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Die vorliegende Erfindung bezieht
sich auf ein Verfahren zum Herstellen von Zement, der nützlich ist zum
Zubereiten von Pasten, Mörtel,
Beton und anderen Materialien auf Zementbasis mit hoher Verarbeitbarkeit
bei niedrigem Wassergehalt, hoher Festigkeit und Festigkeitsentwicklung
und hoher Dichte. Das Verfahren umfaßt eine mechanisch-chemische
Behandlung einer mineral-polymerischen oder einer mineralischen
Mischung von Portlandzement und eines SiO2 enthaltenden
Mikrofüllstoffs,
zum Beispiel Silikarauch, und/oder eines pulvrigen, wasserreduzierenden
Mittels vom Melamin- oder Naphtalen-Typ in einer Mahleinrichtung,
vorzugsweise mit einem Vibrations-Mahlmedium.
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Stand der Technik
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Der dem Verfahren gemäß der vorliegenden
Erfindung nächstliegende
Stand der Technik ist ein Verfahren, das in einem Artikel in Journal
Concrete International, Oktober 1992, Seite 56 unter dem Titel "Intermilled Silica
Fume in Icelandic Cement" beschrieben
ist und das Verfahren, das in dem GB-Patent 2 006 737 für "Method and apparatus
for production of an activated mineral composition" beschrieben ist.
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Das zuerst genannte Verfahren (Concrete
International, 1992 "Intermilled
Silica Fume in Icelandic Cement")
offenbart das Mahlen eines Zementklinkers mit Gips und anderen Zusatzstoffen
zusammen mit Silikarauch. Die zuletzt genannte Komponente wird in
einer Menge von 5 bis 7,5 Gewichtsprozent des Klinkers zugesetzt.
Mit diesem Verfahren versuchte man, ein höheres Niveau der Homogenisation
des vermengten Zements zu erreichen, um einen stabileren Beton mit
hohen mechanischen Eigenschaften zu erzielen. Dieses Verfahren beinhaltet
nicht die Verwendung einer polymeren Komponente (zum Beispiel pulvrige,
wasseneduzierende Mittel). Es gibt dort keine Offenbarung irgendeiner
wesentlichen Steigerung der Festigkeitsentwicklung und der Dichte
der gehärteten
Zementpaste oder des Betons. Dies ist der Fall, weil aufgrund der
hohen Härte
und Dichte der ziemlich groben Zementklinkerteilchen praktisch die
gesamte Energie des Mahlmediums verwendet wird, um das Material
zu zerbrechen, ohne einen bedeutenden Anstieg der Oberflächenenergie
des behandelten Zements, und infolgedessen gibt es keine Steigerung
der Festigkeitsentwicklung und der endgültigen Festigkeit von Zementpasten,
Mörteln
und Beton.
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Das zweite erwähnte Verfahren gemäß GB 2 006
737 schlägt
das allgemein bekannte konventionelle mechanische Mahlen und eine
Aktivierung des fein gemahlenen Zementmörtels vor, der aus gewöhnlichem Portlandzement
besteht mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von etwa 10 μm und feinem
Sand mit einer Teilchengröße von 60
bis 1000 μm
(0,06 bis 1,00 mm), in einer mit Stiften versehenen Scheibenmühle oder einer
Vibrationsmühle.
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Aufgrund der Natur der mineralischen
Mischungskomponenten, der Verteilung der Teilchengröße und der
Parameter der Behandlung, die durch dieses Verfahren offenbart sind,
wird der Hauptteil der verbrauchten Energie für die Verminderung der Teilchengröße des Sandes
und des Zements benutzt, und nur ein kleiner Teil davon wird als
Oberflächen-Energie
gespeichert. Es gibt auch keine grundsätzlichen Veränderungen
und/oder Modifikationen der Mikrostruktur des Materials und der
hauptsächlichen
Eigenschaften der Substanz. Dies kann leicht veranschaulicht werden
durch die relativ niedrigen Werte der endgültigen Druckfestigkeit des
mit diesem aktivierten Zement erhaltenen Mörtels, nämlich 55 bis 65 MPa nach 28
Tagen des Härtens,
und auch durch eine ziemlich kurze Periode der Festigkeitsentwicklung,
da die Hydratation des "aktivierten" Zements nach sieben
Tagen des Härtens
fast beendet ist.
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Aufgrund des relativ niedrigen Niveaus
der gespeicherten Oberflächen-Energie
und aufgrund ihrer Relaxation beginnen die Zementteilchen nach zwei
bis drei Wochen der Lagerung die erreichten Eigenschaften zu verlieren.
