DE19843092A1

DE19843092A1 - Dichtwandmasse aus einem aktivierten Tonmineralpulver mit einem hydraulischen Bindemittel

Info

Publication number: DE19843092A1
Application number: DE1998143092
Authority: DE
Inventors: Bernd Brenner
Original assignee: Bernd Brenner
Current assignee: DYWO DYCKERHOFF WOPFINGER UMWELTBAUSTOFFE GMBH, WA
Priority date: 1998-05-22
Filing date: 1998-09-21
Publication date: 1999-11-25
Anticipated expiration: 2018-09-22
Also published as: DE19843086A1; DE19843092C2; DE19843092C5; DE19843086C2

Abstract

Bei einer Dichtwandmasse aus einem Feinmineralpulver in Mischung mit einem hydraulischen Bindemittel bezieht sich das Feinmineralpulver auf folgende Zustandsgrößenwerte: wesentlicher Korngrößenbereich bis 0,1 mm; Dichte von 0,9 bis 1,2 kg/l; Wassergehalt 7-12%; Na2 O-Gehalt von 0,5 bis 3,5%; spezifische Oberfläche pro Kornvolumen von im wesentlichen 0,25 bis 0,5 m2/cm3, wobei es durch Schocktrocknung in einen mikroporösen Zustand gebracht wird. Der zugehörige Zement weist Hüttensand- bzw. Hochofenschlacken- oder Traßanteil sowie Portlandklinkeranteil auf und wird mit dem Feinmineralpulver in einem Ein- oder Zweistufenverfahren gemischt. Die vorgeschlagene Aufbereitung des Feinmineralpulvers führt zu einer breiten Anwendbarkeit und Überwindung von Einschränkungen auf der Ausgangsmaterialseite.

Description

Die Erfindung betrifft eine Dichtwandmasse nach dem Hauptanspruch.

Ein solche Dichtwandmasse ist zum Beispiel mit einem zementstabilen Tonmineralpulver, das unter dem Handelsnamen TIXOTON CV 15 der Fa. Südchemie, München oder IBECO Bentonit CR 4 bzw. CT der Fa. IBECO, Mannheim bekannt ist, herstellbar.

Zur Erzielung der Eigenschaft der Zementstabilität eines Tonmineralpulvers sind die Grundeigenschaften des Abbauminerals, die Verfahrensabläufe bei der Trocknung einschließlich Vermahlung und die Gemengebildung mit Hilfsstoffen entscheidend. Derzeit ist die Erzielung der Zementstabilität an relativ teure Bentonite bestimmter Fundstätten gebunden.

Die Trocknung des Ausgangsminerals erfolgt in bekannten Trocknungsverfahren z. B. in Horden-, Etagen- oder Trommeltrocknern, zur Vermahlung werden. Walzenschüssel-, Kugelmühlen, ggf. Kollergänge eingesetzt. Die ausgangsfeuchten smektitischen Tonen bestimmter üblicher Ausgangskörnung werden bei bestimmter Temperatur- und Durchsatzführung in einer Trockeneinrichtung durch Feuchteabfuhr auf eine bestimmte Endfeuchte auf dem Weg der Verdampfungstrocknung getrocknet.

Nichtzementstabile Bentonite NBF ergeben zusammen mit Zement praktisch keine stabile Suspension bestimmter Viskosität, Fließgrenze und Filtrationseigenschaften. Die Haupteigenschaften zementsuspensionsstabiler Minerale wie Bentonite werden durch ihre Morphologie und Ladungsverteilung charakterisiert, wobei eine direkte Zuordnung dieser Eigenschaften zu ihren chemischen Bestandteilen nicht ohne weiteres gelingt, folglich die sicherste Analyse im empirischen Vorgehen mit Erproben im System liegt.

Zur Herstellung von Dichtwandmassen ist es gebräuchlich, Bentonit und Zement plus eventuell Zuschlägen wie z. B. Steinmehl oder Adsorbentien trockengemischt zu halten und zum Einsatz mit Wasser anzurühren (Komponentengemisch in Wasser- oder Einstufenverfahren ESTV). Alternativ werden Bentonit und Wasser vordispergiert, erst dann Zement eingerührt (Einkomponenten in Wasser- oder Zweistufenverfahren ZSTV).

Die im Dichtwandbau einschlägig eingesetzten Bentonite ZBF weisen qualitativ, insbesondere fundstättenmäßig, die oben dargelegte Zementstabilität auf.

