Verfahren zur Herstellung eines nach dem Anmachen mit Wasser schnellerstarrenden hydraulischen Bindemittels

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf die Verwendung von Calciumsulfat-Alphahalbhydrat als Bestandteil eines nach dem Anmachen mit Wasser mit hoher Frühfestigkeit schnellerstarrenden wasserfesten hydraulischen Bindemittels, wobei das Calciumsulfat-Alphahalbhydrat vorzugsweise als Hauptbestandteil, jedenfalls als wesentlicher Bestandteil für die Einstellung der Frühfestigkeit und der Erstarrungsgeschwindigkeit wirkt. Wasserfest meint, daß die aus dem angemachten Bindemittel erstarrte und erhärtete Masse langzeitig wasserfest ist. Es versteht sich, daß ein solches Bindemittel stets aus feingemahlenen Bestandteilen besteht und mit einer ausreichenden Wassermenge angemacht wird.

Bei dem bekannten Verfahren, von dem die Erfindung ausgeht (Bauakademie der DDR, Bauinformation, Literaturzusammenstellung Nr. 7/24/83, Titel 4., Gordasevski u.a.) werden das Calciumsulfat-Alphahalbhydrat und Portlandzement gemischt sowie Puzzolane entsprechend dem CaO-Gehalt beigegeben. Versuche haben ergeben, daß die Wasserfestigkeit einer erhärteten Mischung aus diesem hauptsächlich aus den angegebenen drei Komponenten bestehenden Bindemittel bei der Herstellung des Bindemittels nicht ausreichend genau sowie dem jeweiligen Verwendungszweck angepaßt und reproduzierbar eingestellt werden kann.

Um Calciumsulfat-Alphahalbhydrat als nach dem Anmachen mit Wasser schnellerstarrendes wasserfestes Bindemittel einzusetzen, ist es in der Praxis bekannt, Hydrophobierungsmittel oder Paraffine als Hilfsstoffe beizumischen. Hier läßt sich zwar die Wasserfestigkeit auf vorgebbare Werte einstellen, die erreichte Wirkung ist jedoch nur kurzfristig und die Hilfsmittel sind für die großtechnische Anwendung zu teuer.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, welches es erlaubt, bei Verwendung von Calciumsulfat-Alphahalbhydrat als wesentlicher Bestandteil oder Hauptbestandteil im Sinne der einleitenden Ausführungen ein schnellerstarrendes hydraulisches Bindemittel mit definierter Wasserfestigkeit der erhärteten Masse herzustellen.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist Gegenstand der Erfindung das Verfahren zur Herstellung eines nach dem Anmachen mit Wasser schnellerstarrenden hydraulischen Bindemittels mit definierter Wasserfestigkeit der daraus hergestellten erhärteten Masse, bei dem als schnellerstarrende Komponente Calciumsulfat-Alphahalbhydrat in einer vorgegebenen Ausgangsmenge eingesetzt wird, dessen erhärtete Masse eine zeitabhängige Wasserfestigkeitskurve aufweist, die, ausgehend von einem hohen Frühfestigkeitswert der Schnellerstarrung, in den ersten achtundzwanzig Tagen eine negative Steigung besitzt, bei dem dem Calciumsulfat-Alphahalbhydrat Hüttensand beigemischt wird und bei dem die Menge an Hüttensand auf die Ausgangsmenge an Calciumsulfat-Alphahalbhydrat so abgestimmt wird, daß im Anschluß an die Schnellerstarrung die Bildung von kristallinem Ettringit und von Calciumhydrosilikatphasen eintritt und die zeitabhängige Wasserfestigkeitskurve der erstarrten Mischung in den ersten achtundzwanzig Tagen überall eine positive Steigung aufweist. Kristalline Ettringitbildung erfolgt bei Kalkunterschuß in der angemachten Bindemittelmischung. Wasserfestigkeitskurve bezeichnet die Festigkeitsentwicklung mit der Zeit, gemessen z. B. als Druckfestigkeit in N/mm², bei Lagerung eines entsprechenden Probekörpers unter Wasser. Es versteht sich, daß das Calciumsulfat-Alphahalbhydrat und der Hüttensand fein gemahlen sind. Insbes. können das Calciumsulfat-Alphahalbhydrat und der Hüttensand gemeinsam gemahlen und dabei gemischt werden. Man kann aber auch die pulverförmigen Komponenten mischen. Nach bevorzugter Ausführungsform der Erfindung wird mit einem Calciumsulfat-Alphahalbhydrat gearbeitet, welches aus dem Entschwefelungsgips einer naßarbeitenden Rauchgasentschwefelungsanlage gewonnen wurde und chloridische Bestandteile in Form von Calciumchlorid u. a. aufweist. Nach bevorzugter Ausführungsform der Erfindung wird fernerhin mit einem Hüttensand gearbeitet, der einen Al₂O₃-Gehalt von mindestens 13 % besitzt und bei dem das Verhältnis (CaO + MgO + Al₂O₃)/SiO₂ mindestens 1,6 beträgt. Um die Festigkeit der erhärteten Masse zu erhöhen, können die genannten chloridischen Bestandteile davon auch beigegeben werden, und zwar vorzugsweise bis zu einer Menge von 0,2 bis 3 Masse%, bezogen auf die Gesamtmenge der Mischung. Dabei kann auch mit Natriumchlorid gearbeitet werden. Wird mit Calciumsulfat-Alphahalbhydrat gearbeitet, welches aus dem Entschwefelungsgips einer naßarbeitenden Rauchgasentschwefelungsanlage gewonnen wurde, so ist die Beigabe von chloridischen Bestandteilen im allgemeinen nicht erforderlich. Im Rahmen der Erfindung liegt es fernerhin, Eisensulfat beizumischen, und zwar vorzugsweise ebenfalls bis zu einer Menge von 0,2 bis 3 Masse%, bezogen auf die Gesamtmenge. Das Eisensulfat bewirkt eine Stabilisierung großer länglich ausgebildeter Ettringitkristalle und verhindert dadurch eine reaktionsvermindernde Belegung des Hüttensandkornes. Es versteht sich, daß man auch im Rahmen der Erfindung bekannte Beschleuniger auf Basis von Alkalihydroxiden, Alkalicarbonaten, Alkalisulfaten (oder Mischungen davon) beimischen kann. Ebenso können auch bekannte Verzögerer, z. B. Zitronensäuremonohydrat, beigemischt werden Aber auch weitere Zusatzmittel können beigegeben werden. Als Beispiel werden insoweit Fließmittel, Verflüssiger, Verdicker, Klebe- und Dispergiermittel genannt.

