DE2023695C3

DE2023695C3 - Verfahren zur Herstellung von Quellzement für die Erzeugung von Spannbeton durch Vermischen von Portlandzement mit einer Quellkomponente

Info

Publication number: DE2023695C3
Application number: DE19702023695
Authority: DE
Inventors: Semen L. Litver; Viktor V. Michajlov; Aleksej N. Popov; Valentina A. Popova
Original assignee: NAUTSCHNO-ISSLEDOVATELSKIJ INSTITUT BETONA I SCHELESOBETONA MOSKAU
Current assignee: NAUTSCHNO-ISSLEDOVATELSKIJ INSTITUT BETONA I SCHELESOBETONA MOSKAU
Priority date: 1970-05-14
Filing date: 1970-05-14
Publication date: 1978-04-13
Also published as: DE2023695A1; DE2023695B2

Description

Die Erfindung betrifft Verfahren zur Herstellung von Quellzement durch Vermischen von Portlandzement mit einer Quellkomponente, die aus kalziumaluminathaltiger Stoffen, Kalziumsulfat und Kalk hergestellt ist.

Die Herstellung von Quellzement durch Vermischen oder Vermählen von Portlandzement mit einer Queilkomponente, die Kalziumsulfat und einen Kalziumaluminal aufweisenden Stoff enthält, z. B. Tonerdeschmelzzement oder Alunit, ist bekannt (vgl. SU- PS 1 07 996).

In der FR-PS 14 59 132 ist die Herstellung eines Zusatzes für Quellzement und ein Verfahren zur Herstellung dieses Zusatzes beschrieben. Der der Quellung dienende Zusatz, der abgekürzt »CSA« bezeichnet wird, besteht aus den Komponenten CaO, CaSOt und AbOi, die in entsprechenden Mengen eingesetzt und zur Bildung des Zusatzes bei erhöhten Temperaturen zur Reaktion gebracht werden. Als Ausgangsstoffe können dabei Gips. Bauxit und Kalziumsulfoaluminat verwendet werden. Der Zusatz CSA besteht aus J CaO-3 AI₂O₁CaSO₄, 12CaO^AI₂O₁, einem zusätzlichen Anteil an freiem CaSO₄ und bis zu 20% an freiem CaO. Der Quellzement wird aus 80 bis 100% Portlandzement und 20 bis 0% der Qucllkomponente CAS hergestellt. Mehr als 20% der Quellkomponente kommen somit nicht /ur Anwendung, weil sulfatreiche Zusammensetzungen mit höheren Quellkomponentenanteilen selbstzerfallend sind.

In der CiBPS 10 83 727 ist ein Quellzement beschrieben, der aus 40 bis 85% Portlandzement, J bis J0% hochtonerdehaltigem Zement, } bis 15% gemahlenem Kal/iiimsnlfat (in allen Variationen), 0,5 bis 8% gemahlenem oder gelöschtem Kalk und gegebenenfalls Obis 20% gemahlener granulierter Schlacke besteht.

Bei dem Verfahren der vorliegenden Erfindung werden hochtoncrdehalligc Zemente, die einen anderen Abbindcmechanismus bewirken, nicht verwendet.

Der llatiptuntcrschicd von Quellzement gegenüber allen anderen hydrj'ilischen Bindemitteln ist bekanntlich seine Rihigkcit, sich beim Erhiirlen auszudehnen v> bzw. zu treiben und mechanische Albeit zur Spannung und Bewährung der Siahlhclonclcmcntc /.u leisten oder einen Druck auf Hindernisse auszuüben, die die Quellung begrenzen. Ein Feil der freiwerdenden Energie des Bindemittels wird dabei zum Zusammen drücken des Betons verbraucht, wodurch allgemeines Selbslvorspannen der Konstruktion bewirkt wird.

