044_048 HA 230 Drechsler.qxd

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Lang anhaltend schöne Dächer mit Dachsteinen, die mit einem mehrlagigen Extrusionsverfahren hergestellt wurden
Durably beautiful roofs with roof tiles manufactured by multiple-layer extrusion
Dachsteinherstellung
Mehrlagige Extrusion für hochwertige
Dachsteinoberflächen
Dachsteine sind seit vielen Jahren ein beliebtes
Material zur Dacheindeckung. Sie teilen sich mit
Dachziegeln zu einem hohen Prozentsatz den Markt
für geneigte Dächer. Neben guten Anwendungseigenschaften liegen die Vorteile der Dachsteine in
ihrer Herstellung. Moderne Produktionsanlagen
erlauben eine hohe Produktionsgeschwindigkeit mit
bis zu 150 Stück in der Minute. Dabei ist die Produktion praktisch abfallfrei. Dachsteine haben eine
lange Lebensdauer, die z. B. der Hersteller Lafarge
Dachsysteme mit einer 30-jährigen Garantie gemäß
besonderer Urkunde belegt. In den letzten Jahren
wurde insbesondere das Alterungs- und Anschmutzverhalten der Dachsteinoberflächen weiterentwickelt. Weitere Innovationen bei der Herstellung
geben den Kunden zusätzliche Nutzeigenschaften.
Dr. Andreas Drechsler, University Hamburg, PHD as Chemist.
With Lafarge for 15 years. Responsibilities: Concrete group in
Braas Laboratory, Central Laboratory in Braas, Process Development in Technical Centers,
Concrete tile surfaces in Technical Centers.
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Concrete roof tile production
Multiple-layer extrusion
gives high-quality roof
tile surfaces
For many years now, concrete roof tiles have been a
popular material for covering roofs. Together with
clay roof tiles, they make up a high percentage of
the market for pitched roofs. Apart from their good
application properties, the advantages of concrete
roof tiles are to be found in the way they are produced. Modern production facilities allow a high
production rate of up to 150 tiles per minute. And
there is practically no waste during production.
Concrete roof tiles have a long useful life as is evidenced for example by the fact that the manufacturers, Lafarge Dachsysteme (Roof Systems), provide a
30-year guarantee as defined in a separate certificate. In recent years, the ageing behaviour and the
resistance of the concrete tile surfaces to dirt and
algae have been further improved. Additional innovations in production give the customer the benefit
of additional properties in use.
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Roller/Roller
Slipper/Slipper
Stachelwelle
Sprocket shaft
Messer
Blades
Extrusionsrichtung
Direction of extrusion
Bild 1. Dachsteinring
Fig. 1. Tile circuit
Dachsteine werden fast ausschließlich in einem Strangextrusionsverfahren auf Aluminiumformen hergestellt. Die Aluminiumformen laufen auf einer ringförmigen Anlage. Man nennt
daher Dachsteinfertigungsanlagen häufig „Dachsteinringe“.
Dabei werden zunächst die Dachsteinunterformen (Pallets) auf
einem Förderband zu einem Endlosstrang gruppiert. Auf die
Oberseite des Pallets wird ein biologisch abbaubares Trennmittel aufgebracht, das nach der Aushärtung der Steine ein Lösen
des Betons von der Unterform erlaubt. Ein Palletstrang fährt
dann in die Dachsteinmaschine, die eine dünne Schicht Beton
auf den Strang extrudiert.
Die Pallets bilden die Unterseite des zukünftigen Dachsteins
und die Werkzeuge des Mundstückes (Slipper) die Oberseite.
Dieser Strang wird anschließend synchron mit den Unterformen in Stücke geschnitten.
Eine erste Beschichtung dient als Schutz vor Ausblühungen.
Anschließend werden die Dachsteine auf den Unterformen
zum Aushärten in Wärmekammern gestellt. Je nach Produktionsverfahren werden die Steine für 6 bis 24 Stunden in den
Kammern belassen. Danach werden sie von der Unterform
getrennt. Während die Formen zurück in die Produktion laufen, werden die Dachsteine ein weiteres Mal beschichtet,
getrocknet und verpackt.
