DE69022194T2

DE69022194T2 - Polymerbetonzusammensetzung für Reparatur und Beschichtung von Zementbetonstrassen auf nassen und trockenen Oberflächen.

Info

Publication number: DE69022194T2
Application number: DE69022194T
Authority: DE
Inventors: Kathy Beth Sellstrom; Harold George Waddill
Original assignee: Huntsman Corp
Current assignee: Huntsman Corp
Priority date: 1989-12-20
Filing date: 1990-11-16
Publication date: 1996-02-01
Anticipated expiration: 2010-11-17
Also published as: DE69022194D1; EP0434214B1; EP0434214A3; CA2032694A1; US5049411A; EP0434214A2; JPH04110343A

Description

Diese Erfindung betrifft eine Zusammensetzung und ein Verfahren zur Reparatur oder Oberflächenerneuerung van Zementbetonstraßen. Das Verfahren umfaßt das Aufbringen einer Epoxyharzbinder-Zuschlagstoff-Zusammensetzung.
Epoxyharze stellen eine breite Klasse polymerer Materialien mit einem breiten Bereich physikalischer Eigenschaften dar. Die Harze umfassen Epoxidgruppen und werden ausgehärtet durch Reaktion mit Katalysatoren oder Härtungsmitteln, um ausgehärtete Zusammensetzungen mit bestimmten wünschenswerten Eigenschaften bereitzustellen.
US-A-4828879 beschreibt ein Polymerbetonsystem, das nützlich ist bei der Straßenbeschichtung und Reparatur, unter Verwendung eines Epoxyharzes, das mit Triethylenglykoldiamin oder Tetraethylenglykoldiamin vermischt ist.
US-A-4487806 beschreibt eine dekorative Epoxyharz-Zuschlagstof f-Binder-Zusammensetzung. Die Zusammensetzung umfaßt ein vicinales Polyepoxid, eine stöchiometrische Menge Polyoxypropylenglykoldiamin-Härtungsmittel, Nicht-Phenyl- und m-Xylylendiamin. Die Zusammensetzung kann verwendet werden, um Zuschlagstoff an Zementoberflächen, wie etwa Terrassen und Auffahrten von Wohnhäusern, zu binden. Die Zusammensetzung ist eine klare Beschichtung, die für Außeneinsatz gedacht ist, für die angegeben ist, daß sie bei Einwirkung von Sonnenlicht nicht gelb wird. US-A-4487805 beschreibt eine dekorative Epoxyharzbinder-Zuschlagstoff-Zusammensetzung. Die Zusammen- Setzung umfaßt ein vicinales Polyepoxid, eine stöchiometrische Menge Polyoxypropylenglykoldiamin-Härtungsmittel, Nonylphenol, N-Aminoethylpiperazin und ein Absorptionsmittel für ultraviolettes Licht auf der Basis eines substituierten Benzotriazols. Die Zusammensetzung wird verwendet, um Zuschlagstoff an große Zementoberflächen, wie etwa Terrassen und Auffahrten für Wohnhäuser, zu binden. Von der Zusammensetzung wird angegeben, daß sie über die Zeit bei Einwirkung von Sonnenlicht nicht gelb wird.
US-A-3496138 beschreibt aushärtbare Epoxyharzzusammensetzungen, die das Reaktionsprodukt eines Diepoxids mit einem Diamin einschließen, wie etwa den Diaminen von Ethylenglykol, Diethylenglykol, Poly(ethylenglykol), Propylenglykol und Butylenglykol. Diese Zusammensetzungen wurden als Klebstoffe und als Beschichtungen verwendet.
US-A-3236895 und -3462393 sind Pionier-Patente, die eine Reihe von Aminverbindungen beschreiben, die Feststoffe oder Flüssigkeiten sind und Verwendbarkeit insbesondere bei der Aushärtung von Epoxyharzen besitzen. Die Aminverbindungen haben die allgemeine Formel:
worin Rs selektiv definiert sind als Wasserstoff, Alkylreste und Alkylenoxidreste und x und m definierte Zahlen sind.
