Beton
als wichtiger Baustoff ist nach DIN 1045 (07/1988) definiert als
künstlicher
Stein, der aus einem Gemisch von Zement, Betonzuschlag und Wasser,
gegebenenfalls auch mit Betonzusatzmitteln und Betonzusatzstoffen,
durch Erhärten
entsteht. Beton ist u.a. eingeteilt in Festigkeitsgruppen (BI-BII) und
Festigkeitsklassen (B5-B55). Beim Zumischen von gas- oder schaumbildenden
Stoffen entsteht Porenbeton bzw. Schaumbeton (Römpp Lexikon, 10.Aufl., 1996,
Georg Thieme Verlag).
Der
Beton hat zwei zeitabhängige
Eigenschaften. Erstens erfährt
er durch die Austrocknung eine Volumenabnahme, die als Schwinden
bezeichnet wird. Der größte Teil
des Wassers wird jedoch als Kristallwasser gebunden. Beton trocknet
nicht, er bindet ab, d.h., der zunächst dünnflüssige Zementleim (Zement und
Wasser) steift an, erstarrt und wird schließlich fest, je nach Zeitpunkt
und Ablauf der chemisch-mineralogischen Reaktion des Zements mit dem
Wasser, der Hydratation. Durch das Wasserbindevermögen des
Zements kann der Beton, im Gegensatz zum gebrannten Kalk, auch unter
Wasser erhärten
und fest bleiben. Zweitens verformt sich Beton unter Last, das so
genannte Kriechen.
Der
Frost-Tau-Wechsel bezeichnet den klimatischen Wechsel von Temperaturen
um den Gefrierpunkt von Wasser. Insbesondere bei mineralisch gebundenen
Baustoffen wie Beton ist der Frost-Tau-Wechsel ein Schädigungsmechanismus. Diese
Werkstoffe besitzen eine poröse,
kapillare Struktur und sind nicht wasserdicht. Wird eine solche, mit
Wasser getränkte Struktur
Temperaturen unter 0°C
ausgesetzt, so gefriert das Wasser in den Poren. Durch die Dichteanomalie
des Wassers dehnt sich das Eis nun aus. Dadurch kommt es zu einer
Schädigung
des Baustoffs. In den sehr feinen Poren kommt es aufgrund von Oberflächeneffekten
zu einer Erniedrigung des Gefrierpunktes. In Mikroporen gefriert Wasser
erst unter –17°C. Da sich
durch Frost-Tau-Wechsel auch der Werkstoff selbst ausdehnt und zusammenzieht,
kommt es zusätzlich
zu einem kapillaren Pumpeffekt, der die Wasseraufnahme, und damit
indirekt die Schädigung
weiter steigert. Für
die Schädigung
ist somit die Anzahl der Frost-Tau-Wechsel entscheidend.
Für den Widerstand
des Betons gegen Frost und Frost-Tauwechsel bei gleichzeitiger Einwirkung von
Taumitteln sind die Dichtigkeit seines Gefüges, eine bestimmte Festigkeit
der Matrix und das Vorhandensein eines bestimmten Porengefüges maßgebend.
Das Gefüge
eines zementgebundenen Betons wird von Kapillarporen (Radius: 2 µm-2 mm)
bzw. Gelporen (Radius: 2-50 nm) durchzogen. Darin enthaltenes Porenwasser
unterscheidet sich in seiner Zustandsform in Abhängigkeit vom Porendurchmesser.
Während
Wasser in den Kapillarporen seine gewöhnlichen Eigenschaften beibehält, klassifiziert man
in den Gelporen nach kondensiertem Wasser (Mesoporen: 50 nm) und
adsorptiv gebundenem Oberflächenwasser
(Mikroporen: 2 nm), deren Gefrierpunkte beispielsweise weit unter –50°C liegen kann
[M.J.Setzer, Interaction of water with hardened cement paste, "Ceramic Transactions" 16 (1991) 415-39].
Das hat zur Folge, dass selbst bei tiefen Abkühlungen des Betons ein Teil
des Porenwassers ungefroren bleibt (metastabiles Wasser). Bei gleicher Temperatur
ist aber der Dampfdruck über
Eis geringer als der über
Wasser. Da Eis und metastabiles Wasser gleichzeitig nebeneinander
vorliegen, entsteht ein Dampfdruckgefälle, das zu einer Diffusion des
noch flüssigen
Wassers zum Eis und zu dessen Eisbildung führt, wodurch eine Entwässerung
der kleineren bzw. eine Eisansammlung in den größeren Poren stattfindet. Diese
Wasser umverteilung infolge Abkühlung
findet in jedem porigen System statt und ist maßgeblich von der Art der Porenverteilung
abhängig.
