DE2132794A1

DE2132794A1 - Mit Latex und Fasern modifizierte Zementmassen mit verbessertem Elastizitaetsmodul

Info

Publication number: DE2132794A1
Application number: DE19712132794
Authority: DE
Inventors: Eash Ralph Douglas; Lamoria Lz Francis
Original assignee: Dow Chemical Co
Current assignee: Dow Chemical Co
Priority date: 1970-07-02
Filing date: 1971-07-01
Publication date: 1972-01-05
Also published as: FR2097127B1; CA921628A; GB1335427A; FR2097127A1; CH568252A5; BE769447A; NL7109081A; BR7104195D0

Description

H / W (338) 14,874

The Dow Chemical Company, Midland, Michigan, V.St.Ä.

MIT LATEX UND FASERN MODIFIZIERTE ZEMENTMASSEN MIT VERBESSERTEM ELASTIZITÄTSMODUL

Mit Latex modifizierte Zementmassen, z.B. alt Latex modifizierte Portland-Zementmassen, werden im Baugewerbe in großem Umfang verwendet, z.B. zur Errichtung, zum Flicken, zum Wiederbelegen und zum Reparieren von Bauwerken, die Belastungen aufnehmen müssen. Als Beispiele für derartige Bauwerke seien Strassenbeläge, Start- und Landebahnen von Flugplätzen, Brückenbeläge und Unterzüge von Fußboden genannt. Mit Latex-modi'fizierte Zementmassen spielen auch bei Bauwerken eine Rolle, bei denen eine hohe Absorption von mechanischer Energie erforderlich ist, z.B. bei Bauwerken, die voraussichtlichen Explosionen und Erdbeben oder dem Aufschlag von fliegenden Objekten ausgesetzt sind. Bei derartigen Bauwerken sind Zementmassen mit einem möglichst hohen Elastizitätsmodul erwünscht. Durch die Zugabe von Latexmaterialien wird zwar der Elastizitätsmodul von Zementmassen erhöht, doch genügt eine derartige Erhöhung des Elastizitätsmoduls den gestellten Anforderungen nicht. 109882/1747

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Man hat auch schon vorgeschlagen, den latexmodifizierten Zementmassen faserförmige Materialien zuzusetzen, wodurch man in erster Linie ihre Zugfestigkeit erhöhen wollte. Bisher war man aber der Auffassung, dass der Elastizitätsmodul -„ von einem gegebenen Portland-Zementsystem eine Konstante ist, ί die durch Zugabe von faserförmigen Materialien nicht wesent-'** lieh geändert werden kann. Diese Anschauung wird auch durch die Werte gestützt, die später im Zusammenhang mit der Schilderung der Erfindung in Tabelle I von Beispiel 1 gebracht werden.

Es wurde nun gefunden, dass der Elastizitätsmodul von latexmodifizierten Zementmassen wesentlich und in unerwarteter Weise durch Zugabe einer bestimmten Mischung von faserförmigen Materialien erhöht werden kann»

Die unerwartete Verbesserung des Elastizitätsmoduls von latexmodifizierten Portland-Zementmassen erreicht man nach der Erfindung durch Zugabe von etwa 1,5 bis etwa 3% des Volumens der Masse von einer Fasermischung aus (a) einem synthetischen Fasermaterial und (b) einem metallischen Fasermaterial, wobei diese Fasermaterialien in der Fasermischung im Volumverhältnis von (a) zu (b) von 1 : 2 bis 2 : 1 vorhanden sind.

Als Latices kommen für die Zugabe zu den Zementmassen die für diese Anwendung bekannten, zahlreichen Latices in betracht. Diese Latices sind wässrige kolloidale Dispersionen von thermoplastischen. Polymerisaten oder Mischpolymerisaten, die man durch Emulsionspolymerisation der in betracht kommenden Monomeren erhalten kann. Eine andere Möglichkeit besteht

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darin, dass man sehr fein verteilte Massen derartiger Polymerisate oder Mischpolymerisate in einem wässrigen System dispergiert. Derartige beständige, wässrige kolloidale Dispersionen mischt man dem Beton, Mörtel und insbesondere Massen auf Basis von Portland-Zement *

zu. Beispiele von derartigen Latices sind die in der Technik gut bekannten Latices von folgenden Produkten: Styrol-Butadienmischpolymerisate, Mischpolymerisate von Vinylidenchlorid mit Vinylchlorid und einem Acrylat, Styrol-Acrylatraischpolymerisate und Polyvinylacetat . w

Besonders bevorzugte Latices von Vinylidenchloridmischpolyaerisaten sind in der kanadischen Patentschrift 771,733 (1967) beschrieben. Die aus dieser Patentschrift bekannten Latices von Vinylidenchloridmischpolymerisaten sind besonders vorteilhaft für Betonmischungen und Mörtel, die Portland-Zement enthalten, und verleihen diesen Produkten eine höhere Festigkeit und machen sie ausserdem auch besonders geeignet für die Verwendung in dünnem Auftrag als Spachtelmassen (thin resurfacing applications).

