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Technisches Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung ist auf zementhaltige Gemische gerichtet,
die Pozzolanzementersatzmaterialien enthalten. Insbesondere ist
die vorliegende Erfindung auf zementhaltige Mischungen, die hohe
Prozentanteile an Pozzolanzementersatz enthalten, und auf Beimischungen
zu deren Kompatibilisierung gerichtet.
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Hintergrund der Erfindung
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Über die
Jahre wurde die Verwendung von zementartigen Materialien als Teilersatz
für Portlandzement
in Beton eine zunehmend attraktive Alternative gegenüber Portlandzement
allein. Der Wunsch zur Erhöhung
der zu verwendenden Mengen an Flugasche, Hochofenschlacke und natürlichem
Pozzolanzement in Betonmischungen, kann mehreren Faktoren zugeordnet
werden. Hierzu gehören
Zementknappheiten, wirtschaftliche Vorteile von Portlandzementersatz,
Verbesserungen in der Permeabilität des Betonprodukts und geringere
Hydratationswärmen.
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Die
Zunahme in der Verwendung höherer
Mengen an Pozzolanzementersatz, wie Flugasche, in Beton wurde vermindert
durch die potenzielle Inkompatibilität, die durch diese Materialien
gezeigt wird, insbesondere bei Verwendung in hohen Prozentsätzen, zusammen
mit Wasser-reduzierenden Gemischen. Wasserreduzierer sind wünschenswert,
um die Menge an Wasser zu verringern, die bei der Herstellung der
zementhaltigen Gemische benötigt
wird, und um die Stärke
des erhaltenen Betons zu erhöhen.
Die Inkompatibilität
der Pozzonlanersatzmaterialien mit Wasser reduzierenden Gemischen
kann aber zu einer signifikanten Verzögerung des anfänglichen
Härtens
und anschließenden
Enthärtens
des diese Materialien enthaltenden Betons führen.
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Trotz
der Kosten- und Leistungsvorteile von Flugasche, Hochofenpozzolanen
und natürlichen
Pozzolanen als Teilersatz von Portlandzement in Beton gibt es praktische
Beschränkungen
hinsichtlich der Mengen, in denen diese Materialien im zementhaltigen
Gemisch verwendet werden können.
Die Verwendung dieser Materialien in höheren Konzentrationen, wie
oberhalb etwa 10 bis 15 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht des Portlandzements,
kann zu einer verzögerten
Abbindezeit des Betons bis zu mehreren Stunden und einer eventuell
längeren
Abhängigkeit
von der Umgebungstemperatur führen.
Diese Unkompatibilität
ist mit erhöhten Kosten
und höherem
Zeitaufwand für
den Endverbraucher verbunden, was unannehmbar ist.
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Es
ist zwar die Verwendung von Abbindebeschleunigern in Betongemischen
bekannt, doch sind diese Beschleunigergemische zur Lösung des
Kompatibilitätsproblems
bei hohen Pozzolanersatz-/Portlandzementgemischen, insbesondere
bei Verwendung mit Wasser reduzierenden Gemischen, nicht geeignet,
da hier die Abbindezeit nicht auf einen annehmbaren Grad gesenkt
werden kann. Die Verwendung von Beschleunigern mit Wasserreduktoren,
wie Naphthalinsulfonate, Lignin und substituierte Lignine, Melamin
und dergleichen hat sich zur Bildung eines annehmbaren Hochpozzolanersatzes
als unwirksam erwiesen, der hydraulischen Zement enthält und auf
zementhaltigen Gemischen mit normalen Abbindeeigenschaften beruht
und einen ausreichend guten Beton ergibt.
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US 4 373 956 A und
US 4 473 405 A offenbaren
verschiedene Gemischzusammensetzungen zur Inkorporation in hydraulische
Zementgemische, zwecks Beschleunigung der Härtungsgeschwindigkeit und des Abbindens.
Die
US 4 337 094 A offenbart
Kombinationen von Additiven, die zur Beschleunigung der Abbindezeit
von Zement vom Portlandtyp verwendet werden können. Diese Additive können bei
Verwendung in zementhaltigen Gemischen mit einem höheren Gehalt
an Portlandzement, hohen Anteilen an Pozzolanzementersatz und einem
Wasserreduktor die Verzögerung
der Abbindezeit nicht kompensieren, die in den Gemischen durch den
Zementersatz und Wasserreduktor induziert wird und beschleunigen
das Gemisch in einer zum Abbinden nicht annehmbaren Weise.
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In
US 5 556 458 A wird
eine zementhaltige Zusammensetzung mit einem hohen Prozentsatz an
Flugasche und hydraulischem Zement offenbart, benötigt aber
eine Flugasche mit einem besonderen Calciumoxidgehalt und liegt
nicht als ein Wasser-reduzierendes Gemisch vor. Sie ist für Produkte
vom Typ eines schnell abbindenden Reparaturmörtels verwendbar.
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Die
Industrie benötigt
aus Leistungs- und Kostenüberlegungen
aber ein zementhaltiges Gemisch, das zur Bildung von Beton fähig ist,
und das einen signifikanten Prozentsatz an Zementersatzmaterial
enthält
(um einen Teil des hydraulischen Zements, wie Portlandzement, zu
ersetzen), und das Wasserreduktoren zur Erniedrigung des Bedarfs
an Wasser und zur Erhöhung
der Druckfestigkeit enthält,
wobei die Komponenten in solchen zementhaltigen Gemischen kompatibel
sind und diese Gemische in einem industriell annehmbaren Zeitraum
abbinden.
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In
US 5 158 996 A und
EP 0 753 488 A werden
Polymeradditive offenbart, die als Additive, wie Dispergiermittel,
für Zementgemische
brauchbar sind, wobei hier aber die Verwendung mit Hochpozzolanersatz-/Portlandzementgemischen
nicht in Betracht gezogen wird.
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Die
US 4 725 632 A offenbart
härtbare
zementhaltige Zusammensetzungen mit einem Gehalt an Portlandzement,
Flugasche, einem Weichmacher und einem Beschleuniger. Der Weichmacher
kann ein auf Melamin-Formaldehyd basierendes wasserlösliches
Polymer sein, das chloridfrei ist.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Aufgabe
der Erfindung ist nun die Bereitstellung eines zementhaltigen Gemisches,
das einen signifikanten Anteil an Pozzolanzementersatzmaterialien
für hydraulischen
Zement, wie Portlandzement, und Wasser-reduzierende Materialien
enthält,
die annehmbare oder verbesserte Druckfestigkeit aufweisen.
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Weitere
Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines zementhaltigen
Gemisches, das einen signifikanten Anteil an Pozzolanzementersatzmaterialien
für hydraulischen
Zement, wie Portlandzement, und Wasser-reduzierende Materialien
enthält,
die in einem industriell annehmbaren Zeitraum abbinden.
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Ferner
soll erfindungsgemäß ein Verfahren
zur Herstellung eines zementhaltigen Materials bereitgestellt werden,
das einen signifikanten Anteil an Pozzolanzementersatzmaterialien
für hydraulischen
Zement, wie Portlandzement, und auch Wasser-reduzierende Materialien
enthält,
die eine annehmbare oder verbesserte Druckfestigkeit aufweisen und
in einem industriell annehmbaren Zeitraum abbinden.
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Schließlich liegt
der Erfindung die weitere Aufgabe zugrunde, ein Gemisch zur Kompatibilisation
zementhaltiger Gemische bereitzustellen, die einen signifikanten
Anteil an Pozzolanzementersatzmaterialien für hydraulischen Zement, wie
Portlandzement, aufweisen und die Wasser-reduzierende Mittel zur Verleihung
einer annehmbaren oder verbesserten Druckfestigkeit und abbindebeschleunigende
Mittel zur Induktion enthalten, dass dieses Gemisch in einem industriell
annehmbaren Zeitraum abbindet.
