DE202021002494U1

DE202021002494U1 - Träger aus verwittertem Steinmehl und zugstabilem Material

Info

Publication number: DE202021002494U1
Application number: DE202021002494.8U
Authority: DE
Original assignee: Freiherr Von und Zu Weiler Joerg
Current assignee: Freiherr Von und Zu Weiler Joerg
Priority date: 2021-07-24
Filing date: 2021-07-24
Publication date: 2022-07-14
Anticipated expiration: 2031-07-25
Also published as: WO2023006235A1

Abstract

Anordnung eines Baukörpers mit zwei oder mehreren Platten oder Freiform-Strukturen aus Beton, gekennzeichnet dadurch, dass der Füllstoff des Beton aus chemisch verwittertem Gestein besteht.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Entwicklung eines im Baubereich üblicherweise eingesetzten Betonmaterials, welches nunmehr auf umweltfreundliche Weise hergestellt und eingesetzt werden soll, um dem Zweck zu dienen nicht nur als Baumaterial Verwendung zu finden, sondern auch als CO₂-Schlucker zu dienen, um atmosphärisches Kohlendioxid zu binden und möglichst langfristig zu speichern.
Jüngst sind in der wissenschaftlichen Literatur Abhandlungen erschienen, die über die Verwitterung von Gesteinen berichten, bei denen Kalkstein und aber auch silikat-basiertes Gestein aus Quartz und Feldspat über chemische Verwitterungsprozesse, z.B. der Carbonatisierung, umgewandelt werden und durch die chemische Umsetzung mit CO2 und H₂O, also Wasser, in verwitterte Endstoffe umgewandelt werden, die chemisch stabil sind und wie Sand zum Beispiel nicht weiter mit der Umwelt reagieren. Bevor diese Stoffe jedoch in diesen Staus kommen, haben sie je nach Ursprungsgestein signifikante Mengen an atmosphärischem CO₂ aufgenommen und in die neue Materialstruktur eingebaut. In der Folge sprechen wir von „verwittertem Gestein“.
Aus diesem Grund sind diese Stoffe auch als nicht reaktive Füllstoffe für viele Anwendungen verwendbar. In dieser Anmeldung wird Sand für die Betonherstellung durch verwittertes Gestein, zumindest teilweise, ersetzt.
Am besten für die Verwitterung eigenen sich Gesteine der Gruppe Olivin, Dunit, Basalt, Gabbro, Granit und Quarzit für diese Verwitterung, jedoch sind auch Kalksteine und teilweise auch Sandsteine, wie z.B. Quarzsandstein, geeignet, was die Menge der Aufnahme von CO₂ betrifft.
Das verwitterte Steinmaterial ist umso effizienter bei der Verwitterung bzgl. der Geschwindigkeit der Verwitterungsprozesse, je grösser die Oberfläche der Steinpartikel für die Reaktion mit CO₂ und H₂O ist.
Am besten eignet sich Steinstaub, der aus Quellen stammt, bei denen der Steinstaub mit abrasiven Mittel wie Diamant erzeugt wurde, denn in der Regel haben diese Staubpartikel nur wenige Mikrometer im Durchmesser oder vielfach auch deutlich darunter. Das CO₂-Absorptionspotenzial steigt theoretisch mit der dritten Potenz bei Abnahme des Durchmessers der Partikel. Dieser Umstand ist für die kommerziellen Aspekte signifikant bei der Umsetzung dieser neuen Technologie der CO₂-Absorption, da solche Steinstäube nur dort vorkommen, wo bereits kommerzielle Steinverarbeitung stattfindet bzw. in den vergangenen 40 Jahren bereits stattgefunden hat. Riesige Mengen an feinstem Steinstaub lagern ungenutzt als Abfall zum Beispiel in norditalienischen Regionen, und auch in China, Indien und Brasilien.
Das betrifft die typischen Steinabfälle aus der Steinverarbeitung, dem Schnitt von Steinplatten und der abrasiven Behandlung der Oberflächen von Granit und Basaltgestein, oder Gabbro, sowie Marmor und Quarzit.
Wenn diese Abfallprodukte verwittert werden, dienen sie dem Zweck der Aufnahme von CO₂ und können anschließend als Fertilizer für Böden und so wie hier vorgeschlagen als Füllstoff für die Betonherstellung dienen. Das Neue dieser Anmeldung ist die Nutzung als Füllstoff für Beton als Sandersatz, der vielfach auf der Welt zu Neige geht.
