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DE102007012987A1 - Verfahren zur Herstellung mineralischer Baustoffe mittels Bindemittelsuspensionen - Google Patents

Verfahren zur Herstellung mineralischer Baustoffe mittels Bindemittelsuspensionen Download PDF

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DE102007012987A1
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Abstract

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung mineralischer Baustoffe unter Verwendung von in Wasser suspendierten Bindemitteln, wobei das Wasser wechselnden elektromagnetischen Feldern und die Suspension einem Suspensionsmischer ausgesetzt wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung mineralischer Baustoffe unter Verwendung von in Wasser suspendierten Bindemitteln, wobei das Wasser wechselnden elektromagnetischen Feldern und die Suspension einem Suspensionsmischer ausgesetzt wird.
  • Es sind bereits vielfältige Methoden zur Herstellung von Betonwerkstoffen vorgeschlagen worden. Aus der der DE 10354888 B4 ist z. B. bekannt, dass durch spezielle Suspensionsmischer Bindemittel, z. B. Zement und Flugasche, kolloidal aufgeschlossen werden können. In dem Suspensionsmischer werden die Bindemittel in Wasser aufgenommen und unter Anwendung hoher Scher- und Kavitationskräfte gemischt.
  • Es ist bekannt, dass Magnetfelder und elektrische Felder Einfluss auf die innere Konsistenz von Wasser nehmen können. Derartig bearbeitetes Wasser zeigt veränderte Eigenschaften hinsichtlich u. a. der Dichte, Viskosität, Oberflächenspannung und elektrischen Leitfähigkeit.
  • Es liegen Zahlen vor, wonach etwa 1% des in der Welt erzeugten Stroms für das Brechen und Mahlen von Zement verbraucht wird. Diese erstaunliche Zahl unterstreicht die Notwendigkeit, den Produktionsprozess bei der Betonherstellung zu kontrollieren und sicherzustellen, dass nicht unnötig Energie verbraucht wird. Mahlvorgänge sind deshalb energieintensiv, weil während des Zermahlens nur ein kleiner Anteil der eingebrachten Energie für die eigentliche Feinstvermahlung aufgewandt wird, während der größere Anteil unnötig als Wärme und Lärm freigesetzt wird. Beides ist umweltbelastend.
  • Verschiedene Zementqualitäten lassen sich aus dem gleichen Klinker durch Variieren der Partikelgröße herstellen. So werden z. B. schnellhärtende Zemente mit schnellerer Hydratation und Festigkeitsentwicklung hergestellt, indem sie feiner vermahlen werden.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, Bindemittel so zu konditionieren und zu suspendieren, dass der Zusatz normalerweise notwendiger weiterer Additive vermindert wird und sich die Fließeigenschaften des Bindemittelleims und des nicht ausgehärteten mineralischen Baustoffs verbessern. Erfindungsgemäß hergestellte mineralische Baustoffe weisen eine höhere Festigkeit auf.
  • Erfindungsgemäß wird die vorliegende Aufgabe durch ein Verfahren gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche oder nachfolgend geschildert.
  • Überraschend hat sich herausgestellt, dass, wenn Wasser Magnetfeldern und/oder elektrischen Feldern ausgesetzt wird und diesem danach oder zuvor, bevorzugt danach, Bindemittel zugesetzt werden und das Gemisch einem Suspensionsmischer zugeführt wird, ein verbesserter Bindemittelleim erhältlich wird. Der Bindemittelleim weist verbesserte Fließeigenschaften und Verarbeitbarkeit auf. Zudem ist ein deutlich gesenkter Wasserbedarf möglich.
  • Das Bindemittel weist notwendig Zement, Gips und/oder gebrannten Kalk auf, vorzugsweise zumindest Zement.
  • Mit „Gips" werden im Sprachgebrauch dieser Anmeldung das natürlich vorkommende Gipsgestein, die entsprechenden Produkte aus industriellen Prozessen (einschließlich Anhydrit) als auch die beim Brennen dieser Ausgangsstoffe entstehenden Erzeugnisse bezeichnet.
