DE2427770C3

DE2427770C3 - Glasfaserverstärktes Baumaterial

Info

Publication number: DE2427770C3
Application number: DE19742427770
Authority: DE
Inventors: Eberhard Dr.-Ing 6200 Wiesbaden Rauschenfels
Original assignee: Dyckerhoff Zementwerke AG
Current assignee: Dyckerhoff GmbH
Filing date: 1974-06-08
Publication date: 1977-11-10

Description

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Gegenstand des Hauptpatents 23 15851 ist die Verwendung von aus Phosphorschlacke hergestellten Calciumsilikatfasern glasiger Struktur zur Armierung von aus anorganischen Bindemitteln hergestellten Baumaterialien. Diese Calciumsilikatfasern glasiger Struktur haben die Zusammensetzung

10bis60Gew.-%CaO
35bis75Gew.-%SiO₂
0 bis 20 Gew.-0/0 Al₂O₃

und einen Gehalt an Verunreinigungen aus Eisen- und Alkalioxiden von insgesamt höchstens 2 Gewichtsprozent. Diese Fasern sind gegenüber basischen Lösungen wie sie im Beton angetroffen werden beständig. Das Ziehen der Fasern aus der geschmolzenen Phosphorschlacke ist wirtschaftlich, weil darin die CaO- und SiO₂-Komponente bereits homogen erschmolzen vorliegen.

Die Herstellbarkeit von Calciumsilikatfasern glasiger Struktur aus der Phosphorschlacke war überraschend, weil sie bekanntlich stark zur Kristallisation neigt und daraus durch einfaches Tempern kristalliner Wollastonit hergestellt werden kann. Die Phosphorschlackenschmclze wird nach dem Abstich ausgegossen und erstarrt dann als Stückschlacke. Sie kann aber auch in bekannter Weise in Wasser abgeschreckt werden, wodurch ein glasiger Schlackensand entsteht, aus dem gegebenenfalls mechanisch Verunreinigungen entfernt werden können. Diese Produkte werden erneut geschmolzen und dann nach bekannten Verfahren zu Glasfasern verarbeitet. Man kann aber auch zusätzlich AI.)Oj- und/oder SiOrhaltige Stoffe wie z. B. Tonerde, Kaolin oder industrielle Abfallprodukte wie SiO₂-Staub zugeben, um den Schmelzpunkt der Schlacke herabzusetzen. Des weiteren kann ein Verfahrensschritt eingespart werden, wenn die noch flüssige Schlacke im Anschluß an die Phosphorgewinnung gegebenenfalls unter Zusatz von AI₂Oi- und/oder SiOrhaltigen Stoffen sofort zu Glasfasern verarbeitet wird.

Die natürlichen Verunreinigungen der Phosphorschlacke bestehen insbesondere aus Alkali- und Eisenoxiden. Sie sollen in den Fasern insgesamt höchstens 2 Gew.-% betragen. Günstig ist es, wenn der Gehall an Verunreinigungen maximal 1% beträgt. Es

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fts hat sich außerdem gezeigt, daß geringe Gehalte an Fluor und Phosphor unschädlich sind.

Wenn auch derartige Glasfasern im Vergleich mit bekannten Produkten schon eine erheblich höhere Resistenz gegen alkalische Lösungen in Baumaterialien, hergestellt aus anorganischen Bindemitteln, aufweisen, so konnte festgestellt werden, daß eine weitere Steigerung der Alkaliresistenz erzielt werden kann, wenn den Ajsgangsgemischen zur Herstellung der Calciumsilikatfasern glasiger Struktur bestimmte Stoffe in bestimmten Mengen zugesetzt werden.

Die vorliegende Erfindung betrifft demgemäß die Verwendung von durch Zusatzstoffe modifizierten Calciumsilikatfasern glasiger Struktur, die unter Verwendung von Phosphorschlacke gezogen werden, zur Armierung von aus anorganischen Bindemitteln hergestellten Baumaterialien. Wesentlich ist, daß durch die Zusatzstoffe der pH-Wert der Glasfasern in Wasser variiert und damit dem jeweiligen pH-Wert des Baumaterial-Milieus angepaßt werden kann.

Als Zusatzstoffe zur Phosphorschlacke kommen insbesondere TiO₂, ZrO₂, Cr₂O₃, ZnO allein oder im Gemisch sowie diese Oxide enthaltende Produkte in Betracht. Die Zusaizmengen betragen 0,1 bis 10, vorzugsweise 0,5 bis 7 Gew.-%, bezogen auf das Ausgangsgemenge. Besonders resistent im alaklischen Milieu von Beton sind Calciumsilikatfasern glasiger Struktur, die etwa 2 bis 5 Gew.-°/o ZnO enthalten und deren Zusammensetzung in die Bereiche 15 bis 50 Gew.-% CaO. 40 bis 65 Gew.-ⁿ/o SiO₂, 1 bis 20 Gew.-% AI₂Oi fällt.

