DE19736771C1

DE19736771C1 - Aufschäumbarer mineralischer Baustoff

Info

Publication number: DE19736771C1
Application number: DE1997136771
Authority: DE
Inventors: Thomas Fach
Original assignee: Schaum Chemie W Bauer GmbH and Co KG
Current assignee: Schaum Chemie W Bauer GmbH and Co KG
Priority date: 1997-08-23
Filing date: 1997-08-23
Publication date: 1999-03-04
Anticipated expiration: 2017-08-24

Description

Die Erfindung betrifft einen unter Zugabe von Wasser auf schäumenden mineralischen Baustoff.

Fließfähige wasserhaltige Schaummassen auf Basis von al kalihaltigen anorganischen Bestandteilen, welche unter Zusatz eines Sauerstoff abspaltenden Schäummittels Schaummassen bilden, sind bekannt. Sie werden für unter schiedlichste Verwendungszwecke eingesetzt, beispiels weise im Brandschutz oder zur Herstellung von Formkörpern sowie zur Verfüllung von Hohlräumen.

Durch die DE 39 18 892 C1 gehört beispielsweise eine an organische Schaummasse zum Stand der Technik mit einem Härter aus Alkalisilikatlösung, einem mit dem Härter re aktionsfähigen feinkörnigen Feststoffgemisch und aus üb lichen Sauerstoff abspaltenden Schäummitteln.

Auch aus der EP 0 324 968 A1 ist eine härtbare Schaum masse bekannt aus Sauerstoff abspaltenden Schäummitteln, einem Härter aus Alkalisilikatlösung und einem damit re aktionsfähigen feinkörnigen Feststoff, welche unter Zu satz von Reduktionsmitteln schnellhärtende Schäume bil den. Als Reduktionsmittel kommen reduzierend wirkende Schwefelverbindungen oder Oxidationsmittel in feiner Ver teilung und auch feinteilige Stoffe wie Ruß oder Farbpig mente mit großer innerer Oberfläche zum Einsatz, welche eine exotherme Reaktion hervorrufen und damit als Reduk tionsbeschleuniger wirken.

Diese Schaummassen haben sich grundsätzlich bewährt und weisen gute Eigenschaften, insbesondere hinsichtlich Brandverhalten oder der Fertigung von Formteilen auf. Sie sind jedoch aufwendig in der Herstellung bzw. Anwendung, insbesondere hinsichtlich Dosierung und Zusammensetzung der einzelnen Komponenten. Ferner müssen die Feststoffbe standteile separat bereitgestellt und mit den flüssigen Bestandteilen (Härter) angemischt werden. Das Treibmittel kann dann erst kurz vor Verarbeitung der angemischten Suspension zugegeben werden, da die Reaktion spontan stattfindet und sofort ein Aufschäumen eintritt. Hieraus ergeben sich sowohl anwendungstechnisch als auch maschi nentechnisch hohe Anforderungen.

Als nachteilig ist ferner anzusehen, daß ein hochalkali sches Härterprodukt verwendet wird, in der Regel auf Was serglasbasis. Dieses ist als Gefahrgut einzustufen und muß dementsprechend gehandhabt werden. Die Bereitstellung und der Transport muß separat in Kanistern oder Fässern aus Kunststoff erfolgen.

Auch das üblicherweise als Sauerstoff abspaltende Kompo nente zum Einsatz gelangende Wasserstoffperoxid ist flüs sig und muß separat transportiert werden, womit ebenfalls erheblicher transport- und sicherheitstechnischer Aufwand verbunden ist.

Aus der DE 36 17 129 A1 geht ein Verfahren zur Herstel lung von Silikatschäumen bzw. Silikatschaumprodukten her vor. Hierzu werden Silikatlösungen unter Einsatz von Ga sen verschäumt, die ohne äußere Wärmezufuhr durch eine chemische Reaktion eines zugesetzten gasfreisetzenden Treibmittels entstehen. Auch bei diesem Vorschlag müssen einzelne Komponenten vor Ort zusammengebracht werden, welche bis zur Verarbeitung separat zu handhaben sind. Gleiches gilt für die aus der DE 41 00 386 A1 bekannte Zweikomponentenmasse, welche beispielsweise als Dübel masse zur Befestigung von Ankerstangen in Bohrlöchern zum Einsatz gelangt. Die Zweikomponentenmasse beinhaltet ein anorganisches Bindemittel sowie ein Härtungsmittel auf der Basis von Wasser oder einer wässrigen Lösung. Ferner enthält die Masse die Erstarrung und Härtung regulierende Substanzen.