Grundsätzlich ist es bekannt, zur Herstellung eines hydraulischen Bindemittels Gips, auch in Form eines Hemihydrates oder Anhydrit, und Hüttensand zu mischen (DIN 4210, DE 30 49 003). Hier wird jedoch mit alkalischer Anregung des Hüttensandes gearbeitet, z. B. durch beigabe von gemahlenen Zementklinkern oder Portlandzement. Die Wasserfestigkeit der erhärteten Mischung ist unterschiedlich. Eine Regel zur definierten Einstellung der Wasserfestigkeit über einen weiten Mischungsbereich ist dabei nicht entwickelt worden.

Bei dem nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Bindemittel stellt das Calciumsulfat-Alphahalbhydrat die Schnellerstarrungskomponente dar, der Hüttensand ist demgegenüber die im Langzeitbereich reagierende latent hydraulische Komponente. Das aus dem Calciumsulfat-Alphahalbhydrat bei der Erstarrung entstehende Dihydrat funktioniert als sulfatischer Anreger für den Hüttensand. Das nach der Lehre der Erfindung hergestellte, angemachte Bindemittel führt zu einer Früherstarrung durch die Reaktion des Calciumsulfat-Alphahalbhydrates und bei anschließender Klima- bzw. Wasserlagerung zu großer Festigkeit aufgrund der Hüttensandreaktion. Die Festigkeit steigt zunächst während der Ettringitbildung und der Bildung von Calciumhydrosilikatphasen einige Tage steil an und flacht dann im Anschluß ab. Dabei reagiert der Hüttensand bei sulfatischer Anregung mit Wasser zu Calciumhydrosilikat festigkeitsfördernd weiter. Eine wesentliche Temperaturempfindlichkeit ist nicht zu beobachten. Bei niedrigen Temperaturen reagiert das Calciumsulfat-Alphahalbhydrat, bei höheren Temperaturen (etwa gleich oder größer der Zimmertemperatur) reagieren beide Bestandteile. Das erfindungsgemäß hergestellte Bindemittel liefert so eine extrem hohe Frühfestigkeit, es zeichnet sich sowohl durch Wasserfestigkeit als auch Sulfatbeständigkeit aus und ist temperaturunempfindlich sowie schwindarm. Die einstellbare Frühfestigkeit ist sehr hoch, die Endfestigkeit wird insbes. durch den Anteil an Hüttensand bestimmt und stets kann das Bindemittel nach der Lehre der Erfindung so eingestellt werden, daß es eine hohe Wasserfestigkeit aufweist, die unterschiedlichen Anwendungen anpaßbar ist. Durch das Mischungsverhältnis läßt sich die Kurve der Wasserfestigkeit einstellen. Sie kann damit auch unterschiedlichen Anwendungszwecken angepaßt werden. Nach bevorzugter Ausführungsform der Erfindung wird die Menge an Hüttensand so gewählt, daß die die Steigung angebende erste Ableitung der Wasserfestigkeitskurve nach der Zeit, in dem an die Bildung von Calciumsulfat-Dihydrat anschließenden Kurvenabschnitt bis zum Erreichen der Endfestigkeit, im Bereich zwischen 0 und 1,6 liegt. Arbeitet man in diesem Bereich, so erhält man besonders definierte, stabile Werte für die Wasserfestigkeit der erhärteten Mischung. Zu hohen Festigkeiten insgesamt kommt man, wenn mit sehr feinen Ausgangskomponenten gearbeitet wird. In diesem Zusammenhang lehrt die Erfindung, daß das Calciumsulfat-Alphahalbhydrat und der Hüttensand zumindest bis auf Zementfeinheit gemahlen werden. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden das Calciumsulfat-Alphahalbhydrat und der Hüttensand auf eine spezifische Oberfläche nach Blaine von zumindest 3000 gemahlen. Bewährt hat sich eine Verfahrensweise, bei der das Calciumsulfat-Alphahalbhydrat in einer Menge von 30 bis 90 Masse%, bezogen auf die Gesamtmischung, eingesetzt wird. Für viele Anwendungsfälle wird man das Calciumsulfat-Alphahalbhydrat sowie den Hüttensand im Verhältnis 50 : 50 einsetzen.

