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DE29724777U1 - Highly porous moulding especially light construction block - consists of geopolymer=bonded expanded glass granule(s) in hardened mixture with binder, comprising alkali metal solution and oxide(s) mixture - Google Patents

Highly porous moulding especially light construction block - consists of geopolymer=bonded expanded glass granule(s) in hardened mixture with binder, comprising alkali metal solution and oxide(s) mixture Download PDF

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Abstract

A moulded body, preferably a light construction block, consists of geopolymer-bonded expanded glass granules. Also claimed is production of the moulded body, by hardening from a mixture of 35-70 wt.% expanded glass granules and 30-65 wt.% binder-mix; comprising 30-70 wt.% alkali metal water-glass solution, of 30-65 wt.% alkalinity, and 30-70 wt.% of a reactive oxide mixture with amorphous silicon dioxide and aluminium oxide. Preferably, the oxide mixture contains metakaolin, natural aluminosilicate, activated clay, flyash, blast furnace dust, glass powder and/or finely ground basalt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Formkörper, vorzugsweise zur Verwendung als Leichtbaustein Bei diesem Erzeugnis sollen die Vorteile der sogenannten Geopolymere genutzt werden.The invention relates to a shaped body, preferably for use as a lightweight building block Advantages of the so-called geopolymers can be used.

Bei den Geopolymeren handelt es sich vor der Härtung um ein Gemisch besonders reaktionsfähiger wasserunlöslicher Oxide auf der Basis von Siliziumdioxid in Verbindung mit Aluminiumoxid, die in wäßrig alkalischem Medium bei Temperaturen ab etwa 85 °C in wirtschaftlich vertretbarer Zeit härtbar sind. Ein solches Oxidgemisch kann wie folgt zusammengesetzt sein. 15 – 30 Masse% kalialkalische Kaliumsilicatlösung (30 – 65 %ig kalialkalisch) 15 – 35 Masse% Metakaolin bzw. ein Oxidgemisch mit Gehalten von amorphem SiO und Aluminiumoxid 45 – 65 Masse% Füllstoffe (Korund, Zirkonsand, Basaltmehl u.a.) The geopolymers before curing are a mixture of particularly reactive water-insoluble oxides based on silicon dioxide in combination with aluminum oxide, which can be cured in an aqueous alkaline medium at temperatures from about 85 ° C. in an economically reasonable time. Such an oxide mixture can be composed as follows. 15 - 30 mass% Potassium Potassium Potassium Silicate Solution (30 - 65% Potassium Potassium) 15 - 35 mass% Metakaolin or an oxide mixture with contents of amorphous SiO and aluminum oxide 45 - 65 mass% Fillers (corundum, zircon sand, basalt flour etc.)

Geopolymere sind Polysialate, die amorphe bis halbkristalline, räumliche Netzwerke ausbilden können. Die Polysialate haben die folgende allgemeine Formel Mn[-(Si – O2)z – Al– O2 –]n, w H2O

  • M ist ein einwertiges Kation wie Kalium oder Natrium
  • n ist der Kondensationsgrad.
Geopolymers are polysialates that can form amorphous to semi-crystalline spatial networks. The polysialates have the following general formula M n [- (Si - O 2 ) z - Al - O 2 -] n , w H 2 O
  • M is a monovalent cation like potassium or sodium
  • n is the degree of condensation.

In Abhängigkeit von z unterscheidet man beispielsweise, wenn M Kalium ist, drei Typen von Polysialaten:

Figure 00010001
Figure 00020001
Figure 00020002
Depending on z, for example, if M is potassium, there are three types of polysialates:
Figure 00010001
Figure 00020001
Figure 00020002

Das Geopolymernetzwerk ist aus SiO4 und AlO4 Tetraedern aufgebaut, die über den Sauerstoff miteinander verknüpft sind. Die Anwesenheit von Kationen (Na+, K+, Li+ u.a.) im Netzwerk ist zur Kompensation der negativen Ladung am Aluminium, die sich aus dessen 4-fach Koordination ergibt, notwendig.The geopolymer network is made up of SiO 4 and AlO 4 tetrahedra, which are linked together via oxygen. The presence of cations (Na + , K + , Li + etc.) in the network is necessary to compensate for the negative charge on the aluminum, which results from its 4-fold coordination.

