-
Verfahren zur Herstellung von Schwefelbeton Unter Schwefelbeton versteht
man Mischungen aus Schwefel als Bindemittel und Zuschlägen verschiedenster Art.
Wie beim normalen Beton können natürliche schwere Zuschläge, wie Sand, Kies, Splitt
oder Schotter, und natürliche leichte Zuschläge, wie Bims und Muffe, eingesetzt
werden. Auch künstliche schwere Zuschlagstoffe, wie Schlacken, oder leichte Zuschlagstoffe,
wie Schlackensand, Schlackenbims, poröse Kesselschlacke, Ziegelsplitt, Blähton,
Perlit und dergleichen, können eingesetzt werden. Schwefelbetone werden dadurch
hergestellt, daß man Mischungen aus den genannten Zuschlagstoffen und geschmolzenem
Schwefel abkühlen läßt, wobei die Mischungen zu Produkten mit betonartiger Härte
erstarren.
-
Im Vergleich zu Zementbetonen bieten sie Vorteile, weil sie nicht
erst nach 28 Tagen, sondern schon kurze Zeit nach dem Erstarren ihre Enddruck- und
Biegezugfestigkeiten erreichen, weil sie nach erneutem Aufschmelzen wieder verwendet
werden können und weil sie eine größere Beständigkeit gegen verdünnte Säuren und
gegen Streusalz aufweisen. Ein offensichtlicher, aber bindemittelimmanenter Nachteil
des Schwefelbetons ist seine geringe thermische Beständigkeit, denn Schwefel schmilzt
bei 11500. Es gibt aber auch eine Reihe von Eigenschaften, die in erster Linie vom
Schwefelbindemittelgehalt im Schwefelbeton abhängen, und mit ihm in nachteiliger
Weise wachsen, wie z.B. die Brennbarkeit, der lineare thermische Ausdehnungskoeffizient
und der Volumenschwund beim Übergang Schmelze - Festkörper, der wiederum zu erheblichen
Verarbeitungaproblemen, wie z.B. Rißbildung beim Erstarren großer Massen, führt.
Andererseits benötigte man aber bisher einen hohen Schwefelbindemittelanteil, um
die Druck- und Biege zur festigkeit von Zementbetonen zu erreichen.
-
Man hat versucht, einige der beschriebenen Nachteile aus zuschalten.
So ist bekannt, daß man Schwefelschmelzen Polysulfide
oder Polymercaptane
als sogenannte "Weichmacher" oder "Plastifizierungsmittel" zusetzen kann. Sie erteilen
dem erstarrten Schwefel elastische Eigenschaften. Verwendet man so modifizierten
Schwefel als Bindemittel zur Herstellung von Schwefelbetonen (DT-OS 2 335 757),
dann werden dabei zwischen den Zuschlagstoffkörnern flexible Verbindungen geschaffen,
und man vermeidet z.B. die beschriebene Rißbildung beim Erstarren großer Schwefelbetonmassen.
-
Es ist ferner auch bekannt, daß man dem Schwefelbeton Dicyclopentadien
zusetzt, wodurch ihm selbstverlöschende Eigenschaften erteilt werden sollen. (Sulphur
Institute Journal, Frühling 1974).
-
Aus der DT-OS 2 341 302 sind schließlich auch Beschichtungszusammensetzungen
bekannt geworden, die etwa 73 bis 97 Gewichtsprozent elementaren Schwefel, 1 bis
7 Gewichtsprozent Dicyclopentadien, 1 bis 5 Gewichtsprozent Glasfasern und 1 bis
15 Gewichtsprozent Talk enthalten. Diese Zusammensetzungen werden z.B. zur Auskleidung
von Grubenwänden und für eine Vielzahl anderer Beschichtungen eingesetst. Diese
Dicyclopentadien enthaltenden Beschichtungsmassen haben gegenüber Beschichtungsmassen,
die Polysulfide enthalten, den Vorteil, daß sie weniger geruchsbelästigend und weniger
temperaturempfindlich sind, eine für das Verspritzen günstigere Viskosität besitzen
sowie gegenüber Feuereinwirkung beständiger sind.
