DE69111073T2

DE69111073T2 - Homogene teer- und zement zusammensetzung und verfahren.

Info

Publication number: DE69111073T2
Application number: DE69111073T
Authority: DE
Inventors: John F Schneider; Kurt A Schneider
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1990-09-07
Filing date: 1991-08-29
Publication date: 1996-03-21
Anticipated expiration: 2011-08-30
Also published as: CZ35293A3; SK16693A3; EP0547160A4; PL298543A1; FI930928A; FI930928A0; DK0547160T3; ES2077246T3; DE69111073D1; NO930814L; CA2091169A1; JPH06500528A; EP0547160A1; BR9106820A; HU9300597D0; GR3017503T3; HUT68584A; BG97606A; NO930814D0; WO1992004292A1

Description

Gegenstand der Erfindung

Die vorliegende Erfindung ist auf verbesserte zementhaltige Mischungen gerichtet, die gegenüber bekannten Zementmischungen eine erhöhte Biege-, Zug- und Scherbindungsfestigkeit, eine erhöhte Verschleißfestigkeit, eine verringerte Permeabilität sowie eine verbesserte Verarbeitbarkeit aufweisen. Insbesondere ist die Erfindung auf zementhaltige Mischungen, die aus einer wasserhaltigen, ein Emulgatorsystem sowie eine Teerkomponente beinhaltenden Vormischungen hergestellt werden, und auf Verfahren zum Erzeugen geformter Gegenstände aus diesen Mischungen gerichtet. Vorzugsweise enthält die zur Herstellung der zementhaltigen Mischungen verwendete wasserhaltige Vormischung auch eine Restmenge an Natriumtripolyphosphat.

Hintergrund der Erfindung

Anorganische Zemente zeigen die charakteristischen Eigenschaften des Setzens und Aushärtens, wenn sie mit Wasser gemischt werden, um eine breiige Masse zu bilden. Sie sind in der Lage, starre Grundmassen zu zusammenhängenden Strukturen zu verbinden. Anorganische Zemente können nach der Art und Weise, in der sie sich setzen und aushärten, in hydraulische und nicht-hydraulische Arten unterschieden werden. Z. B. sind hydraulische Zemente in der Lage, sich an Luft sowie unter Wasser zu setzen und auszuhärten, wogegen nicht-hydrauiische Zemente nur in der Lage sind, an Luft auszuhärten. Vgl. hierzu Z. D. Jastrebski, The Nature and Properties of Engineering Materials, 2. Aufl., John Wiley & Sons, New York (1977), bei 356, dessen Offenbarung durch Bezugnahme Bestandteil dieser Beschreibung ist.
Der am weitesten verbreitete hydraulische Zement wird als Portland-Zement bezeichnet, welcher durch Erhitzen eines innigen Gemisches, das sich hauptsächlich aus kalk- und tonhaltigen Materialien oder anderen silizium-, aluminium- und eisenoxidhaltigen Materialien zusammensetzt, bei einer Kiinkertemperatur von ungefähr 1400 ºC erhalten wird. Das teilweise gesinterte als Klinker bezeichnete Material wird dann zu einem sehr feinen Pulver gemahien. Nach Mischen mit Wasser bildet sich eine aushärtende, amorphe Masse, die hauptsächlich aus Kalziumsilikathydraten (C-S-H) besteht, welche wie andere Gele ein Netzwerk an Kapillarporen und Gelporen aufweist. Die Gesamtporosität eines typisch aushärtenden Portland-Zementbreis beträgt ungefähr 30-40 Volumenprozent, wobei eine sehr breite Porengrößenverteilung mit Poren in einem Bereich von 10-0,002 um im Durchmesser vorhanden ist. Die Gelporosität, die sehr kleine Poren unter 0,01 um aufweist, beträgt ungefähr 26 %, wobei die verbleibende Porosität auf das Kapiliarnetzwerk zurückgeht. Vgl. Z. D. Jastrebski, a.a.O., bei 356-61.
Portland-Zementformulierungen können auch zusätzliche Additive enthalten. Z. B. werden geringe Mengen an Kalziumsulfat in der Form von Gips oder Anhydriten werden während des Mahlens der Rohmaterialien hinzugefügt, um die Setzzeit zu beinflussen und um die Festigkeitsentwicklung von Portland-Zement zu verbessern. Zementbreis sind manchmal mit flüssigen, organischen Monomeren oder flüssigem Schwefel imprägniert und polymerisiert, um polymerimprägnierten Beton herzustellen. Vgl. 5 Kirk-Othmer Encvclopedia of Chemical Technology. 3. Aufl., John Wiley & Sons, New York (1978) ab 163, dessen Offenbarung durch Bezugnahme Bestandteil dieser Beschreibung ist. Andere Additive beinhalten Wasserreduziermittel, Plastiziermittel, Luftporen- und Antischaumzusätze, Kieselfeinkies, Flugasche, Polymerlatexe und dgl.
In dem US-Patent Nr. 4,930,428 der Anmelder, dessen Offenbarung durch Bezugnahme Bestandteil dieser Beschreibung ist, wurde bereits früher eine hochfeste Betonmischung beschrieben, die aus mit ungefähr 0,5 bis 100 Teilen pro Million (ppm) reduziertem Natriumtripolyphosphat (STP) versetztem Wasser gebildet wurde. Überraschenderweise wurde eine Betonmischung aufgefunden, die eine höhere Festigkeit, Dichte und eine geringere Porosität als bekannte Betonmischungen zeigt. Diese Mischung weist eine deutliche Verbesserung über bekannten Beton auf. Wie bei dem bekannten Beton verbleiben jedoch einige nachteilige Eigenschaften.
Bekannter Beton ist nicht flexibel oder eiastisch. Wenn daher bekannter Beton Druck-, Biege-, Zug- und/oder Scherkräften ausgesetzt wird, bricht oder zerspringt er, nachdem er nur eine verhältnismäßig geringe Verformung durchgemacht hat. Weiterhin sind bekannte Betons verhältnismäßig permeabei sowie porös und transportieren sowie enthalten demzufolge einen hohen Grad an gefangener Feuchtigkeit.
Die Tendenz von bekanntem Beton, Feuchtigkeit aufzunehmen, kann spezielle Probleme in heißen oder kalten Klimazonen hervorrufen. Z. B. wird sich die im Beton gefangene Feuchtigkeit während einer Frosttemperaturperiode ausdehnen und Eiskristalle ausbilden, welche häufig den Beton zersprengen. Dieses Phänomen, das als Frostschaden bezeichnet wird, ist insbesondere in Gegenden weit verbreitet, in denen viele Frost-Tau-Zyklen auftreten. In derartigen Regionen ist die übliche Lebensdauer von bekanntem Beton häufig durch dieses Phänomen erheblich reduziert. In dem Bemühen, den Hang von bekanntem Beton, zu brechen oder zu zerspringen, zu überwinden, werden in diesen Klimazonen in dem bekannten Beton weiterhin Luftporen durch Hinzufügen von verschiedenen Additiven erzeugt, welche die gefangene Luft in der Mischung erhöhen.
Die verhältnismäßig hohe Permeabilität von bekanntem Beton begrenzt auch die Vielfältigkeit von Flugasche, welche den Mischungen hinzugefügt werden kann. Z. B. können nur sogenannte "saubere" Flugaschen, wie sie in kaltgefeuerten Kraftwerken zu finden ist, in bekannten Betonmischungen verwendet werden. Flugaschen, welche organische oder anorganische Verunreinigungen enthalten, wie sie bei der Verbrennung von Müll entstehen, können nicht verwendet werden, da solche Verunreinigungen eine Tendenz dazu haben, den bekannten Beton auszulaugen, wenn er Regen oder schmelzendem Schnee ausgesetzt wird.
Schließlich kann es schwierig sein, den bekannten Beton zu verarbeiten. Nach dem Gießen erfordert bekannter Beton häufig erhebliche Abzieh- und Glättungsarbeiten, um eine gleichmäßige, brauchbare Oberfläche zu erhalten. Weiterhin erschwert die Neigung von bekannten Betons, Wasser an der Oberfläche der Masse "auszuschwitzen", häufig die Fähigkeit, eine glatte Oberfläche zu erzeugen. Wenn tatsächlich die Oberfläche des Betons zu ausgiebig geglättet wird, wird er zu einer losen, pulverförmigen Masse trocknen, welche ersetzt werden muß.
Es besteht daher ein Bedarf für zementhaltige Mischungen, die eine erheblich größere Biege-, Zug- und Scherbindungsfestigkeit sowie verringerte Permeabilität zeigen und die eine verbesserte Verarbeitbarkeit gegenüber den bisher verfügbaren Zementmischungen ermöglichen.
Es besteht auch ein Bedarf für Verfahren zum Verbessern der Biege-, Zugund Scherbindungsfestigkeit sowie anderen gewünschten Eigenschaften von zementhaltigen Mischungen sowie für Gegenstände, die aus diesen Mischungen hergestellt werden.
Es ist demgemäß eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, zementhaltige Mischungen zu schaffen, welche eine deutlich größere Widerstandsfähigkeit gegenüber Biegung, Zug und Scherung sowie eine geringere Permeabilität aufweisen und welche eine verbesserte Verarbeitbarkeit gegenüber bereits früher bekannten Zementmischungen zeigen. Es ist weiterhin eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, auch zementhaltige Mischungen zu schaffen, welche durch die bevorzugte Hinzufügung von Natriumtripolyphosphat auch viele der vorteilhaften Eigenschaften zeigen, die in dem US-Patent Nr. 4,930,428 der Anmelder beschrieben sind.
Es ist weiterhin eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine wasserhaltige Vormischung zur Verwendung bei der Verbesserung der Biege-, Zug- und Scherbindungsfestigkeit sowie anderer gewünschter Eigenschaften von zementhaltigen Mischungen zu schaffen.
Schließlich ist es auch eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Herstellen geformter Gegenstände aus den vorstehend genannten Mischungen zu schaffen.

