EP1871725A1 - Method for producing components - Google Patents
Method for producing componentsInfo
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- EP1871725A1 EP1871725A1 EP06723679A EP06723679A EP1871725A1 EP 1871725 A1 EP1871725 A1 EP 1871725A1 EP 06723679 A EP06723679 A EP 06723679A EP 06723679 A EP06723679 A EP 06723679A EP 1871725 A1 EP1871725 A1 EP 1871725A1
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- EP
- European Patent Office
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- phases
- nanocrystalline
- added
- mpa
- cement
- Prior art date
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- Withdrawn
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- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B28/00—Compositions of mortars, concrete or artificial stone, containing inorganic binders or the reaction product of an inorganic and an organic binder, e.g. polycarboxylate cements
- C04B28/18—Compositions of mortars, concrete or artificial stone, containing inorganic binders or the reaction product of an inorganic and an organic binder, e.g. polycarboxylate cements containing mixtures of the silica-lime type
- C04B28/186—Compositions of mortars, concrete or artificial stone, containing inorganic binders or the reaction product of an inorganic and an organic binder, e.g. polycarboxylate cements containing mixtures of the silica-lime type containing formed Ca-silicates before the final hardening step
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- Y02W—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO WASTEWATER TREATMENT OR WASTE MANAGEMENT
- Y02W30/00—Technologies for solid waste management
- Y02W30/50—Reuse, recycling or recovery technologies
- Y02W30/91—Use of waste materials as fillers for mortars or concrete
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- Y10S264/25—Metallic oxide
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- Y10S264/35—Use of CaO with refractories
Definitions
- the invention relates to a process for the preparation of components based on calcium silicate hydrates, which are also referred to as C-S-H phases.
- This mixture which is referred to as cement paste, fresh mortar or fresh concrete, is poured into a mold and usually compressed mecha ⁇ nisch by shaking.
- the mixture is composed so that a suitable consistency during processing and a sufficiently long processability are guaranteed.
- the mixture must be so composed or post-treated so that after completion of the reaction with water, the required final strength is achieved.
- CEM I portland cement
- Minera ⁇ each perform a function:
- Calcium aluminates, calcium aluminate ferritates and calcium sulfates which control processability and early strength.
- the final strength is reduced by high porosity, small particle binding and reduced amount of the strength determ ⁇ Menden phases.
- fly ash-belit low-calcium fly ash by a two-stage process. For this purpose, first a hydrothermal treatment of flyashes under saturated water vapor partial pressure at 200 0 C and then a roast at 700 ° C. After production, fly ash-belite cement is conventionally dressed and processed with water.
- MDF macro defect free cement
- Hot-Pressed Cement Paste by hardening conventionally water-treated and processed cement pastes at elevated pressure (3-5 kbar) and elevated temperature (150-250 0 C) known.
- DE 28 32 125 C2 describes a method in which CaO and SiO 2 -containing materials with a synthetic calcium silicate, (CaO: SiO 2 - ratio of 0.8 to 1.1) and fibers are mixed with water. After a waiting period of at least 5 hours (“pre-reaction"), since the sedimentation tendency is prevented by stirring, a pumpable slurry is formed, which is poured into plate-like molds and dehydrated under pressure After autoclave hardening and drying, "fire-resistant dimensionally accurate lightweight building boards” in front. The calcium silicate synthetic origin, which ⁇ by autoclave curing is made.
- DE 33 02 729 A1 discloses the reaction of aqueous-dispersed
- the present invention is based on the synthesis of calcium silicate hydrates (C-S-H phases) in aqueous solution or suspension with a layered structure.
- C-S-H phases calcium silicate hydrates
- the fact that the method according to the invention actually produces such a layer structure can be observed by X-ray structure analysis, since such a structure, as soon as it has a regular spacing, leaves a so-called basal reflex in the X-ray diffractogram.
- a line in the range of 9 ⁇ to 20 ⁇ forms, which indicates the formation of this layer structure.
- the present invention utilizes the formation of an electric double layer at the interface between a solid and a liquid phase.
- a star ⁇ re layer of ions behind which a diffuse charge cloud of ions accumulates.
- the electric potential is referred to as zeta potential or electron-trokineticians, falls of its magnitude by first strongly within the rigid layer from to fall in the liquid thereto at ⁇ closing phase either slightly further (positive zeta potential) or slightly higher (negative zeta potential)
- ⁇ is the viscosity of the liquid, v its velocity, ⁇ r its relative permittivity and E the electric field, is a measure of the mobility of the ions.
- the surface of the solid preferably consists of negatively charged 0 2 ⁇ ions, so that a rigid layer of Ca 2+ ions is formed in the solution adjacent thereto. Here, a diffused layer of 0H ⁇ and Ca 2+ ions is deposited.
- the surface-distant solution is electrically neutral.
- Suitable additives modify the interfaces or layers, especially by acting as nuclei for self-assembly of aggregates in the size range up to 1 micron with controllable properties. This process was detected by surface analyzes.
- an aqueous solution of calcium oxide CaO and silicon dioxide SiO 2 is provided in accordance with method step a).
- the molar ratio of calcium to silicon (Ca: Si) takes a value in the range between 0.5: 1.0 to 2.5: 1.0, preferably from 0.5: 1.0 to 1.0: 1, 0, with the boundaries included.
- calcium hydroxide Ca (OH) 2 forms simultaneously in the system CaO-SiO 2 -H 2 O, as a result of which an otherwise inventively produced component no longer has sufficient strength.
- the water to solid ratio in the preparation of the C-S-H phases is freely selectable within wide limits.
- the proportion of water is 4-20 times, more preferably approximately 10 times the total weight of the solids.
- the raw material used is preferably lime CaO or calcium hydroxide-containing sludges.
- the silicate source used is preferably Aerosil, silicic acid (pyrogenic or precipitated), kieselguhr, waterglass solutions, technical by-products such as microsilica from the production of ferrosilicum, slags from waste incineration or blast furnace processes, granulated blastfurnace or fly ash.
- aqueous phase according to process step c) is separated off (eg filtered off), leaving behind nanocrystalline material which is removed according to process step d) and dried to a powder.
- the solid product is thus separated from the suspension water and dried, resulting in a free-flowing, storage-resistant powder, which is not subjected to any further temperature or steam pressure treatment.
- This dry powder is then filled immediately or after intermediate storage according to process step e) in a prepared form.
- pressure preferably between 50 MPa and 500 MPa, more preferably between 100 MPa and 200 MPa, the dry powder compacts into a solid component without subsequent temperature treatment.
- the nanocrystalline C-S-H phases are connected by a self-healing process.
- the pores which are larger than about I ⁇ m, are closed.
- this method step can also be carried out several times. For this purpose, it is advantageous to dry powder z. B. fill in layers in the provided form.
- the mold is removed according to method step f).
- the component remains either locally or if applicable, for its use elsewhere entnom ⁇ men.
- the solution during or after process step a) or the powder according to process step d) with blended and homogenized with various additives and / or additives are on the one hand minerals such as calcite, wollastontite or corundum and fiber materials. This possible addition of fillers serves to optimize the mechanical properties or, in the case of heat-insulating materials, to influence the insulating properties of the component. On the other hand, it is also possible to use organic and inorganic additives which change the surface charge of the phases involved, in particular of the CSH phases.
- a particularly suitable additive is aluminum hydroxide Al (OH) 3 , which can be added in excess and leads to the self-assembly of CSH phases with negative zeta potential and Al (OH) 3 (positive zeta potential).
- Further suitable additives are sulfur-containing compounds such as CaSO 4 modifications (gypsum) or ettringite, and hydroxides such as brucite or portlandite.
