Perspektiven zum Einsatz von Schwefelbeton in der Bauindustrie unter konstruktiven und wirtschaftlichen Aspekten
©2003
Diplomarbeit
160 Seiten
Zusammenfassung
Inhaltsangabe:Zusammenfassung:
Eine überschüssige Produktion von Schwefel in der Welt, hauptsächlich durch Entschwefelungsanlagen, führte in der Bauindustrie zu der Entwicklung eines neuen Bindemittels aus Schwefel. Schwefel ist ein relativ günstiger, technisch einfacher und mit hoher Reinheit gewinnbarer Rohstoff. Er ist lagerfähig, unkompliziert handhabbar und nicht giftig.
Die Eigenschaften des Schwefels machen es möglich verschiedene künstliche Mischungen wie Schwefelzement, Schwefelmörtel und Schwefelbeton zu fertigen. In vielen Ländern durchgeführte Untersuchungen haben gezeigt, dass mit schwefelgebundenen Zuschlägen eine energie- und zeitsparende Herstellung eines hochwertigen Baustoffs möglich ist.
Besonders die Herstellung von Schwefelbeton weckte das Interesse der Bauindustrie. Durch seine hohe Festigkeit und der hohen Korrosionsbeständigkeit ist Schwefelbeton überall dort von Interesse, wo andere Bauteile aufwendig und kostensintensiv hergestellt werden müssen. Ein weiterer Vorteil von Schwefelbeton ist seine Frühfestigkeit. Dadurch ist der Einsatz von Schwefelbeton in Bereichen mit kurzen Bauphasen möglich.
Schwefelbeton ist ein künstlicher Stein, der aus einem Heißgemisch von Schwefelzement und Betonzuschlägen durch Abkühlen entsteht. Die Herstellung erfolgt bei einer Mischtemperatur zwischen 125 und 140 °C. Zur Herstellung bestimmter Eigenschaften können dem Beton verschiedene Schwefelzemente, Betonzusatzmittel oder ausgewählte Zuschlagstoffe zugegeben werden. Die Güte und die Dauerhaftigkeit sind abhängig von der geeigneten Zusammensetzung, der Mischtemperatur und der einwandfreien Verarbeitung des Gemisches.
Das in der Arbeit als Schwefelzement beschriebene Bindemittel ist modifizierter Schwefel. Da elementarer Schwefel als Bindemittel keine Langzeitbeständigkeit besitzt und die bauwirtschaftlichen Anforderungen nicht erfüllt, muss dieser modifiziert werden. Die besten nutzbaren Ergebnisse für die Bauindustrie erreicht man durch das Einmischen des Modifizierungsmittels Dicyclopentadien.
Die Zuschlagsstoffe im Schwefelbeton sind bis auf die Sieblinie gleich dem Normalbeton.
Das Mischen und das Einbringen von Schwefelbeton sind vergleichbar mit Asphalt. Die Verarbeitung und Nachbehandlung erfolgt wie beim Normalbeton.
Da es in Deutschland noch keinen Vertrieb von Schwefelbeton gibt und somit keine Preisgestaltung möglich ist, erfolgt die Preisermittlung in dieser Arbeit auf Grundlage des Vergleichs mit bereits vorhandenen […]
Eine überschüssige Produktion von Schwefel in der Welt, hauptsächlich durch Entschwefelungsanlagen, führte in der Bauindustrie zu der Entwicklung eines neuen Bindemittels aus Schwefel. Schwefel ist ein relativ günstiger, technisch einfacher und mit hoher Reinheit gewinnbarer Rohstoff. Er ist lagerfähig, unkompliziert handhabbar und nicht giftig.
Die Eigenschaften des Schwefels machen es möglich verschiedene künstliche Mischungen wie Schwefelzement, Schwefelmörtel und Schwefelbeton zu fertigen. In vielen Ländern durchgeführte Untersuchungen haben gezeigt, dass mit schwefelgebundenen Zuschlägen eine energie- und zeitsparende Herstellung eines hochwertigen Baustoffs möglich ist.
Besonders die Herstellung von Schwefelbeton weckte das Interesse der Bauindustrie. Durch seine hohe Festigkeit und der hohen Korrosionsbeständigkeit ist Schwefelbeton überall dort von Interesse, wo andere Bauteile aufwendig und kostensintensiv hergestellt werden müssen. Ein weiterer Vorteil von Schwefelbeton ist seine Frühfestigkeit. Dadurch ist der Einsatz von Schwefelbeton in Bereichen mit kurzen Bauphasen möglich.
Schwefelbeton ist ein künstlicher Stein, der aus einem Heißgemisch von Schwefelzement und Betonzuschlägen durch Abkühlen entsteht. Die Herstellung erfolgt bei einer Mischtemperatur zwischen 125 und 140 °C. Zur Herstellung bestimmter Eigenschaften können dem Beton verschiedene Schwefelzemente, Betonzusatzmittel oder ausgewählte Zuschlagstoffe zugegeben werden. Die Güte und die Dauerhaftigkeit sind abhängig von der geeigneten Zusammensetzung, der Mischtemperatur und der einwandfreien Verarbeitung des Gemisches.
Das in der Arbeit als Schwefelzement beschriebene Bindemittel ist modifizierter Schwefel. Da elementarer Schwefel als Bindemittel keine Langzeitbeständigkeit besitzt und die bauwirtschaftlichen Anforderungen nicht erfüllt, muss dieser modifiziert werden. Die besten nutzbaren Ergebnisse für die Bauindustrie erreicht man durch das Einmischen des Modifizierungsmittels Dicyclopentadien.
Die Zuschlagsstoffe im Schwefelbeton sind bis auf die Sieblinie gleich dem Normalbeton.
Das Mischen und das Einbringen von Schwefelbeton sind vergleichbar mit Asphalt. Die Verarbeitung und Nachbehandlung erfolgt wie beim Normalbeton.
Da es in Deutschland noch keinen Vertrieb von Schwefelbeton gibt und somit keine Preisgestaltung möglich ist, erfolgt die Preisermittlung in dieser Arbeit auf Grundlage des Vergleichs mit bereits vorhandenen […]
Leseprobe
Inhaltsverzeichnis
ID 8633
Tech, Andreas und Massel, Enrico:
Perspektiven zum Einsatz von Schwefelbeton in der Bauindustrie
unter konstruktiven und wirtschaftlichen Aspekten
Hamburg: Diplomica GmbH, 2005
Zugl.: Hochschule Wismar, Diplomarbeit, 2003
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Diplomica GmbH
http://www.diplom.de, Hamburg 2005
Printed in Germany
2
Aufgabenstellung
Hochschule
Wismar
Wismar,
20.12
2002
Fachhochschule für Technik,
Wirtschaft und Gestaltung
Fachbereich Bauingenieurwesen
Aufgabenstellung
für die Diplomarbeit
Bearbeiter:
Tech, Andreas
Studiennr.: 98212
Massel, Enrico
Studiennr.: 98305
Thema:
Perspektiven zum Einsatz von Schwefelbeton
in der Bauindustrie unter konstruktiven und
wirtschaftlichen
Aspekten
Schwerpunkte: - Beschreibung der Bauverfahrenstechnik zur Herstellung von Schwefelbeton
- Untersuchung des Einsatzes von Schwefelbeton im:
-
Kanalbau
-
Straßenbau
- konstruktiver und wirtschaftlicher Variantenvergleich
- Untersuchung des Einsatzes von Schwefelbeton
-
im
Industriebau
-
als
Beschichtungswerkstoff
Hochschullehrer: Prof. Dipl.-Ing. J. Hölterhoff
Ausgabetermin: 09.01.2003
Abgabetermin: 09.04.2003
Fehlauer Hölterhoff
Prof. Dr. rer. nat. Dr.-Ing. habil. Fehlauer
Prof. Dipl.-Ing. J. Hölterhoff
Vorsitzender
des
Prüfungsausschusses
Betreuer
3
Erklärung
Wir versichern, dass wir diese Diplomarbeit ohne fremde Hilfe selbstständig verfasst und nur
die angegebenen Quellen und Hilfsmittel benutzt haben. Wörtlich oder dem Sinn nach aus an-
deren Werken entnommene Stellen sind unter Angabe der Quellen kenntlich gemacht.
