Feuerfeste Gießmassen mit niedrigem Zementgehalt werden mit herkömmlichen aluminatzementbasierten Feuerfestmassen verglichen. Der Zementanteil herkömmlicher aluminatzementbasierter Feuerfestmassen liegt üblicherweise bei 12–20 %, der Wasseranteil bei 9–13 %. Aufgrund des hohen Wasseranteils weist die Gießmasse viele Poren auf, ist nicht dicht und besitzt eine geringe Festigkeit. Durch den hohen Zementanteil lassen sich zwar höhere Festigkeiten bei normalen und niedrigen Temperaturen erzielen, die Festigkeit nimmt jedoch aufgrund der Kristallisation von Calciumaluminat bei mittleren Temperaturen ab. Das eingebrachte CaO reagiert mit SiO₂ und Al₂O₃ in der Gießmasse und bildet niedrigschmelzende Substanzen, was die Hochtemperatureigenschaften des Materials verschlechtert.
Durch den Einsatz von Ultrafeinpulvertechnologie, hocheffizienten Zusatzmitteln und wissenschaftlicher Partikelklassierung lässt sich der Zementgehalt der Gießmasse auf unter 8 % und der Wassergehalt auf ≤ 7 % reduzieren. So kann eine zementarme Feuerbetonmasse mit einem CaO-Gehalt von ≤ 2,5 % hergestellt werden, deren Leistungskennwerte im Allgemeinen die von Aluminatzement-Feuerbetonmassen übertreffen. Diese Feuerbetonmasse zeichnet sich durch gute Thixotropie aus, d. h. das Mischgut behält eine bestimmte Form und beginnt bereits bei geringer äußerer Krafteinwirkung zu fließen. Nach Wegfall der äußeren Krafteinwirkung behält es diese Form bei. Daher wird sie auch als thixotrope Feuerbetonmasse bezeichnet. Selbstfließende Feuerbetonmassen gehören ebenfalls zu dieser Kategorie. Die genaue Definition von zementarmen Feuerbetonmassen ist bisher nicht abschließend geklärt. Die American Society for Testing and Materials (ASTM) definiert und klassifiziert feuerfeste Gießmassen anhand ihres CaO-Gehalts.
Dichte und hohe Festigkeit sind die herausragenden Merkmale von Feuerbetonen der niedrigzementierten Serie. Dies verbessert zwar die Lebensdauer und die Leistungsfähigkeit des Produkts, birgt aber auch Risiken beim Brennen vor der Verwendung. Unachtsamkeit beim Brennen kann leicht zu Materialabplatzungen führen. Im besten Fall ist ein erneutes Gießen erforderlich, im schlimmsten Fall kann es die Sicherheit der umliegenden Arbeiter gefährden. Daher wurden in verschiedenen Ländern Studien zum Brennen von Feuerbetonen der niedrigzementierten Serie durchgeführt. Die wichtigsten technischen Maßnahmen umfassen die Entwicklung geeigneter Ofenkurven und den Einsatz von Explosionsschutzmitteln, um ein reibungsloses Entwässern des Feuerbetons ohne Nebenwirkungen zu gewährleisten.
Die Ultrafeinpulvertechnologie ist die Schlüsseltechnologie für feuerfeste Gießmassen der niedrigzementigen Serie. Derzeit liegen die meisten in Keramik und Feuerfestmaterialien verwendeten Ultrafeinpulver zwischen 0,1 und 10 µm und dienen hauptsächlich als Dispersionsbeschleuniger und Strukturverdichter. Erstere sorgen für eine hochdisperse Verteilung der Zementpartikel ohne Ausflockung, während letztere die Mikroporen im Gießkörper vollständig füllen und die Festigkeit verbessern.
Gängige ultrafeine Pulver sind beispielsweise SiO₂, α-Al₂O₃ und Cr₂O₃. Die spezifische Oberfläche von SiO₂-Mikropulver beträgt ca. 20 m²/g, und seine Partikelgröße ist etwa 1/100 der Zementpartikelgröße, wodurch es gute Fülleigenschaften aufweist. Darüber hinaus können SiO₂-, Al₂O₃- und Cr₂O₃-Mikropulver in Wasser kolloidale Partikel bilden. In Gegenwart eines Dispergiermittels bildet sich auf der Partikeloberfläche eine überlappende elektrische Doppelschicht, die elektrostatische Abstoßung erzeugt. Diese überwindet die Van-der-Waals-Kräfte zwischen den Partikeln und reduziert die Grenzflächenenergie. Dadurch werden Adsorption und Ausflockung zwischen den Partikeln verhindert. Gleichzeitig adsorbiert das Dispergiermittel um die Partikel und bildet eine Lösungsmittelschicht, die die Fließfähigkeit des Gießmaterials erhöht. Dies ist auch einer der Wirkmechanismen von ultrafeinem Pulver: Durch die Zugabe von ultrafeinem Pulver und geeigneten Dispergiermitteln kann der Wasserverbrauch von feuerfesten Gießmassen reduziert und die Fließfähigkeit verbessert werden.
Das Abbinden und Aushärten von niedrigzementhaltigen Feuerbetonen beruht auf dem Zusammenwirken von Hydratations- und Kohäsionsbindung. Bei Calciumaluminatzement erfolgt die Hydratation und Aushärtung hauptsächlich durch die Hydratation der hydraulischen Phasen CA und CA₂ sowie das Kristallwachstum ihrer Hydrate. Diese reagieren mit Wasser und bilden hexagonale, plättchen- oder nadelförmige CAH₁₀- und C₂AH₈-Kristalle. Hydratationsprodukte wie kubische C₃AH₆-Kristalle und Al₂O₃aq-Gele bilden während der Aushärtungs- und Erwärmungsprozesse ein vernetztes Kondensationskristallisationsnetzwerk. Die Agglomeration und Bindung entsteht durch die Bildung kolloidaler Partikel aus aktivem, ultrafeinem SiO₂-Pulver, sobald dieses mit Wasser und den langsam dissoziierenden Ionen des zugesetzten Additivs (z. B. Elektrolyt) in Kontakt kommt. Da die Oberflächenladungen beider Komponenten entgegengesetzt sind, adsorbiert die Kolloidoberfläche Gegenionen. Dadurch sinkt das Potential, und es kommt zur Kondensation, sobald die Adsorption den isoelektrischen Punkt erreicht. Anders ausgedrückt: Wenn die elektrostatische Abstoßung an der Oberfläche der Kolloidpartikel geringer ist als ihre Anziehung, kommt es mithilfe von Van-der-Waals-Kräften zu kohäsiven Bindungen. Nach dem Kondensieren des mit Siliciumdioxidpulver vermischten feuerfesten Gießmaterials trocknen und dehydratisieren die auf der SiO₂-Oberfläche gebildeten Si-OH-Gruppen und bilden Brücken zu einer Siloxan-Netzwerkstruktur (Si-O-Si), wodurch das Material aushärtet. In dieser Siloxan-Netzwerkstruktur nehmen die Bindungen zwischen Silicium und Sauerstoff mit steigender Temperatur nicht ab, sodass die Festigkeit kontinuierlich zunimmt. Gleichzeitig reagiert die SiO₂-Netzwerkstruktur bei hohen Temperaturen mit dem darin eingeschlossenen Al₂O₃ zu Mullit, was die Festigkeit bei mittleren und hohen Temperaturen weiter verbessert.
Veröffentlichungsdatum: 28. Februar 2024
