DE2724010C2

DE2724010C2 - Schaumkeramikelement sowie Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE2724010C2
Application number: DE19772724010
Authority: DE
Inventors: Des Erfinders Auf Nennung Verzicht
Original assignee: Schneider Gmbh & Co, 5020 Frechen
Priority date: 1977-05-27
Filing date: 1977-05-27
Publication date: 1987-04-09
Also published as: FR2391969A1; GB1583441A; BE867516A; NL7805531A; JPS541309A; DK223378A; DE2724010A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Schaumkeramikelement auf der Basis mineralischer Rohstoffe, mit einer Porenverteilung, die zwei Maxima aufweist, wobei das erste Maximum vom mittleren Durchmesser großer Poren und das zweite Maximum vom mittleren Durchmesser kleinerer Poren, die die Feststoffstege zwischen den großen Poren durchsetzen, gebildet werden, herstellbar nach dem Verfahren des Patentes 26 04 793.
Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Schaumkeramikelements, wobei tonmineralhaltigen Rohstoffen Schäumhilfsmittel und ggf. übliche Flußmittel zugemischt werden, das Gemisch mit Wasser gemengt wird, das Gemenge getrocknet, in Formen eingebracht und bis zum Schäumen erhitzt sowie anschließend abgekühlt wird, wobei als Schäumhilfsmittel ein Sulfat und ein Sulfid zugesetzt werden und das Gewichtsverhältnis Sufat : Sulfid 10 : 1 bis 1 : 1, vorzugsweise 3 : 1 beträgt, wobei das Schäumhilfsmittel in Mengen von 0,2 bis 10 Gew.-%, insbesondere von 2 bis 5 Gew.-%, bezogen, auf die Feststoffsubstanz, zugesetzt wird, wobei im Temperaturbereich von 1000 bis 1200°C derart geschäum wird, daß eine Schaumstruktur entsteht, bei der große Kugelporen mit Durchmessern, im Bereich von 1,5 bis 2,5 mm stegartig vom Feststoff umgeben sind, der mittlere Durchmesser der Kugelporen ein Maximum bildet und der Feststoff von kleineren Poren durchsetzt wird, deren mittlerer Durchmesser ein anderes Maximum bildet, wobei das Verhältnis des mittleren Durchmessers der großen Poren zum mittleren Durchmesser der kleineren Poren zwischen 3 : 1 und 8 : 1, vorzugsweise zwischen 4 : 1 und 5 : 1 liegt und das Element eine Rohdichte von 300 bis 600 kg/m³ aufweist, nach Patent 26 04 793.
Bei dem Verfahren des Hauptpatents ist weiterhin vorgesehen, daß als Schäumhilfsmittel ein Gemenge aus Eisensulfat und Eisensulfid besonders günstig ist und als Schäumhilfsmittel natürliche und/oder industrielle Abfallprodukte verwendet werden können, wobei bevorzugt Klärschlammasche, insbesondere einer Körnung unter 200 µm, vorzugsweise unter 60 µm, zugesetzt wird. Das Schäumen soll vornehmlich während einer Schäumzeit von 10 bis 180 Minuten erfolgen. Besonders geeignet sind Steinzeugtone, vorzugsweise mit illitischem Anteil.
Ein Merkmal der neuen Schaumkeramikelemente ist eine Wasseraufnahme von praktisch 0 und ein Diffusionswiderstandsfaktor von praktisch unendlich. Die Porosität liegt im Bereich von etwa 80 Vol.-%. Diese Eigenschaften erhält das Schaumkeramikelement aufgrund der vorwiegend geschlossenen Poren bzw. durch die geschlossene Porosität.
Die neuen keramischen Leichtbauelemente weisen die im Hauptpatent beschriebenen hervorragenden Eigenschaften auf und sind darüberhinaus bedingt brandfest. Ziel der vorliegenden Erfindung ist, die Brandfestigkeit von Schaumkeramikelementen zu erhöhen bzw. zu gewährleisten und einen Weg aufzuzeigen, auf dem die Brandfestigkeit von derartigen Baukörpern gezielt beeinflußt werden kann.
Die Brandfestigkeit von Baukörpern wird durch die Norm DIN 4102 vorgeschrieben. In anderen Ländern weichen die Bestimmungen mehr oder weniger von den deutschen Anforderungen ab. Insofern sollen mit der vorliegenden Erfindung Baukörper geschaffen werden, die ganz allgemein als brandfest bezeichnet werden können.
