DE3843625A1 - Verfahren zur herstellung eines nach dem anmachen mit wasser schnellerstarrenden hydraulischen bindemittels - Google Patents

Verfahren zur herstellung eines nach dem anmachen mit wasser schnellerstarrenden hydraulischen bindemittels

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Description

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf die Verwendung von Calciumsulfat-Alphahalbhydrat als Bestandteil eines nach dem Anmachen mit Wasser mit hoher Frühfestigkeit schnellerstarren­ den wasserfesten hydraulischen Bindemittels, wobei das Cal­ ciumsulfat-Alphahalbhydrat vorzugsweise als Hauptbestandteil, jedenfalls als wesentlicher Bestandteil für die Einstellung der Frühfestigkeit und der Erstarrungsgeschwindigkeit wirkt. Wasserfest meint, daß die aus dem angemachten Bindemittel erstarrte und erhärtete Masse langzeitig wasserfest ist. Es versteht sich, daß ein solches Bindemittel stets aus fein­ gemahlenen Bestandteilen besteht und mit einer ausreichen­ den Wassermenge angemacht wird.
Bei dem bekannten Verfahren, von dem die Erfindung ausgeht (Bauakademie der DDR, Bauinformation, Literaturzusammenstel­ lung Nr. 7/24/83, Titel 4., Gordasevski u.a.) werden das Cal­ ciumsulfat-Alphahalbhydrat und Portlandzement gemischt sowie Puzzolane entsprechend dem CaO-Gehalt beigegeben. Versuche haben ergeben, daß die Wasserfestigkeit einer erhärteten Mi­ schung aus diesem hauptsächlich aus den angegebenen drei Kom­ ponenten bestehenden Bindemittel bei der Herstellung des Bindemittels nicht ausreichend genau sowie dem jeweiligen Verwendungszweck angepaßt und reproduzierbar eingestellt wer­ den kann.
Um Calciumsulfat-Alphahalbhydrat als nach dem Anmachen mit Wasser schnellerstarrendes wasserfestes Bindemittel einzu­ setzen, ist es in der Praxis bekannt, Hydrophobierungsmittel oder Paraffine als Hilfsstoffe beizumischen. Hier läßt sich zwar die Wasserfestigkeit auf vorgebbare Werte einstellen, die erreichte Wirkung ist jedoch nur kurzfristig und die Hilfs­ mittel sind für die großtechnische Anwendung zu teuer.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren an­ zugeben, welches es erlaubt, bei Verwendung von Calciumsul­ fat-Alphahalbhydrat als wesentlicher Bestandteil oder Haupt­ bestandteil im Sinne der einleitenden Ausführungen ein schnell­ erstarrendes hydraulisches Bindemittel mit definierter Was­ serfestigkeit der erhärteten Masse herzustellen.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist Gegenstand der Erfindung das Verfahren zur Herstellung eines nach dem Anmachen mit Wasser schnellerstarrenden hydraulischen Bindemittels mit definier­ ter Wasserfestigkeit der daraus hergestellten erhärteten Mas­ se, bei dem als schnellerstarrende Komponente Calciumsulfat- Alphahalbhydrat in einer vorgegebenen Ausgangsmenge eingesetzt wird, dessen erhärtete Masse eine zeitabhängige Wasserfestig­ keitskurve aufweist, die, ausgehend von einem hohen Früh­ festigkeitswert der Schnellerstarrung, in den ersten achtund­ zwanzig Tagen eine negative Steigung besitzt, bei dem dem Calciumsulfat-Alphahalbhydrat Hüttensand beigemischt wird und bei dem die Menge an Hüttensand auf die Ausgangsmenge an Calciumsulfat-Alphahalbhydrat so