US-A-3875072 beschreibt einen Beschleuniger für die Aushärtung von Epoxyharzen, der Piperazin und ein Alkanolamin in einem Gewichtsverhältnis von 1:8 bis 1:1 umfaßt. Eine Anzahl von Alkanolaminen werden gelehrt, wobei Triethanolamin bevorzugt ist. US-A-4189564 beschreibt einen Beschleuniger, der Piperazin, N-Aminoethylpiperazin und ein Alkanolamin umfaßt. Von den Beschleunigern wird gesagt, daß sie synergistisch darin sind, die Aushärtung eines Polyglycidylethers eines mehrwertigen Phenols zu beschleunigen, der mit einem Polyoxyalkylenpolyamin bei Umgebungs- oder erhöhten Temperaturen ausgehärtet wird. Solche Amine schließen Polyoxypropylendiamine der Formel ein:
worin x 2 bis 40 ist.
Decorative Aggregate Studies I-IV (Texaco Chemical Company; TSB-1195, -1196, -1198 und -1199) beschreiben die Formulierung von witterungsbeständigen Epoxysystemen zur Bindung dekorativen Zuschlagstoffes an Beton.
Gupta, Kar und Mani, "Effect of Binder Content and Coupling Agents on Mechanical Properties of Epoxy-Aggregate Composites", Journal of Reinforced Plastics and Composites, Vol. 1 (Oktober 1982), S. 370-377, diskutiert die Wirkung von Binder:Füllstoff-Verhältnissen und die Verwendung von Silan-Kopplungsmitteln in einem mit Zuschlagstoff gefüllten Epoxysystem, das mit einem Polyamidharz ausgehärtet wird.
Es besteht ein Bedürfnis nach einem Epoxypolymerbetonsystem, das sowohl an glatten als auch an rauhen Zementsubstanzen anhaften wird, unabhängig davon, ob das Substrat naß oder trokken ist, wenn das Epoxypolymerbetonsystem aufgebracht wird.
Diese Erfindung stellt ein Verfahren zur Reparatur eines Defektes in einer Zementstraße durch Aufbringen einer Zusammensetzung auf den Defekt bereit, die Zuschlagstoff und einen Binder umfaßt, der:
(1) ein vicinales Polyepoxid mit einem Mittelwert von wenigstens 1,8 reaktiven 1,2-Epoxygruppen pro Mole-
(2) ein Härtungsmittel; und
(3) einen Beschleuniger;
umfaßt, in dem das Härtungsmittel (i) Triethylenglykoldiamin und/oder Tetraethylenglykoldiamin und (ii) ein Polyoxypropylendiamin umfaßt.
Diese Erfindung stellt auch die oben definierte Zusammensetzung bereit.
Epoxyharzsysteme sind wegen ihrer einzigartigen Fähigkeit, sich gut mit Portlandzementbeton zu binden, verwendet worden, um Straßen zu reparieren oder deren Oberfläche zu erneuern. Es ist jedoch entdeckt worden, daß Systeme, die entweder Polyethylenglykoldiamine oder Polyoxypropylendiamine verwenden, sich nicht konsistent gut an nasse Zementoberflächen binden. Wir haben ein Epoxyharz-Zuschlagstoff-System erfunden, das diesen Mangel überwindet.
Die Binderformulierung gemäß dieser Erfindung hat viele der Vorteile des Systems, das in US-A-4828879 offenbart ist. Wie die Daten in dieser Anmeldung zeigen werden, stellt die Kombination von Polyethylengiykoidiamin und Polyoxypropylendiamin als Härtungsmittel überlegenes Anhaften sowohl an trockenen als auch an nassen Zementsubstraten bereit, wobei das Substrat entweder rauh oder relativ glatt sein kann. Die Daten zeigen, daß, in einem Schertest, die Bindung zwischen dem Zementsubstrat und dem Epoxysystem gemäß der Erfindung fester als die Zementoberfläche ist. Wenn daher Zement/Beschichtung, hergestellt gemäß dieser Erfindung, mit einer Scherkraft beaufschlagt wird, wird die Zementoberfläche zuerst brechen. Dies stellt einen nützlichen Vorteil bereit, da die Beschichtung keinen Schwachpunkt für weiteres Brechen liefern wird und die reparierte Zementoberfläche fester als das Original sein wird.
Die Erfindung ist nützlich bei der Herstellung von mit Zuschlagstoff gefüllten Systemen für Straßen- und Brückenreparatur, wie etwa Brückendeckenbeschichtungen.
