DE3641370A1 - Dauerbestaendige baustoff-formteile - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft dauerbeständige Baustoff-
Formteile, die insbesondere eine plattenförmige
Ausgestaltung haben, bestehend aus den Hydratations
produkten eines Zements oder eines zementähnlichen
Bindemittels sowie alkaliempfindlichen Bewehrungs
stoffen, insbesondere Lignocellulosen.
Früher wurden dauerbeständige Baustoff-Formteile
dieser Art in der Regel aus Asbestzement hergestellt.
Bei diesem Baustoff werden Asbestfasern dem Zement
zumeist im Mischungsverhältnis von 1/6 bis 1/10 (in
Masseteilen) als Bewehrungsstoff zugesetzt. Diese
asbestbewehrten Zement-Formteile haben in vielerlei
Hinsicht vorzügliche Eigenschaften und sind auch
ökonomisch herstellbar. Allerdings ist mit der
Herstellung und Verarbeitung solcher asbestbewehrten
Zement-Formteile ein hohes gesundheitliches Risiko für
den mit diesem Werkstoff arbeitenden Menschen
verbunden. Daher ist man seit längerem bemüht, die
Asbestfasern in Asbestzementbaustoffen durch andere
als Bewehrung dienende Fasern zu ersetzen. Einerseits
wurden dazu Fasern anorganischer Herkunft verwandt,
wie beispielsweise Glasfasern, Basaltfasern und
Schlackenfasern. Andererseits wurde versucht, die
Asbestfasern durch Fasern organischer Herkunft, wie
Kunststoffasern und lignocelluloseartige Fasern zu
ersetzen. Als lignocelluloseartige Fasern kamen dabei
beispielsweise Bambusfasern, Baumwollfasern und
Sisalfasern in Betracht. Während die Untersuchungen
von Baustoffen, die anorganische Fasern als Be
wehrungsstoffe enthielten, insgesamt zu unbefrie
digenden Ergebnissen führten, erzielte man beim
Einsatz von Lignocellulosen als Bewehrungsstoffe gute
Anfangsfestigkeiten. Jedoch ist hier - berücksichtigt
man das Langzeitverhalten - eine stetige Abnahme der
anfänglich erreichten Festigkeit zu verzeichnen.
Der vom Zeitfaktor abhängige Biegefestigkeitsabfall
bei lignocellulosebewehrten Zementwerkstoffen wird auf
die hohe Alkalität einer Zementmatrix zurückgeführt.
Man geht davon aus, daß die Lignocellulosen im
alkalischen Medium nicht beständig sind. Bei
glasfaserverstärkten Zementen ist gleichfalls infolge
alkalibedingter Glaskorrosion ein beträchtlicher
Biegefestigkeitsabfall zu verzeichnen. In der
Literatur gibt es deshalb verschiedene Vorschläge zur
Verbesserung der Eigenschaften von lignocellulose
bewehrten bzw. glasfaserbewehrten Zementwerkstoffen,
ohne dabei jedoch auf das grundliegende Problem einer
ausreichenden Senkung der Alkalität einzugehen.
So können alle bisher bekannten Vorschläge für die
Zementmodifikation günstigstenfalls eine Korrosion von
alkaliempfindlichen Fasern zwar verlangsamen, aber
nicht - was zur uneingeschränkten Nutzung solcher
Stoffkombinationen notwendig wäre - grundsätzlich
verhindern.
Es ist beispielsweise bekannt, herkömmliche Portland
zemente durch aktive puzzolanische Stoffe, ins
besondere silicatischer Herkunft, wie Silicagel, zu
modifizieren und auf diese Weise die Beständigkeit der
Lignocellulosen in der Zementmatrix zu erhöhen. In der
bekanntgemachten Europäischen Patentanmeldung 68 742
wird diesbezüglich vorgeschlagen, ein Substitut für
Asbestzement aus 50 bis 90% Zement - wobei sich aus
dem Zusammenhang ergibt, daß es sich hier um
Portlandzement handelt - 5 bis 40% hochaktiver
puzzolanischer Kieselsäure und 5 bis 15% Cellulose
fasern herzustellen. Der puzzolanische Stoff soll zur
Verbesserung seiner Aktivität eine spezifische
Oberfläche von mindestens 15 000 m2/kg, besser jedoch
von mindestens 25 000 m2/kg besitzen.