Nichtzementstabile Bentontite NBF in Mischung mit jeweils verschiedenen Zementarten zeigen bekanntermaßen keinen einwandfreien Ablauf und entfallen bislang für die Dichtwandanwendung, und zwar unabhängig von der generell zumischbaren Zementart. Herkömmliche zementstabile Bentonite ZBF beschränken sich in Mischung auf bestimmte geeignete Zemente. (F steht bei NBF und bei ZBF jeweils als Kürzel für Fundstätte.)

Die heutigen Zementarten von Bedeutung unterscheiden sich im wesentlichen im Anteil von Hüttensand/Hochofenschlacke. Für Dichtwandmassen schlecht geeignete Zemente sind solche mit niedrigem Anteil von Hüttensand (ca. 50 bis 60%) sowie Portlandklinker (ca. 30%), gutgeeignete Zemente sind solche mit mehr als 75% Hüttensand bei geringem, ca. 2-3%igem Klinkeranteil. Nach dem Zementhandbuch ist der aus Zementklinker bestehende Portlandzement QA3 der am meisten hergestellte. Der speziell für Unterwasserabbindung abgestimmte Hochofenzement QA2, zum Beispiel HOZ 35 L, enthält über 60% Hochofenschlacke; beim Normzement Traßzement ist äquivalent zum Hüttensand Traß enthalten.

Der getrennt nicht gehandelte Zement QA1 mit Hochofenschlackenanteil von 20-80% für den einen Ansatz und von 30-60% für den anderen Ansatz in der Trockenmischung mit zementstabilen Bentonit ZBF wird gemäß DE 36 33 736 A1 zur Herstellung von Dichtwandmassen nach dem Einstufenverfahren ESTV eingesetzt. Für das Zweistufenverfahren ZSTV eignen sich der vorgenannte Zement QA1 nach DE 36 33 736 A1 sowie der Hochofenzement QA2; allerdings wiederum nur in Bezug auf die bekannten zementstabilen Bentonite ZBF. Ungeeignet stellen sich Portlandzement QA3 bei den Verfahren ESTV; ZSTV und Hochofenzement QA2 beim Verfahren ESTV dar.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe ist, eine Dichtwandmasse aus aufbereitetem Tonmineral mit verschiedenen Zementarten bereitzustellen. Die Lösung der Aufgabe ist im Hauptanspruch angegeben. Die Unteransprüche geben Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Dichtwandmasse wieder.

Mit einem schockgetrockneten, speziell vermahlenen und dadurch mikroporös gewordenen Fein/ Feinstgrieß ZBFM aus lagerstättenbedingt zementstabilen Bentonit ZBF können Dichtwandmassen mit eigentlich dafür nicht geeigneten Zementen, z. B. QA3, hergestellt werden. Der Feinstgrieß NBFM aus lagerstättenbedingt nichtzementstabilen Bentonit NBF wandelt sich zu einer Qualität, wie sie der lagerstättenbedingt zementstabile Bentonit ZBF ursprünglich aufweist. (M steht jeweils als Kürzel für Mikroporosität.)

Der angewendete mikroporöse Feingrieß ZBFM; NBFM weist in der Trockenmischung mit Zement eine Lagerstabilität auf, bei der von mindestens sieben Tagen ausgegangen werden kann, wobei unterhalb von ca. 30 Tagen auch keine Werteveränderung eintritt. Der Grieß zeichnet sich dadurch aus, daß das Partikel mit seiner geringen Oberfläche wenig Angrifffür den reaktiven Zement bietet und die innere Oberfläche aufgrund großer Mikroporosität schnellen Dispergierablauf gewährleistet.

Als Vorteil der zugrundeliegenden Aufbereitung des Feingrießes ZBFM; NBFM zeigt sich, daß die Schnittverhältnisse hoch liegen, d. h. die Grießfraktion einen hohen Massenanteil erreicht, jedoch eng verteilt bleibt. Der Feingrieß weist günstige Eigenschaften auf hinsichtlich seiner Quelleigenschaften, leichten Dispergierbarkeit, was die Aufteilung in die Primärteilchen des Tones in Wasser betrifft, hohes Adsorptionsvermögen, Pulverfluidität und Lagerstabilität.

Für den Vermahlungsprozeß gelten:
Eingangskörnung ca. 5-20 mm;
Grießkorn nach Vermahlung ca. 0,025-0,1 mm.

Die Dichte des herstellungsgemäßen Grießes beträgt ca. 0,9 bis 1,2 kg/l. Der Wassergehalt beläuft sich auf 7-12%. Für den Na₂O-Gehalt gelten 0,5-3,5%. Die angegebenen Bereiche sind Nennbereiche, engere Bereichswerte sind jeweils eingeschlossen, ebenso sind Werte außerhalb der Bereichsgrenzen z. B. durch geeignete verfahrenstechnische Maßnahmen realisierbar.

