DE3815703A1

DE3815703A1 - Kautschukhaltige betonmischungen, deren herstellung und verwendung zur herstellung von fluessigkeitsundurchlaessigen betonkonstruktionen

Info

Publication number: DE3815703A1
Application number: DE19883815703
Authority: DE
Inventors: Lutz Dr Ferley; Michael Ferdinand Dr Mueller; Friedrich Groche
Original assignee: Huels AG; Chemische Werke Huels AG
Current assignee: Huels AG
Priority date: 1988-05-07
Filing date: 1988-05-07
Publication date: 1989-11-16

Description

Die Erfindung betrifft Betonmischungen, die pulverförmige, füllstoff haltige Kautschuke enthalten, Verfahren zu ihrer Herstellung sowie die Verwendung derartiger Betonmischungen zur Herstellung von flüssig keitsundurchlässigen Betonkonstruktionen.

Betonmischungen bestehen typischerweise aus Zement, Zuschlägen und Wasser. Von den Betonmischungen, die Zuschläge mit einer Korngröße über 4 mm enthalten, unterscheidet man Mörtelmischungen, bei denen die Zuschläge gleich oder kleiner als 4 mm sind. Schließlich gibt es wei tere wäßrige Mischungen, die an Stelle des Zements ein anderes anor ganisches, hydraulisches Bindemittel wie z. B. Kalk enthalten. Im Rah men der vorliegenden Erfindung sollen alle diese Mischungen verein fachend als "Betonmischungen" bezeichnet werden.

Es ist bekannt, daß man Betonmischungen mit weiteren Zusätzen ver setzen kann, um sowohl den Mischungsvorgang und die Verarbeitung des Frischbetons als auch die Eigenschaften des erhärteten Betons in be stimmter Weise zu beeinflussen. Je nach Menge dieser Zusätze unter scheidet man gemäß DIN 1045 zwischen Betonzusatzmitteln und Betonzu satzstoffen. Erstere stellen Zusätze zum Zement bis zu 5 Massenpro zent, letztere über 5 Massenprozent dar. Die einschlägige Literatur (z. B. Meyer, Beton 9/83, Seiten 321 bis 324) gibt Auskunft über die verschiedenen Zusätze und ihre Einsatzmöglichkeiten.

Auch Polymere können sowohl als Zusatzmittel wie auch als Zusatz stoffe dem Beton zugegeben werden. So ist z. B. bekannt, daß geringe Mengen an fein verteilten Kunstharzen in Betons eine entschäumende Wirkung haben (vgl. DE-OS 16 45 524). Der Zusatz von Vinylchlorid- Ethylen-Copolymeren bewirkt eine verbesserte Haftung, beispielsweise bei der Verlegung von Fliesen (vgl. DE-OS 33 44 242).

Versucht man nun die Eigenschaften des Betons mit denen eines Elasto meren wie z. B. Kautschuk zu kombinieren, besteht ein Weg darin, dem Beton eine Latex-Dispersion hinzuzufügen. Dieser Verfahrensweg ist hinlänglich in der Patentliteratur beschrieben (vgl. GB-PS 21 34 913).

Dabei treten jedoch folgende Nachteile auf: Latex-Dispersionen neigen dazu, bei extremen Temperaturen, etwa unter den Bedingungen des Tauens und Gefrierens, zu koagulieren. Die Zugabe der wäßrigen Dispersionen zum Mörtel ist jeweils erst kurz vor der Verarbeitung möglich. Daher erlangte der Zusatz von Kautschuken in Betons bisher keine größere technische Bedeutung.

Der Baufachmann erwartet erst recht keine Verbesserung der Betonei genschaften, wenn er die Möglichkeit hätte, anstelle von flüssigen Kautschuk-Dispersionen pulverförmigen, füllstoffhaltigen Kautschuk einzusetzen. Dies gilt insbesondere für Ruß als Füllstoff. Darüber hinaus war anzunehmen, daß der Einsatz pulverförmiger, füllstoffhal tiger Kautschuke keine Vorteile gegenüber Kautschuk-Regenerat bieten würde.

