DE2534099A1

DE2534099A1 - Verfahren zur beschleunigung der zementaushaertung und ein hierfuer geeignetes mittel

Info

Publication number: DE2534099A1
Application number: DE19752534099
Authority: DE
Inventors: Raymond James Schutz
Original assignee: Sika Finanz AG
Current assignee: Sika AG
Priority date: 1974-08-01
Filing date: 1975-07-30
Publication date: 1976-02-12
Also published as: DE2534099C2; CA1071244A; ES439888A1; NO752608L; SE7508537L; GB1522501A; CH618411A5; FR2280600B1; IT1041455B; SE7812261L; NO820021L; FR2280600A1; GB1522502A

Description

Verfahren zur Beschleunigung der Zementaushärtung und ein hierfür geeignetes Mittel

Die Erfindung betrifft die Beschleunigung der Aushärtung von Portland-Zement, wozu As -Hydroxycarbonyl-Verbindungen bestimmter Konzentration angewandt werden. Die Konzentration an Beschleuniger im Zement hängt vom Ausgangsgemisch,dem Verhältnis Wasser/Zement und verschiedenen anderen Faktoren ab· Die erfindungsgemäße Beschleunigung läßt sich auf alle zementhaltigen Baustoffe und dergleichen anwenden· Bei den erfinduQgsgemäßeQ Beschleunigern handelt es sich um cö-Hydroxycarbonyl-Verbindungen wie primäre Hydroxyessigsäure (G-lykolsäure), Milchsäure und verschiedene Salze von Hydroxyessigsäure, Milchsäure, 2-Methy!milchsäure und d,l-Mandelsäuren·

Zusätze zur Beeinflussung der Aushärtungszeit und anderer Eigenschaften von Portland-Zementen sind allgemein üblich· Zement ist ein Gemisch von einem Calciumoxid-haltigen Material wie Kalkstein oder Muschelkalk mit einem !Don oder einem tonigen Material wie Schiefer, welches beim Mischen mit Wasser in Sekunden oder Minuten aushärtet, so daß praktisch

509887/0984

- 2 - 1A-46 858

keine Zeit für ein entsprechendes Mischen, Gießen oder andere Verarbeitungsmaßnahmen verbleibt. Um jedoch ein brauchbares Produkt herzustellen wird Zement im allgemeinen mit einigen Prozent Gips gemischt, welcher die Aushärtungszeit auf einige Stunden erhöht. Um für spezielle Anwendungsgebiete die Aushärtungszeit zu verkürzen oder zu verlängern, werden Gemische von Beschleunigern oder Verzögerern angewandt (ASTM C 494-71). Auch sind Zusätze üblich, die die Menge des benötigten Anmachwassers für bestimmte Zementkonsistenz herabsetzen können. Es sind sowohl beschleunigende als auch verzögernde Gemische bekannt, die zu einer Verringerung der benötigten Wassermenge führen·

End-Die Aushärtungszeiten für handelsübliche Zemente variieren

ziemlich, liegen jedoch im allgemeinen in der Größenordnung von 3 Stunden (fipal setting time of the Vicat Needle method

Aniangs-

ASTM C 191)· Die Aushärtungszeiten von Mörteln unter Verwendung solcher Zemente liegen in der Größenordnung von etwa 7 Stunden (initial setting time of the Proctor Needle test ASTM C 403)· Wie allgemein anerkannt, werden diese beiden Prüfmethoden zur Bestimmung der Aushärtungszeiten verschiedener Portland-Zementmassen unterschiedlicher Zusammensetzung angewandt, das heißt bei verschiedenen Wasserzementfaktoren und sind nicht beschränkt auf bestimmte Zusammensetzungen und Mengenverhältnissen der Bestandteile, wie sie in diesen ASTM-Methoden angegeben sind· Diese Aushärtungszeiten müssen wesentlich herabgesetzt werden, zum Beispiel für die Herstellung von Betonformkörpern wie Betonsteinen, für Straßen- und Brückenüberzüge und für Betonkonstruktionen· In zahllosen Anwendungen liegt der Grund für die Verkürzung der Aushärtungszeit zumindest teilweise in den hohen Verarbeitungskosten·

Ein Anwendungsgebiet, welches besonders kurze Aushärtungszeiten erforderlich macht, ist Spritzbeton, also ein Verfahren zum Aufspritzen einer mörtelartigen Masse auf eine tragende Pläche, um sowohl Festigkeitsei genschaften als auch die gewünschte Oberfläche zu erhalten· Betonspritzen wird zum Beispiel angewandt beim Auffahren von Tunnels· Der Beton muß

