DE2023695B2

DE2023695B2 - Verfahren zur herstellung von quellzement fuer die erzeugung von spannbeton durch vermischen von portlandzement mit einer quellkomponente

Info

Publication number: DE2023695B2
Application number: DE19702023695
Authority: DE
Inventors: Viktor V.; Litver Semen L.; Popov Aleksej N.; Popova Valentina A.; Moskau Michajlov
Original assignee: Nautschno-Issledovatelskij Institut Betona I Schelesobetona, Moskau
Priority date: 1970-05-14
Filing date: 1970-05-14
Publication date: 1977-08-25
Also published as: DE2023695C3; DE2023695A1

Description

Die Erfindung betrifft Verfahren zur Herstellung von Quellzement durch Vermischen von Portlandzement mit einer Quellkomponente, die aus kalziumaluminathaltigen Stoffen, Kalziumsulfat und Kalk hergestellt ist.

Die Herstellung von Quellzement durch Vermischen oder Vermählen von Portlandzement mit einer Quellkomponente, die Kalziumsulfat und einen Kalziumaluminat aufweisenden Stoff enthält, z. B. Tonerdeschmelzzement oder Alunit, ist bekannt (vgl. SU-PS 1 07 996).

In der FR-PS 14 59 132 ist die Herstellung eines Zusatzes für Quellzement und ein Verfahren zur Herstellung dieses Zusatzes beschrieben. Der der Quellung dienende Zusatz, der abgekürzt »CSA« bezeichnet wird, besteht aus den Komponenten CaQ, CaSO₄ und AI2O3, die in entsprechenden Mengen eingesetzt und zur Bildung des Zusatzes bei erhöhten Temperaturen zur Reaktion gebracht werden. Als Ausgangsstoffe können dabei Gips, Bauxit und Kalziumsulfoaluminat verwendet werden. Der Zusatz CSA besteht aus 3CaOSAl₂O₃CaSO₄, 12 CaO-7 Al₂O₃, einem zusätzlichen Anteil an freiem CaSO₄ und bis zu 20% an freiem CaO. Der Quellzement wird aus 80 bis 100% Portlandzement und 20 bis 0% der Quellkomponente CAS hergestellt. Mehr als 20% der Quellkomponente kommen somit nicht zur Anwendung, weil sulfatreiche Zusammensetzungen mit höheren Quellkomponentenanteilen selbstzerfallend sind.

In der GB-PS 10 83 727 ist ein Quellzement beschrieben, der aus 40 bis 85% Portlandzement, 3 bis 30% hochtonerdehaltigem Zement, 3 bis 15% gemahlenem Kalziumsulfat (in allen Variationen), 0,5 bis 8% gemahlenem oder gelöschtem Kalk und gegebenenfalls 0 bis 20% gemahlener granulierter Schlacke besteht.

Bei dem Verfahren der vorliegenden Erfindung werden hochtonerdehaltige Zemente, die einen anderen Abbindemechanismus bewirken, nicht verwendet.

Der Hauptunterschied von Quellzement gegenüber allen anderen hydraulischen Bindemitteln ist bekanntlich seine Fähigkeit, sich beim Erhärten auszudehnen bzw. zu treiben und mechanische Arbeit zur Spannung und Bewährung der Stahlbetonelemente zu leisten odei einen Druck auf Hindernisse auszuüben, die du Quellung begrenzen. Ein Teil der freiwerdender Energie des Bindemittels wird dabei zum Zusammen drücken des Betons verbraucht, wodurch allgemeine; Selbstvorspannen der Konstruktion bewirkt wird.

Es ist bekannt, daß bei der Hersteilung vor vorgespannten Konstruktionen das Spannen der Be wehrung und das Zusammendrücken des Betons nacl mechanischem, elektrothermischem oder elektrother momechanischem Verfahren zustande gebracht wird Der Quellzement macht es möglich, die Anwendung verschiedener Maschinen und Mechanismen bei dei Herstellung vorgespannter Konstruktionen zu vermei den und automatisch Vorspannung in allen Richtunger zu erzielen. Durch mechanische Mittel läßt sich das mi großen Schwierigkeiten erreichen.

