DE2015853C3 - Zementartiges Produkt mit in einer Zementmatrix verteilten, alkalisch beständigen Glasfasern - Google Patents
Zementartiges Produkt mit in einer Zementmatrix verteilten, alkalisch beständigen GlasfasernInfo
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Description
In der Bautechnik wurde viele Jahre lang Asbest als Faserverstärkungs- bzw. -bewehrungsmaterial in
zementartigen Produkten, wie Asbestzement-Rohren und -Dachplatten, eingesetzt. Zwar sind Asbestzement-Produkte
für viele Zwecke ungeeignet, jedoch wurde bisher ein brauchbarer Ersatz nicht gefunden.
Auch der Ersatz durch Glasfasermaterialien hat nicht immer Produkte mit zufriedenstellender Festigkeit und
Dauerhaftigkeit ergeben. Beispielsweise hat es sich gezeigt, daß die stark alkalische Umgebung, besonders
in Produkten auf der Grundlage von Portlandzement, Glasfasern zum Zerfall bringen kann. Es wurde daher
angenommen, daß solche Fasern nicht als Verstärkungsmaterialien anwendbar sind, ohne Schutzmaßnahmen
durchzuführen, die jedoch eine beträchtliche Kostenerhöhung der Verbundstoffe bewirken.
In der BE-PS 7 19 005 werden Glaszusammensetzungen mit SiO2 als Hauptbestandteil beschrieben,
die auch Alkali- und Erdalkalimetalloxide enthalten. Fasern aus diesen Zusammensetzungen können als
Verstärkung für Zementmaterialien verwendet werden, jedoch besteht immer noch ein Bedürfnis nach
besonders festen und dauerhaften, glasfaserverstärkten Zementprodukten.
Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung von besonders festen und dauerhaften, glasfaserverstärkten
bzw. bewehrten zementartigen Produkten, in denen die Glasfasern besonders alkaliresistent sind.
Diese Aufgabe wird durch den in den Ansprüchen gekennzeichneten Gegenstand gelöst.
Die im erfindungsgemäßen zementartigen Produkt enthaltenen, alkalisch beständigen Glasfasern weisen
eine solche Alkalibeständigkeit auf, daß bei Prüfung in Form einer »abgeschliffenen« bzw. Abriebkräften
unterlegenen Faser mit einer Länge von 6,4 cm und einem Durchmesser von 1,0 bis 2,5 χ 10~3cm nach
4stündiger Behandlung mit gesättigter, wäßriger Ca(OH)2-Lösung bei 100°C, und anschließendem Waschen
bei Umgebungstemperatur nacheinander mit Wasser, dann 1 Min. mit wäßriger Salzsäure (1%),
Wasser und Aceton und anschließendem Trocknen, die Faser eir.e Zugfestigkeit von mindestens etwa
70 kg/mm2 hat, wobei eine Durchmesserreduktion der Faser während der Prüfung nicht über 10% liegt.
Vorzugsweise haben solche Fasern bei der Prüfung nach der vorgesehenen Behandlung eine Zugfestigkeit von
mindestens etwa 140 kg/mm2.
Bei Produkten auf Grundlage von Portlandzement ergeben Fasern mit einem Durchmesser von etwa 1,0 bis
2,5 χ IO-3cm eine ausgezeichnete Verstärkung. In der
Praxis ist es besonders bequem, kurze Fasern mit einer Länge von bis zu etwa 10cm, z.B. solche mit einer
Länge in der Größenordnung von 6'/2cm, zu verwenden.
Zur Herstellung von Verbundstoffen außergewöhnlicher Festigkeit und Dauerhaftigkeit wird ein SnO2-Gehalt
des Glases von mindestens 8 Gew.-°/o bevorzugt.
In der Praxis sind Glaszusammensetzungen besonders zweckmäßig, die mindestens 55 Gew.-°/o SiO2 und
einen Netzwerk-Modifizierer enthalten, der vorzugsweise Na2O ist, aber auch alternativ von K2O oder CaO
oder Mischungen dieser drei Oxide gebildet werden kann. Zum Beispiel führen Gläser mit einem Gehalt von
55 bis 80 Gew.-% an SiO2, IO bis 30 Gew.-% an Na2O
und 8 bis 18 Gew.-% an SnO2, vorzugsweise von 70 bis
w) 80 Gew.-o/o an SiO2, 10 bis 14 Gew.-% an Na2O und 10
bis 16 Gew.-% an SnO2, zu sehr zufriedenstellenden Materialien.