Wismar, 09-04-2003
Tech
...
Ort/Datum
Name Unterschrift
Wismar, 09-04-2003
Massel
...
Ort/Datum
Name Unterschrift
4
Inhalt
Seite
Verzeichnis der Abbildungen ...8
Verzeichnis der Tabellen...13
1 Einleitung...16
1.1 M
OTIVATION
...16
1.2 Z
IEL DER
A
RBEIT
...16
1.3 A
UFBAU DER
A
RBEIT
...17
2 Schwefel ...18
2.1 A
LLGEMEINES
...18
2.1.1 Historische
Bedeutung...18
2.1.2 Vorkommen ...19
2.1.3 Gewinnung...20
2.2 S
CHWEFELAUFBAU
...22
2.2.1 Stoffbindung ...22
2.2.2 Schwefelarten...23
2.3 E
IGENSCHAFTEN
...25
2.3.1 Chemische...25
2.3.2 Physikalische ...25
2.3.3 Mechanische ...26
2.4 S
CHWEFEL ALS
G
RUNDLAGE
...27
2.4.1 Verwendung...27
2.4.2 Globale
Entwicklung ...27
2.4.3 Preisentwicklung...28
3 Modifizierter Schwefel...30
3.1 A
LLGEMEINES
...30
3.1.1 Warum
modifizieren ...30
3.1.2 Vorteile ...31
3.1.3 Modifikatoren ...33
3.1.4 Auswahlkriterien...33
3.2 M
ODIFIZIERUNG MIT
D
ICYCLOPENTADIEN
...35
3.2.1
Eigenschaften und Hinweise über Dicyclopentadien ...35
3.2.2
Reaktionsparameter und Dosierungen ...36
3.3 H
ERSTELLUNGSTECHNOLOGIE
...38
3.3.1 Herstellungsverfahren...38
3.3.2
Lagerung und Nachbehandlung von modifiziertem Schwefel...39
5
4 Schwefelbeton... 43
4.1 A
LLGEMEINES
... 43
4.1.1 Geschichte ... 43
4.1.2 Begriffe... 44
4.1.3 Anwendungsbereich ... 45
4.2 Z
USAMMENSETZUNG
... 46
4.2.1 Zuschlagstoffe ... 47
4.2.2 Füllstoffe... 50
4.2.3 Bewehrung... 51
4.3 C
HARAKTERISTIKEN
... 54
4.3.1 Chemische
Beständigkeit ... 54
4.3.2
Physikalische und Mechanische Eigenschaften ... 57
4.3.3 Behandlungseigenschaften ... 60
5 Herstellungstechnologie von Schwefelbeton ... 63
5.1 A
LLGEMEINES
... 63
5.1.1
Erste Erfahrungen mit Schwefelbetonsteinen ... 63
5.1.2
Handhabung und Vorbereitung ... 65
5.1.3 Mischungsanforderungen ... 65
5.2 H
ERSTELLUNG IN
A
SPHALTMISCHANLAGEN
... 67
5.2.1 Standortgebundene
Mischanlage... 67
5.2.2 Mobile
Kleinmischanlage... 68
5.2.3 Gussasphaltkocher... 70
5.3 H
ERSTELLUNG IN EINER KLEINEN MOBILEN
B
ETONFABRIK
... 71
5.3.1 Geräteausrüstung ... 71
5.3.2 Heiße
Zuschlagsstoffe ... 71
5.3.3 Temperatureinfluss ... 74
5.4 R
ESULTIERENDE
H
ERSTELLUNGSMÖGLICHKEITEN
... 75
6 Herstellungskosten für Schwefelbeton ... 77
6.1 K
OSTEN FÜR MODIFIZIERTEN
S
CHWEFEL
... 77
6.1.1 Schwefelpreis ... 77
6.1.2 Modifikatorpreis ... 78
6.1.3 Stoffkosten... 78
6.1.4 Produktionskosten ... 79
6.2 K
ALKULATIONSANSÄTZE ZUR
S
CHWEFELBETONPREISBESTIMMUNG
... 81
6.2.1
Erster Ansatz: Bindemitteltransfer ... 81
6.2.2
Zweiter Ansatz: Wirtschaftsprognose ... 83
6.2.3
Dritter Ansatz: Weiterführung des zweiten Ansatzes ... 84
6.2.4
Vierter Ansatz: Rückrechnung ... 86
6.2.5
Gewichtung der Kalkulationsansätze ... 87
6.3 A
USWERTUNG
... 88
6
7 Schwefelbeton im Kanalbau...89
7.1 A
LLGEMEINES
...89
7.1.1
Zustand der Kanalisation in Deutschland ...89
7.1.2
Korrosion in Abwasserkanälen...94
7.2 V
ARIANTENVERGLEICH FÜR
S
CHMUTZWASSERROHRE
...97
7.2.1 Basisannahmen ...97
7.2.2 Kriterienauswahl...97
7.2.3 Variantenbeschreibung ...99
7.2.4 Bewertungsschlüssel...105
7.2.5 Variantenbewertung...106
7.3 V
ARIANTENVERGLEICH FÜR
E
INSTEIGSCHÄCHTE
...108
7.3.1 Basisannahmen ...108
7.3.2 Kriterienauswahl...108
7.3.3 Variantenbeschreibung ...109
7.3.4 Bewertungsschlüssel...112
7.3.5 Variantenbewertung...113
8 Schwefelbeton im Straßenbau ...115
8.1 A
LLGEMEINES
...115
8.1.1
Beanspruchung von Straßen ...116
8.1.2 Auswirkungen ...117
8.1.3
Einsatzaussichten für Schwefelbeton...118
8.2 T
RANSPORTTECHNOLOGIE
...119
8.2.1
Transporte in Fahrmischern ...119
8.2.2
Transporte in Lkw-Aufsätzen ...120
8.3 V
ARIANTENVERGLEICH
...122
8.3.1 Basisannahmen ...122
8.3.2 Kriterienauswahl...123
8.3.3 Variantenbeschreibungen...126
8.3.4 Bewertungsschlüssel...128
8.3.5 Konstruktive
Variantenbewertung...130
8.3.6 Wirtschaftliche
Variantenbewertung ...132
9 Schwefelbeton im Industriebau ...135
9.1 A
LLGEMEINES
...135
9.2 I
NDUSTRIEBÖDEN AUS
S
CHWEFELBETON
...136
9.2.1 Herstellung...137
9.2.2 Fugen...138
9.3 C
HEMISCH BESTÄNDIGE
B
AUTEILE AUS
S
CHWEFELBETON
...139
7
10 Schwefelbeton als Beschichtungswerkstoff ... 142
10.1 A
LLGEMEINES
... 142
10.1.1 Anforderungen... 142
10.1.2 Eignung... 143
10.1.3 Anwendungsbereiche ... 143
10.2 V
ERARBEITUNGSTECHNIKEN
... 144
10.2.1 Coating-Verfahren... 144
10.2.2 Spritz- und Gießtechniken... 145
10.2.3 Tauchverfahren... 146
10.2.4 Beschichtungsbohle... 147
10.2.5 Versiegelung... 148
10.3 B
ESCHICHTUNG ALTER
B
ETONFAHRBAHNDECKEN MIT
S
CHWEFELBETON
... 149
10.3.1 Haftbrücke ... 149
10.3.2 Statische Berechnung von Temperaturspannungen... 150
11 Zusammenfassung ... 153
Literaturverzeichnis... 155
8
Verzeichnis der Abbildungen
Seite
Abb. 2.1 Schwefel: sublimiert, Stangen und Fäden ... 18
Bildquelle: www.seilnacht.tuttlingen.com 2003
Abb. 2.2 natürliche
Schwefelkristalle ... 18
Bildquelle: www.seilnacht.tuttlingen.com 2003
Abb. 2.3 sulfidische Erze: Pyrit, Buntkupferkies, Zinkblende und Bleiglanz ... 20
Bildquelle: www.seilnacht.tuttlingen.com 2003
Abb. 2.4 Schwefelgewinnung nach dem Frasch-Verfahren ... 21
Bildquelle: www.seilnacht.tuttlingen.com 2003
Abb. 2.5 gelagerter Schwefel auf einer Halde in Frankreich ... 22
Bildquelle: www.chemie-master.de 2003
Abb. 2.6 Schwefelkristalle,
Schwefelmoleküle... 24
Bildquelle: Bertelsmann Universal Lexikon 2001
Abb. 2.7 Zustandsformen des Schwefels in Abhängigkeit von der Temperatur... 24
Bildquelle: www.seilnacht.tuttlingen.com 2003
Abb. 2.8 weltweite Schwefelproduktion von 1900-2003 ... 28
Bildquelle: Doctoral Thesis A. R. Makenya 2001
Abb. 2.9 Preisentwicklung von Schwefel... 29
Bildquelle: Doctoral Thesis A. R. Makenya 2001
Abb. 3.1 modifizierter Schwefel in fester Form... 30
Bildquelle: Tech & Massel 2003
Abb. 3.2 Vergleich von reinem und modifiziertem Schwefelbeton ... 31