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Der
Pozzolanzementersatz für
einen Teil des Portlandzements beinhaltet erfindungsgemäß Flugasche (sowohl
Flugasche der Klasse C als auch Flugasche der Klasse F), Hochofenschlacke
und natürliche
Pozzolanmaterialien. Vorzugsweise werden bis zu 50% des Portlandzements
im zementhaltigen Produkt durch das Pozzolanzementersatzmaterial
ersetzt.
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Die
vorliegende Erfindung sorgt daher für ein zementhaltiges Gemisch,
umfassend einen hydraulischen Zement, mehr als etwa 10 Gew.-% eines
Pozzolanzementersatzes, der ausgewählt ist aus Flugasche, Schlacke,
natürlichen
Pozzolanen und Gemischen davon, bezogen auf das Gewicht des hydraulischen
Zements und Zementersatzes, und für ein Gemisch zur Kompatibilisation,
wobei dieses Gemisch ein Wasser reduzierendes Polycarboxylatdispergiermittel
umfasst, zusammen mit einem Beschleuniger für Beton gemäß Anspruch 1.
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In
einer Ausführungsform
enthält
das erfindungsgemäße zementhaltige
Gemisch ein Polycarboxylatdispergiermittel, das ein Polymer der
folgenden allgemeinen Formel I umfasst:
wobei
R
1 und R
5 jeweils
unabhängig
für C
2-C
3-Alkyl stehen,
R
2, R
3, R
4 und
R
6 jeweils unabhängig für H oder C
1-C
5-Alkyl stehen, und
R
7 für eines
von O(R
5O), CH
2O(R
5O), COO(R
5O) und
CONH(R
5O) steht,
M für mindestens
eines von H, Li, Na, K, Ca, Mg, NH
4, Alkylamin
und Hydroxyalkylamin steht,
n + m für 3 bis etwa 100 und vorzugsweise
für etwa
5 bis etwa 50 steht, wobei
wenn m für 0 steht, dann n für etwa 5
bis etwa 100 und vorzugsweise für
etwa 20 bis etwa 50 steht,
wenn n für 0 steht, dann m für etwa 3
bis etwa 100 und vorzugsweise für
etwa 5 bis etwa 15 steht,
p und q jeweils unabhängig für 1 bis
etwa 100 und vorzugsweise für
etwa 15 bis etwa 50 stehen,
u, v und w jeweils unabhängig für 1 bis
etwa 100 und vorzugsweise für
20 bis etwa 50 stehen,
mit der Maßgabe, dass wenn sowohl n > 0 als auch m > 0 ist, eines von u,
v oder w 0 sein kann,
wenn vorliegend das Verhältnis von
u zu (v + w) für
etwa 1:10 bis etwa 10:1 steht,
dann das Verhältnis von
u zu v für
etwa 1:1 bis etwa 100:1 steht, und
m + p für etwa 10 bis etwa 400 steht,
x
und y jeweils unabhängig
für 1 bis
etwa 100 und vorzugsweise für
20 bis etwa 50 stehen,
mit der Maßgabe, dass, wenn sowohl n > 0 als auch m > 0 ist, dann einer
der Indizes x oder y 0 sein kann,
wenn beide x und y vorliegen,
das Verhältnis
von x zu y für
etwa 1:10 bis etwa 10:1 steht, und
n + q für etwa 10 bis etwa 400 steht,
und
entsprechende Säure-
und Alkalimetall-, Erdalkalimetall- oder Ammoniumsalzderivate davon.
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Vorzugsweise
umfasst der Beschleuniger
- a) ein Nitratsalz
eines Alkalimetalls, Erdalkalimetalls oder von Aluminium,
- b) ein Nitritsalz eines Alkalimetalls, Erdalkalimetalls oder
von Aluminium,
- c) ein Thiocyanat eines Alkalimetalls, Erdalkalimetalls oder
von Aluminium,
- d) ein Alkanolamin,
- e) ein Thiosulphat eines Alkalimetalls, Erdalkalimetalls oder
von Aluminium,
- f) ein Hydroxid eines Alkalimetalls, Erdalkalimetalls oder von
Aluminium,
- g) ein Carbonsäuresalz
eines Alkalimetalls, Erdalkalimetalls oder von Aluminium, oder
- h) ein Polyhydroxylalkylamin.
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Weiter
gehört
zur Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines zementhaltigen
Materials, umfassend eine Vermischung eines hydraulischen Zements
mit mehr als etwa 10 Gewichtsprozent eines Pozzolanzementersatzes
und eines Zementersatzes, der ausgewählt ist aus Flugasche, Schlacke,
natürlichen
Pozzolanen und Gemischen hiervon, und mit einem Gemisch zur Kompatibilisation,
umfassend ein Dispergiermittel auf Basis eines Polycarboxylats zur
Reduktion von Wasser, in Kombination mit einem Beschleuniger für Beton.
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Eine
Ausführungsform
dieses Verfahrens macht Gebrauch von einem kompatibilisierenden
Gemisch, das ein Polycarboxylatdispergiermittel umfasst, das ein
Polymer der folgenden allgemeinen Formel I enthält
wobei
R
1 und R
5 jeweils
unabhängig
für C
2-C
3-Alkyl stehen,
R
2, R
3, R
4 und
R
6 jeweils unabhängig für H oder C
1-C
5-Alkyl stehen, und
R
7 für eines
von O(R
5O), CH
2O(R
5O), COO(R
5O) und
CONH(R
5O) steht,
M für mindestens
eines von H, Li, Na, K, Ca, Mg, NH
4, Alkylamin
und Hydroxyalkylamin steht,
n + m für 3 bis etwa 100 und vorzugsweise
für etwa
5 bis etwa 50 steht, wobei
wenn m für 0 steht, dann n für etwa 5
bis etwa 100 und vorzugsweise für
etwa 20 bis etwa 50 steht,
wenn n für 0 steht, dann m für etwa 3
bis etwa 100 und vorzugsweise für
etwa 5 bis etwa 15 steht,
p und q jeweils unabhängig für 1 bis
etwa 100 und vorzugsweise für
etwa 15 bis etwa 50 stehen,
u, v und w jeweils unabhängig für 1 bis
etwa 100 und vorzugsweise für
20 bis etwa 50 stehen,
mit der Maßgabe, dass wenn sowohl n > 0 als auch m > 0 ist, eines von u,
v oder w 0 sein kann,
wenn vorliegend das Verhältnis von
u zu (v + w) für
etwa 1:10 bis etwa 10:1 steht,
dann das Verhältnis von
u zu v für
etwa 1:1 bis etwa 100:1 steht, und
m + p für etwa 10 bis etwa 400 steht,
x
und y jeweils unabhängig
für 1 bis
etwa 100 und vorzugsweise für
20 bis etwa 50 stehen,
mit der Maßgabe, dass, wenn sowohl n > 0 als auch m > 0 ist, dann einer
der Indizes x oder y 0 sein kann,
wenn beide x und y vorliegen,
das Verhältnis
von x zu y für
etwa 1:10 bis etwa 10:1 steht, und
n + q für etwa 10 bis etwa 400 steht,
und
entsprechende Säure-
und Alkalimetall-, Erdalkalimetall- oder Ammoniumsalzderivate davon
in Kombination mit einem Beschleuniger.
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auch auf eine kompatibilisierende
Beimischung für
zementhaltige Mischungen, enthaltend hydraulischen Zement und mehr
als etwa 10 Gewichtsprozent Pozzolanzementersatz, bezogen auf das
Gesamtgewicht des Zements und des Zementersatzes, umfassend ein
Dispergiermittel auf Basis eines Polycarboxylats zur Reduktion von
Wasser, in Kombination mit einem Beschleuniger für Beton.
