DE2700890A1 - Verfahren zur chemischen hydrophobierung von kalk - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein neues Verfahren zur chemischen Hydrophobierung von Kalk durch die Herstellung eines chemisch hydrophobierten Kalkhydrats.

Kalk wird in vielen Baustoffen als Bindemittel benutzt und diese Bauelemente sind später verschiedenen Natureinflüssen ausgesetzt, die auf physikalischem, chemischem und biologischem Wege unter Umständen eine allmähliche Zerstörung des Materials verursachen können. Hierbei spielt die Feuchtigkeit die bedeutendste Rolle, so dass in vielen Fällen ein Schutz des Bauwerks vor Feuchtigkeitseinfluss vorgesehen werden muss.

Der Schutz von Baustoffen und Konstruktionen durch Anstrich und Beschichtung mit wasserdurchlässigen Schutzstoffen, wie er beispielsweise für die modernen, mehrschichtigen dünnwandigen Fassadenkonstruktionen charakteristisch ist, zeitigt jedoch zumeist nicht die notwendigen und erwarteten Ergebnisse.

Die Empfindlichkeit von Baumaterial auf Kalkbasis gegen Feuchtigkeit ist durch drei charakteristische Eigenschaften dieses Materials bedingt:

1. durch die kapillar-poröse Struktur,

2. durch die Kapillaraktivität, das heißt, Wasseraufnahmebereitschaft (Hydrophilität) und

3. durch die Neigung zu physikalischen und chemischen Reaktionen mit dem Wasser selbst oder den darin gelösten Substanzen.

Feuchtigkeit gelangt nicht nur von außen ins Baumaterial und auch nicht nur im flüssigen Zustande (z.B. als Regen), sie kann auch auf andere Weise eindringen, so z.B. durch Kapillarkondensation, gegen welche die herkömmlichen Schutzmaßnahmen wirkungslos sind.

Baustoffe auf Kalkbasis können ihre Funktion nur dauerhaft erfüllen, wenn sie im Gesamtquerschnitt frei bleiben von Feuchtigkeit in flüssiger Form. Dies kann durch Hydrophobieren der Rohmasse erreicht werden, die eine Kapillar-Inaktivierung der sonst hydrophilen Struktur zur Folge hat.

Das Hydrophobieren von Baumaterial geschieht heute auf zwei verschiedene Arten:

1. Hydrophobieren der Oberfläche, das heißt, Imprägnieren des schon eingebauten Materials mit wasserabstoßend machenden Stoffen und

2. Hydrophobieren des Bindemittels, das heißt, Zusatz von wasserabstoßend machenden Stoffen bei der Herstellung der Baustoffe.

Diese Hydrophobierung kann sowohl auf physikalischem wie auf chemischem Wege erreicht werden, je nachdem, ob der wasserabstoßend machende Zusatz chemisch inaktiv ist und somit nur durch physikalische Kräfte (Adsorption) an das Grundmaterial gebunden wird, oder ob der hydrophobierende Zusatz chemisch reaktiv ist und daher mit dem Grundmaterial chemisch reagiert.

Es muss jedoch hervorgehoben werden, dass es bei Baustoffen auf Kalkbasis heute üblich ist, den hydrophobierenden Zusatz in beiden Fällen erst nach dem Löschen des Kalkes einzutragen.

Es wurde nun gefunden, dass man die obigen Nachteile vermeidet, wenn man die chemische Hydrophobierung durch reaktionsfähige Stearate während des Kalklöschens ausführt.

Die chemische Reaktion des Kalklöschens verläuft in mehreren Phasen:

1. Wasseraufnahme: Adsorption und Absorption von Wasser seitens des Calciumoxids

2. Bildung des Zwischenproduktes Calciumoxid-Dihydrat:

3. Umsetzungsreaktion:

4. Bildung von Kalkflocken und -aggregaten aus den entstehenden Calciumhydroxidpartikeln.

In jeder dieser vier Reaktionsphasen ist ein günstiger Einfluss des jeweiligen reaktiven Stearates und des entstehenden hydrophoben Calciumstearates zu beobachten:

1. In der Wasseraufnahmephase wird das reaktive Stearat zusammen mit dem Wasser, in dem es gelöst ist, zunächst an die energiereichen Spitzen und Kanten der Calciumoxidaggregate angelagert und reagiert dort teilweise mit dem Kalk zu Calciumstearat, das durch seine hydrophoben Eigenschaften den weiteren Verlauf der Hydratisierung hemmt und es so ermöglicht, dass das Wasser tiefer in die Branntkalkaggregate eindringt, so dass sich das notwendige stöchiometrische Verhältnis von Kalk und Wasser vollständiger einstellt. Dieser Aufschub des eigentlichen Löschvorgangs ermöglicht auch das Löschen von Branntkalkaggregaten dichter Struktur, die sonst schwerer zu löschen sind. Auf diese Weise wird ein vollständigeres Löschen des Branntkalkes gefördert.

