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Verfahren zur Herstellung Non Leichtziegeln
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Die Erfindung betrifft die Herstellung von Leichtziegeln, z.B. Bauziegeln,
Isolierziegeln, Hohlbiocksteinen, Deckensteinen, Kaminsteinen, feuerfesten Ziegeln,
Bordsteinen, Pflastersteinen und Platten. Zur Herstellung dieser keramischen Leichtbaustoffe
wird eine Rohmasse auf Basis von Ton vor dem Trocknen und Brennen mit mineralischen
Bläh- oder Schaumprodukten als-Porenbildner gemischt. Unter Ton sind allgemein die
für Ziegel und Klinker üblichen Rohstoffe wie Schiefertone, Keupertone und -lehme,
Löß und Lößlehm, Geschiebemergel und Geschiebelehm, Kaolin (Porzellan- oder Chinaton)
sowie Mischungen dieser Rohstoffe zu verstehen. Ebenso ist es bekannt, den Ziegel-
oder Klinkertonen Schamotte zuzumischen. Diese Rohstoffe müssen hinsichtlich Korngröße,
Schwindung und Plastizität der feuchten Massen bestimmten Anforderungen genügen.
Die Ziegelerden und Tone müssen sich nach Mineralinhalt, Kornaufbau und Struktur
rationell verarbeiten lassen. Wegen ungünstiger Zusammensetzung der Tonminerale
oder des Gehalts von Verunreinigungen eignen sich viele Vorkommen von Ziegelerden
und Tonen nicht als Rohstoffe für die Herstellung von Leichtziegeln.
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Es wurde nun überraschenderweise gefunden, daß man -auch aus Tonen
und Lehm minderer Qualität Leichtziegel herstellen kann, die den bauphysikalischen
Anforderungen, insbesondere
hinsichtlich Druckfestigkeit, Wärmedämmung
und Dampfdiffusion entsprechen, wenn man in die Rohmasse mindestens 0,1 Gew.% kolloidaler
Kieselsäuren oder Silikate des Magnesiums, Calciums, Bariums oder Aluminiums mit
einer spezifischen Oberfläche über 15 m2 /g, gemessen nach BET, bis zur gleichmäßigen
Verteilung einarbeitet. Bei den üblichen als Rohstoff ohne weiteres geeigneten Rohstoffen,
insbesondere Tonmineralen, bewirkt der erfindungsgemäße Zusatz der aktiven kolloiden
Kieselsäuren oder Silikate eine ganz überraschende Erhöhung der Druckfestigkeit
der gebrannten keramischen Erzeugnisse.
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Bereits mit Zusätzen in der Größenordnung von 0,5 bis 1 Gew.% läßt
sich bei sonst gleicher Zusammensetzung der Rohmasse und identischen Bedingungen
der Aufbereitung, der Formgebung und des Brennens eine Verdopplung der Druckfestigkeit
der gebrannten Erzeugnisse erreichen. Bestimmte angestrebte Druckfestigkeiten können
mit niedrigeren Brenntemperaturen oder kürzeren Brennzeiten erzielt werden. Dementsprechend
kann an Tonmasse und damit an Gewicht gespart werden und der Anteil der mineralischen
Schaumprodukte weit über das übliche Maß z.B bis zu einem Anteil von 75 Vol.% erhöht
werden.
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Gemäß der Erfindung lassen sich Leichtziegel mit der noch den Bauanforderungen
entsprechenden Druckfestigkeit von mit Scherbenrohdichten von 0,8 bis 1,2 kg/dm3
herstellen.
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Bei den als Porenbildnern dienenden mineralischen Bläh- oder Schaumprodukten
handelt es sich insbesondere um Gesteinsschäume wie Blähtone, Blähschiefer, expandierten
Perlit oder Vermiculit. Diese können, je nach den gewünschten Eigenschaften der
Leichtziegel, in Mengen bis zu 75 Vol % zugegeben werden. Da bei ausreichender Druckfestigkeit
ein möglichst geringes Gewicht der Leichtziegel angestrebt wird, beträgt der Zusatz
der mineralischen Schaumprodukte zweckmäßig nicht weniger als 50 Vol.%, bezogen
auf das trockene Gemisch mit Ton und den erfindungsgemäßen Zusätzen.
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Unter kolloide Kieselsäure" bzw. "koloiden Silikaten" werden gemäß
der Erfindung folgende Stoffgruppen verstanden: I. Wässrige KieselsAure-Sole mit
einem Feststoffgehalt bis zu 30 Gew.%, insbesondere 5-20 Gew.%. Die im Sol vorliegenden
kolloiden Kieselsäuren zeigen nach ihrer schonen-2 den Isolierung BET-Oberflächen
von mindestens 100 in II. Aus Wasserglas mit Säuren oder sauren Salzen gefällte
aktive Kieselsäuren, sogenannte Füllstoffe, mit BET-Oberflächen über 15 m2/g, insbesondere
über 30 m2/g.