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Ein anderer ernsthafter Nachteil
dieses Verfahrens ist ein drastischer Anstieg des Oberflächenbereichs,
der gemäß allgemein
anerkannter Kenntnis zu einem erforderlichen erhöhten Betrag von Wasser in einer
Betonmischung führt,
d. h. das Verhältnis
von Wasser zu Zement, das für
die Aufrechterhaltung der Verarbeitbarkeit (Plastizität) erforderlich
ist. Gemäß diesem bekannten
Verfahren ist das Verhältnis
von Wasser zu Zement recht hoch, etwa 0,6. Diese Tatsache ist vom
Standpunkt der gesteigerten Porosität, der gesteigerten Schrumpfung,
des begrenzten Niveaus an Festigkeit und niedriger Dauerhaftigkeit
negativ.
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Offenbarung
der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung bezieht
sich auf ein Verfahren zum Herstellen von Zement, der nützlich ist zum
Zubereiten von Pasten, Mörtel,
Beton und anderen Materialien auf Zementbasis, der eine hohe Verarbeitbarkeit
bei vermindertem Wassergehalt, hohe Festigkeit und Dichte und eine
schnelle Entwicklung von Festigkeit hat, wobei das Verfahren eine
mechanisch-chemische Behandlung des Zements umfaßt, dadurch gekennzeichnet,
daß das
Verfahren eine zweistufige mechanische Behandlung einer Mischung
von Zement und wenigstens einer Komponente von zwei Komponenten
umfaßt,
wobei die erste Komponente ein SiO2 enthaltender
Mikrofüllstoff
und die zweite Komponente ein Polymer in der Form eines pulvrigen,
wasseneduzierenden Mittels ist, daß in der ersten Stufe der Zement
und die erste und/oder die zweite Komponente intensiv in trockenem
Zustand gemischt werden, wodurch Teilchen der ersten und/oder der
zweiten Komponente an die Zementteilchen adsorbiert werden, daß in der
zweiten Stufe die in der ersten Stufe erhaltene Mischung in einer
Mahleinrichtung behandelt wird, wobei die Teilchen in der Mischung
in einer schnellen Folge eine große Anzahl von direkt umgewandelten
Schlagimpulsen erhalten, die in einer Modifikation der Oberflächeneigenschaften
der Zementteilchen in Form einer wesentlichen Erhöhung der
Oberflächenenergie
und der chemischen Reaktivität
resultieren, und daß die
Behandlung in der zweiten Stufe während einer ausreichend langen Zeitdauer
durchgeführt
wird, damit eine Eintages-Druckfestigkeit einer Zementpaste in einem
Würfel
mit 20 Millimeter Seitenlänge,
die unter abgedichteten Bedingungen in geeigneter Weise unter Vibration
verdichtet und bei +20°C
gehärtet
wurde, wenigstens 60 MPa gleicht.
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Ferner bezieht sich die Erfindung
auf ein Verfahren zum Bereitstellen eines geformten Betonelements oder
einer Betonstruktur, das die folgenden Schritte aufweist: Erstens
Herstellen eines Zements gemäß dem Verfahren
entsprechend dem oben genannten Verfahren und zweitens Mischen des
Zements mit Sand und/oder Zuschlagstoffen größerer Dimensionen und Wasser
und drittens Gießen
eines geformten Elements oder einer Struktur und Härten des
Gegenstandes.
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Weiterhin bezieht sich die Erfindung
auf die Verwendung von Zement, der durch das Verfahren gemäß dem vorstehenden
hergestellt wird, als Zusatzstoff zu einem Zement, wie beispielsweise
gewöhnlichem
Portlandzement, als ein Beschleunigungsmittel für den Härtungsprozeß der Mischung.
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Die Erfindung wird mehr im einzelnen
im folgenden beschrieben, teilweise in Verbindung mit Tabellen und
Figuren:
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1 ist
ein Diagramm, das die Festigkeitsentwicklung für Zementpaste beim Härten bei
20°C zeigt. In 1 bezieht sich die mit 1
markierte Kurve auf einen Zement gemäß der vorliegenden Erfindung,
die mit 2 markierte Kurve bezieht sich auf Zement +5% Silikarauch
gemäß dem Stand
der Technik, und die mit 3 markierte Kurve bezieht sich auf Zement
gemäß dem Stand
der Technik.
