DE10331247B4 - Verfahren zur Herstellung geformter Bauelemente aus porosiertem und gebrannten Ton - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur Herstellung geformter Bauelemente, bei dem
eine Tonmasse aus Rohton und thermisch aktiviertem Ton und/oder alumosilikatische Anfallstoffe aktiviert wird, indem in Wasser gelöste Alkali- und/oder Erdalkalihydroxide zugegeben werden,
danach metallisches Aluminium zugegeben wird,
eine daraus resultierende porosierte und aktivierte Masse in die Hohlräume eines grünen Hochlochziegels eingebracht,
und anschließend zusammen mit diesem getrocknet sowie nach dem Trocknen im Temperaturbereich von 800 bis 1000 °C gebrannt wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung geformter Bauelemente aus porosiertem und gebranntem Ton, vorzugsweise zur Herstellung porosierter Ziegel für einschalige Außenmauerwerke, bei dem eine Ton enthaltende Masse aufgeschäumt wird.
  • Den Stand der Technik stellt ein Hochlochziegel mit einem porosierten Scherben dar, der Wärmeleitzahlen bis herab zu λ = 0,16 W/mK erzielt. Die Porosierung des Ziegeltones wird dabei durch Zugabe von Ausbrennstoffen wie Styropor, Sägemehl, Papierfangstoffen u.a. realisiert. Der Porosierungsgrad wird hierbei durch den mit der Porosität einhergehenden Festigkeitsabfall begrenzt. Um diesem zu begegnen, werden sowohl mineralische Komponenten wie Kreide, Kieselgur, Perlit als auch poröses Glasgranulat dem Ton beigemischt. Eine weitere Erhöhung der Porosität wird durch Erzeugung von Schaumton erreicht. Hierfür erhält man Wärmeleitzahlen bis zu λ = 0,06–0,10 W/mK. Problematisch dabei ist die nicht ausreichende Festigkeit sowie die Stabilität der Formlinge im Verarbeitungsprozess. Untersuchungen zur Stabilisierung durch Zugabe von Wasserglas, Zement, Kalk, Gips ergaben, entweder Festigkeitsverluste im gebrannten Produkt oder eine unzureichende Verarbeitungsstabilität. Ebenso gehen die den keramischen Scherben auszeichnenden Wasser- und Wasserdampf-Transporteigenschaften verloren.
  • Nach DE 197 06 492 A1 ist es bekannt, bei der Herstellung eines geformten und gebrannten porosierten Mauerziegels die Masse mittels eines Tensidschaumes aufzuschäumen, welcher Kieselsäure als Stabilisator enthält. Nachteilig ist dabei, dass Tensidschaum im alkalischen Milieu unbeständig ist und den Einsatz alkalischer Stabilisatoren beeinträchtigt. Tensidschaum trägt nicht zur Stoffumwandlung im keramischen Trocknungs- und Brennprozess bei und muss durch eine thermische Behandlung wieder aus dem Gut entfernt werden.
  • Für die Festigkeit wirkt es sich vorteilhaft aus, wenn Blähglasgranulat bei der normalen Ziegelherstellung in der Weise eingesetzt wird, dass durch geeignete Steuerung des Brandes an der Grenzfläche zwischen Ziegelmasse und hochporösen Blähglasgranulat beim Ziegelbrand eine Reaktion erfolgt, aber die Raumstruktur des Blähglasgranulates erhalten bleibt. Ein derartiges Verfahren ist in DE 197 32 518 A1 beschrieben. Da die Ziegelmasse nicht porosiert wird, sind die Porositätswerte naturgemäß begrenzt.