Wenn solche Betonstrukturen nunmehr auch noch mit zugfesten Materialien wie Carbonfasern stabilisiert werden, die auch aus atmosphärischem CO₂ hergestellt werden und auf diese Weise noch mehr CO₂ gebunden wird, dann kann der Beton seine eigenen prozessbedingten CO₂-Emissionen damit kompensieren und CO₂-neutral werden. Außerdem kann Stahl gespart bzw, ersetzt werden, der energieintensiv ist und derzeit auch noch prozessbedingte CO₂-Emissionen verursacht und in keinem Fall das Potenzial wie die Carbonfaser besitzt, Kohlenstoff aus CO₂-Quellen dauerhaft zu fixieren. Der Vorteil der Carbonfaser gegenüber Stahl ist zusätzlich, dass Carbonfasern nicht korrodieren, also unempfindlich sind für neue, nachhaltige Zement- und Betonsorten, die Stahl leichter korrodieren lassen als Beton aus dem heute üblichen Portlandzement.
Wenn es dann zusätzlich noch gelingt Zement oder zementähnliche Binder zu verwenden, weil die Carbonfaser anders als Stahl gegen Carbonatisierungsprozesse und andere für den Stahl schädlichen Prozesse, die solchen neuen Zementsorten zu eigen sind, die aber eben deshalb so gut wie keine prozessbedingten Emissionen haben, dann wird der so entstehende Beton CO₂-negativ in seiner LCA-Bilanz, ohne technische Nachteile in Kauf nehmen zu müssen.
In der EP 106 20 92 und der EP 273 94 71 wird beschrieben, dass Stahl und Aluminium durch eine Kombination aus Stein und Carbonfaserlaminat (CFK - Carbonfaser Komposit) ersetzt werden können, wenn dem Stein die fehlende Zugstabilität durch die extrem zugsteife Carbonfaser gegeben wird. Die Verbindung zwischen Stein und Faser wird mit Hilfe von Harzen hergestellt, zum Beispiel Epoxidharzen oder hochtemperaturstabilen Bindern auf Wasserglas- und Silikonbasis, die in der Lage sind sich mit dem Carbonmaterial zu vernetzen oder zu verbinden. Durch diese Verbindungen entsteht unter bestimmten Umständen auch eine Vorspannung, die bei der bzw. durch die Verbindung dauerhaft eingebaut werden kann.
Der Stein als Zwischenschicht zwischen Carbonfaser und Beton ermöglicht die Verbindung von Carbon und Beton, trotz diametral unterschiedlicher Temperaturausdehnungskoeffizienten der beiden Stoffe. Die Verbindung aus Carbon und Stein nennen wir hier nunmehr CFS (CarbonFaserStein) und eine CFS-Lamelle ist ein Bauteil, welches aus zwei Steinschichten mit einer zwischen den Steinschichten befindlichen Carbonfaserschicht besteht. Die Verbindung wird durch die oben genannten Klebstoffe oder Binder hergestellt.
Auf diese Weise wird der Naturstein in Form von Granit, Dunit oder Basalt/Gabbro zum Game Changer bei der CO₂-Bilanz, die in Summe negativ wird, nunmehr auch für Beton, was zuvor undenkbar war und unmöglich erschien.
Eine der vielen möglichen Ausführungen der Erfindung beschreibt in den Aufbau einer Betonplatte (1) und deren Querschnitte (F-F) und (G-G). Ein Gitter aus Stabilisierungslamellen (2) ist als Bewehrung in die Betonplatte (1) eingegossen, wobei dieser Beton aus Portlandzement-basierten Bindemitteln und Füllstoffen aus verwittertem Gestein besteht. Dieses verwitterte Gestein ersetzt den üblicherweise verwendeten Sand als Füllstoff. Ansonsten ist das Mischungsverhältnis aus Zement, Kies, Wasser und Füllstoff das gleiche, wie bei der üblichen Herstellung von Beton. Die Stabilisierungs-Lamellen (2) können aus Stahl oder Carbonfaserlaminaten bestehen.
In wird gezeigt, wie dieses Lamellengitter im Querschnitt aufgebaut ist, wenn Carbonfasern Verwendung finden, in diesem Fall mit zwei Steinschichten (3) und einer innenliegenden Carbonfaserlaminat-Schicht (4), wobei das Laminat entweder Epoxidharz-basiert oder mit Hilfe eines Wasserglas-Binders ausgeführt ist.
zeigt eine armierte Betonplatte, die in diesem Fall beispielhaft aus einer CO₂-armen, neuen Betonsorte und verwittertem Gesteinsmehl oder einer etwas gröberen verwitterten Gesteinskörnung als Füllstoff besteht. Der Querschnitt E - E zeigt die Gitteranordnung von CFS - Lamellen aus , von denen jeweils 2 knapp unterhalb der Oberflächen der beiden Außenseiten der Betonplatte angeordnet sind, um die Platte in beide Biegerichtungen knickstabil zu halten. Diese Platte kann deshalb als Hauswand oder Bodenplatte in einem Beton-Gebäude Anwendung finden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1062092 [0011]
EP 2739471 [0011]

