Aufklärung der Wechselwirkungen von Kieselsolbindern mit Gelbildnern und Rohstoffen auf das Fließ- und Abbindeverhalten und auf die resultierende Strukturbildung in Feuerbetonen

Ziel des FuE-Vorhabens war, das Fließ- und Abbindeverhalten und die damit verbundene Strukturbildung von kieselsolgebundenen Feuerbetonen in Abhängigkeit der gewählten Gelbildner und Rohstoffsysteme zu untersuchen. Mit diesem neuen Wissen können die Eigenschaften kieselsolgebundener Feuerbetone gezielt gesteuert werden. Dazu wurden die Einflüsse von unterschiedlichen Gelbildnern und Rohstoffen (in Form von Eluatlösungen) auf das Fließ- und Ansteifverhalten (mittels Zeta-Potential Messungen) untersucht . Außerdem wurden die gleichen Mischungen während des Abbindens mittels Raman-Spektrometrie, zur Analyse der sich bildenden Phasen, und begleitend durch die Messung der Schallgeschwindigkeit, zur Charakterisierung des Abbindeprozesses, untersucht. Die Ergebnisse der für kieselsolgebundenen Feuerbetone überwiegend neuartigen Messmethoden wurden erstmals in Zusammengang gebracht.

Als Ergebnis wurden der Einfluss von Gelbildnern und Rohstoffen auf das Fließ- und Abbindeverhalten, sowie die sich beim Abbinden bildenden Phasen genau dokumentiert und aus dieser Ergebnis-Kombination Gesetzmäßigkeiten der Bindung in Zusammenhang mit der Auswahl der Gelbildner und Rohstoffsysteme erzielt. Unternehmen der Feuerfestindustrie können damit kieselsolgebundene Feuerbetone mit guten, kontrollierten und gleichmäßigen Verarbeitungseigenschaften und gleichzeitig verringerter Gefahr von Wasserdampfexplisionen beim Trocknen anbieten.

ICP-OES-Analysen von Rohstoffen zeigten, dass unterschiedliche Kationen in verschiedenen Konzentrationen aus den verwendeten Rohstoffen durch Elution freigesetzt wurden. Mikrosilika wies dabei besonders hohe Ionen-Löslichkeiten auf, was auf dessen amorphe Struktur und den Verunreinigungsgrad der Rohstoffe zurückzuführen ist. Unterschiede innerhalb der betrachteten Andalusit-Qualitäten wurden festgestellt.

Die Versuche zum Ansteifen an Matrixsuspensionen und Feuerbetonen haben gezeigt, dass das erste Ansteifen der Mischungen (Matrix oder gesamter Feuerbeton) nur unwesentlich mehr streut als die Reproduzierbarkeitsversuche. Dahingehend ist festzustellen, dass die Vorgehensweise, unterschiedliche Abbindekinetik durch die Verwendung unterschiedlicher Rohstoffe durch Eluate nachzustellen, für das Ansteifen der Feuerbetone und Matrixsuspensionen ungeeignet erscheint, um die in der Praxis festgestellten Effekte nachzustellen. Hieraus muss geschlossen werden, dass die Ursachen für unregelmäßiges Ansteifen bzw. zu schnelles oder zu langsames Ansteifen durch Verwendung unterschiedlicher Rohstoffquellen, vermutlich nur in untergeordnetem Maß für die beschriebenen Effekte verantwortlich sind.

Hinsichtlich der Beobachtungen zum zeta-Potential muss festgestellt werden, dass eine reine Koagulation durch gelöste Ionen nicht stattzufinden scheint, da das zeta-Potential während dem gesamten Messablauf bis hin zum Ansteifen der Matrixsusupension relativ konstant bleibt. Eine Koagulation würde in einer deutlichen Reduzierung der Oberflächenladung durch die Adsorption von gelösten Ionen (primär Mg²⁺ als verwendeter Gelbildner, aber auch den gelösten Ionen aus dem enstprechenden Eluat) zu verzeichnen sein. Ob es sich beim Ansteifen der Matrixsuspensionen oder Feuerbetone um eine Vernetzung des Kieselsols durch Ausbildung von Si-O-Si Brücken zwischen den Kieselsolpartikeln handelt, kann auf Basis der zeta-Potential-Messsungen nur durch Ausschluss der Konkurrenztheorie (Koagulation) vermutet werden.

