DE2718469A1

DE2718469A1 - Keramische isoliersteine

Info

Publication number: DE2718469A1
Application number: DE19772718469
Authority: DE
Inventors: Walter Dr Ing Ehlert; Joachim Middelmann
Original assignee: Otavi Minen AG
Current assignee: Otavi Minen AG
Priority date: 1977-04-26
Filing date: 1977-04-26
Publication date: 1978-11-02
Also published as: BE866310R; AT370398B; ATA295778A; FR2388774B2; GB1554626A; DE2718469C2; LU79510A1; FR2388774A2; CH642037A5; IT7849031A0; NL7804401A

Description

DR. SOLF & ZAPF PATENTANWÄLTE

DR.-ING, DIPPING. S.^0L DIPL.-ING. CHR. ZAPF

Wall 27/29

5eOO Wuppertal 1

Postfach 13O219

l/p/650

OTAVI-MINEN AG, Hynspergstr. 24, 6000 Frankfurt/Main

Keramische Isoliersteine Zusatz zu Patent 2 3 39 139 (Patentanmeldung P 2 3 39 139.1-45)

Gegenstand des Haiiptpatents 23 39 139 (Patentanmeldung P 23 39 139.1-45) sind feuerfeste keramische Isoliersteine mit Poren, die an der Außenhaut verglast sind, wobei die Isoliersteine aus einem Bindemittelgerüst aus hydraulischem Bindemittel, insbesondere Tonerde-Schmelzzement und geblähtem Perlit, der überwiegend geschlossene Poren mit verglaster Außenhaut aufweist, bestehen. Die Isoliersteine können einen Gehalt an Poren zwischen 4 5 und 90 % und eine Anwendungsgrenze bei etwa 1.500 C besitzen. Sie können ferner einen Gehalt an zusätzlichen feuerfesten Produkten von 4 3 bis 47 Gew.-% aufweisen. Zur Herstellung der Isoliersteine wird ein Gemenge aus Bindemittel, geblähtem Perlit und Wasser y.u. einem Rohling geformt, der anschließend derart gebrannt wird, daß die Perlitkörner geschlossene Poren mit verglaster Außenhaut bilden. Dabei ist von Vorteil,

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wenn ein Gemenge aus 7 5 bis 96 Gew.-% Bindemittel und 4 bis 25 Gew.-% geblähtem Perlit, insbesondere aus 88 bis 92 Gew. % Bindemittel und 8 bis 12 Gew.-% geblähtem Perlit bezogen auf die Trockensubstanz verwendet wird. Die Formgebung erfolgt vorzugsweise mittels Vibration ggf. unter einem leichten Preßdruck bis maximal 1 kp/cm . Nach einer besonderen Ausführungsform wird als Bindemittel eine CaO- und ggf. eine SiO_?-Komponente verwendet und der geformte Rohling einer Dampfhärtung unterworfen. Zur Kompensierung einer ggf. auftretenden Brennschwindung kann das trockene Gemenge Kyanit-Gehalte bis zu 20 Gew.-% enthalten.

Der keramische Brand erfolgt zweckmäßigerweise in situ. Dabei ist wesentlich, daß die Schwindung möglichst geringer als 1 % ist. Diese Bedingung konnte gemäß der Erfindung nach dem Hauptpatent erreicht werden, obwohl eine niedrig schmelzende Komponente, nämlich Perlit, verwendet wird. Eine ggf. rohstoffbedingte Brennschwindung kann durch besonders fein gemahlenen Kyanit kompensiert werden.

Die vorliegende Erfindung betrifft Isoliersteine nach dem Hauptpatent, die aus einem Bindemittelgerüst bestehen, das Calciumsilikathydratphasen aufweist und insbesondere aus Portlandzementstein aufgebaut ist.

Bekannt ist, daß aus Portlandzementdasin beim ersten Erhit-

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zen auf Temperaturen über 1.000 C das freie und auch das chemisch gebundene Wasser ausgetrieben wird. Bei gleichmäßiger Erhitzung verläuft dieser Vorgang jedoch nicht kontinuierlich, sondern der Zementstein verliert je nach Bindung des Wassers in bestimmten Temperaturbereichen mehr oder weniger Wasser. Die Übergänge sind fließend, jedoch kann man annehmen, daß zwischen 100 und 200 C das freie und das physikalisch adsorbierte Wasser des Zementsteins,zwischen J+00 und 600° C ein Teil des chemisch gebundenen Wassers und zwischen 800 und 900 C der Rest des chemisch gebundenen Wassers ausgetrieben wird. Aus dem Calciumhydroxid, das sich bei der Hydratation des Zements gebildet hat, entsteht bei der Erhitzung freies Calciumoxid, das beim Abkühlen in feuchter Atmosphäre mit erheblicher Volumenvergrößerung wieder in Calciumhydroxid übergeht. Die Volumenvergrößerung verursacht Rißbildung und Zermürbung des Zementsteins.

