DE69632311T2

DE69632311T2 - Flugasche enthaltendes zementmaterial

Info

Publication number: DE69632311T2
Application number: DE1996632311
Authority: DE
Inventors: Thomas Silverstrim; Hossein Rostami; Jesus Larralde; Anamolah Samadi
Original assignee: Zeo Tech Corp
Current assignee: Zeo Tech Corp
Priority date: 1995-02-17
Filing date: 1996-02-14
Publication date: 2005-02-17
Anticipated expiration: 2016-02-15
Also published as: CA2243977C; CZ248898A3; EP0809613B1; US5601643A; ATE265399T1; CA2243977A1; WO1996025369A1; ES2220971T3; DE69632311D1; AU4922696A; EP0809613A1; EP0809613A4

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft im allgemeinen Zementmaterialien. Insbesondere betrifft die Erfindung chemisch aktivierte Flugaschezementmaterialien.
Hintergrund der Erfindung
Portlandzementbeton ist, obgleich er im Hochbau brauchbar ist, in seiner Anwendung aufgrund seiner langen Härtungszeit zur Erzielung einer hohen Druckfestigkeit beschränkt. Chemische Zusätze, wie Superweichmacher und Härtungsbeschleuniger, die Portlandzement zugegeben werden, erzeugen eine hohe frühe Druckfestigkeit, sind jedoch teuer.
Flugasche, die auf die Mülldeponie gelangt oder in Oberflächenansammlungen gelagert wird, stellt Umweltprobleme dar, die mit der möglichen Boden- und Grundwasserverunreinigung zusammenhängen. Es wurde im Stand der Technik versucht, diese Probleme anzugehen, indem als Mittel zur Beseitigung von Flugasche während der Herstellung von Beton, Flugasche Portlandzement beigemischt wird.
P. Kumar Mehta et al., Concrete Structure, Properties and Materials, Seiten 269–271, (1986) lehrt, daß Flugasche mit Portlandzement gemischt werden kann, um die Festigkeit und chemische Beständigkeit von Portlandzementbeton zu verbessern. Das Mischen von Flugaschen, wie Flugasche der Klasse F und der Klasse C, mit Portlandzement hat jedoch nur begrenzte Akzeptanz gefunden, da die niedrige pozzuolartige Reaktivität von Flugasche dazu neigt, die Abbindungszeit von Portlandzementbeton zu erhöhen.
Die Abbindungszeit von Mischungen aus Flugasche und Portlandzement kann jedoch durch Alkalisilicate verkürzt werden. Beispielsweise gibt Talling, B., "Effect of Curing Conditions on Alkali Activated Slags", Fly Ash, Silica Fume, Slag, and Natural Pozzolans in Concrete, herausgegeben von V. M. Malhotra, Seiten 1485–1500, (1989), an, daß Natriumsilicat die Geschwindigkeit der Entwicklung der Festigkeit bei Hochofenschlacke erhöht.
J. Wastiels et al. "Mineral Polymer Based on Fly Ash", Proceedings of the 9th International Conference on Solid Waste Management, Widener University, Philadelphia, PA (1993), zeigt das Mischen von Flugasche und wässerigem Natriumsilicat, wobei das Verhältnis von SiO₂ : Na₂O in der Silicatlösung mindestens etwa 0,80 : 1 beträgt. Obgleich diese Zusammensetzungen wärmegehärtet werden können, härten sie aufgrund des Bedarfs an sehr großen Mengen der wässerigen Natriumsilicatlösungen, die sehr hohe SiO₂ : Na₂O Verhältnisse haben, langsam aus.
WO-A-92/22514 offenbart eine Zementbindemittelmischung, die beträchtliche Mengen (bis zu 95%) Flugasche enthalten kann. Die Flugasche wird mit einer Bindemittelmischung gemischt, die Eisenoxid, ein Silicat, das ein Natriumsilicat sein kann, und ein Alkalihydroxid enthält, das ein Natriumhydroxid sein kann. Es wird kein Verhältnis von SiO₂ : M₂O in der Bindemittelmischung angegeben. Die Druckfestigkeit der aus dieser Mischung gebildeten Teile ist nicht höher als etwa 44 MPa.
US-A-4642137 beschreibt ein Mineralbindemittel zur Verwendung zusammen mit Portlandzement. Das Bindemittel wird aus sechs unterschiedlichen wesentlichen Komponenten hergestellt, nämlich Metakaolin, Schlacke, einem weiteren Material, das Flugasche sein oder umfassen kann, Siliciumdioxiddampf (amorphem Siliciumdioxid) und Kaliumsilicat und Kaliumhydroxid. Die Verwendung der amorphen Siliciumdioxidkompo nente wird als das wichtigste Merkmal erachtet und kein spezifisches Verhältnis von SiO₂ : M₂O ist offenbart.
Deshalb besteht weiterhin ein Bedarf an Zementmaterialien, die schnell eine hohe Druckfestigkeit in verkürzten Zeiträumen erreichen können.
Zusammenfassung der Erfindung
Die Erfindung stellt schnell härtende, hochfeste Zementmischungen, die Flugasche und Alkalisilicatbindemittel umfassen, nachstehend als CAFA Bindemittelmischung bezeichnet, in Übereinstimmung mit Anspruch 1 zur Verfügung.