abgestimmt wird, daß im Anschluß an die Schnellerstarrung die Bildung von kristal­ linem Ettringit und von Calciumhydrosilikatphasen eintritt und die zeitabhängige Wasserfestigkeitskurve der erstarrten Mischung in den ersten achtundzwanzig Tagen überall eine posi­ tive Steigung aufweist. Kristalline Ettringitbildung erfolgt bei Kalkunterschuß in der angemachten Bindemittelmischung. Wasserfestigkeitskurve bezeichnet die Festigkeitsentwicklung mit der Zeit, gemessen z. B. als Druckfestigkeit in N/mm2, bei Lagerung eines entsprechenden Probekörpers unter Wasser. Es versteht sich, daß das Calciumsulfat-Alphahalbhydrat und der Hüttensand fein gemahlen sind. Insbes. können das Cal­ ciumsulfat-Alphahalbhydrat und der Hüttensand gemeinsam ge­ mahlen und dabei gemischt werden. Man kann aber auch die pul­ verförmigen Komponenten mischen. Nach bevorzugter Ausführungs­ form der Erfindung wird mit einem Calciumsulfat-Alphahalbhy­ drat gearbeitet, welches aus dem Entschwefelungsgips einer naßarbeitenden Rauchgasentschwefelungsanlage gewonnen wurde und chloridische Bestandteile in Form von Calciumchlorid u. a. aufweist. Nach bevorzugter Ausführungsform der Erfindung wird fernerhin mit einem Hüttensand gearbeitet, der einen Al2O3-Gehalt von mindestens 13% besitzt und bei dem das Ver­ hältnis (CaO+MgO+Al2O3)/SiO2 mindestens 1,6 beträgt. Um die Festigkeit der erhärteten Masse zu erhöhen, können die genannten chloridischen Bestandteile davon auch beigegeben werden, und zwar vorzugsweise bis zu einer Menge von 0,2 bis 3 Masse%, bezogen auf die Gesamtmenge der Mischung. Dabei kann auch mit Natriumchlorid gearbeitet werden. Wird mit Cal­ ciumsulfat-Alphahalbhydrat gearbeitet, welches aus dem Ent­ schwefelungsgips einer naßarbeitenden Rauchgasentschwefelungs­ anlage gewonnen wurde, so ist die Beigabe von chloridischen Bestandteilen im allgemeinen nicht erforderlich. Im Rahmen der Erfindung liegt es fernerhin, Eisensulfat beizumischen, und zwar vorzugsweise ebenfalls bis zu einer Menge von 0,2 bis 3 Masse%, bezogen auf die Gesamtmenge. Das Eisensulfat bewirkt eine Stabilisierung großer länglich ausgebildeter Ettringitkristalle und verhindert dadurch eine reaktionsver­ mindernde Belegung des Hüttensandkornes. Es versteht sich, daß man auch im Rahmen der Erfindung bekannte Beschleuniger auf Basis von Alkalihydroxiden, Alkalicarbonaten, Alkalisul­ faten (oder Mischungen davon) beimischen kann. Ebenso können auch bekannte Verzögerer, z. B. Zitronensäuremonohydrat, bei­ gemischt werden. Aber auch weitere Zusatzmittel können bei­ gegeben werden. Als Beispiel werden insoweit Fließmittel, Verflüssiger, Verdicker, Klebe- und Dispergiermittel genannt.
Grundsätzlich ist es bekannt, zur Herstellung eines hydrau­ lischen Bindemittels Gips, auch in Form eines Hemihydrates oder Anhydrit, und Hüttensand zu mischen (DIN 4210, DE 30 49 003). Hier wird jedoch mit alkalischer Anregung des Hüttensandes gearbeitet, z. B. durch Beigabe von gemahlenen Zementklinkern oder Portlandzement. Die Wasserfestigkeit der erhärteten Mischung ist unterschiedlich. Eine Regel zur de­ finierten Einstellung der Wasserfestigkeit über einen weiten Mischungsbereich ist dabei nicht entwickelt worden.