Die
künstliche
Einführung
von mikrofeinen Luftporen im Beton erzeugt also in erster Linie
so genannte Entspannungsräume
für expandierendes
Eis und Eiswasser. In diesen Poren kann gefrierendes Porenwasser
expandieren bzw. internen Druck und Spannungen von Eis und Eiswasser
auffangen, ohne dass es zu Mikrorissbildungen und damit zu Frostschäden am Beton
kommt. Die prinzipielle Wirkungsweise solcher Luftporensysteme ist
im Zusammenhang mit dem Mechanismus der Frostschädigung von Beton in einer Vielzahl
von Übersichten
beschrieben worden [Schulson, Erland M. (1998) Ice damage to concrete.
CRREL Special Report 98-6; S.Chatterji, Freezing of air-entrained
cement-based materials and specific actions of air-entraining agents, "Cement & Concrete Composites" 25 (2003) 759-65; G.W.Scherer,
J.Chen & J.Valenza,
Methods for protecting concrete from freeze damage, US-Patent 6,485,560
B1 (2002); M.Pigeon, B.Zuber & J.Marchand,
Freeze/thaw resistance, "Advanced
Concrete Technology" 2
(2003) 11/1-11/17; B.Erlin & B.Mather, A
new process by which cyclic freezing can damage concrete – the Erlin/Mather
effect, "Cement & Concrete Research" 35 (2005) 1407-11].
Voraussetzung
für eine
verbesserte Beständigkeit
des Betons bei Frost- und Tauwechsel ist, dass der Abstand jedes
Punktes im Zementstein von der nächsten
künstlichen
Luftpore einen bestimmten Wert nicht überschreitet. Dieser Abstand
wird auch als Abstandsfaktor oder "Powers spacing factor" bezeichnet [T.C.Powers,
The air requirement of frost-resistant concrete, "Proceedings of the
Highway Research Board" 29
(1949) 184-202]. Laborprüfungen haben
dabei gezeigt, dass ein Überschreiten
des kritischen "Power
spacing factor" von
500 µm
zu einer Schädigung
des Betons bei Frost- und
Tauwechsel führt.
Um dies bei beschränktem
Luftporengehalt zu erreichen, muss der Durchmesser der künstlich
eingeführten
Luftporen daher kleiner 200-300 µm sein [K.Snyder,
K.Natesaiyer & K.Hover,
The stereological and statistical properties of entrained air voids
in concrete: A mathematical basis for air void systems characterization) "Materials Science
of Concrete" VI (2001)
129-214].
Die
Bildung eines künstlichen
Luftporensystems hängt
maßgeblich
von der Zusammensetzung und der Kornformität der Zuschläge, der
Art und Menge des Zements, der Betonkonsistenz, dem verwendeten
Mischer, der Mischzeit, der Temperatur, aber auch von der Art und
Menge des Luftporenbildners ab. Unter Berücksichtigung entsprechender
Herstellungsregeln lassen sich deren Einflüsse zwar beherrschen, jedoch
kann es zu einer Vielzahl von ungewünschten Beeinträchtigungen
kommen, was letztendlich dazu führt,
dass der gewünschte
Luftgehalt im Beton über-
oder unterschritten werden kann und somit die Festigkeit oder den
Frostwiderstand des Betons negativ beeinflusst.
Solche
künstlichen
Luftporen lassen sich nicht direkt dosieren, sondern durch die Zugabe
von so genannten Luftporenbildnern wird die durch das Mischen eingetragene
Luft stabilisiert [L.Du & K.J.Folliard,
Mechanism of air entrainment in concrete "Cement & Concrete Research" 35 (2005) 1463-71].
Herkömmliche
Luftporenbildner sind zumeist tensidartiger Struktur und brechen
die durch das Mischen eingeführte
Luft zu kleinen Luftbläschen mit
einem Durchmesser möglichst
kleiner 300 µm und
stabilisieren diese im feuchten Betongefüge. Man unterscheidet dabei
zwischen zwei Typen.
