Siliziumkarbid-Beton

Siliziumkarbid ist einer der härtesten keramischen Werkstoffe, der häufig allein oder in Kombination mit Metallverbundwerkstoffen verwendet wird. Seine wichtigsten Eigenschaften sind Festigkeit, chemische Stabilität, Steifigkeit und hohe Temperaturbeständigkeit.

In dieser Studie wurden die Auswirkungen der Zugabe von Wolfram- und Siliziumkarbiden (WC und SiC) in individuellen Konzentrationen von 1%, 2%, 3% und 4% zu Recyclingbeton untersucht, um dessen Biegeermüdungsleistung zu verbessern. Im Rahmen dieser Untersuchung wurden auch rasterelektronenmikroskopische Feldemissionsbilder analysiert.

Stärke

Siliziumkarbid (SiC) ist ein synthetisches Material, das sich durch seine überragende mechanische Festigkeit und chemische Inertheit auszeichnet, was es zu einem ausgezeichneten Material für Schneidgeräte und Zerkleinerungsmaschinen macht. SiC verbessert auch die mechanischen Eigenschaften von Beton, indem es dessen Hydratationsprozesse unterstützt und weniger schrumpft als herkömmliche Betonkonstruktionen - ein attraktives Merkmal, wenn es rauen Umgebungen ausgesetzt ist. SiC ist eine ausgezeichnete Materialwahl, wenn bei Bauprojekten, die eine lange Lebensdauer erfordern, wie bei der Herstellung von Schneidegeräten oder Zerkleinerungsmaschinen, die Haltbarkeit im Vordergrund steht.

Die Partikelgröße und -form von Siliziumkarbidbeton tragen dazu bei, dass er eine geringere Durchlässigkeit als herkömmlicher Beton aufweist; seine Gesamtdurchlässigkeit bleibt jedoch höher als die anderer Betonarten, wodurch er Chloridangriffen in Meeresumgebungen widerstehen kann, was zu einer verbesserten Korrosionsbeständigkeit und geringeren Wartungskosten führt.

Karbidbeton wird durch Zugabe von Wolframkarbid oder Siliziumkarbid, Abfallprodukten aus der Herstellung von Hartmetalllegierungen, zu herkömmlichen Portlandzementmischungen hergestellt. Ihre Auswirkungen auf die Durchlässigkeit, Druckfestigkeit und Korrosionseigenschaften des Betons wurden eingehend untersucht.

Die Ergebnisse zeigen, dass Verbundwerkstoffe, die WC und SiC enthalten, die Druckfestigkeit von Beton um 17% deutlich erhöhen. Auch ihre Biegefestigkeit übertrifft die von herkömmlichem Beton, so dass sich diese Verbundstoffe für die Verwendung als Bodenbeläge in Logistik- oder Vertriebslagern eignen, wo die Böden häufig schweren Belastungen ausgesetzt sind.

Zähigkeit

Siliziumkarbid ist ein extrem hartes, langlebiges Material mit hervorragender Schlag- und Korrosionsbeständigkeit und eignet sich daher für verschiedene Anwendungen wie Bewehrung und Feuerfestbeton. Siliziumkarbid bietet auch mehrere Vorteile gegenüber herkömmlichen Betonbaustoffen, darunter eine höhere Biegefestigkeit und eine bessere Oberflächenabriebfestigkeit; außerdem weist es einen geringeren Wärmeausdehnungskoeffizienten und eine höhere Wärmeleitfähigkeit auf.

Kürzlich untersuchten Forscher die Auswirkungen von Siliziumkarbid auf die Biegefestigkeit und die schnelle Chloridpermeabilität von Beton. Die Testergebnisse zeigen, dass die Zugabe von Siliziumkarbid beide Faktoren verbessert und gleichzeitig die Durchlässigkeit des Betons verringert; zusätzlich verlängern WC- und Hybrid-Siliziumkarbide die Biegefestigkeit erheblich.

Die ANOVA-Analyse zeigte, dass die Biegefestigkeit von Beton mit zunehmendem Karbidanteil drastisch anstieg; der Spitzenwert wurde mit 4% von WC und SiC zusammen erreicht. Die Biegezähigkeit eines solchen Betons erwies sich aufgrund seiner abrasiven Beschaffenheit und höheren Dichte als besser als die eines herkömmlichen Betons.

