AT512884B1 - Betonzusammensetzung, enthaltend Celluloseregeneratfasern, deren Herstellung und Verwendung - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung beschreibt eine Betonzusammensetzung mit hoher Fließfähigkeit zur Herstellung von Beton nach Eigenschaften, die als Stabilisator Celluloseregeneratfasern enthält, sowie ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Betonzusammensetzung und deren Verwendung, insbesondere für Brandschutz-relevante Betonanwendungen.

Description

Beschreibung

BETONZUSAMMENSETZUNG, ENTHALTEND CELLULOSEREGENERATFASERN, DEREN HERSTELLUNG UND VERWENDUNG

[0001] Die vorliegende Erfindung beschreibt eine Betonzusammensetzung mit hoher Fließfähigkeit zur Herstellung von Beton nach Eigenschaften, die als Stabilisator Cellulosefasern enthält, sowie ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Betonzusammensetzung und deren Verwendung, insbesondere für Brandschutz-relevante Betonanwendungen. STAND DER TECHNIK: [0002] Beton als Mischung von Zement, Gesteinskörnung und Wasser mit oder ohne Zugabe von Zusatzmitteln und Zusatzstoffen ist in der Bauindustrie weit verbreitet. Schon seit Jahren werden Betonverbundwerkstoffe eingesetzt, bei denen strukturell bedingte Nachteile des Betons wie eine geringe Zugfestigkeit und ein sprödes Bruchverhalten gegenüber Betonwerkstoffen verbessert sind.

[0003] Der älteste Betonverbundwerkstoff ist Stahlbeton, bei dem Bewehrungseisen in den Beton eingebracht werden, um die oben genannten Nachteile zu beheben. Schon seit einiger Zeit werden für diesen Zweck aber auch Fasern eingesetzt, da die direkte Verwendung von Beton, ohne zuvor Bewehrungen hersteilen zu müssen, Zeit und Kosten spart. Die Fasern, die zu diesem Zweck üblicherweise eingesetzt werden, sind Stahl- und Kunststofffasern. Bei besonders filigranen Bauteilen werden auch Glas- bzw. Kohlenstofffasern eingesetzt, da diese zwar ausgezeichnete Zugfestigkeiten aufweisen, aber deutlich teurer als Stahl- bzw. Kunststofffasern sind (Betonkalender 2011).

[0004] Der Einsatz von pflanzlichen Naturfasern, d. h. Cellulosefasern, hat sich in der Betonbaupraxis noch nicht wirklich durchgesetzt. Vor allem deren häufig zu geringe Alkalibeständigkeit und ihre Quell- bzw. Schwindverformungen durch Feuchtigkeitsänderungen stellen den konstruktiven Betonbau vor Probleme.

[0005] Im Patent KR10-2010-0035257A beschreiben die Autoren den Einsatz von Lyocellfila-menten als Vertreter der Celluloseregeneratfasern, die einen alpha-Celluloseanteil von über 90% aufweisen. Damit wird das Problem der Alkalibeständigkeit der Fasern im Beton durch dieses Patent gelöst, da alpha-Cellulose durch ihre Unlöslichkeit in 18% Natronlauge definiert wird (im Gegensatz zu beta- und gamma-Cellulose).

[0006] Gemäß den Angaben im Patent KR10-2010-0035257A wird die Zugfestigkeit und Druckfestigkeit durch den Einsatz von Lyocellfilamenten erhöht und die Rissbildung reduziert bei ausgezeichneter Verteilung der Fasern im Beton. Im Patent KR10-2010-0035257A verwenden die Autoren Standardbeton („Rezeptbeton"), der gemäß DIN EN 206-1 (bzw. DIN 1045 und ÖNORM B 4710-1). Dieser Rezeptbeton besteht in der Regel nur aus 3 Komponenten (Zement, Wasser, Gesteinskörnung) und darf nur bei einfachen Bauaufgaben eingesetzt werden, da dieser Beton entsprechend der Norm nicht für Außenbauteile oder Bauteile höherer Expositionsklassen als XC 2 verwendet werden darf.

