DE19501100C2

DE19501100C2 - Spritzbetonbindemittelmischung

Info

Publication number: DE19501100C2
Application number: DE1995101100
Authority: DE
Inventors: Udo Ludwig; Martin Kanig; Wolfgang Moeller
Original assignee: READYMIX ZEMENTWERKE; Promineral Gesellschaft zur Verwendung von Mineralstoffen mbH
Current assignee: Readymix Westzement 59269 Beckum De GmbH; Knauf Gips KG
Priority date: 1995-01-16
Filing date: 1995-01-16
Publication date: 1999-10-21
Anticipated expiration: 2015-01-17
Also published as: DE19501100A1

Description

Die Erfindung betrifft eine im wesentlichen aus mineralischen Bindemitteln bestehende Bindemittelmischung zur Herstellung von Spritzbeton insbesondere für das Trockenspritzverfahren, vor nehmlich für den Tunnelbau, zur Sicherung von Baugruben und von Hängen.

Beim Trockenspritzverfahren wird ein trockenes Baustoffgemisch aus Zement und Zuschlagstoff von einer Betonspritzmaschine ver mischt mit Druckluft (Dünnstromverfahren) zur Einbaustelle ge fördert. An der Spritzdüse erfolgt eine Wasserzugabe. Zusatz mittel, wie insbesondere Erstarrungsbeschleuniger, können dem Baustoffgemisch in Pulverform zugesetzt werden; sie werden aber überwiegend in flüssiger Form ebenfalls erst an der Spritzdüse zugegeben und in den Baustoffgemischstrom eingespritzt.

Als Bindemittelmischung für Spritzbeton sind derzeit nur der Norm entsprechende Zemente zugelassen. Der Spritzbeton muß nach dem Auftrag bzw. dem Verspritzen an der Auftragsstelle einen dauerhaften Verbund mit dem Untergrund eingehen, einen in sich homogenen Baukörper bilden und deswegen sofort und schnell erstarren. Der Regelung des Erstarrungsverhaltens kommt somit besondere Bedeutung zu. Die Druckfestigkeitsentwicklung für den "jungen" Spritzbeton soll daher bei Wasserzementwerten (W/Z) um 0,6 zwischen 1 und 9 N/mm² betragen. Die Druckfestigkeit nach 28 Tagen soll der eines Betons B25 entsprechen.

Mit den bekannten Spritzbetonen können zwar die Festigkeitsan forderungen erfüllt werden, das Endprodukt weist aber nachteili ge Eigenschaften auf, die insbesondere aus der Wirkung der be kannten üblicherweise verwendeten Erstarrungsbeschleuniger, wie Wasserglas, NaAlO₂-Lösungen oder dergleichen resultieren. Die Er starrungsbeschleuniger erzeugen mit Wasser ein Milieu hoher Alkalität bzw. Basizität, das stark ätzend wirkt und dadurch die Bedienpersonen beim Spritzen gefährden kann. Zum Schutz der Bedienpersonen sind bezüglich der Arbeitshygiene relativ hohe Aufwendungen erforderlich. Außerdem beeinträchtigen diese Er starrungsbeschleuniger meist auch noch die Endfestigkeit des Spritzbetons. Ein wesentlicher Nachteil der bekannten Erstar rungsbeschleuniger aber ist, daß sie auch im erhärteten Spritz betonstein bzw. in der Spritzbetonschale ein stark basisches Milieu aufrechterhalten, das Auslaug- und Ausfallreaktionen bei Kontakt mit Berg- oder Grundwasser begünstigt. So können z. B. Alkalien freigesetzt oder lösliche Bestandteile aus dem Spritz betonstein, wie Calciumhydrogencarbonat und Calciumhydroxyd, ausgelaugt und bei Kontakt mit Kohlensäure, die durch die Luft oder das Wasser vorgehalten werden, schwer lösliches Calciumcar bonat bilden. Derart ausgefälltes Calciumcarbonat führt z. B. zur raschen Versinterung bzw. Verstopfung von Dränageleitungen eines Tunnels. Das Vorhandensein der leichtlöslichen, insbesondere aus den Erstarrungsbeschleunigern stammenden Erdalkalihydrate in der Matrix des Spritzbetonsteins begünstigt derartige Auslaugungen und Ausfällungen besonders. Die zur Beseitigung einer Versinte rung aufzuwendenden Reinigungsarbeiten an den Dränageleitungen eines Tunnels sind sehr aufwendig. Schließlich verursachen die bekannten Erstarrungsbeschleuniger einen hohen Kostenanteil von z. B. 1-6%, bezogen auf die Bindemittelmischungskosten.