Grundsätzliche Patente zur Herstellung und Anwendung von Geopolymeren wurden von J. Davidovics eingereicht (beispielsweise EP 0 026 687 B1 , EP 0 153 097 B1 , WO 82/00816, WO 83/03093, WO 85/03699).Fundamental patents on the manufacture and use of geopolymers have been filed by J. Davidovics (e.g. EP 0 026 687 B1 . EP 0 153 097 B1 , WO 82/00816, WO 83/03093, WO 85/03699).

Spezielle bekannte Anwendungen geschäumter Geopolymere im Bauwesen, wobei deren relativ geringes Gewicht. ihr Wärmeisolationsvermögen und der geringe Energieaufwand für den Aushärtevorgang, da diese Werkstoffe ggf. sogar an Ort und Stelle in einer Form bei Temperaturen unter 100 °C aushärten, sind beispielsweise Wandelemente für den Hochbau mit einer flächenhaften Stützstruktur ( DE 41 08 644 A1 ). Diese Bauelemente zeichnen sich durch niedrige Herstellungskosten aus und setzen im Brandfalle keine toxischen Gase frei. Zur Verminderung des Umfangs der bei der Montage eines Schornsteins anfallenden manuellen Tätigkeiten wurde ein zwei- oder auch mehrschaliges Schornsteinelement aus einem Geopolymer-Schaumwerkstoff gefertigt ( DE 41 18 006 A1 ). Das Verkleben dieser Schornsteinelemente erfolgt stoffhomogen mit einem ungeschäumten Geopolymerwerkstoff, Ein aus Geopolymerschaum hergestelltes Bauelement, das zum technischen Ausbau von Gebäuden, z.B. für Installationsschächte, genutzt werden kann, ist in DE 41 26 140 A1 beschrieben. Allen diesen Werkstoffen ist gemeinsam, daß die Porosität und damit das Wärmeisoliervermögen nicht über ein bestimmtes Maß hinaus gesteigert werden können. Nachteilig ist auch, daß zum Teil gefährliche und teure Chemikalien, wie beispielsweise Wasserstoffperoxid zum Aufschäumen eingesetzt werden ( DE 3 7 44 210 A1 ).Special known applications of foamed geopolymers in construction, their relatively ge light weight. Their thermal insulation ability and the low energy consumption for the curing process, since these materials may even harden in place in a mold at temperatures below 100 ° C, are, for example, wall elements for building construction with a flat support structure ( DE 41 08 644 A1 ). These components are characterized by low manufacturing costs and do not release any toxic gases in the event of a fire. To reduce the amount of manual work involved in installing a chimney, a double or multi-layer chimney element was made from a geopolymer foam material ( DE 41 18 006 A1 ). These chimney elements are glued homogeneously with an unfoamed geopolymer material. A component made from geopolymer foam that can be used for the technical expansion of buildings, eg for installation shafts, is shown in DE 41 26 140 A1 described. All these materials have in common that the porosity and thus the heat insulation capacity cannot be increased beyond a certain level. Another disadvantage is that sometimes dangerous and expensive chemicals, such as hydrogen peroxide, are used for foaming ( DE 3 7 44 210 A1 ).

Zur Herstellung von Bausteinen hoher Porosität ist es auch bekannt, Blähglasgranulat mit anorganischen Bindemitteln, wie beispielsweise Kalkmörtel ( DE 41 04 919 A1 ) oder hochwertigem Tonerdezement ( DE 44 46 011 A1 ) zu formen und auszuhärten. Bei guten Werten der prozentualen geschlossenen Porosität ist im ersten Falle eine unbefriedigende Festigkeit zu erwarten, während im zweiten Falle der verwendete Zement relativ teuer ist und die Dichte des fertigen Erzeugnisses gegenüber derjenigen des Blähglasgranulats recht hoch ist.For the production of building blocks with high porosity, it is also known to use expanded glass granulate with inorganic binders, such as lime mortar ( DE 41 04 919 A1 ) or high quality alumina cement ( DE 44 46 011 A1 ) to shape and harden. If the percentage of closed porosity is good, unsatisfactory strength can be expected in the first case, while in the second case the cement used is relatively expensive and the density of the finished product is quite high compared to that of the expanded glass granulate.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, aus preiswerten Rohstoffen einen Formkörper, vorzugsweise einen Leichtbaustein, mit hoher Porosität, d.h. niedriger Dichte bei ausreichender Festigkeit herzustellen.The invention is based on the object a molded body, preferably a lightweight building block, from inexpensive raw materials, with high porosity, i.e. low density with sufficient strength.

