DE19747794A1 - Verfahren zur Herstellung von in der Masse hydrophobiertem Beton - Google Patents

Verfahren zur Herstellung von in der Masse hydrophobiertem Beton

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Reiner Stoerger
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    • C04B24/40—Compounds containing silicon, titanium or zirconium or other organo-metallic compounds; Organo-clays; Organo-inorganic complexes
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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines zumindest weitgehend homogen hydrophobiertem Beton (Fachbegriff: Massenhydrophobierung) durch das Einmischen von Organosilicumverbindungen enthaltenden wäßrigen Emulsionen in noch nicht ausgehärtete Betonmischungen. Aus dem Stand der Technik sind Imprägnierverfahren bekannt, bei denen man derartige Emulsionen auf Betonteile aufstreicht und diese somit an der Oberfläche hydrophobiert (EP-B-0538 555, EP-B-0340816, EP-A-0234024).
Auch wenn auf diesem Wege schon gute Ergebnisse z. B. im Hinblick auf die Eindringtiefe von Feuchtigkeit erzielt werden, ist das Verfahren mit Problemen verbunden. Diese bestehen einmal darin, daß der Anwender die Emulsionen sorgfältig und lückenlos auf der Betonoberfläche aufzutragen hat.
Fehlstellen im Beton sind jedoch von außen nicht zu erkennen. Sie stellen aber mögliche Durchbruchstellen für Schadflüssigkeiten dar, so daß der Schutz der Oberfläche nicht mehr garantiert ist.
Zusätzlich trägt die Alterung der Betonoberfläche durch chemische, thermische und auch mechanische Einflüsse zur Schwächung der hydrophoben Schutzschicht bei.
Das bedeutet, daß sie in regelmäßigen Abständen erneuert werden muß. Diese Erneuerung setzt jedoch voraus, daß die zu behandelnde Oberfläche zuvor aufwendig z. B. mit einem Höchstdruckwasserstrahl gereinigt wird.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren bereit zustellen, mit dessen Hilfe Werkteile aus Beton bzw. Bauten aus Beton wirksam gegen Korrosion geschützt werden können, ohne durch aufwendige, wiederholt durchzuführende Maßnahmen diesen Schutz sichern zu müssen.
In diesem Zusammenhang ist auch zu berücksichtigen, daß durch das Zumischen von diesen Schutz bewirkenden chemischen Verbindungen die Verarbeitbarkeit von Betonmischungen, z. B. im Hinblick auf die Viskosität nicht erschwert und in Hinsicht auf die die Festigkeit beeinflussenden Eigenschaften wie z. B. die Porosität diese Parameter nicht verschlechtert werden.
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung von in der Masse hydrophobiertem Beton, das dadurch gekennzeichnet ist, daß man einer wasserhaltigen Mischung aus an sich bekannten anorganischen und gegebenenfalls in geringem Umfang organischen Bestandteilen während der Herstellung oder gegebenenfalls im Anschluß daran eine wäßrige hydrolysierbare Organosiliciumverbindungen enthaltende Emulsion zusetzt und die Mischung anschließend zum Beton aushärten läßt.
Emulsionen dieses Typs sind an sich bekannt, werden aber nach dem Stand der Technik nur zur Hydrophobierung von Oberflächen eingesetzt.
Wässrige Emulsionen, die sich für die erfindungsgemäße Verwendung eignen, finden sich z. B. in der Beschreibung der EP-A 0234 024, EP-B 0340 816 oder der EP-A- 0616 989. Die in diesen Patentanmeldungen offenbarten wässrigen Emulsionen sind auch Bestandteil dieser Erfindung. Diese enthalten bevorzugt hydrolysierbare Alkylalkoxysilane der allgemeinen Formel (I) in einer Menge von 1 bis 70 Gew.-%, bezogen auf die Gesamtmenge der Emulsion.