Der
eine Typ – z.B.
Natriumoleat, das Natriumsalz der Abietinsäure oder Vinsolharz, einem
Extrakt aus Kiefernwurzeln – reagiert
mit dem Caiciumhydroxid der Porenlösung im Zementleim und fällt als unlösliches Calciumsalz
aus. Diese hydrophoben Salze reduzieren die Oberflächenspannung
des Wassers und sammeln sich an der Grenzfläche zwischen Zementkorn, Luft
und Wasser. Sie stabilisieren die Mikrobläschen und finden sich daher
im aushärtenden
Beton an den Oberflächen
dieser Luftporen wieder.
Der
andere Typ – z.B.
Natriumlaurylsulfat (SDS) oder Natriumdodecylphenylsulfonat – bildet dagegen
mit Calciumhydroxid lösliche
Calciumsalze, die aber ein anormales Lösungsverhalten zeigen. Unter
einer gewissen kritischen Temperatur zeigen diese Tenside eine sehr
geringe Löslichkeit,
oberhalb dieser Temperatur sind sie sehr gut löslich. Durch eine bevorzugtes
Ansammeln an der Luft-Wasser-Grenzschicht verringern sie ebenfalls
die Oberflächenspannung,
stabilisieren somit die Mikrobläschen
und sind bevorzugt an der Oberflächen
dieser Luftporen im ausgehärteten
Beton wiederzufinden.
Bei
der Verwendung dieser Luftporenbildner nach dem Stand der Technik
treten eine Vielzahl von Probleme auf [L.Du & K.J.Folliard, Mechanism of air entrainment
in concrete "Cement & Concrete Research" 35 (2005) 1463-71.
Beispielsweise können längere Mischzeiten,
unterschiedliche Mischerdrehzahlen, veränderte Dosierabläufe bei
den Transportbetonen dazu führen,
dass die stabilisierte Luft (in den Luftporen) wieder ausgetrieben
wird.
Die
Beförderung
von Betonen mit verlängerten
Transportzeiten, schlechter Temperierung und unterschiedlichen Pump-
und Fördereinrichtungen, sowie
das Einbringen dieser Betone einhergehend mit veränderter
Nachbearbeitung, Ruckelverhalten und Temperaturbedingungen kann
einen zuvor eingestellten Luftporengehalt signifikant verändern. Das kann
im schlimmsten Fall bedeuten, dass ein Beton die erforderlichen
Grenzwerte einer bestimmten Expositionsklasse nicht mehr erfüllt und
somit unbrauchbar geworden ist [EN 206-1 (2000), Concrete-Part 1:
Secification, performance, production and conformity].
Der
Gehalt an feinen Stoffen im Beton (z.B. Zement mit unterschiedlichem
Alkaligehalt, Zusatzstoffe wie Flugasche, Silikastaub, oder Farbzusätze) beeinträchtigt die
Luftporenbildung ebenfalls. Auch können Wechselwirkungen mit entschäumend wirkenden
Fließmitteln
auftreten, die somit Luftporen austreiben, aber auch zusätzlich unkontrolliert
einführen
können.
Als
Nachteil des Einbringens von Luftporen ist außerdem zu sehen, daß die mechanische
Festigkeit des Betons mit steigendem Luftgehalt abnimmt.
All
diese die Herstellung von frostbeständigen Beton erschwerenden
Einflüsse
lassen sich vermeiden, wenn das erforderliche Luftporensystem nicht
durch o.g. Luftporenbildner mit tensidartiger Struktur erzeugt wird,
sondern der Luftgehalt durch das Zumischen bzw. feste Dosieren von
polymeren Mikropartikeln (Mikrohohlkugeln) herrührt [H.Sommer, A new method
of making concrete resistant to frost and de-icing salts, "Betonwerk & Fertigteiltechnik" 9 (1978) 476-84].
Da die Mikropartikel zumeist Partikelgrößen kleiner 100 µm aufweisen,
lassen sie sich im Betongefüge
auch feiner und gleichmäßiger als
künstlich
eingeführte
Luftporen verteilen. Dadurch reichen bereits geringe Mengen für einen
ausreichenden Widerstand des Betons gegen Frost- und Tauwechsel
aus.