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Bei
einer Ausführungsform
enthält
das Kompatibilisierungsgemisch ein Polycarboxylatdispergiermittel umfassend
ein Polymer der allgemeinen Formel I:
wobei
R
1 und R
5 jeweils
unabhängig
für C
2-C
3-Alkyl stehen,
R
2, R
3, R
4 und
R
6 jeweils unabhängig für H oder C
1-C
5-Alkyl stehen, und
R
7 für eines
von O(R
5O), CH
2O(R
5O), COO(R
5O) und
CONH(R
5O) steht,
M für mindestens
eines von H, Li, Na, K, Ca, Mg, NH
4, Alkylamin
und Hydroxyalkylamin steht,
n + m für 3 bis etwa 100 und vorzugsweise
für etwa
5 bis etwa 50 steht, wobei
wenn m für 0 steht, dann n für etwa 5
bis etwa 100 und vorzugsweise für
etwa 20 bis etwa 50 steht,
wenn n für 0 steht, dann m für etwa 3
bis etwa 100 und vorzugsweise für
etwa 5 bis etwa 15 steht,
p und q jeweils unabhängig für 1 bis
etwa 100 und vorzugsweise für
etwa 15 bis etwa 50 stehen,
u, v und w jeweils unabhängig für 1 bis
etwa 100 und vorzugsweise für
20 bis etwa 50 stehen,
mit der Maßgabe, dass wenn sowohl n > 0 als auch m > 0 ist, eines von u,
v oder w 0 sein kann,
wenn vorliegend das Verhältnis von
u zu (v + w) für
etwa 1:10 bis etwa 10:1 steht,
dann das Verhältnis von
u zu v für
etwa 1:1 bis etwa 100:1 steht, und
m + p für etwa 10 bis etwa 400 steht,
x
und y jeweils unabhängig
für 1 bis
etwa 100 und vorzugsweise für
20 bis etwa 50 stehen,
mit der Maßgabe, dass, wenn sowohl n > 0 als auch m > 0 ist, dann einer
der Indizes x oder y 0 sein kann,
wenn beide x und y vorliegen,
das Verhältnis
von x zu y für
etwa 1:10 bis etwa 10:1 steht, und
n + q für etwa 10 bis etwa 400 steht,
und
entsprechende Säure-
und Alkalimetall-, Erdalkalimetall- oder Ammoniumsalzderivate davon
in Kombination mit einem Beschleuniger, vorzugsweise mindestens
einem
- a) Nitratsalz eines Alkalimetalls, Erdalkalimetalls
oder von Aluminium,
- b) Nitritsalz eines Alkalimetalls, Erdalkalimetalls oder von
Aluminium,
- c) Thiocyanat eines Alkalimetalls, Erdalkalimetalls oder von
Aluminium,
- d) Alkanolamin,
- e) Thiosulphat eines Alkalimetalls, Erdalkalimetalls oder von
Aluminium,
- f) Hydroxid eines Alkalimetalls, Erdalkalimetalls oder von Aluminium,
- g) Carbonsäuresalz
eines Alkalimetalls, Erdalkalimetalls oder von Aluminium, oder
- h) Polyhydroxylalkylamin.
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Weitere
Aufgaben der Erfindung und zu deren Lösung sind der folgenden Beschreibung
zu entnehmen.
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Detaillierte Beschreibung der bevorzugten
Ausführungsformen
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Die
vorliegende Erfindung ist eine Additivformulierung oder ein Gemisch
zur Einarbeitung in hydraulische Zementgemische, wie Betone, Mörtel und
Zementmilch, die Portlandzement und Pozzolanzementersatz enthalten.
Dabei sind mit Portlandzement alle zementhaltigen Zusammensetzungen
gemeint, die einen hohen Gehalt an Tricalciumsilicat aufweisen und
daher Portlandzement oder chemisch ähnlich oder analog zu Portlandzementarten
sind, wobei zu deren Spezifikation auf die Spezifikation C-150-80
gemäß ASTM verwiesen wird.
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Pozzolanersatzmaterialien
für hydraulischen
Zement oder Zement vom Portlandtyp, die erfindungsgemäß in einem
hohen Anteil angewandt werden können,
umfassen Flugasche, sowohl der Klasse C als auch der Klasse F, sowie
Hochofenschlacke und natürliche
Pozzolanmaterialien. Diese Ersatzmaterialien können in auf das Gewicht des
hydraulischen Zements und des Zementersatzes bezogen in einem Anteil
von mehr als 10 Gew.-%, vorzugsweise mehr als 50 Gew.-% und besonders
bevorzugt mehr als 20 Gew.-%, verwendet werden. Am meisten bevorzugt
ist aber ein zementhaltiges Gemisch mit mindestens 50 Gew.-% Portlandzement, bezogen
auf das Gesamtgewicht des Portlandzements und des Pozzolanersatzmaterials.
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Wie
oben diskutiert, führt
der Zusatz hoher Anteile des Pozzolanmaterial zum zementhaltigen
Gemisch in Kombination mit einem herkömmlichen Wasser-reduzierenden
Gemisch (wobei der Wasserreduktor die Druckfestigkeit erhöht) zu einer
signifikanten Verzögerung
der Abbindezeit zementhaltiger Gemische.
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auch auf eine neue Kompatibilisierungsbeimischung
für das hoch
pozzolanische und hydraulische Zement enthaltende Ersatzmaterial
und auf eine neue zementhaltige Mischung, die den Pozzolanersatz
und das Stabilisatorgemisch enthält,
und auf ein Verfahren zur Herstellung dieses zementhaltigen Materials.
Durch die Erfindung kommt es zu einer signifikanten Reduktion und
in vielen Fällen
auch zu einer Elimination der Retardation betonhaltiger Austauschmaterialien
für die
hohen Anteile an hydraulischem Zement oder an Portlandzement.
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Zur
Erfindung gehört
auch ein zementhaltiges Gemisch, umfassend einen hydraulischen Zement, mehr
als etwa 10 Gew.-% eines pozzolanischen Zementersatzes ausgewählt aus
Flugasche, Schlacke, Naturpozzolanen und Gemischen hiervon, bezogen
auf den gesamten hydraulischen Zement und den Zementersatz, und
auf eine Kompatibilisierungsbeimischung, worin diese Beimischung
ein Polycarboxylat als Wasser reduzierendes Dispergiermittel in
Kombination mit einem Beschleuniger für Beton umfasst.
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Die
erfindungsgemäßen Wasser-reduzierenden
Polcarboxylatdispergiermittel werden allgemein umfasst von Polyvinylcarboxylatpolymeren,
die derivatisiert sind mit wenigstens einem Carboxylrest, Sulfonatrest und
funktionalen Phosphonatrest, und die zusätzlich nicht ionische Polymereinheiten
umfassen oder die Gemische hydrophiler Ethylenoxideinheiten und/oder
hydrophober Propylenoxideinheiten als Seitenketten enthalten. Zu
repräsentativen
Seitenketten für
diese Polymere gehören
unter anderem Alkyl, Phenyl, substituiertes Phenyl, Carbonsäuren oder
Salze hiervon, Sulfonsäuren
oder Salze hiervon, Phosphonsäuren
oder Salze hiervon, Polyoxyalkylen, -CH2O-Polyoxyalkylen,
-C(O)O-Polyoxyalkylen, C(O)NH-Polyoxyalkylen, -C(O)NH(CH2)nSO3M
und dergleichen.