Es ist daher versucht worden, Erstarrungsbeschleuniger zur Ver fügung zu stellen, die keine so hohe Alkalität verursachen. Beispielsweise wird vorgeschlagen, kolloidale Kieselsäure zu verwenden. Dabei treten aber andere spritztechnische Nachteile, wie unverwünschte Thixotropie, in der frischen Spritzbetonmasse auf. Ein weiterer Vorschlag ist, gipsfreie oder gipsarme Zemente zu verwenden. Diese Zemente weisen aber eine äußerst geringe Lagerstabilität auf. Sie müssen gesondert gelagert und dabei gegen Feuchtigkeit geschützt werden. Außerdem liegt deren bau praktische Erstarrungszeit ungünstig und die Frühfestigkeit zu niedrig. Beispielsweise werden derartige Bindemittel in der DE 33 40 681 C2 und DE 40 27 332 A1 beschrieben.

In der DE 38 43 625 C2 wird ein nach dem Anmachen mit Wasser schnell erstarrendes, hydraulisches Bindemittel mit definierter Wasserfestigkeit der daraus hergestellten erhärteten Masse be schrieben, bei dem zur Erzielung einer hohen Früh- und Endfe stigkeit die Bindemittelkomponenten α-Halbhydratgips und gemah lener Hüttensand verwendet werden. Für die Verwendung als Spritzbeton, insbesondere in wasserführenden Gesteinsschichten, ist die Wasserundurchlässigkeit eines derartigen gipsreichen, in Spritzbeton eingesetzten Bindemittels nicht ausreichend.

In der DE 30 49 003 wird eine hydraulische anorganische Masse beschrieben, welche zu 80 Gewichtsteilen aus gemahlenem Hütten sand und zu 20 Gewichtsteilen aus Calciumsulfat-Halbhydrat oder -Anhydrit besteht und desweiteren als Additiv alkalische Här tungshilfsmittel und neutrale Härtungsbeschleuniger enthält. Die Masse härtet rasch, wobei eine nennenswerte Ausdehnung auf tritt. Eine besondere Eignung dieses Bindemittels für Spritzbe ton ist der Schrift nicht zu entnehmen.

Die DE 44 10 850 beinhaltet ein Bindemittel auf Basis Hütten sand und Alphahalbhydrat sowie bis zu 5 Gew.-% reaktive Alumi nate zur Herstellung von wasserfestem Fließestrich. Ein Fließ estrichbindemittel ist gekennzeichnet durch einen verzögerten Erstarrungsbeginn und ein relativ langes Erstarrungsintervall und somit für Spritzbetonanwendung ungeeignet.

Das in der DE 37 01 717 beschriebene Bindemittel auf Basis von i. w. Hochofenschlacke sowie einem Calciumsulfatträger zeichnet sich ebenfalls durch ein verzögertes Erstarrungs- und Erhär tungsverhalten aus, welches hier ohne Einsatz von Verzögerungs mitteln auftritt, und ist somit für Spritzbeton nicht verwend bar.

