DE2155825A1

DE2155825A1 - Portlandzement enthaltendes Gemisch

Info

Publication number: DE2155825A1
Application number: DE19712155825
Authority: DE
Inventors: Theodor Milton Emmaus Pa. Houseknecht (V.StA.)
Original assignee: Fuller Co
Current assignee: Fuller Co
Priority date: 1970-11-12
Filing date: 1971-11-10
Publication date: 1972-05-18
Also published as: CA946427A; FR2114404A5; GB1356619A; US3649317A

Description

PATENTANWALT DIPL-ING.

HELMUT GÖRTZ 9. November 1971 6 Frcnkiur? am Main 70 Schnecken!»!*. 27- T«L 61707V

Fuller Company, 124 Bridge' Street, Catasauqua, Pennsylvania, USA

Portlandzement enthaltendes Gemisch

Üblicher, ·aus Portlandzement hergestellter Beton schrumpft in der Regel während des Erhärtens. Die Schrumpfung beruht auf der chemischen Verbindung des Wassers mit den Zementkörnern, was eine Verringerung des Volums des Betons bewirkt. Praktisch alle aus Portlandzement hergestellten Betone schrumpfen in einem gewissen Ausmaße. Diese Schrumpfung kann zu Sprüngen in der Oberfläche führen; wenn die Zugfestigkeit des Betons überschritten ist, so können die Sprünge sogar tief in den Beton eindringen.

Um diese Rißbildung zu vermeiden, die beim Schrumpfen des Betons entsteht, sind verschiedene sich ausdehnende Zemente entwickelt worden, durch welche die Schrumpfung kompensiert wird. Derartige sich ausdehnende Zemente können für verschiedene Zwecke angewendet werden. Einer dieser Verwendungszwecke ist die Herstellung von Betonplatten. Bei der Ausdehnung des Zements wird ein Druck auf die Plattenformen ausgeübt, nachdem die Erhärtung des Betons begonnen hat. Eine zusammendrückende Kraft wird auf den Beton ausgeübt auch nach Entfernung der Formen. Da Beton eine verhältnismäßig hohe Druckfestigkeit hat, kommt es selten vor, daß Sprünge entstehen, solange der Beton unter Druck steht.

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Sich ausdehnende Zemente sind ferner verwendet worden bei vorgespannten Betonen. Der sich ausdehnende Zement verursacht eine Spannung der Stahlarmierung in dem Beton. Sich ausdehnende Zemente sind besonders wertvoll beim dreidimensionalen Vorspannen.

Sich ausdehnende oder die Schrumpfung kompensierende Zemente sind beispielsweise nach der USA-Patentschrift 3 155 526 bekannt. Dieser sich ausdehnende Zement enthält Klinker von üblichem Portlandzement im Gemisch mit besonderen Klinkern, die einen hohen Gehalt an Aluminiumoxyd haben. Diese besonderen Klinker können in Mengen von 1o bis 2o % mit dem Portlandzement gemischt werden, um eine Ausdehnung in verschiedenem Ausmaß'e zu bewirken. Der Nachteil dieses sich ausdehnenden Zementes besteht darin, daß dem Beton ein Fremdstoff zugegeben wird.

Es sind auch noch andere sich ausdehnende Zemente entwickelt worden, die aber ebenfalls den Nachteil haben, daß dem Beton ein Fremdstoff zugesetzt wird. Diese bekannten sich ausdehnenden Zemente erfordern auch die Verwendung besonderer Stoffe und sind daher teuer. Die besonderen Stoffe müssen genau geregelt und abgemessen werden. Selbst bei einer solchen genauen Regelung ist die Ausdehnung häufig unregelmäßig und nicht vorhersehbar.

Mit dem Ausdruck "die Schrumpfung kompensierende Zemente" sollen nachstehend solche Zemente bezeichnet werden, durch welche eine geringere Schrumpfung als bei üblichen Zementen bewirkt wird, welche beim Erhärten ihr Volumen nicht verändern, und welche sich während des Erhärtens ausdehnen.

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Die wesentliche Aufgabe der Erfindung ist ein die Schrumpfung kompensierender Zement, der billig hergestellt v/erden kann und nicht die Nachteile der bekannten die Schrumpfung kompensierenden Zemente aufweist. Ein weiteres Ziel der Erfindung ist ein die Schrumpfung kompensierender Zement, durch welchen dem ausgehärteten Zement keine Fremdstoffe zugeführt werden. Noch ein weiteres Ziel der Erfindung ist ein die Schrumpfung kompensierender Zement, dessen Zusammensetzung leicht geregelt werden kann, und. aus welchem sich ein Beton herstellen läßt, der sich beim Erhärten entweder ausdehnt oder sein Volumen nicht ändert.

