DE3939139A1

DE3939139A1 - Estrich-, moertel- oder betonmischung, insbesondere fuer fussboden-, wand- oder deckenflaechenheizsysteme oder sonnenwaermekollektoren

Info

Publication number: DE3939139A1
Application number: DE3939139A
Authority: DE
Inventors: Gerd Hoermansdoerfer
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1989-11-27
Filing date: 1989-11-27
Publication date: 1991-05-29

Description

Die Erfindung betrifft eine Estrich-, Mörtel- oder Betonmischung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Art.

Flächenheizsysteme, in der Hauptsache Fußbodenheizungen, werden heute aufgrund ihrer Wirtschaftlichkeit und wegen des angenehmen Raumklimas zunehmend im Neubau- und Renovierungsbereich einge setzt. Derartige Flächenheizsysteme bestehen aus wasserdurch strömten Heizrohren, bzw. aus stromdurchflossenen elektrischen Heizdrähten, welche nach einem entsprechenden Schema auf isolier tem Mauerwerk bzw. isolierten Geschoßdecken angebracht sind. Da bei wird gewöhnlich die erforderliche Abdeckung der Heizrohre bzw. Heizdrähte durch eine Einbettung in einen Estrich verwirk licht, welcher bei Fußböden gleichzeitig als statisch ausreichen der Tragbelag dient. Für die Funktion eines Flächenheizsystems sind die Eigenschaften dieses Estrichs von entscheidender Bedeu tung. Von ihm hängt sowohl die Aufheizzeit und somit die Reak tionsfähigkeit des Flächenheizsystems, als auch die erforderliche Vorlauftemperatur bei Warmwassersystemen bzw. Heiztemperatur bei elektrischen Systemen ab. Die Wärmeleitfähigkeit und die spezifi sche Wärme des Estrichs, ebenso wie seine Dicke, beeinflussen also in entscheidender Weise die Wirtschaftlichkeit und den Kom fort eines Flächenheizsystems.

Bei Sonnenwärmekollektoren aus Beton entsprechen die Anforderun gen an die Mischung (auch bezeichnet als Thermo-Beton-Verbundmas se) im wesentlichen dem oben gesagten. Diese preiswerte Art von Sonnenwärmekollektoren wurde von dem Hamburger Physiker Dr. Üstün Ankara entwickelt und kann in Form eines Dachflächen- oder Außen wandbelages oder auch als freistehende Betonmauer der Gewinnung von solarer Wärmeenergie dienen. Im Prinzip sind Sonnenwärmekol lektoren aus Beton dem Aufbau einer Warmwasser-Fußbodenheizung vergleichbar. In die Betonmischung erhöhter Wärmeleitfähigkeit sind Kupferrohre eingebettet, in welchen eine frostfeste Flüssig keit als Wärmeträger zikuliert. Die Übertragung der aufgenommenen Wärme z. B. auf das Brauchwassersystem kann über einen an anderer Stelle montierten Wärmetauscher erfolgen. Als Versiegelung der Oberfläche und zur gleichzeitigen Verbesserung der Wärmeabsortion kann die Oberfläche eines Sonnenwärmekollektors aus Beton mit ei nem schwarzen Solarlack angestrichen werden. Auch bei diesem An wendungsfall werden Wirkungsgrad und Wirtschaftlichkeit ganz ent scheidend von den Eigenschaften der Betonmischung beeinflußt.

Gewöhnliche Estriche bzw. vergleichbare Mischungen, ganz gleich ob es sich dabei um Estrichbeton auf Zementbasis, Gips-, Fließ-, Asphaltestrich oder einen kunstharz- bzw. kunststoffgebundenen Estrich handelt, haben ein geringes Wärmeleitvermögen und eine relativ hohe spezifische Wärmekapazität. Die erste Eigenschaft ist im Zusammenhang mit Flächenheizsystemen insofern nachteilig, als sie eine erhöhte Vorlauftemperatur des Heizwassers, bzw. eine erhöhte Heiztemperatur der Heizdrähte bei Elektroheizungen erfor dert. Dadurch sinkt der Wirkungsgrad der Anlage. Gleichzeitig wird, bedingt durch die höhere Temperaturdifferenz zwischen Heiz element und Estrichoberfläche, eine ungünstig hohe Wärmemenge in der Estrichschicht gespeichert, worunter die Regelfähigkeit des Systems leidet. Bei Sonnenwärmekollektoren aus Beton würde die relativ geringe Wärmeleitfähigkeit gewöhnlicher Betonmischungen zu einem sehr niedrigen Wirkungsgrad führen.

