DE2809637A1

DE2809637A1 - Fire resistant concrete reinforced by pozzolana fibres - which are obtd. from waste boiler slag and react with residual free lime in cement

Info

Publication number: DE2809637A1
Application number: DE19782809637
Authority: DE
Inventors: Karl-Helmut Ihlefeld
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1978-03-06
Filing date: 1978-03-06
Publication date: 1979-09-13

Abstract

The mineral fibres are pozzuolana made by melting a raw material (c), and react with the residual CaO to form a calcium aluminiumate-hydrate. The thickness of the fibres is such that the unreacted part of the fibres is more than twice the thickness of the reaction surface zone on fibres nc), i.e. in which CAH is formed. Fibres (c) are pref. obtd. from fused boiler slag produced in burning hard coal; whereas material (b) is finely milled pozzuolana, e.g. trass, Santorin, French gaize, diatomaceous earth, or fly-ash. Cement (a) pref. has a low initial CaO content. Fibres (c) have high resistance to fire, and the concrete prods. have improved fire resistance as compared with cement-asbestos prods.

Description

Mineralfaserbeton ist an sich bekannt. Bei einem solchen BetonMineral fiber concrete is known per se. With such a concrete

übernimmt die Mineralfaser die gleiche Funktion wie die Stahlarmierung im Stahlbeton, nämlich die Übertragung von Zugkräften.The mineral fiber performs the same function as the steel reinforcement in reinforced concrete, namely the transmission of tensile forces.

Mineralfasern haben außerdem den Vorteil, daß sie witterungsbeständig sind, das heißt, keine besondere Schutzschicht aus Beton benötigen, wie der Stahl im Stahlbeton, bei dem die Dicke der Überdeckung vorgeschrieben ist. Weiterhin lassen sich Mineralfasern aus temperaturbeständigem Material herstellen, sodaß mit Mineralfasern armierte Betone bei Hitzebeanspruchung entsprechend den Prüftemperaturen der DIN 4102 nicht versagen.Mineral fibers also have the advantage that they are weather-resistant are, that is, do not require a special protective layer made of concrete, like steel in reinforced concrete, for which the thickness of the covering is prescribed. Continue to let Mineral fibers are made from temperature-resistant material, so with mineral fibers Reinforced concretes exposed to heat according to the test temperatures of DIN 4102 does not fail.

Somit lassen sich aus Mineralfasern sehr dünne Bauteile wie Platten Rohre, Formteile herstellen, die beachtliche Temperaturbeständigkeit aufweisen.This means that very thin components such as panels can be made from mineral fibers Manufacture pipes and fittings that have considerable temperature resistance.

Nun ist im weitesten Sinne ein Gemenge aus Asbestfasern und Portlandzement auch ein Mineralfaserbeton, aus dem in sehr großem Umfang Platten, Rohre usw. hergestellt werden. Diese Asbestzemente haben jedoch den Nachteil, daß sie nicht feuerbeständig sind. Durch den Kristallwassergehalt der Asbestfaser entstehen beim Erhitzen bis zu mittleren Temperaturen ab 4000C Dampfspannungen, die zum Zerplatzen der Asbestzementbauteile führen.Now, in the broadest sense, is a mixture of asbestos fibers and Portland cement also a mineral fiber concrete from which panels, pipes, etc. are made on a very large scale will. However, these asbestos cements have the disadvantage that they are not fire-resistant are. Due to the water of crystallization in the asbestos fibers, up to at average temperatures from 4000C vapor tension, which causes the asbestos-cement components to burst to lead.

Es lag nun nahe, Glasfasern zum Armieren von Beton zu verwenden.The obvious thing to do now is to use fiberglass to reinforce concrete.

