 Versuchsbeschreibungen
Entnahme der zu untersuchenden Proben:
Der Wert und die Aussagefähigkeit einer keramischen Laboruntersuchung hängt in hohem Maße von der sachgerechten Probenahme ab. Unter Probenahme versteht man hierbei die Entnahme von Teilmengen aus einem Rohstoff, oder einer Masse, deren stoffliche Zusammensetzung der Beschaffenheit der Gesamtmenge des zu untersuchenden Rohstoffes entspricht. Unsachgemäß entnommene Proben, die nicht repräsentativ für das gesamte Rohstoffvorkommen oder die verarbeitete Masse sind, führen zu Fehlaussagen und können zu falschen Empfehlungen und Maßnahmen führen. Wir müssen bei unseren Laboruntersuchungen grundsätzlich davon ausgehen, dass uns repräsentative Rohstoffproben bzw. nach DIN 51061 (Teil 2) entnommene Proben von Fertigmassen für die Untersuchungen zur Verfügung gestellt werden. Um Verwechslungen zu vermeiden, sollten alle Proben – gut gekennzeichnet – einzeln so verpackt werden, dass die Ausgangsfeuchte erhalten bleibt. In jedem Fall müssen wir von jeder Probe eine Grubenbezeichnung und eine Angabe der Tiefe aus der Grube erhalten, um geeignete Mischungsverhältnisse festlegen zu können. Je nach Untersuchungsumfang sollte uns eine ausreichende Probemenge zur Verfügung gestellt werden. Dabei sind für eine einzelne Untersuchung ca. 15 bis 20 kg erforderlich. Für eine Masseentwicklung benötigen wir etwa 50 bis 100 kg
je Rohstoff.
Bestimmung des Feuchtigkeitsgehalts
DIN 51 062 Abschnitt 5.2
Der Feuchtigkeitsgehalt ist der in einem feuchten Rohstoff oder in einer feuchten Masse vorhandene Anteil an Wasser, ausgedrückt in Prozenten, wobei die Wassermenge auf das Gewicht des feuchten Materials bezogen wird. Zur Bestimmung wird eine Probe in ein Gefäß eingewogen, die Probe im Trockenschrank bei 110 °C bis zum Erreichen eines konstanten Gewichtes getrocknet und zurückgewogen. Die Bestimmung der Anlieferfeuchte und des Anmachwassergehaltes wird analog zur Bestimmung des Feuchtigkeitsgehaltes durchgeführt. Jedoch wird in unseren Berichten der im Material vorhandene Anteil an Wasser grundsätzlich in Prozenten bezogen auf das Trockengewicht angegeben.
Aufbereitung und Prüfkörperherstellung:
Aufbereitung und Formgebung der Rohstoffe und Massen
Einzelrohstoffe werden je nach ihrer Konsistenz und Härte und entsprechend der geplanten Anlagentechnik aufbereitet. Für eine herkömmliche Aufbereitung werden die Rohstoffe, soweit notwendig, mit einem Backenbrecher vorgebrochen und mit einem Laborwalzwerk mit 0,8 mm Walzenspalt zerkleinert. Für die Trockenaufbereitung von Rohstoffen steht zudem eine Schlagkreuzmühle mit auswechselbaren Siebeinsätzen zur Verfügung. Die Rohstoffe werden dann entsprechend der Mischungsverhältnisse, unter Berücksichtigung der Anlieferfeuchte, eingewogen und in einem Knetmischer unter Zugabe des notwendigen Anmachwassers homogenisiert. Die zugegebene Wassermenge ist dabei vom Rohstoff, dem herzustellenden Produkt und der Art der Herstellung abhängig (z.B. Steifverpressung – Normalverpressung). Die homogenisierte Masse wird anschließend mit einer Vakuum-Laborstrangpresse zu diversen Prüfkörpern verarbeitet. Dabei wird je nach geplanter Anlage und Produkt bei extrudierten Produkten mit Penetrometerwerten zwischen 0,8 und 4,0 kg/cm² gearbeitet. Für die Herstellung von sogenannten Soft Mud Ziegeln werden die Massen mit erheblich weicheren Konsistenzen verarbeitet.