Weitere Bestandteile sind im allgeimeinen bekannte, nicht ionische oder ionische Emulgatoren, beispielsweise mit einem HLB-Wert von 1,5 bis 20, darunter insbesondere Stearate, Oleate und gegebenenfalls puffernde Substanzen. Bei der Verwendung dieser Emulsionen ist bevorzugt darauf zu achten, daß die Tröpfchengröße der Organosilicium­ verbindungen im Wasser einen Durchmesser von 0,5 bis 10 µm haben. Die mittlere Teilchengröße liegt in einem besonders geeigneten Fall bei 0,30 bis 1,1 µm.
In einer besonderen Ausführungsform enthält die Emulsion 1 bis 80 Gew.-%, bevorzugt 1 bis 60 Gew.-%, mindestens eines Alkylalkoxysilans der allgemeinen Formel
in der bedeuten:
R, R1: C1-C3-Alkyl, gegebenenfalls verzweigt,
R3: C1-C20-Alkyl, geradkettig oder verzweigt insbesondere C1-C10-Alkyl, Phenyl,
a: 0 oder 1,
b: 1 oder 2,
c: 1 bis 18,
X: H, Cl, Br, J, NH2, SCN, CN, N3, NHR, N(R)2, N(R)3, Aryl, insbesondere H, Cl, NH2, SCN, NHR, N(R2), N(R3) mit der Bedeutung R wie oben, Phenyl, wenn b = 1 Alkenyl, insbesondere -CH2-, Ethylen, Trimethylen oder Tetramethylen, wenn b = 2
X: Sx mit x = 1 bis 6, wenn b = 2 und c = 1 bis 6,
X: ohne Bedeutung, wenn b = 2 und c = 1 bis 12, bevorzugt 1 bis 6 und anstelle von oder in Ergänzung eines der bekannten Tenside bevorzugt 1 bis 20 Gew.-%,bevorzugt 1 bis 5 Gew.-% einer Organosiliciumverbindung der allgemeinen Formel
in der bedeuten:
R2, R3: gleich oder verschieden, C1-C20-Alkyl, geradkettig oder verzweigt, insbesondere C1-C10-Alkyl, Phenyl,
R4: C1-C3-Alkoxy,
[OCH2-CH2]rOR5,
mit s = 3-50, t = 3-25
R5: H, C1-C20-Alkyl, C2-C36-Alkenyl, C5-C8-Cycloalkyl, C7-C36-Aralkyl, wenn p = 0 und r = 0 entspricht OR5:
[OCH2-CH2]s-[CH2-CHO]t - [CH2-CH2O]5H
m: 0, 1, 2;
n: 0, 1, 2 mit der Maßgabe, daß (m+n) = 1 oder 2 ist, wenn p = 0 ist, bei p ≠ 0 gilt (m+n) = 0, 1 oder 2,
p: 0, 1, 2, 3,
r: eine ganze Zahl zwischen 0 und 50, und Wasser in einer Menge von 1 bis 95 Gew.-%, bevorzugt 1 bis 75 Gew.-%, enthält, wobei sich die Gewichtsmengen auf 100% ergänzen, und die Mischung anschließend zum Beton aushärten läßt.
Bevorzugt setzt man das n-Octyltriethoxysilan und das Hexadecyltriethoxysilan als Verbindung (I) ein.
Die Emulsionen können neben den Verbindungen gemäß Formel (I) auch deren Ankondensationsprodukte enthalten, z. B. Dimere, Trimere oder andere Oligomere, wie sie dem Fachmann allgemein bekannt sind.
Der pH-Wert der Emulsion wird vorzugsweise auf etwa 7,5 eingestellt.
In einer besonderen Ausführungsform setzt man der Emulsion eine Puffersubstanz in einer Menge von 0,1 bis 5 Gew.-% zu, bezogen auf die Gesamtmenge der Emulsion.
Dabei handelt es sich beispielsweise um Natriumhydrogen­ carbonat, Natriumcarbonat oder Trinatriumphosphat.
In einer bevorzugten Ausführungsform setzt man der Emulsion auch 0,2 bis 8,0 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Emulsion, eines oder mehrere der bekannten anionischen Tenside zu.
Die disperse Phase weist vorteilhaft einen mittleren Teilchen- bzw. Tröpfchendurchmesser von 0,30 bis 1,1 pm auf.