Betone und Zement-Sand-Mörtel, die aus Quellze ment bereitet werden, besitzen einen hohen Grad vor Wasser-, Benzin- und Gasundurchlässigkeit.

Die beschriebenen Eigenschaften von Quellzement die Undurchlässigkeit und der räumliche Spannungszu stand, bestimmten dessen erste und wichtigste Anwen dungsbereiche, nämlich Rohre und Behälter zu Aufbewahrung von Wasser und Erdölprodukten.

Jedoch übersteigt die Energie des Selbstvorspanne: von Beton aus Quellzement in Mörteln und Betonen di< Werte um 40 bzw. 20 kg/cm² nicht, wodurch dessei Anwendungsmöglichkeiten begrenzt werden.

Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist dii Beseitigung des genannten Nachteils.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Verfahrei zur Herstellung von Quellzement für die Erzeugung voi Spannbeton unter Verwendung solcher Komponente!

(>5 anzugeben, mit denen es möglich ist, die Energie de Selbstvorspannens dieses Zementes wesentlich zi erhöhen.
Zur Lösung dieser Aufgabe dienen die in dei

ίο

Patentansprüchen 1 bis 3 angegebenen Verfahren

Der kalziumaluminathaltige Stoff kann zunächst zusammen mit dem Kalziunaoxid zur Erzielung eines hochbasischen Kalziumhydroaluminates einer gemeinsamen Hydratation unterworfen werden, wonach durch Zufügen von Portlandzement und Gips der Spannungszement hergestellt wird. Die vorangehende Hydratation des kalziumaluminathaltigen Stoffes mit dem Kalziumoxid wird vorteilhafterweise bei einer Temperatur im Bereich von 20 bis 150°C durchgeführt.

Für die Hydratation des kalziumaluminathaltigen Stoffes mit dem Kalziumoxid wird letzteres vorteilhafterweise in einer Menge eingeführt, die die zur Bildung von hochbasischem Kalziumhydroaluminat notwendige Menge übersteigt.

Es ist bekannt, daß die Quellung und das Selbstvorspannen der Konstruktion aus Quellzement eine Folge davon ist, daß im Zementstein zunächst Kalziumhydrosulfoaluminat sulfatarmer Form gebildet wird, die danach in eine sulfatreiche Form umkristallisiert'. Die

C₄AH₁₃ + CH + (CS)₃ + aq = C₃A(CS)₃H₃₁ + (CH)₂ + Bildung von Kalziumhydrosulfoaluminai sulfatarmer Form kommt bei einem Mangel an Anmachwasser nach dem Schema:
C₄AH₁₃ + CU I (CS)₃ + aq

= C₃A(CS)Hi₂ -I (CH)₂ + (CS)₂H₄ I- aq

zustande; wird der Prozeß unter Zuführung von überschüssigem Wasser durchgeführt, kommt es zu deren Umkristallisation in sulfatreiche Form nach dem Schema:

C₃A(CS)H₁₂ -I- (CH)₂ -I- (CS)₁₂H₄ + aq

= C₃A(CS)₃H₃₁ + (CH)₂ + aq.

Bei einem Überschuß an Anmachwasser und einer Temperatur nicht oberhalb 40⁰C bildet sich nicht die sulfatarme Form, sondern sofort die sulfatreiche Form des Kalziumhydrosulfoaluminats nach dem Schema:

C₄AH₁₃ = Tetrakalziumhydroaluminat 4CaO · Al₂O₃ · 13IUO,

CH = Kalziumhydroxid Ca(OH)₂,

aq = Wasser,

C₃A(CS)H₁₂ = sulfatarme Form des Kalziumhydrosulfoaluminats 3CaO · Al₂O₃ · CaSO₄ · 12H₂O:

(CS)₂H₄ = (hydratisiertes) Gipssulfat 2CaSO₄ ■ 4H₂O;

C₃A(CS)₃H₃₁ = sulfatreiche Form des Kalziumhydrosulfoaluminats 3CaO · Al₂O₃ · 3CaSO₄ · 31 H₂O;

CS = (wasserfreies) Gipssulfat CaSO₄ ist.