Bildquelle: Tech & Massel 2003
Abb. 3.3 Vorteile von modifiziertem Schwefel zum elementaren Schwefel ... 32
Bildquelle: Haase 1990
Abb. 3.4 Modifikatoren / Polymerisationsadditive ... 33
Bildquelle: Ecker & Steidl 1990
Abb. 3.5 Temperatur-Zeit-Viskositätsverläufe für eine Schwefelmodifikation... 37
Bildquelle: Ecker & Steidl 1990
Abb. 3.6 Viskositätsverläufe von modifiziertem Schwefel
bei 140 °C mit DCP zwischen 1,5 und 10 Masse-% ... 37
Bildquelle: Ecker & Steidl 1990
Abb. 3.7 Druck- und Biegezugfestigkeit von Schwefelbeton in
Abhängigkeit vom DCP-Gehalt... 38
Bildquelle: Ecker & Steidl 1990
Abb. 3.8 schemenhafte Darstellung einer Schwefelpolymerisationsanlage... 39
Bildquelle: Ecker & Steidl 1990
9
Abb. 3.9 Sieblinie des gebrochenen modifizierten Schwefels... 40
Bildquelle: Ecker & Steidl 1990
Abb. 3.10 schemenhafte Darstellung einer Pastillieranlage... 40
Bildquelle: Ecker & Steidl 1990
Abb. 3.11 schemenhafte Darstellung einer Produktionsanlage von
gefüllertem, modifiziertem Schwefel ... 42
Bildquelle: Ecker & Steidl 1990
Abb. 4.1 Ecol
House ... 44
Bildquelle: DBZ 1978
Abb. 4.2 Monolithsteinhaus ... 44
Bildquelle: DBZ 1978
Abb. 4.3 Schwefelbeton in einer ätzenden Umgebung ... 45
Bildquelle: Chempruf 2003
Abb. 4.4 Schwefelbeton in einer Kupferraffinerie... 45
Bildquelle: Chempruf 2003
Abb. 4.5 Schwefelsäurekanal ... 46
Bildquelle: Chempruf 2003
Abb. 4.6 Betontanks für Aqua Regia ... 46
Bildquelle: Chempruf 2003
Abb. 4.7 Zusammensetzung von Schwefelbeton und Portlandzementbeton ... 46
Bildquelle: Tech & Massel 2003
Abb. 4.8 li. Normalbeton, m. Schwefelbeton, re. recycelter Schwefelbeton ... 47
Bildquelle: Tech/Massel 2003
Abb. 4.9 einsetzbare
Zuschlagsarten... 47
Bildquelle: Tech & Massel 2003
Abb. 4.10 Sieblinie für Zuschlaggemisch 0/8 mm... 49
Bildquelle: Ecker & Steidl 1990
Abb. 4.11 Idealsieblinie in Abhängigkeit vom Größtkorn... 49
Bildquelle: Ecker & Steidl 1990
Abb. 4.12 Glasfasern mit einer Länge von 5 cm... 50
Bildquelle: ACI-Journal 1982
Abb. 4.13 Versuchsaufbau ... 52
Bildquelle: Swamy & Jurjees 1986
Abb. 4.14 trockengelagerte Balken, links nach 3 Monaten, rechts nach 1 Jahr ... 53
Bildquelle: Swamy & Jurjees 1986
Abb. 4.15 feuchtgelagerte Balken, links nach 3 Monaten, rechts nach 1 Jahr... 53
Bildquelle: Swamy & Jurjees 1986
Abb. 4.16 chemische Prüfung ... 57
Bildquelle: Chempruf 2003
10
Abb. 4.17 linearer Wärmeausdehnungskoeffizient ... 58
Bildquelle: Ecker & Steidl 1990
Abb. 4.18 Festigkeitsentwicklung in Abhängigkeit des Alters ... 59
Bildquelle: Haase 1990
Abb. 4.19 einbringen und glätten des Schwefelbetons... 60
Bildquelle: Chempruf 2003
Abb. 4.20 Verdichtung und Sichtflächenoptimierung... 61
Bildquelle: Ecker & Steidl 1990
Abb. 4.21 Schalungsversuch ... 62
Bildquelle: Tech & Massel 2003
Abb. 5.1 Straßenpflaster ... 63
Bildquelle: Open House International 1988
Abb. 5.2 Maison Lessard Haus... 64
Bildquelle: Open House International 1988
Abb. 5.3 Herstellung und Verarbeitung... 64
Bildquelle: Open House International 1988
Abb. 5.4 Kleinasphaltmischanlage der Fa. Brabham/Millar ... 68
Bildquelle: Ecker & Steidl 1990
Abb. 5.5 Adaptierung einer Kleinasphaltmischanlage für Schwefelbetonbetrieb ... 69
Bildquelle: Ecker & Steidl 1990
Abb. 5.6 Herstellen von Schwefelbeton in einer kleinen mobilen Betonfabrik... 71
Bildquelle: Ecker & Steidl 1990
Abb. 5.7 Übernahme der heißen Zuschlagstoffe einer Asphaltmischanlage... 72
Bildquelle: Ecker & Steidl 1990
Abb. 5.8 Rezeptur und Sieblinie der heißen Zuschlagstoffe ... 72
Bildquelle: Ecker & Steidl 1990
Abb. 5.9 Herstellungsmöglichkeiten für ein Asphaltmischwerk... 75
Bildquelle: Tech & Massel 2003
Abb. 5.10 Herstellungsmöglichkeiten für ein Betonmischwerk... 76
Bildquelle: Tech & Massel 2003
Abb. 6.1 Stoffkosten des Schwefelzements in Abhängigkeit vom DCP-Gehalt... 79
Bildquelle: Tech & Massel 2003
Abb. 6.2 Modellansatz zur Kostenermittlung des Schwefelbetonpreises ... 82
Bildquelle: Tech & Massel 2003
Abb. 7.1 Alterungsverteilung der Kanäle 2001... 90
Bildquelle: ATV-DVWK 2001
Abb. 7.2 Materialverteilung
der Kanäle 2001 ... 91
Bildquelle: ATV-DVWK 2001
Abb. 7.3 prozentuale Verteilung der Kanalschäden... 91
Bildquelle: ATV-DVWK 2001
11
Abb. 7.4 prozentuale Verteilung der Schäden an Schächten ... 92
Bildquelle: ATV-DVWK 2001
Abb. 7.5 eingesetzte
Sanierungsverfahren ... 92
Bildquelle: ATV-DVWK 2001
Abb. 7.6 Aufwendungen für Sanierungsmaßnahmen ... 93
Bildquelle: ATV-DVWK 2001
Abb. 7.7 Korrosion der Schachtinnenfläche ... 96
Bildquelle: Tech & Massel 2003
Abb. 7.8 Metallkorrosion ... 96
Bildquelle: Tech & Massel 2003
Abb. 7.9 Korrosion der Schachtabdeckung... 96
Bildquelle: Tech & Massel 2003
Abb. 7.10 Modellansatz zur Kostenermittlung eines Schwefelbetonrohres ... 103
Bildquelle: Tech & Massel 2003
Abb. 8.1 Beanspruchung der Fahrbahn... 116
Bildquelle: Löther 2001
Abb. 8.2 rechts: Schema eines Thermo-Containers, links: auf Lkw... 121
Bildquelle: Firma A. Richter GmbH
Abb. 8.3 Basisannahme zum Befestigungsaufbau und Fahrbahnquerschnitt ... 123
Bildquelle: Tech & Massel 2003
Abb. 9.1 Industrieboden aus Schwefelbeton... 137
Bildquelle: Chemizol 2003
Abb. 9.2 Ablaufrinne aus Schwefelbeton... 137
Bildquelle: Chemizol 2003
Abb. 9.3 Filtersteine aus Schwefelbeton... 140
Bildquelle: J. Hölterhoff 2002
Abb. 9.4 Schwefelbetonbecken... 140
Bildquelle: J. Hölterhoff 2002
Abb. 9.5 Schwefelsäurekanal aus Schwefelbeton... 140
Bildquelle: J. Hölterhoff 2002
Abb. 9.6 Kanal aus Schwefelbeton ... 140
Bildquelle: Chempruf 2003
Abb. 9.7 Raffinationsbecken aus Schwefelbeton... 140
Bildquelle: Chempruf 2003
Abb. 9.8 Säurebehälter aus Schwefelbeton... 141
Bildquelle: Chempruf 2003
Abb. 9.9 Fundament aus Schwefelbeton... 141
