DE2638707A1

DE2638707A1 - Leichtes, teilchenfoermiges aggregat und verfahren zu seiner herstellung

Info

Publication number: DE2638707A1
Application number: DE19762638707
Authority: DE
Inventors: Jose Walls-Muycelo
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1975-08-27
Filing date: 1976-08-27
Publication date: 1977-03-03
Also published as: JPS5244850A; ZA765159B; IL50365A0; CA1063133A; ES223084Y; GB1506986A; FR2322110A1; AR210366A1; FR2322110B3; IN145375B; ES223084U; ES451052A1; NL7609521A; IL50365A; SE7609450L; BR7605674A; AU1715676A

Description

Anmelder: JOSE WALLS-MUYCELO

Dakota 222-100, Mexico 18, D.F., Mexico

Leichtes, teilchenförmiges Aggregat und Verfahren zu seiner Herstellung

Die Erfindung betrifft ein poröses, leichtes, teilchenförmiges Aggregat. Das Aggregat kann in Beton, Zement, Mörtel und Speis, Baublöcken und anderen Bauelementen verwendet werden. Es enthält expandierte und gesinterte Teilchen mit niedriger Alkalinität aus einem Material, das enthält oder besteht aus: einem Alkalimetallsilikat mit einem M₅O/SiQ₅-Verhältnis von etwa 1:2 bis 1:4, worin M ein Alkalimetall bedeutet; Siliciumdioxid in einer Menge von etwa 0,1 bis etwa 50 Gew.96, bezogen auf das Alkalimetallsilikat; und einem Erdalkalimetallsilikat in einer Menge von 0,1 bis 200 Gew.?6, bezogen auf das Alkalimetallsilikat. Die Teilchen besitzen eine Dichte nicht über etwa 60 g/dnr und eine Druckfestigkeit bis zu etwa 275 kg/cm . Sie besitzen ein Expansionsverhältnis bis zu etwa dem 15fachen ihres ursprünglichen kollabierten Volumens. Zu dem Aggregat können zur Einstellung spezifischer und geeigneter Eigenschaften für seine verschiedenen Verwendungen geeignete Füllstoffe und Zusatzstoffe zugegeben werden.

Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines porösen, leichten.,, teilchenförmigen Aggregats, bei dem eine wäßrige Aufschlämmung aus einem Alkalimetallsilikat, feinverteiltem Siliciumdioxid und feinverteiltem Erdalkalimetallsilikat unter Herstellung eines homogenen Gemisches verknetet wird. Dann werden die Teilchen der Aufschläm mung auf eine vorherbestimmte Größe zerkleinert, abhängig von der gewünschten Größe des Endaggregats. Dann wird die Tempera-

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ORIGINAL INSPECTED

tür der Teilchen von etwa 110 auf etwa 70O⁰C allmählich erhöht, und dann wird gebrannt, bis eine Temperatur von etwa 700 bis etwa 1500⁰C erreicht ist und die Verglasung bzw. der Glasfluß der Silikate beendigt ist. Kaliumnitrat kann für die Bildung einer großen, zentralen Pore zugegeben werden. Beim Erhitzen des Gemisches entsteht dabei eine Hohlteilchenstruktur.

Die allmähliche Temperaturerhöhung kann teilweise in Anwesenheit von gesättigtem Dampf für eine Befeuchtung durchgeführt werden, und dabei werden die Oberflächen der Teilchen ausreichend plastisch. Es wird eine Hohlstruktur mit einer großen Mittelpore bzw. -zelle erhalten, die von einer Hülle aus hochporösem Material umgeben ist.

Die Erfindung betrifft hochporöse, leichte, teilchenförmige Aggregate, die in Beton, Gußzement, Mörtel und Speis, Baublöcken und anderen Bauelementen verwendet werden können. Sie betrifft insbesondere Aggregate mit erhöhter Festigkeit und verminderter Alkalinität, die mit Bindemitteln sehr gut verträglich sind, wie auch ein Verfahren zur Herstellung dieser Aggregate.

Es ist seit langem bekannt, daß Aggregate in der Bauindustrie verwendet werden. Nach den Erfahrungen, die man mit den Aggregaten gesammelt hat, ist es seit langem bekannt, daß für hohe Druckfestigkeit, hohe Temperaturbeständigkeit und hohe Festigkeit von Gußzement, Mörtel und Speis nur schwere und feste Aggregate verwendet werden können, die nicht leicht sind. Die Verwendung von leichten, porösen Aggregaten ist im allgemeinen auf Elemente beschränkt, bei denen keine hohe Festigkeit des Materials erforderlich ist, wie bei Trennteilen, Deckplatten oder Fliesen u.a., und im allgemeinen können sie bei Strukturelementen, wie bei Stützen, Streben, Trägern, Stützbalken u.a., nicht verwendet werden, insbesondere da die leichten bekannten, verfügbaren Aggregate ausgewählt wurden unter Aggregaten mit niedriger

