DE1287498B - - Google Patents

Description

Unter einem Zementbindemittel versteht man den Bestandteil eines Zements, welcher die erforderliche Bindung in dem Zement bzw. in aus diesem hergestellten Mörtel oder Beton bewirkt. In einer Gruppe von häufig verwendeten Zementsorten ist das Bindemittel 5 in der Hauptsache Mt (Tricalciumsilikat), so daß man davon sprechen kann, daß diese Sorten Alit als Zementbindemittel enthalten. Der am weitesten verbreitete Zement dieser Art ist Portland-Zement, wobei diese Zemente jedoch neben dem Alit als Zementbindemittel zusätzlich noch weitere Bestandteile aufweisen können, z. B. Zemente, welche eine Mischung von Portland-Zement mit Hochofenschlacke oder Flugasche darstellen. Die vorliegende Erfindung betrifft Zemente mit einem Gehalt von 20% und darüber, im allgemeinen 20 bis 75% Tricalciumsilikat, bezogen auf das Trockengewicht der Mischung als Zementbindemittel, sowie Mörtel und Beton, welche derartige Zemente enthalten.

Portland-Zement wird durch Brennen eines Gemisches aus Kalkstein und Ton zu einem Klinker und anschließendes Mahlen desselben zu einem feinen Pulver hergestellt. Die wesentlichen Verbindungen im Portland-Zement sind Tricalciumsilikat, Dicalciumsilikat, Tricalciumaluminat und Tetracalciumalumoferrit. Es wird angenommen, daß Tricalcium- und Dicalciumsilikate die Hauptbindebestandteile im Portland-Zement sind. Das Tricalciumsilikat bildet beim Mischen mit Wasser ein Calciumsilikathydrat, welches als Tobermoritgel bekannt ist, und ferner Calciumhydroxyd, während aus Dicalciumsilikat und Wasser bei geringerer Reaktionsgeschwindigkeit ähnliche Produkte entstehen. Das Tricalciumsilikat bestimmt wegen seiner größeren Reaktionsgeschwindigkeit in starkem Ausmaß die Härtungsgeschwindigkeit des Zements. Für verschiedene Einsatzzwecke sind Portland-Zementsorten erwünscht, welche verschiedene Härtungsgeschwindigkeiten haben. Dieses kann dadurch erfolgen, daß man Zementsorten mit verschieden großem Anteil an Tricalciumsilikat erzeugt. Gewöhnlich werden vier Grundsorten Portland-Zement hergestellt, die sich im wesentlichen nur im Tricalciumsilikat- und Dicalciumsilikatgehalt unterscheiden. Die Mengen der Hauptkomponenten jeder Zementsorte ergeben sich aus der folgenden Tabelle I:

Tabelle I

	Zementsorte	T	II	in	53	47	58	IV
	Gewichtsprozent	24	32	16
	8	3	δ	26
Anteil Tricalciumsilikat ..				54
Anteil Dicalciumsilikat...	δ	12	δ	2
Anteil Tricalciumaluminat
Anteil Tetracalcium-	12
alumoferrit

6o

Bei Portland-Zement kann man beispielsweise einen großen Bereich verschiedener Härtungsgeschwindigkeiten dadurch erzielen, daß man Zementsorten mit unterschiedlichem Gehalt an Tricalciumsilikat herstellt (vgl. Tabelle I); jedoch ist das Verhältnis der Zementbestandteile und die Härtungsgeschwindigkeit begrenzt durch die jeweiligen Rohmaterialsorten, aus denen der Zement hergestellt ist. Demzufolge härtet selbst ein Zement der Sorte III unter Umständen noch nicht schnell genug; andererseits wird für bestimmte Verwendungszwecke, z. B. für Erdölbohrungen, eine sehr langsame Anfangshärtung gewünscht, wie sie ein Zement der Sorte IV zeigt, so daß der Zement angemischt und flüssig eingebracht werden kann, bevor er fest wird, worauf er aber dann möglichst schnell härten soll. Eine Beschleunigung der Härtung hat den weiteren Vorteil, daß auch die Wärmeentwicklung beschleunigt wird; diese zusätzliche Wärmeentwicklung ist besonders im Winter vorteilhaft, um ein Gefrieren des Wassers im Zement zu vermeiden. Bei der Herstellung von gegossenen Betonkörpern ermöglicht das beschleunigte Härten die Verwendung einer geringeren Anzahl von Formen, wodurch die Investitionskosten verringert werden.

Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, verwendet man Beschleuniger; zahlreiche anorganische Verbindungen haben sich als wirksame Beschleuniger für die Härtung von Zement, der Alit als Bindemittel enthält, als geeignet erwiesen, insbesondere Calciumchlorid. Letzteres hat jedoch den Nachteil, daß es äußerst korrodierend wirkt und die Eisenstangen oder Drahteinlagen von Stahlbeton angreift.

Die bislang bekannten Härtebeschleuniger sind wasserlöslich, da man annahm, daß die Wasserlöslichkeit eine wesentliche Voraussetzung für die Wirksamkeit derartiger Beschleuniger sei. Es wurde nun unerwarteterweise festgestellt, daß Spodumen, LiAlSi₂O₆, ein ausgezeichneter Beschleuniger für das Härten von Zement mit einem Gehalt an Alit als Zementbindemittel ist, obgleich Spodumen in Wasser eine sehr geringe Löslichkeit zeigt. Darüber hinaus hat dieser Zusatz den Vorteil, daß er Eisen und andere Metallverstärkungen praktisch nicht angreift.

Spodumen existiert in zwei isomeren Formen von unterschiedlicher Kristallstruktur. Während Alpha-Spodumen monoklin ist, besitzt Beta-Spodumen eine tetragonale Kristallstruktur. Die beiden Isomeren haben die gleiche chemische Zusammensetzung, sie unterscheiden sich nur durch die Stellung der verschiedenen Ionen in dem Kristallgitter. Beide Spodumenformen können gemäß vorliegender Erfindung verwendet werden.

Gegenstand der Erfindung ist demgemäß die Verwendung von Spodumen in Mengen von 0,1 bis 20 Gewichtsprozent, bezogen auf das Trockengewicht des Zementbindemittels, als Beschleuniger für die Härtung von Zement, Mörtel und Beton mit einem Gehalt an Alit als Zementbindemittel. Vorzugsweise werden etwa 1,0 bis 15, insbesondere 0,5 bis 5% Spodumen eingesetzt.

Der Spodumen kann dem Alit als Zementbindemittel enthaltenden Zement oder einem aus derartigem Zement hergestellten Mörtel bzw. Beton in verschiedenen Stufen und nach verschiedenen Verfahren zugesetzt werden. Vorzugsweise wird der Spodumen dem Alit-Zementklinker vor dem Vermählen zugesetzt, und die Komponenten werden zusammen vermählen und hierbei gründlich vermischt. Der Spodumen kann aber auch zu Zement bzw. Mörtel oder Beton als vorgemahlenes trockenes Pulver oder als wäßrige Aufschlämmung eines derart vorgemahlenen Pulvers zugegeben werden, wobei die Bestandteile innig vermischt werden, damit sie sich gleichmäßig verteilen.

Im folgenden soll die Erfindungen Hand von Beispielen näher erläutert werden:

Beispiel 1

Es wurde ein Alpha-Spodumen, ein natürlich vorkommendes Lithiummineral der Formel LiAlSi₂O₆, mit einem Portland-Zementtyp III vermählen. Eine 1000-g-Probe des Zementes wurde 6 Stunden lang in einer Laboratoriumskugelmühle mit 20 g Alpha-Spodumen vermählen. Aus diesem Gemisch wurde mit Wasser im Verhältnis 0,65:1 ein abbindefähiger Zementbrei hergestellt, und es wurden Versuchswürfel mit einer Kantenlänge von 5,1 cm nach ASTM-C-109-58 hergestellt und die Druckfestigkeit nach 12 Stunden gemessen. Es wurden insgesamt neun Würfel untersucht, welche die folgenden Werte zeigten:

Tabelle II

Konzentration an Spodumen Gewichtsprozent	Druckfestigkeit kg/cma
0 2,0	12,7 ± 8,1 44,7 ± 6,4

Beispiel 2

In diesem Beispiel wurde Beta-Spodumen als Beschleuniger verwendet. Da Alpha-Spodumen bei über 900⁰C irreversibel in Beta-Spodumen übergeht, wurde Alpha-Spodumen 4 Stunden bei 98O⁰C erwärmt und das erhaltene Material dann in einer Menge von 20 g mit 1000 g Portland-Zementtyp III gemäß Beispiel 1 vermischt, zu Probewürfeln verarbeitet und mit dem folgenden Ergebnis untersucht:

Tabelle III

Konzentration an Spodumen Gewichtsprozent	Druckfestigkeit kg/cm2
0 2,0	12,7 ± 8,1 51,9 ± 8,3

Beispiel 3

Es wurde ein Portland-Zementtyp I sowohl mit Alpha- als auch mit Beta-Spodumen untersucht, wobei 10

wiederum jedesmal 20 g Beschleuniger mit 1000 g Portland-Zement vermählen wurden. Das Verhältnis von Wasser zu Zement war bei jedem Versuch 0,65. Nach 24 Stunden hatte die Druckfestigkeit der gemäß Beispiel 1 hergestellten Würfel die folgenden Werte:

Tabelle IV

Beschleuniger- Type	Konzentration Gewichtsprozent	Druckfestigkeit kg/cma
Alpha-Spodumen Beta-Spodumen	0 2,0 2,0	38,7 ± 3,2 43,8 ± 2,8 47,8 ± 2,7

Beispiel 4

Das Beispiel dient dem Nachweis, daß unter Verwendung von Spodumen hergestellter Zement eine wesentlich geringere Schrumpfung zeigt als Vergleichsproben, die keinen oder einen anderen Zusatz enthalten. Die Zusätze wurden dem Zement unter Vermählen in einer Kugelmühle zugefügt; anschließend wurden aus dem Zement Probenformkörper hergestellt und deren Dimensionsveränderungen nach dem Härten nach verschiedenen Lagerzeiten bestimmt. Die Formkörper von etwa 10 · 1 · 1 cm Kantenlänge wurden in leicht entfernbaren Messingformen hergestellt, wobei in die Enden derselben Messingstifte mit Schraubgewinde eingegossen wurden. Als Vergleichsmaßstab dienen Zylinder aus rostfreiem Stahl, so daß es möglich ist, Längenveränderungen auf etwa 50 · 10-⁴ cm genau zu reproduzieren.

Die Proben wurden in den Formen bei 100 % relativer Feuchtigkeit 24 Stunden lang zum Abbinden stehengelassen und danach in einer Klimakammer unter bestimmten Bedingungen gelagert, wobei Kohlendioxyd nicht ausgeschlossen wurde, da dieses auch in der Praxis wegen des Kohlendioxydgehalts von Luft anwesend ist. Die Temperatur wurde auf 25 ⁰C ± 1 °/o und die relative Feuchtigkeit auf 58 ± 2°/₀ einreguliert. Die erhaltenen Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle V zusammengestellt.

Tabelle V

Schrumpfung von Portlandzement mit verschiedenen Zusätzen (in cm · 10-⁴)

Vergleichsprodukt

	Konzentration	10	2%	17«	Beta-Spodumen	13	188 dr	13
		5	254 ±5	178 ±		10	345 ±	23
Beschleuniger	401 ±8	330 ±	I 2%
Feinteilige Kieselsäure
1%
251 ±
370 ±

7 Tage
50 Tage

279 ± 30
406 dz 30

Es ist deutlich, daß die Schrumpfung bei den Spodumen enthaltenden Proben gegenüber kieselsäurehaltigen Proben geringer und gegenüber den Proben ohne Zusatz wesentlich geringer ist.

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Verwendung von Spodumen in Mengen von 0,1 bis 20 Gewichtsprozent, bezogen auf das Trockengewicht des Zementbindemittels, als Beschleuniger für die Härtung von Zement, Mörtel und Beton mit einem Gehalt an Alit als Zementbindemittel.