DE3872349T2

DE3872349T2 - Verbundmaterial und verfahren.

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Publication number: DE3872349T2
Application number: DE8888117510T
Authority: DE
Inventors: James P Carlson
Original assignee: Aerex International Corp
Current assignee: Aerex International Corp
Priority date: 1987-10-23
Filing date: 1988-10-21
Publication date: 1992-12-10
Anticipated expiration: 2008-10-22
Also published as: AU2416888A; NO884696D0; AU611960B2; NZ226683A; ES2032516T3; EP0313055A1; CA1321216C; NO884696L; EP0313055B1; DE3872349D1

Description

Die Erfindung betrifft einen verbesserten Compositwerkstoff und ein Verfahren zur Herstellung des Compositwerkstoffes. Insbesondere ist der verbesserte Compositwerkstoff zum Bau von Gebäuden und in anderen Anwendungen, wo Beton benutzt wird, nützlich, aber ist leichter und stärker als Beton.
Beton wird häufig als Baumaterial benutzt. Beispielsweise wird Beton auf Konstruktionsstahl gegossen, um den Baustahl vor Schaden durch ein Feuer zu isolieren. Dies ist erforderlich, weil Stahl schnell seine Zugfestigkeit verliert, sobald er Temperaturen von 538ºC (1000ºF) erreicht.
Seit vielen Jahren sind Beton und ähnliche Werkstoffe, wie z.B. Gunite, welcher eine Mischung aus Sand und Zement ist, benutzt worden, um Stahl als ein Brandschutzmaterial zu umkleiden. Ein bedeutender Nachteil von Beton als Brandschutzmaterial besteht darin, daß Beton zwischen 2,3 und 2,7 kg/dm³ (140 und 165 pcf) wiegt. Dieses Gewicht erhöht die Last, die von den Bauelementen eines Gebäudes, in dem Beton als Brandschutz benutzt wird, getragen werden muß. Außerdem ist Beton wegen des großen Volumens oder Masse, die dieser zur Lieferung des Brandschutzes benötigt, schwierig einzubringen.
Beton ist kein guter Isolator und reagiert schlecht auf den durch ein Feuer mit extrem hohen Temperaturen erzeugten thermischen Schock. Dieser thermische Schock kann Risse im ganzen Beton und Abplatzen verursachen, wodurch große Stücke der Betonfläche von der Installation wegfallen.
Organische Werkstoffe sind zum Erstellen von Brandschutz für Konstruktionsstahl benutzt worden. So umfassen Warenzeichen der für diesen Zweck benutzten organischen Werkstoffe Albiclad, Chartek und Thermo-lag. Diese Werkstoffe liefern Schutz durch Prozesse, die als Schäumung, Ablation und Sublimation bekannt sind. Diese organischen Systeme sind teuer und erfüllen nicht den Anforderungen bei einem schnell-hochgefahrenen Brandschutztest, wenn die Temperatur der Testprobe in fünf Minuten auf 1093ºC (2000ºF) rapid ansteigt.
Beton leidet auch unter dem Nachteil einer schwachen Zugfestigkeit, wenn er als Baumaterial benutzt wird. Typische Betonmaterialien haben eine Zugfestigkeit von etwa 21,12 kg/cm² (300 psi) gegen eine Druckfestigkeit von etwa 211,2 kg/cm² (3000 psi). Folglich wird Beton allgemein nicht allein als ein Bauwerkstoff benutzt, sondern muß statt dessen durch ein Material, z.B. Stahl, mit einer hohen Zugfestigkeit ergänzt werden.
Der Gewichtsnachteil von normalem Beton kann durch Erhöhung des Anteils an Luft, die in den Beton eingebracht ist, erhöht und damit dieser verringert werden. Jedoch begrenzt die ASTM C-150 den akzeptablen Luftinhalt in Beton auf ein Maximum von zweiundzwanzig Prozent.
Bekannte Betonwerkstoffe haben auch Perlit als einen Zusatz benutzt, um den Nachteil des Betons in Bezug auf sein Gewicht zu überwinden. Diese Betonwerkstoffe mit zugesetztem Perlit haben eine geringere Dichtigkeit als normaler Beton mit Dichtigkeiten von 0,41 bis 1,38 kg/dm³ (25 bis 85 pcf.
Der im bekannten Beton benutzte Perlit als Zusatz besteht entweder aus handelsüblichem Perlit, mit Teilchengrößen von größer als 0,55 mm (30 Siebweite) auf der Tyler-Standard-Siebskala oder Perlit-Feinstanteilen mit Teilchengrößen von 2,4 bis 0,075 mm ( 8 bis 200 Siebweite).
Der handelsübliche Perlit und die Perlit-Feinstanteile werden expandiert, bevor sie als ein Zusatz in bekannten Betonwerkstoffen benutzt werden. Das Expansionsverfahren besteht darin, daß Perlitteilchen mit dem Ergebnis erhitzt werden, daß sie aufplatzen wie Popcorn.
