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Zusatzmittel für Mörtel und Beton zum
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Beschleunigen des Erstarrungsbeginnes (Zusatz ZU Patent... Az.: P
25 27 546.1) Die Erfindung betrifft ein Zusatzmittel für Mörtel und Beton zum Beschleunigen
des Erstarrungsbeginnes nach Patent... (Az.: P 25 27 546,1). Normaler Beton beginnt
etwa 3 bis 4 Stunden nach dem Eingießen in die Schalung mit dem Erstarren. Der Beginn
des Erstarrens wird mit dem Vicat-Gerät dadurch festgestellt, daß die Nadel des
Gerätes in dem Probenkörper nicht mehr bis zum Boden durchdringt.
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Es sind bereits Mittel bekannt, die bewirken, , dal3 der hydraulische
Beton oder hydraulische Mörtel schon früher als der normale Beton mit dein Erstarren
beginnt.
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So beginnt die Erstarrung eines Mörtels oder Beton , dem eine hinreichende
Menge Kalzium-Chlorid hinzugesetzt ist, etwa schon eine Stunde nach dem Einschütten
in die Schalung. Der Zusatz von erheblichen Mengen Kalzium-Ghlorid hat jedoch den
Nachteil, daß die Gefahr besteht, daß die Bewehrung des Bauteils durch Korrosion
angegriffen wird.
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Such besteht in der Technik das Bedürfnis, Betone und Mörtel noch
sehr viel schneller zum Erstarren zu bringen, damit die Gefahr verringert, daß Zementleim
in erheblichen Mengen zwischen ugen der Schalung herausläuft. Der Erfindung liegt
die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile zu vermeiden.
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GemäB dem Hauptpatent enthält das Zusatzmittel einen die Thixotropie
des Mörtels oder Betons mindestens fördernden Stoff, z.B. ein wasserlösliches, lineares
Polyäthylenoxid, einen Karbonationen abgebenden Stoff, ein Aluminat und ein Aluminiumoxid.
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Die Wirkung dieser Mischung atf deii Mörtel oder bet;ori ist überraschend.
Während bei Zugabe nur eines dieser Stoffe zu dem normalen Beton der Zeitraum bis
zu Beginn der Erstarrung des Mörtels oder Betons praktisch nicht oder höchstens
auf ca. 1 Stunde verringert wird, beginnt bei der Zugabe dieses Mittels zum Beton
die Erstarrung bereits nach etwa 50 bis 60 Sekunden. ei ist es wesentlich, daß die
thixotropie eintritt, also in dem Augenblick, in dem der beton oder Mörtel zur Ruhe
kommt, dieser thixotrop wird, also gelartig Versteift und dal! dann nach dem oben
genannten sehr kurzen Zeitraum bereits die Erstarrung beginnt. Dieses Zusatzmittel
kann mit besonderem Vorteil für pumpbare Mörtel und Betone,beispielsweise Leichtbetone
verwendet werden, insbesondere auch für Spritz- und Schleuderbeton und auch für
jeden anderen Beton, der nicht eine allzu grobe Korngröße des Zuschlages aufweist.
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Ein Herauslauten des Betonleimes durch Fugen der Schalung ist wegen
des thixotropen Zustandes verhindert. Da die Erstarrung in außerordentlich kurzer
Zeit beginnt, kann eine untere Schicht des Betons die darüber aufgetragenen Betonschichten
tragen. Die Vorteile für Spritz- und Schleuderbeton liegeii wegen der Formhaltigkeit
des mit diesem Zusatzmittel versehenen Mörtels oder betons auf-der Hand.
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Das Hauptpatent wird gemäß der Zusatzerfindung dadurch verbessert,
daß anstelle des Polyäthylenoxides wasserlösliche verzweigte Zellulosederivate,
nämlich Hydroxyäthyl-Zellulose oder Methyl- oder Carbozymethylzellulose oder Mischungen
dieser Zellulosen verwendet werden.
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Der Karbonationen abgebende Stoff kann bei Ausführungsformen der Erfindung
im wesentliche Soda enthalten. Vorzugsweise wird kalziniertes, also wasserfreies
Soda verwendet, was u.a. den Vorteil hat, daß die erforderliche Menge Soda verhältnismäßig
gering gehalten werden kann.
