DE69718705T2

DE69718705T2 - Zusatz für Spritzbeton

Info

Publication number: DE69718705T2
Application number: DE69718705T
Authority: DE
Inventors: Terje Angelskar; Helmut Gebhardt; Martin Weibel
Original assignee: MBT Holding AG
Current assignee: Construction Research and Technology GmbH
Priority date: 1996-06-14
Filing date: 1997-06-09
Publication date: 2004-03-25
Anticipated expiration: 2017-06-10
Also published as: KR19980079265A; AU723970B2; US5935318A; NO972740L; CN1171378A; MX9704288A; SG77598A1; NO972740D0; ATE231827T1; CO5050412A1; ES2191792T3; NO320953B1; CN1085632C; DE69718705D1; TW419446B; AU2369697A; BR9703581A; JPH1087358A; KR100459801B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft das Verspritzen von Zementzusammensetzungen mit Beschleunigern.
Spritzbeton, d. h. Beton, der auf ein Substrat aufgespritzt wird, muss sehr rasch härten. Typischenveise muss er eine anfängliche Verfestigungszeit von weniger als 3 min besitzen. Üblicherweise erfolgte dies unter Verwendung starker Beschleuniger, wie Natriumaluminat, Natrium- und Kaliumhydroxid und bestimmter Chloride. Obwohl herkömmliche Spritzbetonbeschleuniger wie diese ein zufriedenstellendes Leistungsniveau lieferten, kranken sie an dem Problem, kaustischer bzw. laugenartiger Natur zu sein. Dies macht das Arbeiten mit Spritzbeton sehr unangenehm, zuallererst da dies die Möglichkeit einer Augen-, Haut- und Lungenreizung insbesondere in umschlossenen Räumen, wie Tunnels, mit sich bringt und es macht das Tragen von Schutzkleidung notwendig, die selbst in vielen Fällen unangenehm zu tragen ist.
Es wurden Versuche durchgeführt, einen nicht-kaustischen Beschleuniger bereitzustellen. Eine jüngste Entwicklung war die Verwendung von amorphem Aluminiumhydroxid und/oder Aluminiumhydrosylsulfat und dies lieferte gute Ergebnisse. Bezug genommen wird auf die WO-A-96/05150.
Darüber hinaus offenbart die US-A-5 032 181 eine Zementbeton-Kohlefaserstruktur, die durch Zugabe eines Beschleunigungszusatzes hergestellt wurde, der Triethanolamin und Kaliumaluminiumsulfatumfasst.
Es wurde nun festgestellt, dass eine Kombination von bestimmten Materialien einen Beschleuniger liefert, der nicht nur nicht-kaustisch, sondern auch sehr effektiv ist. Die vorliegende Erfindung liefert folglich auf ein Substrat aufzuspritzende Zementzusammensetzungen, die einen Zusatz aufweisen, der Aluminiumsulfat und mindestens ein Alkanolamin umfasst.
Die vorliegende Erfindung liefert des weiteren ein Verfahren zur Applikation einer Schicht einer Zementzusammensetzung auf ein Substrat wobei die Härtung der aufgespritzten Zementzusammensetzungen durch die Zugabe eines Zusatzes gemäß der obigen Ausführungen an einer Spritzdüse zu der Zusammensetzung beschleunigt wird.
Obwohl Aluminiumsulfat als Komponente von Beschleunigerzusammensetzungen bekannt ist, wurde es immer in Verbindung mit Aluminiumhydroxid verwendet, worin das Aluminiumsulfat die geringfügige Komponente war. In diesem Fall wird das Aluminiumsulfat als Hauptkomponente und in Abwesenheit von zugesetztem Aluminiumhydroxid verwendet. Das Aluminumsulfat zur Verwendung gemäß der vorliegenden Erfindung kann aus einem beliebigen derartigen, auf dein einschlägigen Fachgebiet bekannten Material ausgewählt sein. Bevorzugte Materialien sind hydratisierte Aluminiumsulfate von denen zahlreiche kommerzielle Reinheitsgrade erhältlich sind.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann das Aluminiumsulfat einen Anteil von mindestens einem weiteren wasserlöslichen Salz umfassen. Eine derartige Zugabe kann die Verfestigungszeit verlängern und die Endfestigkeit verbessern. Das bevorzugte Salz ist Eisen(II)-sulfat, andere Salze, wie Eisen(II)-nitrat und Aluminiumnitrat können jedoch auch verwendet werden. Der Anteil des Salzes kann bis zu 20% maximal (vorzugsweise 10% maximal, bezogen auf das Gewicht von Aluminiumsulfat + Salz betragen.