Aufgabe der Erfindung ist eine arbeitshygienisch einwandfreie, preiswerte Bindemittelmischung für den eingangs angegebenen Zweck zu schaffen, mit der auslaugungs- und ausfällungssicherer Spritzbeton herstellbar ist, und die lagerstabil ist, wobei der Erstarrungsbeginn und die Verarbeitungszeit durch kombinierte Beschleuniger und Verzögerer sowie optimal auf den jeweiligen Anwendungsfall bezogene Festigkeitsentwicklungen gesteuert ge währleistet werden können.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung werden in den Unter ansprüchen gekennzeichnet.

Ein aus der erfindungsgemäßen Bindemittelmischung hergestellter Spritzbeton erfüllt alle Anforderungen nach der einschlägigen Norm, insbesondere bezüglich der Festigkeitsentwicklung. Der Erstarrungsbeschleuniger befindet sich als Trockenkomponente bereits in der Bindemittelmischung, so daß die Verarbeitungs technik im Vergleich zum Zusetzen eines flüssigen Erstarrungs beschleunigers erst an der Spritzdüse einfacher ist. Nach dem Anmachen mit Wasser und in der Betonsteinmatrix ergibt sich ein relativ niedriges alkalisches Milieu. Zur Gewährleistung der optimalen Festigkeitsentwicklung stehen mehrere Parameter, insbesondere die Zusatzmenge des Erstarrungsbeschleunigers und die Feinheit der Mischungspartner zur Verfügung. Die Mischungen sind baustellenspezifisch kurzfristig herstellbar, weil sie aus handelsüblichen Bestandteilen unmittelbar zusammengemischt wer den können. Aus der neuen Bindemittelmischung hergestellte Spritzbetonkörper weisen eine extrem hohe Wasserundurchlässig keit auf.

Erfindungsgemäß enthält die Bindemittelmischung im wesentlichen, zwingend α-Halbhydratgips, gemahlenen Hüttensand und gemah lenen Portlandzementklinker sowie zur Erstarrungsregulierung mindestens einen Erstarrungsbeschleuniger und einen Erstarrungs verzögerer für den Gips. Wahlweise kann die Bindemittelmischung zudem noch Tonerdezement, mindestens einen natürlichen und/oder künstlichen Puzzolan und mindestens einen natürlichen und/oder künstlichen inerten Füllstoff enthalten. Diese Mischungspartner werden wie folgt zusammengemischt oder durch gemeinsames Ver mahlen zusammengebracht.

25-40, insbesondere 25-35 Massenteile α-Halbhydratgips
45-70, insbesondere 50-70 Massenteile Hüttensand
5-15, insbesondere 6-13 Massenteile Portlandzement klinker,

wobei die Summe dieser Mischungspartner jeweils auf 100 Massen teile abgestellt wird. Der jeweiligen Bindemittelmischung werden zur Erstarrungsregulierung des Gipses in Pulverform zugesetzt:

a) als Erstarrungsbeschleuniger
0,2-10, insbesondere 0,4-8 Massenteile Calciumsul fat-Dihydrat und/oder
0,2-1 Massenteile mindestens eines leichtlöslichen Sulfats
b) als Erstarrungsverzögerer
0,01-0,5 Massenteile eines organischen, an sich bekannten Erstarrungsverzögerers.

Wahlweise kann die Bindemittelmischung zudem enthalten

0-5, insbesondere 2-4 Massenteile Tonerdezement
0-20, insbesondere 5-15 Massenteile natürliche und/oder künstliche Puzzolane
0-15, insbesondere 4-13 Massenteile natürliche und/oder künstliche inerte Füllstoffe.

Als α-Halbhydratgips wird insbesondere ein feinteiliger Gips verwendet, der nach der DE 38 16 513 A1 oder DE 38 19 652 A1 gewonnen wird. Dieser Gips kann mit unterschiedlichem Erstar rungsverhalten hergestellt werden, so daß durch eine gezielte Auswahl dieses Gipses insoweit schon ein vorherbestimmbares Erstarrungsverhalten gewährleistbar ist. Der α-Halbhydratgips wird mit einer Kornfeinheit von 2.000-5.000, insbesondere von 3.000-4.000 cm²/g nach BLAINE verwendet.