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2a und 2b sind Diagramme, die die Festigkeitsentwicklung
von bei 20°C
gehärteten
Betons zeigen. In den 2a und 2b steht EM (Anl) für einen Beton mit Zement gemäß der vorliegenden
Erfindung. Anl steht für
Beton gemäß dem Stand
der Technik.
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3 ist
ein Diagramm, das die Druckfestigkeit als Funktion von temperaturäquivalenter
Zeit zeigt. In 3 steht
EM (Anl) für
Beton gemäß der vorliegenden
Erfindung. Anl steht für
Beton gemäß dem Stand
der Technik.
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4a und 4b sind Diagramme, die die Festigkeitsentwicklung
für Beton
mit einem Bindergehalt von 480 kg/m3 zeigen,
der bei negativen Temperaturen mit dem Antigefrier-Zuschlagsstoff
Betec gehärtet
wurde. EM (Anl) steht für
Beton gemäß der vorliegenden
Erfindung. Anl steht für
Beton gemäß dem Stand
der Technik.
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5 ist
ein Diagramm, das die freigesetzte Wärme als eine Funktion der temperaturäquivalenten
Zeit zeigt. EM (Anl) steht für
Beton gemäß der vorliegenden
Erfindung. Anl steht für
Beton gemäß dem Stand
der Technik.
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6 ist
ein Diagramm, das die freigesetzte Wärme pro Einheit der Festigkeit
als eine Funktion der temperaturäquivalenten
Zeit zeigt. EM (Anl) steht für
Beton gemäß der vorliegenden
Erfindung. Anl steht für Beton
gemäß dem Stand
der Technik.
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7 ist
ein Diagramm, das die Verteilung der Porengröße zeigt. In 7 bezieht sich die mit 1 markierte Kurve
auf eine Zementpaste gemäß dem Stand
der Technik, die mit 2 markierte Kurve bezieht sich auf Zementpaste
mit 10% Silikarauch gemäß dem Stand
der Technik, und die mit 3 markierte Kurve bezieht sich auf eine
Zementpaste gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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Es wurde nun gefunden, daß beim Behandeln
einer kombinierten mineral-polymeren oder einer mineralischen Mischung
von Portlandzement und einem SiO2 enthaltenden
Mikrofüllstoff,
vorzugsweise Silikarauch und/oder Polymer in der Form eines pulvrigen,
wasseneduzierenden Mittels, zusammen mit einer ein Medium enthaltenden
Mahleinrichtung (zum Beispiel eine Kugelrührmühle, eine Zentrifugalmühle oder
eine Kugeltaumelmühle
oder Trommelmühle)
oder mit einer Mahleinrichtung ohne Medium (zum Beispiel eine Strahl-, Schlag-
oder Walzmühle),
vorzugsweise in Mühlen
mit Cylpebs als Vibrationsmahlmedium, eine sehr stark verbesserte
mechanisch-chemische Aktivierung des Zements stattfindet. Diese
Behandlung führt
auch zu den grundsätzlichen
Veränderungen
und zur Modifikation der Mikrostruktur des Materials und seiner
Eigenschaften. Während
der mechanisch-chemischen Behandlung gemäß der vorliegenden Erfindung
finden mehrere Prozesse gleichzeitig statt.
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Zunächst erhält jedes Teilchen des Portlandzements,
des Mikrofüllstoffs
und/oder des pulverförmigen reduzierenden
Mittels eine große
Anzahl von direkten, sich ändernden,
zufällig
verteilten Schlagimpulsen von dem Mahlmedium und von anderen Elementen
der Mahleinrichtung in einer schnellen Folge. Während dieser Behandlung bauen
feinere und leichtere Teilchen des Mikrofüllstoffs (Silikarauch) und/oder
des pulverförmigen wasseneduzierenden
Mittels eine Abdeckung um die Zementteilchen herum auf. Diese Abdeckung
wirkt dann als Schmiermittel zwischen den Zementteilchen und dem
Mahlmedium.
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Zum zweiten verformt die neu gebildete
Abdeckung von Teilchen aus Silikarauch und/oder pulverförmigem wasseneduzierendem
Mittel die Schlagimpulse des Mahlmediums, und die gesamte potentielle
und kinetische Energie des Mahlmediums und der anderen Elemente
der Mahleinrichtung (zum Beispiel Statoren, Rotoren usw.) schaffen
im wesentlichen anteilige Verformungen und Mikrodefekte der Oberflächen der
Zementteilchen.
