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DE2015853C3 - Zementartiges Produkt mit in einer Zementmatrix verteilten, alkalisch beständigen Glasfasern - Google Patents

Zementartiges Produkt mit in einer Zementmatrix verteilten, alkalisch beständigen Glasfasern

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DE2015853C3
DE2015853C3 DE2015853A DE2015853A DE2015853C3 DE 2015853 C3 DE2015853 C3 DE 2015853C3 DE 2015853 A DE2015853 A DE 2015853A DE 2015853 A DE2015853 A DE 2015853A DE 2015853 C3 DE2015853 C3 DE 2015853C3
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National Research Development Corp UK
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Description

In der Bautechnik wurde viele Jahre lang Asbest als Faserverstärkungs- bzw. -bewehrungsmaterial in zementartigen Produkten, wie Asbestzement-Rohren und -Dachplatten, eingesetzt. Zwar sind Asbestzement-Produkte für viele Zwecke ungeeignet, jedoch wurde bisher ein brauchbarer Ersatz nicht gefunden. Auch der Ersatz durch Glasfasermaterialien hat nicht immer Produkte mit zufriedenstellender Festigkeit und Dauerhaftigkeit ergeben. Beispielsweise hat es sich gezeigt, daß die stark alkalische Umgebung, besonders in Produkten auf der Grundlage von Portlandzement, Glasfasern zum Zerfall bringen kann. Es wurde daher angenommen, daß solche Fasern nicht als Verstärkungsmaterialien anwendbar sind, ohne Schutzmaßnahmen durchzuführen, die jedoch eine beträchtliche Kostenerhöhung der Verbundstoffe bewirken.
In der BE-PS 7 19 005 werden Glaszusammensetzungen mit SiO2 als Hauptbestandteil beschrieben, die auch Alkali- und Erdalkalimetalloxide enthalten. Fasern aus diesen Zusammensetzungen können als Verstärkung für Zementmaterialien verwendet werden, jedoch besteht immer noch ein Bedürfnis nach besonders festen und dauerhaften, glasfaserverstärkten Zementprodukten.
Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung von besonders festen und dauerhaften, glasfaserverstärkten bzw. bewehrten zementartigen Produkten, in denen die Glasfasern besonders alkaliresistent sind.
Diese Aufgabe wird durch den in den Ansprüchen gekennzeichneten Gegenstand gelöst.
Die im erfindungsgemäßen zementartigen Produkt enthaltenen, alkalisch beständigen Glasfasern weisen eine solche Alkalibeständigkeit auf, daß bei Prüfung in Form einer »abgeschliffenen« bzw. Abriebkräften unterlegenen Faser mit einer Länge von 6,4 cm und einem Durchmesser von 1,0 bis 2,5 χ 10~3cm nach 4stündiger Behandlung mit gesättigter, wäßriger Ca(OH)2-Lösung bei 100°C, und anschließendem Waschen bei Umgebungstemperatur nacheinander mit Wasser, dann 1 Min. mit wäßriger Salzsäure (1%), Wasser und Aceton und anschließendem Trocknen, die Faser eir.e Zugfestigkeit von mindestens etwa 70 kg/mm2 hat, wobei eine Durchmesserreduktion der Faser während der Prüfung nicht über 10% liegt. Vorzugsweise haben solche Fasern bei der Prüfung nach der vorgesehenen Behandlung eine Zugfestigkeit von mindestens etwa 140 kg/mm2.
Bei Produkten auf Grundlage von Portlandzement ergeben Fasern mit einem Durchmesser von etwa 1,0 bis 2,5 χ IO-3cm eine ausgezeichnete Verstärkung. In der Praxis ist es besonders bequem, kurze Fasern mit einer Länge von bis zu etwa 10cm, z.B. solche mit einer Länge in der Größenordnung von 6'/2cm, zu verwenden.
Zur Herstellung von Verbundstoffen außergewöhnlicher Festigkeit und Dauerhaftigkeit wird ein SnO2-Gehalt des Glases von mindestens 8 Gew.-°/o bevorzugt.