Es ist bekannt, daß bei der Herstellung von vorgespannten Konstruktionen das Spannen der Bewehrung und das Zusammendrücken des Betons nach

|i> mechanischem, elektrothermischem oder elcktrothermomechanischem Verfahren zustande gebracht wird. Der Quellzement macht es möglich, die Anwendung verschiedener Maschinen und Mechanismen bei der Herstellung vorgespannter Konstruktionen zu vemiei den und automalisch Vorspannung in allen Richtungen zu erzielen. Durch mechanische Mittel läßt sich das mit großen Schwierigkeiten erreichen.

Betone und Zement-Sand-Mörtel, die aus Quellzement bereitet werden, besitzen einen horK'n Grad um

5» Wasser-, Benzin- und Gasiindiirchlässigkeit.

Die Lcschriebenen Eigenschaften von Quellzement, die Undiirchlassigkeit und der räumliche Spannungszustand, bestimmten dessen erste und wichtigste Anwendungsbereiche, nämlich Rohre und Behälter /ur

as Aufbewahrung von Wasser und Erdölprodukten.

Jedoch übersteigt die Energie des .Selbstvorspannes von Beton aus Quellzement in Mörteln und Betonen die Werte um 40 bzw. 20 kg/cm-' nicht, wodurch dessen Anwendungsmöglichkeiten begrenzt werden.

(«ι Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Beseitigung des genannten Nachteils.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Verfahren zur Herstellung von Quellzement für die Erzeugung von Spannbeton unter Verwendung solcher Komponenten

ι·, anzugeben, mit denen es möglich ist, d'e Energie des Selbstvorspannens dieses Zementes wesentlich zu erhöhen. Zur Lösung dieser Aufgabe dienen die in den

Patentansprüchen I bis 3 angegebenen Verfahren.

Der kalziumaluminaihaltige Stoff kann zunächst zusammen mit dem Kalziumoxid zur Erzielung eines hochbasischen Kalziumhydroaluminates einer gemeinsamen Hydratation unterworfen werden, wonach durch Zufügen von Portlandzement und Gips der .Spannungszement hergestellt wird. Die vorangehende Hydratation des kalziumaluminaihaltigen Stoffes mit dem Kalziumoxid wird vorteilhafterveise bei einer Temperatur im Bereich von 20 bis 150°C durchgeführt.

Für die Hydratation des kalziumaluminathaltigen Stoffes mit dem Kalziumoxid wird letzteres vorteilhafterweise in einer Menge eingeführt, die die /ur Bildung von hochbasischem Kal/iunihydroaluminat notwendige Menge übersteigt.

Es ist bekannt, daß die Quellung und das Selhstvorspannen der Konstruktion aus Quellzement eine Folge davon ist, daß im Zementstein zunächst Kalziunihydrosulfoaluminat sulfatarmer Form gebildet wird, die danach in eine sulfatreiche Form iimkristalUsiert. Die Bildung von Kalzjumhydrosulfoaluminat sulfatarmer Form kommt bei einem Mangel an Anmachwasser nach dem Schema:
C₄AH₁, t (Il I- (CS), H ac|

-- C₁Al(SlII₁, i ICH), v- (CSlJI, ι ;ic|

zustande; wird der Prozeß unter Zuführung voi überschüssigem Wasser durchgeführt, kommt es zu deren Umkristallisation in sulfatreiche Form nach dem Schema:

₂ t (( H), t (CS)₁JI., H ai|

- C₁A(CS)₁Il₁, \ (CII), t ;u|.

Bei einem Überschuß an Anmachwasser und einer Temperatur nicht oberhalb 40"C bildet sich nicht die sulfatarme Form, sondern sofort die sulfatreiche Form des Kalziumhydrosulfoaluminats nach dem Schema:

C₁AII₁₁ t(II( (CSi₁ ι

C₁A(CS)₁H₁, t (CHl, t ;u|.

worin

C₁AH₁₁ = U-tr;ikal/iimili)(lro:iliunin:il 4C;i() AI.O, · I.1IU). (Il - K;il/iumli>drn\iil CaK)II),.