Bei Feuerbetonen auf Portlandzement-Basis versucht man, durch die Zugabe von Zusatzstoffen in Form mehlfeiner feuerfester Stoffe, sogenannter keramischer Stabilisatoren, das freiwerdende Calciumoxid bei hohen Temperaturen chemisch zu binden und damit die Rißbildung und Zermürbung des Zementsteins zu unterbinden. Als Stabilisatoren dienen z. B. feuerfeste Tone, Chromerze, Schamotte-

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und Ziegelmehl. Die Reaktionen zwischen dem Calciumoxid und dem Stabilisator beginnen in der Regel erst oberhalb 600° C wnd eine keramische Bindung setzt erst oberhalb 900° C ein.

Das Austreiben des Wassers aus dem Zementstein ist mit einer Schwindung von etwa 2,5 % und einer erheblichen Festigkeitsminderung, insbesondere im Bereich zwischen 600 und 1.100 C verbunden. Durch die Zugabe der Stabilisatoren kann das Schwinden in Feuerbetonen zwar herabgesetzt und die Festigkeit vor der keramischen Bindung gesteigert werden. Dennoch werden die günstigen relativen Festigkeitswerte und geringen Schwindwerte, die sich bei der Verwendung von Tonerde-Schmelzzement bei Feuerbetonen einstellen, nicht erreicht.

In feuerfesten und hochfeuerfesten Betonen können sich beim Erhitzen das Schwinden des Zementsteins und die Ausdehnung des Zuschlagstoffes überlagern. Insofern kann die Schwindung neben der Wirkung des Zusatzstoffes auch durch den Kornaufbau bestimmter Zuschlagstoffe beeinflußt werden. Dies ist bei nur hitzebeständigen Betonen, deren Anwendungsgrenze unterhalb 1.100° C liegt, nicht möglich, weil deren Zuschlagstoffe, die z. B. Basalt oder expandierter Perlit sein können, bei hohen Temperaturen bereits Schmelzphasen bilden, die ihrerseits das Schwinden begünstigen und

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die Anwendungsgrenze herabsetzen. Wegen der genannten Eigenschaften darf daher das erste Erhitzen bei Feuerbetonen trotz Stabilisatoren nur unter besonderen Vorkehrungen erfolgen, um Schaden der Zustellung zu vermeiden.

Die Erkenntnisse auf dem Gebiet des Feuerbetons lassen sich nicht ohne weiteres auf feuerfeste keramische Isoliersteine der eingangs erwähnten Art übertragen. Denn bei den geformten Isoliersteinen, die häufig in grünem Zustand in das Ofenmauerwerk eingebaut werden, kommt es darauf an, daß die erforderliche Festigkeit der Steine auch im Bereich zwischen 600 und 1.100° C gewährleistet ist und keine Schwindung beim Erhitzen auftritt, da andernfalls die Statik und Maßhaltigkeit des Mauerwerks unkontrollierbar wird. Steine nach dem Hauptpatent, die ein aus Portlandzement bestehendes Bindemittelgerüst besitzen, weisen das sehr hohe Schwindmaß und den sehr hohen Festigkeitsschwund des reinen Portlandzementsteins nicht auf. Offenbar wirkt in diesen Steinen der geblähte Perlitgrus in mehlfeiner Form oder aber das grobe Perlitkorn weitgehend stabilisierend, und der Rest des freien Calciumoxids verändert beim Hydratisieren das Gefüge des Steins nicht derart, daß es zermürbt wird. Dennoch erreichen die Isoliersteine auf Portlandzement-Basis nicht die niedrigen Schwindmaße und hohen Festigkeiten beim Erhitzen wie Isoliersteine auf Tonerde-Schmelzzement-Basis.

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Aufgabe der Erfindung ist daher, feuerfeste keramische Isoliersteine mit Poren, die an der Außenhaut verglast sind, und die ein Bindemittelgerüst aus Portlandzement besitzen sowie überwiegend geschlossene Poren mit verglaster Außenhaut aufweisen, wobei die Außenhaut beim Erhitzen aus einem geblähten Perlitkorn entstanden ist, zur Verfügung zu stellen, in denen das Calciumoxid beim Erhitzen vollständig chemisch gebunden wird, deren Schwindwerte und deren Festigkeitsverhalten den Werten der Isoliersteine mit einem Bindemittelgerüst aus Tonerde-Schmelzzement entsprechen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch feuerfeste keramische Isoliersteine gelöst, die Poren, die an der Außenhaut verglast sind, besitzen, aus einem Bindemittelgerüst aus Portlandzement und geblähtem Perlit, der überwiegend geschlossene Poren mit verglaster Außenhaut aufweist, bestehen und sich dadurch auszeichnen, daß im Bindemittelgerüst Körner eines Feldspat und/oder Feldspatvertreter enthaltenden magmatischen Gesteins eingebettet sind. Eine besondere Ausführungsform der Erfindung stellen feuerfeste keramische Isoliersteine dar, bestehend aus geblähten Perlitkörnern und einem Bindemittelgerüst aus Portlandzement, dadurch gekennzeichnet, daß im Bindemittelgerüst Körner eines Feldspat und/oder Feldspatvertreter enthaltenden magmatischen Gesteins eingebettet sind. Insbesondere werden Körner eines

