EP1663899A1 - Verfahren zum herstellen eines hydraulischen bindemittels, eines bauelements, deren verwendung sowie vorrichtung dazu - Google Patents

Verfahren zum herstellen eines hydraulischen bindemittels, eines bauelements, deren verwendung sowie vorrichtung dazu

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EP1663899A1
EP1663899A1 EP04764896A EP04764896A EP1663899A1 EP 1663899 A1 EP1663899 A1 EP 1663899A1 EP 04764896 A EP04764896 A EP 04764896A EP 04764896 A EP04764896 A EP 04764896A EP 1663899 A1 EP1663899 A1 EP 1663899A1
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EP
European Patent Office
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mixture
binder
sand
fine
particles
Prior art date
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Withdrawn
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EP04764896A
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Christoph Muther
Eduard Buzetzki
Eckehard Maruhn
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Silver Cay Worldwide Corp
Original Assignee
Individual
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    • C04B26/26—Bituminous materials, e.g. tar, pitch
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    • Y02W30/50—Reuse, recycling or recovery technologies
    • Y02W30/91—Use of waste materials as fillers for mortars or concrete

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a hydraulic binder on an inorganic basis according to the preamble of claim 1 and a component and a gas concrete block.
  • the invention also includes a device for carrying out the method and the use of the binder on the one hand and of polyelectrolytes on the other.
  • Concrete is one of the most important building materials and usually consists of a mixture of mineral components - such as sand, gravel or quarry stones - and cement as a binder; the latter sets with the addition of water and creates a kind of conglomerate rock.
  • the most important hydraulic binder for concrete is Portland cement (PZ), which consists of a finely ground mixture of PZ clinker and calcium sulfates - such as gypsum or anhydrite. After mixing with water, it hardens both in air and under water and maintains its strength even under water.
  • Raw materials containing lime and clay - such as limestone, clay, lime marl and clay marl - are mixed with one another in such a way that the raw material mixture in addition to silica (S ⁇ ), alumina (Al 2 0 3 ) and iron oxide (Fe 2 0 3 ) contains between 75 and 79% by weight of lime (CaC0 3 ) from the clay content.
  • the Geraisch is finely ground and then usually heated in rotary kilns with upstream preheating systems of various types until sintering.
  • the Portland cement clinker resulting from this process is then subjected to fine grinding subjected and by admixing additives such as gypsum or the like. processed into Portland cement.
  • cements include, for example, the metallurgical cements - Eisenportlandzement and Hocbiofenzement -, the trass cement and the oil shale cement, which contain various other aggregates for the Portland cement clinker (DIN 1164).
  • Special cements not standardized as cement may include a. Alumina cement, deep drilling cement and swelling cement.
  • the high-quality cements CEM * 42.5 and CEM 52.5 differ from normal cement CEM 32.5 in that they have a different composition and a higher fineness of grinding, which results in faster hardening - not setting - and on standardized test specimens after 28 Days gives the compressive strengths indicated by the numbers.
  • the higher initial strengths of the high-quality cements enable the formwork to be stripped earlier and therefore to be built more quickly.
  • fly ash is used as an additive in the manufacture of concrete; Fly ash is a product that is extracted from the exhaust gas from industrial furnaces or waste incineration plants by means of filter systems, which is carried as combustion residue in the combustion gases, mechanically entrained or condensed from the vapor state when it cools down.
  • calcined ashes and fly ash - for example from industrial furnaces in the paper industry - or slag sands are used.
  • the latter distort when the glowing red-hot blast furnace slag flowing from the slag tapping of the blast furnace is moved into moving water.
  • CEM international term for cement
  • the aim of the invention is to improve the usability of latent hydraulic binders - in particular those based on fly ash, calcined ash or blastfurnace slag and burnt oil shale - for practical use in the construction sector and, in particular, to enable faster hardening.
  • the product is ground by high mechanical loading of the batch in an activator, which among other things results in an increase in the surface area.
  • the globular structures of a fly ash are changed in such a way that an amorphous structure is created.
  • This structure benefits the setting process by interlocking the individual particles and increases the strength values, especially the compressive and bending tensile strengths.
  • the newly created reactive areas of the mixture subsequently increase the total specific surface area of the particles or grains - also called the Blain value.
  • the surface enlargement through the fine grinding on the one hand and the transfer of the particle structures into reactive areas on the other hand result in an overall increase in the Blain value of 8 to 24 times compared to a Portland cement.
  • shock waves continue in the particles, which lead to the fragmentation of the particles into amorphous structures and to disturbances of the lattice structure within the particles.
  • An activator is used as the device for producing this hydraulic binder.
  • This device enables the parameters necessary for activation to be reached at high speeds of the rotating tools up to 250m / sec.
  • the control of the material feed, the air supply, the process heat and the material discharge are of great importance.
  • the design of the tools for the mechanochemical as well as tribomechanical effects is of particular importance.
  • the activator essentially consists of a rotor and a stator, which are held on a machine platform.
  • the arrangement of the axis is vertical. It is driven by an electric motor using a V-belt on the rotor shaft to which the rotor is assigned.
  • the speed of the rotor is infinitely variable via a frequency converter.
  • the tools are exchangeable and adjustable.
  • the products to be activated are fed into the interior of the activator from a silo from above through a metering device by means of a rotary valve.
  • a rotary valve In an annular space or gap released by the rotor and stator, the batch is conveyed downward in a spiral, the air being held in counterflow by the dwell time of the product in this annular space. Also causes this air flow is the removal of excess heat.
  • the individual particles are thrown outwards against the stator by a pulse - caused by the rotor tools.
  • the tools of both the rotor and the stator are permanently coated with a layer of the mixture, so that the particles collide with one another or primarily with this layer.
  • This mutual exposure and the effects achieved thereby - such as plastic deformation, resilience, fragmentation, friction - cause a fundamental change in the physical characteristics of the particles.
  • the mass of the tools contributes significantly to supporting both the momentum and the momentum interruption and the resulting interactions such as reflections between the tools.
  • the chemical composition of the mixtures that can be activated is of a similar order of magnitude to that of the cements.
  • the product manufactured is mainly based on the basis of siliceous fly ash, blastfurnace slag and waste incineration slag.
  • This main component is added with additives - such as calcium oxides, calcium oxides, calcium carbonates and aluminum hydroxide - under oxidative conditions in the activator.
  • additives - such as calcium oxides, calcium oxides, calcium carbonates and aluminum hydroxide - under oxidative conditions in the activator.
  • the supply of oxygen is ensured by air fed into the activator from below.
  • the required proportion of admixture for a hardening time comparable to conventional concrete is in the range of 0.2 to 30 percent by weight with calcium aluminate.
  • the admixtures for sodium aluminate or potassium aluminate are 0.1 to 20 percent by weight.
  • the stated weight percentages relate to the finished binder mixture.
  • Mixtures of calcium aluminate, sodium aluminate or potassium aluminate can, of course, also be used, in which the amount of the respective admixtures is determined in such a way that the ranges of the admixtures specified above are not exceeded.
  • Type A (a) Characteristics • Slow setting based on strength class 32.5 N (> 32.5 N / mm 2 standard strength after 28 days); • compressive strength after 7 days> 16 N / mm 2 ; • E-module is given with the strength class; «High bending tensile strength.
  • Type B (a) character! Stika • Medium-fast setting based on strength class 32.5 R (> 32.5 N / mm 2 standard strength after 28 days); »Compressive strength after 2 Tg> 10 N / mm 2 .
  • Type C (c) Characteristics • Fast setting based on strength class 42.5 R (> 42.5 N / mm 2 standard strength after 28 days); • Compressive strength after 2 Tg> 20 N / mm 2 .
  • these binders can be used in various areas.
  • cationic surfactants it is achieved that after the curing phase, the component produced is waterproof after about 28 days; water is no longer absorbed by the structure of the component.
  • the possible uses include to be seen in the areas of hydraulic engineering, landfill construction, soil remediation, disposal of contaminated sites, etc.
  • this binder can be used in the area of thermally stable building materials such as in the lining of furnaces, converters, etc.
  • thermally stable building materials such as in the lining of furnaces, converters, etc.
  • the binder in the manufacture of aerated concrete. It has been shown here that when aluminum powder (less than 70 micrometers) is added, a closed-pore structure is formed, which corresponds to classic products in terms of strength values, densities, etc.
  • the scope of the invention also includes a method for producing components such as bricks, plates or molded parts for building construction and civil engineering, which should be inexpensive to carry out; the components produced in this way should prove to be resistant to tensile and compressive loads and to weather.
  • a mixture of the same proportions of clay with particle sizes below 100 ⁇ m, fine sand with particle sizes from 100 ⁇ m to 2 mm and sand with particle sizes over 2 mm is mixed in a mixer with polyelectrolytes - preferably polymers or copolymers based of acrylamide - and a hydraulic binder mixed, introduced into molds and pressed at a pressure of at least 40 N / mm 2 .
  • This process is particularly easy to carry out, since on the one hand only low demands are made on the equipment and on the other hand the required proportioning components are easily and cheaply available.
  • Clay is understood to mean that portion of the soil whose grain sizes are below 100 ⁇ m, fine sand that portion with particle sizes of 100 ⁇ m - 2 mm and as sand that part with grain sizes over 2 mm. These parts of clay, fine sand and sand are abundant in soils, although the proportions of clay, fine sand and sand obtained by removing the soil can of course differ in their proportions from the required composition. European soils have a high clay and gravel content, so that sand must be added in this case.
  • the necessary hydraulic binders such as cement, highly hydraulic lime, hydrated lime or fine lime, are also available in abundance and cheaply.
  • the choice of the respective binder and its required admixing amount depend in particular on the exact grain size distribution and moisture of the prepared mixture.
  • the grain size distribution of the processed batch not only the quantity distribution between clay, fine sand and sand content is of interest, but also the grain size distribution within each of these Groups.
  • Basic properties of the prepared batch, such as its compressibility, can already be derived from this.
  • fine lime or hydrated lime generally prove to be suitable as hydraulic binders for carrying out the method according to the invention, although in some cases highly hydraulic lime, cement and bituminous binders can also be used.
  • a polyelectrolyte is a water-soluble ionic polymer that is anionic from polyacids - e.g. polycarboxylic acids - cationic from polybases - e.g. Polyvinylammonium chloride - is formed or is neutral (polyampholytes or polysalts).
  • An example of natural polyelectrolytes are polysaccharides with ionic groups such as carrageenan, but also proteins and long-chain polyphosphates.
  • polyacrylamides are preferably used as polyelectrolytes, that is to say compounds made from monomers based on acrylamide.
  • mixtures of mono- and polymeric polyelectrolytes possibly together with solubilizers, emulsifiers and catalysts, and with admixtures of propylenediamine, dimethylammonium chloride or isopropyl alcohol.
  • mixtures of cationic surfactants can also be introduced.
  • the mixture of clay, fine sand and sand mixture, polyelectrolyte and hydraulic binder is subsequently introduced into molds and pressed at a pressure of at least 40 N / mm 2 .
  • the choice of the pressing pressure influences the ultimate strength of the components, but usually a pressure of 40 - 120 N / mm 2 is sufficient.
