der LWA sollte auch eine gute Haftung an der Betonpaste gewährleisten. Geeignete Größen für die Einarbeitung in Beton reichen je nach Anwendung von etwa 0,5 bis 25 mm oder 2,36 mm bis 9,5 mm für grobe Zuschlagstoffe gemäß ASTM-Spezifikation C330. Kleinere, feine Zuschlagstoffe, die als Nebenprodukt bei der Herstellung von LWA anfallen, können ebenfalls verwendet werden, um z. B. Sand in Beton zu ersetzen. Für die Verwendung in Beton sollten LWAs eine ausreichende Brechfestigkeit und Bruchfestigkeit aufweisen, so dass der resultierende Beton eine Festigkeit von mehr als 10 MPa und eine Trockendichte im Bereich von etwa 1,5 g/cm³ bis etwa 2,0 g/cm³ aufweist. Beton, der LWAs enthält („LWA-Beton“), kann auch eine Dichte von nur etwa 300 kg/m³ aufweisen.
LWA-Beton kann 20-30% leichter sein als herkömmlicher Beton, aber genauso fest. Selbst wenn er nicht so fest ist wie herkömmlicher Beton, kann der LWA-Beton geringere strukturelle Eigenlasten aufweisen, was die Verwendung längerer Spannweiten, schmalerer Querschnitte und geringerer Verstärkung in Bauwerken ermöglicht. Das geringere Gewicht des LWA-Betons erleichtert die Handhabung und reduziert die Kosten für Transport, Ausrüstung und Arbeitskräfte. LWA-Beton eignet sich beispielsweise besonders gut für Decken in Hochhäusern und für Betonbogenbrücken. LWA-Beton kann auch verbesserte Dämmeigenschaften, Frost-Tau-Verhalten, Feuerbeständigkeit und Schalldämmung aufweisen. LWAs können auch beim Bau anderer Bauwerke, im Straßenbau und als Bodenfüller verwendet werden.
Bergbau ist in den meisten Ländern die mengenmäßig größte Quelle für Zuschlagstoffe. Trotz der vielen Vorteile von LWAs wird die Gewinnung von Zuschlagstoffen beispielsweise durch Umwelt- und Rechtsfragen, Verfügbarkeit, Transport- und andere Kosten erschwert.
Eine wichtige zusätzliche Eigenschaft der leichten Zuschlagstoffen ist ihre Fähigkeit, Wasser zu binden. Dies ermöglicht die innere Aushärtung, ein Verfahren, bei dem die Hydratation des Zements im Inneren des Betons zu einem späteren Zeitpunkt unter Verwendung von Wasser fortgesetzt werden kann, das nicht Teil des ursprünglichen Mischwassers ist, wodurch letztlich ein größeres Ausmaß an Hydratation und verbesserte Eigenschaften erreicht werden. Das Ziel der inneren Aushärtung ist es, die Hydratation zu maximieren, im Wesentlichen sicherzustellen, dass so viel wie möglich der Reaktanten in Hydrate umgewandelt wird, und die Selbstaustrocknung zu minimieren, wenn niedrige Wasser-Zement-Verhältnisse verwendet werden, was wiederum die begleitenden Spannungen minimiert, die zu frühzeitiger Rissbildung führen können. Ein wichtiger Punkt bei der Anwendung der inneren Aushärtung ist, dass das Wasser in dem Zuschlagstoff nicht vorzeitig austreten und sich mit dem Mischwasser des Frischbetons verbinden darf, da sonst der Wasserzementwert des Produkts negativ beeinflusst wird.
Die in einem Betonentwurf verwendeten leichten Zuschlagstoffen müssen so entwickelt sein, dass sie 1) die Menge des inneren Aushärtungswassers, die nach der inneren Aushärtung in den Beton eingebracht wird, 2) die Position des Aushärtungswassers in der Matrix und 3) die richtige Größe der Zuschlagstoffe, um die Anforderungen an die Gesamtkorngröße des Mischungsentwurfs zu erfüllen, steuern. Die interne Aushärtung wurde in einer Vielzahl von Betonmischungen für unterschiedliche Anwendungen eingesetzt, darunter Brückendecken, Fahrbahnen, Transithöfe und Wassertanks; Hunderttausende von Kubikmetern wurden in den USA erfolgreich eingebaut.
Der Wassergehalt von leichten Zuschlagstoffe wie Bimsstein, Blähton oder Blähschiefer kann schwierig zu handhaben sein. Wasser benetzt das Material leicht und kann leicht in die Zuschlagstoff hinein- und aus ihr herausfließen. Daher müssen die Halden von Zuschlagstoffen ständig überwacht und mit Wasserberieselung gepflegt und regelmäßig mit großen Geräten gewendet werden. Schwankungen des Wassergehalts können sich auf das Wasser-Zement-Verhältnis der Betonmischung auswirken und damit die Eigenschaften negativ beeinflussen. Wasser, das nach dem Aushärten durch das Betongefüge dringt, neigt dazu, leicht durch alle offenen Poren in dem Zuschlagstoff zu fließen.
