DE2848731B2 - Verfahren zur Herstellung von in alkalischen Medien beständigen Mineralfasern - Google Patents
Verfahren zur Herstellung von in alkalischen Medien beständigen MineralfasernInfo
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- C03C25/10—Coating
- C03C25/1025—Coating to obtain fibres used for reinforcing cement-based products
Description
SiO2 | 48 bis 51 |
Al2O3 | 12bis 14 |
Fe2O3 | 8 bis 10 |
CaO | 6 bis 8 |
MgO | 10 bis 12 |
TiO2 | 2 bis 6 |
ZrO2 | 4 bis 6 |
K2O + Na2O bis max. | 5 |
und daß die aus der Glasschmelze hergestellten Glasfasern durch die Wärmebehandlung so rekristallisiert
werden, daß eine feinkristalline Struktur entsteht.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das ZrO2 in Form von ZrSiOi
(Zirkonsilikat) zugegeben wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmebehandlung bei
einer Temperatur zwischen 8000C und 900° C bis zu
maximal einer Minute erfolgt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmebehandlung
zweistufig durchgeführt wird, wobei die Temperatur in der ersten Stufe zwischen 650°C und 75O0C und in
der zweiten Stufe zwischen 800°C und 9000C liegt.
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von in alkalischen Medien beständigen
Mineralfasern zur Mikroarmierung von zement-, kalk- und/oder gipsgebundenen oder bituminösen Bindemitteln
oder Baustoffen, bei dem Ergußgesteinen ZrO2 zugesetzt und diese Mischung bei Temperaturen
zwischen 1350° C und 1500° C geschmolzen und
anschließend aus der Schmelze Fasern mit einem Durchmesser von 10 bis 20 μηι hergestellt und durch
eine Wärmebehandlung bei einer Temperatur zwischen 6500C und 9000C rekristallisiert werden.
Die Einsatzmöglichkeit vieler Baumaterialien, wie Zement, Beton, Gips, Kalk oder anderen, wird durch
deren geringe Zug- und Biegefestigkeit sowie Biegeschlagzähigkeit stark eingeschränkt. Es ist bereits
bekannt, durch sogenannte Mikroarmierung, nämlich durch Zugabe von Fasermaterialien zu dem Bindemittel
oder Baustoff, die vorerwähnten Eigenschaften zu verbessern. Die hierzu verwendeten Fasermaterialien
sind entweder natürlichen Ursprungs, wie Asbest- oder Pflanzenfasern oder es sind künstliche Fasern aus Stahl,
Glas, organischen Polymeren oder Kohle. Die Untersuchung
der Eignung dieser Fasern als Verstärkungsmaterial für zement-, gips- und kalkgebundene sowie
bituminöse Baustoffe hat in den meisten Fällen nur unzureichende Ergebnisse erbracht Dabei spielen
umweltrelevante Gesichtspunkte, z. B. bei Verwendung von Asbest, als auch werkstoffspezifische Fragen eine
κι wesentliche Rolle. Auch die anfangs als geeignet
angesehenen handelsüblichen Glasfasern haben sich schließlich wegen ihrer chemischen Zusammensetzung
und Struktur als nicht ausreichend beständig in alkalischem Medium erwiesen, so daß ihre günstigen
ii mechanischen Eigenschaften, vornehmlich ihre Zugfestigkeit,
wegen der von der Oberfläche ausgehenden Korrosion der Glasfasern in zementgebundenen Baustoffen
verlorengehen.
Zur Verhinderung des Angriffs der alkalischen
Zur Verhinderung des Angriffs der alkalischen
2(i Lösung wurden bereits die Glasfasern mit alkalibeständigen
Schichten versehen. Hierdurch konnte der Angriff an Faserbruchstellen und an Schutzschichtdefekten
nicht verhindert werden. Als weiterer schwerwiegender Nachteil trat hinzu, daß durch die Schutzschicht die
Haftung der Fasern in der Bindemittelmatrix vermindert wurde, wodurch die beabsichtigte Verbundwirkung
weitgehend verlorenging und sich die mechanischen Eigenschaften erheblich verschlechterten.