- the binder produced by the process according to the invention from C-S-H phases or C-S-H phases with additives includes the additives firmly.
- the bond between binder and aggregates can be adjusted by adjusting the surface charge of the aggregates, e.g. by prior chemical treatment e.g. improve with acid. This process step can be supplemented by a temperature application.
- the shaping is done simply by applying an external pressure.
- the components made with it are immediately fixed and allow immediate stripping.
- the density of the material according to the invention can be adjusted by selecting the substances according to process step a), the drying conditions according to process step d) and the amount of pressure applied to the powder during process step e).
- the splitting tensile strength of the product produced by the process according to the invention corresponds already at a density of 1.2 g / cm 3 to the splitting tensile strength of self-compacting concrete which has a density of 2.3 g / cm 3 .
- composition, conditions of synthesis may be due to requirements for the component such. As to its chemical resistance and need not be determined due to the required reaction conditions. This advantage causes a considerable saving of material.
- the component shape is determined by its function and the requirements of its strength and not by flow and reaction conditions.
- the density of the material can also be adjusted by selecting suitable additives and / or additives, so that values between 0.5 and 3.0 g / cm 3 are achieved.
- the material can also be used as a lightweight construction material.
- the inventive method is used for the synthesis of nanocrystalline Cementhydratphasen or mixtures of nanocrystalline Zementhydratphasen with tuned surface charge, in particular with a positive zeta potential. Furthermore, this method is used for the preparation and use of fully hydrated CSH phases with a defined composition and surface charge as a raw material for binder production. Finally, this Ver ⁇ will go to the production and use of fully hydratisier ⁇ th, dried cement hydrates used as starting material for bonding a cementitious component. The invention will be explained below with reference to exemplary embodiments.
- the synthesis was carried out by mecha- the further treatment of an aqueous suspension of CaO and SiO 2 in an agate ball mill.
- HERGÉ in this way ⁇ introduced substance (slurry) was 4 days at 60 0 C dried.
- drying may be preceded by a filtration step. All process steps, ie weighing, mixing, loading and Entla ⁇ the mills and drying, carried out under N 2 atmosphere in a so-called. "Glove box" to create controlled environmental conditions and in particular to exclude CO 2 .
- SiO 2 / Al 2 O 3 and water / solid change Likewise, other additives such. As Mg (OH) 2 or CaSO 4 are added.
- phase composition of the samples was characterized by the consistency of the powder material, by X-ray diffraction to determine the qualitative and quantitative composition of the samples, and by thermogravimetry to determine the water content of the samples. Production of the component
- components (specimens) in the form of tablets with a diameter of about 1.3 cm were subsequently produced from the powders.
- masses of 300 to 500 mg were weighed.
- the powder was applied in each case in a vacuum pressing tool with a force of 20 kN (values between 10 kN and 120 kN are possible), which corresponds to a pressure of about 140 MPa for said diameter.
- Table 3 shows the data of series of pressed tablets of pure CSH phases with different CaO / SiO 2 ratio or after additional addition of Al (OH) 3 , which significantly increases the strength:
- the splitting tensile strength was measured by means of the so-called Brazilian Disk TestSr, ie on a disk. If the material is exceeded As a result, failure is caused by cracking.
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Abstract
The invention relates to a method for producing components based on calcium-silicate-hydrates (C-S-H-phases). Said method consists of the following steps: a) an aqueous suspension made of solids, which contains calcium oxide CaO and silicon dioxide SiO2, is produced, the molar ratio Ca: Si being a value selected from between 0.5:1.0 to 2.5:1.0, b) the aqueous suspension is ground without increasing the temperature to higher than 100 °C, thus forming nanocrystalline C-S-H-phases, c) the aqueous phase is separated, d) the residual, which contains the nanocrystalline C-S-H-phases, is extracted and dried and a powdery product is obtained, e) the dried powder is filled into a mould and impinged upon with pressure and then the powder is compressed into a structural component, f) the mould is removed. The inventive method is used to synthesise nanocrystalline cement hydrate phases having a specifically adapted surface charge, for producing completely hydrated C-S-H-phases having defined compositions and surface charges as base material for producing binding agents and for producing totally hydrated, dried cement hydrates as initial material for binding a structural component which is to be bound to cement.
Description
Verfahren zur Herstellung von BauteilenProcess for the production of components
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Bauteilen auf der Basis von Calcium-Silikat-Hydraten, die auch als C-S-H-Phasen bezeichnet werden.The invention relates to a process for the preparation of components based on calcium silicate hydrates, which are also referred to as C-S-H phases.
Die Herstellung von Bauteilen (Forrαteilen) , in denen Zementstein, dessen wesentliche Bestandteile ebenfalls C-S-H-Phasen umfassen, die Funktion eines Bindemittels übernimmt, erfolgt üblicherweise in drei Schritten:The production of components (Forrαteilen), in which Zementstein, the essential components of which also comprise C-S-H phases, takes over the function of a binder, usually takes place in three steps:
1. Die Ausgangsstoffe Zement, Zuschläge und Wasser werden vermischt1. The starting materials cement, aggregates and water are mixed
(so genanntes Anmachen) .(so-called make-up).
2. Diese Mischung, die als Zementleim, Frischmörtel oder Frischbeton bezeichnet wird, wird in eine Form vergossen und zumeist mecha¬ nisch durch Rütteln verdichtet.2. This mixture, which is referred to as cement paste, fresh mortar or fresh concrete, is poured into a mold and usually compressed mecha ¬ nisch by shaking.
3. Das Bauteil härtet über längere Zeit aus, bis die umgebende Form entfernt werden kann.3. The component cures for a long time until the surrounding mold can be removed.
Hierbei ist entscheidend, dass die Mischung so zusammengesetzt ist, dass eine geeignete Konsistenz während der Verarbeitung und eine genügend lange Verarbeitbarkeit gewährleistet sind. Ebenso muss die Mischung so zusammengesetzt sein oder derart nachbehandelt werden, dass nach Ablauf der Reaktion mit Wasser die erforderliche Endfestigkeit erreicht wird.Here it is crucial that the mixture is composed so that a suitable consistency during processing and a sufficiently long processability are guaranteed. Likewise, the mixture must be so composed or post-treated so that after completion of the reaction with water, the required final strength is achieved.
Die drei genannten Schritte werden in zementhaltigen Systemen durch abgestimmte Reaktion der Bestandteile des Zements ausgeführt. CEM I (Portlandzement) umfasst eine Mischung aus zwei Gruppen von Minera¬ lien, die jeweils eine Funktion wahrnehmen:The three steps mentioned are carried out in cementitious systems by coordinated reaction of the constituents of the cement. CEM I (portland cement) includes lien a mixture of two groups of Minera ¬ each perform a function:
1. Calciumsilikate, deren Hydratationsprodukte für die Endfestigkeit des Formteils verantwortlich sind und1. Calcium silicates whose hydration products are responsible for the final strength of the molding and
2. Calciumaluminate, Calciumaluminatferrate und Calciumsulfate, die die Verarbeitbarkeit und Frühfestigkeit steuern.2. Calcium aluminates, calcium aluminate ferritates and calcium sulfates which control processability and early strength.
Zusätzlich können weitere anorganische und organische Stoffe zugege¬ ben werden, die z. B. das Gefüge verdichten, die Verarbeitbarkeit
verbessern oder die Festigkeit steigern.In addition, other inorganic and organic substances zugege ¬ be added, the z. B. densify the structure, the processability improve or increase the strength.