Zusammenfassung der Erfindung

Die vorstehenden Aufgaben werden durch eine zementhaltige Mischung gelöst, die aus einer Mischung der nachstehend aufgeführten Bestandteile gebildet ist: Ungefähr O bis ungefähr 85 Gewichtsprozent Zuschlag, ungefähr 7 bis ungefähr 90 Gewichtsprozent Trockenzement, ungefähr 3 bis ungefähr 10 Gewichtsprozent wasserhaltige Vormischung und ungefähr 0 bis ungefähr 50 Gewichtsprozent Flugasche, wobei die Gewichtsprozente auf das Gesamtgewicht der Mischung bezogen werden und wobei das Verhältnis der wasserhaltigen Vormischung zu den trockenen, zementhaltigen Materialien (d.h. Trockenzement und Flugasche) ausreicht, um eine gießbare Mischung zu erhalten. Die wasserhaltige Vormischunb ist eine hoch dispergierte Mischung aus Wasser, einem Emulgatorsystem und einer Teerkomponente, wobei die Teerkomponente ungefähr 0,1 bis 25 Gewichtsprozent der wasserhaltigen Vormischung darstellt. Vorzugsweise beinhaltet die wasserhaltige Vormischung zusätzlich ungefähr 0,5 bis ungefähr 1 80 Teile pro Million (parts per million) an rückständigem Natriumtripolyphosphat.
Die vorliegende Erfindung ist des weiteren auf eine wasserhaltige Vormischung für Beton gerichtet, die aus einer Mischung der folgenden Bestandteile gebildet ist: Ungefähr 0,05 bis ungefähr 1 5 Gewichtsprozent eines Emulgatorsystems, ungefähr 0,1 bis ungefähr 25 Gewichtsprozent einer Teerkomponente und ungefähr 65 bis ungefähr 99 Gewichtsprozent Wasser, wobei die Gewichtsprozente der Bestandteile auf das Gesamtgewicht der Vormischung bezogen sind. Vorzugsweise beinhaltet die Vormischung zusätzlich den vorstehend erwähnten Anteil an rückständigem Natriumtripolyphosphat.
Die Vormischung bildet eine im wesentlichen einheitlich verteilte Dispersion der Teerkomponente in Wasser. Vorzugsweise hat sie eine kolloidale Dimension. Insbesondere vorzugsweise ist sie im wesentlichen stabil gegenüber einem Einsinken, einer Absonderung oder anderen Vorgängen, die zu einer nicht dispergierten Mischung führen.
Weiterhin ist die vorliegende Erfindung auch auf ein Verfahren bzw. einen Prozeß zur Herstellung eines zementhaltigen, geformten Gegenstandes gerichtet. Der Prozeß enthält den Schritt des Mischens von Wasser mit dem Emulgatorsystem und der Teerkomponente in den vorstehend erwähnten, geeigneten Anteilen, um eine wasserhaltige Vormischung zu bilden; den Schritt des Erzeugens einer fluiden, zementhaltigen Mischung durch Mischen der wasserhaltigen Vormischung mit Zuschlag, Trockenzement und ggf. Flugasche; den Schritt des Gießens der fluiden, zementhaltigen Mischung in ein Gefäß; und den Schritt des Aushärtens der Mischung zu einem zementhaltigen, geformten Gegenstand bzw. Formgegenstand. Vorzugsweise wird der Prozeß zur Herstellung zementhaltiger Formgegenstände zusätzlich das Einmischen von Natriumtripolyphosphat in die wasserhaltige Vormischung aufweisen, so daß das Wasser weicher wird, und der vorstehend erwähnte Restanteil an Natriumtripolyphosphat in der wasserhaitigen Vormischung verbleibt.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist darin zu sehen, daß ein Prozeß bzw. Verfahren zur Steigerung der Biege-, Zug- und Scherbindungsfestigkeit einer Zementmischung bei Verringerung deren Permeabilität geschaffen wird. Der Prozeß beinhaltet den Schritt des Bildens der Zementmischung aus einer Kombination von trockenen, zementhaltigen Bestandteilen und der wasserhaltigen Vormischung, die das Emulgatorsystem und die Teerkomponente in den vorstehend erwähnten Anteilen enthält. Es ist weiterhin bevorzugt, daß die wasserhaltige Vormischung weiter einen geeigneten Anteil an rückständigem Natriumtripolyphosphat enthält, wie dies vorstehend erwähnt wurde.
Schließlich schafft die vorliegende Erfindung auch einen geformten Gegenstand bzw. einen Formgegenstand, der durch einen Prozeß bzw. ein Verfahren hergestellt wird, der bzw. das die folgenden Schritte enthält: Mischen von Wasser mit dem Emulgatorsystem und der Teerkomponente, um die wasserhaltige Vormischung in den vorstehend erwähnten, geeigneten Anteilen zu bilden; Erzeugen einer fluiden, zementhaltigen Mischung durch Mischen der wasserhaltigen Vormischung mit dem Zuschlag, Trockenzement und Flugasche in den vorstehend erwähnten, geeigneten Anteilen; und Gießen der fluiden, zementhaltigen Mischung in ein Gefäß so daß die Mischung zu einem Formgegenstand aushärtet. Wie bei den vorstehend genannten Ausführungsformen beinhaltet die wasserhaltige Vormischung weiterhin vorzugsweise einen vorstehend erwähnten, geeigneten Anteil an rückständigem Natriumtripolyphosphat.
Vorteilhafterweise zeigen die Prozesse, die zementhaltigen Mischungen sowie die hieraus gebildeten Formgegenstände gemäß der vorliegenden Erfindung überraschenderweise eine gesteigerte Biege-, Zug- und Scherbindungsfestigkeit, eine gesteigerte Strapazierfähigkeit, eine verringerte Permeabilität sowie eine verbesserte Verarbeitbarkeit gegenüber Zementmischungen oder Betons, die keine emulgierte Teerkomponente sowie keinen Restbetrag an vorzugsweise vorgesehenem Natriumtripolyphosphat beinhalten.