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III. Åus gefällter aktiver Kieselsäure gewonnene Hydrogele und die
daraus durch Trocknung unter Erhaltung des Hydratcharakters erhaltene Kieselsäureexerogele
mit BET-Ober-2 flächen über 15 m2/g, insbesondere über 30 m2/g, in der 2 Regel mit
mehreren 100 m2/g.
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IV. Insbesondere durch flammenhydrolytische Spaltung von Siliciumtetrachlorid
gewonnene aktive Kieselsäuren mit 2 BET-Oberflächen von 50 bis 450 m /g (Aerosil).
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V. Aus Wasserglas und den entsprechenden Metallsalzen und eventuell
Mineralsäuren gefälltetaktive Silikate des Magnesiums, Calciums, Bariums oder Aluminiumsoder
von Mischun-2 gen dieser Metalle mit BET-Oberflächen über 15 m /g, vor-2 zugsweise
über 30 m /g, in Form ihrer Hydrogele oder Xerogele. Die Fällung der Silikate kann
z.B. mit CaCl2 allein oder mit CaCl2 und HCl erfolgen. Andere Systeme der Praxis
sind Al2(S04)3 und H2S04.
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Die vorstehend und im folgenden verwendete BET-Methode mit Stickstoff
zur Oberflächenbestimmung durch Berechnung der Monoschichtkapazität von Brunauer,
Emmet und Teller ist u.a. in Ullmanns Enzyklopädie der technischen Chemie, Band
II/1, S. 758/59 beschrieben. Die Wirkung des erfindungsgemäßen Zusatzes der kolloiden
Kieselsäuren oder Silikate zeigt sich bereits in der Größenordnung von 0,05 Gew.%,
bezogen auf die Trockensubstanz der Rohmasse. Vorzugsweise beträgt der Zusatz
0,1
bis 3 Gew.%. Höhere Zusätze als 3 %, beispielsweise von 5 oder 10 %, sind in Ausnahmefällen
möglich, bringen in der Regel keine Vorteile und sind wirtschaftlich kaum vertretbar.
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Der Fachmann wird jeweils im Hinblick auf die Bearbeitbarkeit, die
Brennbedingungen und die Gebrauchseigenschaften der fertigen Leichtbaustoffe optimale
Menge des zuzusetzenden kolloiden Silikats bzw. der kioiden Kieselsäure wählen.
Bei den Kieselsäuresolen stellt der SiO2-Gehalt die Berechnungsbasis dar.
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Von einem Sol mit einem SiO2-Gehalt von 10 Gew.% sind demzufolge 0,05
x 10 = 0,5 Gew.% als Mindestmenge zuzusetzen.
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Die gefällten Kieselsäuren und Silikate der Gruppen II, III und V
und die wässrigen Kieselsäuresole der Gruppe I werden für die Zwecke der Erfindung
bevorzugt.
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Die erwähnten kolloiden Kieselsäuren oder Silikate müssen bis zur
gleichmäßigen Verteilung in die Rohmasse eingearbeitet werden. Wenn sie in Form
ihrer Sole oder wässrigen Suspension zugemischt werden, geschieht das zweckmäßig
bei der Zugabe des Wassers zu den Rohstoffen, d.h. beim Walken zur Homogenisierung
und Plastifizierung der Massen. Die Produkte der obigen Gruppen II, IV und V sind
üblicherweise so feinteilig und die Kornfestigkeit ist so gering, daß beim Walkvorgang
ein Kornabbau bis in den Millimikronbereich erfolgt. Dies gilt auch für Hydrogele
der Gruppe III. Kieselsäurenxeiogele (III) sind nur ausreichend wirksam, wenn sie
auch eine feine Sekundärstruktur haben und so fein vermahlen sind, daß mindestens
75 % der Sekundärteilchen kleiner als 40 Fm, vorzugsweise kleiner als 20 pm sind.
Sofern sie als Pulver vorliegen, können die kolloiden Kieselsäuren und Silikate
außer als Suspension auch trocken zudosiert werden, wobei sie am besten schon mit
den Rohstoffen, d.h. mit dem Ton bzw.