Die
Verwendung von solchen polymeren Mikropartikeln zur Verbesserung
der Frost- und Frost-Tauwechsel-Beständigkeit von Beton ist entsprechend
dem Stand der Technik bereits bekannt [vgl.
DE 22 290 94 A1 ,
US 4,057,526 B1 ,
US 4,082,562 B1 ,
DE 30 267 19 A1 ].
Die darin beschriebenen Mikropartikel haben Durchmesser von mindestens
10 µm
(üblicherweise
deutlich größer) und besitzen
luft- bzw. gasgefüllte
Hohlräume.
Das schließt
ebenfalls poröse Partikel
ein, die größer 100 µm sein
können
und eine Vielzahl an kleineren Hohlräumen und/oder Poren besitzen
können.
Bei
der Verwendung von hohlen Mikropartikeln zur künstlichen Luftporenbildung
im Beton erwiesen sich zwei Faktoren nachteilig für die Durchsetzung
dieser Technologie auf dem Markt aus. Es ist nur mit relativ hohen
Dosierungen eine zufrieden stellende Resistenz des Betons gegenüber Frost-
und Tauwechseln zu erzielen. Der vorliegenden Erfindung lag daher
die Aufgabe zu Grunde, ein Mittel zur Verbesserung der Frost- bzw.
Frost-Tauwechsel-Beständigkeit
für hydraulisch
abbindende Baustoffmischungen bereitzustellen, welches auch bei
relativ geringen Dosierungen seine volle Wirksamkeit entfaltet.
Aufgabe war es auch, eine hohe Effizienz dieses Mittels zu erreichen
um eine entsprechende Wirksamkeit mit möglichst geringen Mengen davon zu
erzielen; lezteres ist nötig
um die Herstellungskosten einer entsprechend ausgerüsteten Baustoffmischung
nicht übermäßig zu erhöhen Eine
weitere Aufgabe bestand darin, die Wirkung dieses Mittels möglichst
bald nach Verarbeitung und Erhärtung
der Baustoffmischung eintreten zu lassen.
Die
Aufgabe wurde gelöst
durch die Verwendung von polymeren, einen Hohlraum aufweisenden Mikropartikeln
in hydraulisch abbindenden Baustoffmischungen, dadurch gekennzeichnet,
dass die Schale der Mikropartikel Vernetzer enthält und/oder dass die Schale
einen Weichmacher enthält
und/oder dass sich die Monomerzusammensetzung vom Kern zur Schale
in Schritten oder in Form eines Gradienten ändert.
Mikropartikel,
die erfindungsgemäß eines oder
mehrere dieser Aufbaukriterien erfüllen, lassen sich mit sehr
dünnen
Schale herstellen. Als Additiv in Baustoffmischungen eingesetzt
weisen solche Mikropartikel eine hohe Effektivität auf und führen bereits in geringen Mengen
zu der gewünschten
Beständigkeit
gegen Frost bzw. Frost/Tau-Wechsel.
Die
Schalen der erfindungsgemäßen Mikropartikel
sind im Mittel vorzugsweise dünner
als 140 nm; mehr bevorzugt sind Schalen welche dünner sind als 100 nm; am meisten
bevorzugt sind Schalen welche dünner
sind als 70 nm.
Die
Bestimmung der mittleren Schalendicke erfolgt zweckmäßig durch
Ausmessung einer statistisch signifikanten Menge an Partikeln anhand
von transmissionselektronenmikroskopischen Aufnahmen.
Es
wurde gefunden, dass Mikropartikel mit dünnen Schalen besonders schnell
das Wasser aufnehmen und auch wieder abgeben können. Somit wird beim Erhärten des
Betons die Frost- bzw. Frost-Tauwechsel-Beständigkeit wesentlich schneller
hergestellt.
Die
zur Herstellung der erfindungsgemäßen Mikropartikel bevorzugt
eingesetzen Mengen an Vernetzer betragen 0,3-15 Gew% (bezogen auf
die Gesamtmenge an Monomeren in der Schale); weiter bevorzugt sind
0,5-8 Gew% Vernetzer;
am meisten bevorzugt sind 0,8-3 Gew%.
Besonders
bevorzugt sind Vernetzer ausgewählt
aus der Gruppe Ethylenglycol(meth)acrylat, Propylenglycol(meth)acrylat,
Allyl(meth)acrylat, Divinylbenzol, Diallylmaleinat, Trimethylolpropantrimethacrylat,
Glycerindimethacrylat, Glycerintrimethacrylat, Pentaerythrittetramethacrylat
oder deren Mischungen.