Da alle diese Materialien Kieselsäure enthalten, besteht die Gefahr einer Schädigung durch eine Alkali-Kieselsäure-Reaktion.
Bimsstein weist eine sehr geringe Dichte auf, kann aber sehr unregelmäßig geformt und sehr brüchig sein, und die Verteilung der Partikel kann sehr unterschiedlich sein. Er neigt dazu, sich während des Betonmischprozesses zu zersetzen, wodurch sich die Gesamtpartikelgrößenverteilung ändert.
Verfahren und Materialien nach dem Stand der Technik verwenden Flugasche (oder Kohleasche) zur Herstellung ihrer Zuschlagstoffe. Dabei handelt es sich in erster Linie um Oxide, die bei der Verbrennung von Kohle übrigbleiben (Mischung aus Ton, Quarz, Glas usw.). Manchmal wird ein Treibmittel verwendet, um die Dichte zu verringern und einen Zuschlagstoff auf Oxidbasis mit geringer Dichte zu erhalten.
KURZE ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Ein Verfahren zur Herstellung eines leichtgewichtigen Zuschlagstoffs kann den Schritten folgen von: Pulverisieren von Kohle zu einem feinen Kohlepulver; Mischen des feinen Kohlepulvers und wenigstens eines Additivs, um eine Kohlemischung zu bilden; Pelletieren der Kohlemischung unter Verwendung eines Bindemittels, um einen Kohlezuschlagstoff herzustellen, das feine Zuschlagstoffe und grobe Zuschlagstoffe umfasst; Aufschäumen des Kohlezuschlagstoffs durch Erhitzen auf eine Temperatur zwischen 250°C und 500°C unter einem Inertgas; und Pyroverarbeiten des Kohlezuschlagstoffs auf eine Temperatur zwischen 750°C und 1240°C unter einem Inertgas, um einen leichten glasartigen Zuschlagstoff mit einer Schüttdichte von weniger als 85 Pfund pro Kubikfuß zu bilden.
Eine Leichtbetonzusammensetzung aus Kohlenstoffzuschlagstoffen kann zwischen 15 und 50 Gew.-% zementhaltige Materialien, die mit Wasser reagieren, wie Portlandzement, zwischen 5 und 25 Gew.-% Wasser, einen leichten Kohlenstoffzuschlagstoff, der zwischen 10 und 30 Gew.-% feinen Zuschlagstoff und zwischen 15 und 35 Gew.-% groben Zuschlagstoff umfasst, und zwischen 0 und 0,4 Gew.-% hochgradigen Wasserreduzierer enthalten. Der Zement reagiert mit dem Wasser, um sich mit dem leichten Kohlenstoffzuschlag zu verbinden und einen Leichtbeton zu bilden.
Figurenliste

1 zeigt ein Foto einer pelletierten Kohlemischung aus feinen und groben Zuschlagstoffen;
2 ist ein Foto eines Querschnitts von Beton, der leichte Kohlenstoffzuschlagstoffe der vorliegenden Erfindung enthält;
3 ist ein Diagramm der Schüttdichte von abgerundeten einzelnen Kohlenstoffzuschlagstoffen im Vergleich zum Durchmesser der pelletierten Zuschlagstoffe;
4 ist eine Tabelle der Dichten für verschiedene mesh splits von pelletierten Kohlenstoffzuschlagstoffen;
5 ist eine Weibull-Analyse, die das Festigkeitsverhalten von Kohlenstoffzuschlagstoffen zeigt;
6 zeigt ausgewählte Eigenschaften einer Leichtbetonzusammensetzung unter Verwendung der vorliegenden Erfindung;
7 zeigt die typischen Eigenschaften von strukturellem und mittelfestem Leichtbeton.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Einige Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden in diesem Abschnitt detailliert beschrieben, so dass ein Fachmann die vorliegende Erfindung ohne unnötige Experimente anwenden kann. Es versteht sich jedoch von selbst, dass die Tatsache, dass eine begrenzte Anzahl von bevorzugten Ausführungsformen beschrieben wird, den Umfang der vorliegenden Erfindung, wie er in den Ansprüchen dargelegt ist, in keiner Weise einschränkt.
Es ist zu verstehen, dass immer dann, wenn hier ein Wertebereich beschrieben wird, d.h. ob in diesem Abschnitt oder in einem anderen Teil dieser Patentschrift, der Bereich die Endpunkte und jeden Punkt dazwischen einschließt, als ob jeder einzelne dieser Punkte ausdrücklich beschrieben worden wäre. Sofern nicht anders angegeben, sind die hier verwendeten Begriffe „ungefähr“ und „im Wesentlichen“ so auszulegen, dass sie die normalen Mess- und/oder Herstellungsbeschränkungen in Bezug auf den Wert oder Zustand, den das Wort „ungefähr“ oder „im Wesentlichen“ bezeichnet, meinen. Sofern nicht ausdrücklich anders angegeben, wird der Begriff „Ausführungsform“ hier verwendet, um eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zu bezeichnen.