Ziel der vorliegenden Erfindung war es, kautschukhaltige Betonmi schungen bereit zu stellen, die diese aufgeführten Nachteile nicht aufweisen und dem ausgehärteten Beton verbesserte Eigenschaften ver leihen. Es wurde jetzt gefunden, daß man als Kautschuk in derartigen Betonmischungen mit Vorteil einen pulverförmigen, füllstoffhaltigen Kautschuk einsetzt. Als Füllstoff eignet sich am besten gefällte Kie selsäure mit folgender Teilchengrößenverteilung der Sekundärteilchen: Das lineare Mittel der Anzahlverteilung liegt zwischen 100 und 20 000 nm; das lineare Mittel der Volumenverteilung zwischen 3 und 30 µm.

Es ist überraschend, daß bei Einsatz eines pulverförmigen, füllstoff haltigen Kautschuks gleichzeitig verschiedene Betoneigenschaften wie Elastizitätsmodul, Bruchdehnung, Flüssigkeitsdurchlässigkeit und Riß bildung günstig beeinflußt werden können.

Mit der Erfindung werden folgende Vorteile erzielt:

1. Das erfindungsgemäße Verfahren gestattet es, eine trockene Vormi schung werkmäßig herzustellen: Dies bedeutet, daß eine exakte Zu sammensetzung der Vormischung sichergestellt ist. Die frostun empfindliche Vormischung ist nahezu unbegrenzt lagerfähig. Das Wasser wird erst unmittelbar vor der Verarbeitung zugesetzt.
2. Die Verwendung von pulverförmigem, füllstoffhaltigem Kautschuk ist besonders praktisch bei der Herstellung von Trockenmischungen für das Trockenspritzbetonverfahren.
3. Die Verwendung pulverförmiger, füllstoffhaltigem Kautschuke ermög licht die Herstellung von Vormischungen mit homogener Kautschuk verteilung.
4. Ein unter Zusatz von pulverförmigem, füllstoffhaltigem Kautschuk hergestellter, ausgehärteter Beton ist gegenüber Wasser und ande ren Lösemitteln nahezu undurchlässig.
5. Der ausgehärtete Beton weist einen geringeren Elastizitätsmodul, eine erhöhte Bruchdehnung und eine geringere Neigung zur Rißbil dung auf.

Im folgenden sollen die Betonmischungen detailliert beschrieben wer den. Sie enthalten neben dem Wasser die trockenen Bestandteile wie anorganische, hydraulische Bindemittel, Zuschläge, pulverförmige, füllstoffhaltige Kautschuke und gegebenenfalls weitere Zusätze.

Als anorganische, hydraulische Bindemittel sind geeignet:

1. insbesondere Zement, vorzugsweise alle in DIN 1164 erwähnten Ze mentsorten wie z. B. Hochofenzement und Portlandzement;
2. ferner Kalk, Gips und entsprechende Übergangsformen wie z. B. Kalkzement.

Als Zuschläge eignen sich alle üblichen Sande und Kiese sowie gebro chenes Korn wie Brechsand, Splitt etc. Die Größe der Zuschläge ist unkritisch und richtet sich im wesentlichen nach dem Einsatzzweck. Der Anteil des Wassers hängt von der jeweiligen Mischung, den Einbau bedingungen und Verdichtungsmöglichkeiten ab; er beträgt im allgemei nen 40 bis 60 Massen-%, bezogen auf den Zement.

Als pulverförmige, füllstoffhaltige Kautschuke eignen sich grundsätz lich alle Kautschuke, die dem Beton als rieselfähiges Pulver zugesetzt werden können und deren Füllstoffe zumindest eine gewisse Verträglich keit mit der trockenen und insbesondere wäßrigen Betonmischung aufwei sen. Bevorzugt werden solche pulverförmigen, rieselfähigen Kautschuke, wie sie z. B. in der DE-OS 28 22 148 und den deutschen Offenlegungs schriften 36 06 743, 36 06 742 und 36 28 120 beschrieben sind. Bezüg lich der Eigenschaften und der Herstellung dieser Kautschuke wird auf den Offenbarungsgehalt der vorstehend genannten Patentliteratur ver wiesen.