Es ist bekannt, daß man Fasern hoher Alkalibestän-
Es ist bekannt, daß man Fasern hoher Alkalibestän-
i» digkeit aus 85 bis 99 Gew.-% Basalt und 1 bis 15 Gew.-%
ZrO2 herstellen kann (DE-OS 26 52 149). Ferner wurde bereits beschrieben, daß zur Steigerung der Alkalifestigkeit
einem Grundmaterial, wie Basalt, Dolomit oder Ton, z. B. ZrO2 und TiO2 zugesetzt werden können und
r> verschiedene Keimbildner Einfluß auf die Kristallbildung in verschiedener Weise nehmen (US-PS
37 36 162). Mit all diesen Methoden lassen sich jedoch keine zufriedenstellenden Ergebnisse erzielen.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die
4» geschilderten Nachteile bekannter Mikroarmierungen
von Bindemitteln und Baustoffen der genannten Art zu überwinden und ein Verfahren zu entwickeln, mit dem in
alkalischem Medium beständige Mineralfasern hoher Zugfestigkeit aus einem in ausreichender Menge und zu
4"> geringem Preis zur Verfügung stehenden Rohstoff
hergestellt werden können. Auf eine hohe Haftung zwischen den Fasern und der Matrix wird ebenfalls
großen Wert gelegt.
Es hat sich nun gezeigt, daß sich diese Aufgabe in
jo technisch fortschrittlicher Weise lösen läßt, wenn bei
einem Verfahren der eingangs genannten Art als Ausgangsmaterial ein Gemisch aus mindestens zwei der
Ergußgesteinen, wie Lavaschlacke, Quarzporphyr, Andesit, Basalt oder Diabas, mit einem Zusatz von ZrO2
t> sowie gegebenenfalls mit einem Zusatz von TiO2
hergestellt wird und daraus ein Glas erschmolzen wird, das die folgende Zusammensetzung in Masseprozent
aufweist:
SiO2 | 48 bis 51 |
AI2O3 | 12bisl4 |
Fe2O3 | 8 bis 10 |
CaO | 6 bis 8 |
MgO | lObis 12 |
TiO2 | 2 bis 6 |
ZrO2 | 4 bis 6 |
K2O + Na2O bis max. | 5 |
und daß die aus der Glasschmelze hergestellten
Glasfasern durch die Wärmebehandlung so rekristallisiert werden, daß eine feinkristalline Struktur entsteht
Das Zirkonoxid wird vorteilhafterweise in Form von Zirkonsilikat dem Ausgangsmaterial aus Ergußgesteinen
zugegeben.
Die Rekristallisation der Fasern kann durch eine maximal 1 Minute dauernde Wärmebehandlung bei
einer Temperatur zwischen 800° C und 900" C herbeigeführt werden. In anderen Fällen hat sich eine zweistufige
Wärmebehandlung der Mineralfasern zur Rekristallisation als zweckmäßig erwiesen, wobei in der ersten Stufe
die Temperatur zwischen 650° C und 750° C und in der zweiten Stufe zwischen 800 und 9000C liegt
Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung gehen aus der folgenden
Beschreibung zusätzlicher Details hervor.
Durch das günstige Temperatur-Viskositätsverhalten der erfindungsgemäß verwendeten Glaszusammensetzung
besteht im Gegensatz zu den üblichen Verfahren der Stein- und Mineralwolleherstellung (Ausschleudern
aus der Schmelze) die Möglichkeit, Endiosfasern aus einer Ziehwanne herzustellen. Dadurch wird eine breite
Basis für die Produktherstellung getroffen, da die Fasern auch als Gewebe oder Bündel (sogenannte Rovings) in
die Matrix eingelagert werden können.
Charakteristisch für die Erfindung ist die Beständigkeit der Glasfasern im alkalischen Medium, die durch
Zusatz von Zirkonoxid erreicht wird. Die Messungen in siedender, wäßriger Portlandzementlösung ergeben bei
einer Glaszusammensetzung aus
SiO2 | etwa 49,2 Masse-% |
Al2O3 | etwa 12,7 Masse-% |
Fe2O3 | etwa 9,2 Masse-% |
CaO | etwa 7,2 Masse-% |
N'gO | etwa 10,7 Masse-% |
K2O -I- Na2O | etwa 4,8 Masse-% |
TiO2 | etwa 2,0 Masse-% |
ZrO2 | etwa 4,2 Masse-% |
nach 24stündiger Auslaugung eine Auslaugrate von 70 · 10-6g/cm2; im Vergleich dazu wird bereits nach 6
Stunden für ein Borsilikatglas eine Auslaugrate von 250 ■ 10-6g/cm2ermittelt.