Das Wesen der Erfindung besteht in der Verstärkung der Prozesse der Bildung der sulfatarmen Form von Kalziumhydrosulfoaluminat durch Erzeugung eines entsprechenden Mediums beim Abbinden und Erhärten Quellzementes, durch die Verwendung in der Quellkomponente von Kalziumoxid, das sehr rasch hydratisiert und die Menge von nichtgebundenen Wasser im Zementstein senkt.

Zum Erzielen eines großen Wertes des Selbstvorspannens bei hoher Festigkeit (ohne Abfälle) muß man den Quellvorgang des Zementes, der von drei Faktoren abhängt, richtig steuern, nämlich von der Menge der Bestandteile, der Dosierung von Wasser und der Temperatur des Mediums.

Bei einer die optimale übersteigenden Menge des Quellzusatzes kommt es zu dessen starker Quellung, die die festen Bindungen des Portlandzementsteines bricht, es bilden sich aber durch die fortdauernde Hydratation des Portlandzementes im Zementstein neue Bindungen, die die Brüche kompensieren, wodurch die Festigkeit steigt.

Es muß beachtet werden, daß sich die sulfatarme Form rasch nach dem Anmachen bildet und dann, wenn das nicht verhindert wird, in die sulfatreiche Form rasch umkristallisiert. Bei Erhärtungspunkten über 8O⁰C bildet sich die sulfatreiche Form des Kalziumhydrosulfoaluminats in geringen Mengen. Das Haupthindernis für die Bildung der sulfatreichen Form des Kalziumhydrosulfoaluminats ist die Einführung in die Reaktionsprodukte von Kalziumoxid (Überschuß), das einen Teil des Anmachwassers aufnimmt und im System einen Maneel an Wasser für die Umkristallisation von C₃A(CS)Hi₂InC₃A(CS)H₃I erzeugt.

Zum raschen Entstehen und Ablaufen der Prozesse der Kristallisation und Umkristallisation des Kalziumhydrosulfoaluminats nimmt man die Bestandteile der Quellkomponente in möglichst vorbereiteter Form, indem man sie vor dem Mischen des Kalziumaluminats mit dem Kalziumoxid zur Erzielung eines hochbasischen Kalziumhydroaluminats einer gemeinsamen Hydratation unterwirft. Das letztere wird aus einem Gemisch von Tonerdeschmelzzement und Kalk durch deren gemeinsame Hydratation und Trocknung bei normaler oder erhöhter Temperatur (bis etwa 15O⁰C), die eine rasche und vollständige Absättigung der Kalziumaluminate mit dem Kalziumoxid gewährleistet, hergestellt. Gute Ergebnisse erzielt man bei der Verwendung von freiem Kalk in Überschuß. In diesem Falle kann die gesonderte Dosierung von Kalk in den Zement vermieden werden, weil dieser in das System mit dem hochbasischen Kalziumhydroaluminat gelangt.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein Spannungszement als Bindemittel für die Herstellung von Beton erhalten, der vier Komponenten enthält, nämlich Portlandzement, kalziumaluminathaltigen Stoff, Gips und zusätzliches Kalziumoxid.

Dieses Bindemittel führt zu einer Selbstvorspannung im Beton bis zu 60 bis 80 kg/cm².