[0007] Dementsprechend wird heute in der Praxis für die Realisierung komplexerer Bauaufgaben überwiegend sogenannter „Beton nach Eigenschaften" verwendet (vgl. DIN EN 206-1), bei dem der Beton anhand festgelegter Frisch- und Festbetoneigenschaften sowie der geforderten Expositionsklasse hergestellt wird. Im Gegensatz zu den einfachen Standardbetonrezepturen erfordert Beton nach Eigenschaften die Zugabe von Zusatzstoffen und -mittein, um die geforderten Eigenschaften zu erreichen (siehe Springenschmid: Betontechnologie für die Praxis; Rixom und Mailvaganam: Chemical admixtures for concrete; DIN ΕΝ 206-1). Eine typische Forderung an einen speziellen Beton nach Eigenschaften ist eine erhöhte Brandschutzwirkung. Beispielsweise darf er unter Feuereinwirkung, z. B. in einem Tunnel, nicht abplatzen. Viele Bauwerke wären ohne diese optimierten 5-Komponentenbetone (Zement, Wasser, Gesteinskörnung, Zusatzstoffe, Zusatzmittel) nicht oder nur mit sehr hohem Aufwand möglich.

[0008] Vor allem der Trend zu immer fließfähigeren Betonen bis hin zum selbstverdichtenden Beton (SVB) führt zu immer komplexeren, aber auch leistungsfähigeren Betonsorten. Der Wunsch nach immer fließfähigeren Betonsorten verlangt häufig auch den Einsatz von Stabilisatoren, um den Wasserverlust („Bluten") und damit eine Entmischung des Betons mit einhergehendem Festigkeitsverlust zu verhindern. Herkömmliche Stabilisatoren führen jedoch zu einer erhöhten Klebrigkeit des Betons. Dadurch kommt es zu einer verringerten Fließfähigkeit des Betons, also genau zum Gegenteil dessen, was eigentlich gewünscht und gefordert wird. Mit modernen, fließfähigeren Betonen sollen hohe Pumpraten oder schnelles Betonieren erzielt werden, damit es vor allem bei großen Bauprojekten zu Zeit- und in Folge auch Kostenersparnis kommt. AUFGABENSTELLUNG: [0009] Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung bestand daher darin, eine Betonzusammensetzung zur Herstellung von Beton nach Eigenschaften zur Verfügung zu stellen, mit der eine ausreichende Stabilität des Frischbetons vor dem Aushärten bei verbesserter Verarbeitbarkeit und Fließfähigkeit erzielt wird. Der damit herstellbare Fertigbeton soll unter anderem erhöhte Brandschutzanforderungen erfüllen und insbesondere bei Anwendung als Betondecke unter Feuereinwirkung nicht abplatzen. Eine weitere Aufgabe bestand darin, ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Betons zur Verfügung zu stellen. LÖSUNG: [0010] Überraschendenweise wirken Celluloseregeneratfasern bei den komplexen fließfähigeren Betonsorten für Beton nach Eigenschaften als Stabilisator, wobei herkömmliche Stabilisatoren vollkommen ersetzt werden können. Auch zeigt sich, dass diese Cellulosefasern das Abplatzen von Beton unter Brandlast effektiv verhindern können.

[0011] Die Lösung der oben genannten Aufgabe bestand daher darin, eine Betonzusammensetzung mit hoher Fließfähigkeit zur Herstellung von Beton nach Eigenschaften zur Verfügung zu stellen, die als Stabilisator Cellulosefasern enthält.

[0012] Betone, denen erfindungsgemäß geeignete Celluloseregeneratfasern zugesetzt sind, zeichnen sich durch gute Stabilität aus. Unter Stabilität wird im Sinne dieser Erfindung verstanden, dass im Frischbeton - auch unter Druck - nur eine geringe Absonderung von Wasser und Feinteilen sowie geringe Entmischung beim Einbau und Transport und geringe Sedimentation der groben Gesteinskörnung stattfindet (vgl. Richtlinie „Weiche Betone" der Österreichischen Vereinigung für Beton und Bautechnik (ÖVBB)). Die Stabilität wird im Filterpressversuch bestimmt. Offensichtlich ist das Wassermanagement der Celluloseregeneratfasern für derartige Betonmischungen besser geeignet als das der bisherigen, handelsüblichen Stabilisatoren. Erstaunlicherweise wirkt sich das Ersetzen von handelsüblichen Stabilisatoren durch die Celluloseregeneratfasern auch positiv auf die Verarbeitbarkeit des Betons aus, da die Klebrigkeit des Betons durch den Einsatz von Cellulosefasern gegenüber dem Einsatz von herkömmlichen Stabilisatoren deutlich verringert wird.

[0013] Bevorzugt enthält die erfindungsgemäße Betonmischung Celluloseregeneratfasern mit einer Länge L von 0,3 bis 20 mm, besonders bevorzugt 6 bis 12 mm.