Die Alkanolamine zur Verwendung gemäß der vorliegenden Erfindung können beliebige derartige auf dem einschlägigen Fachgebiet bekannte Materialien sein. Bevorzugte Alkanolamine umfassen Diethanolamin. Triethanolamin und Methzldiethanolamin. Mehr als ein derartiges Alkanolamin kann verwendet werden.
Obwohl es möglich ist die beiden Komponente des Zusatzes getrennt an einer Sprühdüse zuzugeben (und die Bedeutung des Begriffs "Zusatz" umfasst dies für die Zwecke der vorliegenden Erfindung), ist es im Hinblick auf die Gerätschaft. Bequemheit der Handhabung und die Leistungsfähigkeit bequemer, sie als einzelnen Zusatz zuzugeben. Der Zusatz kann beispielsweise durch Lösen von Aluminiumsulfat in Wasser in einem geeigneten Ausmaß (vorzugsweise wird eine gesättigte Lösung hergestellt) und anschließendes Vermischen der Lösung mit Alkanolamin hergestellt werden. Das Mischen kann unter Verwendung einer herkömmlichen Vorrichtung erfolgen. Der Anteil an Aluminiumsulfat zu Alkanolamin in dem beschleunigenden Zusatz beträgt geeigneterweise 1,7–170 : 1, vorzugsweise 2,85 –11,4: 1, insbesondere etwa 5,7: 1, wobei die Verhältnisse auf wasserfreies Aluminiumsulfat bezogen sind. In dem üblichen Fall, in dem ein im Handel erhältliches Material, beispielsweise sogen.
17-%iges Aluminiumsulfat (dies bedeutet 17% Al₂O₃ oder etwa 57% Al₂(SO₄)₃) verwendet wird, betragen die Gewichtsverhältnisse 3 : 1–300 : 1, vorzugsweise 5 : 1–20 : 1, insbesondere etwa 10 : 1.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst das Gemisch zusätzlich ein Stabilisierungsmittel. Dies hilft, die Lagerungslebensdauer zu verlängern und die Leistungsfähigkeit zu verbessern. Das Stabilisierungsmittel kann aus einem beliebigen geeigneten, auf dem einschlägigen Fachgebiet bekannten Stabilisierungsmittel ausgewählt sein. Beispielsweise kann das Stabilisierungsmittel ein grenzflächenaktives Mittel sein, das aus der breiten Vielzahl von derartigen, auf dem einschlägigen Fachgebiet bekannten Materialien ausgewählt ist. Weitere (und bevorzugte) Gruppen von Stabilisierungsmitteln sind wässrigen, stabile Polyermdispersionen und Sepiolitmagnesiumsilicat.
Unter dem Ausdruck "stabil" wird verstanden, dass die Dispersionen sich bei langem Stehenlassen nicht merklich verfestigen. In diesem Zusammenhang wird das Wort "Dispersion" vervendet, um den physikalischen Zustand des Materials zu beschreiben (ein Zweiphasensystem, worin die dispergierte Phase heterogen in einer kontinuierlichen Phase verteilt ist). Dem Wort wird kein Herstellungsmechanismus zugeschrieben und somit fallen Materialien, die häufig als Emulsionen bezeichnet werden (genau genommen die Dispersion einer Flüssigkeit in einer anderen Flüssigkeit, die doch häufig vervendet, um kleine Teilchengrößen aufweisende Dispersionen von Polymermaterialien zu bezeichnen, die mittels eines Micellenemulsionspolymerisationsmechanismus hergestellt wurden) unter die Verwendung des Ausdrucks "Dispersion". Das Wort "Latex" wird häufig vervendet, um derartige Systeme zu beschreiben.
Die Tatsache, dass wässrige Polymerdispersioinen erfindungsgemäß gut funktionieren, ist überraschend da derartige Materialien im allgemeinen nicht als Stabilisierungsmittel angesehen werden. Jede beliebige derartige wässrige Polymerdispersion kann verwendet werden. Ein speziell bevorzugter Typ ist ein wässriger Styrolbutadienlatex. Ein typisches Beispiel ist ein unter der Marke "Synthomer" 923 Flüssigkeit (von Synthomer Chemie GmbH, Frankfurt) vertriebenes Produkt. Eine derartige Dispersion wird in einem Anteil von 0,5–10%, vorzugsweise von 1–8% Feststoffe, bezogen auf das Gewicht des Gemisches, verwendet.