Die CAFA-Bindemittelmischungen können mit feinen Zuschlagstoffen gemischt werden, um CAFA-Mörtelmischungen zur Verfügung zu stellen. Die CAFA-Mörtelmischungen können mit groben Zuschlagstoffen, wahlweise mit Fasern, zur Schaffung von CAFA-Betonmischungen kombiniert werden. Jede der CAFA-Bindemittel-, Mörtel- und Betonmischungen kann bei erhöhten Temperaturen von etwa 40°C bis etwa 120°C gehärtet werden, um hochfeste Produkte zu ergeben.
Nachdem die Erfindung kurz zusammengefaßt wurde, wird die Erfindung nun detailliert unter Bezugnahme auf die nachfolgende Beschreibung und die nichtbeschränkenden Beispiele beschrieben. Wenn nichts anderes angegeben ist, sind alle Prozentsätze Gewichtsprozentsätze und alle Temperaturen sind in Grad Celsius angegeben.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die vorstehende Zusammensetzung sowie die nachfolgende detaillierte Beschreibung der Erfindung wird besser verstanden, wenn sie zusammen mit den beigefügten Zeichnungen gelesen wird. Zum Zweck der Veranschaulichung der Erfindung werden in den Zeichnungen Ausführungsformen gezeigt, die gegenwärtig bevorzugt werden. Es ist jedoch zu beachten, daß die Erfindung nicht auf die gezeigten, genauen Anordnungen und Mittel beschränkt ist.
1 zeigt die Druckfestigkeit der erfindungsgemäßen CAFA-Betonmischungen mit Bezug auf die Druckfestigkeit, die von Portlandzementbeton von Typ III, der bei 55°C wärmegehärtet wurde, erzielt wird.
2 zeigt die Beziehung zwischen der kombinierten Menge von Natriumsilicatlösungen und Natriumhydroxidlösungen in gehärteten CAFA-Mörtelmischungen und der Druckfestigkeit.
3 zeigt die Beziehung zwischen dem Kohlenstoffgehalt von Flugasche und der Druckfestigkeit für CAFA-Mörtelmischungen, die bei 80°C wärmegehärtet wurden.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Die Erfindung schafft neue Zementmaterialien, die Flugasche, gemischt mit Alkalisilicatbindemittel, umfassen. Die sich ergebende CAFA-Bindemittelmischung kann allein verwendet werden. Alternativ kann die CAFA-Bindemittelmischung mit feinen Zuschlagstoffen zur Schaffung von CAFA-Mörtelmischungen gemischt werden. In ähnlicher Weise können die CAFA-Mörtelmischungen allein verwendet werden oder des weiteren mit groben Zuschlagstoffen sowie wahlweise mit Fasern gemischt werden, um CAFA-Betonmischungen zu schaffen. Die CAFA-Bindemittelmischungen sowie die CAFA-Mörtelmischungen und die CAFA-Betonmischungen werden nachstehend insgesamt als CAFA-Zusammensetzungen bezeichnet.
Bei den erfindungsgemäßen CAFA-Zusammensetzungen wird Flugasche mit einem niedrigen Kohlenstoffgehalt, d. h. Flugasche der Klasse F verwendet, die weniger als etwa 6% Kohlenstoff enthält. Flugasche der Klasse F ist wie in ASTM C-618 definiert. Flugasche der Klasse F kann aus der Verbrennung von Steinkohle und Anthrazitkohle erhalten werden.
Typischerweise kann Flugasche der Klasse F in CAFA-Bindemittelmischungen in Mengen von etwa 10% bis etwa 90% vorhanden sein. Vorzugsweise ist die Flugasche der Klasse F in einer Menge von etwa 60 bis etwa 80 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der CAFA-Bindemittelmischung, vorhanden. Typischerweise weisen etwa 90% der Flugasche der Klasse F eine Teilchengröße mit einer größeren Teilchenabmessung von weniger als etwa 100 μm auf.
Das bei den CAFA-Bindemittelmischungen verwendete Alkalisilicatbindemittel ist eine Mischung einer Alkalisilicatkomponente und einer Alkalihydroxidkomponente. Die Alkalisilicatkomponente umfaßt vorzugsweise Natriumsilicat.
Die Alkalisilicatkomponente wird typischerweise in der Form einer wässerigen Lösung verwendet. Die Alkalisilicatkomponente umfaßt vorzugsweise etwa 38% bis etwa 55%, stärker bevorzugt etwa 38% bis etwa 39% Alkalisilicatfeststoffe und etwa 45% bis etwa 62%, stärker bevorzugt etwa 61% bis etwa 62% Wasser, bezogen auf das Gewicht der Lösung. Im Handel erhältliche Natriumsilicatlösungen, die ein SiO₂ : Na₂O Verhältnis von etwa 2 : 1 bis etwa 3,22 : 1 aufweisen, können als Alkalisilicatkomponente verwendet werden. Natriumsilicatlösungen mit einem Verhältnis von SiO₂ : Na₂O innerhalb dieses Bereichs sind von der PQ Corporation, Valley Forge, PA, erhältlich.
