DE4231910C2 - Glasfaserverstärkten Kombinationswerkstoff mit hoher Dauerbeständigkeit der Verbundmaterialien und Verfahren zu dessen Herstellung - Google Patents
Glasfaserverstärkten Kombinationswerkstoff mit hoher Dauerbeständigkeit der Verbundmaterialien und Verfahren zu dessen HerstellungInfo
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Description
Die Erfindung ist anwendbar für die Herstellung glasfaser
verstärkter Bauelemente und Faserbaustoffe hoher Dauerbe
ständigkeit auf der Grundlage von hydraulischen Bindemitteln
mit einem verringerten Anteil der Mischung an Portlandzement
oder auch frei von Portlandzement, wobei diese Bindemittel
weitere Zusätze enthalten können.
Die Grundbestandteile von glasfaserverstärkten zementgebun
denen Kombinationswerkstoffen sind die hydraulische Binde
mittelmatrix und die darin eingelagerten Glasfasern. Wird
für die Matrixbildung der gewöhnliche Portlandzement ver
wendet, so enthält dieser in seinem Porenraum eine hoch al
kalische Flüssigkeit, die einen pH-Wert von erheblich über
12,5 aufweist, wobei der angeführte Zahlenwert für eine ge
sättigte Calciumhydroxid-Lösung charakteristisch ist.
Der Hauptanteil an Alkalien wird durch den Portlandzement
klinker in das Bindemittel eingetragen. Durch vorliegendes
Kaliumhydroxid und Natriumhydroxid im erhärteten Portland
zement, die bevorzugt in der Porenflüssigkeit des Zement
steins angereichert sind, resultiert ein pH-Wert dieser al
kalischen Lösung von etwa 13 bis 14. Eine derart alkalische
Flüssigkeit übt eine schädigende Wirkung auf Armierungsfa
sern aus silikatischen Gläsern aus. Silikatische Gläser
können bereits durch Flüssigkeiten mit einem pH-Wert von 9
merklich angegriffen werden. Aus diesem Grund wurden ver
spinnbare Gläser spezieller chemischer Zusammensetzung und
Faserbeschichtungssysteme entwickelt, die bei Anwendung der
Gläser in Form von Fasern in hydraulisch erhärtenden Binde
mitteln eine sehr hohe Widerstandsfähigkeit in dem alkali
schen Milieu aufweisen. Allein damit war jedoch die Verfüg
barkeit von Glasfaser-Portlandzement-Kombinationswerkstoffen
mit einer hohen Dauerbeständigkeit noch nicht gewährleistet.
Bei genormten Portlandzementen ist die Verwendung von Zumahl
stoffen und Mahlhilfsmitteln in Mengen bis höchstens 5% mög
lich. Die genormten bzw. zugelassenen zumahlstoffhaltigen Ze
mente enthalten nach DIN 1664:
bis zu 35% | |
Hüttensand (EPZ) | |
36-80% | Hüttensand (HOZ) |
20-40% | Traß (TrZ) |
10-32,5% | Steinkohlenflugasche (FAZ) |
10-25% | Hüttensand und 10-25% Steinkohlenflugasche, Summe maximal 35% (FAHZ). |
Durch diese Modifizierungen des Bindemittels wird den beton
technischen Aspekten für die Belange des Bauwesens entspro
chen. Jedoch sind für die Herstellung dünnwandiger glasfaser
verstärkter Bauelemente und Faserbaustoffe hoher Dauerbestän
digkeit derartige Bindemittelmischungen noch unzureichend ge
eignet, da insbesondere der Gehalt wirksamer Alkalien in der
Matrix noch zu hoch ist.
Zur Zementmodifizierung ohne den Einsatz von Glasfasern wur
den auch alumosilikatische Braunkohlenfilteraschen eingesetzt.
Durch diese Verwendung von Zumahlstoffen mit puzzolanischen
Eigenschaften wird einmal der Portlandzement verdünnt, anderer
seits haben aber diese Zusatzstoffe entsprechend ihrer che
mischen Zusammensetzungen auch positive Wirkungen auf die Ver
ringerung der wirksamen Alkalität und auf die Betoneigen
schaften, z. B. Verringerung der Hydratationswärme, Verbesse
rung der Frost-Tau-Beständigkeit und der Widerstandsfähigkeit
gegenüber Chemikalien (vgl. G. Gross u. a.: "Filterasche als
Feinstzuschlagstoff in zementgebundenem Beton", Bauforschung-
Baupraxis Nr. 39, Bauinformation der Bauakademie der DDR,
Berlin 1979).