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Das vorliegende Verfahren erhöht drastisch
die Oberflächenenergie
und die chemische Reaktivität
der Zementteilchen. Aufgrund der Absorption des Silikarauchs und/oder
des pulverförmigen,
wasseneduzierenden Mittels erhalten die Teilchen außerdem eine
elektrostatische Ladung und werden aufeinander zu angezogen, wodurch
eine Konsolidation und Agglomeration der Teilchen gefördert wird,
was jegliche wesentliche Steigerung des Wasserbedarfs der Zementpaste
verhindert.
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Aufgrund der mechanisch-chemischen
Behandlung gemäß der vorliegenden
Erfindung werden somit ein diskontinuierliches Netzwerk des neuen
modifizierten Bindermaterials an der Oberfläche der Zementkörner und
Mikrodefekte innerhalb der Oberfläche der Zementkörner geschaffen.
Dieser neue Binder hat eine außerordentlich
hohe chemische Reaktivität
und hohe hydrophobe Eigenschaften (hauptsächlich im Falle der Verwendung
eines pulverförmigen,
wasseneduzierenden Mittels). Nach Meinung der Erfinder hat die Schicht
dieses neuen Binders ein sehr hohes Potential der Bildung von Kernen
(Kristallisationskernen) und verbessert den Hydrationsvorgang besonders
im frühen
Stadium des Alterungsvorgangs des Härtungsprozesses, wobei die
Druckfestigkeit der Zementpasten und der Betons mit dem gemäß der vorliegenden
Erfindung erhaltenen Zement bis zu 300% höher ist als bei herkömmlichen
Bezugspasten und -betons.
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Ferner schafft dieser neue Binder
die Metastabilität
des Systems und hält
diese aufrecht, und dies gibt eine Möglichkeit, daß die gemäß der vorliegenden
Erfindung erzeugten Zemente in einer verlängerten Zeitdauer hydratisieren
und eine höhere
Rate der Festigkeitsentwicklung erreichen.
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Zu diesem Zeitpunkt kann eine volle
theoretische Erklärung
der Phänomene
nicht gegeben werden, aber die vorstehende Beschreibung gibt gemäß der Ansicht
der Erfinder ein grundsätzliches
phänomenologisches
Bild des Verfahrens gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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Der gemäß der vorliegenden Erfindung
erzeugte Zement hat überraschende
Eigenschaften, die keine Analogien in der heutigen modernen Technologie
haben. Dieser Komplex von Eigenschaften kann durch irgendein anderes
bekanntes Verfahren nicht erreicht werden.
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Die Eigenschaften des gemäß der vorliegenden
Erfindung behandelten Materials können wie folgt aufgelistet
werden:
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- – Der
gemäß der vorliegenden
Erfindung erzeugte Zement behält
alle Eigenschaften wie kommerziell hergestellter (Portland)-Zement
während
einer ziemlich langen Dauer der Lagerung (mehr als neun Monate), entsprechend
den Anforderungen der Baupraxis;
- – Bis
zu 50% Verminderung des Wasserbedarfs wird im Vergleich mit gewöhnlichem
Zement erreicht unter Aufrechterhaltung und sogar Verbesserung des
Betrags der Konsistenz der Zementpaste und der Verarbeitbarkeit
der Beton-mischung, siehe Tabellen 1 und 2, was zur Schaffung einer
mehr verdichteten Struktur und zu einer hohen Festigkeit des Materials
führt.
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Tabelle 1 bezieht sich auf den Einfluß des vorliegenden
Verfahrens auf die Konsistenz einer Zementpaste.
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Tabelle 2 bezieht sich auf den Einfluß des vorliegenden
Verfahrens auf die Verarbeitbarkeit einer Betonmischung.
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Tabelle
1 – Einfluß des Verfahrens
der Zementbehandlung auf die normale Konsistenz der Zementpaste
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Tabelle
2 – Einfluß des Verfahrens
der Zementbehandlung auf die Verarbeitbarkeit der Betonmischung
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- – Die
Rate der Festigkeitsentwicklung der Zementpaste und des Betons ist
in einem weiten Bereich von positiven Härtetemperaturen drastisch erhöht, nämlich von
+5 bis +50°C,
siehe 1, 2 und 3.
Ein intensiveres Härten
des Betons findet auch bei negativen Temperaturen statt, nämlich bei –10°C und –20°C, wenn ein
Anti-Gefrier-Zusatz verwendet wird, siehe 4. Die oben erwähnten Eigenschaften bieten
die Verminderung der Formentfernungszeit, ergeben ein geringeres
Risiko gegenüber
frühem
Frieren, eine wesentliche Verminderung des Bauverfahrens und eine
Vereinfachung der Winterbetoniervorgänge.