Bildquelle: Chempruf 2003
Abb. 9.10 Lagerplätze aus Schwefelbeton... 141
Bildquelle: Chempruf 2003
12
Abb. 10.1 Druckbehälter ... 144
Bildquelle: DBZ 1978
Abb. 10.2 Schwefelbetonelemente ... 145
Bildquelle: DBZ 1978
Abb. 10.3 Polyeder ... 146
Bildquelle: DBZ 1978
Abb. 10.4 Beschichtungsbohle ... 147
Bildquelle: Ecker & Steidl 1990
Abb. 10.5 Temperaturverteilung im Sommer... 151
Bildquelle: Ecker & Steidl 1990
Abb. 10.6 Temperaturverteilung im Winter ... 152
Bildquelle: Ecker & Steidl 1990
13
Verzeichnis der Tabellen
Seite
Tab. 2.1 physikalische Daten von elementarem Schwefel ... 26
Bildquelle: Ullmanns Chemie Band 21 1994
Tab. 2.2 Preisentwicklung von Schwefel ... 29
Bildquelle: Doctoral Thesis A. R. Makenya 2001
Tab. 3.1 Test-Parameter und Ergebnisse der Schwefel-Pastillierversuche ... 41
Bildquelle: Ecker & Steidl 1990
Tab. 4.1 veränderbare Merkmale der Zuschlagstoffe... 48
Bildquelle: Ecker & Steidl 1990
Tab. 4.2 Eigenschaften der Glasfasern ... 51
Bildquelle: ACI-Journal 1982
Tab. 4.3 Geruchsstoffe... 51
Bildquelle: Ecker & Steidl 1990
Tab. 4.4 Details aus dem Versuchsaufbau... 52
Bildquelle: Ecker & Steidl 1990
Tab. 4.5 Beständigkeit von Schwefelbeton ... 55
Bildquelle: Ecker & Steidl 1990
Tab. 4.6 Vergleich der Eigenschaften von Schwefelbeton und Portlandzementbeton... 59
Bildquelle: Tech & Massel 2003
Tab. 5.1 Schwefelzementmenge in Abhängigkeit des Größtkorns ... 66
Bildquelle: ACI-Journal 1982
Tab. 5.2 Mischungseigenschaften bei einem Größtkorn von 9 mm... 66
Bildquelle: ACI-Journal 1982
Tab. 5.3 aus Rezeptur resultierende Eigenschaften... 74
Bildquelle: Ecker & Steidl 1990
Tab. 6.1 Jahresproduktion und Umsatz von Betonrohren 1989 ... 84
Bildquelle: Firma 4 K A/S 1991
Tab. 6.2 Verkaufspreisbildung mit Schwefelzementpreis der Firma 4K A/S ... 85
Bildquelle: Firma 4 K A/S 1991
Tab. 6.3 Verkaufspreisbildung mit ausgetauschtem Schwefelzementpreis ... 85
Bildquelle: Tech & Massel 2003
Tab. 7.1 erfasste
Kanallängen ... 90
Bildquelle: ATV-DVWK 2001
Tab. 7.2 Kriterienauswahl
Rohr ... 98
Bildquelle: Tech & Massel 2003
Tab. 7.3 Zusammenfassung Steinzeugrohr... 99
Bildquelle: Tech & Massel 2003
14
Tab. 7.4 Zusammenfassung Polymerbetonrohr ... 100
Bildquelle: Tech & Massel 2003
Tab. 7.5 Zusammenfassung Kunststoffrohr... 101
Bildquelle: Tech & Massel 2003
Tab. 7.6 Zusammenfassung Betonrohr mit Kunststoff-Inliner... 101
Bildquelle: Tech & Massel 2003
Tab. 7.7 Zusammenfassung
Schwefelbetonrohr ... 104
Bildquelle: Tech & Massel 2003
Tab. 7.8 Bewertungsschlüssel
Rohr... 105
Bildquelle: Tech & Massel 2003
Tab. 7.9 Variantenbewertung
Rohr... 106
Bildquelle: Tech & Massel 2003
Tab. 7.10 Gesamtauswertung Rohr... 107
Bildquelle: Tech & Massel 2003
Tab. 7.11 Kriterienauswahl Schacht ... 108
Bildquelle: Tech & Massel 2003
Tab. 7.12 Zusammenfassung Polymerbetonschacht ... 110
Bildquelle: Tech & Massel 2003
Tab. 7.13 Zusammenfassung Betonschacht mit einer Rinnen- und Bermenbeschichtung.. 110
Bildquelle: Tech & Massel 2003
Tab. 7.14 Zusammenfassung Schwefelbetonschacht... 112
Bildquelle: Tech & Massel 2003
Tab. 7.15 Bewertungsschlüssel Schacht ... 112
Bildquelle: Tech & Massel 2003
Tab. 7.16 Variantenbewertung Schacht ... 113
Bildquelle: Tech & Massel 2003
Tab. 7.17 Gesamtauswertung Schacht ... 114
Bildquelle: Tech & Massel 2003
Tab. 8.1 konstruktive
Kriterien... 125
Bildquelle: Tech & Massel 2003
Tab. 8.2 wirtschaftliche
Kriterien ... 126
Bildquelle: Tech & Massel 2003
Tab. 8.3 konstruktiver
Bewertungsschlüssel ... 129
Bildquelle: Tech & Massel 2003
Tab. 8.4 wirtschaftlicher
Bewertungsschlüssel... 129
Bildquelle: Tech & Massel 2003
Tab. 8.5 konstruktive Variantenbewertung des ersten Hauptkriteriums ... 130
Bildquelle: Tech & Massel 2003
Tab. 8.6 konstruktive Variantenbewertung des zweiten Hauptkriteriums... 130
Bildquelle: Tech & Massel 2003
15
Tab. 8.7 konstruktive Variantenbewertung des dritten Hauptkriteriums ... 131
Bildquelle: Tech & Massel 2003
Tab. 8.8 konstruktive Variantenbewertung des vierten Hauptkriteriums... 131
Bildquelle: Tech & Massel 2003
Tab. 8.9 konstruktive
Gesamtauswertung ... 132
Bildquelle: Tech & Massel 2003
Tab. 8.10 wirtschaftliche Variantenbewertung des ersten Hauptkriteriums ... 133
Bildquelle: Tech & Massel 2003
Tab. 8.11 wirtschaftliche Variantenbewertung des zweiten Hauptkriteriums ... 133
Bildquelle: Tech & Massel 2003
Tab. 8.12 wirtschaftliche Variantenbewertung des dritten Hauptkriteriums ... 133
Bildquelle: Tech & Massel 2003
Tab. 8.13 wirtschaftliche Gesamtauswertung ... 134
Bildquelle: Tech & Massel 2003
Tab. 8.14 konstruktive und wirtschaftliche Gesamtauswertung ... 134
Bildquelle: Tech & Massel 2003
Tab. 10.1 Eigenschaften von Haftbrücken für Schwefelbeschichtung... 149
Bildquelle: Ecker & Steidl 1990
Tab. 10.2 Eigenschaften der Haftbrücke Epoxidharz 8 bei unterschiedlicher
Oberflächenbehandlung... 150
Bildquelle: Ecker & Steidl 1990
Tab. 10.3 Materialkennwerte... 150
Bildquelle: Ecker & Steidl 1990
Tab. 10.4 Spannungen in der Epoxidharzhaftbrücke ... 152
Bildquelle: Ecker & Steidl 1990
16
1 Einleitung
1.1 Motivation
Auf der Suche nach einem interessanten Diplomthema hat uns Professor J. Hölterhoff über den
Einsatz von Schwefelbeton in einer chilenischen Kupfererzmine berichtet. In dieser Mine wur-
den alle Zementbetonbauteile mit eigens hergestelltem Schwefelbeton ausgetauscht. Dieser
Schwefelbeton hat sehr hohe Festigkeiten, ist resistent gegen die meisten sauren und salzhalti-
gen Lösungen und hat einen hohen Verschleißwiderstand. Dadurch hat sich die Nutzungsdauer
der hochbelasteten Betonteile um ein vielfaches erhöht. Auch die Herstellung der elektrolyti-
schen Raffinationsbecken ist wesentlich kostengünstiger.