Bei dem nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Bindemittel stellt das Calciumsulfat-Alphahalbhydrat die Schnellerstarrungskomponente dar, der Hüttensand ist demgegen­ über die im Langzeitbereich reagierende latent hydraulische Komponente. Das aus dem Calciumsulfat-Alphahalbhydrat bei der Erstarrung entstehende Dihydrat funktioniert als sulfa­ tischer Anreger für den Hüttensand. Das nach der Lehre der Erfindung hergestellte, angemachte Bindemittel führt zu einer Früherstarrung durch die Reaktion des Calciumsulfat-Alphahalb­ hydrates und bei anschließender Klima- bzw. Wasserlagerung zu großer Festigkeit aufgrund der Hüttensandreaktion. Die Festigkeit steigt zunächst während der Ettringitbildung und der Bildung von Calciumhydrosilikatphasen einige Tage steil an und flacht dann im Anschluß ab. Dabei reagiert der Hütten­ sand bei sulfatischer Anregung mit Wasser zu Calciumhydrosi­ likat festigkeitsfördernd weiter. Eine wesentliche Tempera­ turempfindlichkeit ist nicht zu beobachten. Bei niedrigen Temperaturen reagiert das Calciumsulfat-Alphahalbhydrat, bei höheren Temperaturen (etwa gleich oder größer der Zimmertem­ peratur) reagieren beide Bestandteile. Das erfindungsgemäß hergestellte Bindemittel liefert so eine extrem hohe Früh­ festigkeit, es zeichnet sich sowohl durch Wasserfestigkeit als auch Sulfatbeständigkeit aus und ist temperaturunempfind­ lich sowie schwindarm. Die einstellbare Frühfestigkeit ist sehr hoch, die Endfestigkeit wird insbes. durch den Anteil an Hüttensand bestimmt und stets kann das Bindemittel nach der Lehre der Erfindung so eingestellt werden, daß es eine hohe Wasserfestigkeit aufweist, die unterschiedlichen Anwen­ dungen anpaßbar ist. Durch das Mischungsverhältnis läßt sich die Kurve der Wasserfestigkeit einstellen. Sie kann damit auch unterschiedlichen Anwendungszwecken angepaßt werden. Nach bevorzugter Ausführungsform der Erfindung wird die Menge an Hüttensand so gewählt, daß die die Steigung angebende erste Ableitung der Wasserfestigkeitskurve nach der Zeit, in dem an die Bildung von Calciumsulfat-Dihydrat anschließenden Kur­ venabschnitt bis zum Erreichen der Endfestigkeit, im Bereich zwischen 0 und 1,6 liegt. Arbeitet man in diesem Bereich, so erhält man besonders definierte, stabile Werte für die Wasserfestigkeit der erhärteten Mischung. Zu hohen Festigkei­ ten insgesamt kommt man, wenn mit sehr feinen Ausgangskom­ ponenten gearbeitet wird. In diesem Zusammenhang lehrt die Erfindung, daß das Calciumsulfat-Alphahalbhydrat und der Hüt­ tensand zumindest bis auf Zementfeinheit gemahlen werden. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden das Calciumsulfat-Alphahalbhydrat und der Hüttensand auf eine spezifische Oberfläche nach Blaine von zumindest 3000 gemahlen. Bewährt hat sich eine Verfahrensweise, bei der das Calciumsulfat-Alphahalbhydrat in einer Menge von 30 bis 90 Masse%, bezogen auf die Gesamtmischung, eingesetzt wird. Für viele Anwendungsfälle wird man das Calciumsulfat-Alphahalbhy­ drat sowie den Hüttensand im Verhältnis 50 : 50 einsetzen.
Überraschenderweise führt die Lehre der Erfindung bei sehr unterschiedlichen Ausgangsmengen an Calciumsulfat-Alphahalb­ hydrat zu einem schnellerstarrenden hydraulischen Bindemit­ tel, dessen erhärtete Masse eine definierte Wasserfestigkeit aufweist. Obgleich die Bildung von Ettringit bei der Herstel­ lung von Mörtel und Beton aus einem hydraulischen Bindemit­ tel als schädlich gilt, ist die Ettringitbildung bei erhär­ teten Massen aus dem erfindungsgemäßen Bindemittel nicht schädlich, im Gegenteil, die Ettringitbildung trägt wesent­ lich zur Wasserfestigkeit bei. Während man nach der herrschen­ den Lehre (vgl. Bauakademie der DDR, Bauinformation, l.c. und DE 30 49 003) bei Einsatz von Hüttensand alkalische An­ reger wie Portlandzement oder feingemahlene Zementklinker beigeben muß, ist dieses bei dem erfindungsgemäßen Verfahren nicht erforderlich.