Kohle kann zur Herstellung eines glasartigen Kohlenstoffzuschlagstoffs verwendet werden, wenn sie bei hohen Temperaturen und unter Ausschluss von Sauerstoff gebrannt wird. Bei diesem Verfahren wird die Kohle zunächst pulverisiert und dann mit Hilfe von Bindemitteln in einem Wirbelschicht- oder Trommel (oder Pfannen) Granulierungsverfahren pelletiert. Die Zuschlagstoffe werden dann unter Inertgas gebrannt; der Sauerstoff und der Wasserstoff in der Kohle entweichen während des Verfahrens, aber der Kohlenstoff bleibt zurück und vernetzt und verdichtet sich weiter. Gase, die während der thermischen Verarbeitung aus der Kohle austreten, wenn sich die Kohle in einem teilweise geschmolzenen Zustand befindet, können stabile Blasen in der Struktur erzeugen und einen Kohlenstoffschaum bilden. Wenn die Reaktionsgeschwindigkeit zusammen mit der Menge der sich bildenden flüssigen Phase und der Viskosität dieser Flüssigkeit gesteuert wird, entsteht ein poröser, relativ fester, glasartiger Kohlenstoffzuschlagstoff. So kann die Größe des Zuschlagstoffs durch den Formgebungsprozess und die Porosität des Zuschlagstoffs durch Variation des Typ der verwendeten Kohle und Verwalten der Reaktionsgeschwindigkeit und Flüssigkeitsbildung in dem Brennprozess kontrolliert werden. Dieses neuartige Produkt weist bestimmte Eigenschaften auf, die es von anderen herkömmlichen Zuschlagstoffe mit geringer Dichte unterscheiden: 1) Die Dichte von festem glasartigen Kohlenstoff kann nur 1,6 g/cm³ betragen. Das ist viel leichter als die Dichte der gebräuchlicheren Silikate und Alumosilikate, aus denen Blähton, Schiefer und Bimsstein bestehen, die eher bei 2,6 g/cm³ liegen, 2) der glasartige Kohlenstoff ist ziemlich fest und weist eine gute Bruchsicherheit auf, im Gegensatz zu einigen der schwächeren und unregelmäßig geformten Zuschlagstoffe wie Bimsstein, 3) jede Gefahr einer Alkali-Kieselsäure-Reaktion ist ausgeschlossen, da seine Zusammensetzung hauptsächlich aus Kohlenstoff besteht, 4) Auswahl der Zuschlagstoffgröße für ein bestimmtes Mischungsdesign könnte durch seinen Formungsprozess leicht erfolgen, sodass internes Nachbearbeitungswasser zu der gewünschten Stelle geliefert werden kann und sich durch die gesamte Beton-Mikrostruktur verteilt 5) glasartige Kohlenstoff ist relativ nicht-benetzbar für Wasser (Benetzungswinkel nahe 90°), während alle anderen konventionellen Leichten Zuschlagstoffe benetzend sind. Dies könnte mehrere Vorteile mit sich bringen: a) Sobald Wasser unter leichtem hydraulischem Druck in die Struktur gepresst wird, würde es nicht dazu neigen, vor der Verwendung auszuwaschen, d.h. Wasser würde dazu neigen, als unzusammenhängende Taschen innerhalb der Porenstruktur zu existieren. Bei konventionellen Zuschlagstoffen müssen die Halden mit leichten Zuschlagstoffen ständig bewässert und gewendet werden, da die Zuschlagstoffe an der Unterseite der Halde aufgrund des Wasserflusses und der Entwässerung mehr Wasser mit sich führt als die an der Oberseite; b) Die Durchlässigkeit von Leichtbeton hergestellt mit Kohlenstoff-Zuschlagstoffen wäre tendenziell geringer, da das Wasser im Gegensatz zu den meisten Zuschlagstoffe auf Aluminium Silikatbasis nicht durch die Zuschlagstoff fließen kann; c) Wasser für die innere Aushärtung würde tendenziell zu einem späteren Zeitpunkt aus dem Zuschlagstoff abwandern, was die Zementhydratation über einen längeren Zeitraum begünstigen würde; d) Chemikalien, die von dem in die Zuschlagstoff eingedrungenen Wasser mitgeführt werden, würden über einen längeren Zeitraum freigesetzt, so dass Reaktanten, die die Durchlässigkeit verringern könnten, wie z. B. viskositätserhöhende oder rissheilende Mittel, eine verbesserte Leistung aufweisen könnten; und e) das Trocknungsschwinden würde verringert, da die Menisken in feinen Poren dem Zuschlagstoff keine Spannungen auf die Matrix übertragen würden.
