DE102006033061A1

DE102006033061A1 - Lärmschutzwerkstoff

Info

Publication number: DE102006033061A1
Application number: DE200610033061
Authority: DE
Inventors: Lorenz Prof. Ratke; Sascha Hohmann
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2006-07-14
Filing date: 2006-07-14
Publication date: 2008-01-17

Abstract

Gegenstand der Erfindung ist ein Schallschutzelement mit einem gegebenenfalls armierten Betonkern und einer wenigstens einseitig auf dem Betonkern vorhandenen Oberflächenbeschichtung, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenbeschichtung feuerbeständigen Leichtzuschlag enthält.

Description

Gegenstand der Erfindung ist ein Schallschutzelement mit einem gegebenenfalls armierten Betonkern und einer wenigstens einseitig auf dem Betonkern vorhandenen Oberflächenbeschichtung.
Beim Bau von Schallschutzbauelementen, im Folgenden als Schallschutzelement bezeichnet, werden im Allgemeinen keramische Materialien eingesetzt (Sande aller Art, die durch keramische Binder gebunden werden (z.B. Zemente) und Zuschlagstoffe enthalten (Kiesel unterschiedlicher Korngrößenklassen, Anhydrite etc.etc.). Die Bauwerkstoffe müssen unterschiedlichsten Anforderungen in der Praxis genügen: Tragfähigkeit, vor allem Druckbelastung, dynamische Windlasten (Durchbiegung), Temperaturwechsel, Witterungseinflüsse, wie starker Regen, Frost usw.
In der WO 2006/032655 A2 wird ein Aerogel-enthaltender Brandschutzwerkstoff beschrieben. Dieser besteht aus einem Verbundwerkstoff, der hydrophobe Aerogelpartikel, anorganisches Bindemittel und ein Dispergiermittel enthält.
Die eingesetzten Werkstoffe müssen wirtschaftlich hergestellt werden und leicht auf Baustellen zu verarbeiten sein.
Es sind bereits einige Verbundwerkstoffe aus keramischen Bindern und hydrophoben Aerogelen bekannt. Üblicherweise werden deshalb hydrophobe Aerogelpartikel für diese Verbundwerkstoffe verwendet, da der resultierende Verbundwerkstoff eine geringe Feuchtigkeitsaufnahme aufweist. Bei den bisher bekannten Herstellungsverfahren dieser Verbundwerkstoffe muss das Bindemittel in ausreichender Menge zuerst in wässrige Lösung oder Dispersion gebracht werden, um eine breiartige Masse zu erhalten. Erst in diese breiartige Masse kann dann das hydrophobe Aerogel eingerührt werden. Das hydrophobe Aerogel kann bei den bisher bekannten Verfahren deshalb nicht zuerst in Wasser dispergiert werden, da aufgrund der geringen Richte und der Hydrophobizität des hydrophoben Aerogels dieses auf dem Wasser aufschwimmt und deshalb nicht direkt in Wasser dispergiert werden kann.
Ein weiterer Nachteil des Standes der Technik ist es, dass das hydrophobe Aerogel nicht als Dispersion bei der Herstellung der Verbundwerkstoffe eingesetzt werden kann, sondern als leichtes, feinteiliges Granulat eingesetzt werden muss. Dies kann bei der Herstellung von Bauteilen aus dem Verbundwerkstoff von erheblichem Nachteil sein.
DE 44 41 567 A1 beschreibt ein Verbundmaterial, das Aerogelpartikel und mindestens ein anorganisches Bindemittel enthält. Das Verbundmaterial enthält kein Dispergiermittel. Die Aerogelpartikel können in dem beschriebenen Verfahren nur zeitgleich mit dem anorganischen Bindemittel oder nach dem Bindemittel in die wässrige Lösung gegeben werden. Mit einem Aufschwimmen der hydrophoben sehr leichten Aerogelpartikel muss bei dem beschriebenen Verfahren gerechnet werden.
DE 38 14 968 A1 beschreibt einen Dämmstoff, der aus den zwei Bestandteilen Silicaaerogelpartikel und Bindemittel besteht. Der beschriebene Dämmstoff weist eine nur geringe Druckfestigkeit auf.
DE 196 00 606 A1 beschreibt einen handelsüblichen Styropor-gefüllten Beton.
EP 0 672 635 A1 beschreibt Formkörper und deren Herstellung aus Silicaaerogelpartikeln mit Bindemittel. Die hydrophoben Aerogelpartikel können in dem beschriebenen Verfahren erst nach Eintrag des Bindemittels zugefügt werden.
In der US 6,131,305 A wird das Problem des Aufschwimmens von hydrophoben Aerogelteilchen auf Wasser eindrücklich beschrieben. In der dort beschriebenen Erfindung wird dieser Effekt sogar zum Abscheiden von hydrophoben Aerogelteilchen ausgenutzt.
Die DE 102004046496 beschreibt ein Dispergiermittel, das für hydrophobe Aerogele in wässriger Lösung eingesetzt werden kann.
Derzeit am Markt sind Verbundbetonplatten, die aus einem Betonkern bestehen, der mit Schichten aus porösem Beton umgeben ist, die eine geeignete Profilierung erhalten, so dass der reflektierte Schall gering ist und Schall in dieser Schicht möglichst ausgedämmt wird. Alternativ sind z.B. poröse Sinterglasplatten entwickelt worden (Reapor). Die Schallabsorption beträgt bei diesen Systemen mehr als 40 dB, die Schalldämmung muss mehr als 8 dB betragen, beträgt aber in der Regel mehr als 10 dB. Während die Betonplatten armierbar sind, sind die Glasplatten nicht armierbar. Die Dichte der Betonschallschutzmaterialien beträgt im Allgemeinen 2400 bis 2600 kg/m³.
Die derzeitig am Markt befindlichen Werkstoffe haben den Nachteil, dass sie eine hohe Dichte haben, Schalldämmung von 12 dB schon das maximal mögliche ist, und zudem komplex und teuer in der Herstellung sind (Mehrschichtenbeton).
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, anorganische, betonartige Werkstoffe bereitzustellen, die eine hohe Schallabsorption haben und den Schall besonders stark dämmen. Solche Werkstoffe werden in Form von Platten bei der Schalldämmung an Straßen und Bahnwegen eingesetzt. Der Werkstoff soll ein Schallabsorptionsvermögen von mehr als 40 dB haben und eine Schalldämmung von mehr als 12 dB. Zudem soll er besonders leicht sein, so dass er in die Klasse der genormten Leichbetone fällt, also Dichten bis zu 1300 kg/m³ aufweist, eine ausreichende Druck- und Biegefestigkeit besitzen und mit Baustählen armierbar sein.
Die vorgenannte Aufgabe wird in einer ersten Ausführungsform gelöst durch ein Schallschutzelement mit einem gegebenenfalls armierten Betonkern und einer wenigstens einseitig auf dem Betonkern vorhandenen Oberflächenbeschichtung, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenbeschichtung feuerbeständigen Leichtzuschlag enthält.
Das Gewicht des Schallschutzelements richtet sich im Wesentlichen nach dem Gewicht des gegebenenfalls armierten Betonkerns. So kann die Rohdichte des Betonkerns bis zu 2000 kg/m³ umfassen. Für den Fall der Herstellung von leichteren Schallschutzelementen empfiehlt sich jedoch der Einsatz von Leichbetonen insbesondere mit einer Rohdichte von 800 bis 1300 kg/m³.
Die geringe Dichte („leicht") im Vergleich zum Normalbeton ergibt sich durch die besondere Herstellung, unterschiedlicher Leichtbetonzuschlagstofffe (nach DIN EN 13055 „leichte Gesteinskörnungen") und die Gefügeart des Leichtbetons.
Man unterscheidet drei Arten von Leichtbeton:

1. Gefügedichter Leichtbeton mit Kornporosität
2. Hochfeinporiger Leichtbeton (mit Dichtenzuschlägen/mit Kornporosität)
3. Porenbeton.

Die Druckfestigkeit ist eine der wichtigen Eigenschaften des Betons. Die DIN 1045-1:2001-07 schreibt zur Einstufung eine Prüfung nach 28 Tagen vor, die anhand von Würfeln mit 15 cm Kantenlänge (Probewürfeln) oder 30 cm langen Zylindern mit 15 cm Durchmesser durchgeführt wird. Mit der ermittelten Druckfestigkeit lässt sich der Beton den Festigkeitsklassen zuordnen. Besonders bevorzugt im Sinne der vorliegenden Erfindung sind Schallschutzelemente mit einem Betonkern, der eine charakteristische Zylinderdruckfestigkeit im Bereich von 32,5 bis 52,5 N/mm² aufweist.
Das Material des Leichtzuschlags in der Oberflächenbeschichtung bestimmt im Wesentlichen die Eigenschaften im Hinblick auf das Schallschutzverhalten der erfindungsgemäßen Schallschutzelemente. Besonders bevorzugt im Sinne der vorliegenden Erfindung fällt die Oberflächenbeschichtung Leichtzuschlag auf der Basis von Naturbims, Lavaschlacke, Blähton, Blähschiefer, Ziegelsplitt, Hüttenbims, gesinterte Steinkohlenflugsche, Perlite und/oder Aerogelgranulat. Sämtliche vorgenannten Leichtzuschläge sind anorganischer Natur und damit feuerbeständig im Sinne der vorliegenden Erfindung.
Leichtzuschläge umfassen bekanntermaßen eine Menge von ungebrochenen und/oder gebrochenen Körnern mit porigem Gefüge aus natürlichen und/oder künstlich hergestellten mineralischen Stoffen.
Ein wesentliches Merkmal ist der deutliche Unterschied zwischen der Reindichte und der Rohdichte der Körner. Die üblicherweise für Beton mit dichtem Gefüge verwendeten Kiessande haben eine Rohdichte von etwa 2650 kg/m³ und wegen ihres dichten Gefüges annähernd die gleiche Kornrohdichte. Die Rohdichte der Leichtzuschläge ist praktisch eben so groß, die Reindichte ihrer Körner dagegen wesentlich niedriger.
Die Kornrohdichte der für die Herstellung von für Leichtbeton verwendeten Leichtzuschläge schwankt zwischen 800 und 1700 kg/m³. Das bedeutet, dass sie einen Porenraum zwischen 70 und 35% haben. Die Poren können gegeneinander abgeschlossen sein oder miteinander in Verbindung stehen.
Besteht also die Oberflächenbeschichtung im Wesentlichen aus dem Leichtzuschlag, so wird die Schichtdicke im Wesentlichen durch die Korngröße des Leichtzuschlags bestimmt, der mit geeigneten Maßnahmen mit der Oberfläche des gegebenenfalls armierten Betonkerns in Kontakt gebracht wird.
Erfindungsgemäß ist es möglich, dass die Oberflächenbeschichtung vollständig aus dem Leichtzuschlag besteht. Besonders bevorzugt im Sinne der vorliegenden Erfindung enthält jedoch die Oberflächenbeschichtung Leichtzuschlag in einer Menge von 50 bis 100 Vol.%.
Für den Fall, dass die Oberflächenbeschichtung im Wesentlichen aus dem Leichtzuschlag besteht, weist dies eine Schichtdicke von bis zu 10 mm, insbesondere bis zu 5 mm auf.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält die Oberflächenbeschichtung Leichtzuschlag insbesondere in einem Volumenanteil von 45 bis 75% in einem Beton integriert. Der Beton wirkt hier als Bindemittel für den Leichtzuschlag. Diese Ausführungsform erlaubt eine höhere Schichtdicke der Oberflächenbeschichtung von beispielsweise bis zu 5 cm. Wird die Schichtdicke jedoch zu groß gewählt, so sind die Schallschutzeigenschaften nicht mehr zu verbessern. Wird andererseits der Volumenanteil an Leichtzuschlag in dem Beton zu gering gewählt, so ist die Schallschutzwirkung der erfindungsgemäßen Schallschutzelemente nicht ausreichend. Wird andererseits der Volumenanteil an Leichtzuschlag zu hoch gewählt, so kann, insbesondere bei einer größeren Schichtdicke die Bindung des Leichtzuschlags in den Beton reduziert sein.
