DE4335642A1 - Verfahren zur Herstellung von wasserdichten Baumaterialien - Google Patents

Verfahren zur Herstellung von wasserdichten Baumaterialien

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von dichten und von hoch­ festen betonähnlichen Baumaterialien mittels der Verwendung von Braun- und Steinkohlenfilteraschen. Hierbei wirkt die Braunkohlenfilterasche als Selbst­ verfestiger und als Anreger für puzzolanische Reaktionen der Steinkohlen­ filterasche.
Es hat nicht an Versuchen gefehlt, Braunkohlenfilteraschen aus kohlenstaub­ gefeuerten Kraftwerken bautechnisch zu nutzen.
Die Verarbeitung dieser Aschen anstelle von Zement aufgrund ihrer binde­ mittelartigen Eigenschaften führte allerdings bisher nicht zu den angestrebten Erfolgen, so daß diese Aschen gegenwärtig nur für bauaufsichtlich nicht relevante Einsatzfälle wie z. B. für Rekultivierungsmaßnahmen und zur Restlochverfüllung im bergbaulichen Versatz verwendet werden.
Die verfestigenden Eigenschaften einiger Aschen, insbesondere von Steinkohlen­ filteraschen, waren nur durch besondere Maßnahmen, wie durch den Zusatz von Anregern, durch besondere mechanische Behandlung oder durch Druckerhärtung freizusetzen, ohne jedoch einen Zementersatz zu erreichen (DD-PS 2 74 206). Es wurde auch versucht, künstliche Zuschläge für die Bauwirtschaft unter Verwendung von Steinkohlenfilteraschen herzustellen (DE-PS 35 39 264). Ebenso soll durch die Herstellung großer Blöcke aus Steinkohlenfilteraschen und CaO- haltiger Bindemittel mit anschließender Zerkleinerung und erneuter Verpressung ein Baumaterial hergestellt werden können (DE-PS 35 24 693).
Durch ihre besondere stoffliche Zusammensetzung zeigen die kalkhaltigen Braunkohlenfilteraschen ein eigenes Erhärtungsverhalten, wobei der Aktivierung der festigkeitserzeugenden Mineral- und Glasphasen und der Zumischung weiterer Komponenten große Bedeutung zukommt. Aufgrund dieser bisher nicht fundiert abgeklärten Verhältnisse erfolgte ihr Einsatz als mineralisches Bindemittel bzw. als mineralische Bindemittelkomponente nur in vergleichsweise geringem Umfang.
Durch die Herstellung einer Asche-Wasser-Suspension mit einem hohen Anmachwassergehalt konnte erreicht werden, daß durch die völlige Teilchen­ benetzung die Bindeeigenschaften der Braunkohlenfilterasche freigesetzt werden (DD-PS 2 44 472, DD-PS 2 44 545, DD-PS 2 44 546), wobei nach der Suspensionsherstellung weitere Bindemittel und andere Zuschlagstoffe wie z. B. auch Faserstoffe zugesetzt werden können. Bei einer hohen Zugabewasser­ menge müßte jedoch bzgl. der Herstellung, Verfestigung und Verarbeitung überschüssiges Wasser wieder aus dem Endgemisch mittels eines besonderen technischen und technologischen Aufwandes entfernt werden. Dies kann jedoch baupraktisch nicht gewährleistet werden.
Die Ermittlung einer Rezeptur für die baupraktische Verwendung einer Asche bzw. eines Aschegemisches kann auf verschiedene Weise vorgenommen werden.
Diesbezüglich ist in DE-PS 41 03 412 angegeben:
Ausgehend von vereinzelten Aschekomponenten unterschiedlicher Körnungs­ bänder gelingt über eine experimentell aufzustellende Wasseranspruchsfunktion die optimale Festlegung des prozentualen Anteils der Komponenten, des spezifischen Wasseranspruchs sowie der technologischen Grenzen, in denen die Herstellung einer Dispersion für Bau- und Dichtstoffprodukte möglich ist. Die Verdichtung der Körnungsstruktur unter Wassereinfluß wird dadurch bewirkt, daß der Aschemischung bei aufgebrachten Scherbewegungen diejenige Wassermenge zugegeben wird, welche zum Erreichen der oberen Fließgrenze benötigt wird. Hierzu müssen zwei sich hinsichtlich ihrer Korngrößenverteilung deutlich unterscheidende Aschefraktionen vorliegen.