—3— 509887/038Λ

253A099

- 3 - 1A-46 858

innerhalb einer kürzeren Zeit nach dem Auf spritzen ,als sie das Gestein oder die Formation zum Nachschieben benötigt, einen hohen Anteil seiner . End-Sestigkeit erlangen, um ein Einstürzen des Tunnels zu vermeiden«

Es gibt sogenannte naße und trockene Beton-Spritzverfahren· Bei dem Naßverfahren wird das Zementgemisch einschließlich des Anmachwassers hergestellt und dann auf die Tunnelwand oder eine andere Fläche mit Hilfe einer Spritzdüse aufgetragen. Beim Trockenverfahren werden die trockenen Bestandteile gemischt und einer Düse zugeführt, in die auch das Wasser zugeleitet wird· Eine größere Beschleunigung der Aushärtung erreicht man im allgemeinen bei den Trockenverfahren, weil hier kein Risiko besteht, daß die Zementmasse in der Spritzvorrichtung bereits aushärtet· In beiden Verfahren muß jedoch der Spritzbeton in weniger als 15 Minuten aushärten (bestimmt mit dem Proctor Needle test), damit eine ausreichende Stärke des Spritzbetons ohne daß es zu einem Ablaufen kommt, aufgetragen werden kann·

In handelsüblichen beschleunigten Zementmassen für das Spritzen wird im allgemeinen Natriumcarbonat und Natriumaluminat angewandt. Während man auf diese Weise annehmbare Anfangs-Iestigkeiten gegenüber nur Mörtel erhält, setzen sie doch die End- ^stigkeit des Mörtels um mehr als die Hälfte herunter. Daher würde man dickere Schichten benötigen als sie ohne Beschleuniger erforderlich sind ,für gleiche Baufestigkeit. Darüber hinaus sind diese Gemische stark alkalisch und daher mit Vorsicht zu handhaben. Nur eine sehr beschränkte Beschleunigung erreicht man mit Natriumcarbonat-Natriumaluminat-Gemischen ohne Verringerung der Festigkeit des Spritzbetons auf einen nicht annehmbaren Wert» Es gibt Anwendungsgebiete ,wo kürzere Aushärtungszeiten erforderlich sind und schnell Anfangsfestigkeit entwickelt werden muß, für die es noch keine zufriedenstellenden Beschleunigergemische gibt·

-4-503887/0984

- 4 - 1A-46 858

Eine weitere Anwendung, die ein sehr schnelles Aushärten erforderlich macht, ist die Anwendung von Portland-Zement für Abdichtung oder Verstopfung· Solche Abdichtungsmassen (plugging compounds) bestehen aus Portland-Zement, feinen Zuschlagstoffen wie Sand und Beschleuniger und werden als Ausbesserungsmassen für gebrochene oder gerissene Betonteile angewandt, wenn durch diese Risse Wasser dringt· Diese Ausbesserungsmassen müssen eine Aushärtungszeit nach dem Vicat Needle Test von weniger als 15 Minuten haben, um zu gewährleisten, daß die Masse aushärtet und den Wasserdurchfluß unterbricht, bevor sie ausgewaschen ist,

Ausbesserungsmassen auf Basis von Portland-Zement müssen kurzfristig aushärten, um die Reparaturzeiten kurz zu halten* Schnell aushärtende Mörtel bestehen im allgemeinen aus Portland-Zement, feinen Zuschlagstoffen und Beschleuniger und eignen sich zur Reparatur von beschädigten Betonteilen und ähnlichen kleinen Ausbesserungsarbeiten· Sie erfordern eine Aushärtungszeit von maximal 30 Minuten nach der Yicat Needle-

(concrete patching component) . Methode· Betonverputzmassen enthalten Zement, grobe und feine Zuschlagstoffe und Beschleuniger und werden im allgemeinen angewandt für größere Reparaturarbeiten, wie zum Ausfüllen von Schlaglöchern in Betonstraßen· Sie müssen eine Aushärtungszeit von 1 Stunde und darunter besitzen. Die Aushärtungszeiten sind im allgemeinen etwas länger als die von schnellhärtenden Mörtelmassen, weil längere Zeit benötigt wird zum Anmachen und Aufbringen größerer Materialmengen· Der Vicat-Needle-Test kann direkt an Mörtelproben vorgenommen werden,Bei Beton nimmt man den Vicat-Test im allgemeinen an einer Mörtelprobe vor, aus der gegebenenfalls die groben Zuschlagstoffe abgesiebt sein können (ASTM C 403)·

Der am weitgehendsten angewandte Beschleuniger für die verschiedensten Zementanwendungsgebiete ist Calciumchlorid· Obwohl es die Aushärtungszeiten nicht ausreichend beschleunigt für Spritzbeton, ist es doch für andere Gebiete brauchbar und hat den Vorteil, daß es sehr billig ist· Auf Eisenwerkstoffe

-5-509887/0984

- 5 - 1A-46 858

wirken die Chioridionen jedoch sehr korrosiv und begünstigen elektrochemische Reaktionen zwischen ungleichen Metallen· Daher kann Calciumchlorid nicht generell als Beschleuniger für Eisenbeton oder andere Anwendungen, bei denen Beton mit Metall in Berührung kommt, angewandt werden.