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Festigkeit, wie Bimsstein, Lava, Schlacke, gebrannter Ton, Schiefer oder Asche bzw. ausgeglühte Kohle aus Kohle oder Koks und unter ähnlichen Materialien. Alle diese als Aggregate verwendeten Materialien wie auch andere künstlich hergestellte Aggregate auf Grundlage expandierter Bentonite und expandierter Silikate lassen hinsichtlich der Festigkeit des unter ihrer Verwendung hergestellten Materials viel zu wünschen übrig. Dies ist durch die Tatsache bedingt, daß alle solche Aggregate erstens nur in sehr wenigen Teilchengrößen verfügbar sind und daß sie daher nicht für viele Zwecke verwendet werden können. Es ist besonders nachteilig, daß fast alle bekannten Aggregate eine kleine Teilchengröße besitzen. Dadurch werden größere Mengen an Wasser erforderlich, und die Festigkeit der Bindemittel verschlechtert sich und Risse treten nach dem Trocknen in der gehärteten Masse auf. Die bekannten expandierten Silikatmaterialien sind sehr spröde, und daher konnte ihre Teilchengröße nicht erhöht werden. Sie zeigen andererseits eine hohe Alkalinität und gehen mit den meisten, üblichen, verwendeten Bindemitteln eine chemische Umsetzung ein. Als Folge davon verschlechtert sich das Material noch mehr, und die Festigkeit des Endproduktes verschlechtert sich noch weiter.

Man hat daher bei Kenntnis der verschiedenen Arten der Aggregate, die in Zementkonstruktionen verwendet wurden, in der Vergangenheit angenommen, daß es unmöglich ist, Mörtel oder Beton oder Zement mit hoher Festigkeit und sehr niedrigem Gewicht herzustellen, da diese beiden Eigenschaften des Betons und des Mörtels sich gegeneinander ausschließen. Soll eine hohe Festigkeit erreicht werden, so müssen zur Erzielung einer solchen hohen Festigkeit schwere Aggregate verwendet werden, und es besteht somit keine Möglichkeit, leichte Materialien herzustellen. Wenn andererseits das Gewicht des Materials die Haupteigenschaft ist und leichte Aggregate der oben erwähnten Art verwendet werden, nimmt die Festigkeit der gebildeten Materialien stark ab. Es war daher in der Vergangenheit praktisch unmöglich, Beton oder

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Mörtel herzustellen, die beide Eigenschaften gleichzeitig besitzen.

Die Herstellung bestimmter, leichter Baublöcke unter Verwendung von leichten Aggregaten mit großer Teilchengröße, die miteinander mittels eines geeigneten Bindemittels verbunden sind, ist bekannt. Im allgemeinen werden diese leichten Baublöcke aber nur für Bedeckungszwecke und ebenfalls als permanente Leergerüstmaterialien verwendet und sind von Strukturelementen, wie Säulen» Trägern, Stützbalken, stützenden Wänden u.a., deshalb ausgeschlossen, da sie sehr spröde sind und eine niedrige Festigkeit gegenüber der Kompression besitzen und gegenüber Biege- und Scherbeanspruchungen. Diese Art von bekannten, leichten Baublöcken besitzt weiterhin den Nachteil, daß das Material, wenn expandiertes Silikatmaterial verwendet wird, eine hohe Alkalinität besitzt und mit den üblicherweise verwendeten Bindemitteln reagiert. Dadurch nimmt die Stärke der Bindungswirkung solcher Bindemittel ab, und die Blöcke krümeln leicht beim Verpressen oder bei einer Abriebseinwirkung.

Es besteht daher in der Bauindustrie seit langem ein Bedarf, leichte Aggregate herzustellen, die trotz ihres leichten Gewichts eine hohe Festigkeit gegenüber Kompression besitzt und eine niedrige Alkalinität aufweisen, wodurch Nebenreaktionen mit den verwendeten Bindemitteln vermieden werden. Die leichten Aggregate sollen zur Herstellung von Baublöcken verwendet werden, die nicht mehr zerbröckeln.

Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, leichte Aggregate zu schaffen, die die Nachteile der bekannten Aggregate nicht besitzen und die gegenüber Kompressions-, Biege- und Scherkräften und -beanspruchungen eine hohe Festigkeit aufweisen.

Erfindungsgemäß sollen leichte Aggregate geschaffen werden auf Grundlage eines Gemisches aus einem Alkalimetall-

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silikat und einem Erdalkalimetallsilikat, das eine sehr niedrige Diente besitzt, eine "hohe Festigkeit aufweist und eine niedrige Alkalinität zeigt. Die erfindungsgemäßen Aggregate können mit allen Arten von Bindemitteln gut verträglich sein.

Erfindungsgemäß sollen leichte Aggregate mit den oben erwähnten Eigenschaften geschaffen werden, die trotz ihrer hohen Porosität keine Sprödigkeitseigenschaften zeigen.

Es sollen leichte Aggregate geschaffen werden, die eine große Teilchengroße mit einem hohlen Zentrum besitzen, das von einer Hülle aus hochporösem Material umgeben ist.

Erfindungsgemäß soll weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines leichten Aggregats mit dan oben erwähnten Eigenschaften geschaffen werden. Das Verfahren soll wirtschaftlich durchzuführen sein und poröses, starkes, leichtes, teilchenförmiges Material mit großer Teilchengröße liefern.

Erfindungsgemäß soll ein Verfahren zur Herstellung eines leichten Aggregats mit den oben erwähnten Eigenschaften geschaffen werden, wobei die Silikatmaterialien mit einem Verhältnis bis zu dem 15fachen des ursprünglichen, kollabierten Volumens expandieren, ohne daß die Festigkeit verlorengeht.