Die Aufnahme der für die Verarbeitung benötigten Wasseranspruchsfunktion und deren Einhaltung, erfordert allerdings einen sehr hohen technischen, techno­ logischen und analysetechnischen Aufwand, so daß diese Vorgehensweise aus baubetriebstechnischen Gründen für die allgemeine Baupraxis entfällt: Die Abgabe von Filteraschen aus modernen Großkraftwerken erfolgt nämlich als Mischasche aller Filterstufen, so daß eine erfindungsgemäße Verarbeitung eine aufwendige, baupraktisch nicht durchführbare Separation der Mischasche in einzelne Aschefraktionen voraussetzt.
Ausgehend von dem erläuterten Stand der Technik liegt der Erfindung dagegen das Anliegen zugrunde, unter Verwendung von erfindungsgemäß vorgegebenen Anteilen von Braun- und Steinkohlenfilteraschen mittels einer einfachen, baupraktisch anwendbaren Technologie die Herstellung von betonähnlichen Baumaterialien hoher Dichtigkeit und hoher Festigkeit bei hoher Volumenkonstanz bzgl. herstellungsmäßigem Schwinden und Quellen zu ermöglichen.
Nach einer Vielzahl, über Jahre dauernden umfangreichen derartigen Versuchs­ reihen wurde folgende Rezeptur entwickelt:
In Abhängigkeit ihrer bindemitteltechnischen Aktivität werden
5 bis 9,8 Anteile Braunkohlenfilterasche
0,2 bis 5 Anteile Steinkohlenfilterasche
mit 2 bis 6 Anteilen Anmachwasser bezogen auf
10 Anteile Trockensubstanz
in der Anfangsphase intensiv zwangsgemischt und danach zu einem verarbeitbaren Gemisch fertig aufbereitet unter möglichem Zusatz von Zugabestoffen wie weitere Bindemittel und/oder inerte, reaktive oder teilweise reaktive Zusatzstoffe und/oder Zuschlagstoffe und/oder Zusatzmittel unter Berücksichtigung von deren für die Gesamtgemischherstellung, -verarbeitung bzw. -anwendung und -erhärtung erforderlichen Mindestwasseranspruches. Ein unerwünschtes Quellen kann hierbei durch die zugegebenen nicht reaktiven oder schwindenden Zugabestoffe bis zur Volumenkonstanz der erhärteten Mischung unterbunden werden.
Hierzu wurden die kinetisch-mineralogisch-chemischen Vorgänge bei der Wechselwirkung von Braun- und Steinkohlenfilteraschen mit Wasser untersucht und deren Eigenaktivität sowie das Aktivierungsverhalten von Braun- auf Steinkohlenfilteraschen abgeklärt.
Dies führte zur Erkenntnis eines neuartigen Wirkmechanismus zwischen mehr oder weniger freikalkhaltigen Braunkohlenfilteraschen (BFA) und Steinkohlen­ filteraschen (SFA). Er besteht in der spezifischen aktivierenden Rolle einer BFA in bezug auf die puzzolanischen Reaktionen einer SFA:
Die Untersuchungen ergaben, daß in der Anfangsphase der Erhärtung im System BFA - Wasser eine gegenüber herkömmlichem Portlandzement höhere Konzen­ tration an Ga-Ionen in der Porenlösung festzustellen ist. Dies führt zu einem höheren Umsatz der siliziumhaltigen Glasphasen der SFA und damit zu einer höheren Ausbeute der sich bildenden festigkeitserzeugenden Hydratphasen. Um ausreichend Ca⁺⁺-Ionen zur puzzolanischen Reaktion der SFA zu erhalten, muß der Bereich des Mischungsverhältnisses BFA/SFA eingeschränkt und die Zugabewassermenge niedrig gehalten werden. Die unterschiedliche Verteilung der einzelnen Korngrößengruppen sowohl der BFA als auch der SFA muß für die Festlegung eines Mischungsverhältnisses BFA/SFA ebenfalls berücksichtigt werden. Zudem wirken sich auch die physikalischen Eigenschaften der Steinkohlenfilteraschen, wie ein hoher Anteil an kugeligen Teilchen, ihre Feinkörnigkeit und ihr geringer Wasseranspruch günstig auf die Herstellung, Verarbeitbarkeit und das Verdichtungsverhalten des Frischgemisches aus. Die Zusammensetzung derartiger BFA/SFA-Gemische wurde dann innerhalb des möglichen o.a. Mischungsverhältnisbereiches derart variiert, daß bei weiterhin niedrigem Wasser-(Gesamt-)Asche-Verhältnis unter Berücksichtigung der dies­ bezüglichen Auflagen für die Herstellung, Verarbeitung, Anwendung und Erhärtung der letztlich entstehenden Mischung das bei der Reaktion mit Wasser verbundene Quellen der BFA durch eine entsprechende Zugabe von SFA gezielt herabgesetzt werden konnte. Das niedrige Wasser-(Gesamt-)Asche-Verhältnis ermöglichte, daß auch bei der Zugabe weiterer Zusätze lediglich deren entsprechender Mindestwasseranspruch berücksichtigt werden muß.