Es ist bekannt, daß bestimmte organische Hydroxycarbonyl-Verbindungen die Aushärtungszeit von Portland-Zement zu beeinflussen vermögen, jedoch geht dies gerade in entgegengesetzte Richtung wie die Erfindung und zwar sollen bestimmte Hydroxycarbonyl-Verbindungen nach dem Stand der Technik einschließlich Hydroxycarbonyl-Verbindungen, wie sie auch erfindungsgemäß angewandt werden, die Aushärtungszeit von Portland-Zement verzögern und nicht beschleunigen. Dieser Stand der !Technik führt also von der Erfindung weg. Trotz der weit bekannten Nachteile der bisher angewandten Beschleuniger wurde noch nicht festgestellt, daß die erfindungsgemäß angewandten =^-Hydroxycarbonyl-Verbindungen sich als Beschleuniger für bestimmte Anwendungsgebiete eignen, obwohl man diese Verbindungen bereits früher in einigen Portland-Zementmassen angewandt hatte.

Vas die bekannten Beschleuniger im allgemeinen und die Hydroxycarbonyl-Verbindungen als Verzögerer anbelangt, so lassen sich nur sehr sohwer Verallgemeinerungen über die Wirkung von großen Verbindungsklassen auf die Aushärtungszeiten von Portland-Zement machen. Obwohl beispielsweise das im wesentlichen ionische Calciumchlorid ein wirksamer Beschleuniger ist, sind Natriumchlorid und Kaliumchlorid, die ebensolche ionische Chloride sind, wesentlich weniger wirksame Beschleuniger. Wenn auch eine bestimmte Verbindung als Beschleuniger wirksam ist, so müssen doch keine Konzentrationen bekannt sein, bei denen die Aushärtungszeiten ausreichend gesenkt werden, daß damit Spritzbeton und Reparatur- oder Verschmiermassen, insbesondere dort , wo sehr kurze Aushärtungszeiten erforderlich werden, damit hergestellt werden können. Wie oben bereits erwähnt, wird Calciumchlorid als Beschleuniger für Portland-Zement in großem

-6-509887/0984

- 6 - 1A-46 858

Umfang angewandt, jedoch führt er zu keiner ausreichenden Verkürzung der Aushärtungszeit, so daß man damit einen Spritzbeton herstellen kann.

Es ist auch bekannt, daß die <K-Hydroxycarbonyl-Gruppe

O O

sehr wirksam die Hydratation von Portland-Zement zu verzögern vermag· Das Ausmaß der Hydratation ist ein Maß für das Ausmaß der Härtung· !fach einer Literaturstelle (J.H.Taplin, "Proceedings of the International Symposium on the Chemistry of Cement", Washington, 1960, Seiten 924-925) wird Hydroxyessigsäure (Glykolsäure) als starker Verzögerer für Zemente mit einem Wasserzementfaktor von 0,3 bei einer Zugabe von 1 Gew_#-# bezeichnet· Milchsäure hat danach einen vernachlässigbaren Verzögerungseinfluß und wird aus dem einzigen Grund genannt, weil eine cL Hydroxycarbonylgruppe vorliegt, sie jedoch nicht verzögernd wirksam ist· Diese Beobachtung zeigt die Schwierigkeit einer Verallgemeinerung betreffend dem Einfluß von Verbindungsklassen auf die Aushärtungszeiten von Portland-Zement· Trotzdem wird in dieser Literaturstelle der Schluß gezogen, daß anscheinend die allgemeine Regel besteht, daß eine organische Substanz, die verzögernd wirken soll, zumindest zwei Sauerstoffatome aufweisen muß, die jeweils an verschiedene Kohlenstoffatome gebunden sind, so daß sie sich dadurch nähern können. Die Möglichkeit,Glykol- oder Milchsäure als Beschleuniger für Portland-Zemente heranzuziehen, wurde in diesem Aufsatz jedoch noch nicht in Erwägung gezogen«