Überraschenderweise führt die Lehre der Erfindung bei sehr unterschiedlichen Ausgangsmengen an Calciumsulfat-Alphahalbhydrat zu einem schnellerstarrenden hydraulischen Bindemittel, dessen erhärtete Masse eine definierte Wasserfestigkeit aufweist. Obgleich die Bildung von Ettringit bei der Herstellung von Mörtel und Beton aus einem hydraulischen Bindemittel als schädlich gilt, ist die Ettringitbildung bei erhärteten Massen aus dem erfindungsgemäßen Bindemittel nicht schädlich, im Gegenteil, die Ettringitbildung trägt wesentlich zur Wasserfestigkeit bei. Während man nach der herrschenden Lehre (vgl. Bauakademie der DDR, Bauinformation, l.c. und DE 30 49 003) bei Einsatz von Hüttensand alkalische Anreger wie Portlandzement oder feingemahlene Zementklinker beigeben muß, ist dieses bei dem erfindungsgemäßen Verfahren nicht erforderlich.

Die erreichten Vorteile sind auch darin zu sehen, daß das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Bindemittel sehr vielfältig verwendet werden kann. Möglich sind insbes.

• a) die Verwendung des Bindemittels, ggf. mit Zuschlägen und Zusatzmitteln, als sofort oder frühtragender Baustoff für den Untertagebereich, vorzugsweise mit einem Verhältnis von Calciumsulfat-Alphahalbhydrat/Hüttensand von 70:30 bis 95:5, insbes. etwa 90:10,
• b) die Verwendung des Bindemittels, ggf. mit Zuschlägen und Zusatzmitteln, zur Gipsplattenherstellung, vorzugsweise mit einem Verhältnis von Calciumsulfat-Alphahalbhydrat/Hüttensand von 80:20 bis 95:5, insbes. etwa 90:10,
• c) die Verwendung des Bindemittels, ggf. mit Zuschlägen und Zusatzmitteln als Reparaturmörtel, insbes. Flugplatzreparaturmörtel, vorzugsweise mit einem Verhältnis von Calciumsulfat-Alphahalbhydrat/Hüttensand von 80:20 bis 50:50, insbes. 70:30,
• d) die Verwendung des Bindemittels, ggf. mit Zuschlägen und Zusatzmitteln, im Tunnelbau, vorzugsweise mit einem Verhältnis von Calciumsulfat-Alphahalbhydrat/Hüttensand von 60:40 bis 30:70,
• e) die Verwendung des Bindemittels, ggf. mit Zuschlägen und Zusatzmitteln, zur Herstellung von selbstnivellierenden Estrichen, vorzugsweise mit einem Verhältnis von Calciumsulfat-Alphahalbhydrat/Hüttensand von 90:10 bis 70:30,
• f) die Verwendung des Bindemittels, ggf. mit Zuschlägen und Zusatzmitteln, zur Herstellung von porosierten Wandbaustoffen, vorzugsweise mit einem Verhältnis von Calciumsulfat-Alphahalbhydrat/Hüttensand von 90:10 bis 95:5,
• g) die Verwendung des Bindemittels, ggf. mit Zuschlägen und Zusatzmitteln, als Spachtelmasse mit einem Verhältnis von Calciumsulfat-Alphahalbhydrat/Hüttensand von 95:5 bis 30:70,
• h) die Verwendung des Bindemittels, ggf. mit Zuschlägen und Zusatzmitteln, als sulfatbeständiger Injektionsmörtel zum Verfestigen brüchiger Baumassen mit einem Verhältnis von Calciumsulfat-Alphahalbhydrat/Hüttensand von 50:50 bis 10:90,
• i) die Verwendung des Bindemittels, ggf. mit Zuschlägen und Zusatzmitteln, zur Herstellung von Saugstreu,
• j) die Verwendung des Bindemittels, ggf. mit Zuschlägen und Zusatzmitteln, zur Herstellung tragender, porosierter und nicht porosierter Wandbaustoffe.

