DE19758669C2 - Zementzusammensetzung mit verbesserter Trocknungsschwindung - Google Patents
Zementzusammensetzung mit verbesserter TrocknungsschwindungInfo
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Abstract
Zementzusammensetzung, die eine Oxyalkylenverbindung und Betain umfaßt. Das Betain ermöglicht Luftporenbildung in Gegenwart der Oxyalkylenverbindung, die als Schwindungsverringerungshilfsmittel dient.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Zementzusammenset
zung auf Basis von hydraulischem Zement, deren Trocknungsschwin
dung gehemmt ist, während gleichzeitig die Luftporenbildung
möglich ist. Die vorliegende Erfindung liefert ferner eine ver
besserte architektonische Baubetonformation.
Hydraulische Zementzusammensetzungen wie Mörtel (Zement,
kleinteiliges Material, z. B. Sand, und Wasser) oder Beton (Ze
ment, kleinteiliges Material, grobteiliges Material z. B. Kies,
und Wasser) werden weitverbreitet zur Bildung von architektoni
schen Bauformationen verwendet (entweder allein als Betonforma
tion oder in Kombination mit anderen Elementen als Mörtel-und-
Ziegel-Formation). Diese Zusammensetzungen haben bestimmte Ei
genschaften, die ihre Dauerhaftigkeit wesentlich beeinflussen,
wie Schwindung, die während des Trocknens und Härtens der Ze
mentzusammensetzung stattfindet, und die Menge an Luftporen in
der resultierenden gegossenen Formation.
Konventionelle hydraulische Zementzusammensetzungen zeigen
eine Volumenabnahme während des Abbindens und Trocknens der ge
gossenen Zusammensetzung. Obwohl die Größenordnung der Volumen
abnahme normalerweise klein ist, ist sie von großer Bedeutung.
Diese Schwindung führt zu Rissen und anderen Schäden, die den
Gebrauchswert und die Dauerhaftigkeit der resultierenden Struk
tur herabsetzen. Die Risse liefern einen Weg, über den Luft ein
dringt, was die Reaktion von Zement mit Kohlendioxid und die
Korrosion von darin enthaltenen Metallverstärkungsstäben för
dert. Zudem liefern die Risse ein Mittel zum Einsickern von Was
ser in die Struktur hinein und durch diese hindurch. Solches
Eindringen von Wasser schädigt die Struktur durch zyklische
Drücke infolge von Gefrieren und Auftauen, die während ihrer Le
bensdauer auf die Zementstruktur einwirken. Es ist in hohem Maße
erwünscht, einen Zement zu schaffen, der hohe Festigkeit zeigt
und keinen schädigenden Effekten aufgrund von Schwindung und Ge
frier-Auftau-Zyklen unterliegt.
Es wurden verschiedene Versuche zur Vermeidung des Rißbil
dungsphänomens unternommen, das durch Trocknungsschwindung her
vorgerufen wird. Beispielsweise schließt dies die Schaffung von
Verbindungsstellen in einer Betonstruktur ein, um die Stelle der
Rißbildung auf die Verbindungsstelle zu konzentrieren und da
durch solche Bildung an anderen Teilen der Struktur zu vermei
den. Solche Verbindungsstellen sind teuer in der Einrichtung,
lassen sich auf bestimmte Strukturen nicht anwenden und konzen
trieren das Gebiet der Rißbildung nur, lindern es jedoch nicht.
Andere Versuche schließen die Veränderung der Zusammenset
zung des Zements, Veränderung der Herstellungsverfahren von Be
tongemischen und Verändern des Mischanteils von Zuschlagmaterial
ein, das zur Bildung der resultierenden Betonstruktur verwendet
wird. Keiner dieser Versuche hat zu einer befriedigenden Lösung
geführt. Es sind beispielsweise Zemente mit expandierenden Zumi
schungen formuliert worden, die die Schwindung des Betons aus
gleichen sollen. Es ist jedoch schwierig, die richtige Menge an
expandierender Zumischung zu bestimmen, die erforderlich ist, um
die sich entwickelnde Trocknungsschwindung auszugleichen. Die
Verwendung solcher Materialien führt daher zu unvorhersehbaren
Ergebnissen.
Hinsichtlich der Überwindung der Trocknungsschwindung von
Zementzusammensetzungen wie Betonzusammensetzungen lehrt die Li
teratur, daß verschiedene Oxyalkylenaddukte für diesen Zweck ge
eignet sind. Beispielsweise schlagen US-A-3 663 251 und US-A-4 547 223
die Verwendung von Verbindungen mit der allgemeinen
Formel RO(AO)nH, in der R ein C1- bis C7-Alkyl- oder C5- bis C6-
Cycloalkylrest sein kann, A C2- bis C3-Alkylenreste sein kann und
n 1 bis 10 ist, als Schwindungsverminderungsadditive für Zement
vor. Die EP-A1-0 643 022 offenbart eine synergistische Additiv
kombination von R1O(AO)nH mit einem Alkohol und/oder einer
Dihydroxyverbindung der Formel HO(AO)nH. In ähnlicher Weise
schlägt US-A-5 174 820 endständig alkylveretherte oder alkyl
veresterte Oxyalkylenpolymere als brauchbar zur Schwindungs
verminderung vor. Ferner macht die japanische Patentanmeldung
Nr. 58-60293 den Vorschlag, daß Schwindungsverminderung von
Zement durch die Zugabe von Verbindungen zu demselben bewirkt
werden kann, die Verbindungen mit sich wiederholenden
Oxyethylen- und/oder Oxypropylenketten und endständiger alipha
tischer, alicyclischer oder aromatischer Gruppe sind.