Die hohe Alkalität der Porenflüssigkeit des Zementsteins wird
abgepuffert, wenn als Zumahlstoff für die chemische Modifi
zierung des Portlandzements saure Komponenten, wie feintei
liges Siliciumdioxid, verwendet werden (Tkalcec/Zelic: In
fluence of amorphous silica (silica dust) on the properties
of portland cement mortars. Zement-Kalk-Gips 40 (1987),
(574-579).
Weiterhin ist bekannt, faserarmierte Komposite mit einer Ma
trix aus Zement unter Verwendung von diskontinuierlichen Be
wehrungsfasern, Wasser und puzzolanischen Materialien her
zustellen (US-PS 3 834 916). Für die Faserverstärkung werden
jedoch ausschließlich Stahlfasern in Betracht gezogen. Hier
bei werden recht ausführlich die Wirkungen der puzzolanischen
Zusätze in den Zementmischungen kritisiert, jedoch hinsicht
lich des Einflusses der puzzolanischen Materialien auf die
Fasern findet sich nur die Aussage, daß dadurch der Sedimen
tation und Agglomeratbildung der Fasern entgegen gewirkt
wird. Im Ergebnis des Hydratationsprozesses derartiger Ze
mentmischungen liegt ein höher verdichteter Werkstoff vor,
weil die verbesserten Fließeigenschaften der Mörtelmischungen
zu einem geringeren Porenanteil des Zementsteins bzw. Betons
führen, verglichen mit Verbundwerkstoffen, die nur aus Zement,
Fasern und Wasser hergestellt wurden. Die Möglichkeit des Ein
satzes von Glasfasern in einer derartigen Bindemittelmatrix
wurde nicht erwogen.
Auch die Herstellung von asbestfreien faserbewehrten zement
gebundenen Werkstoffen mit alkaliresistenten Glasfasern ist
bekannt (GB-PA 2 170 141). Die Ausgangsmischung weist einen
Gehalt von Portlandzement in den Grenzen von 60 bis 88 Gew.-%
und Steinkohlenfilterasche in den Grenzen von 5 bis 20 Gew.-%
auf. Zur Kompensation des Einflusses der aus den Bindemitteln
und Steinkohlenfilterasche stammenden Alkalihydroxide war es
erforderlich, bei der Herstellung der Kombinationswerkstoffe
der Ausgangsmischung SiO₂ (spezifische Oberfläche 15 m²/g)
in den Grenzen von 3 bis 14 Gew.-% zuzusetzen.
In analoger Weise kann die stark alkalischer Porenflüssigkeit
auch durch den Zusatz feindisperser saurer Bestandteile zur
zementhaltigen Mischung abgepuffert werden (GB-PA 2 148 871).
Für die Herstellung von plattenförmigen glasfaserverstärkten
Kombinationswerkstoffen werden danach verwendet: Portlandze
ment 50 bis 71 Gew.-%, Steinkohlenfilterasche 14 bis 40 Gew.-%,
5 bis 12 Gew.-% einer SiO₂-reichen Komponente mit mindestens
86% SiO₂ sowie 2 bis 7 Gew.-% Glasfasern.
Für die Fertigung von langzeitstabilen glasfaserhaltigen Kom
binationswerkstoffen ist von Ferry (Pilkington Reinforcements
Ltd., Großbritannien) folgende Rezeptur angegeben worden (aus
"Pozzolanic Materials in GRC Composites", Veranstaltungsun
terlagen des 7th Biennial Congress "The Glasfibre Reinforced
Cement Association, Maastricht 1989): 63 Massenanteile Zement,
26 Steinkohlenfilterasche, 8 Silica-fume, 3 Kalk und 3,5 Glas
faser CemFIL 2.