Die Zielgröße dem Zuschlagstoff kann von weniger als 0,5 mm bis zu einem Durchmesser von über 10 mm reichen. Ähnliche Funktionen wie die oben genannten können auch in Produkten auf Asphaltbasis, Stützmitteln, Füllstoffen für Kunststoffe und kohlenstoffhaltigen feuerfesten Materialien aus Magnesiumoxid, hergestellt zur Verbesserung der Beständigkeit gegen Schlackenangriffe und der Temperaturwechselbeständigkeit bei der Stahlverarbeitung erfüllt werden. Kohle, die in erster Linie ein Gemisch aus organischen Polymeren ist, kann mit den Verfahren der vorliegenden Erfindung bei Atmosphärendruck in leichte glasartige Kohlenstoffzuschlagstoffe umgewandelt werden. Das Verfahren kann bei atmosphärischem Druck, über atmosphärischem Druck oder unter atmosphärischem Druck durchgeführt werden.
Dichten können mit denen vieler anderer leichten Zuschlagstoffe vergleichbar sein, jedoch werden leichte Kohlenstoffzuschlagsgemische aus Kohle, die hier als Kohlemischung bezeichnet werden, neu gelehrt, wobei auf ihre Vorteile hingewiesen wird.
Das Ausgangsmaterial Kohle kann Bitumen, Anthrazit oder sogar Lignit oder Mischungen dieser Kohlen umfassen, die einen „freien Quellungsindex“ nach ASTM D720 zwischen etwa 3,5 und etwa 5,0 aufweisen, vorzugsweise aber bituminöse, agglomerierende Kohlen sind, die auf eine geeignete Teilchengröße zerkleinert wurden, vorzugsweise auf ein feines Pulver unter etwa -60 bis -80 Mesh. Gemäß weiteren sehr bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung weisen die Kohleausgangsstoffe der vorliegenden Erfindung außerdem alle oder zumindest einige der folgenden Merkmale auf: 1) einen Gehalt an flüchtigen Bestandteilen (trocken, aschefrei) zwischen etwa 35 % und etwa 45 % gemäß ASTM D3175, „Testverfahren für flüchtige Bestandteile bei der Analyse von Kohle und Koks“; 2) einen festen Kohlenstoffgehalt (trocken) zwischen etwa 50 % und etwa 60 % gemäß ASTM D3172, „ Verfahren zur Primäranalyse von Kohle und Koks“; 3) eine anfängliche Erweichungstemperatur nach Gieseler zwischen etwa 380°C und etwa 400°C gemäß ASTM D2639, Test-Verfahren für plastische Eigenschaften für Kohle durch das Constant-Torque Gieseler Plastometer“; 4) einen plastischen Temperaturbereich oberhalb von etwa 50°C, bestimmt nach ASTM D2639; 5) eine maximale Fließfähigkeit von wenigstens 300 ddpm (Skalenteilungen pro Minute) und vorzugsweise mehr als etwa 2000 ddpm, bestimmt nach ASTM D2639; 6) Ausdehnung von mehr als etwa 20% und vorzugsweise mehr als etwa 100%, bestimmt nach Arnu Dilatation; 7) Vitrinit-Reflexionsvermögen im Bereich von etwa 0,80 bis etwa 0,95, bestimmt nach ASTM D2798, „ Testverfahren zur mikroskopischen Bestimmung des Reflexionsvermögens von Vitrinit in polierten Kohleproben“; 8) weniger als etwa 30 % inertes Mazeral Material wie Semifusinit, Mikrinit, Fusinit und mineralische Stoffe, bestimmt nach ASTM D2798; und 9) keine signifikante Oxidation der Kohle (0,0 Vol.-% mäßige oder starke Oxidation), bestimmt nach ASTM D 2798 und nicht-Mazeral-Analyse. Der niedrige Erweichungspunkt (380-400°C) ist wichtig, damit das Material erweicht und plastisch wird, bevor Verflüchtigung und Verkokung auftreten. Der große plastische Arbeitsbereich ist wichtig, damit die Kohle plastisch fließen kann, während sie durch Verflüchtigung und Verkokung an Masse verliert. Das Vitrinit-Reflexionsvermögen, der Gehalt an festem Kohlenstoff und der Gehalt an flüchtigen Bestandteilen sind wichtig für die Einstufung dieser Kohleausgangsstoffe als „hochflüchtige“ bituminöse Kohlen, die optimale Ergebnisse im Verfahren der vorliegenden Erfindung liefern.
1 zeigt ein Foto einer pelletierten Kohlemischung 10 aus feinen Zuschlagstoffen 12 und groben Zuschlagstoffen 14. Die Größe der Zuschlagstoffe kann je nach den vorgegebenen Eigenschaften variieren. 2 ist ein Foto eines Querschnitts von Leichtbeton 16, der die erfindungsgemäßen leichten Kohlenstoff-Zuschlagstoffe enthält. Feiner Zuschlagstoff 12 und grober Zuschlagstoff 14 sind in dem Foto des Leichtbetons 16 angeordnet.