  • In DE 197 02 254 A1 wird ein Ziegelstein beschrieben, dem Blähglasgranalien zugesetzt wurden. Bei einem Formkörper, bei welchem das Bindemittel eine Geopolymerbindung ausbildet und vorzugsweise noch amorphes Siliziumdioxid, aktivierte Tone, Glaspulver und/oder hochaufgemahlenen Basalt enthält, wird die Bindemittelphase selbst nicht geschäumt. Die Porosität des Formkörpers soll dadurch über den Porositätswert, welcher dem zugesetzten Blähglasgranulat entspricht, hinaus gesteigert werden, in dem das Bindemittel die Blähglasgranalien lediglich benetzt, so dass zu den Hohlräumen (Poren) in den Blähglasgranalien noch das Zwischenkornvolumen hinzukommt, soweit dieses nicht vom Bindemittel ausgefüllt ist. Räume die nicht vom Bindemittel ausgefüllt sind, können naturgemäß nicht zur Festigkeit beitragen, so dass es bei der Herstellung dieses Formkörpers schwierig ist, die gegenläufigen Kennwerte von Porosität und Festigkeit zu steuern. Über das thermische Verhalten dieser Formkörper wird keine Aussage gemacht. Es ist jedoch aus der Literatur bekannt, dass die Temperaturbeständigkeit von Betonen mit Geopolymerbindung die der hydraulisch gebundenen weit übertrifft.
  • Ferner ist nach EP 561 978 B1 ein Verfahren zu Herstellung eines kalthärtenden feinporigen Schaumwerkstoffes aus einer anorganischen steinbildenden Masse, einem alkalischen Härter und H2O2 als Schaumbildner bekannt.
  • Im Stand der Technik ist auch die Verwendung von Aluminium als Porenbildner für hydraulisch erhärtende Baustoffe bekannt.
  • Ein in EP 148 280 B1 beschriebenes Verfahren nutzt die Zusammenführung massiver und porosierter Teile. Dabei werden jedoch Härtungstemperaturen bis höchstens 200°C verwendet. Die gewünschten besonderen Werkstoffeigenschaften können jedoch erst durch eine keramische Verfestigung der Hauptkomponente Rohton unter Einbeziehung der Binderkomponente im Temperaturbereich 800 bis 1000°C erzeugt werden.
  • In WO 97/25291 ist eine pastöse Schaummasse zur Herstellung eines anorganischen, porösen und festen Schaumproduktes beschrieben, die überwiegend aus Ton besteht und die zum Verfüllen von Durchbrüchen, Lücken Fugen und anderen schlecht zugänglichen Bereichen unter Beachtung von Brandschutzbedingungen geeignet ist, sowie ein poröses festes anorganisches Schaumprodukt, das aus der pastösen Schaummasse durch Kalthärtung entsteht.
  • Ferner ist nach DE 100 11 757 A1 eine Formmasse bekannt, welche eine anorganische steinbildende Komponente und als Härter eine Alkalisilikatlösung enthält. Dabei wird Ton, der thermisch behandelt wurde, als reaktive steinbildende Komponente eingesetzt. Diese porosierte anorganische steinbildende Masse wird in Hohlräumen von Ziegelprodukten verbracht und unter Ausnutzung deren Restwärme gehärtet. Da die steinbildende Masse bei maximal 60°C aushärten muss, enthält der Versatz überwiegend reaktiven Feststoff und eine konzentrierte alkalische Härterkomponente, um die Festigkeit des Schaums zu gewährleisten.
    •
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für ein Verfahren der eingangsgenannten Art ein Zusatzmittel anzugeben, dass sowohl schäumt als auch stabilisiert und den anschließenden keramischen Trocknungs- und Brennprozess, auch gemeinsam mit Formkörpern aus zusatzfreier keramischer Masse, fördert.
  • Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einem Verfahren, welches die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale besitzt, gelöst.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren verwendet einen mit metallischem Aluminium versetzten alumosilikatischen Binder (Geopolymer). Die Lösung führt über die Kinetik der Wechselwirkung im System Na2O(K2O) – Al2O3 – SiO2 – H2O bei Zugabe von metallischen Aluminium. Die bei der Umsetzung des Aluminiums entstehenden Alkalialuminate bilden Kondensationskeime für eine intensivierte Alkalialumosilikat-Bildung. Aus dem Teilsystem Al + H2O + NaOH ist bekannt, dass Aluminium mit Wasser und Natronlauge reagiert nach Al + 3H2O + NaOH ® [Al(OH)4]– + Na+ + 1,5 H2.