Bestimmung der Trocknungseigenschaften der Massen und Formlinge:
Bestimmung der rohstoffspezifischen Trockenriss-Empfindlichkeit
Die Bestimmung der Trockenriss-Empfindlichkeit wird an möglichst spannungsarm hergestellten Laborprüfkörpern von 70 × 40 × 18 mm Größe durchgeführt. Mit dieser Untersuchungsmethode wird die rohstoffspezifische Trockenempfindlichkeit ermittelt. Sie dient zum grundsätzlichen Vergleich zwischen verschiedenen Rohstoffarten. Die mit einer Laborstrangpresse frisch hergestellten Prüfkörper werden in einen Trockenschrank mit Luftumwälzung, jedoch ohne Feuchteregelung eingesetzt. Sie werden bis zur vollständigen Austrocknung bei verschiedenen konstanten Prüftemperaturen zwischen 25 und 100° C mit einer konstanten Luftgeschwindigkeit von ca. 1 m/s angeblasen. Die maximale Prüftemperatur, bei der die Prüfkörper bis zur Austrocknung keine Risse zeigen, wird durch zehn dividiert und dieser Zahlenindex als "Trockenriss-Empfindlichkeit" gewertet (z.B. Prüftemperatur 70°C, Trockenriss-Empfindlichkeit Stufe 7). Die Trockenriss-Empfindlichkeit ist von 3 bis 10 in 8 Stufen eingeteilt. Je höher die Stufenzahl ist, um so trockenunempfindlicher ist die untersuchte Probe.
Bei Originalformlingen wird die zu erwartende Trockenriss-Empfindlichkeit neben der rohstoffspezifischen Trocken-Empfindlichkeit maßgeblich durch die Aufbereitung, die Formgebung, die Formlingsgewichte und Geometrien und andere prozesstechnische Gründe beeinflusst.
Aus der Trockenriss-Empfindlichkeitsstufe allein ist deshalb keine direkte Aussage über die Trockenempfindlichkeit der Formlinge und über die Trocknungszeit möglich. Für ausreichend gesicherte Aussagen sind Untersuchungen mit Originalformlingen unter Einbeziehung der einzusetzenden Trocknertypen, Belegungsschemata, Belüftungssysteme und nicht zuletzt Erfahrungen notwendig.
Bestimmung der Daten an pressfrischen Prüfkörpern:
Jeweils vier zu einer Untersuchungsreihe gehörende Prüfkörper von 70 × 40 × 18 mm Größe werden direkt nach der Formgebung gewogen und in einem Trockenschrank bei 110 °C bis zur Gewichtskonstanz getrocknet. Aus dem Nass- und dem Trockengewicht wird der Anmachwassergehalt nach der Formel
AW = Gewicht_nass - Gewicht_trocken / Gewicht_trocken * 100 berechnet. Dabei werden im Keramiklabor der Firma KELLER HCW grundsätzlich alle Werte auf das Trockengewicht bezogen, um hier Missverständnissen vorzubeugen. Zur Bestimmung der Dichte des pressfrischen Materials wird ein Prüfkörper von 33 mm Durchmesser und 40 mm Länge direkt nach der Herstellung gewogen und seine Dichte berechnet. Zusätzlich zu diesen Bestimmungen am frisch verpressten Material wird die sogenannte Bigot – Kurve des Materials aufgenommen. Dabei wird ein pressfrischer Prüfstab von ca. 120 × 20 × 15 mm in einen Trockenschrank mit einer konstanten Temperatur von 40 °C, ohne Luftbewegung eingesetzt. Der Gewichtsverlust und die Schwindung des Prüfkörpers werden bis zum Abschluss der Schwindung kontinuierlich aufgezeichnet. Es ergibt sich ein für das Rohmaterial typischer Kurvenzug.
Die nicht für diese Bestimmungen verwendeten Prüfkörper werden in einem Trockenschrank vollständig ausgetrocknet, wobei darauf geachtet wird, dass keine Trockenrisse entstehen.