Wenn gewünscht, können die Gläser gemäß der Erfindung auch ein oder mehrere zusätzliche Oxide als
bi Flußmittel oder als partiellen Ersatz des glasbildenden
Bestandteils oder Netzwerk-Modifizierers enthalten, wobei die Gesamtmenge an zusätzlichem Oxid oder
zusätzlichen Oxiden IO Gew.-% und vorzugsweise 5
Gew.-tyb nicht überschreitet Zum Beispiel kann das SiO2
zu einem kleineren Teil durch AI2O3 ersetzt sein.
Zur Erleichterung des Schmelzens und der folgenden Faserbildung können auch Flußmittel-Oxide in Mengen
im Bereich von 1 bis 10 Gew.-% vom Gesamtgewicht der anderen Komponenten derOxidmischung vorgelegt
werden. Beispiele für zwei solche Oxide sind Li2O und
La2Oj, wobei man diese vorzugsweise in Mengen im
Bereich von 1 bis 3 Gew.-% einsetzt
Bei der Verstärkung einer zementartigen Matrix bei Temperaturen über Raumtemperatur ist es darüber
hinaus erwünscht, daß die Fasern Ober Beständigkeit gegen Angriff durch Ca(OH)2 hinaus eine Beständigkeit
gegen Angriff durch Alkalihydroxide zeigen. Diese Beständigkeit kann, ähnlich der oben erwähnten
Prüfung auf Ca(OH)2-Angriff, folgendermaßen geprüft werden:
Man setzt eine Glaseinzelfaser mit einem Durchmesser im Bereich von 1,0 bis 2$ χ 10~3cm und einer
Länge von 6,4 cm 1V2 Std. bei 10O0C dem Angriff von
1 η Natronlauge aus, worauf die Faser aus der Lösung bei Raumtemperatur entnommen, dreimal mit destilliertem
Wasser, dann '/2 Min. mit verdünnter (l%iger)
Salzsäure, hierauf mehrmals mit destilliertem Wasser und schließlich zweimal mit Aceton gewaschen und
getrocknet und dann auf ihre Zugfestigkeit bestimmt wird, indem man, z. B. mit einem üblichen Zugfestigkeitsprüfer,
die Bruchlast mißt und den Faserdurchmesser mittels eines optischen Mikroskops schätzungsweise
bestimmt. jo % Eine Glasfaser mit einer Zugfestigkeit von mindestens
70 und vorzugsweise mindestens 140 kg/mm2 nach κ' der Prüfung und mit einer Durchmesserreduktion bei
der Prüfung von nicht über 10% besitzt die Eigenschaften, um eine Bewehrung bzw. Verstärkung der
zementartigen Matrix auch bei über Umgebungstemperatur liegenden Temperaturen zu ergeben.
Als Beispiele sind nachfolgend vasern aus typischen Gläsern beschrieben, deren Alkalibeständigkeits- Eigenschaften
und die Eigenschaften von mit ihnen erhaltenen Zementverbundstoffen in den Tabellen I bis
V beschrieben sind.
Aus Gläsern der Zusammensetzung nach Tabelle I, bei der die Rußmittelmenge als Prozentsatz des
Gesamtgewichts von SiO2, Na2O und SnO2 ausgedrückt
ist, wurden Einzelfäden mit einem Durchmesser im Bereich von 1,0 bis 13 cm χ 10~3 gezogen. Ein Faden aus
jedem Glas wurde nach der oben beschriebenen Methode unter Einsatz von Ca(OH)2 als Alkali auf seine
Alkalibeständigkeit geprüft. Die Ergebnisse nennt die Tabelle II.
Bei der Ermittlung der Eignung von Glasfasern zur Verstärkung zementartiger Matrix erweist sich auch
eine Untersuchung des Verhaltens der Fasern in einer Zementeffluatlösung bei verschiedenen Temperaturen
und in verschiedenem Alter als instruktiv. Die genaue Zusammensetzung der beim Mischen von Portlandzement
mit Wasser gebildeten Lösungsphase variiert stark mit Zementen aus verschiedenen Quellen, aber
laboratoriumsmäßig läßt sich ein künstliches Analogon bo
einer solchen Lösung mit ähnlichen lonenkonzentrationen an Na+ und K+ herstellen, wie sie in der
Lösungsphase durchschnittlicher Portlandzemente zu finden sind. Wenn man diese Lösung dann in bezug auf
Ca(OH)2 sättigt, gibt sie ungefähr die Zusammensetzun- b=,
gen der Lösungsphase einer Portlandzement-Aufschlämmung bezüglich der Konzentrationen an Hydroxiden
wieder.
