DE19506879A1 - Faserverstärkter mineralischer Baustoff hoher Dauerbeständigkeit und Dichtigkeit sowie Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents
Faserverstärkter mineralischer Baustoff hoher Dauerbeständigkeit und Dichtigkeit sowie Verfahren zu seiner HerstellungInfo
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Description
Die Erfindung ist anwendbar für die Herstellung faserverstärkter Bauelemente und
Faserbaustoffe hoher Dauerbeständigkeit und Dichtigkeit auf der Grundlage von
hydraulischen Bindemitteln zur Bildung der Bindemittelmatrix.
Die faserverstärkten zementgebundenen Kombinationswerkstoffen setzen sich
zusammen aus der hydraulisch erhärteten Bindemittelmatrix und darin eingelagerten die
Armierungsfasern. Wird für die Matrixbildung der gewöhnliche Portlandzement verwendet, so
enthält dieser in seinem Porenraum eine hoch alkalische Flüssigkeit, die einen pH-Wert ∥
12,5 aufweist, wobei dieser angegebene Zahlenwert für eine gesättigte Calciumhydroxid-
Lösung charakteristisch ist. Der Hauptanteil an Alkalien wird durch den Portlandzementklinker
in das Bindemittel eingetragen. Durch die Anwesenheit der Komponenten Kaliumhydroxid
und Natriumhydroxid im erhärteten Portlandzement, die bevorzugt in der Porenflüssigkeit des
Zementsteins angereichert sind, resultiert ein pH-Wert dieser alkalischen Lösung von
größenordnungsmäßig 13 bis 14. Eine derart alkalische Flüssigkeit übt eine schädigende
Wirkung auf die Armierungsfasern aus, wenn diese aus konventionellen silicatische Gläsern,
aber auch infolge eines Langzeiteinflusses bei den sog. alkaliresistenten Glasfasern,
hergestellt worden sind. Silicatische Gläser können bereits durch Flüssigkeiten mit einem pH-
Wert von 9 merklich durch das Zerstören der Si-O-Si-Bindung des Glasnetzwerkes
angegriffen werden.
Vor rund vier Jahrzehnten wurde die Wirkung von amorphen Kieselsäurespecies
(SiO₂) in Zementbeton erkannt und in der Folgezeit ist der Zementzusatz technisch nutzbar
gemacht worden. Die dem Zement Microsilica (silica fume, silica dust) ist ein Material, das
bei der Silicium- und Ferrosiliciumproduktion anfällt. Zum Stand der Technik gehörend, seien
hier zu erwähnen: TKALCEC, E.; ZELIC J.: Influence of amorphous silica (silica dust) on the
properties of portland cement mortars. Zement-Kalk-Gips 40 (1987) 574-579;
IGARASHI, S.; TORII, K.; HADABA, S.: Effect of silica fume on the durability of glass
fibre reinforced mortar and concrete. Review of the 40th General Meeting Cement
Association, Tokyo 1986, pp. 368-371; ATKINS, M.; LACHOWSKI, E.E.; GLASSER,
F.P.: Investigation of solid and aqueous chemistry of 10-years-old Portland cement pastes
with and without silica modifier. Advances in Cement Research 5 (1993) 97-102.
Von der Düsseldorfer Durapact-Gesellschaft für Glasfaserbeton-Technologie mbH wurde mit
der DE-OS 39 32 908 A1 gleichermaßen diese Richtung verfolgt, indem einem Standard-
oder Spezialzement diese SiO₂-Zusätze beigegeben sind, um eine Neutralisation des beim
Hydratationsprozeß sich bildenden Ca(OH)₂ zu bewirken. Die erfindungsgemäße
Zusatzkomponente zum hydraulischen Bindemittel ist also reaktives Siliciumdioxid, das bei
der Silicium- oder Ferrosiliciumherstellung anfällt. Die dem hydraulischen Bindemittel
zugesetzte SiO₂-Menge soll mindestens äquivalent der benötigten Menge sein, die
erforderlich ist, um sämtliches bei der Hydratation sich bildende freie Calciumhydroxid zu
kompensieren. Dem Stand der Technik entsprechen auch weitere Additives, wie Metakaolin,
Diatomeenerde (SiO₂), Puzzolanerde, Hochofenschlacke und Flugasche bzw. eine
Kombination daraus.