Dies wird auf das Vorhandensein von überschüssigem Kalziumoxid im Bindemittel zurückgeführt, wodurch

ft.s der Proxeß der Bildung und Umkristallisation des Kalziumhydrosulfoaluminates wesentlich verändert wird.
Im Prozeß der Erhärtung wird die Quellung des

Zementsteines durch die Bewehrung begrenzt und die ganze Energie der Umkristallisation von Kalziumhydrosulfoaluminat für die Leistung der Arbeit zur Quellung des Bewehrungsgerüstes und zum Zusammendrücken des Betons selber verbraucht. Es kommt zu einem .s intensiven Selbstvorspannen der Stahlbetonkonstruktion mit allen sich ergebenden Eigenschaften des räumlich vorgespannten Stahlbeton?;-

Durch eine sehr große Verdichtung der Struktur des Zementsteins gewinnt der Beton Eigenschaften der Wasser-, Gas- und Benzinundurchlässigkeit.

Die beschriebenen Erscheinungen werden durch folgende Beispiele näher erläutert.

Beispiel 1 _IS

Die Bestandteile des Vier-Komponenten-Quellzementes wurden in einer Kugelmühle durch zusätzliche Vermahlung gemischt, bei der es zu einer homogenen dispersen Verteilung in der Mischung der Ausgangsstoffe kam, die durch eine spezifische Oberfläche von 4500 cm²/g gekennzeichnet werden.

Zusammensetzung der Ausgangsstoffe (in Vol.-%):

Portlandzementklinker

Alunit

Gips

Ungelöschter Kalk

70

15

10

Die Hauptausgangsstoffe wiesen folgende Kennwerte auf.

Der Portlandzementklinker wies di'; folgende Zusammensetzung der Hauptmineralien (in Gcw.-%) aui":

C₃S
C₂S
C₃A
C₄AF,

48,37
17,97
10,41
13,37

35

Alunit wurde aus alunitisiertem Gestein, das 20,8% Tonerde enthält, durch Brennen während 1 Stunde bei einer Temperatur von 500⁰C hergestellt.

Zur Bestimmung der Qualität des erhaltenen Quellzementes wurden Proben in Form von Prismen mit Abmessungen 30 χ 30 x 100 mm und Würfeln mit Abmessungen 30x30x30 gefertigt, an denen die Quellung bzw. die Festigkeit untersucht wurden.

Zur Bestimmung des Selbstvoispannens des Beton:; wurden bewehrte Prismen gefertigt.

Die erste Messung der Länge der Prismen und der Bewehrung sowie die Prüfung der Würfel auf Festigkeit wurde 20 Stunden nach der Fertigung, d. h. während des Ausschalens, vorgenommen. Dann wurden die Proben täglich gemessen.

Die Größe des Selbstvorspannens wurde an bewehrten Prismen durch die Messung der Verformung der Bewehrung und des Betons und in den nicht bewehrten Prismen an Geräten bestimmt, die elastische Stützen besitzen, die eine freie Verlängerung der Prismen in Längsrichtung verhindern. Der elastische Widerstand der Stützen entsprach der Bewehrungszahl μ — 1 %.

Die Prüfergebnisse sind in der folgenden Tabelle angeführt.

Kennwerte des Betons Aller der Proben in Tagen
1 3 7 14

40

Lineare Dehnung, % 0,60 1,90 3,7 4,06 4,15

Festigkeit, kp/cm² 174 170 205 480

Selbstvorspannen, 13 29 37 49

kg/cm²

Beispiel 2

Zur Herstellung von Quellzement wurden folgende Ausgangsstoffe (in Gew.-%) genommen:

!.Portlandzement

2. Hochbasisches
Kalziumhydroaluminat

3. Gemahlener Putzgips

4. Kalk

58

27,5

12,5

Die Ausgangsstoffe wiesen die folgende chemische Zusammensetzung auf:

Ausgangsstoffe Chemische Zusammensetzung in Gew.-%

SiO₂ Al₂O₃ Fe₂O₃ MgO

CaO

K₂O

SO₃

Glühverluste

Gcw.-%

1.	Portlandzement	20,9 i	4,90	2,81	6,17	58,7	1,21	3,22	1,68
2.	Gips	5,45	0,73	0,25	2,47	33,9		48,12	9,02
3.	Kalk	5,88	0,47	0,20	0,41	67,70	0,14		25,6

Hochbasisches Kalziumhydroaluminat wurde aus Stoffen bereitet, die in folgendern Gewichtsverhältnis genommen wurden:

!.Tonerdeschmelzzement 70

2. Gemahlener ungelöschter Kalk 30

Diese Stoffe wiesen die folgende Zusammensetzung auf.