Die Alkalihydroxidkomponente umfaßt vorzugsweise Natriumhydroxid. Die Alkalihydroxidkomponente kann etwa 25% bis etwa 100%, vorzugsweise etwa 25% bis etwa 75% Natriumhydroxid und bis etwa 75%, vorzugsweise etwa 25% bis etwa 75% Wasser, bezogen auf das Gewicht der Natriumhydroxidkomponente, umfassen.
Das Alkalisilicatbindemittel wird vorzugsweise aus etwa 25% bis etwa 75% der Alkalisilicatkomponente und etwa 25% bis etwa 75% der Alkalihydroxidkomponente, bezogen auf das Gewicht des Alkalisilicatbindemittels, gebildet. Die relativen Menge jeder Komponente kann variiert werden, so lange das Alkalisilicatbindemittel ein SiO₂ : Na₂O Gewichtsverhältnis von etwa 0,20 : 1 bis etwa 0,75 : 1 aufweist. Das Alkalisilicatbindemittel weist vorzugsweise überwiegend monomere Silicationen in Lösung auf. Das Alkalisilicatbindemittel besitzt typischerweise einen pH von etwa 10 bis etwa 14,6, wobei höhere pH Werte in dem Bereich bevorzugt sind.
CAFA-Bindemittelmischungen können durch Mischen des Alkalisilicatbindemittels, der Flugasche und wahlweise zusätzlichen Wassers hergestellt werden. Wie nachstehend verwendet, soll zusätzliches Wasser Wasser bedeuten, das einer CAFA-Zusammensetzung zusätzlich zu dem in dem Alkalisilicatbindemittel vorhandenen Wasser zugegeben wird. Besondere Mischverfahren sind nicht erforderlich, um das Alkalisilicatbindemittel, Flugasche und zusätzliches Wasser zu mischen. Die Mengen der Flugasche, des zusätzlichen Wassers, der feinen Zuschlagstoffe und der groben Zuschlagstoffe, der Alkalihydroxidkomponente und der Alkalisilicatkomponente, die zur Herstellung von CAFA-Bindemittelmischungen verwendet werden, CAFA-Mörtelmischungen und CAFA-Betonmischungen sind nachstehend als jeweils auf das Gesamtgewicht dieser Mischungen bezogen ausgedrückt. Des weiteren wird die Menge der Alkalisilicatkomponente, die in diesen Zusammensetzungen enthalten ist, nachstehend als auf die Verwendung einer wässerigen Alkalisilicatkomponente bezogen ausgedrückt, die eine wässerige Alkalisilicatlösung ist, die etwa 38% Natriumsilicatfeststoffe enthält. Die Menge der Alkalihydroxidkomponente in diesen Zusammensetzungen wird nachstehend als auf die Verwendung einer Alkalihydroxidkomponente bezogen ausgedrückt, die eine 50%ige wässerige Alkalihydroxidlösung ist, die etwa 50% NaOH Feststoffe aufweist.
CAFA-Bindemittelmischungen können, wie vorstehend beschrie ben, mit etwa 1% bis etwa 50%, vorzugsweise etwa 2% bis etwa 20%, stärker bevorzugt etwa 10% bis etwa 15%, der Alkalisilicatkomponente, etwa 2% bis etwa 20%, stärker bevorzugt etwa 10% bis etwa 15%, der Alkalihydroxidkomponente, bis etwa 10%, stärker bevorzugt bis etwa 4% zusätzlichem Wasser und etwa 15% bis etwa 90%, stärker bevorzugt etwa 60% bis etwa 80%, der Flugasche der Klasse F hergestellt werden. Die Prozentsätze dieser Komponenten können jedoch in Übereinstimmung mit dem Feststoffgehalt der Alkalisilicat- und Alkalihydroxidkomponenten variieren.
Verschiedene Zusätze können der CAFA-Bindemittelmischung einverleibt werden, um für gewünschte ästhetische Eigenschaften sowie für die Verbesserung der Entwicklung der Festigkeit, zu sorgen. Beispiele solcher Zusätze umfassen, sind jedoch nicht beschränkt auf, Färbemittel wie Farbstoffe. Zusätze, die für die Entwicklung der Festigkeit brauchbar sind, umfassen feine Pulver und wässerige Lösungen von mehrwertigen Verbindungen wie Aluminaten, Ferriten und Calcium. Diese Zusätze sorgen für mehrwertige Metallkationen, die zur Verringerung der Löslichkeit der in der CAFA-Bindemittelmischung vorhandenen Silicatstrukturen dienen, um die Haltbarkeit und Witterungsbeständigkeit zu verbessern. Obgleich gelöschter Kalk und kalkhaltige Produkte in der CAFA-Bindemittelmischung vorhanden sein können, ist ihre Gegenwart nicht erforderlich.
Portlandzement kann in CAFA-Bindemittelmischungen in Mengen von bis zu etwa 15 Gew.-% der CAFA-Bindemittelmischung enthalten sein. Portlandzement bedeutet im Handel erhältliche Zusammensetzungen eines Materials auf der Basis von Calcium, das durch exotherme Hydration härtet, wobei Wasser mit den Bestandteilen des Zements reagiert. Typische Portlandzementzusammensetzungen umfassen etwa 55% bis etwa 65% CaO, etwa 17% bis etwa 25% SiO₂, etwa 5% bis etwa 10% Al₂O₃, wobei der Rest Fe₂O₃, Na₂O, K₂O, Kohlenstoff und unlösliche Materialien ist.