Diese Aufgabe wird durch die im Schutzanspruch beschriebene Erfindung gelöst.This task is covered by the protection claim described invention solved.

Der erfindungsgemäße Formkörper, bei welchem die Blähglasgranalien mit dem Bindemittel lediglich benetzt sind, hat bei ausreichender Festigkeit, die später im Zusammenhang mit dem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden wird, eine besonders hohe Porosität die sich in geringen bis mäßigen Dichtewerten ausdrückt, weil zu den Poren (Hohlräumen) der Granalien selbst noch die Hohlräume zwischen diesen kommen, die wie oben angedeutet, nur zu einem geringen Volumenbruchteil mit dem Geopolymer-Bindemittel ausgefüllt sind. Dies wird durch die nachfolgende Gegenüberstellung der Dichte verschiedener Baustein- Materialien verdeutlicht:The molded article according to the invention, in which the expanded glass granules are only wetted with the binder, if sufficient Firmness that later in connection with the embodiment are explained in more detail is, a particularly high porosity that can be in low to moderate density values expresses because to the pores (cavities) the granules themselves still have the cavities between them that come as indicated above, only with a small volume fraction the geopolymer binder are filled. This is through the subsequent comparison the density of different building block materials illustrates:

Formteile aus erfindungsgemäßen Blähglasgranulaten mit geopolymerer Bindungmoldings from expanded glass granules according to the invention with geopolymer bond 500 – 750 kg /m3 500 - 750 kg / m 3 LeichthochlochziegelEasily perforated brick 600 – 1000 kg /m3 600 - 1000 kg / m 3 Bims- bzw. Blähtonbetonpumice or expanded concrete 400 – 800 kg /m3 400 - 800 kg / m 3 Kalksandsteincalcareous sandstone 1000 – 1200 kg /m3 1000 - 1200 kg / m 3 Gas - Poren - Betongas - pores - concrete 400 – 800 kg /m3 400 - 800 kg / m 3 HochlochziegelPerforated brick 1200 – 1600 kg /m3 1200 - 1600 kg / m 3

Die Verwendung von hochporösen Blähglasgranulaten führt zu Formkörpern, die sich durch ihre guten Isolationseigenschaften auszeichnen. Ein weiteres Merkmal ist der bei der Aushärtung der Formkörper auftretende geringe Schwund und die damit verbundene hohe Maßhaltigkeit der gefertigten Formteile.The use of highly porous expanded glass granules leads to Moldings, which are characterized by their good insulation properties. On Another characteristic is that which occurs during the curing of the molded bodies low shrinkage and the associated high dimensional accuracy of the manufactured Moldings.

Ein wesentlicher Vorteil des geopolymeren Binders besteht darin, daß er bei Raumtemperatur hergestellt und verarbeitet werden kann, was einer. Einsatz direkt am Ort des Baugeschehens ermöglicht.A major advantage of the geopolymer Binders is that he can be made and processed at room temperature what a. Use directly at the building site.

Zu den besonders hervorzuhebenden vorteilhaften Auswirkungen der Erfindung gehört schließlich die Möglichkeit der Abproduktnutzung und zwar zum einen von Abfallglas zur Herstellung des Blähglasgranulats und zum anderen durch den Einsatz von Flugaschen, Hochofenstäuben sowie Glaspulver wiederum aus Abfallglas im erfindungswesentlichen Oxidgemisch.Among the particularly noteworthy Finally, advantageous effects of the invention include the possibility of using waste products on the one hand from waste glass for the production of expanded glass granulate and on the other hand through the use of fly ash, blast furnace dust and Glass powder in turn from waste glass in the oxide mixture essential to the invention.

Die Erfindung wird nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert, wobei auch die vorteilhaften Auswirkungen der Erfindung hinsichtlich Festigkeit und chemischer Beständigkeit dargestellt werden:The invention is set out below an embodiment explained in more detail, whereby also the advantageous effects of the invention in terms of strength and chemical resistance being represented:

Der Unterschied zu anderen aus Geopolymeren hergestellten Formteilen besteht im Einsatz von Blähglasgranulaten als Füllstoff. Diese hochporösen Granulate verfügen über folgendes Eigenschaftsbild.The difference to others from geopolymers The molded parts produced consist of the use of expanded glass granules as a filler. These highly porous Granules have the following Of properties.