Aber auch für andere Zwecke kann das erfindungsgemäß hergestellte Bindemittel eingesetzt werden.

Gegenstand der Erfindung sind auch die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Bindemittel und die vorstehend aufgeführten Verwendungen.

Ausführungsbeispiel:

Aus Calciumsulfat-Alphahalbhydrat mit einer Mahlfeinheit von 3.200 cm²/g (innere Oberfläche nach Blaine) und mit einem Rückstand von 1 % auf dem 50 µm-Sieb sowie aus Hüttensand einer Mahlfeinheit von 3.500 cm²/g (nach Blaine) wurden Mörtelmischungen hergestellt, und zwar mit unterschiedlichen Mischungsverhältnissen:

• Mischung 1) 95 % Calciumsulfat-Alphahalbhydrat, 5 % Hüttensand,
• Mischung 2) 65 % Calciumsulfat-Alphahalbhydrat, 35 % Hüttensand,
• Mischung 3) 50 % Calciumsulfat-Alphahalbhydrat, 50 % Hüttensand.

Die Prozentangaben sind in Gewichtsprozent. Den Mischungen wurden 0,02 Gewichtsteile Zitronensäuremonohydrat beigemischt. Die Mischungen wurden mit einem Wasser/Feststoff-Verhältnis von 0,3 zu Pasten angemacht. Die Pasten zeigten die üblichen Frischmörteleigenschaften. Aus den Pasten wurden quaderförmige Prüfkörper der Kantenlänge von 40 mm hergestellt. Diese Prüfkörper wurden nach 20 Minuten entformt und unmittelbar nach dem Entformen unter Wasser gelagert. Zu definierten Zeitpunkten wurde die Druckfestigkeit der einzelnen Prüfkörper in N/mm² gemessen. - Die einzige Figur zeigt die Meßergebnisse.

Auf der Abszissenachse der Figur ist die Zeit der Unterwasserlagerung der Prüfkörper in Tagen aufgetragen, auf der Ordinatenachse die Druckfestigkeit. Die den Mischungen 1), 2) und 3) entsprechenden Kurven wurden mit 1 bzw. 2 bzw. 3 bezeichnet. Strichpunktiert wurde die Kurve für entsprechende Prüfkörper aus Calciumsulfat-Alphahalbhydrat eingezeichnet. Man erkennt, daß diese Prüfkörper aus Calciumsulfat-Alphahalbhydrat eine zeitabhängige Wasserfestigkeitskurve aufweisen, die, ausgehend von dem Endwert der Schnellerstarrung, eine negative Steigung besitzt. Man erkennt, daß bei den Mischungen 1, 2 und 3 die Menge an Hüttensand auf die Ausgangsmenge an Calciumsulfat-Alphahalbhydrat so abgestimmt ist, daß die Wasserfestigkeitskurve eine positive Steigung aufweist. Man kann drei festigkeitsbildende Phasen deutlich unterscheiden: Die erste Phase ist die Schnellerstarrungsphase, in der Calciumsulfat-Alphahalbhydrat zu Calciumsulfat-Dihydrat erstarrt. Das geschieht an einem Tag oder in einigen Tagen. In der zweiten Phase funktioniert das Calciumsulfat-Dihydrat als sulfatischer Anreger für den Hüttensand und die Reaktion läuft mit Wasser im wesentlichen zu Ettringit, und zwar nach der Gleichung

        3CaSO₄·2H₂O + 3CaO + Al₂O₃ + 26H₂O→3CaO·Al₂O₃·3CaSO₄·32H₂O.

Das bewirkt einen verhältnismäßig starken Anstieg der Kurve der Druckfestigkeit,der im Beispiel nach etwa sieben Tagen in einen flacheren Anstieg übergeht. In dieser Phase stellt sich die Endfestigkeit ein, und zwar wird die Endfestigkeit durch Calciumhydrosilikatphasen bestimmt. Es versteht sich, daß die zweite Phase und die dritte Phase sich überlappen. Es mag auch schon bei Beginn der Ettringitbildung eine Bildung von Calciumhydrosilikatphasen eintreten. - Es versteht sich, daß die Endfestigkeit des nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Bindemittels nach achtundzwanzig Tagen nicht abfällt, sondern eher weiter ansteigt.

Durch die Mischungsverhältnisse, die Mahlfeinheit, aber auch durch zementübliche Zusätze, lassen sich die Reaktionsabläufe sowie die erreichten Endfestigkeiten in weiten Bereichen beeinflussen.