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Bei
einer Ausführungsform
beinhaltet die Kompatibilisierungsbeimischung ein Polycarboxylatdispergiermittel,
das ein Polymer der folgenden allgemeinen Formel I umfasst
wobei
R
1 und R
5 jeweils
unabhängig
für C
2-C
3-Alkyl stehen,
R
2, R
3, R
4 und
R
6 jeweils unabhängig für H oder C
1-C
5-Alkyl stehen, und
R
7 für eines
von O(R
5O), CH
2O(R
5O), COO(R
5O) und
CONH(R
5O) steht,
M für mindestens
eines von H, Li, Na, K, Ca, Mg, NH
4, Alkylamin
und Hydroxyalkylamin steht,
n + m für 3 bis etwa 100 und vorzugsweise
für etwa
5 bis etwa 50 steht, wobei
wenn m für 0 steht, dann n für etwa 5
bis etwa 100 und vorzugsweise für
etwa 20 bis etwa 50 steht,
wenn n für 0 steht, dann m für etwa 3
bis etwa 100 und vorzugsweise für
etwa 5 bis etwa 15 steht,
p und q jeweils unabhängig für 1 bis
etwa 100 und vorzugsweise für
etwa 15 bis etwa 50 stehen,
u, v und w jeweils unabhängig für 1 bis
etwa 100 und vorzugsweise für
20 bis etwa 50 stehen,
mit der Maßgabe, dass wenn sowohl n > 0 als auch m > 0 ist, eines von u,
v oder w 0 sein kann,
wenn vorliegend das Verhältnis von
u zu (v + w) für
etwa 1:10 bis etwa 10:1 steht,
dann das Verhältnis von
u zu v für
etwa 1:1 bis etwa 100:1 steht, und
m + p für etwa 10 bis etwa 400 steht,
x
und y jeweils unabhängig
für 1 bis
etwa 100 und vorzugsweise für
20 bis etwa 50 stehen,
mit der Maßgabe, dass, wenn sowohl n > 0 als auch m > 0 ist, dann einer
der Indizes x oder y 0 sein kann,
wenn beide x und y vorliegen,
das Verhältnis
von x zu y für
etwa 1:10 bis etwa 10:1 steht, und
n + q für etwa 10 bis etwa 400 steht,
und
entsprechende Säure-
und Alkalimetall-, Erdalkalimetall- oder Ammoniumsalzderivate davon
in Kombination mit einem Beschleuniger
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Beispielsweise
aber ohne Beschränkung
steht in der allgemeinen Formel I des Polymers, das in der erfindungsgemäßen Kompatibilisierungsbeimischung
verwendet werden kann, R1 vorzugsweise für einen Ethylenoxidrest
und sind alle Reste R1 am bevorzugtesten
gleich. R2 steht vorzugsweise für Methyl
oder Ethyl und besonders bevorzugt für Methyl. R3 steht
vorzugsweise für
ein Wasserstoffatom oder für
Methyl, und R4 ist unabhängig vorzugsweise ein Wasserstoffatom
oder Methyl. Die Gruppe R5O kann eine Art
oder ein Gemisch aus zwei Arten von C2 und
C3 Oxyalkylengruppen in Blockform oder in
willkürlicher
Form sein. Das Polymer der Formel I hat im Allgemeinen ein Molekulargewicht
von etwa 1000 bis etwa 1000000, vorzugsweise von etwa 2000 bis etwa
100000. (Die hierin angegebenen Molekulargewichte sind zahlenmittlere
Molekulargewichte.)
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Die
Anhydridgruppe in dem in der allgemeinen Formel I gezeigten Polymer
kann ersetzt werden durch die entsprechende Carbonsäure, wie
dies durch die folgende Formel II illustriert ist:
oder durch Alkalimetallsalze,
Erdalkalimetallsalze oder Ammoniumsalze hiervon, vorzugsweise durch
Li, Na, K, Ca, Mg oder NH
4 und besonders
bevorzugt durch Na, wie dies durch die folgende Formel III illustriert
ist:
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Die
in der erfindungsgemäßen Kompatibilisierungsbeimischung
verwendeten Polymere können
durch an sich bekannte Verfahren hergestellt werden, wie dies beispielsweise
beschrieben ist in
US
5 158 996 A und
EP
0 753 488 A , wobei diese beiden Druckschriften durch diese
Bezugnahme vorliegend eingeführt
sind.
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Zu
Monomeren, die durch die assoziierte Subskriptbezeichnung in der
allgemeinen Polymerformel I identifiziert sind, welche zur Bildung
des Polycarboxylatpolymers verwendet werden können, gehören unter anderem beispielsweise
Styrol als Monomer (u), Maleinsäureanhydrid,
Maleinsäure
oder Salze hiervon als Monomer (v), Polyalkylenglycole, wie sie
durch die Addition von Alkylenoxiden an Alkylalkohole oder Cycloalkylalkohole
oder Phenole als Monomer erhältlich
sind (w), Acrylsäure,
Methacrylsäure oder
Salze hiervon als Monomer (x) und als Monomer (y), Polyethylenglycolmono(meth)acrylat,
Polypropylenglycolmono(meth)acrylat, Polyethylenglycolpolypropylenglycolmono(meth)acrylat,
Methoxypolyethylenglycolmono(meth)acrylat, Methoxypolypropylenglycolmono(meth)acrylat,
Methoxypolyethylenglycolpolypropylenglycolmono(meth)acrylat, Ethoxypoylethylenglycolmono(meth)acrylat,
Ethoxypolypropylenglycolmono(meth)acrylat und Ethoxypolyethylenglycolpolypropylenglycolmono(meth)acrylat,
entweder einzeln oder in Form eines Gemisches von zwei oder mehr
dieser Monomeren.
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Bei
einer Ausführungsform
umfasst ein Polycarboxylatdispergiermittel, das in Kombination mit
einem Beschleuniger unter Bildung einer Kompatibilisierungsbeimischung
für ein
hoch pozzolanisches zementhaltiges Ersatzgemisch der vorliegenden
Erfindung verwendet werden kann, umfasst das Polymer die folgende
allgemeine Formel IV
worin
die Bestandteile wie bei der Formel I definiert sind. Vorzugsweise
sind die Bestandteile wie folgt definiert: (R
1-O)
p-R
2 ist eine Polyalkylenglycolkette,
R
5 ist CH
2CH
2, R
6 ist CH
3 und R
7 ist CH
2O(R
5O).
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Zu
anderen Polycarboxylatdispergiermitteln, die in Kombination mit
einem Beschleuniger zur Herstellung eines Kompatibilitätsgemisches
nach der Erfindung verwendet werden können, gehören unter anderem die Folgenden.
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Ein
Methacrylsäurepfropfpolymer
der allgemeinen Formel V
worin
vorzugsweise R
8 für H oder CH
3 steht,
X für CH
2 oder CH
2-∅ steht
und Y für
CH
2 oder C=O steht, M wie in der Formel
I definiert ist, wobei Na bevorzugt ist,
a + b + c + d für 1 steht,
vorzugsweise in einem Verhältnis
von a:b:c:d von 1:1:1:1, r für
etwa 10 bis etwa 1000 steht und s für 2 bis etwa 500 steht, mit
einem Molekulargewicht von etwa 1000 bis etwa 1000000, vorzugsweise
von etwa 2000 bis etwa 100000.
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Ein
Methacrylsäurepfropfpolymer
der allgemeinen Formel VI
worin
vorzugsweise R
10 für H oder CH
3 steht,
R
11 für
CH
2 oder C=O steht, R
12 für CH
2 oder CH
2-∅ steht,
e + f + g + h für
1 steht, j für
etwa 10 bis etwa 1000 steht, k für
2 bis etwa 500 steht, mit einem Molekulargewicht von etwa 1000 bis
etwa 1000000, vorzugsweise etwa 2000 bis etwa 100000.
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Ein
Methacrylsäurepfropfcopolymer
der allgemeinen Formel VII
worin
Z für ein
Monomer steht, das zur Copolymerisation mit den Monomeren der Gruppen
a' und b' befähigt ist,
wie beispielsweise unter anderem Maleinsäureanhydrid oder eine ethylenisch
ungesättigte
Verbindung, wie CH
2=CHR
10-CH
2SO
3M oder CH
2=CHR
10-CON-CHR
10(CH
2OCH
2CH
2)
d-(OCH-CH
2R
10)-OCH
3,
R
10 vorzugsweise für H oder CH
3 steht
und M wie oben definiert ist,
a' + b' +
c' für 1 steht,
d' für etwa 10
bis etwa 10000 steht und k für
2 bis etwa 500 steht, mit einem Molekulargewicht von etwa 1000 bis
etwa 1000000, vorzugsweise etwa 2000 bis etwa 100000.
