DE19532638A1 - Glasfaserverstärkte mineralische Kombinationswerkstoffe hoher Dichtigkeit und Dauerbeständigkeit - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft glasfaserverstärkte mineralische Kombinationswerkstoffe hoher Dichtigkeit und Dauerbeständigkeit mit einer Matrix aus hydraulisch aktiven Bindemitteln und anorganischen Zusatzstoffen wie Filterasche, Microsilica/Nanosilica, Metakaolin

Faserverstärkte zementgebundene Kombinationswerkstoffe basieren auf einer hydraulisch erhärteten Bindemittelmatrix und darin eingelagerten Armierungsfasern Hauptbestandteile der zementgebundenen Matrix sind Zement, Wasser und Zuschlag. Als Zusatzmittel werden z. B. Betonverflüssiger und Luftporenbildner und als Zusatzstoffe z. B. Flugasche verwendet [MEYER, A.: Zusammensetzung und Eigenschaften der Faserbeton-Matrix. Betonwerk + Fertigteil-Technik, Heft 1/1986]. Wird für die Matrixbildung der gewöhnliche Portland-Zement verwendet, so enthält die poröse Matrix in ihrem Porenraum eine Flüssigkeit mit einen pH-Wert < 12,5. Als Ursache für die Alkalität ist anzusehen, daß bindemittelbedingt zum einen die wäßrige Lösung an Ca(OH)₂ kaltgesättigt ist und andererseits über den Portland-Zementklinker wirksame Alkalien (KOH, NaOH) in das Bindemittel eingetragen werden. Durch die Anwesenheit dieser Alkaliverbindungen im erhärteten Portland-Zement erhöht sich der pH-Wert dieser Porenflüssigkeit auf 13 bis 14. Eine derartige Flüssigkeit führt gegenüber silicatischen Glasfasern zu Wechselwirkungsprozessen mit dem Ergebnis einer Faserschädigung und eines Festigkeitsrückgang beim faserarmierten mineralischen Baustoff. Um hier einer Faserschädigung entgegenzuwirken, hat man das Bindemittel durch Zusätze in einer solchen Weise modifiziert, daß sich ein derart hohes Alkalitätsniveau nicht mehr ergibt [FERRY, R.: Pozzolanic materials in GRC composites. Proceedings 7^th Biennial Congress, The Glassfibre Reinforced Cement Association, Maastricht/The Netherlands, 25 - 28 September 1989, pp. 65 - 80]. Seit rund vier Jahrzehnten ist die Wirkung von amorphen Kieselsäurespecies (SiO₂) in Zementbeton bekannt und als Zementzusatz technisch nutzbar gemacht worden; der SiO₂-Zusatz wird für den Glasfaserbeton seit den 80er Jahren angewendet. Diese Microsilica (silica fume, silica dust) ist ein Material, das insbesondere bei der Silicium- und Ferrosiliciumproduktion anfällt [TKALCEC, E.; ZELIC J.: Influence of amorphous silica (silica dust) on the properties of portland cement mortars. Zement-Kalk-Gips 40 (1987) 574 - 579; IGARASHI, S.; TORII, K.; HADABA, S.: Effect of silica fume on the durability of glass fibre reinforced mortar and concrete. Review of the 40^th General Meeting Cement Association, Tokyo 1986, pp. 368 - 371; ATKINS, M.; LACHOWSKI, E.E.; GLASSER, F.P.: Investigation of solid and aqueous chemistry of 10-years-old Portland cement pastes with and without silica modifier. Advances in Cement Research 5 (1993) 97 - 102.]. Der Vorzug derart modifizierter Bindemittel ist auch in der DE 39 32 908 A1 dargelegt. Einem Standard- oder Spezialzement werden diese SiO₂-Zusätze beigegeben, um eine Neutralisation des beim Hydratationsprozeß sich bildenden Ca(OH)₂ zu bewirken. Die dem hydraulischen Bindemittel zugesetzte SiO₂-Menge soll mindestens äquivalent der benötigten Menge sein, die erforderlich ist, um sämtliches bei der Hydratation sich bildende freies Calciumhydroxid zu kompensieren. Weitere Additives wie Metakaolin, Diatomeenerde (SiO₂), Puzzolanerde, Hochofenschlacke und Flugasche bzw. eine Kombination daraus finden ebenso Verwendung. Werden jedoch diese Zusätze in hohen Konzentrationen verwendet, kann sich für den Kombinationswerkstoff gegenüber einer Bindemittelmatrix aus Portland-Zement eine Zunahme des Porenraums ergeben, was für die Frost-Tau-Beständigkeit nachteilig ist und einen vorzeitigen Ausfall des Glasfaser-Bindemittel-Kombinationswerkstoffs bei Außenanwendung zur Folge haben kann. Untersuchungen mit Mörtelmischungen, die nur aus Portland-Zement bzw. Portland-Zement und Microsilica-Zusatz (15%) hergestellt wurden, zeigten bei einer Hydratationsdauer bis zu 91 Tagen eine geringfügige Abnahme des Porenvolumens, wenn SiO₂ zugesetzt wurde [TORII, K.; KAWAMURA, M.: Pore structure and chloride ion permeability of mortars containing silica fume. Cement & Concrete Composites 16 (1994) 279 - 286]. Technische Einzelheiten zum Faserbeton sind z. B. den Arbeiten von A. MEYER zu entnehmen [Glasfaserbeton - Baustoff mit Zukunft. Beton, Heft 6/1991 bzw. Wellcrete - eine fortschrittliche Technologie für die kostengünstige Produktion hochwertiger Faserbetonprodukte. Betonwerk + Fertigteil-Technik, Heft 8/1991].