[0014] Der Durchmesser D der Celluloseregeneratfasern liegt bevorzugt zwischen 5 und 20 pm, bevorzugt 8 bis 15 pm. Fasern mit kleinerem Durchmesser lassen sich nicht mehr mit wirtschaftlichen Spinnverfahren hersteilen; außerdem wären sie lungengängig und damit möglicherweise krebserregend. Der Zusatz von Fasern mit größerem Durchmesser verschlechtert die Stabilität wie der Filterpressversuch zeigt.

[0015] Das L/D-Verhältnis liegt bevorzugt zwischen 30 und 2000, besonders bevorzugt zwischen 500 und 1200. Kleinere L/D-Verhältnisse sind wirtschaftlich nicht sinnvoll, bei größerem L/D-Verhältnis lassen sich die Fasern nicht mehr homogen in den Beton einbringen.

[0016] Der Anteil der Celluloseregeneratfasern in der erfindungsgemäßen Betonmischung sollte im Bereich von 0,01 Gew.-% bis 1,0 Gew.-% liegen, bevorzugt im Bereich von 0,02 Gew.-% bis 0,2 Gew.-%. Das entspricht ca. 0,5 bis 5 kg pro m3 Beton.

[0017] Es hat sich herausgestellt, dass insbesondere Lyocell-Fasern, kommerziell als Tencel®-Fasern von der Fa. Lenzing AG, Österreich erhältlich, in der erfindungsgemäßen Betonmischung am besten geeignet sind. Vermutlich ist dies durch die höhere Biegesteifigkeit und die damit verbundene kleinere Knäuelbildungsneigung im Vergleich zu anderen Celluloseregeneratfasern wie Viskose und Cupro begründet. Weitere Gründe könnten der höhere Trocken- und Naßmodul und die bessere Alkalibeständigkeit gegenüber den anderen genannten cellulosi-schen Materialen sein. Die Herstellung von Lyocell-Fasern ist bekannt und insbesondere in vielen Publikationen der Lenzing AG ausführlich beschrieben.

[0018] Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch ein Verfahren zur Herstellung von Beton nach Eigenschaften, bei dem ihm vor seiner Verwendung auf der Baustelle zur Erhöhung der Fließfähigkeit bzw. zur Verhinderung der Separierung („Bluten") Celluloseregeneratfasern gemäß den obigen Ausführungen zugesetzt werden.

[0019] Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist außerdem die Verwendung von Celluloseregeneratfasern zur Herstellung von Betonmischungen. Die Celluloseregeneratfasern und Betonzusammensetzungen werden dabei bevorzugt gemäß den oben genannten Kriterien ausgewählt. Erfindungsgemäß ist insbesondere die Verwendung der oben genannten Betonzusammensetzungen für Brandschutz-relevante Betonanwendungen. BEISPIELE: [0020] Folgende Celluloseregeneratfasern (Hersteller: Lenzing AG, 4860 Lenzing, Österreich) wurden als Betonadditive verglichen: TENCEL FCP 10/400, TENCEL FCP 10/490A, TENCEL. FCP 25/500 und TENCEL 1,4dtex, 6mm. TENCEL FCP 10/400 wurde durch Vermahlung einer Standard-Textilfaser (TENCEL 1,3dtex, 38mm) und TENCEL FCP 25/500 ebenfalls durch Vermahlung einer Standard-Textilfaser (TENCEL 6,7dtex, 38 mm) mittels einer Präzisionsschneidmühle (Pallmann PSC) hergestellt. TENCEL 1,4dtex ,6mm wurde im 5 Produktionsprozess durch Schneiden der Standard-Textilfaser (TENCEL 1,4dtex, 38mm) hergestellt.

[0021] Tabelle 1 fasst die Eigenschaften der Fasern zusammen. Die Faserdurchmesser werden im Spinnprozess eingestellt und kontinuierlich gemessen. Die mittlere Faserlänge der gemahlenen Fasern wurde mittels MorFl Fiber Analyzer (Techpap) gemessen.

Tabelle 1

BEISPIEL 1 [0022] Bei dem heute üblichen Beton nach Eigenschaften ist die Überprüfung von neuen Zutaten unabdingbar, da im Gegensatz zum Rezeptbeton der Einfluss neuer Zutaten nicht direkt aus der Rezeptur ableitbar ist. Dementsprechend wurde der Einfluss von Celluloseregeneratfasern auf Frischbetonkennwerte, insbesondere auf die Verarbeitbarkeit untersucht. Dabei wurden TENCEL FCP 10/400 und TENCEL 1,4/6 wie oben beschrieben, verwendet. Die Herstellung der Betonmischungen erfolgte unter maximaler Fließmitteldosierung bis knapp an die Grenze zum Entmischen, um die Grenzen der praktischen Machbarkeit zu simulieren. Die Zusammensetzung der einzelnen Mischungen ist in Tabelle 2 wiedergegeben.

