DE4027332A1

DE4027332A1 - Zement und seine verwendung zur herstellung von spritzbeton und -moertel

Info

Publication number: DE4027332A1
Application number: DE19904027332
Authority: DE
Inventors: Des Erfinders Auf Nennung Verzicht
Original assignee: SCHWENK ZEMENTWERKE KG E
Current assignee: SCHWENK ZEMENTWERKE KG E
Priority date: 1990-08-29
Filing date: 1990-08-29
Publication date: 1992-03-05

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Zement enthal tend Portlandzementklinker und mindestens ein Sulfat und auf dessen Verwendung zur Herstellung von Spritzbeton und -mörtel.

Es ist bekannt, daß Portlandzementklinker mit Wasser gierig reagiert und in Abwesenheit einer ausreichenden Menge an Sulfationen sehr schnell erstarrt. Aus diesem Grund wird bei der Herstellung eines üblichen Portlandzementes der ein gangs genannten Art dem Portlandzementklinker in einem Mahl prozeß Calciumsulfat in Form von Gips (CaSO₄-2H₂O) und/oder Anhydrit (CaSO₄) zugesetzt. Durch diese Sulfatzugabe liegt der Erstarrungsanfang des mit diesem üblichen Portlandzement hergestellten Mörtels oder Betons bei mindestens 60 Minuten, was bei der üblichen Art der Verarbeitung dieser Mörtel oder Betone notwendig ist.

Dagegen erstarrt ein calciumsulfatfreier Zement auf Portlandzementklinkerbasis je nach der chemischen zusammen setzung und geologischen Herkunft der Rohstoffe und in Ab hängigkeit vom Brennverfahren und den Abkühlbedingungen im zementofen in wesentlich kürzerer Zeit, nämlich innerhalb von einigen Sekunden bis Minuten. Aufgrund dieser Eigenschaft ist in der DE-OS 33 40 681 die Verwendung eines gips- und an hydritfreien zements als Spritzzement oder in Verbindung mit Zuschlagstoffen als Spritzbeton vorgeschlagen worden. Denn bei diesem Anwendungszweck kommt es gerade darauf an, durch rasche Erstarrung ein Abfließen der aufgespritzten Schicht zu verhindern. Derartige calciumsulfatfreie zemente sind jedoch mit dem Nachteil behaftet, daß sie im Vergleich zu dem glei chen, jedoch mit einem Calciumsulfatanteil versehenen Zement eine geringere Festigkeit aufweisen. Dieser Festigkeitsrück gang läßt sich auch durch eine feinere Mahlung des calcium sulfatfreien Zements nicht vollständig wettmachen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen als Spritzzement bzw. zur Herstellung von Spritzbeton und -mörtel geeigneten Zement von günstigen Festigkeitseigen schaften zu schaffen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einem Zement der eingangs genannten Art durch eine derartige Bemessung des Sulfatanteils, daß die Festigkeit gegenüber einem Sulfat anteil von Null erhöht ist und die baupraktische Erstar rungszeit höchstens in der Größenordnung von Minuten liegt, gelöst.

Entgegen dem der DE-OS 33 40 681 zugrundeliegenden Ge danken eines gips- und anhydritfreien Zements konnte durch die im Rahmen der Erfindung durchgeführten Untersuchungen die Erkenntnis gefunden werden, daß für den Sulfatanteil ein Men genbereich existiert, bei dem die Anfangserstarrungszeit noch kurz genug ist, gleichzeitig aber die Festigkeitseigenschaf ten wesentlich verbessert sind. Der weniger als 5 Minuten und in der Regel weniger als 2 Minuten betragende Erstarrungs anfang ermöglicht also die Herstellung von Spritzbeton und -mörtel, beispielsweise nach DIN 18 551 -Spritzbeton; Herstel lung und Prüfung- Ausgabe 1979. Der erfindungsgemäße Zement kann dabei im vorgefertigten Trockenspritzbeton und -mörtel, der im Betonwerk vorgemischt wird, oder in auf der Baustelle hergestellten Bereitstellungsgemischen mit grubenfeuchten Zuschlägen verarbeitet werden. In beiden Fällen ist das Trockenspritzverfahren anwendbar.

Die Verwendung von Erstarrungsbeschleunigern, die übli cherweise in einer Menge von 2 bis 8%, bezogen auf das Ze mentgewicht, zugesetzt werden müssen, ist also bei dem erfin dungsgemäßen Zement in der Regel unnötig, oder es kann ggf. die Zugabemenge ganz erheblich vermindert werden. Damit ent fallen die gesundheitlichen und technischen Nachteile der Erstarrungsbeschleuniger. Diese können als hochwirksame Che mikalien einerseits beim Bedienungspersonal Reizungen der Atemwege und der Haut hervorrufen. Andererseits verursachen sie im Vergleich zu einem gleichen Beton ohne Erstarrungsbe schleuniger einen deutlichen Abfall der Druckfestigkeit nach 28 d.