Zusätzlich zu der Beschäftigung mit der Rißbildung aufgrund
von Trocknungsschwindung mußte sich der Stand der Technik auch
mit der Zementschädigung durch Gefrier-Auftau-Drücke befassen.
Die in konventionellen hydraulischen Zementstrukturen vorkom
menden Gefrier-Auftau-Drücke sind im Mikromaßstab (einschließ
lich Rißbildungsphänomen) und kommen von Einsickern von Wasser
in die poröse Zementstruktur, wo das Wasser dann bleibt, um
unter Gefrier-Auftau-Bedingungen schädigenden Druck auszuüben.
Zur Vermeidung des Verlustes an Dauerhaftigkeit aufgrund dieses
Phänomens ist es allgemein üblich, geringe Mengen an Mitteln zu
zusetzen, die in der Lage sind, die Bildung von feinen Luftporen
in der gehärteten Struktur aus hydraulischer Zementzusammenset
zung zu bewirken. Diese Mittel sind als Luftporenbildner (AEA,
air entraining agents) bekannt und sind wohlbekannt. Diese Mit
tel schließen beispielsweise Tallölfettsäuren und deren Ester,
Gummiharze und Baumharze, Sulfitlaugen und dergleichen ein. Die
resultierenden Luftporen (normalerweise etwa 3 bis 10, vorzugs
weise 4 bis 8 Volumenprozent in Beton oder etwa 15 bis 30, vor
zugsweise 15 bis 25 Volumenprozent in Mörtel) liefern Leerraum
für das Wachsen von expandierenden Eiskristallen, um den Druck
der Wasserexpansion unter Gefrier-Auftau-Bedingungen zu lindern.
Es ist bekannt, daß, obwohl Oxyalkylenverbindungen Zement
strukturen einen Grad an Schwindungshemmung verleihen, sie eine
Deaktivierung von konventionellen Luftporenbildnern verursachen
und daher dazu führen, daß solche behandelten Zementstrukturen
einen unerwünscht niedrigen Luftporenbildungsgrad haben und/oder
eine sehr hohe Dosierung an Luftporenbildner erfordern (was vom
praktischen und wirtschaftlichen Standpunkt viele Nachteile
hat). Wie oben erwähnt wurde, ist bekannt, daß Luftporenbildung
erwünscht ist, um der gegossenen Zementstruktur die Anpassung an
die Expansion und Kompression von Wasser zu ermöglichen, wenn
dieses gefriert und auftaut. Die oben beschriebenen Alkylenoxid
addukte lassen keine ausreichende Luftporenbildung in der Struk
tur zu, wie erforderlich ist, um eine Struktur zu schaffen, die
Kompressions/Expansionskräften widerstehen kann und somit die
Gebrauchsdauer der Struktur verlängert. Beispielsweise zeigt US-A-3 663 251
durch Vergleichsbeispiele, daß das Einschließen von
Polypropylenglykol eine Verminderung der Luftporenbildung verur
sacht, die daher kommt, daß der Zement mit einem Mittel behan
delt wurde, das aus Sulfitablauge zusammengesetzt war. Ferner
wird im kanadischen Patent Nr. 96 321 vorgeschlagen, daß Poly
oxyalkylenglykole sowie deren Ester, Ether und Mischungen eine
Verringerung der Schaumbildung in zementartigen Zusammensetzun
gen hervorrufen.
Es ist daher hocherwünscht, eine Zementzusammensetzung mit
gehemmter Trocknungsschwindung zu schaffen, bei der die Fähig
keit von konventionellen Luftporenbildnern zur Bildung von aus
reichend feinen Luftporen in einer gehärteten hydraulischen
Zementzusammensetzung nicht gehemmt ist.
Es ist ferner erwünscht, eine stabile Zementzusammensetzung
mit gehemmter Trocknungsschwindung zu schaffen, die einen ge
wünschten Grad an Luftporenbildung unter Verwendung konventio
neller Luftporenbildner besitzt, um eine Struktur zu schaffen,
die Kompressions/Expansionskräften widerstehen kann, und somit
die Gebrauchsdauer der Struktur verlängert wird.
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Zementzusammenset
zung.
Die Zementzusammensetzung umfaßt eine Oxyalkylenverbindung wie
ein Oxyalkylenetheraddukt und ein Betain, sowie umfaßt ferner
hydraulischen Zement, feinen Zuschlag, Wasser und gegebenenfalls
Zuschlag, der relativ gröber als der feine Zuschlag ist. Wenn
somit erfindungsgemäße Zementzusammensetzungen verwendet werden,
die die oben beschriebenen Schwindungsverminderungshilfsmittel
einschließen, kann dennoch eine Zementzusammensetzung mit Luft
poren unter Verwendung konventioneller Luftporenbildner in kon
ventionellen Mengen erhalten werden. Die nachfolgende Beschrei
bung und die nachfolgenden Beispiele zeigen, daß ohne die Erfin
dung schlechte Luftporenbildung stattfindet, wenn konventionelle
Mengen an konventionellen Luftporenbildnern in Zementzusammen
setzungen verwendet werden, die das Oxyalkylen-Schwindungsver
minderungsmittel umfassen.