Zwischen den Glasfasern und dem im Portlandzement enthaltenen freien Kalk tritt jedoch eine Alkalireaktion ein, deren Reaktion produkt mit einer Volumenzunahme verbunden ist, sodaß dadurch zwangsläufig der Beton zerstört wird. Es wurden daraufhin umfangreiche Versuche durchgeführt, um ein Glas zu entwickeln, das keine Alkalireaktion zeigt. Es wurde ein sogenanntes Boratglas entwickelt, das eine deutliche Verbesserung brachte, jedoch eine reaktionsfreie Mischung mit Portlandzement war ebenfalls nicht möglich. Dieser Zustand kann aber für Bauteile nicht akzeptiert werden, da hier das Versagen wenn auch zu einem wesentlich späteren Zeitpunkt vorprogrammiert ist.Between the glass fibers and the free one contained in Portland cement However, lime occurs an alkali reaction, the reaction of which results in an increase in volume is connected, so that the concrete is inevitably destroyed. There were then extensive experiments were carried out to develop a glass that did not react to alkali shows. A so-called borate glass was developed, which is a significant improvement brought, but a reaction-free mixture with Portland cement was also not possible. However, this state cannot be accepted for components, as here failure, albeit at a much later point in time, is preprogrammed.

Fener ist es allen genannten Gläsern eigen, daß sie einen Schmelz- 0 punkt von etwa 400 C aufweisen, also bei den Prüftemperaturen nach DIN 4102 versagen.Fener is characteristic of all the glasses mentioned that they have a melting 0 point of about 400 C, i.e. fail at the test temperatures according to DIN 4102.

Es lag nun nahe, als Faserrohstoff die gleichen Naturgesteine zu verwenden, die erfahrungsgemäß als Betonzuschlag gut geeignet sind.It was now natural to use the same natural stone as the fiber raw material, which experience shows are well suited as concrete aggregates.

Es muß sich dabei um tFaterialien handeln, die sich leicht zu Fasern verarbeiten lassen. Dazu gehören unter anderen Basalt, Diabas, Hüttenschlacken. Die Faserprodukte aus diesen Materialien sind als Stein- oder Schlackenwolle bekannt. Nun hat sich aber gezeigt, daß auch diese Stoffe, sobald sie glasähnlich geschmolzen und zu dünnen Fasern verarbeitet werden1 eine Alkalireaktion mit dem freien Kalk des Portlandzementes eingehen. Damit ist ein Beton aus Mineralfasern der geschilderten Herkunft in Verbindung mit Portlandzement nicht ra estandig und somit für die Praxis nicht verwertbar.These must be materials that can easily be made into fibers let process. These include basalt, diabase and slag, among others. The fiber products made from these materials are known as rock or slag wool. But it has now been shown that these substances too, as soon as they have melted like glass and processed into thin fibers1 an alkali reaction with the free lime of Portland cement. A concrete made of mineral fibers is thus the one described Origin in connection with Portland cement not reliable and therefore for practical use not usable.

Die Ursache für Entstehung der Alkalireaktion liegt in dem hohen Calciumoxidgehalt der Rohstoffe in der Glasphase. Die besonders gute Eignung dieser Rohstoffe zur Herstellung von Mineralfasern beruht auf den hohen Gehalt des als Flußmittel wirkenden Calciumoxids. Gegebenenfalls wird sogar dem Rohgestein zur Verbesserung des Schmelzverhaltens reiner Kalkstein zugegeben. Der Schmelzpunkt dieser Rohstoffe liegt bei etwa 800 C, ist also noch zu niedrig, um eine Temperaturbeanspruchung nach DIN 4102 längere Zeit aushalten zu können.The cause of the formation of the alkali reaction lies in the high calcium oxide content of the raw materials in the glass phase. The particularly good suitability of these raw materials for The production of mineral fibers is based on the high content of the flux that acts as a flux Calcium oxide. If necessary, even the raw rock is used to improve the melting behavior pure limestone added. The melting point of these raw materials is around 800 C, is therefore still too low to withstand a temperature load according to DIN 4102 for a longer period of time To be able to endure time.

Auf der Suche nach einem geeigneten Faserrohstoff lag es also nahe, nach kalkarmen oder kalkfreien Materialien zu forschen. Hier bieten sich Gemenge aus Kieselsäure und Aluminiumoxid an, sie sind in reiner Form als Kaolin bekannt.When looking for a suitable fiber raw material, it was obvious to research low-lime or lime-free materials. There is a mixture here made of silica and aluminum oxide, they are known in their pure form as kaolin.

