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Verarbeitungswilliger Spritzbeton
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Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Spritz beton, der auch
bei einem relativ geringen W/Z-Verhältnis verarbeitungswillig ist, sich gut verspritzen
läßt und schnell abbindet und erstarrt. Diese Eigenschaften werden dadurch erreicht,
daß dem Spritzbeton definierte Betonverflüssiger und Erstarrungsbeschleuniger vor
dem Austritt aus der Spritzdüse zugesetzt sind.
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Es ist bekannt, Naßgemische aus Zement, Zuschlägen, Zugabewasser und
ggf. Zusätzen, wie in der DIN 18 551 angegeben, für das Naßspritzverfahren als Ausgangsmischung
einzusetzen. Dieses Naßgemisch gelangt entweder pneumatisch über die Spritzdüse
zur Einbaustelle (Dunnstromverfahren) oder es wird hydraulisch zur Spritzdüse gefördert
(Dichtstromverfahren), um dort mit FCreibluft in einen Dunnstrom verwandelt zu werden.
In beiden Fällen ist das zum Einsatz kommende Naßgemisch schon eine bestimmte Zeit,
die in der Praxis bis zu 90 Minuten betragen kann, mit dem Anmachwasser in engem
Kontakt und hat mit diesem bereits reagiert.
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Es ist auch bekannt, einem Spritzbeton Erstarrungsbeschleuniger hinzuzufügen,
damit nach dem Verspritzen der Beton möglichst schnell abbindet. Dieser Zusatz erfolgt
möglichst kurz vor dem Verspritzen, vorzugsweise direkt beim Einsatz an der Einbaustelle.
Als Erstarrungsbeschleuniger sind u.a. konzentrierte Lösungen von Alkalialuminaten,
Alkalihydroxiden und Alkalicarbonaten bekannt, wie sie z.B. in der DE-OS 33 06 448
beschrieben sind. Die dort genannten Erstarrungsbeschleuniger entfalten ihre volle
Wirkung dann, wenn sie zusammen mit dem Zugabewasser gemäß DIN 18 551 (im Folgenden
auch Anmachwasser genannt) im Trockenspritzverfahren dem Trokkenspritzbeton zugegeben
werden. Nur dann wirken sie im Anmachwasser an der Spritzdüse unmittelbar an der
Einbaustelle des Spritzbetons spontan auf da rBindemittel im Sinne einer beschleunigten
Erstarrung. Wenn der Spritzbeton å jedoch schon längere Zeit mit dem Anmachwasser
vermischt war und damit bereits reagiert hat, wie dies beim Naßspritzverfahren der
Fall ist, dann können die in der DE-OS 33 06 448 beschriebenen Erstarrungsbeschleuniger
nicht mehr ihre optimale Wirkung entfalten.
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Der alleinige Einsatz von flüssigen Erstarrungsbeschleunigern im Naßspritzverfahren
kann dazu führen, daß die Konsistenz des Spritzbetons nach Austritt aus der Diise
zu gering ist, so daß besonders an senkrechten Wänden und über Kopf der aufgespritzte
Beton ungenügend haftet.
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Eine Erhöhung der Konsistenz des Spritzbetons durch Zugabe geringerer
Mengen an Anmachwasser zur Vermeidung dieses Nachteils verbietet sich, weil dieser
dann nicht mehr förder- oder pumpbar ist, so daß versucht werden muß, diesen Nachteil
anders zu umgehen.
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Eine bekannte Lösung der Förderung von Spritzbeton mit einem geringeren
W/Z-Verhältnis besteht darin, diesem an sich bekannte Betonverflüssiger zuzusetzen.
Diese Zusätze erhöhen zwar die Förder- und Verarbeitungswilligkeit von Frischbeton,
vermindern jedoch die Wirkung von vielen üblichen Erstarrungsbeschleunigern. So
wird beispielsweise die erstarrungsbeschleunigende Wirkung der in der DE-OS 33 06
448 genannten Erstarrungsbeschleuni ger auf Kaliumaluminatbasis durch die bekannten
Betonverflüssiger auf Basis von alkalisch oder neutral eingestellten Salzen von
technisch ungereinigten Ligninsulfonaten teilweise oder auch ganz aufgehoben. Dieser
Nachteil wird dadurch umgangen, daß man bekannte Betonverflüssiger in Verbindung
mit Natronwasserglas einsetzt.
