DE2031268C3 - Verfahren zum Herstellen von chemisch beständigem Beton - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von chemisch beständigem Beton unter Verwendung von festem AlkalimetaUsilikat und !einteiligem Quarzsand sowie gegebenenfalls Füllstoff als Ausgangskomponenten, dl·? mit Wasser angemacht werden.

Ein solcher Beton ist im Industrie-, Wasser- und Untertagebau von Gebäuden und Anlagen verwendbar, die unter dem Einfluß von ständig einwirkenden, chemisch aktiven, insbesondere sauren Medien und unter den Bedingungen erhöhter Temperaturen stehen.

In der DT-AS 12 40 457 ist ein Verfahren zur Herstellung von Mörtel mit wäßrigem Kieselsäuresol als Bindemittel beschrieben, bei dem festes Alkalimetallsilikat mit einem Silikat-Modul (Verhältnis von SiO₂ zu Alknlimetalloxid) von 1 bis 4,2 als Aushärtungsmittel verwendet wird und dem Gemisch ferner 0,3 bis 3% vom Gewicht des Kieselsäuresol Kieselsäure, wasserunlösliches anorganisches Silikat oder eines der wasserunlöslichen kolloidalen Metalloxide AI₂O_n, TiO₂, ZrO₂, SnO₂, Cr.,O_:1, Fe₂O_;„ sämtlich mit einer Teilchengröße unter 200 μιτι, zugesetzt werden. Das wäßrige Kieselsäuresol wird in Form von kolloidaler Kieselsäure mit einer Teilchengröße von etwa 10 bis etwa 100 μηι zugesetzt. Als inerter Füllstoff wird ein solcher verwendet, der in der Hauptsache aus Quarz besteh 1.

Die Härtung eines Ansatzes auf der Grundlage von Kieselsäuresol läuft im kalten Zustand ab, und zwar aufgrund der Koagulation des Sols zum Gel bei Zusatz des festen Alkalisilikates, das einen Silikatmodul von höchstens 4.2 hat.

Die Härtung unter Diuck, z. IJ. im Autoklav, mul bei erhöhten Temperaturen, beispielsweise bis 190 C, ist mit dem bekannten Verfahren nicht möglich.

Es isl auch ein Verfahren zur Herstellung von chemisch beständigem Beton auf der Grundlage eines Bindemittels bekannt, dessen Hauplkomponenten ulasarlige Natrium- und Kaliumsilikatc mit einem kicselcrdemodi'l unterhalb 4 sind.

Durch die Auflösung des glasartigen Silikates im Wasser entsieht ebenfalls Wasserglas.

Um Wasserglas zu erhärten und dessen Wasscrbesländigkeit zu erhöhen, werden in den Beton Zusätze, ζ."B. Natriumfluorsilikat, eingeführt, die im Wasserglas enthaltenes Alkali neutralisieren und das letztere in eine wasserunlösliche Verbindung überführen.

Während der Neutralisation des Alkalis scheidet sich aus dem Wasserglas freie Kieselerde als Gel aus, das ein Bindemittel ist, d. h., die Teilchen des Zuschlagstoffes der Betonmischung werden zementiert, und nach der Dehydratation unter trockenen Bedingungen erhält der Beton Festigkeit.

Da das zementierende Material Kieselsäuregel ist, kann ein solcher Beton der Wirkung der meisten Mineralsäuren hoher Konzentration nicht unterworfen werden. Er wird aber auch in Lösungen mit alkalischer Reaktion rasch zerstört, besitzt eine niedrige Beständigkeit in Wasser, wäßrigen Lösungen und unter dem Einfluß von Dampf-Luft-Medium, so daß es unmöglich ist, einen solchen Beton als chemisch beständiges Konstruktionsmaterial zu verwenden.

Auch die Verwendung von Beton auf Wasserglasgrundlage als säurefestes Auskleidungsmaterial ist begrenzt, da Natiiumfiuorsilikat giftig ist und aggressive Lösungen den Beton vollständig durchdringen können. Da ein solches Bindemittel auch keine Hitzebeständigkeit aufweist, kann ein solcher Beton nicht als chemisch beständiges feuerfestes Material verwendet werden.

In der DT-OS 20 01 171 ist ein puzzolanartiges Zusatzmittel für bei der Erhärtung Kalziumhydroxid abspaltende hydraulische Bindemittel, vorzugsweise Portlandzement sowie hydraulischen Kalk, und für kalziumoxidhaltige Bindemittel, wie gelöschten Kalk und aus diesen Stoffen unter Zusatz von Wasser, Sand, und gegebenenfalls Kies hergestellter Mörtel und Beton beschrieben, wobei das Zusatzmittel aus Glasmehl besteht.