Die als zweite ungünstige Eigenschaft herkömmlicher Estriche ge nannte hohe spezifische Wärme bewirkt eine ungewollte thermische Trägheit des Flächenheizsystems, wodurch die bereits oben erläu terte schlechte Regelfähigkeit eines Raumheizsystems noch weiter herabgesetzt wird.

Es hat daher bislang nicht an Bemühungen gefehlt, durch eine ge ringere Aufbauhöhe der Estrichschicht, so wie durch eine angepaß te Zusammensetzung der Estrichmischung, die thermische Trägheit des Estrichs zu vermindern. So ist bekannt (DE-OS 27 54 218), ei ner Estrichmasse Metallspäne beizumengen, wie sie bei der Metall bearbeitung anfallen, um die Wärmeleitfähigkeit des Estrichs zu verbessern. Diese Idee hat sich nicht verwirklichen lassen, weil sie entweder undurchführbar, oder mit erheblichen Schwierigkeiten und Nachteilen verbunden ist. So ist es kaum machbar, die für ei ne breitere Anwendung benötigten Spänemengen zu beschaffen. Die bei der Metallbearbeitung anfallenden Späne sind nicht nur von stark variabler Form und Größe, sondern auch mit Ölen oder Emul sionen verunreinigt, so daß sie zusätzlich gereinigt und mecha nisch geschreddert werden müßten. Bei den Beschaffungskosten muß für derartige Späne zumindest von den entsprechenden Altmetall preisen ausgegangen werden, welche außer bei Eisenbasismetallen nicht gerade niedrig liegen. Noch gravierender sind jedoch die rein chemisch und physikalisch bedingten Nachteile. Dazu muß man wissen, daß die beiden Metalle Aluminium und Magnesium, die auf grund ihrer geringen Dichte verhältnismäßig gut mit einem Estrich harmonieren, durch die alkalische Naßmörtelreaktion von Zement angegriffen und zersetzt werden. Bei der chemischen Reaktion wird Wasserstoffgas frei, wodurch der Estrich während des Abbindevor gangs aufgeschäumt wird. Im Resultat wird durch die Aufschäumung trotz des Metallspäneanteils nicht nur die Wärmeleitfähigkeit des Estrichs vermindert, sondern auch gleichzeitig seine Festigkeit in extremer Weise herabgesetzt. Späne aus anderen Metallen wie Eisen, Kupfer oder Messing haben aufgrund der hohen Dichte dieser Metalle die Tendenz, sich beim Herstellen des Estrichs abzuset zen. Als weiterer Nachteil kommt dazu, daß sich dadurch das Ge samtgewicht des Estrichs erhöht, so daß beispielsweise verstärkt ausgeführte Geschoßdecken erforderlich wären. Ungünstig ist fer ner die hohe volumenspezifische Wärme der Metalle, die etwa das Doppelte des Wertes für Estrichbeton beträgt und dadurch der Ab sicht nach einer Verminderung der thermischen Trägheit des Est richs entgegenwirkt.

