-
Verwendung von Flugasche als Zuschlagmaterial Die Erfindung betrifft
die Verwendung einer Flugaschefraktion als Zuschlagmaterial zu Baustoffen für die
Zubereitung von Mischungen mit verbesserten physikalischen und chemischen Eigenschaften,
die vor allem im Straßenbau wertvoll sind.
-
Betonmischungen für den Fernstraßenbau unterliegen scharfen Anforderungen;
denn die fertige Verkehrsstraße muß bestimmte Eigenschaften besitzen. Beispielsweise
muß sie die erforderliche Festigkeit haben, um den wiederholten schweren Belastungen
von Tausenden darüber fahrender Fahrzeuge zu widerstehen. In einigen Gebieten sind
die Verkehrsstraßen auch in bestimmten Jahreszeiten wiederholten Frost-und Taubedingungen
unterworfen. Solche Wetterbedingungen verursachen ein Abbröckeln der Oberfläche
und fortschreitende Zerstörung des erhärteten Betons; die noch gefördert wird, wenn
, korrosive Salze, wie Natrium- oder Calciumchlorid, für die Entfernung von Eis
und Schnee benutzt werden. Daher muß eine Betonstraße in solchem Klima widerstandsfähig
gegen eine derartige Zerstörung unter diesen klimatischen Bedingungen gemacht werden.
-
Es ist bekannt, daß Luftblasen von mikroskopischem Ausmaß in gehärtetem
Beton in starkem Maße zur Widerstandsfähigkeit gegen Zerstörung durch Frost beitragen.
Verhältnismäßig kleine Mengen von lufteinführenden Mitteln, wie Fett, Talg, Harzstoffe,
Ligninsulfonate u. dgl., erleichtern bei Einarbeitung in eine Betonmischung die
Einbringung unzähliger kleiner Luftblasen während des Betonmischvorganges infolge
Senkung der Oberflächenspannung der Mischung. Bei Straßenbaubeton ist es wegen der
hohen Festigkeits- und sonstigen Erfordernisse wesentlich, daß eine richtige Lufteinführung
durch Benutzung, einer möglichst geringen Menge an lufteinführenden Mitteln erreicht
wird, weshalb die Benutzung solcher Mittel scharf kontrolliert werden muß.
-
Es ist bekannt, Flugasche, d. h. die grauen feinen Rückstände, die
beim Verbrennen von pulverisierter Kohle anfallen und aus Abgasen angesammelt werden,
im Beton wegen gewisser vorteilhafter Eigenschaften, die sie dem Beton erteilen,
zu verwenden. Beispielsweise vermindert Flugasche das sogenannte Wachsen der Zuschlagstoffe,
wobei diese, die mit Portlandzement reagieren können, zu einer vergrößerten Ausdehnung
und Rißbildung des Betons führen. Flugasche vermindert auch das sogenannte Bluten
oder Seigern, wodurch Feingut und Wasser an die Oberfläche des Betons gelangen.
Die Benutzung von Flugsache setzt weiterhin die Hydratationswärme des Zementes herab,
steigert die Wasserdichtigkeit, d. h. die Widerstandsfähigkeit von Beton gegen den
Wasserdurchgang, und verbessert merklich die Betonfestigkeit gegen chemischen Angrifft
Obgleich Flugasche dem Beton die oben erwähnten gewünschten Eigenschaften erteilt,
hat sie gewisse unerwünschte Eigenschaften, die sie für den Gebrauch im Betonstraßenbau
ungeeignet macht.
-
Flugasche vermindert nämlich bekanntlich die Lufteinschließung wesentlich.
Daher müßten, damit ein flugaschehaltiger Beton die für Straßenbaubeton erforderliche
Widerstandsfähigkeit gegen Frost und Tauwetter besitzt, weit größere Mengen der
verhältnismäßig teuren lufteinführenden Mittel verwendet werden, wobei diese über
die zulässige Höchstmenge hinausgehen.