Lfd.	Ausgangsstoffe	Glüh-	Chemische	Zusammensetzung,	^r?e₂0₃	in Gew.-%	CaO	Na₂O	K₂O	SO₃
Nr.		Verlustc	SiO₂	Al₂O₃		MgO
		Gew.-%			0,35		42,16	0,09	0,8	2,34
1.	Tonerdeschmelz	0,83	8,97	44,43		0,86
	zement				0,20		67,70	0,05	0,14	-
2.	Kalk	25,6	5,88	0,47	0,41

Zur Herstellung von hochbasischem Kalziumhydroaluminat wurden der Tonerdeschmelzzement und der Kalk von Hand innig vermischt und mit Wasser in einer Menge von 0,5%, bezogen auf das Gewicht der Trockenmischung, angemacht. Die mit dem Wasser innig vermischte Mischung wurde in den Exikator eingebracht und hermetisiert.

Nach Ablauf von 5 Tagen wurde die erhärtete Mischung bei 60⁰C getrocknet und zerkleinert. Die

getrocknete Mischung wurde bis zu einer Mahlfeinheit von 3000 cm³/g gemahlen.

Der Quellzement wurde durch Mahlen seiner Bestandteile bis zu einer spezifischen Oberfläche von 4670 cmVg bereitet.

Die Prüfung der Qualität des Quellzementes erfolgte wie im Beispiel 1 beschrieben.

Die Prüfergebnisse des Betons sind in der folgenden Tabelle angeführt.

Kennwerte des Betons

Alter der Proben in Tagen

30

Freie Ausdehnung, %
Festigkeit, kp/cm²
Selbstvorspannen in kg/cm²

8,11
170
7,6

8

11,2

8,43
272
43,5

8,46 268 59,7

Beispiel 3
Herstellung von Vier-Komponenten-Quellzement

Die Bestandteile von Vier-Komponenten-Quellzement wurden in einer Kugelmühle durch zusätzliche Vermahlung vermischt, bei der es zu einer homogenen dispersen Verteilung in der Mischung der Ausgangsstoffe bis zu einer spezifischen Oberfläche von 4630 cm³/g kam. Die Ausgangsstoffe wiesen die folgende Zusammensetzung (in Gew.-°/o) auf:

1. Portlandzement

2. Tonerdeschmelzzement

3. Gemahlener Putzgips

4. Gemahlener
ungelöschter Kalk

62 20

Diese Bestandteile wiesen die folgende chemische Zusammensetzung auf:

Lld.	Ausgangsstoff	G Uih-	Chemische Zusammensetzung, in Gcw.-%	AI₂O.,	I⁷C₂O.,	MgO	CaO	Na₂O	K₂O	SO.,	Hydra-
Nr.		Verlust	SiO_:								tations-
											wasser

		Gew.-%		5,61	4,12	6,01	59,42	0,10	0,89	2,12
1.	Portlandzement	0,89	20,73	48,77	1,10		40,76	0,10	0,11	0,1
2.	Tonerde	0,05	6,66
	schmelzzement			0,73	0,25	2,47	33,9			48,12	9,02
3.	Gips		5,45	0,46	0,18	0,6	66,46	0,05	0,15
4.	Kalk	28.14	3,89

Die Prüfung der Qualität des erhaltenen Quellzcmcntes erfolgte wie in dem Beispiel 1 beschrieben.