Zur Herstellung der füllstoffhaltigen Kautschuke eignen sich Homo- und Mischpolymerisate von konjugierten Dienen, wie sie durch radikalische Polymerisation unter Verwendung von Emulgatoren nach bekannten Verfah ren des Standes der Technik hergestellt werden können (siehe z. B. Houben-Weyl, Methoden der org. Chemie, Band XIV/1 "Herstellung von Kautschuken", Seite 712ff. (1961); Ullmanns Enzyclopädie der Techni schen Chemie, Band 9, 1957, Seiten 325 bis 339 sowie DE-PS 6 79 587, 8 73 747 und 11 30 597). Als konjugierte Diene kommen Butadien-(1,3), Isopren, Piperylen, 2-Chlorbutadien-(1,3), 2,3-Dichlorbutadien-(1,3) und 2,3-Dimethyl-butadien-(1,3) in Frage. Die Mischpolymerisate können sowohl aus Mischungen dieser konjugierten Diene untereinander als auch aus Mischungen dieser konjugierten Diene mit Vinylverbindungen wie z. B. Styrol, alpha-Methylstyrol, Acrylamid, Acrylsäure, Methacrylsäure und Vinylpyridin hergestellt werden. Selbstverständlich ist auch Na turkautschuk geeignet.

Als Füllstoffe eignen sich alle anorganischen Stoffe, die einerseits ohne weiteres in das Kautschukpulver eingearbeitet werden können und die andererseits mit der trockenen und insbesondere wäßrigen Betonmi schung verträglich sind.

Vorzugsweise verwendet man Kieselsäure. Diese wird insbesondere durch Fällung von Wasserglas erhalten und deshalb kurz als gefällte Kiesel säure bezeichnet. Die Oberfläche der Primärteilchen liegt insbesondere zwischen 40 und 250 m³/g, gemessen nach BET (vgl. J. Am. Chem. Soc. 60, 309 (1938). Die Sekundärteilchen weisen ein lineares Mittel der Anzahlverteilung von 100 bis 2000 nm und ein lineares Mittel der Vo lumenverteilung von 3 bis 30 µm auf.

Auf 100 Gewichtsteile Kautschuk kommen 20 bis 200, insbesondere 3 bis 150 Gewichtsteile Füllstoffe.

Auf 100 Gewichtsteile Zement kommen 3 bis 40, insbesondere 6 bis 20 Gewichtsteile pulverförmiger, füllstoffhaltiger Kautschuk.

Das einfachste Verfahren zur Herstellung der Betonmischungen besteht darin, die Komponenten in üblicher Weise zu mischen. Aus praktischen Gründen ist es vorteilhaft, eine trockene Vormischung herzustellen und das Wasser erst unmittelbar vor der Verarbeitung zuzusetzen. Selbst verständlich müssen die Mischungskomponenten in diesem Fall wasserfrei sein. Es ist auch möglich, eine Vormischung aus einem Teil der trock enen Ausgangskomponenten herzustellen.

Die vorstehend beschriebenen Betonmischungen können beispielsweise zur Herstellung von flüssigkeitsundurchlässigen Betonkonstruktionen ver wendet werden. Ein bevorzugter Einsatzbereich ist die Herstellung von Auffangräumen zur sicheren Lagerung von Flüssigkeiten. Sie dienen als Auffangbecken für Flüssigkeiten für den Fall, daß der eigentliche Flüssigkeitsbehälter aus irgendwelchen Gründen undicht werden sollte. Es konnte gezeigt werden, daß der unter Zusatz von pulverförmigem Kau tschuk hergestellte Beton einer Schichtdicke von 6 cm über einen Zeit raum von 30 Stunden gegenüber leichtflüchtigen Chlorkohlenwasserstof fen wie Methylenchlorid dicht ist.

Die durch Zusatz des pulverförmigen Kautschuks bedingte Verbesserung wirkt sich bei lufttrockenem Beton besonders stark aus und eröffnet dieser speziellen Betonart besondere Einsatzgebiete z. B. für den Bau von Auffangräumen für wassergefährdende Flüssigkeiten oder im Tunnel bau, bei der das Betongewölbe trotz verschiedener Bewegungen noch standsicher und wasserdicht bleiben soll.

Beispiel 1 und Vergleichsbeispiele A und B

Entsprechend den Angaben in der nachfolgenden Tabelle wurden quader förmige Betonprüfkörper durch Mischen der Ausgangskomponenten herge stellt.

Tabelle 1

Zusammensetzung der Betonprüfkörper (Angaben in Massen teilen)

Vor ihrem Einsatz wurden die Prüfkörper 3 Tage bei 20°C und 100% re lativer Luftfeuchtigkeit und 30 Tage bei 20°C und 50% relativer Luftfeuchtigkeit gelagert.

