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Mikrokieselsäure ist ein Nebenprodukt der Siliziummetallproduktion. Dies ist ein verdichtetes amorphes Pulver, gewonnen im metallurgischen Prozess von Silizium in einem elektrischen Lichtbogenofen. Es wird als Additiv zur Verbesserung der Eigenschaften von Beton- und Mörtelformulierungen verwendet.
Märkte und Anwendungen
Baustoffe und Bauwesen / Baukeramik, Beton- und Mörteladditive, Gipskartonplatten und Gipsadditive
Funktion
Rohstoffe und Halbprodukte
Zusatzstoffe für dichten Beton
Zusatzstoffe für Keramik
Zusatzstoffe zur Erhöhung der Festigkeit von Beton
Zusatzstoffe zur Verringerung der Saugfähigkeit von Beton
Zusammensetzung
Silizium
Segment
Chloralkali, Rohstoffe und Halbprodukte
Spezialprodukte / Spezialadditive
Mikrokieselerde, auch Mikrosilikastaub genannt, (CAS-Nummer 69012-64-2) ist eine feinkörnige, staubige Substanz, die aus der Herstellung von Ferrosilizium und metallischem Silizium in Hochtemperatur-Elektrolichtbogenöfen gewonnen wird. In der Industrie dient es als Mineralzusatz. Es hat eine weit verbreitete Anwendung in der Bauindustrie gefunden, wo es eine der wichtigsten Zusätze für Beton, Mörtel und auch Produkte auf Zementbasis ist. Durch den Einsatz von Mikrosilica wurden die größten Betonkonstruktionen der Welt geschaffen.
Mikrokieselerde und Silikastaub Microsilica sind Begriffe, die in Literatur und Industrie synonym verwendet werden. Diese Bezeichnungen beziehen sich auf Siliziumdioxid (SiO2) in amorpher Form, das zusätzlich geringe Mengen anderer Oxide, insbesondere Aluminium-, Calcium- und Eisenoxide, enthält. Mikrosilica liegt als weißes, graues oder fast schwarzes Pulver vor. Einzelne Moleküle sind amorphe Sphären, deren Durchmesser zwischen 0,1 und 0,2 μm liegt und im Vergleich zum Durchmesser von Zementkörnern bis zu 100-mal kleiner ist. Bei hohen Temperaturen bis zu 2000 °C ist Mikrosilica äußerst langlebig. Man muss beachten, dass Kieselstaub sowohl in Wasser als auch in organischen Lösungsmitteln unlöslich ist. Die spezifische Oberfläche von Mikrosilica muss zwischen 15 und 30 m2/g liegen. Die spezifische Oberfläche von Mikrosilica muss zwischen 15 und 30 m2/g liegen.
Es gibt zwei Arten von Mikrosilica: konzentriertes und nicht verdichtetes Siliziumdioxid. Diese beiden Formen unterscheiden sich in der Schüttdichte, einem äußerst wichtigen Parameter, der Mikrosilica charakterisiert. Die Schüttdichte wird ausgedrückt durch das Verhältnis der Masse des lose aufgeschütteten Materials und des von ihm eingenommenen Volumens unter Berücksichtigung der Freiräume zwischen den Molekülen. So liegt die Schüttdichte des Kieselstaubs bei 180 – 350 kg/m3, bei konzentrierten Formen hingegen bei 450 – 650 kg/m3.
Silikastaub ist ein Nebenprodukt, das bei der Herstellung von Silizium-Ferrosilizium-Legierungen in einem elektrischen Lichtbogenofen (Tauchofen) anfällt. Diese Legierungen bestehen aus hochreinem Quarz und Kohlenstoff. Mikrosilica wird auch als Nebenprodukt bei der Herstellung anderer Siliziumlegierungen wie Ferrochrom, Ferromangan, Ferromagnesium und Calciumsilizium eingefangen. Die Rohstoffe, die normalerweise in die Schmelze gelangen, sind metallurgischer Quarz, Koks, Hackschnitzel und Kohle. Sie werden über rotierende Füllrohre direkt in den Ofen geliefert. Dabei wird reines Silizium bei einer Temperatur von über 2000 °C gewonnen. Entscheidend für die Gewinnung von Silikastaub ist die Filterung der Gase, die aus den Öfen ausgestoßen werden, da sie sich darin befinden.