Tabelle 2: Frischbeton-Zusammensetzungen zu Beispiel 1; Angaben in [kg/m3 Frischbeton]

[0023] Die Verarbeitbarkeit dieser Mischungen wurde mit einem Betonrheometer untersucht. Frischbeton verhält sich wie ein Binghamkörper, daher kann die Fließkurve durch Regressionsrechnung ermittelt werden. Die relative Fließgrenze (Schnittpunkt der Gerade mit der Ordinate) ist ein Maß für die Fließwilligkeit. Kleine Werte werden dabei in der Regel bei einem leicht beweglichen, gut zusammenhaltenden Beton erreicht. In Abbildung 1 bzw. Tabelle 3 ist deutlich zu sehen, dass beide Fasertypen die relative Fließgrenze herabsetzen, also die Verarbeitbarkeit des Betons erhöhen.

Tabelle 3: Relative Fließgrenze als Parameter für Verarbeitbarkeit

BEISPIEL 2: [0024] Um den Einfluss der Fasergeometrie auf die erreichbare Stabilität von Beton festzustellen, wurden mehrere Betonmischungen mit Celluloseregeneratfasern sowie eine Betonmischung ohne Fasern als Referenz hergestellt. Als Fasern wurden verwendet: TENCEL FCP 10/490A, TENCEL FCP 25/500, TENCEL 1,4dtex/6mm wie oben beschrieben. Die Mischungen wurden so hergestellt, dass die fertigen Bindemittelleime eine vergleichbare Konsistenz zeigten. Die Zusammensetzung der einzelnen Bindemittelleime ist in Tabelle 4 wiedergegeben. Die Ausgangsstoffe entsprechen denen im Beispiel 1, nur die Gesteinskörnung 16/32 stammt von Fa. Reiterer B.C.T., Obereggendorf. Alle anderen Gesteinskörnungen stammen von der Fa. Kies-Union, Bad Fischau.

Tabelle 4: Frischbeton-Zusammensetzungen zu Beispiel 2; Angaben in [kg/m3]

[0025] Mit allen Betonmischungen wurden Filterpressversuche (vgl. ÖVBB-Richtlinie „Weiche Betone) durchgeführt, um die Stabilität des Betons unter Druck zu bestimmen. Dabei wird Beton in einen Stahlbehälter gefüllt und mit Druck beaufschlagt. Das unter Druck abgegebene Wasser wird in einem Messzylinder aufgefangen. Die Bestimmung der Filtratwassermenge erfolgt nach 15 und 60 Minuten. Die Ergebnisse des Filterpressversuches sind in Tabelle 5 bzw. Abbildung 2 zu sehen. Deutlich erkennbar ist der positive Einfluss der Fasern mit Durchmesser von 10 pm (1,4 dtex/6 und 10/490A), während der höhere Durchmesser von TENCEL FCP 25/500 (25 pm) eine schlechtere Stabilität als der Referenzbeton ohne Fasern aufweist. Dieses Ergebnis zeigt, dass der Faserdurchmesser der eingesetzten Fasern einen erheblichen Einfluss auf die Eigenschaften des Frischbetons hat.

Tabelle 5: Filtratwassermengen gemäß ÖVBB-RL „Weiche Betone"

BEISPIEL 3: [0001] Auf Basis einer tatsächlich verwendeten Rezeptur eines Betonherstellers wurde die Wirkung der Celluloseregeneratfasern aus Beispiel 2 mit herkömmlichen Stabilisatoren verglichen. Die Zusammensetzungen der untersuchten Mischungen sind in Tabelle 5 zusammengestellt.

[0002] Die Gesteinskörnungen stammten von der Fa. Schonkirchner. Im Praxiseinsatz auf der Baustelle ist es erlaubt, 101/m3 mehr Wasser als in der Rezeptur vorgeschrieben einzusetzen. Dementsprechend wurde eine Mischung mit TENCEL 1,4dtex/6mm und einer um 10 l/m3 erhöhten Wasserzugabe gemäß Beispiel 3e ebenfalls dem Filterpressversuch unterzogen.

Tabelle 6: Frischbeton-Zusammensetzungen zu Beispiel 3; Angaben in [kg/m3]

[0003] Diese Mischungen wurden wieder in einem Filterpressversuch auf Stabilität untersucht. Die Ergebnisse sind in Tabelle 7 bzw. Abbildung 3 dargestellt.