Erfindungsgemäß sollen Materialien und Elemente unter Verwendung dieser Aggregate geschaffen werden, indem man diese Aggregate mit geeigneten Bindemitteln verbindet.

Wenn in der vorliegenden Anmeldung von "Aggregaten" gesprochen wird, so soll dieser Ausdruck auch sämtliche Arten von Zuschlägen mit umfassen.

Erfindungsgemäß wird eine wäßrige Dispersion aus einem Alkalimetallsilikat, Siliciumdioxid(unter diesen Ausdruck sollen auch alle Arten von Kieselsäureanhydrid und

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Kieselerde fallen) und einem Erdalkalimetallsilikat unter Bildung einer Aufschlämmung verknetet. Die Aufschlämmung wird dann zu Teilchen mit einer Größe verkleinert, die entsprechend der Teilchengröße, die das Endaggregat besitzen soll, ausgewählt wurde. Die Temperatur wird dann langsam von etwa 110 auf etwa 700⁰C erhöht, und es wird mit dem Brennen begonnen, bis eine Temperatur von etwa 700 bis 1500°C erreicht ist und die Verglasung bzw. der Glasfluß der Silikate beendigt ist. Sollen Teilchen großer Größe mit einem Hohlzentrum hergestellt werden, wird zu dem Gemisch, vor dem Erhitzen eine geeignete Menge an Kaliumnitrat zugegeben, das beim Erhitzen explodiert und eine große Zentralpore bzw. -zelle unter Bildung einer Hohlteilchenstruktur ergibt. Diese Hohlteilchenstruktur kann ebenfalls hergestellt werden, wenn das Erhitzen mindestens teilweise in Anwesenheit von gesättigtem Dampf für die Befeuchtung erfolgt. Biese Hohlteilchenstruktur kann ebenfalls hergestellt werden» wenn das Erhitzen mindestens teilweise in Anwesenheit von gesättigtem Dampf für die Anfeuchtung erfolgt, damit die Oberflächen der Teilchen ausreichend plastisch werden, mit oder ohne das Vorhandensein von Kaliumnitrat. Andere geeignete Füllstoffe oder Zusatzstoffe können zu dem Aggregat zugegeben werden, damit .. es für eine Vielzahl von Verwendungen spezifische und geeignete Eigenschaften erhält.

Wenn in der vorliegenden Anmeldung ύοώ. teilchenförmigen Aggregaten gesprochen wird, soll darunter jegliche Art von. korpuskularen bzw. aus Einzelteilchen, bestehenden Aggretaten verstanden werden.

Das erfindungsgemäße poröse, leichte, teilchenförmige Aggregat enthält oder besteht aus Teilchen mit sortierter bzw. ausgewählter Größe aus einem Material, das aus einem Alkalimetallsilikat, bevorzugt mit einem M₂0/Si0₂-Verhältnis vom etwa 1:2 bis etwa 1:4, wobei M ein Alkalimetall, bevorzugt Natrium, bedeutet; 0,1 bis 5O?6 Siliciumdioxid (SiO₂), bezogen auf das Alkalimetallsilikat; und 0,1 bis 2QQ# Erd-

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alkalimetallsilikat, bevorzugt Calciumsilikat (CaSiO₃), bezogen auf das Alkalimetallsilikat, enthält oder daraus besteht, wobei die Teilchen expandiert sind. Die Teilchen sind außerdem sehr· porös und besitzen eine Dichte von nicht mehr als etwa 60 g/drn^ und eine Druckfestigkeit bis zu etwa 275 kg/cm²; sie sind bei Temperaturen in der Größenordnung von etwa 125O°C beständig, ohne daß sie schmelzen oder sich deformieren, und sie besitzen ein Expansions verhältnis bis zu dem 15fachen ihres ursprünglichen, kollabierten Volumens. Außerdem ist ihre Alkalinität stark vermindert.

Obgleich keine Beschränkung auf irgendeine Theorie erfolgen soll, nimmt man an, daß durch die Zugabe von Siliciumdioxid zu dem Alkalimetallsilikat die Alkalinität des entstehenden Produktes stark vermindert wird. Dadurch können die erfindungsgemäßen Aggregate zusammen mit irgendwelchen, im Handel erhältlichen Bindemitteln für die Herstellung von Mörtel, Beton oder leichten Baublöcken verwendet werden, ohne daß durch alkalische Nebenreaktionen irgendwelche nachteiligen Wirkungen auf die Bindemittel ausgeübt werden. Die meisten bekannten Silikataggregate besitzen eine relativ hohe Alkalinität und wirken nachteilig auf die Bindemittel. Die Zugabe geeigneter Mengen an Erdalkalimetallsilikaten zu dem erfindungsgemäßen Aggregat bewirkt andererseits, daß die erhaltenen Aggregatteilchen wesentlich härter und fester sind und gegenüber Kompressionsbeanspruchungen beständig sind, ohne die Expansionseigenschaften der Teilchen für die Bildung einer Vielzahl von Poren zu beeinträchtigen.

