DE19633879A1 - Verfahren zur Herstellung von physikalisch induzierten, strukturell beeinflußten Glasfaser-Bindemittel-Kombinationswerkstoffen hoher Frühfestigkeit - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von physikalisch induzierten, strukturbeeinflußten Glasfaser-Bindemittel-Kombinationswerkstoffen hoher Frühfestigkeit im Zusammenhang mit der Fertigung faserverstärkter Bauelemente und Faserbaustoffe hoher Dauerbeständigkeit und Dichtigkeit auf der Grundlage von mineralischen, hydraulisch aktiven Bindemitteln zur Bildung der Bindemittelmatrix und Glasfasern als Verstärkungsmaterialien.

Faserverstärkte zementgebundene Kombinationswerkstoffe setzen sich im allgemeinen aus einer hydraulisch erhärteten Bindemittelmatrix und dann eingelagerten Armierungsfasern zusammen. Wird für die Matrixbildung der gewöhnliche Portlandzement verwendet, so enthält diese Bindemittelmatrix in ihrem Porenraum eine hoch alkalische Flüssigkeit mit einem pH-Wert < 12,5. Hierbei ist ein pH-Wert von 12,6 für eine gesättigte Calciumhydroxid-Lösung charakteristisch. Zudem spielen dabei auch Alkalien eine Rolle. Der Hauptanteil an wirksamen Alkalien (K⁺, Na⁺-Ionen) wird durch den Klinker des Portlandzementes in das Bindemittel bzw. den Beton eingetragen. Dieser Gehalt an Alkaliionen bzw. den betreffenden hydroxidischen Verbindungen verursacht jene wäßrige alkalischen Lösung mit einem pH-Wert von 13 bis 14. Eine derartige Flüssigkeit übt eine stark schädigende Wirkung (Korrosion) auf die aus silicatischem Glas hergestellten Armierungsfasern aus, weil derartige Gläser, die in Wechselwirkung mit Flüssigkeiten mit einem pH-Wert 9 gebracht werden, merklich zur Zerstörung der Si-O-Si-Bindung des Glasnetzwerkes neigen.

Um die Standfestigkeit von Glasfaserbeton-Erzeugnissen zu erhöhen und um eine Glasfaserkorrosion, die durch chemische, physikalisch-chemische und physikalische Prozesse verursacht wird, einzuschränken, verwendet man heute mit gutem Erfolg unter anderem puzzolanische oder latent hydraulische Zementzusatzstoffe, wie Metakaolin, Kraftwerksfilteraschen, Micro- bzw. Nanosilica, aufgemahlenen Hüttensand, Traß und andere, allein oder in Kombination miteinander [Masthoff, R.: Einführung in den Werkstoff Glasfaserbeton. Tagungsband 1 Symposium "Glasfaserbeton - Neubau, Bauwerkserhaltung und Umwelt", 16.-17. Mai 1995, Technische Universität Berlin, S. 1-5 bzw. Meyer, A.: Zusammensetzung und Eigenschaften der Faserbeton- Matrix. Betonwerk + Fertigteil-Technik 52(1986) Nr. 1, S. 52-58]. Diese Zementzusatzstoffe bewirken jedoch nur eine Abpufferung der Alkalität der Zement- bzw. Betonporenflüssigkeit, wodurch der chemische Angriff der silicatischen Glasfasern zurückgedrängt wird, jedoch gestaltet sich dadurch der Zementhydratationsverlauf wesentlich komplizierter gegenüber dem nicht modifizierten Zement bzw. Beton.

Es ist zudem bekannt, daß beim Beton durch Verwendung von chemisch aktivierter Steinkohlenfilterasche als Zementzusatzstoff die Werkstoffeigenschaften verbessert werden können [Shi, C.; Day, R.L.: Acceleration of the reactivity of fly ash by chemical activation. Cement and Concrete Research 25 (1995)15-21].

Wird aber beispielsweise das eine saure chemische Charakteristik [Kocsis, G.; Szabo, I.: Gesteinsschmelzen aus verschiedenen Rohstoffen. TIZ-Fachberichte 104 (1980) 836-839] aufweisende Ziegelmehl [Kaminsky, W.: Zement. Verlag von Theodor Steinkopff, Dresden und Leipzig 1950, S. 4] mit einer zementanalogen Korngrößenverteilung als Zusatzstoff zum Portland-Zement als die Alkalität abpuffernder Zusatzstoff bei der Betonherstellung verwendet, dann resultiert dadurch zwar eine verbesserte Verarbeitbarkeit des Frischbetons, damit verbunden ist jedoch auch zunächst ein deutlicher Druckfestigkeitsabfall der Betonprüfkörper. Erst nach 90 Tagen kommt es zu einer Angleichung der Druckfestigkeitswerte bei den aus reinem Portland-Zement bzw. den aus einer Mischung von Portland-Zement mit einem 20%igen Ziegelmehlzusatz hergestellten Prüfkörpern [Müller, A.: Wiederverwertung von Mauerwerksstoffen in Mörteln und Betonen. Baustoff Recycling + Deponietechnik 11(1995) Nr. 11, S. 4-9]. Somit können also bis zu 20 Prozent eines basisch reagierenden Portland-Zements durch einen kieselsäure-, tonerde- und eisenoxidreichen Stoff von zementanaloger Partikelgrößenverteilung substituiert werden, ohne daß sich nach dem gegenüber nicht modifizierten Portland-Zement unverhältnismäßig langem Zeitraum für die Zementhydratation letztendlich nachteilige Eigenschaften hinsichtlich der Druckfestigkeit bei den Prüfkörpern zeigen.