Die erreichten Vorteile sind auch darin zu sehen, daß das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Bindemittel sehr vielfältig verwendet werden kann. Möglich sind insbes.
  • a) die Verwendung des Bindemittels, ggf. mit Zuschlägen und Zusatzmitteln, als sofort oder frühtragender Bau­ stoff für den Untertagebereich, vorzugsweise mit einem Verhältnis von Calciumsulfat-Alphahalbhydrat/ Hüttensand von 70 : 30 bis 95 : 5, insbes. etwa 90 : 10,
  • b) die Verwendung des Bindemittels, ggf. mit Zuschlägen und Zusatzmitteln, zur Gipsplattenherstellung, vor­ zugsweise mit einem Verhältnis von Calciumsulfat- Alphahalbhydrat/Hüttensand von 80 : 20 bis 95 : 5, ins­ bes. etwa 90 : 10,
  • c) die Verwendung des Bindemittels, ggf. mit Zuschlägen und Zusatzmitteln als Reparaturmörtel, insbes. Flug­ platzreparaturmörtel, vorzugsweise mit einem Ver­ hältnis von Calciumsulfat-Alphahalbhydrat/Hütten­ sand von 80 : 20 bis 50 : 50, insbes. 70 : 30,
  • d) die Verwendung des Bindemittels, ggf. mit Zuschlägen und Zusatzmitteln, im Tunnelbau, vorzugsweise mit einem Verhältnis von Calciumsulfat-Alphahalbhydrat/ Hüttensand von 60 : 40 bis 30 : 70,
  • e) die Verwendung des Bindemittels, ggf. mit Zuschlägen und Zusatzmitteln, zur Herstellung von selbstnivellie­ renden Estrichen, vorzugsweise mit einem Verhältnis von Calciumsulfat-Alphahalbhydrat/Hüttensand von 90 : 10 bis 70 : 30,
  • f) die Verwendung des Bindemittels, ggf. mit Zuschlägen und Zusatzmitteln, zur Herstellung von porosierten Wandbaustoffen, vorzugsweise mit einem Verhältnis von Calciumsulfat-Alphahalbhydrat/Hüttensand von 90 : 10 bis 95 : 5,
  • g) die Verwendung des Bindemittels, ggf. mit Zuschlägen und Zusatzmitteln, als Spachtelmasse mit einem Ver­ hältnis von Calciumsulfat-Alphahalbhydrat/Hüttensand von 95 : 5 bis 30 : 70,
  • h) die Verwendung des Bindemittels, ggf. mit Zuschlägen und Zusatzmitteln, als sulfatbeständiger Injektions­ mörtel zum Verfestigen brüchiger Baumassen mit einem Verhältnis von Calciumsulfat-Alphahalbhydrat/Hütten­ sand von 50 : 50 bis 10 : 90,
  • i) die Verwendung des Bindemittels, ggf. mit Zuschlägen und Zusatzmitteln, zur Herstellung von Saugstreu,
  • j) die Verwendung des Bindemittels, ggf. mit Zuschlägen und Zusatzmitteln, zur Herstellung tragender, poro­ sierter und nicht porosierter Wandbaustoffe.
Aber auch für andere Zwecke kann das erfindungsgemäß herge­ stellte Bindemittel eingesetzt werden.
Gegenstand der Erfindung sind auch die nach dem erfindungsge­ mäßen Verfahren hergestellten Bindemittel und die vorstehend aufgeführten Verwendungen.