Das erfindungsgemäße Aggregat, das die oben beschriebene Grundzusammensetzung besitzt _f besteht aus leichten, expandierten Teilchen mit Größen, die beliebig variiert werden können, und zwar von etwa 1 Mikron bis etwa 10 cm in der größten Dimension. Sie besitzen eine sehr hohe Druckfestigkeit und überraschenderweise eine niedrige Dichte. Sie sind nicht sehr spröde und weisen eine niedrige Alkalinität auf. Sie können daher auf solchen Baugebieten verwendet werden, wo

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in der Vergangenheit leichte Aggregate nicht eingesetzt werden konnten, da diese eine niedrige Festigkeit besaßen.

Die erfindungsgemäßen teilchenförmigen Aggregate enthalten bevorzugt zusätzlich zu den oben beschriebenen basischen Komponenten 0,1 bis 30 Gew.% Borsäure. Durch das bei der Umsetzung von Borsäure und Al&alimetalloxid gebildete Alkalimetalltetraborat, das auch als solches zugegeben werden kann, wird der Expansionskoeffizient verbessert, und außerdem findet eine bessere Verglasung der Teilchen bei ihrem Erhitzen statt. Geringe Mengen an Metallearbiden können ebenfalls vorhanden sein, wenn man zu der Reaktionsmasse vor der Durchführung des Verfahrens Kohlenstoff zugibt. Dies wird im folgenden näher erläutert. Dabei erhält man eine Vielzahl mikrokristalliner Strukturen, gleichmäßig verteilt innerhalb der Teilchen, und diese ergeben- besonders gute Festigkeitseigenschaften. Außerdem wird der Schmelzpunkt beachtlich erhöht. Durch die Zugabe von Kohlenstoff zu der Masse wird durch Verbrennen eine sehr große Vielzahl von kleinen Poren gleichmäßig in der Struktur der Teilchen verteilt. Schließlich können die Teilchen ebenfalls 0,1 bis 30 Gew.% .eines Alkalimetällöxias bezogen .auf das Alkalimstallsilikat enthalten*, das bevorzugt durch*Redoxreaktion von guvor-.zugegebenem Alkalimetallnitrat, gebildet wird, besonders bevorzugt ist Kaliumoxid für die Erhöhung der Härte und des Schmelzpunktes des Aggregats.

Andere geeignete Füllstoffe oder Zusatzstoffe können zu dem erfindungsgemäßen Aggregat zur Erzielung nützlicher und spezifischer Eigenschaften zugegeben werden, die bedingen, daß das Aggregat für besondere spezielle Zwecke gut geeignet ist. Beispiele für solche Füllstoffe und Zusatzstoffe sind inter alia Borax, Kieselgur, Tone, expandierbare Tone, wie Bentonit, Kaolin, Talk, Restkalksteine, Asbest, zerkleinertes Faserglas, Gesteinswolle, Ocker, vulkanische Aschen, Abfallaschen, Polierschiefer und andere Materialien.

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Ein hochporöses Teilchen, des erfindungsgemäßen Aggregats kann eine Vielzahl von kleinen Poren oder Zellen gleichmäßig verteilt in der Masse des Materials enthalten oder es kann eine relativ große Zentralpore oder -zelle enthalten, die von einer Hülle aus hochporösem Material umgeben ist, abhängig von der Art des Herstellungsverfahrens des Aggregats. Beide Strukturen sind gegenüber Kompression und hohen Temperaturen gleich beständig und beide besitzen eine absorbierende Außenoberfläche, die bewirkt, daß das Bindemittel sehr gut wirkt. Irgendwelches zugegebenes Bindemittel wird in den Poren oder Zellen absorbiert, und beim Härten erhält man eine Struktur mit hoher Adhäsion, und dadurch wird irgendein Zerbröckeln des Materials verhindert.

Das erfindungsgemäße Aggregat kann nach dem folgenden Verfahren hergestellt werden, das die folgenden Stufen umfaßt:

(a) Auflösen des Alkalimetallsilikats in einer Menge an Wasser, die ausreicht, eine Lösung zu bilden, die etwa 35 bis etwa 50% Gesamtfeststoffe enthält, und Zugabe einer Menge von 0,1 bis 50 Gew.% feinverteiltem Siliciumdioxid, bezogen auf das Alkalimetallsilikat, und einer Menge von 0,1 bis 200 Gew.% feinverteiltem Erdalkalimetallsilikat, bezogen auf das Alkalimetallsilikat, wobei nach jeder Zugabe so stark geknetet wird, bis eine homogene Aufschlämmung erhalten wird;

(b) Verminderung der so erhaltenen Aufschlämmung zu Teilchen vorbestimmter Größe, abhängig von der gewünschten Größe des Endaggregats}

(c) Erhitzen der so erhaltenen Teilchen auf eine Temperatur von etwa 110 bis etwa 700⁰C während einer Zeit von etwa 0,1 see bis etwa 5 min, so daß die erforderliche Expansion der Teilchen durch die Treibwirkung des freigesetzten Wasserdampfes unter Bildung einer großen Vielzahl von Poren in jedem Teilchen erreicht wird;

(d) Brennen der expandierten, relativ getrockneten Teilchen bei einer Temperatur von etwa 700 bis etwa 1500°C

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während einer Zeit von etwa 5 see bis etwa 1 min für die Vervollständigung der Expansion des Materials und damit seine Verglasung bzw. Sinterung abläuft; und

(e) langsames Abkühlen der vollständig expandierten und verglasten bzw. gesinterten Teilchen auf Zimmertemperatur unter Herstellung des leichten, teilchenförmigen, hochporösen Aggregatmaterials.