Ein Mineralschaum auf Basis eines fein gemahlenen Stoff gemisches aus Oxiden des Siliziums, Calziums, Aluminiums und/oder Magnesiums und wässrigen Lösungen von Alkali silikaten geht aus der DE 42 28 500 A1 hervor. Die flüs sigen Alkalisilikate sind stark alkalisch und bedeuten als Gefahrgut einen hohen Transport- und Verarbeitungs aufwand.

Die DE 40 40 180 A1 offenbart schließlich ein Verfahren zur Herstellung von feinporigem Schaum aus im wesentli chen anorganischen Bestandteilen. Die Formmasse enthält einen steinbildenden Feststoff, Härter, Schaumbildner so wie Zusätze zur Verbesserung der Porenstruktur und der Festigkeit. Auch dieser Vorschlag behandelt eine Mehrkom ponentenformmasse, deren Komponenten bis zur Verarbeitung separat gehandhabt und mit einem flüssigen Härter ange mischt werden.

Der Erfindung liegt ausgehend vom Stand der Technik die Aufgabe zugrunde, einen einfach handhabbaren und verar beitungstechnisch wenig aufwendigen aufschäumbaren Bau stoff auf mineralischer Basis zu schaffen.

Drei eigenständige Lösungen dieser Aufgabe sind in den Ansprüchen 1, 3 sowie 5 angegeben, deren technologischer Zusammenhang in der Schaffung eines rein mineralischen Baustoffs in fester Form zu sehen ist, bestehend aus einem reaktiven Feststoffgemisch auf Zementbasis, Alkali aluminat als den pH-Wert einstellende Katalysatorkompo nente, Natriumperborat als gasfreisetzendes Treibmittel und Calziumstearat als Thixotropiermittel. Die einzelnen Komponenten liegen alle in fester Form vor.

Das Feststoffgemisch bildet das Schaumgerüst im aufge schäumten Baustoff (Zementschaum) und erhärtet nach Zugabe von Wasser. Die Katalysatorkomponente bewirkt bei Kontakt mit Wasser eine Erhöhung des pH-Werts, so daß sich das für den Aufschäumvorgang notwendigen Treibmittel zersetzen kann. Ferner sorgt die Katalysatorkomponente infolge der entstehenden Hydratationswärme für die für die Reaktion notwendige Wärme. Das Treibmittel entwickelt das für den Aufschäumvorgang notwendige Gas. Durch das Thixotropiermittel wird eine zähfließende Konsistenz des aufgeschäumten Baustoffs erreicht. Hierdurch wird gewähr leistet, daß die entstehenden Gasblasen innerhalb der Ma trix des Schaumgerüstes bleiben und nicht nach außen ent weichen. Weiterhin trägt das Thixotropiermittel dazu bei, daß Rohdichtesprünge innerhalb des Schaumkörpers vermie den werden. Rohdichtesprünge entstehen, wenn in einem Schaumkörper infolge der Gewichts- bzw. statischen Mas senkräfte oben größere Zellen vorhanden sind als im unte ren Bereich. Dies hätte im oberen Bereich eine geringere Dichte als im unteren Bereich zur Folge.

Wesentlich ist, daß die den pH-Wert in geeigneter Form erhöhende Katalysatorkomponente in fester Form im Bau stoff enthalten ist.

Durch die Erfindung wird ein rein mineralischer Baustoff in fester Form bereitgestellt, welcher unter den baustel lenüblichen Bedingungen nur unter Zugabe von Anmachwasser verarbeitet werden kann. Die Verarbeitung ist damit sehr einfach. Ein vorheriges Anmischen verschiedener Komponen ten in separaten Mischbehältern ist nicht erforderlich. Hierdurch wird auch der Zeitaufwand bei der Verarbeitung verringert. Die für die Verarbeitung benutzten Gerät schaften lassen sich mit kaltem Wasser reinigen. Ein wei terer Vorteil besteht darin, daß der Baustoff trocken als Sackware mit üblichen Transportmitteln befördert werden kann. Hierdurch wird der transporttechnische und logisti sche Aufwand ebenso wie der sicherheitstechnische Aufwand erheblich reduziert. Auch die Lagerung des Baustoffs ist einfacher.

Der erfindungsgemäße Baustoff weist sehr gute anwendungs bezogen einstellbare Eigenschaften hinsichtlich Brand schutz, Formbeständigkeit, Dämm- und/oder Hohlraumfüll verhalten auf. Da er rein mineralisch aufgebaut ist, ist er sowohl unter gewerbehygienischen als auch unter ge sundheits- und umwelttechnischen Gesichtspunkten unbe denklich.