-
Ein
Methacrylsäurepfropfpolymer
der allgemeinen Formel VIII
worin vorzugsweise R
10 für
H oder CH
3 steht, R
13 für CH
3 steht, M wie oben definiert ist, e':f' für etwa 2:1
bis etwa 100:1 steht und g' für etwa 10
bis etwa 1000 steht, mit einem Molekulargewicht von etwa 1000 bis
etwa 1000000, vorzugsweise von etwa 2000 bis etwa 100000.
-
Ein
Bernsteinsäureanhydridpfropfcopolymer
der allgemeinen Formel IX
worin vorzugsweise R
14 für
CH
3 oder t-Butylen steht,
m' für 1 bis
etwa 100 steht und n' für etwa 10
bis etwa 1000 steht, mit einem Molekulargewicht von etwa 1000 bis
etwa 1000000, vorzugsweise von etwa 2000 bis etwa 100000.
-
Die
Verwendung der Polycarboxylatpolymeren als Dispergiermittel mit
herkömmlichen
Beschleunigern unter Einschluss von Calciumchlorid ist zwar wirksam
zur Überwindung
der die Setzzeit retardierenden Einflüsse des hoch Pozzolan enthaltenden
zementhaltigen Gemisches, doch ist die vorliegende Erfindung besonders
wirksam zur Vermeidung der Verwendung Chlorid enthaltender Beschleuniger
und somit zur Vermeidung von Korrosionsproblemen, die damit oft
assoziiert sind
-
Vorzugsweise
umfasst der erfindungsgemäße Beschleuniger
mindestens ein
- a) Nitratsalz eines Alkalimetalls,
Erdalkalimetalls oder von Aluminium,
- b) Nitritsalz eines Alkalimetalls, Erdalkalimetalls oder von
Aluminium;
- c) Thiocyanat eines Alkalimetalls, Erdalkalimetalls oder von
Aluminium,
- d) Alkanolamin,
- e) Thiosulphat eines Alkalimetalls, Erdalkalimetalls oder von
Aluminium,
- f) Hydroxid eines Alkalimetalls, Erdalkalimetalls oder von Aluminium,
- g) Carbonsäuresalz
eines Alkalimetalls, Erdalkalimetalls oder von Aluminium, oder
- h) Polyhydroxylalkylamin.
-
Die
Salze von Salpetersäure
haben die allgemeine Formel M(NO3)a, worin M für ein Alkalimetall oder ein
Erdalkalimetall oder Aluminium steht, und worin a für 1 steht,
für Alkalimetallsalze,
für 2 steht
für Erdalkalimetallsalze
und für
3 steht für
Aluminiumsalze. Bevorzugt sind die Salpetersäuresalze von Na, K, Mg, Ca
und Al.
-
Nitritsalze
haben die allgemeine Formel M(NO2)a, worin M für ein Alkalimetall oder ein
Erdalkalimetall oder für
Aluminium steht, und worin a für
1 steht für
Alkalimetallsalze, für
2 steht für
Erdalkalimetallsalze und für
3 steht für
Aluminiumsalze. Bevorzugt sind die Salpetersäuresalze von Na, K, Mg, Ca
und Al.
-
Die
Salze der Thiocyansäure
haben die allgemeine Formel M(SCN)b, worin
M für ein
Alkalimetall oder ein Erdalkalimetall oder für Aluminium steht, und worin
b für 1
steht für
Alkalimetallsalze, für
2 steht für
Erdalkalimetallsalze und für
3 steht für
Aluminiumsalze. Diese Salze sind verschiedentlich bekannt als Sulfocyanate, Sulfocyanide,
Rhodanate und Rhodanide. Bevorzugt sind die Thiocyansäuresalze
von Na, K, Mg, Ca und Al.
-
Alkanolamin
ist eine generische Bezeichnung für eine Gruppe von Verbindungen
mit trivalentem Stickstoff, der direkt an ein Kohlenstoffatom eines
Alkylalkohols gebunden ist. Eine repräsentative Formel hierfür ist NHc[(CH2)dCH2OH]e, worin c für 1 bis
2 steht, d für
1 bis etwa 5 steht und e für
1 bis etwa 3 steht.
-
Zu
Beispielen hierfür
gehören
unter anderem Monoethanolamin, Diethanolamin und Triethanolamin.
-
Die
Thiosulfatsalze haben die allgemeine Formel Mf(S2O3)g,
worin M für
ein Alkalimetall oder ein Erdalkalimetall oder für Aluminium steht, f für 1 oder
2 steht und g für
1, 2 oder 3 steht, in Abhängigkeit
von den Valenzen der Metallelemente M. Bevorzugt sind die Thiosulfatsäuresalze
von Na, K, Mg, Ca und Al.
-
Die
Carbonsäuresalze
haben die allgemeine Formel RCOOM, worin R für H oder C1-
bis etwa C10-Alkyl steht und M für ein Alkalimetall
oder ein Erdalkalimetall oder für
Aluminium steht. Bevorzugt sind die Carbonsäuresalze von Na, K, Mg, Ca
und Al. Ein bevorzugtes Carbonsäuresalz
ist Calciumformiat.
-
Ein
bevorzugtes Polyhydroxylalkylamin hat die allgemeine Formel (HO)jNHk(CH2)lNHk(OH)j,
worin j für 1
bis 2 steht, k für
1 bis etwa 3 steht und l für
1 bis etwa 5 steht. Bevorzugt ist Tetrahydroxyethylendiamin.
-
Ein
herkömmlicher
und Chlorid enthaltender Beschleuniger kann in Kombination mit dem
Polycarboxylatdispergiermittel zwecks Bildung eines erfindungsgemäßen Kompatibilisierungsmittels
für Produktanwendungen
verwendet werden, bei denen eine Korrosion von verstärkendem
Stahl keine Rolle spielt, wie beispielsweise zur Herstellung von
Betonblöcken.
-
Das
zementhaltige Gemisch kann zusätzlich
Wasser in einer Menge enthalten, die für eine hydraulische Setzung
des Zements und eines Aggregatgemisches ausreicht und gewünschtenfalls
auch ein weiteres Material, wie pyrogen erzeugtes Siliciumdioxid
oder ein Metakaolin. Die Bezeichnung Aggregat beinhaltet sowohl
ein Feinaggregat, wie Sand, als auch Grobaggregat, wie Kies oder
Geröll,
wie dies in der Technik herkömmlich
ist. Der Anteil an Feinaggregat und Grobaggregat variiert in Abhängigkeit
von den für
den Mörtel oder
Beton gewünschten
Eigenschaften. Die Menge an Wasser sollte allgemein ausreichen,
um eine hydraulische Setzung der Zementkomponente zu bewirken und
für ein
gewünschtes
Ausmaß einer
Verarbeitbarkeit des Gemisches vor einer Härtung zu sorgen.
-
Bei
der praktischen Anwendung der vorliegenden Erfindung werden die
Komponenten des oben beschriebenen Kompatibilitätsgemisches in solchen Mengen
in hydraulische Zementgemische inkorporiert, die zu einer Kompatibilisierung
des pozzolanischen Ersatzmaterials und des hydraulischen Zements
ausreichen, um das Ausmaß der
Härtung
und der Setzung der Gemische zu beschleunigen und um Wasser zu reduzieren und
so die Kompressionsfestigkeit nach der Härtung zu erhöhen und
damit die Gesamthaltbarkeit des Produkts zu verbessern. Die Beimischung
wird vorzugsweise in das Gemisch als eine wässrige Lösung inkorporiert, die einen
Teil des Wassers, das zur Vermischung des hydraulischen Zements
verwendet wird, ein pozzolanisches Ersatzmaterial, ein Aggregat
und eventuelle weitere Additive enthält. Repräsentative Beimischungsformulierungen
sind der folgenden Tabelle 1A zu entnehmen und darin als Gewichtsprozente
angegeben. Tabelle 1A
Komponente | Prozentsatz | Bevorzugt |
Nitratsalz | 0
bis 60 | 20
bis 40 |
Nitritsalz | 0
bis 60 | 20
bis 40 |
Thiocyanat | 0
bis 10 | 1
bis 4 |
Alkanolamin | 0
bis 10 | 0
bis 1 |
Polyhydroxylalkylamin | 0
bis 5 | 0
bis 4 |
Polymer | 1
bis 20 | 3
bis 8 |
Thiosulfat | 0
bis 10 | |
Carbonsäuresalz | 0
bis 20 | |
Hydroxid | 0
bis 10 | |
-
Der
Rest der Beimischungslösung
umfasst Wasser. Die Menge an aktivem Beimischungsmaterial, die auf
100 Pounds zementhaltigem Material (Zement + Zementersatz) in wässriger
Lösung
geliefert wird, wird vorzugsweise wie in der folgenden Tabelle 1B
angegeben berechnet. Tabelle 1B
Beimischungslösung | Aktive
Komponenten (Pounds) |
(Fl.