Ausführliche Beschreibung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung schafft eine zementhaltige Mischung, die aus einem Gemisch aus Trockenzement, Zuschlag, ggf. Flugasche sowie einer Teerkomponente in einer wasserhaltigen Lösung (wasserhaltige Vormischung) hergestellt wird. In einer bevorzugten Ausführungsform enthält die wasserhaltige Vormischung auch einen Restbetrag an Natriumtripolyphosphat (STP). Insbesondere ist die vorliegende zementhaltige Mischung aus einer Kombination von Bestandteilen gebildet, die ungefähr 0 - 85 Gewichtsprozent Zuschlag, ungefähr 7 - 90 Gewichtsprozent Trockenzement, ungefähr 3 - 10 Gewichtsprozent einer wasserhaltigen Vormischung sowie ungefähr 0 - 50 Prozent Flugasche enthält. Vorzugsweise enthält die Kombination an Bestandteilen ungefähr 30 - 85 Gewichtsprozent Zuschlag, ungefähr 7 - 70 Gewichtsprozent Trockenzement, ungefähr 4 - 8 Gewichtsprozent wasserhaltige Vormischung sowie ungefähr 1 - 30 Gewichtsprozent Flugasche. In einer weiter bevorzugten Ausführungsform weist die Kombination an Bestandteilen ungefähr 70 - 82 Gewichtsprozent Zuschlag, ungefähr 9 - 25 Gewichtsprozent Trockenzement, ungefähr 5 - 9 Gewichtsprozent wasserhaltige Vormischung sowie ungefähr 1 - 4 Gewichtsprozent Flugasche auf. Eine insbesondere bevorzugte Kombination an Bestandteilen enthält ungefähr 75 - 80 Gewichtsprozent Zuschlag, ungefähr 10 - 15 Gewichtsprozent Trockenzement, ungefähr 6 - 8 Gewichtsprozent wasserhaltige Vormischung sowie ungefähr 2 - 3 Gewichtsprozent Flugasche.
Die "wasserhaltige Vormischung" wird zunächst durch Hinzufügen eines Emulgatorsystems und anschließend durch Hinzufügen der Teerkomponente zu dem Wasser, welches mit den trockenen, zementhaltigen Bestandteilen der Mischung, d.h. dem Zuschlag, dem Trockenzement und ggf. der Flugasche zu mischen ist, hergestellt. Vorzugsweise macht die Teerkomponente ungefähr 0,1 - 25 Gewichtsprozent der wasserhaltigen Vormischung, in einer noch mehr bevorzugten Ausführungsform ungefähr 5 - 12,5 Gewichtsprozent der wasserhaltigen Vormischung, und in einer am meisten bevorzugten Ausführungsform ungefähr 7 - 9 Gewichtsprozent der wasserhaltigen Vormischungskomponente der vorliegenden Erfindung aus. Ausgedrückt in Gewichtsprozent der Gesamtmischung beträgt die Teerkomponente ungefähr 0,01 - 1 ,7 Gewichtsprozent, vorzugsweise ungefähr 0,3 - 0,8 Gewichtsprozent und in einer am meisten bevorzugten Ausführungsform von ungefähr 0,6 - 0,7 Gewichtsprozent des Gesamtgewichts der Mischung.
Das Emulgatorsystem beinhaltet eine oder mehrere Primäremulgiermittel, oberfiächenaktive Mittel oder Dispersionsmittel sowie ggf. zweite Mittel in Beträgen, die ausreichen, eine im wesentlichen einheitliche, extrem feine makromolekulare Dispersion der Teerkomponente in dem Wasser zu erhalten. Vorzugsweise bildet das Emulgatorsystem ungefähr 0,05 bis ungefähr 15 Gewichtsprozent, in einer weiter bevorzugten Ausführungsform ungefähr 0, 1 bis ungefähr 12 Gewichtsprozent und in einer am meisten bevorzugten Ausführungsform ungefähr 1 bis ungefähr 10 Gewichtsprozent bezogen auf das Gewicht der Vormischung.
Weiterhin wird die wasserhaltige Vormischung, die in der vorliegenden Erfindung verwendet wird, auch vorzugsweise einen Überschuß an STP über dem Betrag beinhalten, der wirksam ist, um das mit der Teerkomponente, dem Emulgatorsystem und den trockenen, zementhaltigen Bestandteilen der Mischung zu mischendem Wasser weich zu machen. Die Hinzufügung eines Überschusses an STP erzeugt eine wasserhaltige Vormischung, die einen Restbetrag an STP, vorzugsweise bei ungefähr 0,5 - 180 Teile pro Million (ppm) aufweist. In einer weiter bevorzugten Ausführungsform wird die wasserhaltige Vormischung ungefähr 15 - 22 ppm an rückständigem STP beinhalten und in einer am meisten bevorzugten Ausführungsform ungefähr 18 - 21 ppm an rückständigem STP enthalten.
Natriumtripolyphosphat (Na&sub5;P&sub3;O&sub1;&sub0;), ein weit verbreitetes Wasserweichmachermittel, ist das Natriummetallsalz eines Anions mit der allgemeinen Formel [PnO3n+1]n+2 mit n = 3. Natriumtripolyphosphat (STP) ist ein Linearpolyphosphat, welches durch die Molekulardehydration von Monound Dinatriumphosphaten erhalten werden kann. Vgl. The Merck Index, 10. Aufl., M. Windholz u.a., Herausg., Merck & Co. (1983) bei Eintragung 8544, dessen Offenbarung durch Bezugnahme Bestandteil dieser Beschreibung ist. Für die Zwecke dieser Erfindung ist es wünschenswert, diese Polymerform von STP mit der wasserhaltigen Vormischung vor Hinzufügung der Teerkomponente, dem Emulgatorsystem und den trockenen Bestandteilen zu kombinieren.
In der hier verwendeten Art kann die Teerkomponente jede Kombination einer Variante von bituminösen Materialien sein, welche aus einer Mischung von verschiedenen vielkernigen aromatischen Verbindungen gebildet sind, wie sie in American Society for Testing and Materials (ASTM) Standard D8-89 definiert sind, dessen Offenbarung durch Bezugnahme Bestandteil dieser Beschreibung ist. Geeignete bituminöse Materialien, welche für die Formulierung der wasserhaltigen Vormischung verwendet werden können, enthalten, ohne daß dies als Beschränkung zu verstehen ist, Petroleumasphalt, der aus Raffinierungsprozessen gewonnen wird (d.h. destillationsreduzierter Asphalt (straight reduced asphalt), thermisch gekrackter Asphalt, luftgeblasener Asphalt mit Propan ausgefäilter Asphalt), Naturasphalt mit verschiedenen Mineralbestandteilen (d.h. Gilsonit, Graphamit, Glanzpech, Bermudezund Trinidad-Ablagerungen (Bermudez and Trinidad deposits)), Schwerölkautschuk bzw. -gummi, der Bitumen beinhaltet (d.h. Gummi bzw. Kautschuk, der in irgendeiner der vorhandenen bituminösen Materialien dispergiert ist), Harz, das Bitumen beinhaltet (d.h. Harz, welches in irgendeinem der vorhandenen bituminösen Materiaiien dispergiert ist), Kohlenteere, Ölteere, Pech, Tallölpech und andere pyrogene Teerdestillate sowie verbundene Derivate aus Wassergas, Holz, Torf, Knochen, Schiefer, Harz und fettsäurige Teere. Weiterhin ist zu bemerken, daß jede Quelle an polynuklearen aromatischen Komponenten, ob natürlich oder synthetisch, als innerhalb des Geistes der hier beschriebenen Erfindung liegend angesehen wird. Beispiele sind Polybiphenyle, kondensierte Anthracenverbindungen, Phenanthracenverbindungen, benzosubstituiertes Naphthalin, Acenaphthen und ähnliche polyaromatische Flüssigkeiten, viskose Flüssigkeiten oder feste Verbindungen.
Insbesondere bevorzugte bituminöse Materialien gemäß der vorliegenden Erfindung sind Kohlenteere und ihre Derivate, welche dickflüssige schwarze bis braune Flüssigkeiten sind, die aus der Entgasung von bituminöser Kohle bei Temperaturen im Bereich zwischen 450 - 1200 ºC gewonnen werden. Für eine weitergehende Diskussion der Herstellung und Mischung von Kohlenteer vgl. 19 Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology, 653- 682 (2. Aufl. 1969), dessen Offenbarung durch Bezugnahme Bestandteil der vorliegenden Beschreibung ist.
Das Emulgatorsystem der wasserhaltigen Vormischung gemäß der vorliegenden Erfindung beinhaltet eine ausreichende Menge eines Primäremulgiermittels, eines oberflächenwirksamen Mittels oder eines Dispersiermittels, um die bituminösen Materialien in dem Wasser der wasserhaltigen Vormischungskomponente zu dispergieren, so daß eine "Öl-in-Wasser-artige Emulsion" erzeugt wird. Im allgemeinen können Primäremulgiermittel, die mit den bituminösen Materialien verwendet werden, ein oder mehrere anionische, kationische oder nicht-ionische oberflächenaktive Mittel sein, welche als eine Gesamtmischung mit den vorstehend erwähnten Anteilen dem Emulgiersystem beigegeben bzw. hinzugefügt werden. Weiterhin können Sekundärmittel, die verschiedene Tone, wie Bentonit, Montmorillonite, Illit, Atapulgit, Fullererde, Diatomit, Kaolin und Zeolith wahlweise der Vormischung zugesetzt sein, um als Scher-, Quell-, Dispergier- und Emulgiermittel zu dienen. Die Gewichtsprozente des Tons bezogen auf das Gewicht der Vormischung wird von ungefähr 0 bis 80 Prozent, vorzugsweise von ungefähr 10 bis 40 Prozent reichen und insbesondere vorzugsweise ungefähr 25 Prozent betragen, wobei diese Gewichtsprozente zusätzlich zu den Gewichtsprozenten von 0,01 bis 25 Prozent, die für das Primäremulgiermittel, das oberflächenwirksame Mittel oder das Dispergiermittel vorgesehen sind, hinzukommen. Säuren, Alkali, Salze, höhere Fettsäuren, Schutzkolloide oder dgl. in geeigneten funktionalen Beträgen bezogen auf den Betrag des Primäremulgierers können auch verwendet werden, um bituminöse Materialien in Wasser in Verbindung mit den Primäremulgierern zu emulgieren. Im allgemeinen wird eine Säure zunächst mit katonischen und/oder nicht-ionischen, oberflächenaktiven Mitteln verwendet; ein Alkali wird zunächst mit anionischen und/oder nicht-ionischen, oberflächenaktiven Mitteln verwendet; Salze können mit allen Klassen von oberflächenaktiven Mitteln verwendet werden. Weiterhin können die höheren Fettsäuren zu der Emulgierung der bituminösen Materialien beitragen.