Die bekannten, Perlitzusätze enthaltenden Betonmaterialien sind in der Tendenz weich und bröcklig und haben eine Härte auf der Shore-D-Skala im Bereich von 45 bis 50. Sie haben auch eine niedrige Druckfestigkeit von 35,2 bis 56,3 kg/cm² (500 bis 800 psi) sowie eine niedrige Zugfestigkeit von etwa 21,1 kg/cm² (300 psi).
Die Festigkeitsdaten von bekannten, Perlitzusätze enthaltenden Betonmaterialien sind verbessert worden, indem Druck auf die nasse Mischung aus Perlit, Zement und Wasser angewendet wurde, bevor diese in das Endprodukt (U.S.- Patent Nr. 3 565 650) durch Austrocknen führte. Das sich ergebende Perlit enthaltende Betonmaterial hatte eine Druckfestigkeit von etwa 84,5 kg/cm² (1200 psi) und eine Zugfestigkeit von etwa 49,3 kg/cm² (700 psi).
Beton und von Beton herkommende Materialien werden auch in vorgefertigten Bau- und dekorativen Elementen von Gebäuden benutzt. Beispielsweise wird Beton in typischer Weise für Frontplatten in vorgefertigten Gebäuden benutzt, weil Beton in Platten gegossen werden kann, die eine gewählte Struktur aufweisen. Alternativ kann Beton behandelt werden, um eine Sichtzuschlagfläche zu hinterlassen.
Da Beton ein schweres Material ist, muß die Struktur so entwickelt sein, daß sie die von den Platten ausgeübte Last tragen kann. Diese Strukturlast wird durch Verbessern der lasttragenden Eigenschaft von tragfähigen Unterlagen und das Baugerippe gehandhabt. Dieses erhöht die Kosten der Gesamtstruktur, da mehr Material benutzt wird und zusätzliche Arbeit erforderlich ist.
Da Beton einen großen Anteil an Zuschlag enthält, sind aus Beton gegossene Platten körnig und schwierig mit einer feinen, detaillierten Oberfläche zu gießen. Überdies beträgt die minimale Stärke von Betonplatten im allgemeinen drei bis vier Zoll, weil die Biegefestigkeit von Beton niedrig ist. Da Betonplatten relativ dick sein müssen, ist das kumulative Gewicht der Platten ein Nachteil.
Während Beton und von Beton abgeleitete Materialien in verschiedenen Formen und Größen gegossen werden können, wie z.B. Dachziegeln, verlangt das Gewicht von Betondachziegeln eine größere strukturelle Kapazität als es ein leichteres Material haben würde.
Dementsprechend besteht ein Bedarf für einen verbesserten Compositwerkstoff, der leichter und stärker als Beton ist, bessere Brandschutz-Eigenschaften aufweist und leicht in verschiedene Produkte geformt werden kann. Die Zusammensetzung sollte zur Herstellung und zum Installieren billig sein.
Die Erfindung schlägt eine verbesserte Zusammensetzung vor, die aus Zement und Perlitfeinstfraktion besteht, wobei der Zementanteil im Bereich zwischen 30 und 85 Gewichtsprozent liegt und der Rest sich aus der Perlitfeinstfraktion aufbaut. In einer Ausführungsform der Erfindung weist die Zusammensetzung Zement bzw. Perlitpulver in einem Verhältnis von etwa 1/2 Volumen- Prozent auf.
Weitere Komponenten können der verbesserten Zusammensetzung zugesetzt werden, um besondere Ergebnisse zu erzielen. So können beispielsweise Komponenten,wie z.B. Glasfasern, ein Weichmacher, ein Luftporen-Zusatzstoff oder ein Flüssigkeitsbinder zugesetzt werden, um die physikalischen Eigenschaften des Compositwerkstoffes abzuwandeln.
Wasser wird der verbesserten Zusammensetzung zugesetzt, um eine gieß- und formbare Mischung zu erhalten, die durch Trocknen zu einem verbesserten Compositwerkstoff führt. Der Compositwerkstoff hat feuerbeständige und Festigkeitseigenschaften, die dem normalen Beton überlegen sind und deshalb an seiner Stelle benutzt werden kann.
FIGUR 1 zeigt eine Wand, die aus der Zusammensetzung der vorliegenden Erfindung gebildet ist.
FIGUR 2 zeigt einen Dachziegel, der aus der Zusammensetzung der vorliegenden Erfindung gebildet ist.
Zement und Perlitfeinstfraktion werden trocken gemischt, um eine einheitliche Mischung zu bilden, die eine verbesserte Zusammensetzung aufweist. Wasser wird dann gründlich mit der verbesserten Zusammensetzung gemischt, um ein form- und gießbares Material zu erhalten. Dieses Material, wenn es trocken ist, weist den verbesserten Compositwerkstoff auf.

