DE69704109T2

DE69704109T2 - Zementstruktur, die eine wasserdichte schicht enthält

Info

Publication number: DE69704109T2
Application number: DE69704109T
Authority: DE
Inventors: Karoly Dischoe; Max Oppliger
Original assignee: MBT Holding AG
Current assignee: Construction Research and Technology GmbH
Priority date: 1996-12-04
Filing date: 1997-12-01
Publication date: 2001-07-19
Anticipated expiration: 2017-12-02
Also published as: AU5559798A; DE69704109D1; AU734682B2; CN1210507A; JP2000505144A; US6489032B1; DK0877720T3; GB9625163D0; WO1998024738A1; ES2156410T3; BR9707349A; CN1116248C; CA2243644A1; CA2243644C; ATE199241T1; EP0877720A1; GR3035747T3; PT877720E; EP0877720B1

Description

Poprawic S5!

Die vorliegende Erfindung betrifft Membrane zur Verwendung bei der Imprägnierung von Zementstrukturen.
Bei der Bereitstellung von Zementstrukturen, beispielsweise dem Bau von Tunnels durch Bohren oder Ausbaggern und anschließendes Spritzbetonieren besteht häufig der Bedarf, für ein Wasserundurchlässigmachen bzw. Imprägnieren zu sorgen. Dies wird typischerweise entweder durch Vorsehen einer Drainage oder durch anfängliches Injizieren von Materialien, wie Zement, Mikrozement und reaktivem Harz, in Risse im Fels, gefolgt von einer Spritzbetonschicht, erreicht. Auf diese Schicht wird eine wasserundurchlässige Membran appliziert, worauf auf diese Membran eine weitere Schicht aus Spritzbeton oder in-situ-Beton appliziert wird. Die wasserundurchlässige Membran ist typischerweise eine vorgefertigte Folie aus wasserundurchlässigem Polymermaterial, die an Ort und Stelle beispielsweise durch Ankerbolzen verankert wird. Das Ergebnis ist somit eine "Sandwich"-Konstruktion. Manchmal kann durch in-situ-Anordnung oder Aufsprühen eine weitere Schicht aus Beton mit verstärkenden Fasern oder einem verstärkenden Geflecht appliziert werden oder diese Verstärkung kann in den Endbetonüberzug eingearbeitet werden.
Die Arbeitsintensität eines derartigen Verfahrens sowie die Tatsache, daß die existierenden Membranen bisher nicht vollständig zufriedenstellend insbesondere bezüglich Undichtigkeit sind, führte zur Suche nach Alternativen. Jüngst wurden Versuche unternommen, eine geeignete Membran aufzusprühen. Hierfür wurde ein Zweikomponentenpolyurethanmaterial verwendet, dies krankt jedoch an Nachteilen, beispielsweise einer komplizierten Applikation, Toxizitätsproblemen (aufgrund der Isocyanathärtungsmittel) und Bindungsproblemen gegenüber nassem Spritzbeton, sowie einer Hemmung der Polyurethanbildung aufgrund einer hohen Luftfeuchtigkeit im Tunnel, was die naheliegenden potentiellen Vorteile der Realisierung eines derartigen Verfahrens verhinderte.
Es wurde nun festgestellt, daß es möglich ist, eine geeignete Membran mit Hilfe eines Verfahrens bereitzustellen, das die meisten oder sogar alle der oben genannten Nachteile vermeidet. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist folglich ein Verfahren zur Bereitstellung einer wasserundurchlässigen Betonstruktur, das die folgenden Stufen umfaßt:
(a) Bereitstellen einer primären Schicht einer Betonzusammensetzung auf einem Träger;
(b) Aufsprühen einer wasserundurchlässigen Schicht auf diese Betonzusammensetzung und
(c) Applizieren einer Schicht einer Betonzusammensetzung auf die wasserundurchlässige Schicht, wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, daß die wasserundurchlässige Schicht durch eine Zusammensetzung gebildet wird, die als Bindemittel eine wäßrige Dispersion verschmelzbarer Teilchen eines thermoplastischen Polymers umfaßt.
Die vorliegende Erfindung liefert ferner eine wasserundurchlässige Sandwichbetonstruktur, die zwei Schichten aus Beton umfaßt, die durch eine kohärente Zwischenpolymerschicht getrennt sind, deren Bindemittel verschmolzene Teilchen eines thermoplastischen Polymers sind.
Unter dem Ausdruck "Träger" wird eine unbehandelte, wasserdurchlässige Oberfläche verstanden, auf die die erfindungsgemäße wasserundurchlässige Betonstruktur appliziert wird. Hierbei handelt es sich üblicherweise um eine Oberfläche rauher Felsen, es kann sich jedoch auch in gleicher Weise um eine von Menschen geschaffene Oberfläche, beispielsweise eine Decke handeln. Die Betonzusammensetzungen der oben beschriebenen Stufen (a) und (c) können gleich oder verschieden sein. Im Falle der Betonzusammensetzung der ersten Schicht (a) soll dieser Ausdruck nicht nur einfache Betonzusammensetzungen (kalt aufgesprühte oder vorgefertigte) sondern auch bekannte Varianten, wie Beton, gefolgt von einer Nivellier- oder Glättungsschicht eines Sprühmörtels (bis zu 4 mm) umfassen.