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Letzteres muß dabei jedoch in Mengen zwischen 10 und 15%, bezogen
auf den Zement, angewendet werden, um ein ausrei-.
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chendes Erstarrungsverhalten zu erreichen. Diese Mengen haben aber
wiederum den Nachteil, daß darunter die Festig keit des erstarrten Betons leidet.
Der Festigkeitsverlust kann dabei bis zu 50% und mehr betragen.
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Es bestand deshalb die Aufgabe, ein Spritzbetonverflüssigungs- und
-verfestigungssystem aufzufinden, das es ermöglicht, den Spritzbeton bei möglichst
geringen W/Z-Werten verarbeitungswillig zu erhalten, damit er in den Spritzanlagen
gut gefördert werden kann, und gleichzeitig nach Verlassen der Spritzdüse ein möglichst
schnelles Verfestigen, Erstarren und Erhärten des Betons zu bewirken. Der in dem
System enthaltene Verflüssiger darf also die Wirkung des Beschleunigers nicht negativ
beeinflussen.
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In Erfüllung dieser Aufgabe wurde nun ein Spritzbeton unter Mitverwendung
von Betonverflüssigern und Erstarrungsbeschleunigern gefunden, der dadurch gekennzeichnet
ist, daß er als Betonverflüssiger eine oder mehrere Verbindungen aus der Klasse
der Naphthalinsulfonsäure-Bormaldehyd-Kondensate und als Erstarrungsbeschleuniger
hochkonzentrierte wäßrig-alkalische Lösungen von Kaliumaluminat, Kalilauge und Kaliumcarbonat
enthält.
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Ein solcher Spritzbeton ist besonders verarbeitungswillig und läßt
sich in den bekannten Betonspritzeinrichtungen gut fördern, bleibt an senkrechten
Wanden und über Kopf gut haften, ohne abzulaufen oder abzufallen, und erstarrt schnell
zu einer festen Masse mit hoher Endfestigkeit.
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erarbeitungswillig im Sinne der Erfindung bedeutet dabei, daß der
Beton zum Fördern und Einbringen ein nach Maßgabe der Konsistenz korrelierendes
Ausbreitmaß von mindestens 45 cm aufweist, d.h., daß er den bekannten gegebenen
Arbeitsbedingungen angepaßt ist, ohne daß Betriebsstörungen, die auf der Zusammensetzung
basieren, auftreten.
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Die Wirkung der genannten Zusätze kann noch weiter dadurch verbessert
werden, daß der Spritzbeton zusätzlich noch Silikat-Systeme, wie fein verteiltes
oder hochdisperses SiO2 oder wasserlösliche Alkalisilikate in Mengen bis zu 3,0
Gew.-% enthält. Vorzugsweise liegt der Zusatz der Alkalisilikate zwischen 0,25 und
2,0 Gew.-%. Das SiO2 kann vorzugsweise bis zu 2,5%, je nach SiO2-Gehalt oder Dispersität,
eingesetzt werden. Ein Spritzbeton mit diesen zusätzlichen Bestandteilen kann auch
bei Temperaturen unterhalb von +150C eingesetzt werden. Dies ist bei den bekannten
Spritzbeton-Abmischungen, die Natronwasserglas in Mengen von etwa 10,0 bis 12,0
Gew.-% enthalten, nicht möglich, da sich die hohe Viskosität des Natronwasserglases
bei diesen Temperaturen beim Einsatz großer Mengen ungünstig auswirkt.
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Aufgrund der genannten Zusätze kann der erfindungsgemäße Naßspritzbeton
ein W/Z-Verhältnis von etwa 0i44 bis 0,55 besitzen; vorzugsweise liegt dieses Verhältnis
zwischen 0,45 und 0,47.
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Die 3etonverflüssiger auf Basis von Naphthalinsulfonsäure-Formaldehyd-Kondensaten
sind an sich bekannte Substanzen, die als Dispergiermittel für Pigmente und Gerbmittel
eingesetzt werden. Sie werden durch Kondensation der entsprechenden Naphthalinsulfonsäuren
mit Formaldehyd hergestellt und ggf. in wäßrigen Lösungen mit Laugen neutralisiert.