Die erfindungsgemäß bereitgestellte Oberflächenbeschichtung auf dem armierten Betonkern kann eben oder auch profiliert sein. So ist es beispielsweise möglich, beliebige Farbgestaltungen oder dreidimensionale Muster in die Oberflächenbeschichtung einzubringen.
Prinzipiell werden die erfindungsgemäßen Schallschutzelemente dadurch hergestellt, dass man die Oberflächenbeschichtung mit der gegebenenfalls abgebundenen Oberfläche des Betonkerns in Kontakt bringt. Hierbei ist es also grundsätzlich möglich, eine vorfabrizierte Oberflächenbeschichtung mit einem noch nicht vollständig abgebundenen Betonkern in Kontakt zu bringen. Alternativ ist es darüber hinaus aber auch möglich, den in einem im Wesentlichen nicht abgebundenen Beton integrierten Leichtzuschlag der Oberflächenbeschichtung mit einem im Wesentlichen abgebundenen Betonkern unter Druckbeaufschlagung in Kontakt zu bringen, um gegebenenfalls anschließend die freiliegende Oberfläche zu profilieren, um im Anschluss daran den Beton abbinden zu lassen.
Daneben bestehen jedoch noch weitere Möglichkeiten zur Herstellung der erfindungsgemäßen Schallschutzelemente.
So ist es möglich, eine dünne Schicht von hydrophoben Leichtzuschlag, insbesondere Aerogelgranulat auf den noch flüssigen, d.h. noch nicht abgebundenen Beton aufzusprühen, aufzuwalzen, aufzuspritzen, aufzustrahlen oder aufzustreuen und teilweise in die Oberfläche beispielsweise mit einer Gummiwalze einzudrücken, um die Schalldämmung zu erhöhen (Reflexion). Insbesondere das Aerogelgranulat erhöht die Dämmung, da Quarzaerogele eine extrem niedrige Schallgeschwindigkeit haben (< 300 m/s). Die Schichtdicken mit dem transluzenten Aerogel TL der Firma Cabot, APS 4 bis 5 mm betragen bis zu 20 mm. Insbesondere das Aerogelgranulat ist dauerhaft hydrophob und witterungsbeständig.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird auf den noch flüssigen Beton eine dünne Schicht von hydrophoben leichtem Superlite gesprüht, aufgewalzt, aufgespritzt, aufgestrahlt oder aufgestreut und teilweise in die Oberfläche mit einer Walze eingedrückt, um die Schalldämmung zu erhöhen. Auch Superlite^® ist dauerhaft hydrophob und witterungsbeständig.
Die erfindungsgemäße Oberflächenbeschichtung auf dem armierten Betonkern bewirkt einen Impedanzsprung, durch den die Schallabsorption und die Schalldämmung wesentlich beeinflusst wird. So ist es mit Hilfe der vorliegenden Erfindung möglich, eine Schallabsorption mit mehr als 40 dB und eine Schalldämmung von mehr als 12 dB zu erreichen.
Die eingesetzten Werkstoffe können wirtschaftlich hergestellt werden. Auch Platten sind leicht auf den Baustellen in Stützen einfügbar und wenn notwendig befestigbar (z.B. Edelstahlanker und Schrauben).
Beispielsweise werden Mischungen aus Sanden und Zement (CEM I, II oder III mit unterschiedlichen Basisfestigkeiten von 32,5 bis 52,5) hergestellt, wobei der Grundmischung in Anteilen von 50 bis 70 Volumenprozent hydrophober Leichtzuschlag zugefügt wird. Zur Durchmischung und Dispergierung der hydrophoben und extrem leichten Leichtzuschläge, beispielsweise Superlite^® der Firma Knauf, Schüttgewicht 80 kg/m³, werden wie in WO 2006/032655 A1 spezielle Dispergiermittel verwendet. Geeignet dazu ist nach Untersuchungen der Erfinder das eigene Dispergiermittel aus WO 2006/032651 A1 , Aerosil^® von Degussa und gegebenenfalls Betonverflüssiger sowie eine Kombination von allen drei Hilfsmitteln. Der so hergestellte Leichtbeton fällt in die DIN Leichtbetonklasse, da das Superlite^® die DIN EN 13005-1 erfüllt.
In den nachfolgenden Ausführungsbeispielen beziehen sich die Prozentangaben jeweils auf Volumenprozent, sofern nicht anders angegeben.
Die erfindungsgemäßen Schallschutzelemente sind insbesondere als Schallschutzwände für Verkehrswege aller Art einsetzbar.
Ausführungsbeispiele:
Beispiel 1
Basisbetonmischung