  • the polyelectrolyte is admixed with a preferred proportion of 0.001-2% by weight, based on the dry weight of the mixture of clay, fine sand and sand.
  • a styrene-acrylic copoly should be added to the hydraulic binder before adding the hydraulic binder, which is particularly advantageous in wet and salty batches.
  • the objectives of the invention are also achieved by the characterizing features of claim 22.
  • This procedure is particularly advantageous for prepared batches that have low moisture and a high proportion of fine sand.
  • the prepared mixture will be a bitumen emulsion as well as polyelectrolytes, "preferably polymers or copolymers based on acrylamide added.
  • polyelectrolyte in a preferred proportion of 0.001-2% by weight, based on the dry weight of the mixture of clay, fine sand and sand.
  • polyelectrolytes preferably polymers or copolymers based on acrylamide, for the production of structural elements such as bricks, plates or molded parts for building construction and civil engineering.
  • Claim 36 discloses bricks and molded parts for civil engineering, which contain polyelectrolytes, preferably polymers or copolymers based on acrylamide.
  • water-soluble ionic polymers are referred to here as polyelectrolytes, which are formed anionically from polyacids - for example polycarboxylic acids - cationically from polybases - for example polyvinylammonium chloride - or are neutral (polyampholytes or polysalts). It is also conceivable to use mixtures of mono- and polymeric polyelectrolytes, possibly together with solubilizers, emulsifiers and catalysts, and with admixtures of propylenediamine, dimethylammonium chloride or isopropyl alcohol.
  • polymers have ionic dissociable groups that can be part of the polymer chain and the number of which is so large that the polymers are water-soluble in dissociated form.
  • Polyacrylamide is preferably used in suspension form.
  • polyelectrolytes In aqueous solution, polyelectrolytes have reactive groups that show a strong affinity for the surfaces of the colloids and fine particles of the fine-grain portion of the soil.
  • the polyelectrolytes used in the invention can thus also be referred to as cross ⁇ surface-active substances.
  • the potentials that are effective on the particle surface are decisive for the optimal effect of the polyelectrolyte. They are dependent on the particles themselves as well as on the environmental conditions, i.e. on the ionic strength of the mixture and the resulting properties, such as pH, electrical conductivity or hardness.
  • the person skilled in the art will determine the polyelectrolyte with the corresponding ionogenicity which is suitable for the respective application.
  • polyacrylamide for example, is suitable in most cases and has good strengthening properties.
  • the polyelectrolyte is used here in a preferred proportion of 0.001-2% by weight, based on the dry weight of the mixture.
  • the proportion will be based in particular on the ionogenicity of the polyelectrolyte used and on the fine-grain fraction of the batch.
  • polyacrylamide 0.01% by weight has mostly proven to be sufficient.
  • any necessary addition of water can be dosed by dilution with water.
  • a styrene-acrylic copolymer for example an acrylic acid dispersion
  • a bitumen emulsion is preferably added. But it is not out of the question that there will be one Mixture of a styrene-acrylic copolymer and a bitumen emulsion can prove to be advantageous.
  • the hydraulic binder is added.
  • fine lime or hydrated lime have proven to be suitable binders for carrying out the process according to the invention, and in cases where there is a large proportion of larger grain sizes, highly hydraulic lime, cement and bituminous binders can also be advantageous.
  • the admixing amount of the respective binder is also based in particular on the moisture of the prepared batch, whereby efforts are made to achieve the so-called Proctor optimum, which is the degree of saturation of the batch at which the batch's optimum compressibility given is. Soils and the clay, fine sand and sand components obtained from them often have too high a moisture content, whereby water is extracted from the mixture when using fine lime, hydrated lime or highly hydraulic lime.
  • the mixture consisting of clay, fine sand and sand mixture, polyelectrolyte and hydraulic binding agent or any necessary additives such as styrene-acrylic copolymers is then introduced into molds and pressed at a pressure of at least 40 N / mm 2 .
  • the choice of the pressing pressure influences the ultimate strength of the components, but usually a pressure of 40-120 N / mm 2 is sufficient.
  • the components can be loaded after 50% drying.
  • the scope of the invention also includes a method for producing a gas concrete block, in which a mixture of a hydraulic binder, a fine-grained component, water and a blowing agent is produced, poured into molds and dried.
  • the mixture is poured into molds, and different formats and profiles can be cut in the semi-solid state.
  • the high strength of the aerated concrete is achieved by steam curing in autoclaves at approx. 160-220 ° C and approx. 12-15 bar pressure after about four to eight hours. The hydrogen escapes and the pores formed fill with air.
  • the gas concrete blocks manufactured in this way have comparatively low densities of up to around 400 kg / m 3 and, due to the pore structure and their air pockets, have good thermal insulation properties.
  • household waste is comminuted, homogenized and prepared with calcium-containing additives such as dolomite, calcite, lime marl or marl as well as with aluminum oxide-containing additives such as corundum dust, clay marl or to produce the hydraulic binder used for this method according to the invention Clinker mixed and burned; then up to 40% by weight Framework silicates, for example tuff, are added, and the product obtained is ground to a grain size of less than 0.063 mm.
  • Framework silicates for example tuff
  • fine slag from waste incineration plants, metallurgical or steel slag is used as a fine-grained component and a surfactant is used as a blowing agent.
  • Typical household waste usually contains 59-69% silicon oxide, 4.9-7.8% iron oxide, 5.1-6.3% aluminum oxide and 8.3-10.3% lime in% by weight and is therefore suitable for production an inorganic binder for concrete-like hardening masses.
  • the binder can be produced in waste incineration plants that are run on special refuse-derived fuels (BRAM). These are 18% to 26% by weight of silicon oxide, 2% to 5% iron oxide, 4% to 12% aluminum oxide and 58% to 66% lime, and 2% to 5% magnesium oxide.
  • BRAM refuse-derived fuels
  • the combustion bed temperature is at least 950 ° C and the calorific value of the waste is at least 13MJ / kg. The latter circumstance ensures that practically no additional primary energy has to be added for combustion.
  • calcium-containing industrial waste or calcium-containing rock such as dolomite, calcite, lime marl and the like. added that are readily available.
  • additives industrial waste such as corundum dust, but also clay marl, clinker and the like can also be used. be used.
  • fine slag from waste incineration plants MAA
  • metallurgical slag or steelworks slag is used as the fine-grained component.
  • These are the solid, non-combustible residues that arise in the course of combustion in industrial furnaces or incinerators.
  • waste incineration slag When incinerating waste, slag still accounts for around 35% of the original weight of the waste. In addition to the iron-containing components, waste incineration slag also contains significantly smaller amounts of non-ferrous metals such as copper, nickel, lead, zinc or tin in varying amounts.
  • Iron and steel slag can be broken down into blast furnace slag and steel works slag, whereby blast furnace slag is produced in the production of pig iron in the blast furnace and steel works slag in steel production in converters, in electric furnaces and Siemens Martin furnaces.
  • Metallurgical slag is formed during the extraction of non-ferrous (NE) metals. According to the current state of the art, about 250 kg of blast furnace slag is produced per ton of pig iron and about 120 kg of steelworks per ton of crude steel. slag. This results in large amounts of slag that can be recycled.
  • Blast furnace and steelworks slag differ in their chemical composition, but because of their main components calcium oxide, silicon dioxide, aluminum oxide and iron oxide they are both also suitable for use with the method according to the invention.
  • a blowing agent such as a surfactant can also be used.
  • This is understood to mean compounds that accumulate strongly from their solution at interfaces (eg water / oil) and thereby reduce the surface tension - in the case of liquid / gaseous systems, the surface tension.
  • polar solvents such as alcohols, ethers, pyridines, alkylformamides, etc. are also surface-active
  • the compounds used as surface-active substances in the context of the invention are those which have a lipophilic hydrocarbon radical and one, possibly also several, hydrophilic functional groups.
  • - -COONa, -S0 3 Na, -0-S0 3 Na and the like - have; such substances are also referred to as surfactants or detergents.
  • These can be water-soluble sodium or potassium salts of saturated and unsaturated higher fatty acids (also known as lye soap) or water-soluble sodium or potassium salts of the rosin rosin acids (also known as rosin soap), or water-soluble sodium or potassium salts of naphthenic acids - for example alkyl naphthalene sulfonic acid enriched on the casein basis.
  • the surface-active Agents are added in an amount of 0.03 to 0.001% by weight, based on the mixture before drying.
  • Drying can also be carried out without steam curing and without the production of high pressures; instead, air drying has proven to be sufficient.
  • the maturing process until the gas concrete blocks can be processed takes about 3 to 7 days, with the final strength increasing as the drying time increases. This not only achieves high energy savings, but also enables the production of more complicated shapes due to the elimination of the steam autoclave. The risk of explosion associated with the use of aluminum powder is eliminated.
  • the density of the gas concrete blocks produced according to the invention is between 650 and 1200 kg / cm 3 .
  • the compressive strengths and the bending tensile strengths are dependent on the density, the ratio between compressive strength and bending tensile strength being significantly greater than in the case of concrete, ie the existing bending tensile strength is comparatively high in relation to the compressive strength. This ensures that thermal insulation panels made from this material have excellent stability.
  • this method according to the invention it is also possible to reinforce the gas concrete block produced in this way with fibers, for example based on coconut or plastic, whereby the bending tensile strength can be increased considerably. It is shown that in particular the use of fine slag instead of the fine sand usually used has extremely favorable effects on the strength of the gas concrete block produced by the method according to the invention.
  • powdered aluminum can also be used in addition to the surfactant, which is aluminum from recycled materials. In this case too, the energy-intensive and complex steam autoclaving can be dispensed with.
  • the powdered aluminum is added in an amount of 0.05 to 0.001% by weight, based on the mixture before drying.
  • the amount of aluminum powder used will depend on the one hand on the amount of the surfactant used and on the other hand depend on which properties, in particular what density, the final gas concrete block should have.
  • additional quantities of aluminum powder ensure that the pore structure turns out coarser after drying, which reduces the density of the gas concrete block.
  • the average pore size depends on the average grain size of the aluminum powder used. It is obvious that depending on the mixing ratio and grain sizes of the aluminum powder used and the blowing agent, different properties of the final gas concrete block can be realized.
  • This invention thus provides an extremely inexpensive method of manufacturing a gas concrete block that is extremely suitable for use as a high-quality, heat-insulating lightweight building material.
  • Fig. 6 the side view of a tool part.
  • a pile 10 of spherical components 12 is shown. Due to the high mechanical loading of this mixture in an activator described below, the product is ground, whereby u. a. an increase in the surface is achieved.
  • the globular structures of a fly ash are changed in such a way that an amorphous structure is created. This structure favors the setting process by interlocking the individual particles 14 which have arisen after a comminution process and increases the strength values, in particular the compressive and bending tensile strengths.
  • shock waves continue in the particles 12, which break them down into amorphous structures and disrupt the structures Lattice structure within the particles lead, as shown in FIG. 2.
  • the comminution takes place in a so-called activator 20, which has a rotor 24 and a stator 30 on a machine platform 22, the top plate 32 of which is penetrated by a rotor shaft 26.