Glasmehl besteht bekanntlich aus einer Mischung von Alkali- und Kalziumsilikat. Das Zusatzmittel kann ferner neben mindestens 20',Y, Glasmehl unter anderem auch Quarzmehl enthalten. Die Kornfeinheit des Glasmehles sollte mindestens diejenige üblicher Portlandzemente aufweisen, d. h., zumindestens 80% sollen durch ein Sieb mit 90 μ Maschenweite durchgehen. Durch die Anwesenheit von Kalzium im Glasmehl entstehen bei allmählicher Verdrängung der Alkaliionen Bedingungen, unter denen das Glas allmählich unter Quellung aufgeschlossen und aus dem Alkali-Kalzium-Silikalgemisch cm gelartiges Kalziumsilikat entsteht. Der Abbindemechanismus beruht somit auf diesem Vorgang und unterscheidet sich vom Abbindemechanismus lies vorliegenden Verfahrens, der später noch beschrieben wird.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von chemisch beständigem Beton auf der Grundlage eines Bindemittels in Form von freier Kieselsäure anzugeben, bei

dem als Aiiigangskomponenten des Bindemittel!, solche Stoffe und in einer solchen Menge verwendet werden, die die chemische Beständigkeil des Iktnns sowohl gegen Säuren beliebiger Konzentration als auch Alkalien und Salzlösungen gewährleisten und diesem absolute Wasserbeständigkeit, Nichttoxizität, hohe physikalisch-mechanische und thermische Eigenschaftswcrte und erforderlichenfalls auch Undurchdringlichkeit für aggressive Lösungen verleihen.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist das Verfahren der eingangs angegebenen Art erlindiingsgcmäl.i dadurch gekennzeichnet, daß als Bindemittel ein Gemisch verwendet wird, das

a) zu 20 bis (iOGcw.-",, aus kicelsäurcrcichem festem Alkalimetallsiiikal mit einem Kieselsäure-Modul von größer 6 in körniger Form und

b) zu 80 bis 40 Gew.-",, aus durch Feinmahlen bis zu einer spezifischen Oberfläche von mindestens lC00cm^a/g aktiviertem Quarzsand bestellt.

Das Wesen der vorgeschlagenen Erfindung besteht in folgendem:

Bei einem Kiesclerdemodul des Alkalimetallsilikats von mehr als 6 liegt die Hauptmenge der glasartigen Kieselerde in freiem, zu Silikaten nicht gebundenem Zustand vor. Deshalb sind die kieselcrdereichen Silikate selbst bei hohen Temperaturen praktisch wasserunlöslich und eignen sich nicht zur Herstellung von flüssigem Wasserglas.

Bei gemeinsamer Behandlung mit Wärme und Feuchtigkeit von kieselerdereichem Alkalisilikat mit feingemahlenem Quarzsand zeigt aber das Glas die Fähigkeit zur Auflösung in Wasser und zur Kristallisation zum Quarz an den Teilchen des gemahlenen Quarzes wie an Impfkristallen.

Dies ist darauf zurückzuführen, daß die Löslichkeit der glasartigen Kieselerde im Wasser unter gleichen Bedingungen die Löslichkeit des Quarzes (der kristallinen Kieselerde) bedeutend übersteigt. Deshalb ist die Lösung von Kieselerde in Anmachwasser von Beton, die gegenüber dem Glas gesättigt ist, gegenüber dem Quarz übersättigt.

Während der Behandlung mit Wärme und Feuchtigkeit ruft diese eine spontane Abscheidung (Kristallisation) an den Quarzleilchen der überschüssigen Kieselerde in Form von Quarz hervor.

Dabei geht in die kieselerdearme Lösung eine zusätzliche Menge von Kieselerde aus dem kiesclerdereichen Alkalisilikat über, und der Prozeß wiederholt sich bis zur vollständigen Auflösung des Glases und seiner Kristallisation an den Teilchen des feingemahlenen Quarzsandes.

Das Wachstum der Quarzteilchen durch die Auflösung und Kristallisation des kieselerdereicher. Alkalisilikates führt zu deren Zusammenwachsen an den Kontaktflächen, d. h. zur Erhärtung des Bindemittels und des Betons.

Somit liegt beim Verfahren der vorliegenden Erfindung das Bindemittel, freie Kieselerde, nicht in Form von Gel, sondern in Form von thermodynamisch und chemisch beständigerer kristalliner Art der freien Kieselerde, des Quarzes vor. Das bedingt die hohen chemischen, physikalischen, thermischen und mechanischen Eigenschaften des Bindemittels und des auf seiner Grundlage hergestellten chemisch beständigen Zur näheren Erläuterung des Wesens der E^rfindung sei nachstehend das erlindungsgernäße Verfahren an konkreten Beispielen für dessen Durchführung behandelt.

Zur Herstellung von chemisch beständigem Beton verwendet man kieselerdereiches Alkalisilikat mit einem Kieselerdemodul von 9,3, d. h. der folgenden Zusammensetzung (in Gew.-",,):

SiO₂ =-= 90; Na₂O = 10, in Form von Körnern von

ίο 0,6—1,25 mm Größe und feingemahlenes kieselerdereiches Glas sowie Quarzsand, gemahlen bis zu einer spezifischen Oberfläche von 3000 cm'²/g- als Zusatz und feinkörnigen Quarzsand mit einem Komgrößenmodu! von 1,15 als Zuschlagstoff.

