DE4313148A1

DE4313148A1 - Umweltgerechter Schnellzement, insbesondere für Spritzbeton

Info

Publication number: DE4313148A1
Application number: DE19934313148
Authority: DE
Inventors: Klaus Dr Harr; Manfred Dipl Ing Tax; Gerd Bolte; Joachim Unsin
Original assignee: Heidelberger Zement AG
Current assignee: Heidelberg Materials AG
Priority date: 1993-04-22
Filing date: 1993-04-22
Publication date: 1994-10-27
Anticipated expiration: 2013-04-23
Also published as: DE4313148C2

Description

Die Anwendung der Spritzbetonbauweise im Tunnelbau ist in jüngster Zeit zunehmend in Kritik geraten. Die Gründe liegen zum einen an der Verfahrens technik, zum anderen am Baustoff selbst, insbesondere was die Umweltrelevanz anbelangt. Die herkömmliche Spritztechnik setzt sowohl beim Naß- als auch beim Trockenverfahren große Mengen an hochalkalischen Beschleunigern ein, die eine latente Gesundheitsgefährdung für das Bedienungspersonal darstellen. Darüberhinaus erreicht der beschleunigte Beton deutlich geringere Endfestigkeiten als ein unbeschleunigter Beton und bietet infolge seiner größeren Porosität eine empfindliche Angriffsfläche beispielsweise gegenüber kalkaggressiven Bergwässern.

Die Anforderungen an einen umweltgerechten Beton sind damit klar definiert: Der Beton sollte einerseits dicht und von hoher Endfestigkeit sein, andererseits aber auch über eine ausreichende Frühfestigkeit verfügen, um bei der angewendeten Spritzbetontechnik einen guten Haftverbund des Baustoffs zu erzielen.

Das in der DE-PS 33 40 681 mit der Bezeichnung "Verwendung von Gips-, Anhydrit- und beschleunigerfreiem Zement als Spritzzement" beschriebene System versucht diese Eigenschaften zu erreichen, indem es bei der Zementherstellung auf den Einsatz eines zuge mahlenen Sulfatträgers verzichtet, und den Zementklinker ohne Gips vermahlt.

Hierzu ist festzustellen, daß die Verwendung von Gips bei der Zementmahlung erst mit der Entwicklung der wesentlich reak tiveren Drehofenklinker angewendet wurde. Bei den zuvor pro duzierten, reaktionsträgen Schachtofenklinkern wurde bei der Zementherstellung in den Vereinigten Staaten von Amerika beispielsweise kein Gips zugemahlen. Insofern liegen grundsätzliche Erkenntnisse über die Hydratation von gipsfreien Systemen aus der Praxis bereits vor.

Es ist andererseits ebenso bekannt, daß ein solcher gipsfreier Zement zu einem Raschbinder führt, und der Baustoff letztlich geringere Endfestigkeiten bei einer höheren Porosität erreicht.

Bei dem Vorschlag gemäß DE-PS 33 40 681 versucht man, diese Nachteile über den Einsatz von amorpher Kieselsäure als festigkeits- und dichtigkeitssteigernden Zusatz für den Beton auszugleichen. Letztlich bleibt aber immer noch das Problem, daß das Hydratationsprodukt des Tricalciumaluminates in einem solchen Bindemittel, nämlich überwiegend Tetracalcium aluminathydrat mit von außen angebotenem, löslichem Sulfat begierig zu Ettringit weiter reagiert und, durch den bei dieser Reaktion auftretenden Kristallisationsdruck, ein bereits verfestigtes Gefüge zer stören kann.

Die bisherigen Verfahren und Systeme des Standes der Technik konnten also die an ein solches Bindemittel zu stellenden Anforderungen nicht voll erfüllen.

Das hier vorliegende technische Problem wird demgegenüber durch die technische Lehre gemäß Hauptpatentanspruch gelöst.

Der erfindungsgemäße Zement enthält weder aluminathaltige Er starrungsbeschleuniger, noch irgendwelche anderen alkalisch reagierenden Zusätze; er enthält demgegenüber außer einem handelsüblichen Zementklinker einen Sulfatträger, einen handelsüblichen Erstarrungsverzögerer, einen festigkeits steigernden Zusatzstoff sowie einen handelsüblichen Beton verflüssiger und/oder einen Plastifizierer.