2. Die Bildung des Zwischenproduktes CaO . 2H[tief]2 O wird in der gleichen Weise gefördert.

3. In der Umsetzungsphase reagiert das Stearat chemisch mit dem entstehenden Calciumhydroxid, wobei Calciumstearat entsteht, das den Kalk wasserabstoßend macht und außerdem

4. durch seinen dispergierenden Einfluss verhindert, dass die entstehenden Calciumhydroxidpartikel ausfallen und sich zu dichten Strukturen zusammenschließen. So entsteht ein aus vielen kleinen Teilchen bestehendes und durch diese erhebliche Oberflächenvergrößerung sehr energiereiches System. Die entstehenden Kalkflocken sind von lockerer Struktur und damit energiereich; dies führt zu einem ergiebigen "fetten" Kalk, der an Kalkteig erinnert.

Außerdem beeinflusst das Stearat auch die physikalisch-chemischen Vorgänge beim Kalklöschen: der auf diese Weise hergestellte Kalk ist einerseits wasserabstoßend und andererseits von besserer physikalischer Struktur. Er besteht aus vielen kleinen Teilchen von großer Oberfläche in Form von Flocken mit lockerer Struktur, außerdem sind die Hydroxidteilchen sehr klein, was eine bessere Carbonatisierung und regelmäßigere Kristallisation ermöglicht.

Tatsächlich haben, was noch gezeigt wird, Mörtel aus chemisch hydrophobiertem Kalk außer ihren wasserabweisenden Eigenschaften auch eine höhere Festigkeit als Mörtel aus nicht hydrophobiertem (normalem) und/oder physikalisch hydrophobiertem Kalk.

Versuche

Die nachstehenden Versuche wurden an der Technologischen Fakultät und der Fakultät für Bergbau, Geologie und Erdöltechnik der Universität Zagreb und am Kroatischen Institut für Bauwesen, Abteilung Hochbau, in Zagreb durchgeführt.

Herstellung der hydrophoben Kalke und Kalkmörtel

Material

1. Der verwendete Kalk stammte von der IGMO, Baustoffindustrie, Ozalj, Jugoslawien.

2. Als Zuschlag (Füllstoff) diente gemahlener Kalkstein der GIRK "Kalun", Drnis, Jugoslawien.

3. Als wasserabweisende Zusätze wurden Stearate der Firma Bärlocher GmbH, München, Bundesrepublik Deutschland, eingesetzt, und zwar:

a) Bärophob-NBL, Zinkstearat-Trockenpulver, 100%,

b) Bärophob-ASP, Ammoniumstearat-Trockenpulver, 100%,

c) Bärophob-FL-1, 50%-ige alkoholische Lösung von Triäthanolaminstearat.

Veränderliche Faktoren

Zur Untersuchung ihres Einflusses auf die Eigenschaften des behandelten Kalkes wurden folgende Faktoren variiert:

1. Die wasserabstoßend machenden Zusätze selbst: Bärophob-NBL, Bärophob-ASP und Bärophob-FL-1.

2. Die Konzentration der wasserabstoßend machenden Zusätze in der Putzmasse bei der chemischen Hydrophobierung:

Bärophob-ASP wurde in den Konzentrationen 0,05; 0,15; 0,25; 0,5 und 0,75% und Bärophob-FL-1 in den Konzentrationen 0,025; 0,075; 0,125; 0,25 und 0,375% zugesetzt, jedes Mal bezogen auf die gesamte Putzmasse.

3. Die Herstellungsphase, in der der wasserabstoßend machende Zusatz zugefügt wird, bei der chemischen Hydrophobierung des Kalkes: Bärophob-ASP und Bärophob-FL-1 werden dem zum Löschen von Branntkalk benutzten Wasser zugesetzt, und zwar in Konzentrationen von 0,8; 2,4; 4,0; 8,0 und 12,0%, was folgenden Werten der Konzentration der reinen Stearate in der Mörtelmasse entspricht: bei Bärophob-ASP: 0,05; 0,15; 0,25; 0,5 und 0,75% und bei Bärophob-FL-1: 0,025; 0,075; 0,125; 0,25 und 0,375%.

Die Herstellung des hydrophobierten Kalkes erfolgte während des Kalklöschens, indem zum Löschen des Branntkalkes eine wässrige Lösung reaktiver Stearate (Bärophob-ASP und -FL-1) benutzt wurde, und zwar in Konzentrationen von 0,8; 2,4; 4,0; 8,0 und 12,0%.