Ferner ist es aus der Internationalen Veröffentlichung
mit der Nr. WO 85/03 700 bekannt, daß Bindemittel
gemische aus 75 bis 40% Portlandzement und 25 bis 60%
amorpher Kieselsäure zur Herstellung zementgebundener
Holzfaser-Formkörper verwendet werden können.
Weiterhin ist dieser Druckschrift zu entnehmen, daß
die Aktivität des Puzzolans mit zunehmender Korn
feinheit zunimmt. Der bevorzugte Korngrößenbereich (15
bis 25 m2/g) deckt sich vollständig mit dem der zuvor
genannten bekanntgemachten Europäischen Patent
anmeldung 68 742. Auch die GB-PS 15 88 938 beschreibt
ein Verfahren zur Herstellung von Faser-Zement-
Formkörpern. Gemäß dieser Druckschrift werden
Glasfasern in einem Anteil von 0,5 bis 20% bezogen auf
das Bindemittelgewicht als Bewehrungsstoff zugegeben.
Von den zugemischten Glasfasern wird eine weitgehende
Alkaliresistenz gefordert und deshalb eine Herab
setzung der Alkalität in dem die Glasfasern umgebenden
Milieu nicht in Betracht gezogen. Unter dieser
Voraussetzung wird aber ein Austausch der Glasfasern
gegen Cellulose- bzw. Holzfasern zu dem obengenannten
negativen Langzeitverhalten infolge der vorhandenen
Alkalität führen.
Die AT-PS 3 457/12 betrifft im Unterschied zu den
bekannten Asbestzementbaustoff-Formteilen einen
feuerfesten und raumbeständigen Asbestzementbaustoff
aus einer Mischung von Asbest, Zement und kieselsäure
haltigen Stoffen, wobei die Fasern gegen Korrosion in
alkalischer Umgebung beständig sein sollen. Es wird
hier davon ausgegangen, daß die in Betracht gezogenen
Faserstoffe als alkaliresistent anzusehen sind.
Schließlich wurde in einer breitangelegten Unter
suchung von GRAM aus dem Jahre 1983 (H. E. Gram,
Durability of natural fibers in concrete Swedish
Cement and Concrete Research Institute, S-100 44
Stockholm, 255 Seiten.) festgestellt, daß Sisalfasern
in wässrigen Pufferlösungen mit einem pH-Wert über 12
verspröden. Andere Lignocellulosen wurden auf ihre
Versprödung in alkalischen Lösungen nicht untersucht.
Im Bericht von GRAM, in dem die Literatur zum Thema
"Lignocellulosen in der Zementmatrix" kritisch
ausgewertet wird, wird in einer Schlußfolgerung
dargelegt, daß die Zugabe von bestimmten Stoffen zum
Zement, die eine Erniedrigung des pH-Wertes des
Bindemittels Zement bewirken, die Dauerbeständigkeit
von Lignocellulosen in der Zementmatrix auch erhöhen
können. So wird beispielsweise eine Verbesserung der
Dauerbeständigkeit von Lignocellulosen in einer
Zementmatrix durch einen teilweisen Ersatz des
Bindemittels Zement durch silikatische Stoffe, wie
amorphe Kieselsäure (z.B. SILICA FUME) erreicht. Auch
der teilweise Ersatz von Portlandzement durch
Tonerdezement führt zu einer Verbesserung der
Faserbeständigkeit von in einer Zementmatrix
eingebetteten Sisalfasern.
Sämtliche im Stand der Technik beschriebenen
Vorschläge zur Verbesserung der Faserbeständigkeit
bewirken lediglich eine Verlangsamung der Faser
schädigung . Innerhalb der üblicherweise geforderten
Lebensdauer solcher Baustoffe setzt aber auch hier die
Faserkorrosion zunehmend ein. Es ist noch nicht
gelungen, die Faserkorrosion grundsätzlich zu
vermeiden.
Man ging bisher davon aus, daß für die Schädigung der
Fasern alleine die durch den pH-Wert beschriebene
Alkalität der umgebenden Matrix verantwortlich sei.