CAFA-Mörtelmischungen können durch Mischen von CAFA-Bindemittelmischungen mit feinen Zuschlagstoffen hergestellt werden. Feine Zuschlagstoffe besitzen eine Teilchengröße im Bereich von etwa 0,25 mm bis etwa 4 mm und eine Teilchengrößenveränderung innerhalb dieses Bereichs, die ASTM C-33 entspricht. CAFA-Mörtelmischungen können hergestellt werden durch Mischen von etwa 30% bis etwa 99%, vorzugsweise etwa 40% bis etwa 60% CAFA-Bindemittelmischung und etwa 1% bis etwa 70%, stärker bevorzugt etwa 40% bis etwa 60% feine Zuschlagstoffe. Noch stärker bevorzugt können CAFA-Mörtelmischungen durch Mischen von etwa 45% bis etwa 55% CAFA-Bindemittelmischung und etwa 45% bis etwa 55% feinen Zuschlagstoffen hergestellt werden.
So können CAFA-Mörtelmischungen gemischt werden, um einen breiten Bereich von Mengen an Flugasche, zusätzlichem Wasser, der Alkalisilicatkomponente, der Alkalihydroxidkomponente und feinen Zuschlagstoffen zu umfassen. CAFA-Mörtelmischungen können mit etwa 15% bis etwa 60%, vorzugsweise etwa 25% bis etwa 50%, stärker bevorzugt etwa 30% bis etwa 50% Flugasche der Klasse F, bis etwa 10%, vorzugsweise bis etwa 5%, stärker bevorzugt bis etwa 3% zusätzlichem Wasser, etwa 1% bis etwa 20%, vorzugsweise etwa 2% bis etwa 10% der Alkalisilicatkomponente, etwa 1% bis etwa 20%, vorzugsweise etwa 2% bis etwa 10% der Alkalihydroxidkomponente und etwa 0,1% bis etwa 60%, vorzugsweise etwa 30% bis etwa 60%, stärker bevorzugt etwa 40% bis etwa 60%, feinen Zuschlagstoffen hergestellt werden. Alle Prozentsätze sind auf das Gesamtgewicht der CAFA-Mörtelmischung bezogen.
CAFA-Betonmischungen können durch Mischen eines breiten Bereichs von CAFA-Mörtelmischungen, groben Zuschlagstoffen und zusätzlichem Wasser hergestellt werden. Die Menge der groben Zuschlagstoffe in der CAFA-Betonmischung ist ähnlich der Menge der groben Zuschlagstoffe, die bei dem Portlandzementbeton verwendet wird. Brauchbare grobe Zuschlagstoffe umfassen übliche Kiesel und Steine der Größe, die vergleichbar mit derjenigen ist, die bei der Herstellung von Portlandzementbeton verwendet wird. Besonders brauchbare grobe Zuschlagstoffe sind diejenigen, die ASTM C-33 erfüllen.
CAFA-Betonmischungen können mit etwa 25% bis etwa 99,9%, vorzugsweise etwa 40% bis etwa 80%, stärker bevorzugt etwa 45% bis etwa 65% CAFA-Mörtelmischung, etwa 0,1 bis etwa 75%, vorzugsweise etwa 20% bis etwa 60%, stärker bevorzugt etwa 35% bis etwa 55% groben Zuschlagstoffen und bis etwa 15%, vorzugsweise bis etwa 10%, stärker bevorzugt bis etwa 5% zusätzlichem Wasser hergestellt werden.
CAFA-Betonmischungen können so mit einem breiten Bereich der Menge an Flugasche, zusätzlichem Wasser, Alkalisilicatkomponente, Alkalihydroxidkomponente, feinen Zuschlagstoffen und groben Zuschlagstoffen hergestellt werden. CAFA-Betonmischungen können mit etwa 10% bis etwa 90%, vorzugsweise etwa 15% bis etwa 90%, stärker bevorzugt etwa 15% bis etwa 30%, noch stärker bevorzugt etwa 15% bis etwa 25% Flugasche der Klasse F hergestellt werden. Zusätzliches Wasser kann in einer Menge von bis etwa 10%, vorzugsweise etwa 3% verwendet werden. Die bei der CAFA-Bindemittelmischung verwendete Alkalisilicatkomponente kann in einer Menge von etwa 1% bis etwa 20%, vorzugsweise etwa 2% bis etwa 4%, verwendet werden. Die bei der CAFA-Bindemittelmischung verwendete Alkalihydroxidkomponente kann in einer Menge von etwa 1% bis etwa 20%, vorzugsweise etwa 2% bis etwa 4% verwendet werden. Feine Zuschlagstoffe können in einer Menge bis etwa 85%, vorzugsweise etwa 20% bis etwa 70%, stärker bevorzugt etwa 25% bis etwa 35%, verwendet werden. Grobe Zuschlagstoffe können in einer Menge von etwa 1% bis etwa 85%, vorzugsweise etwa 40% bis etwa 60%, stärker bevorzugt etwa 40% bis etwa 50%, verwendet werden. Alle Prozentsätze sind auf das Gesamtgewicht der CAFA-Betonmischung bezogen.