  • Der Wasserstoff entweicht gasförmig. Das Aluminat-Ion [Al(OH)4]– ist nicht beständig, sondern kondensiert leicht unter Wasseraustritt zu höhermolekularen Oxoverbindungen. Als erste Stufe entsteht dabei ein Di-Aluminat-Ion [Al(OH)3 – O – Al(OH)3]2–. Weitere Kondensation führt zu Poly-Aluminat-Ionen, die in Form der Natriumsalze Na2O·Al2O3·nH2O mit n = 1,00/2,50/2,67 bekannt sind. Beim Entwässern gehen die wasserreicheren Aluminate über Zwischenstufen in wasserfreie Aluminate Na2O·Al2O3 über, in denen in Analogie zu den Alumosilikaten ein hochpolymeres [AlO2]–-Ion mit Raumnetzstruktur zugrunde liegt. Statt durch Kondensation kann das Aluminat-Ion [Al(OH)4]–, wie die Isolierung von Natriumsalzen der Zusammensetzung 3Na2O·Al2O3·6H2O zeigt, auch durch Aufnahme von 2OH-Ionen stabilisiert werden nach Na[Al(OH)4] + 2NaOH ® Na3[Al(OH)6] durch Laugenüberschuss. In Umkehrung der Gleichgewichtsreaktion Al(OH)3 + OH– ® [Al(OH)4]– kann sich das Aluminiumhydroxid auch bei Zimmertemperatur aus der Aluminatlösung infolge Karbonatisierung als weißer Niederschlag ausscheiden. Dieser Vorgang ist sehr langsam und kann durch die Natriumeinbindung in die Natriumalumosilikate unterdrückt werden.
  • Die Kinetik der Abscheidung der unlöslichen Alkalihydroalumosilikate in die feste Phase aus einer alkalischen Silikat- und Aluminatlösung kann gesteuert werden durch das in die Lösung gegangene Siliziumdioxid. Damit wird entsprechend der Zielstellung einer maximalen Alumosilikatbildung der Verfahrensablauf bestimmbar.
  • Es ist damit auch zweckmäßig, die Erdalkalien im Sinne ihrer Beteiligung an der Alumosilikatbildung für die Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe herranzuziehen. Insbesondere eignen sich thermisch bei < 800°C aktivierte, dolomithaltige Ziegeltone.
  • Die Alkalihydroalumosilikat-Bildung führt in einer Tonsuspension zu einer zeitabhängigen Ansteifung/Verfestigung der Masse. Diese Neubildungen beeinflussen damit auch den nachfolgenden Trocknungs- und Brennprozess. Das Brennverhalten dieser aktivierten Tonmasse hängt von der Menge und räumlichen Verteilung der neu gebildeten Alkali-/Erdalkali-Hydroalumosilikate ab. Die durch das metallische Aluminium verursachte Intensivierung dieser Bildungsprozesse vergrößert den Einfluss der Neubildungen auf das Temperaturverhalten der keramischen Masse in Richtung einer Senkung der Garbrandtemperatur. Insbesondere wird die Durchdringung und Haftung porosierter Massen an einen Stützkörper gefördert, wenn die Alumosilikatbildung, wie beschrieben, im gemeinsamen grünen und feuchten Zustand erfolgt und die Haftschicht durch den Brand thermisch weiter verfestigt wird.
