DE2630200A1 - Verfahren zum herstellen eines glasfaserverstaerkten zementverbundmaterials - Google Patents
Verfahren zum herstellen eines glasfaserverstaerkten zementverbundmaterialsInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf Verfahren zum Herstellen von glasfaserverstärkten Zementverbundmaterialien und
nach diesen Verfahren hergestellte Materialien.
Es ist bekannt, glasfaserverstärkte Zementverbundmaterialien
durch Mischen von in Stücke zerschnittenen Glasfaserlitzen (die durch Zerschneiden endloser Litzen oder
Rovings der Glasfasern auf Längen von angenähert 25 mm
erzeugt sind) mit Wasser, Zement und anderen erforderlichen Zusätzen unter Verwendung einer mechanischen Mischvorrichtung,
z.B. des Schaufeltyps, und anschließendes Gießen der erhaltenen Trübe aus Zement und Glasfasern in eine Form
herzustellen, in der man das Material erhärten läßt. Probleme ergaben sich insofern, als ein übermäßig starkes Mischen
078-(46 717)-TBk
03882/1 101
ORIGINAL INSPECTED
Schäden an den Glasfasern, Insbesondere durch Verursachung
einer "Auffaserung", d.h. der Auftrennung der Litzen in
einzelne Fasern hervorrufen kann. Wenn das Mischen andererseits so durchgeführt wird, daß Schädigungen der Fasern
vermieden werden, wurde die Trübe in einigen Fällen als schwer verarbeitbar befunden, so daß Schwierigkeiten beim
Füllen komplizierter Formen auftraten. Dieses Problem existierte auch dann noch, wenn die Glasfasern der Zement-Wasser-Mischung
erst nach einer anfänglichen Mischperiode des Zements und Wassers zugesetzt wurden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen eines glasfaserverstärkten Zementverbundmaterials
zu entwickeln, bei dem keine Schädigung der Glasfasern auftritt und sich mit der glasfaserhaltigen Zement-Wasser-Aufschlämmung
auch komplizierte Formen ohne weiteres voll ausfüllen lassen.
Gegenstand der Erfindung, womit diese Aufgabe gelöst wird, ist ein Verfahren zum Herstellen eines glasfaserverstärkten
Zementverbundmaterials, gemäß dem in Stücke geschnittene Glasfaserlitzen in eine Zementaufschlämmung
eingemischt werden, die man anschließend in eine Form gießt und erhärten läßt, mit dem Kennzeichen, daß die Zementaufschlämmung
zunächst aus einer Zement-Wasser-Mischung nach einem Hochscherkraft-Mischverfahren erzeugt wird, bei
dem Zementagglomerate in ihre Primärteliehen zerkleinert
werden, und dann die geschnittenen Glasfaserlitzen in die Zementaufschlämmung mittels eines Mischverfahrens mit relativ
niedriger Scherkraft eingemischt werden, das eine Schädigung der Glasfasern weitestgehend beschränkt.
Die Anwendung eines anfänglichen Hochscherkraft-Misch-
609832/1101
Verfahrens gemäß der Erfindung führt zu Aufschlämmungen von Zement und Glasfasern, die bei einem gegebenen
Wasser/Zement-Verhältnis als Ergebnis des Aufbrechens der Zementagglomerate in ihre Primärteilchen ein erhöhtes
Fließverhalten zeigen. Vorzugsweise wird der Zement-Wasser-Mischung,
bevor sie dem Hochscherkraft-Mischverfahren unterworfen wird, noch ein Entflockungsmittel zugesetzt, um das
Aufbrechen der Zementagglomerate zu fördern.
