DE10011757A1

DE10011757A1 - Anorganischer Formkörper sowie Verfahren und Formmasse zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE10011757A1
Application number: DE10011757A
Authority: DE
Inventors: Harald Merz; Ekkehard Liefke; Erwin Werk
Original assignee: Huening Elementbau & Co K GmbH; Huels Troisdorf AG; HT Troplast AG
Current assignee: Huening Elementbau & Co Kg 59399 Olfen De GmbH
Priority date: 1999-03-12
Filing date: 2000-03-13
Publication date: 2000-10-05

Abstract

Die Erfindung betrifft Formmassen, enthaltend eine anorganische steinbildende Komponente und als Härter eine Alkalisilikatlösung, die eine Härtungsreaktion der steinbildenden Komponente im alkalischen Bereich bewirkt. Aufgabe der Erfindung ist es, eine Alternative für die bekannten reaktiven steinbildenden Komponenten zur Verfügung zu stellen. DOLLAR A Es wird vorgeschlagen, Ton, der in einem Temperaturbereich von 450 bis 950 DEG C thermisch behandelt wurde, als reaktive steinbildende Komponente einzusetzen. DOLLAR A Formmassen auf dieser Basis können zu kompakten Formkörpern hoher Festigkeit oder geschäumten Formkörpern mit hoher Wärmedämmung verarbeitet werden. Die Formmasse eignet sich, besonders in Kombination mit Ziegelprodukten, zur Herstellung von Bauelementen im Baubereich.

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft eine Formmasse- bzw. die aus mehreren Teilen bestehende Zusammenstellung der Komponenten - zur Her stellung eines anorganischen Formkörpers entsprechend dem Ober begriff des Anspruchs 1, ein Verfahren zur Herstellung eines anorganischen Formkörpers sowie einen nach diesem Verfahren hergestellten anorganischen Formkörper. Aus gattungsgemäßen Formmassen enthaltend eine anorganische steinbildende Komponen te und als Härter eine wasserhaltige zweite Komponente, die ei ne Härtungsreaktion der steinbildenden Komponente im alkali schen Bereich bewirkt, werden kompakte Formkörper mit einer Dichte von etwa 1.600 kg/m³ und geschäumte Produkte mit Dichten von etwa 150 kg/m³ bis 800 kg/m³ hergestellt.

Stand der Technik

Gattungsgemäße Formmassen sowie diverse Anwendungsbereiche hierfür sind z. B. aus den EP 0 100 848 B, EP 0 148 280 B, DE 32 46 602 A, DE 32 46 619 C, DE 32 46 621 C, DE 33 03 409 C, EP 0 199 941 B, DE 35 12 516 C, EP 0 254 165 B, EP 0 374 195 B, EP 0 417 582 B, EP 0 417 583 B, DE 40 25 212 C, EP 0 561 978 B, EP 0 599 895 B und der WO 93 21 126 A bekannt.

Als reaktionsfähige Feststoffe, die die sogenannte steinbilden de Komponente bilden, sind hieraus insbesondere bekannt:

1. feinteiliges, wenigstens teilweise amorphes Alumosilikat mit Gehalten von amorphem Siliziumdioxid und Aluminiu moxid,
2. glasartige, amorphe Elektrofilterasche,
3. gemahlenes kalziniertes Bauxit,
4. Elektrofilterasche aus Braunkohlekraftwerken,
5. ungelöstes, amorphes SiO₂, insbesondere aus einer amorphen, dispers-pulverförmigen, entwässerten oder wasserhaltigen Kieselsäure oder aus Hochtemperaturprozessen (Silica Fu me),
6. Metakaolin

Die genannten reaktionsfähigen Feststoffe reagieren unter leichter Selbsterwärmung mit Alkalisilikatlösungen, wodurch die Bildung von festen Formkörpern innerhalb von 20-120 min ausgelöst wird. Die dabei stattfindende Reaktion wird auch als Geopolymerisation und die dabei gebildeten Formkörper als Geopolymere bezeichnet. Je nach Reaktivität der steinbildenden Komponente muß die Formmasse zum Starten der Reaktion auf eine Temperatur von 40-80°C erwärmt werden.

Als Härter, der eine Härtungsreaktion der steinbildenden Kompo nente im alkalischen Bereich bewirkt, ist eine Alkalisilikat lösung (Wasserglaslösung) mit 1,2 bis 2,5 mol SiO₂ je mol K₂O und/oder Na₂O bekannt.

Soweit aus den Formmassen leichte geschäumte Formkörper herge stellt werden sollen, können diesen als Schäummittel z. B. 10 Gew.-%-iges H₂O₂ enthalten.

