-
Schlackenzement Die vorliegende Erfindung betrifft Schlackenzemente
auf der Grundlage von Hochofenschlacken oder anderen Massen analoger Zusammensetzungen
und analoger Eigenschaften.
-
Zur Herstellung von Zementen wird bekanntlich feingemahlene Schlacke
mit Zusatzstoffen vermischt, die zur Bemessung und zur Lenkung ihrer Aushärtung
dienen, sowie mit anderen technisch oder wirtschaftlich nützlichen Stoffen.
-
Zementgemische mit Hochofenschlacke sind oft beschrieben, aber die
vorgeschlagenen Zusatzstoffe wurden oft rein durch wirtschaftliche Betrachtungen
und ohne genaue wissenschaftliche Untersuchung bestimmt, und ihre Dosierung wurde
auf gut Glück hin gewählt. Die Zemente auf Schlackengrundlage haben daher viel schlechtere
technische Eigenschaften als diejenigen, die man durch Anwendung von genau festgelegten
Regeln, wie sie Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind, erhalten konnte.
-
Es ist bekannt, zum üblichen Portlandzement verschiedene Stoffe zuzusetzen,
um die hydraulischen Reaktionen zu beschleunigen oder auch zu verzögern; aber diese
Stoffe spielen nicht die gleiche Rolle wie gemahlene Hochofenschlacke, wie sie als
Zement verwendet wird, und deren Verwendung ist daher nicht genau festgelegt.
-
Gemäß der vorliegenden Erfindung werden der gemahlenen Hochofenschlacke
ganz bestimmte Mengen, nämlich mindestens 1 Gewichtsprozent Kalk, als wasserfreier
Kalk berechnet, und einer der Kalkmenge annähernd äquivalenten Menge an Alkalisalzen
zugefügt. Der Überschuß an gebranntem Kalk über die zur Umsetzung mit den Alkalisalzen
erforderlichen Menge kann maximal 30% betragen. Außerdem enthalten die Massen eine
oder mehrere Fluorverbindungen, insbesondere Alkalifluoride, Fluorsilicate oder
Fluoraluminate, wobei ihre Menge so berechnet wird, daß höchstens 1% vorhanden ist.
Als Alkalisalze kommen hauptsächlich Carbonate, Silicate oder Chloride in Betracht.
Dabei liegen die genannten Bestandteile in feingemahlenem Zustand vor.
-
Es ist wohl bekannt, bei der Zementherstellung von basischen Hochofenschlacken
auszugehen und einen Pufferstoff zuzusetzen, wodurch der pH-Wert auf den Bereich
von 8,5 bis 10,5 begrenzt wird. Durch den erfindungsgemäß zugesetzten Kalk in Form
von gebranntem Kalk oder abgelöschtem gebranntem Kalk und gleichzeitigem Zusatz
von Alkaliverbindungen wird immer ein wesentlich höherer pH-Wert erzielt, der durch
einen Umsatz der Alkalisalze mit dem gebrannten Kalk durch die hierbei entstehenden
Atzalkalien bedingt wird. Schon bei einer gesättigten Lösung von Calciumhydroxyd
liegt der pH-Wert bei 11,6, also höher als beim älteren Verfahren angegeben wurde.
Dieser hohe pH-Wert ist von technischer Bedeutung, weil hierdurch die Festigkeit
der erhaltenen Zemente erhöht wird.
-
Die Mengen des primären Gemisches sind so abgestimmt, daß der Kalk
stöchiometrisch den Basen der Salze äquivalent ist.
-
Die bei der Umsetzung des Kalkes mit den Alkalisalzen gebildeten Kalksalze
können sich mit anderen Bestandteilen der Schlacke, insbesondere mit Kalkaluminaten,
verbinden.
-
Mit den Zementgemischen gemäß der Erfindung wird beim Anmachen fortschreitend
ein für Schlacke reaktionsfähigeres elektrolytisches Milieu erzeugt, d. h. ein leitfähigeres
und alkalischeres als dasjenige, das erhalten werden würde, wenn man den ganzen
Kalk allein mit der gleichen Schlacke vermischte. Diese Regeln zur Berechnung der
Einzelbestandteile sind ein wesentliches Kennzeichen der Erfindung.
