DE3641370A1 - Dauerbestaendige baustoff-formteile - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft dauerbeständige Baustoff- Formteile, die insbesondere eine plattenförmige Ausgestaltung haben, bestehend aus den Hydratations­ produkten eines Zements oder eines zementähnlichen Bindemittels sowie alkaliempfindlichen Bewehrungs­ stoffen, insbesondere Lignocellulosen.

Früher wurden dauerbeständige Baustoff-Formteile dieser Art in der Regel aus Asbestzement hergestellt. Bei diesem Baustoff werden Asbestfasern dem Zement zumeist im Mischungsverhältnis von 1/6 bis 1/10 (in Masseteilen) als Bewehrungsstoff zugesetzt. Diese asbestbewehrten Zement-Formteile haben in vielerlei Hinsicht vorzügliche Eigenschaften und sind auch ökonomisch herstellbar. Allerdings ist mit der Herstellung und Verarbeitung solcher asbestbewehrten Zement-Formteile ein hohes gesundheitliches Risiko für den mit diesem Werkstoff arbeitenden Menschen verbunden. Daher ist man seit längerem bemüht, die Asbestfasern in Asbestzementbaustoffen durch andere als Bewehrung dienende Fasern zu ersetzen. Einerseits wurden dazu Fasern anorganischer Herkunft verwandt, wie beispielsweise Glasfasern, Basaltfasern und Schlackenfasern. Andererseits wurde versucht, die Asbestfasern durch Fasern organischer Herkunft, wie Kunststoffasern und lignocelluloseartige Fasern zu ersetzen. Als lignocelluloseartige Fasern kamen dabei beispielsweise Bambusfasern, Baumwollfasern und Sisalfasern in Betracht. Während die Untersuchungen von Baustoffen, die anorganische Fasern als Be­ wehrungsstoffe enthielten, insgesamt zu unbefrie­ digenden Ergebnissen führten, erzielte man beim Einsatz von Lignocellulosen als Bewehrungsstoffe gute Anfangsfestigkeiten. Jedoch ist hier - berücksichtigt man das Langzeitverhalten - eine stetige Abnahme der anfänglich erreichten Festigkeit zu verzeichnen.

Der vom Zeitfaktor abhängige Biegefestigkeitsabfall bei lignocellulosebewehrten Zementwerkstoffen wird auf die hohe Alkalität einer Zementmatrix zurückgeführt. Man geht davon aus, daß die Lignocellulosen im alkalischen Medium nicht beständig sind. Bei glasfaserverstärkten Zementen ist gleichfalls infolge alkalibedingter Glaskorrosion ein beträchtlicher Biegefestigkeitsabfall zu verzeichnen. In der Literatur gibt es deshalb verschiedene Vorschläge zur Verbesserung der Eigenschaften von lignocellulose­ bewehrten bzw. glasfaserbewehrten Zementwerkstoffen, ohne dabei jedoch auf das grundliegende Problem einer ausreichenden Senkung der Alkalität einzugehen.

So können alle bisher bekannten Vorschläge für die Zementmodifikation günstigstenfalls eine Korrosion von alkaliempfindlichen Fasern zwar verlangsamen, aber nicht - was zur uneingeschränkten Nutzung solcher Stoffkombinationen notwendig wäre - grundsätzlich verhindern.

Es ist beispielsweise bekannt, herkömmliche Portland­ zemente durch aktive puzzolanische Stoffe, ins­ besondere silicatischer Herkunft, wie Silicagel, zu modifizieren und auf diese Weise die Beständigkeit der Lignocellulosen in der Zementmatrix zu erhöhen. In der bekanntgemachten Europäischen Patentanmeldung 68 742 wird diesbezüglich vorgeschlagen, ein Substitut für Asbestzement aus 50 bis 90% Zement - wobei sich aus dem Zusammenhang ergibt, daß es sich hier um Portlandzement handelt - 5 bis 40% hochaktiver puzzolanischer Kieselsäure und 5 bis 15% Cellulose­ fasern herzustellen. Der puzzolanische Stoff soll zur Verbesserung seiner Aktivität eine spezifische Oberfläche von mindestens 15 000 m²/kg, besser jedoch von mindestens 25 000 m²/kg besitzen.