Als Füllstoffe in der aufschäumbaren und aushärtbaren anorgani schen Massen werden insbesondere Glimmer und feinkörniges Tal kum verwendet.

Die aus den eingangs genannten Schriften bekannten reaktiven Komponenten weisen z. T. eine nur geringe oder je nach Charge stark wechselnde Reaktivität auf, z. T. sind sie relativ teuer.

Aufgabe

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine gattungsgemäße Form masse, einen daraus gebildeten Formkörper und ein Verfahren zu seiner Herstellung auf Basis einer alternativen steinbildenden Komponente zur Verfügung zu stellen.

Darstellung der Erfindung

Die Erfindung löst diese Aufgabe durch eine Formmasse nach An spruch 1, bevorzugt in Verbindung mit einem oder mehreren der Merkmale der Unteransprüche, sowie durch ein Verfahren nach An spruch 7 bzw. durch einen Formkörper nach Anspruch 9.

Unter "Zusammenstellung" im Sinne der Erfindung wird die Summe der noch nicht (vollständig) vermischten Komponenten der Form masse verstanden.

Kern der vorliegenden Erfindung ist die Verwendung von Ton, der in einem bestimmten Temperaturbereich thermisch behandelt wur de, als reaktive steinbildende Komponente. Diese Erkenntnis ist insoweit überraschend, als bekannt ist, daß normaler Ton, der nicht in diesem Temperaturbereich behandelt wurde, keinerlei Reaktivität mit einer Alkalisilikatlösung zeigt. Ebenso ist bei gemahlenem gebrannten Ton, wie z. B. Ziegelmehl, also bei Tem peraturen über 950°C gebrannter und anschließend gemahlener Ton, mit dem erfindungsgemäß eingesetzten Härter nicht reaktiv.

Bevorzugt wird als Ausgangsbasis für die reaktive steinbildende Komponente ein handelsüblicher getrockneter und gemahlener Ton verwendet, der für einen Zeitraum von 30-120 min einer Tempe ratur über 450°C und unter 950°C ausgesetzt wird. Durch diese Temperaturbehandlung wird offensichtlich eine strukturelle Ver änderung der Tonbestandteile bewirkt, die anschließend zu der erwünschten Reaktivität mit dem Härter führt. Soweit der Ton vor der thermischen Aktivierung nicht gemahlen wurde, muß er ggf. nach der thermischen Behandlung noch gemahlen werden. Die mittlere Korngröße sollte dabei nicht über 50 µm, bevorzugt nicht über 15 µm und besonders bevorzugt nicht über 5 µm lie gen.

Bevorzugt wird die Temperaturbehandlung (Aktivierung) bei einer Temperatur von 480°C-800°C, besonders bevorzugt zwischen 500°C und 650°C und insbesondere unter 600°C durchgeführt. Bei einer Anhebung der Aktivierungstemperatur auf Werte über 500°C steigt die Reaktivität des aktivierten Tons nicht mehr wesent lich an, während die Behandlung des Tones bei höheren Tempera turen mit höherem Energieverbrauch verbunden ist. Übersteigt die Behandlungstemperatur einen kritischen Wert von ca. 900°C, ist der Ton nicht mehr reaktionsfähig.

Neben dem wie beschrieben aktivierten Ton kann die steinbilden de Komponente noch weitere reaktive Komponenten enthalten, ins besondere die bereits bekannten reaktionsfähigen Feststoffe aus der Gruppe bestehend aus

1. feinteiligem, wenigstens teilweise amorphem Alumosilikat mit Gehalten von amorphem Siliziumdioxid und Aluminiu moxid, insbesondere als Elektofilterstaub aus der Elektro korundherstellung
2. glasartiger, amorpher Elektrofilterasche,
3. gemahlenem kalziniertem Bauxit,
4. Elektrofilterasche aus Braunkohlekraftwerken,
5. ungelöstem, amorphem SiO₂, insbesondere aus einer amorphen, dispers-pulverförmigen, entwässerten oder wasserhaltigen Kieselsäure oder aus Hochtemperaturprozessen (Silica Fume) und
6. Metakaolin.

Die Reaktivität des aktivierten Tons und die Druckfestigkeit der daraus hergestellten Formkörper liegt etwa im mittleren Be reich der obengenannten an sich bekannten reaktiven Feststoffe bzw. der daraus hergestellten Formkörper.

Ton steht als natürliches Sediment nahezu unbegrenzt zur Verfü gung, so daß der hieraus gewonnene reaktive Feststoff preiswert ist und leicht in großen Mengen mit sehr gleichmäßiger Reakti vität hergestellt werden kann.