In der Praxis sind Glaszusammensetzungen besonders zweckmäßig, die mindestens 55 Gew.-°/o SiO2 und einen Netzwerk-Modifizierer enthalten, der vorzugsweise Na2O ist, aber auch alternativ von K2O oder CaO oder Mischungen dieser drei Oxide gebildet werden kann. Zum Beispiel führen Gläser mit einem Gehalt von 55 bis 80 Gew.-% an SiO2, IO bis 30 Gew.-% an Na2O und 8 bis 18 Gew.-% an SnO2, vorzugsweise von 70 bis
w) 80 Gew.-o/o an SiO2, 10 bis 14 Gew.-% an Na2O und 10 bis 16 Gew.-% an SnO2, zu sehr zufriedenstellenden Materialien.
Wenn gewünscht, können die Gläser gemäß der Erfindung auch ein oder mehrere zusätzliche Oxide als
bi Flußmittel oder als partiellen Ersatz des glasbildenden Bestandteils oder Netzwerk-Modifizierers enthalten, wobei die Gesamtmenge an zusätzlichem Oxid oder zusätzlichen Oxiden IO Gew.-% und vorzugsweise 5
Gew.-tyb nicht überschreitet Zum Beispiel kann das SiO2 zu einem kleineren Teil durch AI2O3 ersetzt sein.
Zur Erleichterung des Schmelzens und der folgenden Faserbildung können auch Flußmittel-Oxide in Mengen im Bereich von 1 bis 10 Gew.-% vom Gesamtgewicht der anderen Komponenten derOxidmischung vorgelegt werden. Beispiele für zwei solche Oxide sind Li2O und La2Oj, wobei man diese vorzugsweise in Mengen im Bereich von 1 bis 3 Gew.-% einsetzt
Bei der Verstärkung einer zementartigen Matrix bei Temperaturen über Raumtemperatur ist es darüber hinaus erwünscht, daß die Fasern Ober Beständigkeit gegen Angriff durch Ca(OH)2 hinaus eine Beständigkeit gegen Angriff durch Alkalihydroxide zeigen. Diese Beständigkeit kann, ähnlich der oben erwähnten Prüfung auf Ca(OH)2-Angriff, folgendermaßen geprüft werden:
Man setzt eine Glaseinzelfaser mit einem Durchmesser im Bereich von 1,0 bis 2$ χ 10~3cm und einer Länge von 6,4 cm 1V2 Std. bei 10O0C dem Angriff von 1 η Natronlauge aus, worauf die Faser aus der Lösung bei Raumtemperatur entnommen, dreimal mit destilliertem Wasser, dann '/2 Min. mit verdünnter (l%iger) Salzsäure, hierauf mehrmals mit destilliertem Wasser und schließlich zweimal mit Aceton gewaschen und getrocknet und dann auf ihre Zugfestigkeit bestimmt wird, indem man, z. B. mit einem üblichen Zugfestigkeitsprüfer, die Bruchlast mißt und den Faserdurchmesser mittels eines optischen Mikroskops schätzungsweise bestimmt. jo % Eine Glasfaser mit einer Zugfestigkeit von mindestens 70 und vorzugsweise mindestens 140 kg/mm2 nach κ' der Prüfung und mit einer Durchmesserreduktion bei der Prüfung von nicht über 10% besitzt die Eigenschaften, um eine Bewehrung bzw. Verstärkung der zementartigen Matrix auch bei über Umgebungstemperatur liegenden Temperaturen zu ergeben.
Als Beispiele sind nachfolgend vasern aus typischen Gläsern beschrieben, deren Alkalibeständigkeits- Eigenschaften und die Eigenschaften von mit ihnen erhaltenen Zementverbundstoffen in den Tabellen I bis V beschrieben sind.
Aus Gläsern der Zusammensetzung nach Tabelle I, bei der die Rußmittelmenge als Prozentsatz des Gesamtgewichts von SiO2, Na2O und SnO2 ausgedrückt ist, wurden Einzelfäden mit einem Durchmesser im Bereich von 1,0 bis 13 cm χ 10~3 gezogen. Ein Faden aus jedem Glas wurde nach der oben beschriebenen Methode unter Einsatz von Ca(OH)2 als Alkali auf seine Alkalibeständigkeit geprüft. Die Ergebnisse nennt die Tabelle II.