Es ist unerwarteterweise gefunden worden, daß, wenn eine
Oxyalkylenverbindung, wie nachfolgend hier vollständiger be
schrieben wird, mit einer geringen Menge an Betain, wie nachfol
gend hier vollständiger beschrieben wird, kombiniert wird, eine
Zementzusammensetzung erhalten wird, bei der nicht nur die
Trocknungsschwindung gehemmt ist, sondern in der auch auch ge
wünschtenfalls die Luftporenbildung unter Verwendung konventio
neller Mengen bekannter Luftporenbildner möglich ist. Für die
erfindungsgemäßen Zwecke ist ein Betain definiert als eine Ver
bindung, die ein inneres Salz von quartärem Ammonium umfaßt.
Die betreffende Zementzumischung erfordert die Verwendung
einer Oxyalkylenverbindung, die ein Oxyalkylenetheraddukt ist.
Dieses Etheraddukt kann allein oder in Kombination mit (i) Oxy
alkylenglykol und/oder (ii) sekundären und/oder tertiären Alky
lenglykolen verwendet werden.
Das Oxyalkylenetheraddukt wird durch die Formel RO(AO)mH
(Formel I) wiedergegeben, in der R eine Kohlenwasserstoffgruppe
wie C1- bis C7-Alkyl oder C5- bis C6-Cycloalkyl ist, vorzugsweise
eine C3- bis C5-Alkylgruppe. Beispiele für geeignete R-Gruppen
sind Methyl, Ethyl, Propyl, Isopropyl, n-Butyl, Isobutyl, n-Pen
tyl, Isopentyl, Cyclopentyl, Cyclohexyl und dergleichen. Die be
vorzugten R-Gruppen sind C3- bis C5-Alkyl wie n-Propyl, Isopro
pyl, n-Butyl, tert.-Butyl und dergleichen. A ist eine C2- bis C4-
Alkylengruppe (vorzugsweise C2 bis C3), wie Ethylen, Propylen und
dergleichen und Mischungen derselben in der gleichen Kette, und
m ist eine Zahl von 1 bis etwa 10 und vorzugsweise ist m 2 bis
3.
Das Oxyalkylenglykol wird durch die Formel HO(AO)nH (Formel
II) wiedergegeben, wobei A eine C2- bis C4-Alkylengruppe wie
Ethylen, Propylen, Butylen und dergleichen und Mischungen der
selben bedeutet, wobei Ethylen und Propylen bevorzugt sind, O
ein Sauerstoffatom bedeutet und n eine Zahl von 1 bis 20 ist.
Die AO-Gruppen in einem speziellen Glykolmolekül können alle
gleich sein oder können verschieden sein. Beispiele für solche
Glykole schließen Diethylenglykol, Dipropylenglykol, Tripropy
lenglykol, Di(ethoxy)di(propoxy)glykol und dergleichen ein. Wei
tere solche Glykole können Polyalkylenglykole (Poly(oxyalkylen)
glykol) mit Molekulargewichten bis zu etwa 1200 einschließen.
Die AO-Gruppen, die die Kette solcher Glykole bilden, können
einen einzelnen Alkylenethergruppentyp oder eine Mischung von
Alkylenethergruppen enthalten, die sich in Block- oder statisti
scher Anordnung befinden können.
Die in der vorliegenden Schwindungsverminderungszumischung
brauchbaren sekundären oder tertiären Alkylenglykole werden
durch die allgemeine Formel HOBOH (Formel III) wiedergegeben, in
der B eine C3- bis C12-Alkylengruppe bedeutet, vorzugsweise eine
C5- bis C8-Alkylengruppe. Die bevorzugten Glykole sind sekundäre
und/oder tertiäre Dihydroxy-C5- bis C8-alkane, die durch die
Formel (IV)
wiedergegeben werden, in der jedes R unabhängig ein Wasserstoff
atom oder eine C1- bis C2-Alkylgruppe bedeutet, jedes R' eine C1-
bis C2-Alkylgruppe bedeutet und n eine Zahl von 1 oder 2 bedeu
tet. Die am meisten bevorzugte Verbindung ist 2-Methyl-2,4-pen
tandiol. Ein weiters geeignetes Glykol ist 1,4-Pentandiol.
Ein geeigneter Betaintyp hat die folgende allgemeine Formel
(V)
in der R1, R2 und R3 unabhängig Alkyle oder alkylhaltige Anteile
sind, x 1 bis 5 ist und M ein Metallkation oder Ammonium ist.
Geeignete Metallkationen sind von jedem der Alkalimetalle, z. B.
Natrium, oder Erdalkalimetalle abgeleitet. Ammoniumsalze sind
auch geeignet. Die erfindungsgemäßen Verbindungen werden typi
scherweise als Metallsalze zugegeben.
Vorzugsweise sind R1 und R2 C1- bis C4-Alkyle und am meisten
bevorzugt Methyl. Bevorzugte Alkylgruppen für R3 sind C10 bis C28
und schließen alkylhaltige Anteile wie Alkylamide, Alkylamidoal
kylene und substituierte Alkyle wie Hydroxyalkyle ein. Es ist
besonders bevorzugt, daß R3 ein C10- bis C20-Alkylamidopropyl wie
Lauramidopropyl und Cocoamidopropyl ist. Andere geeignete Betai
ne sind in der folgenden Tabelle 2 aufgeführt.
Ein weiterer geeigneter Betaintyp, ein Sulfobetain, hat die
allgemeine Formel VI
in der R1, R2 und R3, M und X wie oben beschrieben sind und Y
Wasserstoff oder Hydroxyl ist. Ein bevorzugtes Sulfobetain ist
Cocoamidopropylhydroxysultain.
Andere geeignete Betaine und Sulfobetaine sind in US-A-4 209 337
offenbart, wobei hier auf deren gesamten Inhalt Bezug
genommen wird.