Komponenten der verbesserten Zusammensetzung

Die Erfindung sieht eine verbesserte Zusammensetzung mit folgenden Komponenten vor: Komponente Gewichtsprozent Zement Perlitfeinstfraktion
Der Zement kann Portland-Zement, Calcium-Aluminat- Zement oder irgendeine andere, allgemein als ein Zement bekannte Verbindung sein.
Die Perlitfeinstfraktion besteht aus irgendeinem extrem-feinen Perlitmaterial. Insbesondere ist die Perlitfeinstfraktion ein Perlitmaterial mit Korngrößen von weniger als 75 Mikrometern (200 Siebweite). Dies steht im Gegensatz zu bekannten Betonmaterialien mit zugesetztem Perlit, in denen eine Perlitfeinstfraktion oder handelsüblich verkaufter Perlit mit Korngrößen von größer als 75 Mikrometern (200 Siebweite) benutzt werden (US-Patent Nr. 3 565 650).
In der bevorzugten Ausführungsform wird eine Perlitfeinstfraktion benutzt, die im wesentlichen aus Perlitpulver besteht.
Perlitpulver wird erzeugt, wenn Perliterz durch rapides Erhitzen abgeschiefert wird. Das rapide Erhitzen führt dazu, daß die Perliterz-Teilchen abspringen wie Popcorn. Dieses Verfahren erzeugt eine sehr feine Art von Staubmaterial, das als Perlitpulver bezeichnet ist und das in den heißen Gasen des benutzten Verfahrens eingeschlossen ist.
Das Perlitpulver wurde einst in die Atmosphäre mit den heißen Gasen abgegeben. Gesetzliche Verordnung von Umweltbestimmungen machte es jedoch erforderlich, daß die perliterzeugende Industrie diese Art von Teilchenemission einstellte. Sackstationen, ein Filtersystem zum Entfernen von eingeschlossenen Teilchen aus Gasströmen, werden in typischer Weise zum Entfernen von Perlitpulver aus diesem benutzt. Handelsübliche Perlitherstellungs-Verfahren erzeugen große Mengen von Perlitpulver als Abfallmaterial aus ihren Sackstationen.
Versuche, die an Perlitpulver ausgeführt wurden, um die Korngrößenverteilung zu bestimmen, haben begrenzten Erfolg gehabt. Die extrem kleinen Korngrößen der Perlitpulverteilchen haben Anstrengungen vereitelt, um eine genaue Siebanalyse zu erhalten, weil die Teilchen zum Zusammenballen neigen und eine statische Ladung annehmen, die ihren Durchgang durch Standard-Maschensiebe verhindert.
Ein Mikroskop ist benutzt worden, um eine Korngrößenanalyse an Perlitpulverteilchen durchzuführen, wobei die meisten der gemessenen Teile im Bereich von 20 bis 25 Mikrometern lagen. Dies zeigt an, daß die Mehrheit der Perlitpulverteilchen durch ein Sieb von 37 Mikrometern (400 Siebweite), das 37 Mikrometer im Tyler-Standard- Siebanalysen-System entspricht, gehen würde.

Zusammensetzungs-Zusätze

Andere Materialien und Bestandteile können in gewählten Mengen den Zusammensetzungen der Erfindung zugesetzt werden, um die Eigenschaften des sich ergebenden verbesserten Compositwerkstoffes zu variieren oder um das Verfahren zur Herstellung des verbesserten Compositwerkstoffes zu erleichtern.
Beispielsweise kann ein Anteil von Aggregat, z.B. als Sand, zugesetzt werden, um das Trockenmischen des Zements und der Perlitfeinstfraktion zur Bildung der Zusammensetzung zu erleichtern. In dieser Hinsicht kann der Zusatz irgendeines als Zuschlag klassifizierten Materials den Sand ersetzen.
Glasfasern oder ein ähnliches Material können zugesetzt werden, um eine sekundäre Verstärkung für den verbesserten Compositwerkstoff vorzusehen. In einer speziellen Ausführungsform können Glasfasern von einem halben Zoll zur Zusammensetzung zugesetzt werden.
Andere Zusätze können ebenso hinzugefügt werden, um die Eigenschaften der Zusammensetzung zu variieren. Beispielsweise kann Harz, wie z.B. PVA-Harz, zugesetzt werden, um das Endprodukt zu verstärken und ihm Wasserbeständigkeit zu verleihen. Außerdem können organische Weichmacher mit den Trockenkomponenten gemischt werden, um den Wasseranteil zu reduzieren, der zum Vermischen der Endzusammensetzung erforderlich ist. Ein Beispiel eines Weichmachers ist Daracem-100, das von W.R. Grace geliefert wird.
Außerdem kann ein Luftporenzusatzstoff zugesetzt werden, um das Gewicht des Endproduktes zu reduzieren. Ein Beispiel eines Luftporenzusatzstoffes ist Airtite, das von Gifford Hill geliefert wird.

Herstellung der verbesserten Zusammensetzung

Die Zusammensetzung wird durch Trockenvermischung von Zement und Perlitfeinstfraktion entsprechend den gewünschten Gewichts- oder Volumenprozenten vorbereitet. Dieses Verfahren kann in irgendeinem großen behälterartigen Mischer durch Schleudern hergestellt werden. Nachdem das Mischen beendet ist, kann die Zusammensetzung in Standard-Größenverpackungen oder in großen Mengen gespeichert werden.
In diesem Stadium verbinden sich der Zement und die Perlitfeinstfraktion, um eine einzige Zusammensetzung zu bilden, die zur Herstellung des verbesserten Compositwerkstoffes benutzt wird. Es wird angenommen, daß, nachdem der Zement und die Perlitfeinstfraktion gründlich gemischt sind, ein chemischer Prozeß stattfindet, der die Identifizierung von Zement oder der Perlitfeinstfraktion in dem sich ergebenden, verbesserten Compositwerkstoff verhindert. Es wird ebenfalls angenommen, daß die Perlitfeinstfraktion genügend Feuchtigkeit zurückhält, um den chemischen Prozeß zwischen dem Zement und dem Perlit ohne Zusatz von Wasser in Gang zu setzen.