Das beschriebene Vorgehen besitzt die folgenden Nachteile:The procedure described has the following disadvantages:
- Die Herstellung zementhaltiger Bindemittel erfordert hohe Temperaturen (z.B. für CEM I 14500C), was hohe Energiekosten bedingt.- The preparation of cementitious binders requires high temperatures (eg for CEM I 1450 0 C), which requires high energy costs.
- Nur ein Teil der das Bindemittel aufbauenden Phasen (z.B. für CEM I ca. 50%) trägt zur Endfestigkeit des Bauteils bei.Only a part of the phases constituting the binder (for example for CEM I about 50%) contributes to the final strength of the component.
- Etwa 50% des zur Herstellung von CEM I eingesetzten Calciumcarbonats werden unter hohem Energieaufwand entsäuert, ohne später im Bauteil zur Festigkeit beizutragen. Dies belastet die Umwelt mit C02-Emissionen.- About 50% of the calcium carbonate used for the production of CEM I are deacidified with high energy expenditure, without contributing later in the component to the strength. This pollutes the environment with C0 2 emissions.
- Um die erforderliche Reaktivität des Produkts zu erreichen, erfolgt nach dem Brennen von Zement ein energetisch aufwändiger Mahlprozess.- In order to achieve the required reactivity of the product, takes place after the burning of cement an energetic complex grinding process.
- Der Entwurf von Mischungen ist ein aufwändiger, auf Erfahrung beruhender Prozess. Variable Rohstoffqualitäten erfordern eine ständige Anpassung des Mischungsentwurfs.- Mixture design is a complex, experience-based process. Variable raw material qualities require a constant adaptation of the mixture design.
- Spezielle Zusätze, die in Mischungen eingesetzt werden, sind teuer .- Special additives used in mixtures are expensive.
- Für die Verarbeitung steht nur ein genau definierter Zeitraum zur Verfügung. Eine Unterbrechung der Verarbeitung ist nur sehr eingeschränkt möglich.- Only a well-defined period of time is available for processing. An interruption of processing is possible only to a very limited extent.
- Die Festigkeit der Mischung nimmt nach der Verarbeitung erst über einen langen Zeitraum zu.- The strength of the mixture increases after processing only over a long period.
- Die chemischen Eigenschaften der bei der Mischung entstehenden Phasen sind unterschiedlich und lassen sich damit nicht optimal an die eingesetzten Zuschläge anpassen.- The chemical properties of the phases resulting from the mixture are different and can not be optimally adapted to the surcharges applied.
- Die Endfestigkeit wird oft erst nach Monaten erreicht.- The final strength is often reached only after months.
- Die Endfestigkeit verringert sich durch hohe Porosität, geringe Partikelbindung und reduzierten Anteil an die Festigkeit bestim¬ menden Phasen.- The final strength is reduced by high porosity, small particle binding and reduced amount of the strength determ ¬ Menden phases.
- Die Stabilität der Formteile gegen äußeren chemischen Angriff z. B. durch Säuren, CO2 oder Sulfate ist begrenzt.- The stability of the moldings against external chemical attack z. B. by acids, CO 2 or sulfates is limited.
Aus S. Goni, A. Guerrero, M. P. Luxan und A. Macias, Activation of
the fly ash pozzolanic reaction by hydro-thermal conditions, Cement and Concrete Research 33, S. 1399-1405, 2003 ist die Herstellung von calciumarmem Flugasche-Belit-Zement aus Flugaschen durch ein zweistufiges Verfahren bekannt. Hierzu erfolgen zunächst eine hydrothermale Behandlung der Flugaschen unter gesättigtem Wasserdampfpartialdruck bei 2000C und anschließend eine Röstung bei 700°C. Nach der Herstellung wird Flugasche-Belit-Zement konventionell mit Wasser angemacht und verarbeitet. Die Energiekosten verringern sich im Vergleich zur Herstellung von Portlandzement deutlich; allerdings muss ein höherer Anteil an CaCO3 entsäuert werden, als für die Herstellung der die Festigkeit bestimmenden Phase notwendig ist, wodurch die Umwelt zusätzlich mit CO2 belastet wird. Nur ein Teil der das Bindemittel aufbauenden Phasen trägt zur Endfestigkeit des Bauteils bei, da Flugasche-Belit-Zement genauso wie CEM I Calciumaluminate und -aluminium- ferrate enthält. Dagegen sind die Mahlkosten im Vergleich zu herkömmlichem CEM I geringer. Flugaschen sind nur begrenzt verfügbar und vergleichsweise teuer. Da Flugasche-Belit-Zement konventionell weiterverarbeitet wird, lassen sich damit die übrigen o. g. Nachteile nicht überwinden.From S. Goni, A. Guerrero, MP Luxan and A. Macias, Activation of The fly ash pozzolanic reaction by Cement and Concrete Research 33, pp. 1399-1405, 2003 discloses the production of fly ash-belit low-calcium fly ash by a two-stage process. For this purpose, first a hydrothermal treatment of flyashes under saturated water vapor partial pressure at 200 0 C and then a roast at 700 ° C. After production, fly ash-belite cement is conventionally dressed and processed with water. Energy costs are significantly reduced compared to the production of Portland cement; However, a higher proportion of CaCO 3 must be deacidified than is necessary for the preparation of the strength-determining phase, whereby the environment is additionally burdened with CO 2 . Only part of the phases constituting the binder contribute to the final strength of the component, since fly ash-belite cement, like CEM I, contains calcium aluminates and aluminum ferrates. In contrast, the grinding costs are lower compared to conventional CEM I. Fly ash is limited and comparatively expensive. Since fly ash-belite cement is conventionally processed further, the remaining disadvantages mentioned above can not be overcome.
S. C. Mojumdar, B. Chowdhury, K. G. Varshnney und K. Mazanec, Synthe- sis, Moisture Resistance, Thermal r Chemical and SEM Analysis of Mac- ro-Defect-Free (MDF) Cements, Journal of Thermal Analysis and Calori- metry 78, S. 135-144, 2004, schlagen die Herstellung von Makro-Defekt freiem Zement (MDF) durch die Abmischung verschiedener Klinkermaterialien wie SAFB, CEM I oder Al2O3 mit weiteren anorganischen und organischen Additiven vor. MDF-Zemente werden konventionell, aber mit stark reduzierten Wasser-/Feststoffverhältnis angemacht und verarbei¬ tet.SC Mojumdar, B. Chowdhury, KG Varshnney and K. Mazanec, synthesis sis, Moisture Resistance, thermal r Chemical and SEM Analysis of Mac ro-Defect-Free (MDF) Cements, Journal of Thermal Analysis and Calorimetry 78, Pp. 135-144, 2004, suggest the production of macro defect free cement (MDF) by blending various clinker materials such as SAFB, CEM I or Al 2 O 3 with other inorganic and organic additives. MDF cements are conventional, but dressed with greatly reduced water / solids ratio and tet proces ¬.
Aus G. R. Gouda und D. M. Roy, Characterization of Hot-Pressed Cement Pastes, Journal of the American Ceramic Society 59, S. 412-414, 1976 sowie A.A. Paschenko, V. V. Chistyakov, E. A. Myasnikova und L. A. Kulik, Formation of the Structure of Hot-Pressed Cement Paste, Dopo- vidi Akademii Nauk Ukrainskoi RSR, Seriya B, Geologichni Khimichni ta
Biologichni Nauki 9, S. 41 (Abstract) , 1990, ist die Herstellung vonFrom GR Gouda and DM Roy, Characterization of Hot-Pressed Cement Pastes, Journal of the American Ceramic Society 59, pp. 412-414, 1976 and AA Paschenko, VV Chistyakov, EA Myasnikova and LA Kulik, Formation of the Structure of Hot Pressed Cement Paste, Dopovidi Akademii Nauk Ukrainskoi RSR, Seriya B, Geologichni Khimichni ta Biologichni Nauki 9, p. 41 (abstract), 1990, is the production of
Hot-Pressed Cement Paste durch die Erhärtung konventionell mit Wasser angemachter und verarbeiteter Zementpasten bei erhöhtem Druck (3-5 kbar) und erhöhter Temperatur (150-2500C) bekannt.Hot-Pressed Cement Paste by hardening conventionally water-treated and processed cement pastes at elevated pressure (3-5 kbar) and elevated temperature (150-250 0 C) known.