Aus Calciumsulfat-Alphahalbhydrat mit einer Mahlfeinheit von 3200 cm2/g (innere Oberfläche nach Blaine) und mit einem Rückstand von 1% auf dem 50 µm-Sieb sowie aus Hüttensand einer Mahlfeinheit von 3500 cm2/g (nach Blaine) wurden Mör­ telmischungen hergestellt, und zwar mit unterschiedlichen Mischungsverhältnissen:
Mischung 1) 95% Calciumsulfat-Alphahalbhydrat, 5% Hüttensand,
Mischung 2) 65% Calciumsulfat-Alphahalbhydrat, 35% Hüttensand,
Mischung 3) 50% Calciumsulfat-Alphahalbhydrat, 50% Hüttensand.
Die Prozentangaben sind in Gewichtsprozent. Den Mischungen wurden 0,02 Gewichtsteile Zitronensäuremonohydrat beigemischt.
Die Mischungen wurden mit einem Wasser/Feststoff-Verhältnis von 0,3 zu Pasten angemacht. Die Pasten zeigten die üblichen Frischmörteleigenschaften. Aus den Pasten wurden quaderför­ mige Prüfkörper der Kantenlänge von 40 mm hergestellt. Diese Prüfkörper wurden nach 20 Minuten entformt und unmittelbar nach dem Entformen unter Wasser gelagert. Zu definierten Zeit­ punkten wurde die Druckfestigkeit der einzelnen Prüfkörper in N/mm2 gemessen. - Die einzige Figur zeigt die Meßergebnis­ se.
Auf der Abszissenachse der Figur ist die Zeit der Unterwasser­ lagerung der Prüfkörper in Tagen aufgetragen, auf der Ordina­ tenachse die Druckfestigkeit. Die den Mischungen 1), 2) und 3) entsprechenden Kurven wurden mit 1 bzw. 2 bzw. 3 bezeich­ net. Strichpunktiert wurde die Kurve für entsprechende Prüf­ körper aus Calciumsulfat-Alphahalbhydrat eingezeichnet. Man erkennt, daß diese Prüfkörper aus Calciumsulfat-Alphahalbhy­ drat eine zeitabhängige Wasserfestigkeitskurve aufweisen, die, ausgehend von dem Endwert der Schnellerstarrung, eine negative Steigung besitzt. Man erkennt, daß bei den Mischun­ gen 1, 2 und 3 die Menge an Hüttensand auf die Ausgangsmenge an Calciumsulfat-Alphahalbhydrat so abgestimmt ist, daß die Wasserfestigkeitskurve eine positive Steigung aufweist. Man kann drei festigkeitsbildende Phasen deutlich unterscheiden: Die erste Phase ist die Schnellerstarrungsphase, in der Cal­ ciumsulfat-Alphahalbhydrat zu Calciumsulfat-Dihydrat erstarrt. Das geschieht an einem Tag oder in einigen Tagen. In der zwei­ ten Phase funktioniert das Calciumsulfat-Dihydrat als sul­ fatischer Anreger für den Hüttensand und die Reaktion läuft mit Wasser im wesentlichen zu Ettringit, und zwar nach der Gleichung
3 CaSO4 · 2 H2O + 3 CaO + Al2O3 + 26 H2O → 3 CaO · Al2O3 · 3 CaSO4 · 32 H2O .
Das bewirkt einen verhältnismäßig starken Anstieg der Kurve der Druckfestigkeit, der im Beispiel nach etwa sieben Tagen in einen flacheren Anstieg übergeht. In dieser Phase stellt sich die Endfestigkeit ein, und zwar wird die Endfestigkeit durch Calciumhydrosilikatphasen bestimmt. Es versteht sich, daß die zweite Phase und die dritte Phase sich überlappen. Es mag auch schon bei Beginn der Ettringitbildung eine Bil­ dung von Calciumhydrosilikatphasen eintreten. - Es versteht sich, daß die Endfestigkeit des nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Bindemittels nach achtundzwanzig Tagen nicht abfällt, sondern eher weiter ansteigt.