-
Diese Reaktionen verlaufen mehr oder minder schnell in Abhängigkeit
von der Natur der Alkalisalze und der eigenen Reaktionsfähigkeit der Schlacke, und
es ist leicht, bei richtiger Auswahl der
Salze und ihrer Mengen
den Ablauf der hydraulischen Reaktionen zu lenken, um den Schlackenzement dem Anwendungszweck,
für den er bestimmt ist, anzupassen.
-
Da Kalk wenig löslich und mehr oder weniger fein gemahlen ist, kann
er nicht vollständig in Reaktion treten, und es ist notwendig, dem Gemisch einen
gewissen Kalküberschuß zuzusetzen, damit eine vollständige Verwertung der Alkalisalze
erzielt wird. Dieser Überschuß soll für einen Kalk mittlerer Mahlfeinheit 30% nicht
überschreiten.
-
Durch das sich hieraus ergebende Verhältnis von Kalk zu Schlacke im
Schlackenzement wird eine Schlacke mit mittlerem hydraulischem Wert erhalten, deren
hydraulische Abbindung etwa dem Portlandzement entspricht, bezogen auf normalisierten
Mörtel und unter den Bedingungen einer normalisierten Haltbarmachung. Es sind dann
die Eigenschaften des reinen Schlackenzementes bei niedrigen Temperaturen weit besser
als diejenigen von künstlichem Portlandzement.
-
Die löslichen Stoffe, die den Reaktionsrückstand bilden, stören nicht.
Ein Teil dieser Stoffe bindet sich an die Hochofenschlacke, ein anderer bleibt löslich
und wird nach und nach ausgewaschen.
-
Der zu verwendende Kalk ist im Prinzip wasserfreier, reiner, gebrannter
und gemahlener Kalk, d. h. technisch gebrannter Fettkalk, wie er aus reinem, gut
gebranntem und nicht abgelöschtem Kalkstein entsteht, wobei ein Brennen bei niedriger
Temperatur, die ausreicht, daß das Produkt sich im Augenblick des Vermischens mit
Wasser langsam ablöscht, bevorzugt wird.
-
Ein Teil des Kalkes kann gelöschter Kalk sein, aber der Bruchteil
an freiem, d. h. wasserfreiem bzw. ungelöschtem Kalk soll nicht unter 1% des Schlackengewichtes
liegen. Wenn man dem reinen Schlackenzement andere Zusatzstoffe zusetzt, die Kalk,
wie Zemente oder hydraulischen Kalk, enthalten, kann ein Teil des Kalkes durch den
freien Kalk dieser Stoffe ersetzt werden, aber man muß zur Ermittlung der erforderlichen
Alkalisalzmenge wissen, ob dieser freie Kalk wasserfrei oder hydratisiert vorliegt.
Der Fettkalk kann aus wirtschaftlichen Gründen auch durch Magerkalk ersetzt sein.
-
Im üblichen Fall von Schlacken, die 45 bis 510/0 Kalk, bezogen auf
die Gesamtsumme von Kalk, Kieselsäure und Tonerde, enthalten, soll der freie Kalk,
berechnet als wasserfreier Kalk, nicht unter l0/0 des Schlackengewichtes betragen,
und es ist für übliche Verwendungszwecke nicht wünschenswert, daß dieser Anteil
8 % überschreitet. Diese Verhältnismengen können je nach Kalkgehalt der Schlacke
verändert werden.
-
Zu den Alkalisalzen sei noch bemerkt: Die Alkalicarbonate geben eine
schnelle Anfangsreaktion, die sich dann verlangsamt, da die Produkte der Kaustifizierung
die Löslichkeit der Kalkkörner herabsetzen. Es ist zweckmäßig, in den Ansätzen mehrere
Carbonate vorzusehen, soweit wirtschaftliche Überlegungen nicht entgegen stehen.
Zum Beispiel nimmt man zweckmäßig 1 Teil Kaliumcarbonat auf etwa 10 Teile Natriumcarbonat.
Dieses Verhältnis bezieht sich sinngemäß auch auf andere Alkalisalze.
-
Die Alkalisilicate und Alkalichloride wirken langsamer als die Carbonate,
stabilisieren aber die Aluminate der Schlacke. Die Alkalisulfate sind zu vermehren,
bis auf sehr kleine Dosen, die 0,5% nicht überschreiten, um bei gewissen Schlacken
die Plastizität zu erhöhen.