Auch die PCC-Gruppe hat Kieselstaub (CAS 69012-64-2) im Angebot. Der Absatz dieser wichtigen Komponente in der Baubranche wächst weiter. Der Hersteller von Mikrosilica in der PCC-Gruppe, PCC BakkiSilicon hf., befindet sich in Island. Es ist eine der umwelt- und klimafreundlichsten Produktionsanlagen. Die Nutzung natürlicher Energiequellen wie geothermische Ressourcen verringert die Treibhausgasemissionen um etwa zwei Drittel im Vergleich zu anderen Anlagen weltweit. Das in der PCC-Gruppe hergestellte Mikrosilica hat einen sehr niedrigen CO2-Fußabdruck im Vergleich zu den auf dem Markt erhältlichen Produkten. Dieser Effekt wird durch den Einsatz der weltweit neuesten Ferrosilizium-Produktionslinie erreicht.
Zeichnung Vergleich des CO2-Fußabdrucks von Mikrosilica-Produktion von PCC BakkiSilikon hf. mit anderen auf dem Markt verfügbaren Vergleichsprodukten.
In den letzten Jahren gewinnt der Zusatz von Kieselstaub zu Betonprodukten an Popularität. Der grundlegende physikalische Wirkmechanismus von Mikrosilica ist die Abdichtung der Mikrostruktur des Betons. Silikastaub mit einer stark zerkleinerten Struktur füllt die Zwischenräume zwischen den Zementkörnern, ähnlich wie bei Sand, der grobe Zuschlagstoffe versiegelt. Die Kieselerde in den Räumen reagiert als Pucolan-Reaktion (CSH-Phase beginnt sich zu bilden).
Es hat sich gezeigt, dass, wenn wir 15 % des Zements durch Mikrosilica ersetzen, die Dichtigkeit des Betons um ein Dutzendfaches erhöht wird. Dieser Effekt ist mit anderen Methoden äußerst schwierig zu erreichen. Aus diesem Grund ist Mikrosilica ein wichtiger Bestandteil der Mischung bei der Entwicklung von hochwertigen Betonen.
Das charakteristische Merkmal von Mikrosilica, nämlich die geringe Körnung, begünstigt eine dichtere Packung der Betonsubstanzen. Als Betonkomponente wird Kieselstaub oft in der ursprünglichen Form verwendet, d. h. in der Form, die von den Filtern bei der Herstellung von Eisen-Silizium-Legierungen aufgefangen wird. Immer beliebter werden auch die konzentrierte Form (entstanden durch die Behandlung von Mikrosilica) und pastöse Silica. Aufgrund der großen spezifischen Oberfläche, die Silikastaub charakterisiert, wird das zur Herstellung des Betons bestimmte Wasser an die Mikrosilikastaubkörner adsorbiert, was die Stabilität der resultierenden Betonmischung fördert. Dadurch kommt es zu einer Verringerung der Fließfähigkeit der Mischung. Um die richtige Konsistenz von Mikrosilica-Beton zu erhalten, ist auch der Einsatz von Super-Weichmachern erforderlich.
Es ist wichtig, das richtige Verhältnis von Wasser zu Zement zu Mikrosilica zu halten. Der Preis des erhaltenen Betons steigt je nach Menge des zugesetzten Silikastaubs, aber ein zu hoher Anteil wirkt sich negativ auf das Endprodukt aus. Die richtigen Proportionen sind von entscheidender Bedeutung. Der günstigste Mikrosilica-Gehalt liegt sowohl hinsichtlich der Eigenschaften des Endprodukts als auch hinsichtlich der Kosten zwischen 5 und 10 %.
Die Mikrosilica-Produktion von PCC BakkiSilicon erfüllt alle Anforderungen gemäß der geltenden Norm PN-EN-13263-1. Es hat einen SiO2-Gehalt im Bereich von 80-95 %, Al2O3 bis 0,3 %, C bis 1,8 %, CaO bis 0,7 %, Fe2O3 bis 0,1 %, K2O bis 0,4 %, MgO bis 0,2 % und Na2O bis maximal 0,1 %
Verbesserung der mechanischen Eigenschaften
Silikastaub kann die Hohlräume zwischen den übrigen Betonbestandteilen füllen und eine kristalline Phase im verhärteten Beton bilden (durch eine Pucolanreaktion). Dadurch ist der Beton mit Mikro-Silica-Zusatz dichter. Dies ist mit der Unterbrechung der Kapillaren im Beton und gleichzeitig mit der Störung seiner Kapillarporosität verbunden. Dieser Prozess trägt wesentlich zur Verbesserung der mechanischen Parameter des Betons (z. B. Druckfestigkeit) bei.