Sowohl MDF-Zemente als auch Hot-Pressed Cement Pastes besitzen ein im Vergleich zu konventionellem CEM I dichteres Gefüge ohne Makroporen. Die primäre Porosität im Mikrometerbereich ist allerdings erheblich. Die Endfestigkeit wird erst nach Wasserlagerung erreicht und ist gegenüber CEM I vervielfacht (bis 700 N/mm2 bei Hot-Pressed Cement Pastes). Die Stabilität gegen einen äußeren chemischen Angriff z. B. durch Säuren, CO2 oder Sulfate ist gegenüber CEM I aufgrund des dichteren Gefüges verbessert. Allerdings besteht für diese Produkte die Gefahr des so genannten Swelling durch unreagierte Klinkerphasen. Weder MDF-Zemente noch Hot-Pressed Cement Pastes können die weiteren oben aufgeführten Nachteile überwinden.Both MDF cements and hot-pressed cement pastes have a denser structure without macropores compared to conventional CEM I. However, the primary porosity in the micrometer range is considerable. The final strength is reached only after storage in water and is multiplied compared to CEM I (up to 700 N / mm 2 in hot-pressed cement pastes). The stability against an external chemical attack z. B. by acids, CO 2 or sulfates is improved over CEM I due to the dense structure. However, there is the danger of so-called swelling due to unreacted clinker phases for these products. Neither MDF cements nor hot-pressed cement pastes can overcome the other disadvantages listed above.
Aus G. Mi, F. Saito und M. Hanada, Mechanochemical synthesis of to- bermorite by wet grinding in a planetary ball mill, Powder Technolo¬ gy, Band 93, Seite 77-81, 1997 ist die Herstellung der C-S-H-Phase Tobermorit mittels der so genannten mechanochemisehen Behandlung ei¬ ner wässrigen Suspension aus CaO und SiO2 in einer Achatkugelmühle bekannt .From G. Wed, F. Saito and M. Hanada, Mechanochemical synthesis of to- bermorite by wet grinding in a planetary ball mill, Powder Technolo gy ¬, Volume 93, pages 77-81, 1997, the production of the CSH phase tobermorite by means of the so-called mechanochemisehen treatment ei ¬ ner aqueous suspension of CaO and SiO 2 in an agate ball mill known.
Die DE 28 32 125 C2 beschreibt ein Verfahren, in dem CaO- und SiO2- haltige Materialen mit einem synthetischen Calciumsilikat, (CaO: SiO2- Verhältnis jeweils 0,8 bis 1,1) und Fasern mit Wasser gemischt werden. Nach einer Wartezeit von mindestens 5 Stunden („Vorreaktion") bildet sich, da die Sedimentationsneigung durch Rühren unterbunden wird, ein pumpfähiger Brei, der in plattenförmige Formen gegossen und unter Druck entwässert wird. Nach einer Autoklavenhärtung und einer Trocknung liegen „feuerbeständige maßgenaue Leichtbauplatten" vor. Das Calciumsilikat ist synthetischer Herkunft, das durch Autoklaven¬ härtung hergestellt wird.
Die DE 33 02 729 Al offenbart die Umsetzung von wässrig dispergiertenDE 28 32 125 C2 describes a method in which CaO and SiO 2 -containing materials with a synthetic calcium silicate, (CaO: SiO 2 - ratio of 0.8 to 1.1) and fibers are mixed with water. After a waiting period of at least 5 hours ("pre-reaction"), since the sedimentation tendency is prevented by stirring, a pumpable slurry is formed, which is poured into plate-like molds and dehydrated under pressure After autoclave hardening and drying, "fire-resistant dimensionally accurate lightweight building boards" in front. The calcium silicate synthetic origin, which ¬ by autoclave curing is made. DE 33 02 729 A1 discloses the reaction of aqueous-dispersed
Ausgangsmaterialien unter Erhitzen und anschließendem Filterpressen (entwässernde Formgebung) , anschließender Dampfhärtung und anschlie- ^ ßender Trocknung. Die Umsetzung (das Erhitzen) erfolgt bei einer Temperatur von 80 bis 2300C innerhalb von 30 Minuten bis 10 Stunden.Starting materials under heating and then filter presses (water shaping), followed by steam curing and subse- ^ ßender drying. The reaction (heating) is carried out at a temperature of 80 to 230 0 C within 30 minutes to 10 hours.
Ausgehend hiervon ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung von Formteilen vorzuschlagen, das die genannten Nachteile und Einschränkungen nicht aufweist.Proceeding from this, it is the object of the present invention to provide a method for the production of molded parts, which does not have the disadvantages and limitations mentioned.
Diese Aufgabe wird durch die Verfahrensschritte des Patentanspruchs 1 gelöst. Die Unteransprüche beschreiben jeweils vorteilhafte Ausge¬ staltungen der Erfindung.This object is achieved by the method steps of claim 1. The dependent claims describe advantageous Substituted each ¬ refinements of the invention.
Die vorliegende Erfindung basiert auf der Synthese von Calcium- Silikat-Hydraten (C-S-H-Phasen) in wässriger Lösung oder Suspension mit einer Schichtstruktur. Dass das erfindungsgemäße Verfahren tatsächlich eine derartige Schichtstruktur erzeugt, lässt sich mittels Röntgenstrukturanalyse beobachten, da eine solche Struktur, sobald sie einen regelmäßigen Abstand aufweist, einen so genannten Basal- reflex im Röntgendiffraktogramm hinterlässt. Im Falle der vorliegenden C-S-H-Phasen bildet sich eine Linie im Bereich von 9 Ä bis 20 Ä aus, die auf die Entstehung dieser Schichtstruktur hinweist.The present invention is based on the synthesis of calcium silicate hydrates (C-S-H phases) in aqueous solution or suspension with a layered structure. The fact that the method according to the invention actually produces such a layer structure can be observed by X-ray structure analysis, since such a structure, as soon as it has a regular spacing, leaves a so-called basal reflex in the X-ray diffractogram. In the case of the present C-S-H phases, a line in the range of 9 Ä to 20 Ä forms, which indicates the formation of this layer structure.
Die vorliegende Erfindung nutzt die Ausbildung einer elektrischen Doppelschicht an der Grenzfläche zwischen einer festen und einer flüssigen Phase. An der Oberfläche des Feststoffs entsteht eine star¬ re Schicht aus Ionen, hinter der sich eine diffuse Ladungswolke aus Ionen anlagert. Das elektrische Potential, das als Zeta- oder elek- trokinetisches Potential bezeichnet wird, fällt seinem Betrag nach innerhalb der starren Schicht zunächst stark ab, um in der hieran an¬ schließenden flüssigen Phase entweder weiterhin leicht abzufallen
(positives Zeta-Potential) oder leicht anzusteigen (negatives Zeta-The present invention utilizes the formation of an electric double layer at the interface between a solid and a liquid phase. On the surface of the solid, a star ¬ re layer of ions, behind which a diffuse charge cloud of ions accumulates. The electric potential is referred to as zeta potential or electron-trokinetisches, falls of its magnitude by first strongly within the rigid layer from to fall in the liquid thereto at ¬ closing phase either slightly further (positive zeta potential) or slightly higher (negative zeta potential)
Potential) . Das Zeta-Potential, dessen Betrag durch die BeziehungPotential). The zeta potential, its amount by the relationship
ζ = 4πηv/εr Eζ = 4πηv / ε r E
gegeben ist, wobei η die Viskosität der Flüssigkeit, v ihre Geschwindigkeit, εr ihre relative Permittivität und E das elektrische Feld bezeichnen, ist ein Maß für die Beweglichkeit der Ionen.where η is the viscosity of the liquid, v its velocity, ε r its relative permittivity and E the electric field, is a measure of the mobility of the ions.