Bestimmung der Daten an getrockneten Prüfkörpern:
Während der Herstellung erhalten alle Prüfkörper der Größe 70 × 40 × 18 mm eine sogenannte Schwundmarkierung von 50 mm Länge quer zur Laufrichtung des Tonstranges. Ein weiterer Prüfkörper je Brennreihe von 70 × 60 × 10 mm Größe erhält dieselbe Schwundmarkierung in Strangrichtung und quer zur Laufrichtung des Tonstranges. Nach der vollständigen Austrocknung der Prüfkörper wird anhand dieser Markierungen die Trockenschwindung ermittelt. Zur Bestimmung der Trockenbiegefestigkeit werden insgesamt 10 Prüfkörper der Größe 120 × 20 × 15 mm hergestellt. Sie werden ebenfalls schonend vollständig ausgetrocknet. Nach erfolgter Abkühlung der getrockneten Prüfkörper werden fünf davon mit einem Dreipunkt – Biegeprüfgerät mit 100 mm Auflageabstand gebrochen. Aus der zum Bruch notwendigen Kraft und den tatsächlichen Dimensionen der einzelnen Prüfkörper wird die Trockenbiegefestigkeit rechnerisch ermittelt. Die übrigen fünf Prüfkörper werden trocken gewogen und für 48 Stunden unter normalen Umgebungsbedingungen an Raumluft gelagert. Hierbei erfolgt eine Reabsorbtion von Wasser aus der Raumluft durch die Tonminerale und damit in der Regel ein messbarer Verlust an Festigkeit. Die Prüfkörper werden nach der Lagerung wieder gewogen und ebenfalls auf dem Biegeprüfgerät bis zum Bruch belastet. Anschließend können die Festigkeit nach Readsorbtion, die readsorbierte Feuchte und der Festigkeitsverlust bestimmt werden.
Untersuchungen im Versuchstrockner:
Wie bei der Bestimmung der Trockenriss-Empfindlichkeit angedeutet ist die Bestimmung der Trockenempfindlichkeit der in einem Werk hergestellten Ziegel aus den reinen Materialdaten sehr schwierig. Bei der Firma KELLER HCW stehen zur genaueren Bestimmung der Trockenempfindlichkeit der Originalformlinge, bzw. zur exakten Ermittlung der notwendigen Trockenzeiten zwei Versuchstrockner zur Verfügung. Diese Trockner stellen vollständige Kammertrockner dar. Sie sind im Wesentlichen so aufgebaut, dass sie aus einer Trockenkammer mit etwa 5 m³nutzbarem Volumen bestehen, in das die verschiedensten Lüftersysteme eingebaut werden können. Die Trockenkurven (Zeit, Lufttemperatur und rel. Luftfeuchte) werden dabei programmiert und vollautomatisch gefahren. Alle relevanten Daten (Lufttemperaturen und -feuchten, Formlingstemperaturen, Schwindungen und ggf. auch Gewichtsverlust) werden dabei während des Versuches aufgezeichnet und stehen zur Auswertung zur Verfügung. Alle notwendigen Aggregate (Ventilatoren, Heizbrenner, Luftbefeuchter, etc.) sind zusammen mit der Trockenkammer und der Steuerung in einen Container eingebaut, so dass das System bis auf die Versorgung mit Energie, Luft und Wasser autark arbeiten kann. Einer der beiden Trockner ist dabei als Wechselbrücke ausgeführt und kann mit einem LKW zu einem Ziegelwerk transportiert werden, um die Versuche vor Ort mit den verschiedensten Ziegelformaten des Kunden durchzuführen.
Bestimmung Eigenschaften der gebrannten der Massen und Formlinge:
Untersuchung im Elektroofen, Durchführung der Brennversuche
Zur Untersuchung des Brennverhaltens werden alle Prüfkörper in elektrisch beheizten Laboröfen gebrannt. Die Aufheizgeschwindigkeit beträgt bei jeder Brennreihe 180 K/h. Es werden in der Regel fünf Brennreihen mit verschiedenen Prüfkörpertypen bei unterschiedlichen Garbrandtemperaturen durchgeführt. Die Höhe der Garbrandtemperatur wird dabei nach den Erfordernissen des herzustellenden Produktes und der untersuchten Masse zwischen 800 und 1300 °C eingestellt. Bei Garbrandtemperatur wird eine Haltezeit von 3 h eingehalten. Die Abkühlung dann erfolgt durch die natürlichen Wärmeverluste des Ofens in ca. 15 h.