Ausgehend vom Portlandzementklinker wird dem zu ermahlenden Bindemittel bevorzugtermaßen kein Sulfatträgergemisch für ein optimales (langes) Erstarren zugemahlen, sondern schwerlöslicher, natürlicher Anhydrit in einem Gemisch, bestehend aus mindestens 80 bis 100% Anhydrit. Die einzusetzende Menge des Sulfatträgers kann - je nach Anforderung und Reinheit des Anhydrits - zwischen 0,5 und 10% variieren.

Der Einsatz eines solchen Sulfatträgergemisches bewirkt im Normalfall ein relativ rasches Ansteifen des Zementleims, da dem Zement für seine Anfangshydratation keine ausreichende Menge an leichtlöslichem Sulfat zur Verfügung steht; bei Wasserzugabe verläuft seine Hydratation zunächst nicht unter Bildung von noppenförmigem Ettringit, sondern unter Bildung von Ca- Aluminathydraten bzw. Monosulfaten. Die Bildung großer Mengen an Calciumaluminathydrat und -monosulfat ist aber, wie bereits geschildert, in der Praxis unerwünscht, da sie das Schwindverhalten des Mörtels bzw. Betons negativ beein flussen, die Porosität des Gefüges vergrößern und die End festigkeit mindern.

Erfindungsgemäß wird das vorliegende technische Problem dadurch gelöst, daß dem Bindemittel ein handelsüblicher Erstarrungsverzögerer zugegeben wird und zwar in Form einer Di- bzw. Tricarbonsäure bzw. deren Salze, wie z. B. Weinsäure, oder Citronensäure oder deren Alkalisalze. Diese zunächst dem Fachmann unverständlich erscheinende Maßnahme wird ver ständlich, wenn man die Wirkung dieses Verzögerers genauer betrachtet. Die Zugabe dieses Verzögerers bewirkt nämlich bei der oben angegebenen Auswahl des Sulfatträgers eine Steigerung des Löslichkeit des Anhydrits und darüber hinaus gleichzeitig einen größeren C₃A-Umsatz direkt nach der Wasserzugabe zum Zement. Daraus resultiert eine vermehrte Bildung von Ettringit, der aber im Gegensatz zu dem beim normalen Erstarren in kurz stengeliger Form gebildeten Ettringit, in langstieliger Form auskristallisiert, die Zwischenräume zwischen den Zementpartikeln überbrückt und zu einem raschen Erstarren des Bindemittelleims bzw. -mörtels führt. Diese Reaktionsabläufe sind ausführlich beschrieben in: RICHARTZ: Einfluß von Zusätzen auf das Erstarren und Erhärten von Zement, Forschungsbericht VDZ 1983).

Der erfindungsgemäße Vorschlag besteht also auch darin, diese, in den angeführten Untersuchungen als unerwünscht und negativ beurteilten, Effekte für die beschriebene Anwendung im Spritz beton zu nutzen.

In der oben beschriebenen Kombination von Klinker und Sulfat träger, wirkt dieser Verzögerer also als Beschleuniger für das Erstarren des Zements.

Im Gegensatz zu der angeführten DE-PS 33 40 681 weist der erfindungsgemäße Zement den Vorteil auf, daß das Rest potential des feingemahlenen Sulfatträgers in Form von Anhydrit mit dem ebenso vorhandenen reaktiven Tricalciumaluminat zu dichtigkeits- und festigkeitssteigernden Hydratationsprodukten reagieren kann. Diese Reaktion ist innerhalb von 48 Stunden nach Wasserzugabe beendet, so daß die Gefahr einer Gefügeschädigung nicht entstehen kann.

Man hat letztendlich in dem hydratisierten Zement nur die in herkömmlichen Zementen vorhandenen und hinsichtlich der Dauer haftigkeit und Zuverlässigkeit des Baustoffs Beton bewährten Endprodukte.

Aus der Literatur war bekannt, daß der Einsatz des oben genannten Verzögerers die Hydratation der Silicate im Zement bis zu einem Zeitraum von 3 Tagen vermindert und damit bis zu dem genannten Zeitraum niedrigere Druckfestigkeiten auftreten, als bei dem Zement ohne Verzögerer. Die späteren Festigkeiten sind dann meist höher.

Erfindungsgemäß wurde dieses Problem dadurch gelöst, daß man dem Bindemittel bei der Herstellung durch gemeinsames Mahlen oder separates Feinmahlen und anschließendem Mischen einen Zusatzstoff zugegeben hat, der bereits zu frühen Hydratationszeitpunkten festigkeitssteigernd wirkt.

Als solcher Zusatzstoff kann, neben dem bereits genannten Silicastaub, vorzugsweise ein getempertes Aluminiumsilikat, nämlich Metakaolin und/oder getemperte Tone, sogenannte Residual-Tone, die aus der Aluminium-Herstellung bekannt sind, eingesetzt werden.