    •
  • Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
  • Ausführungsbeispiel 1
  • Zur Herstellung von Formkörpern wird der Feststoff in eine Aktivierungslösung eingerührt und nach einer 15-minütigen Misch- und Aktivierungszeit durch Zugabe von Aluminiumpaste geschäumt und in Formen verbracht. Die Stabilisierung erfolgt dann im feuchten Zustand der Proben, die danach getrocknet und keramisch gebrannt werden. Der Feststoff besteht aus einer Mischung von getrocknetem und gemahlenem Ziegelton und Metakaolin, die Aktivierungslösung aus Wasser, Natronlauge und Wasserglas. Das Wasser/Feststoff-Verhältniss beträgt 0,56. Der Masseversatz (ohne Wasser) in Masse-% ist:
    Ziegelton: 67,9
    Metakaolin: 22,6
    Natriumhydroxid: 6,4
    Wasserglaslösung (36%): 3,2
    Aluminiumpaste: 0,12.
  • Es wurden Rohdichten von (045–0,55) kg/dm3 und Druckfestigkeiten von (3–4) N/mm2 gemessen. Die ermittelte Grünstandsfestigkeit der getrockneten Formkörper betrug dabei (0,5–1,0) N/mm2.
  • Ausführunsgbeispiel 2
  • Aus einer Rohton/Ziegelmehlmasse werden nach üblicher Weise durch Strangformgebung Hochlochziegel mit Rohdichten von (0,8–1,2) kg/dm3 hergestellt, deren bis zu 50 Vol.-% betragenden Hohlräume durch aktivierte und porosierte Füllmasse mit Rohdichten von (0,3–0,5) kg/dm3 ausgefüllt werden. Diese Füllmasse wird auf der Basis der gleichen Rohton/Ziegelmehlmasse hergestellt. Der erhaltene kombinierte Hochlochziegel wird keramisch getrocknet und gebrannt. Dadurch tritt eine starke Haftung an der Grenzfläche der unterschiedlich porosierten Massen ein, so dass die Voraussetzung gegeben ist, dass ein statisch belastbarer und hochwärmedämmernder Mauerziegel entsteht. Der Masseversatz für eine feinporige Füllung hat folgende Zusammensetzung (Masse%):
    Ziegelton: 52
    Ziegelmehl: 25
    Metakaolin: 20
    Natriumhydroxid: 3
    Aluminiumpaste: 0,12.

Claims (8)

  1. Verfahren zur Herstellung geformter Bauelemente, bei dem eine Tonmasse aus Rohton und thermisch aktiviertem Ton und/oder alumosilikatische Anfallstoffe aktiviert wird, indem in Wasser gelöste Alkali- und/oder Erdalkalihydroxide zugegeben werden, danach metallisches Aluminium zugegeben wird, eine daraus resultierende porosierte und aktivierte Masse in die Hohlräume eines grünen Hochlochziegels eingebracht, und anschließend zusammen mit diesem getrocknet sowie nach dem Trocknen im Temperaturbereich von 800 bis 1000 °C gebrannt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Tonmasse aus Rohton und thermisch aktiviertem Ton zu einem keramischen Masseversatz verarbeitet wird.
  3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der thermisch aktivierte Ton aus Mergel, Lehm, dolomithaltigen Ziegelton, gewonnen wird.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktivierungslösung aus in Wasser gelösten Alkali- und/oder Erdalkalioxiden Alkalisilikate zugegeben werden.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der aktivierten Tonmasse 0,05 bis 0,25 Masse-% Aluminiumpaste zur Porosierung der keramischen Formkörper für Rohdichten von (0,5±0,2) kg/dm3 zugegeben wird.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die porosierte und aktivierte Masse vor der Trocknung zur Ausbildung der erforderlichen Grünstands-Festigkeit im feuchten Zustand Temperaturen von 20–80°C ausgesetzt wird.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die porosierte und aktivierte Tonmasse zusätzlich mit anorganischen und/oder organischen Porosierungsmitteln versehen während einer warmen Strangformgebung eines Hochziegels in mindestens einen der in den Strang eingeformten Hohlräume, sie bis zu 50 Vol.-% des geformten Strangs einnehmen, gefüllt wird.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die getrocknete, porosierte und aktivierte keramische Masse bei Garbrandtemperaturen gebrannt wird, die 50 bis 150 K niedriger liegen als im Falle eines keramischen Brennens der nicht aktivierten Tonmasse.
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