DE602005002937T2

DE602005002937T2 - Multimodus-beschleuniger für zementmaterialien

Info

Publication number: DE602005002937T2
Application number: DE602005002937T
Authority: DE
Inventors: Hamid Claremont HOJAJI; Marcus Henry Alta Loma KUIZENGA; Basil Toongabbie NAJI
Original assignee: James Hardie International Finance BV
Current assignee: James Hardie International Finance BV
Priority date: 2004-03-19
Filing date: 2005-03-21
Publication date: 2008-07-31
Anticipated expiration: 2025-03-22
Also published as: WO2005092818A1; AU2005227315A1; DE602005002937D1; EP1727775B8; EP1727775B1; CN1930103B; EP1727775A1; ATE375970T1; CN1930103A; US20080202389A1

Description

Hintergrund der Erfindung
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft allgemein Zementhärtungsbeschleuniger und betrifft insbesondere Zementhärtungsbeschleuniger, die in multiplen Moden arbeiten.
Beschreibung der verwandten Technik
Fossile Brennstoffe liefern über 85% des Weltenergiebedarfs, und es wird erwartet, dass sie noch für viele weitere Jahrzehnte in Gebrauch bleiben. Kohlendioxid (CO₂)-Emissionen aus der Verbrennung fossiler Brennstoffe und aus Müllverbrennungsanlagen wurden bereits mit der globalen Erwärmung und anderen nachteiligen Umweltänderungen durch den Treibhauseffekt in Verbindung gebracht. Allerdings besitzt CO₂ auch viele nützliche Anwendungen, wie Kühlung, Düngemittel, Trockenreinigung, Öl-Bohrlochextraktion und schnelles Härten von Zementprodukten. Somit hat das Einfangen und Recycling von gasförmigem CO₂ für nützliche Anwendungen in den letzten Jahren an Fahrt gewonnen. Viele Verfahren wurden zum Einfangen von gasförmigem CO₂, insbesondere aus stationären fossilen Brennstoff-Verbrennungsquellen, wie Stromerzeugungsanlagen, Zementbrennöfen, Müllverbrennungsanlagen, und anderen Kohle- und Naturgasverbrennenden Quellen, entwickelt.
Eines der wirtschaftlicheren Verfahren zum Einfangen von CO₂ besteht in der Absorption des Gases durch ein Lösungsmittel oder eine Aufschlämmung von CO₂-reaktiven Mineralien. Beispiele für Materialien, die zur Sequestrierung von CO₂ verwendet werden können, umfassen primäre, sekundäre oder tertiäre Alkanolamine, einschließlich Monoethanolamin (MEA), Diethanolamin (DEA), Triethanolamin (TEA), Methyldiethanolamin (MDEA), Diisopropanolamin (DIPA) und N,N,N,N-Tetrakis(2-hydroxyethyl)ethylendiamin (THEED) sowie primäre, sekundäre und tertiäre Alkylamine wie Mono-, Di- und Triethylamin (CH₃CH₂)₃N, wovon alle mit CO₂, in Abhängigkeit von den vorgegebenen Bedingungen von pH und von verfügbarem freiem Wasser, reversibel reagieren können.
Primäre und sekundäre Amine können direkt mit CO₂ in Abwesenheit von Wasser reagieren und bilden Carbamate (RNHCOO- oder R₂NCOO-). CO₂ reagiert ebenfalls mit den Hydroxylgruppen der Alkanolamine, was wahrscheinlich zur Bildung einer Alkylcarbonsäure oder von Alkylcarbonat führt, wie in der Reaktion: R₂NROH + CO₂ → R₂NROCOOH oder R₂NROCOO^– gezeigt. Die US-Patentschrift Nr. 5,697,307 offenbart die Verwendung entweder von Alkanolaminen oder alkalischen Salzlösungen, wie Natriumcarbonatlösung, um CO₂ zu sequestrieren.
Es ist bekannt, dass sich unter bestimmten vorgegebenen Bedingungen von Druck, Temperatur und pH-Wert die Reaktionsprodukte von Alkylaminen und/oder Alkanolaminen, wie Carbamate, Alkylcarbonsäuren und Alkylcarbonate, zersetzen und CO₂-Gas freisetzen. Es ist auch bekannt, dass Alkalimetallcarbonatlösungen, die CO₂ absorbiert haben, durch Änderung auf vorgegebene Bedingungen von Druck, Temperatur oder pH-Wert zur Freisetzung des CO₂ veranlasst werden können. Allerdings beträgt die kommerzielle Wiederverwendung von CO₂ aus diesen Quellen weitaus weniger als die Menge an CO₂, die aus Rauchgasemissionen sequestriert wird. Benötigt wird somit ein Weg zur kommerziellen Verwendung des aus den Rauchgaswäschern eingefangenen CO₂.