  • „Zement" im Sinne dieser Erfindung ist ein anorganischer fein gemahlener Stoff, der nach dem Anmachen mit Wasser infolge chemischer Reaktionen mit dem Anmachwasser selbständig erstarrt und erhärtet und nach dem Erhärten auch unter Wasser fest und raumbeständig bleibt. Chemisch betrachtet ist er hauptsächlich kieselsaures Calcium mit Anteilen an Aluminium- und Eisen-Verbindungen, das als kompliziertes Stoffgemisch vorliegt.
  • Das Bindemittel kann neben den obigen Bestandteilen auch weiterhin Flugasche und Microsilika enthalten.
  • Der sogenannte Blaine-Wert ist ein standardisiertes Maß für den Grad der Feinvermahlung von Zement. Er wird angegeben als mit dem Blaine-Gerät ermittelte spezifische Oberfläche (cm2/g). Standard-Portlandzement Pz 32,5 hat etwa einen Blaine-Wert von 3.000 bis 3.500. Der Blaine-Wert hat besonders Einfluss auf die Frühfestigkeit, die mit dem Zement erreicht werden kann, und auf den Wasserbedarf. Je feiner der Zement aufgemahlen ist, umso höher ist sein Wasserbedarf, und umso höher darf er nach kurzer Zeit belastet werden. Soll Zement auf erheblich höhere Werte als 3.500 Blaine aufgemahlen werden, so steigen die Anforderungen an die eingesetzten Mühlen und die Separations-Technik überproportional. Frühhochfeste Zemente Pz 42,5 oder Pz 52,5 mit Blaine-Werten von 4.000 bis 5.500 ist wesentlich teuerer in der Herstellung als "normaler" Pz 32,5 aufgrund des hohen maschinellen und energetischen Aufwandes zu ihrer Herstellung. In einzelnen Fällen wurden mit extremem Aufwand Zemente mit Blainewerten bis zu 8.000 erzeugt.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren ist in der Lage den Blaine-Wert des eingesetzten Zements um zumindest 10% zu erhöhen.
  • Als Additive dem Wasser zugeführt werden können Betonverflüssiger, Verzögerer, Erstarrungsbeschleuniger, Erhärtungsbeschleuniger, Fließmittel, Luftporenbildner, Dichtungsmittel und/oder Stabilisatoren.
  • Genannt seien nach Gruppen klassifiziert Ligninsulfonate (auch Lignosulfosäure), Melamin-Formaldehyd-Sulfonate, Naphthalin-Formaldehyd-Sulfonate, Hydroxycarbonsäuren und deren Salze (Betonverflüssiger); Tenside wie z. B. oberflächenaktive Substanzen auf Basis von modifizierten Naturprodukten etwa Wurzelharzseifen (Luftporenbildner), sowie im Weiteren Emulsionen reaktiver Siloxane/Alkylalkoxysilane, Fettsäuren, Fettsäuresalze, Polycarboxylate, Polymere (Kunstharzdispersionen), Farbpigmente und deren Mischungen.
  • Vorzugsweise werden Zuschlagsstoffe wie Fels, Schotter, Splitt, Brechsand (gebrochen); Kies, Sand oder auch Hochofenschlacke (ungebrochen), Hüttensand, Steinkohlenflugasche, Asphaltgranulat (auch Ausbau-Asphalt) und Betonabbruch nebst deren Mischungen. Daneben seien auch Leichtzuschläge wie Fasern, Styropor, Blähton, gemahlenes Altgummi, ggf. in Mischung, genannt.