Die wässrige Lösung des wasserabstoßend machenden Zusatzes wurde im Falle der 0,8%-igen Lösung in einer Menge von 0,65 kg auf 1 kg Branntkalk angewandt. Bei Vergrößerung der Konzentration des reaktiven Stearates vergrößerte sich auch die zum Löschen notwendige Lösungsmenge, so dass sie im Falle der 12%-igen Lösung 0,72 kg auf 1 kg Branntkalk betrug.

Bei Wasser ohne hydrophobierende Zusätze betrug die Löschwassermenge für 1 kg Branntkalk 0,60 kg.

Bei steigender Konzentration des wasserabstoßend machenden Zusatzes wird der Beginn der Hydratisierungsreaktion immer mehr hinausgeschoben. So wurde zum Beispiel bei einer Messung der Reaktivität des Kalkes festgestellt, dass die Temperatur 10 Minuten nach Zugabe einer 8%-igen Lösung von Bärophob-FL-1 nur 26°C betrug, während sie 10 Minuten nach Zugabe von Wasser ohne Zusatz bei 58°C lag. Die Ausgangstemperatur betrug in beiden Fällen 15°C.

Herstellung der Kalkmörtel

Die Kalkmörtel wurden durch Mischen von Kalk und Zuschlag im Gewichtsverhältnis 1:7 (etwa 1:3 Vol.) hergestellt, und zwar aus:

nicht hydrophobiertem (normalem) Kalk,

physikalisch hydrophobiertem Kalk und

chemisch hydrophobiertem Kalk.

Die zur Mörtelbereitung erforderliche Wassermenge richtete sich nach der Art des verwendeten Kalkes. Im Falle von Mörtel aus normalem (nicht hydrophobiertem) Kalk wurden 0,17 kg Wasser pro kg trockener Mörtelmischung (Kalk und Zuschläge) verwandt.

Bei physikalisch hydrophobiertem Kalk mit der niedrigsten Konzentration der wasserabstoßend machenden Zusätze (0,8%) waren 0,15 kg Wasser erforderlich. Mit Erhöhung der Konzentration der wasserabstoßend machenden Zusätze sank der Wasserbedarf, so dass bei einer Konzentration von 12% 0,12 kg ausreichten.

Bei chemisch hydrophobiertem Kalk wurde eine der soeben beschriebenen Beziehung ähnliche Gesetzmäßigkeit festgestellt. So waren im Falle der niedrigsten Konzentration der wasserabstoßend machenden Zusätze (0,8%) 0,12 kg Wasser pro kg Trockenmischung erforderlich. Bei Erhöhung der Konzentration der wasserabstoßend machenden Zusätze verringerte sich die erforderliche Wassermenge und betrug bei einer Konzentration von 12% nur 0,09 kg pro kg der trockenen Mischung von Kalk und Zuschlägen.

Materialprüfungen

Die Prüfkörper aus den beschriebenen Kalkmörteln wurden unter konstanten Bedingungen gelagert und für die Prüfung vorbereitet, die 30 und 90 Tage nach Herstellung der Mörtel erfolgte.

Die Prüfung der Kalke und Kalkmörtel hatte den Zweck, durch physikalisch-mechanische Prüfung der Wasseraufnahmefähigkeit, der Hydrophobizität und der Festigkeit festzustellen, welchen Gesetzmäßigkeiten der Einfluss der Hydrophobierung auf die

Eigenschaften des Kalkes und der Kalkmörtel unterliegt, und zwar abhängig von der Art des wasserabstoßend machenden Zusatzes, seiner Konzentration, der Herstellungsphase, in der die wasserabstoßenden Zusätze hinzugefügt werden, und der Hydrophobierungsart (physikalische oder chemische).

Physikalisch-mechanische Prüfungen

Die physikalisch-mechanischen Untersuchungen (Tabelle) wurden an Prüfkörpern aus Kalkmörtel im Alter von 30 und 90 Tagen durchgeführt. Sie umfassten die Prüfung folgender Eigenschaften:

1. Die Wasseraufnahmefähigkeit (Tabelle) wurde gemessen durch 24-stündiges Einlegen der Prüfkörper in Wasser bei einem hydrostatischen Druck von 5 cm Wassersäule. Dabei wurde in bestimmten Zeitabständen die Gewichtszunahme ermittelt.

2. Die Druckfestigkeiten (Tabelle) wurden nach Standardmethoden an Prismen der Abmessungen 4 x 4 x 16 cm geprüft.

3. Die Hydrophobizität wurde gemessen als:

a) Benetzbarkeit der Oberfläche,

b) Abperlen und Aufsaugen von Wassertropfen und

c) Wasseraufnahme bei einem hydrostatischen Druck von 25 cm WS.

In Tabelle sind die Ergebnisse der Versuche zur Benetzbarkeit der Oberfläche angeführt.

TABELLE

Anmerkungen zur Tabelle:

1) Jedes angegebene Resultat ist das Mittel aus drei Messungen.

