DE69627897T2

DE69627897T2 - Wärmedammende bauteile

Info

Publication number: DE69627897T2
Application number: DE69627897T
Authority: DE
Inventors: Alexandr Viktorovich Stepanenko; Vladimir Ivanovich Martynov; Sergei Iliich Slanevsky; Lyudmila Alexeevna Eine
Original assignee: WIR CORP NORTHBROOK; Wir Corp
Current assignee: WIR CORP NORTHBROOK; Wir Corp
Priority date: 1996-03-11
Filing date: 1996-04-12
Publication date: 2004-03-11
Anticipated expiration: 2016-04-13
Also published as: KR100306866B1; HU222625B1; PL328817A1; EE9800284A; FI981831A; HUP9901932A2; CA2263759C; HUP9901932A3; NZ309203A; ES2199290T3; AU721995B2; AU5917596A; MD980193A; US6296697B1; BR9612546A; LV12166B; WO1997033843A1; EP0893418A1; EP0893418B1; BG102745A

Description

Erfindungsbereich
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung wärmedämmender Baustoffe unbestimmter Zusammensetzung, die durch Niedertemperatur-Behandlung von Kieselgestein mit hohem Gehalt an amorphem Siliciumdioxid gewonnen werden, wobei die Konzentrationen im allgemeinen über 70 Gew.-%, vorzugsweise über 80 Gew.-% liegen. Diese Materialien können im Endzustand in Partikelform, geeignet für den Einsatz als Wärmedämmstoff in loser Form, in Form eines Zuschlagstoffs zur primären Herstellung von Leichtbeton oder in Form von Platten oder Blöcken vorliegen, die in den meisten Fällen direkt eingesetzt werden können, vorzugsweise als Verschalung von Gebäuden und verschiedenen Baukörpern.
Beschreibung des Stands der Technik
Die oben definierten Materialien werden in großem Umfang produziert, wobei die an sie gestellten, immer strengeren Anforderungen nicht unbedingt kombinierbar sind.
So sollten diese Materialien als lose Partikel eine möglichst geringe Schüttdichte bzw. als Platten und Blöcke eine möglichst geringe Dichte und Wärmeleitfähigkeit aufweisen bei gleichzeitig größtmöglicher Festigkeit und Wetterbeständigkeit, insbesondere bei wechselnden Frost- und Tauperioden.
Es ist überdies wünschenswert, dass diese Materialien mit inerten Bestandteilen, die deren mechanische und/oder thermische Eigenschaften modifizieren, kombinierbar sind und in Form loser Endpartikel gewünschter Größe und Form sowie als Platten und Blöcke aus leicht erhältlichen Rohmaterialien innerhalb eines Produktionsprozesses mit minimalem Energieverbrauch produzierbar sind, wobei Produktqualitätsabweichungen innerhalb engster Grenzen zu halten sind.
Diese Anforderungen können nun einzeln gesehen bzw. auch nur in einigen Kombinationen erfüllt werden.
Die siliciumdioxidhaltigen Rohmaterialien, deren Einsatz zur Herstellung wärmedämmender Baumaterialien nicht ungewöhnlich ist, sind leicht verfügbar (z.B.
shapes from silica rock', Veröffentlichung 1978 von BUDIVELNYK Publishers (Kiev) [in Russisch]). Zu diesen Rohmaterialien gehören siliciumdioxidhaltige Minerale wie Diatomeenerde, Tripel, Gaize, Spongiolith, Radiolarit sowie deren künstlich erzeugte Analoga. Von letztgenannten Materialien ist das im Handel erhältliche Natriumsilicat, z. B. Wasserglas, am bekanntesten.
Wärmedämmende Baustoffe mit relativ niedriger Schüttdichte unter 1000 kg/m³ und geringer Wärmeleitfähigkeit werden bekanntermaßen durch Aufbereitung thermisch expandierbarer Zusammensetzungen, Bildung von Zwischenprodukten, vorzugsweise durch Agglomeration und vor allem Pelletisierung oder Jet-Granulation, sowie thermische Expansion der Zwischenprodukte bei hohen Temperaturen von gewöhnlich über 800°C erhalten.