Beispiele für kationische Emulgiermittel beinhalten hauptsächlich höhere Alkalialkylalkylenpolyamine, höhere Alkylamine, höhere Alkylpolyaminoethylenimidazoline, die polyethoxylierten oder polyaminoimidazolierten Derivate dieser Verbindungen und die Säuresalze sowie quaternären Ammoniumsalze der vorstehend erwähnten Polyaminverbindungen.
Kationische Emulgiermittel können ebenso in Verbindung mit einem nichtionischen Emulgiermittel verwendet werden. Weiterhin können Säuren, wie Salzsäure, Sulfonsäure, Essigsäure und dgl. sowie wasserlösliche Salze, wie die Halogenide der Alkalimetalle und der Erdalkalimetalle und dgl. in Verbindung mit diesen kationischen Emuigierern verwendet werden. Weiterhin können auch Schutzkolloide, wie Methylcellulose, Hydroxyethylcellulose, Polyvinylalkohol, Gelatine, ein Salz eines Ligninamins, ein Polyoxyetherpolypropyienglykolether oder dgl. verwendet werden.
Beispiele für typische anionische Emulgiermittel sind Alkalisalze des Kaseins, Fettsäureseifen, Alkalisalze von Schwefelsäureestern eines höheren Alkohols, Natriumalkylbenzolsulphonate, Natriumalkylnaphthalinsulphonate, Polyoxyethylensulphonate, Polyoxypropylensulphonate, die gemischten Polymere davon, das Di- und Trisulphonatderivat davon und ähnliche carboxy- oder sulfonoxyfunktionalisierte Fettverbindungen. Alkali, wie NaOH, KOH, NH&sub4;OH und wasserlösliche Salze eines Alkalimetalls können in Verbindung mit den vorstehend erwähnten anionischen Emulgiermitteln verwendet werden.
Beispiele für nicht-ionische Emulgiermittel sind Polyoxyethylenether höherer Alkohole, Polyoxyethylenalkylphenylether, Polyoxyethylenfettsäureester, Polyoxyethylenalkylether, Glycerinfettsäureester, Propylenglykolfettsäureester, Sorbitanfettsäureester, Polyoxyethylensorbitanfettsäureester, Polyoxyethylen/Oxypropylen-Blockpolymere und dergleichen. Weiterhin können die gleichen Säuren, Alkali, Salze oder Schutzkolloide, wie bei den kationischen oder anionischen Emulsionen verwendet werden, mit einer nicht ionischen Emulsion verwendet werden. Beispiele für Schutzkolloide, welche mit nicht ionischen Emulgiermitteln verwendet werden können, sind Carboxymethylcellulose, Methylcellulose, Hydroxyethylcellulose, Polyvinylalkohol, Ligninsulphonate, Polyoxyethylenpolypropylenglykolether und dergleichen.
Bevorzugte Emulgiermittel der bevorzugten bituminösen Kohlenteermateria- lien gemäß der vorliegenden Erfindung sind die anionischen Tenside oder Emulgiermittel wie die mono-, di- oder trisulphonierten Fettsäuren oder Alkohole ebenso wie die mono-, di- und trisulphonierten Polyethoxy-, Polypropoxy- und gemischten Polymerverbindungen. Besonders bevorzugt davon sind dianionische Emulgieremittel, entweder alleine oder in Kombination mit weniger als einem Hauptanteil der vorstehend erwähnten nichtionischen Polyethoxy-, Polypropyl- und Polyethoxypropylalkohole und -ester.
Zusätzlich zu der Teerkomponente, dem Emulgatorsystem und Wasser kann die wasserhaltige Vormischung gemäß der vorliegenden Erfindung auch andere Zusätze enthalten. Zum Beispiel kann die Teerkomponente auch kleinere Mengen an Acrylnitril, Divenyl oder Styrolcopolymere oder andere Gummiermittel, ebenso wie verschiedene Benetzungs-, Pigemtierungs- und Setzmitteln enthalten.
Eine besondere Ausführungsform der Kombination der Teerkomponente und der Primär- sowie Sekundäremulgiermittel, die in der Vormischung der vorliegenden Erfindung verwendet werden, ist kommerziell in der Form von Fahrweg -, Gehweg - und Dachabdichtkompositionen erhältlich. Z. B. sind Steinkohlenteerpechemulsionen kommerziell aus einer breiten Vielzahl an Quellen verfügbar, die, ohne daß dies als Beschränkung zu verstehen ist, Koch lndustries, Inc. of Wichita, Kansas, American Stone-Mix, Inc. of Baltimore, Maryland, The Brewer Company of Cincinnati, Ohio and Seal Master Corporation of Kent, Ohio umfassen. Es wird weiterhin ohne weiteres ersichtlich, daß andere, kommerziell verfügbare bituminöse Emulsionen, welche ebenso für Fahrweg-, Gehweg- oder Dachabdichtungen verwendet werden, als Teerkomponente in der zementhaltigen Mischung der vorliegenden Erfindung verwendet werden können.
Wenn kommerziell verfügbare Kohlenteeremulsionen verwendet werden, um die wasserhaltige Vormischung, die in der Mischung gemäß der vorliegenden Erfindung eingesetzt wird, zu erzeugen, ist es bevorzugt, daß eine Emulsion verwendet wird, die von ungefähr 20 - 80 Festkörpergewichtsprozenten, vorzugsweise 40 - 70 Festkörpergewichtsprozente reicht und weiter vorzugsweise ungefähr 50 Festkörpergewichtsprozente aufweist. Die Festkörperkomponenten dieser kommerziellen Emulsionen beinhalten typischerweise in ungefähr gleichen Anteilen Teerpechfestkörper und verschiedene Tonpartikel, welche Aluminiumsilikate sind. Daher sind von ungefähr 20 - 80 Gewichtsprozent und vorzugsweise 50 Gewichtsprozent der kommerziellen Kohlenteeremulsionen Wasser.
Bei der Verwendung einer kommerziellen Kohlenteeremulsion, um die wasserhaltige Vormischungskomponente der Erfindung zuzubereiten, wird es bevorzugt, daß annähernd 50 Gewichtsprozent der kommerziellen Emulsion Wasser ist und 50 Gewichtsprozent die Festkörperkomponenten beinhalten, wobei nur 50 Gewichtsprozent dieser Festkörper die bevorzugte Kohlenteerkomponente ist und die anderen Festkörperkomponenten zunächst aus verschiedenen Tonen gebildet sind. Demgemäß wird es weiterhin ohne weiteres ersichtlich, daß geeignete Einstellungen in den Formulierungen der zementhaltigen Mischungen der vorliegenden Erfindung vorgenommen werden müssen, um sicherzustellen, daß die bevorzugten Mengen an Wasser und Teerkomponente darin enthalten sind. Im Gegensatz zu einem konzentriertem, emulgiertem Kohlenteer wird z. B. das Volumen des Wasser, welches in der kommerziellen Kohlenteeremulsion bereits vorhanden ist, annähernd berücksichtigt, wenn das Gesamtvolumen des Wassers, welches notwendig ist, um die wasserhaltige Vormischungskomponente der vorliegenden Erfindung zu bilden, berechnet wird.
Der "Trockenzement" der vorliegenden Erfindung ist das übliche, trockene, pulverförmige, zementhaltige Startmaterial oder die "Trockenmischung", welche üblicherweise mit Wasser gemischt wird, um einen Zementbrei zu bilden. Die vorliegende Mischung beinhaltet ungefähr 7 - 90 Gewichtsprozent vorzugsweise ungefähr 9 - 15 Gewichtsprozent an Trockenzement. In einem Ausführungsbeispiel beträgt das Verhältnis von Trockenzement zu der wasserhaltigen Vormischung ungefähr 4:1 bis ungefähr 1:1, vorzugsweise ungefähr 2:1 bis ungefähr 1,5:1 unter Bedingungen, die so eingestellt sind, daß die Mengen an Trockenzement und verbleibenden Bestandteilen ausreichen, um die Schlammflußeigenschaften zu schaffen, die geeignet sind, eine gießbare Mischung zu bilden.
Der Trockenzement, der mit der wasserhaltigen Vormischung zu mischen ist, ist vorzugsweise von der Art, die als Portland-Zement bekannt ist, kann jedoch jeden bekannten Trockenzement enthalten, inklusive der in American Society for Testing and Materials (ASTM) Standard C-150 definierten, deren Offenbarung durch Bezugnahme Bestandteil dieser Beschreibung ist. Während jeder der kommerziell verfügbaren Portland-Zemente üblicherweise verwendet werden können, ist eine bevorzugte chemische Zusammensetzung eines trockenen Portland-Zements, die in der vorliegenden hochfesten Zementzusammensetzung verwendbar ist, die Typ-I-Mischung an Portland-Zement, die in der nachstehenden Tabelle 1 gezeigt ist: Tabelle 1 - trockene Portland-Zementmischung Bestandteil angenäherte Gewichtsprozente Tricalciumsilikat (3CaO SiO&sub2;): Dicalciumsilikat (2CaO SiO&sub2;) Tricalciumaluminat (3CaO Al&sub2;O&sub3;) Tetracalciumaluminoferrit (4CaO Al&sub2;O&sub3; Fe&sub2;O&sub3;): Calciumsulfat (CaSO&sub4;): Calciumoxid (freies CaO): Magnesiumoxid (freies MgO): Glühverlust
Der "Zuschlag" ist jede Kombination aus reinen, aus Partikeln bestehenden natürlichen Mineralien, wie Schotter, Sand oder dgl., wobei er aber keinen erheblichen Betrag an Verunreinigungen oder Schmutz enthält. Weiterhin kann der "Zuschlag" künstlich hergestellte Bestandteile, wie Gummi- bzw. Kautschukpulver, Glasperlen, Mikroballons, Harzschäume, Plastikpartikel, Fiberglas oder verschiedenen Metallformen enthalten.