Die bekannten Schaumglas- und Schaumkeramikelemente sind bei Verwendung als tragende Wände, z. B. im Sinne der DIN 4102 nicht brandfest. Die Ursachen dafür liegen insbesondere in der Sprödigkeit, der Vielzahl der gasgefüllten geschlossenen Poren, der niedrigen Wärmeleitfähigkeit und dem relativ hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten. Es kommt beim schnellen Aufheizen zu erheblicher Makrorißbildung und Abplatzungen, wobei das Bauteil in viele Teile zerfallen kann.
Theoretisch gibt es mehrere Wege, die Brandfestigkeit der Bauelemente zu erreichen. Zum einen kann man versuchen, den Wärmeausdehnungskoeffizienten der Grundmasse zu erniedrigen. Zum anderen ist ggf. das angestrebte Ziel durch Erhöhung der elastischen Eigenschaften unter Reduzierung der Glasphase im Schaumkeramikelement erreichbar. Dies kann man z. B. durch Erhöhung des Kristallphasenanteils bewirken. Ferner kann man versuchen, die Wärmeleitfähigkeit und die Festigkeit zu erhöhen. Von den aufgezeigten Möglichkeiten schneiden die Wege über die Wärmeleitfähigkeit und den Wärmeausdehnungskoeffizienten aus wirtschaftlichen und verfahrenstechnischen Gründen aus. Versuche, die anderen Wege zu beschreiten, führten bei Schaumkeramikelementen nicht zum gewünschten Erfolg.
Aufgabe der Erfindung ist, die Brandfestigkeit von Schaumkeramikelementen zu erhöhen, ohne die geforderten anderen Eigenschaften eines Baukörpers entsprechender Art aufzugeben.
Erfindungsgemäß wird dies durch ein Schaumkeramikelement erreicht, das in seinen Feststoffstegen Mikrorisse aufweist, die teilweise die großen und kleinen Poren miteinander unter Bildung einer offenen Porosität verbinden. Mikrorisse im Sinne der Erfindung sind Risse, die beim raschen Aufheizen und Abkühlen entstehen, wobei sich durch Temperaturdifferenzen Gefügespannungen durch Rißbildung abbauen. Dadurch, daß im erfindungsgemäßen Schaumkeramikelement die Mikrorisse teilweise die großen und kleinen Poren verbinden und auf diese Weise eine durchströmbare bzw. offene Porosität erzeugen, wird eine Gasdiffusion bzw. teilweise sogar eine Gasströmung ermöglicht. Ein anderer Teil der Mikrorisse ist innerhalb der Feststoffstege eingeschlossen.
Es hat sich in überraschender Weise gezeigt, daß diese Mikrorisse der Temperaturwechselbeständigkeit sowie die Gasdiffusion und Gasströmung derart begünstigen, daß die geforderte Brandfestigkeit gewährleistet werden kann. Vorteilhaft ist, wenn der Anteil der Mikrorisse 0,3 bis 1,1 Vol.-% beträgt. Dabei ergibt sich eine offene Porosität von etwa 10 bis 25 Vol.-%. Besonders vorteilhaft ist, wenn die offene Porosität 15 bis 20 Vol.-% beträgt.
Die Mikrorisse im erfindungsgemäßen Schaumkeramikelement entsprechen den Rissen, die beispielsweise von Griffith beschrieben werden. Sie sind optisch mikroskopisch auf einfache Weise analysierbar.
Nach einer besonderen Ausführungsform der Erfindung sind in den Glasphase enthaltenden Feststoffstegen Kristalle und/oder Kristallite aus Anorthit und Christobalit eingebettet, die mit Mikrorissen in im wesentlichen kristallflächenparalleler Lage umgeben sind und/oder von denen Mikrorisse mehr oder weniger radial ausgehen. Dabei ist ein Christobalitanteil von 2 bis 20, insbesondere 5 bis 15, und ein Anorthitanteil von 2 bis 30, insbesondere von 10 bis 25 Gew.-%, günstig. Vorteilhaft ist, wenn die durchströmende offene Porosität zwischen 10 und 25 Vol.-% liegt und das Element einen Diffusionswiderstandsfaktor von 60 bis 160 aufweist. Dabei sollten die Mikrorisse etwa 10 bis 30 µm, insbesondere 16 bis 20 µm lang und 0,1 bis 0,5 µm, insbesondere 0,2 bis 0,4 µm, breit sein. Derartige Mikrorisse sind einerseits zu klein, um große, die Bauteile zerstörende Makrorisse zu bilden, und verhindern andererseits die Ausbreitung von Makrorissen, weil die großen Risse sich in der Vielzahl der Mikrorisse verlaufen und damit sich "totlaufen". Da die Mikrorisse z. T. untereinander in Verbindung stehen und auch in den großen Poren auslaufen, ergibt sich die offene durchströmbare Porosität. Die Ermittlung der offenen durchströmbaren Porosität ist auf einfache Weise durch die Wasseraufnahmeprüfung möglich. Diese wird durchgeführt, indem die Prüfwürfel der Abmessungen 10 × 10 × 10 cm³ nach der Gewichts- und Volumenbestimmung zwei Stunden in destilliertem Wasser gekocht und anschließend 24 Stunden in destilliertem Wasser gelagert werden. Nach der Bestimmung des Naßgewichtes der Würfel kann die Wasseraufnahme errechnet werden.