Sie werden auch als Naphthalinsulfonsäure-Kondensate mit Formaldehyd bezeichnet
(vgl. Ullmann "Encyclopädie der techn. Chemie" 3. Auflage, Band 17, Seite 80). Ihr
Einsatz als Beonverflüssiger ist z.B. in der DE-C2-28 46 966 beschrieben.
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Dort dienen diese Substanzen aber nur zur Verflüssigung des Systems
und werden nicht in Kombination.mit Erstarrungsbeschleunigern eingesetzt.
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Im Gegensatz zu anderen Betonverflüssigern, z.B. solchen auf Basis
von Ligninsulfonaten, behindern sie nicht die Wirkung von Erstarrungsbeschleunigern
gemäß der Lehre der DE-OS 33 06 448: im Gegenteil, sie bilden mit diesen Erstarrungsbeschleunigern
ein synergistisches System, das außerordentlich kurze Erstarrungszeiten und eine
sehr gut Festigkeitsentwicklung des Spritzbetons bewirkt.
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Die Zusatzmenge der Betonverflüssiger liegt in der gleichen Größenordnung
wie bei den bekannten Systemen. Im allgemeinen genügen Mengen zwischen 0,2 und 3,0
Gew.-%, bezogen auf den Bindemittelanteil des Spritzbetons.
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Die in der Praxis einzusetzenden Mengen des Betonverflüssigers hängen
u.a. von dem W/Z-Verhältnis des Naßgemische
dessen Zusammensetzung
und den eingesetzten Verbindungen ab. Die optimale Menge muß deshalb in Vorversuchen
ermittelt werden.
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Die erfindungsgemäß eingesetzten Betonerstarrungsbeschleuniger sind
in ihrem grundsätzlichen Aufbau in der DE-OS 33 06 448 beschrieben. Auf dieses Schutzrecht
wird hiermit besonders verwiesen. Es handelt sich bei den erfindungsgemäß eingesetzten
Substanzen um konzentrierte alkalische Lösungen von Kaliumcarbonat und Kaliumalumina
in Wasser mit überschüssigem KOH-Gehalt. Der Kaliumcarbonat- und KOH-Gehalt kann
jedoch höher als dort angegeben sein; das molare Verhältnis des nicht als Kaliumcarbonat
gebundenen K20 : Al203 kann zwischen 1,1 und 1,6 liegen und der Gehalt anYaliumcarbonat
kann zwische 0,1 und 6 Mol% betragen. Außerdem kann die Verdünnung größer sein und
das molare Verhältnis H2O : Al2O3 zwischen 9,5 und 30 betragen. Erfindungsgemäß
werden sie jedoch nicht, wie in der DE-OS 33 06 448 beschrieben, dem Anmachwasser
zugesetzt, sondern dem Naßgemisch. Ihr Anteil in dem Spritzbeton kann etwas größer
sein als in der genannten DE-OS angegeben. Er liegt im allgemeinen zwischen 2,0
und 5,0 Gew.-%, bezogen auf den Bindemittel anteil in dem Spritzbeton. Die optimale
Wirkung ist u.a.
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von der Art und Menge des eingesetzten Betonverflüssigers sowie von
den rheologischen Eigenschaften des jeweiligen Naßgemisches abhängig.
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Die erfindungsgemäßen Zusatzmittel werden dem Frischbeton vorzugsweise
direkt auf der Baustelle zugegeben. Der Zusatz erfolgt dabei zweckmäßigerweise direkt
vor dem Verspritzen mittels an sich bekannter, geeigneter Zuführvorrichtungen. Dabei
werden die Betonverflüssigungsmittel möglichst unmittelbar vor dem Einleiten des
Frischbetons in das Dichtstromförderungssystem einge-
mischt, während
die Betonerstarrungsbeschleuniger erst am Ende des Dichtstromförderungssystems,
vorzugsweise vor oder innerhalb der Spritzdüse, zugeführt werden.