Dem kann zwar entgegengewirkt werden durch die Verwendung von extrem feinen Partikeln [WOLF R.; HERRMANN, R.; HOFFMANN, B.; HUSEMANN, K.: Erhöhung der Effektivität trockener Feinstmahl- und Klassierprozesse durch grenzflächenaktive Zusätze. TIZ International 118 (1994)126 - 132] oder durch eine organische Polymerbeschichtung der Wetterseite des Materials, jedoch verteuert eine Feinstkornerzeugung das mineralische Bindemittel wesentlich und der Einfluß von grenzflächenaktiven Zusätzen auf das Hydratationsverhalten des Bindemittels [DOM BROWE, H.; HOFFMANN, B.; SCHEIBE, W.: Über Wirkungsweise und Einsatzmöglichkeiten von Mahlhilfsmitteln. Zement-Kalk-Gips 35 (1982) 571 - 580 bzw. DOMBROWE, H.: Einfluß von Mahlhilfsmitteln und Lagerungsbedingungen auf die Festigkeitsentwicklung des Zements. Silikattechnik 38 (1987) 406 - 408] und auf die Entwicklung der Materialeigenschaften des faserverstärkten mineralischen Baustoffes hinsichtlich einer Nutzungsdauer von 50 Jahren und darüber ist nicht vorhersagbar. Durch einen Mahlhilfsmitteleinsatz kann einerseits eine Verbesserung der Mahlfeinheit oder eine Durchsatzsteigerung von Mahlanlagen erreicht werden, aber dadurch ist andererseits auch eine Beeinträchtigung der Mahlproduktqualität möglich.

Werden faserverstärkte Bauelemente, die gemäß DE 39 32 908 A1 hergestellt sind, mit organischen Polymeren beschichtet dann ist zu erwarten, daß die organischen Polymere in einer alkalischen Umgebung sich mit der Zeit umsetzen können und damit niemals dauerbeständig sein werden, zumal sie im Falle einer praktischen Anwendung auch belastenden Umwelteinflüssen (UV- Strahlung, saurer Regen, Ozon, Staubteilchen der Luft, Mikroorganismen usw. sowie mechanische Belastungen des Werkstoffs) ausgesetzt sind.