Diese Latices, die für die vorliegende Erfindung von beson- fp derem Interesse sind, enthalten Mischpolymerisate, in denen das Vinylidenchlorid das Hauptmonomere ist und in der Regel in Mengen von etwa 50 bis 90 Gew.X vorkommt. Als Comonomeres ist in diesen Mischpolymerisaten mindestens ein Monomeres, das mit Vinylidenchlorid mischpolymerisierbar ist, in Mengen von etwa 50 bis 10 Gew.7, enthalten. Das mischpolymerisierbare Comonomere kann dabei der folgenden allgemeinen Formel entsprechen:

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-A-

CH₀ » C - X R

in der "R" Wasserstoff oder ein Methylrest und ^MX^H -CN, ein Halogen mit einer Ordnungszahl von 9 bis 35 oder eine Estergruppe der Formel -COOY ist. In der zuletzt genannten Formel ist "Y" ein primärer oder sekundärer Alkylrest mit bis einschließlich 18 Kohlenstoffatomen.

Erläuternde Beispiele für derartige monomere Materialien für die Herstellung der Vinylidenchloridmischpolymerisate sind: Methylacrylat, Äthylacrylat, Propylacrylat, Butylacrylat, Isobutylacrylat, tert.-Butylacrylat, Amylacrylat/ tert.-Amylacrylat, Hexylacrylat, 2-Äthylhexylacrylat, Cyclohexylacrylat, Octylacrylat, Decylacrylat, Dodecylacrylat, Octadecenylacrylat, Methylmethacrylat, Äthylmethacrylat, Propylmethacrylat, Butylmethacrylat, sek.-Amylmethacrylat, Octylmethacrylat, Phenylmethacrylat, Cyclohexylmethacrylat, 3,5,5-Trimethylhexylmethacrylat, Dodecylmethacrylat, Octadecylmethacrylat, Butoxyäthylacrylat oder -methacrylat oder andere Alkoxyäthylacrylate oder -methacrylate, Vinylchlorid, Acrylnitril und Methacrylnitril. Die Latices werden mit den in der Technik üblichen Feststoffgehalten verwendet.

Besonders geeignet sind Latices aus Vinylidenchlorid, Vinylchlorid und Äthylacrylat, die die einzelnen Monomeren jeweils im etwa folgenden Verhältnis in Gew.%en enthalten: 70:20:10, 50:40:10 und 75:20:5; ferner ein Latex eines Mischpolymerisates aus Vinylidenchlorid, Vinylchlorid und 2-Hexylacrylat mit den Monomeren in Gew.%en von jeweils 52:35:13; ein Latex mit einem Mischpolymerisat aus Vinylchlorid

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und Acrylnitril ie Verhältnis von etwa 89:11; und insbesondere ein Latex eines Mischpolymerisates aus etwa 75 Gewichtsteilen Vinylidenchlorid und etwa 20 Gewichtsteilen Vinylchlorid, etwa 5 Gewichtsteilen Äthylacrylat und etwa 2 Gewichtsteilen Methylmethacrylat. Bei der Erfindung werden optimale Ergebnisse mit Fasermischungen bei Zementmassen erhalten, die die vorstehenden Latices von Vinylidenchloridmischpolymerisaten enthalten, aber auch mit Zementmassen, die die gut bekannten Latices von Styrolbutadienmischpolymerisaten enthalten. Im allgemeinen ist das Gewichtsverhältnis von Latex zu Zement vorzugsweise zwischen etwa 0,1, bei einem reinen Zementsystem, bis etwa 0,25, bei einem Zementsystem mit üblichen Zusatzstoffen.

Als Zusatzstoffe können Steine, Schotter, Betonmassen (concrete), Siliziumkarbid, Asbest, Glimmer, Talkum, Flintstein oder Teilchen von Fertigprodukten, wie pulverförmige keramische Materialien oder beliebige andere Materialien, die den gleichen Zweck wie Sand erfüllen können, verwendet werden. Für den Fachmann ergibt sich die Auswahl des am besten geeigneten Zusatzstoffes und der vorteilhaftesten Teilchengröße aus der Zweckbestimmung des fertigen Betons ohne jede Schwierigkeit. W

Die Fasermischungen gemäß der vorliegenden Erfindung werden im allgemeinen in Mengen von etwa 1,5% des Volumens der Masse, insbesondere bei Systemen ait Zuschlagstoffen, bis etwa 3% des Volumens der Masse, bei reinen Zementsystemen, verwendet. Optimale Ergebnisse werden mit solchen Fasermischungen erhalten, bei denen das Verhältnis der Synthesefaser zu der metallischen Faser im Bereich von etwa 1:2 bis etwa 2:1, bezogen auf das Volumen der Mischung, ist.