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Als wasserlösliche Alkalisilikate werden die an sich bekannten Natrium-
und Kaliumsilikate eingesetzt, die auch als Natron- oder Kaliwassergläser bekannt
sind. Der Zusatz dieser Produkte kann sowohl zusammen mit den Betonverflüssigern
als auch vor oder nach der Zugabe der Erstarrungsbeschleunigern erfolgen. Die zuerst
genannte Va riante ermöglicht auf einfache Weise eine homogene Verteilung dieser
Stoffe. Bei gleichzeitiger Zugabe von Betonverflüssiger und Alkalisilikat ist jedoch
die synergistische Wirkung mit dem Erstarrungsbeschleuniger geringer als bei der
Zugabe der Silikate in den Dünnstrom.
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Bei Zugabe zum Dünnstrom entfaltet das Alkalisilikat sei ne höchste
Wirksamkeit. Dabei muß aber sichergestellt sein, daß die relativ geringe Menge genau
dosiert und im Dünnstrom gut verteilt vorliegt. Anstelle von Alkalisili kat kann
auch die oben genannte hochdisperse Kieselsäure (SiO2) zudosiert werden.
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Das Einmischen der erfindungsgemäßen Komponenten in den Dünnstrom
erfolgt durch an sich bekannte Maßnahmen, wie z.B. Eindüsen oder Zerstäuben, mittels
bekannter Vorrich tungen.
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Beispiele: Es wurde Frischmörtel aus drei Teilen Normsand entsprechend
DIN 1164, Teil 7, und einem Teil handelsüblichem Portlandzement PZ-35F mit einem
Wasser-Zementwert von W/Z = 0,52 zubereitet. Alle Komponenten hatten Raumtemperatur
(etwa 21 0C) oder waren auf etwa 100C vorgekühlt.
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Bei diesen Temperaturen wurden die Frischmörtel jeweils 30 Minuten
vorgelagert. Dann wurden in jeweils gleichen
Probemengen die in
Tabelle 1 und Tabelle 2 genannten Additive nach Ablauf der dort genannten Zeiten
eingemischt.
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Die Prüfung des Erstarrungsverlaufes erfolgte mittels eines Konus
nach DIN 1168 mit einer Prüflast von 270 g, wobei im Minutenabstand die abnehmende
Eindringtiefe registriert wurde. Diese Eindringtiefe, die ein Maß für die Abbindegeschwindigkeit
ist, wird in der Tabelle 1 als Konuseindringtiefe bezeichnet. Weiterhin steht in
der Tabelle 1 A für einen Betonverflüssiger auf der Basis von Naphthalinsulfonsäure-Formaldehyd-Kondensat
als 40%ige Lösung. Dosierung: 0,5 Gew.-%, bezogen auf den Zement B für Alkalisilikatlösung
als 35%ige Lösung, eingesetzt mit 1,0 Gew.-%, bezogen auf den Zementgehalt, und
C für einen Betonerstarrungsbeschleuniger aus Kaliumaluminat, Kaliumhydroxyd und
Kaliumcarbonat entsprechend der Lehre der DE-OS 33 06 448 in etwa 50%-iger Lösung
und einer Dosierung von 3,0 Gew.-%, bezogen auf den Zement.
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In der letzten Spalte der Tabelle 1 sind Ausbreitmaße a15 von Frischbetonen
aufgeführt. Verglichen werden 0-Betone (Beispiel 1 und 4) mit Frischbetonen, denen
30 Minuten nach ihrer Zubereitung die erfindungsgemäßen Zusatzmittel A und B einzeln
und kombiniert beigemischt wurden. Die Messungen fanden bei den in der Tabelle 1
angegebenen Temperaturen statt. Die größeren Ausbreitmaße sind ein Hinweis auf die
bessere Verarbeitbarkeit der Frischbetone.
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Der stoffliche Aufbau der Prufbetone entsprach den "ßichtlinien für
die Zuteilung von Präfzeichen für Betonzusatzmittel (Prüfrichtlinien), Fassung Februar
1984."