Diese Aufgaben werden von einem Portland enthaltenden Gemisch gelöst, welches eine bei Berührung mit V/asser sich ausdehnende Verbindung enthält, deren Teilchen mit einem in V/asser unlöslichen, in einer alkalischen Lösung löslichen Material überzogen sind.

Portlandzement schrumpft normalerweise beim Aushärten. Es ist erwünscht, dieses Schrumpfen zu vermeiden. Erfindungsgemäß kann das Schrumpfen kompensiert werden durch den Zusatz einer sich ausdehnenden Verbindung zu Portlandzement. Da dem Zement Wasser zugegeben wird, sollte die sich ausdehnende Verbindung bei Berührung mit Wasser mit diesem reagieren. Nach der Umsetzung mit dem Wasser sollte die sich ausdehnende Verbindung keinen Fremdstoff in dem Beton bilden.

Eine solche sich ausdehnende Verbindung ist Kalziumoxyd. Bei Zugabe von Wasser dehnt es sich aus, wobei sein Volumen um etv/a 2o % zunimmt.Bei"der Umsetzung von Wasser mit Kalziumoxyd entsteht kalziumhydroxyd, das ein normales Hydrationsprodukt von Kalziumsilikat, ist. Dieses bildet 7o bis 80 % des handelsübli-

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-liPortlandzements. Bei dem Zusatz von Kalziumoxyd zu Portlandzement werden also keine Fremdstoffe dem fertigen Beton zugeführt. Der Zusatz von Kalziumoxyd kann auch den Vorteil mit sich bringen, daß das entstandene Kalziumhydroxyd mit gewissen Formen von Siliziumdioxyd unter Bildung von Kalziumsilikat sich umsetzt. Das kann beitragen zu der Festigkeit des fertigen Betons.

Eine zweite gut brauchbare Verbindung ist Kalziumsulfat-Halb-P hydrat. Beim Mischen mit V/asser entsteht Gips, Kalziumsulfat mit zwei Kristallwassern. Da Gips ohnehin häufig dem Portlandzement zugesetzt wird, so werden hierbei ebenfalls keine Fremdstoffe dem fertigen Beton zugeführt. Allerdings dehnt sich Kalziumsulfat-Halbhydrat nur etwa halb so viel aus, wie die gleiche Menge von Kalziumoxyd. Dieser Umstand muß berücksichtigt werden» wenn man die Menge der bei Berührung mit Wasser sich ausdehnenden Verbindungen zu dem Portlandzement bestimmt. Kalziumoxyd und Kalziumsulfat-Halbhydrat sind billig im Vergleich mit den bekannten sich ausdehnenden Zusätzen zum Zement.

Um eine gute Verwendung zu gewährleisten, sollten die sich ausk dehnenden Bestandteile sich nicht gleich ausdehnen, wenn sie mit Wasser in Berührung kommen. Die größte Ausdehnung sollte innerhalb 24 bis 48 Stunden nach dem Mischen des Betons stattfinden. Nach diesen 24 bis 48 Stunden sollte der Beton hinsichtlich seiner Abmessungen stabil sein und sich nicht weiter ausdehnen oder nicht weiter schrumpfen. Da die oben genannten Verbindungen bei Berührung mit Wasser sich ausdehnen, ist es erforderlich, die Berührung zwischen diesen Verbindungen und Wasser zu verzögern, um sicherzustellen, daß der größte Teil der Ausdehnung zwischen der 24sten und der 48sten Stunde nach dem Mischen statt-

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findet. Erfindungsgemäß sind die Teilchen der sich ausdehnenden Verbindung mit einem in Wasser unlöslichen Material überzogen. Dieser Überzug verhindert die Berührung des Wassers mit der sich ausdehnenden Verbindung, bis der Überzug weggelöst ist. Dadurch wird die Ausdehnung des Zements verzögert.

Da bei der Zugabe von Wasser zu Portlandzement alkalische Verbindungen entstehen, ist es vorteilhaft, daß der Überzug in alkalischen Lösungen löslich ist. Bei Zugabe von V/asser zu dem Zement lösen die' entstandenen Alkalien-den Überzug. Nach dem Weglösen des Überzuges kommt das im Zement vorhandene Wasser in Berührung mit der sich ausdehnenden Verbindung, wodurch der Zement sich ausdehnt.

Ein brauchbares Material für diese Überzüge ist ein natürliches Harz, das unter dem Handelsnamen "Vinsol" vertrieben wird. Dieser Stoff ist löslich in Alkalien und unlöslich in Wasser, und hat den weiteren Vorzug, daß er in organischen Flüssigkeiten löslich ist. Diese letztere Eigenschaft der Löslichkeit in einer organischen Flüssigkeit erlaubt es, den Überzugsstoff bequem auf die Teilchen der sich ausdehnenden Verbindungen aufzubringen.