Es ist auch bekannt, dass Alkanolamine das Härten von zementartigen Materialien beschleunigen können. Die US-Patentanmeldung 20040040474 offenbart die Zugabe von Alkanolaminen, wie TEA, in der Größenordnung von 0,03 bis 4,0 Gew.-% zu hydraulischem Zement, wie Mischungen von Aluminiumoxid-reichem Zement und Portland-Zement, bei einer erhöhten Temperatur von mindestens 90°F, um die Härtungszeit des Zements zu beschleunigen. Bei dieser Anwendung sind, obgleich Alkanolamin zur Beschleunigung der Zementhärtung beiträgt, andere Materialien, wie Aluminiumoxid-reicher Zement und/oder Flugasche, ebenfalls zur Erzielung eines sehr schnellen Härtens erforderlich. Benötigt wird somit ein Weg der Verwendung von Alkanolaminen, um ein schnelles Härten zu erzielen, ohne das Erfordernis zusätzlicher Mineralzumischungen, wie Aluminiumoxid-reicher Zement, Gips oder Flugasche.
CO₂ ist auch auf dem Fachgebiet als ein Mittel zur Beschleunigung der Härtung von Zementverbänden bekannt. Dies ist auf Grund des aus der Hydratationsreaktion von Portland-Zement produzierten freien Calciumhydroxids (Ca(OH)₂) möglich: 2C₂S + 4H → C₃S₂H₃ + Ca(OH)₂; 2C₃S + 6H → C₃S₂H₃ + 3Ca(OH)₂; wobei die folgenden Schreibweisen eingeführt werden: C = CaO; S = SiO₂; H = H₂O.
Es wird angenommen, dass CO₂ mit freiem Calciumhydroxid unter Bildung feiner Kristalle von Calciumcarbonat (CaCO₃) reagiert. Durch Verbrauch des Ca(OH)₂-Reaktionsprodukts aus der Zementhydratation wird die Umwandlung von C₂S und C₃S zu C₃S₂H₃ beschleunigt. Es wird auch angenommen, dass die Calciumcarbonatkristalle für den hydratisierenden Zement mechanische Festigkeit und Keimbildungsstellen für normale Zementhydratationsreaktionen bereitstellen.
Die Reaktionskinetik von Erdalkalihydroxiden, wie Calciumhydroxid, mit Kohlendioxid ist recht schnell, oft Größenordnungen schneller als die Reaktion von CO₂ mit den Alkalioxiden, was zu schnelleren Härtungszeiten führen kann, die mit den Härtungszeiten vergleichbar sind, wenn tra ditionelle Zementbeschleuniger, wie Calciumchlorid oder auch Alkanolamine, verwendet werden. Die bisherige Technik offenbart mehrere Verfahren der Behandlung von zementartigen Materialien mit CO₂. Diese umfassen:

• Hindurchpressen von gasförmigem CO₂ unter Druck durch die Poren eines ungehärteten Zementverbunds;
• Verwendung von mit CO₂ gesättigtem Wasser, um den Zementverbund zu verarbeiten;
• Verwendung von superkritischem CO₂, um in den Zementverbund einzudringen.

Die Verwendung von gasförmigem oder superkritischem CO₂ erfordert allerdings eine Apparatur, die in der Lage ist, das CO₂ unter Druck ohne Beschädigung des Gegenstands zu verabreichen, was für kontinuierliche Bildungsprozesse problematisch werden könnte. Obgleich es relativ leicht ist, CO₂-gesättigtes Wasser zur Formulierung von Zementverbund zu verwenden, ist CO₂ in Wasser nicht löslich genug, um Materialien mit wesentlichem Zementgehalt vollständig zu karbonisieren. Benötigt wird somit ein Weg zur wirksamen gleichmäßigen Abgabe einer stöchiometrisch exakten Menge an CO₂ in Zementverbünde. Die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stellen eine wirtschaftliche und durchführbare Lösung für mindestens einige der Nachteile bereit, die mit der bisherigen Technik des Härtens von Zementverbänden mit Kohlendioxid zusammenhängen.