Die Eigenschaften des nach dem oben beschriebenen Verfahren erhaltenen Aggregats können durch Zugabe anderer bestimmter J 'Zusatzstoffe zu der Ausgangsaufschlämmung variiert werden, so daß das fertige Aggregat zusätzliche und verbesserte Eigenschaften besitzt.

Entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann in die Aufschlämmung, die oben bei (a) gebildet wird, Borsäure in einer Menge von etwa 0,1 bis etwa 30 Gew.%, bezogen auf das Alkalimetallsilikat, eingeknetet werden, wobei die Borsäure teilweise mit dem Alkalimetalloxid, das in dem Silikatmaterial enthalten ist, unter Bildung von Alkalimetalltetraborat reagiert und wobei beim Erhitzen Metaborsäure und Wasserdampf gebildet werden. Dabei wird ein Silikat-Tetraboratglas erhalten, das eine sehr gute Verglasung des Materials ergibt und eine weitere Expansion während des Verglasungsverfahrens, wie oben bei (d) beschrieben.ermöglicht.

Bei einer weiteren bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform wird zu der verkneteten Aufschlämmung, die man bei (a) oben erhält, entweder bei gleichzeitiger Zugabe von Borsäure oder ohne eine solche Zugabe eine Menge von etwa 0,1 bis etwa 400 Gew.% feinverteiltem Kohlenstoff, bezogen auf das Alkalimetallsilikat, zugegeben. Dadurch wird eine verbesserte thermische Expansion und Verglasung erhalten, und außerdem wird der Schmelzpunkt des Aggregats erhöht. Durch die Zugabe von Kohlenstoff zu der Aufschlämmung vor dem Erhitzen werden geringe Mengen an Metallcarbiden durch Um-

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setzung mit Metallen gebildet, die als Verunreinigungen im Siliciumdioxid und den Silikaten des Gemisches vorhanden sind, wenn das Gemisch bei erhöhter Temperatur gebrannt wird. Dadurch wird eine Vielzahl von mikrokristallinen Strukturen gebildet, durch die die Härte des Aggregats wesentlich erhöht und sein Schmelzpunkt verbessert wird. Durch die Zugabe von Kohlenstoff werden extrem leichte Strukturen, bedingt durch seine natürliche Porosität und seine homogene Verteilung in dem Gemisch, erhalten. Durch die Zugabe von Kohlenstoff findet ebenfalls eine Seggregation des hohlen und festen Volumens in der Masse statt, bedingt durch die Freigabe des Kohlendioxids, das nicht so schnell abdiffundiert wie andere leichte Gase, und dadurch werden die Unlöslichkeitseigenschaften der Teilchen verbessert. Weiterhin wird die Expansion des Materials durch die Freigabe von Kohlenmonoxid, das sehr kleine Poren bildet, wenn das Material bei der obigen Stufe (d) gebrannt wird, verbessert.

Eine Struktur der Aggregatteilchen, die für bestimmte Anwendungen besonders geeignet ist, wie für die Herstellung von sog. "Mineralschaumbaublöcken", ist eine, bei der jedes Teilchen des Aggregats als in der Mitte hohles, kugelförmiges Teilchen ausgebildet ist,mit einer sehr harten Hülle aus hochporösem Silikatmaterial auf der Oberfläche der kugelförmigen Teilchen und einer sehr großen, zentralen, kugeligen Pore oder Zelle, die von diesem Material umgeben ist.

Die oben beschriebenen hohlen Teilchen können nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erhalten werden, indem man zu der Aufschlämmung, die man bei irgendeiner der obigen Ausführungsformen erhält, zusätzlich ein Treibmittel zugibt, das ausreichend flüchtig ist, so daß beim Erhitzen bei der Wärmeexpansionsstufe (c), wie oben beschrieben, 'eine heftige Explosion stattfindet.

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Zur Herstellung der großen, zentralen Pore in den hohlen Teilchen können irgendwelche Arten bekannter schwefelartiger Treibmittel wie auch andere sehr flüchtige, feste, feinverteilte organische Materialien, wie Weizenmehl, Kornstärke, Holzpulver, Holzpulpe, Kork, Sägemehl u.a. verwendet werden. Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gibt man eine Menge von etwa 0,1 bis etwa 30 Gew.% Kaliumnitrat, bezogen auf das Alkalimetallsilikat, zu. Das Kaliumnitrat setzt in Anwesenheit einer reduzierenden Umgebung sehr heftig Stickstoff frei, der die Zentral- oder Mittelzelle bildet. Gleichzeitig wird Kaliumoxid gebildet, durch das die Härte und der Schmelzpunkt des Endaggregats erhöht werden.