Die Streubreite der chemischen Zusammensetzung dieser Stein
kohlenfilteraschen mit einem Korndurchmesser von 45 µm ist
detailliert in der nachfolgenden Tabelle 1 dargestellt.
Zusammengefaßt läßt sich feststellen, daß die Verwendung von
Steinkohlenfilteraschen lediglich als partielles Verdünnungs
mittel des Zementes wirkt und dabei immer noch ein beträcht
lich hohes Alkalitätsniveau gegeben ist, was konsequenterweise
stets den Einsatz weiterer Komponenten, wie die Zugabe des
feindispersen SiO₂-Staubes als Puffermedium, erforderlich
macht.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen glasfaserar
mierten zementgebundenen Kombinationswerkstoff auf rein an
organischer Basis mit einer hohen Dauerbeständigkeit auf der
Grundlage einer Bindemittelkombination mit geringem Portland
zementanteil zur Verfügung zu stellen.
Diese Aufgabe wird anspruchsgemäß gelöst.
Durch die Anwendung von mehrere Komponenten enthaltenden Bin
demitteln, insbesondere von hydraulisch aktiver Braunkohlen
filterasche und Hochofenschlacke, gegebenenfalls in Verbin
dung mit Portlandzement oder Calciumhydroxid für die Anregung
der hydraulischen Eigenschaften dieser Materialien, deren spe
zifische Oberfläche (nach Blaine) im Bereich von 2500 bis 6000
cm²/g liegt, werden durch den komplexen Aufbau des feinteiligen
hydraulischen Bindemittels, das weniger als 80 Gew.-% Portland
zement enthält oder sogar frei von diesem Bestandteil ist,
insbesondere vorteilhafte Eigenschaften hinsichtlich der me
chanischen Werkstoff-Festigkeit und durch die von seiner Ma
trix ausgehenden reduzierten korrosiven Wirkung gegenüber der
Glasoberfläche der armierenden Fasern erreicht.
Der Anteil an feinteiliger Asche liegt in den Grenzen von 20
bis 85 Gew.-% bezogen auf den Kombinationswerkstoff, jedoch
wird im Hinblick auf die erzielbaren Betoneigenschaften eine
Konzentration von 20 bis 50 Gew.-% bevorzugt.
Der Gehalt einer chemisch so zusammengesetzten Matrix an ar
mierendem faser- oder fadenförmigen SiO₂-haltigen Glas liegt
in den Grenzen von 2 bis 10 Gew.-%, bevorzugt 3 bis 5 Gew.-%.
Durch diese nur aus anorganischen Bestandteilen aufgebaute Bin
demittelmatrix wird gewährleistet, daß im Vergleich zur Anwen
dung einer Bindemittelmatrix aus reinem Portlandzement eine deut
liche Verringerung des Gehalts an wirksamen Alkalien
erfolgt ist, und daß somit die Korrosion der
armierenden Glasfasern um mehr als 25% reduziert wird. Dies
wurde bestimmt an Glasfasern nach Wechselwirkung mit der Poren
flüssigkeit der Bindemittelmatrix mittels optischer und che
misch-analytischer Untersuchungsmethoden und insbesondere
durch Anwendung des SIC-Tests in Verbindung mit dem Korrosi
onsmodell nach J. Knezek ["Auswertung der Alkalibeständigkeit
von für die Armierung von Zementmatrices bestimmten Glassei
denspinnfäden". Stavivo 65 (1987), 17-22].
Der erfindungsgemäße Kompositaufbau zeichnet sich vorteihaft
durch Verwendung von Braunkohlenfilteraschen (BFA) aus. Der
Einsatz dieser Braunkohlenfilteraschen gewährleistet den Ver
zicht auf die Verwendung von feindispersem SiO₂, dessen Ein
satz Voraussetzung für die Verwendung von Steinkohlenfilter
aschen ist.
Die Werkstoffbildung selbst kann nach dem Einmisch-, Spritz-,
Extruder- oder Einlegeverfahren vorgenommen werden. Der unter
Verwendung des glasfaserverstärkten Kombinationswerkstoffs
frisch hergestellte Glasfaserbeton wird durch Lagerung unter Normal
bedindungen bis zu einer Dauer von 28 Tagen oder mit Hilfe
von Wasserdampf bei Temperaturen bis zu 90°C ausgehärtet.