C₁A(CS)Hu

(CS)JI,

C₁AlCS)₁H,,

CS

--- Milf;il;ir;iic 1 oim des K;il/iiinih>tlrosiilfo:iliiiiiiniils .U';i() · AUO₁ CaSO₄ 1

-- (h)driiliMcilcs) (iipssi'Tal 2CiSO, 4lljO:

-= mi I f:i 11 eic he I mm i'xs K;il/iimih>dinsuHo.ilummiits U ;i() AI₂O₁ · .U';iS(>₄

■- (\v;isset freies) (iipssulfal C;iS(), ist.

Das Wesen der Erfindung besii-hl in der Verstärkung tier Prozesse der Bildung der siilfalarmcn Form von Kalziumhydrosulfoaluminat durch firzeugiiug eines entsprechenden Mediums beim Abbinden und Erhärten Quellzementcs, durch die Verwendung in der Quellkomponente von Kalziumoxid, das sehr rasch hydralisiert und die Menge von nichlgebundencn Wasser im /.einentstein senkt.

Zum Erzielen eines großen Wertes des Selbstvorspannens bei hoher Festigkeit (ohne Abfälle) muß man den Quellvorgang des Zementes, der von drei Faktoren abhängt, richtig steuern, nämlich von der Menge der Bestandteile, der Dosierung von Wasser und der Temperatur des Mediums.

Bei einer die optimale übersteigenden Menge des Qucllziisatzes kommt es /u dessen starker Quellung. die die festen Bindungen des Portliind/ementsteines bricht, es bilden sich aber durch die fortdauernde Hydratation des Porlliind/emenlcs im /erneutstem neue Bindungen, die die Brüche kompensieren, wodurch die Festigkeit steigt.

Fs muß beachtet werden, d.iß sich die stilfalarme Form rasch nach dein Anmachen bildet und dann, wenn das nkht verhinderl wird, in die snlfatrcitht Form muh iimkristallisiert. Bei Eihjrlimgspiinktcn liber 80'C bildet sich die sulfatreiche Fotm des Kalziumhydrosulfoaluminats in geringen Mengen. Das Haupthindernis für die Bildung der siilfaireichen Form des Kalziumhy· drosulfoaluminats ist die Einfühlung in die Reaktionsprodukte von Kalziumoxid (Überschuß), das einen Teil des Anmachwassers aufnimmt und im System einen Mangel an Wasser für die Uinkristallisalion von

CiA(CS)Hi j in CiA(CS)H n erzeugt.

Zum raschen Entstehen und Ablaufen der Prozesse der Kristallisation und Umkristallisation ö& Kalziumhydrosulfoaluminats nimmt man die Bestandteile der Quellkomponente in möglichst vorbereiteter Form, iridem man sie vor dem Mischen des Kalziumaluminats mit dem Kalziumoxid zur Erzielung eines hochbasischen Kalziumhydroaluminals einer gemeinsamen Hydratation unterwirft. Das letztere wird aus einem Gemisch von Tonerdeschmelzzement und Kalk durch deren gemeinsame Hydratation und Trocknung bei normaler oder erhöhter Temperatur (bis etwa 150⁰C), die eine rasche und vollständige Absättigung der Kalziumaluminatc mit dem Kalziumoxid gewährleistet, hergestellt. Gute Ergebnisse erzielt man bei der Verwendung von freiem Kalk in Überschuß. In diesem Falle kann die gesonderte Dosierung von Kalk in den Zement vermieden werden, weil dieser in das System mit dem hochbasischen Kalziumhydroaluminat gelangt.

Nach dem erfindungsgemäOen Verfahren wird ein Spannungszcment als Bindemittel für die Herstellung von Beton erhalten, der vier Komponenten enthalt, nämlich Portlandzement, kalziumaltiminjirialtigen Stoff. Ciips und /,usäuliches Kaliumoxid.

Dieses Bindemittel führt /u einer .Selbstvorspannung im Beton bis zu 60 bis 80 kg/cm-'.

Dies wird auf das Vorhandensein von überschüssigem Kaliumoxid im Bindemittel zurückgeführt, wodurch der Pro/eil der Bildung und Umkristallisation des Kul/itimhydrosulfoaluininales wesentlich verändert wird.