  • the latter runs coaxially to the vertical axis A of the rotor 24.
  • the rotor 24 is driven by an electric motor 36, which can be seen outside the stator wall 34, by means of a V-belt 38 on the rotor shaft 26.
  • the speed of the rotor 24 is infinitely variable via a frequency converter, which cannot be seen.
  • a metering device 42 is a cylindrical silo from which the pile 10 is fed to a metering device 42. Beneath this is a floor-level horizontal arm 45 of a conveyor 44 - in longitudinal section here Z-shaped - whose inclined central section 46 merges into a ridge arm 47 above the cover plate 32 of the stator 30. The latter is followed by a cellular wheel sluice 50 through which the material to be conveyed 10 is fed to the interior of the activator 20.
  • the batch 10 is conveyed downward in a spiral in the annular space or annular gap 52, the dwell time of which can be regulated by counter-flowing air. This air flow also removes the excess heat.
  • the individual particles 14 are thrown outwards against the stator 30 by a pulse - caused by the rotor tools 54 r .
  • the tools 54 and 54 r of both the stator 20 and the rotor 24 are continuously coated with a layer of the mixture 10, so that the particles 14 collide with one another or primarily with this layer. This mutual action and the effects achieved thereby - such as plastic deformation, resilience, fragmentation, friction - cause a fundamental change in the physical properties of the particles 14.
  • the mass of the layers 54, 54 r contributes significantly to both the momentum and the momentum interruption and the resulting interactions such as reflections between the figures 54, 54 r to support.

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Abstract

Bei einem Verfahren zum Herstellen eines hydraulischen Bindemittels auf an organischer Basis werden latenthydraulische Stoffe als Rückstände aus thermischen Prozessen durch mechanochemische und/oder tribomechanische Vorgänge aktiviert. Die Gitterstrukturen des Stoffgemenges werden durch kinetische Beaufs'chlagung und die damit verbundene Wechselwirkung zwischen Impuls und Impulsunterbrechung, welche plasmoide Zustände der Partikel hervorruft, verändert; die Partikelstruktur wird durch Schockwellen bzw. durch Stauungsenergien verändert, welche durch den Impuls bzw. die Impulsunterbrechung ausgelöst werden. Die Partikel werden durch ihre Veränderung in amorphe Strukturen durch auftretende Impulse und Impulsunterbrechungen bzw. Reflektionen verändert. Dies erfolgt mit einer Vorrichtung, die einen Aktivator (20) mit Stator (30) und Rotor (24) auf einem Maschinenpodest (22) enthält, wobei Stator (30) und Rotor (24) einen Ringraum oder Ringspalt begrenzen als Förderweg für die Stoffe. Dem Ringspalt sind Werkzeuge des Stators (30) und/oder Rotors (24) zugeordnet, die zumindest teilweise von einer Schicht des Gemenges überzogen sind. Zudem sind dem Ringspalt ein Dosiergerät (42) sowie zumindest eine am anderen Ringspaltende angebrachte Luftzuleitung vorgeordnet.

Description

BESCHREIBUNG
Verfahren zum Herstellen eines hydraulischen Bindemittels, eines Bauelements, deren Verwendung sowie Vorrichtung dazu
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines hydraulischen Bindemittels auf anorganischer Basis nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 sowie eines Bauelements und eines Gasbetonsteines. Zudem erfasst die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens sowie die Verwendung des Bindemittels zum einen und von Polyelektrolyten zum anderen.
Beton ist einer der wichtigsten Baustoffe und besteht in der Regel aus einer Mischung mineralischer Komponenten -- wie Sand, Kies oder Bruchsteinen -- sowie Zement als Bindemittel; letzterer bindet unter Zugabe von Wasser ab und lässt eine Art von Konglomeratgestein entstehen.
Das wichtigste hydraulische Bindemittel für Beton ist Port- landzement (PZ) , der aus einem feingemahlenen Gemisch von PZ-Klinker und Calciumsulfaten -- wie Gips oder Anhydrit -- besteht . Er erhärtet nach dem Anrühren mit Wasser sowohl an der Luft als auch unter Wasser und behält auch unter Wasser seine Festigkeit bei. Zu seiner Herstellung werden kalk- und tonhaltige Rohstoffe -- wie Kalkstein, Ton, Kalkmergel und Tonmergel -- derart miteinander vermischt, dass das Rohstoffgemisch neben Kieselsäure (S^) , Tonerde (Al203) und Eisenoxid (Fe203) aus dem Tonanteil zwischen 75 und 79 Gew.-% Kalk (CaC03) enthält. Bevorzugt kommen auf ein Gewichtanteil löslicher Kieselsäure, Tonerde und Eisenoxid mindestens 1,7 Gewichtsanteile Kalk. Das Geraisch wird fein gemahlen und dann üblicherweise in Drehrohröfen mit vorge- schalteten Vorwärmsystemen unterschiedlicher Bauart bis zur Sinterung erhitzt. Der aus diesem Prozess entstandene Portlandzement-Klinker wird im Anschluss einer Feinvermahlung unterzogen und durch Beimischung von Zi schlagsstoffen wie Gips od.dgl. zum Portlandzement verarbeitet.
Weitere Sorten von Zementen sind beispielsweise die Hüttenzemente -- Eisenportlandzement und Hocbiofenzement -- , der Trasszement sowie der Ölschieferzement , die verschiedene andere Zuschlagstoffe zum Portlandzement -Klinker enthalten (DIN 1164) . Nicht als Zement genormte Sonderzemente sind u. a. Tonerdezement, Tiefbohrzement und Quellzement.
Zemente werden in drei Güteklassen angeboten. Die hochwertigen Zemente CEM* 42,5 und CEM 52,5 unterscheiden sich vom normalen Zement CEM 32,5 durch eine andere Zusammensetzung sowie eine höhere Mahlfeinheit, welche ein schnelleres Er- härten -- nicht Abbinden -- bewirkt und an genormten Prüfkörpern nach 28 Tagen die durch die Zahlen gekennzeichneten Druckfestigkeiten ergibt. Die höheren Anfangsfestigkeiten der hochwertigen Zemente ermöglichen ein früheres Ausschalen und damit einen rascheren Baufortsctiritt .
Um die Kosten für die Herstellung von Bindemitteln zu senken, wird zunehmend nach Alternativen zu den verwendeten Ausgangsstoffen gesucht. So wird etwa Flugasche als Zusatzstoff bei der Betonherstellung eingesetzt; Flugasche ist ein Produkt, das mittels Filtersystemen dem Abgas von Industriefeuerungen oder Müllverbrennungsanlagen entzogen wird, welches als Verbrennungsrückstand in den Verbrennungsgasen mitgeführt, mechanisch mitge-trissen oder beim Abkühlen aus dem Dampfzustand kondensiert wird.
Des Weiteren werden kalzinierte Aschen und Flugaschen -- etwa aus Industriefeuerungen der Papierindustrie -- oder Hüttensande verwendet. Letztere entstellen bei der Einleitung der vom Schlackenabstich des Hochofens abfließenden, glühendflüssigen Hochofenschlacke in bewegtes Wasser.
CEM = internationale Bezeichnung für Zement Diese oben genannten, in Zement Verwendung findenden Zuschlagsstoffe bewirken, dass das Bindemittel langsamer erhärtet. So wird etwa eine bei herkömmlichem Beton nach 28 Tagen erreichte Festigkeit erst nach etwa 90 Tagen erzielt. Diese als latenthydraulisch geltenden Bindemittel sind daher nur sehr eingeschränkt einsetzbar.
Angesichts dieser Gegebenheiten ist Ziel der Erfindung, die Verwendbarkeit latenthydraulischer Bindemittel -- insbeson- dere jener auf Basis von Flugaschen, kalzinierten Aschen oder Hüttensanden sowie gebranntem Ölschiefer -- für den praktischen Einsatz im Bausektor zu verbessern und insbesondere die schnellere Erhärtung zu ermöglichen.
Zur Lösung dieser Aufgabe führt die Lehre des unabhängigen Anspruches; die Unteransprüche geben günstige Weiterbildungen an. Zudem fallen in den Rahmen der Erfindung alle Kombinationen aus zumindest zwei der in der Beschreibung, der Zeichnung und/oder den Ansprüchen offenbarten Merkmale. Bei angegebenen Bemessungsbereichen sollen auch innerhalb der genannten Grenzen liegende Werte als Grenzwerte offenbart und beliebig einsetzbar sein.
Durch entsprechende Komponentierungen, mit denen die unter- schiedlichen Flugaschenzusammensetzungen ausgeglichen werden können, einerseits sowie eine Behandlung des Gemenges in einem Aktivator anderseits werden die sich im latenthydraulischem Zustand befindlichen Stoffe in der Gitterstruktur und der Geometrie d.er einzelnen Partikel dahin- gehend verändern, dass sich ak ivhydraulische Wirkungen ergeben, welche in der Folge einem hochwertigen Portlandzementklinker entsprechen.
Durch hohe mechanische Beaufschlagung des Gemenges in einem Aktivator erfolgt ein Vermählen des Produktes, wodurch u.a. eine Vergrößerung der Oberfläche erzielt wird. Zudem werden die globularen Strukturen einer Flugasche derart verändert, dass eine amorphe Struktur entsteht. Diese Struktur be- günstigt den Abbindeprozess durch Verhakung der einzelnen Partikel untereinander und erhöht die Festigkeitswerte, insbesondere die Druck- und Biege-Zugfestigkeiten. Die neu geschaffenen reaktiven Flächen des Gemenges erhöhen in der Folge die -- auch Blainwert genannte -- gesamte spezifische Oberfläche der Partikel oder Körner. Die Oberflächenvergrößerung durch die Feinvermahlung einerseits sowie die Überführung der Partikelstrukturen in reaktive Flächen anderseits ergeben insgesamt eine Erhöhung des Blainwertes um das 8- bis 24 -fache gegenüber einem Portlandzement .
Durch das Auf- bzw. Gegeneinander-Prallen der Partikel und die auftretenden Reflektionen an den Werkzeugen setzen sich Schockwellen in den Partikeln fort, die zur Zersplitterung der Partikel in amorphe Strukturen und zu Störungen der Gitterstruktur innerhalb der Partikel führen.
Während des Impacts der Partikel -- bzw. durch das Gegen- einanderprallen der Partikel einerseits und der Werkzeuge anderseits -- kommt es zu einer im Ultraschallbereich liegenden Ausbreitung von Schockwellen in Wechselwirkung mit auftretenden Stauungsenercjien durch die Impulsunterbre- chung .
Diese Energien -- wie u.a. Friktion, Kinetik, an den Partikeln wirkende Scherkraft -- werden größtenteils in thermische Energie übergeführt, die ihrerseits über die neu ge- schaffenen Oberflächen abgeleitet und an die Prozessluft abgegeben wird. Die an den Bruchstellen kurzzeitig innerhalb von wenigen Millisekunden wiederholt auftretende Temperaturerhöhung von bis zu über 3000 °C bewirkt eine thermoplastische Veränderung der Grenzflächen. Die beaufschlagten Teilchen bzw. Partikel befinden sich kurzzeitig in einem plasmoiden Zustand. Die beschriebenen mechanochemisehen und tribomechanischen Vorgänge bewirken die Aktivierung der latenthydraulischen mineralischen Komponenten. Das Gemenge kann nun als Substi- tut eines Portlandzementes eingesetzt werden.
