DE60129538T2

DE60129538T2 - Faserzementbaumaterialien mit zusatzstoffen niedriger dichte

Info

Publication number: DE60129538T2
Application number: DE2001629538
Authority: DE
Inventors: James A. Upland GLEESON; Kalynne H. Rancho Cucamonga PARADIS; Brian P. Old Toongabbie SLOANE; David L. Upland MELMETH; Dean M. Mission Viejo SELIGMAN
Original assignee: James Hardie International Finance BV
Current assignee: James Hardie Technology Ltd
Priority date: 2000-03-14
Filing date: 2001-03-09
Publication date: 2008-04-10
Anticipated expiration: 2021-03-10
Also published as: JP5025872B2; US7658794B2; US20100242802A1; MXPA02008921A; WO2001068547A1; AU2001250832A1; NZ521491A; KR100853920B1; US20080203365A1; EP1265822A1; US20010047741A1; US6572697B2; CA2402886A1; BR0109283A; PL358677A1; US20120260827A1; JP2003527288A; KR20020087077A; US20030205172A1; CA2402886C

Description

Hintergrund der Erfindung
Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung betrifft Baumaterialien und Verfahren zur Herstellung derselben, und spezieller die Zugabe von Additiven mit geringer Dichte (LDA) zu zementartigen zellulosefaserverstärkten Baumaterialien.
Beschreibung des verwandten Standes der Technik
Produkte aus faserverstärktem Zement (FRC), wie wasserfeste Bauplatten, werden seit 1895 für den Bau verwendet. In der jüngeren Geschichte umfaßten in solchen Produkten verwendete Verstärkungsfasern nicht nur Asbestfasern, sondern auch Zellulosefasern (siehe australisches Patent Nr. 515151 ), Metallfasern, Glasfasern und andere natürliche und synthetische Fasern. Typischerweise beträgt die Dichte solcher Bauplatten von etwa 1,2–1,7 g/cm³, wobei die Variation in der Dichte typischerweise durch Komprimieren und Entwässern der Faserzementaufschlämmungen, die in der Herstellung verwendet werden, und durch Variieren der Menge der verwendeten Faser erhalten wird. Bei diesen Dichten weist die Matrix auf Zementbasis wenig Hohlräume auf, was zu einer geringeren Absorption von Wasser führt, was für gewöhnlich als für eine gute Beständigkeitsleistung von Zementmatrizes notwendig erachtet wurde.
Die oben beschriebenen Dichten des Faserzements bedeuten, daß die Produkte schwerer sind als Produkte auf Schnittholzbasis mit den gleichen Dimensionen und eine verringerte Verarbeitbarkeit aufweisen. Die Verarbeitbarkeit umfaßt die Leichtigkeit, mit der sich die Platte handhaben und einbauen läßt. Daher sind Faserzementbauprodukte schwerer zu schneiden, maschinell zu bearbeiten und zu nageln als Schnittholz und Produkte auf Schnittholzbasis. In dieser Hinsicht liegt die Dichte von natürlichen Schnittholzplatten typischerweise im Bereich von etwa 0,7–0,9 g/cm³ für trockene Harthölzer und von etwa 0,38–0,6 g/cm³ für trockene Weichhölzer. Somit kann man erwarten, daß ein dichtemodifiziertes Faserzementmaterial mit einer Dichte ähnlich der von Schnittholz die Verarbeitbarkeit verbessert und die Herstellung von leichteren, besser zu nagelnden, leichter zu schneidenden und leichter maschinell zu bearbeitenden Produkten ermöglicht. Dies müßte jedoch auf eine Weise erzielt werden, bei der die Eigenschaften von Beständigkeit, Feuerfestigkeit, Fäulnisbeständigkeit und Wasserfestigkeit des Faserzements erhalten bleiben, wenn der dichtemodifizierte Faserzement in dem gleichen Anwendungsbereich verwendet werden soll.
Der Stand der Technik beschreibt, wie leichtgewichtige anorganische Pulver als Dichtemodifizierer zu Zement oder faserverstärkten Zementmaterialien zugegeben werden können. Additive mit geringer Dichte für FRC-Produkte sind so definiert, daß sie eine lose Schüttdichte von etwa 0,8 g/cm³ (etwa 50 Pfund/Kubikfuß) oder weniger haben. Die typischen verwendeten Additive mit geringer Dichte (LDA) umfassen Calciumsilicathydrate (CSH) mit geringer Schüttdichte, expandierte Polystyrenkügelchen (EPS), expandiertes Vermiculit, expandiertes Perlit, expandierten Schiefer und expandierten Ton. Die Modifikation der Dichte von auf Zement basierenden Materialien mit solchen anorganischen Teilchen wird in erster Linie durch Einbringen von Porosität in das Material erzielt. Typischerweise füllen sich die Porenräume mit Wasser, wenn das Material in Wasser eingetaucht oder für eine Zeitdauer Regen ausgesetzt wird. Dies führt dazu, daß diese Materialien eine schlechtere Formbeständigkeit von naß zu trocken (Feuchtigkeitsbeständigkeit), eine höhere gesättigte Masse und eine schlechte Beständigkeit gegen Einfrieren und Auftauen haben.
Dementsprechend besteht ein Bedarf nach einem leichtgewichtigen FRC-Baumaterial und einem Verfahren zur Herstellung desselben mit einer gegenüber typischen dichtemodifizierten Produkten verbesserten Formbeständigkeit von naß zu trocken. Zweitens sollte das leichtgewichtige Baumaterial eine ähnliche Formbeständigkeit von naß zu trocken beibehalten wie FRC-Produkte ohne Dichtemodifizierer, wenn das dichtemodifizierte Material in demselben Anwendungsbereich eingesetzt werden soll. Zusätzlich ist es in einigen Anwendungen sehr bevorzugt, daß das Material auch eine geringe gesättigte Masse, eine gute Beständigkeit gegen Einfrieren und Auftauen und dimensionale Stabilität bei hohen Temperaturen besitzt. Schließlich ist es auch wünschenswert, ein FRC-Baumaterial zur Verfügung zu haben, bei dem niedrigere Dichtebereiche, die näher bei denen von Schnittholz und Produkten auf Schnittholzbasis liegen, mit verbesserter Beständigkeit erzielt werden können.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine zum Formen eines Bauprodukts verwendete Baumaterialformulierung bereitgestellt, umfassend:
einen hydraulischen Binder,
ein Aggregat,
Zellulosefasern, wobei die Zellulosefasern bezogen auf das Gewicht mehr als 4% der Formulierung ausmachen, und
Vulkanasche, wobei die Vulkanasche die Dichte des Materials auf 1,2 g/cm³ oder weniger verringert und das Quellverhalten des Materials auf einem Niveau von etwa 0,17% oder weniger hält.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Verwendung der Baumaterialformulierung der vorliegenden Erfindung für Seitenverkleidungs-, Bedachungs-, Umzäunungs- oder Abdeckungsanwendungen bereitgestellt.
Gemäß einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Formen eines Baumaterials mit geringer Dichte gemäß der vorliegenden Erfindung bereitgestellt, bei dem man:
eine Faserzementformulierung, welche hydraulischen Binder, Aggregat, Zellulosefasern und Vulkanasche umfaßt, mit Wasser vermischt, um eine Aufschlämmung zu erzeugen,
die Aufschlämmung in einen roh geformten Artikel verarbeitet und
den roh geformten Artikel härtet, um das Baumaterial mit geringer Dichte auszubilden, wobei das Baumaterial eine Dichte von 1,2 g/cm³ oder weniger aufweist, wobei die Vulkanasche das Quellverhalten des Materials auf einem Niveau von etwa 0,17% oder weniger hält, und wobei die Zellulosefasern mehr als 4 Gewichtsprozent des Gesamtgewichts der Faserzementformulierung ausmachen.
Zusammenfassung der Erfindung
Vulkanasche als Additiv mit geringer Dichte wurde beurteilt und weist Eigenschaften auf, die für FRC-Baumaterialien wünschenswerter sind als die von typischen Additiven mit geringer Dichte. Ein Aspekt der Erfindung umfaßt die Zugabe von Vulkanasche (VA) zu einem FRC-Baumaterial. Eine Ausführungsform umfaßt das Mischen von Mikrokügelchen mit Vulkanasche und anderen typischen Additiven mit geringer Dichte in das FRC-Baumaterial. In einer bevorzugten Ausführungsform wird eine Mischung aus VA und Mikrokügelchen und/oder weiteren Additiven mit geringer Dichte bereitgestellt.
Im Vergleich zu derzeitigen FRC-Produkten besteht ein Vorteil von Vulkanasche darin, daß sie dem Produkt geringe Dichten und eine verbesserte Verarbeitbarkeit zu wirtschaftlichen Kosten sowie eine verbesserte dimensionale Stabilität gegenüber derjenigen von typischen Additiven mit geringer Dichte bereitstellt.
Eine Ausführungsform betrifft die Zugabe von Mikrokügelchen in Kombination mit VA und/oder anderen typischen Additiven mit geringer Dichte in FRC-Material. Das Mischen von Mikrokügelchen mit anderen Additiven mit geringer Dichte ist vorteilhaft, weil durch Zugabe eines geringeren Gewichtsprozentanteils (im Vergleich zu Mikrokügelchen alleine) FRC-Produkte mit geringerer Dichte erzielt werden können aufgrund der geringeren Dichten von VA und anderen typischen LDA relativ zu Mikrokügelchen. Dies ermöglicht auch, daß Faserzementprodukte niedrigere Dichtebereiche erzielen, wodurch die Verarbeitbarkeit weiter verbessert wird, während Mikrokügelchen die Nebeneffekte, die typische Additive mit geringer Dichte auf die Formbeständigkeit von naß zu trocken und die Beständigkeit insgesamt haben, minimieren.
Somit wird im allgemeinen gemäß der vorliegenden Erfindung ein Baumaterial bereitgestellt, welches eine faserverstärkte Zementformulierung und ein in die Formulierung aufgenommenes Additiv mit geringer Dichte umfaßt. Die Zugabe des Additivs mit geringer Dichte zu der Formulierung verringert die Dichte des Baumaterials im Vergleich zu einem Baumaterial mit einer äquivalenten faserverstärkten Zementformulierung ohne das Additiv mit geringer Dichte, während gleichzeitig das Baumaterial mit dem Additiv mit geringer Dichte eine Steigerung des Aufquellens durch Feuchtigkeit um weniger als 20% aufweist, im Vergleich zu einem Baumaterial mit einer äquivalenten faserverstärkten Zementformulierung ohne das Additiv mit geringer Dichte. Bevorzugter verringert die Zugabe des Additivs mit geringer Dichte zu der Formulierung die Dichte des Baumaterials im Vergleich zu einem Baumaterial mit einer äquivalenten faserverstärkten Zementformulierung ohne das Additiv mit geringer Dichte, während gleichzeitig das Additiv mit geringer Dichte das Quellverhalten des Baumaterials im Vergleich zu einem Baumaterial mit einer äquiva lenten faserverstärkten Zementformulierung ohne das Additiv mit geringer Dichte entweder aufrechterhält oder verringert. Die Dichte des Baumaterials beträgt 1,2 g/cm² oder weniger.
Der erste Aspekt der vorliegenden Erfindung liefert eine Baumaterialformulierung zum Formen eines Bauprodukts. In einer Ausführungsform verbessert die Vulkanasche die Verarbeitbarkeit und verringert die Dichte des endgültigen Bauprodukts um mehr als 10% im Vergleich zu einem Bauprodukt, hergestellt aus einer äquivalenten Formulierung ohne Vulkanasche. In einer weiteren Ausführungsform zeigt die Formulierung mit Vulkanasche einen vernachlässigbaren Unterschied im Quellverhalten des Endprodukts, wodurch das Produkt das Quellverhalten entweder aufrechterhält oder um weniger als 20% steigert, im Vergleich zu einem Bauprodukt, hergestellt aus einer äquivalenten Formulierung ohne Vulkanasche. Für den erzielten Grad der Dichtemodifikation ist diese Zunahme der Bewegung durch Feuchtigkeit überraschend gering. Es wurde herausgefunden, daß es mit nominell den gleichen Formulierungsbestandteilen zu Unterschieden im Quellverhalten für Formulierungen mit Vulkanasche kommt. Solche Unterschiede sind in erster Linie auf Schwankungen der Oberfläche von Rohmaterialien zurückzuführen.