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basischen magmatischen Gesteins verwendet. Besonders vorteilhaft ist, wenn die Gesteinskörner aus Basalt, Gabbro oder Phonolit bestehen und im Kornbereich hauptsächlich zwischen 0,1 und 4 mm liegen und deren Feststoffanteil zwischen und 80 Gew.-%, insbesondere zwischen 40 und 60 Gew.-%, beträgt.

Es hat sich in überraschender Weise gezeigt, daß in den erfindungsgemäßen Steinen nach dem Erhitzen kein freies Calciumoxid mehr vorhanden ist, die Schwindung nach dem Erhitzen maximal nur etwa 0,8 bis 1,0 % beträgt und die Festigkeit beim Erhitzen kein ausgeprägtes Minimum durchläuft. Wahrscheinlich finden bereits Festkörperreaktionen zwischen den Gesteinskörnern und dem freien Calciumoxid im Temperaturbereich zwischen 600 und 1.100° C statt, wobei das freie Calciumoxid gebunden und eine Schwindung verhindert wird sowie eine Bindung erfolgt, die die Festigkeit stabilisiert. Diese Vorgänge spielen sich in einem Bereich ab, in dem eine Entstehung der verglasten Porenaußenhaut noch nicht festgestellt wird. Insofern ist es auch möglich, die ungebrannten Steine zu Isolierzwecken im Temperaturbereich unterhalb 1200 C zu verwenden. Offenbar wird der synergistische Effekt, nämlich die Stabilisierung der Festigkeit, Verhinderung der Schwindung und Bindung des freien Calciumoxids durch die Wechselwirkung zwischen den Gesteinskörnern und den PerlitkÖrnern bewirkt.

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Dabei ist bemerkenswert, daß die Anwendungsgrenze der Feuerleichtsteine nicht beeinträchtigt wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung feuerfester keramischer Isoliersteine zeichnet sich dadurch aus, daß
ein Gemenge aus Portlandzement, geblähtem Perlit, Sand
eines magmatischen Feldspat und/oder Feldspatvertreter
enthaltenden Gesteins und Wasser zu einem Rohling geformt wird, der anschließend derart gebrannt wird, daß sich aus Perlitkörnern geschlossene Poren mit verglaster Außenhaut bilden. Vorteilhaft ist, wenn ein Gesteinssand aus Basalt und/oder Gabbro und/oder Phonolit in Mengen von 30 bis 80 Gew.-%, bezogen auf den Feststoffgehalt des Gemenges, zugesetzt wird und der Gesteinssand die folgende Kornverteilung aufweist:

Kornbereich (mm) Anteil (Gew.-%)

2 bis 4

1 bis 2

0,5 bis 1

0,25 bis 0,5

0,125 bis 0,25

0 bis 0,125

10	bis	30
10	bis	30
5	bis	20
VJl	bis	20
VJl	bis	20
0	bis	20

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Besonders günstig ist eine Kornverteilung wie folgt: Kornbereich (mm) Anteil (Gew.-%)

2 bis 4 ²3

1 bis 2 23

0,5 bis 1 10

0,25 bis 0,5 10

0,125 bis 0,25 ¹?

0 bis 0,125 ¹?

Vergleichsversuche haben ergeben, daß das Festigkeitsverhalten der erfindungsgemäßen Steine denen gleicht, die unter Verwendung von Tonerde-Schmelzzement hergestellt sind. Das freie Calciumoxid wird beim Erhitzen vollständig chemisch gebunden. Eine beachtliche Schwindung tritt nicht auf. Die Festigkeit der Steine bleibt auch im kritischen Temperaturbereich zwischen 600 und 1.100° C im wesentlichen erhalten.