An Ausführungsbeispielen wird die Erfindung näher erläutert.
Beispiel 1
Hergestellt werden soll ein monolitischer Abwasserschacht mit hoher Dichtheit.
Zur Herstellung eines Gemischvolumens werden in der ersten Verarbeitungs­ phase 213 kg Braunkohlenfilterasche und 25 kg Steinkohlenfilterasche mit 149 kg Anmachwasser intensiv vermischt, wobei die Mischzeit sich nach der einstellenden Gemischverflüssigung richtet (i.R. zwischen 2 und 5 Minuten). In dieses Gemisch werden nacheinander 553 kg Kiessand (0-4 mm), 60 kg Portlandzement (PZ 45 F) und 12,5 kg Stahlfasern eingegeben und homogenisiert. Der Mindestwasseranspruch des PZ 45 F ist hierbei im Anmachwasser bereits enthalten.
Dieses Gemisch wird in eine vorbereitete Schalungsform gegeben und z. B. mittels Vibration optimal verdichtet. Nach einem Tag kann das Schachtelement bereits entschalt werden. Eine (vorgeschriebene) Nachbehandlung mit Wasser ist erforderlich, um ein vorzeitiges Austrocknen der ausgeschalten Oberfläche zu verhindern.
Bei Verarbeitung z. B. einer Braunkohlenfilterasche mit einem Freikalkgehalt von ca. 5 Mass.-% und einem SiO₂ : Al₂O₃-Verhältnis von 1,5 zu 1 bei ca. 8 Mass.-% SO₃, können folgende Druck- und Biegezugfestigkeiten an wasserge­ lagerten Mörtelprismen nach 28 Tagen festgestellt werden:
Druckfestigkeit - 76,5 N/mm²
Biegezugfestigkeit - 17,6 N/mm²
wobei nach 2 Tagen ca. 60% der Endfestigkeit erreicht werden.
Beispiel 2
Hergestellt werden soll eine mineralische Dichtungsschicht für den Deponiebau.
In der ersten Verarbeitungsphase für ein bestimmtes Gemischvolumen wird eine Zwangsmischung aus 342 kg Braunkohlenfilterasche, 34 kg Stein­ kohlenfilterasche und 182 kg Wasser hergestellt. Nach der eintretenden Gemisch­ verflüssigung (i.R. zwischen 2 und 5 Minuten) werden nacheinander 406 kg Bauschuttrecyclingmaterial und 36 kg Portlandzement (PZ 35 F) zugegeben und homogenisiert. Der Mindestwasseranspruch des PZ 35 F ist hierbei im Anmach­ wasser bereits enthalten.
Dieses Gemisch wird vor Ort auf ein vorverdichtetes Planum in einer Stärke von ca. 150 mm ausgebracht und mechanisch verdichtet. Die Verarbeitung kann aufgrund der Volumenkonstanz bzgl. herstellungsmäßigem Schwinden und Quellen ohne diesbezügliche Dehnungs- bzw. Schwindfugen erfolgen.
Folgende technologischen Kennwerte wurden nach 56 Tagen an derart herge­ stellten Laborprüfkörpern nach Wasserlagerung erreicht:
Druckfestigkeit - 28 N/mm²
Biegezugfestigkeit - 6,8 N/mm²
kf-Wert - 2,6 · 10-11m/sec Schwindung/Dehnung - +/- 0%.
Die Ergebnisse wurden durch die Prüfung entsprechender baupraktischer Bauteile bestätigt.