Derartige Baumaterialien können anhand poröser Zuschlagstoffe, die bei der Herstellung von primär Leichtbeton eingesetzt und aus Kieselgestein hergestellt werden, veranschaulicht werden, wobei das Kieselgestein 30 bis 98 Gew.-% Siliciumdioxid, maximal 20 Gew.-% Aluminiumoxid, maximal 25 Gew.-% Calciumoxid sowie einige weitere Bestandteile aufweist. Die Herstellung eines solchen Zuschlagstoffes erfolgt durch Zerkleinerung eines geeigneten natürlichen Rohmaterials, anschließendem Rösten (gewöhnlich in Drehöfen) bei Temperaturen von 1080 °C bis 1380 °C und Abkühlung des entstandenen Produkts
shapes from silica rock', Veröffentlichung 1978 von BUDIVELNYK Publishers (Kiev), siehe S. 49-58).
Bei diesen Materialien sind stets leicht zu erkennende Rissbildungen zu beobachten, die eine bedeutende Wasseraufnahme und entsprechend geringe Frostbeständigkeit nach sich ziehen. Überdies impliziert die hohe Brenntemperatur einen wirtschaftlich inakzeptablen Energieverbrauch.
Vorzuziehen sind Verfahren, bei denen wärmedämmende Baumaterialien anhand eines Verfahrens mit Alkalisierung und Befeuchtung siliciumdioxidhaltigen Rohmaterials und Rösten bei niedrigen Temperaturen erzeugt werden.
Die hier gebrauchte Bezeichnung „alkalisiert" bezieht sich auf siliciumdioxidhaltige Rohstoffe, die ein Alkalimetallhydroxid, vorzugsweise Natriumhydroxid, natürlich enthalten oder denen es zugesetzt wird; die Bezeichnung „befeuchtet" bedeutet hier, dass bei der Aufbereitung einer Rohmischung Wasser zumindest als unerlässlicher Bestandteil für die Herstellung von Zwischenprodukten eingesetzt wird.
Bekannt sind Verfahren zur Herstellung wärmedämmender Baumaterialien, die aus diesen Rohmaterialien erzeugt werden, wobei die wärmedämmenden Baustoffe anhand eines porösen Zuschlagstoffs für Leichtbeton (Kunstkies oder Sand) und wärmedämmender Platten („Schaumglass") veranschaulicht werden können (siehe oben Ivanenko, V.N., S. 102 bis 103 bzw. S. 98 bis 99).
Die Herstellung dieser Materialien erfolgt durch Aufbereiten einer Rohmischung mit 100 Gewichtsteilen an pulverisiertem Kieselgestein mit Partikelgrößen bis zu 0,14 mm, 8 bis 22 Gewichtteilen eines Alkalimetallhydroxids, d.h. Natriumhydroxid oder Kaliumhydroxid, und 18 bis 38 Gewichtteilen Wasser, Bildung eines Zwischenprodukts durch Brennen der Mischung und anschließendem Rösten des Zwischenprodukts im Batchbetrieb bei 1180°C bis 1200°C zur thermischen Expansion.
Die nach dem zuvor erwähnten Verfahren hergestellten Materialien weisen im Vergleich zu den zuvor genannten porösen Zuschlagstoffen Risse auf, wodurch es zu hoher Wasseraufnahme und geringer Frostbeständigkeit kommt, wenn auch der Energieverbrauch dieses Verfahrens etwas geringer ist.
Bekannter Stand der Technik ist ein Verfahren zur Herstellung von Materialien auf Basis des zuvor erwähnten Wasserglases, dessen Eigenschaften in Hinblick auf Integrität, Wasseraufnahme und Frostbeständigkeit besser sind, da Wasserglas einen natürlichen Alkalimetallhydroxid-Gehalt in Höhe von 6% bis 20% besitzt. Nach Pulverisieren des Wasserglases wird Wasser im Verhältnis von 9 : 1 Gew.-% zugesetzt. Nach Umformung des Nasspulvers in ein Zwischenprodukt wird dieses in einer Gasatmosphäre mit einer 50%igen Heißdampf-Konzentration bei 100°C bis 200°C und bei mehr als 0.1 MPa einer Dampfbehandlung unterzogen. Mit dem Ziel der Expansion wird das dampfbehandelte Zwischenprodukt (getrocknet und/oder kalziniert) bei einer Temperatur von mehr als 100°C weiter wärmebehandelt, vorzugsweise bei über 800°C (US Patent Nr. 3.498.802).
Die im Rohmaterial enthaltenen Bestandteile an wasserhaltigem Natrium- bzw. Kaliumsilicaten fördern die Bildung des Zwischenprodukts deutlich und bewirken einen merklich reduzierten Energieverbrauch während der Wärmebehandlungsphase.
Dennoch ist zweifelhaft, ob aus diesen Ausgangsstoffen bei Temperaturen unter 800 °C poröse Materialien niedriger Schüttdichte unter 1000 kg/m³ gewonnen werden können.