Die beschriebenen Verhältnisse sind für den Fall von Calcium-Silikat- Hydraten (C-S-H-Phasen) mit einem Verhältnis von CaO/ SiO2 > 1 und positivem Zeta-Potential in Fig. Ia) dargestellt.The ratios described are for the case of calcium silicate hydrates (CSH phases) with a ratio of CaO / SiO 2 > 1 and positive zeta potential in Fig. Ia).
Die Oberfläche des Festkörpers besteht bevorzugt aus negativ geladenen 02~-lonen, so dass sich in der hierzu benachbarten Lösung eine starre Schicht aus Ca2+-Ionen ausbildet. Hier lagert sich eine diffuse Schicht aus 0H~- und Ca2+-Ionen an. Die oberflächenferne Lösung ist elektrisch neutral.The surface of the solid preferably consists of negatively charged 0 2 ~ ions, so that a rigid layer of Ca 2+ ions is formed in the solution adjacent thereto. Here, a diffused layer of 0H ~ and Ca 2+ ions is deposited. The surface-distant solution is electrically neutral.
Unter Ausnutzung dieser Ladungsschichten können sich, wie in Fig. Ib) gezeigt, gleichartige Festkörper oder Oberflächen, insbesondere durch äußere Druckeinwirkung gefördert, einander annähern. Die diffusen Ladungsschichten werden hin zur oberflächenfernen Lösung verdrängt, während sich die starren Schichten zu einer verbindenden Schicht zwischen den sich nähernden Oberflächen umbilden. Der erforderliche Ladungsausgleich erfolgt dabei über leicht bewegliche Protonen gemäß der GleichungBy taking advantage of these charge layers, as shown in FIG. 1b), similar solids or surfaces, in particular promoted by external pressure, can approach one another. The diffused charge layers are displaced toward the off-surface solution as the rigid layers reform into a connecting layer between the approaching surfaces. The required charge compensation takes place via easily movable protons according to the equation
Geeignete Zusätze modifizieren die Grenzflächen oder -schichten, vor allem indem diese als Keime zur Selbstorganisation von Aggregaten im Größenbereich bis zu 1 μm mit steuerbaren Eigenschaften wirken. Dieser Vorgang wurde durch Oberflächenanalysen nachgewiesen.Suitable additives modify the interfaces or layers, especially by acting as nuclei for self-assembly of aggregates in the size range up to 1 micron with controllable properties. This process was detected by surface analyzes.
Für das Verfahren zur Herstellung von erfindungsgemäßen Bauteilen
wird entsprechend Verfahrensschritt a) zunächst eine wässrige Lösung aus Calciumoxid CaO und Siliziumdioxid SiO2 bereitgestellt. Hierbei nimmt das Molverhältnis von Calcium zu Silizium (Ca: Si) ein Wert im Bereich zwischen 0,5:1,0 bis 2,5:1,0, vorzugsweise von 0,5:1,0 bis 1,0:1,0 an, wobei die Grenzen jeweils mit eingeschlossen sind. Bei einem Wert oberhalb von 1,3: 1,0 bildet sich im System CaO- SiO2-H2O gleichzeitig Calciumhydroxid Ca(OH)2 aus, wodurch ein ansonsten erfindungsgemäß hergestelltes Bauteil keine ausreichende Festigkeit mehr aufweist.For the process for the production of components according to the invention If appropriate, an aqueous solution of calcium oxide CaO and silicon dioxide SiO 2 is provided in accordance with method step a). Here, the molar ratio of calcium to silicon (Ca: Si) takes a value in the range between 0.5: 1.0 to 2.5: 1.0, preferably from 0.5: 1.0 to 1.0: 1, 0, with the boundaries included. At a value above 1.3: 1.0, calcium hydroxide Ca (OH) 2 forms simultaneously in the system CaO-SiO 2 -H 2 O, as a result of which an otherwise inventively produced component no longer has sufficient strength.
Das Wasser- zu Feststoffverhältnis bei der Herstellung der C-S-H-Phasen ist in weiten Grenzen frei wählbar. Vorzugsweise beträgt der Wasseranteil das 4-20fache, besonders bevorzugt annähernd das 10- fache der Gesamteinwaage der Feststoffe.The water to solid ratio in the preparation of the C-S-H phases is freely selectable within wide limits. Preferably, the proportion of water is 4-20 times, more preferably approximately 10 times the total weight of the solids.
Zur Herstellung von Calciumsilikathydraten werden als Rohstoff bevorzugt Brandkalk CaO oder calciumhydroxidhaltige Schlämme eingesetzt. Als Silikatquelle dienen vorzugsweise Aerosil, Kieselsäure (pyrogen oder gefällt) , Kieselgur, Wasserglaslösungen, technische Nebenprodukte wie Microsilica aus der Ferrosilicumherstellung, Schlacken aus der MüllVerbrennung oder Hochofenprozessen, Hüttensand oder Flugaschen.For the preparation of calcium silicate hydrates, the raw material used is preferably lime CaO or calcium hydroxide-containing sludges. The silicate source used is preferably Aerosil, silicic acid (pyrogenic or precipitated), kieselguhr, waterglass solutions, technical by-products such as microsilica from the production of ferrosilicum, slags from waste incineration or blast furnace processes, granulated blastfurnace or fly ash.
Die so bereitgestellte Lösung wird dann nach Verfahrensschritt b) gemischt und zur Reaktion gebracht. Hierbei ist entscheidend, dass keine Temperaturerhöhung über 1000C, vorzugsweise nicht über 80 0C erfolgt. Zur Verbesserung des Umsatzes oder zur Erzielung einer besseren Homogenität werden während der Synthese Mahlhilfsmittel oder Verfahren zur besseren Durchmischung (sog. mechanochemische Behandlung) eingesetzt. Eine Messung der Temperatur ist schwierig, da es sich um lokale, im Kontaktbereich Mahlbecher-Mahlhilfsmittel- Suspension auftretende Temperaturen handelt und erhebliche Tempera¬ turgradienten zu vermuten sind. In der Durchführung wird der Mahlvor¬ gang periodisch unterbrochen, um einen Temperaturausgleich bzw. gege¬ benenfalls eine Abkühlung zu ermöglichen. Die Synthese erfolgt vor¬ zugsweise bei Raumtemperatur. Zur Verkürzung der Synthesedauer, also
zur Reaktionsbeschleunigung, wird bei geringfügig erhöhten Temperaturen oder Drücken gearbeitet. Die Reaktion ist dann beendet, wenn sich nanokristallines Material gebildet hat, was sich an der Ausbil- Λ düng eines Basalreflexes im Röntgendiffraktogramm zeigt.The solution thus provided is then mixed after process step b) and reacted. It is crucial that no increase in temperature above 100 0 C, preferably not more than 80 0 C. To improve the conversion or to achieve a better homogeneity, grinding assistants or processes for better mixing (so-called mechanochemical treatment) are used during the synthesis. A measurement of the temperature is difficult because it is local, occurring in the contact area Mahlbecher Mahlhilfsmittel- suspension temperatures and considerable tempera ¬ turgradienten to be expected. In carrying out the Mahlvor ¬ is periodically interrupted gear, to enable temperature compensation or gege ¬ appropriate, a cool down. The synthesis is carried out before ¬ preferably at room temperature. To shorten the synthesis time, so to accelerate the reaction is carried out at slightly elevated temperatures or pressures. The reaction is then terminated when nanocrystalline material has formed, which has fertil at the training Λ shows an X-ray Basalreflexes in.