Allgemein sind die vicinales Epoxid enthaltenden Zusammensetzungen, die mit den Produkten der Erfindung ausgehärtet werden können, organische Materialien mit einem Mittelwert von wenigstens 1,8 reaktiven 1,2-Epoxygruppen pro Molekül. Diese Polyepoxidmaterialien können monomer oder polymer, gesättigt oder ungesättigt, aliphatisch oder cycloaliphatisch, aromatisch oder heterocyclisch sein und können, falls gewünscht, neben den Epoxygruppen mit anderen Substituenten substituiert sein, z.B. Hydroxylgruppen, Etherresten, Aromaten und Halogenatomen. Diese vicinales Polyepoxid enthaltenden Verbindungen besitzen typischerweise ein Epoxy-Äquivalentgewicht von 150 bis 250. Das bevorzugte Polyepoxid, das ein Epoxid-Äquivalentgewicht von 175 bis 195 besitzt, wird gewonnen aus der Kondensation von Epichlorhydrin mit 2,2-Bis(p-hydroxyphenyl)propan (Bisphenol A), um 2,2-Bis[(p-2,3-epoxypropoxy)phenyl]propan zu bilden.
Bevorzugte Polyepoxide sind diejenigen von Glycidylethern, die hergestellt werden durch Epoxidation der entsprechenden Allylether oder Reaktion, mit bekannten Verfahren, eines molaren Überschusses Epichlorhydrin und einer aromatischen Polyhydroxyverbindung, z.B. lsopropylidenbisphenol, einem Novolac oder Resorcin. Die Epoxyderivate von Methylen- oder Isopropylidenbisphenolen sind besonders bevorzugt.
Eine in breitem Umfang verwendete Klasse von Polyepoxiden, die gemäß der vorliegenden Erfindung brauchbar sind, schließt die harzartigen Epoxypolyether ein, die erhalten werden durch Reaktion eines Epihalohydrins, wie etwa Epichlorhydrin, mit entweder einem mehrwertigen Phenol oder einem mehrwertigen Alkohol. Typischerweise haben die Epoxyharze einen Mittelwert von wenigstens 1,8 reaktiven 1,2-Epoxygruppen pro Molekül. Eine veranschaulichende, aber keinesfalls erschöpfende Liste geeigneter zweiwertiger Phenole schließt 4,4-Isopropylidenbisphenol, 2,4'-Dihydroxydiphenylethylmethan, 3,3'-Dihydroxydiphenyldiethylmethan, 3,4'-Dihydroxydiphenylmethylpropylmethan, 2,3'-Dihydroxydiphenylethylphenylmethan, 4,4'-Dihydroxydiphenylpropylphenylmethan, 4,4'-Dihydroxydiphenylbutylphenylmethan, 2,2'-Dihydroxydiphenylditolylmethan oder 4,4'-Dihydroxydiphenyltolylmethylmethan ein. Andere mehrwertige Phenole, die ebenfalls zusammen mit einem Epihalohydrin zur Reaktion gebracht werden können, um diese Epoxypolyether zu liefern, sind solche Verbindungen wie Resorcin, Hydrochinon oder substituierte Hydrochinone, z.B. Methylhydrochinon.
Unter mehrwertigen Alkoholen, die zusammen mit einem Epihalohydrin umgesetzt werden können, um diese harzartigen Epoxypolyether zu liefern, sind solche Verbindungen wie Ethylenglykol, Propylenglykole, Butylenglykole, Pentandiole, Bis(4-hydroxycyclohexyl) dimethylmethan, 1,4-Dimethylolbenzol, Glycerin, 1,2,6-Hexantriol, Trimethylolpropan, Mannit, Sorbit, Erythrit, Pentaerythrit, deren Dimere, Trimere und höheren Polymere, z.B. Polyethylenglykole, Polypropylenglykole, Triglycerin oder Dipentaerythrit, Polyallylalkohol, mehrwertige Thioether, wie etwa 2,2'-3,3'-Tetrahydroxydipropylsulfid, Mercaptoalkohole, wie etwa Monothioglycerin oder Dithioglycerin, Teilester mehrwertiger Alkohole, wie etwa Monostearin oder Pentaerythritmonoacetat, und halogenierte mehrwertige Alkohole, wie etwa die Monochlorhydrine von Glycerin, Sorbit oder Pentaerythrit.