Zum einen werden die Zwischenprodukte bei derartig hohen Temperaturen primär in Folge polymorpher Umwandlung in Siliciumdioxid expandiert und resultieren in einem Endprodukt mit aufgelockerter Struktur und geringer mechanischer Festigkeit, zum anderen durch die zuvor erwähnte, erhöhte Wasseraufnahme und geringere Frostbeständigkeit in Folge der Zersetzung der Oberflächenschichten. In einigen Fällen reicht die Festigkeit des entstandenen Produkts nicht aus, um zum vorgesehenen Bestimmungsort transportiert zu werden.
Im Ukraine-Patent Nr. 3802 wird ein Verfahren zur Herstellung wärmedämmender Baumaterialien mit deutlich höherer Festigkeit und geringerer Wasseraufnahme offen gelegt. Bei diesem Verfahren ist ebenso ein reduzierter Energieverbrauch anzumerken.
Ein wärmedämmendes Baumaterial mit den oben erwähnten Eigenschaften auf der Basis eines alkalisierten und befeuchteten, siliciumdioxidhaltigen Rohmaterials mit insbesondere 1 bis 30 Gewichtteilen eines Alkalimetallhydroxids und 30 bis 125 Gewichtsteilen Wasser pro 100 Gewichtteile an siliciumdioxidhaltigem Material wird durch Zerkleinern der festen Bestandteile und Mischen sämtlicher Bestandteile, Dampfbehandlung (insbesondere mit gesättigtem Dampf bei einer Temperatur von 80°C bis 100°C für 20 bis 60 Minuten) dieser Mischung zur Bildung eines Zwischenprodukts, gewöhnlich durch Pelletisieren und anschließender thermischer Expansion dieses Zwischenprodukts, beispielsweise bei einer Temperatur von 150°C bis 660°C, erhalten. Dieses Verfahren kommt der Erfindung nahe.
Bei einem Vergleich mit Verfahren nach dem Stand der Technik beinhaltet dieses Verfahren den geringsten Energieverbrauch. Mit 50 kg/m³ bis 950 kg/m³ besitzt das hergestellte Material eine vergleichsweise geringe und leicht steuerbare Schüttdichte und ist bekannt für eine einerseits voll zufriedenstellende Porosität, so dass die Wasseraufnahme höchstens 32,5% beträgt, und andererseits für genügend mechanische Festigkeit.
Diese vorteilhaften Eigenschaften sind auf die Dampfbehandlung der Mischung zurückzuführen, die dadurch in eine gelartige, viskose, leichtschmelzende klebrige Masse umgewandelt wird, die auf wasserhaltigen Silicaten von Alkalimetallen basiert. Diese Masse ist im wesentlichen für Niederdruckgase und Dampf, die bei der Dampfbehandlung unter den angegebenen Temperaturbedingungen vorhanden sind, undurchlässig, ist allerdings nach thermischer Expansion für Gase und Dampf leicht durchlässig.
Die leichtschmelzende Masse lässt bei der Expansion niedrige Temperaturen zu, was einen entsprechend geringen Energieverbrauch bei der Herstellung eines Endprodukts zur Folge hat, während die relative Gasundurchlässigkeit der Masse die angegebene zufriedenstellende Porosität und ausreichende Festigkeit bewirkt.
Allerdings besitzt das wärmedämmende Baumaterial-Endprodukt nach dem im Ukraine-Patent Nr. 3802 offengelegten Verfahren keine gleichbleibende Qualität. Die Festigkeit der Pellets schwankt im Bereich von 0,2 MPa bis 12,5 MPa und die Wasseraufnahme zwischen 4% bis 32,5%. Zudem hat sich in der Praxis bei einem Versuch, die Pellet-Größe bei losem Material zu steuern gezeigt, dass offensichtlich die Anzahl der beim Pelletisieren bzw. der thermischen Expansion infolge von Partikelaggregation bzw. Konglomeration verworfenen Pellets je höher ist, desto geringer die mittlere Pellet-Größe. Bei dem Versuch, Bauprodukte wie Blöcke und Platten herzustellen, hat sich erwiesen, dass geringfügige Rissbildungen und gänzliches Fehlen offener Poren in den Oberflächenschichten der Zwischenprodukte Gase daran hindern, während der thermischen Expansion zu entweichen, wobei mit der Größe der Bauprodukte die Größe der Hindernisse zunahm. Je nach Zusammensetzung variierende, überdimensionierte Bauprodukte wurden sämtlich verworfen.
Dies unerwünschte Ergebnis ist auf die Kombination hoher Viskosität und Klebrigkeit der dampfbehandelten Mischung mit geringer Gasdurchlässigkeit zurückzuführen.