oz.) | (ml/100
kg) | (Gew.-%
an zementhaltigem Material) |
2,5 | 160 | 0,09 |
5 | 320 | 0,18 |
10 | 650 | 0,36 |
20 | 1300 | 0,72 |
30 | 1960 | 1,08 |
40 | 2600 | 1,44 |
50 | 3260 | 1,80 |
-
Spezielle Ausführungsformen der Erfindung
-
Zum
Zwecke einer Illustration der durch die praktische Anwendung der
vorliegenden Erfindung erhaltenen Vorteile werden Vollbetonmischungen
hergestellt und mit ähnlichen
Mischungen verglichen, die die oben beschriebene Kompatibilisierungsbeimischung
enthalten. Die Verfahren und Details zur Testung entsprechen den
derzeit verfügbaren
anwendbaren ASTM Standards, wobei in jeder Testserie die einzelnen
Gemische auf einer vergleichbaren Basis bezüglich des Gehalts an Zement
+ Zementersatz und das Ausmaß der
Verarbeitbarkeit entsprechend dem Standard ASTM C143-78, gemessen
wird. Der für
die Kompressionsfestigkeit verwendete Test ist ASTM 039, während der
Test zur Bestimmung der Setzzeit ASTM 0403 entspricht.
-
Die
erfindungsgemäßen Kompatibilitätsbeimischungen
werden hergestellt durch Einführung
in eine wässrige
Lösung
eines Polycarboxylatpolyalkenoxidcopolymers (Polymer A) der folgenden
Formel
worin
R
3, R
4 und R
6 für
Methyl stehen, R
5 für Ethyl steht, R
7 für einen
Polyethylenglycolrest steht, q für
etwa 75 steht (MG = 1000), M für
Na steht, m für
0 steht, n für
etwa 10 bis 20 steht, x und y jeweils für 1 stehen, und von Beschleunigerverbindungen,
wie sie in der folgenden Tabelle aufgelistet sind. Die darin angegebenen Komponenten
sind ausgedrückt
in Pounds pro 100 Pounds zementhaltigem Material (Zement + Zementersatz). Tabelle 1C
Komponenten | Beimischung
A | Beimischung
B |
Calciumnitrat | 0,296–0,593 | 0,296–0,593 |
Natriumthiocyanat | 0,023–0,047 | 0,023–0,047 |
Tetrahydroxyethylendiamin | 0 | 0,016–0,032 |
Triethanolamin | 0,005–0,01 | 0,005–0,01 |
Copolymer
(Polymer A) | 0,035–0,07 | 0,035–0,07 |
-
Die
obigen Beimischungslösungen
werden in den in den folgenden Tabellen angegebenen Gemischansätzen verwendet.
Die aus diesen Gemischen resultierenden zementhaltigen Gemische
werden bezüglich
ihrer Setzzeit, Kompressionsfestigkeit und Verarbeitbarkeit getestet.
-
Beispiele 1 bis 6
-
Das
zementhaltige Materialgemisch, das für die Beispiele 1 bis 6 hergestellt
wird, ist in der folgenden Tabelle A angegeben.
-
Die
Beimischung A wird in den Beispielen 1, 2 und 4 verwendet, während die
Beimischung B im Beispiel 5 zur Anwendung gelangt. Die Kontrollbeispiele
3 und 6 enthalten keinen Flugascheersatz für den Portlandzement, so dass
hier keine Kompatibilisierungsbeimischung verwendet wird. Die Setzzeiten
sind in der folgenden Tabelle 2 aufgeführt. Tabelle A: Information für den Gemischansatz
für die
Tabelle 2 Gewichtsangaben verstehen sich in Pounds
pro Kubikyard, wobei jeweils in Klammern die Mengen in kg/m
3 angegeben sind
Bsp.
(Gemisch) | Zement | Flugasche | Stein | Sand | Wasser |
1
und 2 | 388
(230) | Klasse
C 169 (100) | 1791
(1063) | 1372
(814) | 211
(125) |
3C | 559
(332) | 0 | 1960
(1163) | 1372
(814) | 264
(157) |
4
und 5 | 380
(225) | Klasse
F 160 (95) | 1896
(1125) | 1273
(755) | 265
(157) |
6C | 540
(320) | 0 | 1896
(1125) | 1253
(743) | 305
(181) |
Tabelle 2 Flugasche mit einem Gehalt an Beton, der
mit einer Beimischung behandelt worden ist, im Vergleich zu einem nicht
behandelten Vollkonzentrat
Beispiel Nummer | Klasse der Flugasche | % Ersatz auf das Gewicht des Zements bezogen | Dosis einer Beimischung im Fl. oz./100 lbs an
zementhaltigem Material (ml/100 kg) | Initiale Setzzeit (h:min) | Kompressionsfestigkeit nach
28 Tagen |
psi | MPa |
1 | C | 30% | 10
(650) | 5:26 | 6610 | 45,6 |
2 | C | 30% | 15
(978) | 4:59 | 7260 | 50,1 |
3C | Keine | N/A | N/A | 5:05 | 6930 | 47,8 |
4 | F | 30% | 10
(650) | 5:04 | 4150 | 28,6 |
5 | F | 30% | 15
(978) | 5:44 | 3910 | 27,0 |
6C | Keine | N/A | N/A | 6:30 | 4480 | 30,9 |
-
Die
Setzzeit für
das erfindungsgemäße Beispiel
2, welches 30% Flugasche als Ersatz für Portlandzement enthält, ist
geringfügig
rascher im Vergleich zum Vergleichsbeispiel 3, während die Setzzeit bei den
erfindungsgemäßen Beispielen
4 und 5 rascher als beim Vergleichsbeispiel 6 ist. Die Verwendung
der erfindungsgemäßen Kompatibilisierungsbeimischung
ermöglicht
eine Reduktion der Menge an Wasser, die im Gemischansatz zu verwenden
ist, wobei die Setzzeiten nicht retardiert sind, sondern für die erfindungsgemäßen Mischungen
eher beschleunigt sind. Die Kompressionsfestigkeit ist etwas niedriger
für das
Beispiel 1 als für das
Beispiel 3C und etwas niedriger für die Beispiele 4 und 5 als
für das
Beispiel 6C. Dies beruht darauf, dass der zu vergleichende Beton
bei den Beispielen 3C und 6C ein Vollbeton ist im Vergleich zu einem
Beton mit einem Zementersatz bei den erfindungsgemäßen Beispielen.
Durch Erhöhung
der Beimischungsdosierung (und Verbesserung der Wasserreduktion)
für die
erfindungsgemäßen Gemische
kann die Kompressionsfestigkeit sogar für Vollbeton überschritten
werden, wie dies im Beispiel 2 gezeigt ist.
-
Beispiele 7 bis 12
-
Die
Gemischansätze
aus zementhaltigem Material der Beispiele 7 bis 12 sind in der folgenden
Tabelle B angegeben.
-
In
den Beispielen 8, 9 und 11 wird die Beimischung A verwendet, während im
Beispiel 12 die Beimischung B zur Anwendung gelangt. Die Vergleichsbeispiele
7 und 10 enthalten 30% Flugasche, bezogen auf das Gewicht des Zements,
was auch für
die erfindungsgemäßen Beispiele
gilt, die aber keine Kompatibilisierungsbeimischung enthalten. Die
Ergebnisse der Tests sind in der folgenden Tabelle 3 angegeben. Tabelle B: Information für den Gemischansatz
für die
Tabelle 3 Gewichtsangaben verstehen sich in Pounds
pro Kubikyard, wobei jeweils in Klammern die Mengen in kg/m
3 angegeben sind
Bsp.