Die üblicherweise lange, standardgemäße Erhärtungsperiode von Glasfaserbetonprodukten in hermetisch abgeschlossenen Systemen unter definierten Bedingungen kann bisher nur dann, aber dann immer noch nicht eine Dauer der Erhärtungsbehandlung von zwei Tagen unterschreitend, verkürzt werden, wenn zur Herstellung des Frischbetons zudem auch chemisch wirkende Betonzusatzmittel als Erhärtungsbeschleuniger Verwendung finden. In diesem Falle macht sich ein außerordentlich sorgfältig gesteuerter Erhärtungsvorgang der faserarmierten Betonerzeugnisse notwendig [Majumdar, A.J.; Laws, V.: Glass fibre reinforced cement. BSP Professional Books, Oxford 1991, S. 66]. Zwar kann eine Beeinflussung des Erhärtungsvorganges auch mittels Dispersionen von organischen Polymeren (Acrylaten) vorgenommen werden, wodurch die lange, standardgemäße Erhärtungsperiode von Glasfaserbetonprodukten reduziert wird, was aber nicht nur den Werkstoff verteuert, sondern auch sein Verhalten im Falle einer thermischen Belastung durch geringe Hitzebeständigkeit und nicht gewährleisteter Feuerwiderstandsfähigkeit beeinträchtigt.

Es ist ferner bekannt, daß sich Einsatzmöglichkeiten von Mikrowellen und der Mikrowellentechnologie nicht nur für informationsverarbeitende, und -übertragende technische Systeme, sondern auch für die verschiedensten Gebiete der Grundlagen- und angewandten Forschung sowie für eine beträchtliche Anzahl praktischer Zwecke ergeben. Molekulare, atomare und nukleare Systeme zeigen unter Einwirkung periodischer Kräfte, deren Ursache ein angelegtes elektromagnetisches Wechselfeld ist, verschiedene Resonanzphänomene. Viele dieser Resonanzphänomene treten im Mikrowellenbereich auf [Collin, R.E.: Grundlagen der Mikrowellentechnik. VEB Verlag Technik, Berlin 1973 bzw. Osepchuk, J.M.: A History of Microwave Heating Applications. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques MIT-32 (1984) No. 9, pp.1200-1224]. Damit ermöglichen Mikrowellen zum einen sehr leistungsfähige experimentelle Untersuchungen beim Studium grundlegender Materialeigenschaften, erweisen sich aber auch geeignet zur Durchführung stoffwandelnder Prozesse u. a. im Labor und im industriellen Maßstab [Forkel, K.; Kokoschko, R.; Wihsmann, F.G.: Behandlung von Asbestzement-Baustoffen mit Mikrowellentechnik. Baustoff Recycling + Deponietechnik 11(1995) Nr. 10, S. 9-11].

Ferner zeigen mit Mikrowellen behandelte, glasfaserfreie Frischbeton-Proben im Vergleich zu ofenbehandelten Proben durch den gleichmäßig erfolgten Wärmeeintrag sowie den geringeren Wärme- und Feuchtetransport während der Einwirkung von Mikrowellenenergie eine homogenere Zementfeinstruktur, höhere Festigkeiten und geringere Kapillarporösitäten (Schneider, U.; Dumat, F.: Strukturbeeinflussung zementgebundener Baustoffe mittels Mikrowellen. Betontechnik 9 (1988) 44-46 bzw. Schneider, U.; Dumat, F.; Nägele, E.: Über die Porosität mikrowellengehärteter zementgebundener Baustoffe. TIZ-Fachberichte 120 (1986) 308-312]. Zudem wurde auch eine durch Mikrowellenbeeinflussung zu erzielende sehr hohe Frühfestigkeit bei konventionellem Frischbeton in jüngster Zeit festgestellt [Leung, C.K.Y.; Pheeraphan, T.: Very high early strength of microwave cured concrete. Cement and Concrete Research 25 (1995)136-146].