Unter dem Ausdruck "Bindemittel" wird ein Material verstanden, das beim Trocknen einen kohärenten, kontinuierlichen Film bildet. Unter dem Ausdruck "thermoplastisch" wird ein Material verstanden, das nicht unter Bildung einer vernetzten Struktur reagiert. Unter dem Ausdruck "verschmelzbare Teilchen" werden Teilchen einer filmbildenden Suspension oder Emulsion verstanden, die beim Entfernen des kontinuierlichen Mediums, in dem sie dispergiert sind, zumindestens teilweise unter Bildung eines kontinuierlichen, kohärenten Films verschmelzen. Die erfindungsgemäß geeigneten Polymerdispersionen besitzen somit eine ähnliche Natur wie die filmbildenden wäßrigen Dispersionen, die beispielsweise als filmbildende Medien in wäßrigen Haushaltsanstrichmitteln vom Emulsionstyp verwendet werden. Unter die Definition der "Bindemittel" fallen Zusammensetzungen, die thermoplastische verschmelzbare Teilchen und Zement umfassen.
Die wäßrige Dispersion der verschmelzbaren thermoplastischen Polymerteilchen kann aus einem weiten Bereich von auf dem einschlägigen Fachgebiet bekannten Materialien ausgewählt werden, wobei die Natur des Polymers selbst unwichtig ist. So umfassen geeignete Polymere beispielsweise Polyurethane, Polyester, Vinylverbindungen und Acrylverbindungen. Besonders geeignete Polymere sind Additionspolymere, die von ethylenisch ungesättigten Monomeren durch Additionspolymerisation abgeleitet sind. Besonders geeignete Materialien in dieser Gruppe sind diejenigen mit einer derartigen Einfriertemperatur (Tg), daß sie bei Venvendungsbedingungen in einem "gummiartigen" Zustand verbleiben, wobei diejenigen mit einem Grad elastomerer Eigenschaften besonders wünschenswert sind. Vorzugsweise liegt die Einfriertemperatur Tg unter 15ºC, in stärker bevorzugter Weise unter -15ºC. Der gewichtsprozentuale Feststoffgehalt derartiger Dispersionen liegt typischerweise in einem Bereich von 30-60%. Spezielle Beispiele für geeignete Materialien umfassen Polyurethane, Styrol/Butadien-Copolymere, ABS (Acrylnitril/Butadien/Styrol)-Polymere, Acrylnitril/Butadien-Copolymere, Styrol/Acryl-Copolymere, Polysulfiddispersionen, Polyurethan/Acryl-Dispersionen, Polyisopren und PVC-Latices und Copolymere von Vinylchlorid und/oder Vinylacetat mit Acrylmonomeren, wie (Meth)acrylsäure und Estern hiervon. Materialien, wie Bitumenemulsionen, können in Verbindung mit diesen Materialien verwendet werden, da derartige Materialien jedoch nicht verschmelzen, sollten sie nicht mehr als 50 Gew.-% der Feststoffe des Bindemittels ausmachen. Die Liste ist nicht erschöpfend, so daß der mit dem Konzept der vorliegenden Erfindung vertraute Fachmann auf dem einschlägigen Fachgebiet ohne Probleme in der Lage ist, weitere geeignete Materialien aufzufinden. Zahlreiche derartige Materialien sind im Handel erhältlich. Beispiele für geeignete im Handel erhältliche Materialien umfassen die von der BASF AG unter der Marke "Acronal" vertriebenen Materialien und die von Synthomer unter der Marke "Synthomer" vertriebenen Materialien.
Neben der wäßrigen Dispersion kann die Zusammensetzung weitere Bestandteile umfassen. Ein besonders geeigneter Bestandteil ist ein Füllstoff. Dieser Füllstoff "streckt" nicht nur die Zusammensetzung, sondern rauht auch die Oberfläche auf, wodurch ein "Schlüssel" für eine danach applizierte Zementzusammensetzung bereitgestellt wird. Seine Anwesenheit ist bevorzugt. Typische Beispiele für geeignete Füllstoffe umfassen Quarzsand und Quarzstaub durchschnittlicher Durchmesser im Bereich von 0,04 bis 1,5 mm sowie Dolomit, Talkum, Glimmer, Baryterden, Eisenoxid, Titandioxid, Kautschuk- und Kunststoffgranulat, Aggregate niedrigen Gewichts und "glassy fumace"-Reste, beispielsweise "Holosphären". Fasern aus Stahl, Glas oder Polymermaterial können auch verwendet werden. Bevorzugte Beispiele für Polymerfasern sind solche aus thermoplastischem Material, insbesondere Polyethylen und Polyacrylnitril, vorzugsweise mit einer Länge von 0,2 bis 12 mm und einer Oberfläche von 6 bis 8 m²/g.