Die ''Flugasche" ist das in Partikeln vorliegende, nicht brennbare Nebenprodukt aus verschiedenen Verbrennungsprozessen, die, ohne daß dies als Beschränkung zu verstehen ist, die Verbrennung von Kohle, Benzin oder anderen brennbaren Materialien umfassen. Das Hinzufügen von Flugasche zu dem trockenen Zement und dem Zuschlag ist in der vorliegenden Erfindung optional.
Eine insbesonders bevorzugte Formulierung der vorliegenden Zusammensetzung bzw. Mischung ist aus einer Kombination von Bestandteilen gebildet, die ungefähr 1364 - 1409 kg (3000 - 3100 pounds) an Zuschlag, ungefähr 205 - 250 kg (450 - 550 pounds) an trockenem "Portland"-Zement, ungefähr 36 - 50 kg (80 - 110 pounds) an Flugasche und ungefähr 109 - 118 kg (240 - 260 pounds) an Wasser, welches mit dem Teerbestandteil versetzt ist, der ungefähr 5 - 8 Gewichtsprozent der wasserhaltigen Vormischung ausmacht, enthält. Weiterhin sollte das Wasser, das zur Bildung der wasserhaltigen Vormischung verwendet wird, vorzugsweise mit Natriumtripolyphosphat (STP) versetzt sein, um ungefähr 5 bis 50, insbesondere 1 8 - 21 Teile pro Million (parts per million) an rückständigem STP zurückzubehalten.
Die vorliegende Mischung kann auch als eine gießbare, zementhaltige Zusammensetzung gemischt werden. Diese Zusammensetzung beinhaltet im allgemeinen mehr trockenen Portland-Zement als die üblicherweise zum Gießen verwendeten Zusammensetzungen und wird kommerziell z. B. zum Herstellen von Düker verwendet. Wenn eine Gießmischung aus einer wasserhaltigen Vormischung gemäß der vorliegenden Erfindung erzeugt wird, wird davon ausgegangen, daß die benötigte Menge an trockenem Portland- Zement geringer als die üblicherweise verwendete Menge ist. Wenn eine typische Menge (d.h. ungefähr 9 bis 30 Gewichtsprozent) an trockenem Portland-Zement in Kombination mit der wasserhaltigen Vormischung verwendet wird, wird die hieraus resultierende Mischung für ein Gießen zu dick. Daher kann eine wirksame hochbiegefeste, gießbare sowie zementhaltige Mischung gemäß der vorliegenden Erfindung durch Verwendung von ungefähr 8 - 20 Gewichtsprozent trockenem Portland-Zement, ungefähr 15 - 20 Gewichtsprozent wasserhaltige Vormischung, ungefähr 0 - 85 Gewichtsprozent Zuschlag und gegebenenfalls ungefähr O - 50 Gewichtsprozent Flugasche gebildet werden.
Die Art und Weise, in welcher die wasserhaltige Vormischung die makromolekulare Struktur der zementhaltigen Zusammensetzung verändert, um die Biege- und Zugfestigkeit gegenüber einfachem Beton zu steigern, ist nicht bekannt. Verschiedene Theorien können dieses Phänomen jedoch erläutern, wobei sie aber nicht als Einschränkung oder Parameter der vorliegenden Erfindung verstanden werden sollen. In Anbetracht der Tatsache, daß der apolare, organische Teerbestandteil und die elektrostatisch interaktive, anorganische, komplex-salzige, sowie zementhaltige Komponente unvermischbar sind, wird davon ausgegangen, daß die Wirkung des Emulgatorsystems und der bevorzugten STP eine hochdispergierte, amorphe Teerkomponente innerhalb des größeren Anteils der halbkristallinen, zementhaltigen Komponente erzeugt. Die Teerdispersion weist kollodiale oder makrokollodiale Dimensionen auf, so daß sich die resultierende Struktur aus hochdispergierten makromolekularen Bereichen der Teerkomponente über die netzartige, halbkristalline Matrix des calciumaluminiumsilikatigen, zementhaltigen Komponente zusammensetzt. Die Bereiche elastizieren die Fehler der Matrix, so daß mechanische und thermische Beanspruchungen an der Matrix durch das "Geben" der organischen Bereiche dissipiert werden. Es ist ebenso möglich, daß die pi-Elektronenorbitale der polyaromatischen Bestandteile in dem Teerbereich als induzierte Dipole mit den elektrostatischen Ladungen der anorganischen Matrix zusammenwirken. Das Emulgatorsystem und insbesondere das STP kann diese dipolare Interaktion erleichtern. Das Ergebnis ist ein Umbau der Matrixfehler, so daß eine mechanische und thermische Beanspruchung dissipiert wird, wie dies vorstehend erwähnt wurde.
Die vorliegende Erfindung sieht auch einen Prozeß zur Herstellung eines Formgegenstandes vor. Der Anfangsschritt in diesem Prozeß beinhaltet das Versetzen des Wassers mit dem Emulgatorsystem und anschließend mit dem Teerbestandteil. Der Anteil des Emulgatorsystems beträgt ungefähr 0,05 bis ungefähr 1 5 Gewichtsprozent, vorzugsweise ungefähr 0,1 bis ungefähr 12 Gewichtsprozent und in einer am meisten bevorzugten Ausführungsform ungefähr 1 bis ungefähr 10 Gewichtsprozent bezogen auf das Gewicht der Vormischung. Der Anteil der Teerkomponente findet sich in einem Bereich von ungefähr 0,1 - 25 Gewichtsprozent, vorzugsweise in einem Bereich von 5 - 12,5 Gewichtsprozent und in einer am meisten bevorzugten Ausführungsform in einem Bereich von ungefähr 7 - 9 Gewichtsprozent der wasserhaltigen Vormischung. Vorzugsweise sollte das Wasser zusätzlich mit einem Überschußbetrag an Natriumtripolyphosphat (STP) versetzt werden. Der "Überschußbetrag" reicht aus, um eine rückständige Menge an STP in dem Wasser zusätzlich zu der Menge, die das Wasser durch Aufschluß der darin enthaltenen Metallsalze erweicht, zu schaffen. Diese rückständige Menge an STP kann ungefähr in einem Bereich von 0,5 - 180 Teile pro Million (ppm) der wasserhaltigen Vormischung, vorzugsweise in einem Bereich von ungefähr 5 - 50 ppm, weiter vorzugsweise in einem Bereich von ungefähr 15 - 22 ppm und in einer am meisten bevorzugten Ausführungsform in einem Bereich von ungefähr 15 - 21 ppm liegen. Jedoch sollten Überschußbeträge von ungefähr 180 bis 250 ppm an rückständigem STP vermieden werden. Es wird davon ausgegangen, daß diese höheren Mengen an STP beginnen, andere Reaktionen in der zementhaltigen Mischung zu verursachen, welche zu ihrem eventuellen Zusammenbruch oder Entmischung führen kann.
Nach Hinzufügen der Teerkomponente, des Emulgatorsystems und vorzugsweise von STP wird die wasserhaltige Vormischung mit trockenen, zementhaltigen Bestandteilen, welche Trockenzement, Zuschlag und gegebenenfalls Flugasche umfassen, gemischt, um eine fluide, zementhaltige Mischung oder einen solchen Brei zu bilden. Das Mischen kann mit jedem Mittel und für jede Zeitdauer durchgeführt werden, die zu der Bildung einer gleichmäßig gemischten, homogenen Mischung führt. Jedoch wird sie in überwiegender Weise mittels einer Anordnung, die eine drehende Trommel umfaßt, wie einen industriellen Zementmischer, durchgeführt. Die typische Mischzeit für eine 1818 kg (4000 pound) Partie an Zement beträgt ungefähr 90 Sekunden, wenn der Beton in einer Abmeßanlage gemischt wird, und ungefähr 9 Minuten, wenn das Mischen in einem Lastkraftwagen, der eine drehende Trommel aufweist, durchgeführt wird.
Wenn das STP zu der wasserhaltigen Vormischung, die die Teerkomponente und das Emulgatorsystem beinhaltet, hinzugefügt wird, muß die wasserhaltige Vormischung mit dem Trockenzement, dem Zuschlag und gegebenenfalls der Flugasche innerhalb einer Zeitperiode gemischt werden, die ausreicht, um eine deutliche Verringerung der Biege-, Zug- und Scherbindungsfestigkeitssteigerung und andere günstiger Wirkungen des STP in der wasserhaltigen Vormischung zu verhindern. Vorzugsweise wird die wasserhaltige Vormischung mit dem Trockenzement, dem Zuschlag und gegebenenfalls der Flugasche innerhalb von ungefähr vier Tagen von der Hinzufügung des STP zu dem Wasser an gemischt.
Obwohl die Gründe für die Abnahme in der Biege-, Zug- und Scherbindungsfestigkeitssteigerung sowie anderer positiver Wirkungen nach dem Verstreichen dieser wirksamen Zeitperiode nicht bekannt sind, kann eine mögliche Erklärung darin zu finden sein, daß nach dieser Zeitperiode das STP beginnt, eine Hydrolysereaktion in Gang zu setzen und in seine Mono- und Dinatriumvorläufer zu zerfallen. Alternativ kann das STP eine Polymerisationsreaktion oder Stukturumlagerung zu einem zyklischen Polyphosphat, wie Natriumtrimetaphosphat oder Natriumtetrametaphosphat vollziehen. Unabhängig von dem hierfür verantwortlichen Mechanismus wird davon ausgegangen, daß nach dem Verstreichen der wirksamen Zeitperiode für das Hinzufügen der wasserhaltigen Vormischung zu dem Trockenzement, dem Zuschlag und gegebenenfalls der Flugasche die vorbereitete Zementmischung beginnt, ihre Verstärkungseigenschaften gemäß der vorliegenden Erfindung zu verlieren.