Hüttensand wird zweckmäßigerweise als Mehl mit einer Feinheit von 3.000-6.000, insbesondere von 4.000-5.000 cm²/g nach BLAINE eingesetzt.

Der Portlandzementklinker wird als vermahlener Portlandzement klinker mit normaler Zementfeinheit oder in Form von normalem Portlandzement oder Hochofenzement verwendet. Der Portlandzementklinker dient zum einen zur alkalischen Anregung des Hüttensandmehles und zum anderen als Reaktionspartner für das Hüttensandmehl und den α-Halbhydratgips, wobei festigkeits tragender Ettringit gebildet wird. Dementsprechend werden vor zugsweise calciumaluminatreiche (C₃A-reiche) Portlandzementklin ker bevorzugt.

Die Schwankungsbreite der errechneten Gehalte der einzelnen Klinkerphasen von Zementen sind beispielsweise im "Zementta schenbuch" (48. Auflage, S. 52, Bauverlag Wiesbaden-Berlin) mit entsprechenden Höchst-, Mittel- und Niedrigstwerten angege ben.

Das Calciumsulfat-Dihydrat, das bevorzugt als Erstarrungsbe schleuniger eingesetzt wird, wird bezüglich einer gezielten unterschiedlichen Wirkungsweise mit entsprechend unterschiedli cher Mahlfeinheit verwendet. Vorzugsweise liegt der Verwendungs bereich dabei über 5.000 cm²/g nach BLAINE. Zweckmäßigerweise wird das Calciumsulfat-Dihydrat verwendet, das durch die Rehy dratation (Abbindung mit Wasser) des α-Halbhydratgipses gewonnen wird, der im Rahmen der Erfindung, wie oben angegeben, vorzugs weise als Bindemittelmischungspartner eingesetzt wird.

Die leichtlöslichen Sulfate, die allein oder zusammen mit Calci umsulfat-Dihydrat als Erstarrungsbeschleuniger verwendbar sind, sind z. B. Aluminiumsulfat, Kaliumsulfat oder dgl.

Als organische Erstarrungsverzögerer dienen insbesondere Frucht säuren z. B. Zitronensäure und/oder deren Salze sowie auch leicht benetzend und leicht verflüssigend wirkende Oxycarbonsäure und/oder deren Salze.

Die erfindungsgemäße Bindemittelmischung enthält als Puzzolane vorzugsweise Steinkohlen-Elektrofilterasche (Flugasche). Die Puzzolane dienen dazu, freie, gegebenenfalls auch auslaugbare Calcium-Ionen in Form von Calciumsilikathydratphasen zu binden, die das Gefüge einer erhärteten Spritzbetonsteinmatrix zudem verdichten. Außerdem wird dadurch eine unerwünschte Treibreak tion, verursacht durch Sekundär-Ettringitbildung im Spritzbeton unterbunden. Beispielsweise wirken gleichermaßen auch Traß- und Ziegelmehl. Die Feinheit der Puzzolane beträgt zweckmäßigerweise 2.000-4.000 cm²/g nach BLAINE.

Die natürlichen oder künstlichen inerten Füllstoffe, wie z. B. Kalksteinmehl, werden vorzugsweise mit Feinheiten zwischen 5.000 und 15.000 cm²/g nach BLAINE verwendet.