Verfahren zur Herstellung von Betainen und Sulfobetainen
sind in der Technik bekannt. Typischerweise werden Betaine durch
Reaktion von Chloressigsäure mit einem tertiären Amin herge
stellt. Die Reaktion wird in einer wäßrigen Lösung mit Ätznatron
durchgeführt. Sulfobetaine können durch Zugabe von Epichlorhy
drin zu Alkyldimethylaminen und nachfolgende Sulfatisierung un
ter Verwendung von Natriumbisulfit hergestellt werden. Siehe
beispielsweise Handbook of Surfactants, Seiten 189-90 und 194
(London 1991).
Die beschriebene Zementzusammensetzung sollte eine Mischung
aus mindestens dem oben beschriebenen Oxyalkylenetheraddukt und
mindestens einer Betainverbindung wie oben beschrieben enthal
ten. Wenn die vorliegende Zementzusammensetzung als verbesserte
Zusammensetzung vorliegen soll, deren Trockenschwindung gehemmt
ist, ohne Deaktivierung von konventionellen Luftporenbildnern
zur Einbringung von Luftporen zu zeigen, muß die Mischung das
Betain in katalytischen Mengen wie etwa 0,01 bis 2, vorzugsweise
0,01 bis 0,5 Gew.% und am meisten bevorzugt 0,01 bis 0,2 Gew.%
enthalten, bezogen auf die Oxyalkylenverbindung(en), die die
Zumischung bildet bzw. bilden. Die genaue Menge an Betain, die
erforderlich ist, um der Deaktivierung durch die Oxyalkylenkom
ponente entgegenzuwirken (um normales Funktionieren von konven
tionellen Luftporenbildnern zu ermöglichen), hängt von der spe
ziellen Oxyalkylenverbindung, die zur Bildung der Zumischung
verwendet wird, dem verwendeten Zementtyp und der Temperatur der
Zementzusammensetzung, wenn sie gegossen wird, ab. Diese Menge
kann leicht durch den Fachmann unter Verwendung wohlbekannter
Techniken bestimmt werden. Die Verwendung bestimmter Zementaddi
tive, z. B. Weichmacher, kann auch beeinflussen, wie viel Betain
verwendet wird. Die Zumischung kann auch über einen weiten Be
reich von pH-Werten verwendet werden.
Wie oben konstatiert, ist unerwartet gefunden worden, daß
das Kombinieren von katalytischen Mengen Betain mit den oben be
schriebenen Oxyalkylenverbindungen eine Zementzusammensetzung
liefert, die gewünschtenfalls mit konventionellen Luftporenbild
nern in konventionellen Mengen weiter behandelt werden kann, um
der abgebundenen Formation das gewünschte Luftporenvolumen zu
verleihen.
Luftporenbildner, die erfindungsgemäß verwendet werden können,
schließen Abietin- und Pimarsäuresalze, die aus der Verarbeitung
von Tallöl hergestellt werden, Fettsäuresalze, Alkylarylsulfona
te, Alkylsulfate und Phenolethoxylate ein. Nicht einschränkende
Beispiele für jede Klasse sind Ölsäure oder Caprinsäure, Ortho
dodecylbenzolsulfonat, Natriumdodecylsulfat und Nonylphenoleth
oxylat.
Die Zementzumischung kann dem hydraulischen Zement oder
der Zementzusammensetzung zugegeben werden. Beispielsweise kann
die Zumischung während des Mischens mit anderen Materialien zur
Herstellung eines speziellen Zementtyps zum Zementpulver gegeben
werden. Alternativ kann während des Verlaufs der Herstellung
einer Zementzusammensetzung in situ eine verbesserte Zementzu
sammensetzung wie ein Mörtel oder Beton hergestellt werden. Die
Zumischung kann getrennt oder als Teil des Hydratisierungswas
sers zugegeben werden.
Die vorliegende Zementzusammensetzung kann entweder eine
unverdünnte Zusammensetzung (eine Flüssigkeit aus nur Oxyalky
lenverbindung und Betain) oder eine wäßrige Lösung enthalten.
Die Zumischung ist eine stabile Lösung, die sich im Verlauf der
Zeit nicht trennt. Somit ist die Zumischung lagerbeständig und
kann leicht abgegeben werden, ohne Bedenken hinsichtlich der
richtigen Dosierung von jeder Komponente oder erforderlicher
Durchmischung in der Aufbewahrungstrommel zu haben, damit sich
die Komponenten mischen.
Die Zementzumischung sollte in etwa 0,1 bis etwa 5, vor
zugsweise etwa 0,5 bis 3 und am meisten bevorzugt etwa in der
Zementzusammensetzung 1 bis 3 Gew.% enthalten sein, bezogen auf
den hydraulischen Zementgehalt der Zementzusammensetzung (Mörtel
oder Beton). Die verwendete Oxyalkylenverbindung kann bis zu 4 Gew.%
des Zements ausmachen, beträgt vorzugsweise jedoch weniger
als 2%.
Alternativ können konventionelle Techniken verwendet wer
den, um das Betain zu einer Zementzusammensetzung zu geben, die
bereits die Oxyalkylenverbindung enthält. Wie zuvor diskutiert
werden solche Zementzusammensetzungen mit diesen Verbindungen
konzipiert, um die Trocknungsschwindung zu vermindern. In einem
solchen Anwendungsbereich sollte das Betain zugegeben werden, um
die oben diskutierte Menge hinsichtlich der Oxyalkylenverbindung
zu erhalten. Im allgemeinen wird in solchen Anwendungsbereichen
Betain in etwa 0,0005 bis etwa 0,005 Gew.% zu dem Zement gege
ben, bezogen auf den in der Zementzusammensetzung vorhandenen
hydraulischen Zement.