3 ist ein Diagramm der Schüttdichte von Kohlenstoff-Zuschlagstoffen in Abhängigkeit von dem Durchmesser der pelletierten Zuschlagstoffe. Wie in 3 zu sehen ist, kommt es bei einem Durchmesser der pelletierten Zuschlagstoff von weniger als 0,4 Zoll zu einem signifikanten Anstieg der Schüttdichte. 4 ist eine Tabelle der Dichten für verschiedene mesh splits der pelletierten Zuschlagstoff. 5 ist eine Weibull-Analyse, die das Festigkeitsverhalten von Kohlenstoffzuschlagstoffen (Pellets) in einem diametralen Druckversuch zeigt. Die Ergebnisse des Druckversuchs zeigen einen Wechsel des Versagensmodus bei etwa 24 Pfund Gewicht (in der Tabelle als lbs und im Diagramm als P angegeben), was einem In (P) von etwa 3,2 auf der horizontalen (X) Achse entspricht. Diese Daten können verwendet werden, um bestimmte Versagensarten dem Zuschlagstoff in den aus dem Zuschlagstoff hergestellten Betonmischungen zu vermeiden.
6 zeigt ausgewählte Eigenschaften einer Leichtbetonzusammensetzung unter Verwendung der vorliegenden Erfindung. 7 zeigt typische Eigenschaften für strukturellen und mittelfesten Leichtbeton.
Ein leichter Zuschlagstoff kann mit den folgenden Schritten hergestellt werden: Pulverisieren von Kohle zu einem feinen Kohlepulver; Mischen des feinen Kohlepulvers und wenigstens eines Additivs, um eine Kohlemischung zu bilden; Pelletieren der Kohlemischung unter Verwendung eines Bindemittels, um einen Kohlezuschlagstoff herzustellen, der feine Zuschlagstoffe und grobe Zuschlagstoffe umfasst; Aufschäumen des Kohlezuschlagstoffs durch Erhitzen auf eine Temperatur zwischen 250°C und 500°C unter einem Inertgas, wie z.B. Stickstoff, bei atmosphärischem Druck; und Pyroverarbeiten des Kohlezuschlagstoffs auf eine Temperatur zwischen 750°C und 1240°C unter einem Inertgas, wie z.B. Stickstoff, bei atmosphärischem Druck, um einen leichten glasartigen Zuschlagstoff mit einer Schüttdichte von weniger als 85 Pfund pro Kubikfuß zu bilden. Die Kohlemischung kann bituminöse, subbituminöse, Anthrazit-, Lignit- Kohle und Kombinationen davon enthalten. Der Kohlezuschlagstoff kann in einem Granulator oder einer Wirbelschicht ausgebildet werden. Jeder der Verfahrensschritte kann bei atmosphärischem Druck, über atmosphärischem Druck oder unter atmosphärischem Druck durchgeführt werden.
Der Schritt des Aufschäumens kann ferner die Zugabe eines partikelförmigen Porenstabilisators zu dem Kohlezuschlagstoff umfassen, wobei der partikelförmige Porenstabilisator Ruß, feine Oxide von Aluminiumoxid, Siliziumdioxid, Borsäure, Titandioxid, Aluminiumsilikatton, Kyanit, feine nicht-oxidische Pulver von Siliziumkarbid, Metallpulver und Mischungen davon sein kann. In einem zusätzlichen Schritt kann der Kohlezuschlagstoff gesintert werden, um einen gesinterten leichten Kohlenstoffzuschlagstoff zu bilden. Außerdem kann ein zusätzlicher Schritt der Pyroverarbeitung des Kohlezuschlagstoffs durchgeführt werden, um eine Verflüchtigung und einen Einschluss der verflüchtigten Gase in einer geschmolzenen flüssigen Phase bei Atmosphärendruck zu bewirken. Bei dem wenigstens einen Additiv kann es sich um wenigstens ein polymeres Additiv handeln.
Der Mischschritt kann ferner die Zugabe des wenigstens einen Additivs einstellen, um die Menge der in der Kohlemischung zu einem bestimmten Zeitpunkt gebildeten Flüssigkeit, die Viskosität der in der Kohlemischung gebildeten Flüssigkeit, die Geschwindigkeit, mit der der wenigstens eine Additiv reagiert, und die Vernetzung der Kohlemischung zu einem Feststoff zu beeinflussen.
Das nicht-benetzende Verhalten des Kohlenstoffzuschlagstoffs kann die Freisetzung von Wasser aus dem Zuschlagstoff während des Betonmischens hemmen, was wiederum die Freisetzung von Wasser an den nicht umgesetzten Zement in der Betonmatrix über einen längeren Zeitraum ermöglicht, wodurch die innere Aushärtung ermöglicht wird.
Der leichte Kohlenstoffzuschlagstoff kann zunächst mit Wasser versetzt werden, um die innere Aushärtung des Betons zu späten Hydratationszeiten zu verbessern, ohne den Wassergehalt der Mischung in frühen Stadien wesentlich zu beeinflussen. Das wenigstens eine Additiv kann Wasser sein, das in den Zuschlagstoff eingegossen wird, und außerdem Reaktanten zur Veränderung der zementartigen Hydratationsprodukte, Schwindrissinhibitoren, Viskositätsverbesserer, Rissheilungsmittel, Karbonatisierungsmittel und Mischungen davon enthalten.