Die Zusatzstoffe werden der S'.ückschlacke oder dem granulierten glasigen Schlackensand beigemengt, worauf das Gemenge geschmolzen wird und dann nach bekannten Verfahren Glasfasern gezogen werden. Man kann aber auch die Zusatzstoffe bereits der noch flüssigen Schlacke im Anschluß an die Phosphorgewinnung zugeben und diese dann sofort oder nach Granulierung und Schmelzen zu Glasfasern verarbeiten. Dabei wird im ersten Füll ein Verfahrcns'-x-hritt eingespart.

Bevorzugt werden Glaslasern insbesondere in Form von endlosen Glasfaserbündeln, Glasfasermatten, seil· ähnlichen Ausführuimer oder Abschnitten von Glas-

faserbündeln mit einer Länge zwischen 0,05 und 5,0 cm und einem Durchmesser von 0,005 bis 0,05 mm. Sie besitzen einen hohen Elastizitätsmodul im Bereich von etwa 5600 bis etwa 6400 kg/mm- und Zugfesti swerte in der Größenordnung von 800 bis U kg/cm-. Mittels Röntgenbeugungsanalysen konnte !estgestellt werden, daß die erfindungsgemäß verwendeten modifizierten Calciumsilikatfasern keine kristalline Phase aufweisen, sondern vollkommen glasig erstarrt sind.

Aus der folgenden Tabelle 1 geht hervor, daß der pH-Wert der Glasfasern durch die genannten Zusatzstoffe veränderbar ist, Die pH-Werte wurden wie folgt ermittelt: Jeweils 7 Gew.-Teile Glasfasern, jeweils etwa gleicher Länge und gleichen Durchmessers, wurden in Kunststoffgefäßen mit 10 Gew.-Teilen doppelt destilliertem Wasser geschüttelt und dann viermal im Laufe von zwei Wochen der pH-Wert in der Flüssigkeit nach Absetzen des Feststoffes bestimmt. Im Mittel ergaben sich die folgenden pH-Werte:

Tabelle 1 Tabelle 2

Material

Gehalt an SiOj CaO

in %

pH-Wert

1. Kieselglasfaser	99	—	7,5
2. E-Glas-Faser	55	21	10,4
3. Glasfaser nach	60	25	10,9
Hauptpatent
Glasfaser gemäß
Erfindung mit
4. 3% T1O2	40	47	11,0
5. 3% CnOi	40	47	11,4
6. 3% ZrO₂	40	47	11,5
7. 3% ZnO	40	47.	11,7
8. 4% (Ti02 + Zn0	40	47	11,5

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Darüber hinaus kann der pH-Wert selbstverständlich auch durch die jeweils gewählten Zusatzmengen eingestellt werden. Bei Kenntnis des pH-Wertes der Calciumsilikatfasern ist auch ihre optimale Verwendbarkeit bestimmbar, d. h., daß die jeweilige Verwendung nach dem pH-Wert des Baumaterial-Milieus gewählt wird, wobei die beiden pH-Werte möglichst nahe beieinanderliegen bzw. gleich sein sollen. Insofern ergibt sich eine besonders günstige Verwendbarkeit der Faser Nr. 7 in Tabelle 1 zur Armierung von Beton.

Zur Ermittlung der Beständigkeit der modifizierten Fasern in einem Milieu, wie es in erhärtetem Beton anzutreffen ist, wurden Prismen der Größe 1x1x6 cm eingeschlagen und 180 Tage bei 20⁰C unter Wasser gelagert. Anschließend wurde der freie Ca(OH)2-Gehalt der Prismen chemisch ermittelt. Diese Werte wurden jeweils mit dem Wert der Prismen verglichen, die ohne Fasern hergestellt waren, wobei dieser Wert gleich 100 gesetzt wurde. Wenn also die Glasfasern mit dem Ca(OH)2 reagieren, so muß der freie Ca(OH)2-Gehalt der glasfaserverstärkten Prismen sinken. In Tabelle 2 wurden die relativen Gehaitc an freiem Ca(OH)₂ nach to 180 Tagen für die verschiedenen Proben zusammengestellt.