-
Auch der Wasserbedarf ist ein außerst wichtiger, genau zu regelnder
Faktor beim Betonstraßenbau. Verschiedene Flugaschen beeinträchtigen bekanntlich
den Wasserbedarf bei Fertigung von Beton einer gegebenen Konsistenz oder Setzfähigkeit
in verschiedenem Grade. Obgleich es möglich ist, den Wasserbedarf für eine jeweilige
Flugasche beispielsweise im Laboratorium zu ermitteln, würde eine solche Bestimmung
vor dem Anmischen jeder Betonbeschickung beim Straßenbau, wo die Wirtschaftlichkeit
die Verarbeitung ungeheurer Betonmengen an einem Arbeitstag verlangt, äußerst unpraktisch
sein. Ferner ist der höchstzulässige Wasserbedarf für Straßenbaubeton genau festgelegt,
doch viele Flugaschen verlangen, daß der Beton, in welchem sie verwendet werden
sollen, einen
größeren Wasserbedarf hat, als er nach solchen scharfen
Vorschriften zulässig ist.
-
Demgegenüber verwendet die Erfindung als Straßenbaubeton mit der gewünschten
Konsistenz bei vermindertem Wasserbedarf ein billiges Flugascheprodukt in Verbindung
mit zementhaltigen Massen, die Kalk, Portlandzement oder beides enthalten, das der
Betonmasse verbesserte chemische und physikalische Eigenschaften, wie eine hochwertige
Puzzolanwirkung, verleiht.
-
Gegenstand der Erfindung ist die Verwendung der nicht magnetischen,
kugelartigen, im wesentlichen aus einem Kieselsäure-Tonerdeglas bestehenden Flugaschefraktion
von einer Teilchengröße von weniger als 75 #t als Zuschlagstoff zu Kalk und/oder
Zement, besonders Portlandzement. Diese Fraktion ist dadurch gekennzeichnet, daß
vorzugsweise mindestens 70 Gewichtsprozent der Teilchen eine Korngröße von weniger
als 44 #t besitzen. Insbesondere haben die Teilchen zweckmäßig eine Größe zwischen
75 V, und unter Mikrongröße.
-
Überraschenderweise hat sich gezeigt, daß das Baumaterial nach der
Erfindung als Zuschlag für Straßenbaubeton verwendet werden kann, um die erwünschten
Eigenschaften von Flugasche ohne deren unangenehme Nachteile zu ergeben. Das neue
Baumaterial hat z. B. einen nur geringen mindernden Einfluß auf Lufteinschlußmittel,
so daß ein richtiger Lufteinschluß mit den zulässigen Mengen solcher Mittel erreicht
werden kann. Da das Baumaterial bestimmte physikalische Eigenschaften hinsichtlich
Teilchengröße, Korngrößenzusammensetzung, spezifischem Gewicht usw. aufweist, ist
es nicht notwendig, vor dem Ansatz jeder Betonmischung den Einfluß des Einschlusses
des Materials auf den Wasserbedarf zu ermitteln. Man ; kann also die Vermischung
und Verlegung von sehr großen Betonmengen, wie sie im Straßenbau erforderlich sind,
ohne Beeinträchtigung vornehmen. Die Einstellung der physikalischen Eigenschaften
des Betons läßt sich innerhalb enger Grenzen durch Benutzung des vorliegenden Materials
vollziehen. Ferner hat sich gezeigt, daß zementhaltige Mischungen mit dem Produkt
nach der Erfindung größere Festigkeit besitzen als ähnliche Mischungen, die dieses
Produkt nicht bzw. statt dessen Rohflugasche enthalten.
-
Das nach der Erfindung verwendete Baumaterial besteht aus einer Mischung
von äußerst kleinen, voneinander getrennten kugelartigen Teilchen. Diese kugelartigen
Teilchen können alle von praktisch derselben Größe sein, vorzugsweise aber besitzt
die Teilchenmischung einen Korngradienten, d. h., die Mischung kann Teilchen von
unterschiedlicher Größe umfassen, wobei verschiedene Teilchenanteile gemäß einer
besonderen Größenklassierung abgestuft sind. Es ist äußerst erwünscht, daß das Baumaterial
einen bezeichnenden Teilchenanteil, z. B. 5 Gewichtsprozent oder mehr, von einer
Größe unter etwa 20 #t aufweist. Der Grund hierfür besteht darin, daß die Puzzolanaktivität
des Materials, die nachstehend noch näher beschrieben werden soll, hierdurch wesentlich
gesteigert wird.