Auf diese Weise erhält er seine anwendungstypischen Werkstoff
eigenschaften.
Die vorliegende Erfindung wird durch nachstehend ausgeführ
tes Beispiel näher erläutert, wobei die Erfindung aber nicht
auf dieses Beispiel beschränkt ist.
In der Tabelle 1 sind Literaturdaten zur Variationsbreite
der chemischen Zusammensetzung von Bestandteilen der pulve
risierten Brennstoffasche (Großbritannien) und die chemische
Zusammensetzung von hydraulisch aktiven Zementzumahlstoffen
(Hochofenschlacke, Braunkohlenfilterasche) zusammengestellt.
Die Glasseidenspinnfäden wurden aus einem Na₂O-CaO-Al₂O₃-
ZrO₂-SiO₂-Glas hergestellt.
Der Einfluß der Zementmatrix auf die Haltbarkeit der in ihr
eingebauten Glasfasern wird mittels SIC-Test messend ver
folgt.
Bei Untersuchungen an Glasfasern nach dem Strand-in-Cement-Test
ist jeweils ein Glasseidenspinnfadensegment in einem Zement
prisma definierter Abmessungen eingelagert und so dem erhärte
ten Bindemittel und der in ihm enthaltenen hoch alkalischen
Porenflüssigkeit ausgesetzt. Unter den gewählten Bedingungen
der Probenlagerung bei erhöhter Temperatur und in Wasser bzw.
einer wasserdampfgesättigter Atmosphäre erfolgt nach bestimm
ten Zeiten die Entnahme der Probekörper und Messung der Grenz
kraft für die Zugfestigkeit an den in das Bindemittel einge
betteten und einer beschleunigten Alterung unterzogenen Glas
seidenstränge (vgl. Vorschrift der Glassfibre Reinforced Ce
ment Association S 0104/0184: Method of test for strenth re
tention of glassfibre in cement and mortars. Bucks/Großbri
tannien 1984) mit Hilfe einer Werkstoffprüfmaschine.
In der Tabelle 2 ist der Einfluß einer vergleichsweise sauren
Braunkohlenfilterasche mit einem ausnahmsweise relativ hohen
Alkaligehalt (chemische Zusammensetzung in %: 54,2 SiO₂, 29,2
Al₂O₃, 5,3 Fe₂O₃, 1,3 TiO₂, 2,9 CaO, 1,5 MgO, 0,3 Na₂O, 2,4
K₂O, 1,0 SO₃, 1,9 Glühverlust bei 1050°C) als ein Bestandteil
der Bindemittelmatrix, die einmal aus einem Portlandzement, zum
anderen aus einem zumahlstoffhaltigen Portlandzement besteht,
auf die Glasfaserfestigkeit nach dem SIC-Test für den Meßzeit
raum bis zu 35 Tagen (Behandlungstemperatur 50°C, Wasserla
gerung der Probekörper) dargestellt. Von dieser Filterasche
sind jedoch auch Chargen erhältlich, die einen deutlich nied
rigeren Alkaligehalt aufweisen (vgl. BFA I/Hagenwerder in der
Tabelle 1). Die Auswertung der Versuche ist nach dem Modell
von Knezek vorgenommen worden, und die nach diesem Modell er
rechneten Zeitwerte t₁₀₀ und t₃₃ sind nachfolgend aufgeführt.
Gemäß der Auswertung der mit Hilfe der SIC-Tests erhaltenen
Versuchsergebnisse auf der Grundlage des vereinfachten Korro
sionsmodells nach Knezek [Stavivo 65 (1987), 17-22] ändert
sich die auf die Ausgangsfestigkeit bezogene Zugfestigkeit
der im Zement eingebetteten Glasfäden bis zu einem bestimmten
Zeitpunkt nicht signifikant, um anschließend nach der Bezie
hung
log P = a₀ + a₁ · log t
kontinuierlich abzusinken.
Aus den Parametern der Geradengleichung a₀ und a₁ ergeben
sich die theoretischen Zeitpunkte t₁₀₀ bzw. t₃₃ für den Be
ginn der Festigkeitsverringerung (100%) bzw. für das Er
reichen von 33% der Ausgangsfestigkeit. Insbesondere der
Wert von t₃₃ ist ein Maß für die Langzeitstabilität der
Glasfäden in der Matrix.