Der angegebene Bereich der Glaszusammensetzung stellt im Beispiel 1 ein Optimum dar; geringe
Abweichungen führen zu überraschend starken Verschlechterungen der Beständigkeit im alkalischen
Medium. Dies gilt ganz besonders für das Verhältnis des CaO/MgO/Fe2O3-Anteils.
Wie auch die nachstehenden Versuchsergebnisse bestätigen, ist die Beständigkeit im alkalischen Medium,
bestimmt durch den Masseverlust, den das Glas bei Auslaugung erleidet, nur bei einem Verhältnis
CaO/MgO = 0,5 bis 0,8 und bei einem Fe2O3-GeIIaIt
von 8 bis 10 Masse-% sehr hoch; die prozentualen Anteile der übrigen Komponenten liegen innerhalb der
zuvor angegebenen Grenzen.
Glas-Nr. CaO/MgO Fe2O3-GeIIaIt Masse-
(Masse-%) verlust
(mg/dm'1)
2 (Beispiel 1)
1,5
0,67
0,48
0,72
0,67
0,48
0,72
4,7
9,2
10,5
14,0
9,2
10,5
14,0
36
7,5
10
22
Die Beständigkeit im alkalischen Medium kann bei den Materialien nach Beispiel 1 noch weiter verbessert
;<! werden, wer η die Glasfasern einer kurzzeitigen,
gesteuerten . 'ekristallisationsbehandfung unterzogen
werden. Ein Zusatz von Titanoxid von max. 6 Masse-% erweist sich in diesem Fall als optimal. Hierdurch wird
eine feinkristalUne Struktur ausgebildet und dadurch der
2) bisher beobachtete Rückgang der Zugfestigkeit bei
unerwünschter Rekristallisation in vertretbaren Grenzen gehalten, so daß eine ausreichende Zugfestigkeit für
den beschriebenen Verwendungszweck gegeben ist.
etwa 48,1 Masse-% | etwa 4 Masse-% | |
Beispiel 4 | etwa 12,4 Masse-% | etwa 4,2 Masse-% |
Das Ausgangsmaterial hat folgende Zusammenset | etwa 9,1 Masse-% | |
zung: | etwa 7 Masse-% | |
SiO2 | etwa 10,5 Masse-% | |
Al2O3 | K2O + Na2O etwa 4,7 Masse-% | |
Fe2O3 | TiO2 | |
CaO | ZrO2 | |
MgO | ||
Die Rekristallisation kann entweder in einem Schritt durch Wärmebehandlung bei 800° C bis 900° C vorgenommen
werden oder aber in einer zweistufigen
4i aufeinanderfolgenden Wärmebehandlung bei 6500C bis
750° C und 800° C bis 900° C. Die Behandlungszeiten liegen für optimale Zugfestigkeitswerte unter 1 Minute.
Durch diese Maßnahmen, nämlich durch die Titanoxidzugabe von max. 6 Masse-% und gesteuerte Rekristalli-
K) sation, wird die Auslaugrate in siedender, wäßriger
Portlandzementlösung nach 24 Stunden von 70 · 10-6 g/cm2 auf 10 · 10~6 g/cm2 gesenkt.
Zur Erhöhung der Haftfestigkeit der Mineralfasern in dem Matrixmaterial können die Fasern mit hydratisiertem
oder nicht hydratisiertem Zementstaub oder mit Calciumsilikat bzw. Calciumsilikathydrat-Feinstaub bestäubt
werden.
Claims (1)
1. Verfahren zur Herstellung von in alkalischen Medien beständigen Mineralfasern zur Mikroarmierung
von zement-, kalk- und/oder gipsgebundenen oder bituminösen Bindemitteln oder Baustoffen, bei
dem Ergußgesteinen ZrO2 zugesetzt und diese Mischung bei Temperaturen zwischen 13500C und
15000C geschmolzen und anschließend aus der Schmelze Fasern mit einem Durchmesser von 10 bis
20 μπι hergestellt und durch eine Wärmebehandlung
bei einer Temperatur zwischen 650" C und 9000C
rekristallisiert werden, dadurch gekennzeichnet,
daß ein Gemisch aus mindestens zwei der Ergußgesteinen Lavaschlacke, Quarzporphyr,
Andesit, Baselt und Diabas mit dem Zusatz von ZrO2 sowie gegebenenfalls mit einem Zusatz von TiO2
hergestellt wird und daraus ein Glas erschmolzen wird, das die folgende Zusammensetzung in
Masseprozent aufweist:
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