DE19506879A1 - Faserverstärkter mineralischer Baustoff hoher Dauerbeständigkeit und Dichtigkeit sowie Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

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 40^th 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.