Analyse der verbesserten Zusammensetzung

In Untersuchungstests wurden die Perlitfeinstfraktion und der Zement gemischt und die sich ergebende Zusammensetzung wurde gesiebt, um eine Korngrößenverteilung zu bestimmen. Die Ergebnisse waren für einige Teilchen nicht überzeugend, wobei die Teilchen auf einem Sieb von 4,75 mm (4 Siebweite) gesammelt wurden. Es schien, daß keines der Teilchen der gemischten Zusammensetzung kleiner als 1,5 mm (100 Siebweite), die auf diesen Untersuchungstests basierten, waren.
Wenn die Zusammensetzung jedoch unter einem Mikroskop geprüft wurde, wurde eine starke Zusammenballung der Teilchen beobachtet. Es wurde bekannt, daß mehr als 80% der Teilchen der Zusammensetzung ursprünglich klein genug waren, um ein Sieb von 37 Micrometern (400 Siebweite) zu passieren, da die meisten Teilchen etwa 30 Mikrometer im Durchmesser waren. Nur wenige Teilchen waren so groß wie 100 Mikrometer im Durchmesser.
Die Zusammensetzung wurde durch Röntgen-Diffraktometrie und Röntgen-Fluoreszenz-Spektroskopie analysiert,um ihre chemische Zusammensetzung zu bestimmen.Röntgen-Diffraktometrie offenbarte die Anwesenheit von Calcium-Magnesium- Aluminiumsilikat, Calciumsilikat und zwei Formen von Calciumcarbonat. Quantitative Röntgen-Fluoreszenz- Spektroskopie ergab die folgende Zusammensetzung: Oxide Zusammensetzung % (Trockenbasis) Siliciumdioxid (SiO&sub2;) Aluminiumoxid (Al&sub2;O&sub3;) Ferrioxid (Fe&sub2;O&sub3;) Calciumoxid (CaO) Magnesiumoxid (MgO) Schwefeltrioxid (SO&sub3;) Natriumoxid (Na&sub2;O) Kaliumoxid (K&sub2;O) Titandioxid (TiO&sub2;) Phosphorpentoxid (P&sub2;O&sub5;) Mangan(III)-Oxid (Mn&sub2;O&sub3;) Glühverlust Unlösliches
Die Diffraktometrie und Spektroskopie-Untersuchung ergab, daß kein Tricalciumsilikat anwesend war und daß nur ein kleiner Anteil von Dicalciumsilikat auftrat. Bemerkenswert ist, daß Dicalciumsilikat und Tricalciumsilikat zwischen siebzig und achtzig Prozent der Zusammensetzung des Portlandzements liegen. Die Prüfungsergebnisse zeigten ferner einen höheren als erwarteten Anteil (für Zement) von Siliciumdioxid, Aluminiumoxid, Kaliumoxid und Magnesiumoxid sowie einen niedrigeren als erwarteten Anteil (für Zement) von Calciumoxid.

Vorbereitung des verbesserten Compositwerkstoffes

Die verbesserte Zusammensetzung wird mit Wasser nach gut bekannten Verfahren in der Branche gemischt, um den verbesserten Compositwerkstoff zu bilden. So können Wasser in die Mischkammer eingebracht und flüssige Zusätze mit Wasser, falls erforderlich, vermengt werden. Die Zusammensetzung wird langsam dem Wasser zugesetzt, während die Mischpumpe die Zusammensetzung in das Wasser einmischt. Die Zusammensetzung wird nicht länger zugefügt, sobald die Mischung die Konsistenz von Mastix oder Molasse erreicht. Danach werden kleine Anteile von Wasser und Zusammensetzung zugesetzt, bis die gewünschten Anteile von Wasser und Zusammensetzung vollständig mit dem Wasser vermischt sind.
Die Zusammensetzung kann nach Zusatz von Wasser vibriert werden, um die Bildung des verbesserten Compositwerkstoffes zu erleichtern. Bevorzugt kann ein Hochfrequenzvibrator für diesen Zweck benutzt werden. Außerdem kann die Zusammensetzung nach Wasserzusatz verdichtet werden, um einen dichteren,verbesserten Compositwerkstoff zu erhalten, wie es allgemein in der Branche üblich ist.
Es wurde festgestellt, daß der verbesserte Compositwerkstoff in geeigneter Weise durch Zusetzen von weniger als 82 kg (180lb) von Wasser zu 22,6 kg (50 lb) der verbesserten Zusammensetzung gebildet werden kann. Bevorzugt soll ein Verhältnis von 8,2-9,1 kg (18-20 lb) Wasser pro 22,6 kg (50 lb) der verbesserten Zusammensetzung dazu dienen, die Stärke des verbesserten Compositwerkstoffes zu maximieren. Es ist ebenfalls im Fachgebiet gut bekannt, daß bei Benutzung von überschüssigem Wasser mit Zement die Stärke des sich ergebenden Betons verringert wird. Es sollte beachtet werden, daß mehr als 8,2 - 9,1 kg (18 - 20 lb) Wasser pro 22,6 kg (50 lb) der Zusammensetzung mit einem sich ergebenden Stärkeverlust des verbesserten Compositwerkstoffes benutzt werden kann.