Durch die Mischungsverhältnisse, die Mahlfeinheit, aber auch durch zementübliche Zusätze, lassen sich die Reaktionsabläufe sowie die erreichten Endfestigkeiten in weiten Bereichen be­ einflussen.

Claims (15)

1. Verfahren zur Herstellung eines nach dem Anmachen mit Was­ ser schnellerstarrenden hydraulischen Bindemittels mit defi­ nierter Wasserfestigkeit der daraus hergestellten erhärteten Masse, bei dem als schnellerstarrende Komponente Calciumsul­ fat-Alphahalbhydrat in einer vorgegebenen Ausgangsmen­ ge eingesetzt wird, dessen erhärtete Masse eine zeitab­ hängige Wasserfestigkeitskurve aufweist, die, ausgehend von einem hohen Frühfestigkeitswert der Schnellerstar­ rung, in den ersten achtundzwanzig Tagen eine negative Steigung besitzt, bei dem dem Calciumsulfat-Alphahalbhydrat Hüttensand beige­ mischt wird und bei dem die Menge an Hüttensand auf die Aus­ gangsmenge an Calciumsulfat-Alphahalbhydrat so abgestimmt wird, daß im Anschluß an die Schnellerstarrung eine Bildung von kristallinem Ettringit und von Calciumhydrosilikatphasen eintritt und die zeitabhängige Wasserfestigkeitskurve der erstarrten Mischung in den ersten achtundzwanzig Tagen über­ all eine positive Steigung aufweist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Calciumsulfat-Alpha­ halbhydrat und der Hüttensand gemeinsam gemahlen und dabei gemischt werden.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei dem mit einem Calciumsulfat-Alphahalbhydrat gearbeitet wird, welches aus dem Entschwefelungsgips einer naßarbeitenden Rauchgas­ entschwefelungsanlage gewonnen wurde und chloridische Bestand­ teile aufweist.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem mit einem Hüttensand gearbeitet wird, der einen Al2O3-Gehalt von mindestens 13% aufweist, und bei welchem Hüttensand das Ver­ hältnis (CaO+MgO+Al2O3)/SiO2 mindestens 1,6 beträgt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem chlori­ dische Bestandteile beigemischt werden.
6. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem die chloridischen Be­ standteile in einer Menge von 0,2 bis 3 Masse%, bezogen auf die Gesamtmenge, beigemischt werden.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem Eisen­ sulfat beigemischt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem das Eisensulfat in einer Menge von 0,2 bis 3 Masse%, bezogen auf die Gesamtmenge, bei­ gemischt wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem be­ kannte Beschleuniger auf Basis von Alkalihydroxiden, Alkali­ carbonaten, Alkalisulfaten (oder Mischungen davon) beigemischt werden.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem ein bekannter Verzögerer, z. B. Zitronensäuremonohydrat, beige­ mischt wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem die Menge an Hüttensand so gewählt wird, daß die erste Ableitung der Wasserfestigkeitskurve der erhärteten Mischung nach der Zeit, in dem an die Bildung von Calciumsulfat-Dihydrat an­ schließenden Kurvenabschnitt bis zum Erreichen der Endfestig­ keit, im Bereich zwischen 0 und 1,6 liegt.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei dem das Calciumsulfat-Alphahalbhydrat und der Hüttensand zumindest auf Zementfeinheit gemahlen werden.
13. Verfahren nach Anspruch 12, bei dem das Calciumsulfat- Alphahalbhydrat und der Hüttensand auf eine spezifische Ober­ fläche nach Blaine von zumindest 3000 gemahlen wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, bei dem das Calciumsulfat-Alphahalbhydrat in einer Menge von 30 bis 90 Masse%, bezogen auf die Gesamtmischung, eingesetzt wird.
15. Bindemittelmischung, die nach einem oder mehreren der Verfahrensansprüche 1 bis 14 hergestellt worden ist.
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