Bei der CAFA-Betonmischung können Faserverstärkungen verwen det werden. Brauchbare Faserverstärkungen umfassen Fasern wie Stahl, Glas, Polypropylen, Graphit, Kohlenstoff, Niederdruckpolyethylen wie Spectra^® von E. I. DuPont de Nemours & Co., und Aramidfasern wie Kevlar^®, auch von E. I. DuPont de Nemours & Co erhältlich. Der Typ der verwendeten Verstärkungsfasern hängt von den in dem endgültigen Betonprodukt gewünschten Eigenschaften ab. Beispielsweise können Stahlfasern verwendet werden, um Betonprodukte mit erhöhter Bruchzähigkeit zu versehen.
Das Mischen von CAFA-Zusammensetzungen wird durchgeführt, um eine Viskosität zu ergeben, die ausreichend niedrig ist, um die CAFA-Zusammensetzungen zu transportieren und zu gießen, aber hoch genug, um eine Abtrennung der darin enthaltenen Feststoffteilchen zu verhindern. Die Viskosität der CAFA-Zusammensetzungen kann durch Ändern der Menge und des Typs der Flugasche, der Menge der Silicatkomponente und der Alkalihydroxidkomponente in dem Alkalisilicatbindemittel sowie der Temperatur des Alkalisilicatbindemittels gesteuert werden. Beispielsweise verringert das Erhöhen der Menge des Alkalisilicatbindemittels in der CAFA-Bindemittelmischung die Viskosität der CAFA-Bindemittelmischung. Das Erhöhen der Temperatur des Alkalisilicatbindemittels verringert auch die Viskosität der CAFA-Bindemittelmischung.
Jede der CAFA-Zusammensetzungen kann zu einer Vielzahl von Formen gegossen werden. Während des Gießens können die CAFA-Zusammensetzungen zur Eliminierung von Luftblasen gerüttelt und gestampft werden. Jede der gegossenen CAFA-Zusammensetzungen kann dann wärmegehärtet werden, um Produkte mit überlegender Festigkeit und angenehmen ästhetischen Eigenschaften herzustellen.
Gegossene CAFA-Zusammensetzungen können an Ort und Stelle mittels Wärmelampen, Isolierdecken und dergleichen sowie mittels Mikrowellenerwärmen gehärtet werden. Wärmehärten der CAFA-Zusammensetzungen wird jedoch typischerweise in einem Ofen bei etwa 40°C bis etwa 120°C, vorzugsweise etwa 50°C bis etwa 100°C, während einer Härtungszeit durchgeführt, die ausreicht, um Produkte mit einer hohen Druckfestigkeit zu ergeben. Wie hier verwendet, wird unter Härtungszeit die Zeit verstanden, die erforderlich ist, um eine Menge Wasser auszutreiben, die ausreicht, um ein selbsttragendes Produkt zu ergeben. Die Härtungszeit beträgt typischerweise etwa 1,5 Stunden bis etwa 60 Stunden. Das Wärmehärten kann bei einem großen Bereich von Drücken, die von etwa 0,3 Atmosphären bis etwa 100 Atmosphären variieren, durchgeführt werden. Vorzugsweise wird das Wärmehärten bei Atmosphärendruck durchgeführt.
Die gegossenen CAFA-Zusammensetzungen werden nach Wärmehärten bei hohen Temperaturen zur Schaffung einer gehärteten CAFA-Zusammensetzung aus der Form entfernt und vorzugsweise bei Raumtemperatur bei einer relativen Feuchtigkeit von etwa 20% bis etwa 30% während eines Zeitraums von etwa einer Stunde bis etwa 31 Tagen, vorzugsweise etwa einer Stunde bis etwa sieben Tagen, gehalten. Die CAFA-Zusammensetzungen können jedoch bei erhöhten Temperaturen von etwa 40°C bis etwa 120°C wärmegehärtet, aus der Form entfernt und weiter bei weniger hohen Temperaturen von etwa 40°C bis etwa 70°C wärmegehärtet werden. Das weitere Wärmehärten bei weniger hohen Temperaturen kann zum Härten von Dichtungsmassen oder einer anderen Oberflächenbehandlung brauchbar sein, die auf die gehärtete CAFA-Zusammensetzung aufgebracht wurde(n).
Die gehärteten CAFA-Zusammensetzungen der Erfindung, wie mittels Röntgenstrahlbeugung identifiziert, unterscheiden sich von nichtumgesetzter Flugasche. Während die Anmelder nicht durch irgendeine bestimmte Theorie gebunden sein wollen, nehmen sie an, daß das Mischen von Flugasche mit Alkalisilicatbindemittel und Wärmehärten des sich ergebenden Materials in Übereinstimmung mit der Erfindung die Kristallinität des Quarzes, Mullits und anderer kristalliner Komponenten der Flugasche zur Schaffung einer neuen Zusammenset zung verringert.
Die Erfindung wird nun durch die nachfolgenden, nichteinschränkenden Beispiele weiter veranschaulicht.