- – Betons,
die unter Verwendung von gemäß der vorliegenden
Erfindung hergestelltem Zement erzeugt werden, haben etwa die gleiche
resultierende Hydrationswärme
pro Zementgewicht mit einer geringfügig höheren Rate von Wärmefreigabe
im Vergleich zu Beton, der nach dem Verfahren gemäß der Stand
der Technik hergestellt ist, siehe 5.
Zur gleichen Zeit haben Betons, die mit dem Zement gemäß der vorliegenden
Erfindung hergestellt werden, eine beträchtlich geringere Wärmeerzeugung
pro Festigkeitseinheit als Betons, die nach dem Verfahren gemäß dem Stand
der Technik hergestellt sind, siehe 6.
Dies vermindert die Wahrscheinlichkeit von Thermorissen.
- – Die
Porosität
der Zementpaste ist auf weniger als die Hälfte im Vergleich zu bekannten
Verfahren vermindert, siehe 7.
Der Beton wird praktisch undurchlässig und dauerhaft.
- – Ein
intensives Selbsttrocknen des Betons findet zusammen mit der Festigkeitserhöhung im
frühen
Stadium des Härtens
statt. Die Werte der relativen Feuchtigkeit sind etwa 72 bis 74%
schon nach zehn Tagen des Härtens
in abgedichtetem Zustand und bei Raumtemperatur.
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Wie oben festgestellt wurde, umfaßt das Verfahren
gemäß der Erfindung
eine zweistufige mechanische Behandlung einer Mischung von Zement
und wenigstens einer Komponente von zwei Komponenten, wobei die
erste Komponente ein SiO2 enthaltender Mikrofüllstoff
und die zweite Komponente ein Polymer in der Form eines pulverförmigen,
wasseneduzierenden Mittels ist.
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Dies bedeutet, daß die Erfindung drei verschiedene
Fälle umfaßt, nämlich einen
ersten Fall, bei dem Zement und sowohl die erste als auch die zweite
Komponente gemischt werden, einen zweiten Fall, bei dem der Zement
nur mit der zweiten Komponente gemischt wird, und einen dritten
Fall, bei dem der Zement nur mit der ersten Komponente gemischt
wird.
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Die Druckfestigkeit wird sicherlich
in Abhängigkeit
davon variieren, welche Zusammensetzung die Mischung gemäß den genannten
drei verschiedenen Fällen
hat.
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Ferner wurde oben festgestellt, daß die Behandlung,
gemäß der zweiten
Stufe des Verfahrens, während
einer ausreichend langen Zeitdauer durchgeführt wird, damit eine Eintages-Druckfestigkeit
eines Würfels mit
20 Millimeter Seitenlänge
aus Zementpaste, die in geeigneter Weise unter Vibration verdichtet
und bei +20°C
unter abgedichteten Bedingungen gehärtet wurde, wenigstens 60 MPa
gleicht.
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Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
wird die Behandlung während
einer Zeitdauer derart durchgeführt,
daß die
Druckfestigkeit wenigstens 70 MPa im Falle einer mineralischpolymeren
Mischung ist, die 94% gewöhnlichen
Portlandzement, 5% Silikarauch und 1 eines pulvrigen, wasseneduzierten
Mittels mit dem Namen Mighty 100 aufweist, und zusätzlich 16%
Wasser bezogen auf das Gewicht der festen Komponenten.
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Gemäß einem anderen bevorzugten
Ausführungsbeispiel
wird die Behandlung während
einer Zeitdauer derart durchgeführt,
daß die
Druckfestigkeit wenigstens 65 MPa im Falle einer mineralisch-polymeren
Mischung ist, die 99,0% gewöhnlichen
Portlandzement, 1% eines pulverförmigen,
wasserreduzierenden Mittels mit dem Namen Mighty 100 und zusätzlich 16%
Wasser bezogen auf das Gewicht der festen Komponenten enthält.
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Gemäß einem noch weiteren bevorzugten
Ausführungsbeispiel
wird die Behandlung während
einer Zeitdauer derart durchgeführt,
daß die
Druckfestigkeit wenigstens 60 MPa im Falle einer mineralischen Mischung
ist, die 95% gewöhnlichen
Portlandzement, 5% Silikarauch und zusätzlich 16% Wasser bezogen auf das
Gewicht der festen Komponenten enthält.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung
weist das Verfahren zum Herstellen von Zement, der für Beton
mit außerordentlich
hoher Festigkeit und hoher Dichte nützlich ist, die folgenden Schritte
auf:
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- 1. Dosieren der festen Komponenten;
- 2. Trockenes Mischen der festen Komponenten;
- 3. Mechanisch-chemische Behandlung der kombinierten Mischung
in der Mahleinrichtung, vorzugsweise in der Vibrationsmühle, wobei
jedes Teilchen der Mischung eine große Anzahl von direkt umgewandelten,
zufällig
verteilten Schlagimpulsen erhält.