Anschließend wurden von einer Seite des Quaders zwei gegeneinander versetzte horizontale Bohrungen angebracht. Die Lage ist den Abbil dungen 3a und 3b zu entnehmen. Die Bohrlöcher wurden mit einem Septum verschlossen. Die Seitenwände des Quaders mit Ausnahme der Bohrlöcher wurden mit einer Metallfolie abgedichtet. Dann wurde die Mulde mit Methylenchlorid gefüllt und mit einer Glasplatte versiegelt. Aus den Bohrlöchern wurden in zeitlichem Abstand Gasproben entnommen und gas chromatographisch auf ihren Gehalt an Methylenchlorid analysiert. Mit dem Eindringen des Lösemittels in den Beton stieg die Konzentra tion an Methylenchlorid in den Gasproben an.

Die Abb. 1 und 2 zeigen das Meßergebnis von drei Probekörpern. In den Abbildungen ist die Konzentration Cd (Verhältniswert der gemes senen Konzentration an Methylenchlorid zu Sättigungskonzentration der Atmosphäre) gegen die Meßzeit, die mit dem Befüllen der Mulde beginnt, aufgetragen. Die Abb. 1 zeigt die Meßwerte eines 3 cm unter der Muldenkante liegenden Bohrloches, in der Abb. 2 sind die Meßwerte eines 6 cm unter der Muldenunterkante liegenden Bohrloches darge stellt. Die Konzentration Cd ist somit ein Indiz für das Eindringen des Lösemittels in den Beton.

Beispiele 2 und 3

Analog zu Beispiel 1 wurden Betonprüfkörper der nachfolgenden Zusam mensetzung hergestellt.

Tabelle 2

Zusammensetzung der Betonprüfkörper (Angaben in kg pro m³ verdichtetem Beton)

Tabelle 3

Eigenschaften der Betonprüfkörper

Tabelle 4

Zusammensetzung der Betonprüfkörper (Angaben in kg pro m³ verdichtetem Beton

Tabelle 5

Eigenschaften der Betonprüfkörper

Die linearen Schwind- und Quellmaße wurden an Balken 60×100×800 mm durch Präzisionslängenmessung (Skalenteilung: 1/100 mm) ermittelt. An den gleichen Balken wurde bei Stützweite=600 mm und stetig steigen der Belastung in Feldmitte die Biegefestigkeit und anhand der Formän derung (Durchbiegung in Feldmitte) der E-Modul und die Bruchdehnung ermittelt.

Die Meßergebnisse zeigen, daß konventionelle Zusätze wie Elektrofil terasche oder Silica-Staub nur eine geringfügige Verbesserung bewir ken; der mit pulverförmigem Kautschuk versetzte Beton weist dagegen eine deutlich verringerte Durchlässigkeit auf.

Claims

1. Kautschukhaltige Betonmischungen auf Basis von anorganischen, hy draulischen Bindemitteln, Zuschlägen und Wasser, dadurch gekennzeichnet, daß sie als Kautschukkomponente einen pulverförmigen, füllstoffhal tigen Kautschuk enthalten.

2. Betonmischungen gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das anorganische, hydraulische Bindemittel Zement ist.

3. Betonmischungen gemäß Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Füllstoff des Kautschuks gefällte Kieselsäure ist.

4. Betonmischungen gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die gefällte Kieselsäure ein lineares Mittel der Anzahlvertei lung der Sekundärteilchen zwischen 100 und 2000 nm und ein line ares Mittel der Volumenverteilung der Sekundärteilchen von 3 bis 30 µm aufweist und die Oberfläche der Primärteilchen nach BET 40 bis 250 m³/g beträgt.

5. Betonmischungen nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der füllstoffhaltige Kautschuk - bezogen auf 100 Gewichtsteile des Polymeren - 20 bis 200, vorzugsweise 30 bis 150 Gewichtsteile Füllstoffe enthält.

6. Betonmischungen nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischung - bezogen auf 100 Gewichtsteile Zement - 3 bis 40, vorzugsweise 6 bis 20, Gewichtsteile pulverförmigen, füllstoffhal tigen Kautschuk enthält.

7. Verfahren zur Herstellung der Betonmischungen gemäß den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß man alle Bestandteile unmittelbar vor der Verarbeitung mitein ander vermischt.

8. Verfahren zur Herstellung der Betonmischungen gemäß den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß man zunächst die trockenen Bestandteile zu einer Vormischung vermischt und erst unmittelbar vor der Verarbeitung Wasser zu setzt.

9. Verwendung der Betonmischungen gemäß den Ansprüchen 1 bis 8 zur Herstellung von lösungsmittelundurchlässigen Auffangtassen.