Bei der Ermittlung der Eignung von Glasfasern zur Verstärkung zementartiger Matrix erweist sich auch eine Untersuchung des Verhaltens der Fasern in einer Zementeffluatlösung bei verschiedenen Temperaturen und in verschiedenem Alter als instruktiv. Die genaue Zusammensetzung der beim Mischen von Portlandzement mit Wasser gebildeten Lösungsphase variiert stark mit Zementen aus verschiedenen Quellen, aber laboratoriumsmäßig läßt sich ein künstliches Analogon bo einer solchen Lösung mit ähnlichen lonenkonzentrationen an Na+ und K+ herstellen, wie sie in der Lösungsphase durchschnittlicher Portlandzemente zu finden sind. Wenn man diese Lösung dann in bezug auf Ca(OH)2 sättigt, gibt sie ungefähr die Zusammensetzun- b=, gen der Lösungsphase einer Portlandzement-Aufschlämmung bezüglich der Konzentrationen an Hydroxiden wieder.
Die Tabelle IH nennt die Werte, die für die Beständigkeit bei 8O0C an Fäden bei der oben beschriebenen Prüfung unter Einsatz, einer »Zementeffluat«-Lösung der Zusammensetzung
Alkali
Konzentration
g/l
NaOH 0,88
KOH 3,45
Ca(OH)2 0,48
(die im wesentlichen die Hydroxidzusammensetzung der Lösungsphase einer Portlandzement-Aufschlämmung bei 8O0C wiedergibt) an Stelle von Alkalihydroxid erhalten wurden, wobei die Fäden Durchmesser im Bereich von 1,0 bis 13 χ 10~3 cm aufwiesen.
Die Tabelle IV nennt vergleichbare Alkalibeständigkeits-Prüfungsergebnisse für Fäden bei Verwendung der oben beschriebenen 1 η Natronlauge als Alkali, wobei die Fäden wiederum Durchmesser im Bereich vonl,0bisl3 χ 10~3cmhatten.
Die in diesen Tabellen genannten Zugfestigkeitswerte sind unter Verwendung der von R. S. G i 11 e 11 und A. J. Majumdar, in »Current Paper« Nr.26/68 (März 1968), herausgegeben von der Building Research Station, Bucknalls Lane, Garston, Watford, Hertfordshire, England, in einem Aufsatz »Apparatus for testing tensile strengths of corroded glass fibres« beschriebenen Vorrichtung bestimmt worden.
Zur Herstellung des erfindungsgemäßen zementartigen Produkts arbeitet man die Glasfasern in eine zementartige Matrix ein. Die Herstellung der Zement-Faser-Verbundkörper kann unter Einsatz von Stapelglasseide oder anderen fasrigen Formen des Glases, z. B. Glaswolle, erfolgen. Nach einer bevorzugten Arbeitsweise zur Bildung von faserverstärkten Verbundstoffen auf Zementgrundlage wendet man zu Anfang zur gleichmäßigen Dispergierung der Fasern ein hohes Verhältnis von Wasser zu Feststoff an und entfernt das überschüssige Wasser nach dem Pressen durch Absaugen. Verwickelte Formlinge lassen sich erzeugen, indem man Zementaufschlämmung und Glasfaser auf der Oberfläche von perforierten, an eine Vakuumpumpe angeschlossenen Formen sprühmischt.
Nach dieser Methode sind unter Einsatz nichtüberzogener Einzelfasern aus den obengenannten Gläsern und Portlandzement Verbundkörper von 10,2 χ 2,5 χ 0,6 cm hergestellt worden, wobei der Anteil an Glasfaser in den Verbundstoffen 0,5 g Glas auf ungefähr 30 g Zement entsprach und das Verhältnis von Wasser zu Zement in der Aufschlämmung ursprünglich 0,8 betrug und dann nach dem Absaugen auf 0,3 absank. Die Glasfasern von 10,2 cm Länge wurden während des Gießens von Hand in die Spannungszone dieser Verbundkörper eingebracht, wobei eine perforierte Form eingesetzt und das überschüssige Wasser abgesaugt wurde. Nach dem Entformen wurden die Verbundprüflinge in einem Raum konstanter Temperatur (18° C) und konstanter Feuchte (90% relative Feuchte) gelagert. Die Prüflinge wurden in verschiedenem Alter auf die Biegefestigkeit untersucht.
Die Tabelle V nennt die Biegefestigkeits-Ergebnisse Hei mit Fasern aus Glas Nr. 1 verstärkten Portlandzement ■ Verbundkörpern. Die Herstellung der Verbundstoffe und die Prüfbedingungen entsprachen der Beschreibung in der DE-OS 15 % 926.