Die verbesserten Fließeigenschaften der Zement-Glasfaser-Aufschlämmungen
machen diese leichter verarbeitbar und erleichtern insbesondere das Erzielen vollständiger
Füllungen komplizierter Formen. In Fällen, wo die Aufschlämmung vor dem Erhärtenlassen entwässert wird, wurde
gefunden, daß auch die Entwässerungsgeschwindigkeit verbessert wird. Die Verdichtung wird ebenfalls verbessert,
wenn die Aufschlämmung in Schwingungen versetzt wird. Die erhärteten Verbundmaterialien zeigen erhebliche Anstiege
der Festigkeit im Vergleich mit ähnlichen Materialien, die unter Anwendung eines üblichen, von Anfang an mit niedriger
Scherkraft arbeitenden Mischverfahrens hergestellt wurden.
Der Begriff "Hochscherkraft-Mischverfahren" soll hier ein Mischverfahren definieren, das unter Bedingungen durchgeführt
wird, unter denen das ganze zu mischende Material eine Hochscherkraftzone durchläuft, wo die Zementagglomerate
mit oder ohne Hilfe eines Entflockungsmittels in ihre Primärteilchen aufgebrochen werden. Dies kann unter Verwendung
von Hochdrehzahlmischern des bekannten Flügelradtyps erreicht werden. Der durch einen solchen Mischer erzeugte
Turbulenzgrad steht in Beziehung zur Reynoldszahl N^,
die definiert wird als
609882/1 101
- if -
„ _ Da2 Np
jRE " u
worin:
N = Drehzahl in U/sec. Da = Flügelraddurchmesser in ft.
ρ = Fluiddichte in l.b/cu.ft. u = Viskosität in Ib/(ft.) (sec).
Wenn N^ > 10.000 ist, dann findet ein wahres Hoch-
scherkraftmischen statt. Wenn N01,
< 10.000, jedoch > 10
rüii
ist, dann liegt ein Übergangsbereich vor, in dem der Scherkraftgrad
vom Abstand vom Flügelrad abhängt. Ein Niedrigscherkraftmischen
tritt nur dann auf, wenn die Reynoldszahl 10 oder weniger ist.
Ein anderes Verfahren zur Definition eines Hochscherkraftmischers beruht auf der Festsetzung der Mischleistung,
d.h. des spezifischen Leistungseingangs in kW/100 kg von
zu mischendem Material. Man kann zwischen drei besonderen Arten von Mischern nach ihrer verfügbaren Mischleistung
unterscheiden:
(1) Freifallmischer mit einer spezifischen Mischleistung von 0,5 bis 1 kW/100 kg.
(2) Zwangswirkungsmischer mit 1,0 bis 5 kW/100 kg.
O) Intensive Mischer mit 5,0 bis 15,0 kW/100 kg oder
mehr.
Wenn die Zementagglomerate aufgebrochen werden, wird
die Konsistenz des gemischten Materials plastischer, und während eine erhöhte Tendenz zum Fließen vorliegt, wächst
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der spezifische Leistungsbedarf. Um ein Hochscherkraftmischen zu erreichen, muß man Maschinen verwenden, die
in die Klasse der intensiven Mischer mit einer Mischleistung über 5*0 kW/100 kg des zu mischenden Materials
fallen.
Eine solche Art von Mischer wird von Joshua Greaves & Sons Limited of Ramsbottom, Lancashire, England, verkauft
und ist beispielsweise in der Zeichnung veranschaulicht, die eine schematische Perspektivansicht des Mischers
zeigt.
Der Mischer weist einen vierflügeligen Rotor 10 auf,
der am unteren Ende einer (nicht dargestellten) Antriebswelle montiert ist und Flügel aufweist, die in etwa wie
ein Ventilator profiliert sind, so daß Aufschlämmung von unten entsprechend der Richtung des Pfeils \J>
hochgefördert wird. Der Rotor 10 befindet sich innerhalb eines äußeren Käfigs oder Bundes 11 von zylindrischer Form mit
einem Ring von Bohrungen 12 in seiner Wand. Eine Ablenkplatte 15 ist unter einem einstellbaren Abstand über der
offenen Oberseite des Käfigs oder Bundes 11 montiert.