(Gemisch) | Zement | Flugasche | Stein | Sand | Wasser |
7 | 392
(233) | Klasse
C 167 (99) | 1788
(1061) | 1366
(810) | 228
(135) |
8
und 9 | 388
(230) | Klasse
C 169 (100) | 1791
(1063) | 1372
(814) | 211
(125) |
10 | 380
(225) | Klasse
F 160 (95) | 1896
(1125) | 1256
(745) | 285
(169) |
11
und 12 | 380
(225) | Klasse
F 160 (95) | 1896
(1125) | 1273
(755) | 265
(157) |
Tabelle 3 Flugasche mit einem Gehalt an Beton, der
mit einer Beimischung behandelt worden ist
Beispiel Nummer | Klasse der Flugasche | % Ersatz auf das Gewicht des Zements bezogen | Dosis einer Beimischung im Fl. oz./100 lbs an
zementhaltigem Material (ml/100 kg) | Initiale Setzzeit (h:min) | Kompressionsfestigkeit nach
28 Tagen |
psi | MPa |
7C | C | 30% | N/A | 7:24 | 7230 | 49,8 |
8 | C | 30% | 10
(650) | 5:26 | 6610 | 45,6 |
9 | C | 30% | 15
(978) | 4:59 | 7260 | 50,1 |
10C | F | 30% | N/A | 7:07 | 3490 | 24,1 |
11 | F | 30% | 10
(650) | 5:04 | 4150 | 28,6 |
12 | F | 30% | 15
(978) | 5:44 | 3910 | 27,0 |
-
Die
Setzzeiten der Flugasche enthaltenden zementhaltigen Gemische, die
keine Kompatibilisierungsbeimischung enthalten, sind signifikant
retardiert, während
die Setzzeiten der erfindungsgemäßen Gemische günstig zu
vergleichen sind mit den Vergleichsbeispielen, die die retardierende
Flugascheersatzkomponente nicht enthalten. Eine Kompressionsfestigkeit,
die über
dem Flugasche enthaltenden Vergleichsbeton liegt, wird durch die
Verwendung der Kompatibilisierungsbeimischung erreicht, wie dies
im Beispiel 9 im Vergleich zu 7C und in den Beispielen 11 und 12
im Vergleich zu 10C gezeigt ist.
-
Beispiele 13 bis 16
-
Ein
Mischungsansatz für
das Zement enthaltende Material wird für die Beispiele 13 bis 16 wie
in der folgenden Tabelle C angegeben hergestellt.
-
In
den Beispielen 14 und 16 wird die Beimischung B verwendet. Das Vergleichsbeispiel
13 enthält
bezogen auf das Gewicht des Zements 25% Asche einer Hochofenschlacke,
wie auch das erfindungsgemäße Beispiel
14, das aber keine Kompatibilisierungsbeimischung enthält. Das
Vergleichsbeispiel 15 enthält
auf das Gewicht des Zements bezogen 50% Flugasche einer Hochofenschlacke,
und Gleiches gilt auch für
das erfindungsgemäße Beispiel
16, das aber keine Kompatibilisierungsbeimischung enthält. Die
bei diesen Tests erhaltenen Ergebnisse sind der folgenden Tabelle
4 zu entnehmen. Tabelle C: Information für den Gemischansatz
für die
Tabelle 4 Gewichtsangaben verstehen sich in Pounds
pro Kubikyard, wobei jeweils in Klammern die Mengen in kg/m
3 angegeben sind
Bsp.
(Gemisch) | Zement | Schlacke | Stein | Sand | Wasser |
13C | 413
(245) | 138
(82) | 1842
(1093) | 1381
(819) | 326
(193) |
14 | 416
(247) | 140
(83) | 1845
(1095) | 1387
(823) | 290
(172) |
15C | 269
(160) | 269
(160) | 1785
(1059) | 1357
(805) | 349
(207) |
16 | 281
(167) | 279
(166) | 1840
(1092) | 1396
(828) | 295
(175) |
Tabelle 4 Hochofenschlacke mit einem Gehalt an Beton,
der mit einer Beimischung behandelt worden ist, im Ver gleich zu
einer unbehandelten Schlacke
Beispiel Nummer | % Ersatz auf das Gewicht des Zements bezogen | Dosis einer Beimischung im Fl. oz./100 lbs
an zementhaltigem Material (ml/100 kg) | Initiale Setzzeit (h:min) | Kompressionsfestigkeit nach
28 Tagen |
PSI | MPa |
13C | 25% | N/A | 7:10 | 6165 | 42,51 |
14 | 25% | 14,6
(952) | 4:55 | 7343 | 50,63 |
15C | 50% | N/A | 7:44 | 5396 | 37,20 |
16 | 50% | 14,6
(952) | 6:22 | 7291 | 50,27 |
-
Mit
den erfindungsgemäßen Beispielen
wird eine Wasserreduktion durch die Verwendung der erfindungsgemäßen Kompatibilisierungsbeimischung
erreicht, während
die Setzzeiten der erfindungsgemäßen zementhaltigen
Gemische signifikant niedriger sind als die Setzzeiten der entsprechenden
nicht kompatibilisierten Vergleichsbeispiele.
-
Beispiele 17 bis 19
-
Ein
Mischungsansatz für
das Zement enthaltende Material wird für die Beispiele 17 bis 19 wie
in der folgenden Tabelle D angegeben hergestellt. Tabelle D: Information für den Gemischansatz
für die
Tabelle 5 Gewichtsangaben verstehen sich in Pounds
pro Kubikyard, wobei jeweils in Klammern die Mengen in kg/m
3 angegeben sind
Bsp.
(Gemisch) | Zement | Stein | Sand | Wasser |
17C | 517
(307) | 1800
(1068) | 1474
(875) | 292
(173) |
18 | 517
(307) | 1800
(1068) | 1480
(878) | 285
(169) |
19 | 517
(307) | 1800
(1068) | 1490
(884) | 269
(160) |
-
Beim
Gemischansatz für
die Beispiele 17C, 18 und 19 enthält der Zement 24% natürliche pozzolanische
Materialien. Das Vergleichsbeispiel 17 enthält keine Kompatibilisierungsbeimischung,
während
die Beimischung A in das Gemisch für die Beispiele 18 und 19 eingeführt wird.
Die dabei erhaltenen Ergebnisse sind der folgenden Tabelle 5 zu
entnehmen. Tabelle 5 Pozzolanzementbeton, der mit einer Beimischung
behandelt worden ist, im Vergleich zu unbehandeltem Pozzolan
Beispiel Nummer | Dosis einer Beimischung im Fl. oz./100 lbs
an zementhaltigem Material (ml/100 kg) | Initiale Setzzeit (h:min) | Kompressionsfestigkeit
nach 28 Tagen |
PSI | MPa |
17C | N/A | 4:41 | 4500 | 31,0 |
18 | 10
(650) | 5:21 | 4990 | 34,4 |
19 | 20
(1300) | 3:55 | 5200 | 35,9 |
-
Mit
den erfindungsgemäßen Beispielen
18 und 19 wird zwar eine Wasserreduktion erreicht, wobei die Setzzeit
für das
Beispiel 19 gegenüber
dem entsprechenden Vergleichsbeispiel 17 aber signifikant beschleunigt
wird.