Bestimmung der keramischen Daten der gebrannten Prüfkörper
Die an den Prüfkörpern angebrachten Schwundmarkierungen in Tonstrangrichtung und quer zur Tonstrangrichtung werden nach dem Brand zur Bestimmung der Gesamtschwindung (nass = > gebrannt) der Prüfkörper erneut ausgewertet. Aus der Trocken- und der Gesamtschwindung kann dann die Brennschwindung (trocken = > gebrannt) errechnet werden. Die Brenn- und Gesamtschwindungen werden bei kleineren Vollsteinprüfkörpern von 70 × 40 × 18 mm Größe quer zur Strangrichtung (TB) und an Prüfplättchen von 70 × 60 × 10 mm Größe in Strang – und quer zur Strangrichtung bestimmt. Zusätzlich werden alle Prüfkörper vor und nach dem Brand gewogen, um den Glühverlust zu bestimmen. Ein Prüfkörper jeder Brennreihe wird nach dem Brand geschnitten, um eventuelle Texturen und Restkerne von organischem Material erkennen und vermerken zu können. Zur Bestimmung der Wasseraufnahme und der Scherbenrohdichte wird ein Prüfkörper jeder Brennreihe in ein Gefäß mit destilliertem Wasser gegeben. Dieses wird bis zum Kochen erhitzt. Die Prüfkörper werden eine halbe Stunde lang gekocht und kühlen anschließend noch vier Stunden in dem Wasser ab. Nach erfolgtem Abkühlen wird das an den Prüfkörpern anhaftende Wasser vorsichtig entfernt und die Prüfkörper gewogen. Zusätzlich dazu erfolgt noch die Bestimmung des Prüfkörpergewichtes unter Wasser, um das Scherbenvolumen zu ermitteln. Aus diesen Daten wird dann die Wasseraufnahme und die Scherbenrohdichte bei jeder Garbrandtemperatur errechnet. Die Bestimmung der Feuerstandfestigkeit erfolgt an Stäben von 210 × 20 × 15 mm. Sie werden auf Auflagen mit einem Abstand von 200 mm bei den jeweiligen Brennversuchen mit in den Ofen eingesetzt. Einer der Stäbe wird dabei mittig mit einem Gewicht von 100 g belastet, um die Deformationsneigung unter Last zu ermitteln. Die Durchbiegung der Stäbe wird dabei vor und nach dem Brand bestimmt und ist ein wichtiges Maß für die Feuerstandfestigkeit. An einem weiteren Prüfkörper je Brennreihe wird schließlich bestimmt, ob in der gebrannten Probe noch ausblühfähige Salze vorliegen, die das Aussehen eines gebrannten Produktes beeinträchtigen würden. Dazu wird ein Prüfkörper um ein Viertel seiner Höhe in destilliertes Wasser gestellt und bis zur vollständigen Verdunstung des Wassers stehen gelassen. Das Ergebnis wird anschließend visuell beurteilt. Bei der Prüfung der Massen zur Herstellung von Hinter- oder Vormauerziegeln wird bei jeder Brennreihe ein zylindrischer Prüfkörper von ca. 30 mm Durchmesser mitgebrannt, dessen Endflächen vor dem Brand planparallel geschliffen wurden. An diesem Prüfkörper wird nach dem Brand die von der Masse erreichte Druckfestigkeit bestimmt. Dies gibt jedoch nur einen Anhaltspunkt für die tatsächlich erreichbaren Werte, da sich diese aufgrund anderer Geometrien, einer Lochung und anderer Vorspannungen nur an gebrannten Originalziegeln ermitteln lassen. Bei der Prüfung der Massen zur Herstellung von Dachziegeln, Pflasterklinkern und Bodenplatten wird die Bruchfestigkeit des gebrannten Materials ermittelt. Hierzu werden je Brennreihe zwei Prüfstäbe von 120 x 20 x 15 mm mitgebrannt. Diese werden nach dem Brand auf einem Biegefestigkeitsprüfgerät bei 100 mm Auflageabstand bis zum Bruch belastet. Aus Bruchlast und Bruchquerschnitt wird dann die Bruchfestigkeit errechnet.