Aus der US-PS 3 144 347 ist die Anwendung von Glykolsäure und Milchsäure sowie deren Natrium-, Kalium-, Calcium- und Aminsalze zur Verzögerung in Konzentrationen von etwa 0,001 bis 3_t5 Gew.-56, bezogen auf Zement, bekannt· Danach wendet man

an
häufig weniger als etwa 0,8 Gew.-51, insbesondere 0,01 bis 0,1 Gew.-$6· Alle Beispiele dieser amerikanischen Patentschrift

5Q9887/Q984

253A099

- 7 - 1A-46 858

beziehen sich auf die Anwendung von weniger als 0,8 Gew Verzögerer in Zementmassen. Nach dieser amerikanischen Patentschrift handelt es sich um eine kleine Klasse von Monohydroxy-Verbindungen, die nicht nur als hervorragendes Mittel zur Verringerung des Wasserbedarfs, sondern auch als Verzögerer und gleichzeitig zur merklichen Erhöhung der Druckfestigkeit des Betons wirksam sind. Mit anderen Worten geht aus dieser Literaturstelle nur die Verwendung der in Rede stehenden Säuren bzw. deren Salze als Verzögerungsmittel und zur Verbesserung der Druckfestigkeit hervor.

Der einzige Hinweis auf die Brauchbarkeit einer speziellen ^-Hydroxycarbonyl-Verbindung als Beschleuniger findet sich in der JA-AS 13 680. Es wird ausgeführt, daß Calciummonoglykolat und Calciumdiglykolat eine beschränkte Verringerung der Anfangshärtezeit von Portland-Zement bewirken und daß man sie bevorzugt in Portland-Zement und gemischten Plastern anwendet. Es wird jedoch nicht angegeben, wozu man diese Stoffe dem Zement zusetzt. Obwohl die Terminologie in der japanischen Auslegeschrift unklar ist, wird das Calciumsalz der Diglykolsäure erwähnt, welche jedoch keine cvj-Hydroxycarbonyl-Verbindung ist» Diese Stoffe sollen in einer Menge zwischen 0,05 und 15 Gew.-#, bezogen auf Zement, angewandt werden. Die kürzeste erwähnte Aushärtungszeit ist 1 Stunde und 45 Minuten und für CaIciummonoglykolat 1 Stunde und 50 Minuten (JIS R-5201, das ist ein Vicat Needle Test). Aus obigen Gründen ist es nicht möglich auf höhere Konzentrationen zu extrapolieren. Man kann also dieser japanischen Literaturstelle auch nicht entnehmen, daß die genannten Salze oder andere Verbindungen als Beschleuniger angewandt werden sollen, für Anwendungsgebiete,wo sehr kurze Aushärtungszeiten erforderlich sind wie bei Spritzbeton, Ausbesserungsmassen und schnell härtende Mörtel.

Die Erfindung beruht auf der feststellung, daß bestimmte ^- Hydroxycarbony!-Verbindungen im Gemisch mit Zement in bestimmten Konzentrationen für die verschiedensten Anwendungsgebiete als Beschleuniger wirksam sind. Besonders gilt dies für die

-8-509887/0984

- 3 - 1A-46 858

Glycolsäure, deren Natrium-, Kalium-, Lithium-, Calcium-, Zink- und Triäthanolaminsalze; die Milchsäure und ihre Natrium-, Kalium- und Oalciumsalze; das Natriumsalz der d,l-Mandelsäure oder Natrium-2-methyllactat in Konzentrationen von etwa 0,5 bis 10 Gew.-^, bezogen auf Zement, die sich besonders als Beschleuniger für viele Anwendungsgebiete eignen, obwohl sie in manchen Fällen in niederen und in höheren Konzentrationen auch als Verzögerer wirksam sind.

Der genaue Konzentrationsbereich, in dem Verbindungen im Zement nach der Erfindung als Beschleuniger wirksam sind, variiert mit bestimmten Anwendungsgebieten, abhängig von der speziell angewandten Substanz, dem Yiasser-Zement-Paktor, Art und Menge der Zuschlagstoffe, Zusammensetzung des Zements, Mischungsweise, Temperatur und weiterenBedingungen des Anmachens und Aushärtens. So beschleunigt beispielsweise Kaliumglykolat das Endaushärten von Zementmassen nach dem Vicat-Needle-Iest in Konzentrationen von zumindest 0,5 Gew.-^, bezogen auf Zement , und verzögert in Konzentrationen darunter. In Mörteln mit demselben Zement wirkt das Salz als Beschleuniger für die Anfangsaushärtung bei Konzentrationen über etwa 1,3 $> und als Verzögerer darunter. Obwohl der Konzentrationsbereich, in dem eine beschleunigende Wirkung vorliegt, zwischen etwa 0,5 und 10 %, angegeben wird, dient der Begriff "Beschleunigungskonzentration¹¹ zur genauereren Angabe des Bereichs,innerhalb dem ein bestimmter Zusatz als Beschleuniger wirkt,unter Berücksichtigung der verschiedensten Paktoren, wie sie bereits oben erwähnt worden sind.