Durch
den Einsatz der Vernetzer, der nicht notwendigerweise zur Vernetzung
des Schalenpolymers führen
muß, sondern
vielmehr auch lediglich eine Erhöhung
des Molekulargewichtes bewirken kann, gelingt es Schalen herzustellen,
die bereits bei geringerer Dicke ausreichende Festigkeiten besitzen,
um während
der Quellung der Mikropartikel intakt zu bleiben. Gleichzeitig werden
bei der Verwendung von Vernetzer in der Schale weniger Partikel beobachtet,
die nach dem Quellen – ähnlich einer
erschlafften Fußballhülle – eingefallen
sind.
Die
erfindungsgemäßen Mikropartikel
können
in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform Weichmacher in der
Schale enthalten.
Bei
der bevorzugten Herstellung dieser Partikel durch Emulsionspolymerisation
werden vorzugsweise 0,3 bis 12 Gew% (bezogen auf das Gesamtgewicht
der Schale als 100%) zusammen mit der Monomermischung der Schale
in den Reaktor gegeben, so daß sie
bereits während
der Polymerisation und also dem Aufbau der Schale anwesend sind.
Alternativ
kann die bevorzugte Menge an Weichmacher auch nach der Polymerisation,
aber vor dem Quellen zugesetzt werden.
Besonders
bevorzugt sind Mengen von 0,6 bis 8 Gew% Weichmacher (bezogen auf
das Gesamtgewicht der Schale als 100%); am meisten bevorzugt sind
1 bis 3 Gew% Weichmacher.
Die
Weichmacher sorgen für
eine zähe
und flexible Schale, die ein vollständiges Quellen der Mikropartikel
erlaubt. Auf diese Weise können
ebenfalls sehr dünne
Schalen erreicht werden.
Bevorzugt
werden Weichmacher ausgewählt aus
der Gruppe der Phthalate, Adipate, Phosphate oder Zitrate eingesetzt;
wobei Phthalate besonders bevorzugt sind.
Die
folgenden Weichmacher seien besonders erwähnt, wobei die Liste beliebig
weiter fortsetzbar ist und nicht einschränkend verstanden werden soll:
Ester
der Phthalsäure,
wie z.B. Diundecylphthalat, Diisodecylphthalat, Diisononylphthalat,
Dioctylphthalat, Diethylhexylphthalat, Di-C7-C11-n-alkylphthalat, Dibutylphthalat,
Diisobutylphthalat, Dicyclohexylphthalat, Dimethylphthalat, Diethylphthalat,
Benzyloctylphthalat, Butylbenzylphthalat, Dibenzylphthalat und Trikresylphosphat,
Dihexyldicaprylphthalat.
Hydroxycarbonsäureester,
wie z.B. Ester der Zitronensäure
(beispielsweise Tributyl-O-acetylcitrat, Triethyl-O-acetylcitrat),
Ester der Weinsäure
oder Ester der Milchsäure.
Aliphatische
Dicarbonsäureester,
wie z.B. Ester der Adipinsäure
(beispielsweise Dioctyladipat, Diisodecyladipat), Ester der Sebacinsäure (beispielsweise
Dibutylsebacat, Dioctylsebacat, Bis(2-ethylhexyl)-sebacat) oder
Ester der Azelainsäure.
Ester
der Trimellithsäure,
wie z.B. Tris(2-ethylhexyl)trimellitat. Ester der Benzoesäure, wie
z.B. Benzylbenzoat Ester der Phosphorsäure, wie z.B. Trikresylphosphat,
Triphenylphosphat, Diphenylkresylphosphat, Diphenyloctylphosphat, Tris(2-ethylhexyl)-phosphat,
Tris(2-butoxyethyl)phosphat.
Alkylsulfonsäureester
des Phenols oder des Kresols, Dibenzyltoluol, Diphenylether.
Alle
diese und weitere Weichmacher können allein
oder auch als Mischungen eingesetzt werden.
In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ändert sich
die Monomerzusammensetzung des Kernes und der Schale nicht sprunghaft,
wie dies bei einem ideal aufgebauten Kern/Schale-Partikel der Fall
ist, sondern allmählich
in zwei oder mehr Schritten oder in Form eines Gradienten.