Die Wasseraufnahme der erfindungsgemäßen Schaumkeramikelemente liegt vorzugsweise im Bereich von 8 bis 30, insbesondere zwischen 10 und 20 Gew.-%.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Schaumkeramikelements ist dadurch gekennzeichnet, daß beim Abkühlen in den Stegen Spannungen erzeugt und die Spannungen durch Mikrorißbildung abgebaut werden kann.
Mineralische Rohstoffe und die Schäumvorgänge, die zu einem Schaumkeramikelement führen, sind bereits im Hauptpatent beschrieben worden. Durch die Zugabe des Schäumhilfsmittels läuft der Schäumvorgang stark exotherm ab. Es ist daher besonders günstig, kurz vor Beginn des Blähens durch eine hinreichend lange Temperaturhalteperiode einen Temperaturausgleich herbeizuführen und das Blähen durch die exotherme Reaktion zwischen den Reaktionspartnern des Schaumhilfsmittels in Gang zu setzen. Auf diese Weise lassen sich Schaumkeramikelemente bis zu einer Blähhöhe von 50 cm und mehr mit gleichmäßigem Porengefüge fertigen. Die exotherme Reaktion wird dabei insbesondere durch Verwendung von Klärschlammasche als Schäumhilfsmittel initiiert, die von Hause aus ein Sulfat und ein Sulfid enthält. Die Klärschlammasche wirkt darüber hinaus auf Grund ihrer chemischen Zusammensetzung stark schmelzpunkterniedrigend, so daß sich insofern ein synergistischer Effekt ergibt.
Ferner kann exotherme Reaktion erzeugt werden, wenn man von einem Rohstoff ausgeht, der bereits eine Schäumhilfsmittelkomponente aufweist und dem die zweite Komponente zugesetzt wird. Beispielsweise kann ein nicht schäumender eisensulfathaltiger Ton schäumfähig gemacht werden, indem diesem Eisensulfid zugesetzt wird. Umgekehrt kann ein sulfidhaltiger Ton durch eine Zugabe von Sulfat in den schäumenden Zustand überführt werden. Außerdem ist es möglich, einen blähfähigen Rohstoff zu verwenden und durch den Zusatz des Schäumhilfsmittels schäumfähig zu machen. Dabei kann der Rohstoff ggf. eine Schäumhilfsmittelkomponente aufweisen, so daß lediglich noch die zweite Komponente zugesetzt zu werden braucht. In allen Fällen ist es insbesondere günstig, wenn man dafür sorgt, daß der Schäumvorgang auf Grund exothermer Reaktionen abläuft.
Die Aufbereitung der Rohstoffe kann trocken oder mit Wasser oder einer anderen bildsam machenden Komponente erfolgen, und die granulierten Rohstoffe können feucht oder getrocknet in die Formen eingebracht werden. Die Auswahl dieser Verfahrensparameter richtet sich nach den Erfordernissen der jeweiligen Rohstoffe. Als Schäumhilfsmittel kommen Gemenge aus reinen Sulfaten und Sulfiden sowie natürliche und synthetische Abfallprodukte in Frage, die die Schwefelverbindungen als Komponenten enthalten. Wenn in derartigen Produkten nur eine der Schwefelverbindungen enthalten ist, kann durch Zumischen eines die andere Schwefelverbindung enthaltenden Produkts ein Schäumhilfsmittel daraus hergestellt werden.
Nach einer besonderen Ausführungsform der Erfindung werden die Spannungen und Mikrorisse durch die Temperaturführung beim Abkühlen des geschäumten Produkts erzeugt, wobei rohstoffseitig dafür gesorgt wird, daß sich in den Stegen Phasengemenge aus mindestens zwei Phasen mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten ausbilden. An den Phasengrenzen bzw. in den Phasengrenzbereichen entstehen beim Abkühlen Spannungen, deren Höhe sich nach der Differenz der Wärmeausdehnungskoeffizienten der Phasen bestimmt. Die Temperatur beim Abkühlen wird so geführt, daß sich die Spannungen nicht in der Schmelzphase durch Schmelzfluß oder andere physikalischen Vorgänge ausgleichen, sondern durch die Bildung von Mikrorissen zu einem bestimmten Teil in der gewünschten Weise abgebaut werden.