  • Es konnte festgestellt werden, dass ohne Verringerung der Festigkeiten, sandorientierte Betone hergestellt werden können, da nach dem erfindungsgemäßen Verfahren kein so genanntes Mahlkorn (Grobkies, Körnung größer 3 mm, z. B. 3 bis 16 mm) mehr benötigt wird oder eingespart werden kann und die Betone, durch das Fehlen bzw. den stark verminderten Anteil an Grobkorn, wesentlich bessere Pumpeigenschaften aufweisen. Weiterhin wurde festgestellt, dass so hergestellte Betonmischungen wesentlich homogener sind und sich auch kein „Überschusswasser" bildet. Durch die vorgenannten Merkmale sind enorme Einsparpotentiale und Produktverbesserungen bei der Herstellung von Beton erreichbar.
  • Das Wasser wird durch Einwirken elektromagnetischer Felder konditioniert. Die Wasserbehandlung kann z. B. nach dem in der DE 195 22 240 A1 und der in der WO 2006/072224 A1 offenbarten Verfahren durchgeführt werden. Die Offenbarung dieser Schriften wird durch Verweis ausdrücklich auch zum Gegenstand der vorliegenden Anmeldung gemacht.
  • Die elektromagnetischen Felder werden z. B. durch Wechselspannung aufweisend Impulshöhen von 5 bis 50 VSS, vorzugsweise 10 bis 20 VSS, erzeugt, wobei die Wechselspannung vorzugsweise Trapezform hat (für kurze Zeitintervalle innerhalb jeder Schwingungsdauer konstante Spannungsspitzen). Geeignete Frequenzen der Wechselspannung betragen zwischen 100 und 100.000 Hz, vorzugsweise 3000 bis 10000 Hz. Die elektromagentischen Felder werden bevorzugt mittels Spulen, welche um rohrförmige Behältnisse gewickelt sind eingebracht, wobei das rohrförmige Behältnis das Wasser aufnimmt. Die Konditionierung kann in Durchflussapparaturen erfolgen. Die Fließgeschwindigkeit kann von 2 m/s bis 50 m/s betragen.
  • Durch die wechselnden elektromagnetischen Felder wird Wasser in seiner Struktur temporär verändert. Dies führt zu veränderten „wässrigen Bedingungen" an den Grenzflächen zwischen den jeweiligen Festkörpern und dem Wasser.
  • Der Suspensionsmischer homogenisiert das Mischgut und wirkt gleichzeitig zerkleinernd auf die im Mischgut enthaltenden Partikel. Die Zerkleinerungswirkung ist ähnlich der einer Nassmühle. Geeignete Suspensionsmischer sind Kolloidalmischer oder Kolloidaldispergatoren.
  • Der Suspensionsmischer weist hierzu bevorzugt zwei Kammern (Vormischzone und Dispergierzone) auf. Das Mischgut wird passiv in der Vormischzone durch den Austritt des flüssigen Mischgutes über ein Trennelement bewegt, wobei das Mischgut über einen größeren Einlass im Trennelement, vorzugsweise angeordnet über der Drehachse, in die Dispergierzone zunächst eingesogen wird. Dort wird das Mischgut von einem schnell-laufenden Rührwerk erfasst und radial nach außen, vorzugsweise auch nach oben, gepresst, wobei das Mischgut hierbei in Fließrichtung durch kleinere Öffnungen der Trennscheibe tritt bzw. durch kleinere Öffnungen zwischen äußerem Rand der Trennscheibe und Behälterwand. Die kleineren Öffnungen sind vorzugsweise auf dem äußeren Umfang der Trennscheibe angeordnet. Kleiner und größer bezeichnen hierbei das relative Flächenverhältnis der kleineren Austrittsöffnungen zu der/den größeren Eintrittsöffnungen in die Dispergierzone.
  • Das schnell-laufende Rührwerkzeug weist vorzugsweise Rührergeschwindigkeiten von über 300 U/min insbesondere 800 bis 2000 U/min auf. Geeigneterweise liegt eine Umfangsgeschwindigkeit des Rührwerkzeugs zwischen 3 und 20 m/s, vorzugsweise zwischen 12 und 17 m/s vor.