Während die zementhaltigen Mischungen der vorliegenden Erfindung ohne STP ausgeführt werden können, wird davon ausgegangen, daß die Verwendung von STP eine deutlich gründlichere Dispersion der Teerkomponenten innerhalb der Matrix der Mischungen fördert. Weiterhin wird davon ausgegangen, daß die homogene Dispersion, die durch das Inkorporieren von STP in die wasserhaltige Vormischung geschaffen wird, zu den verbesserten Eigenschaften, die an den ausgehärteten Zusammensetzungen feststellbar sind, beiträgt. Um optimale Zunahmen in der Biege-, Zug- und Scherbindungsfestigkeit ebenso wie in anderen positiven Eigenschaften der Mischung gemäß der vorliegenden Erfindung zu erhalten, sollte demgemäß ausreichend STP bei der Bildung der wasserhaltigen Vormischung verwendet werden, so daß die bevorzugten Restmengen, die darin enthalten sind, nach Hinzufügung des STP beibehalten werden.
Wenn die wasserhaltige Vormischung und der Trockenzement, der Zuschlag sowie gegebenenfalls die Flugasche aureichend gemischt worden sind, um eine homogene Mischung zu bilden, kann die fluide, zementhaltige Mischung oder der Brei anschließend in ein geeignetes Gefäß, Hülle oder Form, die entsprechend der gewünschten Form des herzustellenden Gegenstandes geformt sind, gegossen werden. Der zementhaltigen Mischung wird dann gestattet, bis zur weitestgehenden Verfestigung vorzugsweise bei Raumtemperatur für zumindest einen Tag auszuhärten.
Die zementhaltigen Mischungen gemäß der vorliegenden Erfindung werden im Vergleich eine deutlich größere Druckfestigkeit und wesentlich größerer Biege-, Zug- und Scherbindungsfestigkeiten, gemessen in pounds per square inch (psi) der aufgebrachten Kraft als Standardbetonzusammensetzung zeigen, die aus den gleichen Mengen an Bestandteilen aber mit Wasser hergestellt sind, das frei von einer Teerkomponente, dem zugehörigen Emulgatorsystem und rückständigem Natriumtripolyphosphat ist. Insbesondere wird die Druckfestigkeit der zementhaltigen Mischungen der vorliegenden Erfindung von vergleichbaren Werten von Mischungen für Standardbeton bis zu wesentlich größeren Druckfestigkeiten in Abhängigkeit der Menge an Teerkomponente und Emulgatorsystem, die den Mischungen der vorliegenden Erfindung beigegeben sind, reichen. Weiterhin werden sich die ausgezeichneten elastischen Eigenschaften der vorliegenden Mischungen in einer ungefähr 1 - 250 % größeren Biegefestigkeit und in einer ungefähr 2 - 200 % größeren Zugfestigkeit gegenüber Standardbeton zeigen. Vorzugsweise werden die Mischungen der vorliegenden Erfindung einen ungefähr 20 - 200 % und am meisten bevorzugt eine 25 - 1 50 % größere Biegefestigkeitgegenüber Standardbeton zeigen. Weiterhin werden sich bevorzugte Zugfestigkeiten von 30 - 175 % und am meisten bevorzugt von 40 - 1 50 % bei der zementhaltigen Mischung der vorliegenden Erfindung zeigen.
Ebenso wird sich die Festigkeit der adhäsiven Bindung zwischen den zementhaltigen Mischungen der vorliegenden Erfindung und dem Untergrund, auf dem sie aufgebracht werden, in einer Scherbindungsfestigkeit wiederspiegeln, die ungefähr 5 - 350 % größer, vorzugsweise 10 - 250 % und am stärksten bevorzugt ungefähr 20 - 200 % größer sein wird, als es zwischen Standardbeton, der an einem geeigneten Untergrund anhaftet, beobachtet worden ist. Tatsächlich ist die adhäsive Bindung zwischen den vorliegenden Mischungen und einem geeigneten Untergrund dergestalt, daß die Matrix der ausgehärteten, zementhaltigen Mischung im allgemeinen brechen und zerbersten wird, bevor sich die Bindung zwischen der Mischungen und dem Untergrund auflöst.
Die ausgezeichnete Biege- und Zugfestigkeit der zementhaltigen Mischungen der vorliegenden Erfindung wird weiterhin zu einem hochstrapazierfesten Material führen. Verglichen beispielsweise mit einem Standardbeton, der aus den gleichen Bestandteilen, jedoch mit Wasser, das frei von einer Teerkomponente, dem zugehörigen Emulgatorsystem und rückständigen Natriumtripolyphosphat ist, hergestellt worden ist, werden die Mischungen der vorliegenden Erfindung einen deutlich geringeren Gewichtsverlust durch Abräsion und eine Schlagfestigkeit zeigen, die ungefähr 10 - 500 % größer, vorzugsweise 100 - 400 % größer und am stärksten bevorzugt 200 - 350 % größer als die eines Standardbetons ist.
Die Mischungen der vorliegenden Erfindung werden auch deutlich geringer permeabel als vergleichbare Standardbetons sein. Daher sind die zementhaltigen Mischungen der vorliegenden Erfindung signifikant haltbarer als Standardbetons, was zumindest teilweise auf ihrer verstärkten Fähigkeit beruht, dem Transport und dem Zurückhalten von Wasser sowie schädlichen, lösbaren Salzen, wie Chloriden und Phosphaten, durch die Matrix der ausgehärteten Zusammensetzung zu widerstehen. Eine mögliche Erklärung für die verringerte Permeabilitätdermischungendervorliegenden Erfindung besteht darin, daß die dispergierte bzw. zerstreute Porenstruktur der ausgehärteten Mischungen teilweise durch die hydrophoben, dispergierten bzw. zerstreuten Bereiche der Teerkomponente innerhalb der Matrix der ausgehärteten Mischungen gefüllt oder abgedichtet werden können. Es ist jedoch darauf hinzuweisen, daß dies nicht als Operationstheorie angesehen wird. Es wird ebenso davon ausgegangen, daß die gleichen dispergierten Bereiche, die durch die Teerkomponente gebildet werden, dazu neigen, die Bildung von Mikroabsprengungen in der zementhaltigen Matrix zu hemmen und zu begrenzen, wodurch die Aufnahme und der Transport von Wasser sowie lösbaren Salzen in der ausgehärteten Matrix der Mischung reduziert wird.
Standardbetons erfordern häufig das Hinzufügen von verschiedenen Luftbehandlungszusätzen, um sicherzustellen, daß das aushärtende Produkt eine geeignete Porenstruktur entwickelt. Auf der anderen Seite nehmen latexmodifizierte Betone üblicherweise deutlich zu viel Luft auf und müssen demgemäß mit Antischaummitteln behandelt werden. Demgegenüber sind die zementhaltigen Mischungen der vorliegenden Erfindung selbst luftporenbildend und bilden eine mehr einheitliche Dispersion an Luft über den gesamten Zementbrei. Insbesondere werden die vorliegenden Mischungen ungefähr 4 - 15 % Luft, vorzugsweise 5 - 12 % und am stärksten bevorzugt 6 - 9 % Luft ohne die Hinzufügung irgendwelcher Zusätze mitreißen.
Zusätzlich zu den ausgezeichnet physikalischen Eigenschaften sind die zementhaltigen Mischungen der vorliegenden Erfindung deutlich leichter zu verarbeiten als viele Standardzementmischungen. Diese verbesserte Verarbeitbarkeit schafft Kostenvorteile sowohl hinsichtlich deutlich geringerer Arbeitskosten als auch einer wesentlichen Reduzierung in Abfallmaterialien, welche aufgrund unsauberer Arbeit ersetzt werden müssen. Insbesondere schwitzen die Mischungen der vorliegenden Erfindung nicht übermäßig Wasser an die Oberfläche aus, wenn sie mechanisch geglättet oder von Hand eingeebnet werden, und zeigen eine "Creme" oder einen "Brei", der zu einem glatten Finish wesentlich schneller als bei Standardbetons verarbeitet werden kann. Weiterhin neigt die Oberfläche der vorliegenden Mischungen weniger als bekannte Betons dazu, überarbeitet zu werden. Demgegenüber führt die Überarbeitung der Oberfläche von Standardbeton zu einer nicht haltbaren, pulverförmig ausgehärteten Oberfläche, welche entfernt und ersetzt werden muß, wodurch erheblich gesteigerte Arbeits- und Materialkosten entstehen.
Zusätzlich zu den vorstehend diskutierten Eigenschaften können die zementhaltigen Mischungen der vorliegenden Erfindung auch einen wesentlich verbesserte Frost/Tau- und Korrosionswiderstand sowie eine verbesserte Griffigkeit sowie eine verringerte Trocknungsschrumpfung und eine vergrößerte Ermüdungsfestigkeit zeigen, wenn dies mit Standardbetonmischungen verglichen wird, die aus den gleichen Mengen an Bestandteilen, aber mit Wasser, das frei von einer Teerkomponente, dem dazugehörigen Emulgatorsystem und rückständigem Natriumtripolyphosphat ist, hergestellt worden sind. Weiterhin ist es zu bemerken, daß zwar die Vergleiche zwischen den zementhaltigen Mischungen der vorliegenden Erfindung und Standardbeton mit Bezug auf die bevorzugten Mischungen durchgeführt worden sind, die mit einer wasserhaltigen Vormischung, einer emulgierten Teerkomponente und rückständigem Natriumtripolyphosphat hergestellt worden sind, die verbesserten Eigenschaften der Mischung der vorliegenden Erfindung in einer Mischung aber erhalten bleiben, die aus einer Vormischung hergestellt worden ist, die kein rückständiges Natriumtripolyphosphat ausweist, wenn auch bei etwas verringerten Werten über den Eigenschaften, die die bevorzugten Mischungen zeigen.
Die Erfindung wird weiter durch Bezugnahme auf die folgenden Arbeitsbeispiele beschrieben.