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Als Synthesefasern sind beliebige Fasern aus synthetischen Harzmaterialien geeignet, wie Polyamide, z.B. 6,6-Polyamid, Polyester, wie Polyäthylenterephthalat; Acrylpolymere, wie Acrylnitrilpolymerisate; Vinylpolymere,wie Polymerisate und Mischpolymerisate aus Vinylchlorid, Vinylidenchlorid, Vinylacetat, Äthylen, Propylen, Vinylidenfluorid, Tetrafluoräthylen sowie die bekannten Handelsprodukte aus derartigen Rohstoffen für Synthesefasern, z.B. ^lfSaran"-Fasern und "Dynel"-Fasern.

Als Beispiel für metallische Fasern seien Stahlfasern genannt, Es können jedoch auch beliebige andere metallische Fasern verwendet werden, die einen größeren Elastizitätsmodul als die verwendete Synthesefaser und der verwendete Portland-Zement haben.

Die Erfindung wird in dem folgenden Beispiel noch näher erläutert.

Beispiel 1

Für eine Serie von einzelnen Versuchen wurden aus später noch genauer definierten Betonmischungen Stäbe mit den Dimensionen 5,08 χ 1,27 χ 58,4 cm für Biegeversuche hergestellt. Jeder Stab wurde 24 Stunden in einer Form, die mit feuchten Schwämmen bedeckt war, gehärtet. Die Stäbe wurden dann in einer Kammer mit einer Feuchtigkeit von 95 - 100% bei einer Temperatur von 23,9° C aufbewahrt. Die Stäbe aus mit Latex modifizierten Betonmassen wurden 3 Tage in der Feuchtigkeitskammer gehalten und wurden anschließend noch zusätzliche 24 Tage bei einer relativen Feuchtigkeit von 50% bei 22,8° C gehärtet. Stäbe aus Betonmischungen ohne Zusatz von Latex wurden 27 Tage in einer Rammer mit einer Feuchtigkeit von 95 - 100% bei 23,9° C gehärtet.

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Nach dieser Anfangshärtung wurden die Stäbe in einem Ofen bei 93,3° C für 7 Tage getrocknet, um das Wasser aus den Proben zu entfernen. Dann wurde die Biegefestigkeit bei einer Einspannlänge von 25,4 cm unter Belastung im Zentrum gemessen. Auf einem Diagramm wurde die Belastung gegen die erreichte Durchbiegung aufgetragen. Bei jedem Prüfstab wurde der Elastizitätsmodul aus jenem Teil der Kurve, das einem Drittel der Endbelastung entspricht, nach der folgenden Standardformel berechnet:

(0,07) E =

wl/

4sb

In dieser Formel haben die Symbole folgende Bedeutung: E = Elastizitätsmodul in kg/cm^; w =» Belastung in kg; L = Einspannlänge in cm; s = Durchbiegung in cm; b = Breite des Teststabes in cm; d - Dicke des Teststabes in cm.

Für die in der folgenden Tabelle I charakterisierten Versuche wurde der Einfluß der Faserzugabe auf den Elastizitätsmodul eines nicht durch Latex modifizierten Zementsystems untersucht, wobei für jeden Versuch eine Masse aus den nachstehenden Bestandteilen verwendet wurde:

Mischungsbestandteil

Sand

(feiner Zuschlagstoff für Beton,

der nach ASTM durch Sieb Nr. 4

geht)

Portland-Zement
Wasser

Gesamtgewicht 109882/174

Absolutes Volumen

Zement
System A
kg

113

Zement System B ■kg

45,4	45,4
20,9	13,2
179,3	58,6
78,0 Liter	27,2 Liter

TABELLE I

Einfluß der Faserzugabe auf den Elastizitätsmodul von nicht mit Latex modifizierten Zementsystemen Probe Faser Elastizitätsmodul

Zementsystem A Art

Vol.%

1 2 3

° Zementsystem B co

oo 5

-v 6

-3 7 -3 8

6,6-Polyamid(l) Stahl<2)