Den erfindungsgemäßen Zusammensetzungen können ferner Standardbestandteile in auf dem einschlägigen Fachgebiet bekannten Mengen zugesetzt werden. Typische Beispiele für Additive, deren Anwesenheit günstig sein kann, umfassen Fließverstärkungsmittel, Entschäumer, Dispergiermittel, Färbemittel, Benetzungsmittel, die Rheologie modifizierende Mittel und Katalysatoren.
Wenn kein Füllstoff vorhanden ist, kann eine erfindungsgemäß zu verwendende Zusammensetzung 100% der Dispersion umfassen. Gewunschtenfalls können Additive bis zu 5, vorzugsweise 0,1-5 Gew.-% (berechnet als wirksame Bestandteile Additiv pro Gewicht der flüssigen Dispersion) ausmachen. Wenn ein Füllstoff vorhanden ist (der bevorzugte Fall) umfaßt die Zusammensetzung vorzugsweise 20-80 (in stärker Weise 30-50) Gew.-% Dispersion, 79,9-15 Gew.-% (in stärker bevorzugter Weise 69,9-15 Gew.-%) Füllstoff und 0,1-5 Gew.-% Additiv(e).
Das Gewicht der Dispersion ist das Gewicht der flüssigen Dispersion. Das Gewicht des Additivs ist das Gewicht des wirksamen Bestandteils.
Die Zusammensetzung kann durch Aufsprühen auf eine primäre Schicht aus Beton appliziert werden. Hierbei handelt es sich vorzugsweise um Spritzbeton, es kann sich jedoch auch um andere geeignete Zementzusammensetzungen, beispielsweise Polymerbeton, handeln. Die applizierte Membranschicht kann in Abhängigkeit von dem verwendeten Material, den Applikationsbedingungen und den gewünschten Eigenschaften (beispielsweise Rißüberbrückungsfahigkeit), in ihrer Dicke schwanken, als allgemeine Regel sollte sie jedoch eine Dicke von 2-15 mm, vorzugsweise von 2-6 mm, aufweisen. Die Applikation kann in einem einzelnen Sprühvorgang oder in mehreren Durchgängen erfolgen. Auf diese aufgesprühte Zusammensetzung wird eine weitere Schicht einer Zementzusammensetzung appliziert, wobei vorzugsweise Spritzbeton durch Aufspritzen appliziert wird. Das Ergebnis ist eine "Sandwich"-Konstruktion. Die bevorzugten Wege, auf denen eine derartige Sandwich-Konstruktion erzeugt werden kann, sind die folgenden:
Die bevorzugte Variation ist die Variation A. Enthalten in der ersten Schicht ist die Möglichkeit, daß darauf ein nivellierender Mörtel mit einer Dicke von 2-15 mm appliziert werden kann. Die Membran kann 1-90 Tage nach Applikation des Betons auf den Beton aufgesprüht werden. Wenn das Aufsprühen innerhalb von 3 Tagen nach Betonapplikation erfolgt, eröffnet sich der weitere Vorteil, daß das Wasser in der Dispersion bei der Zementhydratation helfen kann. Wenn der Beton der ersten Schicht sich längere Zeit (3-60 Tage) an der Stelle befunden hat, kann es notwendig sein, die Oberfläche mit Wasser zu waschen. Dies entfernt lediglich Rückstände und führt zu einem Vorabräumen der Oberfläche (prewaste), was zu einer besseren Membranhaftung fuhrt. Wie zuvor ausgeführt, kann sie in einem einzelnen Durchgang oder in einer Reihe von Durchgängen mit geeigneten Pausen, um für ein Trocknen und/oder Härten zu sorgen, appliziert werden. Bei einem Mehrschichtansatz kann eine oder mehrere der aufgesprühten Schichten verstärkende Fasern aus Glas, Stahl, Keramik oder Polymer umfassen; alternativ kann eine Verstärkung in Form eines Geflechts oder eines Rohlings auf die noch nasse Membran appliziert werden, worauf die Verstärkung anschließend mit einer weiteren Membranschicht bedeckt wird.
Die so gebildete Struktur besitzt ausgezeichnete Wasserundurchlässigkeitseigenschaften in Verbindung mit einer ausgezeichneten Wasserdampfpermeabilität, so daß für ein Entweichen jeglichen eingeschlossenen Wassers durch die Membran und für eine Vermeidung jeglicher Grenzflächendefekte gesorgt wird. Darüber hinaus ist die Struktur beständig, sicher und leicht applizierbar und relativ billig.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der folgenden nicht-beschränkenden Beispiele weiter beschrieben. In allen Beispielen sind die Angaben der Teile auf das Gewicht bezogen.
Eine Reihe von Zusammensetzungen werden durch Vermischen der folgenden Bestandteilskombinationen miteinander hergestellt:

Beispiel 1

Polymerdispersion¹ 30 Teile
Baryterden 27 Teile
Calciumcarbonat 42,5 Teile
Titandioxid 0,5 Teile
1. Styrol/Acrylsäureestercopolymeremulsion: 50 Gew.-% Feststoffe (Acronal (Marke) S361 von BASF)

Beispiel 2

Polymerdispersion² 40 Teile
Calciumcarbonat 55 Teile
Entschäumer³ 2 Teile
Dispergiermittel&sup4; 1 Teil
Pigment&sup5; 2 Teile
2. "Acronal" S361
3. "BYK-035" von Byk Chemie, ein Gemisch aus hydrophoben Komponenten in Mineralöl auf Paraffinbasis
4. "Pigmentdispergiermittel A" von BASF, eine 20%ige wäßrige Lösung von Ammoniumpolyacrylaten
5. Eisenoxidschwarz "Bayferrox" (Marke) 316 von Bayer

Beispiel 3

Polymerdispersion&sup6; 50 Teile
Baryterden 48 Teile
Entschäumer&sup7; 1 Teil
Dispergiermittel&sup8; 1 Teil
6. "Acronal" 6210 (Styrol/Acrylsäureester-Copolymer)
7. "Agitan" (Marke) 731 von Münzing Chemie GmbH, ein modifiziertes Organopolysiloxan
8. "Pigmentdispergiemüttel A"

Beispiel 4

Polymerdispersion&sup9; 40 Teile
Calciumcarbonat 32 Teile
Entschäumer¹&sup0; 2 Teile
Pigmentdispergiemüttel¹¹ 0,5 Teile
Pigment¹² 0,5 Teile
Baryterden 22 Teile
Acrylfasern mit einer Länge von 0,5 mm 1 Teil
9. "Acronal" S361
10. BYK-035
11. "Pigmentdispergiermittel A"
12. Eisenoxidrot "Bayferrox" 105M