Es ist weiterhin bekannt (DE-OS 30 04 562 A1), einer Estrichmi schung Hohlkörper aus Eisen zuzumischen, um die Wärmeleitfähig keit zu verbessern und die spezifische Wärme zu senken. Bei einer derartigen Lösung sind zuerst die mit der Herstellung der Hohl körper verbundenen hohen Kosten als nachteilig zu bewerten. Die Hohlkörper müssen relativ klein ausgebildet sein, um beim Ein bringen der Mischung beispielsweise den vollflächigen Kontakt zwischen Estrich und Heizrohren nicht zu verhindern, oder störend aus der Estrichoberfläche herauszuragen. Ungünstig ist zudem so wohl die nicht sehr hohe Wärmeleitfähigkeit von Eisen, als auch der aufgrund des Hohlraums geringe zum Transport von Wärme zur Verfügung stehende Querschnitt. Nachteilig ist auch, daß durch die an den Hohlkörpern vorhandenen Spalten Wasser aus der nassen Estrichmischung in den hohlen Innenraum der Metallkörper eintre ten kann und dort verbleibt. Messungen an derartigen Mischungen haben gezeigt, daß eine Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit auf die vorgeschlagene Weise nicht zu erzielen sind, sondern zwischen einer herkömmlichen Mischung und einer solchen mit zugemischten Hohlkörpern aus Eisen kein meßbarer Unterschied besteht. Als Nachteil zeigen derartige Mischungen zudem rostige Ausblühungen an der Oberfläche.

Aus der Auslegeschrift DE-AS 11 11 657 ist ferner bekannt, einem Mörtel z. B. Siliciumcarbid zuzumischen, um seine Wärmeleitfähig keit zu erhöhen. Leider ist jedoch die Wärmeleitfähigkeit von Siliciumcarbid mit etwa 41 W/m/K noch geringer als die von Eisen, so daß entsprechend große Mengen zugemischt werden müssen, um die Wärmeleitfähigkeit der Mischung deutlich zu erhöhen. Nachtei lig ist auch, daß aufgrund der Dichte von ca. 3,21 kg/dm³ von Si liciumcarbid von einem höheren Gewicht der Mischung auszugehen ist. Ebenso ungünstig ist die mit ungefähr 2,68 kJ/dm³/K sehr hohe volumenspezifische Wärme des Siliciumcarbids.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Estrichmischung der betreffenden Art als Belag für Fußboden-, Wand- oder Decken flächenheizsysteme oder für die Einbettung oder Herstellung von Sonnenwärmekollektoren zu schaffen, welche eine deutlich verbes serte Wärmeleitfähigkeit bei leicht verminderter Wärmekapazität aufweist, sich gleichzeitig zu lediglich geringen Mehrkosten ge genüber gewöhnlichen Mischungen herstellen läßt und die beschrie benen Nachteile nicht aufweist.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 gegebene Lehre gelöst.

Danach wird der erfindungsgemäßen Mischung außer den bekannten Füllstoffen wie z. B. Sand, Kies, Splitt usw., bzw. Bindemitteln wie Zement, Gips, Kalk, Asphalt, Kunstharz, anderen Bindemitteln oder Plastfizierungsmitteln, Fließ-, Verdichtungsverbesserern und dergleichen ein Anteil einer im wesentlichen aus Silicium und Eisen bestehenden Legierung zwecks Verbesserung der Wärmeleitfä higkeit zugesetzt.

Der erfindungsgemäße Zuschlagsstoff aus Silicium mit einem Gehalt von zwischen 0,5 und 30% Eisen, wobei ein Gehalt zwischen 5 und 15% bevorzugt ist, hat zweckmäßigerweise eine im wesentlichen kristalline Form mit Korngrößen zwischen etwa 0 und 8 mm, wovon jedoch der gröbere Bereich zwischen 3 und 8 mm bevorzugt ist. Vorzugsweise wird dieser Zuschlagstoff dergestalt verwendet, daß auf der Oberfläche der einzelnen Teilchen eine dünne Schutz schicht aufgebracht ist, welche chemischem Angriff, z. B. während einer alkalischen Naßmörtelreaktion durch Zement, widersteht. Da bei besteht diese Schutzschicht entweder aus einem Lack oder ei nem Kunststoff, und ist z. B. durch Tauchen, elektrostatische Be schichtung oder dergleichen aufgebracht, oder aber bevorzugt aus einer aus dem Substrat heraus gezüchteten Schicht, welche somit teilweise aus Silicium besteht, wie z. B. Siliciumdioxyd, Sili ciumnitrid, Siliciumcarbid usw.