Der erfindungsgemäße Zement kann ausgehend von Port landzementklinker wie ein Portlandzement hergestellt werden. Abgesehen von seiner kurzen Erstarrungszeit sind dann seine übrigen Eigenschaften mit denen eines handelsüblichen PZ 35F oder PZ 45F vergleichbar.

Die erfindungsgemäße Bemessung des Sulfatanteils ist aber auch bei anderen Zementen nach DIN 1164, wie Eisenport landzement, Hochofenzement, Traßzement und Portlandölschie ferzement, gültig. Ferner gilt dies auch für bauaufsichtlich zugelassene Zementarten, insbesondere Portlandkalksteinze ment, Flugaschezement, Traßhochofenzement und Flugaschehüt tenzement. Auch Zementarten nach ENV 197, Entwurf April 1989, können gemäß der Erfindung zusammengesetzt werden.

Wenngleich bei Verwendung des erfindungsgemäßen Ze mentes für Spritzbeton und -mörtel Erstarrungsbeschleuniger oder Erhärtungsbeschleuniger grundsätzlich nicht erforderlich sind, kann es beispielsweise bei niedrigen Frischbetontem peraturen vorteilhaft sein, geringe Zusätze derartiger Be schleuniger anzuwenden. Diese müssen für die Verwendung in bewehrtem Beton zugelassen sein.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung er geben sich aus den Unteransprüchen.

Insbesondere ist es möglich, die erfindungsgemäße Be messung des Sulfatanteils bereits in dem Portlandzement klinker einzustellen. In diesem Fall ist eine spätere Zugabe von Sulfat nicht erforderlich. Diese Einstellung des Sulfatanteils im Portlandzementklinker ist möglich, da es stark sulfathaltige, zum Teil zu entsorgende Ausgangsstoffe gibt, aus denen der Portlandzementklinker hergestellt werden kann. Insbesondere können für das Herstellen des Portland zementklinkers geeignete schwefelhaltige Brennstoffe an gewendet werden. Durch diese Möglichkeiten lassen sich auf umweltfreundliche Weise Entsorgungsprobleme der sulfathalti gen Ausgangsstoffe bzw. schwefelhaltigen Brennstoffe lösen.

Eine weitere Möglichkeit besteht darin, daß der Sulfat anteil durch Vermahlen des Sulfats mit dem Portlandzement klinker eingestellt wird. Der erfindungsgemäße Zement kann also durch das herkömmliche Portlandzement-Herstellungsver fahren gewonnen werden. Bei der Zugabe des Sulfatanteils beim Vermahlen ist natürlich ein etwa im Portlandzementklinker bereits enthaltener geringer Sulfatanteil zu berücksichtigen.

Andererseits kann aber auch so vorgegangen werden, daß der Sulfatanteil durch Zusatz des Sulfats zu dem gemahlenen Portlandzementklinker eingestellt wird. Diese Vorgehensweise, bei der der Portlandzementklinker zunächst gemahlen und dann die Zugabe des Sulfatanteils - ggf. unter Berücksichtigung eines schon im Portlandzementklinker enthaltenen Sulfatan teils - erfolgt, ermöglicht eine getrennte Einstellung der Mahlfeinheit des Portlandzementklinkers und des Sulfatan teils.

Ferner ist es zweckmäßig, dem Zement Zusätze wasserein sparender Mittel, wie Verflüssiger und Fließmittel, beizuge ben. Da nämlich die Festigkeit im Beton u. a. sehr stark vom Wasserzementwert abhängt, ist für die Festigkeitsentwicklung von Spritzbeton von Vorteil, wenn die spritz- und verarbei tungsfähige Konsistenz mit möglichst wenig Wasser erreicht wird.

Auch ist es insbesondere von Vorteil, wenn der Zement in Weiterbildung des Erfindungsgedankens hydrophobiert ist. Zwar eignet sich der unhydrophobierte Zement sehr gut für die Verwendung in Trockenbeton und -mörtel, d. h. mit getrockne ten Zuschlägen. Bei Verwendung von grubenfeuchten Zuschlägen und Bereitstellungsgemischen, die den Zement enthalten sol len, wird aber ein Teil des Zements bereits auf dem Trans portweg vom Betonmischer zur Spritzdüse mit in den Zuschlägen enthaltenem Wasser reagieren. Diese Reaktion beeinträchtigt zwar nicht die Verarbeitung des Spritzbetons, verursacht aber einen Festigkeitsabfall, insbesondere bei der Frühfestigkeit. Durch die Hydrophobierung, d. h. die Beigabe wasserabweisen der Zusätze bei der Herstellung des erfindungsgemäßen Ze ments, bildet sich um die Zementpartikel eine als "Coating" bezeichnete schützende Hülle. Diese wird dann bei der Verar beitung des Spritzbetons gesprengt, so daß dann die weiteren Reaktionen ablaufen können.