Die erfindungsgemäße Zementzusammensetzung kann mit kon
ventionellen Mengen an Wasser gebildet werden, wie mit einem
Wasser-zu-Zement-Verhältnis von 0,25 : 1 bis 0,7 : 1 und vorzugs
weise 0,3 : 1 bis 0,5 : 1. Zuschlag wie Steinchen, Kies, Sand, Bims
stein, gebrannter Perlit und dergleichen kann in konventionellen
Mengen verwendet werden. Die genaue Menge hängt von dem speziel
len Anwendungsbereich und dem Standard (ASTM oder das Äquiva
lent) ab, der anwendbar ist.
Es können gegebenenfalls verschiedene zusätzliche Bestand
teile verwendet werden, um die Zementzusammensetzung zu bilden.
Solche Bestandteile schließen Abbindebeschleuniger wie bei
spielsweise Metallhalogenide, Metallsulfate, Metallnitrite und
dergleichen, Abbindeverzögerer wie beispielsweise Alkohole,
Zucker, Stärke, Cellulose und dergleichen, Korrosionsschutzmit
tel wie beispielsweise Alkalimetallnitrate, Alkalimetallnitrite
und dergleichen, Mittel zur Verringerung des Wassergehalts und
Superverflüssiger ein, wie beispielsweise Ligninsulfonsäure,
Kondensationsprodukte von Naphthalinsulfonat-Formaldehyd und Me
laminsulfonat-Formaldehyd, Polyacrylate und dergleichen. Die
wahlweise vorhandenen Bestandteile werden normalerweise in etwa
0,05 bis 6 Gew.% verwendet, bezogen auf das Gewicht des in der
Zementzusammensetzung enthaltenen Zements.
Wie oben konstatiert ist eine erfindungsgemäße Zementzu
sammensetzung in ihrer Schwindung gehemmt, die Wirksamkeit von
beliebigen Luftporenbildnern, die möglicherweise verwendet wer
den, ist jedoch nicht gestört. Daher können erfindungsgemäße
Zementzusammensetzungen mit konventionellen Luftporenbildnern
behandelt werden, um der resultierenden Formation die gewünschte
Menge an Mikroluftporen zu verleihen.
Es ist normalerweise erwünscht, daß in der resultierenden Beton
struktur etwa 4 bis 10 Vol.% Luftporen vorhanden sind. Luftpo
renbildner werden normalerweise in Mengen von 25 bis 75 × 10-4%
verwendet, bezogen auf den Zementgehalt der behandelten Zusam
mensetzung. Das in der Zumischung verwendete Betain beeinflußt
die Leistung des Schwindungsverminderungshilfmittels (SRA,
shrinkage reducing aid) auch nicht in erheblichem Ausmaß nach
teilig.
Die Komponenten der erfindungsgemäßen Zementzusammensetzung
bilden auch nicht selbst in erheblichem Ausmaß Luftporen, wenn
keine konventionellen Luftporenbildner zugesetzt worden sind.
Dies ist ein Vorteil für den Fall, daß Luftporenbildner nicht
notwendig sind, z. B. wird die SRA enthaltende Zumischung in
Zementzusammensetzungen für Klimata verwendet, in denen es keine
Gefrier-Auftau-Bedingungen gibt. Wie im Stand der Technik wohl
bekannt ist, verringern Luftporenbildner die Festigkeit des
Zements, obgleich sie die Dauerhaftigkeit der Zementzusammen
setzung erhöhen. Wenn daher ein Hersteller eine Zementzusammen
setzung für Umgebungen herstellt, die keine Luftporenbildner
erfordern, beeinflußt die Verwendung der vorliegenden Erfindung
die Endfestigkeit der resultierenden Zementzusammensetzung nicht
erheblich. Gleichzeitig ermöglicht diese Erfindung es dem Her
steller jedoch, Zusammensetzungen, die diese Erfindung ausma
chen, in Gebieten zu vermarkten und einzusetzen, in denen Luft
porenbildner verwendet werden.
Die resultierende erfindungsgemäße Zementzusammensetzung,
die die Zumischung enthält, kann in konventionellen Weisen ange
wendet werden. Die Zusammensetzung kann gegossen und gespachtelt
oder injiziert werden und durch Lufttrocknen, feuchte Luft, was
serdampfunterstützt oder dergleichen gehärtet werden.
Die resultierende Zementzusammensetzung liefert eine ar
chitektonische Bauformation, die das gewünschte Luftporenvolumen
und wesentliche Verringerung der Rißbildung infolge von Trock
nungsschwindung aufweist. Die Formation hat erhöhte Dauerhaftig
keit.
Die folgenden Beispiele werden nur zu illustrierenden
Zwecken gegeben und sollen die vorliegende Erfindung gemäß der
Definition in den angefügten Patentansprüchen nicht einschrän
ken. Alle Teile und Prozentsätze beziehen sich auf das Gewicht,
wenn nicht anderweitig angegeben.
Eine Reihe von Mikrobetongemischen wurden hergestellt, um
die Auswirkung eines Betainadditivs, z. B. Cocoamidopropylbeta
in, in Kombination mit Monoalkyletheralkylenoxidaddukt (Dipropy
lenglykol-tert.-butylether, "DPTB"), Alkylenoxid (Dipropylengly
kol, "DPG") und einem Luftporenbildner (AEA), z. B. einem
Balsamharzprodukt (gum rosin product, das von W. R. Grace & Co-
Conn. unter dem Handelsnamen Daravair®1000 angeboten wird) auf
den Luftgehalt zu bestimmen.