Die neue Bindemittelmischung erfordert keine externen Flüssigbe schleuniger, wodurch die Verarbeitungstechnik zu Spritzbeton vereinfacht wird. Sie erzeugt außerdem eine relativ niedrige Alkalität und gewährleistet sofort erstarrende, sowie früh er starrende Eigenschaften und hinreichend hohe Frühfestigkeiten. Außerdem werden schädliche Aussalzungen und Auslaugungen bzw. Ausfällungen verhindert. Das erfindungsgemäße Schnellbindesystem ist ohne Verätzungsrisiko und nahezu alkalifrei, insbesondere aber chloridfrei. Die Alkalität liegt unter pH 11,5. Die Sulfat eluation hält alle vorgeschriebenen Grenzwerte ein. Kalkaussin terungen sind ausgeschlossen. Das Gefüge ist äußerst dicht. Festigkeitsstörungen treten nicht auf. Erzeugt wird eine beson ders hohe Frühfestigkeit. Hervorzuheben ist die hohe Flexibili tät in bezug auf die anwendungsgerechte Regelung der Erstarrung bei hoher Frühfestigkeitsentwicklung. Das Bindemittelsystem ist äußerst schwindarm. Außerdem hat sich gezeigt, daß die Schnell erstarrung gegenüber Temperatureinflüssen, insbesondere bei tie fen Temperaturen, relativ, unempfindlich ist. Das Bindemittel system ist außerdem sulfatbeständig.

Die neue Bindemittelmischung eignet sich insbesondere für das Trockenspritzverfahren, wobei die Zugabe eines Erstarrungsbe schleunigers an der Düse entfallen kann. Die neue Bindemittel mischung kann aber auch im Naßspritzverfahren über Dünn- oder Dichtstromförderung verarbeitet werden. Je nach Anwendungsfall werden übliche Zuschlagsstoffe, wie z. B. Kies, Splitt z. B. in einer abgestuften Körnung von 0-8 mm, oder 0-16 mm in Do siermengen von 600-850 kg/t im trockenen Spritzbeton verwen det.

Das sich in der frischen Spritzbetonmasse und im erhärteten Spritzbetonstein bildende Milieu gewährleistet zudem Korrosions schutz in weit höherem Maße als herkömmliche Spritzbetonmassen in bezug auf z. B. Eisenarmierungen.

Die erfindungsgemäße Bindemittelmischung eignet sich selbstver ständlich auch zur Herstellung von Spritzmörteln oder dgl. Pro dukte.

Nachfolgend werden 2 Beispielrezepturen für die erfindungsgemä ße Spritzbetonbindemittelmischung (in Masseteile MT bzw. M.-%) mit den relevanten technischen Kennwerten des Spritzbetons an gegeben:

Claims

1. Spritzbetonbindemittelmischung, enthaltend

1. ein Bindemittelgemisch aus
25 bis 40 Masseteilen α-Halbhydratgips
45 bis 70 Masseteilen Hüttensand und
5 bis 15 Masseteilen Portlandzementklinker, eingebracht als gemahlener Portlandzement klinker, Portlandzement oder Hochofenzement,

wobei die Summe dieser Mischungspartner auf 100 Masseteile abgestellt ist,

1. und zur Erstarrungsregulierung des Gipses in Pulverform, jeweils bezogen auf die 100 Masseteile Bindemittelgemisch
- a) als Erstarrungsbeschleuniger
  0,2 bis 10 Masseteile Calciumsulfatdihydrat und/oder
  0,2 bis 1 Masseteile mindestens eines leichter lös lichen Sulfats sowie
- b) als Erstarrungsverzögerer
  0,01 bis 0,5 Masseteile eines organischen, an sich bekannten Erstarrungsverzögerers.

2. Bindemittelmischung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Gehalt von 25 bis 35 Masseteilen α-Halbhydrat.

3. Bindemittelmischung nach Anspruch 1 und/oder Anspruch 2, gekennzeichnet durch einen Gehalt von 50 bis 70 Masseteilen Hüttensand.

4. Bindemittelmischung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch einen Gehalt von 6 bis 13 Masseteilen Portlandzementklin ker.

5. Bindemittelmischung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Erstarrungsbeschleuniger 0,4 bis 8 Massenteile Calcium sulfatdihydrat und/oder 0,2 bis 1 Massenteile mindestens eines leichter löslichen Sulfats enthalten sind.