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Der Karbonatrest der Soda reagiert mit den Kalziumionen sehr schnell
zu unlöslichem Kalziumkarbonat, was für den Reaktionsmechanismus des gesamten Zusatzmittels
von bedeutung sein kann.
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Das Aluminat kann in überwiegeiidein Maße aus Natriumaluminat (Na2AIO2)
bestehen. Offenbar ist es für den Reaktionsmechanismus des Zusatzmittels wesentlich,
dalS dieses Aluminat mit den im Zementleim enthaltenen Kalziumionen eine Kalzium-Aluminiumverbindung
eingeht.
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Als Aluminiumoxid wird vorzugsweise AI2O3 verwendet, das für sich
allein den Erstarrungsvorgang des Betons nicht merkbar beeinflußt.
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Die einzelnen Stoffe können nacheinander dem Beton zugegeben werden,
das Mittel kann jedoch auch vorher gemischt und dann unmittelbar vor deiii Einbringen
iu die Schalung dem Mörtel oder Beton zugesetzt werden.
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Das Zusatzmittel wird entweder trockeii oder unter Zusatz von Wasser
dem Beton oder Mörtel zugesetzt. Beispielsweise wird zum Zwecke des besseren Einmischens
in @ den Beton oder Mörtel das Zusatzwittel im Verhältnis Mittel zu Wasser wie 1
zu 0,8 mit Wasser gemischt. Dem Mörtel oder Beton wird so viel Zusatzinittel beigemischt,
daß die Mischung auf 100 Gewichtsteile des hydraulischen Bindemittels (Zement) drei
Gewichtsteile lrockensubstanz des Zusatzmittels enthält. Bei zum Einsatzort gepumpten
Beton erfolgt die Zugabe möglichst nahe am Einsatzort, es ist jedoch unschädlich,
wenn die Zugabe beispielsweise noch 15 m vor dem Mundstück der Schlauchleitung erfolgt.
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Die Wirkung des Zusatzmittels kann noch vorteilhafter gestaltet werden,
wenn man die dem normalen Beton oder Mörtel innewohnende Thixotropie, die praktisch
kaum bemerkbar ist, mit bekannten Mitteln verstärkt, beispielsweise dadurch, daß
das hydraulische Bindemittel in besonders fein gemahLenem Zustand bei der Mischung
des Betons oder Mörtels verwendet wird. Alle diese bekannten Maßnahmen führen jedoch
lediglich dazu, daß gerade noch feststellbar ist, daß der Beton oder Mörtel in ruhigem
Zustand steifer ist als in bewegtem Zustand, die erfindungsgemäße Wirkung, dafJ
sofort, wenn der Beton oder Mörtel zur 1<uhe kommt, dieser gelartig
versteift,
tritt jedoch mit keinem der bekannten tel ein. Gemäß der Erfindung ist es sowohl
für die Versteifung des Betons als auch für den vorgezogenen Beginn des Erstarrungszeitpunktes
von Vorteil, wenn für die Beton-oder Mörtelmischung besonders fein gemahlener Kalkmergel
verwendet wird. Grundsätzlich ist es vorteilhaft, wenn bei einem Mörtel alle festen
Beatandteils einen sehr hohen Verteilungsgrad aufweisen. Das Bindemittel kann sogar
80 fein gemahlen sein, daß seine lellchen in mindestens einer Richtung kolloidale
Abmessungen aufweisen. Die die Thixotropie beeinflussenden Maßnahmen können den
Effekt steigern, es wird jedoch darauf hingewiesen, daß die Versteifung des Betons
durch das erfindungsgemäße Zusatzmittel sehr viel stärker ist, als der Summe der
Ergebnisse der einzelnen Maßnahmen entsprechen würde, einschließlich des durcn Zugabe
der Zellulosederivate allein erzielten Versteifungsgrades. Zwar ist es bekannt,
als Thixotropiermittel dem Beton oder Mörtel Bentonit beizumischen, jedoch ist die
hierdurch erzielte Wirkung nicht vergleichbar mit der durch das erfindungsgemäße
Zusatzmittel erzielten Wirkung, mit dessen Hilfe eine Versteifung so schnell eintritt,
daß laufend Beton oder Mörtel auf die soeben aufgelegte Mörtelschicht aufgeschüttet
werden kann. Die bloße Zugabe der oben beschriebenen Zellulosederivate zum Beton
erzeugt schon für sich allein eine Versteifung des Betons1 die zwar die Wirkung
der Zugabe des gesamten Zusatzmittels hinsichtlich der Versteifung des thixotropen
Betons oder Mörtels nicht erreicht, die Wirkung der Zugabe von Bentonit jedoch hinsichtlicls
der thix.,tropen Eigenschafte bei weitem
übertrifft. Die Zugabe
eines der obengenannten Zellulosederivate zu einem beton, dessen Bindemittel in
sehr fein gemahlenem Zustand vorliegt oder zu einem Mörtel, dessen sämtliche festen
Bestandteile in sehr fein gemahlenem Zustand vorliegen, wird daher als selbstständige
Erfindung angesehen. Dabei ist es möglich, daß das Zellulosederivat die thixotropen
Eigenschaften des betotis oder Mörtels erst bei seiner Zumischung erzeugt, wobei
die Zumischung vorzugsweise erst unmittelbar vor der Verarbeitung erfolgt, oder
aber der Beton oder der Mörtel kalJn bereits thixotrope Eigenschaften in ungenügendem
Maß oder latent aufweisen und diese Eigenschaften werden durch die Zellulosederivate
so verstärkt, daß sie praktisch ausiiutzbar sind.