Der Trocknungsprozeß für das Feinmineral ZBFM; NBFM wird mit hoher Trockengeschwindigkeit, vergleichbar mit einer Schocktrocknung, geführt, wobei im wesentlichen folgende Parameterwerte zugrundezulegen sind:

- Eingangswert Gruben, -Lagerfeuchte 30-42%;
- Restfeuchte 16-22%;
- Verdampfungsleistung min. 0,2 kg Wasser/(kg Bentonit und min);
- bei Gleichstromtrocknung Eingangstemperatur ca. ab 300-700 Grad C (Trommeltrockner)
- bei Mühlentrocknung ab 40 bis ca. 110 Grad C bei hoher Luftmenge,
- bei Querstromtrocknung ab 100-300 Grad C;
- Ausgangstemperatur kleiner/gleich 85- Grad C.

Die innere Guttemperatur soll möglichst 60 Grad C für längere Zeit nicht überschreiten, um irreversible Veränderungen in der Morphologie des Minderals zu vermeiden.

Vermahlung und Trocknung können sowohl in einer geeigneten Mühle, z. B. J einer Ultrarotormühle, kombiniert als auch stufig durchgeführt werden. Die Verweilzeit in der Mühle ist kürzest einzustellen, so daß die gewünschte Mahlfeinheit ohne zu lange Einwirkung auf das Partikel erreicht wird, was einen niederen Kreislauffaktor impliziert. Eine Pulverfeinheit, die in der Größenordnung der Mikroporosität liegt, ist auch wegen der Gefahr der Übertrocknung bei gleichzeitiger Morphologiezerstörung zu vermeiden. Bei zweistufiger Trocknungsführung/Trocken mahlungsführung ist eine Übertrocknung in der vorgeschalteten Trocknungssstufe aus den vorgenannten Gründen ebenfalls zu vermeiden. Die Minimalfeuchtigkeit vor Eintritt in die Mahltrocknung sollte 16% nicht unterschreiten. (Sämtliche Angaben von Feuchtigkeitswerten beziehen sich nach DIN bezüglich Ofentrocknung bei 105 Grad C bis Gewichtskonstanz.) Die obigen Werte sind selbstverständlich bedingt variierbar.

Der Nachweis der Mikroporosität stützt sich praktisch auf die Oberfläche, hat jedoch theoretisch Gültigkeit für das ganze Korn.

Üblicherweise wird das Mahlgut durch Sichtung in oder direkt nach der Mühle aufgetrennt in den Anteil mit gewünschter Kornfeinheit und das noch zu grobe, wieder rückzuführende Material. Dadurch befindet sich letzteres in einem unbestimmt langen Kreislauf. Bei einem dem Mahlvorgang überlagerten Trocknungsvorgang wird das zirkulierende Material übermäßig getrocknet, was bei smektitischen Tonen zur Folge hat, das diese übertrocknete Teilfraktion nicht mehr genügend in Wasser dispergierbar/ benetzbar ist und in den wichtigsten Anwendungsgebieten untauglich wird. Bei Führung in der Ultrarotormühle wird das Material aufgesplittet, und das grobe, ansonsten rezirkulierende Material der Nutzfraktion zugeordnet, siehe die Grobfraktion bis 0.1 mm.

Drehzahl, Anzahl und Ausbildung der Mahlkörper zusammen mit den Mahlbahneigenheiten bestimmen den Schnitt. Es ist das Ziel, gobes Spritzkorn zu vermeiden, das der Wiedervermahlung im Kreislauf bedarf.

Das dargestellte Feinmineralpulver ZBFM ist herstellablauffähig für Dichtwandmassen bezüglich der Zementarten QA1, QA2 im Einstufen (ESTV)- sowie im Zweistufenverfahren (ZSTV), die Gängigkeit liegt auch für Portlandzement, Zementart QA3, im Zweistufenverfahren vor. Feinmineralpulver NBFM - aus fündstättenbedingt nichtzementstabilen Bentonit NBF gewonnen - eignet sich wie ein herkömmlich zementstabiler Bentonit ZBF für den Dichtwandbau, wie oben im Zusammenhang mit den Mischverfahren und Zementarten für den Stand der Technik dargelegt. Die Bentonitqualität NBF wird somit auf die Verarbeitungsstufe ZBF in Form des ZBFM gehoben. Das dargestellte Feinmineralpulver ZBFM; NBFM eignet sich zur Zementvergütung bei Estrich- und Spritzbeton.