  • Ein besonders geeigneter Suspensionsmischer ist in der DE 103 54 888 B4 offenbart. Der Mischprozess erfolgt in zwei unterschiedlichen Prozesszonen (Vormischzone und Dispergierzone). Durch den ständigen Stoffaustausch zwischen den beiden Zonen wird eine höchstmögliche Homogenität des Mischgutes erzielt. Das mit hoher Umfangsgeschwindigkeit (bis 2000 U/min.) in der Dispergierzone rotierende Mischwerkzeug bewirkt gleichzeitig sehr große Scher- und Kavitationskräfte, die zu einem optimalen, kolloidalen Aufschluss der Suspension führen. Daraus ergeben sich die entscheidenden Vorteile wie größtmögliche Homogenität der Mischung, minimale Sedimentation des Gemisches, gleichbleibende Rheologie des Produktes, kein Nachquellen der Suspension und geringst möglicher Rohstoffeinsatz. Niedrig- bis hochviskose Systeme werden verarbeitbar bei hohe Mischleistung und kurzen Mischzeiten. Während eine erste Prozesszone zum Vormischen der Mischung ausgelegt ist, erfolgt die eigentliche Dispergierung der Mischung in der zweiten Prozesszone. Die Offenbarung der DE 103 54 888 B4 wird hiermit durch Verweis auch zum Gegenstand der vorliegenden Anmeldung gemacht.
  • Wenn gewünscht kann auf die Zusammensetzung im Supsensionsmischer (ggf. zusätzlich) ein elektromagnetisches Feld und/oder (zusätzlich) Ultraschall einwirken (Frequenz 20 kHz und 1 GHz). Durch die Behandlung einer Flüssigkeit mit Ultraschall können sono-chemische Reaktionen auftreten. Die Reaktionsmechanismen beim Abbau von in Flüssigkeiten befindlichen Substanzen – ermöglicht durch Kavitation – hängen einerseits von der Ultraschallfrequenz ab, andererseits von den jeweiligen physikalisch-chemischen Eigenschaften der Substanzen. Insbesondere im Niederfrequenzbereich treten auch hohe Scheerkräfte auf.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • - DE 10354888 B4 [0002, 0025, 0025]
    • - DE 19522240 A1 [0019]
    • - WO 2006/072224 A1 [0019]

Claims (21)

  1. Verfahren zur Herstellung mineralischer Baustoffe umfassend die folgenden Schritte: – Bereitstellen von Wasser, – Bereitstellen von Bindemitteln umfassend zumindest Zement mit mittleren Partikelgrößen von 50 bis 300 μm und/oder Gips und/oder gebrannter Kalk und ggf. Additive, – Aussetzen des Wassers in Gegenwart oder Abwesenheit des Bindemittels und des fakultativen Additivs wechselnden elektromagnetischen Feldern, – Aussetzen des behandelten Wassers enthaltend Bindemittel und, soweit vorhanden, Additiv einem Suspensionsmischer zur Herstellung einer Suspension unter Mischen und Zerkleinern der Partikel umfassend zumindest eine dispergierte feste Phase enthaltend zumindest einen Teil des Bindemittels und eine kontinuierliche flüssige Phase, aufweisend Wasser und – Zumischen von Zuschlagsstoffen enthaltend zumindest Sand und/oder Kies zu der Suspension nebst ggf. weiteren Stoffen zur Herstellung der mineralischen Baustoffe.
  2. Verfahren gemäß Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Zerkleinerung zumindest den Gewichtsanteil der Partikel in Suspension mit Durchmessern von unter 0,1 μm um zumindest 5 Gew.% erhöht.
  3. Verfahren gemäß Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass nach Verlassen des Suspensionsmischers auf ein Teil Bindemittel 0,25 bis 0,6 Gewichtsteile Wasser, vorzugsweise 0,28 bis 0,4 Gewichtsteile Wasser, in der Suspension entfallen (Wasser/Bindemittel-Wert).