Erhöhung der Haftung des Mörtels an den Körnern des Aggregats
Die Zugabe von Microsilica erhöht die Haftung und verringert die Porosität der Kontaktzone zwischen Gesteinskörnung und Mörtel. Durch physikalische und chemische Einflüsse wird die Mikrostruktur günstig verändert. Gleichzeitig wird die Porosität im Kapillarporenbereich deutlich reduziert. Die Änderung der Porenstruktur wird als Hauptfaktor angesehen, der Eigenschaften wie Dichtheit und Haltbarkeit des Betons beeinflusst.
Beständigkeit gegen aggressive Chemikalien
Die Erhöhung der Dichtheit des Betons führt direkt zu einer Verbesserung der Beständigkeit gegen chemische Korrosion. Aggressive Substanzen aus der Umwelt haben es viel schwerer, in die Betonstruktur einzudringen. Silikastaub reduziert das Risiko, das beispielsweise mit der zerstörerischen Wirkung von sulfatreichen Wässern verbunden ist, und der Grund für ihre Haltbarkeit kann in einem relativ niedrigeren Gehalt an Calciumhydroxid in Kombination mit einer gepackten, dichten Struktur angegeben werden.
Korrosionssschutz
Die verringerte Mikrosilica-Permeabilität bietet Schutz gegen das Eindringen von Chloridionen und verlängert die Zeit, in der Chloridionen die Stahlstange erreichen und Korrosion verursachen. Darüber hinaus hat Mikrosilikatbeton einen viel höheren elektrischen Widerstand und verlangsamt dadurch die Korrosionsrate. Dieser kombinierte Effekt erhöht die Lebensdauer der Struktur um das 5- bis 10-fache.
Widerstand gegen Abrieb
Die Abriebfestigkeit von Beton mit Mikrosilika ist sehr hoch. Der Einsatz im Straßen- und Grundbau spart Zeit und Geld. Die Widerstandsfähigkeit des Betons gegen hydraulischen Abrieb wird ebenfalls verbessert und eignet sich daher hervorragend für den Bau von Staudämmen.
Mikrosilica wird nicht nur als Zusatzstoff für Beton, vor allem für Hochbetone und spezielle Verbundwerkstoffe, sondern auch für eine breite Palette von Produkten und Anwendungen verwendet. Hier sind einige davon:
Erwähnenswert ist der Rohstoff Mikrosilica weiß. In seiner Zusammensetzung enthält es neben etwa 95 % Siliciumdioxid und anderen Oxiden auch Zirkonoxid mit einem Gehalt von bis zu 3 %. Dieses Produkt zeichnet sich durch seine feine Körnung aus, wodurch es sehr reaktiv ist. Es wird hauptsächlich als Additiv zu feuerfesten Materialien verwendet, um deren rheologischen Eigenschaften zu verbessern und ihre Lebensdauer zu verlängern.
Silikastaub spielt bei der Betonherstellung zweifellos eine wichtige Rolle. Das Baugewerbe ist somit der wichtigste Industriezweig, in dem es verwendet wird, und dies regelt auch Aspekte wie Nachfrage und Preis. Laut MarketsandMarketsTM stieg der Marktwert von Mikrosilica zwischen 2015 und 2020 auf 563,09 Mio.USD pro Jahr. Der Weltmarkt hat in den letzten Jahren ein deutliches Wachstum verzeichnet. Der Verkauf dieses Rohstoffs steigt, da er eine hohe Korrosionsbeständigkeit, hohe Festigkeit und Langlebigkeit der Produkte gewährleistet.
Im Nahen Osten und in Afrika sowie im asiatisch-pazifischen Raum besteht eine große Nachfrage nach Kieselstaub, da er für U-Bahnlinien, Tunnel und Hochhäuser verwendet wird. Händler und Hersteller von Mikrosilica finden dort eine steigende Nachfrage nach ihren Waren. Länder wie die Vereinigten Arabischen Emirate und Saudi-Arabien sind Marktführer im Nahen Osten und in Afrika, wobei die Vereinigten Arabischen Emirate bereits den größten Anteil am Mikrosilica-Verbrauch haben. In Europa ist der Verkauf von Mikrosilica verhältnismäßig gering. Das geschätzte Wachstum des Marktes und des Preises für Silicastaub ist im asiatisch-pazifischen Raum und danach im Nahen Osten am stärksten.