Tabelle 1
| Ausbreitmaß |
| Beispiel T Additivzugabe Konuseindringteife [mm] a15 |
| Nr. [°C] nach 30' nach 45' 1 2 3 4 5 6 15 |
| [min] [min] [min] [min] [min] [min] [cm] |
| 1 10 - C > 40 20 14 8 8 4 43,4 |
| 2 10 A C 35 16 14 9 9 8 52,2 |
| 3 10 A+B C 31 18 8 6 3 1 47,2 |
| 4 20 - C 24 12 7 5 5 2 44,2 |
| 5 20 A C 22 11 8 6 5 2 56,6 |
| 6 20 A+B C 20 8 6 3 2 0 49,2 |
| 7 20 B C 15 8 3 3 1 0 42,8 |
| 8 20 A C+B 10 2 0 0 0 0 56,6 |
Die Beispiele 1, 4 und 7 sind Vergleichsbeispiele, die eine nicht
erfindungsgemäße Zusammensetzung hinsichtlich der Zusatzmittel aufweisen. Bei ihnen
ist entweder das Ausbreitmaß a15 zu gering oder zusätzlich noch das Ansteifungsverhalten
ungenügend. Obwohl das Beispiel 7 ein gutes Ansteifungsverhalten zeigt, erfüllt
es mit einem Ausbreitmaß a15 von 42,8 cm nicht die Anforderungen, die an das rheologische
Verhalten eines entsprechenden Frischbetons bei uebergabe an das Dichtstromfördersystem
gestellt werden: gefordert wird in der Regel ein Ausbreitmaß a15 von wenigstens
45 cm. Naßgemische mit einem geringeren Ausbreitmaß a15 sollen in einem Dichtstromfördersystem
nicht eingesetzt werden.
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Die Forderung nach einem ausreichenden Ausbreitmaß a15 von wenigstens
45 cm erfüllen die Gemische der Beispiele 2, 3, 5, 6 und 8. Die Beispiele 3 und
6 zeigen dabei sehr gut die synergistische Wirkung der Zusätze A und B, insbesondere
im Hinblick auf das Ansteifungsverhalten.
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Wie schon oben angeführt, bringt die Dosierung von B nach C im Dünnstrom
den bei weitem stärksten Effekt.
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Nach dem gewählten Prüfverfahren ist aufgrund der äußerst kurzen Erstarrungszeit
ein relevanter Prüfkörper nur schwierig darstellbar. Der technische Einsatz dieser
Dosierungsvariante stellt damit hohe Anforderungen an das Dosierungssystem für B
in der Dünnstromphase beim Spritzbetonieren. Es muß dabei auch sichergestellt sein,
daß das kaum noch plastische Spritzgut beim Auftragen ausreichend verdichtet wird
und der Rückprall in vertretbaren Grenzen bleibt.
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In einer weiteren vergleichenden Prüfung der erfindungsgemäßen Zusatzmittel
entsprechend den Beispielen 4 bis 6 der Tabelle 1 wurde das Erstarrungsverhalten
E der Prüfmörtel mit der Vicat-Nadel (DIN 1164, Teil 5) gemessen.
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Die Naßmörtel waren abweichend von denen der Tabelle 1 mit einem W/Z-Wert
von 0,50 entsprechend DIN 1164, Teil 7, zubereitet. Die Prüfungstemperatur betrug
20 °C wie bei den Beispielen 4 bis 7 der Tabelle 1.
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Mit EB wird der Erstarrungsbeginn und mit EE das Erstarrungsende bezeichnet.
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Tabelle 2
| Nr. T [°C] Additivzugabe EB EE |
| nach 30' nach 45' B |
| 4a 20 - C 1'30'' +'30 " |
| 5a 20 A C 1'15" 3'30'' |
| 6a 20 A+B C 1'15" 3'15" |
Nach gleichem Prüfverfahren wurde schließlich noch das Beispiel 8 der Tabelle 1
variiert in der Weise, daß vom Zusatzmittel Alkalipolysilikat (B) Dosierungen von
0,25; 0,5; 1,0 und 1,5 %, bezogen auf den Portlandzement, angewendet wurden. Dabei
zeigte sich, daß die schon beschriebene spontane Wirkung der Zusatzmittelkombination
bereits bei einer Dosierung von 0,25 % eintrat. Der Effekt war schon in der Mischphase
bei der Aufbereitung der Proben nach 20 bis 40 Sekunden, ab Zugabe von C gerechnet,
zu beobachten.