Eine Betonzusammensetzung, die nach den hierin gelehrten Verfahren hergestellt wird, kann das Mischen des leichten Kohlenstoffzuschlagstoffs mit Wasser umfassen, und angesichts der nicht benetzenden Eigenschaften des glasartigen Kohlenstoffs kann die Freisetzung des Wassers während des Betonmischschritts verhindert werden. Das Wasser innerhalb des Kohlenstoffzuschlagstoffs wird dann langsam über einen viel längeren Zeitraum freigesetzt, wodurch eine innere Aushärtung erreicht wird. Bei einer anderen Betonzusammensetzung wird der leichte Zuschlagstoff zunächst mit Wasser und anderen Additiven gefüllt, die über einen viel längeren Zeitraum freigesetzt werden können, um die Eigenschaften des Betons zu verbessern, z. B. Reaktanten, die die zementartigen Hydratationsprodukte verändern können, um die Durchlässigkeit oder Festigkeit zu verbessern, Hemmstoffe gegen Schwindrisse, Viskositätsverbesserer zur Verringerung der Durchlässigkeit, Rissheilungsmittel, Karbonatisierungsmittel oder Ähnliches.
Ein Beispiel für eine leichte Kohlenstoffzuschlagstoff-Betonzusammensetzung kann zwischen 15 und 50 Gew.-% zementhaltige Materialien wie Portlandzement, zwischen 5 und 25 Gew.-% Wasser, einen leichten Kohlenstoffzuschlagstoff, der zwischen 10 und 30 Gew.-% feinen Zuschlagstoff und zwischen 15 und 35 Gew.-% groben Zuschlagstoff umfasst, und zwischen 0 und 0,4 Gew.-% hochgradigen Wasserreduzierer umfassen. Der Zement reagiert mit dem Wasser, um sich mit dem leichten Kohlenstoffzuschlag zu verbinden und einen Leichtbeton zu bilden.
Der leichte Kohlenstoffzuschlagstoff kann aus einem Gemisch aus Bitumen, Anthrazit, Lignit und Kombinationen dieser Kohlearten bestehen. Die Betonzusammensetzung kann einen feinen Zuschlagstoff mit einer Maschenweite von weniger als 8 umfassen. Der feine Zuschlagstoff kann eine Schüttdichte zwischen 35-45 Pfund pro Kubikfuß und eine Schüttdichte zwischen 75-85 Pfund pro Kubikfuß aufweisen. Der grobe Zuschlagstoff kann einen Durchmesser von 0,25 bis 1 Zoll aufweisen und eine Schüttdichte von 25 bis 35 Pfund pro Kubikfuß und eine Schüttdichte von 55 bis 65 Pfund pro Kubikfuß aufweisen.
Die Betonzusammensetzung kann eine Druckfestigkeit von wenigstens 1000 psi nach 28 Tagen und eine Zugfestigkeit von wenigstens 100 psi bei einer durchschnittlichen Dichte von 85-115 Pfund pro Kubikfuß aufweisen. Die Betonzusammensetzung kann außerdem Flugasche, hohle Flugasche, gemahlene granulierte Hochofenschlacke, Metakaolin, Siliziumoxidstaub, andere mineralische Additive und Kombinationen davon enthalten. Der Zement im Beton kann mit Wasser reagieren, um den Beton abzubinden und zu härten, um einen Gehweg, eine architektonische Struktur, ein Fundament, eine Autobahn/Straße, eine Überführung, eine Parkstruktur, einen Ziegelstein, einen Block, eine Mauer, ein Fundament für ein Tor, einen Zaun und einen Pfosten, eine Brücke, ein Fundament, einen Deich, einen Damm, eine Verblendung aus Kunststein und Kombinationen davon zu bilden.
Der leichte Kohlenstoffzuschlagstoff kann auch eine nicht benetzende Eigenschaft aufweisen, die die Permeabilität und das Trocknungsschwinden des leichten Kohlenstoffzuschlagstoffbetons verringert. Die Betonzusammensetzung kann außerdem Graphit enthalten, der die elektrische Leitfähigkeit und die Wärmeleitfähigkeit des leichten Kohlenstoffzuschlagstoffs erhöht. Die elektrische Leitfähigkeit von leichten Kohlenstoff-Zuschlagstoffen aus Kohle kann über mehrere Größenordnungen variiert werden, indem man sie bei unterschiedlichen Temperaturen verarbeitet oder Graphit in den Zuschlagstoff einarbeitet oder dessen Bildung induziert. Außerdem passivieren Kohlenstoff-Zuschlagstoffe nicht und bilden keine Oxidschicht mit geringer Leitfähigkeit in der Zementmatrix wie Metalle. Dies kann die Leistungsmerkmale von Beton verbessern, wie z. B. Erdung, Blitzschutz, Beseitigung statischer Elektrizität, Erwärmung der Umgebung und Abschirmung von Hochfrequenzstörungen.