Versuche zur Verbesserung dieses Ergebnisses, in denen 1 bis 150 Gewichtteile eines inerten mineralischen Zuschlagfüllstoffs zugesetzt wurden, der unter den besagten Dampfbehandlungsbedingungen keine Verbindung mit Alkalimetallhydrosilicaten eingehen kann, zeigten hinsichtlich der Ausschaltung von Qualitätsabweichungen beim Endprodukt keinen nennenswerten Erfolg.
Die US 4 801 563 A1 lehrt ein Verfahren zur Expansion eines Siliciumdixoid-Hydrats, wie beispielsweise ein Natrium-Siliciumdioxid-Hydroxid, mit dem Handelsnamen JM Wasserglas, Du Pont Co. und Quarzsand. Nach Mischen dieser Materialien erfolgt eine rasche Erhitzung auf eine Temperatur von 900 - 1000 F (482 bis 538°C) mittels eines elektronischen Wellengenerators, einer teuren Energiestrahlungsquelle. Bei diesem kostspieligen Verfahren ist das vorgefertigte Natrium-Siliciumdioxid-Hydroxid ein Bindemittel und der Quarzsand ein Füllstoff. Die thermische Expansion verläuft unterschiedlich und löst das Problem der Klebrigkeit der dampfbehandelten Masse in keiner Weise.
Das Patent GB 1 494 280A lehrt eine Zusammensetzung zur Herstellung wärmedämmender Baustoffe, wobei diese Zusammensetzung nicht expandiertes Wasserglas, expandierte Wasserglas-Pellets, ein Natriumhexafluorosilicat und einen Bestandteil beinhaltet, der der Zusammensetzung hydrophobe Eigenschaften verleiht. Ein aus teuren Industrieprodukten gefertigtes Endprodukt kann nicht kostengünstig sein.
In Patent GB 1 367 166 A wird ein Verfahren zur Herstellung eines expandierten, partikelförmigen Leichtmaterials offengelegt, das am vorgesehenen Bestimmungsort vollständig expandiert werden kann. Aus einem wasserfreien Natriumsilicat, einer wässrigen Natriumsilicat-Lösung und Borsäure wird ein Leichtmaterial zubereitet, wobei es sich bei sämtlichen Bestandteilen um Fertigprodukte handelt. Zudem kann ein Zwischenprodukt, das durch Abkühlen einer Lösung aus wasserfreiem Natriumsilicat in Flüssigglas in Gegenwart von Borsäure gewonnen wird, bei einer Erhitzung auf Temperaturen von 880 F bis 1100 F (471°C bis 593°C) nur voll expandiert, nicht aber erneut plastifiziert werden. Anders ausgedrückt kann ein solches Material ohne Bindemittel keine wärmedämmenden Platten bilden. Daher betrachtet dieser Stand der Technik den Einsatz des voll expandierten partikelförmigen Materials als einen Leichtzuschlag-Füllstoff für Zement. Zur Bildung von Baukörpern wie Baublöcken kann der partikelförmige Zuschlagstoff mit Portlandzement gemischt werden.
Das Patent DE 31 36 888 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines wärmedämmenden Materials aus Natriumhydrosilicaten, die aus mit Natriumhydroxid behandelter Flugasche erhalten werden, wobei die hergestellte Masse bis zum Erhärten abgekühlt, anschließend zerkleinert und nach Größe getrennt wird, um Partikelgrößen zwischen 1,6 bis 3,15 mm zu erhalten und anschließend bei 150°C bis 300°C gebrannt wird. In diesem Dokument sind weder Hinweise noch Andeutungen in Hinblick darauf zu finden, dass das Material im zuvor erwähnten Temperaturbereich wieder den klebrigen Zustand erreichen oder selbst ein Bindemittel sein könnte.
Im Patent DE 25 24 981B2 wird ein Verfahren offenbart, in dem eine Mischung aus Glas, Basalt und anderen siliciumdioxidhaltigen Materialien mit feuerbeständigen Bindemitteln eingesetzt wird, um primär feuerbeständige Materialien herzustellen. Die Mischung wird bei 800°C - 1000°C in Gegenwart von Borsäure als Schaumbildner aufgeschäumt. Zur Vereinfachung der Extrusion wird bei dem Verfahren zudem die Mischung befeuchtet und das extrudierte Produkt anschließend getrocknet.