Es folgt eine Darstellung der erfindungsgemäßen Dichtwandmasse mit dem hierfür aufbereiteten Tonmineralpulver anhand von Meßprotokollen. Es zeigen:

- Tab 1: Kennwerte zur Zementstabilität verschiedener Proben;

- Tab 2: Kennwerte über Suspensionseigenschaften von in Wasser dispergierten Proben bezüglich des Zeitverlaufes;

- Tab 3: Kennwerte wie Tab.2, jedoch bezüglich Trocknungsverfahrens;

- Diagr. 1: Partikelgrößenverteilungsanalyse von handelsüblichem Bentonit;

- Diagr. 2: wie Diagramm 1, jedoch von erfindungsgemäßen Bentonit.

In Tab. 1 geben die jeweils mit B1 bzw. B2 bezeichneten Zeilen Meßwerte für die Rheologie von Dichtwandmassen an, die sofort nach Trockenmischen von Zement und Bentonit mit Wasser hergestellt werden, im Vergleich zur Trockenmischungen, die vor Herstellung der Dichtwandmasse sieben Tage trocken gelagert waren. Die Zeile B 1 bezieht sich auf den erfindungsgemäß hergestellten Bentonit J27, B2 hingegen auf dasselbe Ausgangsmaterial J29, das auf denselben Maschinen, jedoch in herkömmlicher Verfahrensweise, hergestellt wurde. Das Material J27 zeigt beim Vergleich der Werte in den Spalten unter "Sofort" und "7d" nahezu unveränderte Werte, was die erhöhte Lagerstabilität beweist. Das Material J 29 erreicht nicht die geforderte Verarbeitungsviskosität, siehe Marsh-Zahl und Fließgrenze, und verliert sogar durch Lagerung sein ursprüngliches Viskositätenniveau.

Tab. 2 ist ähnlich wie Tab. 1 aufgebaut, sie bezieht sich jedoch auf die Rheologie des Tonmaterials in Wasser dispergiert ohne Zement. Die Zeile C1 gibt die Verhältnisse vom herkömmlich fein vermahlenen, schockgetrockneten, die Zeile C2 demgegenüber vom erfindungsgemäßen, jedoch grob vermahlenen und schockgetrockneten Tonmaterial wieder. Laut Zeile C2 wird ersichtlich, daß die Grießfraktion mikroporös ist, weil die zeitliche Entwicklung der Suspensionsrheologie von "Sofort" über "1h" nach "24h" im Vergleich zu den Werten in Zeile C2 die gleiche, sogar etwas höhere Geschwindigkeit zeigt. Zu erwarten wäre nämlich, daß bei Material nach Zeile C2 eine verzögerte Entwicklung der Suspensionsrheologie abläuft.

Tab.3 enthält dieselbe Darstellung wie Tab.2 bezüglich der zeitlichen Entwicklung der Suspensionsrheologie, wobei Zeile D1 das normal getrocknete und gemahlene Material und Zeile D2 das erfindungsgemäße Material betrifft. Unter normal getrocknet und gemahlen ist Vortrocknung bis, herunter auf 14% Feuchte und Mahltrocknung auf einer Walzenschüsselmühle bis 8% Restfeuchte zu verstehen. Aus Zeile D1 geht hervor, daß das Material als Schlitzwandbentonit nicht verwendbar ist, während das Material gemäß Zeile D2 ausgezeichnete, sehr hohe rheologische Werte zeigt, die gewöhnlich nur mit teuren ausgesuchten Bentoniten oder mittels Zuschlägen erzielbar sind.

Die Diagramme 1, 2 sind gleich aufgebaut. Sie enthalten jeweils eine Liste der untersuchten Korngrößendurchmesser XO/ mym gegenüber ihrem Anteil Q3 in Prozent am Gesamtvolumen aller Kornanteile. Diese Liste ist Basis für die Summenkurve der Volumenverteilung sowie Häufigkeitsverteilung der Korndurchmesser.

Beim Vergleich der Diagramme 1 und 2 ist erkennbar, daß handelsüblicher Bentonit, siehe Diagr. 1, in der. Korngröße breiter verteilt ist und einen hohen Feinanteil enthält, während das erfindungsgemäße Material, siehe Diagr. 2, im wesentlichen ohne Feinanteil eng verteilt mit einem Maximum bei 0,06 mm beschaffen ist. Aus Zeile A1/Diagr. 1 bzw. Zeile A2/Diagr. 2 sind Werte zur spezifischen Oberfläche pro Kornvolumen entnehmbar. Dabei zeigt sich die unterschiedliche Feinheit im Wert 0,63 m²/cm³; siehe Zeile A1, gegenüber dem Wert von 0,36 m²/cm³, siehe Zeile A2.