Pallet
(Unterform)
Pallet (lower
mould)
Bild 2. Schematische Darstellung der wichtigsten
Elemente einer Dachsteinmaschine
Fig. 2. Schematic diagram showing the most important
elements of the tile machine
Concrete roof tiles are produced almost exclusively in an extrusion process on aluminium pallets. The aluminium pallet
moulds rotate round a circular facility. That is why these facilities for the production of concrete roof tiles are often called
the “tile circuit“.
Here, the lower tile pallets are first grouped together on a conveyor belt to form a continuous string. A biologically degradable parting agent is applied to the upper side of the pallet
enabling the concrete to be separated from the lower pallet
moulds when the tiles have been cured. One string of pallets
then passes into the tile machine, which extrudes a thin coating of concrete on to the string.
The lower pallet moulds form the underside of the future roof
tiles and the tools of the slippers form the upper side. This
string is then synchronously divided into parts together with
the lower moulds.
An initial coating serves to protect against efflorescence or
blooming. The concrete tiles are then placed in curing chambers on the lower pallet moulds to cure. Depending on the
production process, the tiles remain in the chambers for 6 to
24 hours. They are then separated from the lower pallet
moulds. While the moulds are being returned to production,
the concrete roof tiles are once more coated, dried and
packed.
Dachsteinrezepturen
Für die Herstellung von Dachsteinen können gewaschene
Quarzsande, Portlandzement, anorganische Buntpigmente wie
Eisenoxide und Wasser eingesetzt werden. Eine ganz einfache,
aber sehr robuste Rezeptur ist z. B.:
n Quarzsand 0 bis 4 mm
n CEM I 42,5R (S/Z = 3,6)
n Wasser (W/C = 0,4)
n Eisenoxidpigment Bayferrox 110
Die Mischungen sind erdfeucht und müssen mit hoher Energie
verdichtet werden. Bild 3 zeigt die Dichteverteilung eines
Dachsteines. Es ist deutlich zu sehen, dass die Dichte über dem
Stein Schwankungen unterworfen ist. Die Schwankungen werden maßgeblich durch die Korngrößenverteilung und die
Zusammensetzung der Sande bestimmt. Für die Dachsteinproduktion sind Sande mit gleichmäßigem Kornaufbau von
0 bis 4 mm ideal. Sie sollten arm an abschlämmbaren Bestandteilen und frei von Tonmineralien sein. Qualitativ hochwertige
Sande werden in Deutschland seltener und sind in einigen
anderen Ländern überhaupt nicht anzufinden. Splittige
Brechsande haben zwar gute Festigkeitseigenschaften,
erschweren es jedoch, glatte, geschlossene Oberflächen zu
erzeugen, die insbesondere in Deutschland nachgefragt werden.
Durch eine mehrlagige Extrusion werden die Einflüsse der verschiedenen Sandkörnungen ausgeglichen. Die Sande in der
oberen Schicht können gezielt für glatte, dauerhaftere Oberflächen optimiert werden, während die Unterschicht zum Bei-
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Concrete roof tile composition
Washed silica sands, Portland cement, inorganic colour pigments such as iron oxides, and water are used to produce concrete roof tiles. A really simple but very robust composition is,
for example:
n Silica sand 0 to 4 mm
n CEM I 42.5R (S/Z = 3.6)
Bild 3. Dichteverteilung eines Dachsteines in der
Draufsicht
Fig. 3. Distribution of concrete density in a concrete roof tile
in top view
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Bild 4. Schnitt einer 50/50-Extrusion mit schlechter Kontrolle der Lagen (für Demonstration unterschiedlich pigmentiert)
Fig. 4. Section through a 50/50 extrusion with poor control of the layers (with different pigmentation for demonstration purposes)
spiel gezielt auf hohe Biegezugfestigkeit entwickelt werden
kann.
Mehrlagige Extrusion
Diese technische Innovation begann mit einer zweilagigen
Extrusion. Während der Anfangszeit lag eine besondere Herausforderung darin, die Schichtstärke der einzelnen Lagen zu
kontrollieren. Hauptursache hierfür waren Verwirbelungen
während der Extrusion. Bild 4 zeigt einen Teststein, bei dem
zur besseren Verdeutlichung in den beiden Schichten unterschiedliche Pigmente eingesetzt wurden. Das Verfahren
erlaubt, in der auf dem Dach sichtbaren Oberseite die Pigmentierung zu erhöhen.
Durch die verbesserte Kontrolle der Schichtstärke kann das
Spektrum der einzusetzenden Sande erweitert werden.