Bei der ersten Lösung nach Anspruch 1 kommt als reaktives Feststoffgemisch Portlandzement zum Einsatz. Danach be steht der Baustoff aus 70-83 Gew.-% Portlandzement, 15-25 Gew.-% Alkalialuminat, 1,5-5 Gew.-% Natriumper borat und 0,5-1,3 Gew.-% Calciumstearat nebst Zusätzen zur Verbesserung der physikalischen Eigenschaften.

Portlandzement enthält üblicherweise Zusätze zur Verbes serung der physikalischen Eigenschaften, insbesondere des Fließverhaltens. Das Feststoffgemisch ist mit einem Ver flüssigerzusatz vormodifiziert. Hierbei handelt es sich vorzugsweise um ein Natriumligninsulfonat. Das Ligninsul fonat verzögert zunächst den Viskositätsanstieg in der Anfangsphase der Schäumreaktion. Der Baustoff bleibt so mit zunächst relativ fließfähig, was für die Zersetzung des Treibmittels und der damit verbundenen Ausbildung des Zellgerüstes vorteilhaft ist. Hierbei reguliert das Thixotropiermittel des Baustoffs die Zellbildung, wodurch gleichzeitig eine Erhöhung der Viskosität stattfindet. Als Thixotropiermittel ist Calciumstearat besonders gut geeignet. Das Ligninsulfonat steht somit in einer Wech selwirkung mit dem Thixotropiermittel. Die erforderlichen Fließeigenschaften können daher über eine mengenmäßige Feinabstimmung von Ligninsulfonat und Thixotropiermittel untereinander eingestellt werden. Der Anteil des Ligninsulfonats im Portlandzement liegt zwischen 0,1% und 0,5%.

Ein für die Praxis gut geeignetes Ansatzbeispiel (Anspruch 2) besteht aus 150 Teilen (= 77,32 Gew.-%) Portlandzement, 35 Teilen (= 18,04 Gew.-%) Alkalialumi nat, 7 Teilen (= 3,61 Gew.-%) Natriumperborat und 2 Tei len (= 1,03 Gew.-%) Calciumstearat einschließlich von Zu sätzen zur Verbesserung der physikalishen Eigenschaften.

Die Reaktionsparameter des Baustoffs in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur sind in nachfolgender Tabelle er faßt. Hierzu wurden 200 g Feststoff eingewogen und mit 100 g Wasser vermischt.

Tabelle 1

Die durch Anwesenheit des Alkalialuminats verstärkte Hy dratationswärme beschleunigt die Zersetzung des Treibmit tels. Das Aluminat steuert somit je nach Art und Menge die Reaktionsgeschwindigkeit. Je mehr Aluminat einge mischt ist, umso eher wird das Endvolumen erreicht, wobei jedoch die Festigkeit geringfügig abnimmt.

Alternativ kann als reaktives Feststoffgemisch auch Ton erdeschmelzzement verwendet werden, wie dies Anspruch 3 vorsieht. Danach besteht der Baustoff aus 75-90 Gew.-% Tonerdeschmelzzement, 8-15 Gew.-% Alkalialuminat, 1,7- 6 Gew.-% Natriumperborat und 0,3-1,4 Gew.-% Calcium stearat. Grundsätzlich können auch diesem Baustoff Zu sätze zur Verbesserung der physikalischen Eigenschaften zugemischt werden.

Beim Einsatz Tonerdeschmelzzement kann auf einen Verflüs sigerzusatz verzichtet werden. Der im Vergleich zum Port landzement schneller hydratisierende Tonerdezement unter stützt durch die frei werdende Hydratationswärme die Zer setzung des Treibmittels. Es kommt dann zu einem relativ kurzfristigen Abbinden und Erstarren des hergestellten Zementschaums.

In praktischen Versuchen wurden sehr gute Eigenschaften mit einem Ansatzbeispiel (Anspruch 4) erzielt, bestehend aus 150 Teilen (= 83,80 Gew.-%) Tonerdeschmelzzement, 20 Teilen (= 11,17 Gew.-%) Alkalialuminat, 7 Teilen (= 3,91 Gew.-%) Natriumperborat und 2 Teilen (= 1,12 Gew.-%) Cal ciumstearat.

Die Reaktionsparameter des Baustoffs sind in der nachfol genden Tabelle 2 erfaßt. Hierzu wurden 200 g Feststoff eingewogen und mit 100 g Wasser vermischt:

Tabelle 2

Läßt die Anwendung geringere Druckfestigkeiten des Ze mentschaums zu, ist das Einarbeiten eines Füllstoffs, wie Gesteinsmehl oder Flugasche, sinnvoll. Die übrigen Reak tionsparameter bleiben hiervon unberührt.