Versuche haben gezeigt, dass dieses neuartige hydraulische Bindemittel -- nebst den klassischen Anwendungen im Hoch- und Tiefbau -- sich dank seiner hervorragenden Eigenschaften auch im Bereich der Herstellung von Porenbeton und Feuerfestapplikationen anwenden lässt .
Als Vorrichtung zum Herstellen dieses hydraulischen Bindemittels wird ein Aktivator eingesetzt. Dieses Gerät ermöglicht es, unter hohen Geschwindigkeiten der rotierenden Werkzeuge bis 250m/sec die für die Aktivierung notwendigen Parameter zu erreichen. Dabei kommt der Regelung der Materialaufgabe, der Luftzufuhr, der Prozesswärme und dem Materialaustrag hohe Bedeutung zu. Die Ausgestaltung der Werkzeuge für die mechanochemisehen wie auch tribomechanischen Wirkungen ist von besonderer Wichtigkeit .
Der Aktivator besteht im wesentlichen aus einem Rotor und einem Stator, welche von einem Maschinenpodest aufgenommen sind. Die Anordnung der Achse ist senkrecht. Der Antrieb erfolgt über einen Elektromotor mittels Keilriemens auf die Rotorwelle, welcher der Rotor zugeordnet ist. Die Drehzahl des Rotors ist stufenlos über einen Frequenzumrichter regelbar. Die Werkzeuge sind auswechsel- und verstellbar.
Die Einspeisung der zu aktivierenden Produkte erfolgt aus einem Silo von oben durch ein Dosiergerät mittels einer Zellenradschleuse in den Innenraum des Aktivators. In einem durch den Rotor und Stator freigegebenen Ringraum oder Spalt wird das Gemenge spiralförmig nach unten gefördert, wobei durch gegenströmende Luft die Verweilzeit des Produktes in diesem Ringraum geregelt werden kann. Zudem bewirkt dieser Luftstrom die Abfuhr der Überschusswärme. In diesem Ringraum werden die einzelnen Partikel durch einen -- durch die Rotorwerkzeuge hervorgerufenen -- Impuls nach außen gegen den Stator geschleudert .
Die Werkzeuge sowohl des Rotors als auch des Stators sind permanent mit einer Schicht des Gemenges belegt, so dass ein Aufprall der Partikel gegenseitig bzw. primär mit diesem Layer erfolgt. Diese gegenseitige Beaufschlagung und die dadurch erreichten Effekte -- wie plastische Verformung, Rückstellverhalten, Zersplitterung, Friktionen -- bewirken eine grundlegende Veränderung der physikalischen Charakteristik der Partikel .
Da die Werkzeuge belegende Schichten des Gemenges durch Auflage und Widerstandskraft derselben gestützt werden, trägt die Masse der Werkzeuge wesentlich dazu bei, sowohl den Impuls als auch die Impulsunterbrechung und die daraus resultierenden Wechselwirkungen wie Reflektionen zwischen den Werkzeugen zu unterstützen.
Die aktivierbaren Gemenge bewegen sich in ihrer chemischen Zusammensetzung in ähnlichen Größenordnungen wie die der Zemente. Das hergestellte Produkt jedoch basiert hauptsäch- lieh auf der Basis von kieselsäurehaltigen Flugaschen, Hüt- tensanden und Müll erbrennungsschlacken.
Dieser Hauptbestandteil wird jeweils unter Beigabe von Zuschlagsstoffen -- wie etwa von Kalziumoxiden, Kalziumhydro- xiden, Kalziumkarbonaten als auch Al miniumhydroxid unter oxidativen Bedingungen im Aktivator gefahren. Die Zufuhr von Sauerstoff wird durch von unten in den Aktivator geführte Luft gewährleistet.
Die erforderlichen Zumischanteile für eine zu herkömmlichem Beton vergleichbare Erhärtungszeit bewegen sich bei Kal- ziumaluminat im Bereich von 0.2 bis 30 Gewichtsprozenten. Die Zumischanteile für Natriumaluminat oder Kaliumaluminat betragen jeweils 0.1 bis 20 Gewichtsprozente. Die angegebenen Gewichtsprozente beziehen sich hierbei auf die fertige Bindemittelmischung .
Selbstverständlich können auch Mischungen von Kalziumalumi- nat , Natriumaluminat oder Kaliumaluminat verwendet werden, bei denen die Menge der jeweiligen Zumischanteile so festgelegt wird, dass die oben angegebenen Bereiche der Zumischanteile nicht überschritten werden.
Nunmehr werden verfahrenstypische Rezepturen vorgestellt:
TABELLE I Flugasche/Steink. Hüttensand geb . Ölschiefer Ca-alum. Ant.gew.% Ant.gew.% Ant.gew.% Ant.gew%
Typ A 69 15 15 1
Typ B 65 10 20 5 Typ C 65 13 15 7
Die Typen A bis C werden nachfolgend erörtert :
Typ A: (a) Charakteristika • Langsam abbindend in Anlehnung an Festigkeitsklasse 32.5 N (>32.5 N/mm2 Normfestigkei nach 28 Tg); • Druckfestigkeit nach 7 Tg >16 N/mm2; • E-Modul ist mit der Festigkeitsklasse gegeben; «hohe Biegezugfestigkeit.
(b) Anwendung Fertigprodukte div. Betonelemente (Steine, Platten, Winkelplatten od . dgl . ) . Typ B : (a) Charakter!stika • Mittelschnell abbindend in Anlehnung an Festigkeitsklasse 32.5 R (>32.5 N/mm2 Normfestigkeit nach 28 Tg); »Druckfestigkeit nach 2 Tg >10 N/mm2.
(b) Anwendung Wie Typ A und im Tiefbau (Fundament Randabschlüsse, Fundament Beleuchtungspfosten, Unterbauschallungen od.dgl.) .
Typ C: (c) Charakteristika • Schnell abbindend in Anlehnung an Festigkeitsklasse 42.5 R (>42.5 N/mm2 Normfestigkeit nach 28 Tg); • Druckfestigkeit nach 2 Tg >20 N/mm2.
(b) Anwendung Tiefbau, Hochbauelemente und Wasserbau, da schnell bindend!
Unter Beigabe weiterer Zuschlagsstoffen können diese Bindemittel in verschiedenen Bereichen eingesetzt werden. Mit der Beigabe von kationischen Tensiden wird erreicht, dass nach der Aushärtungsphase etwa nach 28 Tagen der hergestellte Bauteil wasserfest ist; es wird kein Wasser durch die Struktur des Bauteils mehr aufgenommen.
Die Anwendungsmöglichkeiten sind u.a. in den Bereichen des Wasserbaus, Deponiebaus, der Bodensanierung, Altlastenbeseitigung usw. zu sehen.
Durch Beigabe von Feuerfestanbeilen und der Erhöhung des Kalziumaluminatanteils auf etwa 40% kann dieser Binder im Bereich der thermisch stabilen Baustoffen wie in Ausmauerungen von Öfen, Konvertern usw. eingesetzt werden. Von besonderem Interesse ist auch die Anwendung des Binders beim Herstellen von Porenbeton. Hier hat sich gezeigt, dass sich unter der Beigabe von Aluminiumpulver (kleiner 70 Mik- rometer) eine geschlossenporige Struktur ausprägt, welche bezüglich der Festigkeitswerte, Dichten usw. klassischen Produkten entsprechend ist .
Der entscheidende Vorteil ist jedoch die Tatsache, dass der bei den herkömmlichen Herstellungsverfahren notwendige Einsatz eines Autoklaven gänzlich entfällt.
Offene Formgebung sowie die unter der Beigabe von kationischen Tensiden erreichbare Wasserfestigkeit und Dichtheit sind weitere Vorteile, die in Kombination mit dem erfindungsgemäßen Bindemittel gegeben sind.
Im Rahmen der Erfindung liegt auch ein Verfahren zum Herstellen von Bauelementen wie Ziegel, Platten oder Formtei- len für den Hoch- und Tiefbau, das kostengünstig ausführbar sein soll; die so erzeugten Bauelemente sollen sich als widerstandsfähig gegen Zug- und Druckbeanspruchung sowie gegen Witterung erweisen.
Um dies zu erreichen, wird erfindungsgemäß ein Gemenge von jeweils gleichen Anteilen an Ton mit Korngrößen unter 100 μm, Feinsand mit Korngrößen von 100 μm bis 2 mm und Sand mit Korngrößen über 2 mm in einem Mischer mit Polyelektrolyten -- vorzugsweise Polymeren oder Copolymeren auf Basis von Acrylamid -- sowie einem hydraulischen Bindemittel vermengt, in Formen eingebracht und bei einem Pressdruck von mindestens 40 N/mm2 gepresst . Dieses Verfahren ist besonders einfach durchzuführen, da zum einen nur geringe Anforderungen an die apparative Ausrüstung gestellt werden sowie zum anderen die erforderlichen Zumischanteile leicht und billig erhältlich sind. Als Ton wird hierbei jener Bodenanteil verstanden, dessen Korngrößen unter 100 μm liegen, als Feinsand jener Anteil mit Korngrößen von 100 μm - 2 mm und als Sand jener Anteil mit Korngrößen über 2 mm. Diese Ton-, Feinsand- und Sandanteile sind in Böden reichlich vorhanden, wenngleich die durch Abtragung des Bodens gewonnenen Ton-, Feinsand- und Sandanteile in ihren Mengenanteilen von der geforderten Zusammensetzung selbstverständlich abweichen können. Europäische Böden weisen etwa einen hohen Lehm- und Kiesgehalt auf, so dass in diesem Fall Sandanteile zuzumischen sind. Auch die erforderlichen hydraulischen Bindemittel, beispielsweise Zement, hochhydraulischer Kalk, Kalkhydrat oder Feinkalk, sind reichlich und billig verfügbar.
Das zur Durchführung dieses Verfahrens erforderliche Gemenge an Ton, Feinsand und Sand ist einfach zu gewinnen, da die meisten Böden diese dr:ei Bestandteile in ausreichendem Maß enthalten. In der praktischen Anwendung sind zur Gewinnung des Gemenges an Ton, Feinsand und Sand lediglich die oberen Bodenschichten abzutragen und nach dem Beseitigen von Kies, Stein sowie organischen Anteilen Mischanlagen zu- zuführen, in denen sie mit dem jeweiligen Bindemittel sowie den Polyelektrolyten vermengt werden. Es ist lediglich die Zusammensetzung an Ton, Feinsand sowie Sand zu überprüfen und sicherzustellen, dass sie zu jeweils gleichen Anteilen vorkommen. Gegebenenfalls ist eine Komponente zuzumischen, falls sie in einem zu geringen Anteil vorkommt. Liegen Ton-, Feinsand- und Sandanteile -- wie oben definiert -- im Wesentlichen zu jeweils gleichen Anteilen vor, kann dieses Gemenge, das im Folgenden auch als "aufbereitetes Gemenge" bezeichnet wird, den weiteren Verfahrensschritten zugeführt werden.