Ferner ist es aus der Internationalen Veröffentlichung mit der Nr. WO 85/03 700 bekannt, daß Bindemittel­ gemische aus 75 bis 40% Portlandzement und 25 bis 60% amorpher Kieselsäure zur Herstellung zementgebundener Holzfaser-Formkörper verwendet werden können. Weiterhin ist dieser Druckschrift zu entnehmen, daß die Aktivität des Puzzolans mit zunehmender Korn­ feinheit zunimmt. Der bevorzugte Korngrößenbereich (15 bis 25 m²/g) deckt sich vollständig mit dem der zuvor genannten bekanntgemachten Europäischen Patent­ anmeldung 68 742. Auch die GB-PS 15 88 938 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von Faser-Zement- Formkörpern. Gemäß dieser Druckschrift werden Glasfasern in einem Anteil von 0,5 bis 20% bezogen auf das Bindemittelgewicht als Bewehrungsstoff zugegeben. Von den zugemischten Glasfasern wird eine weitgehende Alkaliresistenz gefordert und deshalb eine Herab­ setzung der Alkalität in dem die Glasfasern umgebenden Milieu nicht in Betracht gezogen. Unter dieser Voraussetzung wird aber ein Austausch der Glasfasern gegen Cellulose- bzw. Holzfasern zu dem obengenannten negativen Langzeitverhalten infolge der vorhandenen Alkalität führen.

Die AT-PS 3 457/12 betrifft im Unterschied zu den bekannten Asbestzementbaustoff-Formteilen einen feuerfesten und raumbeständigen Asbestzementbaustoff aus einer Mischung von Asbest, Zement und kieselsäure­ haltigen Stoffen, wobei die Fasern gegen Korrosion in alkalischer Umgebung beständig sein sollen. Es wird hier davon ausgegangen, daß die in Betracht gezogenen Faserstoffe als alkaliresistent anzusehen sind.

Schließlich wurde in einer breitangelegten Unter­ suchung von GRAM aus dem Jahre 1983 (H. E. Gram, Durability of natural fibers in concrete Swedish Cement and Concrete Research Institute, S-100 44 Stockholm, 255 Seiten.) festgestellt, daß Sisalfasern in wässrigen Pufferlösungen mit einem pH-Wert über 12 verspröden. Andere Lignocellulosen wurden auf ihre Versprödung in alkalischen Lösungen nicht untersucht. Im Bericht von GRAM, in dem die Literatur zum Thema "Lignocellulosen in der Zementmatrix" kritisch ausgewertet wird, wird in einer Schlußfolgerung dargelegt, daß die Zugabe von bestimmten Stoffen zum Zement, die eine Erniedrigung des pH-Wertes des Bindemittels Zement bewirken, die Dauerbeständigkeit von Lignocellulosen in der Zementmatrix auch erhöhen können. So wird beispielsweise eine Verbesserung der Dauerbeständigkeit von Lignocellulosen in einer Zementmatrix durch einen teilweisen Ersatz des Bindemittels Zement durch silikatische Stoffe, wie amorphe Kieselsäure (z.B. SILICA FUME) erreicht. Auch der teilweise Ersatz von Portlandzement durch Tonerdezement führt zu einer Verbesserung der Faserbeständigkeit von in einer Zementmatrix eingebetteten Sisalfasern.

Sämtliche im Stand der Technik beschriebenen Vorschläge zur Verbesserung der Faserbeständigkeit bewirken lediglich eine Verlangsamung der Faser­ schädigung . Innerhalb der üblicherweise geforderten Lebensdauer solcher Baustoffe setzt aber auch hier die Faserkorrosion zunehmend ein. Es ist noch nicht gelungen, die Faserkorrosion grundsätzlich zu vermeiden.

Man ging bisher davon aus, daß für die Schädigung der Fasern alleine die durch den pH-Wert beschriebene Alkalität der umgebenden Matrix verantwortlich sei. Gemäß dem Stand der Technik wurden also entweder alkaliresistente Bewehrungsstoffe eingesetzt, die allerdings aufgrund ihrer Eigenschaften nur einge­ schränkt verwendbar sind, oder es wurde versucht, den pH-Wert der Bindemittelmatrix zu erniedrigen.