Gute Füll- und verarbeitungstechnische Eigenschaften wur den mit einem Zementschaum erzielt, welcher aus einem Baustoff gemäß Anspruch 5 hergestellt wird. Dieser ist auf der Basis von 45-83 Gew.-% Portlandzement, 15-30 Gew.-% Alkalialuminat, 1,5-5 Gew.-% Natriumperborat, 0,5-1,3 Gew.-% Calciumstearat und 1-37 Gew.-% Füll stoff aufgebaut.

Eine vorteilhafte Zusammensetzung eines aufschäumbaren mineralischen Baustoffs mit Zuschlag von Füllstoff ist in Anspruch 6 charakterisiert. Dieser besteht aus 100 Teilen (= 50,25 Gew.-%) Portlandzement, 40 Teilen (= 20,10 Gew.- %) Alkalialuminat, 7 Teilen (= 3,52 Gew.-%) Natrium perborat, 2 Teilen (= 1,01 Gew.-%) Calciumstearat und 50 Teilen (= 25,12 Gew.-%) Gesteinsmehl.

Das Gemisch kann vor Ort mit Wasser angemischt werden. Durch die Zugabe von Wasser werden die Reaktionsvorgänge ausgelöst. Der aufschäumende Baustoff kann dann in die zu verfüllenden Hohlräume verbracht werden. Das Material verhält sich hierbei zähfließend viskos. Dies wird durch das im Baustoff enthaltene Thixotropiermittel erreicht.

Bei allen vorgeschlagenen Lösungen gelangt als Katalysa torkomponente ein Alkalialuminat, insbesondere Na triumaluminat, zum Einsatz. Natriumaluminat bewirkt einen zuverlässigen Anstieg des pH-Werts in einen alkalischen Bereich oberhalb von 10, vorzugsweise oberhalb von 12, wodurch eine Zersetzung des Treibmittels möglich wird. Als Treibmittel wird Natriumperborat als für die Praxis besonders gut angesehen. Dieses ist dem Baustoff in kör niger fester Form eingemischt.

Wie bereits erwähnt, findet Calciumstearat als Thixotro piermittel Anwendung. Hierdurch wird das Fließverhalten der aufschäumenden Baustoffmischung eingestellt, ohne daß sich dabei der Wassergehalt ändert.

Für die Verarbeitung des Baustoffs ist lediglich ein An mischen mit Wasser erforderlich. Es bildet sich dann ein Zementschaum. Das Wasser/Feststoff-Verhältnis liegt übli cherweise bei 0,5. Je nach Anwendungsfall kann das Was ser/Feststoff-Verhältnis jedoch auch verringert oder ver größert werden. Bei längeren Fließwegen ist es zweck mäßig, den Wasseranteil zu erhöhen. Bei Anwendungsfällen, in denen eine Rißüberbrückung und ähnliches erfolgen muß, wird das Gemisch durch Verringerung des Wasseranteils we niger fließfähig eingestellt.

Die Zumischung von Wasser kann durch Eindüsen beim Aus tritt aus einer Förderleitung erfolgen. Der Baustoff wird hierzu bis zum Austritt pneumatisch gefördert.

Möglich ist es auch, die Wasser/Feststoff-Mischung in ei nem Behälter (Rührwerksbehälter, Mischschnecke) herzu stellen. Die Suspension bleibt hydraulisch transport fähig. Sie kann dann durch Rohrleitungen über mehrere Hundert Meter gefördert werden. Hier setzt zwar bereits eine Expansion ein, diese wird jedoch durch die Förderbe wegung in der Rohrleitung zurückgehalten.

Die Expansion der erfindungsgemäßen Baustoffe verläuft nahezu linear und ist je nach Umgebungstemperatur nach 10 bis 15 Minuten beendet. Wie bei allen hydraulisch abbindenden Baustoffen wird die Festigkeitsentwicklung durch höhere Temperaturen beschleunigt und entsprechend durch tiefere Temperaturen verzögert.

Aufgrund ihrer Eigenschaften sind die erfindungsgemäßen Baustoffe sowohl für die Herstellung von Formkörpern oder Bauelementen, beispielsweise Spülkasteneinsätze oder Brandschutzplatten, als auch für den Einsatz als Orts schaum im Berg- oder Tunnelbau geeignet. Ebenso können die Baustoffe bei der Verfüllung von Kabel- oder Versorgungsschächten im Hochbau zum Einsatz gelangen.