Gemäß dem Stand der Technik wurden also entweder
alkaliresistente Bewehrungsstoffe eingesetzt, die
allerdings aufgrund ihrer Eigenschaften nur einge
schränkt verwendbar sind, oder es wurde versucht, den
pH-Wert der Bindemittelmatrix zu erniedrigen.
Trotz umfangreicher Untersuchungen insbesondere in den
letzten Jahren war es bislang nicht möglich,
dauerhafte Baustoff-Formteile zur Verfügung zu
stellen, die einerseits als Bewehrungsstoffe
dienenende alkaliempfindliche Fasern und andererseits
alkalische Bindemittelsysteme beinhalten.
Aufgabe der Erfindung ist daher, Baustoff-Formteile
zur Verfügung zu stellen, bei denen Fasern auf der
Basis von Lignocellulosen oder anderen alkali
empfindlichen Fasern als langzeitbeständige Bewehrung
zur Erhöhung der Festigkeit des Baustoffes eingebettet
werden.
Der Lösung dieser Aufgabe liegt die Erkenntnis
zugrunde, daß es bei der Schädigung von Ligno
cellulosen in der Zementmatrix viel weniger auf den
pH-Wert des verwendeten Bindemittels beziehungsweise
Bindemittelgemisches, als vielmehr auf die alkalische
Pufferkapazität des hergestellten Baustoffes ankommt.
Aus dieser grundlegenden Erkenntnis leitet sich die
erfindungsgemäße technische Lehre her, daß eine
einstellbare ausreichend niedrige alkalische
Pufferkapazität des Baustoffes 24 Stunden nach dem
Herstellungszeitpunkt, in einer definierten wäßrigen
Prüfsuspension 0,005 Säureäquivalente/100 g Baustoff
nicht überschreitet.
Der erfindungsgemäßen Lösung liegt ebenfalls die
Erkenntnis zugrunde, daß zur Verhinderung von
Faserkorrosion eine bestimmte Pufferkapazität erreicht
werden muß. Im bisherigen Stand der Technik wurde die
Bedeutung der Pufferkapazität als entscheidender
Einflußfaktor nicht erkannt, so daß die sich gemäß
vorliegender erfindungsgemäßer Lösung für das
Bindemittelsystem ergebenden Anforderungen von den
bisher vorgeschlagenen Zementen bzw. Zementmodifi
kationen nicht berücksichtigt werden konnten.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung
lassen sich zementgebundene Baustoff-Formteile mit
einer dauerhaften Bewehrung auf der Basis von
Lignocellulosen herstellen, wenn herkömmliche
Portlandzemente, Tonerdezemente und Belitzemente oder
Gemische hieraus in einem derartigen gravimetrischen
Verhältnis mit aktivem Puzzolan, z. B. amorphe
Kieselsäure, Trassmehl und Flugasche und gegebenen
falls mit und/ohne Säurezusatz gemischt werden, bis
dadurch eine ausreichende Pufferkapazität des
Werkstoffes erreicht oder unterschritten wird.
Bei der Verwendung von Säurezusätzen zur erfindungs
gemäßen Senkung der Pufferkapazität kann darüber
hinaus der zusätzliche Effekt einer Erhärtungs
beschleunigung des Bindemittels genutzt werden, wenn
die Säuren entsprechend der Beschleunigungswirkung
ihrer Kalziumsalze ausgewählt werden. So bewirkt zum
Beispiel der Zusatz von 1,0 bis 2,5 ml konzentrierter
Salzsäure zu 100 g Bindemittel mit dominierendem
Portlandzementanteil eine beträchtliche Puffer
kapazitätssenkung und Erhärtungsbeschleunigung. Bei
Bindemitteln mit überwiegendem Tonerdezementanteil
tritt eine ähnliche Wirkung ein, wenn auf 100 g
Bindemittel 0,5 bis 4,0 ml konzentrierte Schwefelsäure
zugesetzt werden. In Abhängigkeit von der Bindemittel
zusammensetzung und deren Verwendung kann auch der
Zusatz anderer anorganischer oder organischer Säuren
zweckmäßig sein.
Selbstverständlich stellen beliebige andere Binde
mittelsysteme, die die erfindungsgemäßen Lösungs
merkmale aufweisen, Lösungen der zuvor gestellten
Aufgabe dar. Auch Baustoff-Formteile mit Glasfasern
als Bewehrungsstoff entsprechen bei Anwendung der
erfindungsgemäßen Lehre dem gewünschten Langzeit
verhalten.
