DE102009024200B3

DE102009024200B3 - Anorganisches Bindemittel und dessen Verwendungen

Info

Publication number: DE102009024200B3
Application number: DE200910024200
Authority: DE
Inventors: Frank Dr. Bellmann; Jochen Prof. Dr. Stark
Original assignee: Bauhaus Universitaet Weimar
Current assignee: Bauhaus Universitaet Weimar
Priority date: 2009-06-08
Filing date: 2009-06-08
Publication date: 2010-09-30
Anticipated expiration: 2029-06-09

Abstract

Die Erfindung betrifft ein anorganisches Bindemittel für ein zur Sanierung von Mauerwerk geeignetes Baustoffgemisch und ein Verfahren zur Sanierung von gipshaltigem Mauerwerk. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Bindemittel und ein Verfahren zur Sanierung von Bauwerken und Bauwerksteilen anzugeben, welche sowohl in Mauerwerksbereichen, die einen Calciumsulfatüberschuss aufweisen, als auch in Bereichen des Mauerwerks, die ein Calciumsulfatdefizit aufweisen, angewendet werden können. Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird durch ein Bindemittel gelöst, das eine hohe Beständigkeit gegen eine Reaktion mit Calciumsulfat zu Thaumasit und Ettringit dadurch erreicht, dass bei seiner Erhärtung calciumarme C-S-H-Phasen mit einem Calcium/Silizium-Verhältnis von etwa 0,8-1,2 entstehen, wobei das erhärtete Bindemittel frei von Calciumhydroxid und Calciumsulfat-Dihydrat (Sulfatanreger) ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein anorganisches Bindemittel für ein zur Sanierung von Mauerwerk geeignetes Baustoffgemisch und Verwendungen des Bindemittels.
Bei der Sanierung von Bauwerken aus Gipsmauerwerk kann die Verwendung von hydraulischen Bindemitteln zur Bildung der Minerale Thaumasit und Ettringit führen. Dadurch kann eine Schädigung des Bauwerkes durch Treiberscheinungen und Risse eintreten. Es ist deshalb erforderlich, Bindemittel zu verwenden, bei denen der Kontakt mit Gips aus der Altsubstanz nicht zur Gefügeschädigung infolge Thaumasit- und Ettringitbildung führt. Zu derart inerten Bindemitteln zählen Materialien, welche nach ihrer Erhärtung noch unverbrauchtes Calciumsulfat im Phasenbestand enthalten (Gipsüberschuss). Demzufolge werden bei der Sanierung von Bauwerken, die mit Bindemitteln hergestellt wurden, welche nach der Erhärtung einen Gipsüberschuss aufweisen, aus Gründen der Verträglichkeit Bindemittel verwendet, die gleichfalls zu einem Calciumsulfatüberschuss führen.
Beispielsweise ist es bekannt, Sulfathüttenzement zur Sanierung von gipshaltigem Mauerwerk zu verwenden. Alternativ ist die Verwendung gipshaltiger Produkte möglich, wie dies in DE 196 43 726 A1 und DE 197 04 066 C2 beschrieben ist.
Problematisch ist jedoch, dass historisches Mauerwerk sehr heterogen ist. Allein bedingt durch die hohe Anzahl von Bauphasen sind sehr viele unterschiedliche Bindemittel in die Bauwerke eingetragen worden. Dementsprechend ist bei den betroffenen Gebäuden häufig nicht das gesamte Bauwerk mit Gipsmörtel erstellt. Partien des Mauerwerks können aus Bindemitteln bestehen, die ein Calciumsulfatdefizit aufweisen. Dadurch würde es bei einer Sanierung dieser Bauwerksbereiche mit dem gleichen Verpressmörtel zu gefügeschädigenden Phasenneubildungen kommen. Dies beruht auf einer Unverträglichkeit des calciumsulfatreichen Saniermörtels mit dem an einigen Stellen des Bauwerks vorhandenen calciumsulfatarmen historischen Mörtel. Insofern sind Sulfathüttenzement, Bindemittel auf der Basis von Calciumsulfat und ähnliche Materialien am Bauwerk nicht universell einsetzbar.