Die Probleme der Nutzungsdauer von Normalbeton und Stahlbeton in einigen Anwendungsbe-
reichen sowie der hohe Energieverbrauch bei der Produktion des Betons sind auch in Deutsch-
land gegenwärtig und gewinnen immer mehr an wirtschaftlicher Bedeutung.
Die wissenschaftliche Neugier nach diesem uns unbekannten Baustoff ließ nun die Fragen auf-
kommen: Wie wird Schwefelbeton hergestellt, was kostet Schwefelbeton und welche Perspek-
tiven hat Schwefelbeton in Deutschland?
1.2
Ziel der Arbeit
In dieser Diplomarbeit wollen wir die Einsatzfähigkeit von Schwefelbeton in Deutschland un-
tersuchen. Zu diesem Zweck werden die Bereiche Kanalbau, Straßenbau, Industriebau und
Schwefelbeton als Beschichtungswerkstoff herangezogen. Der Vergleich zu den bewährten
Baustoffen in diesen einzelnen Bereichen soll dabei helfen eine objektive Bewertung zu tref-
fen.
17
1.3
Aufbau der Arbeit
Der erste Schwerpunkt der Diplomarbeit beinhaltet die Beschreibung des Elements Schwefel
sowie das Modifizieren des Schwefels. Das Modifizieren von Schwefel ist ein wichtiger Schritt
um die Eigenschaften zu verbessern. Nur so lässt sich ein für die Bauindustrie interessantes
Bindemittel herstellen.
Im zweiten Schwerpunkt werden das Herstellen des Schwefelbetons und die dazu notwendigen
Technologien betrachtet. Eine mögliche Preisbildung erfolgt auf Grundlage des Vergleichs mit
schon vorhandenen Produkten im Ausland.
Der dritte Schwerpunkt der Arbeit liegt in der Betrachtung der wirtschaftlichen und konstrukti-
ven Eignung des Schwefelbetons in den Anwendungsbereichen Kanal- und Straßenbau. Wei-
terhin erfolgt eine Betrachtung der Einsatzmöglichkeiten von Schwefelbeton im Industriebau
und als Beschichtungswerkstoff.
Abschließend werden die Ergebnisse in einer Auswertung zusammengefasst.
18
2 Schwefel
2.1 Allgemeines
Schwefel ist das zweite Element der sechsten Hauptgruppe des Periodensystems. Der Name
stammt vom lateinischen Wort sulfur ab. Das gelbe Element weckte schon früh das Interesse
der Menschheit. Heutzutage ist Schwefel nicht mehr wegzudenken, denn er ist Ausgangsstoff
bzw. Bestandteil vieler chemischer Verbindungen. [1] Schwefel kommt in vielen Variationen
vor zum Beispiel in reinen handelsüblichen Formen (Abb. 2.1) oder auch als natürliche Schwe-
felkristalle (Abb. 2.2).
Abb. 2.1 Schwefel: sublimiert, Stangen und Fäden
Abb. 2.2 natürliche Schwefelkristalle
2.1.1 Historische
Bedeutung
Schwefel und seine außergewöhnlichen Eigenschaften wussten die Menschen schon seit Jahr-
tausenden zu schätzen. So benutzten die Ägypter ihn bereits 2000 v. Chr. zum bleichen von
Wolle und zur Farbenherstellung. Die Griechen und Römer verwendeten Schwefel zum desin-
fizieren und reinigen. Ihnen waren auch das Schwefeln des Weines und die Bindefähigkeit von
Schwefel für Gesteine bekannt, ebenso nutzten sie die gelbe Substanz als Arzneimittel. Anfang
des 14. Jahrhunderts entdeckte ein deutscher Mönch durch Zufall die explosive Wirkung eines
pulverförmigen Gemisches, das zum größten Teil aus Schwefel bestand. Mit dieser Erfindung
des Schießpulvers wuchs das Interesse am Schwefel. Dieses Pulver war der Grundstein für eine
neue Waffentechnologie. Im Jahr 1777 erkannte der Franzose Antoin de Lavoisier in der gel-
19
ben Substanz ein eigenständiges Element. Mit dem Beginn der industriellen Entwicklung vor
rund 200 Jahren sollte auch die großtechnische Bedeutung von Schwefel und insbesondere
Schwefelsäure spürbar zunehmen. Die Textilindustrie blieb lange Zeit der größte Abnehmer
der Schwefelsäure, deren Erzeugung schon im Mittelalter bekannt war. Seit Mitte des 19. Jahr-
hunderts kam als neuer Verwendungszweck die Düngemittelerzeugung hinzu. In den dreißiger
Jahren des letzten Jh. kam Schwefel erstmalig als Bindemittel für Baustoffe zur technischen
Anwendung.
Schwefelsäure ist die Basis vieler organischer und anorganischer Verbindungen, deshalb nahm
die weltweite Produktionsmenge bis in die 80er-Jahre des 20. Jahrhunderts weiter zu. Inzwi-
schen sind aber rückläufige Tendenzen in einigen westlichen Industrieländern, wie auch in
Deutschland, zu erkennen. [2], [3]
2.1.2 Vorkommen
Schwefel steht in der Häufigkeitsliste der Elemente an 15. Stelle. Sein Anteil in der obersten
16 km dicken Erdkruste wird auf 0,048 Masseprozente geschätzt. In der Natur kommt Schwefel
unter anderem auch rein und somit elementar vor. Diese gediegenen Vorkommen sind vulkani-
schen Ursprungs und befinden sich in mächtigen Lagerstätten zum Beispiel in Sizilien, Polen,
Irak, in den USA (Louisiana und Texas), und Mexiko. Weiterhin kommt Schwefel in Formen
von Sulfiden zum Beispiel Pyrit (Eisensulfid), Buntkupferkies (Kupfersulfid), Bleiglanz (Blei-
sulfid), Zinkblende (Zinksulfid) oder Zinnober (Quecksilbersulfid) und Sulfaten zum Beispiel
Gips (Calciumsulfat), Anhydrit, Kieserit (Magnesiumsulfat), Schwerspat (Bariumsulfat) oder
Glaubersalz (Natriumsulfat) an vielen Punkten der Erde vor. Die beiden bekanntesten schwe-
felhaltigen Mineralien sind Gips und Pyrit. Größere Mengen an Schwefel sind auch in fossilen
Brennstoffen wie Kohle und Erdöl zu finden. So enthält Kohle 1 bis 2 % und Erdöl bis zu 3 %
Schwefel. Erdgas ist oft mit Schwefelwasserstoff verunreinigt.