Stellt man aus solchem Rohstoff durch Erhitzen einen keramischen Scherben her, so erhält man ein Puzzolan. Wird dieses Puzzolan fein vermahlen, so reagiert es zusammen mit dem freien Kalk des Portlandzementes zu einer sehr festen raumbeständigen Verbindung dem Calciumaluminathydrat, das als Puzzolanzement bekannt ist.If you make a ceramic body from such a raw material by heating it here is how you get a pozzolan. If this pozzolan is finely ground, it reacts together with the free lime of the Portland cement it becomes a very solid, space-stable one Compound of the calcium aluminate hydrate, which is known as pozzolan cement.

Da nun die üblicher Weise für Isolierzwecke gelieferten Mineralfasern sehr dünn in einer Dicke von 2 - 3 micron hergestellt werden, liegt das als Faser hergestellte Puzzolan in etwa der gleichen fein verteilten Form vor, wie beim Vermahlen des Puzzolans zum Zwecke der Herstellung von Puzzolanzement. Das bedeutet aber, daß eine solche Faser vollständig aufgelöst und in Caciumaluminathydrat übergeführt wird. Damit entsteht zwar eine raumbeständige Verbindung, aber die Übertragung von Zugbeanspruchungen in solchem Gemenge ist nach Ablauf der Reaktion nicht mehr möglich.Since now the usual way mineral fibers are supplied for insulation purposes are made very thin with a thickness of 2 - 3 microns, that lies in the form of fibers made pozzolan in about the same fine way distributed form before, as in the grinding of the pozzolan for the purpose of the production of pozzolan cement. But this means that such a fiber is completely dissolved and in calcium aluminate hydrate is convicted. This creates a space-stable connection, but the transmission of tensile stresses in such a mixture is no longer after the end of the reaction possible.

Nach der gegenwärtigen Lehre ist demnach eine solche Faser nicht als Armierung im Beton geeignet.According to current teaching, therefore, such a fiber is not considered to be Reinforcement in concrete suitable.

Die Erfindung hat sich nun die Aufgabe gestellt, aus einer mit einem Puzzolan identischen Faser eine stabile Verbindung mit den freien Kalkanteilen aus dem Portlanzement herzustellen und dabei die der Faser innewohnenden Zugkräfte zu erhalten.The invention has now set itself the task of one with one Pozzolan identical fiber creates a stable connection with the free lime content to produce the portal cement and thereby the tensile forces inherent in the fiber obtain.

Erfindungsgemäß wird nun einmal die Reaktion der Faser aus einem Puzzolan zusammen mit dem freien Kalk des Portlandzementes gezielt angestrebt und zum anderen die Intensität der Reaktion durch Beigaben zum Beton gesteuert.According to the invention, the reaction of the fiber from a pozzolan is now once targeted together with the free lime of Portland cement and on the other hand the intensity of the reaction is controlled by adding to the concrete.

Erfindungsgemäß geschieht das dadurch, daß Fasern aus einem Puzzolan verwendet werden, die einen erheblich größeren Durchmesser aufweisen als die üblicher Weise für Isolierzwecke verwendeten Fasern. Es hat sich nämlich gezeigt, daß die Reaktion zwischen dem Puz.olan der Faser und dem Kalk des Zementes zur Bildung von Calciumaluminathydrat an der Oberfläche der Faser abläuft, nur bis zu einer bestimmten Tiefe eindringt und dann eine Grenzschicht bildet, die einen weiteren Reaktionsablauf verhindert.According to the invention, this is done in that fibers from a pozzolan are used, which have a significantly larger diameter than the more common Way fibers used for insulation purposes. It has been shown that the Reaction between the Puz.olan of the fiber and the lime of the cement to form Calcium aluminate hydrate on the surface of the fiber only runs off to a certain extent Penetrates deep and then forms a boundary layer, which a further course of the reaction prevented.