Die Erfindung wird anhand der beiliegenden Figuren weiter erläutert:

Pig. 1 zeigt ein Diagramm der Anfangshärtezeit von Mörteln, bestimmt nach der Proctor Needle Methode,gegen die Konzentration an Kaliumglykolat;

Pig. 2 zeigt ein Diagramm der Druckfestigkeit gegen die Zeit für ein Vergleichsprodukt und ein erfindungsgemäßen Produkt mit 3 ί> Kaliumglykolat;

509887/0984

- 9 - 1A-46 858

3 zeigt ein Diagramm der prozentualen Herabsetzung des benötigten Anmachwassers in Mörteln gegen die Konzentration an Kaliumglykolat und die

Pig· 4 zeigt ein Diagramm der Endaushärtungszeit von Mörteln nach der Vicat-Heedle-Methode gegen die Konzentration von Calciumglykolat, wobei die entsprechende Zeit für das Vergleichsprodukt 3,5 h war.

In dem Diagramm der Mg· 1 ist die anfängliche Aushärtungszeit in Stunden eines Mörtels aufgetragen in Abhängigkeit von der Konzentration von Kaliumglykolat, wobei die Abszisse logarithmisch ist, auf der Gewichtsprozent Zusatz, bezogen auf Zement, in der Masse eingetragen ist. Es wurde ein Zement "Atlas I" angewandt. Je Teil Zement lagen 2,5 Gew_o-!Deile Sand als Zuschlagstoff vor. Der Wasserzementfaktor betrug 0,5 und die Aushärtungszeiten wurden nach der Proctor-Meedle-Methode bestimmt« Die Anfangsaushärtungszeit ohne erfindungsgemäßen Beschleuniger in der Vergleichsprobe betrug 6,8 h und wird in dem Diagramm als horizontale Linie angedeutet· Alles was darüber liegt an Zusatzmittel wirkt als Verzögerer und alles was darunter liegt als Beschleuniger· Aus dem Diagramm geht hervor, daß Kaliumglykolat bei Konzentrationen unter 0,05 Gew.-# und über 1,3 Gew.-# als Beschleuniger wirkt. Diese Konzentrationen können als "Grenzwerte" bezeichnet werden. Sie begrenzen den Konzentrationsbereich innerhalb dem ein bestimmter Stoff als Beschleuniger wirkt. Zwischen dem Grenzwert 1,3 % und dem nächsten Punkt des Diagramms bei etwa 1,6 % ist die Kurve fast vertikal und die Aushärtungszeit fällt von 6,8 h auf weniger als 0,5 h. Bei einer Konzentration von 5 i> beträgt die Aushärtungszeit nur noch 5 min.

In folgender Tabelle werden die Grenzwerte für Verzögerung bzw. Beschleunigung von Glykolsäure und einiger ihrer Salze aus analogen Diagrammen, wie Pig. 1, aufgeführt. Die anderen Verbindungen scheinen eine nicht ganz so steile Kurve durch den Grenzwert zu besitzen. Konzentrationen über den Grenzwerten führen zu einer Beschleunigung. Die Zementmassen ent-

509887/0984

- 10 - 1A-46 858 sprachen denen die der Pig· 1 zugrunde lagen.

Tabelle I Grenzwert Gew.-^

Glykolsäure 1,1 5

Lithiumglykolat 1,4 >

Natriumglykol 1,25

Kaliumglykol 1,35

Calciumglykol 2,2 J

Die Diagramme der Aushärtungszeiten gegen die Konzentration verschiedener erfindungsgemäß angewandter Stoffe gleichen nicht in allen Fällen der Pig. 1, da die Kurvenform von einer Anzahl von Paktoren abhängt, wie Art des Zusatzmittels, WZ, !Temperatur des Gemisches, die die Aushärtungsgeschwindigkeit im allgemeinen beeinflußt. Nicht alle Beschleuniger nach der Erfindung wirken in Konzentrationen außerhalb des beanspruchten Bereiches als Verzögerer.