6. Bindemittelmischung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß sie zusätzlich mindestens einen der folgenden Stoffe enthält:
bis 5 Masseteile Tonerdezement,
bis 20 Masseteile natürliche und/oder künstliche Puzzolane,
bis 15 Masseteile natürliche und/oder künstliche inerte Füllstoffe.

7. Bindemittelmischung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch einen Gehalt von 2 bis 4 Masseteile Tonerdezement.

8. Bindemittelmischung nach Anspruch 6 und/oder 7, gekenn zeichnet durch einen Gehalt von 5 bis 15 Masseteile natürlicher und/oder künstlicher Puzzolane.

9. Bindemittelmischung nach einem oder mehreren der Ansprüche 6 bis 8, gekennzeichnet durch einen Gehalt von 4 bis 13 Masseteile natürlicher und/oder künstlicher inerter Füllstoffe.

10. Bindemittelmischung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß sie als α-Halbhydratgips einen feinteiligen Gips ent hält, der dadurch erzeugt wurde, daß feinteiliges Calcium sulfat-Dihydrat durch Umkristallisation in Anwesenheit von gesättigtem Wasserdampf in einem Autoklaven bei Temperatu ren zwischen 110 und 180°C mit einem der Temperatur ent sprechenden Druck behandelt wird, wobei das Calciumsulfat- Dihydrat in Form von Formkörpern in den Autoklaven einge führt wurde, die 15 bis 60% Porenvolumen aufwiesen, wobei in den Poren der einzelnen Formkörper mehr als 5 Vol.-% Luft und zumindest 3 Massenteile Wasser enthalten waren.

11. Bindemittelmischung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeich net, daß der α-Halbhydratgips mit einer Kornfeinheit von 2.000 bis 5.000 cm²/g nach BLAINE vorliegt.

12. Bindemittelmischung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeich net, daß der α-Halbhydratgips mit einer Kornfeinheit von 3.000 bis 4.000 cm²/g nach BLAINE vorliegt.

13. Bindemittelmischung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Hüttensand als Mehl mit einer Feinheit von 3.000 bis 6.000 cm²/g nach BLAINE vorliegt.

14. Bindemittelmischung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeich net, daß der Hüttensand als Mehl mit einer Feinheit von 4.000 bis 5.000 cm²/g nach BLAINE vorliegt.

15. Bindemittelmischung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Portlandzementklinker calciumaluminatreich ist.

16. Bindemittelmischung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Calciumsulfat-Dihydrat mit einer Kornfeinheit von über 5.000 cm²/g nach BLAINE vorliegt.

17. Bindemittelmischung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Calciumsulfat-Dihydrat ein rehydratisierter α-Halbhydratgips nach Anspruch 10 ist.

18. Bindemittelmischung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die als Erstarrungsbeschleuniger verwendeten leichter löslichen Sulfate Aluminiumsulfat und/oder Kaliumsulfat sind.

19. Bindemittelmischung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß als organische Erstarrungsverzögerer Fruchtsäuren, insbesondere Zitronensäure und/oder deren Salze enthalten sind.

20. Bindemittelmischung nach einem oder mehreren der Ansprüche 6 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß sie als Puzzolane Steinkohlen-Elektrofilterasche ent hält.

21. Bindemittelmischung nach einem oder mehreren der Ansprüche 6 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Puzzolane mit einer Feinheit von 2.000 bis 4.000 cm²/g nach BLAINE vorliegen.

22. Bindemittelmischung nach einem oder mehreren der Ansprüche 6 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß die natürlichen oder künstlichen inerten Füllstoffe mit Feinheiten zwischen 5.000 und 15.000 cm²/g nach BLAINE vorliegen.

23. Bindemittelmischung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeich net, daß der inerte Füllstoff Kalksteinmehl ist.