Vorzugsweise wird ein Gemenge aus zwei Phasen in den Stegen erzeugt und dafür gesorgt, daß die Gemengeteile bzw. Phasen nahezu homogen verteilt nebeneinander vorliegen.
Insbesondere wird erfindungsgemäß das Phasengemenge hergestellt, indem durch Entglasungen aus der Schmelzphase beim Abkühlen Kristalle und/oder Kristallite ausfallen, die einen höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten als die Schmelzphase und die Glasphase aufweisen. Die Kristalle oder Kristallite sind in der Schmelz- und Glasphase der Stege eingebettet. Beim Abkühlen kommt es an den Grenzflächen von Glas- und Kristallphase zu erheblichen Spannungen, die durch Mikrorißbildung sowohl um die Einzelkristalle und/oder Kristallite herum als auch von diesen fortlaufend abgebaut werden. Dabei kann man die Anzahl der Kristalle und/oder Kristallite sowie deren Größe und damit die Intensität der Rißbildung durch die Temperaturführung in bezug auf Keimbildung und Keimwachstum beliebig steuern und die optimalen Bedingungen empirisch für eine bestimmte Rohstoffzusammensetzung ermitteln. Die Intensität der Rißbildung ist um so größer je größer die Kristalle bzw. Kristallite sind und je größer die Abkühlungsgeschwindigkeit gewählt wird.
Vorteilhaft ist, ein Rohstoffgemenge zusammenzustellen, das die Ausbildung von Anorthit- und Cristobalit-Kristallen gestattet. Dies ist dann besonders einfach, wenn man von Steinzeugtonen, vorzugsweise mit illitischem Anteil, ausgeht und als Schäumhilfsmittel Klärschlammasche zusetzt, wobei die Christobalitbildung durch Einsatz von Tonen mit einem höheren Feinquarzanteil begünstigt wird. Die Abkühlung wird dann so gewählt, daß in den Stegen 2 bis 20 Gew.-% Christobalit- und 2 bis 3 Gew.-% Anorthit-Kristalle ausfallen und bis zum Transformationsintervall der Glasphase mit 2,0 bis 5,0°C/min. und unterhalb des Transformationsintervalls mit 0,4 bis 1,2°C/min. abgekühlt wird. Eine besonders günstige Ausbildung der Kristalle und/oder Kristallite und eine besonders geeignete Einbettung in die Glasphase der Stege erhält man, wenn die Rohstoffe mit einem Kollergang aufbereitet werden, weil sich ein besonders günstiges gelockertes Rohgemengegefüge dabei ausbildet.
Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird ein Phasengemenge mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten in den Stegen dadurch hergestellt, daß ein weitestgehend homogenes Granulatgemisch aus mindestens zwei Granulatsorten geschäumt und abgekühlt wird, wobei jede Granulatsorte eine Schmelz- und Glasphase ausbildet, die einen von der anderen Glasphase unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist. Dabei kann ein Granulatgemisch aus zwei trockenen und/oder feuchten Rohgranulatsorten oder ein Granulatgemisch aus zwei vorgeblähten Granulatsorten verwendet werden. Es ist auch möglich, eine Rohgranulatsorte mit einer vorgeblähten Granulatsorte homogen zu mischen. Besonders zweckdienlich ist, eine Rohgranulat- oder vorgeblähte Granulatsorte mit einer geschäumten, zerkleiner- ten Granulatsorte zu mischen. Ferner ist es besonders günstig, ein Rohgranulat aus Rohstoffen, Schäumhilfsmitteln und zerkleinertem, vorgeblähtem Granulat oder zerkleinertem, geschäumten erfindungsgemäßen Schaumkeramikprodukt durch innige Vermischung herzustellen, so daß in den Granalien aus den üblichen Rohstoffen und den Schäumhilfsmitteln ein Korn für die zweite Phase homogen verteilt eingebettet ist. Letztere beiden Verfahrensvarianten sind dann insbesondere geeignet, wenn das vorgeblähte oder vorgeschäumte Produkt den größeren Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzt. Es kann in diesen Fällen Schaumkeramikabfallmaterial, z. B. der Schneidverlust, wirtschaftlich wiederverwendet werden, das vorzugsweise unter 8 mm vorzerkleinert wird und insbesondere die folgende Kornverteilung aufweist:

7,0-8,0 mm 11-14 Gew.-% insbes. 12,83 Gew.-% 3,0-7,0 mm 40-44 Gew.-% insbes. 42,60 Gew.-% 2,0-3,0 mm 9-12 Gew.-% insbes. 10,87 Gew.-% 1,0-2,0 mm 3-5 Gew.-% insbes. 3,60 Gew.-% 0,5-1,0 mm 8-10 Gew.-% insbes. 8,47 Gew.-% 0,25-0,5 mm 6-7 Gew.-% insbes. 6,10 Gew.-% 0,10-0,25 mm 7-8 Gew.-% insbes. 7,20 Gew.-% 0,063-0,1 mm 2-4 Gew.-% insbes. 2,93 Gew.-% < 0,063 mm 4-6 Gew.-% insbes. 5,40 Gew.-%

Es hat sich gezeigt, daß es für die Zwecke der Erfindung vorteilhaft ist, wenn eine Granulatsorte mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten nach dem Schäumen im Bereich von 4,2 bis 5,0 · 10^{- 6}°C^{- 1} mit einer Granulatsorte mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten nach dem Schäumen im Bereich von 5,0 bis 7,0 · 10^{- 6}°C^{- 1} gemischt wird. Man sollte vornehmlich jedoch darauf achten, daß die Differenz der Wärmeausdehnungskoeffizienten der beiden Granulatsorten bzw. Glasphasenbildner im Bereich zwischen 0,5 bis 2,5 · 10^{- 6}°C^{- 1}, insbesondere zwischen 0,8 bis 2,0 · 10^{- 6}°C^{- 1}, liegt. Die Mikrorißbildung erfolgt dann durch Abbau der Spannungen in den Grenzphasenbereichen. Dabei ist es ebenfalls günstig, wenn vor dem Transformationsintervall mit 2,0 bis 5,0°C/min. und nach dem Transformationsintervall mit 0,4 bis 2,0°C/min. abgekühlt wird.
Es ist nach einer weiteren Verfahrensvariante besonders zu empfehlen, in den Stegen zwei Glasphasen und eine oder zwei Kristallphasen auszubilden. Dies kann mit einem Rohstoffversatz der ersten Verfahrensvariante durch Mischung mit einem zweiten Granulat oder geschäumten Abfallkorn erzielt werden; wobei aus dem Rohstoffversatz eine Glasphase mit Kristallen und aus dem Abfallkorn eine zweite Glasphase entsteht. Die Rißbildung ist dann besonders einfach zu steuern, weil sowohl die Kristalle als auch die Glasphasen Spannungen erzeugen und die Rißbildung fördern.
Ferner ist vorteilhaft, Granulatgemische zu verwenden, die einen unterschiedlichen Transformationsbereich bzw. ein unterschiedliches Transformationsintervall nach dem Schäumen aufweisen. Dies begünstigt die Form, Anzahl und Größe der Risse. Das Transformationsintervall sollte vornehmlich eine Differenz von 5 bis 25°C aufweisen.
Auch für diese Verfahrensvarianten sollte eine Halbnaß-Aufbereitung der Rohstoffe, insbesondere mit erdfeuchten Tonen im Kollergang, und eine Aufheizgeschwindigkeit bis zur Schäumtemperatur von etwa 1180 bis 1200°C von zwei bis vier Stunden gewählt werden.
Eine Masse mit einem höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten kann man auf einfache Weise dadurch herstellen, indem man die Rohstoffgrundmasse verwendet und ein Quarzmehl zusetzt. Das Quarzmehl sollte vorzugsweise die folgende Kornverteilung aufweisen:

> 63 µm 18-20 Gew.-% insbes. 19 Gew.-% 50-63 µm 7-9 Gew.-% insbes. 8 Gew.-% 40-50 µm 6-8 Gew.-% insbes. 7 Gew.-% 25-40 µm 18-22 Gew.-% insbes. 20 Gew.-% 16-25 µm 14-16 Gew.-% insbes. 15 Gew.-% 10-16 µm 10-12 Gew.-% insbes. 11 Gew.-% 6,3-10 µm 6-8 Gew.-% insbes. 7 Gew.-% 4-6,3 µm 3-5 Gew.-% insbes. 4 Gew.-% 2,5-4 µm 2-5 Gew.-% insbes. 4 Gew.-% < 2,5 µm 3-5 Gew.-% insbes. 5 Gew.-%

Außerdem kann die Rohstoffgrundmasse zur Herstellung der zweiten Granulatsorte mit einem feinquarzreichen Ton z. B. mit der folgenden Kornverteilung versetzt werden:

1> 63 µm 1-2 Gew.-% insbes. 1,6 Gew.-% 50-63 µm 1-2 Gew.-% insbes. 1,3 Gew.-% 40-50 µm 1-2 Gew.-% insbes. 1,4 Gew.-% 25-40 µm 2-4 Gew.-% insbes. 2,7 Gew.-% 16-25 µm 3-6 Gew.-% insbes. 5,4 Gew.-% 10-16 µm 2-4 Gew.-% insbes. 3,8 Gew.-% 6,3-10 µm 8-10 Gew.-% insbes. 9,2 Gew.-% 4-6,3 µm 3-6 Gew.-% insbes. 5,1 Gew.-% 2,5-4 µm 4-7 Gew.-% insbes. 6,2 Gew.-% < 2,5 µm 60-66 Gew.-% insbes. 63,3 Gew.-%

Die folgenden Beispiele dienen zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens:

Beispiel 1

Es wird ein Gemenge aus 70 Gew.-%, mindestens 50 Gew.-% Feinquarz enthaltenden Steinzeugton, 20 Gew.-% Basaltmehl, 3 Gew.-% Eisensulfid und 7 Gew.-% Eisensulfat hergestellt. Einem Gewichtsteil dieses Versatzes werden 0,25 Gewichtsteile Wasser zugegeben und die Bestandteile in einem Mischkillergang 20 min. innig vermischt. Anschließend folgt der Trocknungsvorgang, der bis zu einem Restwassergehalt von unter 2 Gew.-% geführt wird. Das getrocknete Material wird in der Folge zu Granalien mit einer Grenzkorngröße von etwa 10 mm zerkleinert, die Granalien in Formen gefüllt und geschäumt. Der Schäumprozeß selbst wird in mit einer Isolationsschicht versehenen feuerfesten Formen durchgeführt. Das Aufheizen erfolgt in etwa 10 Std. bis zur Endbrandtemperatur von 1180°C. Dabei schäumt das Material gleichmäßig im Temperaturintervall von 1140 bis 1180°C.
Während bis zum Transformationsbereich des Kühlvorganges von 780°C in etwa 3 Std. gekühlt wird, werden für die Kühlung bis auf Zimmertemperatur 24 Std. benötigt.
Nach dem Abkühlvorgang liegt ein Schaumkeramikelement vor, das in den Feststoffstegen Anorthit- und Cristobalitkristalle aufweist, ein Raumgewicht von 500 kg/m³, eine Druckfestigkeit von 5,5 N/mm², eine Biegefestigkeit von 2,5 N/mm² und eine Wärmeleitfähigkeit von 0,1163 W/(m · K) besitzt. Der mittlere Porendurchmesser im Bereich der größeren Poren beträgt 2,5 mm und die Wasseraufnahme 16 Gew.-%.

Beispiel 2

Der Versatz wird aus 50 Gew.-% mindestens 50 Gew.% Feinquarz enthaltendem Ton bzw. Tonversatz und 50 Gew.-% Klärschlammascheprodukt tonsubstanzähnlicher Zusammensetzung zusammengestellt. Er enthält 0,9 Gew.-% S^{- 2} und 2,6 Gew.-% SO₄ ^{- 2}. Die Aufbereitung und das Schäumen erfolgen in den grundsätzlichen Zügen gemäß Beispiel 1, jedoch werden in Abänderung von Beispiel 1 bereits im plastischen Zustand mittels einer Pelletiereinrichtung die Granalien hergestellt. Diese werden entweder nach dem Trocknen oder unmittelbar im plastischen Zustand in die isolierten feuerfesten Wannen eingefüllt. Nach dem abgeschlossenen Schäumvorgang und der Kühlung gemäß Beispiel 1 liegt ein Schaumkeramikelement mit einem Raumgewicht von 450 kg/m³ und einer Druckfestigkeit von 5,0 N/mm² vor. Die Biegefestigkeit beträgt 2,5 N/mm² und die Wärmeleitfähigkeit 0.1163 W/(m · K).
Für die Wasseraufnahme werden für die brandfesten Elemente Werte um 14 Gew.-% ermittelt. Der mittlere Porendurchmesser liegt für den Bereich der größeren Poren bei 2,5 mm.