Eine Sanierung mit den üblichen hydraulischen Bindemitteln auf der Basis von Zement bzw. Kalk führt nicht immer zum gewünschten Sanierungserfolg, da bei Kontakt mit gipshaltiger Altsubstanz die Minerale Thaumasit und Ettringit gebildet werden. Fast alle hydraulischen Bindemittel besitzen so geringe SO₃-Gehalte, dass nach der Erhärtung dieser Bindemittel kein Calciumsulfat mehr im Phasenbestand enthalten ist. Dementsprechend ist ein Sulfatdefizit erreicht und es besteht eine Untersättigung in der Porenlösung bezüglich des Minerals Gips (CaSO₄·2H₂O). Bei Kontakt der erhärteten Bindemittel mit Calciumsulfat bzw. einem Bindemittel mit Calciumsulfatüberschuss kommt es zu chemischen Reaktionen zwischen den beiden Reaktionspartnern. Dabei können die gefügeschädigenden Mineralphasen Thaumasit (CaSiO₃·CaSO₄·CaCO₃·15H₂O) und Ettringit (3CaO·Al₂O₃·3CaSO₄·32H₂O) gebildet werden und es kann infolge der Gefügeschädigungen zu einer Beeinträchtigung der Standsicherheit und der Gebrauchstauglichkeit der betroffenen Bauwerke kommen. Ein Kontakt von erhärteten Bindemitteln mit Calciumsulfatdefizit bzw. -überschuss tritt z. B. bei der Verwendung hydraulischer Bindemittel zur Bodenverbesserung von gipshaltigen Böden und bei der Sanierung von gipshaltigem Mauerwerk (Mörtel und/oder Werkstein einhält Calciumsulfat) oder Betonbauwerken aus Sulfathüttenzementen bzw. ähnlichen Bindemitteln auf. Wie der Veröffentlichung Bellmann & Stark: Cem Concr Res 37 (2007) 1215–1222 zu entnehmen ist, wird bei Anwesenheit von Gips eine Umwandlung fast aller Bindemittelsteine in Thaumasit erwartet.
Bisher werden für die Sanierarbeiten bisher zwei Bindemittel parallel verwendet, wobei der Anwendungsbereich der Bindemittel jeweils lokal begrenzt ist. Teile der Altsubstanz mit Gipsüberschuss werden durch Verwendung von Sulfathüttenzement oder Bindemitteln auf Gipsbasis saniert, während andere Partien des Mauerwerks mit Sulfatdefizit (z. B. Kalkmörtel) mit hydraulischen Bindemitteln saniert werden, die ebenfalls ein Sulfatdefizit aufweisen. Dabei ergeben sich Unsicherheiten bei der Anwendung, da die entsprechenden Mauerwerksbereiche häufig nicht exakt eingegrenzt werden können und es bei der Sanierung zur Überlappung der Einsatzbereiche kommt.
Es ist daher wünschenswert, Bindemittel herzustellen, die in beiden Bereichen des Mauerwerkes, d. h. sowohl in Kontakt mit Sulfatüberschuss als auch mit Sulfatdefizit eingesetzt werden können.
In DE 41 27 684 C1 , DE 100 52 928 A1 , DE 103 51 235 A1 , DE 200 11 604 U1 und DE 198 11 607 A1 werden zur Sanierung geeignete Bindemittel beschrieben, bei denen Kalk zugegeben wird. Nachteilig ist dabei deren geringe Widerstandsfähigkeit, da Ettringit und Thaumasit bei Kontakt mit Gips gebildet werden können.
Aus der DE 34 37 680 A1 ist ein Bindemittel für Restaurierungsmörtel bekannt, indem eine hydraulische, eine latent hydraulische und eine puzzolanische Komponente so aufeinander abgestimmt sind, dass der damit hergestellte Mörtel in Berührung mit gipshaltigem Mauerwerk raumbeständig bleibt, wobei als hydraulische Komponente Portlandzementklinker, als latent hydraulische Komponente Hüttensand und als puzzolanische Komponente Trass, Ziegelmehl, Phonolith, Flugasche aus Wirbelschichtfeuerungen oder so genannter Si-Stoff eingesetzt werden können. Die dort beschriebene Zugabe von