Die Wahl des jeweiligen Bindemittels sowie dessen erforderliche Zumischmenge richtet sich insbesondere nach der genauen Korngrößenverteilung sowie Feuchtigkeit des aufberei- teten Gemenges. Hinsichtlich der Korngrößenverteilung des aufbereiteten Gemenges ist nicht nur die Mengenverteilung zwischen Ton-, Feinsand- und Sandanteil von Interesse, sondern auch die Korngrößenverteilung innerhalb jeder dieser Gruppen. Daraus können bereits grundlegende Eigenschaften des aufbereiteten Gemenges, etwa hinsichtlich seiner Verdichtungsf higkeit, abgeleitet werden.
Wie unten näher ausgeführt, erweisen sich als hydraulische Bindemittel zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in der Regel Feinkalk oder Kalkhydrat als geeignet, wobei in manchen Fällen auch hochhydraulischer Kalk, Zement und bituminöse Bindemittel Einsatz finden können.
Als Polyelektrolyt wird hier im herkömmlichen Sinn ein wasserlösliches ionisches Polymer bezeichnet, das anionisch aus Polysäuren -- beispielsweise Polycarbonsäuren -- kationisch aus Polybasen -- z.B. Polyvinylammoniumchlorid -- entsteht oder neutral ist (Polyampholyte oder Polysalze) . Ein Beispiel für natürliche Polyelektrolyte sind Poly- saccharide mit ionischen Gruppen wie Carrageen, aber auch Proteine und langkettige Polyphosphate . Erfindungsgemäß werden vorzugsweise Polyacrylamide als Polyelektrolyte ein- gesetzt, also Verbindungen aus Monomeren auf Acrylamidba- sis. Es ist des weiteren denkbar, auch Mischungen mono- und polymerer Polyelektrolyte, evtl. gemeinsam mit Lösungsvermittlern, Emulgatoren und Katalysatoren sowie mit Beimengungen an Propylendiamin, Dimethylammoniumchlorid oder Isopropylalkohol einzusetzen. Alternativ dazu können auch Mischungen kationischer Tenside eingebracht werden. Diese Polyelektrolyte bewirken eine Agglomeration der feinkörnigen Bestandteile, die nicht auf der chemischen Umwandlung von Wasser beruht .
Das Gemisch aus Ton-, Feinsand- und Sandgemenge, Polyelektrolyt sowie hydraulischem Bindemittel wird in weiterer Folge in Formen eingebracht und bei einem Pressdruck von mindestens 40 N/mm2 gepresst . Die Wahl des Pressdruckes be- einflusst die letztendliche Festigkeit der Bauelemente, wobei man in der Regel aber mit einem Pressdruck von 40 - 120 N/mm2 das Auslangen findet. Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung wird das Poly- elektrolyt mit einem bevorzugten Mengenanteil von 0.001-2 Gew.-%, bezogen auf das Trockengewicht des Gemenges von Ton, Feinsand und Sand, beigemengt. Zudem soll vor Zugabe des hydraulischen Bindemittels dem hydraulischen Bindemittel ein Styren-Acryl-Copoly er beigemengt werden, was insbesondere bei nassen und salzigen Gemengen vorteilhaft ist .
Die Erfindungsziele werden auch durch die kennzeichnenden Merkmale von Anspruch 22 erreicht. Diese Vorgehensweise ist besonders bei aufbereiteten Gemengen vorteilhaft, die über geringe Feuchtigkeit und hohem Feinsandanteil verfügen. Hierbei wird vorgesehen, dass dem aufbereiteten Gemenge eine Bitumenemulsion sowie Polyelektrolyte," vorzugsweise Polymere oder Copolymere auf Basis von Acrylamid, beigemengt werden.
Auch hat es sich als günstig erwiesen, das Polyelektrolyt mit einem bevorzugten Mengenanteil von 0.001-2 Gew. -% -- bezogen auf das Trockengewicht des Gemenges von Ton, Feinsand und Sand -- beizumengen. Dazu umreisst Anspruch 35 schließlich die Verwendung von Polyelektrolyten, vorzugsweise Polymere oder Copolymere auf Basis von Acrylamid, zum Herstellen von Bauelementen wie Ziegel, Platten oder Formteilen für den Hoch- und Tiefbau.
Anspruch 36 offenbart Ziegel sowie Formteile für den Hoch- und Tiefbau, die Polyelektrolyte, vorzugsweise Polymere oder Copolymere auf Basis von Acrylamid, enthalten.
Im folgenden wird dieses erfindungsgemäße Verfahren näher beschrieben:
Zunächst sind zur Gewinnung des Gemenges an Ton, Feinsand und Sand die oberen Bodenschichten abzutragen und nach Beseitigung von Kies, Stein sowie organischer Anteile Mischanlagen zuzuführen. An die Zusammensetzung dieser Boden- schichten sind keine großen Anforderungen zu stellen, da die zur Durchführung des Verfahrens erforderlichen Ton-, Feinsand- und Sandanteile zumeist reichlich vorkommen. Es ist lediglich die relative Zusammensetzung an Ton, Feinsand sowie Sand zu überprüfen und sicherzustellen, dass sie zur weiteren Verarbeitung zu jeweils gleichen Anteilen vorkommen. Gegebenenfalls ist eine Komponente zuzumischen, falls sie in einem zu geringen Anteil vorkommt. Liegen Ton-, Feinsand- und Sandanteile -- wie oben definiert -- im Wesentlichen zu jeweils gleichen Anteilen vor, wird dieses aufbereitete Gemenge in einem anschließenden Verfahrensschritt mit Polyelektrolyt in einem Mischer vermengt. Wie bereits erwähnt, werden hier als Polyelektrolyte wasserlösliche ionische Polymere bezeichnet, die anionisch aus Polysäuren -- beispielsweise Polycarbonsäuren -- kationisch aus Polybasen -- z.B. Polyvinylammoniumchlorid -- entstehen oder neutral sind (Polyampholyte oder Polysalze) . Es ist des weiteren denkbar, auch Mischungen mono- und po- lymerer Polyelektrolyte, evtl. gemeinsam mit Lösungsvermittlern, Emulgatoren und Katalysatoren sowie mit Beimengungen an Propylendiamin, Dimethylammoniumchlorid oder Isopropylalkohol einzusetzen. Diese Polymere verfügen über ionische dissoziierbare Gruppen, die Bestandteil der Poly- merkette sein können und deren Zahl so groß ist, dass die Polymere in dissoziierter Form wasserlöslich sind. Vorzugsweise wird Polyacrylamid in Suspensionsform verwendet. In wässriger Lösung verfügen Polyelektrolyte über reaktive Gruppen, die eine starke Affinität zu den Oberflächen der Kolloide und Feinstpartikel des Feinkornanteils des Bodens zeigen. Je nach der Ionogenität des Polyelektrolyts beruhen die Wechselwirkungen gegenüber den Feststoffteilchen auf der Bildung von Wasserstoff-Brücken, wie dies bei den nichtionischen Polymeren der Fall ist, oder auf elektrosta- tischen Wechselwirkungen und auf Ladungsaustausch und dadurch bedingte EntStabilisierung der Partikeloberfläche: In diesem Sinne wirken die anionischen (= negativ geladenen) und die kationischen (= positiv geladenen) Polyelektrolyte. Durch EntStabilisierung und Verknüpfung sehr vieler Einzelpartikel kommt es zur irreversiblen Agglomeration der Feinteilchen im Ton-, Feinsand- und Sandgemenge, was eine höhere Dichte und somit eine höhere Festigkeit des letzt- endlich erzeugten Bauelements bewirkt. Die erfindungsgemäß verwendeten Polyelektrolyte können somit auch als grenz¬ flächenaktive Substanzen bezeichnet werden.
Ausschlaggebend für die optimale Wirkung des Polyelektro- lyts sind die an der Partikeloberfläche wirksamen Potentiale. Sie sind sowohl von den Teilchen selbst als auch von den Umgebungsbedingungen abhängig, d.h. von der Ionenstärke des Gemenges und den dadurch vorgegebenen Eigenschaften, wie pH-Wert, elektrische Leitfähigkeit oder Härte. Durch relativ einfache Vorversuche wird der Fachmann das für den jeweiligen Anwendungsfall geeignete Polyelektrolyt mit der entsprechenden Ionogenität ermitteln. Es hat sich aber gezeigt, dass etwa Polyacrylamid in den meisten Fällen geeignet ist und gute Eigenschaften hinsichtlich Verfestigung zeigt. Das Polyelektrolyt wird hierbei mit einem bevorzugen Mengenanteil von 0.001-2 Gew.-%, bezogen auf das Trockengewicht des Gemenges, verwendet. Der Mengenanteil wird sich insbesondere an der Ionogenität des verwendeten Poly- elektrolyts sowie am Feinkornanteil des Gemenges orientie- ren. Bei Verwendung von Polyacrylamid haben sich meistens 0.01 Gew.-% als ausreichend erwiesen. Über die Verdünnung mit Wasser kann bei Ton-, Feinsand- und Sandgemengen mit niedrigem Feuchtigkeitsgehalt eine evtl. erforderliche Zugabe von Wasser dosiert werden.
In einem weiteren Verfahrensschritt wird im Falle eines nassen und/oder salzigen Gemenges und/oder Gemenge mit hohen Feinkornanteil ein Styren-Acryl-Copolymer, etwa eine Acrylsäuredispersion zugeführt. Im Fall eines aufbereiteten Gemenges mit geringem Feuchtigkeitsgehalt und hohem Feinsandanteil wird bevorzugt eine Bitumenemulsion beigegeben. Es ist aber nicht ausgeschlossen, dass sich auch eine Mischung eines Styren-Acryl-Copolymers und einer Bitumemul- sion als vorteilhaft erweisen kann.
Anschließend wird das hydraulische Bindemittel beigegeben. In der Regel erweisen sich Feinkalk oder Kalkhydrat zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens als geeignete Bindemittel, wobei sich in Fällen mit jeweils hohem Anteil an größeren Korngrößen auch hochhydraulischer Kalk, Zement und bituminöse Bindemittel als vorteilhaft erweisen können. Die Zumischmenge des jeweiligen Bindemittels orientiert sich insbesondere auch an der Feuchtigkeit des aufbereiteten Gemenges, wobei man bestrebt ist, das sog. Proctor- Optimum zu erreichen, bei dem es sich um jenen Sättigungsgrad des Gemenges handelt, bei dem die optimale Verdich- tungsfähigkeit des Gemenges gegeben ist. Oft weisen Böden und somit die daraus gewonnenen Ton- , Feinsand- und Sandanteile einen zu hohen Feuchtigkeitsgehalt auf, wobei beim Einsatz von Feinkalk, Kalkhydrat oder hochhydraulischem Kalk dem Gemenge Wasser entzogen wird. Das ist einerseits auf die chemische Umwandlung von Kalziumoxid (CaO) in Kalziumhydroxid (Ca(OH)2) unter Einbindung von Wasser zurückzuführen, andererseits aber auch auf die bei dieser Reaktion frei werdenden Wärmeenergie, die zum physikalischen Verdampfen von Wasser führt. Der Wassergehalt des Gemenges sollte für dieses erfindungsgemäße Verfahren beim Proctor- Optimum oder geringfügig darüber liegen.