In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Bilden eines Baumaterials mit geringer Dichte bereitgestellt. Hydraulischer Binder, Aggregat, Vulkanasche und Wasser werden gemischt, um eine Aufschlämmung zu erzeugen. Die Aufschlämmung wird zu einem roh geformten Gegenstand verarbeitet. Der roh geformte Gegenstand wird gehärtet, um das Baumaterial mit geringer Dichte zu bilden. In einer Ausführungsform wird der Gegenstand mittels Autoklavieren gehärtet. Das gebildete Baumaterial mit geringer Dichte hat eine Dichte von 1,2 g/cm³ oder weniger und ein Quellverhalten von 0,17% oder weniger.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird eine Kombination aus Vulkanasche und anderen zusätzlichen Additiven mit geringer Dichte, wie Mikrokügelchen und/oder CSH mit geringer Schüttdichte, in der Formulierung bereitgestellt.
Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschreiben ein faserverstärktes Zementbaumaterial, welches Vulkanasche, optional mit hohlen keramischen Mikrokügelchen, umfaßt. Es versteht sich, daß diese Additive nicht nur für die hier beschriebenen Typen von Baumaterialien (d.h. faserverstärkte Materialien) verwendet werden können, sondern auch für andere Baumaterialien verwendet werden können. Darüber hinaus werden auch verschiedene Kombinationen von Vulkanasche, optional mit Mikrokügelchen und anderen Dichtemodifizierern, in Betracht gezogen, um die Dichte zu reduzieren und die Gesamtleistungsfähigkeit des Baumaterials zu verbessern.
Vulkanasche
In einer ersten Ausführungsform betrifft diese Erfindung die Zugabe von Vulkanasche zu zementartigen zellulosefaserverstärkten Baumaterialien. Vulkanasche wird üblicherweise auch als "aerogenes Perlit", "Bimsstein" oder "Pumicsit" bezeichnet. Vulkanasche ist typischerweise ein natürliches Glas, das von dem Magma von Vulkanen während einer Eruption abgeleitet ist. Vulkanasche ist ein relativ leichtgewichtiges Sandsediment, welches durch die Abkühlung von Magma mit hoher Temperatur gebildet wird, wodurch ein Material entsteht, welches etwa 30 Gew.-% an kristallinen Mineralien und 70 Gew.-% an amorphem Vulkanascheglas enthält. Es hat eine typische Schüttdichte von etwa 25–75 Pfund/Kubikfuß (400–1200 kg/m³). Üblicherweise wird diese Vulkanasche expandiert, indem Hitze eingebracht wird, um die Morphologie zu verändern und ein leichteres Material mit einer typischen Schüttdichte im Bereich von etwa 2–25 Pfund/Kubikfuß (32–400 kg/m³) zu erhalten. Expandierte Vulkanasche kann einen breiten Bereich von Teilchengrößen von kleiner als etwa 10 μm bis zu etwa 425 μm haben, wobei mittlere Teilchengrößen im Bereich von zwischen etwa 20 und 100 μm liegen. Die chemische Zusammensetzung besteht hauptsächlich aus Silica (SiO₂), Aluminiumoxid (Al₂O₃) und Kaliumoxiden (K₂O).
Vulkanasche oder expandierte Vulkanasche ist über Lieferanten wie Tufflite Inc. in Phoenix, AZ, California Industrial Minerals in Friant, CA, US Pumice in Chatsworth, CA, Amcor Precast in Idaho Falls, ID, Hess Pumice Products in Malad City, ID, Kansas Minerals Inc. in Mankato, KS, Calvert Corporation in Norton, KS, Copar Pumice Company in Espanola, NM, C.R. Minerals in Santa Fe, NM, Utility Block in Albuquerque, NM, und Cascade Pumice in Bend, OR, erhältlich.
Eine bevorzugte Formulierung der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfaßt einen hydraulischen Binder, Aggregat, Faser, Vulkanasche und Additive. Der hydraulische Binder ist vorzugsweise Portland-Zement, kann jedoch ohne Beschränkung hierauf auch Zement mit hohem Aluminiumoxidgehalt, Kalk, Zement aus gemahlener, granulierter Hochofenschlacke und gebrannter Gips oder Gemische davon sein. Das Aggregat ist bevorzugt gemahlener Quarzsand, kann jedoch ohne Beschränkung hierauf auch amorphes Silica, Kieselgur, Reisschalenasche, Hochofenschlacke, granulierte Schlacke, Stahlschlacke, Mineraloxide, Mineralhydroxide, Tone, Magnasit oder Dolomit, polymere Kügelchen, Metalloxide und -hydroxide oder Gemische davon sein. Die Faser ist vorzugsweise Holzzellstoff, kann jedoch ohne Beschränkung hierauf auch keramische Faser, Glasfaser, Mineralwolle, Stahlfaser und synthetische Polymerfasern, wie Polyamide, Polyester, Polypropylen, Polymethylpenten, Polyacrylnitril, Polyacrylamid, Viskose, Nylon, PVC, PVA, Rayon, Glaskeramik, Kohlenstoff oder irgendwelche Gemische davon sein. Die Additive können ohne Beschränkung hierauf die folgenden umfassen: Quarzstaub, geothermales Silica, feuerhemmende Mittel, Verdickungsmittel, Pigmente, Farbstoffe, Weichmacher, Dispergiermittel, Schaumerzeuger, Flockungsmittel, Wasserdichtmacher, organische Dichtemodifizierer, Aluminiumpulver, Kaolin, Aluminiumtrihydroxid, Glimmer, Metakaolin, Calciumcarbonat, Wollastonit, Polymerharzemulsionen oder Gemische davon.
Vulkanasche kann in einer Vielzahl von Bauprodukten verwendet werden, die alle unterschiedliche Anteile von hydraulischem Binder, Aggregat, Vulkanasche und Additiven aufweisen, um optimale Eigenschaften für eine bestimmte Anwendung (z.B. Seitenverkleidung, Bedachung, Verkleidung, Leibung, Untergrundplatten für Fliesen usw.) zu erhalten. Es versteht sich, daß der Prozentanteil an Vulkanasche in Abhängigkeit von der gewünschten Anwendung variiert werden kann. Eine bevorzugte Zusammensetzung kann etwa 5%–80% Portland-Zement, etwa 0%–80% Silica, etwa 4,1%–15% Zellulose, etwa 0%–10% Additive und etwa 2%–50% Vulkanasche enthalten. Ein spezielles Beispiel einer typischen Formulierung mit Vulkanasche ist folgendes:

Portland-Zement (Binder) 28%

Silica (Aggregat) 54%

Zellulose (Faser) 7%

Metallhydroxid (Additiv) 4%

Vulkanasche (LDA) 7%.
Vorzugsweise haben der Zement und das Silica einen Feinheitsindex von etwa 200 bis 450 m²/kg. Der Feinheitsindex für sowohl Zement als auch Silica wird gemäß ASTM C204-96a getestet.
Das Material kann durch eine Reihe konventioneller Verfahren, wie sie einem Fachmann auf dem Gebiet bekannt sind, aus einem Gemisch auf Wasserbasis oder einer Aufschlämmung zu einem roh geformten Gegenstand geformt werden, beispielsweise durch:

• Hatschek-Bahnverfahren,
• Mazza-Rohr-Verfahren,
• Magnani-Verfahren,
• Spritzgießen,
• Extrusion,
• Kontaktpressen,
• Preßformen,
• Gießen,
• Filterpressen,
• Maschinendurchlauf, Walzformen usw.

australischen Patent Nr. 515151

Das Material wird vorzugsweise für bis zu 80 Stunden, am meisten bevorzugt 24 Stunden oder weniger, vorgehärtet, um die Formulierung für das Härten herzustellen. Das Material wird dann luftgetrocknet (ungefähr 28 Tage) oder, was bevorzugter ist, bei einer erhöhten Temperatur und bei erhöhtem Druck in einer dampfgesättigten Umgebung bei 120 bis 180°C für 3 bis 30 Stunden, am meisten bevorzugt 24 Stunden oder weniger, autoklaviert. Die Länge und die Zeit, die für das Härten ausgewählt werden, sind abhängig von der Formulierung, dem Herstellungsverfahren und der Form des Gegenstands.
Testergebnisse
Dichte und Verarbeitbarkeit

Die Zugabe von Vulkanasche in Faserzementmaterialien verringert die Dichte und verbessert die Verarbeitungseigenschaften insgesamt zu einem wirtschaftlichen Preis, während gleichzeitig das Aufquellen durch Feuchtigkeit, das bei typischen Additiven mit geringer Dichte beobachtet wird, reduziert wird. Produkte mit Vulkanasche sind leichter und lassen sich daher leichter handhaben, nageln und in die gewünschten Maße bringen. Formulierungen mit Vulkanasche reduzieren auch das Abbrechen von Ecken oder das Abbröckeln (falls vorhanden), wenn die Platte in der Nähe der Ecke genagelt wird (z.B. 3/8 bis 3/4'') (0,9–1,8 cm). Die Tabellen 1 und 2 unten veranschaulichen FRC-Formulierungen und Testergebnisse für diese Formulierungen und demonstrieren insbesondere die Vorteile einer Zugabe von Vulkanasche, um die Dichte zu reduzieren und die Verarbeitbarkeit zu verbessern. Tabelle 1 – Formulierungen für Testergebnisse in Tabelle 2

Formel-Identifikation	Portland-Zement	Silica	Zellulose	Metallhydroxid	Expandierte Vulkanasche
Formel-Identifikation	Hydraulischer Binder	Aggregat	Faser	Additiv	LDA
B	28,7	60,3	7,0	4,0
K	28,7	52,8	7,0	4,0	7,5

Tabelle 2 – Vergleich von Eigenschaften mit und ohne Vulkanasche

Testverfahren	Formulierung K¹ 7,5% Vulkanasche	Formulierung B Kontrolle ohne LDA
OD Dichte (g/cm³)	1,11	1,34
Nagel-Penetration³ (Gleichgewichtsbedingungen)² mm Nagel in Material	45,4	33,0
50 mm (2 Zoll) – Länge des Nagels Standardabweichung	1,1	1,0

¹ 7,5 Gew.-% des Aggregats von der Kontrolle, Formulierung B, wurden für Formulierung K durch 7,5% Vulkanasche ersetzt.
² Gleichgewichtsbedingungen – Die Proben werden in einer kontrollierten Atmosphäre von 73 ± 4°F (22,8 ± –15,6°C) und 50 ± 5% Feuchte konditioniert. Für Definitionen und Beschreibungen des Nagelpenetrationstests siehe unten.
³ Siehe Text unten für Definition und Beschreibung des Nagelpenetrationstests.