Beispiel 5

Polymerdispersion¹³ 60 Teile
Calciumcarbonat 40 Teile
13. Styrol/Butadien/Acrylsäureester-Copolymeremulsion, 53% Feststoffe ("Synthomer" 33y 20 von Synthomer)

Beispiel 6

Ein Beispiel eines Mischsystems (Polymerdispersion plus Zement):
Polymerdispersion¹&sup4; 55 Teile
Portlandzement 14,8 Teile
Quarzsand (0,1-0,4 mm) 8 Teile
Quarzmehl 22 Teile
Polyethylenfasern einer durchschnittlichen Länge von 0,2 mm 0,2 Teile
14. Acrylsäureester/Acrylnitril-Copolymeremulsion: 55 Gew.-% Feststoffe ("Acronal" DS 6137X)

Beispiel 7

Polymerdispersion¹&sup5; 35 Teile
Polyethylen/Polypropylen-Fasern 1,5 Teile
Baryterden 48 Teile
Hohlglaskugeln 10 Teile
Wasser 5,5 Teile

Test der Zusammensetzungen

Die Zusammensetzungen gemäß der Beispiele 2 und 3 wurden auf Betonplatten einer Größe von 500 · 500 · 40 mm unter Aufbau eines Films einer Dicke von 2 mm aufgesprüht und getestet. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 angegeben. Tabelle 1
1. gemessen gemäß DIN/ISO 4624
2. gemessen gemäß DIN 53504
3. gemessen gemäß DIN 53504
4. gemessen gemäß DIN 53515
5. gemessen gemäß DIN 62617
Die Rißüberbrückungsfahigkeit der erfindungsgemäßen Zusammensetzungen hängt von der Dicke der abgeschiedenen Membran ab. Die ausgezeichnete Rißüberbrückungsfahigkeit der erfindungsgemäßen Zusammensetzungen wird durch das Testen der Zusammensetzung von Beispiel 2 auf einer Universaltestvorrichtung demonstriert. Bei diesem Verfahren wird ein zylindrischer Prüfling von Beton (50 mm Durchmesser, 30 mm Dicke) auf einer Vorrichtung mit einer derartigen Rate gestreckt, daß in dem Beton ein kontinuierlicher Querriß mit einer Rate von 0,1 nun/min erzeugt wird. Die Rißbreite im Beton wird zu dem Zeitpunkt gemessen, an dem in der Membran ein Riß auftritt, der sich vollständig über diesen hinweg erstreckt. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 angegeben. Tabelle 2

Claims

1. Verfahren zur Bereitstellung einer wasserundurchlässigen Betonstruktur, das die folgenden Stufen umfasst:

(a) Bereitstellen einer ersten Schicht einer Betonzusammensetzung auf einem Trägermaterial;

(b) Aufsprühen einer wasserundurchlässigen Schicht auf diese Betonzusammensetzung, und

(c) Applizieren einer weiteren Schicht einer Betonzusammensetzung auf die wasserundurchlässige Schicht;

wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass die wasserundurchlässige Schicht durch eine Zusammensetzung bereitgestellt wird, die eine wässrige Dispersion verschmelzbarer Teilchen eines thermoplastischen Polymers umfasst.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das thermoplastische Polymer ein Additionspolymer ist, das durch Polymerisation von ethylenisch ungesättigtem Monomer gebildet wurde.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei das Polymer eine derartige Einfriertemperatur (Tg) besitzt, dass es unter den Verwendungsbedingungen in einem "gummiartigen" Zustand verbleibt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Polymer einen (bestimmten) Grad von elastomeren Eigenschaften aufweist.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Einfriertemperatur (Tg) des Polymers unter 15ºC liegt.

6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Einfriertemperatur (Tg) unter -15ºC liegt.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Zusammensetzung Füllstoffe und/oder Additive umfasst.

8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Zusammensetzung aus 20 bis 80 Gew.-% Dispersion, 79,9 bis 15 Gew.-% Füllstoff(en) und 0,1 bis 5 Gew.-% Additiv(en) besteht.

9. Wasserundurchlässige Sandwichbetonstruktur, die zwei Schichten aus Beton umfasst, die durch eine kohärente Zwischenpolymerschicht getrennt sind, deren Bindemittel aus verschmolzenen Teilchen eines thermoplastischen Polymers besteht.