Schwefel ist auch in den meisten Proteinen von Organismen enthalten, so ist er beispielsweise
Bestandteil von Aminosäuren wie Methionin und Cystein. Im Körper eines Erwachsenen mit
einem Gewicht von 70 kg sind ca. 150 g Schwefel enthalten. Der Tagesbedarf wird auf nicht
ganz 900 mg geschätzt. [1], [3], [4]
20
Die Abbildung 2.3 zeigt eine kleine Auswahl von sulfidischen Erzen, die alle Schwefel enthal-
ten. Wobei sich Pyrit am ehesten zur Schwefelgewinnung heranziehen lässt, da es häufiger in
der Natur vorkommt.
Abb. 2.3 sulfidische Erze: Pyrit, Buntkupferkies, Zinkblende und Bleiglanz
2.1.3 Gewinnung
Die Gewinnung von elementarem Schwefel richtet sich nach den örtlichen Gegebenheiten. In
Sizilien erfolgt der Abbau durch das Ausschmelzverfahren. Das mit natürlichem Schwefel
durchsetzte Gestein wird erhitzt, der Schwefel beginnt zu schmelzen und fließt aus dem Ge-
stein. Jedoch ist die Ausbeute nicht sehr hoch, da Schwefel ein schlechter Wärmeleiter ist und
er vom Gestein kapillar festgehalten wird. An den Stellen wo Schwefel sehr dicht unter der
Erdoberfläche liegt wird auch Tagebau betrieben. Ist der Schwefel in Tiefen von 150 bis 800
Meter in der Erdkruste zu finden und liegen besondere geologische Verhältnisse vor wie zum
Beispiel in den USA, Mexiko und Polen, so kann der Schwefel direkt in der Lagerstätte ausge-
schmolzen werden. Diese Abbaumethode nennt sich Frasch-Verfahren (Abb. 2.4). Es werden
drei Rohre in ein zuvor erzeugtes Bohrloch eingeführt. Am Fuß ist das äußere Rohr mit vielen
kleinen Löchern versehen, durch diese Öffnungen tritt von oben unter Druck eingeleiteter Was-
serdampf (rund 180 °C) in das Schwefellager. Durch das innere Rohr wird heiße Pressluft mit
ca. 40 bar eingeblasen, die dann den geschmolzenen Schwefel im mittleren Rohr zutage för-
dert. Der gewonnene Schwefel wird entlüftet und in riesige Behälter geleitet, wo er dann er-
starrt. Man erhält Blöcke von sehr hoher Reinheit (99,5 bis 99,8 %). Mit diesem Verfahren
kann man ca. 300 Tonnen Schwefel pro Tag fördern. Diese Förderungsanlagen sind nicht nur
auf dem Festland zu finden, sondern auch auf offener See. So wurden im Golf von Mexiko
mehrere Anlagen auf künstlichen Inseln erfolgreich eingesetzt.
21
Abb.
2.4 Schwefelgewinnung nach dem Frasch-Verfahren
Auch aus sulfidischen Erzen wie zum Beispiel Pyrit kann Schwefel gewonnen werden. Das ab-
gebaute Erz wird geröstet und so vom Schwefel getrennt. Dieser Prozess muss jedoch unter
Luftabschluss und in einer sauerstoffarmen Atmosphäre stattfinden, da sich Schwefeldioxid
bildet und nicht entweichen soll. Anschließend wird dieses Gas mit Kohlenstoff oder Koks
reduziert. Man gewinnt durch diese Reduktion ebenfalls Schwefel. Auch Gips bzw. Anhydrit
eignet sich prinzipiell zur Schwefelgewinnung. Den größten Anteil des weltweit produzierten
Schwefels erhält man bei der Entschwefelung von Erdöl und Erdgas nach dem Claus-
Verfahren. Der aus den fossilen Brennstoffen extrahierte Schwefelwasserstoff wird im ersten
Schritt zu einem Drittel mit Sauerstoff in einer Brennkammer zu Schwefeldioxid verbrannt. Im
zweiten Schritt wird dieses toxische Gas zusammen mit dem restlichen Schwefelwasserstoff
mit Hilfe eines Katalysators bei 300 °C zu Schwefel und Wasser umgesetzt. Schwefeldioxid-
haltige Abgase, welche in der Industrie anfallen, lassen sich durch entsprechende Entschwef-
lungsanlagen ebenfalls zur Gewinnung von Schwefel heranziehen. [1], [3], [4], [5]
Die Abbildung 2.5 zeigt eine Halde auf der durch Erdgasentschwefelung gewonnener Schwefel
gelagert wird.
22
Abb.
2.5 gelagerter Schwefel auf einer Halde in Frankreich
2.2 Schwefelaufbau
2.2.1 Stoffbindung
Bei elementarem Schwefel wird die Bindung durch sich gegenseitig anziehende Atome er-
zeugt. Diese Art der Bindung wird als kovalente Bindung bezeichnet. Die teilbesetzten, äuße-
ren Elektronenschalen der Schwefelatome überlappen sich und bilden dadurch eine gemein-
same, energetisch günstigere vollbesetzte Elektronenschale. Weiter verbinden sich die Schwe-
felatome zu Ringen. Sie sind für sich elektrisch neutral d.h., die Ringe besitzen genauso viele
negative wie positive Ladungen. Diese sind jedoch nicht gleichmäßig verteilt. Die negative La-
dung befindet sich in den Bindungen des Ringes und die positive Ladung ist in den Atommit-
telpunkten konzentriert. Auf Grund dieser Ladungsverteilung ziehen sich die Ringe gegenseitig
so an, dass die Bindungen des einen Ringes genau über den Atommittelpunkten des anderen
liegen. Auf diese Weise stapeln sich die Ringe übereinander und bilden somit die Schwefelkris-
talle. Diese relativ schwachen Anziehungskräfte werden als van-der-Waals-Bindung bezeich-
net. [6]
23
2.2.2 Schwefelarten
Schwefel tritt in zahlreichen Zustandsformen (Modifikationen) auf, von denen nur eine kleine
Auswahl näher beschrieben werden soll. Bei normaler Temperatur liegt Schwefel in einer
-
Modifikation vor. Sie zeigt sich in einer gelben, kristallinen, rhombischen und stabilen Form.
Diese Kristalle sind aus ringförmigen gewellten S8-Molekülen aufgebaut. Die Grundstruktur
des
-Schwefels besteht aus 16 Achterringen. Ab einer Temperatur von 95,6 °C geht Schwefel
in seine
-Modifikation über, welcher auch als monokliner Schwefel bezeichnet wird. Er bildet
helle, nadelartige, monokline Kristalle, die ebenfalls aus S8-Ringen aufgebaut sind. Die Grund-
struktur des
-Schwefels besteht aber nur aus 6 Achterringen. Oberhalb von 118,8 °C entsteht
aus der
-Modifikation -Schwefel. Dies ist eine hellgelbe, dünnflüssige Schmelze in der der
Schwefel noch immer als Achterring vorliegt. Im flüssigen Schwefel können sich neben den
S8-Ringen aber auch Ringe anderer Molekülgröße befinden zum Beispiel S6, S7, S9, S10, S12,
S18 etc. Bei weiterer Wärmezufuhr brechen die Ringe auf und eine weitere Modifikation tritt
zum
-Schwefel hinzu. Es bildet sich der µ-Schwefel, welcher zum größten Teil aus langen,
gewundenen Schwefelketten besteht. Diese Ketten können bis zu einer Million Schwefelatome
enthalten. Anfangs stehen der
-Schwefel und der µ-Schwefel im Gleichgewicht. Die µ-
Modifikation ist dunkelbraun, harzartig und zäh. Der Anteil des
µ-Schwefels wächst mit stei-
gender Temperatur und überwiegt oberhalb von 159 °C. Sein Maximum erreicht er bei ca. 190
°C. Bei einer Temperatur von 444 °C siedet Schwefel, wobei der entstehende Dampf aus nicht
mehr als acht Molekülen besteht. [1]
Die Abbildung 2.6 zeigt modellhaft das rhombische und monokline Schwefelkristall,
S8-Molekül und die plastischen Schwefelketten. In der Abbildung 2.7 ist der Schwefel bei un-
terschiedlichen Temperaturen abgebildet.