Die Tabelle IH nennt die Werte, die für die Beständigkeit bei 8O0C an Fäden bei der oben
beschriebenen Prüfung unter Einsatz, einer »Zementeffluat«-Lösung
der Zusammensetzung
Alkali
Konzentration
g/l
g/l
NaOH | 0,88 |
KOH | 3,45 |
Ca(OH)2 | 0,48 |
(die im wesentlichen die Hydroxidzusammensetzung der Lösungsphase einer Portlandzement-Aufschlämmung
bei 8O0C wiedergibt) an Stelle von Alkalihydroxid erhalten wurden, wobei die Fäden Durchmesser im
Bereich von 1,0 bis 13 χ 10~3 cm aufwiesen.
Die Tabelle IV nennt vergleichbare Alkalibeständigkeits-Prüfungsergebnisse
für Fäden bei Verwendung der oben beschriebenen 1 η Natronlauge als Alkali,
wobei die Fäden wiederum Durchmesser im Bereich vonl,0bisl3 χ 10~3cmhatten.
Die in diesen Tabellen genannten Zugfestigkeitswerte sind unter Verwendung der von R. S. G i 11 e 11 und A. J.
Majumdar, in »Current Paper« Nr.26/68 (März 1968), herausgegeben von der Building Research
Station, Bucknalls Lane, Garston, Watford, Hertfordshire, England, in einem Aufsatz »Apparatus for testing
tensile strengths of corroded glass fibres« beschriebenen Vorrichtung bestimmt worden.
Zur Herstellung des erfindungsgemäßen zementartigen Produkts arbeitet man die Glasfasern in eine
zementartige Matrix ein. Die Herstellung der Zement-Faser-Verbundkörper kann unter Einsatz von
Stapelglasseide oder anderen fasrigen Formen des Glases, z. B. Glaswolle, erfolgen. Nach einer bevorzugten
Arbeitsweise zur Bildung von faserverstärkten Verbundstoffen auf Zementgrundlage wendet man zu
Anfang zur gleichmäßigen Dispergierung der Fasern ein hohes Verhältnis von Wasser zu Feststoff an und
entfernt das überschüssige Wasser nach dem Pressen durch Absaugen. Verwickelte Formlinge lassen sich
erzeugen, indem man Zementaufschlämmung und Glasfaser auf der Oberfläche von perforierten, an eine
Vakuumpumpe angeschlossenen Formen sprühmischt.
Nach dieser Methode sind unter Einsatz nichtüberzogener Einzelfasern aus den obengenannten Gläsern
und Portlandzement Verbundkörper von 10,2 χ 2,5 χ 0,6 cm hergestellt worden, wobei der
Anteil an Glasfaser in den Verbundstoffen 0,5 g Glas auf ungefähr 30 g Zement entsprach und das Verhältnis von
Wasser zu Zement in der Aufschlämmung ursprünglich 0,8 betrug und dann nach dem Absaugen auf 0,3 absank.
Die Glasfasern von 10,2 cm Länge wurden während des Gießens von Hand in die Spannungszone dieser
Verbundkörper eingebracht, wobei eine perforierte Form eingesetzt und das überschüssige Wasser
abgesaugt wurde. Nach dem Entformen wurden die Verbundprüflinge in einem Raum konstanter Temperatur
(18° C) und konstanter Feuchte (90% relative Feuchte) gelagert. Die Prüflinge wurden in verschiedenem
Alter auf die Biegefestigkeit untersucht.
Die Tabelle V nennt die Biegefestigkeits-Ergebnisse Hei mit Fasern aus Glas Nr. 1 verstärkten Portlandzement
■ Verbundkörpern. Die Herstellung der Verbundstoffe und die Prüfbedingungen entsprachen der
Beschreibung in der DE-OS 15 % 926.