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Lehm und dem mineralischen Schaumprodukt innig vermischt und
unter
Wasserzusatz plastifiziert werden. Es empfiehlt sich, den Gesteinsschaum, insbesondere
den expandierten Perlit, in einem Zwangsmischer gut anzufeuchten, möglichst so lange,
bis er wie ein Schwamm mit Wasser vollgesaugt ist bzw. nichts mehr aufnehmen kann.
Da der optimale Wassergehalt der Rohmasse je nach dem verwendeten Ton und der gewünschten
Methode der Formgebung, beispielsweise durch Strangpressverfahren oder in einer
Stempelpresse, durch Vorversuche ermittelt werden muß und dann die notwendige Menge
des Anmachwassers festliegt, werden die kolloiden Kieselsäuren oder Silikate unabhängig
davon, ob sie als Sole oder wässrige Suspensionen bzw. als Pulver vorliegen, vorzugsweise
dem Anmachwasser zugesetzt, weil sie sich auf diese Weise sehr gleichmäßig verteilen
lassen und besser in die Poren der Gesteinsschäume eindringen. Besonders gute Ergebnisse
werden mit warmen Anmachwasser von 400-600C, insbesondere 500-600C erzielt. Durch
das Vorvermischen der erfindungsgemäßen Zusätze mit dem Anmachwasser wird die Reaktion
der Teilchen des Gesteinsschaums mit dem Ton verbessert und die Verglasung der Innenwände
der Hohlräume des Leichtziegels gefördert. In Form und Größe entsprechen die Hohlräume
den verwendeten Gesteinsschaumteilchen, weil letztere beim Brand mit dem Ton und
den erfindungsgemäßen Zusätzen zu einem glasigen Material verschmelzen. Beispielsweise
verbleiben anstelle der expandierten Perlitteilchen im Tongerüst Hohlräume mit verglasten
Wänden von der Größe der Perlitteilchen.
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Als nächstes wird den mit Wasser vollgesogenen Gesteinsschaumteilchen
im Zwangsmischer Ton oder Lehm zugegeben. Die Teilchen der mineralischen Schaumprodukte,
die die Wassermenge enthalten, welche für die jeweilige Formgebung notwendig ist,
geben das Wasser zum großen Teil an den Ton ab, der dadurch besonders gut an den
Teilchen haftet und in ihre Poren eindringt, sofern sie keine geschlossene Außenhülle
haben.
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Die Rohmischung muß die für die Verarbeitung im Strangpressverfahren
oder in einer Stempelpresse übliche Konsistenz und Plastizität haben. Dem entspricht
bei der Formgebung durch Strangpressen ein Wassergehalt der Rohmasse von 22 bis
25 t.
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Für die Verarbeitung in der Stempelpresse muß auf die Rieselfähigkeit
der Rohmasse geachtet werden, die bei etwa 18 Gew.% Wasser gegeben ist.
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Wegen verfahrenstechnischer Schwierigkeiten-war es bisher nicht möglich,
einen Ziegelleichtstein mit fünf geschlossenen Seiten herzustellen, weil die Wandungen
zu schwer waren und der Formling in sich zusammenfiel. Mit den erfindungsgemäßen
Zusätzen kann aber die Materialdichte der Rohmasse, verglichen mit der normalen
Rohdichte von Ton oder Lehm, um 50-70 % vermindert werden, so daß die Wandungen
des Formlings wegen der geringen Dichte der Rohmasse standfest bleiben. Zugleich
vermeidet die Porosität des Gesteinsschaums, insbesondere des expandierten Perlits
ein Verkleben der rieselfähig eingefüllten Rohmasse an der Wandung der Presse.
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Massive Leichtziegel und Hohlblockleichtziegel mit nur vier geschlossenen
Seiten können in üblichen Steinformmaschinen aus der feuchtplastischen Rohmasse
durch Strangverpressung und anschließendes Abschneiden oder im rieselfähigen Zustand
mit Stempelpressen geformt werden. Die Herstellung von Hohlblockleichtziegeln mit
fünf geschlossenen Flächen sei an Hand der Zeichnung beschrieben. Figur 1 zeigt
schematisch eine Seitenansicht der Stempelpresse, wobei die Form längs der Linie
a-a der Figur 2 aufgeschnitten ist. Der Gegenstempel 1 befindet sich über dem Formkasten
2, der auf der Unterlage 5 ruht und von den Zylindern 6 getragen wird. Mit Hilfe
der Befestigungsstege 4 sind die Kerne 3 in der Form aufgehängt.
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Die Kerne 4, die den Lochanteil des Ziegelleichtsteins bestimmen,
befinden sich also in der Form. Der Gegenstempel 1 hat nur die Aussparungen, die
an den Kernen 3 und den Befestigungstegen 4
vorbeigehen. Aus einem
nicht dargestellten Vorratsbehälter der Presse wird das rieselfähige Mischgut in
die Form gefüllt.