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung eines physikalisch induzierten, strukturbeeinflußten Glasfaser-Bindemittel-Kombinationswerkstoffes mit einer organisch nicht modifizierten Matrix im Zusammenhang mit der Fertigung faserverstärkter Bauelemente und Faserbaustoffe hoher Dauerbeständigkeit und Dichtigkeit auf der Grundlage von mineralischen, hydraulisch aktiven Bindemitteln zur Bildung der Bindemittelmatrix zu entwickeln, ohne zu diesem Zweck chemisch wirkende Mittel wie Erhärtungsbeschleuniger für Beton oder mineralische, tribomechanisch aktivierte Bindemittel oder chemisch aktivierte Zusatzstoffe einzusetzen.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die zur Herstellung von Glasfaser-Bindemittel- Kombinationswerkstoffen hoher Frühfestigkeit Glasfasern enthaltende Frischmörtel- bzw. Frischbeton- Formkörper im Hinblick auf ihre spätere Verwendung als faserverstärkte Bauelemente und Faserbaustoffe zur Beschleunigung der Zementhydratationsprozesse und zur Ausbildung einer homogenen Zementstein- bzw. Beton-Feinstruktur erfindungsgemäß im hochfrequenten elektromagnetischen Wechselfeld, d. h. unter dem Einfluß von dielektrischer (HF) oder Mikrowellen- (UHF) Energie [Pfeifer, H.: Elektronik für den Physiker V: Mikrowellenelektronik. Akademie-Verlag, Berlin 1967], in einem hermetisch abgeschlossenen (zum Zwecke der Vermeidung von Effekten, wie sie mit einer Stofftrocknung im Zusammenhang stehen) System, das das beschleunigte Ablaufen der Prozesse der Zementhydratation ohne nennenswerte systembedinge Verluste des zementchemisch erforderlichen Wassers gewährleisten muß, so behandelt werden, daß eine Erwärmung auf 50 bis 60°C erfolgt und stets eine homogene Temperaturverteilung im gesamten bestrahlten Material aufrechterhalten ist, indem die Behandlung bei einer Frequenz im Bereich von 3 MHz bis 3 GHz mit einer Leistung < 3,5 kW und einer unmittelbaren Bestrahlungszeit von einer Minute bis zu zehn Stunden vorgenommen worden ist.

Im Falle einer Mikrowellenbestrahlung (2,45 GHz) der glasfaserhaltigen zementgebundenen Formkörper wirkte sich bei der erfindungsgemäße Behandlung in keiner Weise negativ auf die eingelagerten silicatischen Glasfasern aus. Diese blieben in ihrer ursprünglichen Form ohne Veränderung ihrer Eigenschaften erhalten.

Durch die erfindungsgemäße Maßnahme unter Verzicht auf chemische Zusätze für eine Betonfrüherhärtung werden die von derartigen Zusätzen nicht auszuschließenden negative Wirkungen auf das Langzeitverhalten des Kombinationswerkstoffes vermieden. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß jene bekannten Probleme, die bei Verwendung von Zementen mit Feinstzement- bzw. Betonzusätzen unter normalen Erhärtungsbedingungen wie weniger und schlecht entwickelte Calciumsilicathydrat (CSH)-Phasen auftreten, nicht mehr zu verzeichnen sind, da eine hohe Frühfestigkeit der Mörtel bzw. Betone durch die Mikrowellenbestrahlung infolge des erheblich beschleunigten Ablaufens der Zementhydratationsprozesse gewährleistet ist.

Claims (2)

1. Verfahren zur Herstellung von physikalisch induzierten, strukturell beeinflußten Glasfaser- Bindemittel-Kombinationswerkstoffen hoher Frühfestigkeit, dadurch gekennzeichnet, daß, ausgehend von den Mischungen zur Bereitung von Glasfasern enthaltenden Frischmörtel- bzw. Frischbeton- Formkörpern, zur Beschleunigung der Zementhydratationsprozesse und zur Ausbildung einer homogenen Zementstein- bzw. Beton-Feinstruktur diese Formkörper im hochfrequenten elektromagnetischen Wechselfeld, d. h. unter dem Einfluß von dielektrischer (HF) oder Mikrowellen- (UHF) Energie in einem hermetisch abgeschlossenen System so behandelt werden, daß stets eine homogene Temperaturverteilung im gesamten, neu gebildeten Glasfaser-Bindemittel- Kombinationswerkstoff gewährleistet ist, indem die Behandlung bei einer Frequenz im Bereich von 3 MHz bis 3 GHz mit einer Leistung < 3,5 kW und einer unmittelbaren Bestrahlungszeit von einer Minute bis zu zehn Stunden erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch eine Mikrowellenbestrahlung bei 2,45 GHz der silicatische Glasfasern enthaltenden, zementgebundenen Formkörper die eingelagerten Glasfasern in ihren physikalischen Eigenschaften in keiner Weise nachteilig beeinflußt werden.