Im Prozeß der Erhärtung wird die Quellung des

Zementsicines durch die Bewehrung begrenzt und die ganze Energie der Umkristallisaiion von Kalziumhydrosulfoaluminal für die Leistung der Arbeit zur Quellung des Hewehrungsgerüstes und zum Zusammendrücken des Betons selber verbraucht. Hs kommt zu einem * intensiven Selbstvorspannen der Stahlbetonkonstruktion mit allen sich ergebenden Eigenschaften des räumlich vorgespannten Stahlbetons.

Durch eine sehr große Verdichtung der Struktur des Zementsteins gewinnt der Beton Eigenschaften der n> Wasser-, Gas· und Bcnzinundurchlässigkeit.

Die beschriebenen Erscheinungen werden durch folgende Beispiele näher erläutert.

B c i s ρ i el 1 _|S

Die Bestandteile des Vier-Komponcnlcn-Quellzcincntcs wurden in einer Kugelmühle durch zusätzliche Vermahlung gemischt, bei der es zu einer homogenen dispersen Verteilung in der Mischung der Ausgangsstoffe kam, die durch eine spezifische Oberfläche von ?n 4500 cm-Vg gekennzeichnet werden.

Zusammensetzung der Ausgangsstoffe ^n Vol.-%):

mentcs wurden Proben in form von Prismen mil Abmessungen 30 χ 3OxIOu mm und Würfeln mit Abmessungen 30x30x30 gefertigt, an denen die Quellung bzw.die Festigkeil untersucht wurden.

Zur Bestimmung des Sclbstvorspannens des Betons wurden bewehrte Prismen gefertigt.

Die erste Messung der Länge der Prismen und der Bewehrung sowie die Prüfung der Würfel auf Festigkeit wurde 20 Stunden nach der Fertigung, d. It. während des Ausschalens, vorgenommen. Dann wurden die Proben täglich gemessen.

Die Größe des Selbslvorspannens wurde an bewehrten Prismen durch die Messung der Verformung der Bewehrung und des Betons und in den nicht bewehrten Prismen an Geräten bestimmt, die elastische Stützen besitzen, die eine freie Verlängerung der Prismen in Längsrichtung verhindern. Der elastische Widerstand der Stützen entsprach der Bewehrungszahl μ = 1%.

Die Prüfergcbnissc sind in der folgenden Tabel'e angeführt.

Portlandzeinentklinker

Alunil

Gips

Ungelöschter Kalk

70

15

10

i'iU¹ de-, HlIuiin Altci ikr !'ruhen in I;ιμ<_·π

ι 5 7 ι·ι :s

174

1.¹X)
17(1
1.1

Die llauptausgangsstoffe wiesen folgende Kennwer-Ie auf. in

Der Portlandzemenlklinker wies die folgende Zusammensetzung der I lauptmineralien (in Gew.-%) auf:

C₁S
C,S
C₁A
C₄AF,

Alunil wurde aus alunitisiertem Gestein, das 20.8% Tonerde enthält, durch Brennen während 1 Stunde bei einer Temperatur von 500⁰C hergestellt.

Zur Bestimmung der Qualität des erhaltenen Qucllze-.1,7
205
24

4.0(.

.17

Lineare Dehnung.':■.
Festigkeit. kp/αιΓ
Selhslvorspannen.
kg/i-m

Beispiel 2

Zur Herstellung von Quellzement wurden folgende Ausgangsstoff c (in (J cw.-%) genommen:

Die Ausgangsstoff wiesen die folgende chemische Zusammensetzung aiii:

48,37	1. Portlandzement
17,97 is	2. Hochbasisches
10,41	Kal/.iumhydroaluminat
13.37	3. Gemahlener Putzpps
	4. Kalk
as 20.8%

I til	Austüinpssli.llo	Chemische	/lisa m π	iensel/ιιπμ	in (ic«.-'"..	CaO	K.ο	SO,	(,lull
Ni			AIiOi	I e. O.	MfO				\erlusl
						58.7	1.21	.1.22	(ic«.-".
I.	Porlliindzcmcnt	20.91	4.90	2.81	(..17	3.1.9		48.12	LdX
■>	(iips	5.45	0,7.1	0.25	2.47	(.7.71!	0.14		9.02
1	Kalk	5.88	0.47	0.20	0.41			2*· (ι

Hochbasisches Kal/iumbydroaluminal wurde aus Stoffen hjrcilct, die in folgendem Gcuichtsvcrhiiltnis genommen wurden:

1. Tonerdeschmelzzement 70

2. Gemahlener ungelöschter Kalk .10

Diese SIoIIe wiesen die folgende Zusammensetzung aul.