-
Wegen der außerordentlichen Feinheit und des kugelartigen Charakters
der Teilchen des Baumaterials nach der Erfindung ist der Wasserbedarf, d. h. die
Menge Mischwasser, die zur Erzielung einer bestimmten Konsistenz oder Verarbeitungsfähigkeit
erforderlich ist, herabgesetzt. Diese Verminderung im Wasser-Zement-Faktor ist natürlich
äußerst vorteilhaft; denn die Festigkeit einer Zementmasse ändert sich mit dem Verhältnis
von Zement zu freiem Wasser der Mischung.
-
Die kugelartigen Teilchen des Baumaterials bestehen im wesentlichen
aus einem Glas aus Kieselsäure und Tonerde, das auch beträchtliche Anteile an Eisen
und Alkali sowie Erdalkali, z. B. Natrium, Kalium, Magnesium u. dgl., aufweisen
kann. Praktisch vereinigt sich das ganze in den kugelartigen Teilchen vorliegende
Eisen mit der Tonerde und Kieselsäure unter Bildung eines Eisen-Kieselsäure-Tonerdeglases.
Dabei sind die Teilchen praktisch frei von kristallinen Eisenverbindungen, wie Magnetit
u. dgl. Daher sind die kugelartigen Teilchen praktisch nichtmagnetisch.
-
Puzzolanstoffe sind im allgemeinen feinverteilte kieselsäurehaltige
und tonerdehaltige Substanzen, die an sich nicht zementartig sind, sondern sich
mit Kalk und Wasser unter Bildung beständiger Verbindungen von Zementwert vereinigen.
Die Kieselsäure-Tonerdeglasteilchen, die das Baumaterial nach der Erfindung bilden,
sind hochpuzzolanisch, d. h., sie bilden stark zementartige Materialien mit Kalk
wie dem im Portlandzement. Ein wasserlöslicher Film auf der Oberfläche der kugelartigen
Teilchen steigert diese Puzzolanwirkung. Vermutlich ätzt der Film das Kieselsäure-Tonerdeglas
an und fördert so die Umsetzung zwischen dem Glas und dem Kalk.
-
Brkanntlich wird eine wesentliche Menge freien hydratisierten Kalks
im Portlandzementbeton während des Abbindens und Erhärtens erzeugt. Durch die Einarbeitung
des vorliegenden Baumaterials in Zementmassen reagiert das im Zement vorhandene
freie Calciumhydroxyd mit den kugelartigen Teilchen, die infolge ihrer Puzzolaneigenschaften
beständige zementartige Verbindungen mit dem freien Kalk bilden. Die Zementmischung
hat deshalb beträchtlich verbesserte Widerstandsfähigkeit gegen chemischen Angriff:
Auch die Wasserdichte, d. h. die Widerstandsfähigkeit von Zementmischungen gegen
den Wasserdurchgang, ist stark verbessert.
-
Der relativ dünne Oberflächenfilm der kugelartigen Teilchen kann aus
irgendwelchen wasserlöslichen Salzen oder deren Mischungen bestehen, z. B. aus Alkali-
und Erdalkalisulfaten und/oder den sauren Sulfaten von Natrium, Kalium und Magnesium.
Der Oberflächenfilm kann eine Dicke in der Größenordnung einer molekularen Schicht
haben und macht im allgemeinen nicht mehr als etwa 2 Gewichtsprozent des Teilchens
aus.
-
In Betonmischungen können die relativen Mengenverhältnisse des vorliegenden
Produktes zu Portlandzement weitgehend schwanken. So kann das vorliegende Material
etwa 10 bis etwa 40 Volumprozent, bezogen auf das absolute Volumen von Portlandzement
plus vorliegendem Produkt, ausmachen. Bei den meisten Betonmischungen einschließlich
Straßenbaubeton wird Zuschlag auch in einer Menge zwischen etwa 3 und 6 Raumteilen
Zuschlagstoff je Raumteil Zement plus vorliegendem Produkt verwendet.