Beispiele 1 bis 2: CAFA-Bindemittelmischungen
Natriumsilicatbindemittel wird durch Mischen der Natriumhydroxidkomponente und der Natriumsilicatkomponente hergestellt. Die Natriumhydroxidkomponente ist ein 50%iges wässeriges Natriumhydroxid, das einen NaOH-Feststoffgehalt von 50% besitzt. Die Natriumsilicatkomponente weist 37,6% Natriumsilicatfeststoffe, die ein SiO₂ : Na₂O Verhältnis von 3,22 : 1 aufweisen, und 62,4% Wasser auf. Dieses Natriumsilicat ist im Handel als Typ N Natriumsilicat von der PQ Corporation, Valley Forge, Pennsylvania, erhältlich. Das sich ergebende Natriumsilicatbindemittel umfaßt 24,44% Na₂O, 13,96% SiO₂, ein SiO₂ : Na₂O Verhältnis von 0,57 : 1 und 61,6% H₂O. Das Natriumsilicatbindemittel wird mit Flugasche gemischt, um die CAFA-Bindemittelmischung von Tabelle 1 zu ergeben. Die Mengen der Natriumhydroxidkomponente und der Natriumsilicatkomponente, die zur Bildung des Natriumsilicatbindemittels verwendet werden, sowie die Menge der Flugasche in der CAFA-Bindemittelmischung sind in Tabelle 1 angegeben, wobei die Prozentsätze auf das Gesamtgewicht der CAFA-Bindemittelmischung bezogen sind.
Tabelle 1
Zwei Proben der CAFA-Bindemittelmischung von Tabelle 1 werden 18 Stunden bei 90°C wärmegehärtet und dann in einem Bereich mit Umgebungsbedingungen verbracht. Zwei Tage nach dem Gießen wurden Probestücke in Übereinstimmung mit ASTM C-192 und ASTM C-617 zur Messung der Druckfestigkeit hergestellt. Die Probestücke werden gemäß ASTM C-39 2 Tage nach dem Gießen getestet. Die Druckfestigkeiten sind in Tabelle 1A angegeben.
Tabelle 1A
Beispiele 3 bis 7: CAFA-Mörtelmischungen
Natriumsilicatbindemittel wird wie in den Beispielen 1 bis 2 mit der Ausnahme hergestellt, daß die Mengen der Natriumhydroxidkomponente und der Natriumsilicatkomponente von Tabelle 2 verwendet werden. Das sich ergebende Natriumsilicatbindemittel umfaßt 22,96% Na₂O, 13,74% SiO₂, 63,3% H₂O und ein Verhältnis von SiO₂ : Na₂O von 0,60 : 1. Das Natriumsilicatbindemittel wird mit Flugasche der Klasse F, zusätzlichem Wasser und feinen Zuschlagstoffen in einer Menge gemischt, die ausreicht, um die in Tabelle 2 angegebene CAFA-Mörtelmischung zu schaffen.
Tabelle 2
Proben der CAFA-Mörtelmischung von Tabelle 2 werden gegossen, bei 80°C während mehrerer Zeitspannen wärmegehärtet und in einen Bereich mit Umgebungsbedingungen verbracht. Probestücke zur Messung der Druckfestigkeit werden wie in den Beispielen 1 bis 2 angegeben, jedoch 12 Tage nach dem Gießen, hergestellt. Die Druckfestigkeit wird wie in den Beispielen 1–2 12 Tage nach dem Gießen gemessen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2A angegeben.
Tabelle 2A
Beispiel 8: CAFA-Betonmischungen
Natriumsilicatbindemittel wird wie in den Beispielen 1 bis 2 mit der Ausnahme hergestellt, daß die Mengen der Natriumhydroxidkomponente und der Natriumsilicatkomponente von Tabelle 3 verwendet werden. Das sich ergebende Natriumsilicatbindemittel umfaßt 18,94% Na₂O, 10,7% SiO₂, 70,4% H₂O und ein Verhältnis von SiO₂ : Na₂O von 0,57 : 1. Das Natriumsilicatbindemittel wird mit Flugasche, zusätzlichem Wasser sowie feinen und groben Zuschlagstoffen in Mengen gemischt, die ausreichend sind, um eine CAFA-Betonmischung mit der in Tabelle 3 angegebenen Zusammensetzung zu schaffen.
Tabelle 3
Die CAFA-Betonmischung wird gegossen, bei 50°C 18 Stunden wärmegehärtet und dann in einen Bereich mit Umgebungsbedingungen verbracht. 31 Tage nach dem Gießen wird ein Probestück zur Messung der Druckfestigkeit wie in den Beispielen 1 bis 2 hergestellt. Die Druckfestigkeit wird, wie in den Beispielen 1 und 2 beschrieben, mit der Ausnahme gemessen, daß die Druckfestigkeit 31 Tage nach dem Gießen gemessen wird. Das Ergebnis ist in Tabelle 3A gezeigt.