Zusammenfassung der Erfindung
Wie hier verwendet, soll der Begriff „sequestriert" im Wesentlichen gelöst in, absorbiert durch und/oder chemisch gebunden an ein Trägermaterial, so dass im Wesentlichen ein Unvermögen der chemischen Reaktion mit anderen umgebenden Materialien besteht, bedeuten. Der Begriff „reversibel sequestriert" soll das Vermögen, von dem Trägermaterial entfernt, freigesetzt oder desorbiert zu werden, bedeuten.
In einem Aspekt stellen die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Beschleunigung von Zementhydratationsreaktionen in einem ungehärteten zementartigen Verbundmaterial bereit. Das Verfahren umfasst das Einarbeiten eines Multiple-mode-Beschleunigungsmittels in eine ungehärtete zementartige Zusammensetzung. Das Multiplemode-Beschleunigungsmittel umfasst Kohlendioxid, das in einem Trägermaterial sequestriert ist, welches ebenfalls zur Beschleunigung von Zementhydratationsreaktionen in der Lage ist. Das Verfahren umfasst ferner die Freisetzung des sequestrierten Kohlendioxids aus dem Trägermaterial unter einem oder mehreren zuvor bestimmten Prozessbedingungen und die Reaktion sowohl des Kohlendioxids als auch des Trägermaterials mit der ungehärteten zementartigen Zusammen setzung auf eine Weise, so dass die Zementhydratationsreaktionen darin beschleunigt werden. Vorzugsweise liegt das Trägermaterial in einer flüssigen Form vor. Bei einer Ausführungsform wird das Trägermaterial aus der Gruppe ausgewählt, bestehend aus Alkanolaminen, Alkylaminen, Alkalicarbonaten und Gemischen davon. Bei einer bevorzugten Ausführungsform beschleunigt das Multiple-mode-Härtungsbeschleunigungsmittel die Zementhydratationsreaktionen durch eine Kombination von Alkaliaktivierung und Karbonisierung. Bei bestimmten Ausführungsformen wird die Freisetzung des sequestrierten Kohlendioxids aus dem Trägermaterial durch eine Verfahrensbedingung kontrolliert, die aus der Gruppe ausgewählt ist, bestehend aus Temperatur, Druck, pH und Kombinationen davon.
Das Multiple-mode-Beschleunigungsmittel kann in eine zementartige Aufschlämmung, eine zementartige Paste oder einen zementartigen ungehärteten Formgegenstand eingearbeitet werden. Bei einer Ausführungsform wird das Beschleunigungsmittel in eine zuvor gewählte Region eines ungehärteten Formgegenstands eingearbeitet und fehlt in anderen Regionen des Gegenstands. Die zuvor gewählte Region des ungehärteten Formgegenstands kann aus der Gruppe gewählt werden, bestehend aus einer äußeren Oberfläche, einer Ecke, einer inneren Oberfläche und Kombinationen davon. Das Beschleunigungsmittel kann auf die zuvor gewählte Region durch ein Verfahren aufgebracht werden, das aus der Gruppe ausgewählt ist, bestehend aus Sprühen, Tauchen, Gießen, Bürsten und Kombinationen davon. Das Kohlendioxid und das Trägermaterial beschleunigen die Zementhydratationsreaktionen in der vorgewählten Region und führen dadurch zu einer schnellen Bildung einer teilweise gehärteten Zone in dem ungehärteten Formgegenstand. Bei einigen Ausführungsformen wird die stöchiometrische Menge an in dem Trägermaterial sequestrierten Kohlendioxid auf der Grundlage der Menge an Calciumhydroxid in der vorgewählten Region im Voraus festgelegt. Bei anderen Ausführungsformen umfasst das Verfahren weiterhin das Autoklavenhärten des ungehärteten Formgegenstands nach Bildung der teilweise gehärteten Zone. Bei wieder einer anderen Ausführungsform ist die zementartige Zusammensetzung zur Herstellung eines Baugegenstands konfiguriert.
Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Bestimmte bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschreiben ein Zement-Härtungsbeschleunigungsmittel mit multiplen Moden, das durch eine Kombination von Alkaliaktivierung und Karbonisierung arbeitet. Bei einer Ausführungsform umfasst das Zement-Härtungsbeschleunigungsmittel Kohlendioxid(CO₂)-Gas, das in ein Trägerfluid reversibel sequestriert ist, welches ebenfalls ein Zement-Härtungsbeschleuniger ist, der in der Lage ist, die Hydratationsreaktionen des Zements unabhängig von dem CO₂ zu beschleunigen. Bei einigen bevorzugten Ausführungsformen reagiert das CO₂ mit dem Trägerfluid auf eine solche Weise, dass das CO₂ in dem Trägerfluid reversibel gelöst und gesättigt wird und unter bestimmten vor gegebenen Prozessbedingungen freigesetzt werden kann. Bei einer Ausführungsform ist das Trägerfluid eine wässrige Lösung, die Alkanolamin und/oder Alkalicarbonat einschließt. Das CO₂ reagiert mit der Alkanolamin- und/oder Alkalicarbonatlösung und wird darin gelöst. Da sowohl CO₂ als auch Alkanolamin und/oder Alkali als Zement-Härtungsbeschleunigermittel fungieren, bilden sie zusammen einen Beschleuniger mit mehr als einem Funktionsmodus. Vorzugsweise wird das CO₂ in die Alkanolamin- und/oder Alkalicarbonatlösung unter Verwendung jeder beliebigen geeigneten Technik zur Auflösung eines Gases in einem Fluid eingearbeitet. Eine solche Technik umfasst die Überführung von CO₂ aus Abfallrauchgasen in eine Alkanolaminlösung durch chemische Absorption und andere Verfahren, wie diejenigen Verfahren, die in den US-Patentschriften mit den Nrn. 6,555,150 und 5,697,307 beschrieben sind.
Wenn das Multiple-mode-Zement-Härtungsbeschleunigungsmittel einem zementartigen Gemisch zugesetzt wird, können sowohl das Trägerfluid als auch CO₂, das darin gelöst ist, die Zementhydratationsreaktion unter den zuvor bestimmten Verfahrensbedingungen beschleunigen. Bei bestimmten Ausführungsformen kann der Multiple-mode-Zement-Härtungsbeschleuniger mehr als 2 Beschleunigermittel einschließen. Bei anderen Ausführungsformen ist das Trägermaterial nicht notwendigerweise in fluider Form vorhanden und kann eine feste Substanz sein.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Multiple-mode-Beschleunigungsmittel reversibel in einer Alkanolaminlösung sequestriertes Kohlendioxid. Das Beschleunigungsmittel wird einem ungehärteten zementartigen Material zugesetzt, um den Zement-Hydratationsprozess zu bewirken. Ohne dass gewünscht wird, durch Theorie gebunden zu sein, wird angenommen, dass das Alkanolamin mit Portland-Zement wechselwirkt, um die Aluminate und Sulfationen bereitzustellen, die für die Bildung von Hydraten auf der Grundlage von Calciumaluminatverbindungen benötigt werden. Zusätzliche Einzelheiten über die Art und Weise, in der Alkanolamine die Härtungsmerkmale beschleunigen, sind in der US-Patentanmeldung 20040040474 beschrieben. Nachdem das Beschleunigungsmittel dem ungehärteten zementartigen Material zugesetzt wurde, kann ferner das CO₂ aus dem Trägerfluid unter vorgegebenen Bedingungen freigesetzt werden, wie es ausführlicher nachstehend beschrieben wird. Vorzugsweise beschleunigt das CO₂ weiterhin die Zement-Hydratationsreaktion durch reagieren mit freiem Calciumhydroxid, welches ein Produkt der Zement-Hydratationsreaktion ist. Dies wiederum setzt die Konzentration an Ca(OH)₂ herab und beschleunigt daher die Zementhydratationsreaktion.
Wie vorstehend beschrieben, stellen die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ein Verfahren des schnellen Härtens zementartiger Materialien durch eine Kombination von Alkaliaktivierung und Karbonisierung bereit. Vorzugsweise erfolgt dies durch behandeln eines zementartigen Materials auf der Grundlage von Bestandteilen, wie Portland-Zement, mit einem CO₂-flüssigen Sequestrierungsfluid, das eine wesentliche Menge an CO₂ sequestriert hat. Vor zugsweise wird das CO₂ in eine Alkanolamin-, Alkylamin- oder Alkalicarbonat-Sequestrierungslösung sequestriert, die unter Verwendung bekannter Verfahren und Techniken hergestellt wurde. Bei Anwendung auf das zementartige Material wird CO₂ aus dem Sequestrierungsfluid desorbiert, um mit hydratisiertem Kalk (Ca(OH)₂) zu reagieren und um Calciumcarbonat zu bilden und um somit die Härtungszeit wesentlich herabzusetzen.