-
Obgleich im vorstehenden hauptsächlich auf die Benutzung des vorliegenden
Produktes zur Herstellung von Straßenbaubeton Bezug genommen worden ist, bietet
das vorliegende Produkt auch besondere Vorteile für die Benutzung als Bestandteil
von Leichtbaustoffen einschließlich solchen, die bei Normaltemperatur abbinden und
auf Portlandzement basieren, sowie solchen, die auf Kalk basieren und hohe Temperaturen
zum Abbinden erfordern, so daß eine Kontrolle der physikalischen Eigenschaften insbesondere
bei hohem Gehalt
notwendig ist. Bei den Leichtbaustoffen auf der
Grundlage von Kalk, die auf hohe Temperaturen, z. B. in einem Autoklav, gebracht
werden, können die relativen Mengenverhältnisse des vorliegenden Produktes zum Kalk
im Bereich zwischen etwa 2 und etwa 10 Gewichtsteilen des ersteren je Gewichtsteil
des letzteren liegen.
-
Als Ausgangsmaterial für das nach der Erfindung verwendete Baumaterial
dient pulverisierte Kohle. Diese, die vorzugsweise auf eine solche Feinheit pulverisiert
worden ist, daß etwa 80 °/o durch ein DIN-Sieb Nr. 80 gehen, wird mit Primärluft
in einen geeigneten Ofen geblasen, wobei die Verbrennung der Kohleteilchen meist
augenblicklich eintritt. Die Flugasche bildet sich durch Schmelzen bei Temperaturen
in der Größenordnung von etwa 1550°C und anschließendes Erstarren zu voneinander
getrennten kugelartigen Teilchen, wenn sie den Hochtemperaturbereich des Ofens verläßt.
Diese Flugasche kann von dem sie tragenden Verbrennungsgasstrom durch einen elektrostatischen
Abscheider oder einen mechanischen Sammler, der mit einem elektrostatischen Abscheider
in Reihe geschaltet ist, abgetrennt werden.
-
Das nach der Erfindung verwendete Material stellt nur eine Fraktion
der rohen Flugasche dar. Nachdem man die rohe Flugsache gesiebt hat, um Teilchen
von einer Größe oberhalb etwa 150 #t zu entfernen, wird das vorliegende Produkt
in bekannter Weise in einem Magnetfeld getrennt.
-
Die folgenden beiden Beispiele zeigen die verbesserten Eigenschaften
von Straßenbaubeton unter Verwendung einer Flugaschefraktion nach der Erfindung
gegenüber Betonmischungen ohne diesen Zusatz. Beispiel 1 Als puzzolanartiger Zuschlagstoff
von hoher Frühfestigkeit wurde eine Flugaschefraktion verwendet, die aus im wesentlichen
kugeligen Teilchen von einer Größe unter etwa 75 #t aus einem Kieselsäure-Tonerdeglas
bestand, das kleine Mengen Natrium, Kalium, Magnesium und Eisen als Glasbestandteile
enthielt; die Kugeln wiesen einen Oberflächenfilm auf, der im wesentlichen aus einem
Gemisch von wasserlöslichen Calcium-, Natrium- und Kaliumsulfaten bestand. Die chemischen
und physikalischen Eigenschaften der rohen Flugasche und der daraus abgetrennten,
als Puzzolan zu verwendenden Fraktion finden sich in der folgenden Tabelle.
| Tabelle 1 |
| Rohe Fraktion |
| Flugasche |
| Bestandteile |
| Si02................. 40,9 44,1 |
| A1203 ................ 25,1 27,6 |
| Fe203 ................ 18,9 11,4 |
| CaO................. 4,2 6,3 |
| Mg0 ................ 2,4 2,7 |
| S03 ................. 1,1 1,3 |
| Verfügbares Na20 und |
| K20, bezeichnet als e |
| Na20 .............. 0,5 0,6 |
| Glühverlust .......... 8,8 5,5 |
Drei Betonmischungen wurden mit den in der nachstehenden Tabelle 2 angegebenen Bestandteilen
und Mengenverhältnissen zubereitet. In der Kontrollmischung I betrugen die Volumenverhältnisse
der Bestandteile: Zement 1, Flugasche 0, Sand 2,5 und Schlacke 5,82, und das Wasser-Zement-Verhältnis
betrug 1,12.