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Das trockene Mischen in der ersten
Stufe wird in einer solchen Weise durchgeführt, daß die Mischung in einem hoch-intensiven
Mischgerät
oder in der Mahleinrichtung behandelt wird, wobei die Parameter
der Behandlung auf die Mischungszusammensetzung eingestellt werden.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung
wird die mechanisch-chemische Behandlung einer kombinierten mineralisch-polymeren
oder einer mineralischen Mischung von Portlandzement und SiO2 enthaltendem Mikrofüllstoff und/oder pulverförmigem,
wasserreduzierendem Mittel in einer Medien-Mahleinrichtung (z. B.
Kugelrührmühle, Zentrifugalmühle, Taumel-
oder Trommelkugelmühle
usw.) oder in einer medienfreien Mahleinrichtung (z. B. Strahl-,
Schlag-, Rollenmühle)
durchgeführt.
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Eine Medien-Mahleinrichtung umfaßt Mühlen, die
Mahlmedien in der Form von Kugeln, Zylindern, Cylpebs usw. umfaßt, z. B.
Taumel- oder Trommelkugelmühlen
und Vibrationsmühlen,
oder Hochgeschwindigkeits-Agitatoren, z. B. Kugelrührmühlen usw.
Bei dieser Art von Mühlen
findet die Behandlung der Mischung gemäß der vorliegenden Erfindung
hauptsächlich
aufgrund der Tatsache statt, daß erreicht
wird, daß jedes Teilchen
der Mischung eine große
Anzahl von Schlagimpulsen von dem Mahlmedium in einer schnellen
Folge erhält.
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In einer medienfreien Mahleinrichtung
findet die Behandlung der Mischung aufgrund des Unterwerfens der
Teilchen unter einen hohen Druck von einer sich bewegenden Rolle
oder einem Hammer statt, z. B. Rollen- oder Schlagmühlen, oder
aufgrund von meistens Schlägen
oder Stößen von
Teilchen zu Teilchen oder Kollisionen von Teilchen mit einem Ziel,
abhängig
von der Konstruktion, z. B. Fluidenergie-Strahlmühlen, die eine Modifikation
der Oberflächeneigenschaften
der Teilchen zur Folge haben.
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Die bevorzugte Ausrüstung ist
eine Vibrationsmühle,
die durch den Durchmesser des Vibrationszyklus gekennzeichnet ist,
der vorzugsweise von 2 bis 30 mm beträgt, wobei die Frequenz vorzugsweise
von 800 bis 2000 U/min ist.
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Die Parameter der Behandlung in anderen
Arten von Mahleinrichtungen sollten auf die Zusammensetzung der
Mischung, die der Behandlung unterworfen wird, in einer solchen
Weise eingestellt werden, daß die mechanische
Behandlung derjenigen entspricht, die in einer Vibrationsmühle erhalten
wird.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung
findet die Behandlung in der Mahleinrichtung schubweise statt, wobei
die Behandlungszeit vorzugsweise von 3 bis 60 min ist, oder kontinuierlich,
wobei die Zuführrate
auf die Art der Mühle
und die Zusammensetzung der Mischung eingestellt wird.
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Im Falle der Verwendung einer Medienmahleinrichtung,
vorzugsweise einer Vibrationsmühle,
ist das Verhältnis
zwischen dem Mahlmedium und der der Behandlung unterworfenen Mischung,
d. h. das Verhältnis von
Medium zu Zuführungsrate,
vorzugsweise von 7 : 1 bis 15 : 1 bezogen auf das Gewicht.
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Das bevorzugte Mahlmedium der Vibrationsmühle ist
eine Mischung aus Cylpebs, d. h. Zylindern mit abgerundeten Enden,
hergestellt z. B. aus Aluminium oder Körpern mit einem Überzug aus
Aluminiumoxid oder aus Stahl, mit gleicher Höhe und mit einem Durchmesser von
12 und 9 mm. Das Verhältnis
zwischen den beiden Teilen ist von 2 : 1 bis 1 : 2 bezogen auf das
Gewicht, vorzugsweise 1 : 1 bezogen auf das Gewicht.