25% Portlandzement 52,5 R
10% Aerosil^®
15% Quarzsand, Körnung 0/4
50% Knauf Superlite^®
Betonverflüssiger 2 ml/kg
Glasfasern TR Titan 1,5 g/dm3

Herstellung:
Einrühren des Aerosils^® in Wasser; Einrühren des Superlite^® und danach Einrühren des Portlandzementes. Zugabe von zusätzlichem Wasser nach Bedarf. Man erhielt eine gießfähige Masse. Die Aushärtung erfolgte an Luft. Die Druck- und Biegeprüfung nach DIN 1048 wurde nach 4 Wochen Lagerung an Luft durchgeführt und ergab folgende Werte:

Dichte 1257 kg/m³
Druckfestigkeit: 7 Mpa
Biegefestigkeit 1,6 MPa
Schallabsorption > 40 dB

Eine Erhöhung des Anteils Superlite^® erniedrigte die Dichte aber auch die Festigkeit. Es erhöhte die Schallabsorption auf > 50 dB.
Beispiel 2
In einer Variante der Basismischung wurde auf das Aerosil ganz verzichtet. Damit waren die relativen Anteile anders (30% Portlandzement 52,5 oder 42,5) und 20% Sand und die Herstellung erfolgte so, dass zuerst die Betonmischung hergestellt wurde und dann in einem Zwangsmischer das Superlite^®-Granulat zusammen mit dem Betonverflüssiger zugegeben wurde.
Variante A:
Herstellung eines Steins (Größe 40 × 40 × 8 cm) nach Ausführungsbeispiel 1 und Beschichtung direkt nach der Herstellung vor dem Abbinden und Trocknen durch Übergießen mit einem Aerogelbeton nach WO 2006/032655 A1 mit Aerogelgranulat TL von Cabot (siehe oben), aber einem Aerogelanteil von 65–70%.