Tabelle 3A
1 zeigt die Druckfestigkeiten, die nach 7 Tagen bei Proben einer CAFA-Mörtelmischung erhalten wurden, die die gleiche Zusammensetzung wie Beispiel 3 hatte, als Funktion der Härtungszeit bei 80°C mit Bezug auf wärmegehärteten Portlandzementbeton vom Typ III. Die Proben der CAFA-Mörtelmischungen werden bei 80°C während der in 1 angegebenen Zeitspannen gehärtet und dann für den Rest des 7-tägigen Zeitraums in einen Bereich mit Umgebungsbedingungen verbracht wurden. Wie in 1 gezeigt, erreichen Proben, die bei 80°C 24 Stunden gehärtet wurden, eine Druckfestigkeit nach 7 Tagen von etwa 89,6 MPa (13.000 psi) und Proben, die bei 80°C 4 Stunden gehärtet wurden, erreichen eine Druckfestigkeit nach 7 Tagen von etwa 82,7 MPa (12.000 psi). Als Vergleich ist die Druckfestigkeit für Portlandzementbeton, der bei 55°C 10 bis 24 Stunden gehärtet wurde, etwa 34,5 MPa (5000 psi) 7 Tage nach dem Gießen. Die bei CAFA-Mörtelmischungen erhaltene Druckfestigkeit ist somit etwa zwei- bis etwa dreimal höher als diejenige des Portlandzementbetons. Ähnliche Erhöhungen der Festigkeit mit Bezug auf Portlandzementbeton werden nach 28 Tagen festgestellt.
Vorstehendes zeigt, daß die Erfindung CAFA-Mischungen schafft, die eine Druckfestigkeit viel schneller entwickeln als Portlandzementmaterialien. Bauprodukte, die früher bei Verwendung von Portlandzement für das Entfernen aus der Form 24 Stunden benötigten, können jetzt in etwa 1,5 bis 60 Stunden aus der Form entfernt werden. Diese schnelle Entwicklung der Festigkeit ermöglicht einen beträchtlich erhöhten Ausstoß der Produktionsanlagen.
Die Druckfestigkeiten der gehärteten CAFA-Zusammensetzungen der Erfindung variieren mit den Mengen der Natriumhydroxidfeststoffe und der Natriumsilicatfeststoffe, die durch die Natriumhydroxid- bzw. Natriumsilicatkomponenten in der CAFA-Zusammensetzung, wie in 2 gezeigt, vorgesehen werden. Die CAFA-Mörtelmischungen von 2 werden mit einer Natriumsilicatkomponente, die Natriumsilicat vom Typ N von der PQ Corporation, Valley Forge, PA, ist, das etwa 37,6% Feststoffe aufweist, und 50%igem wässerigen Natriumhydroxid, das etwa 50% NaOH Feststoffe aufweist, gebildet. Die CAFA-Mörtelmischungen werden gegossen und bei 80°C 18 Stunden wärmegehärtet. Die gehärteten CAFA-Mörtelmischungen werden dann in einen Bereich mit Umgebungsbedingungen verbracht und 7 Tage nach dem Gießen getestet. Wie in 2 gezeigt, erhöht sich die Druckfestigkeit mit Erhöhung der kombinierten Menge der Natriumsilicatkomponente und der Natriumhydroxidkomponente in der CAFA-Mörtelmischung.
Die Druckfestigkeit der gehärteten CAFA-Zusammensetzungen der Erfindung ist auch mit Bezug auf die Menge des Kohlenstoffs in der verwendeten Flugasche empfindlich. Wie in 3 gezeigt, nimmt die Druckfestigkeit der CAFA- Zusammensetzungen mit der Erhöhung des Prozentsatzes des Kohlenstoffs ab. Dementsprechend beträgt der Kohlenstoffgehalt der verwendeten Flugasche vorzugsweise weniger als etwa 6%, stärker bevorzugt weniger als etwa 3%. Die Menge des Gehalts der Alkalisilicat- und Alkalihydroxidfeststoffe kann bei CAFA-Zusammensetzungen erhöht werden, um den Verlust von Druckfestigkeit aufgrund des Vorhandenseins von Kohlenstoff in der Flugasche auszugleichen.
Ohne durch irgendeine Theorie gebunden sein zu wollen, wird angenommen, daß die schnelle Erhöhung der Druckfestigkeit während des Wärmehärtens der erfindungsgemäßen CAFA-Zusammensetzungen auf die chemische Aktivierung und teilweise Auflösung der Flugasche innerhalb einer wässerigen Alkaliumgebung sowie die Aktivierung der Oberflächenoxide jeglicher vorhandener Zuschlagstoffteilchen zurückzuführen ist. Wenn eine CAFA-Zusammensetzung wärmegehärtet wird, wird angenommen, daß die CAFA-Zusammensetzung ein Silicatgel erzeugt, das Wasser freisetzt. Es wird angenommen, daß das freigesetzte Wasser eine Polymerisierung der Silicate in dem Silicatgel verursacht, um eine steinartige Matrix zu ergeben, bei der die zusammengeballten Teilchen integral gebunden werden. Es wird auch angenommen, daß die überlegene Druckfestigkeit der gehärteten CAFA-Zusammensetzungen auf die großen Mengen an Aluminosilicatglas zurückzuführen ist. So wird angenommen, daß, im Gegensatz zu Portlandzement, die Entwicklung der Festigkeit nicht auf gelöschten Kalk oder kalkhaltige Produkte zurückzuführen ist.
Zusätzlich zu der hohen Druckfestigkeit weisen die erfindungsgemäßen CAFA-Zusammensetzungen auch eine niedrige Durchlässigkeit auf. Durchlässigkeit ist an Anzeichen für die relative Leichtigkeit, mit der ein Material mit Wasser gesättigt werden kann, sowie die Geschwindigkeit, mit der Wasser durch das Material strömen kann. Um die Durchlässigkeit der gehärteten CAFA-Zusammensetzungen zu bewerten, wird die gehärtete CAFA-Betonmischung von Beispiel 8 mit Bezug auf Durchlässigkeit in Übereinstimmung mit ASTM C-5084-90 getestet. Es wurde gefunden, daß der gehärtete CAFA-Beton von Beispiel 8 31 Tage nach dem Gießen eine Durchlässigkeit von 9,54 × 10^–11 m/Sek. aufweist.