Die Wärmeleitfähigkeit von leichten Kohlenstoff-Zuschlagstoffen aus Kohle kann um mehrere Größenordnungen (0,2 W/m-K bis 20 W/m-K) erhöht werden, indem Graphit in die Zuschlagstoffe eingearbeitet oder deren Bildung induziert wird. Diese Eigenschaft könnte sich positiv auf die Leistungsfähigkeit des Betons auswirken, indem die thermischen Spannungen, die sich aufgrund von Temperaturgradienten im Beton bilden können, begrenzt werden, oder indem die Enteisung durch die Fähigkeit, Wärme schneller an die Betonoberfläche zu transportieren, beschleunigt wird.
Der Zement in der Betonzusammensetzung kann mit Wasser reagieren, um den Beton zu verfestigen und zu härten, so dass ein Pflaster, eine architektonische Struktur, ein Fundament, eine Autobahn/Straße, eine Überführung, ein Parkhaus, ein Ziegelstein, ein Block, eine Mauer, ein Fundament für ein Tor, einen Zaun und einen Pfosten, eine Brücke, ein Fundament, ein Deich, ein Damm, eine Verblendung aus Kunststein oder Kombinationen davon entstehen. Die Durchlässigkeit und das Trockenschwinden des Betons können durch die nicht benetzende Eigenschaft des glasartigen Kohlenstoffzuschlagstoffs verringert werden.
Die vorstehenden Erklärungen, Beschreibungen, Abbildungen, Beispiele und Erörterungen wurden dargelegt, um dem Leser das Verständnis dieser Erfindung zu erleichtern und ihren Nutzen und ihre Neuartigkeit zu demonstrieren, und schränken den Umfang der Erfindung in keiner Weise ein. Es sind die folgenden Ansprüche, einschließlich aller Äquivalente, die den Umfang der Erfindung definieren sollen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 63025235 [0001]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines leichten Kohlenstoff-Zuschlagstoffs, umfassend: Pulverisieren von Kohle zu einem feinen Kohlepulver; Mischen des feinen Kohlepulvers und wenigstens eines Additivs, um eine Kohlemischung zu bilden; Pelletieren der Kohlemischung unter Verwendung eines Bindemittels, um einen Kohlezuschlagstoff herzustellen, der feine Zuschlagstoffe und grobe Zuschlagstoffe umfasst; Aufschäumen des Kohlezuschlagstoffs durch Erhitzen auf eine Temperatur zwischen 250°C und 500°C unter einem Inertgas; und Pyroverarbeiten des Kohlezuschlagstoffs auf einer Temperatur zwischen 750°C und 1240°C unter einem Inertgas, um einen leichten glasartigen Zuschlagstoff zu bilden, der eine Schüttdichte von weniger als 85 Pfund pro Kubikfuß aufweist.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei der Schritt des Aufschäumens und der Schritt des Pyroverarbeitens bei Atmosphärendruck durchgeführt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei die Kohlemischung bituminös, subbituminös, Anthrazit, Lignit und Kombinationen davon umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei der Kohlezuschlagstoff in einem Granulator oder einer Wirbelschicht ausgebildet ist.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei der Schritt des Aufschäumens ferner Zugabe eines partikelförmigen Porenstabilisators zu dem Kohlezuschlagstoff umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 5, wobei der partikelförmige Porenstabilisator Ruß, feine Oxide von Aluminium, Siliziumoxid, Borsäure, Titandioxid, Aluminiumsilikat-Ton, Kyanit, feine Nichtoxid-Pulver von Siliziumcarbid, Metallpulver und Mischungen davon umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 1, ferner umfassend; Sintern des Kohlezuschlagstoffs, um einen gesinterten leichten Kohlenstoffzuschlagstoff zu bilden.
Verfahren gemäß Anspruch 1, ferner umfassend: Pyroverarbeiten des Kohlezuschlagstoffs, um eine Verflüchtigung und einen Einschluss der verflüchtigten Gase in einer geschmolzenen Flüssigphase bei Atmosphärendruck zu bewirken.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei das wenigstens eine Additiv wenigstens ein polymeres Additiv umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei der Schritt des Mischens ferner umfasst: Einstellen der Zugabe des wenigstens einen Additivs, um wenigstens eine von der Menge der Flüssigkeit, gebildet in der Kohlemischung zu einem bestimmten Zeitpunkt, die Viskosität der Flüssigkeit, gebildet in der Kohlemischung, die Geschwindigkeit zu beeinflussen, mit der das wenigstens eine Additiv reagiert, und Vernetzung in der Kohlemischung, um einen Feststoff zu bilden.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei der Schritt des Mischens ferner umfasst, Inhibieren der Freisetzung von Wasser in dem leichten Zuschlagstoff-Beton über einen längeren Zeitraum, wobei die innere Aushärtung ermöglicht wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei der leichte Kohlenstoff-Zuschlagstoff zunächst mit Wasser eingegossen wird, um die innere Aushärtung des Betons zu späten Hydratationszeiten zu verbessern, ohne den Wassergehalt der Mischung in frühen Stadien wesentlich zu beeinflussen.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei das wenigstens eine Additiv Wasser umfasst, das in den Zuschlagstoff eingegossen ist, und ferner Reaktanten umfasst, um die zementartigen Hydratationsprodukte, Schwindrissinhibitoren, Viskositätsverbesserer, Rissheilungsmittel, Karbonatisierungsmittel und Mischungen davon zu ändern.