Beispiel

Vier Formulierungen der zementhaltigen Mischungen gemäß der vorliegenden Erfindung wurden durch Mischen der folgenden Bestandteile hergestellt, um eine 6-yard-Partie herzustellen. Die genannten Mengen sind pro yard der hergestellten Zusammensetzungen zu verstehen.

Formulierung A:

233 kg (513 pounds) trockener Portland-Zement (Northwestern States Portland Cement, Mason City, Iowa);
114 kg (250 pounds) Wasser (Quellgut, Umgebungstemperatur, 100 - 240 ppm Härte), das mit einer 50-prozentigen Festkörperkohlenteeremulsion (einer Zusammensetzung aus 25 Gew.-% handelsüblichen Kohlenteer, 25 Gew.-% Kaolin und Bentonitton, ungefähr 12 bis 14 Gew.-% eines Mono-, Di- oder Trisulfonsäurederivats einer Fettsäure oder eines Alkohols sowie der Rest Wasser, verkauft als "'Twin Seal", St. Paul, Minnesota) versetzt wird, so daß 5 Gewichtsprozent der wasserhaltigen Vormischung oder 0,32 Gewichtsprozent der Gesamtzusammensetzung emulgierter Kohlenteer ist, und das mit einem Überschuß an Na&sub5;P&sub3;O&sub1;&sub0; (technisch reines STP, mit Wasser behandelt) versetzt wird, damit man eine Restkonzentration von 20 ppm erhält;
1388 kg (3054pounds) Zuschlag, 826k9 (1818 pounds) angewaschenem Kies mit einem Durchmesser von 0,375; 562 kg (1236 pounds) feinem Sand; und
41 kg (91 pounds) Flugasche (Klasse "C" Flugasche aus einem kohlenbefeuerten Elektrokraftwerk).

Formulierung B:

233 kg (513 pounds) trockener Portland-Zement;
114 kg (250 pounds) Wasser, das mit einer 50-prozentigen Festkörperkohlenteeremulsion (die "Twin Seal"-Zusammensetzung der Formulierung A) versetzt wird, so daß 6,25 Gewichtsprozent der wasserhaltigen Vormischung oder 0,4 Gewichtsprozent der Gesamtmischung emulgierter Kohlenteer ist, und das mit einem Überschuß an Na&sub5;P&sub3;O&sub1;&sub0; versetzt wird, um eine rückständige Konzentration von 20 ppm zu bilden;
1388 kg (3054 pounds) Zuschlag; und
41 kg (91 pounds) Flugasche.

Formulierung C:

233 kg (513 pounds) trockener Portland-Zement; 114 kg (250 pounds) Wasser, das mit einer 50-prozentigen Festkörperkohlenteeremulsion (die "Twin Seal" Zusammensetzung der Formulierung A) versetzt wird, so daß 8,33 Gewichtsprozent der wasserhaltigen Vormischung oder 0,54 Gewichtsprozent der Gesamtmischung emulgierter Kohlenteer ist, und das mit einem Überschuß an Na&sub5;P&sub3;O&sub1;&sub0; versetzt wird, um eine rückständige Konzentration von 20 ppm zu bilden;
1388 kg (3054 pounds) Zuschlag; und
41 kg (91 pounds) Flugasche.

Formulierung D:

233 kg (513 pounds) trockener Portland-Zement;
114 kg (250 pounds) Wasser, das mit einer 50-prozentigen Festkörperkohlenteeremulsion (die "Twin Seal" Zusammensetzung der Formulierung A) versetzt wird, so daß 12,5 Gewichtsprozent der wasserhaltigen Vormischung oder 0,8 Gewichtsprozent der Gesamtmischung emulgierter Kohlenteer ist, und das mit einem Überschuß an Na&sub5;P&sub3;O&sub1;&sub0; versetzt wird, um eine rückständige Konzentration von 20 ppm zu bilden;
1388 kg (3054 pounds) Zuschlag; und
41 kg (91 pounds) Flugasche.
Nach dem Mischen führt jede Formulierung zu einem homogenen, grau amorphen zementhaltigen Material. Wo notwendig, wurde, wenn jede der Mischungen trockener oder dicker als gewünscht war, 3,8 bis 11,4 l (1 - 3 zusätzliche Gallons) an Wasser zu der gesamten 5,5-m-Partie (6-yardbatch) hinzugefügt, um die Textur des Materials zu verbessern, wie dies üblicherweise in der Betonindustrie durchgeführt wird.
In feuchtem Zustand verhält sich jede der Formulierungen mit nur geringen prozentualen Unterschieden gleich. Im allgemeinen nehmen die Formulierungen A bis D eine stärkere dunkelgraue Farbe aufgrund einer vergrößerten Zunahme in der Teerbestandkomponente in den Formulierungen A bis D an. Es findet sich auch eine progressive Zunahme in der Klebrigkeit und eine Verringerung in den Setzzeiten, da die Teerkomponente der Formulierungen vergrößert ist. Jedoch ließen sich alle Formulierungen, unabhängig von der Teerkomponente sehr schnell verarbeiten, ohne daß sie einen Wasseraustritt zeigten und wiesen die anderen verbesserten Verarbeitungscharakteristika auf, die vorstehend beschrieben wurden.
Viele der Formulierungen setzten sich zu einer harten, dauerhaften Oberfläche in einer deutlich kürzeren Zeitperiode, als sie für latexmodifizierte oder Standardbetons erforderlich sein würde, ab. Tatsächlich setzt die Formulierung D sich so schnell ab, daß sie in der Lage war, das Gewicht von Fahrzeugen ohne deutliche Deformation innerhalb von vier Stunden nach dem Gießen aufnehmen konnte.
Jede der Formulierungen war in der Lage, deutlichen Deformationen gegenüber Absprengen und Brechen zu widerstehen. Die Biege- und Zugfestigkeiten der ausgehärteten Formulierung A und B wurden weiter durch die Fähigkeit von dünnen Platten, die bei einer Dicke zwischen 6,35 - 50,8 m (1/4 bis 2 inches) dem wiederholten Überfahren von bis zu 23.OOO + kg (50,000 + pound) schweren Lastkraftwagen für über ein Jahr ohne deutliche Abnutzung oder Brüchen widerstanden, bestätigt. Demgegenüber wurden ähnlich dicke Platten einer Standardbetonmischung durch die Belastung mit den Lastkraftwagen in gleicher Weise nach wenigen Wochen zerstört.
Die Erfindung wurde unter Bezugnahme auf verschiedene besondere und bevorzugte Ausführungsformen sowie Techniken beschrieben.

