DE4313148C2 - Umweltgerechter Schnellzement, insbesondere für Spritzbeton - Google Patents
Umweltgerechter Schnellzement, insbesondere für SpritzbetonInfo
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Description
Die Anwendung der Spritzbetonbauweise im Tunnelbau ist in
jüngster Zeit zunehmend in Kritik geraten. Die Gründe liegen
zum einen an der Verfahrens
technik, zum anderen am Baustoff selbst, insbesondere was die
Umweltrelevanz anbelangt. Die herkömmliche Spritztechnik setzt
sowohl beim Naß- als auch beim Trockenverfahren große Mengen
an hochalkalischen Beschleunigern ein, die eine latente Gesundheitsgefährdung
für das Bedienungspersonal darstellen. Darüberhinaus erreicht
der beschleunigte Beton deutlich geringere Endfestigkeiten als
ein unbeschleunigter Beton und bietet infolge seiner größeren
Porosität eine empfindliche Angriffsfläche beispielsweise
gegenüber kalkaggressiven Bergwässern.
Die Anforderungen an einen umweltgerechten Beton sind damit
klar definiert: Der Beton sollte einerseits dicht und von
hoher Endfestigkeit sein, andererseits aber auch über eine
ausreichende Frühfestigkeit verfügen, um bei der angewendeten
Spritzbetontechnik einen guten Haftverbund des Baustoffs zu
erzielen.
Das in der DE 33 40 681 C2 mit der Bezeichnung "Verwendung von
Gips-, Anhydrit- und beschleunigerfreiem Zement als Spritzzement"
beschriebene System versucht diese Eigenschaften zu erreichen,
indem es bei der Zementherstellung auf den Einsatz eines zuge
mahlenen Sulfatträgers verzichtet, und den Zementklinker ohne
Gips vermahlt.
Hierzu ist festzustellen, daß die Verwendung von Gips bei der
Zementmahlung erst mit der Entwicklung der wesentlich reak
tiveren Drehofenklinker angewendet wurde. Bei den zuvor pro
duzierten, reaktionsträgen Schachtofenklinkern wurde bei der
Zementherstellung in den Vereinigten Staaten von Amerika beispielsweise
kein Gips zugemahlen. Insofern liegen grundsätzliche Erkenntnisse über die
Hydratation von gipsfreien Systemen aus der Praxis bereits vor.
Es ist andererseits ebenso bekannt, daß ein solcher gipsfreier
Zement zu einem Raschbinder führt, und der Baustoff letztlich
geringere Endfestigkeiten bei einer höheren Porosität erreicht.
Bei dem Vorschlag gemäß DE 33 40 681 C2 versucht man, diese
Nachteile über den Einsatz von amorpher Kieselsäure als
festigkeits- und dichtigkeitssteigernden Zusatz für den Beton
auszugleichen. Letztlich bleibt aber immer noch das Problem,
daß das Hydratationsprodukt des Tricalciumaluminates in
einem solchen Bindemittel, nämlich überwiegend Tetracalcium
aluminathydrat mit von außen
angebotenem, löslichem Sulfat begierig zu Ettringit weiter
reagiert und, durch den bei dieser Reaktion auftretenden
Kristallisationsdruck, ein bereits verfestigtes Gefüge zer
stören kann.
Die bisherigen Verfahren und Systeme des Standes der Technik
konnten also die an ein solches Bindemittel zu stellenden
Anforderungen nicht voll erfüllen.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde,
einen umweltgerechten Schnellzement bereitzustellen, der bei
einer genügenden Verarbeitungszeit über eine ausreichende Früh
festigkeit verfügt und der eine niedrigere Alkalität aufweist,
als die eines normalen Portlandzements.
Der erfindungsgemäße Zement enthält weder aluminathaltige Er
starrungsbeschleuniger, noch irgendwelche anderen alkalisch
reagierenden Zusätze; er enthält demgegenüber außer einem
handelsüblichen Zementklinker einen Sulfatträger, einen
handelsüblichen Erstarrungsverzögerer, einen festigkeits
steigernden Zusatzstoff sowie einen handelsüblichen Beton
verflüssiger und/oder einen Plastifizierer.
Ausgehend vom Portlandzementklinker wird dem zu ermahlenden
Bindemittel ein Sulfat-Träger in Form eines natürlichen
Anhydrits(Anhydrit II)zugemahlen, wobei ein Anhydrit mit
einem Reinheitsgrad von < 80% zur
Anwendung kommt. Die Einsatzmenge des Sulfatträgers kann
zwischen 0,5 und 10% variieren.