Der Mikrobeton wurde hergestellt, indem 800 Teile Portland
zement Typ 1 mit einer Mischung der folgenden ASTM-sortierten
Zuschlagstoffe gemischt wurden: 475 Teile F-95 Sand, 432 Teile
C-109 Sand, 432 Teile C-185 Sand und 821 Teile 15-S-Sand. Das
trockene Mischen wurde durchgeführt, um ein gleichförmiges Ge
misch mit einem Zuschlag-zu-Zement-Verhältnis von 2,7 zu erhal
ten. Zu dem Gemisch wurden 400 Teile Wasser gegeben, das Dara
vair 1000 enthielt. Das Verhältnis von Wasser zu Zement betrug
0,50. Das Gemisch wurde gemischt, um Mikrobeton zu liefern. Dies
bildete Probe 1 in der folgenden Tabelle 1.
Das obige wurde wiederholt, außer daß der Wassergehalt und
die in der folgenden Tabelle 1 gezeigten zusätzlichen Materia
lien zu der Mischung gegeben wurden. Das Verhältnis von Gesamt
flüssigkeit zu Zement (L/C) wurde konstant gehalten. Die Wasser
menge wurde verringert, um die flüssige Zumischung zu berück
sichtigen, die ein Schwindungsverminderungshilfsmittel (SRA)
enthielt, das das oben genannte Oxyalkylenaddukt und Glykol um
faßte. Der Luftgehalt wurde gemäß dem ASTM C-185 Testverfahren
gemessen. Der plastische Luftgehalt wurde für jede Probe gemes
sen und die Fähigkeit zur Luftporenbildung durch das AEA wurde
gemäß der folgenden Gleichung bestimmt. Die Gleichung berück
sichtigt die Dosierung von AEA und die Menge an eingeschlossener
Luft in dem Referenzgemisch ohne AEA.
Der Luftwirkungsgrad des verwendeten AEAs wurde in einer
Weise berechnet, um die Resultate zu normalisieren. Der Luftwir
kungsgrad wurde durch das Verhältnis erhalten, dessen Nenner der
Luftgehalt der getesteten Probe minus 2 (Luft-Prozentsatz einer
Probe ohne AEA), geteilt durch die verwendete AEA-Dosierung, war
und dessen Zähler der Luftgehaltwert der Referenz minus 2, ge
teilt durch die in der Referenz verwendete AEA-Dosierung war,
wobei das alles mit 100 multipliziert wurde.
Die experimentellen Ergebnisse in Tabelle 1 unterstreichen
die unerwartete Wirkung, die Betain auf die Luftporenbildung in
mit SRA (DPTB/DPG) behandelten Mörtel unter Verwendung einer
konventionellen Dosis von Daravair 1000 hat. Wie oben erwähnt
ist Probe 1 ein Referenzmörtel, der nicht mit SRA behandelt wur
de. Mit einer normalen Dosierung von 0,0072% (bezogen auf das
Gewicht des Zements) AEA können leicht 24 Vol.% Luftporen in dem
Mörtel gebildet werden. Die Zugabe von 2% (bezogen auf das Ge
wicht des Zements) SRA (DPTB/DPG) zu dem Mörtel (Probe Nr. 2)
beeinflußt die Fähigkeit von Daravair 1000 zur Luftporenbildung
nachteilig. Der Luftgehalt des Mörtelgemisches sank auf 7%,
verbunden mit einem resultierenden Abfall des Luftwirkungsgrads
auf 23% (verglichen mit Probe 1). In der Tat zeigte Probe 8,
daß konventionelle Mengen Daravair als AEA in Gegenwart von SRA
im wesentlichen unwirksam waren. Die Zugabe einer größeren Menge
an Daravair 1000 zu dem mit 2% SRA behandelten Mörtel (Probe
Nr. 3) erhöht den angestrebten Luftporengehalt in dem Mörtel
auch nicht (Luftwirkungsgrad 9,3%), was die deaktivierende Wir
kung des SRA auf den AEA zeigt.
Die Zugabe von 0,017% (bezogen auf das Gewicht des SRA)
Betain zu dem mit 2% SRA behandelten Mörtel (Probe Nr. 4) führ
te andererseits zu einem Luftporengehalt von 20% bei der glei
chen Dosierung von Daravair 1000, die in Probe 1 verwendet wor
den war. Dies entspricht einem Luftwirkungsgrad von 82%, ver
glichen mit der Referenzprobe. Eine etwas höhere Menge an Beta
in, nämlich 0,035% (bezogen auf das Gewicht des SRA) (Probe 5)
bildete 32% Luftporen in dem Mörtel, was einem Luftwirkungsgrad
von 137% entspricht, verglichen mit der Referenzprobe. Sowohl
bei 0,017% als auch bei 0,035% (Proben Nr. 6 und Nr. 7) bil
dete Betain allein (ohne Daravair 1000) sehr geringe Luftporen
mengen (10 bis 12%). Somit liefert die Zugabe von Betain zu der
AEA-Formulierung unerwarteterweise eine synergistische Kombina
tion, die die deaktivierende Wirkung des SRA auf Daravair 1000
überwindet und die Luftporenbildung mit einer konventionellen
AEA-Dosierung ermöglicht.