Grundlage der Erfindung ist die überraschende Entdeckung, daß ei ne Legierung zwischen Silicium und Eisen mit einem Eisenanteil bis zu etwa 15% eine Wärmeleitfähigkeit besitzt, welche nur geringfügig niedriger liegt, als die des reinen Siliciums. In der Regel ist bei Metallen zu beobachten, daß bereits geringfügige Zulegierungen eines anderen Elements die Wärmeleitfähigkeit in drastischer Weise reduzieren. So besitzt z. B. die Legierung von Kupfer mit nur 8% Zinn eine Wärmeleitfähigkeit von lediglich 67 W/m/K, obwohl reines Kupfer einen Wert von 390 W/m/K besitzt.

Eine weitere Grundlage der Erfindung ist die Erkenntnis, daß spe ziell bei der Verwendung von Estrichmischungen auf der Basis von Zement als Bindemittel eine bessere Verhaftung zwischen mit Eisen legiertem Silicium und der ausgehärteten Mischung als bei der Verwendung von reinem Silicium als Zuschlagstoff erzielbar ist. Dadurch ergibt sich eine höhere Festigkeit des fertigen Elements. Außerdem ist eine Silicium-Eisen-Legierung deutlich billiger als reines Silicium, wodurch Kosten eingespart werden können.

Legierungen der vorgeschlagenen Zusammensetzung aus Silicium und Eisen sind in sehr großen Mengen vor allem dann zu günstigen Ko sten verfügbar, wenn ein höherer Grad an Verunreinigungen akzep tiert werden kann. Derartige Verunreinigungen können z. B. aus Aluminium und Magnesium, oder aus Spurenelementen wie Phosphor und Schwefel bestehen. Der allgemeinen Verwendung solcher verun reinigten Chargen für den vorgeschlagenen Zweck steht jedoch ent gegen, daß bei Kontakt mit Feuchtigkeit oder auch bei einer alka lischen Naßmörtelreaktion an der Oberfläche der so verunreinigten Teilchen ein Zersetzungsvorgang abläuft, welcher kleinste Mengen an gasförmigen Spaltprodukten freiwerden läßt. Bei diesen abge spaltenen Gasen kann es sich z. B. um Wasserstoff, aber auch z. B. um den sehr giftigen Phosphorwasserstoff handeln. Obwohl die freiwerdenden Mengen sehr klein sind und z. B. durch die kleinen Wasserstoffmengen nicht von einer Feuergefahr während des Abbin deprozesses auszugehen ist, besteht doch zumindest die Möglich keit des geringfügigen "Quellens" der Mischung, und damit auf grund zahlreicher kleinster in der Mischung eingeschlossener Po ren eine geringfügige Abnahme der ohne diese Erscheinung reali sierbaren Wärmeleitfähigkeit. Im Falle des Freiwerdens von Phos phorwasserstoff oder ähnlich giftiger Gase wäre mit einer nicht hinnehmbaren gesundheitlichen Beeinträchtigung zu rechnen.