Die Pig. 4 zeigt zum Beispiel, daß Galciumglykolat — hergestellt durch Neutralisieren einer 7O#igen Glykolsäurelösung mit Calciumhydroxid - unter bestimmten Bedingungen über den gesamten Konzentrations bereich von 0,05 bis 6 Gew. -56 als Beschleuniger wirkt (Vicat-Needle-Test). Pur diese Versuche wurden 1,125 kg feiner Sand je Kilo Zement "Atlas¹¹ bei einem WZ 0,3 angewandt. Die Endaushärtungszeit für das Vergleichsprodukt ohne Zusatz betrug 3,5 h. Die Kurve zeigt einen scharfen Knick zwischen 0,83 und 1,5 Gew.-%, jedoch wirkt diese Substanz an beiden Seiten dieses Knickpunktes als Beschleuniger. Wie aus der Pig. hervorgeht, eignet sich Calciumglykolat zur Herstellung von Spritzbeton, Ausbesserungsmassen und schnellhärtenden Mörteln und anderenAnwendungsgebieten,wo sehr kurze Aushärtungszeiten verlangt werden, nur in Konzentrationen von mehr als etwa 1,5 Gew«-#, bezogen auf Zement. Unter den

-11-509887/098 4

- 11 - 1A-46 858

angewandten Bedingungen für den Grenzwert von Calciumglykolat nach der Tabelle 1 ähnelte das Diagramm der Anfangsaushärtungszeit nach der Proctor Needle Methode in diesem Pall in Abhängigkeit von der Konzentration mehr der Pig. 1 als der Pig.4, wobei die Aushärtungszeit über einen bestimmten Konzentrationsbereich verzögert wird. Es tritt daher zwischen Beschleunigung und Verzögerung ein Grenzwert auf.

Das Triäthanolaminsalz der Glycolsäure wirkt als Beschleuniger in einer Zementaufschlämmung,wie WZ O,3,bereits bei Konzentrationen von nur 0,5 % und scheinbar auch bei allen höheren Konzentrationen zumindest bis hinauf zu etwa 10 ?6· Ähnlich verhält sich das Hatriumsalz der d,l- Mandelsäure, welches offensichtlich nicht als Verzögerer wirken kann.

Glykolsäure, Milchsäure, 2-Methy !milchsäure und d,l-Mandelsäure sind strukturell ähnlich, da alle eine Hydroxygruppe und eine Carboxylgruppe besitzen und sich die Hydroxygruppe in X-Stellung zu dem Carbony!kohlenstoffatom befindet.

Die erfindungsgemäß angewandten Beschleuniger sind wirksamer , wenn sie den trockenen Bestandteilen der Zementmasse zugesetzt werden, bevor diese mit Wasser angemacht werden. So benötigt man beispielsweise höhere Konzentrationen an Beschleuniger für das gleiche Ausmaß an Beschleunigung, wenn feuchter oder nasser Sand mit Zement gemischt wird vor Zugabe des Beschleunigers.

Die chemischen Reaktionen des Aushärtens von Zement sind nietet ganz verständlich. Einige Wissenschaftler nehmen an, daß Gips als Verzögerer wirkt, indem Sulfationen zur Verfugung gestellt werden für eine Umsetzung mit Tricalciumaluminat. Die Sulfationen reagieren mit der Oberfläche der Tricalciumaluminatteilchen unter Bildung von "Ettringit", welches die Teilchen überzieht. Kalk dürfte sich wohl auch auf den Teilchen abscheiden. Der relativ undurchlässige Überzug an Ettringit und Kalk verhindert eine weitere Beteiligung des Tricalciumaluminats an den Aushärtungsreaktionen. Nach Verbrauch aller Sulfationen wan-

-12-509887/0984

- 12 - 1A-46 858

delt sich möglicherweise Ettringit ia ein Monosulfat um, welches an der Oberfläche d er Tricalciumaluminatteilcben nicht mehr haftet« Mit dieser Umwandlung von Ettringit

un
in das Monosulfat wird der durchlässige Überzug auf dem Iricalciumaluminat zerstört und ermöglicht die Weiterreaktion des Tricalciumaluminats bei der Aushärtung. Eine mögliche Erklärung für den beschleunigenden Effekt der erfindungsgemäß angewandten Substanzen liegt darin, daß diese entweder die Bildung von Ettringit verhindern oder den Ettringit angreifen und auflösen und ebenso die Kalkschichten, die die Aushärtung über das Iricaleiumaluminat verzögern·

Nach der Erfindung werden die Beschleuniger bei allen Anwendungsgebieten von Portland-Zement, wo eine Verkürzung der Aushärtungszeit wünschenswert ist, eingesetzt. Die erfindungsgemäß angewandten Beschleuniger haben aber auf die Zemente und daraus hergestellten Produkte auch nooh andere Wirkungen·