Tabelle 7: Filtratwassermenge Fasern bzw. Stabilisator

[0004] Grundsätzlich liegen alle Ergebnisse in Tabelle 7 unter den Anforderungen der ÖVBB-Richtlinie, jedoch ist in der Praxis eine Mehrzugabe an Wasser zu berücksichtigen. Dementsprechend ist die Zugabe eines stabilisierenden Zusatzes notwendig.

[0005] Es zeigt sich, dass die Fasern grundsätzlich dazu geeignet sind, einen handelsüblichen Stabilisator vollständig zu ersetzen, da die Anforderungen an die Filtratwassermengen gemäß ÖVBB-Merkblatt „Weiche Betone" gut erreicht werden. TENCEL FCP 10/490A in der Betonmischung führt zwar zu mehr Filtratwassermenge als mit Stabilisator, während der Einsatz von TENCEL 1,4dtex/6mm mit dem Stabilisator vergleichbare Werte liefert. In diesem Zusammenhang spielt wohl das deutlich höhere L/D-Verhältnis von TENCEL 1,4dtex/6mm eine entscheidende Rolle. Dementsprechend ist für weitere Versuche nur noch TENCEL 1,4dtex/6mm Fasern eingesetzt worden.

[0006] Im Beispiel 3e wurden dem Frischbeton 10 I mehr Wasser zugegeben. Die Anforderungen für die Identitätsprüfung als auch für die Erstprüfung nach 15 Minuten werden für diese Mischung ebenfalls eingehalten, womit auch diese praxisnahe Mischung durch den Zusatz von Celluloseregeneratfasern ausreichend stabilisiert werden kann.

[0007] Keiner der relevanten Frischbetonkennwerte wird durch die Zugabe der Fasern beeinflusst. Die Einmischung der Fasern kann sowohl trocken als auch feucht erfolgen, womit die Praxistauglichkeit für den Einsatz der Fasern in einem Betonwerk gegeben ist. BEISPIEL 5: [0008] Üblicherweise werden einem Beton für Tunnelinnenschalen PP-Fasern zugemischt, um Abplatzungen durch verdampfendes Kristallwasser zu verhindern (vgl. ÖVBB-Richtlinie „Erhöhter Brandschutz mit Beton für unterirdische Verkehrsbauwerke"). Abplatzungen der Betondecke führen zur strukturellen Schwächung des Bauwerkes und können bei Schmelzen der Stahlbewehrung zum Einsturz des Bauwerks führen.

[0009] Versuchsergebnisse, in denen Beton ohne Fasern, mit PP-Fasern und mit TENCEL-Fasern verglichen wurde, zeigen die Äquivalenz der verschiedenen Fasertypen für den Brandschutz (Abb. 4 und 5). In beiden Fällen wurde der Brandversuch nach 60 Minuten bei 950°C abgebrochen, ohne dass Abplatzungen auftraten, während Beton ohne Faserzugabe bereits nach 30 Minuten bei 850'C Abplatzungen zeigte.

Claims (7)

1. Patentansprüche

   1. Betonzusammensetzung mit hoher Fließfähigkeit zur Herstellung von Beton nach Eigenschaften gemäß ÖNORM B 4710-1, dadurch gekennzeichnet, dass sie als Stabilisator Celluloseregeneratfasern enthält.
2. 2. Betonzusammensetzung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie Celluloseregeneratfasern mit einer Länge L von 0,3 bis 20 mm, besonders bevorzugt 6 bis 12 mm, enthält.
3. 3. Betonzusammensetzung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser D der Celluloseregeneratfasern zwischen 5 und 20 pm, bevorzugt 8 bis 15 pm, liegt.
4. 4. Betonzusammensetzung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das L/D-Verhältnis der Celluloseregeneratfasern zwischen 30 und 2000, bevorzugt zwischen 500 und 1200, liegt.
5. 5. Betonzusammensetzung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil der Celluloseregeneratfasern in der erfindungsgemäßen Betonmischung im Bereich von 0,01 Gew.-% bis 1,0 Gew.-%, bevorzugt im Bereich von 0,02 Gew.-% bis 0,2 Gew.-% liegt.
6. 6. Verfahren zur Herstellung von Beton nach Eigenschaften, dadurch gekennzeichnet, dass ihm vor seiner Verwendung (auf der Baustelle) zur Erhöhung der Fließfähigkeit bzw. zur Verhinderung der Separierung Celluloseregeneratfasern gemäß einem der vorherigen Ansprüche zugesetzt werden.
7. 7. Verwendung der Betonzusammensetzung nach Anspruch 1 für Brandschutzrelevante Betonanwendungen. Hierzu 3 Blatt Zeichnungen