Der Einsatz eines solchen Sulfatträgers bewirkt im
Normalfall ein relativ rasches Ansteifen des Zementleims, da
dem Zement für seine Anfangshydratation keine ausreichende
Menge an leichtlöslichem Sulfat zur Verfügung steht; bei Wasserzugabe
verläuft seine Hydratation zunächst nicht unter Bildung von
noppenförmigem Ettringit, sondern unter Bildung von Ca-Aluminathydraten
bzw. Monosulfaten. Die Bildung großer
Mengen an Calciumaluminathydrat und -monosulfat ist aber,
wie bereits geschildert, in der Praxis unerwünscht, da sie
das Schwindverhalten des Mörtels bzw. Betons negativ beein
flussen, die Porosität des Gefüges vergrößern und die End
festigkeit mindern.
Erfindungsgemäß wird das vorliegende technische Problem
dadurch gelöst, daß dem Bindemittel eine Di.- bzw. Tricarbon
säure bzw. deren Salze, wie z. B. Weinsäure oder Citronensäure
oder deren Alkalisalze, zugegeben wird. Diese zunächst dem
Fachmann unverständlich erscheinende Maßnahme wird ver
ständlich, wenn man die Wirkung dieses Verzögerers genauer
betrachtet. Die Zugabe dieses Stoffes bewirkt nämlich bei
der oben angegebenen Auswahl des Sulfatträgers eine Steigerung
der Löslichkeit des Anhydrits und darüber hinaus gleichzeitig
einen größeren C₃A-Umsatz direkt nach der Wasserzugabe zum
Zement. Daraus resultiert eine vermehrte Bildung von Ettringit,
der aber im Gegensatz zu dem beim normalen Erstarren in kurz
stengeliger Form gebildeten Ettringit, in langstieliger Form
auskristallisiert, die Zwischenräume zwischen den Zementpartikeln
überbrückt und zu einem raschen Erstarren des Bindemittelleims- bzw.
-mörtels führt. Diese Reaktionsabläufe sind ausführlich
beschrieben in RICHARTZ: Einfluß von Zusätzen auf das Erstarren
und Erhärten von Zement, Forschungsbericht VDZ 1983).
Der erfindungsgemäße Vorschlag besteht also auch darin, diese,
in den angeführten Untersuchungen als unerwünscht und negativ
beurteilten, Effekte für die beschriebene Anwendung im Spritz
beton zu nutzen.
In der oben beschriebenen Kombination von Klinker und Sulfat
träger, wirkt dieser Verzögerer also als Beschleuniger für das
Erstarren des Zements.
Im Gegensatz zu der angeführten DE 33 40 681 C2 weist der
erfindungsgemäße Zement den Vorteil auf, daß das Rest
potential des feingemahlenen Sulfatträgers in Form von Anhydrit
mit dem ebenso vorhandenen reaktiven Tricalciumaluminat zu
dichtigkeits- und festigkeitssteigernden Hydratationsprodukten
reagieren kann. Diese Reaktion ist innerhalb von 48 Stunden nach
Wasserzugabe beendet, so daß die Gefahr einer Gefügeschädigung
nicht entstehen kann.
Man hat letztendlich in dem hydratisierten Zement nur die in
herkömmlichen Zementen vorhandenen und hinsichtlich der Dauer
haftigkeit und Zuverlässigkeit des Baustoffs Beton bewährten
Endprodukte.
Aus der Literatur war bekannt, daß der Einsatz des oben genannten
Verzögerers die Hydratation der Silicate im Zement bis zu einem
Zeitraum von 3 Tagen vermindert und damit bis zu dem genannten
Zeitraum niedrigere Druckfestigkeiten auftreten, als bei dem
Zement ohne Verzögerer. Die späteren Festigkeiten sind dann
meist höher.
Erfindungsgemäß wurde dieses Problem dadurch gelöst, daß
man dem Bindemittel bei der Herstellung durch gemeinsames
Mahlen oder separates Feinmahlen und anschließendem Mischen
einen Zusatzstoff zugegeben hat, der bereits zu frühen
Hydratationszeitpunkten festigkeitssteigernd wirkt.
Als solcher Zusatzstoff kann, neben dem bereits genannten
Silicastaub, vorzugsweise ein getempertes Aluminiumsilikat,
nämlich Metakaolin und/oder getemperte
Tone, sogenannte Residual-Tone,
die aus der Aluminium-Herstellung bekannt sind, eingesetzt werden.