Prismen, hergestellt unter Zuvatz	HeI. Gehalt an
von j"/»	freiem Ca(OI 1)2
	nach IuO Tagen
Ohne Zusatz	100
lasern ohne Zusatzstoff	89
Fasern mit Zusatzstoff 3% TiO:	97
3% ZrO:	100
3% Cr:Oi	98
3% ZnO	100
4% (TiO: + ZrO: + CnOi + ZnO)	99

Es ist zu erk-Mincn, daß die Fasern ohne Zusai/.sioll stärker reagiert haben, als die Fasern mit Zusatzstoff. Fs ist außerdem ;x\ erkennen, daß die erfindungsgemäü verwendeten Calciumsilikatfasern je nach Zusaizmittel bzw. Zusatzmenge unterschiedliche Rcaktionswerte aufweisen. Die Ergebnisse zeigen auch, daß sich die Verwendung einer Calciumsilikatfaser glasiger Struktur, die ZnO als Zusatzstoff enthält, besonders zur Armierung von Beton anbietet.

Die modifizierten Calciumsilikatfacern glasiger Struktui eignen sich als Zuschlagstoff zur Armierung von Beton auf Tonerdezement- und Portlandzementbasis gleichermaßen. Sie erhöhen die Zugfestigkeit des Betons, auch ohne daß dieser Stahlarmierungen trägt und damit zugleich dessen Biege- und Schlagfestigkeit sowie seinen Widerstand gegen Abplatzungen bei höherer Temperaturbeanspruchung. Die Armierung des Betons durch Glasfasern kann in vorteilhafter Weise mit der durch Stahleinlagen kombiniert werden.

Die modifizierte Calciumsilikalfaser glasiger Struktur eignet sich darüber hinaus für die Herstellung anderer Baumaterialien auf Zementbasis, insbesondere für solche, die bislang mit Asbestfasern armiert wurden, wie Edelputze, Fertigmörtcl und -putze sowie Platten, Wellplatten, Druckrohre, Blumenkasten, Dachrinnen, Dachrinnenrohre und andere als Asbestzementartikel gekennzeichnete Produkte.

Des weiteren ist die Verwendung der modifizierten Calciumsilikatfaser in Baumaterialien auf Basis anderer anorganischer Bindemittel, wie z. B. Baukalk und Gips und in Baumaterialien auf Basis organischer Bindemittel möglich. Auch die Verwendung als Füllstoff für Kunststoffe bietet sich an.

Ein weiteres interessantes Verwendungsgebiet ist der Sektor der hydrothermal gehärteten Betone. Hier dienen die modifizierten Glasfasern ebenfalls als Zuschlagstoff zur Armierung des Betons. Sie reagieren im Autoklavprozeß mit der basischen Lösung nur unmerklich und bleiben daher in ihrer Formenfestigkeit nahezu erhalten. Besonders vorteilhaft ist in diesem Zusammenhang ihre helle Farbe, so daß die daraus hergestellten Calciumsilikatbetone nicht nur in der Festigkeit verstärkt werden, sondern auch ihren hellen bzw. weißen Farbton behalten.

Weiterhin ist es möglich, zahlreiche andere insbesondere flächenliafte Glasfaserzemcntartikel zu erzeugen und wirtschaftlich einzusetzen, die sich wegen ungeeigneter Ε-Moduln mit Asbestfasern nicht bewährt haben.

Claims

Patentansprüche:

1. Verwendung von aus Phosphorschlacke hergestellten Calciumsilikaifasern glasiger Struktur zur Armierung von aus anorganischen Bindemitteln hergestellten Baumaterialien gemäß Hauptpatenr 23 15 851, dadurch gekennzeichnet, daß durch ZnO, ZrO^, Cr₂Ot, TiO₂ allein oder im Gemisch modifizierte Fasern verwendet werden.

2. Verwendung von aus Phosphorschlacke hergestellten Calciumsilikatfasern glasiger Struktur, die 0,1 bis 10, insbesondere 0,5 bis 7 Gewichtsprozent der Oxide bezogen auf das Ausgangsgemisch enthalten, zum Zwecke gemäß Anspruch 1.

3. Verwendung von aus Phosphorschlacke hergestellten Calciumsilikatfasern glasiger Struktur, deren Zusammensetzung in die Bereiche

15 bis 50Gewichtsprozent CaO
40 bis 65 Gewichtsprozent SiO:

1 bis 20Gewichtsprozent AbOj und

2 bis 5 Gewichtsprozent ZnO

lallt, zum Zwecke gemäß Anspruch 1.

4. Verwendung von aus Phosphorschlacke hergestellten Calciumsilikaifasern glasiger Struktur, deren pH-Wert dem des jeweiligen Baumaterials entspricht bzw. möglichst nahe kommt, zum Zwecke gemäß Anspruch I.