Eine andere Klasse polymerer Polyepoxide, die ausgehärtet werden können, um den Polymerbeton der vorliegenden Erfindung zu bilden, schließt die Epoxy-Novolac-Harze ein, die erhalten werden durch Reaktion, vorzugsweise in der Gegenwart eines basischen Katalysators, z.B. Natrium- oder Kaliumhydroxid, eines Epihalohydrins, wie etwa Epichlorhydrin, mit dem harzartigen Kondensat eines Aldehyds, z.B. Formaldehyd, und entweder eines einwertigen Phenols, z.B. Phenol selbst, oder eines mehrwertigen Phenols. Weitere Details, betreffend die Natur und Herstellung dieser Epoxy-Novolac-Harze, können erhalten werden aus Lee, H. und Neville, K., Handbook of Epoxy Resins, McGraw Hill Book Co., New York, 1967.
Eine Kombination von zwei allgemeinen Typen von Amin-Härtungsmitteln für Epoxyverbindungen ist erforderlich für diese Erfindung. Der erste Typ umfaßt Triethylenglykoldiamine und Tetraethylenglykoldiamine. Diese Materialien werden vertrieben als JEFFAMINE EDR-148 Triethylenglykoldiamin und JEFFAMINE EDR-192 Tetraethylenglykoldiamin von Texaco Chemical Company.
Der zweite Typ von Amin-Härtungsmittel umfaßt Polyoxypropylendiamine und kann dargestellt werden durch die allgemeine Formel:
worin x 2 bis 33 ist. Spezifischer sind die folgenden kommerziellen Produkte von Texaco Chemical Company erhältlich.
x = 2,6
JEFFAMINE D-230 Polyoxypropylendiamin
x = 5,6
JEFFAMINE D-400 Polyoxypropylendiamin
x = 33,1
JEFFAMINE D-2000 Polyoxypropylendiamin
Einzelne Mehrfachprodukte aus beiden Typen von Amin-Härtungsmitteln können für die Zwecke dieser Erfindung kombiniert werden.
Jeder Beschleuniger, der den Fachleuten auf diesem Gebiet bekannt ist, kann in dieser Erfindung brauchbar sein, wenn er die Eigenschaften des Systems nicht beeinträchtigt. Ein besonders bevorzugter Beschleuniger wird bezeichnet als Accelerator 399. Accelerator 399 ist eine Mischung aus Piperazin und 5 bis 10% N-Aminoethylpiperazin in Triethanolamin. Er ist beschrieben in US-A-4189564.
Wegen der relativen Kosten ist es wünschenswert, die Menge an Binder in jeder Zusammensetzung zu minimieren. Um dieses Ziel zu erreichen und gleichzeitig ein Produkt mit annehmbarer Qualität beizubehalten, muß die Zuschlagstoff-Kombination so gewählt werden, daß sie das kleinste Lückenvolumen liefert. Die Zuschlagstoff-Formulierung, die im Beispiel verwendet wird, beruht auf den Ergebnissen der Veröffentlichung Odtimization of Polvmer Concrete for Flame Spread SDecimens, von Troy Madeley, Technical Memorandum No. 2, University of Texas, Austin, Texas, Juli 1984. Diese Veröffentlichung berichtet, daß eine Kombination aus 60 Gew.-% 3/8 Inch (9,5 mm) Kies, 30 Gew.-% Sand und 10 Gew.-% Feinmaterial ein niedriges Lückenvolumen lieferte. Als ein Ergebnis war der Zuschlagstoff, der bei der vorliegenden Arbeit verwendet wurde, 60 Gew.-% 3/8 Inch (9,5 mm) Kies, 30 Gew.-% Sand und 10 Gew.-% Flugasche.
Das Zuschlagstoff-Binder-Verhältnis wurde so eingestellt, daß es das am besten verarbeitbare System ergab. Verhältnisse von 7:1 bis 12:1 wurden ausprobiert. Es wurde festgestellt, daß für einen Zuschlagstoff, der auf 3/8 Inch (9,5 mm) Kies beruhte, das optimale Gewichtsverhältnis von Zuschlagstoff-Binder 11:1 betrug. Für einen Zuschlagstoff, der Erbsenkies umfaßte, wurde ein Verhältnis von 8,5:1 als am besten verarbeitbar bestimmt. Zusammensetzungen, die mehr Zuschlagstoff umfassen, d.h. mehr als 12:1, wurden als nicht-verarbeitbar beurteilt. Zusammensetzungen, die weniger Zuschlagstoff als ein Verhältnis von 7:1 umfaßten, wurden als nicht kosteneffektiv beurteilt.
Diese Erfindung wird anhand von Beispielen dargestellt.