Siliziumkarbid kann nicht nur die mechanischen Eigenschaften von Beton erhöhen, sondern auch sein Hydratationsverhalten verbessern. In dieser Studie wurden zerkleinertes und gemahlenes Siliziumkarbid (SiCA) zu feuerfestem Beton mit Cenosphären hinzugefügt, um zu testen, wie sich diese Zusätze auf den Hydratationsprozess auswirken. Es wurde festgestellt, dass die Zugabe von zerkleinertem SiCA zusammen mit CNPs die Hydratation von AC-Paste um 1,25 Stunden verlängerte, verglichen mit der alleinigen Verwendung von gemahlenem SiCA.

Dauerhaftigkeit

Siliziumkarbidzusätze zu Beton können dessen Haltbarkeit erheblich verbessern. Darüber hinaus erhöht Siliziumkarbid die Biegefestigkeit - ein wesentlicher Faktor bei der Planung von Straßenbelägen - und macht den Belag weniger anfällig für Risse und andere Probleme mit der Haltbarkeit. Siliziumkarbid kann auch als alternativer Zusatzstoff dienen, der sowohl die Zug- als auch die Biegefestigkeit erhöht - ähnlich wie Fasern oder chemische Zusätze.

Diese Studie untersuchte die Auswirkungen von Wolfram- und Siliziumkarbiden auf Recyclingbeton (RC) und Siliziumkarbid-Recyclingbeton (SiCRC), insbesondere deren mechanische Eigenschaften. Um dies zu beurteilen, maßen die Forscher die Biegeermüdungsleistung, die Chloriddurchlässigkeit, die anfängliche Risslast sowie die anfängliche Risslast für beide Materialien. Die Ergebnisse zeigten, dass sich die Auswirkungen der einzelnen Karbide und der Hybridkarbide auf die Festigkeit erhöhten, während sich die Ermüdungslebensdauer beider Materialien um bis zu 4% erhöhte.

Die Dichten von RC- und SiCRC-Beton stiegen mit der Zugabe von Karbiden leicht an; dieser Effekt war bei WC am ausgeprägtesten. Die Partikelpackung führte bei den Hybridmischungen zu höheren Dichten als bei den RC- oder SiCRC-Betonproben; ihre schnellen Chloridpermeabilitätstests zeigten, dass WC den größten Widerstand gegen Chloridpermeation aufwies als SiC. Die Permeabilitätswerte für den hybriden Verbundwerkstoff waren viel niedriger als bei RC- oder Normalbetonmischungen.

Porosität

Die Porosität von Siliciumcarbidbeton ist ein wesentlicher Bestandteil seiner Fähigkeit, Spannungen standzuhalten, da sie seinen Wassergehalt, sein Gewicht und seine Kosten reduziert. Dies macht ihn zu einem ausgezeichneten Material für Bauprojekte, bei denen er aufgrund seines geringen Gewichts mit Zement gemischt werden kann, um haltbarere und flexiblere Verbundwerkstoffe zu bilden; er eignet sich perfekt für rutschfeste Bodenbeläge und kann nach einem oder mehreren Trockenschütteln leicht geglättet werden.

Abbildung 4 zeigt, dass die Zugabe von Einzel- oder Hybridkarbiden die Druckfestigkeit von Siliziumkarbidbeton um bis zu 4% erhöht, wie in der Abbildung zu sehen ist. Dies könnte auf eine verbesserte Partikelpackung zurückzuführen sein, die zur Interphasenbildung beiträgt; Jeon et al. haben dieses Ergebnis bestätigt.

Siliziumkarbidbeton unterscheidet sich von herkömmlichem Beton durch eine höhere Porosität aufgrund kleinerer Partikel, die Hohlräume effektiver ausfüllen und auch die Dauerhaftigkeit in Bezug auf die Biegeermüdungsfestigkeit verbessern.

Zur Herstellung der erfindungsgemäßen porösen Wabenstruktur wird eine metallorganische Verbindung, die Siliciumcarbidteilchen und metallisches Silicium enthält, mit einer Rohmaterialmischung aus Siliciumcarbidteilchen und metallischem Silicium kombiniert, um poröse Materialien mit einer Klopfdichte von höchstens 0,6 g/cm3, vorzugsweise 0,5 g/cm3 oder weniger, zu bilden. Diese Kombination wird dann zersetzt und beim Brennen in Porenbildner umgewandelt. Die Zugabe dieser Rohstoffmischungen erfordert die Zugabe von 5-30 Masseteilen metallorganischer Verbindungen, bevor sie zersetzt werden und poröse Materialien entstehen, die zur Herstellung poröser Wabenstrukturen geeignet sind.