Bei einer Ausführungsform kann die Quelle an Calciumhydroxid oder hydratisiertem Kalk aus Prozesswasser sein, ein Nebenprodukt der Zement-Hydratation, oder kann in trockener Form als Ergänzung zu der existierenden Formulierung zugesetzt werden. Vorzugsweise wird ein fluides Material bereitgestellt, das hergestellt werden kann, um eine vorgegebene Menge an Kohlendioxid reversibel zu sequestrieren und sie unter zuvor bestimmten Bedingungen in Gegenwart eines zementartigen Materials freizusetzen, um das Aushärten oder Härten des Materials zu beschleunigen. Vorzugsweise wird ein flüssiges Sequestrierungsmittel, wie ein Alkanolamin, verwendet, das auch unabhängig als ein Beschleuniger für die Zementhärtung wirkt.
Bei einer anderen Ausführungsform wird ein flüssiges Sequestrierungsmittel gewählt, das Wasch-CO₂ aus Rauchgasen sein kann, die durch Verbrennung von fossilen Brennstoffen produziert werden, welche ansonsten zu den Treibhauseffekten beitragen können, wie in der US-Patentschrift Nr. 6,655,150 beschrieben. Als solches wird ein wirtschaftlich durchführbares Verfahren zur Herabsetzung der Härtungszeit von kommerziell hergestellten Produkten, die Portland-Zement oder vergleichbare zementartige Materialien enthalten, bereitgestellt.
Bestimmte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stellen weiterhin ein Material bereit, das hergestellt werden kann, um eine vorgegebene Menge an Kohlendioxid (CO₂) reversibel zu sequestrieren und um das CO₂ unter vorgegebenen Bedingungen in Gegenwart eines zementartigen Materials freizusetzen, so dass das Härten oder Aushärten des zementartigen Materials beschleunigt wird. Bei einer Ausführungsform umfasst das Material eine Alkanolamin, Alkylamin oder Alkalicarbonat-Sequestrierungslösung für CO₂. Mono-, Di- und Triethanolamine sind die bevorzugten Sequestrierungsflüssigkeiten bei einigen Ausführungsformen. Bei anderen Ausführungsformen ist MEA ein stärker bevorzugtes Sequestrierungsmittel auf Grund seiner großen Affinität für CO₂, seiner niedrigen Kosten und dadurch, dass es im Wesentlichen nicht toxisch ist. MEA wurde bereits breit als schnelles härtendes Gemisch in der Zementindustrie breit eingesetzt. Auf der Grundlage der Wahl von Sequestrierungslösungen, der Bedingung zur Freisetzung von CO₂ aus der Sequestrierungslösung in den ungehärteten Zementverbund kann die Bedingung zur Freisetzung von CO₂ aus der Sequestrierungslösung in den ungehärteten Zementverbund bestimmt werden, oder umgekehrt können die Herstellungsvorgaben für ein Zementverbund-Herstellungsverfahren verwendet werden, um Typ und Menge an zu verwendendem Sequestrierungsmittel zu bestimmen.
Einer der Faktoren bei der Bestimmung der Brauchbarkeit der oben beschriebenen Materialien und Verfahren für Methoden für ein spezielles Herstellungsverfahren ist die Menge an freiem Ca(OH)₂, das der Karbonisierung zur Verfügung steht. Calciumhydroxid ist in der Wasserphase von frisch gemischtem Zement, in dem Auffüllwasser von extrudierbaren zementartigen Pasten oder in dem Prozesswasser eines Entwässerungsverfahrens, wie Hatschek-, Mazza-, Fourdrinier- oder Magnani-Verfahren leicht verfügbar. Beispielsweise liegt bei einem typischen Hatschek-Verfahren der Calciumionengehalt, der von Ca(OH)₂ beigetragen wird, in der Größenordnung von etwa 1000 bis 2000 ppm. Dieser Wert kann natürlich in Abhängigkeit von dem Zement-zu-Wasser-Verhältnis des Verfahrens, der Korngröße des Zements, der Mischzeit und Temperatur und der Auswirkungen der anderen Zusatzstoffe schwanken. Bei bestimmten bevorzugten Ausführungsformen kann die Menge an verfügbarem Ca(OH)₂ in einem gegebenen Stadium bei einem gegebenen Herstellungsverfahren durch Probenahme bei dem Verfahren direkt oder durch Modellierung des Systems bestimmt werden. Nach Bestimmung der Menge an verfügbarem Ca(OH)₂ besteht der nächste Schritt bei einigen Ausführungsformen in der analytischen Bestimmung, wie viel des zur Verfügung stehenden Kalkes karbonisiert werden muss, um den gewünschten Betrag an schneller Härtung in dem gefertigten Zementverbund zu erzielen, was durch Routineexperimentieren erfolgen kann.