Durch die Versuchsbedingungen einer beschleunigten Alterung
bei erhöhter Temperatur würde nach A. A. Pashchenko u. a.
[Armierung anorganischer Bindemittel durch Mineralfasern
(russ.). Strojizdat, Moskau 1988] eine Standzeit des Ver
bundmaterials von größenordnungsmäßig 7 Jahren entsprechend
einer Normalbewitterung erreicht.
Claims (4)
1. Glasfaserverstärkter Kombinationswerkstoff mit hoher Dau
erbeständigkeit der Verbundmaterialien, bestehend aus einem
hydraulischen Bindemittel, Glasfasern und anorganischen Bin
demittelzusätzen, dadurch gekennzeichnet, daß der Bindemittel
zusatz feinteilige Filterasche vom alumosilikatischen Typ aus
Braunkohlenfeuerungsanlagen allein oder in Mischung mit gemahlenem
Hüttensand in den Grenzen von 20 bis 85 Gew.-%, bezogen
auf den Kombinationswerkstoff, bevorzugt in den Grenzen
von 20 bis 50 Gew.-%, ist.
2. Glasfaserverstärkter Kombinationswerkstoff nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß das hydraulische Bindemittel Portlandzementklinker
in den Grenzen von 0,01 bis 80 Gew.-%,
bevorzugt in den Grenzen von 10 bis 65 Gew.-%, ist.
3. Glasfaserverstärkter Kombinationswerkstoff nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die Glasfaser ein armierendes
faser- und/oder fadenförmiges Glas in den Grenzen von 2 bis
10 Gew.-%, bezogen auf den Kombinationswerkstoff, bevorzugt in
den Grenzen von 3 bis 5 Gew.-%, ist.
4. Verfahren zur Herstellung von Glasfaserbeton unter Verwendung
des glasfaserverstärkten Kombinationswerkstoffs nach
Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Werkstoffbildung
nach dem Einmisch-, Spritz-, Extruder- oder Einlegeverfahren
erfolgt und der hergestellte Glasfaserbeton durch
eine Lagerung des Rohprodukts unter Normalbedingungen bis
zu einer Dauer von 28 Tagen oder mit Hilfe von Wasserdampf
bei Temperaturen bis zu 90°C ausgehärtet wird.
Priority Applications (1)
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---|---|---|---|
DE4231910A DE4231910C2 (de) | 1992-09-18 | 1992-09-18 | Glasfaserverstärkten Kombinationswerkstoff mit hoher Dauerbeständigkeit der Verbundmaterialien und Verfahren zu dessen Herstellung |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE4231910A DE4231910C2 (de) | 1992-09-18 | 1992-09-18 | Glasfaserverstärkten Kombinationswerkstoff mit hoher Dauerbeständigkeit der Verbundmaterialien und Verfahren zu dessen Herstellung |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
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DE4231910A1 DE4231910A1 (de) | 1994-03-24 |
DE4231910C2 true DE4231910C2 (de) | 1994-12-15 |
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ID=6468669
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DE4231910A Expired - Fee Related DE4231910C2 (de) | 1992-09-18 | 1992-09-18 | Glasfaserverstärkten Kombinationswerkstoff mit hoher Dauerbeständigkeit der Verbundmaterialien und Verfahren zu dessen Herstellung |
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DE (1) | DE4231910C2 (de) |
Family Cites Families (5)
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DE2933121A1 (de) * | 1979-08-16 | 1981-02-26 | Fink Gerdinand | Verwertung sulfathaltiger kohlenasche |
GB2148871B (en) * | 1983-10-31 | 1987-01-07 | Pilkington Brothers Plc | Sheet material of fibre-reinforced cement |
GB2170141B (en) * | 1985-01-30 | 1988-10-26 | Tac Construction Materials Ltd | Non-asbestos fibre-reinforced cement pipes |
-
1992
- 1992-09-18 DE DE4231910A patent/DE4231910C2/de not_active Expired - Fee Related
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Publication number | Publication date |
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DE4231910A1 (de) | 1994-03-24 |
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