Ein weiterer Vorteil des Meta-Kaolins besteht in seiner
Absorptionsfähigkeit, wie z. B. von Alkalien aus wäßrigen
Lösungen. Dadurch kann die Alkali-Kapazität
und der pH-Wert des eingesetzten Zements reduziert werden. In
herkömmlichen Spritzbetonsystemen mit alkalischen Beschleunigern könnte
dadurch die Gefahr der Alkaliauslaugung verringert werden.
Metakaolin ist nachweislich in der Lage, mit dem bei der
Hydratation des Zementes freiwerdenden Kalkhydrat bereits
zu frühen Zeitpunkten festigkeitssteigernde Calciumsilikat
hydrate zu bilden.
Das erfindungsgemäße Bindemittel wird daher durch die Zugabe der
Zusatzstoffe auch in der Weise verändert, daß das im Ver
gleich zu einem handelsüblichen Portlandzement vorhandene
Potential an Kalkhydrat, durch den Zusatzstoff deutlich
vermindert wird. Darüber hinaus wird das Zusammenhalten des
Mörtels bzw. Betons, die Dichtigkeit und der Widerstand gegen
Auslaugung verbessert.
Als besonders günstig zeigt sich der Einsatz von Meta-Kaolin
im Hinblick auf die Reduzierung des Rückpralls beim
Spritzbeton.
Der erfindungsgemäße Zement (= Bindemittel) wird zu Recht als
umweltgerecht bezeichnet, da er
- a) keinerlei Beschleunigerzusatz beispielsweise Alkali aluminat bzw. Alkalicarbonat enthält,
- b) seine Alkalität niedriger als die eines normalen Portlandzements ist,
- c) er eine besondere Widerstandsfähigkeit gegen Auslaugung oder den Angriff aggressiver Medien aufweist.
Nachfolgend sind einige Beispiele für das erfindungsgemäße
Bindemittel angeführt:
Tabelle 1 enthält zunächst die aus der Literatur entnommenen Hin
weise auf die Festigkeitsanforderungen an einen Spritzbeton J2
entsprechend der Richtlinie Spritzbeton, Teil 1 der ausgegebenen vom
österreichischen Betonverein, Januar 1989.
Tabelle II enthält vier beispielhafte Ausführungsformen,
nämlich A, B, C und D von erfindungsgemäßen, umweltgerechten
Schnellzementen sowie deren Druckfestigkeiten.
Ein Vergleich mit den Zahlenwerten der Tabelle 1 der
Richtlinie zeigt den mit der Erfindung zu erreichenden,
sprunghaften, technischen Fortschritt.
Die von der Richtlinie geforderten Festigkeiten für einen
Spritzbeton J2 werden übertroffen.
Claims (4)
1. Umweltgerechter Schnellzement, insbesondere zur
Herstellung von Spritzbeton, enthaltend neben einem
handelsüblichen Zementklinker einen Sulfatträger, einen
Erstarrungsbeschleuniger, einen festigkeitssteigernden
Zusatzstoff sowie einen handelsüblichen Betonverflüssiger
und/oder Plastifizierer,
dadurch gekennzeichnet,
daß der SO₄-Träger natürlicher, schwer löslicher Anhydrit II ist,
daß der Erstarrungsbeschleuniger eine Di- oder Tricarbonsäure oder deren Salze ist/sind,
daß der festigkeitssteigernde Zusatzstoff feinteilige Kieselsäure oder Metakaolin ist,
wobei das Verhältnis des Anhydrits zu dem Erstarrungsbeschleuniger 10 : 1 bis 7,5 : 1 beträgt.
daß der SO₄-Träger natürlicher, schwer löslicher Anhydrit II ist,
daß der Erstarrungsbeschleuniger eine Di- oder Tricarbonsäure oder deren Salze ist/sind,
daß der festigkeitssteigernde Zusatzstoff feinteilige Kieselsäure oder Metakaolin ist,
wobei das Verhältnis des Anhydrits zu dem Erstarrungsbeschleuniger 10 : 1 bis 7,5 : 1 beträgt.
2. Umweltgerechter Schnellzement nach Anspruch 1 und 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß er 0,5 bis 10 Masse-% an schwerlöslichem, natürlichen
Anhydrit enthält.
3. Umweltgerechter Schnellzement nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß er 1,0 bis 6,0 Masse-% an schwerlöslichem,
natürlichen Anhydrit enthält.
4. Umweltgerechter Schnellzement nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß er als Zementklinker einen Portlandzementklinker
enthält.
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