Die oben erwähnte Hohlstruktur der Teilchen des Aggregats dieser erfindungsgemäßen Ausführungsform kann ebenfalls mit oder ohne Zugabe eines Treibmittels mit Explosiveigenschaften erhalten werden, indem man einfach die Expansionsstufe, die oben bei (c) beschrieben wurde, etwas modifiziert. Zu diesem Zweck erfolgt das Erhitzen in zwei Stufen, indem man zuerst die Teilchen auf eine Temperatur von etwa 110 bis etwa 300⁰C in feuchter Umgebung, wie einem Strom aus gesättigtem Dampf, in engem Kontakt mit den Teilchen erhitzt, wobei Wassermoleküle in deren Oberfläche eintreten und wobei die Oberfläche ausreichend plastisch verbleibt, so daß die Teilchen kugelartig während der Wärmeexpansionsstufe aufgeblasen werden, und wobei man dann den Erhitzungsvorgang wie zuvor beschrieben unter trockenen Bedingungen fortsetzt, bis e:
wird.

bis eine Temperatur von etwa 300 bis etwa 700⁰C erreicht

Die Körnung oder Verteilung der durch Verkneten der Bestandteile erhaltenen Aufschlämmung kann in an sich bekannter Weise erfolgen. Erfindungsgemäß ist es jedoch bevorzugt, diese Trennung durchzuführen, wenn die Aufschlämmung eine flüssige Konsistenz besitzt, indem man das fluide Material durch geeignete Düsen in eine erhitzte Umgebung versprüht,

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wobei vorgetrocknete Teilchen gebildet werden. Wenn die Aufschlämmung eine dicke, pastenartige Konsistenz besitzt, besteht das bevorzugte Verfahren darin, die Aufschlämmung von einem Gas mitschleppen zu lassen, das sich schnell bewegt, oder von einem sich schnell bewegenden Dampf strom oder indem man sie durch eine geeignete Düse ausdrückt. Wenn man schließlich die Aufschlämmung hat trocknen lassen und einen Feststoff gebildet hat, kann man auch eine Mahlvorrichtung für Feststoffe verwenden. Dabei können Teilchen jeder beliebigen Größe erhalten werden.

Die folgenden Beispiele erläutern die Erfindung.

Beispiel 1

In einen Kneter gibt man 10 kg eines wäßrigen Natriumsilikatsirups, der 5 kg Natriumsilikat der Formel Na₂O.2SiO₂ und 2 kg feinverteiltes Silicium-dioxid (SiO₂) gut vermischt enthält, und anschließend 10 kg Caliumsilikat (CaSiO₃). Die Knetvorrichtung wird 2 min in Gang gesetzt, bis man eine dicke Paste aus Silikatmaterial erhält. Die Paste kann bei einer Temperatur von 90⁰C trocknen und wird dann zu groben Teilchen mit einer langsam rotierenden Hammermühle verteilt. Man erhält so vorgetrocknete Teilchen aus Silikatmaterial. Die Teilchen werden in einem Luftstrom erhitzt, bis eine Temperatur von 65O⁰C erreicht wird. Die Temperatur wird weitere 10 see aufrechterhalten. Dabei werden Teilchen erhalten, die auf das etwa 1Ofache ihres ursprünglichen Volumens expandiert sind und die eine große Vielzahl von gleichmäßig verteilten Poren enthalten. Die Teilchen werden gebrannt, bis eine Temperatur von 1250°C erreicht ist (etwa 1 min),und die glasartigen, stark expandierten Teilchen (das Ofache ihres ursprünglichen Volumens) werden langsam auf Zimmertemperatur abgekühlt. Das grobe, teilchenförmige, so erhaltene Aggregat besteht aus porösen Teilchen von etwa 3 cm und besitzt eine Dichte von etwa 50 g/dm^, eine Druckfestigkeit von etwa 210 kg/cm² und schmilzt nicht bei Temperaturen unter etwa

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120O⁰C noch deformiert es sich.

Beispiel

In eine Knetvorrichtung gibt man 10 kg wäßrigen 35%igen Natriumsilikatsirup der Formel Na₂O.2,8SiO₂. Dann werden 1 kg feinverteiltes Siliciumdioxid, 5 kg Calciumsilikat und 1 kg Borsäure nacheinander in den Sirup eingeknetet. Man erhält eine flüssige Aufschlämmung aus Silikatmaterial. Die Aufschlämmung wird in einer Luftatmosphäre, die bei einer Temperatur von etwa 500⁰C gehalten wird, sprühgetrocknet. Man erhält kleine, expandierte Teilchen von etwa 1 mm. Die Teilchen werden dann bei einer Temperatur von 1500⁰C während einiger Sekunden gebrannt, wobei praktisch eine sofortige Verglasung auftritt. Sie werden dann auf Zimmertemperatur abgekühlt. Das feine, teilchenförmige, so erhaltene Aggregat besitzt eine Dichte von etwa 60 g/dm , eine Druckfestigkeit von etwa 272 kg/cm und schmilzt nicht bei Temperaturen unter etwa 1250⁰C noch deformiert es sich bei diesen Temperaturen.

Beispiel 5

Ein Gemisch aus 10 kg Natriumsilikat (Na₂O.3SiO₂)-Sirup mit einer Konzentration von kO%, 2 kg feinverteiltem Siliciumdioxid, 8 kg feinverteiltem Calciumsilikat, 0,5 kg Borsäure und 10 kg feinverteiltem Koks wird, wie in Beispiel 1 beschrieben,behandelt.

Man erhält ein grobes Aggregat mit einer Dichte von etwa 50 g/dnr und einer Druckfestigkeit von etwa 220 kg/dm « Bei Temperaturen unter etwa 1250⁰C schmilzt das Aggregat nicht noch deformiert es sich.