Die Erfindung wird im folgenden an Beispielen
erläutert, durch die weitere Einzelheiten, Merkmale
und Vorteile der erfindungsgemäßen Baustoff-Formteile
gegenüber dem Stand der Technik verdeutlicht werden.
Wenn es nicht anders ausgeführt ist, wird die
Bindemittelzusammensetzung und der Faseranteil jeweils
in Masseteilen angegeben. Zur Bestimmung der
Pufferkapazität in den Beispielen wurde wie folgt
vorgegangen:
10 g des Werkstoffes wurden mit 50 ml aqua dest.
versetzt, 24 Stunden lang bei Zimmertemperatur
geschüttelt, anschließend wurden 20 ml der Lösung mit
0,1 n HCl bis pH=7 titriert und der Salzsäureverbrauch
auf 100 g Werkstoff in Säureäquivalente umgerechnet.
Baustoff-Formteile werden hergestellt aus 100 Teilen
kalkreichem Portlandzement (PZ45F) und 18 Teilen
Lignocellulosefasern. Die nach einem Tag gemessene
Pufferkapazität beträgt ca. 0,013 Säureäquivalente/100 g
Baustoff und liegt damit mehr als doppelt so hoch wie
der beanspruchte Grenzwert. Die Biegefestigkeit wurde
nach 14 Tagen gemessen und betrug 21,3 N/mm2. Nach 168
Tagen wurde sie ebenfalls gemessen und betrug nur noch
16,9 N/mm2.
Zu 100 Teilen kalkärmerem Portlandzement, d. h.
belitreichem Zement (PZ35L), wurden 19 Teile
Lignocellulosefasern zugegeben und aus dieser
Zusammensetzung wurden Baustoff-Formteile hergestellt.
Die Pufferkapazität betrug 0,011 Säureäquivalente/100 g
Baustoff nach einem Tag und lag somit ebenfalls über
dem beanspruchten Grenzwert. Die 14 Tage-Biege
festigkeit betrug 18,5 N/mm2 und nach 168 Tagen konnte
nur noch eine Biegefestigkeit von 15,7 N/mm2
festgestellt werden.
Ein Baustoff-Formteil, hergestellt aus 60 Teilen
kalkärmerem Portlandzement, d.h. belitreichem Zement
(PZ35L), 40 Teilen Tonerdeschmelzzement und 18 Teilen
Lignocellulosefasern, weist nach einem Tag eine
Pufferkapazität von 0,005 Säureäquivalenten/100 g
Baustoff auf. Dieser Wert entspricht dem beanspruchten
oberen Grenzwert. Nach 14 Tagen wurde eine Biege
festigkeit von 18,4 N/mm2 festgestellt. Die zur
Erprobung der Langzeitfestigkeit dienende Messung nach
168 Tagen ergab eine Biegefestigkeit von 20,3 N/mm2,
also eine Zunahme der Festigkeit.
Ein Baustoff-Formteil aus 57 Teilen kalkärmerem
Portlandzement, d.h. belitreichem Zement (PZ35L), 38
Teilen Tonerdeschmelzzement, 5 Teilen amorpher
Kieselsäure und 18 Teilen Lignocellulosefasern weist
nach einem Tag eine Pufferkapazität von 0,005 Säure
anspruchten Grenzwert. Die 14 Tage-Biegefestigkeit
beträgt 18,1 und die 168 Tage- Biegefestigkeit beträgt
18,2 N/mm2.
Ein Baustoff-Formteil wird aus 27 Teilen kalkreichem
Portlandzement (PZ45F), 40 Teilen Tonerdeschmelz
zement, 29 Teilen Flugasche und 4 Teilen Schwefelsäure
zusammen mit 20 Teilen Lignocellulosefasern her
gestellt. Die Pufferkapazität beträgt nach einem Tag
0,004 Säureäquivalente/100 g Baustoff. Damit liegt die
Pufferkapazität in dem beanspruchten Bereich und unter
dem angegebenen Grenzwert. Die Biegefestigkeit nach 14
Tagen wurde zu 19,4 N/mm2 gemessen und nach 168 Tagen
lag eine Biegefestigkeit von 20,5 N/mm vor.