BEISPIEL 1

Eigenschaften von füllstoffreiem Bindersystem.
Formulierung.pbw
flüssiges Epoxyharz (EEW 188) 100
JEFFAMINE D-230 10,3
JEFFAMINE EDR-148 15,3
Accelerator 399 5

Eigenschaften von ausgehärtetem 1/8 Inch (9,5 mm) Gußteil, ausaehärtet 7 Tage 25ºC

Shore D-Härte, 0-10 sec 80-72
Schlagbiegefestigkeit nach Izod, ft-lb/in (J/m) 0,16 (8,54)
HDT, ºC, 264 psi Belastung (1,82 MPa) 45
Zugfestigkeit, psi (MPa) 9600 (66,2)
Dehngrenze, psi (MPa) 469000 (3234)
Verlängerung nach dem Bruch, % 4,5
Biegefestigkeit, psi (MPa) 14800 (102)
Biegemodul, psi (MPA) 502000 (3461)
% Gew. Zuwachs, 24 Std. Kochen in Wasser 4,0

BEISPIEL 2

Mechanische Eigenschaften von Polymerbeton (PC) -Formulierungen Binderformulierung pbw flüssiges Epoxyharz (EEW 188) JEFFANINE D-230 JEFFAMINE EDR-148 Accelerator 399

Zuschlagstoffgemisch

3/8 Inch (9,5 mm) Kies 60%
Grobsand 30%
Flugasche 10%
Füllstoff:Binder-Verhältnis 11:1 11:1 11:1
Druckfestigkeit, psi (MPa)
nach 3 Std. bei 70ºF (21ºC) - 10000(69) 12600(87)
nach 6 Std. bei 70ºF (21ºC) 1800(12) 12300(85) 13200(91)
nach 12 Std. bei 70ºF (21ºC) 8500(59) 13100(90) 13800(95)
nach 24 Std. bei 70ºF (21ºC) 12200(84) 13300(92) 14200(98)
Kompressionsmodul, psi (MPa)
bei 70ºF (21ºC) 3980000 4170000 4510000 (27442) (28752) (31096) Binderformulierung pbw Biegefestigkeit, psi (MPa) bei 70ºF (21ºC) Biegemodul, psi (MPA) bei 70ºF (21ºC) Thermischer Ausdehnungskoeffizient,

BEISPIEL 3

Scherbindungsfestigkeit zwischen Polymerbeton und Portlandzementbeton
Dünne Beschichtungen aus Polymerbeton wurden auf Blöcke von ausgehärtetem Portlandzementbeton aufgebracht. Die Portlandzementbetonblöcke hatten entweder glatte Oberflächen oder rauhe Oberflächen und waren entweder trocken oder gesättigt mit Wasser. Scherkraft wurde aufgewendet, bis entweder die Bindung zwischen dem Polymerbeton versagte oder das Portlandbetonsubstrat versagte. Beschichtungsmaterial Oberflächentextur Feuchtigkeitsniveau Scherbindungsfestigkeit, psi (MPa) ungefähre % Versagen im Portlandzementbeton trocken naß
Die obigen Ergebnisse zeigen, daß mit PC-3 die Bindung zwischen dem Portlandzementbeton und der Epoxybetonbeschichtung stärker war als der Portlandzementbeton unter allen Bedingungen.

Claims

1. Ein Verfahren zur Reparatur eines Defektes in einer Zementstraße durch Aufbringen einer Zusammensetzung auf den Defekt, die Zuschlagstoff und einen Binder umfaßt, der

(1) ein vicinales Polyepoxid mit einem Mittelwert von wenigstens 1,8 reaktiven 1,2-Epoxygruppen pro Mole-

(2) ein Härtungsmittel; und

(3) einen Beschleuniger;

umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß das Härtungsmittel (i) Triethylenglykoldiamin und/oder Tetraethylenglykoldiamin und (ii) ein Polyoxypropylendiamin umfaßt.

2. Ein Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zuschlagstoff Kies, Sand und Flugasche umfaßt.

3. Ein Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Zuschlagstoff:Binder-Gewichtsverhältnis 7:1 bis 12:1 beträgt.

4. Ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Polyoxypropylendiamin die Formel besitzt

worin x 2 bis 33 ist.

5. Ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Beschleuniger eine Kombination aus Piperazin und N-Aminoethylpiperazin umfaßt.

6. Eine Zusammensetzung, die Zuschlagstoff und einen Binder umf aßt, der

(1) ein vicinales Polyepoxid mit einem Mittelwert von wenigstens 1,8 reaktiven 1,2-Epoxygruppen pro Molekül;

(2) ein Härtungsmittel; und

(3) einen Beschleuniger;

7. Eine Zusammensetzung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Zuschlagstoff Kies, Sand und Flugasche umfaßt.

8. Eine Zusammensetzung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Zuschlagstoff: Binder-Gewichtsverhältnis 7:1 bis 12:1 beträgt.

9. Eine Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 6 bis 8,

dadurch gekennzeichnet, daß das Polyoxypropylendiamin die Formel besitzt:

worin x 2 bis 33 ist.

10. Eine Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Beschleuniger eine Kombination aus Piperazin und N-Aminoethylpiperazin umfaßt.