6,6-Polyamid

Stahl<²>

6,6-Polyamid

Stahl⁽²>

6,6-Polyamid +

Stahl

(2)

keine

1,75 1,75 0,58

1,17

keine

2
2

(D (2)

kg / cm²

1,83 χ 10⁵

1,44 χ 10⁵

1,66 χ 105

1,99 χ ΙΟ⁵

1,11 χ ΙΟ⁵

1,43 χ 10⁵

0,42 χ 10⁵

1,03 χ 10⁵

1,62 χ

6,6-Polyamidfaser: 15 Denier χ 3/4^M

Stahlfaser: rund, niederer Kohlenstoffgehalt, blank, 25,4 χ 0,41 mm

OO I

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Alle diese Werte für den Elastizitätsmodul liegen innerhalb der üblichen experimentellen Fehlergrenze, mit Ausnahme desjenigen für Probe 7 von Tabelle I. Aus diesen Ergebnissen geht hervor, dass durch die Zugabe von 6,6-Polyamid oder Stahlfasern oder von einer Kombination von beiden keine Veränderung des Elastizitätsmoduls von nicht mit Latex modifizierten Zementsystemen erreicht wird.

In der folgenden Tabelle II wird der Einfluß der Latexzugabe auf den Elastizitätsmodul, die Druckfestigkeit und die Biegefestigkeit der Zementsysteme von Tabelle I gezeigt. Der verwendete Latex enthielt ein Mischpolymerisat aus dem folgenden Monomeren in den angegebenen Gewichtsmengen:

Vinylidenchlorid 75

Vinylchlorid 20

Äthylacrylat 5

Methylmethacrylat 2

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Tabelle II

Probe Nr. Zementsystem A

10 11

Zementsystem B

12 13

Latexfeststoffe Elastizitätsmodul Druckfestigkeit Biegefestigkeit
kg kg / cm2 kg / cm^ kg / ^

0 9,1

6,8

1,83	χ	105	499
2,23	χ	105	840
1,12	X	ΙΟ⁵	1030
1,49	X	ΙΟ⁵	1140

109 189

95,8 157

CO ISJ

- li -

Aus diesen Werten geht hervor, dass durch Zugabe von Latex zu den Zementmassen nur eine geringfügige Verbesserung des Elastizitätsmoduls erreicht wird, wogegen die Druckfestigkeit und die Biegefestigkeit des Zementsysteras wesentlich erhöht werden.

In der nun folgenden Tabelle III wird der Einfluß der Faserzugabe auf den Elastizitätsmodul, die Druckfestigkeit und die Biegefestigkeit auf latexmodifizierte Zementsysteme nach der Erfindung gezeigt:

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	Probe Nr.	Faser	Art	6,6-Polyamid(D	Vol.7o	Tabelle III	Druckfestigkeit
	Vergleichs-		Stahl(2)		Elastizitätsmodul	kg / cm2
	versucn Zementsystem A			keine	kg / cra^
•	14	6,6-Polyamid⁽¹⁾	O^-Polyamidd)	1,75		841
	15	Stahlt)	Stahlt 2)	1,75	2,23 χ 105	805
	16		6,6-Polyamidt¹) Stahl(2)		2,26 χ 10⁵	895
	Erfindung	6,6-Polyamid'^'		0,58	2,20 χ 10⁵
	17	Stahl^²)		1,17		805
				4,08 χ 10⁵
cc	Zementsystem B	Vergleichsversuch 18	keine
OO 00		19	3		1140
ro	20	3	1,49 χ 10⁵	1040
*-	Erfindung		1,57 χ 10⁵	1280
	21	1	1,65 χ 10⁵
		2		1190
	22	2 1	3,94 χ 10⁵
		1060
	2,86 χ 10⁵

Biegefestigkeit kg / cm2

189 198 191

158

158 237 294

226

176

(1) 6,6-Polyamid: 15 Denier χ 3/4"

(2) Stahlfaser: rund, niederer Kohlenstoffgehalt, blank, 25,4 χ 0,41 mm

CO

Diese Ergebnisse zeigen die überraschende Verbesserung
des Elastizitätsmoduls durch die Zugabe einer Kombination von Polyamidfasern und Stahlfasern zu den latexmodifizierten Zementsystemen. Aus den Ergebnissen geht weiterhin hervor, dass bei der Verbesserung des Elastizitätsmoduls kein Verlust an Druckfestigkeit oder Biegefestigkeit eintritt.

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Claims

- 14 Patentanspruch

Latexffiodxfizierte Portland-Zementmasse, gekennzeichnet durch einen Gehalt von 1,5-3 Vol.% einer Fasermischung aus

(a) einem synthetischen F^sermaterial und

(b) einem metallischen Fasermaterial,

wobei diese Fasermaterialien in der Fasermischung im Volumverhältnis von (a) zu (b) von 1:2 bis 2:1 vorhanden sind.

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