Betrachtet man sich die Partikelgrößen derartiger Stoffgemische, dann hat
Portlandzement normalerweise eine mittlere Teilchengröße von etwa 10 µm und eine
spezifische Oberfläche von rund 0,4 m² · g-1. Die Microsilica aus der Silicium- und
Ferrosiliciumproduktion weist eine mittlere Teilchengröße von 0,1 bis 0,2 µm und eine
spezifische Oberfläche von ca. 20 m² · g-1 auf.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein leistungsfähiges Bindemittelsystem zur Herstellung
von dauerbeständigen Faser-Bindemittel-Kombinationswerkstoffen hoher Dichtigkeit
bereitzustellen.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß dem hydraulisch aktiven
Bindemittel insbesondere chemisch hochreine Nanosilica (sehr feinteilige Kieselsäure)
zugesetzt wird. Nanosilica hat gegenüber Microsilica - je nach Entstehung und Herkunft
variiert der SiO₂-Gehalt zwischen 85 und 98 Gew.-% - eine mittlere Teilchengröße von
0,015 µm und eine spezifische Oberfläche von 180 bis 230 m² · g-1. Durch die etwa zehnfach
größere Oberfläche resultiert ein deutlich höherer Wirkungsgrad bei Verwendung der
chemisch hochreinen und vollständig amorphen Nanosilica als Zement- bzw.
Betonzusatzmittel. Die Eigenschaftsverbesserungen, die durch die Verwendung von
Microsilica erzielt wurden, können durch Anwendung von Nanosilica als einer sehr
feinteiligen, amorphen Kieselsäure deutlich überboten werden. Durch die Partikelkleinheit und
vergrößerte spezifische Oberfläche sowie dem chemisch reinen Produkt ist eine bedeutend
geringere Dosierung bei Verwendung von Nanosilica im Vergleich zum Microsilica-Zusatz
erforderlich. Der ausgeprägte wasserbindende Effekt von Nanosilica führt im rheologischen
Verhalten zu einer plastifizierenden Wirkung und diese Eigenschaft wird begleitet von
weiteren vorteilhaften Merkmalen, wie der leichteren Handhabung des Materials. Wegen der
optimalen Verteilung von Nanosilica auf der Zuschlagoberfläche und dem Zementkorn steht
das gesamte eingebrachte Nanosilica für die Bildung von CSH-Phasen in der Kontaktzone
Bindemittel-Zuschlag der Matrix und der Matrix zur armierenden Glasfaser zur Verfügung
und es resultiert eine verbesserte Frühfestigkeitsentwicklung, was in technologischer Hinsicht
eine Verminderung der erforderlichen Lagerungskapazität nach sich zieht, weil schon nach
kürzerer Zeit die für eine Handhabung erforderliche mechanische Stabilität der Erzeugnisse
gegeben ist. Zu erwähnen ist ferner die Erhöhung der "Dichtigkeit" der Werkstoffmatrix, so
daß dadurch stoffliche Transportvorgänge, welche die Voraussetzung für den Ablauf von
chemischen Reaktionen im Hinblick auf Schädigungsprozesse im Betongefüge sind, beim
Kombinationswerkstoff Glasfaserbeton reduziert werden können. Normalerweise müssen
Erzeugnisse aus Glasfaserbeton wegen der Belastungen durch die natürlichen klimatischen
Bedingungen einen konservierenden Schutzanstrich mit einem alkalibeständigen organischen
Polymeren erhalten, damit das Eindringen von Feuchtigkeit in den Werkstoff zurückgedrängt
oder vermieden wird. Ein in seiner Matrix bereits "feuchtigkeitsdichter" Werkstoff erfordert
keine zusätzliche Behandlung, zumal ein organischer Polymerüberzug auf dem Faser-
Bindemittel-Kombinationswerkstoff im Laufe der Zeit durch Alterungsprozesse chemischen
und morphologischen Veränderungen unterworfen ist, so daß sich im Verlaufe der
Werkstoffnutzung in bestimmten Zeitabschnitten eine Erneuerung der Schutzschicht aus
organischen Polymeren erforderlich macht. Ist hingegen die Eigenschaftsverbesserung mit
Hilfe von Kieselsäurespecies und nicht durch die Verwendung von organischen Polymeren
erreicht worden, so sind auch keine Probleme in ökologischer Hinsicht zu erwarten, wenn ein
solches Material nach der Nutzungsphase zu Abfall wird und als solcher z. B. durch eine
thermische Behandlung in den Wirtschaftskreislauf zurückgeführt wird.