• Korngrößenklassen:• grain size classes: 0,5 – 10 mm 0.5-10 mm • Korndichte:• Grain density: 0,25 – 0,50 g/cm3 0.25-0.50 g / cm 3 • Schüttdichte:• bulk density: 0,15 – 0,30 g/cm3 0.15 - 0.30 g / cm 3 • Wärmeleitzahl:• Thermal conductivity: 0,045 – 0,060 W/mK0.045 - 0.060 W / mK • Porosität:• porosity: 75 – 90 % geschl. Poros.75 - 90% closed Porous. • Einzelkornbruchlast:• Grain breaking load: 3 – 5 MPa3 - 5 MPa

Die Granulate werden mit dem geopolymeren Bindergemisch vermischt und in eine Form eingebracht. Die Zusammensetzung des Bindergemischs kann dabei, wie bereits oben beschrieben, sehr variabel gestaltet werden. Insbesondere bieten die Oxidgemische breite Auswahlmöglichkeiten. Hier können alle Oxidgemische mit Gehalten von amorphen SiO2 und Aluminiumoxid in Betracht gezogen werden, wie zum Beispiel die große Zahl der natürlich vorkommenden Alumosilicate, hochaufgemahlenes Glas, Metakaolin, Flugaschen, Hochofenstäube, hochaufgemahlenes Basalt und andere.The granules are mixed with the geopolymer binder mixture and placed in a mold. As already described above, the composition of the binder mixture can be made very variable become. In particular, the oxide mixtures offer a wide range of options. All oxide mixtures with contents of amorphous SiO 2 and aluminum oxide can be considered here, such as for example the large number of naturally occurring aluminosilicates, highly ground glass, metakaolin, fly ash, blast furnace dust, highly ground basalt and others.

Neben dem Einsatz des thermisch aktivierten Kaolins in Form des bereits genannten Metakaolins, bieten die thermisch und durch bestimmte Sinteratmosphären aktivierten Tone wesentliche Vorteile. Dabei ist es verarbeitungstechnisch interessant, daß ein solcher Ton zur Einstellung der gewünschten Plastizität beim Strangziehen verwendet werden kann, gleichzeitig aber auch Bestandteil des reaktiven Oxidgemisches ist.In addition to using the thermally activated Kaolin in the form of the already mentioned metakaolin, offer the thermal and clays activated by certain sintering atmospheres Benefits. It is interesting from a processing point of view that such Sound to set the desired plasticity can be used while pulling, but also at the same time Is part of the reactive oxide mixture.

Gezielt aktivierte Tone können auch zur Bildung von schwerlöslichen Hydrosilikaten zum Immobilisieren von Schwermetallen eingesetzt werden, Daraus ergeben sich vielfältige Applikationsmöglichkeiten.Tones that are activated specifically can also for the formation of sparingly soluble Hydrosilicates are used to immobilize heavy metals This results in a wide range of application options.

Von wirtschaftlichem Interesse ist auch die Verfügbarkeit von Ton.Is of economic interest also the availability of clay.

Zur Fertigung eines Formteils wurde ein solches Bindergemisch hergestellt. Zu diesem Zweck wurden 50 Masse% Metakaolin 30 Masse% Wasserglas (40 %-ige Lsg. von Na2O·3 SiO2; ρ = 1,39 g/cm3 5 Masse% 10 %-ige NaOH vermischt. Günstig auf die Festigkeit der hergestellten Formteile wirkt sich eine Vorpolymerisation, die z.B. durch eine einstündige Lagerung des oben genannten Binders bei 40-50 °C erreicht werden kann, aus. Zur Einstellung der gewünschten Viskosität wurden zu dem Gemisch noch 15 Masse% Wasser zugegeben.Such a binder mixture was produced to produce a molded part. For this purpose 50 mass% metakaolin 30 mass% Water glass (40% solution of Na 2 O.3 SiO 2 ; ρ = 1.39 g / cm 3 5 mass% 10% NaOH mixed. Pre-polymerization, which can be achieved, for example, by storing the above-mentioned binder at 40-50 ° C. for one hour, has a favorable effect on the strength of the molded parts produced. To set the desired viscosity, 15% by weight of water were added to the mixture.