Im Rahmen der zur Erfindung führenden Untersuchungen hat sich auch gezeigt, daß weitere Anteilstoffe wie Kalk steinmehl und Traßmehl für die Verbesserung des Stehvermögens des frischen und der Dichtigkeit des festen Spritzbetons von Vorteil sind. Hierfür liegt der Füllstoffanteil von Kalksteinmehl zweckmäßig im Bereich von 1 bis 30 Gew.-% und der Anteil von Traßmehl im Bereich von 1 bis 20 Gew.-%.

Vorzugsweise besteht der Sulfatanteil aus Calciumsulfat oder enthält Calciumsulfat. Insbesondere werden die mit der Erfindung angestrebten Wirkungen durch einen Calciumsulfatan teil, berechnet als SO₃, im Bereich von 0,04 bis 2 Gew.-% erreicht. Als besonders günstig hat sich dabei der Teilbe reich von 0,2 bis 0,8 Gew.-% Calciumsulfatanteil, berechnet als SO₃, erwiesen.

Statt Calciumsulfat oder in Kombination mit Calciumsul fat haben sich auch Alkalisulfate als wirkungsvoll erwiesen. Ein bevorzugter Bereich für den Alkalisulfatanteil, berechnet als SO₃, liegt für Kaliumsulfat im Bereich von 0,3 bis 2,6 Gew.-% und für Natriumsulfat im Bereich von 0,05 bis 2,8 Gew.-%.

Schließlich wirkt sich auch der Zusatz von 0,5 bis 10 Gew.-% amorpher Kieselsäure, berechnet als SiO₂, insbesondere günstig auf die Frühfestigkeiten aus. Sie kann in der Form von natürlichen oder synthetisch hergestellten Kieselsäuren zugesetzt werden. Auch ein Zusatz von bis zu 50% Flugasche aus technsichen Feuerungsanlaen übt einen günstigen Einfluß auf die Frühfestigkeiten aus.

Das Calciumsulfat wird insbesondere in der Form eines Gips-Anhydrit-Gemisches beigegeben.

Für die Mahlfeinheit des Zements kommt der übliche Be reich von 2000 bis 8000 cm²/g in Betracht.

Zur Erläuterung der erfindungsgemäß aufgefundenen Be messung des Sulfatzusatzes im Sinne einer hinreichend kurzen Erstarrungsanfangszeit bei gleichzeitiger Verbesserung der Festigkeit ist in Tabelle 1 das diesbezügliche Verhalten für das Beispiel eines Zements mit einer spezifischen Oberfläche von 4300 cm²/g in Abhängigkeit vom Sulfatzusatz dargestellt. Wie aus Tabelle 1 hervorgeht, erfolgt der Sulfatzusatz in der Form eines Gemisches aus Gips und Anhydrit. Der Erstarrungs anfang ist jeweils in Minuten und Sekunden und die Druck festigkeit eines mit dem Zement hergestellten Normenmörtels nach 12 Stunden bzw. 1, 2, 7 und 28 Tagen angegeben. Trotz unvermeidlicher Prüfschwankungen geht aus Tabelle 1 eindeutig hervor, daß im Unterschied zum calciumsulfatfreien Zustand schon bei einem Sulfatzusatz von 0,2 Gew.-%, berechnet als SO₃, die Festigkeitsentwicklung günstig beeinflußt wird. Fer ner wird bei dem in der Tabelle 1 dargestellten Beispiel noch mit einer Zugabemenge von 0,8% Calciumsulfat, berechnet als SO₃, die für den Spritzbeton günstige, kurze Erstarrungszeit von 24 Sekunden erzielt.

Tabelle 1

Zement mit 4300 cm²/g

Tabelle 2 dient der Darstellung des ähnlich günstigen Einflusses der schnellöslichen Alkalisulfate K₂SO₄ oder Na₂SO₄ allein und in Kombination mit Calciumsulfat oder amor pher Kieselsäure. Hierzu sind für das Beispiel eines Zements mit einer spezifischen Oberfläche von 3550 cm²/g für ver schiedene Anteil von K₂SO₄, Calciumsulfat und amorpher Kie selsäure (Microsilica ®) wie in Tabelle 1 die Werte für den Erstarrungsanfang und die Druckfestigkeit eines Normenmörtels angegeben. Auch hier ist der günstige Einfluß der Zusätze auf die Frühfestigkeiten unter Beibehaltung der erwünschten kur zen Erstarrungszeit deutlich erkennbar. Insbesondere liegen die Frühfestigkeiten nach 12 und 24 Stunden in der Größenord nung eines in der Tabelle 2 unten angeführten herkömmlichen Portlandzementes PZ45F, der jedoch ohne Zusatz eine Erstar rungszeit von 150 Minuten benötigt, während die Herabsetzung der Erstarrungszeit auf 2 Minuten 30 Sekunden bei diesem üblichen Portlandzement den Zusatz von 5% eines üblichen Erstarrungsbeschleunigers erfordert.