Im Patent GB 1514674 A wird eine Herstellungsmethode für ein wärmebeständiges, expandierbares Material offengelegt, das als Fliesen, insbesondere zum Schutz und zur Isolierung von Gießwannen, eingesetzt wird, die beim Gießen von geschmolzenem Metall Verwendung finden. Dieses Material nach dem Stand der Technik setzt sich aus einer Mischung aus Sand, einem wärmedämmenden Material wie beispielsweise Vermiculit, Dicalciumsilicat und einem organischen Ester zusammen. In dem beschriebenen Verfahren nach dem Stand der Technik liegt der Temperaturbereich bei ca. 23°C.
Zusammenfassung der Erfindung
Es ist somit Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines wärmedämmenden Baumaterials zur Verfügung zu stellen, aus dem Endprodukte zahlreicher Größenordnungen hergestellt werden können.
Diese und weitere Aufgaben werden durch Bereitstellung eines Verfahrens zur Herstellung eines wärmedämmenden Baumaterials auf Basis eines alkalisierten und befeuchteten, natürlichen siliciumdioxidhaltigen Rohmaterials gelöst, indem das siliciumdioxidhaltige Rohmaterial zerkleinert und mit einem Alkalimetallhydroxid und Wasser gemischt wird, um eine Mischung mit 1 bis 30 Gewichtteilen an Alkalimetallhydroxid und 30 bis 125 Gewichtsteilen Wasser pro 100 Gewichtsteile siliciumdioxidhaltiges Rohmaterial zu erhalten, die Mischung einer Dampfbehandlung unterzogen wird und die aus der dampfbehandelten Mischung gebildeten Zwischenprodukte thermisch expandiert werden, wobei die Zwischenprodukte durch Abkühlen der dampfbehandelten Rohmaterial-Mischung bis zur Brüchigkeit und Zerkleinerung der brüchigen Mischung in Partikel gewonnen wird, wobei die Partikel in der Frühphase der thermischen Expansion bei einer Erhitzung auf über 100°C, vorzugsweise über 200°C, in einen fluiden Zustand übergehen.
Der hier verwendete Begriff „Dampfbehandlung" bezieht sich auf zwei im wesentlichen gleiche Bedeutungen. Hierunter wird entweder eine Dampfbehandlung eines alkalisierten und zumindest teilweise vorbefeuchteten, siliciumdioxidhaltigen Rohmaterials zu dessen vollständiger Durchwärmung und Bildung wasserhaltiger Silicate verstanden oder die Sättigung eines alkalisierten und vollständig vorbefeuchteten, siliciumdioxidhaltigen Rohmaterials mit Dampf unter Einwirkung einer externen Wärmequelle.
Die Vorteile der vorliegenden Erfindung zeigen sich in einer experimentell nachgewiesenen, unerwarteten Eigenschaft. Es stellte sich heraus, dass das partikelförmige Zwischenprodukt, das durch Zerkleinern der nicht klebrigen, brüchigen Masse gewonnen wird, bei thermischer Expansion bei über 100°C, vorzugsweise über 200°C, erneut plastifiziert werden kann und dann deutlich geringere Klebrigkeit aufweist als die gelartige, leichtschmelzende Masse.
Dies lässt vermuten, dass es bei den Partikeln des partikelförmigen Zwischenprodukts unter Bedingungen, die ein Zusammenhaften begünstigen, wie beispielsweise unter Druck oder bei thermischer Expansion von Chargen, zu einer Konglomeration kommt.
Eine Konglomeration tritt nicht auf, sofern das partikelförmige Zwischenprodukt durch Bewegung, wie beispielsweise Schütteln, oder in einer freifließenden Bewegung thermisch expandiert wird. Somit kann ein Fachmann ein gewünschtes partikelförmiges Produkt in einer Vielzahl von Größen von „Sand" bis hin zu „Kies" allein durch Auswahl konventioneller Zerkleinerungsmethoden und Bedingungen gewinnen, wobei mechanische Festigkeit und Wasseraufnahme der Partikel im wesentlichen innerhalb eines gewünschten engen Grenzbereichs gehalten werden.
Es ist weiterhin anzumerken, dass das partikelförmige Zwischenprodukt zum einen lange Zeit, zumindest einen Monat, in Chargen gelagert werden kann, ohne dass es zur Zusammenballung oder einem Verlust des Expansionsvermögens kommt und zum anderen zur Herstellung von Baukörpern wie Platten und Blöcke für den Hoch- und Tiefbau eingesetzt werden kann.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird vorteilhaft ausgeführt, sofern die Mischung des Rohmaterials einer Behandlung mit gesättigtem Dampf unterzogen wird. Weiterhin ist es ratsam, das Rohmaterial unter Einwirkung einer externen Wärmequelle mit Dampf zu behandeln.