Gegebenenfalls enthält die erfindungsgemäße Emulsion auch 0,1 bis 1,0 Gew.-% eines bekannten Verdickers, z. B. aus der Klasse der Cellulose- oder Stärkederivate, ebenfalls bezogen auf die Gesamtmenge der Emulsion.
In einer speziellen Ausführungsform werden silicium­ funktionelle Tenside mit den allgemeinen Formeln
oder
in der R2, R3 und p die Bedeutung wie oben besitzen und Ts entspricht:
eingesetzt.
In einer bevorzugten Ausführungsform setzt man, insbesondere auch bei kurzkettigen, z. B. C3- und C4-Alkylengruppen-haltigen Silanen enthaltenden Emulsionen kurz vor der Anwendung einen sauren Katalysator zu, der fähig ist, die Si-O-Bindungen, nicht aber die Si-C-Bindungen in den beanspruchten Alkoxysilanen zu brechen, um durch die Wirksamkeit der Silane auf neutralen, schwach sauren oder alkalischen, insbesondere problematischen Substraten zu erhöhen.
Als optimal erweist sich natürlich eine homogene Verteilung der erfindungsgemäß eingesetzten Emulsion in der Betonmischung. Unter den realen Einsatzbedingungen auf der Baustelle kann man jedoch nicht immer von idealen Voraussetzungen ausgehen.
Es hat sich aber gezeigt, daß man auch bei weitgehend homogenen Mischungen der Betonbestandteile mit den erfindungsgemäßen Organosiliciumverbindungen die Vorteile des erfindungsgemäß hergestellten hydrophobierten Betons findet.
Die erfindungsgemäß eingesetzten Emulsionen setzt man den feinteiligen anorganischen und gegebenenfalls organischen Bestandteilen der Betonmischung vorteilhaft zusammen mit dem für die Herstellung dieser Mischung notwendigen Wasser zu.
Die Konzentration der Emulsionen beläuft sich auf 0,1 bis 10, insbesondere 0,5 bis 7 Gew.-%, bezogen auf den in der Betonmischung vorhandenen Zement.
Es wurde gefunden, daß die erfindungsgemäße Verwendung der die Organosilicumverbindungen enthaltenden Emulsionen nicht nur zu einer durchgehenden, im Idealfall homogenen Hydrophobierung des Betons führt. Bereits bei der Verarbeitung der frischen Betonmischung zeigen sich im Vergleich zur Standardmischung ohne Organosilicium­ verbindungen Vorteile im Hinblick auf das bessere Fließverhalten.
Die verflüssigende Wirkung der Emulsionen kann in bestimmten Fällen zur Reduktion des Wassergehalts in der herzustellenden Betonmischung genutzt werden, was sich zusätzlich vorteilhaft auf die Festigkeitsentwicklung und Dichtigkeit auswirkt.
Die erfindungsgemäß hergestellten Betonmischungen werden in einer wichtigen Anwendungsform in Form von Spritzbeton auf tragende Elemente, insbesondere aus Beton aufgebracht.
Schadsalze dringen durch diese Schutzschicht nicht in den Konstruktionsbeton vor.
Dieser kann entsprechend auf seine Aufgabe als Tragwerk hin optimiert werden, da die schützende Funktion durch die Deckschicht übernommen wird.
Es kann aber auch von Bedeutung sein, diese Deckschicht nachträglich aufzubringen, wenn ein Bauwerk z. B. durch ein Umnutzung einer nicht vorhergesehenen Belastung durch Schadstoff ausgesetzt wird.
Es existieren ebenso wichtige Anwendungen, die eine durchgehende Hydrophobierung der Betonteile erfordern.
Dazu gehören z. B. Brückenkappen, Tunnelein- und -ausgänge oder Abwasserrohre.
Die erfindungsgemäß hergestellten Betonmischungen weisen nach der Aushärtung einen deutlich geringeren Wasseraufnahmekoeffizienten und einen erheblich höheren Widerstand gegen das Eindringen von Chlorid als nichtbehandelter Beton auf.
Diese Eigenschaften sind im Gegensatz zu den bei der äußerlichen Behandlung erzielten Verbesserungen von Dauer, da sie keinen Abnutzungserscheinungen der Oberfläche unterliegen.