Proben 6 und 7 illustrieren auch, daß in einem Fall, in dem
die Luftporenbildung in einer erfindungsgemäßen Zementzusammen
setzung nicht erwünscht war, die Betainkomponente nicht zu einer
erheblichen Luftporenbildung führte. Wie oben gesagt wäre dies
für einen Hersteller ein Vorteil, weil es dem Hersteller möglich
wäre, seine SRA-haltigen Produkte in Umgebungen zu vermarkten,
die die Verwendung von AEAs erfordern, sowie die gleiche Zusam
mensetzung in wärmeren Umgebungen zu vermarkten und zu verwen
den, die die Verwendung von AEAs nicht erfordern, d. h. solchen
Umgebungen ohne erhebliche Gefrier-Auftau-Zyklen.
Die Tests in Beispiel 1 wurden mit anderen im Handel er
hältlichen Betainen wiederholt. In dieser Reihe von Proben wurde
Betain jedoch in 0,175 Gew.% des SRA verwendet. Das SRA umfaßte
1,33% DPTB und 0,67% DPG des Zements. Wie bei Beispiel 1 wur
den Kontrollproben für dieses Beispiel durchgeführt. Eine Kon
trollprobe umfaßte 0,0072% Daravair 1000 und 2% SRA. Diese Re
ferenzprobe, die in Tabelle 2 nicht gezeigt ist, hatte einen
Luftgehalt von 8%. Die andere Kontrollprobe umfaßte kein SRA
und 0,0072% AEA. Diese Referenzprobe, die auch nicht in der
folgenden Tabelle 2 gezeigt ist, hatte einen Luftgehalt von
24%. Die Resultate des Tests sind in der folgenden Tabelle 2
zusammengefaßt. R1, R2 und R3 korrelieren mit den gleichen Sub
stituenten, die in der zuvor illustrierten Formel V wiedergege
ben sind.
Die letzte in Tabelle 2 aufgeführte Probe illustriert, daß
Betaine, in denen R3 C10 bis C28 ist, gegenüber Betainen bevorzugt
sind, in denen R3 Alkyl mit weniger als 10 Kohlenstoffatomen ist.
Betongemische wurden mit einem Mischungskonzept von feinem
Zuschlag gleich 1100 lb/yd3 (652,6 kg/m3) West Sand, 1700 lb/yd3
(1008,6 kg/m3) gemahlenem Wrenthan-Stein (ASTM C-33 Sorte 67),
658 lb/yd3 (390,4 kg/m3) Portlandzementfaktor und einem Verhält
nis von Wasser (oder Wasser und angegebene Additive) zu Zement
von 0,46 formuliert. Die Betonmischungen wurden nach dem volume
trischen Verfahren gemäß ACI-Richtlinien proportioniert. Der Be
ton wurde gemäß dem Testverfahren ASTM C-192 gemischt. Plasti
sche Betontests zur Messung des Setzmaßes wurden gemäß ASTM C-
143 durchgeführt und der plastische Luftgehalt wurde gemäß ASTM
C-231 gemessen.
Die Proben wurden mit nur Luftporenbildner (Daravair 1000),
mit Luftporenbildner und SRA und mit Luftporenbildner, SRA und
Betainadditiv gebildet. Die Ergebnisse sind in der folgenden Ta
belle 3 gezeigt. Referenzbeton (Probe Nr. 1) enthielt 6,2 Vol.%
Luft in Gegenwart von 0,0072% (bezogen auf das Gewicht des Ze
ments) Luftporenbildner (AEA) entsprechend 100% Luftwirkungs
grad. In Gegenwart von 2% SRA (Probe Nr. 2) sank der Luftwirk
ungsgrad der vierfachen normalen Dosis von Daravair (0,0288 Gew.%
des Zements) auf 32% der Referenzprobe. Die Zugabe von
0,075% Betain zu der Formulierung ermöglichte 11% Luftporen
bildung mit nur der 1,5-fachen normalen AEA-Dosis entsprechend
einem Luftwirkungsgrad von 143% in mit 2% SRA behandeltem Be
ton (Probe Nr. 3). Der Zusatz von 0,075% Betain bildete jedoch
nur 3,2 Vol.% Luftporen in mit 2% SRA behandeltem Beton (Probe
Nr. 4). Die Daten zeigen eindeutig das unerwartete Verhalten des
Betains in Kombination mit SRA, wodurch Luftporenbildung mit
normalen Dosen von Daravair 1000 möglich wird.
Es ist auch beobachtet worden, daß der Luftgehalt der Be
tonzusammensetzungen allgemein unter dem liegt, der in den in
den Beispielen 1 und 2 illustrierten Mörtelzusammensetzungen ge
funden wurde. Es wird angenommen, das Luftporenansammlungen sich
als Blasen an die Oberfläche der in der Zementzusammensetzung
vorhandenen Feststoffe begeben. Obwohl der Volumenprozentsatz
der Feststoffe in Beton der gleiche wie der Volumenprozentsatz
der Feststoffe in Mörtel ist, sind die Feststoffe in Beton all
gemein größer und besitzen weniger Oberfläche je Volumeneinheit,
an denen sich die Luftporen ansammeln können. Daher sind die
Luftporengehalte niedriger und die Steigerungen, die sich bei
Beton zeigen, liegen unter denen, die sich bei Mörtel zeigen.
Dennoch sind die Steigerungen der Luftwirkungsgradniveaus, ver
glichen mit ihren jeweiligen Referenz- oder Kontrollproben, im
wesentlichen die gleichen.