24
Abb.
2.6 Schwefelkristalle, Schwefelmoleküle
Abb. 2.7 Zustandsformen des Schwefels in Abhängigkeit von der Temperatur
Fester Schwefel
rhombischer monokliner ringförmiges
-Schwefel -Schwefel S8-Molekül
Plastischer Schwefel
25
2.3 Eigenschaften
Schwefel ist ein geruchloses, gelbes Nichtmetall, das in zahlreichen Modifikationen auftritt.
Die vier am häufigsten auftretenden Modifikationen wurden unter Punkt 2.2.3 schon näher be-
schrieben. Das Element Schwefel ist im Periodensystem in der 6. Hauptgruppe mit der Ord-
nungszahl 16 zu finden. [4]
2.3.1 Chemische
Elementarer Schwefel ist sehr reaktionsfähig und reagiert direkt mit fast allen Elementen außer
mit Gold, Platin, Iridium, Stickstoff, Tellur, Jod und den Edelgasen. Bei ca. 250 °C entzündet
sich Schwefel an der Luft und verbrennt mit bläulicher Flamme zu dem giftigen und stechend
riechendem Schwefeldioxid, das auch mit Schwefeltrioxid vermischt sein kann. Wird Schwe-
feldioxid in Wasser eingeleitet, so entsteht schweflige Säure. Werden Gemische aus Schwefel-
und Metallpulver entzündet, entstehen unter starker Wärmeentwicklung und Aufleuchten die
entsprechenden Metallsulfide wie zum Beispiel Eisen-, Zink- oder Kupfersulfid. Wasser rea-
giert mit Schwefeltrioxid unter starker Wärmeentwicklung zu Schwefelsäure. [3], [5]
2.3.2 Physikalische
Schwefel ist ein sehr schlechter Leiter für Elektrizität und Wärme. Reibt man ihn mit einem
Lederlappen, so wird er stark negativ aufgeladen. In Wasser ist Schwefel unlöslich. Nach der
Härteskala von Mohs besitzt er eine Härte von Zwei. Weitere physikalische Daten sind in Ta-
belle 2.1 erfasst. [5]
26
Tab.
2.1 physikalische Daten von elementarem Schwefel
2.3.3 Mechanische
Im Gegensatz zu den chemischen und physikalischen Eigenschaften des Schwefels und seinen
Modifikationen sind nur sehr wenige Kenntnisse über die mechanischen Eigenschaften be-
kannt. Man untersuchte Schwefel in Hinsicht auf seine Druckfestigkeit, Zugfestigkeit und auf
seinen Elastizitätsmodul. Die Prüfkörper, die aus rhombischen S8-Schwefel und einem gerin-
gen Anteil aus amorphem Schwefel bestanden, erreichten eine Druckfestigkeit von 23,2 N/mm
2
und eine Zugfestigkeit von 1,1 N/mm
2
. Die Werte für den Elastizitätsmodul von plastisch-
elastischen Schwefelfasern liegen zwischen 0,2 und 60 N/mm
2
.
Jedoch lassen sich die Prüfergebnisse nicht eindeutig definieren. Ursachen dafür sind zum Bei-
spiel Reinheit, Art (Balken oder Fasern) und Oberflächeneinflüsse der Probekörper und auch
die Belastungsgeschwindigkeit. Weitere Ursachen sind die unterschiedlichen Aufschmelz-,
Abkühl- bzw. Prüfprozesse des Schwefels. [7]
Schmelzpunkt
ideal
natürlich
S
rhombisch
112,8 °C
110,2 °C
S
monoklin
119,3 °C
114,5 °C
S
perlmutterartig
106,8 °C
103,4 °C
Siedepunkt
444,6
°C
Entzündungstemperatur von flüssigem Schwefel in der Luft bei
atmosphärischem Druck (je nach Meßmethode)
248 266 °C
Dichte (g/ml) der festen Phase bei 20 °C
rhombisch
2,07
monoklin
1,96
amorph
1,92
Dichte (g/ml) von flüssigem Schwefel
bei 125 °C
1,7988
bei 130 °C
1,7947
bei 150 °C
1,7784
dynamische Viskosität des flüssigen Schwefels (Pa·s)
bei 140 °C
0,008
bei 187,8 °C
93,0
bei 300 °C
3,72
27
2.4
Schwefel als Grundlage
2.4.1 Verwendung
Schwefel ist ein wichtiger Rohstoff für die chemische Industrie, da 85 bis 90 % der Schwefel-
produktion zur Schwefelsäureherstellung aber hauptsächlich zur Herstellung von Düngemittel
eingesetzt wird. In Zündhölzern, Schwarzpulver und Feuerwerkskörpern befindet sich ebenfalls
Schwefel. Weiterhin lassen sich aus Schwefel Kunststoffe und Farbstoffe wie zum Beispiel
Ultramarinblau herstellen. Ferner findet er auch Anwendung bei der Vulkanisation von Kau-
tschuk und Hartgummi. In der Bauindustrie findet Schwefel seinen Einsatz unter anderem in
Säureschutzanstrichen für Beton, als Imprägnierung von Ziegeln und im Straßenbau in As-
phaltmischungen. Als Bleichmittel für Wolle, Seide, Gelatine und Stroh ist Schwefel schon
lange bekannt. In der Medizin wird Schwefel in Salben und Cremes zur Bekämpfung von
Hautkrankheiten wie zum Beispiel Akne, Ekzeme oder Krätze eingesetzt. Schwefelbäder sollen
gegen Rheuma und Gicht wirken. Im Wein- und Gartenbau dient Schwefel zur Bekämpfung
von Spinnenmilben.
In den Handel gelangt Schwefel in Formen von Roll- oder Stangenschwefel, als Schwefelblu-
me (sublimierter Schwefel) oder Schwefelschnüre sowie in Pillenform (Pellets). Weit verbreitet
ist auch der Flüssig-Schwefel. Er lässt sich leicht mittels Tankkesselwagen oder Tankschiffen
transportieren. [4]
2.4.2 Globale
Entwicklung
Mit dem Beginn der industriellen Revolution Anfang des 19. Jahrhunderts stieg die Nachfrage
und somit die Schwefelproduktion kontinuierlich an. Der Hauptabnehmer war die chemische
Industrie. Im Verlauf der letzten hundert Jahre gab es eine weltweite Produktionszunahme von
Schwefel um den Faktor 100. Die Abbildung 2.8 zeigt diesen Verlauf der Schwefelproduktion
im Zeitraum von den Jahren 1900 bis 2003. [8]
28
0
10
20
30
40
50
60
70
80
1900 1929 1950 1960 1970 1986 1990 1992 2000
Jahr
Pr
oduktion in M
egatonnen
Schwefel-
produktion
Abb. 2.8 weltweite Schwefelproduktion von 1900-2003
2.4.3 Preisentwicklung
Aufzeichnungen von Schwefelpreisen gehen zurück in das Jahr 1895, damals kostete die Tonne
55 Gold Lire. Anfang des 20. Jahrhunderts kletterte der Preis bis auf 68 Gold Lire je Tonne.
Die zu der Zeit entstandene Schwefelgesellschaft Anglo-Sicilian kontrollierte überwiegend den
Schwefelpreis. Die heutigen Durchschnittspreise von Schwefel sind in der Tabelle 2.2 und in
Abbildung 2.9 zusammengefasst. Es werden die Preisentwicklungen von den Jahren 1985 bis
1999 zu den jeweiligen Standorten USA, Kanada und West-Europa dargestellt. Es ist erkenn-
bar, dass der Schwefelpreis von dem Jahr 1985 bis zum Jahr 1993 stark zurückging. Seit dem
Jahr 1993 veränderte sich der Preis nur wenig. [8] Es ist aber darauf hinzuweisen, dass die an-
gegebenen Preise nur Durchschnittswerte sind. Sie unterliegen Schwankungen bedingt durch
Marktsituation, Standort, Transportentfernungen und Umschlagsmenge.