Claims

Anordnung eines Baukörpers mit zwei oder mehreren Platten oder Freiform-Strukturen aus Beton, gekennzeichnet dadurch, dass der Füllstoff des Beton aus chemisch verwittertem Gestein besteht.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das verwitterte Gestein aus Gesteins-Quellen wie Olivin, Dunit, Basalt, Gabbro, Granit, Quarzit, Kalkstein, Sandstein, altem Beton oder sonstigem Gestein, oder aus deren Mischungen besteht, welches durch chemische Verwitterungsprozesse mit Hilfe von Wasser CO₂ aufgenommen hat.
Anordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass das verwitterte Gestein aus Quellen stammt, die im Ursprung eine Staubform mit kleiner Korngröße haben oder ein Steinmehl ist, welches als Abfall beim Schneiden von Naturstein entsteht.
Anordnung nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Bindemittel des Beton CO₂-arm oder CO₂-neutral hergestellt sind und mit dem verwitterten Steinstaub als Füllmittel eine hohe Festigkeit besitzen.
Anordnung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Armierung des Beton aus verwittertem Steinstaub aus CFS-Lamellen, aus Basaltprofilen oder einem anderen zugstabilen Material oder Profilmaterial besteht.
Anordnung nach Anspruch 1 bis 5, wobei die in den CFS-Lamellen verwendete Carbonfaser aus CO₂ hergestellt ist.
Anordnung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Baumaterial insgesamt eine neutrale oder negative CO₂-Bilanz aufweist.
Anordnung nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die bindende Matrix der Lamelle, welche die Carbonfaser mit den Steinschichten verbindet eine Epoxidharz-, Polyesterharz-Phenolesterharz-, Polyimidharz-, Cyanatesterharz-, Vinylesterharz-, Melaminharz-, Polyurethanharz- oder Silikonharz-Basis hat oder eine Mischung aus diesen Harzen ist, die vorzugsweise schrumpfende Eigenschaften haben.
Anordnung nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Carbonfasern aus fossilen Quellen stammen oder aus regenerativen Quellen stammen.
Anordnung nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohstoffe für die Carbonfasern und /oder die Harze und/oder die Klebstoffe aus Pflanzenölen, Algenölen, Hefe-Ölen, Lignin oder anderen pflanzlichen Rohstoffen bestehen.
Anordnung nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohstoffe für die Carbonfasern, die Harze und Klebstoffe aus Pflanzenreststoffen stammen, die bei der Papierherstellung zum Beispiel in Form von Lignin und anderen Pflanzenresten übrig bleiben, die mit Hilfe von Hefe fermentiert Hefeöle für die biogene Herstellung von PAN-basierten Carbonfasern, Graphen, Harzen und Bindern liefern.
Anordnung nach Anspruch 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass PAN-basierte Carbonfasern und/oder Harze und Binder mit Hilfe synthetischer Verfahren aus CO₂ hergestellt sind, zum Beispiel aus natürlichem oder synthetischem Bio-Methanol.
Anordnung nach Anspruch 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Carbonfasern, Harze und Klebstoffe mit Hilfe der Wassergas-Shift-Reaktion und der Fischer-Tropsch-Synthese aus CO₂ hergestellt sind.
Anordnung nach Anspruch 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass für die Verbindung von Carbon und Steinschicht aus einem mineralischen Binder auf der Basis von Wasserglas besteht.
Anordnung nach Anspruch 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das zugstabile CFS-Lamellen-Material in Bezug auf das druckstabile Beton Material oder mindestens einem Teil davon vorgespannt ist.
Anordnung nach Anspruch 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das zugstabile CFS-Lamellen-Material in Bezug auf das druckstabile Beton Material oder mindestens einem Teil davon vorgespannt ist.