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Die Komponenten in dem vermischten
Zement sind mit den folgenden maximalen Grenzen der Gewichtsbereiche
vorhanden:
- Portlandzement | =
98,9 |
- SiO2-enthaltender Mikrofüllstoff | =
20 |
- pulvriges,
wasseneduzierendes Mittel | =
3%. |
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Die bevorzugten Gewichtsbereiche
der Komponenten in dem vermischten Zement sind:
- Portlandzement | =
89,5–96,7 |
- SiO2-enthaltender Mikrofüllstoff | =
3–10 |
- pulvriges,
wasseneduzierendes Mittel | =
0,3–1,5 |
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Verschiedene Arten von Portlandzement
und auch in Kombination mit anderen Arten von Zement können gemäß der vorliegenden
Erfindung verwendet werden.
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SiO2 enthaltende
Komponenten sind als Mikrofüllstoffe
nützlich.
Sie haben einen Teilchendurchmesser, der vorzugsweise kleiner ist
als 1 μm.
Der Mikrofüllstoff
kann Silikarauch, gemahlener Sand usw. sein, vorzugsweise Silikarauch
(Mikrosilika).
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Der vorzugsweise bei dieser Erfindung
verwendete Silikarauch enthält
außerordentlich
kleine sphärische
amorphe Teilchen, die wenigstens 85 Gewichtsprozent SiO2 enthalten.
Der spezifische Oberflächenbereich
liegt zwischen 15 und 30 m2/g, und die Teilchen
haben einen Durchmesser zwischen 0,1 und 0,2 μm. Silikarauch wird normalerweise
erhalten aus den Abgasen von elektrischen Schmelzöfen, die
für die
Herstellung von Silizium und Fenosilizium verwendet werden, aber
er kann auch durch Reduktion von SiO2 zu SiO-Gas
und durch Reoxidation von SiO in Luft erzeugt werden.
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Pulverförmige Wasseneduktionsmittel
im festen Zustand, die vorzugsweise gemäß der vorliegenden Erfindung
verwendet werden, können
wasseneduzierende Mittel vom Melamin- oder Naphtalen-Typ sein, die für die Verwendung
in gewöhnlichem
Beton bekannt sind, z. B. Mighty 100.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung
ist das Verhältnis
zwischen den spezifischen Oberflächenbereichen
der mineralischen Komponenten, d. h. Zement und SiO2 enthaltender
Mikrofüllstoff,
in der Mischung vorzugsweise 1 : 10 bis 25. Das Verhältnis zwischen
den spezifischen Oberflächenbereichen
des mineralischen Teils in der kombinierten Mischung, d. h. Zement
mit SiO2 enthaltendem Mikrofüllstoff,
und dem polymeren Teil, d. h. dem pulvrigen, wasserreduzierenden
Mittel ist vorzugsweise 1 : 0,10 bis 2,0.
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Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung werden verschiedene anorganische Materialien,
z. B. Schlacke, gemahlener Sand, Metallfasern usw. und/oder organische
Materialien, z. B. Polymere, Polymerfasern usw., welche Materialien
die rheologischen, die mechanischen, die Dauerhaftigkeits- und andere
Eigenschaften der frischen und der gehärteten Paste, des Mörtels oder
des Betons beeinflussen, der behandelten Mischung oder der Mischung
während
der Behandlung zugefügt.
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Gemäß einem weiteren bevorzugten
Ausführungsbeispiel
der Erfindung findet die oben genannte Behandlung bei einem erhöhten oder
einem verminderten Druck alternativ in der Gegenwart eines Schutzgases statt.
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Ein Verfahren zum Bereitstellen eines
geformten Betonelements oder solcher Strukturen unter Verwendung
der vorliegenden Erfindung weist die folgenden Schritte auf:
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- 1. Dosieren des Portlandzements und des SiO,
enthaltenden Mikrofüllstoffs
und/oder des pulverförmigen wasserreduzierenden
Mittels;
- 2. Trockenes Mischen der oben genannten Komponenten;
- 3. Mechanisch-chemische Behandlung der kombinierten Mischung
in einer Mahleinrichtung gemäß der Beschreibung
der vorliegenden Erfindung entsprechend dem Vorstehenden;
- 4. Mischen des erhaltenen Zements mit Sand und Zuschlagstoffen
und Wasser, Gießen
eines geformten Elements oder einer Struktur und Härten des
Betons.
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Die Erfindung wird mittels der folgenden
Beispiele veranschaulicht. Jedoch sind die folgenden Beispiele nicht
dazu bestimmt, die Erfindung in irgendeiner Weise zu beschränken.