Das CO₂-enthaltende Sequestrierungsfluid kann in einer Anzahl von auf dem Fachgebiet bekannten Wegen auf ungehärteten Zementverbund aufgebracht werden. Beispielsweise kann eine Lösung eines Alkanolamin-Sequestrierungsfluides, wie Triethanolamin(TEA)-Sequestrierungsfluid, welches zwischen etwa 1 Gew.-% bis 25 Gew.-% CO₂ und stärker bevorzugt zwischen etwa 5 Gew.-% und 15 Gew.-% CO₂ enthält, auf eine ungehärtete Faserzementlage, wie auf einem Hatschek-Band gebildet, unter Verwendung herkömmlicher Verfahren und Apparaturen, wie Sprühen der TEA-Lösung auf die Oberfläche der ungehärteten Faserzementlage aufgetragen werden, während, bei einigen Ausführungsformen, gegebenenfalls gleichzeitig ein Vakuum an der Unterseite der Lage gezogen wird, wie es bei vielen Hatschek-, Fourdrinier- oder Mazza-Typ-Faserzementverfahren üblich ist. Bei dieser Ausführungsform kann die CO₂-tragende TEA-Lösung als unterkühlte Lösung unterhalb ihres normalen Gefrierpunktes von 21°C angewandt werden und auf eine relativ warme Faserzementlage mit einer Temperatur von 25°C oder mehr aufgebracht werden. Bei Kontakt mit der Faserzementlage erwärmt sich die TEA-Lösung und setzt gasförmiges CO₂ in Proportion zu dem Erwärmungsgrad frei. Das freigesetzte CO₂ reagiert mit jedem freien Ca(OH)₂, das in der Faserzementlage vorhanden ist und bildet Calciumcarbonat und versteift die Faserzementlage. Alternativ kann die Faserzementlage durch externe Mittel erwärmt werden, wie Exposition gegenüber einer Infrarotlampe oder Mikrowellenquelle. Zusätzlich wird erwartet, da die normale Hydratation der zementartigen Materialien exotherm ist, dass CO₂ freigesetzt werden würde, wenn die normale Hydratation voranschreitet und den Gegenstand erwärmt. In diesem Fall würde das zusätzliche freigesetzte CO₂ das Härten des Gegenstands werter vorantreiben. Nachdem das Sequestrierungsmittel durch beispielsweise ein Vakuumsystem nach Freisetzen seines CO₂ gesammelt wird, kann das verbrauchte Sequestrierungsfluid zurückgewonnen und wieder mit CO₂ aufgeladen werden, derart, dass es als Teil eines CO₂-Einfangsystems für Rauchgase wiederverwendet wird.
Bei einer Ausführungsform kann die TEA-Lösung direkt dem Faserzementaufschlämmungs-Mischgefäß zugesetzt werden, um so viel des freien Ca(OH)₂ zu karbonisieren, wie gewünscht. Das TEA kann schwer zurückzugewinnen und wiederzuverwenden sein, da es vollständig mit Wasser mischbar ist. Bei anderen Ausführungsformen, die Faserzementpasten einschließen, die zur Extrusion oder zum Spritzguss hergestellt wurden beispielsweise, könnte die CO₂-Sequestrierungslösung eine Alkanolamin- oder eine Alkalicarbonatlösung sein. Diese Lösung kann dem Mischgefäß direkt zugesetzt werden, wie ein Doppelschneckenextruder, Buss-Kneter oder jeder andere bekannte Mischer mit hoher Scherkraft oder ein Trogmischer, wie ein Eirich-Mischer. Vorzugsweise wird die Lösung möglichst spät in der Mischvorschrift zugesetzt, um vorzeitiges Härten und Beschädigung der Mischanlage zu vermeiden.
Vorzugsweise wird, kurz nachdem die Sequestrierungslösung zugesetzt wird, die Zementpaste extrudiert oder zu ihrer Endform pressgeformt und Wärme, reduziertem Druck, einem chemischen Mittel oder einer Kombination dieser Verfahren unterzogen, um das sequestrierte CO₂ freizusetzen. Alternativ wird vorzugsweise Sequestrierungsflüssigkeit, die CO₂ enthält, nach Bildung der ungehärteten Körper angewandt, um schnell eine Kruste zu bilden und somit dem zementartigen Produkt frühe Festigkeit und Handhabbarkeit zu verleihen. Flüssigkeit kann durch Sprühen, Tauchen, Gießen, Bürsten, etc. auf das Innere und Äußere des ungehärteten Produkts aufgebracht werden.