-
Die weiteren sekundären Zusatzstoffe können die mit den primären Zusatzstoffen
(Kalk und Alkalisalze) erhaltenen Reaktionen lenken. Die wichtigsten Stoffe sind
die folgenden.
-
Das Calciumsulfat ist nur geeignet, wenn die Schlackenzemente ausschließlich
für Arbeiten in sehr nassem und wasserhaltigem Milieu und in Gegenwart von Sulfationen
bestimmt sind. Sonst ist es zu vermeiden.
-
Bei kleinen Dosen unter l.0lo Element Fluor, bezogen auf das Gewicht
des Schlackenzementes, und häufig bei weit geringeren Dosen ermöglichen Fluorverbindungen
die technischen Eigenschaften von Hochofenschlackenzementen und damit auch von Mörteln,
angemachten Mörteln, Beton, Spritzflüssigkeiten und verschiedenen Erzeugnissen zu
regeln.
-
Die Menge der Fluor enthaltenden Zusatzstoffe nach der Erfindung hängt
zunächst von der Art der Fluorverbindungen ab, denn dieses Element kann nur dann
einen günstigen Effekt hervorrufen, wenn es sich im Reaktionsnmilieu nach dem Anmachen
in Lösung befindet.
-
Man braucht keine reinen oder gereinigten Fluorverbindungen zu verwenden,
sondern man kann Mineralien verwenden, die mehr oder weniger Fluor enthalten, oder
Herstellungsrückstände, z. B. Rückstände der Superphosphatherstellung. Doch dürfen
die anderen Bestandteile dieser Verbindungen keine schädliche Wirkung auf die Eigenschaften
des Zementes ausüben. Geeignet sind die Fluoride der Alkali-, Erdalkali- und Erdmetalle,
Kryolith, Fluorsilicate und andere Fluorkomplexe.
-
Die Fluorverbindungen haben eine dreifache Wirkung.
-
Sie erhöhen die Fließbarkeit des Breies aus Zement und Wasser und
somit auch diejenige des Betons und vermindern die Abtrennung des Bindemittels.
Man kann also die notwendige Wassermenge vermindern, was für die Festigkeit nach
dem Aushärten günstig ist.
-
Andererseits erlauben sie bei entsprechender Dosierung und in Verbindung
mit der Dosierung der anderen Zusatzstoffe, die technischen Eigenschaften des Abbindens
nach Belieben zu regeln, d. h. das Abbinden und Aushärten nach Belieben zu verlangsamen
oder zu beschleunigen, und z. B. die Abbindedauer auf einen im voraus bestimmten
Wert einzustellen.
-
Es ist im allgemeinen vorteilhaft, zunächst die Alkalität so einzuregeln,
daß man ein viel zu schnelles Abbinden und Aushärten erhält, und dann nach dem Wert
der zu verwendenden Zementmasse die Dauer des Abbindens mit Hilfe von geregelten
Zusatzmengen von fluorierten Stoffen einzustellen. Man erhält so die beste mechanische
Festigkeit des Zementes nach dem Aushärten. Da geringe Variationen der Dosierung
des Fluors genügen, ist es leicht, die Regelung des Abbindens zu erzielen. Ebenso
gestatten es diese Stoffe, die Schwankungen der Eigenschaften des Abbindens zu steuern,
die aus den Schwankungen der Mahlfeinheit des Zementes herrühren.
-
Schließlich vermehren im allgemeinen die Zusätze von Fluorverbindungen
die mechanische Widerstandsfähigkeit des Zementes nach dem Aushärten
sowie
die Beständigkeit gegen verschiedene natürliche Mittel der Zerstörung. Anscheinend
erhöhen diese Stoffe die Reaktionsfähigkeit des Schlackenzementes. Die Zemente können
daher weniger fein gemahlen sein, was wirtschaftlich vorteilhaft ist.
-
Auch gewisse organische Verbindungen wirken regelnd, insbesondere
im Anfang der Reaktionen und insbesondere auch organische Basen und ihre Derivate,
löslich gemachte Derivate von Fettsäuren, Sulfonierungsderivate von Kohlenwasserstoffen,
sowie Cellulose, Lignin, Harze und ihre Derivate, in Mengen, die 111/o des Schlackengewichtes
nicht übersteigen.