  4. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mineralischen Baustoffe ausgewählt sind aus der Gruppe Betonfertigteile, Transportbeton, Pumpbeton, Beton-Vorfabrikate, Betonrohre, Betonpflastersteine, Betonverbundsteine, Betonplatten, Spritzbeton im Nass- und Trockenverfahren und/oder Leichtbeton.
  5. Verfahren gemäß Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass man das dem elektromagnetischen Feld ausgesetzte Wasser unmittelbar dem Suspensionsmischer zuführt und/oder das Wasser im Suspensionsmischer dem elektromagnetischen Feld aussetzt.
  6. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Suspensionsmischer einen Rotor und einen Stator aufweist und die Rotorgeschwindigkeit vorzugsweise über 300 U/min insbesondere über 1000 u/min beträgt.
  7. Verfahren gemäß Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Suspensionsmischer eine passiv bewegte Vormischzone und eine aktiv bewegte Dispergierzone aufweist, wobei die Dispergierzone und Vormischzone durch ein mit Durchlässen versehenes Trennelement getrennt sind, Dispergierzone und Vormischzone aber in Fluidkommunkation stehen und die Dispergierzone ein Rührwerkzeug beinhaltet.
  8. Verfahren gemäß Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, dass das Trennelement viele kleinere Öffnungen auf dem äußeren Umfang aufweist (Austrittsöffnungen aus der Dispergierzone) und zentral zumindest eine Öffnung (Eintrittsöffnung in die Dispergierzone), wobei die größere Öffnung jeweils gegenüber den kleineren Öffnungen der Fläche nach um zumindest Faktor 5 vorzugsweise um zumindest Faktor 10 größer ist.
  9. Verfahren gemäß Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Eintrittsöffnung ein elektromagentisches Feld auf das Mischgut einwirkt.
  10. Verfahren gemäß Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Rührwerkzeug mit einer Rührergeschwindigkeit von über 300 U/min bewegt ist, insbesondere 800 bis 2000 U/min.
  11. Verfahren gemäß Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Rührwerkzeug eine Umfangsgeschwindigkeit zwischen 3 und 20 m/s, vorzugsweise zwischen 12 und 17 m/s aufweist.
  12. Verfahren gemäß Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das eingesetzte Bindemittel mittlere Partikelgrößen von 50 bis 300 μm aufweist, wobei vorzugsweise kleiner 5 Vol.% der Partikel Partikelgrößen von kleiner als 20 μm und kleiner 5 Gew.% Partikelgrößen von größer al 300 μm aufweisen.
  13. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 12 dadurch gekennzeichnet, dass das eingesetzte Bindemittel Blaine-Werte von 3000 bis 8000 cm2/g aufweist.
  14. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil des Bindemittels im mineralischen Baustoff nach Aushärten 6 bis 35 Gew.% beträgt.
  15. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil des Additivs 0,2 bis 8 Gew.%, bezogen auf das Gewicht des eingesetzten Bindemittels beträgt.
  16. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektromagnetischen Felder durch Wechselspannung aufweisend Impulshöhen von 5 bis 50 VSS, vorzugsweise 10 bis 20 VSS, erzeugt werden und die Wechselspannung bevorzugt Trapezform hat.
  17. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass die elektromagnetischen Felder durch elektrische Wechselspannung mit Frequenzen zwischen 100 und 100.000 Hz, vorzugsweise 3000 bis 10000 Hz, erzeugt werden.
  18. Verfahren gemäß zumindest einem der Ansprüche 1, 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass die elektromagnetischen Felder durch eine Spule, die die Wandungen eines Durchfluss- oder Aufbewahrungsbehältnisses umgibt, erzeugt werden.
  19. Verfahren gemäß zumindest einem der Ansprüche 1 oder 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Wasser in einer Durchflussapparatur dem elektromagnetischen Feld ausgesetzt wird.
  20. Verfahren gemäß zumindest einem der Ansprüche 1 oder 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die elektromagnetischen Felder durch eine gewobbelte Spannung erzeugt werden, ggf. in Form eines Sägezahnsignals.
  21. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Wasser einen pH-Wert von 7 und kleiner aufweist.
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