Diese Nachteile bei der Zumischung verunreinigter Chargen werden nach weiterer Erfindung dadurch beseitigt, daß die einzelnen Teilchen mit einer gegen chemischen Angriff schützenden Schicht überzogen sind. Diese Schutzschicht besteht wahlweise aus Lack, Kunststoff, Metall, Keramik, Glas oder dergleichen, und ist durch entsprechende Verfahren wie Eintauchen, Einsprühen, elektrostati sche Beschichtung, Galvanik usw. aufgebracht. Vorzugsweise ist die Schutzschicht jedoch durch Züchtung aus der Oberfläche des Substrats heraus gebildet. Dazu wird das gebrochene und gesplit tete, aus Silicium mit einem Eisenanteil bestehende Material un ter der Einwirkung erhöhter Temperatur einem entsprechenden Gas oder Dampfstrom ausgesetzt, wobei an seiner Oberfläche im wesent lichen solche Verbindungen wie z. B. Siliciumdioxyd, Siliciumcar bid, Siliciumnitrid oder Silikate gebildet werden. Derartige Schichten sind sehr dünn und haben damit praktisch keinen Einfluß auf den Wärmeübergang. Außerdem sind die unlösbar mit dem Sub strat verbunden und verhaften ihrerseits wiederum sehr gut mit den für die Mischungen vorgesehenen Bindemitteln. Es ist nach der Erfindung vorgesehen, den Zuschlagstoff wahlweise vor einer Be schichtung zu beizen, um an der Oberfläche freiliegende Partikel unerwünschter Verunreinigungen zu beseitigen. Besonders vorteil haft ist die Züchtung einer Schutzschicht aus Siliciumdioxyd, weil bei dem erforderlichen Röstprozeß die oberflächlichen Ver unreinigungen ohnehin umgewandelt oder gasförmig abgespalten wer den. Dieser Schritt läßt sich im Verfahrensablauf nach Erschmel zung, Brechen und Splitten direkt angliedern, und ist ausgespro chen einfach und kostengünstig zu verwirklichen. Mit der Erfin dung wird weiter vorgeschlagen, die Silicium-Eisen-Legierung nach dem Erschmelzen sehr langsam abkühlen zu lassen, bzw. direkt heiß weiter zu behandeln, damit ein Auskristallisieren oder Abscheiden von Verunreinigen vorzugsweise an den Korngrenzen, bzw. an den Oberflächen der gebrochenen Partikel stattfindet, wo sie bei den Prozeßschritten Rösten oder Aufoxydieren leicht unschädlich ge macht werden können.

Für die Verwendung der Silicium-Eisen-Legierung als hoch wärme leitenden Zuschlagstoff in der erfindungsgemäßen Mischung spre chen folgende günstige Merkmale:

- hohe Wärmeleitfähigkeit
- mäßige Wärmekapazität
- unveränderte Dichte der Mischung
- kleiner Wärmeausdehnungskoeffizient
- resistent gegen Zement
- korrosionsfest
- erhöht die Festigkeit des Estrichs
- nimmt kein Wasser auf (kein Quellen oder Schrumpfen)
- sehr gute Verarbeitbarkeit
- steht in sehr großen Mengen zur Verfügung
- niedriger Preis

Nachfolgend sollen zu Vergleichszwecken einige Stoffwerte gegen übergestellt werden:

Aus der Tabelle ist zu entnehmen, daß die Dichte von Silicium im Bereich der Dichte von Beton liegt, ferner daß die Wärmeleitfä higkeit bis zu etwa einhundertmal höher ist als die von Beton, und daß die volumenspezifische Wärme gegenüber den als Beispiel aufgeführten Metallen nur etwa die Hälfte beträgt. Legierungen aus Silicium und Eisen mit einem Eisenanteil um 10% haben immer noch eine Wärmeleitfähigkeit über 70 W/mK. Ihre Dichte entspricht mit etwa 2,8 fast genau der Dichte von Flint und Quarz, also den ohnehin in einer derartigen Mischung enthaltenen Zuschlagstoffen.

In der Praxis hat sich gezeigt, daß die Dichte der Gesamtmischung nach Zugabe von etwa 30% Anteil einer kristallinen Körnung einer Legierung aus Silicium mit einem Eisenanteil um 10% gegenüber ei ner Mischung ohne derartige Zuschlagstoffe exakt gleich bleibt und im Mittel mit etwa 2,2 kg/dm³ anzusetzen ist. Die gewöhnlich zu ermittelnden Festigkeitswerte liegen ungefähr bei 6-7 N/mm² für den Biegezugversuch und bei über 27 N/mm² für die Druckfe stigkeit. Die an Prüflingen ermittelte Wärmeleitfähigkeit lag bei über 3 W/mK bei Zugaben zwischen 20 und 30%. Sie liegt damit um mindestens den Faktor 2 höher als konventionelle Mischungen.