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Der Beton oder der Mörtel kaiin beliebig Menge Strecken bis an den
Ort der Anwendung herangeführt werden, beispielsweise auch in Rohrleitungen. Dieses
Verfahren eignet sich insbesondere für die Streckensicherung im bergbau, wo es licht
möglich ist, vor Ort größere Betonmengen zu mischen. Der Mörtel oder der Beton wird
daher durch fest installierte Rohrleitungen von der Erdoberfläche aus der Verwendungsstelle
zugeführt und erst in gerii1ger Entfernung vor der Verwendungsstelle, zum Beispiel
einige Meter vorher, wird das Zusatzmittel. zugegeben. Der Aufbau von Mörtelwänden
für die Streckensicherung unter Tage hängt entsctleidend davon ab, daß sehr leichtflüssiger
Mörtel große Strecken weit transportiert werden kaiiri, der Mörtel dann aber in
möglichst kurzer Zeit versteift und zu erstarren beginnt.
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Diese Mörtel geben auch gasdichte Wände, was für die Grubenbelüftung
und Wetterführung besonders wichtig ist.
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Es ist zweckmäßig, eine möglichst innige Vermischung des Zusatzmittels
mit dem Mörtel oder Beton zu gewährleisten. Dies kann auf verschiedene Art durchgeführt
werden, beispielsweise durch bewegte Rührvorrichtungen oder dgl.. Besonders zweckmäßig
ist jedoch das Beimischen mit Hilfe eines statischen Durchlaufmischers.
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Ein derartiger Durchlaufmischer besteht aus einem Rohrstück, in dem
aufeinanderfolgend mehrere Schichten von gewellten Lamellen angeordnet sind, die
von dem das Rohrstück durchfließenden Medium Teilströme abspalten und mit anderen
Teilströmen mischen. Derartige statische Mischer sind in CZ-Chemie-Technik, 3 (1974)
Seite 247 bis 250 beschrieben.
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Da sich innerhalb der Mischeinrichtung bereits eine rasch erstarrende
Betonmischung bildet, sollte vermieden werden, daß diese Betonmischung innerhalb
der Mischeinrichtung erstarrt. Daher ist es zweckmäßig, vor einem Abschalten der
Strömung der flüssigen Betonmischung, die durch eine geeignete Absperrvorrichtung
irgendwo innerhalb des Leitungszugs, durch den die Betonmischung fließt, vorgenommen
werden kann, beispielsweise unmittelbar vor dem Mischer oder aber auch in unmittelbarer
Nähe des Endes der Rohrleitung oder Schlauchleitung, aus der der Beton in die Schalung
gefüllt wird, dafür zu sorgen, daß sich keine rasch erstarrende Betonmischung innerhalb
der Mischeinrichtung befindet. Dies kann auf einfache Weise dadurch erreicht werden,
daß eine geeignete Zeit lang vor dem
Zeitpunkt, zu dem die Betonströmung
innerhalb der Mischeinrichtung zum StilLstand kommt, die Zufuhr des Zusatzstoffes
unterbrochen wird. Es wird dann die Mischeinrichtung durch nicht mit Zusatzstoff
versehenen Beton leergespült.