65 Masseteile dieses Bindergemisches werden mit 35 Masseteilen eines Blähglasgranulates gemischt und in eine Form (7,7 × 11,8 × 23,8 cm3) gegeben. Die Verdichtung der Masse erfolgt durch Stampfen und Rütteln. Ist das Strangziehen als Formgebungsverfahren vorgesehen, ist es möglich zur Einstellung der gewünschten Viskosität aktivierten Ton, der gleichzeitig Bestandteil des reaktiven Oxidgemisches ist, einzusetzen.65 parts by weight of this binder mixture are mixed with 35 parts by weight of expanded glass granules and placed in a mold (7.7 × 11.8 × 23.8 cm 3 ). The mass is compacted by tamping and shaking. If the continuous drawing is intended as a shaping process, it is possible to use activated clay, which is at the same time part of the reactive oxide mixture, to set the desired viscosity.

Nach der Trocknung und Härtung, die bei Bedarf durch eine Temperaturerhöhung auf 70 bis 120 °C wesentlich beschleunigt werden kann, erhält man Formkörper, die auch komplizierter als beispielsweise ein Normziegelstein gestaltet sein können und sich durch folgende Eigenschaften auszeichnen:After drying and curing, the essential if necessary by increasing the temperature to 70 to 120 ° C can be accelerated one molded body, which is also more complicated than, for example, a standard brick could be and are characterized by the following properties:

Ihre Dichte liegt im Bereich von 500 bis 750 kg/m3 und ist damit vergleichbar mit der von Bims-, Blähton- oder Gas- Poren-Beton und wesentlich geringer als die von den meisten üblichen Baumaterialien.Their density is in the range of 500 to 750 kg / m 3 and is therefore comparable to that of pumice, expanded clay or gas-pore concrete and much lower than that of most common building materials.

An aus einem Baustein herausgeschnittenen Probestücken mit den Abmessungen 30 × 45 × 80 mm3 wurde die Festigkeit sowie die Beständigkeit gegenüber verschiedenen chemischen Prüfbelastungen festgestellt:The strength and resistance to various chemical test loads were determined on test pieces with the dimensions 30 × 45 × 80 mm 3 cut out of a building block:

  • – Biegefestigkeit: 1,27 N/mm2 - Flexural strength: 1.27 N / mm 2
  • – Masseverlust nach 24 Stunden Wasserlagerung: 4,9 Masse% (Der Masseverlust beruht hauptsächlich auf der Auslaugung überflüssiger Bindemittel. Der Prüfkörper bleibt formbeständig.)- loss of mass after 24 hours of water storage: 4.9 mass% (The mass loss is due mainly on the leaching of superfluous binders. The test specimen remains its shape.)
  • – Masseverlust nach 4 Stunden kochen in Wasser: 4,0 Masse% (Der Masseverlust beruht hauptsächlich auf der Auslaugung überflüssiger Bindemittel. Der Prüfkörper bleibt formbeständig.)- loss of mass after 4 hours of boiling in water: 4.0% by mass (the loss in mass is due mainly on the leaching of superfluous binders. The test specimen remains its shape.)
  • – Masseverlust nach 24 Stunden Lagerung in 1 % iger Natronlauge: etwa 3 Masse % (Der Prüfkörper bleibt formbeständig.)- loss of mass after storage for 24 hours in 1% sodium hydroxide solution: about 3% by mass (The test specimen remains dimensionally stable.)
  • – Masseverlust nach 24 Stunden Lagerung in 70% iger Schwefelsäure: etwa 3 Masse % (Der Prüfkörper bleibt formbeständig.)- loss of mass after 24 hours storage in 70% sulfuric acid: about 3% by mass (the test specimen remains its shape.)

Claims (1)

Formkörper, vorzugsweise Leichtbaustein, der aus einem Blähglasgranulat mit Geopolymerbindung besteht, dadurch gekennzeichnet, daß er ein Blähglasgranulat mit folgenden Eigenschaften enthält: – Korngröße: 0,5 ... 10 mm – Korndichte: 0,25 – 0,50 g/cm3 – Schüttdichte: 0,15 – 0,30 g/cm3 – Wärmeleitzahl: 0,045 – 0,06 W/mK – Porosität: 75 – 90 % geschl. Poros. – Einzelkornbruchlast: 3 – 5 MPaShaped body, preferably lightweight building block, which consists of expanded glass granules with a geopolymer bond, characterized in that it contains expanded glass granules with the following properties: - grain size: 0.5 ... 10 mm - grain density: 0.25 - 0.50 g / cm 3 - Bulk density: 0.15 - 0.30 g / cm 3 - Thermal conductivity: 0.045 - 0.06 W / mK - Porosity: 75 - 90% closed Porous. - Single grain breaking load: 3 - 5 MPa
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