Der Überzug kann hergestellt werden dadurch, daß man das Material in einer organischen Flüssigkeit löst, z.B. in vergälltem Alkohol, und dann die bei Berührung mit Wasser sich ausdehnenden Verbindungen in die Lösung einrührt. Anschließend trocknet man die überzogenen Verbindungen. Nach anderen Verfahren kann man auch die Lösung auf die_; "Berührung mit Wasser sich ausdehnenden Verbindungen aufsprühen. Beim Arbeiten im Laboratorium ist es am zweckmäßigsten, die bei Berührung mit Wasser sich ausdehenden

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Verbindungen in die Lösung einzutragen, dann zu filtrieren und zu trocknen. Die Menge des Überzugsmaterials auf den Teilchen der bei Berührung mit Wasser sich ausdehnenden Verbindungen kann geregelt werden durch Änderung der Konzentration dieses Materials in der Lösung.

Versuche wurden so durchgeführt, daß man die bei Berührung mit Wasser sich ausdehnende Verbindung während fünf Minuten in einer Lösung von Vinsol in vergälltem Alkohol rührte, dann abfiltrierte und bei 1o5°C trocknete. Die so überzogenen Teilchen der bei Berührung mit Wasser sich ausdehnenden Verbindungen wurden mit Portlandzement gemischt und zwar in Mengen bis zu 2o Gewichtsprozent.

Versuchsmuster wurden aus der reinen Zementpaste, d.h. ohne Zusatz von Sand oder Kies, hergestellt. Der Wassergehalt der Versuchsmuster wurde möglichst genau bei 25 % gehalten. Nach dem Entfernen der Muster wurden sie einen Tag lang an feuchter Luft ausgehärtet. Dann wurden die Formen entfernt und die Längen ge-P messen. In Abständen von je einem Tage wurden weitere Längenmessungen vorgenommen. Für Vergleichszwecke wurden entsprechende Muster ohne Zusatz der sich ausdehnenden Verbindungen hergestellt.

Drei Umstände beeinflußten die Ausdehnung des Zements. Diese waren (1) die Menge der sich ausdehnenden Verbindungen im Gemisch mit dem Portlandzement, (2) die Dicke des Überzuges, und (3) das Aushärten entweder an feuchter Luft oder unter Wasser.

Durch Regelung der Menge der bei Berührung mit Was ear sich ausdehnenden Verbindungen kann das Ausmaß der Ausdehnung das gehärteten Betons geregelt werden. Hierbei können bis zu 2o Ge-

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wichtsprozent des fertigen Gemisches aus den überzogenen, bei Berührung mit V/asser sich ausdehnenden Verbindungen bestehen. Bei

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gleicher Dicke des Überzuges dehnte, em Gemisch aus Portlandzement und 1o Gewichtsprozent der überzogenen, bei Berührung mit Wasser sich ausdehnenden Verbindung nach einem Tage um etvra o,19 % sich aus, nach zwei Tagen um etwa o,2o % und nach zwölf Tagen um etwa o,23 %. Ein Gemisch aus Portlandzement und 5 Gewichtsprozent des Zusatzes dehnte sich nach einem Tage um etwa o,o7 96, nach zwei Tagen um etwa-0,08 % und nach zwölf Tagen um etwa o,13 % aus. Alle diese Muster wurden in gleicher Weise ausgehärtet. Nach zwanzig Tagen wurde keine Umkehrung der Ausdehnung festgestellt. Man sieht also, daß ein höherer Gehalt an der Berührung mit V/asser sich ausdehnenden Verbindungen eine größere Ausdehnung bewirkt, deren größter Teil während einer kurzen Zeit stattgefunden hatte.

Die Dicke des Überzuges beeinflußt ebenfalls das Ausmaß der Ausdehnung des Zementes. Die Überzugsdicke wurde dadurch geändert, dass größere oder kleinere Mengen des Harzes in dem Alkohol gelöst wurden. Die Konzentration der Lösung lag zwischen 1 und 5o %. In allen Fällen nahm mit der Konzentrationsabnahme der Lösung und damit mit der Dicke des Überzuges die lineare Ausdehnung des ausgehärteten Zementes zu. Ferner wurde festgestellt, daß bei dickeren überzügen die Ausdehnung langsamer stattfand. Das beruht vermutlich auf der Zeitdauer, die erforderlich ist, um den Überzug wegzulesen und damit dem Wasser Zutritt zu den sich ausdehnenden Verbindungen zu geben.