I IiI	Λιι·,\|!.ιη;"ΛΐπΙΙι·	(iliili-	Πιΐ'ηιΚιΊιυ	/ι	.O
Si		Vcilusle	SiO..	Al
		dew -"			.41
I	I oiK-rdesi-hmelz-	0.8.1	X.9 7	44
	/cmelll				.47
	K. ill·.		VX X	(I

111 (il'tt.

I cO,

1.20

0.41

( .id

-4 ?. Hi
(.7.70

N:i-O

0.09

0.115

K-O

O.X
0.14

Zur Herstellung von hochbasischem Kalziumhydroaluminat wurden der Tonerdeschmelzzement und der Kalk von Hand innig vermischt und mit Wasser in einer Menge von 0,5%. bezogen auf das Gewicht der Trockenmischung, angemacht. Die mit dem Wasser innig vermischte Mischung wurde in den Exikator eingebracht und hermetisiert.

Nach Ablauf von 5 Tagen wurde die erhärtete Mischung bei 60⁰C getrocknet und zerkleinert. Die getrocknete Mischung wurde bis zu einer Mahlfeinheit von 3000 cm Vg gemahlen.

Der Quellzement wurde durch Mahlen seiner Bestandteile bis zu einer spezifischen Oberfläche von 4670 cm Vg bereitet.

Die Prüfung der Qualität des Quellzementes erfolgte wie im Beispiel 1 beschrieben

Die Prüfergebnisse des Betons sind in der folgenden Tabelle angeführt.

Kennwerte des Betons Aller der Proben in	Tagen	7 14	M)	W
I 2	8.39 8,43	8.46	8.47
Freie Ausdehnung. % 8.11 8.37	272	268	374
Festigkeit, kp/env 170	25.4 43.5	59.7	62.0
Selbstvorspannen in kg/cm' 7,6 11,2	ο mensetzung(inGew.-%)auf:
Beispiel 3	1. Portlandzement		62
Herstellung von Vier-Komponenten-Quellzement	2. Tonerdeschmelzzement		20
	3. Gemahlener Putzgips		14
Die Bestandteile von Vier-Komponenten-Quellze	s 4. Gemahlener
ment wurden in einer Kugelmühle durch zusätzliche >	ungelöschter Kalk		4
Vermahlung vermischt, bei der es zu einer homogenen

dispersen Verteilung in der Mischung der Ausgangsstoffe bis zu einer spezifischen Oberfläche von 4630 cmVg

kam. Die Ausgangsstoffe wiesen die folgende Zusam- Zusammensetzung auf:

Diese Bes\andteile wiesen die folgende chemische

Lfd.	Ausgangsstoff	Glüh-	Chemische /usammcnso!	ΛΙ_:Ο,	l^;e_:O	l/Ling, in Ci	*CW.-/.**	Na₁O	K-O	SO,	Hydra
Nr.		Verlust	Si()_:			ι MgO	CaO				tations·
											wasser

		G cw.-7»		5.61	4.12			0.10	0.89	2.12
1.	Portlandzement	0.89	20,73	48.77	1,10	6.01	59.42	0.10	0.11	0.1
2.	Tonerde	0.05	6.66				40.76
	schmelzzement			0.73	0.25					48.12	9,02
3.	Gips		5.45	0.46	0.18	2.47	33.9	0.05	0.15
4.	Kalk	28.14	3.89	0.6	66.46

Die Prüfung der Qualität des erhaltenen Quellzementes erfolgte wie in dem Beispiel 1 beschrieben.