Die erfindungsgemäß angewandten SaI«e können hergestellt werden durch Neutralisieren der entsprechenden Säuren mit einer Lauge· Sie haben angenähert neutralen pH-Wert und sind daher nicht alkalisch und können angewandt und verarbeitet werden ohne besondere Vorsichtsmaßnahmen, wie sie für die bekannten Natriumcarbonat-Natriumaluminat-Beschleuniger üblich waren·

Die erfindungsgemäß angewandten Beschleuniger führen weder zu einer Reaktion mit Eisenwerkstoffen noch zu einer elektrochemischen Wirkung zwischen unterschiedlichen Metallen. Sie eignen sich für bew ährtejiBeton und Spannbeton und überall dort,wo ein Beton mit Metall in Berührung steht·

Im Gegensatz zu dem bekannten Spritzbeton mit Natriumcarbonat und Natriumaluminat als Beschleuniger zeigen die nach der Erfindung erhaltenen Betonteile hervorragende Anfangsfestigkeit und eignen sich daher besonders für das Betonspritzen, da dünnere Schichten aufgetragen werden können,als dies mit den bisherigen Massen für diese Zwecke möglich war·

-13-509887/0984

- 13 - 1Δ-46 858

Beschleuniger im allgemeinen verringern etwas die Druckfestigkeit des ausgehärteten Betons, während die Verzögerer normalerweise die Festigkeit erhöhen. Die erfindungsgemäß angewandten Beschleuniger zeigen auch dieses allgemeine Verhalten. Bei einigen Beschleunigern ist jedoch die Verringerung der Festigkeit sehr viel geringer als bei den bekannten Beschleunigern. Fig. 2 zeigt in einem Diagramm die Abhängigkeit der Druckfestigkeit (ASTM C-109) von Zement ("Atlas") von der Zeit für einen Zement ohne Zusatz als Vergleich zu dem erfindungsgemäßeη Zement mit 3 # Kaliumglykolat WZ = 0,35· Aus der Pig· 2 geht hervor, daß die Druckfestigkeit des erfindungsgemäßen Betons bis etwa 15 h etwas höher ist als vom Vergleichsprodukt, jedoch dann leicht abfällt und man nach 14 Tagen (336 h) eine Druckfestigkeit von mehr als 80 # des Vergleichsproduktes erhält.

Die erfindungsgemäßeη Beschleuniger eignen sich insbesondere auch für schnell aushärtende Mörtel, wie man sie in großem Umfang zur Reparatur von beschädigtem Betonteilen verwendet. Für diese Anwendung sind verkürzte Aushärtzeiten erforderlich und darüberhinaus ist es wünschenswert, daß die Festigkeit der Reparaturmasse hoch ist, so daß die reparierte Stelle haltbar wird. Es wurde nach der Erfindung eine schnell aushärtende Reparaturmasse mit Kaliumglykolat hergestellt,welehe nach 28 Tagen eine Druckfestigkeit von mehr als 630 kg/cm (9000 psi) zeigte)(ASTM C-109)· Im Gegensatz dazu zeigten zwei handelsübliche schnell härtende Reparaturmassen mit Natriumcarbonat und Natriumaluminat als Beschleuniger nach 28 Tagen eine Druckfestigkeit von nur etwa 210 kg/cm . Mit anderen Worten hat die erfindungsgemäße Masse etwa die dreifache Druckfestigkeit als die bekannten Massen.

Die erfindungsgemäßen Beschleuniger führen auch zu einer Verringerung des Bedarfs an Anmachwasser. In einer Reihe von Messungen auf einem Fließtisch (flow table) wurde die prozentuale Wasserverringerung festgestellt und gefunden, daß diese in Abhängigkeit von der Konzentration an Beschleuniger im Mörtel variiert. In Fig. 3 ist ein Diagramm über die Ver-

-14-509887/0 984

- 14 - 1A-46 858

ritigerutig der benötigten Wassermenge in Abhängigkeit von der Konzentration gezeigt· Die Kurve besitzt in der Nähe einer Konzentration von 1,5 Gew„-# Beschleuniger, bezogen auf Zement ein Minimum, welches in diesem Fall mit dem Grenzwert für dieses Salz zusammenfällt. Die prozentuale Wasserverringerung bei diesem Minimum beträgt etwa 2,8 %. Mit steigender Konzentration an Beschleuniger jenseits des Minimums steigt auch die Verringerung der benötigten Wassermenge und zwar in etwa linear.