Claims

1. Betonmischung, gebildet aus einer Kombination von Bestandteile mit:

(a) 0 - 85 Gewichtsprozent Zuschlag;

(b) 7 - 90 Gewichtsprozent Trockenzement;

(c) 0 - 50 Gewichtsprozent Flugasche; und

(d) 3 - 10 Gewichtsprozent wasserhaltiger Vormischung;

in der die wasserhaltige Vormischung eine hoch dispergierte Mischung aus Wasser, einem Emulgatorsystem und einer Teerkomponente ist, wobei die Teerkomponente 0,1 - 25 Gewichtsprozent der wasserhaltigen Vormischung darstellt und die Gewichtsprozente der Bestandteile a) - d) auf das Gesamtgewicht der Mischung bezogen sind.

2. Mischung nach Anspruch 1, in der die wasserhaltige Vormischung weiterhin zwischen 0,5 bis 180 ppm restliches Natriumtriphosphat enthält.

3. Mischung nach Anspruch 2, in der die Gewichtsprozente der Bestandteile 30 - 85 % Zuschlag, 7 - 70 % Trockenzement, 1 - 30 % Flugasche und 4 - 8 % wasserhaltige Vormischung betragen.

4. Mischung nach Anspruch 2, in der das Emulgatorsystem einen ersten emulgierenden Stoff enthält, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus einem anionischen Emulgator, einem kationischen und einem nichtionischen Emulgator.

5. Mischung nach Anspruch 4, in der das Emulgatorsystem eine Kombination eines ersten emulgierenden Stoffes und eines zweiten aus einer scherzerkleinernden und dipergierenden Tonerde gebildeten zweiten Stoffes.

6. Mischung nach Anspruch 5, in der die Teerkomponente und das Emulgatorsystem vorgeformtes Material sind, aus etwa 20 - 80 Gewichtsprozent Trockenmasse, etwa 0,05 - 25 Gewichtsprozent erstem Emulgatorstoff und 20 - 80 Gewichtsprozent Wasser, wobei die Trockenmasse etwa 30 - 70 Gewichtsprozent Kohlenteer und etwa 30 - 70 Gewichtsprozent den zweiten Stoff scherzerkleinernde dispergierende Tonerde enthält, basierend auf dem Gewicht des vorgeformten Materials.

7. Mischung nach Anspruch 2, welche eine physikalische Eigenschaft zeigt, die in einem Bereich liegt, der sich von vergleichbar bis wesentlich stärker als die eines aus den Mengenbestandteilen (a) - (c) des Anspruchs 1 und 3 - 10 Gewichtsprozent Trinkwasser gebildeten Betons erstreckt; wobei die physikalische Eigenschaft ist: Biegesteifigkeit, Zugfestigkeit, Scherbindungsfestigkeit, Verschleißfestigkeit, Schlagfestigkeit oder Permeabilität.

8. Mischung nach Anspruch 2, welche selbst luftporenbildend ist.

9. Vormischung für Beton, gebildet aus einer Kombination von Bestandteilen mit:

(a) 0,05 - 15 Gewichtsprozent eines Emulgatorsystems;

(b) 0.10 - 25 Gewichtsprozent einer Teerkomponente;

(c) 65 - 99 Gewichtsprozent Wasser; und

(d) 0,5 - 180 ppm von rückständigem Natriumtriphosphat, in der das Emulgatorsystem eine Kombination eines ersten emulgierenden Stoffes und eines zweiten emulgierenden Stoffes ist.

10. Prozeß zur Herstellung eines hochbiegefesten, geformten Gegenstandes, welcher die Schritte enthält:

(a) Mischen von Wasser mit einem Emulgatorsystem und einer Teer komponente, um eine wasserhaltige Vormischung herzustellen, in der die Teerkomponente 0,1 - 25 Gewichtsprozent der wasserhaltigen Vormischung enthält;

(b) Bilden einer fluiden, zementartigen Mischung durch Mischen von 3 - 10 Gewichtsprozent der wasserhaltigen Vormischung mit 0 - 85 Gewichtsprozent Zuschlag, 7 - 90 Gewichtsprozent Trockenzement und 0 - 50 Gewichtsprozent Flugasche; und

c) Füllen der fluiden, zementartigen Mischung in ein Behältnis, so daß die Mischung aushärtet, um den geformten Gegenstand zu bilden.

11. Prozeß nach Anspruch 10, weiterhin enthaltend:

Hinzufügen einer überschüssigen Menge von Natriumtriphosphat zu der Mischung aus Schritt a), so daß die wasserhaltige Vormischung 0,5 - 180 ppm rückständiges Natriumtriphosphat enthält.

12. Prozeß nach Anspruch 11, in der die zementartige Mischung frei von der Flugasche oder dem Zuschlag oder frei von beidem ist.

13. Prozeß zum wesentlichen Erhöhen der Biege-, Zug- und Scherbindungsfestigkeit einer Zementmischung, während deren Wasserpermeabilität vermindert wird, beinhaltend: Bilden der Zementmischung aus einer Kombination von trockenen, zementartigen Bestandteilen und einer wasserhaltigen Vormischung, einem Emulgatorsystem und einer Teerkomponente, in der die Teerkomponente 0,01 bis 25 Gewichtsprozent der wasserhaltigen Vormischung beinhaltet und in der die Zementmischung wesentlich größere Biege-, Zug- und Scherbindungsfestigkeit und wesentlichverminderte Wasserpermeabilitätzeigt, als dies ein aus einer Kombination von den trockenen, zementartigen Bestandteilen und Trinkwasser gebildeter Beton zeigt.

14. Prozeß nach Anspruch 13, weiterhin enthaltend: Hinzufügen eines Überschusses von Natriumtriphosphat zu der wasserhaltigen Vormischung, um 0,5 - 180 ppm rückständiges Natriumtriphosphat zur Verfügung zu stellen.

15. Zementmischung, welche wesentlich größere Biege-, Zug- und Scherbindungsfestigkeit zeigt und welcher weniger wasserdurchlässig ist und entsprechend dem Prozeß von Anspruch 14 porös hergestellt ist.

16. Geformter Gegenstand, hergestellt durch einen Prozeß, welcher die Schritte enthält:

(a) Mischen von Wasser mit einem Emulgatorsystem und einer Teer komponente, um eine wasserhaltige Vormischung zu bilden, in der die Teerkomponente 0,10 bis 25 Gewichtsprozent der wasserhaltigen Mischung umfaßt;

(b) Bilden einer fluiden, zementartigen Mischung durch Mischen von 3 - 10 Gewichtsprozent der wasserhaltigen Vormischung mit 0 - 85 Gewichtsprozent Zuschlag, 7 - 90 Gewichtsprozent Trockenzement und 0 - 50 Flugasche; und

(c) Gießen der fluiden, zementartigen Mischung in ein Gefäß, so daß die Mischung aushärtet, um den geformten Gegenstand zu bilden.

1 7. Geformter Gegenstand, hergestellt durch den Prozeß nach Anspruch 16, weiterhin enthaltend: Hinzufügen einer überschüssigen Menge von Natriumtriphosphat zu der wasserhaltigen Vormischung aus Schritt a), so daß die wasserhaltige Vormischung 0,5 bis 180 ppm rückständiges Natriumtriphosphat enthält.

18. Geformter Gegenstand nach Anspruch 17, in dem die fluide, zementartige Mischung frei von der Flugasche oder dem Zuschlag oder frei von beiden ist.