Durch die Verwendung der erfindungsgemäßen Mischungen mit einem Zusatz an hoch wärmeleitenden kleinen Körpern aus einer Silicium legierung mit Eisenanteil wird somit die Wärmeleitfähigkeit des Estrichs deutlich erhöht und dadurch die Wärmeabgabe und Reak tionsfähigkeit beträchtlich verbessert. Das Flächenheizsystem kann mit niedrigerer Vorlauftemperatur betrieben werden, weil bei gleichem Wärmestrom der Temperaturabfall zwischen den eingebette ten Heizelementen und z. B. der Fußbodenoberfläche mindestens hal biert ist. Dadurch werden die Wärmeverluste verringert und Heiz energie eingespart.

Auch im Falle von Sonnenwärmekollektoren aus Beton wird durch die erfindungsgemäße Mischung der Wirkungsgrad verbessert.

Claims

1. Estrich-, Mörtel- oder Betonmischung mit Bindemitteln z. B. auf der Basis von entweder Zement, Gips o. ä., Kunstharz oder Asphalt, mit Füllstoffen wie z. B. Sand, Kies oder Splitt, insbesondere für Fußboden-, Wand- oder Deckenflächenheizsysteme oder Sonnenwärme kollektoren, zur Einbettung von Wärme übertragenden Elementen, mit einem Zusatz aus wärmeleitenden kleinen Körpern, dadurch ge kennzeichnet, daß die wärmeleitenden kleinen Körper aus Silicium mit einem Zusatz im wesentlichen aus Eisen mit einem Anteil zwi schen 0,5 und 40% bestehen.

2. Mischung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der im wesentlichen aus Eisen bestehende Zusatz zum Silicium einen An teil zwischen 3 und 30% ausmacht, wobei ein Eisenanteil zwischen 5 und 15% bevorzugt ist.

3. Mischung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, daß die wärmeleitenden kleinen Körper an ihrer Oberfläche mit einer gegen chemischen Angriff schützenden Schicht überzogen sind.

4. Mischung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die schützende Schicht durch eine thermische oder chemische Behand lung aus dem Substrat heraus gezüchtet ist.

5. Mischung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die schützende Schicht Silicium enthält und z. B. aus Siliciumdioxyd, Siliziumkarbid oder Siliziumnitrid besteht, oder ein Silikat ist.

6. Mischung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die schützende Schicht aus einem dünnen Film aufgetragenen Fremd materials besteht.

7. Mischung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der dünne Film aus einem Metall oder einer metallischen Legierung besteht.

8. Mischung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der dün ne Film galvanisch, durch Aufdampfen oder mechanisch aufgebracht ist.

9. Mischung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der dün ne Film aus einem keramischen Werkstoff oder einem Glas besteht.

10. Mischung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der dünne Film aus einem Lack, Kunstharz oder Kunststoff besteht.

11. Mischung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der dünne Film durch Spritzen, elektrostatisches Beschichten, bzw. vorzugsweise durch Tauchen aufgebracht ist.

12. Mischung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, daß die wärmeleitenden kleinen Körper gleichzeitig mit der Züchtung der schützenden Schicht, bzw. vor Aufbringung der schützenden Fremdschicht thermisch (z. B. durch Rösten) oder chemisch (z. B. durch Beizen) derart behandelt sind, daß etwa an haftende oder in der Oberfläche liegende schädliche Spurenelemen te wie Phosphor und Schwefel, bzw. deren Verbindungen unschädlich umgewandelt oder entfernt sind.

13. Mischung nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die wärmeleitenden kleinen Körper kristalline Form haben.

14. Mischung nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die kleinen Körper eine Korngröße von etwa 0 bis 8 mm, vorzugsweise von 3 bis 8 mm, haben.

15. Fußboden-, Wand- oder Deckenbelag oder -platte für ein Flä chenheizsystem, dadurch gekennzeichnet, daß er bzw. sie aus einer Mischung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14 hergestellt ist bzw. besteht.