Befindet
sich zwischen dem Kern, der gequollen wird, und der Schale, die
gleich einer Luftballonhülle
die Quellung zulassen und gleichwohl den eingeschlossenen Hohlraum
umhüllen
soll ohne zu zerreißen,
eine Zwischenschale, die einen Teil der Funktion von beiden übernimmt,
so gelingt es den Polymergehalt der Mikropartikel weiter zu senken.
Durch
weitere Schalen gelingt es diesen Effekt weiter zu verstärken. Ein
Gradient entspricht einer sehr großen Anzahl von Schalen.
Da
durch den nicht mehr abrupten Übergang von
Kern zu Schale eine exakte Bestimmung der Schalendicke nicht mehr
möglich
bwz. nicht mehr sinnvoll ist, ist es praktikabler den Polymergehalt
der Mikropartikel zu betrachten.
Bei
reinen Kern/Schale Partikeln entspricht ein sinkender Polymergehalt
einer dünnerer
Wandung bei gleichem Partikeldurchmesser.
Entsprechend
der vorliegenden Erfindung werden polymere Mikropartikel verwendet,
deren Hohlraum mit 1 bis 100 Vol-%, insbesondere 10 bis 100 Vol.-%, Wasser gefüllt ist.
Derartige
wassergefüllte
Mikropartikel sind entsprechend dem Stand der Technik bereits bekannt
und in den Druckschriften
EP
22 633 B1 ,
EP
73 529 B1 sowie
EP
188 325 B1 beschrieben. Außerdem werden diese wassergefüllten Mikropartikel
unter dem Markennamen ROPAQUE
® von der Fa. Rohm & Haas kommerziell
vertrieben. Diese Produkte fanden bislang hauptsächlich ihre Verwendung in Tinten
und Farben zur Verbesserung der Deckfähigkeit und Lichtundurchlässigkeit
(Opazität)
von Anstrichen oder Drucken auf Papier, Pappen und anderen Materialien.
Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform bestehen
die eingesetzten Mikropartikel aus Polymerteilchen, die einen Kern
(A) und mindestens eine Schale (B) besitzen, wobei die Kern/Schale-Polymerteilchen
mit Hilfe einer Base gequollen wurden.
Der
Kern (A) des Partikels enthält
eine oder mehrere ethylenisch ungesättigte Carbonsäure-(Derivat-)Monomere
die eine Quellung des Kerns ermöglichen;
diese Monomere sind vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe Acrylsäure, Methacrylsäure, Maleinsäure, Maleinsäureanhydrid,
Fumarsäure,
Itaconsäure
und Crotonsäure
und deren Mischungen. Acrylsäure
und Methacrlysäure
sind besonders bevorzugt.
Als
nicht-ionische, ethylenisch ungesättigte Monomere, welche die
Polymerhülle
(B) bilden, werden insbesondere Styrol, Butadien, Vinyltoluol, Ethylen,
Vinylacetat, Vinylchlorid, Vinylidenchlorid, Acrylnitril, Acrylamid,
Methacrylamid, C1-C12-Alkylester der Acryl- oder Methacrylsäure eingesetzt.
Die
Herstellung dieser polymeren Mikropartikel durch Emulsionspolymerisation
sowie deren Quellung mit Hilfe von Basen wie z.B. Alkali- oder Alkalihydroxide
sowie Ammoniak oder einem Amin werden ebenfalls in den europäischen Patentschriften
EP 22 633 B1 ,
EP 735 29 B1 sowie
EP 188 325 B1 beschrieben.
Es
können
Kern-Schale Teilchen dargestellt werden, die ein- oder mehrschalig
aufgebaut sind, oder deren Schalen einen Gradienten aufweisen, wobei
erfindungsgemäß besonders
dünne Schalen
hergestellt werden. Die Monomerzusammensetzung ändert sich vom Kern zur Schale
allmählich
in 2 oder mehr Schritten oder in Form eines Gradienten.
Die
erfindungsgemäß eingesetzten
Mikropartikel weisen eine bevorzugte mittlere Teilchengröße von 100
bis 5000 nm auf. Der Polymergehalt der eingesetzten Mikropartikel
kann in Abhängigkeit
vom Durchmesser und dem Wassergehalt bei 2 bis 98 Gew.-% (Gewicht
Polymer bezogen auf die Gesamtmasse des wassergefüllten Partikels)
liegen.