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Es kann zweckmäßig sein, auch die sich an die Mischeinrichtung anschließenden
Leitungen noch durch nicht erstarrungsfähigen Beton leerzuspülen.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist eine Einrichtung vorgesehen,
die sicherstellt, daß vor dem Abschalten der Förderung der Betonmischung bei noch
gefüllter Mischeinrichtung die Zufuhr des Zusatzstoffes rechtzeitig abgeschaltet
wird. Bei dieser Sicherungseinrichtung kann es sich beispielsweise um ein elektrisches
Gerät handeln, mit dem die
Absperrventile oder Absperrschieber
sowohl für die Betonmischung als auch für das Zusatzmittel betätigt werden, und
die dann, wenn sie von der Bedienungsperson beispielsweise durch einen Knopfdruck
das Signal erhält, die Betonzufuhr zu unterbrechen, zunächst die Zufuhr des Zusatzmittels
zur Mischeinrichtung unterbricht und eine vorbestimmte Zeit lang später die Mörtel-
oder Betonzufuhr. Es ist aber auch möglich, beispielsweise beide Absperreinrichtungen
von Hand bedienbar auszugestalten and gegenseitig mechanisch zu verriegeln, so daß
die Mörtel- oder Betonzufuhr nicht unterbrochen werden kann, bevor die Zufuhr des
Zusatzstoffes unterbrochen ist.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung mehrerer Ausfuhrungsbeispiele für den Zusatzstoff und für die Betonmischung
und aus der Beschreibung eines Ausführungsbeispieles einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
anhand der Zeichnung, die erfindungswesentliche Einzelheiten zeigt, und aus den
Ansprüchen. Die einzelnen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in
beliebiger Kombination bei einer Ausführungsform der Erfindung verwirklicht sein.
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Die einzige Figur zeigt teilweise im Schritt, teilweise schematisch
ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem statischen
Durchlaufmischer.
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Bei der in der Figur gezeigten Anordnung iut; ein statischer Durchlaufmischer
1 vorgesehen, der mehrere hintereinander angeordnete Pakete 2 und 3 aufweist, die
aus gewellten Lamellen geschichtet sind und die in einem Rohr 4 angeordnet sind.
Der Mischer 1 ist in nicht dargestellter Weise mit einer 920hrleitung 6 verbunden,
in die eine Absperrvorrichtung 7 eingebaut ist. Am in der Figur links liegenden
Ausgang des Mischers ist eine weitere kurze Rohrleitung 8 angeschlossen, an der
ein flexibler Schlauch 9 angeschlossen ist, dessen freies Ende 10 die Auslauf öffnung
für denMörtel bildet. Der zweite Eingang für den Mischer 1 wird durch eine verhältnismäßig
dünne Rohrleitung 12 gebildet, deren freies Ende im Inneren des Mischers endet und
in die eine Absperrvorrichtung 13 eingebaut ist. Das andere Ende der Rohrleitung
12 steht mit einem Vorratsbehälter 15 für den in Wasser aufgelösten Zusatzstoff
in Verbindung; eine Pumpe 16, die in dem Zug der Rohrleitung 12 eingeschaltet ist,
fördert aus dem Vorratsbehälter 15 Flüssigkeit in den Mischer 1.
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Es ist eine Steuereinrichtung 18 vorgesehen, die niit Hilfe eines
Handhebels 19 bedienbar ist.
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Durch die Rohrleitung 6 wird dem Mischer 1 flüssiger Mörtel ohne Zusatzstoff
zugefilrt und im Mischer 1 mit dem von der Pumpe 16 aus dem Vorratsbehälter 15 geförderten
Zusatzstoff vermischt. Am in der Figur links liegenden Ende des Mischers 1 ist der
Zusatz stoff vollständig und gleichmäßig mit dem Beton vermischt und der dem Mischer
1 verlassende Mörtel hat thixotrope Eigenschaften. Solange der Beton sich daher
innerhalb des Mischers 1,.der Rohrleitung 8 und des Schlauches 9 bewegt, ist er
flüssig und kann daher ohne Schwierigkeiten
bis zur Öffnung 10
des Schlauches 9 gefördert werden2 von wo aus er in die Schalung gebracht wird.
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Sobald die sich in der Schalung befindliche Betonmasse in Ruhe befindet,
erstarrt sie nahezu sofort und lauft daher nicht durch undichte Stellen der Betonschalung
aus.