Ein Vergleich der fünf Beispiele zeigt deutlich, daß
bei Einhalten der beanspruchten Pufferkapazität
Baustoff-Formteile mit unterschiedlichen Zusammen
setzungen das gewünschte Langzeitverhalten aufweisen.
Eine weitere Erläuterung des erfindungsgemäßen
Verfahrens erfolgt anhand einer Figur.
Die Figur zeigt in Diagrammform den Trend der
Biegefestigkeitsentwicklung bei vergleichbarer
Baustoffdichte.
Auf der Ordinate ist die Biegefestigkeit in N/mm2
aufgetragen, während auf der Abszisse das Alter in
Tagen verzeichnet ist. Die Kurven 1, 2 und 3 beziehen
sich auf drei unterschiedliche Baustoffzusammen
setzungen. Kurve 1 ist charakteristisch für Er
härtungsprodukte aus herkömmlichen Portlandzementen
bzw. erfindungsgemäß zusammengesetzten Bindemitteln
ohne Faserbewehrung, deren Festigkeit infolge
Hydratation erst stark und danach nur noch sehr
langsam zunimmt.
Kurve 2 zeigt mit Cellulosefasern bewehrte Baustoff-
Formteile gemäß dem Stand der Technik aus her
kömmlichen Portlandzementen, wie sie im obengenannten
Beispiel 1 ausgeführt sind. Die Biegefestigkeit dieser
Baustoff-Formteile nimmt nach Durchlaufen eines
Maximums infolge alkalibedingter Faserschädigung
stetig ab. Die Kurve scheint asymptotisch auf den Wert
der Matrixfestigkeit gemäß Kurve 1 zuzustreben.
Die mit 3 bezeichnete Biegefestigkeitskurve ist
kennzeichnend für einen mit Cellulosefasern bewehrten
Baustoff gemäß der vorliegenden Erfindung, beispiels
weise für Baustoff-Formteile nach den oben aufge
führten Beispielen 3 bis 5. Die Biegefestigkeit nimmt
zunächst sehr stark zu, bis ein recht hoher Festig
keitswert erreicht ist. Danach ist allerdings im
Gegensatz zu dem Baustoff-Formteil gemäß Kurve 2 noch
ein leichter allmählicher Anstieg des Festigkeits
wertes zu verzeichnen. Dieser Anstieg entspricht
ungefähr dem Anstieg, wie er durch zunehmende
Matrixverfestigung auch in Kurve 1 abzulesen ist. Die
Faserschädigung ist in diesen erfindungsgemäßen
Baustoff-Formteilen unterdrückt.
Claims (3)
1. Dauerbeständige Baustoff-Formteile, die ins
besondere eine plattenförmige Ausgestaltung haben,
bestehend aus Hydratationsprodukten eines Zements
oder eines Bindemittels mit zementähnlichen
Eigenschaften und alkaliempfindlichen Bewehrungs
stoffen insbesondere Lignocellulosen,
dadurch gekennzeichnet,
daß eine einstellbare ausreichend niedrige
alkalische Pufferkapazität des Baustoffes 24
Stunden nach dem Herstellungszeitpunkt in einer
definierten wäßrigen Prüfsuspension 0,005
Säureäquivalente/100g Baustoff nicht über
schreitet.
2. Dauerbeständige Baustoff-Formteile nach Anspruch
1,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Bindemittel aus einer Mischung von
verschiedenen Zementen, wie Portlandzement
und/oder Tonerdezement und/oder belitreichem
Zement jeweils einzeln oder in Mischung mit oder
ohne Zusatz von puzzolanischen Stoffen wie
amorpher Kieselsäure, Trassmehl und/oder Flugasche
in einem solchen gravimetrischen Mischungs
verhältnis besteht, daß eine Pufferkapazität von
0,005 Säureäquivalenten/100g Baustoff erreicht
oder unterschritten ist.
3. Dauerbeständige Baustoff-Formteile nach den
Ansprüchen 1 und/oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß dem zur Herstellung des Baustoff-Formteils
verwendeten Stoffgemisch oder einer Komponente
hiervon zum Erreichen der alkalischen Puffer
kapazität Säuren zugesetzt werden.
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