-
Der vorliegenden Erfindung lag nun aber die Aufgabe zugrunde, ein
Verfahren zur Herstellung von Schwefelbeton anzugeben, bei dem das Produkt auch
bei vergleichsweise geringen Bindemittelgehalten hohe Druck- und Biegezugfestigkeiten
aufweist.
-
Es wurde gefunden, daß diese Aufgabe dadurch gelöst werden kann, daß
man Schwefel, Dicyclopentadien (DCP) und die Zuschlagstoffe bei Temperaturen von
120 bis 160°C miteinander vermischt, wobei man die Dauer, bei der Schwefel und Dicyclopentadien
bei der jeweils gewählten Temperatur aufeinander einwirken, so einstellt, daß sie
auf einer zur Ordinate der Figur 1 parallelen Geraden, die die Abszisse bei der
jeweils gewählten Temperatur
schneidet, liegt und durch die Schnittpunkte
der Geraden mit den Kurven A und D begrenzt ist.
-
Das erfindungsgemäße Verfahren kann auf verschiedene Weise durchgeführt
werden. Man kann z.B. so vorgehen, daß man in eine Schwefelschmelze 2 bis 8 Gewichtsprozent,
vorzugsweise 4 bis 6 Gewichtsprozent, Dicyclopentadien einbringt und die beiden
Komponenten in den dazugehörigen, temperaturabhängigen, der Figur 1 zu entnehmenden
Gesamtreaktionszeiten miteinander reagieren läßt und noch innerhalb dieser Reaktionszeiten
die Zuschlagstoffe einbringt.
-
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Verfahrens stellt man in einer ersten Stufe ein Gemisch von Schwefel und Dicyclopentadien
her, wobei man nur 80 bis 95 % der bei der jeweiligen Temperatur erforderlichen
Einwirkungsdauer aufwenden und in einer zweiten Stufe die erhaltene Mischung unter
Einhaltung der restlichen Einwirkungezeit miteinander vermischt. Der besondere Vorteil
dieser Arbeitsweise besteht darin, daß man die erste und zweite Verfahrensstufe
räumlich und zeitlich voneinander getrennt durchführen kann. So kann man zunächst
eine Mischung des Bindemittels in einer Produktionsstätte herstellen und kann diese
Mischung ohne erhebliche Beanspruchung von Lager- und Transportraum lagern bzw.
transportieren. Erst am Einsatzort werden dann die Zuschlagstoffe zugemischt, wobei
man zweckmäßig so verfährt, daß man das Bindemittel auf die auf 120 bis 160°C erwärmten
Zuschlagstoffe aufgibt. Selbstverständlich kann man in der zweiten Stufe auch andere
Temperaturen als in der ersten Stufe einhalten, wenn sie nur innerhalb des angegebenen
Bereichs liegen. Wählt man eine andere Temperatur, so wird die restliche Einwirkungadauer
entsprechend dieser Temperatur verlängert bzw. verkürzt.
-
In der Tabelle 1 sind einige Kurvenpunkte der Kurven A, D sowie der
Kurven B, C durch die die bevorzugten Einwirkungszeiten festgelegt werden, aufgeführt.
-
Tabelle 1 Gesamtreaktionszeit tjh Temperatur :0:0 A B C D 120 11,00
15,00 23,00 29,00 125 4,70 6,60 11,50 14,40 130 2,35 3,30 6,00 8,00 135 1,25 1,80
3,40 4,70 140 0,70 1,05 2,15 2,90 145 0,43 0,67 1,40 1,90 150 0,27 0,44 0,95 1,35
155 0,18 0,31 0,67 1,00 160 0,12 0,22 0,50 0,75 Bevorzugt werden bei dem erfindungsgemäßen
Verfahren Temperaturen von 130 bis 14500 eingehalten.