Ein weiterer bevorzugter Typ von Stabilisierungsmittel ist Sepiolitmagnesiumsilicat. Sepiolit ist ein Typ eines Tonminerals, das sich von anderen Typen (Vermiculit, Smectit, Talk, Kaoin, Glimmer) darin unterscheidet, dass es eine einzigartige Struktur aufweist, die im wesentlichen reine Reihe von kalkartigen Bändern umfasst (eine Lage Magnesiumoktaeder zwischen zwei Lagen Siliciumdioxidtetraedern wobei sich die Siliciumdioxidtetraeder alle sechs Einheiten umkehren). Sepiolit ist durch eine hohe externe unregelmäßige Oberfläche, eine nadelförmige Morphologie, eine hohe interne Porosität und eine nichtquellende Struktur gekennzeichnet.
Es wurde festgestellt, dass Sepiolit erfindungsgemäß besonders gut funktioniert. Es wird vorzugsweise in einem Anteil von 0,1–10,0 Gew.-%, bezogen auf das Gemisch, verwendet,
Eine Reihe von anderen Bestandteilen kann geeigneterweise verwendet werden. Einer dieser Bestandteile ist Glycerin, das nicht nur als Colösemittel für das Aluminiumsulfat fungiert, sondern auch die Stabilitäts- und Verfestigungseigenschaften verbessert. Es kann vorzugsweise in einem Anteil von bis zu 15 Gew.-% des Zusatzes zugegeben werden.
Weitere Bestandteile können auch zuzegegeben werden. Ein geeignetes Material ist ein Korrosionsinhbitor, der eine Beschädigung der Pumpvorrichtung durch den Zusatz, der saurer Natur ist, hemmt. Diese können aus einer breiten Vielzahl von derartigen Materialien ausgewählt werden, es hat sich jedoch gezeigt. dass für die Zwecke der vorliegenden Erfindung kationische Materialien auf quatternäror Ammoniumbasis bevorzugt sind. Typische Beispiele umfassen quaternäre Ammonumsalze. die Fettsäuren umfassen, die vorzugsweise zusammen mit einem Fettsäureketten enthaltende nichtionischen Material verwendet werden. In diesen Fällen ist die Fettkette vorzugsweise Kokosnuß(fett) und ein typisches im Handel erhältliches Produkt hierfür ist "Dodigen" (Marke) 95 (von Hoechst). Ein weiteres geeignetes Material ist "Anticor" (Marke) VV 328 (von TensoChema AG), ein ethozyliertes Benzalkoniumchlorid. Derartige Materialen können in einem Anteil von 0,1–2,0, vorzugsweise 0,2–1 Gew.-% des Zusatzes verwendet werden.
Die Bestandteile des Zusatzes werden herkömmlicherweise einer spritzbaren Zementzusammensetzung zugegeben (beispielsweise an der Spritzdüse in Form einer wässrigen Lösung oder Dispersion). Die Dosierung beträgt typischerweise 5–15% (vorzugsweise 6–10%) Feststoffe, bezogen auf das Gewicht des Zements.
Die erfindungsgemäßen Zusätze liefern ausgezeichnete Ergebnisse. Ein bemerkenswertes Merkmal ist dass die Beschleunigung der Härtung bis zu normalen Standards reicht, jedoch bei einem verringerten Abfall der Endfestigkeit. Die Endfestigkeit wird stets durch die in Spritzbeton verwendeten kräftigen Beschleuniger beeinträchtigt. Je höher die Dosis, desto größer ist der Abfall. In diesem Fall ist dieser Effekt minimiert. Die vorliegende Erfindung liefert folglich ferner eine aufgespritzte Zement schicht auf ein Substrat, deren Härtung durch einen oben beschriebenen beschleunigenden Zusatz beschleunigt wurde. Der erfindungsgemäße Zusatz weist den zusätzlichen Vorteil auf, dass es alkalifrei ist.
Ein weiterer und sehr überraschender Vorteil besteht darin, dass die erfindungsgemäßen Zusätze gut mit einem sehr breiten Bereich von Zementen einschließlich einigen, die als schwierig angesehen werden, zusammenwirken. Dies ist bei herkömmlichen Spritzbetonbeschleunigern nicht der Fall. Derartige Zemente umfassen in Unterbodenanwendungen verwendete Zemente mit sehr niedrigem Gipsgehalt, billigere Zemente, die bis zu 5% Kalk enthalten und Zemente mit niedrigem Schlackengehalt.
Die vorliegende Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die folgenden Beispiele weiter beschrieben.
Herstellungsbeispiel 1
Eine Mischung der folgenden Materialien wird durch Zugabe der Bestandteile nacheinander zu einer Mischvorrichtung hergestellt