Als den Härter bildende zweite Komponente wird bevorzugt eine Alkalisilikatlösung mit 1,2 bis 2,5 Mol SiO₂ je Mol K₂O bzw. Na₂O verwendet. In der Alkalisilikatlösung ist K₂O gegenüber Na₂O bevorzugt. Die Alkalisilikatlösungen sollen Alkali im Über schuß enthalten. Der pH-Wert beträgt bevorzugt < 13, die Dichte zwischen 1,2 und 1,7 kg/dm³. Sehr bevorzugt werden solche Alka lisilikatlösungen durch Auflösen von amorpher, dispers-pulver förmiger, wasserhaltiger Kieselsäure, der sogenannten gefällten Kieselsäure, erhalten. Dabei wird bevorzugt eine Lösung der Al kalihydroxide oder festes Alkalihydroxid unter Zusatz von Was ser mit der gefällten Kieselsäure zur Reaktion gebracht. An stelle der gefällten Kieselsäure kann auch amorphes SiO₂ aus Hochtemperaturprozessen (Silica Fume) verwendet werden.

Die erfindungsgemäße Formmasse kann wahlweise zu kompakten Formkörpern einer Dichte von etwa 1,2 bis 3 kg/dm³ oder zu auf geschäumten offenporigen oder geschlossenporigen Formkörpern weiter verarbeitet werden. Zum Aufschäumen werden insbesondere Wasserstoffperoxid (H₂O₂) oder Natriumperborat verwendet. Was serstoffperoxid setzt unter leichter Erwärmung der Formmasse Sauerstoff als Schäummittel frei, durch die Wärmetönung wird eine Beschleunigung der Abbindereaktion erreicht. Durch Ände rung der Menge des eingesetzten Schäummittels lassen sich Form körper mit Dichten von ca. 200 kg/m³ bis über 800 kg/m³ her stellen.

Zur Verbesserung der physikalischen Eigenschaften der Formkör per können bevorzugt Füllstoffe eingesetzt werden, insbesondere Talkum, Glimmer, Cordieritschamotte und/oder alkaliresistente anorganische Fasern wie z. B. Zirkon-Silikat-Fasern.

Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet der erfindungsgemäßen Form masse, insbesondere der ein Schäummittel enthaltenden erfin dungsgemäßen Formmassen, ist der Baubereich, insbesondere die Herstellung von einerseits tragfähigen und andererseits gut thermisch isolierenden Bauteilen und Bauelementen im Baube reich. Besonders bevorzugt ist die Kombination mit Ziegel- Bauelementen, da für die Ziegelherstellung das gleiche Aus gangsmaterial, nämlich Ton, verwendet wird.

Eine vorteilhafte Anwendung stellt das Ausfüllen von sogenann ten Füllziegeln mit der erfindungsgemäßen aufschäumbaren Form masse dar, wobei besonders bevorzugt die Formmasse nach dem Brennprozeß in die Hohlräume der noch 60°C bis 110°C warmen Füllziegel eingefüllt wird, wodurch die Restwärme der Ziegel zur Beschleunigung der Aufschäum- und Abbindereaktion der er findungsgemäßen Formmasse ausgenutzt wird.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungs- und Ver gleichsbeispielen und der Zeichnung näher beschrieben.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Es zeigen dabei

Fig. 1 einen Füllziegel vor dem Verfüllen mit einer erfin dungsgemäßen Formmasse;

Fig. 2 einen Füllziegel nach dem Verfüllen mit einer erfin dungsgemäßen geschäumten Formmasse.

Wege zur Ausführung der Erfindung und Vergleichsbeispiele Beispiel 1

Für die Herstellung der reaktiven Komponente wird zunächst han delsüblicher getrockneter und gemahlener Ton mit einer mittle ren Korngröße (50 Gew.-% Wert) von 0,51 µm in einem Ofen für 120 min einer Temperatur von 480°C ausgesetzt. Die einzelnen Tonteilchen hatten dabei keine Tendenz zu agglomerieren oder zusammenzubacken.

Unter Verwendung dieser reaktiven Komponente wird eine Fest stoffmischung folgender Zusammensetzung in einem Hochleistungs- Chargenmischer innerhalb von 300 s homogenisiert:

Reaktive Komponente (Ton bei 480°C behandelt)	74 Gew.-%
Talkum	25 Gew.-%
Fasern	1 Gew.-%

Zur Herstellung eines Probe-Schaumkörper mit 1 dm³ Volumen wer den 260 g dieser Feststoffmischung in 200 g Härter gegeben und mit einer Rührvorrichtung innig durchmischt.