Gießen des nassen, verbesserten Compositwerkstoffes

Sobald der nasse, verbesserte Compositwerkstoff gemischt worden ist, kann er durch Zerstäubung, Benutzen einer Kelle oder durch Gießen verwendet werden. Wenn der Compositwerkstoff aufzustäuben ist, sollte bevorzugt eine Pumpe, die insbesondere für den Zerstäubungszweck von viskosem, zementhaltigem Material entwickelt worden ist, benutzt werden. Beispielsweise kann eine Pumpe vom Moynotyp von Strong benutzt werden. Falls Konstruktionsstahl zerstäubt wird, kann der Stahl mit gedehntem Metalldraht umhüllt werden, und die Zusammensetzung kann auf den Metalldraht aufgestäubt werden. So kann die Zusammensetzung bis zu einer Stärke von 1,27 bis 1,91 cm (0,5 - 0,75 in) aufgesprüht werden.
Dem Material wird dann Zeit zum Erhärten gegeben, bevor ein Endüberzug oder Überzüge aufgebracht werden. Falls Eckenschutzleisten auf dem Konstruktionsstahl gewünscht sind, dann erfordert eine normale Anwendung eine Schlußspachtelung, um eine glatte, ebene Oberfläche zu erzeugen. Außerdem kann eine Kelle benutzt werden, um die Zusammensetzung, die auf einen expandierten Metalldraht gesprüht ist, zu glätten, und die Zusammensetzung wird dann gemäß der verlangten Oberflächenstruktur endbearbeitet.
Die Zusammensetzung kann nach dem Mischen mit Wasser gegossen oder mit der Kelle in viele unterschiedliche Formen gebildet werden. FIGUR 1 zeigt eine aus der Zusammensetzung gebildete Wand 10. FIGUR 2 zeigt einen aus der Zusammensetzung gebildeten Ziegel 14. Wie dargestellt, kann die Wand 10 mit einem Design im Hinblick auf die Wand 10 gegossen werden. In typischer Weise wird die Zusammensetzung in eine rechteckige Form eingegossen.
In einer Ausführungsform der Erfindung kann eine Verstärkungsmatte dem nassen, verbesserten Compositwerkstoff in der Gießform zugefügt werden, um den verbesserten Compositwerkstoff zu verstärken. Der nasse, verbesserte Compositwerkstoff wird in die eine Hälfte der Gießform, die längs der Ebene der Gießform mit der größten Querschnittsfläche gebildet ist, eingebracht, und verstärkter Maschendraht oder eine Matte wird in der Gießform oben auf der Mischung positioniert. Zusätzlicher, nasser, verbesserter Compositwerkstoff wird dann eingebracht, um die Gießform vollständig zu füllen. In bevorzugter Weise sollte die Verstärkungsmatte nicht irgendwelche Seiten der Gießform berühren.
Um besondere Ausgestaltungen der gerade gegossenen Wand oder des Objektes zu bilden, sollte die Verstärkungsmatte so ausgebildet sein, um allgemein mit der Endausgestaltung des Produktes durch in der Branche gut bekannte Techniken übereinzustimmen. Die Größe der Masche kann gemäß der Größe der Wand variieren. Beispielsweise können vorgefertigte Bauwände mittlerer Größe ein Format von 122 mal 305 cm (4 mal 10 ft) haben. In anderen Anwendungen können die Bauwände größer sein.
Bauwände dieser Größe können irgendeine Stärke je nach der gewünschten Verwendung der Wand annehmen. Für größere Anwendungen muß der verstärkende Maschendraht oder die verstärkenden Stäbe geeignet bemessen sein, wie es im Fachgebiet gut bekannt ist, um für die fertige Wand Steifheit und Stärke vorzusehen.
Die Dicke einer aus dem erfindungsgemäßen, verbesserten Compositwerkstoff geformten Wand kann variieren. So kann beispielsweise eine Wand, die zwischen einem und drei Zoll 2,54 und 7,62 cm (1 - 3 in) stark ist und 0,23 m² (2,5 ft²) hat, zwischen 6,8 und 22,7 kg (15 - 50 lb) wiegen. Die Größe und das Gewicht der aus der Zusammensetzung gebildeten verbesserten Compositwerkstoff-Produkte sind unwesentlich für die Ausführung der Erfindung, aber die Zusammensetzung macht es möglich, daß Leichtwände herstellbar sind, die leichter zu transportieren und zu installieren sind.