Trotz umfangreicher Untersuchungen insbesondere in den letzten Jahren war es bislang nicht möglich, dauerhafte Baustoff-Formteile zur Verfügung zu stellen, die einerseits als Bewehrungsstoffe dienenende alkaliempfindliche Fasern und andererseits alkalische Bindemittelsysteme beinhalten.

Aufgabe der Erfindung ist daher, Baustoff-Formteile zur Verfügung zu stellen, bei denen Fasern auf der Basis von Lignocellulosen oder anderen alkali­ empfindlichen Fasern als langzeitbeständige Bewehrung zur Erhöhung der Festigkeit des Baustoffes eingebettet werden.

Der Lösung dieser Aufgabe liegt die Erkenntnis zugrunde, daß es bei der Schädigung von Ligno­ cellulosen in der Zementmatrix viel weniger auf den pH-Wert des verwendeten Bindemittels beziehungsweise Bindemittelgemisches, als vielmehr auf die alkalische Pufferkapazität des hergestellten Baustoffes ankommt. Aus dieser grundlegenden Erkenntnis leitet sich die erfindungsgemäße technische Lehre her, daß eine einstellbare ausreichend niedrige alkalische Pufferkapazität des Baustoffes 24 Stunden nach dem Herstellungszeitpunkt, in einer definierten wäßrigen Prüfsuspension 0,005 Säureäquivalente/100 g Baustoff nicht überschreitet.

Der erfindungsgemäßen Lösung liegt ebenfalls die Erkenntnis zugrunde, daß zur Verhinderung von Faserkorrosion eine bestimmte Pufferkapazität erreicht werden muß. Im bisherigen Stand der Technik wurde die Bedeutung der Pufferkapazität als entscheidender Einflußfaktor nicht erkannt, so daß die sich gemäß vorliegender erfindungsgemäßer Lösung für das Bindemittelsystem ergebenden Anforderungen von den bisher vorgeschlagenen Zementen bzw. Zementmodifi­ kationen nicht berücksichtigt werden konnten.

In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung lassen sich zementgebundene Baustoff-Formteile mit einer dauerhaften Bewehrung auf der Basis von Lignocellulosen herstellen, wenn herkömmliche Portlandzemente, Tonerdezemente und Belitzemente oder Gemische hieraus in einem derartigen gravimetrischen Verhältnis mit aktivem Puzzolan, z. B. amorphe Kieselsäure, Trassmehl und Flugasche und gegebenen­ falls mit und/ohne Säurezusatz gemischt werden, bis dadurch eine ausreichende Pufferkapazität des Werkstoffes erreicht oder unterschritten wird.

Bei der Verwendung von Säurezusätzen zur erfindungs­ gemäßen Senkung der Pufferkapazität kann darüber hinaus der zusätzliche Effekt einer Erhärtungs­ beschleunigung des Bindemittels genutzt werden, wenn die Säuren entsprechend der Beschleunigungswirkung ihrer Kalziumsalze ausgewählt werden. So bewirkt zum Beispiel der Zusatz von 1,0 bis 2,5 ml konzentrierter Salzsäure zu 100 g Bindemittel mit dominierendem Portlandzementanteil eine beträchtliche Puffer­ kapazitätssenkung und Erhärtungsbeschleunigung. Bei Bindemitteln mit überwiegendem Tonerdezementanteil tritt eine ähnliche Wirkung ein, wenn auf 100 g Bindemittel 0,5 bis 4,0 ml konzentrierte Schwefelsäure zugesetzt werden. In Abhängigkeit von der Bindemittel­ zusammensetzung und deren Verwendung kann auch der Zusatz anderer anorganischer oder organischer Säuren zweckmäßig sein.

Selbstverständlich stellen beliebige andere Binde­ mittelsysteme, die die erfindungsgemäßen Lösungs­ merkmale aufweisen, Lösungen der zuvor gestellten Aufgabe dar. Auch Baustoff-Formteile mit Glasfasern als Bewehrungsstoff entsprechen bei Anwendung der erfindungsgemäßen Lehre dem gewünschten Langzeit­ verhalten.