Claims

1. Dichtwandmasse aus einem Feinmineralpulver, getrocknet und vermahlen aus grubenfeuchten smektitischen Tonen wie insbesondere natürlichvorkommende Na-Bentonite, alkalisch aktivierte Ca-Bentonite sowie aktivierte Mixed-Layer-Tone, vorliegend mit spezifischen Materialgrößenwerten, in Mischung mit einem hydraulischen Bindemittel, das ein normmäßiger oder anwendungstechnisch formulierter Zement ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Feinmineralpulver (NBFM; ZBFM) in einem wesentlichen Korngrößenbereich bis 0,1 mm, einer Dichte von 0,9 bis 1,2 kg/l, einem Wassergehalt 7-12%, einem Na₂O-Gehalt von 0,5 bis 3, 5%, einer spezifischen Oberfläche pro Kornvolumen von im wesentlichen 0,25 bis 0,5 m²/cm³ vorliegt, aus dem Bentonit durch Schocktrocknung in mikroporösen Zustand verbracht besteht, der Zement (QA1; QA2; QA3) Hüttensand- bzw. Hochofenschlacken- oder Traßanteil sowie Portlandklinkeranteil aufweist und nach dem Ein(ESTV)- oder Zweistufenverfahren(ZSTV) mit dem Feinmineralpulver (NBFM; ZBFM) angemischt wird.

2. Dichtwandmasse nach Anspruch 1 mit dem Feinmineralpulver (NBFM) aus lagerstättenbedingt nicht zementstabilen Bentonit (NBF) in Mischung mit Zement (QA1) bei den Verfahren (ESTV; ZSTV) sowie mit Zement (QA2) beim Zweistufenverfahren (ZSTV).

3. Dichtwandmasse nach Anspruch 1 mit dem Feinmineralpulver (ZBFM) aus lagerstättenbedingt zementstabilen Bentonit (ZBF) in Mischung mit jeweils einem der Zemente (QA1; QA2) bei den Verfahren (ESTV; ZSTV) sowie mit dem Zement (QA3) beim Zweistufenverfahren (ZSTV).

4. Dichtwandmasse nach Anspruch 1 aus dem Feinmineralpulver (NBFM; ZBFM) im Korngrößenbereich von 0.02 bis 0.1 mm.

5. Dichtwandmasse nach Anspruch 1 aus dem Feinmineralpulver (NBFM; ZBFM), bei dem der Korngrößenbereich den in einem Mühlendurchgang erzeugten Feinstkornbereich mitumfaßt.

6. Dichtwandmasse nach Anspruch 1 aus dem Feinmineralpulver (NBFM; ZBFM) bei einem Trocknungsverlauf mit wenigstens einem der folgend angegebenen Merkmale:

1. die Feuchteabfuhr erfolgt schnell bei geringer Verweilzeit, bei geringer Guttemperatur unter Sprengung sowie Lockerung der ursprünglichen Mikrostruktur durch Schocktrocknung;
2. Trocknung des grubenfeuchten Tonmaterials von der Ausgangsfeuchte von 30-42% auf die Endfeuchte von 7-12% bei einstufigem Trocknungs- und Vermahlungsvorgang;
3. Trocknung von der Ausgangsfeuchte von 30-42% auf eine Zwischenfeuchte von 16-22% in einer Vortrocknungsstufe und anschließend auf die Endfeuchte von 7 bis 12% im nachgeordneten Trocknungs- und Vermahlungsvorgang;
4. Trocknung derart, daß die Guttemperatur bezüglich der inneren Partikeltemperatur im wesentlichen 60°C nicht überschreitet;
5. Trocknung bei einer, Verdampfungsleistung von minimal 0,2 kg Wasser pro kg Bentonit und Minute;
6. Trocknung durch Gleichstromtrocknung bei einer Eingangstemperatur von 300-700°C und einer Ausgangstemperatur kleiner/gleich 85°C; -Trocknung durch Querstromtrocknung bei einer Eingangstemperatur von 100-300°C und einerAusgangstemperatur kleiner/gleich 85°C;
7. Trocknung durch Mühlentrocknung ab 80°C bei hoher Luftmenge und einer Ausgangstemperatur kleiner/gleich 85°C;
8. Trocknung mit kombiniertem Vermahlungsvorgang in einer Ultrarotormühle, die auf einen Korngrößenbereich von 0,02 bis 0,1 mm eingestellt ist;
9. Trocknung mit der Ausgangskörnung im Bereich 5 bis 20 mm.