Eine Massenhydrohobierung, wie hier beschrieben, hat der Fachmann bisher nicht erwogen, weil man nach dem Stand der Technik eine Hydrolyse bzw. Kondensation der eingesetzten Organosiliciumverbindungen während der Verarbeitung aufgrund der stark alkalischen Bedingungen in der Betonmischung erwartete, die die Wirksamkeit der hydrophobierenden Verbindungen stark vermindert hätte.
Es sind auch Anwendungen denkbar, in denen die hydrophoben Eigenschaften des erfindungsgemäß hergestellten Betons durch eine nach dem Stand der Technik (DE-PS 27 51 714, US-PS 4,661,551) erfolgende äußere Behandlung mit Organosiliciumverbindungen oder den beschriebenen Emulsionen verstärkt werden.
Die zitierten Patentschriften gehören zum Offenbarungs­ gehalt der Anmeldung.
Beispiele 1. Verwendete Verbindungen
Silan Typ A: Octyltriethoxysilan (50 Gew.-% der Emulsion)
Silantensid gemäß Formel (II) (EP-B-0538555)
(1 Gew.-% der Emulsion).
Silan Typ B: Hexadecyltriethoxysilan (50 Gew.-% der Emulsion)
Silantensid gemäß Formel (II) (EP-B-0538555)
(1 Gew.-% der Emulsion).
2. Prüfungen an den Betonkörpern wurden nach den Vorschriften des Schweizerischen Ingenieur- und Architekten-Vereins vorgenommen: SIA 162 (1993) SIA 162/1 (1989, Betonbauten-Materialprüfung).
3. Zusammensetzung der Betonmischung
4. Eigenschaften von frischem Beton
Das für die Fließfähigkeit charakteristische Ausbreitmaß zeigt, daß die erfindungsgemäß hergestellten Betonmischungen 1 und 2 besser fließen und damit leichter verarbeitbar sind als die Standardmischung ohne Silanemulsion. Ebenso weisen die erfindungsgemäß hergestellen Mischungen einen geringeren Luftgehalt auf, so daß der daraus gefertigte Beton weniger porös wird.
5. Widerstand gegen das Eindringen von Chlorid
Der Widerstand gegen das Eindringen von Chlorid wird mit einer 3%igen NaCl-Lösung getestet. Zu diesem Zweck werden vier Seiten eines Betonwürfels mit Epoxidharz beschichtet.
Dieser Würfel wird dann mit einer nichtbe-schichteten Seite 24 Stunden in die Salzlösung getaucht und die kapillare Flüssigkeitsaufnahme gemessen.
Die Probewürfel werden anschließend 24 Stunden bei 50°C getrocknet.
Dieser Vorgang wird mehrfach wiederholt, bis sich ein quasi konstanter Wert einstellt. Nach 15 Tagen zeigte der unbehandelte Betonkörper eine Aufnahme von ca. 9 kg/m2 während der imprägnierte Beton nur ca. 1 kg/m2 aufgenommen hatte.
6. Wasseraufnahmekoeffizient des Betons
Der Wasseraufnahmekoeffizient des erfindungsgemäß hergestellten Betonkörpers liegt deutlich niedriger als der der Standardmischung.

Claims (13)

1. Verfahren zur Herstellung von in der Masse hydrophobiertem Beton, dadurch gekennzeichnet, daß man einer wasserhaltigen Mischung aus an sich bekannten anorganischen und gegebenenfalls in geringem Umfang organischen Bestandteilen während der Herstellung oder gegebenenfalls im Anschluß daran eine wäßrige Organosiliciumverbindung der allgemeinen Formel
und gegebenenfalls deren Ankondensationsprodukte enthaltende Emulsion zusetzt, wobei bedeuten:
R, R1: C1-C3-Alkyl, gegebenenfalls verzweigt,
R3: C1-C20-Alkyl, geradkettig oder verzweigt insbesondere C1 - C10-Alkyl, Phenyl,
a: 0 oder 1,
b: 1 oder 2,
c: 1 bis 18,
X: H, Cl, Br, J, NH2,SCN, CN, N3, NHR, N(R)2, N(R)3, Aryl, bei letzterem insbesondere
Phenyl, wenn b = 1
Alkenyl, insbesondere mit 1 bis 6 C-Atomen, wenn b = 2
X: Sx mit x = 1 bis 6, wenn b = 2 und c = 1 bis 6,
X: ohne Bedeutung, wenn b = 2 und c = 1 bis 12, bevorzugt 1 bis 6,
und die Mischung anschließend zum Beton aushärten läßt.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Emulsion hydrolysierbare Organosilicium­ verbindungen und ionische oder nichtionische Tenside (Emulgatoren) enthält.