Grundsätzlich erfolgen die Bestimmungen aller keramischen Daten weitestgehend nach den entsprechenden DIN bzw. EN Vorschriften.
Untersuchung im Laborgasofen:
Wie bereits bei der Beschreibung der Trocknungsuntersuchungen erwähnt ist es auch bei den Brennuntersuchungen äußerst wichtig, Versuche mit den entsprechenden getrockneten Originalformlingen durchzuführen. Hierzu stehen im Labor der Firma KELLER HCW zwei gasbefeuerte Öfen von 50 × 85 × 82 cm bzw. 90 × 90 × 150 cm (B × T × H) zur Verfügung. Die Öfen werden von einem Computer gesteuert und sind in der Lage, ein vorgegebenes Brennprogramm (Zeit, Temperatur, Sauerstoff- und CO-Gehalt) einzuhalten. Während der Brennversuche werden die Zusammensetzung der Atmosphäre, die Ofentemperaturen und die Temperaturen im Besatz gemessen und aufgezeichnet. Auch hier werden die Besatzarten, die Ofenreisezeit und die Atmosphäre der jeweiligen Programmschritte an die Erfordernisse der Anlage, der Masse und der Produkte angepasst. Nach dem Brand erfolgt, wie auch bei den Brennversuchen in den Elektroöfen die Bestimmung der Schwindungen und der Wasseraufnahmen und die Beurteilung der Brennergebnisse. Um einen Vergleich der Brennergebnisse mit den im Werk hergestellten Produkten zu erhalten, werden die Wasseraufnahmewerte auch an Originalziegeln aus dem Werk bestimmt, wann immer es möglich ist. In einem solchen Fall werden auch die Brennfarben zu einem Vergleich herangezogen.
Bestimmung des thermischen Verhaltens und der chemischen Analyse
STA (Simultanthermoanalyse – Differenzthermoanalyse mit integrierter Bestimmung des Gewichtsverlustes)
Bei der Simultanthermoanalyse handelt es sich um zwei miteinander kombinierte Geräte.
a) Die Differenzthermoanalyse
Hierbei wird eine geringe Menge (ca. 20 mg) der zu untersuchenden Substanz in einem Tiegel aus Al2O3 in einen mit Luft gespülten Rohrofen eingebracht. Zusätzlich dazu befindet sich in dem Ofen ein weiterer Tiegel mit einem auf Temperaturveränderung inerten Inhalt (Al2O3-Pulver). Beide Tiegel befinden sich auf je einem Thermoelement. Diese Elemente sind so miteinander verschaltet, dass nur Differenzen zwischen den beiden Elementen angezeigt werden. Da die Vergleichssubstanz inert ist, müssen alle Veränderungen zwangsläufig ihre Ursache in der Probensubstanz haben. Hier können endothereme (energieverbrauchende) Reaktionen in der Prüfsubstanz z.B. durch den Austritt von Wasser, oder die Aufspaltung von Kalk zu CaO und CO² festgestellt werden. Ebenso verhält es sich mit exothermen (energieabgebenden) Reaktionen z.B. Ausbrand der organischen Bestandteile. Durch eine entsprechende Kalibrierung des Gerätes mit standardisierten Eichproben kann hier eine relative genaue Bestimmung der Energieinhalte vorgenommen werden. Einen Sonderfall stellt dabei die Bestimmung des freien Quarzes in der Masse dar. Dieser erfährt bei etwa 575 °C (Abhängig von Korngröße und Aufheizgeschwindigkeit) eine Volumenveränderung, die während der Aufheizung endotherm ist. Da während des Aufheizens viele andere Reaktionen stattfinden kann der Quarz hier nur in seltenen Fällen festgestellt werden. Die Reaktion ist jedoch reversibel, d.h. der nach dem Brand noch in der Probe befindliche Quarz erlebt bei 575 °C dieselbe Volumenveränderung rückwärts und gibt dabei die bei der Aufheizung aufgenommene Energie wieder ab. Da dies die einzige Reaktion ist, die in der Kühlphase stattfindet, kann sie zur Bestimmung des Gehaltes an freiem Quarz verwendet werden.