Die verbesserte Überprüfung der Schichtstärke ermöglichte es,
den Umfang der Oberschicht weiter zu optimieren. Gleichzeitig wurden die Rezepturen angepasst. Die Mischungen wurden zementreicher und der Sand feiner. Bereits bei einer Oberschicht von 2 mm Dicke konnten hier sehr feine Sande
verwendet (< 1 mm) werden. Dadurch wurde es erstmalig
möglich, sehr glatte, porenfreie Oberflächen zu erzeugen.
Heute werden die Oberschichten auf praktisch beliebige Werte
eingestellt. Als ideal haben sich Dicken um einen Millimeter
erwiesen. Die Schicht ist bereits so dick, dass während der
gesamten Nutzungsdauer keine Freilegung des Grundkörpers
erfolgt. Sie ist jedoch so dünn, dass die qualitativ höherwertige
und somit teure Mischung der Oberschicht eine vertretbare
Bild 5. Schnitt durch zweilagig extrudierte Dachsteine
(für Demonstration unterschiedlich pigmentiert)
Fig. 5. Section through two-layer extruded concrete tiles
(with different pigmentation for demonstration purposes)
n Water (W/C = 0.4)
n Bayferrox 110 iron oxide pigment
The mixtures are earth-moist and have to be compressed with
high energy. Figure 3 shows the distribution of concrete density within a roof tile. It can be clearly seen that the density is
subject to fluctuations across the tile. These fluctuations are
influenced to a decisive degree by the grain size distribution
and the composition of the sands. Sands with uniform grain
structures from 0 to 4 mm are ideal for the production of concrete roof tiles. They should be low in settleable solids and free
of clay minerals. Qualitatively high-grade sands are becoming
ever rarer in Germany and cannot be found at all in some
other countries. While crushed sands do admittedly possess
good strength properties, they make it difficult to obtain the
smooth, closed surfaces which are in demand in Germany in
particular.
By virtue of multiple-layer extrusion, the effects of the different
sand grains are cancelled out. The sands in the upper layer can
be optimized specifically to obtain smooth, more durable surfaces whereas the lower layer can, for example, be specifically
developed for high bending tensile strength.
Multiple-layer extrusion
This technical innovation began with two-layer extrusion. During the initial period, there was a particular challenge to control the layer thickness of the individual layers. The main reason for this was turbulence during extrusion. Figure 4 shows a
test tile with different pigments in the two layers to show the
differences between the two layers more distinctly. This
process allows pigmentation of the upper side of the tile,
which is visible on the roof, to be intensified.
Thanks to better control of the layer thickness, the spectrum of
the sands which can be used can be extended.
Improved examination of the layer thickness made it possible
to further optimize the outer periphery of the top layer. At the
same time, the compositions were adapted. The mixtures
became richer in cement and the sand finer. Even with top
layers 2 mm in thickness, it was possible to use very fine sands
(< 1mm). This enabled very smooth, pore-free surfaces to be
obtained for the very first time. Today, the top layers can be
set to practically any values. Thicknesses of around one mil-
Bilder 6 und 7. Licht- und rasterelektronenmikroskopische Aufnahme der Grenzfläche
Figs. 6 and 7. Optical and scanning electron microscopy photographs of the interface
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Bild 8. Freibewitterung am Standort Heusenstamm von
Lafarge Roofing
Fig. 8. Weathering station at the Heusenstamm site of Lafarge
Roofing
Bild 9. Die Steine werden in einem Windtunnel extremen
Witterungsbedingungen ausgesetzt
Fig. 9. The tiles are exposed to extreme weather conditions in a
wind tunnel
Erhöhung der gesamten Materialkosten verursacht.
Bild 6 und 7 zeigen licht- und rasterelektronenmikroskopische
Aufnahmen der Schichten. Beim Extrudieren verbindet der
hohe Druck sie untrennbar miteinander.
limetre have been shown to be ideal. The coating is already so
thick that the base material cannot become exposed throughout the entire useful life of the tile. At the same time, it is so
thin that the qualitatively higher-grade, and therefore more
expensive, mixture in the top layer represents a justifiable
increase in the overall costs of materials.
Figs. 6 and 7 show optical and scanning electron microscopy
photographs of the coatings. During extrusion the high pressure forms an inseparable bond between them.