Beispiel 3

Es werden sowohl aus einem Versatz mit einem normalen illitischen Steinzeugton als auch aus einem Versatz mit einem hochquarzhaltigen Ton Pellets gemäß Beispiel 1 und 2 hergestellt. Diese werden nach dem Trocknen im Gewichts-Verhältnis 2 : 1 miteinander vermischt, in eine feuerfeste Wanne gefüllt, erhitzt und geschäumt und anschließend abgekühlt gemäß Beispiel 1.
Nach dem Abkühlen liegt ein Schaumkeramikelement mit einem Raumgewicht von 450 kg/m³, einer Druckfestigkeit von 5,5 N/mm² und einer Biegefestigkeit von 2,8 N/mm² vor. Die Wärmeleitfähigkeit beträgt 0.1744 W/(m · K), und die Wasseraufnahme liegt bei 16 Gew.-%. Der mittlere Porendurchmesser der großen Poren beträgt 2,5 mm.
Anhand der Figur wird ein erfindungsgemäßes Schaumkeramikelement kurz erläutert. Das Stegmaterial 1 umgibt die Poren 2 mit großem Durchmesser. In den Stegen 1 sind Poren 3 mit kleinerem Durchmesser und Mikrorisse 4 homogen verteilt. Die Mikrorisse gehen z. T. von einer großen Pore 2 zu einer anderen großen Pore oder von einer kleineren Pore 3 im Steg zu einer anderen kleineren Pore, ohne die großen Poren 2 zu erreichen. Rißkreuzungen sind ebenfalls vorhanden. Die Risse bewirken durch die Verbindung großer und kleiner Poren die offene durchströmbare Porosität.
Die vorliegende Erfindung zeigt einen Weg auf, Schaumkeramikelemente durch gezielte Mikrorißbildung brandfest zu machen. Dabei wird anhand des Gegenstandes des Hauptpatents aufgezeigt, mit welchen Mitteln eine Mikrorißbildung erzielt werden kann. Selbstverständlich ist es mit ähnlichen Mitteln möglich, die Brandfestigkeit bei Schaumglas- und anderen Schaumkeramikelementen durch Mikrorißbildung zu erhalten.

Claims

1. Schaukeramikelement, auf der Basis mineralischer Rohstoffe, mit einer Porenverteilung, die zwei Maxima aufweist, wobei das erste Maximum vom mittleren Durchmesser großer Poren und das zweite Maximum vom mittleren Durchmesser kleinerer Poren, die die Feststoffstege zwischen den großen Poren durchsetzen, gebildet werden, herstellbar nach dem Verfahren des Patens 26 04 793, dadurch gekennzeichnet, daß es Mikrorisse in den Feststoffstegen aufweist, die teilweise die großen und kleinen Poren miteinander unter Bildung einer offenen Porosität verbinden.

2. Schaumkeramikelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil der Mikrorisse 0,3 bis 1,1 Vol.-% beträgt und sich dabei eine offene Porosität von 10 bis 25 Vol-% ergibt.

3. Schaumkeramik nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in den Feststoffstegen Kristalle und/oder Kristallite aus Anorthit und Cristobalit eingebettet sind, die von Mikrorissen umgeben sind.

4. Schaumkeramikelement nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch einen Cristobalit-Anteil von 2 bis 20, insbesondere von 5 bis 15, und einen Anorthit-Anteil von 2 bis 30, insbesondere 10 bis 25 Gew.-%.

5. Schaumkeramikelement nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch einen Diffusionswiderstandsfaktor von 60 bis 160.

6. Schaumkeramikelement nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch 10 bis 30 µm, insbesondere 16 bis 20 µm lange und 0,1 bis 0,5 µm, insbesondere 0,2 bis 0,4 µm breite Mikrorisse.

7. Schaumkeramikelement nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikrorisse teilweise untereinander in Verbindung stehen und z. T. in großen und/ oder kleinen Poren auslaufen.

8. Schaumkeramikelement nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch eine Wasseraufnahme von 10 bis 25, insbesondere von 10 bis 20 Gew.-%.

9. Verfahren zur Herstellung eines Schaumkeramikelements, wobei tonmineralhaltigen Rohstoffen Schäumhilfsmittel und ggf. übliche Flußmittel zugemischt werden, das Gemisch mit Wasser gemengt wird, das Gemenge getrocknet, in Formen eingebracht und bis zum Schäumen erhitzt sowie anschließend abgekühlt wird, wobei als Schäumhilfsmittel ein Sulfat und ein Sulfid zugesetzt werden und das Gewichtsverhältnis Sulfat : Sulfid 10 : 1 bis 1 : 1, vorzugsweise 3 : 1, beträgt, und daß das Schäumhilfsmittel in Mengen von 0,2 bis 10 Gew.-%, insbesondere von 2 bis 5 Gew.-%, bezogen auf die Feststoffsubstanz, zugesetzt wird, und daß im Temperaturbereich von 1000 bis 1200°C derart geschäumt wird, daß eine Schaumstruktur entsteht, bei der große Kugelporen mit Durchmessern im Bereich von 1,5 bis 2,5 mm stegartig vom Feststoff umgeben sind, der mittlere Durchmesser der Kugelporen ein Maximum bildet, der Feststoff von kleineren Poren durchsetzt wird, deren mittlerer Durchmesser ein anderes Maximum bildet, wobei das Verhältnis des mittleren Durchmessers der großen Poren zum mittleren Durchmesser der kleineren Poren zwischen 3 : 1 und 8 : 1, vorzugsweise zwischen 4 : 1 und 5 : 1, liegt und das Element eine Rohdichte von 300 bis 600 kg/m³ aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß beim Abkühlen in den Stegen Spannungen erzeugt und Spannungen durch Mikrorißbildung abgebaut werden.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Schäumen mit Hilfe einer exothermen Reaktion des Schäumhilfsmittels durchgeführt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Blähen durch eine Temperaturhalteperiode ein Temperaturausgleich herbeigeführt wird und das Blähen durch die exotherme Reaktion zwischen den Reaktionspartnern des Schäumhilfsmittels in Gang gesetzt wird.