Bei bestimmten Ausführungsformen kann das CO₂-Sequestrierungsfluid auf spezifische Regionen des zementartigen Materials aufgebracht werden, um das Härten in dieser Region zu beschleunigen. Diese Technik kann angewandt werden, um die ungestützten Regionen von geformten Faserzementmaterialien im ungehärteten Zustand zu karbonisieren, um dazu beizutragen, ihre Form vor dem Härten durch jede andere beliebige Härtungsvorschrift, wie Autoklavieren, zu halten. Die Technik kann auch angewandt werden, um schnell eine teilweise gehärtete Zone innerhalb eines ungehärteten Faserzement-Gegenstands bereitzustellen, der leicht zu kleineren einzelnen Stücken geschnitten, gekerbt und aufgerissen oder aufgebrochen werden kann, die durch ein beliebiges anderes Verfahren gehärtet werden können. Bei einer Ausführungsform wird das CO₂-Sequestrierungsfluid auf die äußeren Oberflächen des ungehärteten Gegenstands aufgebracht, so dass eine teilweise gehärtete Haut auf dem Gegenstand gebildet wird, um Stütze vor dem Autoklavenhärten bereitzustellen. Bei einer anderen Ausführungsform wird das CO₂- Sequestrierungsfluid auf die Ecken des ungehärteten Gegenstands aufgebracht, so dass teilweise gehärtete Ecken gebildet werden, um die Handhabung des ungehärteten Gegenstands zu erleichtern. Bei wieder einer anderen Ausführungsform kann das CO₂-Sequestrierungsfluid auf eine Innenregion des ungehärteten Gegenstands aufgebracht werden, um eine teilweise gehärtete Innenzone zu bilden. Bei wieder einer anderen Ausführungsform wurde das CO₂-Sequestrierungsfluid auf die Innenseite eines Rohrs aufgebracht, um für das ungehärtete geformte Rohr eine strukturelle Stütze während des Härtens bereitzustellen.
Beispiel 1
Sprühbehandlung von Hatschek-prozessierten Faserzementlagen
Ein 10 kg (auf Trockenbasis) Teil einer kontinuierlichen Lage aus grünem ungehärtetem Faserzement von auf dem Fachgebiet bekannter Standardzusammensetzung wird auf eine Hatschek-Formmaschine gebildet. Die Zusammensetzung umfasst Portland-Zement, Siliziumdioxid, Cellulosefasern und Wasser. Dieser 10 kg Teil enthält ungefähr 3 kg Wasser. Dieses Kapillarwasser enthält etwa 2000 ppm Calciumionen, die ungefähr 0,012 kg Ca(OH)₂ entsprechen. Bei einer Ausführungsform erfordert das volle Karbonisieren des verfügbaren Ca(OH)₂ in dem Wasser etwa 0,0071 kg CO₂. Unter der Annahme, dass das Sprüh/Vakuumsystem, das nachstehend beschrieben ist, einen Reaktionswirkungsgrad von etwa 80% erreicht, sind dann etwa 0,009 kg CO₂ erforderlich. Diese Menge an CO₂ wird unter Verwendung von 0,09 kg Triethanolamin(TEA)-Lösung, gesättigt mit etwa 10 Gew.-% CO₂, bereitgestellt. Dies entspricht einer etwa 3% Lösung von TEA, auf der Grundlage des Trockenzementgehaltes des Faserzements. Die gesamte Faserzementlage wird auf Größe geschnitten, gestapelt und weiter über die alkalische Aktivierung von nicht umgesetzten Silikaten durch TEA härten gelassen, bis ein zuvor bestimmter Härtungsgrad erhalten wurde.
Beispiel 2
Um eine extrudierfähige Paste herzustellen, können etwa 10 kg (Trockengewicht) Probe an Faserzementpaste in einem Hobart-Mischer unter Verwendung von folgendem hergestellt werden:

• etwa 3 kg Portland-Zement mit einem C3S-Gehalt von etwa 60%;
• etwa 0,9 kg Cellulosefasern, raffiniert auf etwa 400–450 ml CSF-Freeness;
• etwa 2,5 kg gemahlener Silicasand (etwa 340–360 m²/kg);
• etwa 3,0 kg synthetisches Calciumsilicathydrat, vorzugsweise wie in Beispiel 1 der Patentanmeldung WO 98/45222 beschrieben;
• etwa 1,0 kg Hydroxyethylmethylcellulose;
• etwa 2 kg Wasser.