5 Glasanalyse, Gew.-%
SiO2 Na2O SnO2 		16,0
10,0
10,0
14,0
16,0 		Tabelle III Flußmittel,
Gew.-% (bezo
gen auf Glas)
Li2O La2O3 		Zugfestigkeit
1 Woche 		Tabelle 2,0 20 15 853 6 II Durchmesser
reduktion
70,0 14,0
80,0 10,0
77,0 13,0
74,0 12,0
70,0 14,0 		1,0
1,0
1,0
1,0 		77 Tabelle 7-Prüfung 3-6
Tabelle I 91 Ca(OH) Zugfestigkeit nach Durchmesser-
dcr Prüfung reduktion
kg/mm2 % 		4-5
2-3
3-4
Zementeffluatprüfung - Pristine-
Zugfestig-
keit
kg/mm" 		5 Glas Nr. 176 1,0
169 <l,0
141 <I,0
162 <l,0
155 <l,0
Glasfaser-Zusammensetzungen Glas Nr. - 225
190
204
218
225 		10 1
2
3
4
5
Glas-
Nr. 		1 106
1
2
3
4
5 		2 Durchmesser-
24 Wochen reduktion nach
2 Wochen
3 , kg/mm2, nach
2 Wochen 		4 Wochen 49
4 56 35 49 1,0
5 70 77 <l,0
84 84 <l,0
74 - 1,0 bis 2,0
98 70
IV
NaOH-Prüfung
Glas-Nr.
1 Zugfestigkeit,
kg/mm2 nach der
Prüfung
3
4
5 		155
141
141
148
Tabelle V Bruchmodul, kg/cm', von Portlandzement-Verbundkörpern
Glas-Nr.
Nach 7 Tagen Nach 28 Tagen
in Wasser in Wasser in Luft
Nach 90 Tagen
in Wasser in Luft
Nach 6 Monaten in Wasser in Luft
Nach I Jahr
in Wasser in Luft
402
499
475
432
475
355
422

Claims (10)

Patentansprüche:
1. Zernentartiges Produkt mit in einer Zementmatrix verleihen, alkalien beständigen Glasfasern, die SiO; als glasbildenden Hauptbestandteil und Alkalioder Erdalkalimetalloxid oder ZnO enthalten, dadurch gekennzeichnet, daß die Glasfasern zusätzlich mehr als 5 Gew.-% an SnCb enthalten.
2. Zementartiges Produkt nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen SnC>2-Gehalt des Glases von mindestens 8 Gew.-%.
3. Zementartiges Produkt nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen SiC>2-Gehalt des Glases von mindestens 55 Gew.-%.
4. Zementartiges Produkt nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch einen Gehalt des Glases von 55 bis 80 Gew.-% an SiO2, 10 bis 30 Gew.-% an Na2O und 8 bis 18 Gew.-% an SnO2.
5. Zementartiges Produkt nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch einen Gehalt des Glases von 70 bis 80 Gew.-% an SiO2,10 bis 14 Gew,-% an Na2O und 10 bis 16 Gew.-% an SnO2.
6. Zementartiges Produkt nach einem oder
mehreren der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch einen Gehait des Glases an einem oder mehreren zusätzlichen Oxiden als Flußmittel oder partieller Ersatz des glasbildenden Bestandteils oder Netzwerk-Modifizierers, wobei die Gesamtmenge an dem oder den zusätzlichen Oxid(en) 10 Gew.-%, vorzugsweise 5 Gew.-%, nicht überschreitet
7. Zementartiges Produkt nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch einen Gehalt des Glases an Li2O oder La2O3 als Flußmittel in einer Menge von 1 bis 3 Gew.-%.
8. Zementartiges Produkt nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch einen Gehalt an Portlandzement als Zement.
9. Zementartiges Produkt nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch einen Gehalt an Faser von 1 bis 2V2 χ 10~3cm Durchmesser als Glasverstärkung bzw. -bewehrung.
10. Zementartiges Produkt nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch einen Gehalt an Faser mit einer Länge von bis zu 10 cm.
DE2015853A 1969-04-03 1970-04-02 Zementartiges Produkt mit in einer Zementmatrix verteilten, alkalisch beständigen Glasfasern Expired DE2015853C3 (de)

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