Ein weiterer Vorteil des Meta-Kaolins besteht in seiner Absorptionsfähigkeit, wie z. B. von Alkalien aus wäßrigen Lösungen. Dadurch kann die Alkali-Kapazität und der pH-Wert des eingesetzten Zements reduziert werden. In herkömmlichen Spritzbetonsystemen mit alkalischen Beschleunigern könnte dadurch die Gefahr der Alkaliauslaugung verringert werden.

Metakaolin ist nachweislich in der Lage, mit dem bei der Hydratation des Zementes freiwerdenden Kalkhydrat bereits zu frühen Zeitpunkten festigkeitssteigernde Calciumsilikat hydrate zu bilden. Das erfindungsgemäße Bindemittel wird daher durch die Zugabe der Zusatzstoffe auch in der Weise verändert, daß das im Ver gleich zu einem handelsüblichen Portlandzement vorhandene Potential an Kalkhydrat, durch den Zusatzstoff deutlich vermindert wird. Darüber hinaus wird das Zusammenhalten des Mörtels bzw. Betons, die Dichtigkeit und der Widerstand gegen Auslaugung verbessert. Als besonders günstig zeigt sich der Einsatz von Meta- Kaolin im Hinblick auf die Reduzierung des Rückpralls beim Spritzbeton.

Der erfindungsgemäße Zement (=Bindemittel) wird zu Recht als umweltgerecht bezeichnet, da er

a) keinerlei Beschleunigerzusatz beispielsweise Alkali aluminat bzw. Alkalicarbonat enthält,
b) seine Alkalität niedriger als die eines normalen Portlandzements ist,
c) er eine besondere Widerstandsfähigkeit gegen Auslaugung oder den Angriff aggressiver Medien aufweist.

Nachfolgend sind einige Beispiele für das erfindungsgemäße Bindemittel angeführt:

Tabelle 1 enthält zunächst die aus der Literatur entnommenen Hin weise auf die Festigkeitsanforderungen an einen Spritzbeton J 2 entsprechend der Richtlinie Spritzbeton, Teil 1 der ausgegebenen vom österreichischen Betonverein, Januar 1989.

Tabelle II enthält vier beispielhafte Ausführungsformen, nämlich A, B, C und D von erfindungsgemäßen, umweltgerechten Schnellzementen sowie deren Druckfestigkeiten.

Ein Vergleich mit den Zahlenwerten der Tabelle 1 der Richtlinie zeigt den mit der Erfindung zu erreichenden, sprunghaften, technischen Fortschritt.

Die von der Richtlinie geforderten Festigkeiten für einen Spritzbeton J 2 werden übertroffen.

Claims

1. Umweltgerechter Schnellzement, insbesondere für Spritzbeton, dadurch gekennzeichnet, daß er außer einem handelsüblichen Zementklinker einen Sulfatträger, einen handelsüblichen Erstarrungs verzögerer, einen festigkeitssteigernden Zusatzstoff sowie einen handelsüblichen Betonverflüssiger und/ oder einen Plastifizierer enthält.

2. Umweltgerechter Schnellzement, insbesondere für Spritzbeton nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er als Zementklinker einen Portlandzementklinker enthält.

3. Umweltgerechter Schnellzement, insbesondere für Spritzbeton nach Anspruch 1-2, dadurch gekennzeichnet, daß er als Sulfatträger schwerlöslichen, natürlichen Anhydrit enthält.

4. Umweltgerechter Schnellzement, insbesondere für Spritzbeton nach Anspruch 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß er 0,5 bis 10 Masse-% an schwerlöslichem, natürlichen Anhydrit enthält.

5. Umweltgerechter Schnellzement, insbesondere für Spritzbeton nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß er 1,0 bis 6,0 Masse-% an schwerlöslichem, natürlichen Anhydrit enthält.

6. Umweltgerechter Schnellzement, insbesondere für Spritzbeton nach Anspruch 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß der Sulfatträger in fein gemahlenem Zustand vorliegt.

7. Umweltgerechter Schnellzement, insbesondere für Spritzbeton nach Anspruch 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß er eine Di- bzw. Tricarbonsäure und/oder deren Salze als Erstarrungsverzögerer enthält.

8. Umweltgerechter Schnellzement, insbesondere für Spritzbeton nach Anspruch 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß er Silicastaub und/oder Metakaolin als festig keitssteigernden und rückprallmindernden Zusatzstoff enthält.