Die Erfindung wird im folgenden an Beispielen erläutert, durch die weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der erfindungsgemäßen Baustoff-Formteile gegenüber dem Stand der Technik verdeutlicht werden. Wenn es nicht anders ausgeführt ist, wird die Bindemittelzusammensetzung und der Faseranteil jeweils in Masseteilen angegeben. Zur Bestimmung der Pufferkapazität in den Beispielen wurde wie folgt vorgegangen:

10 g des Werkstoffes wurden mit 50 ml aqua dest. versetzt, 24 Stunden lang bei Zimmertemperatur geschüttelt, anschließend wurden 20 ml der Lösung mit 0,1 n HCl bis pH=7 titriert und der Salzsäureverbrauch auf 100 g Werkstoff in Säureäquivalente umgerechnet.

Beispiel 1

Baustoff-Formteile werden hergestellt aus 100 Teilen kalkreichem Portlandzement (PZ45F) und 18 Teilen Lignocellulosefasern. Die nach einem Tag gemessene Pufferkapazität beträgt ca. 0,013 Säureäquivalente/100 g Baustoff und liegt damit mehr als doppelt so hoch wie der beanspruchte Grenzwert. Die Biegefestigkeit wurde nach 14 Tagen gemessen und betrug 21,3 N/mm². Nach 168 Tagen wurde sie ebenfalls gemessen und betrug nur noch 16,9 N/mm².

Beispiel 2

Zu 100 Teilen kalkärmerem Portlandzement, d. h. belitreichem Zement (PZ35L), wurden 19 Teile Lignocellulosefasern zugegeben und aus dieser Zusammensetzung wurden Baustoff-Formteile hergestellt. Die Pufferkapazität betrug 0,011 Säureäquivalente/100 g Baustoff nach einem Tag und lag somit ebenfalls über dem beanspruchten Grenzwert. Die 14 Tage-Biege­ festigkeit betrug 18,5 N/mm² und nach 168 Tagen konnte nur noch eine Biegefestigkeit von 15,7 N/mm² festgestellt werden.

Beispiel 3

Ein Baustoff-Formteil, hergestellt aus 60 Teilen kalkärmerem Portlandzement, d.h. belitreichem Zement (PZ35L), 40 Teilen Tonerdeschmelzzement und 18 Teilen Lignocellulosefasern, weist nach einem Tag eine Pufferkapazität von 0,005 Säureäquivalenten/100 g Baustoff auf. Dieser Wert entspricht dem beanspruchten oberen Grenzwert. Nach 14 Tagen wurde eine Biege­ festigkeit von 18,4 N/mm² festgestellt. Die zur Erprobung der Langzeitfestigkeit dienende Messung nach 168 Tagen ergab eine Biegefestigkeit von 20,3 N/mm², also eine Zunahme der Festigkeit.

Beispiel 4

Ein Baustoff-Formteil aus 57 Teilen kalkärmerem Portlandzement, d.h. belitreichem Zement (PZ35L), 38 Teilen Tonerdeschmelzzement, 5 Teilen amorpher Kieselsäure und 18 Teilen Lignocellulosefasern weist nach einem Tag eine Pufferkapazität von 0,005 Säure­ anspruchten Grenzwert. Die 14 Tage-Biegefestigkeit beträgt 18,1 und die 168 Tage- Biegefestigkeit beträgt 18,2 N/mm².

Beispiel 5

Ein Baustoff-Formteil wird aus 27 Teilen kalkreichem Portlandzement (PZ45F), 40 Teilen Tonerdeschmelz­ zement, 29 Teilen Flugasche und 4 Teilen Schwefelsäure zusammen mit 20 Teilen Lignocellulosefasern her­ gestellt. Die Pufferkapazität beträgt nach einem Tag 0,004 Säureäquivalente/100 g Baustoff. Damit liegt die Pufferkapazität in dem beanspruchten Bereich und unter dem angegebenen Grenzwert. Die Biegefestigkeit nach 14 Tagen wurde zu 19,4 N/mm² gemessen und nach 168 Tagen lag eine Biegefestigkeit von 20,5 N/mm vor.