Das Verfahren in dem obigen Beispiel 3 wurde wiederholt,
außer daß der Beton mit einem Mittel zur Verminderung des Was
sergehalts im oberen Bereich und Verflüssiger behandelt wurde,
nämlich Naphthalinsulfonat-Formaldehyd-Kondensat, das von W. R.
Grace & Co.-Conn. unter dem Handelsnamen WRDA-19 erhältlich ist.
Diese Verbindung wurde zugegeben, um den Wassergehalt von Beton
gemischen zu vermindern, ohne das Setzmaß zu beeinflussen. Es
ist bekannt, daß Beton mit niedrigerem Wassergehalt weniger
Schwindung und gute Langzeitdauerhaftigkeit aufweist. Die Mi
schungskonzeptproportionen wurden geändert, damit sie den ver
minderten Wassergehalt des Betons wiedergaben. Das Verhältnis
von Wasser (oder Wasser und angegebenen Additiven) zu Zement be
trug 0,40. Der Gehalt an feinem Zuschlag wurde zu Volumenausbeu
tezwecken auf 1300 lb/yd3 (771,3 kg/m3) erhöht. Wiederum beein
flußte die Verwendung von SRAs die Fähigkeit von AEA, Luftporen
in Beton zu bilden, und insbesondere in Gegenwart von WRDA-19.
Aufgrund der verstärkten Schwierigkeiten der Luftporenbildung
mit Superverflüssigern wurde eine größere Betainmenge (0,15%)
eingesetzt.
Die Daten in Tabelle 4 unterstreichen die Wirksamkeit von
Betain, die die Luftporenbildung in mit SRA und WRDA-19 behan
deltem Beton ermöglicht. In Gegenwart von 2% SRA (Probe Nr. 2)
sank der Luftwirkungsgrad der zweifachen normalen Dosis von Da
ravair (0,0144 Gew.% des Zements) auf 44% der Referenzprobe.
Die Zugabe von 0,15% von Betain zu der Formulierung ermöglichte
6% Luftporenbildung mit der gleichen Dosis an AEA, die für den
superverflüssigten Referenzbeton erforderlich war, wodurch so
ein Wert für den Luftwirkungrad von 100% erhalten wurden. Die
Zugabe von 0,15% Betain bildete jedoch nur 3,5 Vol.% Luftporen
in mit 2% SRA behandeltem Beton (Probe Nr. 4). Die Daten zeigen
eindeutig das unerwartete Verhalten von Betain in Kombination
mit SRA, so daß eine Luftporenbildung bei normalen Dosierungen
von Daravair 1000 möglich wird.
Claims (4)
1. Zementzusammensetzung, die hydraulischen Zement, feinen
Zuschlag, Wasser und gegebenenfalls Zuschlag, der relativ
gröber als der feine Zuschlag ist, sowie
- A) Oxyalkylenetheraddukt mit der Formel RO(AO)mH, in der R eine C1- bis C7-Alkylgruppe oder C5- bis C6-Cyclo alkylgruppe bedeutet, A eine C2- bis C4-Alkylengruppe bedeutet, O ein Sauerstoffatom bedeutet und m eine Zahl von 1 bis 10 bedeutet, und
- B) mindestens ein Betain umfaßt, das in einer Menge von 0,01 bis 2,0 Gew.% von Komponente (A) vorhanden ist,
2. Zusammensetzung nach Anspruch 1, wobei das Verhältnis von
Wasser zu Zement 0,25 bis 0,7 ist und die Kombination von
(A) und (B) 0,01 bis 1,00 Gew.% der gesamten Zementzusam
mensetzung beträgt.
3. Zusammensetzung nach Anspruch 1 oder 2, die außerdem eine
Verbindung ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus (i) Oxy
alkylenglykol mit der Formel HO(AO)nH, wobei A eine C2- bis
C4-Alkylengruppe bedeutet, O ein Sauerstoffatom bedeutet
und n eine Zahl von 1 bis 20 bedeutet, und (ii) Glykol
mit der Formel HOBOH umfaßt, wobei B ein C3- bis C12-Alkylen
bedeutet und mindestens eine der -OH Gruppen an einen
sekundären oder tertiären Kohlenstoff gebunden ist.
4. Zusammensetzung nach Anspruch 3, bei der das Oxyalkylen
glykol ausgewählt ist aus Polypropylenglykol, Polyethylen
glykol oder Poly(oxyethylen)(oxypropylen)glykol, wobei jede
der Oxyethylen- und Oxypropylengruppen eine statistische
oder Blockverteilung haben kann.
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US08/699,885 US5679150A (en) | 1996-08-16 | 1996-08-16 | Drying shrinkage cement admixture |
DE19781944A DE19781944C2 (de) | 1996-08-16 | 1997-07-23 | Zementzumischung mit verbesserter Trocknungsschwindung und Verfahren zur Hemmung der Trocknungs-Schwindung |
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---|---|
DE19758669C2 true DE19758669C2 (de) | 2003-08-21 |
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ID=27623902
Family Applications (1)
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DE19758669A Expired - Fee Related DE19758669C2 (de) | 1996-08-16 | 1997-07-23 | Zementzusammensetzung mit verbesserter Trocknungsschwindung |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE19758669C2 (de) |
Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP0643022A1 (de) * | 1993-09-14 | 1995-03-15 | ARCO Chemical Technology, L.P. | Zementmischung |
-
1997
- 1997-07-23 DE DE19758669A patent/DE19758669C2/de not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP0643022A1 (de) * | 1993-09-14 | 1995-03-15 | ARCO Chemical Technology, L.P. | Zementmischung |
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