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Die Füllung erfolgt chargenmäßig und dauert jeweils 20 bis 60 Sekunden.
In Figur 3 ist wie in Figur 2 die Form in der Draufsicht, jedoch in dem mit der
Rohmasse 7 befüllten Zustand dargestellt. Figur 4 zeigt dann das Ende des Pressvorganges.
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Der Gegenstempel 1 drückt auf die Füllmasse 7, nachdem durch Vibration
die Masse in sich-noch verdichtet wurde. In Figur 5 ist bereits die beginnende Entformung
dargestellt. Der Gegenstempel 1 drückt noch auf den fertig gepressten Blockziegel
7, damit die Form 2 über den Zylinder 6 nach oben abgehoben werden konnte, während
der Blockziegel 7 frei auf der Unterlage 5 stehenbleibt. Sobald der Formkasten 2
den Blockziegel 7 vollkommen freigegeben hat, geht der Gegenstempel 1 in seine Ausgangsstellung
zurück und der Hohlziegel 7 wird mit der Unterlage 5 von der Presse abgeschoben.
Gleichzeitig kommt eine neue Unterlage 5 unter den Formkasten 2. Dann setzt der
Formkasten 2 wieder auf der Unterlage 5 auf, und der nächste Pressvorgang kann beginnen.
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In Figur 6 ist der nach dem vorstehend beschriebenen Verfahren geformte
Leichtblockziegel dargestellt. Figur 7 zeigt teilweise aufgeschnitten einen Hohlblockleichtziegel
mit fünf geschlossenen Flächen, bei denen die Zwischenwände 8 nicht die Form eines
Gitters haben wie bei dem Stein gemäß Figur 6, sondern nur parallel zu zwei einander
gegenüberliegenden Außenwänden, insbesondere den Längsseiten angeordnet sind, so
daß wie dargestellt drei parallele Kammern entstehen. Nach Bedarf kann dieser Leichtblockziegel
auch mehr, beispielsweise bis zu zehn Kammern besitzen. Diese Raumform verleiht
dem Hohlblockleichtziegel besonders gute Isolationswirkung, weil als zusätzliche
Wärmebrücken wirkende Quer-Zwischenwände entfallen.
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In der Zeichnung ist zwar nur die Herstellung eines Hohlblockleichtziegels
gemäß der Erfindung dargestellt; übliche Steinformmaschinen mit beidseitigem Auflastdruck
und Einrüttelung in mehrere Formen ermöglichen jedoch gleichzeitig
die
Herstellung von zwei bis acht Steinen in einem Pressvorgang.
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Wegen der hohen Standfestigkeiten der Wandungen aufgrund der geringen
Rohdichte des Materials ist auf solchen Stempelpressen bei entsprechend großen Formen
auch die Herstellung sehr großformatiger Hohlblocksteine möglich.
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Beim Brennen kommt man in der Regel mit geringeren Temperaturen aus,
als sie sonst zur Herstellung von Leichtziegeln gleicher Qualität erforderlich sind.
Aufgrund der geringeren Scherbenrohdichte bei gleicher Druckfestigkeit können beim
Brennen bzw. Sintern dieser Ziegelsteine 40 % und mehr der Heizkosten eingespart
werden. Die Brenntemperatur liegt in der Regel bei 9000 bis 1100°C. Die Garbrandzeit
beträgt 1,5 bis 3 Stunden.
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Durch Abstimmung von Brenntemperatur und Garbrandzeit wird der Brand
zweckmäßigerweise so geführt, daß die Poren der Gesteinsschäume in dem fertigen
Leichtziegel verglast sind.
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Dadurch kann die Druckfestigkeit der Leichtziegel noch verbessert
werden, was insbesondere für großformatige Hohlblocksteine, Platten oder Elemente
wichtig ist. Die Scherbenrotidichte unter 1 kg/l gibt den Ziegeln eine große Wärmedämmung
bei Druckfestigkeiten, die je nach der zugegebenen Menge der kolloiden 2 Kieselsäuren
oder Silikate 180 kg/cm2 und mehr betragen. Das gilt auch für den erfindungsgemäßen
Hohlblockleichtziegel aus Ton und mineralischen Lehmprodukten mit fünf geschlossenen
Flächen. Zusätzlich kann beim Vermauern eines solchen Leichtziegels bis zu 60 %
Mörtel eingespart werden, verglichen mit Ziegeln, die nur vierfach geschlossen sind.
Der Stein wird zweckmäßig so vermauert, daß die einzige offene Seite nach unten
zeigt.