Analysen des verbesserten Compositwerkstoffes

Der verbesserte Compositwerkstoff ist nicht ähnlich einem Beton oder von Beton abgeleiteten Materialien. Aus den Analysen des verbesserten Compositwerkstoffes war es nicht möglich, die Anwesenheit von Tricalciumsilikat, das ein wesentlicher Bestandteil von Portlandzement ist, festzustellen. Der verbesserte Compositwerkstoff unterscheidet sich signifikant von normalem Beton, weil Zuschlag, z.B. Schotter, nicht erforderlich ist, um den Werkstoff zu bilden.
Normaler Beton besteht aus einer in Wasser suspendierten Zementmatrix, die Sand und Zuschlagteilchen umhüllt. Der Zement unterliegt einer chemischen Umbildung, um Sand und Zuschlag in eine harte Verbindung umzuformen.
Der aus der Zusammensetzung gebildete Compositwerkstoff erfordert keinen Zuschlag für seine Stärke, obwohl Zuschlag von unterschiedlichen Arten zugesetzt werden kann, um die physikalischen Eigenschaften des Erzeugnisses zu variieren. Im Gegensatz dazu wird in der Zusammensetzung eine Perlitfeinstfraktion mit kleinen Korngrößen benutzt, die sich mit dem Zement zur Bildung der trockengemischten Zusammensetzung verbinden. Diese Zusammensetzung, wenn sie mit Wasser gemischt und getrocknet wird, liefert eine extrem dichte, zähe und monolithisch haltbare Wand oder Platte, die keramisch-ähnliche Qualitäten aufweist.
Prüfungen des verbesserten Compositwerkstoffes ergaben eine Druckfestigkeit von 236 kg/cm² (3350 psi). und zwar ungeachtet des Fehlens von Zuschlag im Erzeugnis. Im Gegensatz dazu hatte Leichtbeton mit Vermiculitzusatz eine Druckfestigkeit von 49,3 bis 63,4 kg/cm² (700 - 900 psi). Normaler Beton mit Zuschlag hat eine Druckfestigkeit von 197 bis 211 kg/cm² (2800 - 3000 psi).
Bemerkenswert betrug die Zugfestigkeit für den verbesserten Compositwerkstoff 54,6 bis 63,4 kg/cm² (775 - 900 psi) , welche bedeutend größer als die Zugfestigkeit von normalem Beton 17,6 bis 24,6 kg/cm² (250 - 350 psi) ist.
Der verbesserte Compositwerkstoff ist vorteilhaft für eine Widerstandsfähigkeit gegenüber durch Feuer erzeugten Schaden. Wenn der verbesserte Compositwerkstoff eine bestimmte Temperatur erreicht, gibt der Zement chemisch Feuchtigkeit frei, die das Feuer eindämmt. Der verbesserte Compositwerkstoff ist Beton überlegen, weil er eine höhere Widerstandsfähigkeit als Beton gegenüber thermischem Schock hat.
In Untersuchungen, bei denen eine normale Betonwand und eine aus dem verbesserten Compositwerkstoff hergestellte Wand für einen Zeitabschnitt von 72 Stunden ganz in Wasser eingetaucht, in einen Freezer bei -17,8ºC (0ºF) für 72 Stunden eingebracht und dann unmittelbar einem Brenner bei 1232ºC (2250ºF) ausgesetzt waren, wies die Oberfläche der normalen Betonwand Abplatzungen und Risse durch die gesamte Wand auf.
Im Gegensatz dazu hatte die verbesserte Compositwerkstoff-Wand auf der Oberfläche leichte Abplatzungen und Haarrisse, die während eines Brennertests auf der Oberfläche erschienen, jedoch keine Risse. Eine Erklärung für das Versagen der normalen Betonwand besteht darin, daß der hohe Anteil von hartem Zuschlag Abplatzungen verursacht und Risse in der Wand bildet. Auffallend ist, daß der verbesserte Compositwerkstoff keine großen Anteile von Zuschlag enthält.
Andere Untersuchungen sind durchgeführt worden, um die feuerbeständigen Eigenschaften des verbesserten Compositwerkstoffes zu untersuchen. Eine Wand von 3,8 cm (1,5 in) wurde nach ASTM E119 (UL 263) untersucht und erreichte eine zwei und einhalb-stündige Feuerbeständigkeit. Die Maximaltemperatur bei Beendigung dieser Untersuchung betrug 1038ºC (1900ºF).
In einer weiteren Feuerbeständigkeits-Untersuchung wurde eine Probe des verbesserten Compositwerkstoffes nach dem UL 1709-Test geprüft, der den Konstruktionsstahl-Schutzfaktor, der von einem Material für die Widerstandsfähigkeit für Brände mit schnell ansteigenden Temperaturen vorgesehen ist. Dieser Test mißt den Zeitanteil, der für die Durchschnittstemperatur einer Stahlsäule, die mit dem zu prüfenden Material isoliert ist und 538ºC (1000ºF) überschreitet, benötigt wird oder den Zeitanteil, der für eine einzelne Temperatur der Stahlsäule für das Überschreiten von 649ºC (1200ºF) benötigt wird. Eine Probe des verbesserten Compositwerkstoffes erreichte die durchschnittliche Grenztemperatur bei 131 Minuten. Dies entspricht einem zweistündigen Auflisten durch UL.

Vorteile des verbesserten Compositwerkstoffes

Die von dem verbesserten Compositwerkstoff hergestellten Erzeugnisse können in abgelegenen Gebieten, die von Herstellungseinrichtungen entfernt liegen, leicht verdoppelt werden. Für die Zusammensetzung werden keine lokalen Zuschläge und Sand für das Endprodukt verwendet, und dies verhindert Abweichungen in der Qualität des Erzeugnisses, denen Änderungen in Rohstoffen und dem Feuchtigkeitsgehalt der Rohstoffe zuzuschreiben sind. Die Zusammensetzung ist leicht und kann bequem in entfernte Gebiete transportiert werden, so daß die Qualität und Konsistenz des verbesserten Compositwerkstoffes gewährleistet ist.
Die Druckfestigkeit des verbesserten Compositwerkstoffes ist mit normalem Beton vergleichbar, während die Biegefestigkeit des Werkstoffes wesentlich höher als von normalem Beton ist. Demgemäß kann die Zusammensetzung zu dünneren Wänden vergossen werden, die stärker sind und weniger als ähnliche aus dem Beton gegossene Wände wiegen. Beispielsweise nimmt eine Wand aus dem verbesserten Compositwerkstoff 20 bis 65 Gewichtsprozent von einer Wand aus normalem Beton der gleichen Größe ein.
Die Zusammensetzung kann nach dem Mischen mit Wasser in verschiedene Formen und Größen gegossen werden. So kann beispielsweise die Zusammensetzung in Konstruktionskomponenten, wie Bau- und Stirnwände, Dachziegel, Schutzwände und in andere nützliche Formen gegossen werden. Da die Zusammensetzung von Wasser nicht beeinflußt wird, kann die Zusammensetzung in Stütz- oder Schutzwänden, die Wasser ausgesetzt oder in dieses eingetaucht sind, benutzt werden. Außerdem kann die Zusammensetzung in bau- und lasttragende Komponenten gegossen werden. Die Zusammensetzung kann auch in feuer- oder schallsichere Wände gegossen werden.
In einer weiteren Anwendung kann die Zusammensetzung zu Schaumstoff durch Einschließen eines großen Anteils von Luft in der Zusammensetzung oder durch andere bekannte Verfahren verarbeitet werden. Der Schaumstoff widersteht einer Wasserabsorption und einem durch Feuer verursachten Schaden und kann zu Wänden oder zu anderen Formen vergossen werden oder kann auf Objekte durch Verfahren, die im Fachgebiet geläufig sind, aufgesprüht werden.
In Abhängigkeit von der Form und der gewünschten Verwendung des verbesserten Compositwerkstoffes können verschiedene Befestigungsmittel an diesem angeklebt oder in diesen eingegossen werden, um das Installieren und Bauen mit diesem zu erleichtern. Ein einzigartiger Vorteil des verbesserten Compositwerkstoffes besteht darin, daß Nägel, Schrauben und andere Befestigungseinrichtungen leicht in Wänden oder in anderen, aus dem verbesserten Compositwerkstoff gebildeten Formen leicht befestigt werden können. Außerdem können die Befestigungseinrichtungen leicht entfernt werden, was einen einzigartigen Vorteil über Betonerzeugnisse liefert.
Die Erfindung sieht eine Zusammensetzung vor, die in einen verbesserten Compositwerkstoff verformbar ist, welcher leichter, stärker ist und eine beständigere Qualität als Erzeugnisse aufweist, die von bekannten Zementzusammensetzungen gebildet sind.
Die verbesserte Zusammensetzung, der verbesserte Compositwerkstoff und das beschriebene Verfahren dienen bloß zur Erläuterung der vorliegenden Erfindung. Viele andere Abwandlungen der Zusammensetzung, des Compositwerkstoffes und des Verfahrens und andere Modifikationen an der Zusammensetzung, dem Compositwerkstoff und dem Verfahren können vorgenommen werden, ohne dabei vom Schutzumfang dieser Erfindung abzuweichen. Es versteht sich, daß die hierin gezeigten Einzelheiten als Erläuterung und nicht in einschränkendem Sinn auszulegen sind.