-
In Mischung II betrugen die Volumenverhältnisse der Bestandteile:
Zement 1, Rohflugasche (der Tabelle 1) 2,5, Sand 0,29 und Schlacke 5,48, und das
Wasser-Zement-Verhältnis betrug 1,89.
-
Mischung III war identisch mit Mischung 1I, jedoch war der hochfrühfeste
Puzzolan (Fraktion gemäß der Erfinding) für die Flugasche gesetzt, und das Wasser-Zement-Verhältnis
betrug 1,56.
-
Obgleich das Wasser-Zement-Verhältnis für die Mischungen I, 11 und
III verschieden war, hatten alle Gemische dieselbe Konsistenz. Die Ausbreitung betrug
in jedem Fall 15 cm.
-
Sechs Zylinder von 15 cm Durchmesser und 30 cm Länge wurden aus jeder
Mischung hergestellt. Drei Zylinder aus jeder Mischung wurden einer Luftatmosphäre
von
21'C und 95 °/o relativer Feuchtigkeit 3 Tage lang ausgesetzt, worauf
sie auf Druckfestigkeit geprüft wuraen. Drei Zylinder jeder Mischung wurden derselben
Atmosphäre 7 Tage lang ausgesetzt und dann in ähnlicher Weise auf Druckfestigkeit
geprüft. Die Ergebnisse dieser Prüfungen finden sich in der folgenden Tabelle:
| Tabelle 2 |
| Mischung |
| I 1 II III |
| Porilandzement (Volumteile) ... 1 1 1 |
| Rohflugasche (Volumteile) ..... 0 2,5 0 |
| Hochfrühfester Puzzolan, Frak- |
| tion gemäß der Erfindung |
| (Volumteile) ............... 0 0 2,5 |
| Sand (Volumteile) ............. 2,5 0,29 0,29 |
| Schlacke (Volumteile).......... 5,82 5,48 5,48 |
| Wasser-Zement-Verhältnis ..... 1,12 1,89 1,56 |
| Ausbreitung (cm) ............. 15 15 15 |
| Druckfestigkeit (kg/cm2) |
| 3 Tage (Mittel von drei |
| Zylindern) ............... 9,71 9,84 20,32 |
| 7 Tage (Mittel von drei |
| Zylindern) ............... 20,95 25,38 45,70 |
Beispie12 Eine Mischung, bestehend aus 20 Gewichtsteilen Kalkmonohydrat und 80 Teilen
Rohflugasche mit 17 Gewichtsprozent Wasser, bezogen auf die Gesamtmischung, wurde
zu einer Stange von 25,4- 25,4 - 285,7 mm geformt.
-
Eine ähnliche Mischung enthaltend 80 Teile hochfrühfestes Puzzolan
(Fraktion gemäß der Erfindung) an Stelle der Flugasche und 14,2°/o Wasser wurde
zubereitet und zu einer Stange von 25,4 - 25,4 - 285,7 mm geformt.
-
Eine Kontrollstange ähnlicher Abmessungen wurde aus Sand
(800/,) und Portlandzement (200/,) und genügend Wasser gefertigt, um eine
Paste mit normaler Festigkeit zu ergeben. Diese Stangen wurden in einem Autoklaven
eine Stunde lang unter einem Dampfdruck von 10,46 kg/CM' gehalten.
-
Die räumliche Dehnung der Stangen infolge der Autoklavenbehandlung
wurde nach der folgenden Formel ermittelt:
VZ = Volumen nach Autoklavenbehandlung. V1 = Volumen vor Autoklavenbehandlung.
-
Die Portlandzement-Sand-Kontrollstange hatte eine Dehnung von 5,8
°/o.
-
Die Rohflugasche-Kalkmonohydrat-Stange hatte eine Dehnung von 21,111/0.
-
Die Stange aus hochfrühfestem Puzzolan und Kalkmonohydrat hatte eine
Dehnung von 4,8 °/a.