Die erfindungsgemäßen CAFA-Mischungen können bei einer Vielzahl von Anwendungen, einschließlich gegossenen Bauprodukten, wie Wänden, Böden, Straßen und dergleichen verwendet werden. Andere Anwendungen umfassen Verkleidungen und Beschichtungen auf Gegenständen wie Rohren, Betonrippenstahl, Wänden sowie Beschichtungen auf elektronischen Bauteilen. Andere zusätzliche Anwendungen umfassen beispielsweise Schleifmittel.
Für Fachleute ist ersichtlich, daß Änderungen bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen ohne den Umfang von deren breiten erfinderischen Konzept zu verlassen, vorgenommen werden können. Es ist deshalb ersichtlich, daß diese Erfindung nicht auf die besonderen offenbarten Ausführungsformen beschränkt ist, sondern auch Modifikationen innerhalb des Geists und des Umfangs der vorliegenden Erfindung umfassen soll, wie sie in den beigefügten Ansprüchen definiert ist.

Claims

Schnellaushärtende hochfeste Zementbindemittelmischung, die umfaßt Flugasche der Klasse F mit weniger als 6% Kohlenstoff, und ein Alkalisilicatbindemittel, wobei das Alkalisilicatbindemittel umfaßt – eine Alkalisilicatkomponente, die einen Natriumsilicat-Feststoffgehalt von 38% bis 55%, ein SiO₂ : Na₂O-Verhältnis von 2 : 1 bis 3,22 : 1 sowie 45% bis 62% Wasser, bezogen auf das Gewicht der Alkalisilicatkomponente, aufweist, und – eine Alkalihydroxidkomponente, die 25% bis 100% Natriumhydroxid und bis zu 75% Wasser, bezogen auf das Gewicht der Alkalihydroxidkomponente, umfaßt, wobei das Alkalisilicatbindemittel ein SiO₂ : Na₂O-Gewichtsverhältnis von 0,20 : 1 bis 0,75 : 1 aufweist.
Zementbindemittelmischung nach Anspruch 1, wobei die Flugasche der Klasse F in einer Menge von 15% bis 80%, bezogen auf das Gewicht der Bindemittelmischung, vorhanden ist.
Zementbindemittelmischung nach Anspruch 2, wobei die Flugasche der Klasse F in einer Menge von 60% bis 80% vorhanden ist.
Zementbindemittelmischung nach Anspruch 1, wobei die Alkalisilicatkomponente 2 bis 20 Gew.-% der Zementbindemittelmischung ausmacht und die Alkalihydroxidkomponente 2 bis 20 Gew.-% der Zementbindemittelmischung ausmacht.
Zementbindemittelmischung nach Anspruch 4, wobei das SiO₂ : Na₂O-Verhältnis 0,5 : 1 bis 0,6 : 1 beträgt.
Zementbindemittelmischung nach Anspruch 1, die außerdem Portlandzement in einer Menge von bis zu 15 Gew.-% der Bindemittelmischung umfaßt.
Zementmörtelmischung, die die Zementbindemittelmischung nach Anspruch 1 und feine Zuschlagsstoffe umfaßt,
Zementbetonmischung, die die Zementmörtelmischung nach Anspruch 7 und eine Verstärkung umfaßt, die aus der Gruppe ausgewählt ist, die besteht aus groben Zuschlagsstoffen und Fasern.
Zementbetonmischung nach Anspruch 8, die 10% bis 90% Flugasche der Klasse F, 1% bis 20% Natriumhydroxidkomponente, 1% bis 20% Natriumsilicatkomponente, bis zu 10% zusätzliches Wasser, 1% bis 85% grobe Zuschlagsstoffe und 1% bis zu 85% feine Zuschlagsstoffe, bezogen auf das Gewicht der Betonmischung, umfaßt.
Zementbetonmischung nach Anspruch 8, wobei die Faser aus der Gruppe ausgewählt ist, die besteht aus Stahl, Glas, Polypropylen, Graphit, Kohlenstoff und Polyethylen hoher Dichte.
Verfahren zur Herstellung eines hochfesten ausgehärteten Zementprodukts, das umfaßt Bilden einer Mischung, die eine Zementbindemittelmischung nach Anspruch 1 umfaßt, und Wärmebehandeln der Mischung bei einer erhöhten Temperatur, um ein hochfestes ausgehärtetes Zementprodukt zu erhalten.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei die Flugasche der Klasse F in der Zusammensetzung in einer Menge von 10% bis 90%, bezogen auf das Gewicht der Mischung, vorhanden ist.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei die Wärmebehandlung bei 40°C bis 120°C für 1,5 bis 60 Stunden durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei das SiO₂ : Na₂O-Verhältnis 0,5 : 1 bis 0,6 : 1 beträgt.
Zementmaterial nach Anspruch 1, das wärmegehärtet ist.