Es ist ferner bekannt, auf der Grundlage von hydratisiertem Portland-Zement unter Berücksichtigung von organischen polymeren Verbindungen sogenannte polymermodifizierte Matrices zu bilden [BIJEN, J: E-glass fibre-reinforced polymer-modified cement. Precast Concrete (1989) 551 - 560 bzw. BlJEN, J.: Durability of some glass fiber reinforced cement composites. ACI Journal (1983) 305 - 311 bzw. JACOBS, M.J.N.: Dauerhaftigkeit von Polymer-Glasfaserbeton (PGRC); Folgerung für den Entwurf, Teil 2. Betonwerk + Fertigteil-Technik (1986) 756 - 761 bzw. WEST, J.M., de VEKEY, R.C., MAJUMDAR, A.J.: Acrylic-polymer modified GRC. Composites 16 (1985) 33 - 40]. Derartige Verbundstoffe bestehen gemäß DE 28 37 898 C2 aus einem wasserbindenden Zement, einer Harzdispersion und aus Glasfasern, wobei der Wasser/Zement-Wert zwischen 0,2 und 0,5 und das Gewichtsverhältnis Harz/Zement zwischen 0,02 und 0,4 liegt. Als Harzdispersion werden ein an sich bekanntes, Säuregruppen enthaltendes Mischpolymerisat und als Armierungsmaterial Glasfasern aus E-Glas verwendet. In einer mineralischen Matrix, die aus Portland-Zement ohne puffernde Zusätze hergestellt wurde, befindet sich eine Porenflüssigkeit hoher Alkalität, die im Langzeiteinsatz solcher Bauelemente bei natürlicher Bewitterung üblicherweise zu Zersetzungserscheinungen der organischen Polymeren und ihrer Unwirksamkeit führt.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen leistungsfähigen glasfaserverstärkten mineralischen Kombinationswerkstoff mit einer Matrix auf der Basis von hydraulischen Bindemitteln und anorganischen Zusätzen wie Filterasche, Microsilica/Nanosilica, Metakaolin zu schaffen, der weniger störanfällig gegenüber belastenden Umwelteinflüssen ist, sich durch Dichtigkeit infolge eines verfüllten Porenraumes auszeichnet und damit eine hohe Dauerbeständigkeit aufweist.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Herstellung eines leistungsfähigen glasfaserverstärkten mineralischen Kombinationswerkstoffs mit einer Matrix auf der Basis von hydraulischen Bindemitteln und anorganischen Zusätzen wie Filterasche, Microsilica/Nanosilica, Metakaolin erfolgt, worin silicatische Glasfasern eingearbeitet worden sind, indem erfindungsgemäß organische polymere Verbindungen in Form von Plastdispersionen bzw. -emulsionen bzw. wasserlösliche alkalibeständige Polymere zur Ausfüllung des Porenraumes des Kombinationswerkstoffes verwendet werden.

Als Plastdispersionen bzw. -emulsionen werden wäßrige Dispersionen oder Emulsionen von Acrylaten, ungesättigten Polyestern, Epoxidharzen, Phenol-Formaldehyd-Harzen usw. auch Vinylacetat-Homopolymere, Vinylacetat-Copolymere oder Vinylacetat-Terpolymere eingesetzt.

Dabei dient der Polymerzusatz insbesondere dem Ziel des Verfüllens des Porenraums der Matrix, damit es dort zu keinen größeren Ansammlungen der hoch alkalischen und die Glasfasern schädigenden Porenflüssigkeit kommt bzw. weniger oder keine Fremdbestandteile über den flüssigkeitsfreien oder -armen Porenraum in die Matrix einzudringen vermögen, um dort eine schädigende Wirkungen zu entfalten. Wenn sich bei Verwendung von gewöhnlichem Zement, bedingt durch die Partikelgröße des Zementkorn, ein Porenraumdurchmesser von bis zu 30 pm ergibt und im Falle der Verwendung von Luftporenbildnern als Zusatzmittel ein gasgefüllter Porenraum mit größenordnungsmäßig 8 Vol.-% angenommen wird, läßt sich für einen glasfaserverstärkten polymermodifizierten Faserbeton auf der Basis eines Bindemittelgemisches von Zement und anorganischen Zusatzstoffen der organische Polymeranteil auf 10 Vol.-% festlegen.

Claims (3)

1. Glasfaserverstärkte mineralische Kombinationswerkstoffe hoher Dichtigkeit und Dauerbeständigkeit mit einer Matrix auf der Basis von hydraulischen Bindemitteln und anorganischen Zusätzen wie Filterasche, Microsilica/Nanosilica, Metakaolin sowie darin eingearbeiteten Glasfasern dadurch gekennzeichnet, daß organische polymere Verbindungen in Form von Plastdispersionen bzw. -emulsionen bzw. wasserlösliche alkalibeständige Polymere zur Ausfüllung des Porenraumes des Kombinationswerkstoffes verwendet werden.

2. Glasfaserverstärkte mineralische Kombinationswerkstoffe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Plastdispersionen bzw. -emulsionen wäßrige Dispersionen oder Emulsionen von Acrylaten, ungesättigten Polyestern, Epoxidharzen, Phenol-Formaldehyd-Harzen usw. auch Vinylacetat-Homopolymere, Vinylacetat-Copolymere oder Vinylacetat-Terpolymere eingesetzt werden.

3. Glasfaserverstärkte mineralische Kombinationswerkstoffe nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der organische Polymeranteil 10 Vol.-% beträgt.