Anschließend wird das Gemisch bestehend aus Ton-, Feinsand- und Sandgemenge, Polyelektrolyt sowie hydraulischem Binde- mittel bzw. gegebenenfalls erforderlicher Zusatzstoffe wie Styren-Acryl-Copolymere, in Formen eingebracht und bei einem Pressdruck von mindestens 40 N/mm2 gepresst . Die Wahl des Pressdruckes beeinflusst die letztendliche Festigkeit der Bauelemente, wobei man in der Regel aber mit einem Pressdruck von 40-120 N/mm2 das Auslangen findet. Nach der Pressung sind die Bauelemente nach einem 50-%igen Rück- trocknen belastbar. Diese erfindungsgemäßen Verfahren bewirken somit zunächst eine irreversible Gefügebeeinflussung der Ausgangskomponenten, nämlich Ton, Feinsand und Sand. Dies wird durch Agglomeration der kleinkörnigen Anteile und einer Veränderung der kapillaren Wasserführung durch das Aufbrechen des Haftwasserfilmes an den kolloiden Bestandteilen erreicht. Dadurch wird eine bessere Verdichtbarkeit des Gemenges sowie eine hohe Festigkeit des mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens erzeugten Bauelemente erwirkt .
Im Rahmen der Erfindung liegt zudem ein Verfahren zum Herstellen eines Gasbetonsteines, bei dem eine Mischung aus einem hydraulischen Bindemittel, einer feinkörnigen Komponente, Wasser und einem Treibmittel hergestellt, in Formen gegossen und getrocknet wird.
Zum Herstellen von Gasbetonsteinen sind unterschiedliche Verfahren bekannt, bei denen jeweils eine Mischung aus einer
• feinkörnigen Komponente, wie etwa Quarzsand, • Kalk, • einem hydraulischen Bindemittel wie etwa Zement, • Wasser • sowie einem Treibmittel als Porenbildner
verwendet wird. Kalk und Zement werden hierzu zu etwa gleichen Teilen herangezogen, und als Treibmittel wird in der Regel Aluminiumpulver eingesetzt. Der Anteil des Treibmittels beträgt hierbei weniger als 0.05 Gew. -% der Gesamtmischung. Aus der Reaktion des Kalziumhydroxids mit dem Aluminium wird Wasserstoff freigesetzt, der für den hohen Porenanteil verantwortlich ist. Die Mischung wird in Formen gegossen, wobei im halbfesten Zustand auch unterschiedliche Formate und Profilierungen geschnitten werden können. Die hohe Festigkeit des Porenbetons wird durch Dampfhärtung in Autoklaven bei ca. 160-220°C und ca. 12-15 bar Druck nach etwa vier bis acht Stunden erreicht . Dabei entweicht der Wasserstoff und die gebildeten Poren füllen sich mit Luft. Durch die Einwirkung des Drucks und des heißen Dampfes wird von der Oberfläche der Sandkörner Kieselsäure ausgelöst, die zusammen mit dem Bindemittel Kalk (Kalkhydrat) kristalline Bindemittelphasen -- sog. CSH-Phasen -- bildet. Diese kristallinen Bindemittel verbinden sich mit den Sandkörnern und. schaffen einen festen Verbund der einzelnen Zuschläge. Die so gefertigten Gasbetonsteine weisen vergleichsweise niedrige Dichten bis zu etwa 400 kg/m3 auf und verfügen aufgrund der Porenstruktur und deren Lufteinschlüssen über gute Wärmedämmeigenschaften.
Verfahren dieser Art sind aber aufgrund der einzusetzenden Maschinen und Anlagen aufwändig und energieintensiv. So müssen etwa im Autoklaven hohe Drücke über mehrere Stunden au recht erhalten werden, wobei der hohe Energieverbrauch in erster Linie auf die erforderliche Wärmebehandlung mit Dampf zurückzuführen ist. Des weiteren ist nachteilig, dass etwa Nut und Federn nachträglich in die Steine eingefräst werrden müssen, komplizierte Formen sind aufgrund der notwendigen Dampfhärtung oft nicht möglich. Die zur Herstel- lung von Gasbetonsteinen üblicherweise eingesetzten Quarzsande müssen außerdem hochwertig sein und können mitunter erst nach längerem Transport zur Produktionsstätte bereitgestellt werden. Beim produktionstechnischen Einsatz von Aluminium besteht überdies Explosionsgefahr.
Um nun diese Nachteile zu vermeiden und ein vergleichsweise billiges Verfahren bereitzustellen, wird zum Herstellen des für dieses erfindungsgemäße Verfahren verwendeten hydraulischen Bindemittels Hausmüll zerkleinert, homogenisiert und mit kalziumhaltigen Additiven wie Dolomit, Calcit, Kalkmergel oder Mergel sowie mit Aluminiumoxid enthaltenden Zuschlagstoffen wie Korundschleifstaub, Tonmergel oder Klinker vermischt und verbrannt; danach werden bis zu 40 Gew.-% Gerüstsilikate, z.B. Tuff, beigemengt, und das erhaltene Produkt wird auf eine Korngröße kleiner als 0.063 mm aufgemahlen. Desweiteren wird als feinkörnige Komponente Feinschlacke aus Müllverbrennungsanlagen, Hütten- oder Stahl- erksschlacke verwendet und als Treibmittel ein grenzflächenaktives Mittel. Diese Bestandteile werden im Folgenden näher erläutert.
Typischer Hausmüll enthält in Gew.-% meist 59-69% Silizium- oxid, 4.9-7,8 % Eisenoxid, 5,1-6,3 % Aluminiumoxid und 8,3- 10,3 % Kalk und eignet sich daher zur Herstellung eines anorganischen Bindemittels für betonartige erhärtende Massen.
Dabei kann die Herstellung des Bindemittels in Müllverbren- nungsanlagen erfolgen, die mit speziellen Brennstoffen aus Müll (BRAM) gefahren wird. Bei diesen ergeben sich in Gew.- % 18-26 % Siliziumoxid, 2-5 % Eisenoxid, 4-12 % Aluminiumoxid und 58-66 % Kalk sowie 2 - 5 % Magnesiumoxid.
Die Brennbett-Temperatur beträgt dabei mindestens 950 °C und der Heizwert des Mülls mindestens 13MJ/kg. Letzterer Umstand stellt sicher, dass praktisch keine zusätzliche Primärenergie zur Verbrennung zugesetzt werden muss.
Als Additive können calciumhaltige Abfälle aus der Industrie oder kalziumhaltiges Gestein, wie Dolomit, Calcit, Kalkmergel u.dgl. zugesetzt werden, die leicht verfügbar sind.
Bei den Zuschlagstoffen können ebenfalls Industrieabfälle, wie Korundschleifstäube, aber auch Tonmergel, Klinker u.dgl. verwendet werden.
Im allgemeinen ergibt sich dabei ein Glühverlust von etwa 5 %, ein Sulfatgehalt von 4 %, ein Chloridgehalt von etwa 3 %, ein Blaire-Wert von 5000 cm2/g und ein Basengrad von p>2 , wobei die Berechnung des Basengrades über p (CaO+MgO+Al203+Fe203) Si03 erfolgt . Durch den sich während des Prozesses ergebenden Ionenaustausch und durch Sorbtion werden allfällig im Hausmüll enthaltene Schadstoffe in den Verband eingebunden und sind da- her aus dem Bindemittel sowie dem damit hergestellten Beton schwer auslaugbar und stellen daher keine nennenswerte Gefahr für die Umwelt dar. Auf Rohstoffe, deren Gewinnung mit einem erheblichen Aufwand verbunden ist, kann weitgehend verzichtet werden. Außerdem wird gleichzeitig die Problema- tik der Lagerung und Behandlung des Hausmülls weitgehend entschärft. Da die Energie im Wesentlichen durch den Hausmüll selbst bereitgestellt wird, ergeben sich auch sehr erhebliche Energieeinsparungen bei der Herstellung des Bindemittels .
Als feinkörnige Komponente wird erfindungsgemäß Feinschlacke aus Müllverbrennungsanlagen (MVA) , Hütten- oder Stahlwerksschlacke verwendet. Es handelt sich dabei um die festen, nicht brennbaren Reststoffe, die im Zuge der Verbrennung in Industriefeuerungen oder MVA anfallen.
Bei der Müllverbrennung macht Schlacke noch etwa 35 % des ursprünglichen Müllgewichtes aus. Neben den eisenhaltigen Anteilen enthält Müllverbrennungsschlacke auch wesentlich geringere Anteile an Nichteisen-Metallen wie Kupfer, Nickel, Blei, Zink oder Zinn in variierenden Mengen.
Eisenhüttenschlacken können in Hochofenschlacken und Stahl - werksschlacken gegliedert werden, wobei Hochofenschlacken bei der Produktion von Roheisen im Hochofen und Stahlwerksschlacken bei der Stahlerzeugung in Konvertern, in Elektroofen sowie Siemens-Martin-Öfen anfallen.
Metallhüttenschlacken werden bei der Gewinnung von Nicht- eisen (NE) -Metallen gebildet. Nach dem derzeitigen Stand der Technik entstehen pro Tonne Roheisen etwa 250 kg Hochofenschlacke und pro Tonne Rohstahl etwa 120 kg Stahlwerks- schlacke. Somit ergeben sich große Mengen an Schlacke, die einer Wiederverwertung zugeführt werden können.
Hochofen- und Stahlwerksschlacke unterscheiden sich zwar hinsichtlich ihrer chemischen Zusammensetzung, aufgrund ihrer Hauptbestandteile Kalziumoxid, Siliziumdioxid, Aluminiumoxid und Eisenoxid eignen sie sich aber beide ebenfalls zur Verwendung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren.
Es zeigt sich nun, dass aufgrund der chemischen Zusammensetzung des aus Hausmüll gewonnenen Bindemittels sowie der Feinschlacke aus MVA oder Industriefeuerungen auf den Einsatz von Aluminiumpulver verzichtet werden kann. Stattdessen kann auch ein vergleichsweise billiges Treibmittel wie etwa ein grenzflächenaktives Mittel eingesetzt werden. Darunter werden Verbindungen verstanden, die sich aus ihrer Lösung an Grenzflächen (z.B. Wasser/Öl) stark anreichern und dadurch die Grenzflächenspannung -- im Fall von flüssig/gasförmigen Systemen, die Oberflächenspannung -- herab- setzen. Obgleich auch polare Lösungsmittel wie etwa Alkohole, Ether, Pyridine, Alkylformamide etc. grenzflächenaktiv sind, werden im Rahmen der Erfindung vorzugsweise solche Verbindungen als grenzflächenaktive Stoffe verwendet, die über einen lipophilen Kohlenwasserstoff-Rest und über eine, gegebenenfalls auch mehrere, hydrophile funktionale Gruppen -- -COONa, -S03Na, -0-S03Na und dergleichen -- verfügen; derartige Stoffe werden auch als Tenside oder De- tergentien bezeichnet.