Die Paste wird gemischt, bis sie von gleichmäßiger Konsistenz ist, und eine stöchiometrische Menge an TEA von etwa 5%, gesättigt mit CO₂, wird zugesetzt, um mit etwa 50% des berechneten Ca(OH)₂-Gehaltes zu reagieren. Die Paste wird sofort zu einer Platte von rechteckigem Querschnitt extrudiert, auf diskrete Längen zugeschnitten, vorzugsweise unter Verwendung eines Wasserdüsenschneidgeräts und auf ein vorbestimmtes Härtungsniveau härten gelassen. Die nun vollständig handhabbare Platte wird in einen Dampfautoklaven übergeführt und bei etwa 180°C etwa 8 Stunden gehärtet.

Claims

Verfahren zum Beschleunigen von Zementhydratisierungsreaktionen in einem ungehärteten zementartigen Verbundmaterial, wobei das Verfahren folgendes umfaßt: Aufnehmen eines das Binden von Zement auf mehrere Arten beschleunigenden Mittels in eine ungehärtete zementartige Zusammensetzung, wobei das Beschleunigungsmittel Kohlendioxid umfaßt, welches in einem Trägermaterial reversibel sequestriert ist, wobei das Trägermaterial Zementhydratisierungsreaktionen beschleunigen kann, Freisetzen des sequestrierten Kohlendioxids aus dem Trägermaterial und Umsetzen sowohl des Kohlendioxids als auch des Trägermaterials mit der ungehärteten zementartigen Zusammensetzung unter Beschleunigung der darin ablaufenden Zementhydratisierungsreaktionen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die ungehärtete zementartige Zusammensetzung ein hydraulisches Bindemittel, Aggregate und Wasser umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das das Binden von Zement auf mehrere Arten beschleunigende Mittel die Zementhydratisierungsreaktionen durch eine Kombination aus Alkaliaktivierung und Karbonisierung beschleunigt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Trägermaterial in flüssiger Form vorliegt.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei das Trägermaterial aus der Gruppe ausgewählt ist, bestehend aus Alkanolaminen, Alkylaminen, Alkalicarbonaten und Gemischen davon.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Beschleunigungsmittel in eine zementartige Aufschlämmung aufgenommen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Beschleunigungsmittel in eine zementartige Paste aufgenommen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Beschleunigungsmittel in einen zementartigen ungehärteten Formgegenstand aufgenommen wird.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Beschleunigungsmittel in einem zuvor ausgewählten Bereich des ungehärteten Formgegenstands aufgenommen wird, wobei das Beschleunigungsmittel in anderen Bereichen des ungehärteten Formgegenstands nicht vorhanden ist.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei der zuvor ausgewählte Bereich des ungehärteten Formgegenstands aus der Gruppe ausgewählt ist, bestehend aus einer äußeren Oberfläche, einer Ecke, einer inneren Oberfläche und Kombinationen davon.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Beschleunigungsmittel durch ein Verfahren, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Sprühen, Eintauchen, Gießen, Bürsten und Kombinationen davon, in den zuvor ausgewählten Bereich des ungehärteten Formgegenstands aufgenommen wird.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Kohlendioxid und das Trägermaterial die Zementhydratisierungsreaktionen in dem zuvor ausgewählten Bereich beschleunigen, was zu einer raschen Bildung einer teilweise gehärteten Zone in dem ungehärteten Formgegenstand führt.
Verfahren nach Anspruch 9, welches weiterhin das Härten des ungehärteten Formgegenstands im Autoklaven nach Bildung der teilweise gehärteten Zone umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei die stöchiometrische Menge an Kohlendioxid, das in dem Trägermaterial sequestriert ist, basierend auf der Menge an Calciumhydroxid in dem zuvor ausgewählten Bereich vorbestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Freisetzung des sequestrierten Kohlendioxids aus dem Trägermaterial durch eine Verfahrensbedingung, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Temperatur, Druck, pH-Wert und Kombinationen davon, kontrolliert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die ungehärtete zementartige Zusammensetzung für die Herstellung eines Baugegenstands ausgestaltet ist.
Baugegenstand, hergestellt gemäß einem der oben beanspruchten Verfahren.