b) Die Thermogravimetrische Analyse
Es werden die beiden bei der DTA beschriebenen Tiegel zusätzlich während des Versuches gewogen und alle Gewichtsveränderungen aufgezeichnet z.B. Wasserverluste aus Zwischenschichtwasser oder Kristallwasser, oder auch abgegebenes CO². Zusammen mit der DTA-Kurve und der Dilatometerkurve ergeben sich hieraus wichtige Hinweise für die Gestaltung der Brennkurve und den zu erwartenden Energieverbrauch.
TMA (Thermomechanische Analyse, Dilatometerkurve)
Zur Bestimmung der Längenänderung (Dilatation) wird ein aus dem zu untersuchenden Material hergestellter Prüfstab von etwa 20 mm Länge und 5 mm Durchmesser in eine Messvorrichtung eingesetzt, die sich in einem Rohrofen befindet und gebrannt. Alle Längenänderungen während des Versuches werden aufgezeichnet.
Zusammen mit der STA ergibt sich hieraus ein recht gutes Bild über den vorherrschenden Mineralgehalt in dem untersuchten Material.
Chemische Vollanalyse:
Die chemische Vollanalyse wird nicht im KELLER HCW-Keramiklabor bestimmt, sondern an ein zertifiziertes Labor weitergeben. Hier erfolgt in der Regel ein Schmelzaufschluss, bevor dann die Elementoxide röntgenografisch bestimmt werden. Bei der Bestimmung von Fluor und Chlor muss auf eine pulvrige Probe zurückgegriffen werden, da diese Elemente nach dem Schmelzaufschluss nicht bestimmt werden können. In diesem Labor steht gegebenenfalls auch ein Rasterelektronenmikroskop mit energiedispersiver Analyse zur Verfügung.
Sieb- und Sedimentationsanalysen:
Auch die Sedimentationsanalysen werden nicht im KELLER HCW-Keramiklabor durchgeführt. Sie werden ebenfalls von Fremdlabors durchgeführt. Einfache Siebanalysen können jedoch auch in unserem Labor durchgeführt werden.
Allgemeines:
"Alle in diesem Bericht enthaltenen Daten wurden aus den Materialien ermittelt, die uns zur Untersuchung vorlagen. Wir müssen davon ausgehen, dass diese Proben fachgerecht entnommen wurden und in ihrer Zusammensetzung dem Grubenquerschnitt, bzw. der Masse entsprechen. Veränderungen an der Massezusammensetzung haben in der Regel auch deutlich Veränderungen der keramischen Werte zur Folge. Für andere keramische Werte, die sich aufgrund von Schwankungen in der Grube oder anderer Massezusammensetzungen ergeben kann von uns naturgemäß keine Verantwortung übernommen werden. Zur Bestimmung der Schichtungen in der Grube sind in der Regel aufwendige geologische Untersuchungen notwendig, die von uns nicht Routinemäßig durchgeführt werden können.
Die in diesem Bericht an Laborprüfkörpern gemessenen Schwindungen sind nicht geeignet, um danach Abschneider oder Mundstücke zu fertigen. Sie zeigen bei im Betrieb hergestellten Produkten durch unterschiedliche Betriebsbedingungen (z.B. andere Anmachwassergehalte, Pressdrücke, Garbrandtemperaturen, Garbrandhaltezeiten, veränderte Massemischungen, Materialschwankungen in der Grube, unterschiedliche Formate usw.) deutliche Unterschiede zu den Laboruntersuchungen.
Auch die Garbrandtemperatur bezieht sich ausschließlich auf die im Labor gebrannten Proben. Sie muss im Tunnelofen bei der Inbetriebnahme vom Instrukteur entsprechend den Betriebsverhältnissen, der Massezusammensetzung und der Produktqualität sukzessive angepasst werden. Für die endgültige Höhe der Garbrandtemperatur ist die Produktqualität maßgebend, d.h. die am Tunnelofen eingestellte max. Brenntemperatur kann von den im Laborbericht erwähnten Brenntemperaturen abweichen."
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