Hieran anschließend wird die verbleibende wässrige Phase gemäß Verfahrensschritt c) abgetrennt (z. B. abfiltriert), wodurch nanokristallines Material zurückbleibt, das gemäß Verfahrensschritt d) entnommen und zu einem Pulver getrocknet wird. Das feste Produkt wird also vom Suspensionswasser abgetrennt und getrocknet, wodurch sich ein rieselfähiges, lagerungsbeständiges Pulver ergibt, das keiner weiteren Temperatur- oder Wasserdampfdruckbehandlung unterzogen wird.Subsequently, the remaining aqueous phase according to process step c) is separated off (eg filtered off), leaving behind nanocrystalline material which is removed according to process step d) and dried to a powder. The solid product is thus separated from the suspension water and dried, resulting in a free-flowing, storage-resistant powder, which is not subjected to any further temperature or steam pressure treatment.
Dieses trockene Pulver wird dann sofort oder nach zwischenzeitlicher Lagerung gemäß Verfahrensschritt e) in eine vorbereitete Form eingefüllt. Durch Beaufschlagen mit Druck, vorzugsweise zwischen 50 MPa und 500 MPa, besonders bevorzugt zwischen 100 MPa und 200 MPa, verdichtet sich das trockene Pulver zum einem festen Bauteil ohne nachfolgende Temperaturbehandlung. Dabei werden die nanokristallinen C-S- H-Phasen durch einen Selbstheilungsprozess miteinander verbunden. Gleichzeitig werden hierbei die Poren, die größer als ca. Iμm sind, geschlossen.This dry powder is then filled immediately or after intermediate storage according to process step e) in a prepared form. By applying pressure, preferably between 50 MPa and 500 MPa, more preferably between 100 MPa and 200 MPa, the dry powder compacts into a solid component without subsequent temperature treatment. The nanocrystalline C-S-H phases are connected by a self-healing process. At the same time, the pores, which are larger than about Iμm, are closed.
Zur Herstellung eines größeren Bauteils kann dieser Verfahrensschritt auch mehrfach ausgeführt werden. Hierzu ist es vorteilhaft, das trockene Pulver z. B. lagenweise in die bereitgestellte Form einzufüllen.To produce a larger component, this method step can also be carried out several times. For this purpose, it is advantageous to dry powder z. B. fill in layers in the provided form.
Nachdem das gesamte Bauteil vollständig erstellt wurde, wird die Form gemäß Verfahrensschritt f) entfernt. Das Bauteil verbleibt entweder am Ort oder wird ggf. für seine Verwendung an anderer Stelle entnom¬ men.After the entire component has been completely created, the mold is removed according to method step f). The component remains either locally or if applicable, for its use elsewhere entnom ¬ men.
In einer bevorzugten Ausgestaltung wird die Lösung während oder nach Verfahrensschritt a) oder das Pulver nach Verfahrensschritt d) mit
verschiedenen Zusätzen und/oder Zuschlägen abgemischt und homogenisiert. Zusätze sind einerseits Mineralstoffe wie Calcit, Wollastontit oder Korund und Fasermaterialien. Diese mögliche Zugabe von Füllstoffen dient zur Optimierung der mechanischen Eigenschaften oder im Falle von wärmeisolierenden Materialien zur Beeinflussung der Dämmeigenschaften des Bauteils. Andererseits können auch organische und anorganische Zusätze eingesetzt werden, die die Oberflächenladung der beteiligten Phasen, insbesondere der C-S-H-Phasen verändern. Ein besonders geeigneter Zusatz ist Aluminiumhydroxid Al(OH)3, das im Über- schuss zugegeben werden kann und zur Selbstorganisation von C-S-H- Phasen mit negativem Zeta-Potential und Al(OH)3 (positives Zeta- Potential) führt. Weitere geeignete Zusätze sind schwefelhaltige Verbindungen wie CaS04-Modifikationen (Gips) oder Ettringit sowie Hydroxide wie Brucit oder Portlandit.In a preferred embodiment, the solution during or after process step a) or the powder according to process step d) with blended and homogenized with various additives and / or additives. Additives are on the one hand minerals such as calcite, wollastontite or corundum and fiber materials. This possible addition of fillers serves to optimize the mechanical properties or, in the case of heat-insulating materials, to influence the insulating properties of the component. On the other hand, it is also possible to use organic and inorganic additives which change the surface charge of the phases involved, in particular of the CSH phases. A particularly suitable additive is aluminum hydroxide Al (OH) 3 , which can be added in excess and leads to the self-assembly of CSH phases with negative zeta potential and Al (OH) 3 (positive zeta potential). Further suitable additives are sulfur-containing compounds such as CaSO 4 modifications (gypsum) or ettringite, and hydroxides such as brucite or portlandite.
Das mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellte Bindemittel aus C-S-H-Phasen bzw. C-S-H-Phasen mit Zusätzen schließt die Zuschläge fest ein. Durch Wahl der chemischen Eigenschaften der nano- kristallinen C-S-H-Phasen und der Zuschläge wird eine feste Bindung des Bindemittels an die Zuschläge erreicht. Die Bindung zwischen Bindemittel und Zuschlägen lässt sich durch Anpassung der Oberflächenladung der Zuschläge z.B. durch vorherige chemische Behandlung z.B. mit Säure verbessern. Dieser Prozessschritt kann durch eine Temperaturbeaufschlagung ergänzt werden.The binder produced by the process according to the invention from C-S-H phases or C-S-H phases with additives includes the additives firmly. By choosing the chemical properties of the nanocrystalline C-S-H phases and the additions, a firm bond of the binder to the aggregates is achieved. The bond between binder and aggregates can be adjusted by adjusting the surface charge of the aggregates, e.g. by prior chemical treatment e.g. improve with acid. This process step can be supplemented by a temperature application.
Das erfindungsgemäße Verfahren besitzt die folgenden Vorteile:The process according to the invention has the following advantages:
- Einfache RohstoffZusammensetzung.- Simple raw material composition.
- Das Verfahren läuft bereits bei Raumtemperatur ab; höhere Temperaturen sind optional.- The process already starts at room temperature; higher temperatures are optional.
- Das gesamte Material und nicht nur ein Teil der das Bindemittel aufbauenden Phasen trägt zur Festigkeit bei.- The entire material and not just a part of the binder building phases contributes to the strength.
- Die Formgebung erfolgt einfach durch Aufbringen eines äußeren Drucks .- The shaping is done simply by applying an external pressure.
- Die damit hergestellten Bauteile sind sofort fest und ermöglichen ein sofortiges Ausschalen.
- Die Dichte des erfindungsgemäß hergestellten Materials lässt sich durch Wahl der Stoffe nach Verfahrensschritt a) , der Trocknungsbedingungen nach Verfahrensschritt d) und der Höhe der Druckes, mit dem das Pulver während Verfahrensschritt e) beaufschlagt wird, einstellen.- The components made with it are immediately fixed and allow immediate stripping. - The density of the material according to the invention can be adjusted by selecting the substances according to process step a), the drying conditions according to process step d) and the amount of pressure applied to the powder during process step e).