Alle aufgezählten Komponenten wurden in einem Betonmischer gemischt, dann Wasser zugegeben und bis zum Erzielen einer homogenen Betonmischung weitergerührt.

Für 1 m³ Betonmischung wurden verbraucht (in kg):

Kieselerdereiches Glas in Körnern 350

Gemahlenes kieselerdereiches Glas 250

Sand als Zuschlagstoff 1120

Sand als Zusatz 400

Wasser 225

In diesem Beispiel sind Glas in Form von Körnern von 0,6 bis 1,25 mm Größe und feinkörniger Quarzsand als Zuschlagstoff verwendet; hierdurch ist es möglich, die spezifische Anfangsoberfläche des Bindemittels stark zu verringern und dadurch eine Betonmischung mit minimalem Wasserbedarf und größerer Betondichte gegenüber der Dichte des Betons auf feingemahlenem Glas zu erzielen.

Aus der bereiteten Betonmischung wurden Proben rechteckiger Form von 4 χ 4 χ 16-cm-Abmessungen und achtförmige Prüfkörper geformt und der Autoklavbehandlung bei einer Temperatur von 190⁰C unterworfen. Nach dem Trocknen wurden die Eigenschaften des erhaltenen Betons bestimmt, nämlich:

Druckfestigkeit: 470,2—611,0 kp/cm²;
Biegefestigkeit: 136,1—146,7 kp/cm²;
Axiale Zugfestigkeit: 62,1—68,0 kp/cm²;
Volumgewicht: 1,93 t/m³;
Frostbesländigkeit: mindestens 300 Zyklen;
Säurebeständigkeit, ermittelt durch den Gewichtsverlust beim Kochen von gemahlenem Beton in der Schwefelsäure während einer Stunde: 99,52%; Beständigkeit gegen Basen, ermittelt durch den Gewichtsverlust beim Kochen von gemahlenem Beton während einer Stunde:

a) in 35%iger Ätznatronlösung: 81,56%;

b) in Ätznalronlösung mit einer Konzentration von ΙΟ"² Mol/l (pH - 12): 98,43%;

Feuerfestigkeit des Betons mit Sandzuschlagstoff, der vorher zur Umwandlung von Quarz in Tridymit bei 1200⁰C gebrannt wurde: 1670°C.

Nach dem oben beschriebenen Verfahren kann im Rahmen der Erfindung auch chemisch beständiger Beton einer anderen Zusammensetzung als der oben angegebenen hergestellt werden, wofür in der nachstehenden Tabelle Beispiele für Zusammensetzungen des Betons und seiner Eigenschaften angeführt sind.

Zus i fd Nr.	ammensctzung der Uctonmischung in Kieselerdcreichcs Natriumglas Kieselerde- Menge	Korngrolle μηι	kg/I gemahlener OiKirzsand Menge	Saml/iischlai;- slofl' Menge	Leitungs wasser	I:.igenscliafli"ii des I l'csligkcit (kp/enr) Druckfestigkeil	chemische l'.esländinkeit "„ (mindestens) Säure hcstäniligkcil
	modul	0,6	spezifische Oberlliiche cm-1 s	Korngmllen- iiioiUil		Hiegelesligkeit	llesläiutigkeil gegen Hasen bei pll 12
1	7,5	140-315 0,35	0,4	0,9	0,20	7 I1»,5	99,0
	6,9	< 56 0,4	5H00 0,4	2,21 1,2	0,26	149,8 214.1	97.8
3	7,5	315—630	5800 1,4	1,15	0,28	48,2 427,5	96,9 99,0
		1100			102.6	97.8

Kieselerderciches Kaliumgliis

14,1 0,4 0,4 1,12 0.22 646,4 99

630-1250 3000 1.15 158,3 98

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Herstellen von chemisch bestündigem Beton unter Verwendung von festem Alkalimeiallsilikat und feinleiligem Quarzsand sowie gegebenenfalls Füllstoff als Ausgangskomponenten, die mit Wasser angemacht werden, d adurch g c k c η η ζ c i c h net, daß als liindemittel ein Gemisch verwendet wird, das

a) zu 20 bis M) Gew.-",, aus kiesclsäuiercichem festen AlkalimetaUsilikat mit einem Kieselsäure-Modul von iibi;r 6 in körniger Form und

b) zu 80 bis 40 Gew.-",, aus durch Feinmahlen bis zu einer spezifischen Oberfläche von mindcslens 1000 cm Vg akiivieriem QitiirzsjimJ besieht.

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2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das feste AlkalimetaUsilikat in Form von 0,1 bis 1,25 mm großen Körnern verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Quarzsand mit einer spezifischen Oberfläche von 1100 bis 5fi00cm²/g verwendet wird.