Die Faser wird zwar um die Reaktionstiefe im Durchmesser geschwächt, aber bei ausreichender Dicke bleibt immer ein Kern verfügbar, der Zugkräfte übertragen kann.The fiber is weakened by the reaction depth in diameter, but with sufficient thickness there is always a core available that can transmit tensile forces can.

Gleichzeitig wird mit diesem Reaktionsablauf erreicht, daß die Grenzschicht aus Calciumaluminathydrat eine Haftvermittlung zwischen Betonmatrix und Faser darstellt.At the same time, with this course of the reaction, the boundary layer is achieved made of calcium aluminate hydrate represents an adhesion promoter between the concrete matrix and the fiber.

Um nun andererseits eine unter Umständen zu intensive Reaktion zwischen Faserarmierung und Zement zu dämpfen, ist es möglich, den Anteil an freiem Kalk so weitgehend zu binden, daß die Reaktion zwischen Faser und Zement in berechenbarer Weise abläuft. Dies geschieht erfindungsgemäß dadurch, daß dem Zementmörtel kalkbindende Stoffe beigegeben werden, die jedoch keine schädliche Einwirkung auf den Beton haben dürfen. Das sind insbesondere feingemahlene natürliche oder künstliche Puzzolane. Solche natürlichen Puzzolane sind unter anderen TraB, Santorinerde, italienischer Puzzolan, französicher Gaise, Diatomeenerde, während als künstlicher Puzzolan kalkarme Flugasche verwendet wird.To now, on the other hand, a possibly too intense reaction between To dampen fiber reinforcement and cement, it is possible to reduce the proportion of free lime to bind so largely that the reaction between fiber and cement in predictable Way expires. this happens according to the invention in that the cement mortar Lime-binding substances are added, which, however, have no harmful effect on allowed to have the concrete. These are especially finely ground natural or artificial Pozzolans. Such natural pozzolans are, among others, TraB, Santorini earth, Italian Pozzolan, French Gaise, diatomaceous earth, while as an artificial pozzolan low in calcium Fly ash is used.

Anstelle von Puzzolan können auch C emikalien verwendet werden, die den freien Kalk im Beton binden, jedoch auf das Erhärten des Betons keinen nachteiligen Einfluß haben. Das ist zum Beispiel mit Kieselfluorwasserstoffsäure möglich.Instead of pozzolan, chemicals can also be used bind the free lime in the concrete, but have no detrimental effect on the hardening of the concrete Have influence. This is possible, for example, with hydrofluoric acid.

Ebenso im Sinne dieser Erfindung ist es vorteilhaft, Zemente zu verwenden, die einen relativ kleinen Anteil an Freikalk aufweisen. In diesem Fall lassen sich die Beigaben von kalkbindenden Stoff reduzieren.It is also advantageous for the purposes of this invention to use cements, which have a relatively small proportion of free lime. In this case you can reduce the amount of lime-binding substance added.

Mit diesen erfindungsgemäßen Ma13nahmen wird erreicht, daß die Reaktionstiefe bei der Bildung von Calciumaluminathydrat zwischen dem freien Kalk und der Faseroberfläche reduziert wird. Dadurch kann die Faser dünner gehalten weruen, was wiederum für die Verarbeitungstechnik des Betons vorteilhaft sein kann.With these measures according to the invention it is achieved that the depth of the reaction in the formation of calcium aluminate hydrate between the free lime and the fiber surface is reduced. This allows the fiber to be kept thinner, which in turn helps the processing technique of the concrete can be advantageous.

Der weitere Vorteil der Verwendung des Puzzolans als Faserrohstoff ist die hohe TEmperaturbeständigkeit. Kaolinfasern können dauernd mit 12500C beansprucht werden. Der hohe Schmelzpunkt von Kaolin erfordert jedoch eine aufwendige Technologie, die die Faser für den Massengebrauch zu teuer macht.The other advantage of using the pozzolan as a fiber raw material is the high temperature resistance. Kaolin fibers can be permanently exposed to 12500C will. However, the high melting point of kaolin requires complex technology, which makes the fiber too expensive for mass use.