Ein Aspekt der Erfindung besteht darin, dass das thermisch expandierbare, partikelförmige Zwischenprodukt vor der Expansion nach Größe getrennt wird. Ein wärmedämmendes Baumaterial in Form eines thermisch expandierbaren Partikelmaterials mit zuvor bestimmter Schüttdichte und Wärmeleitfähigkeit, das aus derartigen Zwischenprodukten gewonnen wird, ist zur Wärmedämmung und als Füllstoff für Leichtbeton unmittelbar einsatzfähig und überwiegt die Nachteile von aufgeblähtem Ton.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung liegt darin, dass das wärmedämmende Baumaterial durch Aufnahme eines Partikelmaterials, vorzugsweise eines porösen Füllers, in die zerkleinerte brüchige Mischung des Zwischenprodukts vor der thermischen Expansion gewonnen wird. Bei dem block- bzw. plattenförmigen Endmaterial beträgt die Dichte maximal 520 kg/m³, die Druckfestigkeit mindestens 1,45 MPa und die Wasseraufnahme höchstens 22,6%. Als partikelförmiger Füller festgelegter mittlerer Partikelgröße eignen sich natürliche Materialien wie Bimsstein, Tuff, Muschelgestein etc., künstliche poröse Materialien wie Claydit, zerkleinerter Perlit, Vermiculit, Blähschlacke, poröses Sintergut sowie einige andere Materialien, in erster Linie Produktionsabfall wie beispielsweise Cellulose bei der Papierherstellung, Gerbstoffe bei der Lederverarbeitung und Flachs in der flachsverarbeitenden Industrie.
Die partikelförmigen Füllstoffe bewirken, dass sich das Zwischenprodukt interpartikular ausdehnt, wodurch die Bildung kontinuierlicher dampf- und gasundurchlässiger Oberflächenschichten mit beträchtlich geringer Wärmeleitfähigkeit verhindert wird.
Demzufolge kann ein Fachmann bei merklicher Reduzierung des Energieverbrauchs Platten bzw. Blöcke festgelegter Form und Ausmaße allein durch Auswahl von Zwischenprodukt-Zusammensetzungen und Herstellungsbedingungen erhalten.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Nachfolgend wird die Erfindung beispielhaft anhand einzelner Zusammensetzungen beschrieben, aus denen die erfindungsgemäßen wärmedämmenden Baumaterialien herzustellen sind wie auch die Herstellungsverfahren und Testergebnisse unter Berücksichtigung der Tabellen.
In Tab. 1 sind die zur Durchführung der Erfindung geeigneten, siliciumdioxidhaltigen Materialien sowie deren Zusammensetzungen aufgeführt.
Tabelle 1 Zusammensetzung silicumdioxidhaltiger Materialien
Anm:

(a): die Abkürzung „TV" bezeichnet den Trocknungsverlust als Anzeichen dafür, dass beim Rohmaterial organische Verunreinigungen oder Wasser in den Kristallhydraten vorhanden sind.
(b): In Spalte 10 stehen die Prozentangaben für den Anteil von Quarz bzw. kristallinem Siliciumdioxid am in Spalte 2 aufgeführten Siliciumdioxid-Gesamtgehalt.

Als Alkali wurde in dem Versuch eine wässrige 40%ige Natriumhydroxid-Lösung eingesetzt. Der erfindungsgemäß nützliche Herstellungsprozess für wärmedämmendes Baumaterial beinhaltet generell folgende Schritte: Zerkleinern siliciumdioxidhaltigen Materialien, vorzugsweise in mittlere Partikelgrößen von 1,0 bis 2,5 mm; Dosierung von siliciumdioxidhaltigen Materialien, einem Alkalimetallhydroxid, vorzugsweise Natriumhydroxid und Wasser bzw. einer Lösung mit einer mindestens 40%igen Natriumhydroxid-Konzentration; Alkalisierung und Befeuchtung des siliciumdioxidhaltigen Materials durch Beimischung eines Alkalimetallhydroxids und Wasser oder einer entsprechenden wässrigen Hydroxidlösung; Dampfbehandlung (Mischen optional) der entstandenen Mischung bei atmosphärischem Druck und einer Temperatur zwischen vorzugsweise 75°C bis 90°C zur Bildung von Silicat-Hydraten, wobei während der Dampfbehandlungsphase bei nur teilweiser Befeuchtung des siliciumdioxidhaltigen Rohmaterials gesättigter Dampf eingesetzt wird oder, bei gänzlich durchfeuchteter Mischung, eine externe Wärmequelle zur durchgehenden Erwärmung der Mischung bis zur Dampfsättigung; Abkühlung der dampfbehandelten Mischung auf Raumtemperatur (18°C bis 25°C) oder weniger bis zur Brüchigkeit; Zerkleinern der gebildeten, brüchigen Masse zur Herstellung eines partikelförmigen Zwischenprodukts; wahlweise Trennung des Zwischenproduktes nach Größe; Zubereitung einer Mischung aus dem zerkleinerten Zwischenprodukt in erforderlicher Menge mit porösen Zuschlagstoffen gewünschter Größe, blockförmige Verarbeitung der Mischung aus zerkleinertem Zwischenprodukt und porösem Zuschlagstoff zur thermischen Expansion, sofern das Endprodukt in Form von Blöcken oder Platten vorliegen soll; Wärmebehandlung (Expansion) des partikelförmigen Zwischenprodukts bei vorzugsweise 200°C bis 250°C über vorzugsweise 25 bis 35 Minuten zur Herstellung eines partikelförmigen Endprodukts oder bei vorzugsweise 250°C bis 450°C über vorzugsweise 2,5 bis 6 Stunden zur Herstellung eines block- oder plattenförmigen Endprodukts.