-
Die reinen Schlackenzemente können durch Vermischung, sei es mit anderen
mit ihnen verträglichen hydraulischen Bindemitteln, deren freier Kalk dann bei den
Zusatzstoffen mit in Rechnung gesetzt wird, sei es mit diversen Stoffen, zusammengesetzte
Schlackenzemente bilden. In der ersten Kategorie findet man in vorzugsweise fallender
Reihenfolge hydraulische Kalke, natürliche Zemente, Schlackenzemente von verträglicher
Zusammensetzung, künstliche Portlandzemente und Gips. Man sieht, daß die Bindemittel,
die in Mischung mit reinem Schlackenzement die besten Resultate ergeben, genau die
billigsten sind, was ermöglicht, sie wieder wertvoll zu machen.
-
In der zweiten Kategorie findet man die Puzzolane, Hüttenaschen, Kieselsäure
und pulverisierte kristalline Gesteine, kieselsäurehaltige Staubmassen der Zerkleinerung,
Kalksteinstaub, Schlacken, die als Primärstoff unbrauchbar oder weniger fein gepulvert
sind, geschmolzene oder inerte Silicate, wie Dicalciumsilicat, selbstzerfallende
Schlacken, Oxyde und Silicate von Eisen und Titan, Asbestarten, Glimmer zersetzte
kristalline Gesteine, Fasern aus Kieselsäure oder Schlacken, Bleicherden und Bentonite
in ihren verschiedenen Zuständen, Gips, Gipssande, natürliche Tonerden und Laterite,
Rotschlamm, Holzabfälle und Holzfasern und diverse Pflanzen, Braunkohle und Torfabfälle,
Luft und Gase, die eingeblasen sind oder in der Masse durch beliebige Mittel erzeugt
wurden.
-
Salinenwässer, vorzugsweise nichtmagnesiahaltige, und Seewasser können
beim Anmachen dieser reinen oder zusammengesetzten Schlackenzemente verwendet werden,
mit der Maßgabe, daß man in den Ansätzen die Salze, die sich bereits in diesen Wässern
oder ihren Äquivalenten befinden, quantitativ im Hinblick auf die Reaktionen herabsetzt.
-
Es folgen als Beispiele Zusammensetzungen, die technisch zur Herstellung
von reinen Schlackenzementen angewendet wurden:
| I. Feingemahlene Schlacke |
| Menge auf 100 Teile |
| Gebrannter Fettkalk .............. 411/o |
| Natriumcarbonat ................. 2,2511/o |
| Kaliumcarbonat .................. 0,2511/o |
| Natriumchlorid ................... 2,9311/o |
| Kaliumchlorid ................... 0,32% |
| Natriumfluorsilicat ................ 0,2% |
| Pyridin .......................... 0,00211/o |
| Alkylsulfonate ................... 0,00511/o |
| II. Schlacke |
| Menge auf 100 Teile |
| Gebrannter Fettkalk .............. 2 °/o |
| Hydraulischer Kalk, gebeutelt 10/30 911/o |
| Natriumcarbonat ................. 2,25% |
| Kaliumcarbonat .................. 0,251/o |
| Natriumchlorid ................... 2,9311/o |
| Kaliumchlorid ................... 0,32% |
| Natriumfluorsilicat ................ 0,21/o |
| Hexamethylentetramin ............ 0,0020/0 |
| Calciumligninsulfonat ............. 0,1% |
Man erhält dank der vorliegenden Erfindung eine neue Klasse von hydraulischen Bindemitteln,
deren technische Eigenschaften denen von künstlichem Portlandzement ähnlich sind.
Sie weisen eine gute chemische und physikalische Beständigkeit auf und können mit
Seewasser und Salinenwässern angemacht werden; erlauben eine Betonierung in sehr
kalten Jahreszeiten mit der gleichen Arbeitsgeschwindigkeit wie bei normaler Temperatur,
sind frostbeständig und verursachen niedrigere Herstellungskosten.
-
Ihre Herstellung läßt das Arbeiten in kleinen Einheiten von Hand,
die wenig kostspielig und sogar transportabel sind, zu, und man kann hierbei dank
der vorliegenden Erfindung Schlacken sehr verschiedener Herkunft und Beschaffenheit
verwenden und Produkte erzeugen, deren Eigenschaften nach Wahl innerhalb weiter
Grenzen geregelt werden können.