Der Zementschaum zeichnet sich insbesondere durch seine Unbrennbarkeit und seine Temperaturbeständigkeit bis über 1000°C aus. Ferner ist der verarbeitete Baustoff kälte beständig bis unterhalb von -150°C. Eine Frühfestigkeit wird in Abhängigkeit vom Raumgewicht nach 30 bis 60 Minuten erreicht. Die Raumgewichte sind zwischen 250 und 1000 kg/m³ Kubikmeter variabel einstellbar. Wegen seiner guten Hafteigenschaften ist der aufgeschäumte Baustoff auch für die Versiegelung von porösen Oberflächen ge eignet.

Ein weiterer Vorteil ergibt sich aus der Eigenschaft, daß das Endprodukt nicht gasdicht, also diffusionsoffen ist.

Hierdurch trocknet ein Schaumkörper leichter aus und die Endfestigkeit wird schneller erreicht.

Soll der erfindungsgemäße Baustoff als Hohlraumfüller eingesetzt werden, wird ihm ein Füllstoff, vorzugsweise Gesteinsmehl, zugemischt. Grundsätzlich ist aber auch die Zugabe von Flugasche, Glimmer oder Talkum und ähnlichem denkbar.

Ein geringes Raumgewicht beispielsweise ist vorteilhaft im untertägigen Bergbau zur Verfüllung von Hohlräumen, wo mit wenig Feststoff viel Volumen ausgefüllt werden soll. Ein hohes Raumgewicht ist demgegenüber vorteilhaft beim Einsatz unter mechanischer Beanspruchung, beispielsweise im Hochbau.

Nach den Merkmalen des Anspruchs 7 können in einen Bau stoff Glasfaserstoffe eingemischt werden. Diese bewirken eine Stabilisierung des Schaumgerüstes und vermeiden Risse. Die Zumischung von Glasfaserstoffen wird vorzugs weise bei einem Baustoff vorgenommen, welcher in der Hochbautechnik oder bei der Fertigung von Formkörpern und Bauelementen Verwendung findet.

Claims

1. Unter Zugabe von Wasser aufschäumbarer mineralischer Baustoff, bestehend aus folgenden Komponenten in fe ster Form
70-83 Gew.-% Portlandzement als reaktives Feststoffgemisch,
15-25 Gew.-% Alkalialuminat als den pH-Wert einstellende Katalysator komponente,
1,5-5 Gew.-% Natriumperborat als gasfreiset zendes Treibmittel und
0,5-1,3 Gew.-% Calciumstearat als Thixo tropiermittel.

2. Baustoff nach Anspruch 1, bestehend aus
77,32 Gew.-% Portlandzement,
18,04 Gew.-% Alkalialuminat,
3,61 Gew.-% Natriumperborat und
1,03 Gew.-% Calciumstearat.

3. Unter Zugabe von Wasser aufschäumbarer mineralischer Baustoff, bestehend aus folgenden Komponenten in fe ster Form
75-90 Gew.-% Tonerdeschmelzzement als reak tives Feststoffgemisch,
8-15 Gew.-% Alkalialuminat als den pH-Wert einstellende Katalysatorkompo nente,
1,7-6 Gew.-% Natriumperborat als gasfrei setzendes Treibmittel und
0,3-1,4 Gew.-% Calciumstearat als Thixo tropiermittel.

4. Baustoff nach Anspruch 3, bestehend aus
83,80 Gew.-% Tonerdeschmelzzement,
11,17 Gew.-% Alkalialuminat,
3,91 Gew.-% Natriumperborat und
1,12 Gew.-% Calciumstearat.

5. Unter Zugabe von Wasser aufschäumbarer mineralischer Baustoff, bestehend aus folgenden Komponenten in fe ster Form
45-83 Gew.-% Portlandzement als reaktives Feststoffgemisch,
15-30 Gew.-% Alkalialuminat als den pH-Wert einstellende Katalysatorkompo nente,
1,5-5 Gew.-% Natriumperborat als gasfrei setzendes Treibmittel,
0,5-1,3 Gew.-% Calciumstearat als Thixotro piermittel und
1-37 Gew.-% mineralischer Füllstoff.

6. Baustoff nach Anspruch 5, bestehend aus
50,25 Gew.-% Portlandzement,
20,10 Gew.-% Alkalialuminat,
3,52 Gew.-% Natriumperborat,
1,01 Gew.-% Calciumstearat und
25,12 Gew.-% Gesteinsmehl.

7. Baustoff nach einem der Ansprüche 1, 3 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß Glasfaserstoffe eingemischt sind.