Zur Prüfung der Wasser-, Benzin- und Gasdurchlässigkeit wurden gleichzeitig kegelförmige Proben. 30 mm dicke Scheiben gefertigt.

Bei der Prüfung auf Wasserdurchlässigkeit erzeugte man von der Seite der größeren Grundfläche der Scheibe einen Wasserdruck in Stufen jeweils von 2 atü pro Stunde und hielt die Probe nach Erreichen von 10 atü während 6 Stunden. Den Druck erhöhte man auf 20—24 atü und hielt die Probe während 3—4 Stunden. Einen Teil der Proben hielt man bei diesem Druck während 1 —3 Tage. In dieser Zeit wurde der Druck alle 30 Minuten kontrolliert.

Bei der Prüfung auf Benzin- und Gasdurchlässigkei' erhöhte man den Druck in Stufen jeweils von 1 atü und hielt die Proben während 1 —2 Stunden.

Die Prüfergebnisse der Qualität des Zementes sind in der folgenden Tabelle angeführt

Kennwerte von Beton
aus Quellzement

Alter der Proben in Tagen

3 7 14

28

Freie Quellung, %
Festigkeit, kp/cnr
Selbstvorspannen.
kg/cm²

0.56 1.15 3.17 3,99 4,01
282 150 350 450
41.6 57.3 73.2 81,3

Bei der Prüfung auf Durchlässigkeit wurden folgende Ergebnisse erhalten.
1. Proben in einer Anzahl von 20 Stück zeigten bei der Prüfung auf Wasserdurchlässigkeit keine Filtration oder kein Lecken von Wasser bei einem Druck von 20—24 atü.

9 10

2. Gasdurchlässigkeits-Koeffizient betrug bei einem 3. Benzindurchlässigkeits-Koeffizient betrug bei

Druck von 15 atü einem Druck von 23 atü

.1MIl - ^cnf^cm . 4.0-10 » ^Cm,'^Cm

cnrsalu ^ cnr s atü

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung vun Quellzement durch Vermischen von Portlandzement mit einer Quellkomponente für die Erzeugung von Spannbeton, die aus kalziumaluminathaltigen Stoffen, Kalziumsulfat und Kalk hergestellt ist, gekennzeichnet durch die Verwendung einer Ausgangszusammensetzung die 70% Portlandzementklinker, 15% Alunit, 10% Gips und 5% ungelöschten Kalk enthält.

2. Verfahren zur Herstellung von Quellzement durch Vermischen von Portlandzement mit einer Quellkomponente, die aus kalziumaluminalhaliigcn Stoffen, Kaliumsulfat und Kalk hergestellt ist, gekennzeichnet durch die Verwendung einer Ausgangszusammensetzung, die 58% Portlandzement, 27,5% hochbasisches Kal/iumhydroaluminai, 12,5% gemahlenen Putzgips und 2% Kalk enthält.

i. Verfahren zur Herstellung von Quellzement durch Vermischen von Portlandzement mit einer Quellkomponente, die aus kalziumaluminiumhaliigen Stoffen, Kaliumsulfat und Kalk hergestellt ist.

gekennzeichnet durch die Verwendung einer Ausgangszusaimniinset/ung, die 62% Portlandzement, 20% Tonerdeschmelzzement, 14% gemahlenen Putzgips und 4% gemahlenen ungelöschten Kalk enthält.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 2 oder J, dadurch gekennzeichnet, daU der kalziumaluminathaltige Stoff vor dem Vermischen gemeinsam mit dem Kal/iuiiioxid einer Hydratation unterworfen wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die vorherige Hydratation des kalziumaluminathaltigen Stoffes und des Kalks bei einer Temperatur im Bereich von 20 bis i50"C durchgeführt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daü für die Hydratation des kalziumaluminathaliigen Stoffes mit dem Kalziumoxid letzteres in einer Menge eingeführt wird, welche die zur Bildung von hochbasischem Kalziumhydroaluminat notwendige Menge übersteigt.