Ein Teil der durch den Rotor 10 hochgezogenen Aufschlämmung wird durch die Bohrungen 12 getrieben, wie
durch Pfeile 14 angedeutet ist. Der Rest der hochgezogenen Aufschlämmung tritt oben aus dem Käfig oder Bund 11 aus
und wird dann seitlich durch die Ablenkplatte 15 abgelenkt, wie durch Pfeile 16 angedeutet ist. Der Mischer
ist von oben durch einen Ring 17* an dem der Bund 11 angebracht ist und der ein (nicht dargestelltes) Lager für
die Antriebswelle trägt, und durch am Ring 17 angebrachte Stangen 18 gehalten, auf denen die Ablenkplatte 15 gleit-
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bar ist. Ein Hochscherkraft-Mischen findet statt, während die Aufschlämmung vom Rotor 10 durch den äußeren Käfig 11
hochgezogen wird, wenn der Leistungseingang zur Antriebswelle über 5 kW/100 kg der Aufschlämmung liegt oder wenn
der Rotor mit solcher Drehzahl rotiert, daß eine Reynoldszahl von 10.000 oder mehr erreicht wird.
Andere intensive oder Hochscherkraftmischer werden von der Maschinenfabrik Gustav Eirich, D 6969 Hardheim, Deutschland,
und von Banbury Buildings Limited, Banbury, Oxfordshire, England (beschrieben als E & M Mixer, entwickelt unter dem
Ban-Cem-Projekt) verkauft.
Es ist natürlich möglich, anhand der Eigenschaften von Mischern, wie sie von ihren Herstellern angegeben werden,
einen Mischer zu identifizieren, der ausreichend hohe Scherkraftbedingungen schafft, um das erforderliche Aufbrechen
der Zementagglomerate in ihre Primärteilchen zu bewirken.
Die Wahl des Mischers kann auch von anderen Faktoren, z.B. Leichtigkeit der Füllung und Förderung der Aufschlämmung.»
abhängen, und diese Faktoren müssen ebenfalls in Betracht gezogen werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann mit einer Zement-Wasser-Mischung
durchgeführt werden, die ein Wasser/Zement-Verhältnis im Bereich von 0,25 bis 0,40, vorzugsweise im
Bereich von 0,32 bis 0,35 aufweist.
Vorzugsweise werden sowohl der Hochscherkraft-Misehprozeß als auch der Niedrigscherkraft-Mischprozeß in demselben
Flügelradmischer unter Anwendung verschiedener Eingangsleistungen und folglich verschiedener Flügelraddrehzahlen
durchgeführt.
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Die Erfindung bezieht sich auoh auf glasfaserverstärktes
Zementverbundmaterial, das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist.
Um die erhöhte Verarbeitbarkeit von unter Anwendung des
Hochscherkraft-Mischverfahrens hergestellten Zement-Wasser-Aufschlämmungen
auch in Abwesenheit einer Glasfaserverstärkung zu zeigen, wurde eine Gruppe von vier Aufschlämmungen
aus einem schnell erhärtenden Portlandzement (Warenzeichen "Ferrocrete", Associated Portland Cement Manufacturers) und
Wasser bei einem Wasser/Zement-Verhältnis von 0,4 hergestellt. In zwei der Aufschlämmungen wurde ein Zusatz von
2 % "CORMIX SPl" (ein Melaminsulfonat-Entflockungsmittel von Joseph Crosfield and Sons Limited, P.O. Box 26, Warrington
WA5 IAB, England) vor dem Mischverfahren eingeführt. Das
Mischen wurde einerseits nach einem herkömmlichen Niedrigscherkraft-Mischverfahren
unter Verwendung eines Standard "Liner Cumflow"-Pfannen- und Flügelmischers und andererseits
nach einem Hochscherkraft-Mischverfahren unter Verwendung eines in der Zeichnung dargestellten Mischers
durchgeführt, wobei die Mischdauer in jedem Fall 2 Minuten betrug. Die erhaltenen Aufschlämmungen wurden auf ihre Verarbeitbarkeit
nach dem herkömmlichen Setzprobentest überprüft, mit dem der Fließgrad einer Aufschlämmung unter Bedingungen
einer Nullscherkraft erfaßt wird, indem man das
Ausmaß mißt, in dem sich ein Körper der Aufschlämmung, der zu einer Standardkegelstumpfform geformt ist, nach
Herausnahme aus der Form setzt. Die Entwässerungsgeschwindigkeit wurde ebenfalls gemessen, indem man das
Wasser/Zement-Verhältnis feststellte, nachdem die Proben 20 Minuten der Vakuumentwässerung unterworfen waren. Die
erhaltenen Ergebnisse sind in der Tabelle 1 aufgeführt:
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Absetz- Wasser/Zement-Verwert hältnis nach 20 Min.