Durch die erreichbare hohe Dichtigkeit und/oder hohe Festigkeit des ausge­ härteten, preiswert und baupraktisch üblich herzustellenden Gemisches folgen:
  • - allgemein hohe mechanisch technologische Kennwerte;
  • - geringe Durchlässigkeitsbeiwerte gegenüber Flüssigkeiten und Gasen;
  • - bei möglicher Volumenkonstanz bzgl. herstellungsmäßigem Schwinden und Quellen;
und es ergeben sich somit eine Vielzahl von Einsatzmöglichkeiten.
So lassen sich mittels der Erfindung z. B. Frischgemische für den Tief-, Wasser- und Kanalbau sowie für Abdichtungen im Wasser- und Deponiebau herstellen. Zum anderen läßt sich das Gemisch z. B. auch für die Herstellung von dichten Fertigteilelementen (wie Wasserrohre, Gasbehälter), Fertigschächten sowie von herkömmlichen Betonwaren (wie Wandelemente, Pflastersteine, Bord- und Rasenkantensteine) anwenden.
Das Gemisch wird im Stahl- und Spannbetonbau mit ebensolchen Vorteilen eingesetzt.
Die Weiterverarbeitung des Gemisches kann, wie beschrieben, in betontypischer Art und Weise erfolgen. Durch die erwähnten stofflichen Vorteile lassen sich jedoch auch betonuntypische Verarbeitungen realisieren, wie z. B. der Verzicht auf herstellungsmäßige Schwindungs- bzw. Dehnungsfugen bei großflächiger Verarbeitung, monolithischer Guß komplizierter Bauelemente und ein dichter nachträglicher Verbund vorgefertigter einzelner Bauteile. Eine hohe Festigkeit kann zudem bauingenieursmäßig vorteilhaft berücksichtigt werden.
In das hergestellte Gemisch sind ohne weiteres schadstoffbelastete Materialien einzugeben, so daß eine Immobilisierung der Schadstoffe, z. B. toxische Stoffe, in den ausgehärteten Fertigungsprodukten erfolgt.
In das hergestellte Gemisch sind auch solche Zuschlagstoffe einzugeben, z. B. Plastregranulate, die unterschiedliche Materialeigenschaften ergeben, so z. B. Schalldämm-, Wärmedämm- und/oder Hochfestigkeitseigenschaften.
In das Gemisch werden Zugabestoffe wie weitere Bindemittel und/oder inerte Stoffe und/oder Zuschlagstoffe und/oder Zusatzmittel unter Berücksichtigung von deren für die Gesamtgemischherstellung -verarbeitung, -anwendung und -erhärtung erforderlichen Mindestwasseranspruch zugegeben und gemischt. Ein unerwünschtes Quellen kann hierbei durch die zugegebenen nichtreaktiven oder schwindenden Zugabestoffe bis zur Volumenkonstanz der erhärteten Mischung unterbunden werden.
Darüberhinaus lassen sich solche z. B. Bauteile oder Elemente auch ohne weiteres im Fertigungsprozeß zu speziellen Verbundmaterialien und/oder Verbundelementen vereinigen.

Claims (5)

1. Verfahren zur Herstellung von dichten und von hochfesten betonähnlichen Baumaterialien unter Verwendung von Braun- und Steinkohlenfilteraschen, gekennzeichnet dadurch, daß
5 bis 9,8 Anteile Braunkohlenfilterasche
0,2 bis 5 Anteile Steinkohlenfilterasche
mit 2 bis 6 Anteilen Anmachwasser bezogen auf
10 Anteile Trockensubstanz
in der Anfangsphase intensiv zwangsgemischt und danach zu einem Gemisch verarbeitet werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß in das Gemisch Zugabestoffe wie weitere Bindemittel und/oder inerte, reaktive oder teilweise reaktive Zusatzstoffe, z. B. fasrige Stoffe, und/oder Zuschlagstoffe und/oder Zusatzmittel unter Berücksichtigung von deren für die Gesamtgemisch­ herstellung, -verarbeitung, -anwendung und -erhärtung erforderlichen Mindestwasseranspruches zugegeben und zugemischt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß in das Gemisch schadstoffbelastete Materialien zugegeben werden.
4. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß mit dem hergestellten Gemisch Sanierungsmaßnahmen bei Bauteilen mit hoher Dichtigkeitsauflage wie an wasserführenden Rohren, Schächten, Wannen usw. durchgeführt werden.
5. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß die Gemische zum Erreichen verschiedener spezifischer Materialeigenschaften (wie Schall- und Wärmedämmung, hohe Festigkeit) in einem einzigen Fertigungsprozeß hergestellt werden.
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