Leichte Kohlenstoffzuschlagstoff-Betonzusammensetzung, umfassend; zwischen 15 - 50 Gew.-% zementhaltige Stoffe, wie Portlandzement, zwischen 5 - 25 Gew.-% Wasser, einen leichten Kohlenstoffzuschlagstoff, der zwischen 10 und 30 Gew.-% feinen Zuschlagstoff und zwischen 15 und 35 Gew.-% groben Zuschlagstoff, zwischen 0 - 0,4 Gew.-% hochgradigen Wasserverdünner umfasst, und wobei der Zement mit dem Wasser reagiert, um sich mit dem leichten Kohlenstoffzuschlagstoff zu verbinden und einen Leichtbeton zu bilden.
Betonzusammensetzung gemäß Anspruch 14, wobei der leichte Kohlenstoffzuschlagstoff aus einer Mischung gebildet wird, die Bitumen, Anthrazit, Lignit und Kombinationen davon umfasst.
Betonzusammensetzung gemäß Anspruch 14, wobei der feine Zuschlagstoff weniger als 8 Mesh groß ist.
Betonzusammensetzung gemäß Anspruch 14, wobei der feine Zuschlagstoff eine Schüttdichte zwischen 35-45 Pfund pro Kubikfuß und eine Schüttdichte zwischen 75-85 Pfund pro Kubikfuß aufweist.
Betonzusammensetzung gemäß Anspruch 14, wobei der grobe Zuschlagstoff einen Durchmesser von 0,25 bis 1 Zoll aufweist.
Betonzusammensetzung gemäß Anspruch 14, wobei der Zuschlagstoff eine Schüttdichte zwischen 25-35 Pfund pro Kubikfuß und eine Schüttdichte zwischen 55-65 Pfund pro Kubikfuß aufweist.
Betonzusammensetzung gemäß Anspruch 14, wobei der leichte Kohlenstoffzuschlagstoff-Beton nach 28 Tagen eine Druckfestigkeit von wenigstens 1000 psi aufweist.
Betonzusammensetzung gemäß Anspruch 14, wobei der leichte Kohlenstoffzuschlagstoff-Beton eine Zugfestigkeit von wenigstens 100 psi aufweist.
Betonzusammensetzung gemäß Anspruch 14, wobei der leichte Kohlenstoffzuschlagstoff-Beton eine durchschnittliche Dichte zwischen 85 und 115 Pfund pro Kubikfuß aufweist.
Betonzusammensetzung gemäß Anspruch 14, wobei die Zusammensetzung ferner Flugasche, hohle Flugasche, gemahlene granulierte Hochofenschlacke, Metakaolin, Siliziumoxid-Staub, andere mineralische Additive und Kombinationen davon umfasst.
Betonzusammensetzung gemäß Anspruch 14, wobei der Zement in dem Beton mit Wasser reagiert, um den Beton zu verfestigen und zu härten, um einen Gehweg, eine architektonische Struktur, ein Fundament, eine Autobahn/Straße, eine Überführung, eine Parkstruktur, einen Ziegelstein, einen Block, eine Wand, eine Basis für ein Tor, einen Zaun und einen Pfosten, eine Brücke, ein Fundament, einen Deich, einen Damm, ein Kunststeinfurnier und Kombinationen davon zu bilden.
Betonzusammensetzung gemäß Anspruch 14, wobei der leichte Kohlenstoffzuschlagstoff eine nicht benetzende Eigenschaft aufweist, die konfiguriert ist, um die Permeabilität des leichten Kohlenstoffzuschlagstoff-Betons zu verringern.
Betonzusammensetzung gemäß Anspruch 14, wobei der leichte Kohlenstoffzuschlagstoff eine nicht benetzende Eigenschaft aufweist, die konfiguriert ist, um das Trocknungsschwinden des leichten Kohlenstoffzuschlagstoff-Betons zu verringern.
Betonzusammensetzung gemäß Anspruch 14, ferner umfassend Graphit, der konfiguriert ist, um die elektrische Leitfähigkeit des leichten Kohlenstoffzuschlagstoffs zu erhöhen.
Betonzusammensetzung gemäß Anspruch 14, ferner umfassend Graphit, der konfiguriert ist, um die Wärmeleitfähigkeit des leichten Kohlenstoffzuschlagstoffs zu erhöhen.