Aluminiumsulfat (17% Al₂O₃) 60,0 Teile

Diethanolamin 6,5 Teile

Sepiolitmagnesiumsilicat 1,5 Teile

Glycerin 0,2 Teile

Wasser 31,8 Teile
Die erhaltene Aufschlämmung wird als "Standard"formulierung in einer Reihe von Spritzbetonbeispielen, die nachfolgend beschrieben sind, verwendet.
Herstellungsbeispiel 2
Eine Mischung der folgenden Materialien wurde durch Zugabe der Bestandteile nacheinander zu einer Mischvorrichtung hergestellt:

Wasser 20 Teile

Diethanolamin 10 Teile

Aluminiumsulfat 63 Teile

Styrolbutadienlatex 7 Teile
Herstellungsbeispiel 3
Eine Mischung der folgenden Materialien wurde durch Zugabe der Bestandteile nacheinander zu einer Mischvorrichtung hergestellt:

Wasser 20 Teile

Diethanolamin 10 Teile

Aluminiumsulfat 63 Teile

Korrosionsinhibitor 2 Teile
Anwendungsbeispiel 1
In diesem Beispiel war der in dem Spritzbeton verwendete Zement ein "schwieriger" Zement des CemIV-Typs mit einem niedrigen Schlackengehalt.
Eine Spritzbetonzusammensetzung wurde aus folgenden Materialien hergestellt:

Zement: 400 Teile

Sand (0–5 mm) 1600 Teile

Sand (0–15 mm) l70 Teile
Das Gemisch wurde mit Wasser vermischt, wobei ein Wasser/Zement (W/C)-Verhältnis von 0,4 erhalten wurde. Das Gemisch enthielt zusätzlich 2 Gew.-% BMS β-Naphthalinsulfonat)-Superplastifizierungsmittel, bezogen auf das Gewicht des Zements. Das Gemisch wird unter Verwendung verschiedener Mengen der in Herstellungsbeispiel 1 beschriebenen Aufschlämmung in verschiedener Dicken verspritzt und die Druckfestigkeit nach 28 Tagen wurde gemessen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 angegeben.
TABELLE 1
Anwendunsbeisiel 2
Eine Spritzbetonmischung wurde durch Vermischen der folgenden Bestandteile hergestellt:

Zement (OPC) 425 Teile

Sand (0–8 mm) 1713 Teile
Wasser wird zugegeben, um ein WC-Verhältnis von 0,45 zu erreichen. Das Gemisch wird zusätzlich mit 1,5 Gew.-% BNS-Superplastifizierungsmittel bezogen auf das Gewicht des Zements, versetzt.
Die Mischung wird zahlreiche Male verspritzt, wobei jedesmal ein unterschiedlicher Beschleunigungszusatz und/oder eine unterschiedliche Menge Zusatz verwendet wird und der verspritzte Beton wurde bezüglich Endfestigkeit gemessen. Die verwendeten Zusätze waren die folgenden:

A: Aluminiumsulfat + Triethanolamin in einem Gewichtsverhältnis von 200 : 1
B: Aluminiumsulfat + Diethanolamin in einem Gewichtsverhältnis von 10 : 1
C: Aluminiumsulfat + Diethanolamin in einem Gewichtsverhältnis von 5 : 1
D: Standard (wie oben beschrieben)

Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 angegeben.
TABELLE 2
Anwendungsbeispiel 3
Eine Spritzbetonmischung wurde aus den folgenden Materialien hergestellt:

Zement (OPC) 425 Teile

Sand (0–8 nun) 1713 Teile

BNS-Superplastifizierugsmittel 1,5%, bezogen auf den Zement
Das verwendete W/C-Verlältnis betrug 0,47. Die Mischung wurde mit zwei unterschiedlichen Beschleunigungszusätzen, einer ist der Standard früherer Anwendungsbeispiele (wie oben als D bezeichnet) und der andere ist eine Mischung von Aluminiumsulfat, Eisen(II)-sulfat und Ethanolamin in einem Gewichtsverhältnis von 9 : 1 : 1 (bezeichnet als E) verspritzt. Die letztendliche Druckfestigkeit nach 28 Tagen wurde wie oben beschrieben gemessen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 3 angegeben.
TABELLE 3

Claims

Verfahren zur Applikation einer Schicht einer Zementzusammensetzung auf ein Substrat durch Aufspritzen der Zementzusammensetzung auf das Substrat durch eine Spritzdüse, wobei an der Düse ein Beschleunigungsgemisch zugegeben wird, das nicht kaustisch ist und Aluminiumsulfat und mindestens ein Alkanolamin umfasst, wobei das Aluminiumsulfat in Abwesenheit von zugesetztem Aluminiumhydroxid verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch I, wobei das Aluminiumsulfat und das Alkanolamin unter Bildung eines einzelnen Additivs zur Zugabe zu einer Zementzusammensetzung vermischt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei das Gemisch zusätzlich ein Stabilisierungsmittel hierfür umfasst.
Verfahren nach einer der Ansprüche t bis 3, wobei das Stabilisierungsmittel aus wässrigen, stabilen Polymerdispersionen, vorzugsweise Styrol-Butadien-Latices ausgewählt ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Stabilisierungsmittel ein Sepiolitmagnesiumsilicat ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Gemisch zusätzlich einen Korrosionsinhibitor, vorzugsweise ein kationisches Material auf Basis einer quaternären Ammoniumverbindung, insbesondere eines mit Kokosnussfettketten umfasst.
Verfahren zur Beschleunigung der Härtung von verspritzten Zementgemischen durch Zugabe eines Beschleunigungsgemisches, das nicht kaustisch ist und Aluminiumsulfat und mindestens ein Alkanolamin umfasst, wobei das Aluminiumsulfat in Abwesenheit von zugesetztem Aluminiumhydroxid verwendet wird, zu einer Zusammensetzung an einer Sprühdüse.
Auf ein Substrat aufgespritzte Zementschicht, deren Härtung durch ein Beschleunigungsgemisch beschleunigt ist, wobei das Beschleunigungsgemisch nicht kaustisch ist und Aluminiumsulfat und mindestens ein Alkanolamin umfasst, wobei das Aluminiumsulfat in Abwesenheit von zugesetztem Aluminiumhydroxid verwendet wird.