-
Die Güte eines Betons wird ganz allgemein danach beurteilt, wie hoch
seine Druck- und Biegezugfestigkeit ist. Bei gleicher Bindemittelqualität erreicht
man maximale Druck- und Biegezugfestigkeiten bei bestimmten optimalen Bindemittelgehalten.
Um die Vorteile eines nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten dicyclopentadienhaltigen
Schwefelbeton gegenüber anderen Schwefelbetonen zu verdeutlichentwerden im folgenden
die bei jeweils optimalen Bindemittelgehalten erreichbaren maximalen Festigkeiten
der verglichenen Produkte angegeben.
-
Zum quantitativen Vergleich ist es weiterhin notwendig1 für jedes
Produkt den gleichen Zusohlagstoff zu verwenden. Es wurde Normsand nach DIN 1164
benutst. Druck- und Biegezugfestigkeitsmessungen erfolgten in Anlehnung an DIN 1164.
-
1) Schwefelbeton, ohne Zusatz von DCP zum Bindemittel S.
-
Bindemittelgehalt: 36 Gewichtsprozent S Druckfestigkeit: 450 kp/cm2
Biegezugfestigkeit: 75 kp/cm2 2) Schwefelbeton mit Zusatz von DCP zum Bindemittel
S, hergestellt bei bevorzugten Temperaturen und optimalen Einwirkungszeiten des
erfindungsgemäßen Verfahrens und nach dessen bevorzugter Ausführungsform. Beispielsweise:
Temperatur
135°C; Gesamteinwirkungsdauer 2,5 Stunden, val.: Punkt
e auf der Geraden E in Figur 1.
-
Bindemittelgehalt: 21,1 Gewichtsprozent S; 0,9 Gewichtsprozent DCP
iruckfestigkeit: 720 kp/cm2 Biegezugfestigkeit: 150 kp/cm2 3) Schwefelbeton, mit
Zusatz von DCP zum Bindemittel S, hergestellt bei Bedingungen, von denen mindestens
eine so gewählt ist, daß sie außerhalb der Grenzen des erfindungsgemäßen Verfahrens
liegt.
-
a) Beispielsweise: Temperatur 135°C; Gesamteinwirkungsdauer 6,0 Stunden,
vgl.: Punkt f auf der Geraden E in Figur 1.
-
Bindemittelgehalt: 21,1 Gewichtsprozent S; 0,9 Gewichtsprozent DCP
Druckfestigkeit: 390 kp/cm2 Biegezugfestigkeit: 45 kp/cm b) Beispielsweise: Temperatur
13500; Gesamteinwirkungsdauer 0,8 Stunden, vgl.: Punkt g auf der Geraden E in Figur
1.
-
Bindemittelgehalt: 21,1 Gewichtprozent S; 0,9 Gewichtsprozent DCP
Druckfestigkeit: 410 kp/cm2 Biegezugfestigkeit: 55 kp/cm2 Die vier Datensätze zeigen,
daß der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Schwefelbeton im Vergleich
zu den anderen Produkten deutlich höhere Druck- und Biegezugfestigkeiten aufweist.
In dem in Figur 1 durch die Temperaturen von 12000 und 160°C und die Kurven und
D eingegrenzten Bereich, erzielt man bei nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten
Schwefelbetonen Druckfestigkeiten, die mindestens 450 kp/cm2 überschreiten. In dem
in Pigur 1 durch die Temperaturen von .13000 und 145°C und die Kurven B und C eingegrenzten,
bevorzugten Bereich findet man Druckfestigkeiten von mehr als 600 kp/cm2.
-
Dabei mißt man die hohen Druckfestigkeiten überraschenderweise an
Schwefelbetonformulierungen mit relativ geringen Bindemittelgehalten. Ein geringerer
Bindemittelanteil führt aber, wie Tabelle 2 zeigt, auch zur Verbesserung einer Reihe
weiterer
Eigenschaften. In Tabelle 2 werden der unter 1) beschriebene
Schwefelbeton ohne Zusatz von DCP und der unter 2) beschriebene, nach dem erfindungsgemäßen
Verfahren mit Zusatz von Dicyclopentadien hergestellte Schwefelbeton, miteinander
verglichen.