2) Die Bezeichnungen der Prüfkörper: Die jeweils letzte Zahl ist die Konzentration der hydrophoben Substanz bezogen auf den Kalk (physikalische Hydrophobierung) oder das Löschwasser (chemische Hydrophobierung).

3) Mischverhältnis (Kalk/Zuschläge) = 1:7

4) Abmessungen der Prüfkörper:

7x5x3 cm (zur Bestimmung der Wasseraufnahmefähigkeit)

Oberfläche der Prüfkörper: 142 cm[hoch]2 = 0,0142 m[hoch]2

Rauminhalt der Prüfkörper: 105 cm[hoch]3

Bei einem Vergleich der Ergebnisse der physikalischen und der chemischen Hydrophobierung fällt auf, dass die durch chemische Hydrophobierung erzielten Resultate wesentlich günstiger sind, was besonders für die alkoholische Lösung von Triäthanolaminstearat (Bärophob-FL-1) gilt. Offensichtlich wirkt sich die Gegenwart von Alkohol günstig aus. Da die chemische Hydrophobierung mit wesentlich geringeren Stearatkonzentrationen durchgeführt wurde (besonders im Falle des Ammoniumstearats und des Triäthanolaminstearats), die Resultate (Tabelle) jedoch vergleichbar oder sogar wesentlich besser sind, ist die chemische Hydrophobierung erheblich günstiger als die physikalische. Dies liegt auch an der Verteilung der hydrophoben Teilchen in der Kalkmasse, die bei der chemischen Hydrophobierung wesentlich homogener ist als bei der physikalischen und sich dem Idealzustand nähert. Im Laufe der Zeit (Lagerung) verbessern sich die Eigenschaften der Mörtel.

Die Wasseraufnahmefähigkeit nimmt bei der physikalischen wie auch bei der chemischen Hydrophobierung mit zunehmender Konzentration des wasserabstoßend machenden Zusatzes ab. Um die Wasseraufnahmefähigkeit im gleichen Maße zu verringern, ist jedoch bei der chemischen Hydrophobierung eine geringere Erhöhung der Konzentration des wasserabstoßend machenden Zusatzes erforderlich. So verringert sich die Wasseraufnahmefähigkeit bei der chemischen Hydrophobierung mit 0,2 bis 0,5% reaktivem Stearat auf weniger als 1% - gegenüber etwa 11% bei Mörtel ohne hydrophobierenden Zusatz. Bei der physikalischen Hydrophobierung ist für die gleiche Verringerung der Wasseraufnahmefähigkeit 0,5 bis 1,5% und mehr Stearat erforderlich.

Die Druckfestigkeiten nehmen mit Zunahme der Stearatkonzentration ab. Bei der physikalischen Hydrophobierung ist die Festigkeit schon bei niedrigsten Konzentrationen des Zusatzes verringert, nur beim Ammoniumstearat, das physikalisch beigemischt war, ist zunächst eine geringe Erhöhung festzustellen. Bei der chemischen Hydrophobierung fällte eine anfängliche deutliche Erhöhung der Druckfestigkeit bei den niedrigsten Konzentrationen der wasserabstoßend machenden Zusätze auf. Bei Konzentrationsvergrößerung nimmt die Festigkeit ab, und zwar in einem wesentlich engeren Konzentrationsbereich als bei der physikalischen Hydrophobierung. Anscheinend kommt es eher zu einer Art "Sättigung".

Bei der chemischen Hydrophobierung liegen die für die Beeinflussung der Wasseraufnahmefähigkeit und der Festigkeit optimalen Konzentrationen der reaktiven Stearate bei 0,1-0,5% bezogen auf die Mörtelmasse. In diesem Bereich sind die Festigkeiten der Mörtel etwa die gleichen oder etwas größer als bei Mörteln aus nicht hydrophobiertem Kalk.

Es wurde gefunden, dass man günstige Ergebnisse auch bei der Verwendung des folgenden Hydrophobierungsgemisches:

NH[tief]4 OH (24%-ig) 11,0 Gewichtsteile

Stearinsäure 13,4 Gewichtsteile

CH[tief]3 OH 10,0 Gewichtsteile

C[tief]2 H[tief]5 OH 10,0 Gewichtsteile

mit Wasser in einem Verhältnis von 1:1 bis 1:9 (Gew.) vermischt, erzielt.

Claims (2)

1. Verfahren zur chemischen Hydrophobierung von Kalk und zur Verbesserung dessen physikalischer Struktur, dadurch gekennzeichnet, dass der gebrannte Kalk mit Wasser, welches bis zu 15 Gew.-% an reaktionsfähigen Stearaten enthält, hydratisiert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man die Stearate in situ in Anwesenheit von niederen Alkoholen bilden kann.