Ein Vergleich der fünf Beispiele zeigt deutlich, daß bei Einhalten der beanspruchten Pufferkapazität Baustoff-Formteile mit unterschiedlichen Zusammen­ setzungen das gewünschte Langzeitverhalten aufweisen.

Eine weitere Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt anhand einer Figur.

Die Figur zeigt in Diagrammform den Trend der Biegefestigkeitsentwicklung bei vergleichbarer Baustoffdichte.

Auf der Ordinate ist die Biegefestigkeit in N/mm² aufgetragen, während auf der Abszisse das Alter in Tagen verzeichnet ist. Die Kurven 1, 2 und 3 beziehen sich auf drei unterschiedliche Baustoffzusammen­ setzungen. Kurve 1 ist charakteristisch für Er­ härtungsprodukte aus herkömmlichen Portlandzementen bzw. erfindungsgemäß zusammengesetzten Bindemitteln ohne Faserbewehrung, deren Festigkeit infolge Hydratation erst stark und danach nur noch sehr langsam zunimmt.

Kurve 2 zeigt mit Cellulosefasern bewehrte Baustoff- Formteile gemäß dem Stand der Technik aus her­ kömmlichen Portlandzementen, wie sie im obengenannten Beispiel 1 ausgeführt sind. Die Biegefestigkeit dieser Baustoff-Formteile nimmt nach Durchlaufen eines Maximums infolge alkalibedingter Faserschädigung stetig ab. Die Kurve scheint asymptotisch auf den Wert der Matrixfestigkeit gemäß Kurve 1 zuzustreben.

Die mit 3 bezeichnete Biegefestigkeitskurve ist kennzeichnend für einen mit Cellulosefasern bewehrten Baustoff gemäß der vorliegenden Erfindung, beispiels­ weise für Baustoff-Formteile nach den oben aufge­ führten Beispielen 3 bis 5. Die Biegefestigkeit nimmt zunächst sehr stark zu, bis ein recht hoher Festig­ keitswert erreicht ist. Danach ist allerdings im Gegensatz zu dem Baustoff-Formteil gemäß Kurve 2 noch ein leichter allmählicher Anstieg des Festigkeits­ wertes zu verzeichnen. Dieser Anstieg entspricht ungefähr dem Anstieg, wie er durch zunehmende Matrixverfestigung auch in Kurve 1 abzulesen ist. Die Faserschädigung ist in diesen erfindungsgemäßen Baustoff-Formteilen unterdrückt.

Claims (3)

1. Dauerbeständige Baustoff-Formteile, die ins­ besondere eine plattenförmige Ausgestaltung haben, bestehend aus Hydratationsprodukten eines Zements oder eines Bindemittels mit zementähnlichen Eigenschaften und alkaliempfindlichen Bewehrungs­ stoffen insbesondere Lignocellulosen, dadurch gekennzeichnet, daß eine einstellbare ausreichend niedrige alkalische Pufferkapazität des Baustoffes 24 Stunden nach dem Herstellungszeitpunkt in einer definierten wäßrigen Prüfsuspension 0,005 Säureäquivalente/100g Baustoff nicht über­ schreitet.

2. Dauerbeständige Baustoff-Formteile nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Bindemittel aus einer Mischung von verschiedenen Zementen, wie Portlandzement und/oder Tonerdezement und/oder belitreichem Zement jeweils einzeln oder in Mischung mit oder ohne Zusatz von puzzolanischen Stoffen wie amorpher Kieselsäure, Trassmehl und/oder Flugasche in einem solchen gravimetrischen Mischungs­ verhältnis besteht, daß eine Pufferkapazität von 0,005 Säureäquivalenten/100g Baustoff erreicht oder unterschritten ist.

3. Dauerbeständige Baustoff-Formteile nach den Ansprüchen 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem zur Herstellung des Baustoff-Formteils verwendeten Stoffgemisch oder einer Komponente hiervon zum Erreichen der alkalischen Puffer­ kapazität Säuren zugesetzt werden.