Der flüssige Härter setzt sich wie folgt zusammen:

SiO₂	26,0 Gew.-%
Na₂O	9,5 Gew.-%

K₂O	13,5 Gew. -%
H₂O	51,0 Gew.-%
Dichte (20°C)	1,6 g/cm³
Mol-Verhältnis SiO₂/M₂O	1,47 : 1 (M = K oder Na)

Im Anschluß werden der Masse bei laufendem Rührwerk 13 ml 10 Gew.-%-iges H₂O2 zugesetzt. Die Formmasse beginnt durch die Zersetzung des Wasserstoffperoxids im stark alkalischen Milieu nach ca. 10-20 s aufzuschäumen. Die Masse wird nun in einem Trockenschrank einer Temperatur von 60°C ausgesetzt. Die Här tungssreaktion setzt nach ca. 20 min ein.

Nachdem der Formkörper nach ca. 50 min ausgehärtet ist, kann er aus dem Trockenschrank genommen und entformt werden. Abschlie ßend erfolgt eine Trocknung über 6 h bei 90°C.

Nach der Trocknung wurde aus dem geschäumten Formkörper zur Be stimmung der physikalischen Eigenschaften ein würfelförmiger Probekörper mit einer Kantenlänge von 50 mm gefertigt, wobei die Flächen zur Erhöhung der Reproduzierbarkeit sorgfältig planparallel geschliffen werden müssen.

Die physikalischen Eigenschaften waren:

Dichte: 530 g/dm³
Druckfestigkeit (ähnlich DIN 52105): 2,8 N/mm²

Beispiel 2

Zur Herstellung eines kompakten, d. h. ungeschäumten Formkör pers wurde zunächst die reaktive Komponente wie in Beispiel 1 durch Temperaturbehandlung bei 480°C hergestellt. Aus 66,6 Gew.-% dieser reaktiven Komponente und 33,3 Gew.-% gemah lener Cordieritschamotte als Füllstoff wurde zunächst eine Feststoffkomponente gemischt. 60 Gew.-% dieser Feststoff mischung wurden mit 40 Gew.-% des Härters gemäß Beispiel 1 ge mischt und die Formmasse in einem auf 50°C temperierten Troc kenofen innerhalb von 60 min ausgehärtet. Durch die exotherme Reaktion stieg die Temperatur in der Probenmitte auf ca. 58°C an. Der ausgehärtete kompakte Formkörper wies eine Druckfestig keit von 17,5 N/mm² auf.

(Vergleichs-)Beispiele 3 bis 12

Zur Ermittlung der für die Aktivierung des Tons notwendige Tem peratur wurden wie folgt zehn Versuche (Vergleichsbeispiele 3 bis 7, Beispiele 8 bis 11 und Vergleichsbeispiel 12) mit ver schiedenen Aktivierungstemperaturen des Tons durchgeführt.

Zunächst wurde zur Herstellung der reaktiven Komponente wie in Beispiel 1 der Ton für jeweils 120 min einer in Tabelle 1 ange gebenen Aktivierungstemperatur ausgesetzt. Mit den so herge stellten Feststoffen wurde wie in Beispiel 1 unter Zusatz von Talkum und Fasern sowie dem in Beispiel 1 angegebenen Härter und unter Zusatz der in Beispiel 1 angegebenen Menge an H₂O als Schäummittel eine Formmasse hergestellt. Die Formmassen gemäß den Versuchen 1 bis 10 wurden jeweils auf eine Temperatur von 60°C erwärmt. Bei den Versuchen 1 bis 5 (Vergleichsbeispiele 3 bis 7) sowie im Vergleichsbeispiel 12 erfolgte jeweils keine Aushärtung. Bei den Versuchen 6 bis 9 (Beispiele 8 bis 11) er gab sich jeweils im Rahmen der typischen Versuchsstreuungen ei ne etwa gleiche Druckfestigkeit von 2,4 bis 2,9 N/mm².

Tabelle 1

Beispiel 13

Zur Herstellung eines wärmegedämmten Bauelementes wird zunächst ein Füllziegel 1 (Fig. 1) in an sich bekannter Weise aus Ton bei 1000°C gebrannt. Nach dem Brennen wird der Füllziegel 1 zu nächst bis auf eine Temperatur ϑ von 95°C abgekühlt.