- Die Spaltzugfestigkeit des mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Produkts entspricht bereits bei einer Dichte von 1,2 g/cm3 der Spaltzugfestigkeit von selbstverdichtendem Beton, der eine Dichte von 2,3 g/cm3 aufweist.The splitting tensile strength of the product produced by the process according to the invention corresponds already at a density of 1.2 g / cm 3 to the splitting tensile strength of self-compacting concrete which has a density of 2.3 g / cm 3 .
- Die Bedingungen bei der Herstellung des Pulvers (Zusammensetzung, Synthesebedingungen) können aufgrund von Anforderungen an das Bauteil wie z. B. an dessen chemische Beständigkeit und müssen nicht aufgrund der erforderlichen Reaktionsbedingungen festegelegt werden. Dieser Vorteil bewirkt eine erhebliche Materialersparnis.- The conditions in the preparation of the powder (composition, conditions of synthesis) may be due to requirements for the component such. As to its chemical resistance and need not be determined due to the required reaction conditions. This advantage causes a considerable saving of material.
- Die Bauteilform wird durch ihre Funktion und die Anforderungen an ihre Festigkeit bedingt und nicht durch Fließ- und Reaktionsbedingungen.- The component shape is determined by its function and the requirements of its strength and not by flow and reaction conditions.
- Der Entwurf von Mischungen ist aufgrund der überschaubaren chemischen Abläufe wesentlich einfacher.- The design of mixtures is much easier due to the manageable chemical processes.
- Die Dichte des Materials kann auch durch Wahl geeigneter Zuschläge und/oder Zusätze eingestellt werden, so dass Werte zwischen 0,5 und 3,0 g/cm3 erreicht werden. Somit kann das Material auch als Leichtbaustoff eingesetzt werden.- The density of the material can also be adjusted by selecting suitable additives and / or additives, so that values between 0.5 and 3.0 g / cm 3 are achieved. Thus, the material can also be used as a lightweight construction material.
Das erfindungsgemäße Verfahren dient der Synthese von nanokri- stallinen Zementhydratphasen oder Mischungen von nanokristallinen Zementhydratphasen mit abgestimmter Oberflächenladung, insbesondere mit positivem Zeta-Potential. Weiterhin wird dieses Verfahren zur Herstellung und zur Nutzung von vollständig hydratisierten C-S-H-Phasen mit definierter Zusammensetzung und Oberflächenladung als Grundstoff zur Bindemittelherstellung eingesetzt. Schließlich wird dieses Ver¬ fahren zur Herstellung und zur Nutzung von vollständig hydratisier¬ ten, getrockneten Zementhydraten als Ausgangsstoff zur Bindung eines zementgebundenen Bauteils verwendet.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen erläutert.The inventive method is used for the synthesis of nanocrystalline Cementhydratphasen or mixtures of nanocrystalline Zementhydratphasen with tuned surface charge, in particular with a positive zeta potential. Furthermore, this method is used for the preparation and use of fully hydrated CSH phases with a defined composition and surface charge as a raw material for binder production. Finally, this Ver ¬ will go to the production and use of fully hydratisier ¬ th, dried cement hydrates used as starting material for bonding a cementitious component. The invention will be explained below with reference to exemplary embodiments.
Herstellung des pulverförmigen ProduktsProduction of the powdery product
Als Ausgangsmaterialien für das Grundsystem C-S-H dientenServed as starting materials for the basic system C-S-H
- SiO2 in Form von Aerosil,SiO 2 in the form of Aerosil,
- CaO, frisch aus CaCO3 gebrannt, unter Schutzgas abgekühlt,CaO, freshly fired from CaCO 3 , cooled under inert gas,
- H2O abgekocht, bidestilliert .- H 2 O boiled, double-distilled.
Teilweise wurden darüber hinaus als Zusätze eingesetzt:Some were also used as additives:
- Al2O3 in Form von Aluminiumhydroxid Al (OH) 3,Al 2 O 3 in the form of aluminum hydroxide Al (OH) 3 ,
- CaSθ4.- CaSO 4 .
Es wurden jeweils 15 g nanaokristalline CSH-Phasen mit Zusammensetzungen, die Molverhältnisen CaO/SiO2 = 0,5, 0,66, 0,75, 1,0 o- der 1,5 entsprechen, hergestellt. Die Synthese erfolgte durch mecha- nochemische Behandlung einer wässrigen Suspension aus CaO und SiO2 in einer Achatkugelmühle. Die stöchiometrisch eingewogenen Oxide wurden in deionisiertem Wasser im Verhältnis Wasser/Feststoff = 10, wobei hierfür Werte zwischen ca. 4 und 12 ebenfalls geeignet sind, gemischt und 48 Stunden bei 600 Umdrehungen pro Minute gemahlen. Nach jeweils 30-minütigem Mahlen wurde die Mühle 15 Minuten angehalten, um eine zu hohe Erwärmung der Probe zu vermeiden. Die auf diese Weise herge¬ stellte Substanz (slurry) wurde 4 Tage bei 60 0C getrocknet. Falls erforderlich, kann der Trocknung ein Filtrationsschritt vorgeschaltet werden. Alle Verfahrensschritte, d.h. Wiegen, Mischen, Be- und Entla¬ den der Mühlen und Trocknen, erfolgten unter N2-Atmosphäre in einer sog. „Glove-Box", um kontrollierte Umgebungsbedingungen zu schaffen und insbesondere um CO2 auszuschließen.In each case, 15 g of nanocrystalline CSH phases having compositions corresponding to molar ratios CaO / SiO 2 = 0.5, 0.66, 0.75, 1.0 or 1.5 were prepared. The synthesis was carried out by mecha- the further treatment of an aqueous suspension of CaO and SiO 2 in an agate ball mill. The stoichiometrically weighed oxides were mixed in deionized water in the ratio water / solid = 10, for which values between about 4 and 12 are also suitable, and milled for 48 hours at 600 revolutions per minute. After each 30 minutes of milling, the mill was stopped for 15 minutes to avoid overheating the sample. HERGÉ in this way ¬ introduced substance (slurry) was 4 days at 60 0 C dried. If necessary, drying may be preceded by a filtration step. All process steps, ie weighing, mixing, loading and Entla ¬ the mills and drying, carried out under N 2 atmosphere in a so-called. "Glove box" to create controlled environmental conditions and in particular to exclude CO 2 .
Die nachfolgende Tabelle 1 zeigt zusammenfassend fünf Ansätze für das Grundsystem C-S-H (Verhältnis Wasser/Feststoff = 10) :
The following Table 1 summarizes five approaches for the basic system CSH (ratio water / solid = 10):
Die nachfolgende Tabelle 2 zeigt zusammenfassend drei Ansätze für das System C-A-S-H mit Al2O3 als Zusatz (Verhältnis SiO2/ Al2O3 = 5,93; Verhältnis Wasser/Feststoff = 10) :The following Table 2 shows in summary three approaches for the system CASH with Al 2 O 3 as additive (ratio SiO 2 / Al 2 O 3 = 5.93, ratio water / solid = 10):
AusgangsSubstanzen CaO SiO2 Al2O3 Starting substances CaO SiO 2 Al 2 O 3
(M = 56, 08) (M = 60, 09) (M = 101 ,96)(M = 56, 08) (M = 60, 09) (M = 101, 96)
Molverhältnismolar ratio
Mol% Gew% Mol % Gew % Mol% Gew% CaO/ [SiO2 + Al2O3] ΦMol% wt% mol% wt% mol% wt% CaO / [SiO 2 + Al 2 O 3 ] Φ
1,50 62, 3 58, 3 32, 3 32, 4 5,4 9,21.50 62, 3 58, 3 32, 3 32, 4 5,4 9,2
1, 00 52, 4 48, 3 40, 8 40, 2 6,9 11,51, 00 52, 4 48, 3 40, 8 40, 2 6,9 11,5
0, 66 42, 3 38, 4 49, 4 48, 0 8,3 13,70, 66, 42, 38, 49, 48, 0, 8.3, 13.7
Darüber hinaus lassen sich die Verhältnisse CaO/SiO2/ In addition, the ratios CaO / SiO 2 /
SiO2/ Al2O3 und Wasser/Feststoff ändern. Ebenso können weitere Zusätze wie z. B. Mg(OH)2 oder CaSO4 zugegeben werden.SiO 2 / Al 2 O 3 and water / solid change. Likewise, other additives such. As Mg (OH) 2 or CaSO 4 are added.