Beispiel 1

Vierhundert dreiundsiebzig Milliliter (2 Tassen) von Perlitpulver wurden mit 237 ml (1 Tasse) von Portland Nr. 1 Zement in einem Behälter unter Benutzung einer an einem elektrischen Bohrer angebrachten Farbmischer-Zusatzeinrichtung vermischt. Diese Materialien wurden mehrere Minuten lang gemischt, um eine trockene, gleichförmig-gemischte Zusammensetzung zu bilden.
Zweihundert siebenunddreißig Milliliter (12 fl oz) Wasser wurden der Zusammensetzung graduell zugesetzt und mit dem elektrischen Farbmischerbohrer eingemischt. Die Konsistenz des Materials war nach Zusatz von Wasser wie Mastix oder Molasse.
Das Material wurde danach zu einer Wand mit 15,2 x 22,9 cm (6 x 9 in) mit einer Stärke von etwa 2,5 cm (1 in) verformt. Der Wand wurde 24 Stunden zum Austrocknen gegeben.
Die sich aus dem verbesserten Compositwerkstoff ergebende Wand hatte eine Dichte von 1,3 kg/dm³ (80 pcf). Die Druckfestigkeit und Shore-D-Härte der Wand betrug 236 kg/cm² (3350 psi) bzw. 75 - 80.

Beispiel 2

Eine aus dem verbesserten Compositwerkstoff vorbereitete Wand wurde nach dem Verfahren von Beispiel 1 hergestellt, indem 237 ml (1 Tasse) Perlitpulver, 237 ml (1 Tasse) von Portland Nr. 1 Zement und 237 ml (8 fl oz) Wasser verwendet wurden. Die sich aus dem verbesserten Compositwerkstoff ergebende Wand hatte eine Druckfestigkeit von 104 bis 144 kg/cm² (1480 - 2040 psi) und eine Shore-D-Härte von 80.

Beispiel 3

Eine aus dem verbesserten Compositwerkstoff vorbereitete Wand wurde nach dem Verfahren von Beispiel 1 hergestellt, indem 237 ml (1 Tasse) Perlitpulver, 710 ml (3 Tassen) Portland Nr. 1 Zement und 503 ml (17 fl oz) Wasser verwendet wurden. Die sich aus dem verbesserten Compositwerkstoff ergebende Wand hatte eine Druckfestigkeit von 41,5 bis 44,4 kg/cm² (590 - 630 psi) und eine Shore-D-Härte von 47.

Beispiele 4 - 14

Untersuchungen wurden durchgeführt, um zu bestimmen, ob andere Materialien mit kleineren Korngrößen anstelle der Perlitfeinstfraktion benutzt werden könnten, um einen verbesserten Compositwerkstoff zu bilden. Jedes benutzte Material bestand primär aus Teilchen von kleiner als 37 Mikrometern (400 Siebweite). In jedem Versuch wurden 437 ml (2 Tassen) des Materials mit 237 ml (1 Tasse) von Portland Nr. 1 Zement gemischt. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen waren: Material Wasser (ml) Wasser benutzt (oz) Druckfestigkeit (kg/cm²) Druckfestigkeit (psi) Shore-D-Härte Flugasche Calcium-Carbonat Ton Rotes Eisenoxid Talk Ruß Cab-O-Sil Getreide-Stärke Mehl Puderzucker Baute sich nicht auf (Did not set up)

Claims

1. Verbesserte Zusammensetzung, gekennzeichnet durch Zement im Bereich von 30 bis 85 Gewichtsprozent;

Perlitfeinstfraktion im Bereich von 15 bis 70 Gewichtsprozent, wobei die Perlitfeinstfraktion aus Teilchen von weniger als oder gleich 75 Mikrometern (200 Siebweite) besteht.

2. Verbesserte Zusammensetzung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Zusammensetzung zwischen 25 Gewichtsprozent und 90 Gewichtsprozent der Perlitfeinstfraktion 37 Mikrometer oder kleiner (400 Siebweite) sind.

3. Verbesserte Zusammensetzung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusammensetzung ferner Wasser im Bereich von 30 bis 40 Gewichtsprozent enthält.

4. Verbesserte Zusammensetzung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusammensetzung ferner Zuschlag im Bereich von 4 bis 8 Gewichtsprozent enthält.