Tabelle 2 oben vergleicht die Testergebnisse von filtergepreßten Prototyp-Platten mit einer Größe von 10'' × 10'' (25 cm × 25 cm) mit und ohne Vulkanasche. Die Prototyp-Platten wer den durch Mischen der gewünschten Formulierung mit einem Hobart-Mischer unter Bildung einer homogenen Aufschlämmung hergestellt. Die Aufschlämmung wird dann zwischen zwei Entwässerungsplatten aus Stahl bei 3500 psi (24.129 kPa) für eine Minute mit einer Wabash-Presse (Modell # PC-75-4TM) unter Bildung einer monolithischen Platte gepreßt. Die Aufschlämmung wird mit Stahldraht-Maschensieben (30 bis 40 US Maschen), die unterhalb und oberhalb des Aufschlämmungsgemischs in der Stahlrahmenform angeordnet sind, gehalten. Die monolithische Platte wird dann für mindestens 12 Stunden vorgehärtet und bei erhöhter Temperatur und erhöhtem Druck in einer dampfgesättigten Umgebung bei 150°C für etwa 12 Stunden autoklaviert.
In Tabelle 2 verringert Formulierung K mit 7,5 Gew.-% Vulkanasche im Vergleich zu einer äquivalenten Formulierung, Formulierung B, der Kontrollformulierung ohne Vulkanasche, die Dichte um etwa 17% von 1,34 g/cm³ auf 1,11 g/cm³. Eine äquivalente Formulierung ist hier als eine Formulierung definiert, in welcher das bevorzugte LDA (z.B. Vulkanasche) durch einen äquivalenten Prozentanteil an Binder, Aggregat und/oder Additiven ersetzt ist und bevorzugter durch einen äquivalenten Prozentanteil an Aggregat ersetzt ist. Diese verringerte Dichte verbessert auch die Nagelbarkeit oder die Leichtigkeit, mit der ein Nagel in die Platte getrieben werden kann. Das Testen zeigte eine Steigerung der Nagelpenetration von 33,0 mm auf 45,4 mm, wobei 50 mm die Länge des Nagels und daher die maximal erzielbare Nagelpenetration repräsentiert. Die Nagelpenetrationstests bestehen aus dem Nageln eines geschichteten Stapels von Platten unter Verwendung einer schnurlosen Rahmenbaupistole Paslode Impulse^® (formschlüssige Kraftübertragung), um einen konsistenten Nageldruck sicherzustellen. Der geschichtete Stapel umfaßt typischerweise 1/4–1/2'' (0,6–1,2 cm) dicke Platten, die auf eine Höhe aufgestapelt sind, die größer ist als die Länge des Nagels (2 Zoll oder 50 mm). Galvanisierte "Clipped Head"-Nägel Senco 6d (Teil # GC21AABN) wurden verwendet.
Somit führt die oben beschriebene Baumaterialformulierung in einer Ausführungsform im Vergleich zu einer typischen Bauplatte mit einer Dichte von etwa 1,3 g/cm³ zu einem Endprodukt mit einer Dichte von weniger als etwa 1,2 g/cm³. Bevorzugter kann die Zugabe von Vulkanasche zu der Baumaterialformulierung vorzugsweise so angepaßt werden, daß sie eine Endproduktdichte von etwa 1,2 g/cm³ oder weniger oder eine Reduzierung der Dichte um etwa 10% oder mehr im Vergleich zu einer äquivalenten Formulierung ohne Vulkanasche ergibt. Weiterhin wird in Betracht gezogen, daß größere Zugabemengen von Vulkanasche die Dichte des Bauprodukts weiter verringern.
Formbeständigkeit von naß zu trocken
Gehärtete Faserzementformulierungen mit konventionellen Dichtemodifizierern zeigen im Vergleich zu FRC-Formulierungen ohne LDA ein gesteigertes Quellverhalten und eine größere Feuchtigkeitsabsorption auf Basis einer Zunahme des Gewichtsprozentanteils. Ein Vorteil des ersten Aspekts gegenüber dem Stand der Technik besteht darin, daß die Zugabe von Vulkanasche die gewünschte Dichte und Verarbeitbarkeit mit einem Aufquellen durch Feuchtigkeit er reicht, welches geringer ist als bei anderen Additiven mit geringer Dichte, wenn sie auf einer ähnlichen Gewichtsprozentbasis eingebracht wird. Eine Formbeständigkeit von naß zu trocken ist in Bauprodukten hinsichtlich Qualität und Beständigkeit des eingebauten Produkts, insbesondere in Außenanwendungen, die schweren Klimaveränderungen unterliegen, erwünscht. Eine gute dimensionale Stabilität minimiert jegliche Lücken, die sich zwischen Platten oder Stücken von Baupaneelen oder Brettern bilden können. Eine gute dimensionale Stabilität reduziert weiterhin die Wahrscheinlichkeit des Auftretens eines Brechens der Platte aufgrund von Spannung, die sich zwischen dem Paneel oder dem Brett mit sich verändernder Dimension und dem tragenden Rahmenwerk, an dem das Produkt befestigt ist, entwickelt hat.

Die Tabellen 3 und 4 unten veranschaulichen FRC-Formulierungen und Testergebnisse für diese Formulierungen und demonstrieren spezieller die Vorteile einer Zugabe von Vulkanasche, um die Dichte zu verringern und gleichzeitig das Quellverhalten zu minimieren, wie es für andere Additive mit geringer Dichte, die auf einer äquivalenten Gewichtsbasis zugegeben werden, typisch ist. Tabelle 3 – Formulierungen für Testergebnisse in Tabelle 4

Formel-Identifikation	Portland-Zement	Silica	Zellulose	Metallhydroxid	Expandierte Vulkanasche	Expandiertes Perlit
Formel-Identifikation	Hydraulischer Binder	Aggregat	Faser	Additiv	LDA	LDA
B	28,7	60,3	7,0	4,0
K	28,7	52,8	7,0	4,0	7,5
L	28,7	55,3	7,0	4,0		5,0

Tabelle 4 – Quellverhalten¹, Vergleich von Vulkanasche und Perlit

Formulierung	Beschreibung	OD Dichte (g/cm³)	Quellverhalten %	% Aufquellen durch Feuchtigkeit Steigerung von Kontrolle
B²	Kontrolle – kein LDA	1,33	0,18 ± 0,02
K³	7,5% VA	1,11	0,17 ± 0,02	–5,5
L	5% Perlit	1,22	0,22 ± 0,02	22,2

¹ Das Quellverhalten ist die Veränderung in der Produktlänge von gesättigten zu ofentrockenen Bedingungen. Die Gleichung für den Prozentsatz der Veränderung des Quellverhaltens ist die folgende:
² In dieser Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen wird Formulierung B als Kontrolle verwendet. Da jedoch für keinen der Tests ein Beispiel mit Formulierung B verwendet wird, können für irgendwelche Proben in den Testergebnissen nominelle Unterschiede zu beobachten sein.
³ 7,5 Gew.-% des Aggregats aus der Kontrolle, Formulierung B, wurden für Formulierung K durch 7,5% Vulkanasche ersetzt.