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Die Steuereinrichtung 18 gestattet es, durch entsprechende Verstellung
des Handhebels 19 die Menge des durch den Mischer 1 pro Zeiteinheit fließenden Beton
innerhalb gewisser Grenzen stetig zu verändern; es ist jedoch nicht möglich, die
Fördermenge so klein einzustellen, daß die Gefahr besteht, daß der Beton bereits
innerhalb des Mischers 1 oder in der Rohrleitung 8 oder im Schlauch 9 erstarrt.
Soll die Förderung von Beton durch den Mischer 1 unterbrochen werden, so wird der
Handhebel 19 entsprechend bedient und die Steuereinrichtung 18 schließt dann zunächst
die Absperrvorrichtung 13 so lange, bis durch den durch die Rohrleitung 6 nachströmenden
Beton, der nicht thixotrop ist, der thixotrope Beton aus dem Mischer 1 der Rohrleitung
8 und dem Schlauch 9 verdrängt ist. Erst dann wird durch die Steuereinrichtung 18
auch die Absperrvorrichtung 7 geschlossen. Wird die Betonförderung durch den Handhebel
19 wieder eingescllaltet, so öffnet die Steuereinrichtung 18 die Absperrvorrichtungen
7 und 13 gleichzeitig.
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Bei einem Ausführungsbeispiel weist das Zusatzmittel folgende Stoffe
in folgender Konzentration auf: Etwa 0,5 bis 1,5 % der unter dem Namen Natrosol
von der Firma Hercules Powder, Holland, vertriebenen Hydroxyäthylzellulose, etwa
76 % kalzinierte Soda, etwa 10 % Na2A102 und etwa 12 % A1203. Die angegebenen Prozentzahlen
sind Gewichtsprozente.
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Dem Mörtel oder Beton wird 3 Gewichts-% Zusatzmittel bezogen auf die
Trockensubstanz des Bindemittels hinzugefügt. Das Zumischen des Zusatzmittels erfolgt
in flüssiger Form, ein Teil des Zusatzmittels ist zum Zwecke der leichteren Zuführung
in 0,8 Teilen Wasser gelöst. Thixotropie trat nach ca. 5 - 10 sec. ein, die Erstarrung
begann nach ca. 4 Std.
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Anstelle der Hydroxyäthylzellulose kann in der gleichen Menge bei
gleichem Ergebnis Methyl- oder Carboxymethyl-Zellulose verwendet werden.
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Besonders günstige Werte ergeben sich, wenn als Bindemittel für den
Mörtel eine Mischung von 30 bis 60 °% Portlandzementklinker, 6 % Schwachbrandklinker,
ca. 30 bis 45 % tonhaltiger Kalkmergel, alles sehr fein gemahlen, verwendet wird.
Bei Bedarf kann noch bis zu 1 % Kalziumchlorid hinzugemischt werden. Alle Prozentangaben
sind Gewichtsprozente. Für einen m3 Mörtel wurden 1100 kg dieses Bindemittels und
ca. 650 kg Wasser verwendet. Dieser Mörtel konnte nach Zumischen des oben beschriebenen
Zusatzmittels in eine etwa 2 m hohe Schalung eingefüllt werden, deren Grundfläche
etwa 1,50 m auf 2 m betrug. Der Mörtel erstarrte so schnell, daß kein Mörtel durch
das die Schalflächen bildende Gitter mit 1 mm Maschenweite hindurchfloß. Es ergeben
sich hierdurch tragfähige und für die Zwecke des Streckenbaues im Bergbau ausreichend
gasdichte Betonwände.
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Anstelle der Soda kann auch Kaliumkarbonat oder ein anderes, Karbonationen
aufweisendes Alkali oder Erdalkalisalz verwendet werden. Auch können anstelle von
Soda andere Natriumsalze verwendet weiden, insbesondere solche, dessen Anionen Kalziumionen
dell, also beispielsweise Nitratverbindungen. Wie zum Beispiel Nitrate von Schwermetallen
oder auch Natriumnitrat, insbesondere solche Nitrate, die zu Aluminiumkomplexen
führen, die eine erhöhte Keaktiotlsbereitscilaft haben.
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Als Aluminat kann auch ein Aluminiumsulfat verwendet werden. Auch
können anstelle von Soda Mischungen verschiedener Karbonate verwendet werden.
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L e e r s e i t e