Beispiel 4

Zu dem Gemisch von Beispiel 3 wird 1 kg Kaliumnitrat zugegeben. Man arbeitet dann wie in Beispiel 2 beschrieben und stellt ein Aggregat her. Dieses besteht aus relativ fei-

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nen (3 mm), hohlen Teilchen, die ein großes, hohles Inneres besitzen, das von einem Mantel aus hochporösem Silikatmaterial umgeben ist. Die Dichte beträgt etwa 40 g/dm³ und die Druckfestigkeit beträgt etwa 250 kg/cm . Bei Temperaturen unter etwa 1200⁰C schmilzt das Aggregat nicht noch deformiert es sich.

Beispie, 1 5

Das in Beispiel 1 verwendete Ausgangsgemisch wird verknetet und zu Teilchen verteilt und dann einer ersten langsanen Erhitzungsstufe in Anwesenheit von gesättigtem Dampf unterworfen, bis eine Temperatur von etwa 300⁰C erreicht ist. Anschließend wird das in Beispiel 1 beschriebene Verfahren durchgeführt, indem zuerst die Erhitzungsstufe mit trockener Wärme auf eine Temperatur von etwa 700⁰C durchgeführt wird, und dann gebrannt wird, bis eine Temperatur von etwa 1500⁰C erreicht ist. Das Aggregat besteht aus sehr großen Teilen (etwa 5 cm) mit einem hohlen Zentrum, das von einem Mantel aus hochporösem Silikatmaterial umgeben ist. Es besitzt eine Dichte von etwa 35 g/dnr und eine Druckfestigkeit von etwa 195 kg/cm². Bei Temperaturen unter etwa 1200⁰C schmilzt das grobe Aggregat nicht noch deformiert es sich.

Es ist erkennbar, daß neue leichte Aggregate erhalten werden können, die wegen ihrer niedrigen Dichte sehr große Anwendung finden und die, verglichen mit bekannten schweren Aggregaten, keine andere Druckfestigkeit und Temperaturbeständigkeit zeigen. Die erfindungsgemäßen Aggregate können als leichte Aggregate für Beton, Gußzement, Mörtel auf Grundlage von Portlandzement, Kalk und Gips verwendet werden. Man kann so zahlreiche Produkte herstellen, die in der Bauindustrie von Nutzen sind. Da ein breiter Bereich der Teilchengrößen erhalten werden kann (etwa 0,001 bis etwa 10 cm) und da die Teilchen des erfindungsgemäßen. Aggregats eine große Zahl von Poren besitzen, findet eine feste Verankerung der Bindemittel statt, ohne daß große Wasser·

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mengen erforderlich sind, wie bei den bekannten Produkten. Die Alkalinität der Aggregatteilchen ist stark vermindert, und dadurch werden unerwünschte Nebenreaktionen mit den Bindemitteln verhindert, wodurch schwache Stellen und Risse in den fertigen und gehärteten Materialien gebildet werden, insbesondere wenn die Umgebungstemperatur variiert.

Die erfindungsgemäßen Aggregate besitzen den weiteren Vorteil, daß sie glasartig und vollständig unlöslich sind. Dies ermöglicht die Verwendung von Dampf zur Härtung des Betons und des Mörtels, ohne daß das Aggregat nachteilig beeinflußt wird, wie bei den bekannten Aggregaten, insbesondere bei den bekannten leichten Aggregaten.

Die Festigkeit der erfindungsgemäßen Aggregate liegt in der gleichen Größenordnung wie die der bekannten festen Aggregate (etwa 200 bis 250 kg/cm ). Dadurch können leichte Aggregate für Strukturbeton, Gußzemente und Mörtel verwendet werden, und es ist möglich, Portlandzementbeton mit einer Dichte herzustellen, die so niedrig ist wie etwa 250 g/dnr, ohne daß seine Festigkeit nachteilig beeinflußt wird. Diese Eigenschaften ermöglichen ein vollständig neues Anwendungsgebiet der leichten Aggregatmaterialien. Diese Aggregate können so in Beton für vorgespannte Elemente und vorgefertigte Elemente für billige Gehäuse bzw. Bauteile verwendet werden.

Da die erfindungsgemäßen Aggregate eine sehr poröse Struktur besitzen, können Beton und Mörtel mit verschiedenen akustischen Eigenschaften hergestellt werden, die als Trennwände, Decken und Fußböden u.a. verwendet werden können, und Baublöcke, die mit diesen Aggregaten hergestellt werden, sind für billige, leichte, akustische und thermische Isolierteile, Trennwände, Platten und Träger und Gehäuse geeignet.

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Weiterhin können verschiedene Arten von Bau- und Dekorationselementen durch Verformen von Gemischen der oben beschriebenen Aggregate und geeigneter Bindemittel, wie schnellhärtender Siliciumdioxidlösungen, Harzen, organischer Gummis, kautschukartiger Klebstoffe u.a., und durch Härten der Bindemittel hergestellt werden.