Mischungen aus Portlandzement, Quarzsand 0-2 mm, Nanosilica, Glasfaser und Fließmittel
sind mit einem w/z-Wert von ca. 0,3 und darüber herstellbar und als Spritzbeton verarbeitbar.
Wenn zur Werkstoffbildung die Faser-Bindemittel-Spritztechnik angewandt werden kann,
dann ist die Herstellung eines Kombinationswerkstoffes durch Einmischen der Fasern in eine
frisch bereitete Mörtel- oder Betonmischung erst recht problemlos möglich.
Claims (5)
1. Faserverstärkter mineralischer Baustoff hoher Dauerbeständigkeit und Dichtigkeit,
hergestellt aus Zement, Fasern und Stoffzusätzen, dadurch gekennzeichnet, daß Nanosilica
feinteilige, amorphe Kieselsäurespecies hoher chemischer Reinheit - mit einer mittleren
Teilchengröße < 0,1 µm und einer spezifischen Oberfläche < 25 m² · g-1 als Zusatzstoff
verwendet wird und als Komponente zur Reduzierung der Hydroxylionenkonzentration im
Zementbeton wirkt.
2. Baustoff aus einer Bindemittelmischung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
Nanosilica als Zusatzstoff in den Grenzen von 0,1 bis 30 Gew.- %, bevorzugt in den Grenzen
von 1 bis 10 Gew.- %, beigegeben ist.
3. Bindemittelmischung nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Bestandteil
armierendes faser- und/oder fadenförmiges Material in den Grenzen von 2 bis 10 Gew.-%,
bevorzugt in den Grenzen von 3 bis 5 Gew.-%, darstellt.
4. Bindemittelmischung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die
Werkstoffbildung nach dem Einmisch-, Spritz-, Extruder- oder Einlegeverfahren erfolgt und
der frisch hergestellte Faserbeton, dem Nanosilica zugesetzt wurde, gegenüber vergleichbaren
konventionellen Bindemittelmischungen höhere Früh- und Endfestigkeitswerte zeigt.
5. Produkt, bestehend aus einer Matrix von hydraulisch aktivem Bindemittel und armierender
Faser, gekennzeichnet dadurch, daß Nanosilica als Zusatzstoff auf dem Wege seiner
Herstellung und mit dem Ziel der Beeinflussung der Eigenschaften des Faser-Bindemittel-
Kombinationswerkstoffes verwendet wurde.
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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WO1999048832A1 (de) * | 1998-03-21 | 1999-09-30 | Wendker Gmbh & Co Kg | Mehrkomponentiges bindemittel und verfahren und vorrichtung zu seiner verarbeitung |
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DE202021002390U1 (de) | 2021-07-14 | 2022-10-18 | Jörg Rathenow | Oberflächenschutzsystem für Beton und andere Oberflächen |
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- 1995-02-17 DE DE1995106879 patent/DE19506879A1/de not_active Withdrawn
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