Hierbei kann es sich um wasserlösliche Natrium- oder Kalium-Salze der gesättigten und ungesättigten höheren Fettsäuren (auch als Laugenseife bezeichnet) handeln oder um wasserlösliche Natrium- oder Kalium-Salze der Harzsäuren des Kolophoniums (auch als Kolophoniumseife bezeichnet) , oder um wasserlösliche Natrium- oder Kalium-Salze der Naphtensäuren - etwa auf Kaseinbasis angereicherte Alkyl- naphtalinsulfonsäure. Zudem soll das grenzflächenaktive Mittel in einer Menge von 0.03 bis 0.001 Gew.-%, bezogen auf die Mischung vor der Trocknung, beigement werden.
Als ein nicht einschränkend zu verstehendes Aus ührungsbei- spiel kann in absoluten Mengenangaben etwa eine Mischung aus 780 kg des hydraulischen Bindemittels gemäß Anspruch 1, 290 kg Feinschlacke, 250 kg Wasser sowie 0.25 kg des grenzflächenaktiven Mittels hergestellt werden, wobei sich nach Lufttrocknung ein Gasbetonstein mit einer Dichte von etwa 600 kg/m3 ergibt.
Die Trocknung kann dabei auch ohne Dampfhärtung und unter Verzicht auf die Herstellung hoher Drücke erfolgen, stattdessen erweist sich Lufttrocknung als ausreichend. Der Rei- fungsprozess bis zur Verarbeitbarkeit der Gasbetonsteine beträgt hierbei etwa 3 bis 7 Tage, wobei sich bei zunehmender Trocknungszeit die Endfestigkeit erhöht . Dadurch wird nicht nur hohe Energieeinsparung erreicht, sondern es wird auch die Herstellung komplizierterer Formen aufgrund des Entfalls der Dampfautoklaviatur ermöglicht. Die mit dem Einsatz von Aluminiumpulver verbundene Explosionsgefahr entfällt .
Des weiteren zeigt sich, dass sich im Zuge des Aufblähvor- ganges im Vergleich zu herkömmlichen Herstellungsverfahren ein niedrigerer Expansionsdruck einstellt. Dadurch können als Schalungsmaterial für den Guss von Formteilen auch billigere Materialien verwendet werden. Die Verwendung von billigen Rohstoffen wie Hausmüll oder Feinschlacke aus MVA oder Industriefeuerungen stellt eine zusätzliche Kostenreduktion des erfindungsgemäßen Verfahrens sicher.
Im praktischen Test der mit diesem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Gasbetonsteinen zeigt sich außerdem, dass durch die geschlossenzellige Struktur der Gasbetonsteine weniger Wasser gezogen wird und keine Schwindung auftritt, sondern sich im Gegenteil eine geringfügige Schwellung einstellt. Dadurch wird der Gefahr von Rissbildung im Stoßbereich entgegengewirkt .
Die dichte der erfindungsgemäß hergestellten Gasbetonsteine bewegt sich zwischen 650 und 1200 kg/cm3. Die Druckfestigkeiten sowie die Biegezugfestigkeiten sind von der Dichte abhängig, wobei das Verhältnis zwischen Druckfestigkeit und Biegezugfestigkeit deutlich größer ist als bei Beton, d.h. die vorhandene Biegezugfestigkeit ist in Bezug auf die Druckfestigkeit vergleichsweise hoch. Dadurch ist sichergestellt, dass etwa aus diesem Material hergestellte wärmedämmende Platten über hervorragende Stabilität verfügen. Mittels dieses erfindungsgemäßen Verfahrens ist es aber auch möglich, den so erzeugten Gasbetonstein mit Fasern, etwa auf Kokos- oder Kunststoffbasis, zu armieren, wodurch die Biegezugfestigkeit noch erheblich gesteigert werden können. Dabei zeigt sich, dass insbesondere die Verwendung von Feinschlacke anstelle des üblicherweise verwendeten Feinsandes überaus günstige Auswirkungen auf die Festigkeit des mit dem erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellten Gasbetonsteines ergibt.
Zur Erzielung niedrigerer Dichten bis zu 300 kg/m3 kann zusätzlich zum grenzflächenaktiven Mittel auch pulverförmiges Aluminium verwendet werden, wobei es sich gemäß Anspruch 6 um Aluminium aus Recyclingstoffen handelt. Auch in diesem Fall kann auf die energieintensive und aufwändige Dampf- autoklaviatur verzichtet werden.
Nach einem weiteren Merkmal wird das pulverförmige Aluminium in einer Menge von 0.05 bis 0.001 Gew.-% -- bezogen auf die Mischung vor der Trocknung -- beigemengt. Die Menge des verwendeten Aluminiumpulvers wird sich einerseits danach orientieren, in welcher Menge das grenzflächenaktive Mittel eingesetzt wird und andererseits davon abhängen, welche Eigenschaften, insbesondere welche Dichte, der letztendliche Gasbetonstein aufweisen soll. Zusätzliche Mengen an Aluminiumpulver sorgen prinzipiell dafür, dass die Porenstruktur nach der Trocknung gröber ausfällt, wodurch sich die Dichte des Gasbetonsteines verringert. Insbesondere ist die durchschnittliche Porengröße von der durchschnittlichen Korngröße des verwendeten Aluminiumpulvers abhängig. Es ist dadurch offensichtlich, dass je nach Mischungsverhältnis und Korngrößen des verwendeten Aluminiumpulvers sowie des Treibmittels unterschiedliche Eigenschaften des letztendlichen Gasbetonsteines verwirklicht werden können.
Insbesondere bei Verwendung von Aluminiumpulver aus Recyclingstoffen hat sich eine Maßnahme als vorteilhaft erwiesen, nach der das pulverförmige Aluminium vor dessen Beimengung zur Gesamtmischung mit einer Alkohollösung ver- mengt wird. Aluminium neigt nämlich dazu, sich mit einer Oxidschicht zu überziehen, die das Aluminium reaktionsträger gestaltet. Durch die Beschichtung mit Alkohol wird eine Oxidation der Oberfläche des Aluminiumpulvers unterbunden, wodurch die Wirkung des Aluminiumpulvers im Zuge des erfin- dungsgemäßen Verfahrens optimiert wird.
Jedoch ist es erfindungsgemäß auch denkbar, dass anstelle der Feinschlacke auch Flugasche aus Müllverbrennungsanlagen, Hütten- oder Stahlwerksschlacke als feinkörnige Kompo- nente verwendet wird. Selbstverständlich ist es auch möglich, Mengenanteile des oben beschriebenen hydraulischen Bindemittels durch herkömmlichen Zement oder Mengenanteile der Feinschlacke durch herkömmlichen Feinsand zu ersetzen, falls dadurch bestimmte Eigenschaften des so erzeugten Gasbetonsteines optimiert werden können. Als nicht einschränkend zu verstehende Ausführungsbeispiele können somit folgende Rezepturen für Gasbetonsteine mit einer Dichte von 500 bis 600 kg/cm3 und Festigkeiten von 25 bis 40 kg/cm2 (nach 28 Tagen Trocknung) angeführt werden: • 330 kg hydraulisches Bindemittel gemäß Anspruch 25, 165 kg Feinsand, 230 kg Wasser und 0.5 kg einer Mischung des grenzflächenaktiven Mittels und Aluminiumpulver; • 330 kg hydraulisches Bindemittel gemäß Anspruch 25, 165 kg Flugasche, 300 kg Wasser und 0.5 kg einer Mischung des grenzflächenaktiven Mittels und Aluminiumpulver; • 165 kg hydraulisches Bindemittel gemäß An- Spruch 25, 165 kg Zement, 165 kg Flugasche, 300 kg Wasser und 0.5 kg einer Mischung des grenzflächenaktiven Mittels und Aluminiumpulver.
Durch genau abgestimmte Rezepturen können somit unterschiedliche Eigenschaften der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Gasbetonsteine erreicht werden. Durch den Entfall der Dampfhärtung wird außerdem die Ersetzbarkeit auch bei komplizierten Formen wesentlich er- leichtert.
Diese Erfindung stellt somit ein überaus billiges Herstellungsverfahren eines Gasbetonsteines, der für den Einsatz als hochqualitativer, wärmedämmender Leichtbaustoff überaus geeignet ist, zur Verfügung.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung; diese zeigt skizzenhaft in
Fig. 1: eine Schrägsicht auf ein zu zermahlen- des Produkt ;
Fig. 2: eine Schrägsicht auf das vermahlene Produk ;
Fig. 3: eine Schrägsicht auf eine Vorrichtung zum Behandeln des Produktes; Fig. 4: einen vergrößerte Teilquerschnitt durch die Vorrichtung;
Fig. 5: einen vergrößerten Ausschnitt aus Fig. 4;
Fig. 6: die Seitenansicht eines Werkzeugteils.
In Fig. 1 ist ein Haufwerk 10 aus kugelartigen Bestandteilen 12 dargestellt. Durch hohe mechanische Beaufschlagung dieses Gemenges in einem unten beschriebenen Aktivator erfolgt ein Vermählen des Produktes, wodurch u. a. eine Vergrößerung der Oberfläche erzielt wird. Zudem werden die globularen Strukturen einer Flugasche derart verändert, dass eine amorphe Struktur entsteht. Diese Struktur begüns- tigt den Abbindeprozess durch Verhakung der einzelnen nach einem Zerkleinerungsvorgang entstandenen Partikel 14 untereinander und erhöht die Festigkeitswerte, insbesondere die Druck- und Biege-Zugfestigkeiten.
Durch das Auf- bzw. Gegeneinanderprallen der Partikel 12 und die auftretenden Reflektionen am Aktivator setzen sich Schockwellen in den Partikeln 12 fort, die zu deren Zersplitterung in amorphe Strukturen und zu Störungen der Gitterstruktur innerhalb der Partikel führen, wie dies Fig. 2 verdeutlicht.
Die Zerkleinerung erfolgt in einem sogenannten Aktivator 20, der auf einem Maschinenpodest 22 einen Rotor 24 und einen Stator 30 aufweist, dessen Deckenplatte 32 von einer Rotorwelle 26 durchsetzt ist. Letztere verläuft koaxial zur Vertikalachse A des Rotors 24.
Der Antrieb des Rotors 24 erfolgt über einen -- außerhalb der Statorwandung 34 erkennbaren -- Elektromotor 36 mittels eines Keilriemens 38 auf die Rotorwelle 26. Die Drehzahl des Rotors 24 ist stufenlos über einen -- nicht erkennbaren -- Frequenzumrichter zu regeln.
Mit 40 ist ein zylindrischer Silo bezeichnet, aus dem das Haufwerk 10 einem Dosiergerät 42 zugeführt wird. Unter diesem verläuft ein bodenwärtiger Horizontalarm 45 eines -- längsschnittlich hier Z-förmigen -- Förderers 44, dessen geneigter Mittelabschnitt 46 oberhalb der Deckenplatte 32 des Stators 30 in einen Firstarm 47 übergeht. Letzterem ist eine Zellenradschleuse 50 nachgeordnet, durch welche das Fördergut 10 dem Inneren des Aktivators 20 zugeführt wird.