Die Wirkung der überzugsdicken wurde festgestellt bei Verwendung gleicher Mengen der überzogenen, sich bei Berührung mit V/asser ausdehnenden Verbindungen im Gemisch mit Portlandzement. Eine 1o?ä-ige Lösung von Vinsol in vergälltem Alkohol ergab eine Ausdehnung von etwa o,13 % nach einem Tage, von etwa o,1^ % nach

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zwei Tagen und von etwa o,19 % nach zwölf Tagen. Eine 1%-ige Lösung von Vinsol in vergälltem Alkohol ergab eine Ausdehnung von etwa o,26 % nach einem Tage, von etwa o,27 % in zwei Tagen und von etwa o,32 % in zwölf Tagen. Auch hierbei wurde nach zwanzig Tagen kein Rückgang der Ausdehnung festgestellt.

Durch Versuche wurde ferner festgestellt, daß beim Aushärten des Zementes unter Wasser eine weitgehende und schnellere Ausdehnung stattfindet, als beim Aushärten an feuchter Luft. Das beruht wahrscheinlich darauf, daß größere Mengen von Wasser verfügbar sind für die Umsetzung mit der sich ausdehnenden Verbindung. Beim Zusatz von 1o Gewichtsprozent der sich ausdehnenden Verbindung wurde beim Aushärten unter Wasser nach einem Tage eine Ausdehnung von etwa o,18 %_t nach zwei Tagen eine Ausdehnung von etwa o,2o % und nach zwölf Tagen eine Ausdehnung von etwa o,23 % festgestellt. Dasselbe Gemisch ergab beim Aushärten in feuchter Luft nach einem Tage eine Ausdehnung von etwa o,o3 %_t nach zwei Tagen eine Ausdehnung von etwa o,o5 % und nach zwölf Tagen eine Ausdehnung von etwa o,15 %. Bei Verwendung von 7 % der sich ausdehnenden Verbindung wurde beim Erhärten unter Wasser P nach einem Tage eine Ausdehnung von etwa o,1o %_f nach zwei Tagen eine Ausdehnung von etwa o,11% und nach zwölf Tagen eine Ausdehnung von etwa o,17 % festgestellt. Beim Aushärten des gleichen Gemisches an feuchter Luft wurde nach einem Tage eine Ausdehnung von etwa o,o1 %_f nach zwei Tagen eine Ausdehnung von etwa o,o2 % und nach zwölf Tagen eine Ausdehnung von etwa o,o9 % festgestellt. Man sieht also, daß beim Aushärten unter V/asser der Zement sich nicht nur stärker ausdehnt, sondern sich auch schneller ausdehnt als beim Aushärten an feuchter Luft.

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Man sieht aus dem Vorhergehenden, daß das Ausmaß der Ausdehnung geregelt werden kann durch' Regelung der Dicke des Überzuges und des Gehaltes an bei Berührung mit Wasser sich ausdehnenden Verbindungen, ferner dadurch, daß man den-Zement unter Wasser oder an feuchter Luft aushärtet. Diese Umstände können auch verwendet werden, um die Ausdehnungsgeschwindigkeit zu regeln. Für jeden jeweiligen Zweck können durch einfache Versuche die zuzusetzende Menge und die Dicke des Überzuges festgestellt werden.

Man sieht also, daß die Ziele der Erfindung erreicht werden. Der erfindungsgemäße Zement ist billig herzustellen, die Zusätze sind leicht erhältlich und ebenfalls billig, ebenso das Überzugsmaterial, das einfach aufgebracht werden kann. Durch die erfindungsgemäßen Zusätze werden keine Fremdstoffe in den fertigen Beton eingebracht. Das Ausmaß der Ausdehnung oder Schrumpfung des fertigen Betons kann geregelt werden durch Regelung der Zusatzstoffe zu dem Portlandzement.

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Claims

- 1ο -

Patentansprüche:

η J Portlandzement enthaltendes Gemisch, dadurch gekennzeichnet, daß es eine bei Berührung mit Wasser sich ausdehnende Verbindung enthält, deren Teilchen mit einem in Wasser unlöslichen, in einer alkalischen Lösung löslichen Material überzogen sind.
2. Gemisch nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Überzugsmaterial für die bei Berührung mit Wasser sich ausdehnende Verbindung in einer organischen Flüssigkeit löslich ist.
3. Gemisch nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß

es bis zu 2o Gewichtsprozent der bei Berührung mit Wasser sich ausdehnenden Verbindung enthält.
4. Gemisch nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß·es als bei der Berührung mit Wasser sich ausdehnende Verbindung Kalziumoxyd und/oder Kalziumsulfat-Halbhydrat enthält.
5. Verfahren zur Herstellung eines Gemisches nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß man die bei Berührung mit Wasser sich ausdehnende Verbindung mit dem Überzugsmaterial überzieht und dann mit dem Zement mischt.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß man das .Überzugsmaterial in einer organischen Flüssigkeit löst, mit dieser Flüssigkeit die bei Berührung mit Wasser sich ausdehnende Verbindung behandelt, die so behandelte Verbindung trocknet und dann mit dem Zement mischt.

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