a) Nach dem Niedrigscherkraftverfahren gemischt
b) Mit Zusatz von 2 % "CORMIX SPl" nach dem Niedrigscherkraftverfahren
gemischt
Nach den Hochscherkraftverfahren gemischt
Mit Zusatz von 2 % "CORMIX völliger Zu-SPl"
nach dem Hochscherkraft- sammenbruch verfahren gemischt des Formkörpers
40 mm 0,28 6o mm 0,25 60 mm 0,25 0,21
Es sollen nun einzelne Ausführungsbeispiele der Erfindung näher beschrieben werden.
Es wurden Aufschlämmungen hergestellt, bestehend aus:
56 % "Ferrocrete"
20 % belgischer Sand
5 % auf 25 mm zerschnittene Glasfaserlitzen 2 % "CORMIX SPl" (Melaminsulfonat-) Prozentsätze auf
Entflockungsmittel) 0,025 % Carboxymethylzellulose
Wasser/Zement-Verhältnis 0,53·
Trockenzementgewicht berechnet
Nach herkömmlichem Mischen unter Anwendung eines Niedrigscherkraft-Mischverfahrens
in einem "Liner Cumflow"-Pfannen-
und Flügelmischer hatte diese Aufschlämmung einen Absetzwert
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von 0, die Fasern konnten nicht geeignet zugesetzt werden, und die erhaltene Mischung war nicht verarbeitbar.
Nach Vermischen gemäß dem Hochscherkraft-Mischverfahren unter Verwendung eines in der Zeichnung dargestellten
Mischers während 2 Minuten vor dem Zusatz der zerschnittenen Glasfaserlitzen und anschließendem Mischen während 1 Minute
unter Niedrigscherkraftbedingungen, wobei die Glasfaserlitzenabschnitte zugesetzt wurden, hatte die Aufschlämmung
einen Absetzwert von ^o mm. Die endgültige Mischung war
leicht zu verarbeiten und füllte die Form leicht aus. Tatsächlich war es möglich, das Wasser/Zement-Verhältnis auf
0,31 zu senken und noch eine brauchbare Verarbeitbarkeit zu erzielen. Der endgültige Verbundwerkstoff hatte eine
Biegefestigkeit von etwa 40 % mehr als eine aus einer ähnlichen Trübe ohne anfängliches Hochscherkraftmischen hergestellte
Platte.
Eine der nach Beispiel 1 ähnliche Aufschlämmung, jedoch
ohne die Carboxymethylzellulose war verarbeitbar, wenn sie 2 Minuten bei niedriger Drehzahl durch Niedrigscherkraftmischen
gemischt war, ergab jedoch mit anfänglichem Hochscherkraftmischen für 2 Minuten und nachfolgendem Niedrigscherkraftmischen
für 1 Minute sowie Zusetzen der Glasfaserlitzenabschnitte während des Niedrigscherkraftmischens
höhere Festigkeiten;
2/110:1
Proportionalitats grenze (Elastizitätsgrenze)
a) 2 Minuten mit niedriger Drehzahl gemischt
7*7
b) Anfänglich 2 Minuten mit hoher Scherkraft gemischt, anschließend 1 Minute mit 8,5 N/mm
niedriger Scherkraft bei gleichzeitigem Zusetzen der Glasfasern gemischt
Bruehmodul (Biegefestigkeit)
Q 1T/
19,3 N/mm
So wurde wieder eine Verbesserung der Biegefestigkeit von nahezu 40 i>
erhalten.