Zur Prüfung der Wasser-, Benzin- und Gasdurchlassigkeit wurden gleichzeitig kegelförmige Proben, 30 mm dicke Scheiben gefertigt. .so

Bei der Prüfung auf Wasserdurchlässigkeit erzeugte man von der Seite der größeren Grundfläche der Scheibe einen Wasserdruck in Stufen jeweils von 2 atü pro Stunde und hielt die Probe nach Erreichen von 10 atü während 6 Stunden, Den Druck erhöhte man auf 20—24 atü und hielt die Probe während 3-4 Stunden Einen Teil der Proben hielt man bei diesem Drucl während I —3 Tage. In dieser Zeit wurde der Druck all« 30 Minuten kontrolliert.

Bei der Prüfung auf Benzin- und Gnsdurchlässigkei erhöhte man den Druck in Stufen jeweils von 1 atü un< hielt die Proben während 1 -2 Stunden.

Die Prüfergebnisse der Qualität des Zementes sind ii der folgenden Tabelle angeführt.

Konnworte von Heton Alter dor Probon in Tngon ims Quellzement ι τ, η Ι4 28

Freie Quolliing, %
Festigkeit, kp/etn²
Selbstvorspimncn,
kg/cm"¹ 0,56 1,15 3,17 3,99 4,01
282 150 350 450
41,6 57,3 73,2 81,3

Bei der Prüfung auf Durchlässigkeit wurden folgende Ergebnisse erhalten.
1. Proben in einer Anzahl von 20 Stück zeigten bei der Prüfung auf Wasserdurchlässigkeit keine Filtratio oder kein Lecken von Wasser bei einem Druck vo 20-24 atü,

9 10

2. Gasdurchlässigkeits-Koeffizient betrug bei einem 3. Benzindurchlässigkeits-Koeffizient betrug bei

Druck von 15 atü einem Druck von 23 atü

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Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung von Quellzement durch Vermischen von Portlandzement mit einer Quellkomponenle für die Erzeugung von Spannbeton, die aus kalziumalumin.'Uhaltigen Stoffen, Kalziumsulfat und Kalk hergestellt ist, gekennzeichnet durch die Verwendung einer Ausgangszusammensetzung die 70% Portlandzementklinker, 15% Alunit, 10% Gips und 5% ungelöschten Kalk enthält.

2. Verfahren zur Herstellung von Quellzement durch Vermischen von Portlandzement mit einer Quellkomponente, die aus kalziumaluminathaltigen Stoffen, Kalziumsulfat und Kalk hergestellt ist, gekennzeichnet durch die Verwendung einer Ausgangszusammensetzung, die 58% Portlandzement, 27,5% hochbasisches Kalziumhydroaluminat, 12,5% gemahlenen Putzgips und 2% Kalk enthält.

3. Verfahren zur Herstellung von Quellzement durch Vermischen von Portlandzement mit einer Quellkomponente, die aus kalziumaluminiumhaltigen Stoffen, Kalziumsulfat und Kalk hergestellt ist, gekennzeichnet durch die Verwendung einer Aus gangszusammensetzung, die 62% Portlandzement 20% Tonerdeschmelzzement, 14% gemahlener Putzgips und 4% gemahlenen ungelöschten Kall· enthält.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 2 odei 3, dadurch gekennzeichnet, daß der kalziumalumi nathaltige Stoff vor dem Vermischen gemeinsam mi dem Kalziumoxid einer Hydratation unterworfer wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekenn zeichnet, daß die vorherige Hydratation de: kalziumaluminathaltigen Stoffes und des Kalks be einer Temperatur im Bereich von 20 bis 150⁰C durchgeführt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 4 und 5, dadurcr gekennzeichnet, daß für die Hydratation de; kalziumaluminathaltigen Stoffes mit dem Kaliumoxid letzteres in einer Menge eingeführt wird welche die zur Bildung von hochbasischem Kalziumhydroaluminat notwendige Menge übersteigt.