5. Verbesserter Compositwerkstoff, gekennzeichnet durch

Zement im Bereich von 25 bis 65 Gewichtsprozent;

Perlitpulver im Bereich von 8 bis 15 Gewichtsprozent, wobei die Mehrheit der Teilchen 37 Mikrometer (400 Siebweite) oder weniger beträgt und

Wasser im Bereich von 30 bis 40 Gewichtsprozent.

6. Verbesserter Compositwerkstoff, gekennzeichnet durch

Zement im Bereich von 25 bis 65 Gewichtsprozent;

Perlitfeinstfraktion im Bereich von 10 bis 60 Gewichtsprozent, wobei die Perlitfeinstfraktion weniger als oder gleich 75 Mikrometer (200 Siebweite) beträgt;

anorganische Flugasche im Bereich von 10 bis 16 Gewichtsprozent und

Zuschlag im Bereich von 4 bis 8 Gewichtsprozent.

7. Wand, die aus einem verbesserten Compositwerkstoff gebildet ist, gekennzeichnet durch

Zement im Bereich von 30 bis 85 Gewichtsprozent und Perlitfeinstfraktion im Bereich von 15 bis 70 Gewichtsprozent, wobei die Perlitfeinstfraktion weniger oder gleich 75 Mikrometer (200 Siebweite) beträgt.

8. Ziegel, der aus einem verbesserten Compositwerkstoff gebildet ist, gekennzeichnet durch

Zement im Bereich von 30 bis 85 Gewichtsprozent und Perlitpulver im Bereich von 15 bis 70 Gewichtsprozent, von welchem die Mehrheit der Teilchen 37 Mikrometer (400 Siebweite) oder weniger ausmacht.

9. Verfahren zur Herstellung einer verbesserten Zusammensetzung, dadurch gekennzeichnet, daß Zement im Bereich von 30 bis 85 Gewichtsprozent mit Perlitfeinstfraktion von 75 Mikrometern (200 Siebweite) oder weniger im Bereich von 15 - 70 Gewichtsprozent gemischt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß ferner Wasser im Bereich von 30 bis 40 Gewichtsprozent der Zusammensetzung mit der durch Zement und Perlitfeinstfraktion gebildeten Zusammensetzung gemischt wird.

11. Verfahren zur Herstellung eines verbesserten Compositwerkstoffes, dadurch gekennzeichnet, daß Zement im Bereich von 30 bis 85 Gewichtsprozent mit Perlitfeinstfraktion von 75 Mikrometern (200 Siebweite) oder weniger im Bereich von 15 bis 70 Gewichtsprozent gemischt wird, um eine erste Zusammensetzung zu bilden und

Wasser im Bereich von 30 bis 40 Gewichtsprozent mit der ersten Zusammensetzung gemischt wird, in der die erste Zusammensetzung hydriert, um den Compositwerkstoff zu bilden.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß ferner die erste Zusammensetzung vibriert wird, nachdem Wasser mit der Zusammensetzüng gemischt ist.

13. Verbesserte Zusammensetzung, gekennzeichnet durch Zement im Bereich von 33 bis 75 Volumenprozent und Perlitfeinstfraktion von 75 Mikrometern (200 Siebweite) oder weniger im Bereich von 25 bis 67 Volumenprozent.

14. Verbesserte Zusammensetzung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Mehrheit der Perlitteilchen 37 Mikrometer (400 Siebweite) oder weniger beträgt.

15. Verbesserte Zusammensetzung, gekennzeichnet durch

etwa 33 Volumenprozent Zement und

etwa 67 Volumenprozent Perlitfeinstfraktion von 75 Mikrometern (200 Siebweite) oder weniger.

16. Verfahren zur Herstellung eines verbesserten Compositwerkstoffes, gekennzeichnet durch

(1) Anmachen einer gleichmäßig gemischten Zusammensetzung, die Zement im Bereich von 33 bis 37 Volumenprozent enthält, wobei der Rest eine Perlitfeinstfraktion von weniger als 75 Mikrometern (200 Siebweite) enthält;

(2) Zusetzen einer effektiven Wassermenge zur Zusammensetzung;

(3) gleichmäßiges Mischen der Zusammensetzung mit Wasser;

(4) Verformung des Materials in eine gewünschte Form und

(5) Trocknen des Materials.

17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Wasser der Zusammensetzung zugesetzt wird, während die Zusammensetzung gemischt wird.

18. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens 1 Wassergewichtsanteil 2 Teilen der Zusammensetzung zugesetzt wird.

19. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die gleichmäßig gemischte Zusammensetzung etwa 33 Volumenprozent Zement enthält, wobei der Rest eine Perlitfeinstfraktion von 75 Mikrometern (200 Siebweite) oder weniger aufweist.

20. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Mehrheit der Perlitteilchen 37 Mikrometer (400 Siebweite) oder weniger beträgt.

21. Verbesserter Compositwerkstoff, gekennzeichnet durch

Zement im Bereich von 33 bis 75 Volumenprozent; Perlitfeinstfraktion von 75 Mikrometern (200 Siebweite) oder weniger im Bereich von 25 bis 67 Volumenprozent und

einen effektiven Wasseranteil, um den Zement und die Perlitfeinstfraktion abzubinden.

22. Verbesserter Compositwerkstoff nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Mehrheit der Perlitteilchen 37 Mikrometer (400 Siebweite) oder weniger beträgt.

23. Verbesserter Compositwerkstoff nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß der Zement etwa 33 Volumenprozent und die Perlitfeinstfraktion etwa 67 Volumenprozent beträgt.