-
Tabelle 2 1) reiner 2) mit DCP mo-Schwefelbeton difizierter Schwefe
lbeton Verringerung des Bindemittelge- NS 64 NS 78 halts (Zusammensetzung in Gew.
%) S 36 S 21,1 DCP 0,9 Verminderung des Volumenschwundes beim Übergang Schmelze/Festkörper
(Vol.) 0,9 0,3 Erhöhung der Wasserdampfdiffusionswiderstandszahl /u 8070 22 220
Verringerung der Wasseraufnahme (Gew. % / Vol.%) 1,02/2,35 0,99/2,20 Verringerung
der Wärmeleitfähigkeit (kcal/mh°C) 0,65 0,40 Verringerung des linearen Ausdehnungskoeffizienten
α (m/m°C) im Bereich O bis 1000C 39,1 20,4 Erhöhung der Haftspannung <
(kp/cm²) Baustahl I-S-Beton 32,0 45,0 Wegen der hohen Wasserdampfdiffusionswiderstandszahl
/u und der geringen Wasseraufnahme der erfindungsgemäß hergestellten Produkte kann
man erwarten, daß aio eine ausgezeichnete Frost-Tauwechselbeständigkeit aweisen.
Der verringerte lineare thermische Ausdehungskoeffizient, α, die erhöhte Haftspannung
6 ~
und durchgeführte Experimente zeigen, daß die neuen Produkte
mit Stahleinlagen armiert werden können.
-
Beispiel 1 In eine Mischung aus 354,5 Gewichtsteilen Normsand nach
DIN 1164 und 95 Gewichtsteilen Schwefel, die auf einer Temperatur von 13500 gehalten
wird, bringt man 5 Gewichtsteile flüssiges Dicyclopentadien ein. Die Schmelzmasse
wird unter weiterem Mischen 150 Minuten lang bei dieser Temperatur belassen. Die
entstandene, fließfähige Schweielbetonschmelze ist dann gebrauchsfertig und kann
in Formen oder Einschalungen gegossen werden, die gegebenenfalls mit Stahlarmierungen
versehen sind.
-
Beispiel 2 A) 95 Gewichtsteile Schwefel werden bei einer Temperatur
von 13500 mit 5 Gewichtsteilen flüssigem Dicyclopentadien vermischt und 135 Minuten
lang bei dieser Temperatur belassen.
-
Das flüssige Bindemittel wird dann auf 354,5 Gewichtsteile ebenso
heißen Normsand nach DIN 1164 gegossen und weitere 15 Minuten lang gemischt. Die
Schwefelbetonmischung ist dann gebrauchsfertig.
-
Hat der Normsand eine niedrigere Temperatur, so daß sich beispielsweise
bei Zugabe des Bindemittels eine Misohungstemperatur von 1300C einstellt, so mischt
man 27 Minuten lang.
-
Hat der Normsand eine höhere Temperatur, so daß sich beispielsweise
bei Zugabe des Bindemittels eine Mischungstemperatur von 1400C einstellt, so mischt
man 9 Minuten lang.
-
Es ist ebenso möglich, das Bindemittel erstarren zu lassen und es
in zerkleinertem festen Zustand auf den heiBen Zuschlagstoff zu geben.
-
B) Man verfährt wie oben unter A) beschrieben, hält dabei aber bei
einer Temperatur von 13500 eine Gesamtwirkungsdauer von
DCP auf
Schwefel von 360 Minuten ein. Die dabei erhaltene Schwefelbetonschmelze ist so hochviskos,
daß sie nur noch schwer in Formen oder Einschalungen gebracht werden kann.
-
C) Man verfäht wie oben unter A) beschrieben, hält dabei aber bei
einer Temperatur von 135ob eine Gesamteinwirkungsdauer von 48 Minuten ein. Das Bindemittel
der Schwefelbetonschmelze riecht stark nach Dicyclopentadien und ist noch so dünnflüssig,
daß es zum Abfließen aus undichten Formen neigt.