Die gleiche Aufschlämmung, wie im Beispiel 2 beschrieben, zeigte, wenn sie anfänglich 2 Minuten mit hoher Scherkraft
gemischt, anschließend 1 Minute unter Zugabe der Glasfasern mit niedriger Scherkraft gemischt und schließlich vakuumentwässert
wurde, die folgenden Werte:
Proportionalitätsgrenze 10,9 N/mm2
Bruchmodul 23,0 N/mm2
Dies bedeutet eine Verbesserung von 45 bis 50 % gegenüber
dem, was man bei herkömmlichem Niedrigscherkraftmischen erwarten würde.
Eine der im Beispiel 1 beschriebenen ähnlichen Auf-
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schlämmung, bei der jedoch das Entflockungsmittel "Plocrete N"
(ein zuckerreduziertes Lignosulfonat der Cementation Chemicals Limited of Mitehern House, 681 Mitcham Road, Croydon CR9 3AP,
England) war, zeigte sich nach Niedrigdrehzahlmischung als unverarbeitbar. Nach anfänglichem Hochscherkraftmischen
für 2 Minuten und anschließendem Zusatz der geschnittenen Glasfaserlitzen und herkömmlichem Niedrigscherkraftmischen
während 1 Minute floß die Aufschlämmung gut, und ein durch Vibrationsverdichtung erzeugter Verbundkörper hatte folgende
Festigkeitswerte:
Proportionalitätsgrenze Bruchmodul 9Λ N/mm2 30,1 N/mm2
Eine Zement-Wasser-Aufschlämmung der folgenden Zusammensetzung:
72 % "Perrocrete"
0,25 % "C 211" (ein stabilisiertes zuckerreduziertes
Lignosulfonat-Entflockungsmittel der C.B.P. Limited, Cleveland Road, Hemel Hempstead, Hertfordshire,
England)
0,025 % Carboxymethylzellulose
5 % auf 25 mm zerschnittene Glasfaserlitzen
und mit einem Wasser/Zement-Verhältnis von 0,32 war schwierig
verarbeitbar, wenn sie mit niedriger Drehzahl gemischt war, doch floß die Aufschlämmung, wenn man ein anfängliches Hochscherkraftmischen
während 2 Minuten anwandte, danach die geschnittenen Glasfaserlltzen zusetzte und 1 Minute mittels
herkömmlichen Niedrigscherkraftmischens mischte, gut und ermöglichte die Herstellung eines Verbundwerkstoffs, der nach
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Vibrationsverdichtung und Erhärtung die folgenden Festigkeitswerte
hatte:
Proportionalitätsgrenze Bruchmodul 9,3 N/mm2 28,5 N/mm2
Eine Aufschlämmung der folgenden Zusammensetzung:
39 % "Perrocrete"
13 % Sand
13 % Sand
13 % "PPA" (pulverisierte Plugasche von Fiddlers Ferry
Power Station, Yorkshire, England)
13 % "Calmote A.D." (Kalksteinmehl von Tarmac-Derbyshire
Stone Sales, Dale Road, Matlock DE4 3PL, England)
0,025 % "Cormix P2" (ein Hydroxycarboxylsäure-Entflockungsmittel
von Joseph Crosfield and Sons Ltd.)