3. Verfahren gemäß den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man eine Emulsion einsetzt, deren disperse Phase eine mittlere Teilchengröße von 0,3 bis 1,1 µm und eine Breite der Teilchengrößenverteilung von ≦ 1,3 aufweist.
4. Verfahren gemäß den Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß man eine Emulsion zusetzt, die 1 bis 80 Gew.-%, bevorzugt 1 bis 60 Gew.-%, mindestens eines Alkoxysilans der allgemeinen Formel
und gegebenfalls dessen Ankodensationsprodukte und anstelle von oder in Ergänzung eines der bekannten Tenside insbesondere 1 bis 20 Gew.-%, bevorzugt 1 bis 5 Gew.-% einer Organosiliciumverbindung der allgemeinen Formel
in der bedeuten:
R2, R3: gleich oder verschieden, C1-C20-Alkyl, geradkettig oder verzweigt, insbesondere C1-C10-Alkyl, Phenyl,
R4: C1-C3-Alkoxy,
[OCH2-CH2]r OR5,
mit s = 3-50, t = 3-25
R5: H, C1-C20 - Alkyl, C2-C36-Alkenyl, C5-C8-Cycloalkyl, C7-C36-Aralkyl, wenn p = o und r = 0 entspricht OR5:
[OCH2CH2]s-[CH2-CHO]t - [CH2-CH2O]5H
m: 0, 1, 2;
n: 0, 1, 2 mit der Maßgabe, daß (m+n) = 1 oder 2 ist, wenn p = 0 ist, bei p ≠ 0 gilt (m+n) = 0, 1 oder 2,
p: 0, 1, 2, 3,
r: eine ganze Zahl zwischen 0 und 50, und Wasser in einer Menge von 1 bis 95 Gew.-%, bevorzugt 1 bis 75 Gew.-% enthält, wobei sich die Gewichtsmengen auf 100% ergänzen.
5. Verfahren gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß man eine Emulsion einsetzt, die silicium­ funktionelle Tenside mit den allgemeinen Formeln
oder
in der R2, R3 und p die Bedeutung wie oben besitzen und Ts entspricht:
enthält.
6. Verfahren gemäß den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß man eine Emulsion einsetzt, die 0,2 bis 8,0 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Emulsion, eines oder mehrere der bekannten anionischen Tenside enthält.
7. Verfahren gemäß den Ansprüchen 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß man der Emulsion vor der Anwendung einen sauren Katalysator zusetzt.
8. Verfahren gemäß einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man die Emulsion in einer Menge von 0,1 bis 10 Gew.-%, bevorzugt 0,5 bis 7 Gew.-%, bezogen auf den Zement, der Betonmischung zusetzt.
9. Verfahren gemäß einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man die Emulsion zusammen mit dem Wasser der Betonmischung zusetzt.
10. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man eine die wäßrige, Organosiliciumverbindungen enthaltende Emulsion aufweisende Betonmischung herstellt, diese verarbeitet, aushärten läßt und anschließend nach dem Stand der Technik an der Oberfläche hydrophobierend behandelt.
11. Betonmischungen, die die an sich bekannten anorganischen und gegebenfalls organischen Bestandteile und die wäßrigen Emulsionen entsprechend Anspruch 1 enthalten.
12. Verwendung von Betonmischungen gemäß Anspruch 11 als Spritzbeton zur Herstellung von Deckschichten.
13. Verwendung von Betonmischungen gemäß Anspruch 11 zur Herstellung konstruktiver Teile.
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