Lag schon die Kombination des bei niedrigen Temperaturen schmelzenden Perlits mit einem Bindemittel nicht nahe und waren die hervorragenden Eigenschaften der Steine nach dem Hauptpatent schon überraschend, so lag die Verwendung einer weiteren niedrig schmelzenden Komponente wie z. B. Basaltoder Gabbrosand mit beachtlichen Anteilen im Grobkornbereich noch weniger nahe und die erzielten Erfolge sind insofern noch überraschender, als sich gezeigt hat, daß das Zusetzen

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von nur feinmehligen Stabilisatoren nicht zum gewünschten Ergebnis führt. Die groben Fraktionen des Gesteinssandes binden offenbar erhebliche Freikalkmengen und stabilisieren darüber hinaus die Festigkeit.

Anhanddes folgenden Beispiels wird die Erfindung näher erläutert:

Eine Mischung, bestehend aus 160 kg Basaltsand, 110 kg geblähtem Perlit (Kornbereich 0 bis 3 mm, Litergewicht 70 gr/L) und I60 kg Portlandzement 450 F, wird in einem Freifallmischer zunächst trocken innig gemischt. Anschließend werden 160 1 Wasser hinzugegeben und drei Minuten weitergemischt. Die feuchte Masse wird dann in Formen einer Vibrationspresse gefüllt. Nach kurzem Rütteln unter mäßigem Druck lassen sich die Rohlinge leicht entformen und transportieren. Der keramische Brand erfolgt nach einer 24-stündigen Härtung der Rohlinge. Die Prüfung der Steine ergab die folgenden Ergebnisse:

Raumgewicht 0,8 g/crrr

Porosität 74 %

Kaltdruckfestigkeit 17 kp/cm Anwendungsgrenze (ASTM) 1260 C Schwindung bei 12 00° C

(DIN 51066) 0,9 %

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Die Zusatzstoffmenge und der Kornaufbau des Gesteinssandes richten sich nach der Portlandzementsorte bzw. nach der Menge des beim Erhitzen auftretenden freien Calciumoxids und der Neigung des Bindemittelgerüsts,beim Erhitzen zu schwinden. Insofern stellen die obigen Angaben Bereiche dar, die sich als günstig erwiesen haben.

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Claims

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ANSPRÜCHE

Feuerfeste keramische Isoliersteine mit Poren, die an der Außenhaut verglast sind, bestehend aus einem Bindemittelgerüst aus Portlandzement und überwiegend geschlossenen Poren mit verglaster Außenhaut aus geblähtem Perlit, dadurch gekennzeichnet, daß im Bindemittelgerüst Körner eines Feldspat und/oder Feldspatvertreter enthaltenden magmatischen Gesteins eingebettet sind.
2. Feuerfeste keramische Isoliersteine, bestehend aus geblähten Perlitkörnern und einem Bindemittelgerüst aus Portlandzement, dadurch gekennzeichnet, daß im Bindemittelgerüst Körner eines Feldspat und/oder Feldspatvertreter enthaltenden magmatischen Gesteins eingebettet sind.
3. Isoliersteine nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Bindemittelgerüst Körner eines basischen magmatischen Gesteins eingebettet sind.

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4. Isoliersteine nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesteinskorner aus Basalt und/oder Gabbro und/oder Phonolit bestehen.
5. Isoliersteine nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesteinskorner im Kornbereich hauptsächlich zwischen 0,1 und 4 mm liegen.
6. Isoliersteine nach einem oder mehreren der Ansprüche

1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Feststoffanteil der Gesteinskorner zwischen 30 und 80 Gew.-$, insbesondere zwischen 40 bis 60 Gew.-%, beträgt.
7. Verfahren zur Herstellung der Isoliersteine nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gemenge aus Portlandzement, geblähtem Perlit, Sand eines magmatischen Feldspat und/oder Feldspatvertreter enthaltenden Gesteins und Wasser zu einem Rohling geformt und durch hydraulische Erhärtung verfestigt wird, der anschließend ggf. derart gebrannt wird, daß sich aus den Perlitkörnern geschlossene Poren mit einer verglasten Außenhaut bilden.

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8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Gesteinssand Basalt und/oder Gabbro und/oder Phonolit verwendet wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Gesteinssand in Mengen von 30 bis 80 Gew.-%, bezogen auf den Feststoffgehalt des Gemenges, zugesetzt wird.
10. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gesteinssand verwendet wird, der die folgende Kornverteilung aufweist:

Kornbereich (mm) Anteil (Gew.-%)

2 bis 4 1 bis 2 0,5 bis 1 0,25 bis 0,5 0,125 bis 0,25 0 bis 0,125

10 bis 30 10 bis 30 5 bis 20 VJl bis 20 5 bis 20 0 bis 20

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11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gesteinssand verwendet wird, der die folgende Kornverteilung aufweist:

Kornbereich (mm) Anteil (Gew.-%)

2 bis 4 23

1 bis 2 23

0,5 bis 1 10

0,25 bis 0,5 10

0, 125 bis 0,25 17

0 bis 0,125 17

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