Performance
Neben den Grundanforderungen an Regensicherheit, Sturmfestigkeit und Tragfähigkeit ist die Dauerhaftigkeit der mehr-
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Performance
Tabelle 1. Übersicht über Testergebnisse (FTW = Frost-Tau-Wechsel)
Table 1. Overview of test results (FTW = freeze-thaw cycling)
Eigenversuche
In house tests
DIN/EN
1990
1996
ab 2000
from 2000
FTW-Beständigkeit des Körpers
FTW resistance of the base material
25 Zyklen
cycles
> 1000 Zyklen
cycles
> 1000 Zyklen
cycles
> 1000 Zyklen
cycles
FTW-Beständigkeit der Oberfläche
FTW resistance of the surface
–
350 Zyklen
cycles
500 Zyklen
cycles
> 700 Zyklen
cycles
Säurebeständigkeit der Oberfläche
Acid resistance of the surface
–
800 h
1200 h
> 1600 h
UV-Beständigkeit/Resistance to UV
–
200 h
500 h
> 800 h
lagigen Steine ein wichtiges Entwicklungskriterium. In den
weltweit sechs Bewitterungsstationen von Lafarge Roofing
werden Dachsteine bewittert und parallel Wetterdaten aufgezeichnet.
Diese Daten werden genutzt, um eigene Simulationsprogramme zu entwickeln. Dadurch ist eine Vorhersage der Dauerhaftigkeit des Produktes möglich.
Die wesentlichen Witterungseinflüsse, denen Dachsteine ausgesetzt werden, sind Frost, saurer Regen und UV-Strahlung.
Die nachstehende Tabelle zeigt die gestiegene Leistungsfähigkeit der Dachsteine durch die Entwicklung der mehrlagigen
Extrusion.
Die Frost-Tau-Wechselbeständigkeit des Dachsteins befindet
sich seit den Anfangstagen der industriellen Dachsteinherstellung auf extrem hohem und sicherem Niveau. Sie stellt die
Basis für die langjährige Produktgarantie der Dachsteine dar,
die Lafarge Dachsysteme in Deutschland gibt.
Die Bewitterungseigenschaften der Oberflächen haben sich
deutlich verbessert. Die glatten und sehr dauerhaften Oberflächen stellen den geeigneten Untergrund für deutlich höherwertige Beschichtungssysteme dar. Frost-, Säure- und UVBeständigkeit wurden insgesamt deutlich verbessert.
Der innovative Einsatz von Bindemitteln in der Oberschicht
lässt weitere Verbesserungen in der Zukunft erwarten und wird
Dachsteine in neue Bereiche vordringen lassen.
Andreas Drechsler, Heusenstamm
Vorschau Schwerpunktthemen
Upcoming Issue Themes
August
August
Fertigteilbau
Precast Construction
Befestigungs- und
Bewehrungstechnik
Anchoring and Reinforcement Technology
H 1741
6 | 2003 |
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September
September
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Schalungen und Formen
Molds and Formw0rk
69 Jahrgang
| Volume
|
obsessed
In addition to the basic requirements for protection against
rain, resistance to storms and load-bearing capacity, the durability of the multiple-layer tiles is an important development
criterion. In the six Lafarge Roofing weathering stations
throughout the world, concrete roof tiles are weathered and
parallel data plotted.
These data are used to develop our own simulation programmes. This enables predictions to be made on the durability of the product.
The main effects of weather to which concrete roof tiles are
exposed are frost, acid rain and UV radiation. The following
table shows the increased performance efficiency as a result of
the development of multiple-layer extrusion.
The resistance of the concrete roof tile to freeze-thaw cycling
has been at an extremely high and safe level since the early
days of industrial concrete tile production. It provides the basis
for the product guarantees on concrete roof tiles given by
Lafarge Dachsysteme in Germany.
The weathering properties of the surfaces have been distinctly
improved. The smooth and highly durable surfaces provide the
right foundation for distinctly higher-grade coating systems.
The overall resistance to frost, acid and UV radiation has been
considerably improved.
The innovative use of binding materials in the top layer allows
the prospect of further improvements in future and concrete
roof tiles will be able to find their way into more new areas of use.
Dr. Andreas Drechsler
Manager Process Development and Plant Support
Lafarge Roofing Technical Centers GmbH
Rembrücker Str. 50
63150 Heusenstamm / Germany
% +49 (0) 61 04 / 93 72 11
Fax: +49 (0) 61 04 / 93 75 00
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