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BEISPIELE
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Der gewöhnliche Portlandzement (OPC),
hergestellt durch Cementa AB, Schweden, Silikarauch, hergestellt
durch Elkem A/S, Norwegen, und pulverförmiges, wasseneduzierendes
Mittel Mighty 100, hergestellt in Japan, wurden für diese
Experimente gewählt.
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Die Mischungen gemäß der vorliegenden
Erfindung wurden der mechanisch-chemischen Behandlung in der genannten
ersten Stufe durch intensives Mischen in einem "Tonimix" genannten Mischer mit einer Drehgeschwindigkeit
von 280 U/min während
drei Minuten unterworfen. Der Mischer wird durch TONI Technik, Deutschland,
hergestellt.
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Zusammensetzungen der vermischten
Zemente sind in Tabelle 1 dargestellt. Die vermischten Zemente wurden
einer mechanisch-chemischen Behandlung gemäß der vorliegenden Erfindung
in einer Vibrationsmühle
unterworfen, die einen Durchmesser des Vibrationskreises von 10
mm hat und bei einer Frequenz von 1100 U/min während einer Behandlungsdauer
von 30 Minuten betrieben wurde. Das Verhältnis zwischen dem Mahlmedium
und der Mischung war 9 : 1 bezogen auf das Gewicht.
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In der Kontrollmischung wurden Silikarauch
und wasseneduzierendes Mittel mit Wasser während des Mischens der Zementpaste
oder der Betonmischung eingeführt.
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Die Tabelle 2 stellt Charakteristika
der Betonmischungen dar, die mit der Behandlung gemäß der vorliegenden
Erfindung und mit unbehandelten Zementen, d. h. herkömmlichen
Zementen, erzielt wurden.
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Bei Betonmischungen, die bei negativen
Temperaturen (-10°C
und –20°C) gehärtet wurden,
wurde ein Antigefrier-Zuschlag Betec, hergestellt durch Finja Betec
AB, Schweden, verwendet.
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Die Zementpaste und der Beton wurden
unter Verwendung von Würfeln
mit Seiten von 20 mm und 100 mm getestet. Ein Horbart-Mischer wurde
zum Mischen der Zementpaste während
zwei Minuten verwendet. Ein Trogmischer wurde zum Mischen der Betonmischung
während
drei Minuten verwendet.
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Ein Quecksilber-Porosimeter der Porengröße -9310
(Micrometries) wurde für
die Untersuchung der Porosität
der Zementpaste verwendet.
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Der Temperatureinfluß auf den
Härtungsvorgang
wurde durch Messungen der Festigkeitszunahme bei verschiedenen Härtetemperaturen
studiert, nämlich
bei 5, 20, 35 und 50°C.
Die Testmuster waren würfelförmige Körper, die
die Abmessung 100 × 100 × 100 mm
hatten, die in Wasser gelagert wurden.
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Die freigesetzte Wärme bei
der Hydration des Betons wurde aus Messungen der Temperaturentwicklung
bei adiabatischen und halb-adiabatischen Bedingungen berechnet.
Jedes Testmuster hatte etwa vier Liter Beton, der in einen Eimer
aus dünnwandigem
Stahl eingebracht war.
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Aus den in den Tabellen 1 und 2 und
den 1 bis 4 dargestellten Ergebnissen
ist klar ersichtlich, daß die
Festigkeitsentwicklung und die endgültige Festigkeit des Betons,
der unter Verwendung von Zement gemäß der vorliegenden Erfindung
zubereitet wurde, in einem weiten Bereich von Härtetemperaturen wesentlich höher sind
im Vergleich zu den herkömmlichen
Bezugs-Betons.
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Die Zementpasten mit behandelten
Zementen sind durch eine viel niedrigere Porosität gekennzeichnet, wie es in 7 gezeigt ist.
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Die freigesetzte Wärme aufgrund
der Hydration pro Festigkeitseinheit für Betons mit behandelten Zementen
ist niedriger als für
Bezugs-Betons, wie es in 6 gezeigt
ist.
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Es gibt einen weiten Bereich von
geeigneten Anwendungen für
den gemäß der vorliegenden
Erfindung hergestellten Zement. Die Anwendungen umfassen die Herstellung
von Betonelementen, das Winter-Betonieren, die Reparatur von Gebäuden und
die Rehabilitation, den Straßenbau,
den Bodenbau, das Aufbringen von Beton-Oberschichten usw.