Tabelle 2

Zement mit 3550 cm²/g

Claims

1. Zement enthaltend Portlandzementklinker und minde stens ein Sulfat, gekennzeichnet durch eine derartige Be messung des Sulfatanteils, daß die Festigkeit gegenüber einem Sulfatanteil von Null erhöht ist und die baupraktische Er starrungszeit höchstens in der Größenordnung von Minuten liegt.

2. Zement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sulfatanteil im Portlandzementklinker eingestellt wird.

3. Zement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sulfatanteil durch Vermahlen des Sulfats mit dem Port landzementklinker eingestellt wird.

4. Zement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sulfatanteil durch Zusatz des Sulfats zu dem gemahlenen Portlandzementklinker eingestellt wird.

5. Zement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge kennzeichnet, daß der Sulfatanteil Calciumsulfat enthält.

6. Zement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge kennzeichnet, daß der Sulfatanteil Eisensulfat enthält.

7. Zement nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeich net, daß der Calciumsulfatanteil, berechnet als SO₃, im Be reich von 0,04 bis 2 Gew.-% liegt.

8. Zement nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch ge kennzeichnet, daß der Calciumsulfatanteil, berechnet als SO₃, mindestens 0,1 Gew.-% beträgt.

9. Zement nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Calciumsulfatanteil, berechnet als SO₃, im Bereich von 0,2 bis 0,8 Gew.-% liegt.

10. Zement nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Sulfatanteil mindestens ein Alkali sulfat enthält.

11. Zement nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Alkalisulfatanteile, berechnet als SO₃, für Kalium sulfat im Bereich von 0,3 bis 2,6 Gew.-%, für Natriumsulfat im Bereich von 0,05 bis 2,8 Gew.-% liegen.

12. Zement nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Alkalisulfatanteil, berechnet als SO₃, für Kalium sulfat im Bereich von 0,4 bis 0,8 Gew.-%, für Natriumsulfat im Bereich von 0,15 bis 0,6 Gew.-% liegt.

13. Zement nach einem der Ansprüche 1 bis 12, gekenn zeichnet durch einen Anteil von 0,5 bis 10,0 Gew.-% amorpher Kieselsäure, berechnet als SiO₂.

14. Zement nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Kieselsäure in der Form von natürlichen oder synthe tisch hergestellten Kieselsäuren zugesetzt wird.

15. Zement nach einem der Ansprüche 1 bis 12, gekenn zeichnet durch einen Zusatz von bis zu 50% Flugasche aus technischen Feuerungsanlagen.

16. Zement nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Zement hydrophobiert ist.

17. Zement nach einem der Ansprüche 1 bis 16, gekenn zeichnet durch einen Füllstoffanteil von Kalksteinmehl im Bereich von 1 bis 30 Gew.-%.

18. Zement nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil von Kalksteinmehl im Bereich von 20 bis 30 Gew.-% liegt.

19. Zement nach einem der Ansprüche 1 bis 18, gekenn zeichnet durch einen Anteil von Traßmehl im Bereich von 1 bis 20 Gew.-%.

20. Zement nach einem der Ansprüche 1 bis 19, gekenn zeichnet durch in ihrer Menge und Zusammensetzung der Her stellung von Eisenportlandzement, Hochofenzement, Traßzement, Portlandölschieferzement, Portlandkalksteinzement, Flugasche zement, Traßhochofenzement oder Flugaschehüttenzement ent sprechende Anteile.

21. Zement nach einem der Ansprüche 1 bis 20, gekenn zeichnet durch einen Zusatz wassereinsparender Mittel, wie Verflüssiger (BV) und Fließmittel (FM).

22. Zement nach einem der Ansprüche 1 bis 21, gekenn zeichnet durch einen Zusatz eines Erstarrungsbeschleunigers und/oder Erhärtungsbeschleunigers.

23. Verwendung eines Zements nach einem der Ansprüche 1 bis 22 als Spritzzement oder zur Herstellung von Spritzbeton und -mörtel mit einer baupraktischen Verarbeitungszeit höch stens in der Größenordnung von Minuten.