Portlandzementklinker von 6% und mehr ist schädlich, da bei geringen Temperaturen die puzzolanische oder latent-hydraulische Reaktion so träge verläuft, dass das gebildete Calciumhydroxid nicht mehr verbraucht werden kann und somit für eine Schadreaktion zur Verfügung steht. Weiterhin weisen diese Bindemittel teilweise eine zu geringe Festigkeit auf und können somit nicht eingesetzt werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Bindemittel zur Sanierung von Bauwerken und Bauwerksteilen anzugeben, welches sowohl in Mauerwerksbereichen, die einen Calciumsulfatüberschuss aufweisen, als auch in Bereichen des Mauerwerks, die ein Calciumsulfatdefizit aufweisen, angewendet werden kann. Weiterhin soll das Bindemittel zur Bodenverbesserung calciumsulfathaltiger Böden einsetzbar sein.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einem Bindemittel, welches die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale und mit Verwendungen, welche die in den Ansprüchen 2 und 3 angegebenen Merkmale enthält, gelöst.
Bei der Anwendung dieser Bindemittel ist eine gefügeschädigende Bildung von Thaumasit in den Kontaktbereichen Altmörtel-Saniermörtel nicht möglich. Die Verbesserung der Widerstandsfähigkeit wird erreicht, indem bei der Hydratation des Saniermörtels C-S-H-Phasen entstehen, die ein deutlich niedrigeres Calcium/Silizium-Verhältnis aufweisen als die üblicherweise bei der Hydratation von Portlandzement entstehenden C-S-H-Phasen.
Aufgrund des geringen Calcium/Silizium-Verhältnisses weisen die C-S-H-Phasen eine höhere Sulfatresistenz auf und sind nicht in der Lage, mit Calciumsulfat-Dihydrat (Gips) zu Thaumasit zu reagieren. Eine Senkung des Calcium/Silizium-Verhältnisses in den C-S-H-Phasen wird durch die Verwendung hoher Mengen an puzzolanischen und/oder latent-hydraulischen Stoffen erreicht.
Sofern Calciumhydroxid vorhanden ist, wird es bei einer Reaktion dieser Stoffe verbraucht und die Calciumionenkonzentration in der Porenlösung gesenkt. Bei geringen Calciumionenkonzentrationen in der Porenlösung sind C-S-H-Phasen mit geringem Calcium/Silizium-Verhältnis (0,8–1,1) stabil, im Gegensatz zu den üblicherweise vorhandenen calciumreichen C-S-H-Phasen (Ca/Si-Verhältnis 1,6–1,8), die bei der Hydratation von Portlandzement entstehen.
Dieses Verhalten wird erreicht, wenn das Bindemittel 20–100 Masse-% Hüttensand oder 10–80 Masse-% Braun- bzw. Steinkohlenflugasche oder 10–80 Masse-% Silikastaub, sowie bis 5 Masse-% Portlandzementklinker enthält und frei von Calciumoxid, Calciumhydroxid und Calciumsulfat ist, sowie einen Anreger aus der Gruppe Alkalikarbonal, Alkalihydroxid, Alkalisilikat und Alkalisilikathydrat enthält.
Das Bindemittel ist sowohl mit Calciumsulfat-Dihydrat als auch mit calciumsulfatdefizitären Bindemitteln kompatibel. Bei einem Kontakt des Bindemittels ist eine gefügeschädigende Bildung von Thaumasit nicht möglich. Die Bindemittel bestehen zu wesentlichen Anteilen aus Hüttensand, Steinkohlenflugasche und anderen latent-hydraulischen bzw. puzzolanischen Stoffen. Bei der Hydratation dieser Stoffe werden C-S-H-Phasen gebildet, die sich von den C-S-H-Phasen, welche bei der Hydratation von Portlandzementklinker entstehen, unterscheiden. Dies betrifft insbesondere das Calcium/Silizium-Verhältnis. Die bei der Hydratation von Portlandzementklinker entstehenden C-S-H-Phasen weisen ein Calcium/Silizium-Verhältnis von etwa 1,7 auf. Im