29
USA
Kanada
West
Europa
in $/t
in $/t
in $/t
Jahr
1985 127 112 157
1986 124 105 152
1987 109 84 119
1988 107 81 119
1989 105 80 118
1990 103 74 110
1991 99 70 110
1992 67 41 75
1993 51 23 50
1994 47 29 59
1995 54 41 74
1996 42 27 63
1997 44 27 64
1998 43 19 55
1999 61 21 53
Rückgang
1985-1999 52%
80%
66%
Tab. 2.2 Preisentwicklung von Schwefel
0
20
40
60
80
100
120
140
160
1985
1987
1989
1991
1993
1995
1997
1999
Jahre
$/
t
USA
Kanada
West Europa
Abb. 2.9 Preisentwicklung von Schwefel
30
3 Modifizierter
Schwefel
3.1 Allgemeines
Um modifizierten Schwefel (Abb. 3.1) herzustellen und dessen Eigenschaften als Bindemittel
für die Bauindustrie zu erfüllen, muss der Modifizierungsvorgang optimal ablaufen. Er ist ab-
hängig vom Modifizierungsmittel und dessen prozentualem Anteil, der Reaktionstemperatur,
der Reaktionszeit und dem Alterungsverhalten. [7] Aus diesem Grunde ist es ratsam die Her-
stellung des modifizierten Schwefels der chemischen Industrie zu überlassen. Sie besitzen die
dafür erforderlichen Reaktionsanlagen und Lagerungsmöglichkeiten für Schwefel, Modifikator
bzw. modifizierten Schwefel.
Abb.
3.1. modifizierter Schwefel in fester Form
3.1.1 Warum
modifizieren
Handelsüblicher Schwefel besitzt eine sehr geringe Viskosität und eignet sich hauptsächlich
nur für isotherme Anwendungen. Weiterhin erstarrt Schwefel nach einem Schmelzprozess wie-
der zu sprödem, kristallinem und rhombischem Schwefel. Der Zeitraum dieser Rekristallisie-
rung ist abhängig von der Abkühlmethode, er kann bis zu einigen Stunden dauern. Um diese
nachteiligen Auswirkungen der Versprödung von rhombischem Schwefel entgegenzuwirken
und somit die Langzeitbeständigkeit und bauwirtschaftlichen Anforderungen von Schwefelpro-
dukten zu erfüllen, muss dieser modifiziert werden. Durch die Reaktion des elementaren
31
Schwefels mit den Modifikatoren, speziell aus Kohlenwasserstoffen, entstehen polymere Struk-
turen, die den Cycloocta-Schwefel (rhombischer S8-Schwefel) plastisch machen und die Rück-
bildung zum rhombischen Schwefel verzögern. [2], [7]
3.1.2 Vorteile
Da das Bindemittel für Schwefelbeton auch aus elementarem Schwefel bestehen kann, dieser
aber den technischen Anforderungen der Bauindustrie nicht genügten, wie zum Beispiel die
Frost-, Tau- und Wechselbeständigkeit, besitzt modifizierter Schwefel gegenüber dem Elemen-
taren einige Vorteile. Die BASF AG hat zu diesem Thema ebenfalls Forschungen betrieben
und diese dann zum Patent angemeldet. In der Offenlegungsschrift vom Jahr 1976 wurde
Schwefelbeton mit reinem Schwefel und mit Dicyclopentadien (DCP) modifiziertem Schwefel
untersucht und verglichen. Die Versuchsergebnisse sind in der Abbildung 3.2 zusammenge-
fasst. Die Untersuchungen zeigen, dass der Schwefelbeton mit modifiziertem Bindemittel in al-
len Punkten die besseren Werte für Betoneigenschaften erzielt hat. Die Vorteile von modifi-
ziertem Schwefel zum elementaren Schwefel sind in der Abbildung 3.3 aufgezählt.
Abb.
3.2 Vergleich von reinem und modifiziertem Schwefelbeton
reiner
mit
DCP
modifizierter
Schwefelbeton Schwefelbeton
Verringerung des Bindemittelgehaltes
NS 64
NS
78
(Zusammensetzung in Masse-%)
S 36
S
21,1
DCP
0,9
Verminderung des Volumenschwundes
beim Übergang Schmelze / Fest-
körper
(Vol.
%)
0,9
0,3
Erhöhung des Wasserdampfdiffusions-
widerstandes
µ
8.070
22.220
Verringerung der Wasseraufnahme
(Masse-% / Vol. %)
1,02 / 2,35
0,99 / 2,20
32
Fortsetzung
Abb. 3.2 Vergleich von reinem und modifiziertem Schwefelbeton
Abb. 3.3 Vorteile von modifiziertem Schwefel zum elementaren Schwefel
- Erhöhung der Frost-, Tau-, Wechselbeständigkeit
- Erhöhung der Druckfestigkeit
- Verbesserung der Biegezugfestigkeit
- Höhere Beständigkeit gegen Säuren, Basen und Salzlösungen
- Verminderung des Volumenschwundes beim Übergang Schmelze Festkörper
- Verringerung der Wasseraufnahme
- Verringerung der Wärmeleitfähigkeit
- Thermoplastische Eigenschaften
- Verringerung der Brennbarkeit
- Verringerung der Sprödigkeit
- Höhere Witterungsbeständigkeit
- Erhöhung der Viskosität der Schmelze
reiner
mit
DCP
modifizierter
Schwefelbeton
Schwefelbeton
Verringerung der Wärmeleitfähigkeit
(kcal/mh°C)
0,65
0,40
Verringerung des linearen Aus-
dehnungskoeffizienten
(m/m°C) im Bereich 0 bis 100°C
39,1
20,4
Erhöhung der Haftspannung
(kp/cm
2
) Baustahl I-S-Beton
32,0
45,0
NS Normsand nach DIN 1164
S Schwefel
33
3.1.3 Modifikatoren
Als Modifikatoren eignen sich besonders ungesättigte Kohlenwasserstoffe. Sie begünstigen die
Plastifizierung von Schwefel. Der Modifizierungsablauf erfolgt unter Wärmefreisetzung. Des-
halb muss während der Reaktion die Temperatur genau kontrolliert werden. Ist die Temperatur
zu hoch, finden neben der Additionsreaktion an der Doppelbindung auch Reaktionen an den
paraffinischen Kohlenwasserstoffgruppen unter Abspaltung des Wasserstoffatoms statt. Da-
durch steigt nicht nur die Viskosität übermäßig an, sondern es wird auch Schwefelwasserstoff
gebildet. Eine Übersicht von möglichen Modifikatoren ist in der Abbildung 3.4 dargestellt. [2],
[7]
Abb. 3.4 Modifikatoren / Polymerisationsadditive
3.1.4 Auswahlkriterien
Die Auswahlkriterien von modifiziertem Schwefel lassen sich in zwei Kategorien unterteilen.
Es werden einerseits das Modifizierungsmittel und andererseits der modifizierte Schwefel in
Modifikatoren
Kombinationen
von
Modifikatoren
Dicyclopentadien
(DCP) DCP
mit
COD
DCP + diverse Amine
DCP mit Styrol, Dipenten
Norbornadien
DCP
mit
Oligomeren
von
DCP
Cyclooctadien (COD)
DCP-Harze wie Eskopol, Eskorez
Cyclododecatrien
Dipenten
Nichtreaktive
Modifikatoren
Myrcen
Erdölrückstände(Pyrolyserück-
Phellandren stand,
Bitumen)
Inden
Aromatenextrakt
Butadien
Glykole,
Silikone
Acrylsäure,
Maleinsäure
Maleinsäureanhydrid
Styrol
Äthylidennorbornen
Divinylbenzol
Details
- Seiten
- Erscheinungsform
- Originalausgabe
- Jahr
- 2003
- ISBN (eBook)
- 9783832486334
- ISBN (Paperback)
- 9783838686332
- DOI
- 10.3239/9783832486334
- Dateigröße
- 6.8 MB
- Sprache
- Deutsch
- Institution / Hochschule
- Hochschule Wismar – Bauingenieurwesen
- Erscheinungsdatum
- 2005 (März)
- Note
- 1,3
- Schlagworte
- variantenvergleich kanalbau straßenbau industriebau betonsanierung