0,025 % Carboxymethylzellulose
5 % zerschnittene Glasfaserlitzen
und mit einem Wasser/Zement-Verhältnis von 0,46 war nach einem Niedrigdrehzahlmischen unverarbeitbar. Wenn eine
solche Aufschlämmung anfänglich mit hoher Scherkraft 2 Minuten gemischt wurde, dann die zerschnittenen Glasfaserlitzen
zugesetzt wurden und die Aufschlämmung 1 Minute mittels herkömmlichen Niedrigscherkraftmischens gemischt wurde, floß
die Aufschlämmung gut genug, um die Herstellung eines Verbundmaterials zu ermöglichen, das nach Verdichtung und Erhärtung
die folgenden Festigkeitswerte zeigte:
Proportionalitätsgrenze Bruohmodul 8,5 N/mm2 27,2 N/mm2
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Die verbesserte Festigkeit von so unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens erhaltenen glasfaserverstärkten
Verbundmaterialien dürfte teilweise darauf zurückzuführen sein, daß die sich aufgrund des anfänglichen Hochscherkraft-Mischverfahrens
ergebende fluidere Aufschlämmung zu einer gleichmäßigen Verteilung der Glasfasern in der endgültigen
Aufschlämmung verhilft und eine weitestgehende Herabsetzung des Auftretens von Plättchen oder Klumpen
von Fasern ermöglicht. Die verbesserte Verarbeitbarkeit der Aufschlämmungen und das Aufbrechen der Zementagglomerate
in ihre Primärteilchen fördern gleichfalls die Verdichtung in späteren Stufen des Verfahrens, ob sie nun
durch Vibration, Kompression oder Vakuumentwässerung erfolgt.
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Claims (10)
- 26302Ö0AnsprücheΛ) Verfahren zum Herstellen eines glasfaserverstärkten Zementverbundmaterials, gemäß dem in Stücke geschnittene Glasfaserlitzen in eine Zementaufschlämmung eingemischt werden, die man anschließend in eine Form gießt und erhärten läßt, dadurch gekennzeichnet, daß die Zementaufschlämmung zunächst aus einer Zement-Wasser-Mischung nach einem Hochscherkraft-Mischverfahren erzeugt wird, bei dem Zementagglomerate in ihre Primärteilchen zerkleinert werden, und dann die geschnittenen Glasfaserlitzen in die Zementaufschlämmung mittels eines Misch-Verfahrens mit relativ niedriger Scherkraft eingemischt werden, das eine Schädigung der Glasfasern weitestgehend beschränkt ·
- 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Hochscherkraft-Mischverfahren derart abläuft, daß die Reynoldszahl 10.000 überschreitet.
- 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Hochscherkraft-Mischverfahren mit einem Mischer durchgeführt wird, dessen Eingangsleistung mindestens 5 kW/100 kg Aufschlämmung beträgt.
- 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3* dadurch gekennzeichnet, daß das Niedrigscherkraft-Mischverfahren derart abläuft, daß die Reynoldszahl 10 oder weniger ist.
- 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis K3 dadurch gekennzeichnet, daß das Niedrigscherkraft-Mischverfahren mit einem Mischer durchgeführt wird, dessen Eingangsleistung 1 kW/100 kg Aufschlämmung oder weniger beträgt.6 0 9 8 8 2/1101
- 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5> dadurch gekennzeichnet, daß der Zement-Wasser-Mischung vor Durchführung des Hochscherkraft-Mischverfahrens ein Entflockungsmittel zugesetzt wird.
- 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Zement-Wasser-Mischung mit einem Wasser/Zement-Verhältnis im Bereich von 0,25 bis 0,40 verarbeitet wird.
- 8. Verfahren nach Anspruch 7> dadurch gekennzeichnet, daß das Wasser/Zement-Verhältnis im Bereich von 0,52 bis 0,35 liegt.
- 9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl das Hochscherkraft-Mischverfahren als auch das Niedrigscherkraft-Mischverfahren in einem und demselben Flügelradmischer (10 bis 18) unter Anwendung verschiedener Plügelraddrehzahlen durchgeführt werden.
- 10. Glasfaserverstärktes Zementverbundmaterial, dadurch gekennzeichnet, daß es nach einem Verfahren gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9 hergestellt ist.609882/1101Leerseite
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