12. Verfahren nach Anspruch 10 und/oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß als Schäumhilfsmittel Klärschlammasche verwendet wird.

13. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß man von einem Rohstoff ausgeht, der bereits eine Schäumhilfsmittelkomponente aufweist und die zweite Komponente zusetzt.

14. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß als Rohstoff ein blähfähiger Rohstoff verwendet wird.

15. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß ein Rohstoff verwendet wird, der eine Schäumhilfsmittelkomponente aufweist und die zweite Komponente zugesetzt wird.

16. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikrorisse durch die Temperaturführung beim Abkühlen des geschäumten Produkts erzeugt werden, wobei rohstoffseitig dafür gesorgt wird, daß sich in den Stegen Phasengemenge aus mindestens zwei Phasen mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten ausbilden.

17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gemenge aus zwei Phasen in den Stegen erzeugt wird und die Phasen nahezu homogen verteilt nebeneinander vorliegen.

18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Phasengemenge durch Entglasungen aus der Schmelzphase beim Abkühlen hergestellt wird, wobei die Entglasungen bzw. Kristalle und/oder Kristallite einen höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten ausweisen.

19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß Anorthit- und Cristobalit- Kristalle erzeugt werden.

20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß als Rohstoff ein Steinzeugton mit illitischem Anteil und als Schäumhilfsmittel Klärschlammasche verwendet wird.

21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß bis zum Transformationsintervall der Glasphase mit 2,0 bis 5,0°C/min. und unterhalb des Transformationsintervalls mit 0,4 bis 1,2 °C/min. abgekühlt wird.

22. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohstoffe mit einem Kollergang aufbereitet werden.

23. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß ein homogenes Granulatgemisch aus mindestens zwei Granulatsorten geschäumt und abgekühlt wird, wobei jede Granulatsorte eine Schmelz- und Glasphase ausbildet, die einen von der anderen Glasphase unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist.

24. Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß eine Rohgranulatsorte mit einer vorgeblähten Granulatsorte homogen gemischt wird.

25. Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß eine Rohgranulat- oder vorgeblähte Granulatsorte mit einer geschäumten, zerkleinerten Granulatsorte gemischt wird.

26. Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß ein Rohgranulat aus Rohstoffen, Schäumhilfsmittel und zerkleinertem, geschäumten erfindungsgemäßen Schaumkeramikprodukt durch innige Vermischung hergestellt wird, wobei in den Granalien das Korn für die zweite Phase homogen verteilt eingebettet ist.

27. Verfahren nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß das vorgeschäumte Granulat einen größeren Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzt.

28. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 16 bis 27, dadurch gekennzeichnet, daß eine Granulatsorte mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten nach dem Schäumen im Bereich von 4,2 bis 5,0 · 10^-6°C^{- 1} mit einer Granulatsorte mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten nach dem Schäumen im Bereich vom Bereich 5,0 bis 7,0 · 10^{- 6}°C^{- 1} gemischt wird.

29. Verfahren nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Transformationsintervall mit 2,0 bis 5,0°C/min. und nach dem Transformationsintervall mit 0,4 bis 1,2°C/min. abgekühlt wird.

30. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 9 bis 29, dadurch gekennzeichnet, daß in den Stegen zwei Glasphasen und eine oder zwei Kristallphasen erzeugt werden.

31. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß ein Granulatgemisch aus mindestens zwei Granulatsorten verwendet wird, deren Glasphase unterschiedliche Transformationsbereiche aufweisen.

32. Verfahren nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, daß die Differenz der Transformationsintervalle 5 bis 25°C beträgt.

33. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 16 bis 32, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung der Glasphase mit einem höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten ein Granulat aus der Rohstoffgrundmasse verwendet wird, dem Quarzmehl zugesetzt worden ist.

34. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 16 bis 32, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung der Glasphase mit höherem Wärmeausdehnungskoeffizienten ein Granulat aus der Rohstoffgrundmasse verwendet wird, dem feinquarzreicher Ton zugesetzt worden ist.