Bei den Untersuchungen mittels Raman-Spektroskopie konnten verschiedene charakteristische Signale (Schwingungsbanden) detektiert und zugeordnet werden. Aufgrund von sich überlagernden Signalen, Fluoreszenzeffekten, Oberflächenrauigkeit und Nachfokussierung des Lasers (durch Schwind-Effekte der Suspensionen während der Messzeit) wurde zur Interpretation der Ergebnisse primär eine (qualitative) Auswertung der Peak-Positionen (Auftreten und nicht-Auftreten) der charakteristischen Banden vorgenommen. Diese bieten eine zuverlässigere Grundlage für die Identifikation der Materialien. Eine (quantitative) Auswertung der Höhen und Flächen unter den Peaks wurde aus eben genannten Gründen zu hoher Ungenauigkeiten nicht durchgeführt. Teilweise zeigten die Untersuchungen von Kieselsol (Köstrosol 1540), dass durch Trocknung eine Intensivierung der Siloxan-Banden sowie eine Abnahme der OH-Bande auftrat (vermutlich Kondensation durch Verdunstung des Wassers (Trocknung)). Ebenfalls wurden bei Messungen an Matrixsuspensionen mit MgO unmittelbar nach dem Anmischen schwache Si–O–Si-Banden und auch O-H-Banden (Bildung von Mg(OH)₂ aus MgO durch Hydrolyse) detek-tiert. Nach einer Messzeit von 24 h waren nur geringe Veränderungen feststellbar, was auf einen sehr langsamen (oder auch gar keinen) Netzwerkaufbau hinweisen könnte. Allerdings ist zu beachten, dass eine Zunahme von Si-O-Si-Bindungen nur schwer detektierbar ist, da das Kieselsol an sich bereits eine sehr hohe Anzahl intrakristalliner Si-O-Si-Bindungen aufweist. Bei der Verwendung von Mg(OH)₂ wurden schwächere Signale, die Si-O-Si-Bindungen zugeordnet werden können, als bei MgO festgestellt. Eine Kondensation von Siloxan-Verbindungen, Ausbildung von Silika-Netzwerken oder eine Art Gelbildung wurde zum jetzigen Kenntnisstand zwar vermutet, allerdings ist der tatsächliche Gelierungs- und Verfestigungsmechanismus von kieselsolgebundenen Feuerbetonen (und deren Matrix-Suspensionen) damit nicht wissenschaftlich durch Raman-Spektroskopie belegt oder nachgewiesen.

Der Vergleich von Matrix-Suspensionen mit MgO und Mg(OH)₂ zeigte unterschiedliche Verläufe der Messkurven des pH-Wertes und der elektrischen Leitfähigkeit: MgO führte durch schnelle Freisetzung von OH⁻-Ionen zu einem raschen Anstieg des pH-Wertes (und danach zu einem moderaten, linearen Abfall). Mg(OH)₂ zeigte deutlich geringere Änderungen des pH-Wertes (da es bereits hydrolysiert vorliegt). Bei Messungen der elektrischen Leitfähigkeit konnte vor allem ein Einfluss der relativen Luftfeuchte im offenen Messsystem festgestellt werden. Es kam zu einer schnelleren Austrocknung bei geringerer Luftfeuchte. In der geschlossenen Messzelle ist die jeweilige Abnahme der elektrischen Leitfähigkeit bei unterschiedlichen Zeitpunkten schwierig zu interpretieren. Es ist zum aktuellen Stand unklar, ob sich eventuell Netzwerke ausbilden, die Ionen immobilisieren oder ob es sich schlichtweg um Austrocknungseffekte handelt, da die Zellen nicht vollständig hermetisch abgeriegelt sind. Eine Verdunstung von Wasser kann und darf nicht ausgeschlossen werden. Ob der Einsatz von Eluaten eine Verfestigung hemmt, beschleu-nigt oder keinen Einfluss darauf hat, konnte aufgrund indifferenter Ergebnisse nicht eindeutig herausgearbeitet werden.

Auf Basis der durchgeführten Versuche konnten die Ausgangsfragen, den Abbindemechanismus von Kieselsol in entsprechenden kieselsolgebundenen Feuerbetonen hinsichtlich Koagulation der Sole und Vernetzung der Sole sowie den Einfluss von Rohstoffqualität und Verunreinigungen in den Rohstoffen auf die Abbindekinetik besser zu verstehen, nicht final beantwortet werden.

Der Schlussbericht kann bei der Forschungsgemeinschaft Feuerfest e. V. angefordert werden.