Danach wird eine aufschäumbare Formmasse 3 gemäß Beispiel 1, jedoch mit auf 20 ml erhöhter Menge an H₂O₂, in die Hohlräume 2, 2' eingefüllt, wobei die Menge zunächst ca. 20% des Volumens der Hohlräume ausfüllt. Durch die Restwärme des Füllziegels 1 schäumt die Formmasse 3 schnell auf und füllt nach kurzer Zeit die Hohlräume 2, 2' vollständig aus. Eine eventuell überstehen de Masse wird abgeschert. Nach ca. 45 min ist die Formmasse 3 ausgehärtet. In einem Trockenofen wird abschließend das in der ausgehärteten Formmasse 3 verbliebene Restwasser ausgetrieben.

Claims

1. Formmasse oder aus mehreren Teilen bestehende Zusammen stellung der Komponenten zur Herstellung eines anorgani schen Formkörpers,

- mit einer anorganischen, steinbildenden Komponente und
- als Härter einer wasserhaltigen zweiten Komponente, die eine Härtungsreaktion der steinbildenden Kompo nente im alkalischen Bereich bewirkt,

dadurch gekennzeichnet, daß die steinbildende Komponente einen bei einer Temperatur zwischen 450°C und 950°C ther misch aktivierten Ton enthält.

2. Formmasse oder aus mehreren Teilen bestehende Zusammen stellung der Komponenten nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß der Ton bei einer Temperatur von 470°C bis 950°C, bevorzugt zwischen 480°C und 700°C, besonders be vorzugt bis 650°C behandelt wurde und eine mittlere Korn größe < 50 µm, bevorzugt < 5 µm aufweist.

3. Formmasse oder aus mehreren Teilen bestehende Zusammen stellung der Komponenten nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie zusätzlich H₂O₂ oder Na triumperborat als Schäummittel enthält.

4. Formmasse oder aus mehreren Teilen bestehende Zusammen stellung der Komponenten nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als wasserhaltige zweite Kom ponente (Härter) eine Alkalisilikatlösung mit 1,2-2,5 Mol SiO₂ je Mol K₂O und/oder Na₂O, eine Dichte von 1,2 bis 1,7 kg/dm³ und einem pH-Wert < 13 verwendet wird.

5. Formmasse oder aus mehreren Teilen bestehende Zusammen stellung der Komponenten nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die steinbildende Komponente zusätzlich einen oder mehrere mit dem Härter reaktionsfä hige Feststoffe aus der Gruppe bestehend aus

1. feinteiligem, wenigstens teilweise amorphem Alumosi likat mit Gehalten von amorphem Siliziumdioxid und Aluminiumoxid, insbesondere als Elektofilterstaub aus der Elektrokorundherstellung
2. glasartiger, amorpher Elektrofilterasche,
3. gemahlenem kalziniertem Bauxit,
4. Elektrofilterasche aus Braunkohlekraftwerken,
5. ungelöstem, amorphem SiO₂, insbesondere aus einer amorphen, dispers-pulverförmigen, entwässerten oder wasserhaltigen Kieselsäure oder aus Hochtemperatur prozessen (Silica Fume),
6. Metakaolin

enthält.

6. Formmasse oder aus mehreren Teilen bestehende Zusammen stellung der Komponenten nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß sie zusätzlich als Füllstoff einen oder mehrere Feststoffe aus der Gruppe bestehend aus

1. Talkum
2. Glimmer
3. Cordieritschamotte
4. alkaliresistente anorganische Fasern

enthält.

7. Verfahren zur Herstellung eines anorganischen Formkörpers, gekennzeichent durch die Verwendung

- eines bei einer Temperatur zwischen 450°C und 950°C thermisch aktivierten Tones als steinbildende Kompo nente
- und einer Alkalisilikatlösung mit 1,2-2,5 Mol SiO₂ je Mol K₂O und/oder Na₂O, einem Wassergehalt von 45-75 Gew.-% und einem ph-Wert < 13 als Härter.

8. Verfahren nach Anspruch 7, gekennzeichent durch die Ver wendung von H₂O₂ oder Natriumperborat als Schäummittel.

9. Formkörper, hergestellt unter Verwendung

- einer anorganischen, steinbildenden Komponente und
- als Härter einer wasserhaltigen zweiten Komponente, die eine Härtungsreaktion der steinbildenden Kompo nente im alkalischen Bereich bewirkt,

dadurch gekennzeichnet, daß die steinbildende Komponente einen bei einer Temperatur zwischen 450°C und 950°C ther misch aktivierten Ton enthält.

10. Verwendung einer Formmasse nach Anspruch 3, dadurch ge kennzeichnet, daß die Formmasse in Hohlräume von Ziegel produkten eingefüllt und unter Ausnutzung der Restwärme vom Brennprozeß ausgehärtet wird.