Besonders
bevorzugt sind Durchmesser von 200 bis 2000 nm, am meisten bevorzugt
sind Teilchengrößen von
250 bis 1000 nm.
Die
besonders bevorzugten Polymergehalte liegen bei 2 bis 98 Gew.-%,
bevorzugt von 2 bis 60 Gew.-%, am meisten bevorzugt sind Polymergehalte von
2 bis 40 Gew.-%.
Die
handelsüblichen
Mikropartikel (bspw. vom Typ ROPAQUE®) liegen
in der Regel in Form einer wässrigen
Dispersion vor, die einen gewissen Anteil an Dispersionsmittel tensidischer
Struktur enthalten müssen,
um Agglomerationen der Mikropartikel zu unterdrücken. Man kann aber auch alternativ
Dispersionen dieser Mikropartikel verwenden, die keine oberflächenaktiven
(und im Beton möglicherweise störend wirkenden)
Tenside aufweisen. Dazu werden die Mikropartikel in wässrigen
Lösungen
dispergiert, die ein rheologisches Stellmittel aufweisen. Solche verdickenden
Agenzien, die eine pseudoplastische Viskosität besitzen, sind zumeist polysaccharidischer Natur
[D.B.Braun & M.R.Rosen, "Rheology Modifiers Handbook" (2000), William
Andrew Publ.]. Hervorragend geeignet sind mikrobielle Exopolysaccharide der
Gellan-Gruppe (S-60) und insbesondere Welan (S-130) und Diutan (S-657)
[E.J.Lee & R.
Chandrasekaran, X-ray and computer modeling studies on gellanrelated
polymers: Molecular structures of welan, S-657, and rhamsan, „Carbohydrate
Research" 214 (1991)
11-24].
Erfindungsgemäß werden
die wassergefüllten,
polymeren Mikropartikel in Form einer wässrigen Dispersion eingesetzt.
Es
ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ohne weiteres möglich, die
wassergefüllten
Mikropartikel direkt als Feststoff der Baustoffmischung zuzugeben.
Dazu werden die Mikropartikel – wie
zuvor beschrieben – koaguliert
und durch übliche
Methoden (z.B. Filtration, Zentrifugieren, Sedimentieren und Dekantieren)
aus der wässrigen
Dispersion isoliert und die Partikel anschließend getrocknet, wodurch der
wasserhaltige Kern durchaus erhalten bleiben kann. Um den Wassergehalt
in den Mikropartikeln möglichst
unverändert
zu lassen, kann ein Waschen des koagulierten Materials mit leicht
flüchtigen Flüssigkeiten
hilfreich sein. Bei den verwendeten ROPAQUE®-Typen
mit ihrer (Poly)styrolschale haben sich beispielsweise Alkohole
wie MeOH oder EtOH bewährt.
Die
wassergefüllten
Mikropartikel werden der Baustoffmischung in einer bevorzugten Menge von
0,01 bis 5 Vol%, insbesondere 0,1 bis 0,5 Vol%, zugegeben. Die Baustoffmischung
bspw. in Form von Beton oder Mörtel
kann hierbei die üblichen
hydraulisch abbindenden Bindemittel wie z.B. Zement, Kalk, Gips
oder Anhydrit enthalten.
Ein
wesentlicher Vorteil durch die Verwendung der wassergefüllten Mikropartikel
besteht darin, dass nur ein außerordentlich
geringer Lufteintrag in den Beton erfolgt. Dadurch sind deutlich
verbesserte Druckfestigkeiten des Betons zu erzielen. Diese liegen
etwa 25-50% über
den Druckfestigkeiten von Beton, der mit herkömmlicher Luftporenbildung erhalten wurde.
Somit können
Festigkeitsklassen erreicht werden, die sonst nur durch einen wesentlich
niedrigeren Wasser/Zement-Wert (W/Z-Wert) einstellbar sind. Geringe
W/Z-Werte schränken aber
wiederum die Verarbeitbarkeit des Betons unter Umständen deutlich
ein.
Außerdem können höhere Druckfestigkeiten zur
Folge haben, dass der für
die Festigkeitsentwicklung erforderliche Gehalt an Zement im Beton
verringert werden könnte
und somit der Preis pro m3 Beton signifikant
reduziert wird.