Schichtdicke 2 cm. Gesamtdichte ist 1100 kg/m³.
Schallabsorption > 42 dB,
Schalldämmung > 8 dB.

Variante B:
Herstellung eines Steins (Größe 40 × 40 × 8 cm) nach Ausführungsbeispiel 1 und Aufschütten direkt nach der Herstellung in den noch feuchten und weichen Beton mit Aerogelgranulat TL von Cabot in oben genannter Menge und leichtem Eindrücken in die Oberfläche mit einer Gummiwalze. Abblasen des überschüssigen Granulates. So erzeugte man eine Schichtdicke ca. 1 cm.

Gesamtdichte ist 980 kg/m³.
Schallabsorption > 42 dB,
Schalldämmung > 12 dB

Variante C:
Herstellung eines Steins (Größe 40 × 40 × 8 cm) nach Ausführungsbeispiel 1 und Aufschütten direkt nach der Herstellung in den noch feuchten und weichen Beton mit hydrophobem Superlite^® von Knauf (siehe oben) in oben angegebener Menge und leichtem Eindrücken in die Oberfläche mit einer Gummiwalze, Abblasen des überschüssigen Granulates.
So erzeugte man eine Schichtdicke ca. 1 cm.

Gesamtdichte ist 1000 kg/m3.
Schallabsorption > 42 dB,
Schalldämmung > 12 dB

Claims

Schallschutzelement mit einem gegebenenfalls armierten Betonkern und einer wenigstens einseitig auf dem Betonkern vorhandenen Oberflächenbeschichtung, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenbeschichtung feuerbeständigen Leichtzuschlag enthält.
Schallschutzelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Betonkern einen Leichtbeton mit einer Rohdichte im Bereich von 800 bis 1300 kg/m³ umfasst.
Schallschutzelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Betonkern eine charakteristische Zylinderdruckfestigkeit im Bereich von 32,5 bis 52,5 N/mm² aufweist.
Schallschutzelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenbeschichtung Leichtzuschlag auf der Basis von Naturbims, Lavaschlacke, Blähton, Blähschiefer, Ziegelsplitt, Hüttenbims, gesinterte Steinkohlenflugasche, Perlite und/oder Aerogelgranulat enthält.
Schallschutzelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenbeschichtung Leichtzuschlag in einer Menge von 50 bis 100 Vol.% enthält.
Schallschutzelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die im Wesentlichen aus Leichtzuschlag bestehende Oberflächenbeschichtung eine Schichtdicke von bis zu 10 mm, insbesondere bis zu 5 mm aufweist.
Schallschutzelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenbeschichtung Leichtzuschlag insbesondere in einem Volumenanteil von 45 bis 75% in einem Beton integriert enthält.
Schallschutzelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenbeschichtung eine Schichtdicke von bis zu 5 cm aufweist.
Verfahren zur Herstellung von Schallschutzelementen nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass man die Oberflächenbeschichtung mit der gegebenenfalls abgebundenen Oberfläche des Betonkerns in Kontakt bringt.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass man den in einem im Wesentlichen nicht abgebundenen Beton integrierten Leichtzuschlag der Oberflächenbeschichtung mit einem im Wesentlichen abgebundenen Betonkern unter Druckbeaufschlagung in Kontakt bringt, anschließend die freiliegende Oberfläche gegebenenfalls profiliert und den Beton abbinden lässt.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass man den in einem im Wesentlichen abgebundenen gegebenenfalls profilierten Beton integrierten Leichtzuschlag mit einem im Wesentlichen nicht abgebundenen Betonkern unter Druckbeaufschlagung in Kontakt bringt und den Beton abbinden lässt.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass man den nicht vollständig abgebundenen Betonkern mit einer Oberflächenbeschichtung aus Leichtzuschlag versieht.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass man den Leichtzuschlag aufstreut, aufstrahlt, aufspritzt und/oder aufsprüht.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass man den Leichtzuschlag nach dem Aufbringen auf die Oberfläche des Betonkerns mit Druck beaufschlagt.