Tabelle 4 oben zeigt Testergebnisse von filtergepreßten Prototyp-Platten mit einer Größe von 10'' × 10'' (25 cm × 25 cm), wobei Formulierungen mit 7,5 Gew.-% Vulkanasche und 5,0% Perlit (Harborlite 2000 von Harborlite Corp.), einem typischen Additiv mit geringer Dichte, verglichen werden. Formulierung L mit 5,0% Perlit zeigt eine Steigerung des Quellverhaltens um 22,2% gegenüber der Kontrolle, wohingegen Formulierung K mit 7,5% Vulkanasche tatsächlich eine Verringerung des Quellverhaltens gegenüber der Kontrolle von mehr als etwa 5% zeigt.
Somit liefert die Zugabe von Vulkanasche eine bessere dimensionale Stabilität als typische Dichtemodifizierer bei äquivalenten oder geringeren Zugabemengen in Gewichtsprozent. Dadurch kann Vulkanasche mit äquivalenten oder größeren Zugabemengen an Vulkanasche relativ zu konventionellen Additiven mit geringer Dichte geringere Dichten und bessere Verarbeitungseigenschaften erzielen.
Bevorzugter kann die Zugabe von Vulkanasche so angepaßt werden, daß sich ein vernachlässigbarer Unterschied im Quellverhalten im Vergleich zu einer äquivalenten Formulierung ohne Vulkanasche zeigt. In einer Ausführungsform steigert die Vulkanasche vorzugsweise das Quellverhalten des Endprodukts um weniger als etwa 20% im Vergleich zu einem Bauprodukt, das aus einer äquivalenten Formulierung ohne Vulkanasche gebildet ist, und verringert bevorzugter das Quellverhalten des Endprodukts. Das Quellverhalten eines Bauprodukts, hergestellt aus einer Formulierung mit Vulkanasche, beträgt 0,17% oder weniger.
Hohle keramische Mikrokügelchen
Eine Ausführungsform dieser Erfindung umfaßt die Zugabe von hohlen keramischen Mikrokügelchen in die zementartigen zellulosefaserverstärkten Baumaterialien der vorliegenden Erfindung. Diese Ausführungsform mit zugegebenen hohlen keramischen Mikrokügelchen ist möglicherweise bevorzugt, da die Zugabe von Mikrokügelchen in die FRC-Materialien eine noch bessere Feuchtigkeitsbeständigkeit in Kombination mit weiteren Vorteilen im Hinblick auf die Beständigkeit, einschließlich Beständigkeit gegen Einfrieren und Auftauen und dimensionale Wärmestabilität, mit sich bringt. Es versteht sich, daß die bevorzugten Ausführungsformen nicht auf diese Typen von Mikrokügelchen beschränkt sind. Somit werden auch andere Typen von Füllmitteln in Erwägung gezogen.
Mikrokügelchen können natürlich, synthetisch oder ein Nebenprodukt sein. Das Material kann kristallin sein, ist jedoch typischer amorphes Material oder Glas. Ein bevorzugter Typ von Mikrokügelchen sind hohle keramische Mikrokügelchen, die üblicherweise als Cenospheren bekannt sind. Cenospheren sind ein Kohlenasche-Nebenprodukt, welches typischerweise durch ein Flotationsverfahren von Flugasche abgetrennt wird, wobei die Kügelchen an die Oberfläche von Klärmitteln, Teichen oder Seen treiben. Die Mikrokügelchen sind beispielsweise erhältlich unter den Namen Extendospheres^®, Recyclospheres^® und Zeeospheres^® und können von Lieferanten wie PQ Corporation in Chattanooga, Tennessee, Zeelan Industries Inc./3M in St. Paul, Minnesota, Sphere Surface, Inc. in Oak Ridge, Tennessee, und Advanced Cement Technologies (A.C.T.) in Blaine, Washington, bezogen werden.
Die Mikrokügelchen haben typische Teilchengrößen im Bereich von etwa 12 bis 300 μm, wobei mittlere Teilchengrößen im Bereich von etwa 80 bis 120 μm liegen. Diese Größen können natürlich zwischen Proben variieren. Die bevorzugten Mikrokügelchen enthalten typischerweise 62–65% Silica (SiO₂), etwa 23–26% Aluminiumoxid (Al₂O₃) und etwa 3,0 bis 4,0% Eisenoxide (Fe₂O₃). Wenn sie in ein Baumaterial eingebracht werden, bringen die Mikrokügelchen Poren in das Material ein, die sich nicht leicht mit Wasser füllen, was aufgrund einer geringeren gesättigten Masse, einer verbesserten Formbeständigkeit von naß zu trocken und einer verbesserten Beständigkeit gegen Einfrieren und Auftauen für das Material vorteilhaft ist.
Die Mikrokügelchen können in einer Reihe von Bauprodukten verwendet werden, die alle unterschiedliche Anteile an hydraulischem Binder, Aggregat, Mikrokügelchen und Additiven enthalten, um optimale Eigenschaften für eine bestimmte Anwendung (z.B. Seitenverkleidung, Bedachung, Verkleidung, Leibung, Untergrundplatten für Fliesen usw.) zu erzielen.
Eine Ausführungsform – Vulkanasche, Mikrokügelchen und weitere Additive
Eine Ausführungsform dieser Erfindung betrifft die Zugabe von Vulkanasche in Kombination mit hohlen keramischen Mikrokügelchen und/oder anderen Additiven mit geringer Dichte in zementartige zellulosefaserverstärkte Baumaterialien. Beschreibungen von Vulkanasche und hohlen keramischen Mikrokügelchen sind in den ausführlichen Beschreibungen oben zu finden. Die unabhängig erfolgende Zugabe von Mikrokügelchen kann aufgrund der überlegenen Beständigkeitseigenschaften, die die unabhängige Zugabe von Mikrokügelchen bietet, bevorzugt sein. Die Bevorzugung dieser Ausführungsform ist abhängig von der relativen Bedeutung der Beständigkeit in einer bestimmten Anwendung.
Das Mischen von VA mit Mikrokügelchen und oder Additiven mit geringer Dichte kann in einer Vielzahl von Bauprodukten verwendet werden, die alle unterschiedliche Anteile an hydraulischem Binder, Aggregat, Additiven mit geringer Dichte und anderen Additiven aufweisen, um optimale Eigenschaften für die bestimmte Anwendung (z.B. Seitenverkleidung, Bedachung, Verkleidung, Leibung, Untergrundplatten für Fliesen usw.) zu erhalten. Ein spezifisches Beispiel einer typischen Formulierung mit einer Mischung aus Vulkanasche, Mikrokügelchen und einem typischen Additiv mit geringer Dichte ist folgendes:

Portland-Zement 28,7%

Silica (Aggregat) 50,3%

Zellulose (Faser) 7%

Metallhydroxid (Additiv) 4%

Mikrokügelchen (LDA) 10%

Vulkanasche (LDA) 5%
Es versteht sich, daß der Prozentanteil an Mikrokügelchen und anderen LDA, einschließlich VA, in Abhängigkeit von der gewünschten Anwendung variiert werden kann.
Testergebnisse
Geringere Dichten mit Beständigkeit
Das Mischen von Mikrokügelchen mit VA und optional weiteren typischen Modifizierern mit geringer Dichte, wie CSH mit geringer Schüttdichte oder expandierte Polystyrenkügelchen, Ton, Vermiculit, Perlit und Schiefer, hat mehrere Vorteile. Ein Vorteil besteht darin, daß in Anbetracht der geringeren Dichten von VA und anderen typischen LDA im Vergleich zu Mikrokügelchen eine äquivalente oder geringere Dichte mit einer geringeren Gesamtzugabemenge in Gewichtsprozent (als mit Mikrokügelchen alleine) erzielt werden kann. Die geringere Geschwindigkeit der Zugabe zu der Mischung sind wirtschaftlicher, und die Mikrokügelchen minimieren das mit der Zugabe von typischen anorganischen Dichtemodifizierern einhergehende Quellverhalten. Ein weiterer Vorteil der Mischung von Mikrokügelchen mit VA und optional weiteren typischen Additiven mit geringer Dichte besteht darin, daß FRC-Produkte niedrigere Dichtebereiche erzielen und gleichzeitig eine für die Bearbeitung ausreichende Produktfestigkeit aufrechterhalten können. So können größere Mengen (auf einer Gewichtsprozentbasis) der Kombination von Mikrokügelchen und anderen LDA zugegeben werden, während die nachteiligen Auswirkungen, die typische Additive mit geringer Dichte auf die dimensionale Stabilität und die Gesamtbeständigkeit haben, minimiert werden.
Die Zugabe von Additiven mit geringer Dichte in allen hier beschriebenen Ausführungsformen ist jedoch nicht das einzige Mittel zum Reduzieren der Dichte in Formulierungen auf Zementbasis. Aus Zement und Aggregat ohne Faser oder Additive mit geringer Dichte bestehende Formulierungen haben Dichten, die typischerweise im Bereich von etwa 1,8–2,1 g/cm³ liegen. Die Zugabe von Fasern zu Zementformulierungen ist vorteilhaft, da Fasern zusätzlich zur Bereitstellung von Festigkeit und zum Nageln geeigneten Produkten auch die Dichte verringern. Dichten für Faserzementformulierungen mit einem Fasergehalt von mehr als etwa 4 Gew.-% liegen typischerweise im Bereich von etwa 1,2 bis 1,4 g/cm³. Es wurde herausgefunden, daß FRC-Formulierungen mit einem Fasergehalt von etwa 4 Gew.-% oder weniger keine ausreichende Festigkeit und Duktilität für den Einbau besitzen. Diese FRC-Produkte sind oft zu brüchig, und Nageln während des Einbaus erzeugt Risse oder Abplatzer. Alternativ kann in einigen Anwendungen die Zugabe von Fasermengen von mehr als 15 Gew.-% unerwünscht sein, da Fasern in FRC-Formulierungen zum Aufquellen durch Feuchtigkeit, erhöhter Durchlässigkeit und insgesamt einer Gefährdung der Beständigkeit beitragen.
Somit muß in vorteilhafter Weise das richtige Gleichgewicht von Fasern für ein FRC-Produkt bestimmt werden, wobei das Gleichgewicht von der Dicke und der Form des betreffen den Produkts abhängig ist. In einer Ausführungsform sind Prozentanteile von etwa 4,1% bis 15% an Fasern bevorzugt. Additive mit geringer Dichte werden zu FRC-Formulierungen zugegeben, um zusätzliche Reduzierungen der Dichte gegenüber der Zugabe von Fasern bereitzustellen. Im allgemeinen sind jedoch die Festigkeitseigenschaften des FRC-Produkts umso geringer, je größer die zugegebene Menge an LDA ist. Daher ist die Zugabe von LDA beschränkt, da FRC-Produkte vorzugsweise eine Mindestfestigkeit für eine ausreichende Bearbeitung und einen Einbau aufrechterhalten sollten. Die maximale Zugabe an LDA ist von einer Vielzahl von Faktoren abhängig, wie z.B. dem LDA, dem Belastungsniveau des spezifischen LDA und der Form des bestimmten FRC-Produkts. Die erforderliche Mindeststärke ist auch abhängig von der Form und der Dicke des FRC-Produkts.
Schlußfolgerungen
Im allgemeinen versteht es sich, daß die vorliegende Erfindung und spezieller ein faserverstärktes Baumaterial, welches Additive aus Vulkanasche oder eine Kombination aus Mikrokügelchen, Vulkanasche und/oder weiteren Additiven enthält, mehrere Vorteile gegenüber dem Stand der Technik haben. Diese Materialien haben eine im Vergleich zu konventionellen Faserzementbauprodukten geringe Dichte. Dies ermöglicht die Herstellung eines dickeren Produkts (z.B. 3/8'' bis 1,0') (0,9–1,8 cm), welches leichter und daher einfacher zu handhaben, zu schneiden, zu nageln und einzubauen ist.
Die Materialien weisen auch eine verbesserte Formbeständigkeit von naß zu trocken auf, und die Beständigkeit des Baumaterials ist verbessert, so daß Baupaneele nicht übermäßig schrumpfen und brechen. Weiterhin kommt es nach Veränderungen in der Feuchtigkeit oder bei Wechseln von nassen zu trockenen Jahreszeiten nicht zu einer übermäßigen Bildung von Lücken zwischen Paneelen oder Brettern.
Zumindest hinsichtlich der Formulierungen und der Bauprodukte, in die auch hohle keramische Mikrokügelchen aufgenommen sind, wird die Eigenschaft der Materialien, daß sie gegen Einfrieren und Auftauen beständig sind, anders als bei den meisten anorganischen dichtemodifizierten Faserzementmaterialien bei geringerer Dichte aufrechterhalten. Dies verleiht diesen Materialien eine gute Beständigkeit in Klimata, die Bedingungen mit häufigem Einfrieren und Auftauen unterliegen.
Diese Materialien, in die auch Mikrokügelchen aufgenommen sind, besitzen aufgrund einer verbesserten dimensionalen Wärmestabilität relativ zu typischen Additiven mit geringer Dichte verbesserte Feuerbeständigkeitseigenschaften. Somit sind die Materialien bei Gebäudebränden stabil, da eine Gebäudekomponente, wie das Material, eine Abschirmung gegen Feuer aufrechterhalten kann, ohne zu brechen oder auseinanderzufallen und ohne eine rasche Ausbreitung des Feuers zu gestatten.
Die bevorzugten Ausführungsformen finden Anwendung in einer Reihe von Bauproduktanwendungen, einschließlich, jedoch nicht beschränkt auf Baupaneele (innen und außen), Un tergrundplatten für Fliesen (Wände und Böden), Seitenverkleidungen, Leibungen, Verkleidungen, Bedachungen, Umzäunungen und Abdeckungen. Die veranschaulichten und oben beschriebenen Ausführungsformen werden lediglich als Beispiele für bestimmte bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung angegeben. Fachleute auf dem Gebiet können verschiedene Veränderungen und Modifikationen an den hier dargestellten Ausführungsformen vornehmen, ohne vom Schutzumfang der Erfindung abzuweichen.