In einigen Fällen, insbesondere bei Verwendung der „sandartigen" kleinen Partikelgrößen des zerkleinerten Zwischenprodukts", ist es ratsam, der Mischung aus zerkleinertem Zwischenprodukt und porösem Füller eine geringe Menge Wasser beizumengen, um die Verarbeitbarkeit der Mischung und das Ausstreichen der Oberfläche zur thermischen Expansion zu erleichtern. Dem Fachmann sollte bekannt sein, dass ebenso auf Vibrationsverfahren zurückgegriffen werden kann.
Nach den zuvor beschriebenen Verfahren wurden u.a. folgende Testmaterialien hergestellt: partikelförmige Materialien mit Partikelgrößen bis zu 5 mm, 5 bis 10 mm und 10 bis 20 mm; Platten bzw. Blöcke sowie kubische Baukörper mit Randmaßen von 100 mm, 200 mm und 400 mm.
Wärmedämmende Baustoffe und Baukörper gleicher Form und Abmessung wurden entsprechend des Ukraine-Patents Nr. 3802 zum Vergleich hergestellt.
In Tab. 2 und 3 ist die Zusammensetzung der bei den Versuchen und Verfahrensbedingungen eingesetzten Rohmaterialien aufgeführt.
Tabelle 2 Zusammensetzung der Rohmaterialien, Verfahrensbedingungen und physikalische Eigenschaften partikelförmiger wärmedämmender Materialien
Tabelle 3 Zusammensetzung der Rohmischungen, Verfahrensbedingungen und physikalische Eigenschaften wärmedämmender blockartiger Baumaterialien
Anm. Als poröser Füllstoff wurde das partikelförmige wärmedämmende Baumaterial des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einer Partikelgröße von 5 bis 15 mm und einer Schüttdichte von ca.200 kg/m³ eingesetzt.
Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten wärmedämmenden Baumaterialien sowie diejenigen nach dem Stand der Technik (Ukraine-Patent Nr. 3802) wurden auf folgende Eigenschaften hin untersucht:

(a) Partikel-Materialien
– Schüttdichte, kg/m³
– Druckfestigkeit in einem Zylinder, MPa
– Wasseraufnahme, Gew.-%
– größenmäßiger Ausschuss, Gew.-%
(b) Blöcke und Platten
– Dichte, kg/m³
– Druckfestigkeit in einem Zylinder, MPa
– Wasseraufnahme in Gew.-%
– kavitätenbedingter Ausschuss in Gew.-%

In allen Fällen wurden Dichte und Schüttdichte, Druckfestigkeit und Wasseraufnahme anhand konventioneller Methoden ermittelt.
Als größenmäßiger Ausschuss wurden Partikel definiert, deren Größe oberhalb einer zuvor bestimmten, mittleren Partikelgröße des Gemenges lag. Als kavitätenbedingter Ausschuss wurde der Anteil kubischer Baukörper an der Gesamtmenge der hergestellten Baukörper definiert, der eindeutig Kavitäten aufwies. Die kubischen Baukörper wurden in Chargen von je Hundert hergestellt.
Die Testergebnisse der partikel- bzw. blockförmigen Materialien sind in Tab. 4 u. 5 zusammengefasst. In den Tabellen werden die Maßeinheiten nicht aufgezeigt, da sie den oben erwähnten Maßeinheiten entsprechen.