Unterschied dazu weisen die C-S-H-Phasen, die bei der Hydratation von Steinkohlenflugasche oder Hüttensand bzw. anderen puzzolanischen oder latent-hydraulischen Stoffen entstehen, ein deutlich geringeres Calcium/Silizium-Verhältnis von etwa 0,8 bis 1,1 auf. Ursächlich dafür sind die Abwesenheit von Calciumhydroxid im erhärteten Bindemittel und die demzufolge geringe Calciumionenkonzentration in der Porenlösung. Um C-S-H-Phasen mit einem sehr geringen Calcium/Silizium-Verhältnis zu bilden, ist eine Reduktion der Anteils an Portlandzementklinker im Bindemittel erforderlich und die Verwendung von hohen Anteilen anpuzzolanischen und latent-hydraulischen Stoffen. Weiterhin ist das Bindemittel frei von Kalk (Calciumoxid, Calciumhydroxid) sein.
Das unterschiedliche Calcium/Silizium-Verhältnis der C-S-H-Phasen besitzt einen signifikanten Einfluss auf deren Beständigkeit bei einer Reaktion mit Calciumsulfat und Calciumkarbonat zu Thaumasit. Calciumreiche C-S-H-Phasen reagieren sehr schnell mit diesen beiden Stoffen zu Thaumasit, während sich calciumarme C-S-H-Phasen immun verhalten. Dieser experimentelle Befund steht im Widerspruch zu thermodynamischen Berechnungen. In der Veröffentlichung Bellmann & Stark: Cem Concr Res 37 (2007) 1215–1222, wurde dargestellt, dass bei Anwesenheit von Gips eine Umwandlung fast aller Bindemittelsteine in Thaumasit erwartet werden kann. Im Gegensatz dazu wurde bei thermodynamischen Berechungen in dieser Arbeit eine Widerstandsfähigkeit von C-S-H-Phasen gegenüber Sulfatlösungen mit geringen und mittleren Konzentrationen festgestellt. Dieses Ergebnis bezieht sich auf die Einwirkung aggressiver Wässer auf erhärteten Beton. Es kann nicht auf den Kontakt mit festem Gips bei der Sanierung von gipshaltigem Mauerwerk übertragen werden, da Gips ein höheres Reaktionspotential als eine reine Sulfatlösung besitzt.
In Analogie zu Thaumasit wird auch die Ettringitbildung durch den Ausschluss von Calciumhydroxid aus dem Phasenbestand vermieden.
Das herzustellende Bindemittel soll im Gegensatz zu EP 1 195 361 B1 nicht durch Calciumsulfat oder ähnliche Sulfatverbindungen angeregt werden. Nach dem Erhärtungsvorgang darf kein Calciumsulfat mehr enthalten sein, da dies zu einer Schadmineralbildung bei Kontakt mit anderen hydraulischen Bindemitteln führen kann. Für die Herstellung des Bindemittels werden u. a. Hüttensand und puzzolanische Stoffe (Silikastaub, Steinkohlenflugasche, Trass etc.) verwendet.
Erfindungsgemäße Anreger sind Alkalikarbonat, Alkalihydroxid, Alkalisilikat, Alkalisilikathydrat.

Claims

Anorganisches Bindemittel – mit hoher Beständigkeit gegen eine Reaktion mit Calciumsulfat zu Thaumasit und Ettringit, – das bei seiner Erhärtung calciumarme C-S-H-Phasen mit einem Calcium/Silizium-Verhältnis von 0,8 bis 1,2 bildet, – und das erhärtete Bindemittel frei von Calciumhydroxid und Calciumsulfat-Dihydrat ist, wobei das Bindemittel – frei von Calciumsulfat und CaO und Ca(OH)₂ ist, – bis zu 5 Masse-% Portlandzementklinker, – mindestens 20 Masse-% Hüttensand oder 10–80 Masse-% Braunkohlen- oder Steinkohlenflugasche oder 10–80 Masse-% Silikastaub – und einen Anreger aus der Gruppe Alkalikarbonat, Alkalihydroxid, Alkalisilikat und Alkalisilikathydrat enthält.
Verwendung des Bindemittels nach Anspruch 1 zur Sanierung von gipshaltigem Mauerwerk.
Verwendung des Bindemittels nach Anspruch 1 zur Bodenverbesserung eines calciumsulfathaltigen Bodens.