5 |
Glasanalyse, Gew.-%
SiO2 Na2O SnO2 |
16,0
10,0 10,0 14,0 16,0 |
Tabelle III |
Flußmittel,
Gew.-% (bezo gen auf Glas) Li2O La2O3 |
Zugfestigkeit
1 Woche |
Tabelle | 2,0 | 20 | 15 | 853 | 6 | II |
Durchmesser
reduktion |
|
70,0 14,0
80,0 10,0 77,0 13,0 74,0 12,0 70,0 14,0 |
1,0
1,0 1,0 1,0 |
77 | Tabelle | 7-Prüfung | 3-6 | |||||||||
Tabelle I | 91 | Ca(OH) |
Zugfestigkeit nach Durchmesser-
dcr Prüfung reduktion kg/mm2 % |
4-5
2-3 3-4 |
||||||||||
Zementeffluatprüfung | - |
Pristine-
Zugfestig- keit kg/mm" |
5 | Glas Nr. |
176 1,0
169 <l,0 141 <I,0 162 <l,0 155 <l,0 |
|||||||||
Glasfaser-Zusammensetzungen | Glas Nr. | - |
225
190 204 218 225 |
10 |
1
2 3 4 5 |
|||||||||
Glas-
Nr. |
1 | 106 | ||||||||||||
1
2 3 4 5 |
2 |
Durchmesser-
24 Wochen reduktion nach 2 Wochen |
||||||||||||
3 |
, kg/mm2, nach
2 Wochen |
4 Wochen | 49 | |||||||||||
4 | 56 | 35 | 49 1,0 | |||||||||||
5 | 70 | 77 | <l,0 | |||||||||||
84 | 84 | <l,0 | ||||||||||||
74 | - | 1,0 bis 2,0 | ||||||||||||
98 | 70 | |||||||||||||
IV | ||||||||||||||
NaOH-Prüfung | ||||||||||||||
Glas-Nr. | ||||||||||||||
1 |
Zugfestigkeit,
kg/mm2 nach der Prüfung |
|||||||||||||
3
4 5 |
155 | |||||||||||||
141
141 148 |
||||||||||||||
Glas-Nr.
in Wasser in Wasser in Luft
Nach 90 Tagen
in Wasser in Luft
Nach 6 Monaten in Wasser in Luft
Nach I Jahr
in Wasser in Luft
402
499
475
432
475
355
422
Claims (10)
1. Zernentartiges Produkt mit in einer Zementmatrix verleihen, alkalien beständigen Glasfasern, die
SiO; als glasbildenden Hauptbestandteil und Alkalioder Erdalkalimetalloxid oder ZnO enthalten,
dadurch gekennzeichnet, daß die Glasfasern zusätzlich mehr als 5 Gew.-% an SnCb
enthalten.
2. Zementartiges Produkt nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen SnC>2-Gehalt des Glases
von mindestens 8 Gew.-%.
3. Zementartiges Produkt nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen SiC>2-Gehalt des Glases
von mindestens 55 Gew.-%.
4. Zementartiges Produkt nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet
durch einen Gehalt des Glases von 55 bis 80 Gew.-% an SiO2, 10 bis 30 Gew.-% an Na2O und 8 bis 18
Gew.-% an SnO2.
5. Zementartiges Produkt nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch einen Gehalt des Glases von
70 bis 80 Gew.-% an SiO2,10 bis 14 Gew,-% an Na2O
und 10 bis 16 Gew.-% an SnO2.
6. Zementartiges Produkt nach einem oder
mehreren der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch einen Gehait des Glases an einem oder
mehreren zusätzlichen Oxiden als Flußmittel oder partieller Ersatz des glasbildenden Bestandteils oder
Netzwerk-Modifizierers, wobei die Gesamtmenge an dem oder den zusätzlichen Oxid(en) 10 Gew.-%,
vorzugsweise 5 Gew.-%, nicht überschreitet
7. Zementartiges Produkt nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet
durch einen Gehalt des Glases an Li2O oder La2O3
als Flußmittel in einer Menge von 1 bis 3 Gew.-%.
8. Zementartiges Produkt nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet
durch einen Gehalt an Portlandzement als Zement.
9. Zementartiges Produkt nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet
durch einen Gehalt an Faser von 1 bis 2V2 χ 10~3cm Durchmesser als Glasverstärkung
bzw. -bewehrung.
10. Zementartiges Produkt nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet
durch einen Gehalt an Faser mit einer Länge von bis zu 10 cm.
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