Die Erfindung wird an folgenden Beispielen weiter erläutert:

Beispiel 1

Es wurde ein Mörtel aus 1,8 kg Zement (Atlas I), 4»5 kg feinem Sand, 0,9 kg Wasser und 53,9 g Kaliumglykolat, also entsprechend einer Konzentration von 3 Gew.-% hergestellt. Die Zeit bis zur Anfangshärte nach dem Proctor-Needle-Test betrug 11 min·

Beispiel 2

Beispiel 1 wurde dahingehend abgewandelt, daß anstelle Kaliumglykolat das Natriumglykolat angewandt wurde. In diesem Fall betrug die Anfangshärtezeit 5 min.

Beispiel 3

Beispiel 1 wurde dahingehend abgewandelt, daß die gleiche Menge des Natriumsalzes von d,l-Mandelsäure angewandt wurde, wobei man eine Endhärtezeit im Vicat-Iest von 1,75 min feststellte.

Beispiel 4

Ein Mörtel aus 1,8 kg Zement, 3,6 kg Sand, 0,78 kg Wasser und 53,9 g Natriumglykolat ergaben eine Anfangshärtezeit von 0,45 min,

Beispiel 5

4,5 kg Zement, 0,45 kg feiner Sand, 1,35 kg Wasser und 104,3 g Natriumglykolat (Konzentration 2,3 #) ergaben als sohnellaushärtender Mörtel eine Endaushärtungszeit von 5 min·

509887/098A "¹⁵"

- 1p - 1A-46 858

Beispiel 6

35 kg Zement, 0,8 kg feiner Sand, 1,3 kg Wasser und 70,9 g Natriumlactat (Konzentration 2 %) ergaben eine Endaushärtungszeit von 2 min.

Beispiel 7

Ein Mörtel für das Mörtelspritzen auf eine vertikale Wand enthielt 1 Teil Zement, 3 Teile Sand, 0,25 Teile Wasser und 0,04 Teile Natriumglykolat (Gew.-Teile) und hatte eine Endaushärtungszeit von <1 min. Kernproben des Mörtels ergaben eine Druckfestigkeit von 75,6 kg/cm nach der Aufbringung, 271 kg/cm² 8 h danach und 386 kg/cm nach 28 Tagen. Ein Mörtel enthaltend 3 $ üblichen Beschleuniger in Form von Natriumaluminat und Natriumcarbonat zeigte eine Druckfestigkeit von<56 kg/em nach 8 h und ungefähr 210 kg/cm als maximal erreichbare Festigkeit.

Beispiel 8

1 Teil Zement, 0,2 Teile feiner Sand, 0,35 Teile Wasser und 0,02 Teile Kaliumglykolat (Konzentration 2 #) ergaben eine Endaushärtungszeit von 1,1 min. Ein solcher Mörtel eignet sich besonders als Ausbesserungsmasse.

Beispiel 9

1 Teil Zement, 2,5 Teile feiner Sand, 0,30 Teile Wasser und 0,03 Teile Oalciumglykolat (erhalten durch Neutralisieren einer 70#igen Glykolsäurelösung mit Kalkmilch) ergaben eine Endaushärtungszeit von 2,5 min.

Beispiel 10

4,5 kg Atlas, 4,5 kg feiner Sand, 2,25 kg grober Sand, 1,35 kg Wasser und 227 g Natriumglykolat ergaben eine Endaushärtungszeit von 12 min und eine Druckfestigkeit 1 h nach dem Mischen von 74,5 kg/cm . Diese Masse ist besonders geeignet für größere Ausbesserungsarbeiten.

Patentansprüche 509887/0984

Claims

Patentansprüche

( 1J Verfahren zur Beschleunigung der Aushärtung von \Fortland-Zement-Massen, dadurch gekennzeichnet, daß als Beschleuniger ein oder mehrere «a*-Hydroxycarbonyl-Verbindungen verwendet werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man also6-Hydroxycarbonyl-Verbindung Glykolsäure oder deren Natrium-, Kalium-, Lithium-, Zinkoder Triäthanolaminsalz, Milchsäure oder deren Natrium-,Kalium- oder Caloiumsalz, Natrium-2-methyllactat oder Natriumsalz der d,l-Mandelsäure verwendet.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man den Beschleuniger in einer Menge anwendet, daß die Endaushärtungszeit (Vicat-Needle-Test) für Betonreparaturmassen <1 h, für schnell härtende Mörtel <"30 min, für Reparaturmassen <Ί 5 min (Vicat-Needle-Test) bzw. die Anfangsaushärtungszeit (Proctor Needle-Test) <15 min beträgt.

8183

trat

509887/0984

Leerseite