-
Beispiele 20 bis 24
-
Folgender
Gemischansatz wird hergestellt:
Komponente | lbs./Kubikyard | kg/m3 |
Portlandzement | 420 | 249 |
Stein | 1800 | 1068 |
Sand | 1350 | 801 |
Klasse
C Flugasche | 180 | 107 |
-
Das
zementhaltige Gemisch wird bezüglich
seiner Setzzeiten getestet, aber ohne Zusatz einer Kompatibilisierungsbeimischung,
und mit Zusatz verschiedener ein kompatibilisierendes Polymer enthal tender
Beimischungen. Die dabei erhaltenen Ergebnisse sind der folgenden
Tabelle 6 zu entnehmen. Das in den Beispielen 21 und 22 verwendete
Polymer A entspricht der folgenden Formel:
worin
die Bestandteile wie oben für
das Polymer A definiert sind.
-
Im
Beispiel 23 wird das Polymer B der folgenden Formel verwendet
worin
R
1 für
Ethyl steht, p für
24 bis 25 steht, R
2 für Methyl steht, M für Na steht,
m für etwa
16 bis etwa 25 steht, n für
Null steht, u zu (v + w) für
1:1 steht und v zu w für
1:1 steht. Tabelle 6 Ergebnisse für das Kompatibilisierungspolymer
mit 30% Flugasche der Klasse C
Beispiel | Beimischung | Initiale
Setzzeit (h:min) |
20C | Keine | 9:06 |
21C | Polymer
A mit 3 oz. (kein Beschleuniger) | 9:20 |
22 | Polymer
A mit 17 oz. im Beigemisch A | 6:19 |
23 | Polymer
B mit 17 oz. im Beigemisch A | 6:24 |
24C | Keine | 7:19 |
-
Die
folgenden weiteren Mischungsansätze
werden hergestellt und getestet bei 10°C unter Verwendung des Polymers
und der erfindungsgemäßen Beschleunigerbeimischung
A, oder als Kontrollen ohne die Beimischung. Die hierbei verwendeten
Komponenten und die bei diesem Test erhaltenen Ergebnisse sind der folgenden
Tabelle 7A (englische Einheiten) und 76 (SI Einheiten) zu entnehmen. Tabelle 7A
Beispiel
Nr. | 25C | 26C | 27C | 28 | 29 | 30 | 31 |
Beimischung
Fl. oz./100 lbs. | - | - | - | 10 | 20 | 10 | 20 |
Zement
(lb.) | 608 | 423 | 417 | 423 | 426 | 422 | 422 |
Flugasche
der Klasse C (lb.) | - | 180 | - | 181 | 182 | - | - |
Flugasche
der Klasse F (lb.) | - | - | 178 | - | - | 180 | 180 |
Sand
(lb.) | 1329 | 1341 | 1322 | 1364 | 1376 | 1314 | 1321 |
Stein
(lb.) | 1824 | 1813 | 1787 | 1815 | 1826 | 1807 | 1807 |
Wasser
(lb.) | 319 | 292 | 315 | 276 | 259 | 303 | 293 |
W/C
+ Flugasche | 0,525 | 0,485 | 0,530 | 0,456 | 0,426 | 0,504 | 0,486 |
%
Wasserreduktion | - | - | - | 6,0 | 12,2 | 5,0 | 8,3 |
Luft% | 0,6 | 1,2 | 1,0 | 1,6 | 2,0 | 1,3 | 1,8 |
Slump
(in.) | 6,0 | 6,5 | 6,5 | 6,5 | 7,0 | 6,25 | 6,75 |
Kompressionsfestigkeit
(psi) | | | | | | | |
1
Tag | 2090 | 1160 | 1090 | 1420 | 1920 | 1190 | 1380 |
7
Tage | 3450 | 2690 | 1915 | 3600 | 4250 | 2400 | 2840 |
28
Tage | 5420 | 4820 | 3420 | 5140 | 6460 | 3750 | 4570 |
Initiale
Setzzeit | 7:48 | 12:15 | 10:21 | 9:22 | 6:54 | 7:27 | 6:10 |
Tabelle 7B
Beispiel
Nr. | 25C | 26C | 27C | 28 | 29 | 30 | 31 |
Beimischung
(ml/100 kg) | - | - | - | 650 | 1300 | 650 | 1300 |
Zement
(kg/m3) | 361 | 251 | 247 | 251 | 253 | 250 | 250 |
Flugasche
der Klasse C (kg/m3) | - | 107 | - | 107 | 108 | - | - |
Flugasche
der Klasse F (kg/m3) | - | - | 106 | - | - | 107 | 107 |
Sand
(kg/m3) | 788 | 796 | 784 | 809 | 816 | 780 | 784 |
Stein
(kg/m3) | 1082 | 1077 | 1060 | 0177 | 1083 | 1072 | 1072 |
Wasser
(kg/m3) | 189 | 173 | 187 | 164 | 154 | 180 | 174 |
W/C
+ Flugasche | 0,525 | 0,485 | 0,530 | 0,456 | 0,426 | 0,504 | 0,486 |
%
Wasserreduktion | - | - | - | 6,0 | 12,2 | 5,0 | 8,3 |
Luft% | 0,6 | 1,2 | 1,0 | 1,6 | 2,0 | 1,3 | 1,8 |
Slump
(mm) | 150 | 165 | 165 | 165 | 180 | 160 | 170 |
Kompressionsfestigkeit
(MPa) | | | | | | | |
1
Tag | 14,4 | 8,0 | 7,5 | 9,8 | 13,2 | 8,2 | 9,5 |
7
Tage | 23,8 | 18,5 | 13,2 | 24,8 | 29,3 | 16,5 | 19,6 |
28
Tage | 37,4 | 33,2 | 23,6 | 35,4 | 44,5 | 25,9 | 31,5 |
Initiale
Setzzeit | 7:48 | 12:15 | 10:21 | 9:22 | 6:54 | 7:27 | 6:10 |
-
Wie
oben gezeigt erreicht die vorliegende Erfindung die genannten Ziele
der Erfindung. Es wird eine zementhaltige Mischung bereitgestellt,
die einen signifikanten Anteil an Ersatzmaterialien für Pozzolanzement enthält für einen
hydraulischen Zement, wie Portlandzement, und auch Wasser reduzierende
Materialien, die über
eine akzeptable Kompressionsfestigkeit verfügt und deren Setzzeit einer
bei einer industriellen Anwendung akzeptablen Zeitdauer entspricht.
Es wird ein Verfahren zur Herstellung eines zementhaltigen Materials bereitgestellt,
das einen signifikanten Anteil an Ersatzmaterialien für Pozzolanzement
für einen
hydraulischen Zement, wie Portlandzement, und auch Wasser reduzierende
Materialien enthält,
das über
eine akzeptable Kompressionsfestigkeit verfügt und dessen Setzzeit einer
bei einer industriellen Anwendung akzeptablen Zeitdauer entspricht.
Die oben angegebenen Ziele werden durch die erfindungsgemäße Kompatibilisierungsbeimischung
für zementhaltige
Gemische erreicht, die einen signifikanten Anteil an Pozzolanzementersatz
enthalten.
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Die
Kompatibilisierungsbeimischung wirkt als ein Mittelbereichswasserreduktionsmittel,
das eine Reduktion eines Wassergemisches von etwa 5% bis etwa 15%
erlaubt. Die Kompressionsfestigkeit und die Haltbarkeit des erhaltenen
Produkts sind verbessert. Zugleich wird ein signifikanter Ersatz
von hydraulischem Zement durch pozzolanische Materialien erreicht
mit Setzzeiten für
das zementhaltige Gemisch, das den Ersatz enthält, wie sowohl Flugasche der
Klasse C als auch der Klasse F, entsprechend zu den oder weniger
als die Setzzeiten für
herkömmliche
Gemische ohne Ersatzmaterialien. Die Setzzeiten der erfindungsgemäßen zementhaltigen
Gemische sind signifikant beschleunigt gegenüber einem nicht behandelten
Beton, der hohe Mengen an Flugasche, Hochofenschlacke und Pozzolanzement
enthält.
-
Zu
bemerken ist noch, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die
oben beschriebenen speziellen Ausführungsformen beschränkt ist,
sondern auch Variationen, Modifikationen und äquivalente Ausführungsformen,
wie sie durch die folgenden Ansprüche definiert sind, einschließt.