Die Charakterisierung der Phasenzusammensetzung der Proben erfolgte an Hand der Konsistenz des Pulvermaterials, mittels Röntgenbeugung, mit der sich die qualitative und quantitative Zusammensetzung der Proben ermitteln lässt, sowie durch Thermogravimetrie zur Bestimmung des Wassergehalts der Proben.
Herstellung des BauteilsThe phase composition of the samples was characterized by the consistency of the powder material, by X-ray diffraction to determine the qualitative and quantitative composition of the samples, and by thermogravimetry to determine the water content of the samples. Production of the component
Zu Testzwecken wurden aus den Pulvern anschließend Bauteile (Probenkörper) in Form von Tabletten mit einem Durchmesser von ca. 1,3 cm hergestellt. Für die Tabletten wurden Massen von 300 bis 500 mg eingewogen. Das Pulver wurde jeweils in einem Vakuumpresswerkzeug mit einer Kraft von 20 kN (Werte zwischen 10 kN und 120 kN sind möglich) beaufschlagt, was bei dem genannten Durchmesser einem Druck von ca. 140 MPa entspricht.For test purposes, components (specimens) in the form of tablets with a diameter of about 1.3 cm were subsequently produced from the powders. For the tablets, masses of 300 to 500 mg were weighed. The powder was applied in each case in a vacuum pressing tool with a force of 20 kN (values between 10 kN and 120 kN are possible), which corresponds to a pressure of about 140 MPa for said diameter.
Die nachstehende Tabelle 3 zeigt die Daten von Serien von Presstabletten aus reinen C-S-H-Phasen mit unterschiedlichem CaO/SiO2- Verhältnis bzw. nach zusätzlicher Zugabe von Al(OH)3, was die Festigkeit deutlich erhöht:Table 3 below shows the data of series of pressed tablets of pure CSH phases with different CaO / SiO 2 ratio or after additional addition of Al (OH) 3 , which significantly increases the strength:
Die Spaltzug-Festigkeit wurde mittels des so genannten Brazilian Disk TestSr d. h. an einer Scheibe gemessen. Bei Überschreiten der Materi-
alfestigkeit wird ein Versagen durch Rissbildung ausgelöst. DieThe splitting tensile strength was measured by means of the so-called Brazilian Disk TestSr, ie on a disk. If the material is exceeded As a result, failure is caused by cracking. The
Spaltzugfestigkeit von Betonen liegt bei 4 bis 5 MPa (siehe z.B. selbstverdichtender Beton bei 3,98 MPa gemäß Taschenbuch für die Zementindustrie 2002, Seite 307) und damit deutlich niedriger als die Werte für Presslinge aus C-S-H-Phasen mit C/S bei 0,66 bis 1,0.
Splitting tensile strength of concretes is 4 to 5 MPa (see eg self-compacting concrete at 3.98 MPa according to Taschenbuch für den Zementindustrie 2002, page 307) and thus significantly lower than the values for compacts from CSH phases with C / S at 0.66 to 1.0.
Claims
1. Verfahren zur Herstellung von Bauteilen, umfassend die Verfahrensschritte : a) Herstellen einer wässrigen Suspension aus Feststoffen, die Calciumoxid CaO und Siliziumdioxid SiO2 enthalten, wobei für das Molverhältnis Ca:Si ein Wert von 0,5:1,0 bis 2,5:1,0 gewählt wird, b) Mahlen der wässrigen Suspension, ohne dass eine Temperaturerhöhung über 100 °C erfolgt, wodurch sich nanokristalline C-S- H-Phasen bilden, c) Abtrennen der wässrigen Phase, d) Entnehmen und Trocknen des Rückstands, der nanokristalline C- S-H-Phasen enthält, wodurch ein pulverförmiges Produkt erhalten wird, e) Einfüllen des trockenen Pulvers in eine Form und Beaufschlagen mit Druck, wodurch sich das Pulver zum Bauteil verdichtet, f) Entfernen der Form.1. A process for the production of components, comprising the process steps: a) preparing an aqueous suspension of solids containing calcium oxide CaO and silicon dioxide SiO 2 , wherein for the molar ratio Ca: Si a value of 0.5: 1.0 to 2, B) milling the aqueous suspension without increasing the temperature above 100 ° C to form nanocrystalline CS-H phases, c) separating the aqueous phase, d) removing and drying the residue, containing nanocrystalline C-SH phases, thereby obtaining a powdery product; e) filling the dry powder into a mold and pressurizing it, whereby the powder compacts to the component, f) removing the mold.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für das Molverhältnis Ca: Si ein Wert von 0,5:1,0 bis 1,0:1,0 gewählt wird.2. The method according to claim 1, characterized in that a value of 0.5: 1.0 to 1.0: 1.0 is selected for the molar ratio Ca: Si.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Brandkalk oder calciumhydroxidhaltige Schlämme als Feststoffe, die Calciumoxid enthalten, zugesetzt werden.3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that lime or calcium hydroxide-containing sludge are added as solids containing calcium oxide.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass Aerosil, Kieselsäure, Kieselgur, Wasserglaslösungen, Microsilica, Hüttensand oder Schlacken aus der Müllverbrennung oder Hochofenprozessen als Feststoffe, die Siliziumdioxid enthalten, zugesetzt werden.4. The method according to claim 3, characterized in that aerosil, silica, diatomaceous earth, water glass solutions, microsilica, granulated slag or slags from waste incineration or blast furnace processes as solids containing silica, are added.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass während oder nach Verfahrensschritt a) oder nach Verfahrensschritt d) ein Zuschlag oder ein sonstiger fester oder flüssiger Zusatz beigefügt wird.5. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that during or after process step a) or after Process step d) a supplement or another solid or liquid additive is added.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass alumini- umhaltige Verbindungen zugegeben werden.6. The method according to claim 5, characterized in that aluminum-containing compounds are added.
7. Verfahren nach Anspruch 5 oder β, dadurch gekennzeichnet, dass schwefelhaltige Verbindungen zugegeben werden.7. The method according to claim 5 or β, characterized in that sulfur-containing compounds are added.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Beaufschlagung mit einem Druck zwischen 50 MPa und 500 MPa erfolgt.8. The method according to any one of claims 1 to 7, characterized in that the application takes place at a pressure between 50 MPa and 500 MPa.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Be¬ aufschlagung mit einem Druck zwischen 100 MPa und 200 MPa er¬ folgt.9. The method according to claim 8, characterized in that the Be ¬ aufschlagung with a pressure between 100 MPa and 200 MPa he follows ¬ .
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil eine Dichte zwischen 0,5 g/cm3 und 3,0 g/cm3 aufweist. 10. The method according to any one of claims 1 to 9, characterized in that the component has a density between 0.5 g / cm 3 and 3.0 g / cm 3 .
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