Claims

Zum Formen eines Bauartikels verwendete Baumaterialformulierung, umfassend: einen hydraulischen Binder, ein Aggregat, Zellulosefasern, wobei die Zellulosefasern bezogen auf das Gewicht mehr als 4% der Formulierung ausmachen, und Vulkanasche, wobei die Vulkanasche die Dichte des Materials auf 1,2 g/cm³ oder weniger verringert und das Quellverhalten des Materials auf einem Niveau von etwa 0,17% oder weniger hält.
Baumaterialformulierung nach Anspruch 1, wobei die Vulkanasche expandierte Vulkanasche ist.
Baumaterialformulierung nach Anspruch 2, wobei die expandierte Vulkanasche eine Schüttdichte von 2–25 lbs/ft³ (0,03–0,40 g/cm³) aufweist.
Baumaterialformulierung nach Anspruch 2 oder 3, wobei die expandierte Vulkanasche eine mittlere Partikelgröße im Bereich von 20 bis 100 μm aufweist.
Baumaterialformulierung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das Aggregat ein Siliziumdioxidaggregat ist.
Baumaterialformulierung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Dichte des Baumaterials 0,5 bis 1,2 g/cm³ ist.
Baumaterialformulierung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Dichte des Baumaterials 0,9 bis 1,1 g/cm³ ist.
Baumaterialformulierung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die mittlere Partikelgröße der Vulkanasche zwischen 12 und 300 μm liegt.
Baumaterialformulierung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, welche 4,1 bis 15 Gewichtsprozent Zellulosefasern umfasst.
Baumaterialformulierung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der hydraulische Binder Portland-Zement ist.
Baumaterialformulierung nach Anspruch 10, welche 5 bis 80 Gewichtsprozent Portland-Zement umfasst.
Baumaterialformulierung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das Siliziumdioxidaggregat bis zu 80 Gewichtsprozent der Formulierung ausmacht.
Baumaterialformulierung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der Bauartikel eine Untergrundplatte, eine Baupaneele, eine Laibung oder eine Verkleidung ist.
Verwendung der Baumaterialformulierung nach einem der vorangegangenen Ansprüche für Seitenverkleidungs-, Bedachungs-, Umzäunungs- oder Abdeckungsanwendungen.
Untergrundplatte, welche die Baumaterialformulierung nach einem der Ansprüche 1 bis 13 umfasst.
Baupaneele welche die Baumaterialformulierung nach einem der Ansprüche 1 bis 13 umfasst.
Verfahren zum Formen eines Baumaterials mit niedriger Dichte nach Anspruch 1, bei dem man: eine Faserzementformulierung, welche hydraulischen Binder, Aggregat, Zellulosefasern und Vulkanasche umfasst, mit Wasser vermischt, um eine Aufschlämmung zu erzeugen, die Aufschlämmung in einen roh geformten Artikel verarbeitet und den roh geformten Artikel härtet, um das Baumaterial mit niedriger Dichte auszubilden, wobei das Baumaterial eine Dichte von 1,2 g/cm³ oder weniger aufweist, wobei die Vulkanasche das Quellverhalten des Materials auf einem Niveau von etwa 0,17% oder weniger hält, und wobei die Zellulosefasern mehr als 4 Gewichtsprozent des Gesamtgewichts der Faserzementformulierung ausmachen.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei das Aggregat Siliziumdioxidaggregat ist.
Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, wobei das Baumaterial niedriger Dichte eine Dichte von zwischen 0,5 und 1,2 g/cm³ aufweist.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei das Baumaterial niedriger Dichte eine Dichte von zwischen 0,9 und 1,1 g/cm³ aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 20, wobei der Artikel durch Autoklavieren gehärtet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 21, wobei die Verarbeitung der Aufschlämmung in einen roh geformten Artikel die Anwendung des Hatschek-Bahnverfahrens umfasst.