Tabelle 4 Qualitätseigenschaften partikelförmiger wärmedämmender Baumaterialien
Tabelle 5 Qualitätseigenschaften blockförmiger wärmedämmender Baumaterialien
Die Ergebnisse in Tab. 4 zeigen, dass die Schüttdichte der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten, partikelförmigen wärmedämmenden Baumaterialien im Vergleich zu den nach dem Stand der Technik hergestellten Materialien eine sehr viel geringere Schwankungsbreite aufweist und durch Änderung des Bestandteilgehalts der Rohmischungen gesteuert werden kann. Die erfindungsgemäß hergestellten Materialien zeigen einen geringeren Schwankungsbereich in Hinblick auf Druckfestigkeit und Wasseraufnahme, wobei diese auch steuerbar sind und auch dann vorteilhafter, wenn die Schüttdichte ungefähr derjenigen nach dem Verfahren nach dem Stand der Technik entspricht. Schließlich ist noch anzumerken, dass der größenmäßig verworfene Ausschuss bei den erfindungsgemäßen Materialien um einen Häufigkeitsfaktor 10, 20 bzw. 30 geringer war als bei denjenigen nach dem Stand der Technik, wobei die Partikelgröße praktisch unbedeutend war.
Ferner ist zur Kenntnis zu nehmen, dass der Steuerungsbereich der Qualitätseigenschaften bei den erfindungsgemäßen Materialien, der sicherlich nicht erschöpfend ist, den Bedürfnissen der Abnehmer entspricht.
Die Ergebnisse in Tab. 5 zeigen, dass im Vergleich zu den nach den bekannten Verfahren gewonnenen Materialien die Dichte der (neuartigen) wärmedämmenden Baumaterialien, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren blockartig gewonnen wurden ebenso wie die partikelförmigen Materialien auch deutlich geringere Schwankungsbreiten aufweist und durch Änderung des Bestandteilgehalts für die neuen Rohmischungen gesteuert werden kann. Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten blockartigen Materialien ebenso wie die partikelförmigen Materialien zeigen einen engeren Schwankungsbereich hinsichtlich Druckfestigkeit und Wasseraufnahme, wobei letztere auch steuerbar sind und in den Fällen, in denen die Dichte ungefähr derjenigen der (nach dem Stand der Technik) gewonnenen Materialien entspricht, sind diese Eigenschaften vorteilhafter. Schließlich wurden bei erfindungsgemäß hergestellten Materialien Kavitäten eher selten beobachtet, wobei die Abmessungen der Blöcke bzw. Platten kaum einen Einfluss auf das Auftreten von Kavitäten hatten, während die Menge der nach dem bekannten Verfahren hergestellten Blöcke bzw. Platten mit Randmaßen von über 100 mm, die verworfen wurde, nicht akzeptabel ist.
Auch hier ist wieder festzustellen, dass bei Einsatz des erfindungsgemäßen, partikelförmigen Materials als poröser Füllstoff zur Herstellung der Blöcke der obere Grenzwert der Dichte der erfindungsgemäßen, blockartigen Materialien niedriger liegt als der untere Grenzwert der Dichte der gleichen, nach dem Stand der Technik hergestellten Materialien, wobei Wasseraufnahme und Festigkeit unverändert sind.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines wärmedämmenden Baustoffs auf der Basis alkalisierter und befeuchteter siliciumdioxidhaltiger Rohmaterialien durch Zerkleinern und anschließendem Mischen des Rohmaterials mit Alkalimetallhydroxid und Wasser, Dampfbehandlung der Mischungsbestandteile und thermische Expansion der aus dieser dampfbehandelten Mischung hergestellten Zwischenprodukte, dadurch gekennzeichnet, dass das Zwischenproduktdurch Abkühlen der besagten dampfbehandelten Rohmaterialmischung bis zur Brüchigkeit und Zerkleinerung der brüchigen Mischung in Partikel gewonnen wird und die Partikel in der Frühphase der thermischen Expansion bei Erhitzung auf über 100°C, vorzugsweise über 200°C, in einen fluiden Zustand übergehen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohmaterial-Mischung einer Dampfbehandlung mit gesättigtem Dampf unterzogen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohmaterial-Mischung unter Einwirkung einer externen Wärmequelle mit Dampf behandelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel der zerkleinerten, brüchigen Mischung vor der thermischen Expansion größenmäßig getrennt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass vor der thermischen Expansion der brüchigen Mischung ein Partikelfüllstoff, vorzugsweise ein poröser Füller, der zerkleinerten brüchigen Mischung zugesetzt wird.