Erfindungsgemäß kommt es darauf an, daß die Faser aus einem Puzzolan besteht. Das läßt sich ebenfalls mit erdalkaliarmen Tonen erreichen, deren Schmelzpunkt durch einen Gehalt an Eisenoxiden herabgesetzt ist, da diese ls Flußmittel wirken. Eine kleine Menge an Erdalkalien bis etwa 15 c/o stört die Bildung von Puzzolan nicht, ebenfalls tritt bei dieser Menge keine Alkalireaktion mit Kalk ein.According to the invention, it is important that the fiber consists of a pozzolan consists. This can also be achieved with clays poor in alkaline earth, their melting point is reduced by a content of iron oxides, since these act as fluxes. A small amount of alkaline earths up to about 15 c / o interferes with the formation of pozzolan not, also with this amount there is no alkali reaction with lime.

Der Erweichungspunkt dieser Tone liegt bei 10500c bis 11000C, also oberhalb der Prüftemperatur nach DIN 4102. Fasern aus solch einem Puzzolan sind also feuerbeständig.The softening point of these clays is between 10500c and 11000C, that is above the test temperature according to DIN 4102. Fibers made from such a material Pozzolan are therefore fire-resistant.

Auf der Suche nach einem bereits vorhandenen Puzzolan beziehungsweise nach geeigneten Stoffen, deren Zusammensetzung die Bildung eines Puzzolans ermöglicht, ergab sich überraschender Weise, daß kalkarme Kesselschlacken aus Steinkohlekraftwerken den gewünschten Ansprüchen gerecht werden. Sie lassen sich zu sehr guten Fasern mit jedem bekannten Verfahren verarbeiten. Da es sich hierbei um ein Indutrisabfallprodukt handelt, können Fasern aus Schmelzkammerkesselschlacken besonders wirtschafltlich hergestellt werden.Looking for an already existing pozzolan, respectively for suitable substances, the composition of which enables the formation of a pozzolan, It was found, surprisingly, that low-lime boiler slag from coal-fired power stations meet the desired requirements. They turn into very good fibers process with any known method. Since this is an industrial waste product fibers from melting chamber boiler slag can be particularly economical getting produced.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren läßt sich ein Faserbeton mit einer Armierung aus Mineralfasern herstellen, der raumbeständig, temperaturbeständig und dauerbelastungsfähig ist.According to the method according to the invention, a fiber concrete can be used a reinforcement made of mineral fibers, the space-stable, temperature-resistant and is durable.

Claims

Process for the production of mineral fiber concrete P A T E -N T A N S P R Ü C H E 1 Process for the production of fiber concrete with the addition of mineral fibers with Portlanzement as a binding agent, characterized in that a mineral fiber is used from a raw material that forms a pozzolan after melting, which in reaction with the free lime of the cement forms calcium aluminate hydrate, wherein the free lime of the cement by adding such an amount of lime binding agents non-concrete substances are bound to such an extent that only a small residual amount is left the remaining free lime with the pozzolan-like mineral fiber used as reinforcement can react, so that a complete dissolution of the mineral fiber by transformation to calcium aluminate hydrate is avoided, while at the same time a fiber with a so great a thickness is used that this increases the depth of the reaction in formation of calcium aluminate hydrate on the surface of the fiber by more than twice.

2. The method according to claim 1, characterized in that a pozzolan-like one Mineral fiber from low-lime melting chamber boiler slag is used, which is used in Burning of hard coal accrues.

3. The method according to claim 1 and 2, characterized in that the Concrete mix to fully or partially bind the excess free lime of the added Portland cement as a lime-binding substance finely ground pozzolan such as for example TraB, Santorini earth, Italian pozzolan, French Gaise, diatomaceous earth or similar natural or artificial substances such as fly ash is added.

4. The method according to claim 1 and 2, characterized in that the Concrete mix to fully or partially bind the excess free lime of the added portland cement as a lime-binding substance hydrofluoric acid is added.

5. experience according to claim 1 to 4, characterized in that Portland cements with a naturally low content of free lime can be used as a binder.