Die erfindungsgemäßen Aggregate können weiterhin zum Sprühbeschichten von Bauelementen für thermische und akustische Isolierzwecke wie auch als billige, leichte Füllstoffe für Kunststoffe und ähnliche Materialien verwendet werden.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE:

.1. Poröses, leichtes, teilchenförmiges Aggregat für die Verwendung in Beton, Gußzement, Mörtel, Baublöcken und anderen Bauelementen, dadurch gekennzeichnet, daß es enthält: expandierte und verglaste Teilchen mit niedriger Alkalinität aus einem Material, das ein Alkalimetallsilikat mit einem MpO/SiC^-Verhältnis von etwa 1:2 bis etwa 1:4, worin M ein Alkalimetall bedeutet, Siliciumdioxid in einer Menge von etwa 0,1 bis etwa 50 Gew.%_P bezogen auf das Alkalimetallsilikat, ein Erdalkalimetallsilikat in einer Menge von etwa 0,1 bis etwa 200 Gew.%, bezogen auf das Alkalimetallsilikat, sowie geeignete Füllstoffe und Zusatzstoffe enthält, so daß dem Aggregat die spezifischen Eigenschaften verliehen werden, wobei die expandierten und verglasten Teilchen mit niedriger Alkalinität eine Dichte nicht über etwa 60 g/dnr und eine Druckfestigkeit bis zu etwa 275 kg/cm² sowie ein Expansionsverhältnis bis zu dem etwa 15fachen ihres ursprünglichen, kollabierten Volumens besitzen.
2. Aggregat gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es als Alkalimetall Natrium und als Erdkalimetall Calcium enthält.
3. Aggregat gemäß Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß es als Zusatzstoff eine oder mehrere der folgenden Verbindungen enthält: Borsäure, Kohlenstoff, Metallcarbide und Kaliumoxid.
4. Aggregat gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß die expandierten und verglasten Teilchen mit niedriger Alkalinität eine Vielzahl von kleinen Poren enthalten, die gleichmäßig innerhalb des Körpers verteilt sind.

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5. Aggregat gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die expandierten und verglasten Teilchen niedriger Alkalinität kugelförmige Teilchen sind, die eine relativ große Zelle in ihrem Inneren enthalten, die von einem Mantel aus einem Material umgeben ist, das eine Vielzahl von kleinen Poren,gleichmäßig verteilt in dem Mantel,enthält.
6. Verfahren zur Herstellung von porösem, leichtem, teilchenförmigen! Aggregat, dadurch gekennzeichnet, daß man die folgenden Stufen durchführt:

(a) ein Alkalimetallsilikat in einer Wassermenge auflöst, die ausreicht, eine Lösung zu bilden, die etwa 35 bis etwa 50% Gesamtfeststoffe enthält, und in die Lösung eine Menge von etwa 0,1 bis etwa 50 Gew.% feinverteiltes Siliciumdioxid, bezogen auf das Alkalimetallsilikat, eine Menge von etwa 0,1 bis etwa 200 Gew.% feinverteiltes Erdalkalimetallsilikat, bezogen auf das Alkalimetallsilikat, und geeignete Mengen anderer Zusatzstoffe für modifizierte und verbesserte Eigenschaften unter Bildung einer homogenen Aufschlämmung einknetet oder einarbeitet;

(b) die so erhaltene Aufschlämmung zu Teilchen vorbestimmter Größe, abhängig von der gewünschten Größe des Endaggregats, teilt,

(c) die so erhaltenen Teilchen auf eine Temperatur von etwa 110 bis etwa 700⁰C während einer Zeit von etwa 0,1 see bis etwa 5 min für die erforderliche Expansion der Teilchen durch die Treibwirkung des freigesetzten Wasserdampfes erhitzt, wobei eine Vielzahl von Poren in jedem Teilchen gebildet wird;

(d) die expandierten und relativ getrockneten Teilchen auf eine Temperatur von etwa 700 bis etwa 1500⁰C während einer Zeit von etwa 5 see bis etwa 1 min für die Vervollständigung der Expansion des Materials und für seine Verglasung brennt, und

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(c) die vollständig expandierten und verglasten Teilchen auf Zimmertemperatur langsam abkühlt.
7. Verfahren gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß als andere Zusatzstoffe zu der Aufschlämmung ungefähr 0,1 Ms ungefähr 30 Gevr.% Borsäure und/oder ungefähr 0,1 bis ungefähr 400 Gevr,% Kohlenstoff, bezogen auf das Gewicht des Alkalimetallsilikats, zugegeben werden.
8. Verfahren gemäß Anspruch 6 und/oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Treibmittel in einer Menge von etwa 0,1 bis etwa 30 Gew.Jo, bezogen auf das Alkalimetallsilikat, zugegeben wird, wobei hohle Teilchen mit einer großen Innenpore, umgeben von einem harzen, porösen Mantel, erhalten werden,
9. Verfahren gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß als Treibmittel ein organisches Treibmittel verwendet wird.
10. Verfahren gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß als organisches Treibmittel Weizenmehl verwendet wird.
11. Verfahren gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß als Treibmittel Kaliumnitrat verwendet wird.
12. Verfahren gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Erhitzen der Teilchen in zwei Stufen erfolgt, nämlich einer ersten Stufe bei feuchten Umgebungsbedingungen, bei der die Temperatur von etwa 110 auf etwa 300⁰C erhöht wird, und einer zweiten Stufe bei trockenen Bedingungen, bis eine Temperatur von etwa 300 bis etwa 700⁰C erreicht ist, wobei hohle Teilchen mit einer relativ großen Innenpore, die von einem harten, porösen Mantel umgeben sind,· enthalten werden.

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13. Verfahren gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die feuchten Umgebungsbedingungen durch Behandlung der Teilchen mit gesättigtem Dampf erhalten werden.

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