Die Fig. 4, 5 verdeutlichen einen Ringraum 52 der Radial - weite a zwischen der Außenfläche 28 des Rotors 24 und der Innenfläche 29 des Stators 30. Von beiden Flächen 28, 29 ragen radial Werkzeuge 54 bzw. 54r ab. Diese weisen gemäß Fig. 6 nahe ihrer Stirnfront 56 beidseits eine rinnenartige Einbuchtung 58 auf.
Im Ringraum oder Ringspalt 52 wird das Gemenge 10 spiralförmig nach unten gefördert, wobei durch gegenströmende Luft dessen Verweilzeit geregelt werden kann. Zudem bewirkt dieser Luftstrom die Abfuhr der Überschusswärme. In diesem Ringraum 52 werden die einzelnen Partikel 14 durch einen -- durch die Rotorwerkzeuge 54r hervorgerufenen -- Impuls nach außen gegen den Stator 30 geschleudert. Die Werkzeuge 54 bzw. 54r sowohl des Stators 20 als auch des Rotors 24 sind stetig mit einer Schicht des Gemenges 10 belegt, so dass ein Aufprall der Partikel 14 gegenseitig bzw. primär mit diesem Layer erfolgt. Diese gegenseitige Beaufschlagung und die dadurch erreichten Effekte -- wie plastische Verformung, Rückstellverhalten, Zersplitterung, Friktionen -- bewirken eine grundlegende Veränderung der physikalischen Eigenschaften der Partikel 14.
Da die Werkzeuge 54, 54r belegende Schichten des Gemenges durch Auflage und Widerstandskraft derselben gestützt werden, trägt die Masse der Werkzeuge 54, 54r wesentlich dazu bei, sowohl den Impuls als auch die Impulsunterbre- chung und die daraus resultierenden Wechselwirkungen wie Reflektionen zwischen den Werkzeugen 54, 54r zu unterstützen.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Herstellen eines hydraulischen Bindemittels auf organischer Basis, dadurch gekennzeichnet, dass latenthydraulische Stoffe als Rückstände aus thermischen Prozessen durch mechanochemisehe und/oder tribomechanische Vorgänge aktiviert werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gitterstrukturen des Stoffgemenges durch kinetische Beaufschlagung und die damit verbundene Wechselwirkung zwischen Impuls und Impulsunterbrechung, welche plasmoide Zustände der Partikel hervorruft, verändert werden.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die PartikelStruktur durch Schockwellen bzw. durch Stauungsenergien verändert wird, welche durch den Impuls bzw. die Impulsunterbrechung ausgelöst werde .
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3 , gekennzeichnet durch eine Veränderung der Partikel in amorphe Strukturen durch auftretende Impulse und Impulsunterbrechungen bzw. Reflektionen.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schockwelle bzw. die Stauungsenergien durch Gegeneinanderprallen der Partikel erzeugt wird und letztere in amorphe Strukturen umgesetzt werden.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Schockwellen in Wechselwirkung mit der Stauungsenergie im Ultraschallbereich ausbreiten.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die an Partikeln wirkende Stauungsenergie mehrheitlich in thermische Energie umgewandelt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Energie über die entstandenen Oberflächen abgeleitet und an Prozessluft abgegeben wird.
3 . Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass Flugasche, gebrannter Ölschiefer, Hüttensande unter Zugabe von Kalziumoxiden, Kalziumhydroxiden, Kalziumcarbonaten und/oder Alu- miniumoxiden bzw. Aluminiumhydroxiden unter Zufuhr eines sauerstoffhaltigen Fluides oxidativ verarbeitet werden .
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Bindemittel aus Rückständen der durch Verbrennung von Kieselsäure-, Tonerde-, Eisenoxid- und Kalk-enthaltender Stoffe entstandenen Flugaschen gewonnen wird, die vorzugsweise Steinkohle-, Braunkohle-, Antrazitkohlekraftwerken entnom- men wurden.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Bindemittel aus Rückständen der durch Verbrennung von Kieselsäure-, Tonerde-, Eisenoxid- und Kalk-enthaltender Stoffe entstandenen kalzinierten Aschen oder Flugaschen gewonnen wird, die vorzugsweise Industriefeuerungen entnommen wurden .
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Bindemittel mit aus durch Verbrennung von Kieselsäure-, Tonerde-, Eisenoxid- und Kalk-enthaltender Stoffe entstandenen Hüttensan- den oder gebrannten Ölschiefer versehen wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12 , gekennzeichnet durch Kalziumaluminat im Bereich von etwa 0.2 bis 30 Gew. -% als Zu ischanteil .
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, gekennzeichnet durch Natriumaluminat oder Kaliumaluminat von etwa 0.1 bis 20 Gew.-% als Zumischanteil.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass dem Bindemittel ein Aluminiumpulver zum Herstellen eines Porenbetons beigegeben wird.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass dem Bindemittel kationische Tenside beigegeben werden und dieses wasserdicht sowie wasserbeständig hergestellt wird.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das hydraulische Bindemittel aus latenthydraulischen Komponentierungen in einem Aktivator hergestellt wird.
18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die zu aktivierenden Stoffe in einem Ringspalt des Aktivators gegen die Schwerkraft in gegenströmende Luft geführt werden.
19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel der Stoffe gegen einen den Ring- spalt nach außen begrenzenden Stator geschleudert werden und ein Impuls erzeugt wird.
20. Verfahren nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel der Stoffe gegen eine Gemengeschicht auf Werkzeugen des Aktivators geschleudert werden und ein Impuls erzeugt wird.
21. Verfahren zum Herstellen eines Bauelements wie Ziegel, Platte oder Formteil für den Hoch- und Tiefbau, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gemenge von jeweils gleichen Anteilen an Ton mit Korngrößen unter 100 μm, Feinsand mit Korngrößen von 100 μm bis 2 mm und Sand mit Korngrößen über 2 mm mit Polyelektrolyten, vorzugsweise Polymeren oder Copolymeren auf Basis von Acrylamid, sowie einem hydraulischen Bindemittel vermengt, in Formen eingebracht und bei einem Pressdruck von mindestens 40 N/mm2 gepresst wird.
22. Verfahren zum Herstellen eines Bauelements wie Ziegel, Platte oder Formteil für den Hoch- und Tiefbau, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gemenge von jeweils gleichen Anteilen an Ton mit Korngrößen unter 100 μ , Feinsand mit Korngrößen von 100 μm bis 2 mm und Sand mit Korngrößen über 2 mm mit Polyelektrolyten, vorzugsweise Polymeren oder Copolymeren auf Basis von Acrylamid, sowie einer Bitumenemulsion vermengt, in Formen eingebracht und bei einem Pressdruck von mindestens 40 N/mm2 gepresst wird.
23. Verfahren nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, dass das Polyelektrolyt mit einem Mengenan- teil' on 0.001 bis 2 Gew.-%, bezogen auf das Trockengewicht des Gemenges von Ton, Feinsand und Sand, beigemengt wird.
24. Verfahren nach Anspruch 21 oder 23, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Vermengung mit dem hydraulischen Bindemittel dem hydraulischen Bindemittel ein Styren-Acryl-Copolymer beigemengt wird.
25. Verfahren zur Herstellung eines Gasbetonsteines, bei dem eine Mischung aus einem hydraulischen Bindemittel, einer feinkörnigen Komponente, Wasser und einem Treibmittel hergestellt, in Formen gegossen und ge- trocknet wird, dadurch gekennzeichnet, dass zum Herstellen des hydraulischen Bindemittels Hausmüll zerkleinert homogenisiert und mit kalziumhaltigen Additiven wie Dolomit, Calcit, Kalkmergel oder Mergel sowie mit Aluminiumoxid enthaltenden Zuschlagstoffen wie Korundschleifstaub, Tonmergel oder Klinker vermischt und verbrannt wird, danach bis zu 40 Gew.-% Gerüstsilikate, beispielsweise Tuff, beigemengt und das erhaltene Produkt auf eine durchschnittliche Korngröße kleiner als 0.07 mm, vorzugsweise 0.063 mm, aufgemahlen wird, als feinkörnige Komponente Feinschlacke aus Müllverbrennungsanlagen, Hütten- oder Stahlwerksschlacke verwendet wird und das Treibmittel ein grenzflächenaktives Mittel ist.
26. Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass als grenzflächenaktives Mittel wasserlösliche Natrium- oder Kalium-Salze der gesättigten und ungesättigten höheren Fettsäuren oder der Harzsäuren des Kolophoniums (Kolophoniumseife) oder der Naphtensäu- ren, vorzugsweise auf Kaseinbasis angereicherte Alkylnaphtalinsulfonsäure, eingesetzt werden.
27. Verfahren nach Anspruch 25 oder 26, dadurch gekennzeichnet, dass das grenzflächenaktive Mittel in einer Menge von 0.03 bis 0.001 Gew.-%, bezogen auf die Mischung vor der Trocknung, beigemengt wird.
28. Verfahren nach einem der Ansprüche 25 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass als zusätzliches Treibmittel pulverförmiges Aluminium aus Recyclingstoffen verwendet wird.
29. Verfahren nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass das pulverförmige Aluminium in einer Menge von 0.05 bis 0.001 Gew.-%, bezogen auf die Mischung vor der Trocknung, beigemengt wird, wobei das pulverför- mige Aluminium vor seiner Beimengung bevorzugt mit einer Alkohollösung vermengt wird.
30. Verfahren nach einem der Ansprüche 25 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass als feinkörnige Komponente Flug- asche aus Müllverbrennungsanlagen, Hütten- oder Stahlwerksschlacke eingesetzt wird.
31. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach wenigstens einem der Patentansprüche 1 bis 20, gekenn- zeichnet durch einen Aktivator (20) mit Stator (30) und Rotor (24) auf einem Maschinenpodest (22) , wobei Stator und Rotor einen Ringraum oder Ringspalt (52) begrenzen als Fδrderweg für die Stoffe (10, 12) .
32. Vorrichtung nach Anspruch 31, gekennzeichnet durch dem Ringspalt (52) zugeordnete Werkzeuge (54, 54r) des Stators (30) und/oder des Rotors (24), die zumindest teilweise von einer Schicht des Gemenges überzogen sind.
33. Vorrichtung nach Anspruch 31 oder 32, gekennzeichnet durch ein dem Ringspalt (52) vorgeordnetes Dosiergerät (42) sowie zumindest eine am anderen Ringspaltende angebrachte Luftzuleitung.
34. Verwendung eines nach dem Verfahren von zumindest einem der Patentansprüche 1 bis 20 hergestellten Bindemittels mit erhöhtem Anteil von Kalziumaluminaten und Beigabe von Feuerfestkomponenten zur Herstellung von feuerfesten Ausmauerungen und Formteilen.
35. Verwendung von Polyelektrolyten, vorzugsweise Polymere oder Copolymere auf Basis von Acrylamid, zum Herstellen von Bauelementen wie Ziegel, Platten oder Formteilen für den Hoch- und Tiefbau.
36. Formteil oder Ziegel für den Hoch- und Tiefbau, dadurch gekennzeichnet, dass es/er Polyelektrolyte, vorzugsweise Polymere oder Copolymere auf Basis von Acrylamid, enthält.
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