WO2016131925A1 - Verfahren zur dauerhaften hydrophobierung und/oder superhydrophobierung von betonoberflächen - Google Patents

Verfahren zur dauerhaften hydrophobierung und/oder superhydrophobierung von betonoberflächen Download PDF

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WO2016131925A1
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concrete
formwork
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skin
hydrophobing
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PCT/EP2016/053470
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Ricardo KOCADAG
Patrick FONTANA
Katarina MALAGA
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Bundesrepublik Deutschland, Vertreten Durch Den Bundesminister Für Wirtschaft Und Energie, Dieser Vertreten Durch Den Präsidenten Der Bundesanstalt Für Materialforschung Und -Prüfung (Bam)
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    • C04B2111/00—Mortars, concrete or artificial stone or mixtures to prepare them, characterised by specific function, property or use
    • C04B2111/20—Resistance against chemical, physical or biological attack
    • C04B2111/27—Water resistance, i.e. waterproof or water-repellent materials

Definitions

  • the invention is in the field of building protection, the production of in-situ concrete and precast concrete elements. It concerns the cement industry,
  • hydrophobing concrete surfaces include the application of a hydrophobing agent on the hardened concrete or the incorporation of water repellents in the fresh concrete.
  • a manufacturing method for a concrete element which has a hydrophobic and / or a superhydrophobic surface.
  • the method comprises at least the steps:
  • a hydrophobic or even superhydrophobic surface of a precast concrete element or in-situ concrete concrete element can be achieved at significantly reduced cost than known methods of aftertreatment and in a manufacturing step without hindering the construction progress or other technological processes. In particular, reaching the final strength of the concrete element produced is not reduced. in the
  • the fresh concrete used in the process is selected from a concrete mixture comprising:
  • a rock meal of natural or artificial origin or any substance known or authorized as a concrete additive selected from a fly ash (for example a coal power plant), a trass, a microsilica or a silica fume, a granulated blastfurnace or a ground residue of an ore smelting;
  • the concrete mix may include a concrete admixture.
  • Concrete admixtures are used to control properties of the fresh concrete and / or the hardened concrete available from the fresh concrete.
  • influenceable values concern reduced water demand (water demand), liquefaction, stabilization, air entrainment, acceleration or deceleration of the water
  • Advantages of this embodiment relate primarily to the strength of the resulting concrete, or high performance concrete (UHPC).
  • hydrophobing agent under a silane; a siloxane and / or a siliconate.
  • the hydrophobizing agent is selected from: a salt of a fatty acid, for example a salt of stearic acid.
  • microcrystalline wax microwax
  • microcrystalline waxes arises with the possibility of their facilitated capillary transport in the gradually setting fresh concrete and their UV stability and their cost-effective availability.
  • the hydrophobizing agent siliconate is selected from an alkali monomethyl, an alkali monoethyl, an alkali monopropyl, or an alkali monobutyl siliconate.
  • these compounds are well suited due to their chemical reactivity, bring about a permanent hydrophobization in the edge concrete zone.
  • These water repellents are available at low cost.
  • the hydrophobizing agent silane is selected from an iso-octyltriethoxysilane, an n-octyltriethoxysilane or another alkylalkoxysilane.
  • these compounds are well suited due to their chemical reactivity, alternatively bring about a permanent hydrophobization in the edge concrete zone.
  • These water repellents are available at low cost.
  • the hydrophobizing agent siloxane is selected from an alklyalkoxysiloxane.
  • alklyalkoxysiloxanes are well suited due to their chemical reactivity, alternatively bring about a permanent hydrophobization in the edge concrete zone. Alklyalkoxysiloxanes are available at low cost.
  • the salt of stearic acid is selected from zinc, aluminum or calcium stearate.
  • Formwork skin by pouring, flooding, spraying, spraying, brushing,
  • the treatment according to the procedural form skin takes place before the concreting by full wetting the
  • a concrete element in particular a precast concrete element and alternatively an in-situ concrete is proposed.
  • the concrete element, precast concrete and in-situ concrete have a hydrophobic or superhydrophobic
  • a hydrophobizing substance selected from a silicon or organometallic compound or a microwax, is present in the edge concrete zone to a depth of 20 mm, down to (in).
  • the edge concrete is rendered hydrophobic to a depth of 10 mm, but at least measured to a depth of 5 mm from the surface.
  • the remaining portion of the precast concrete part is largely free of hydrophobic substances.
  • hydrophobized or superhydrophobed surface is formed only in those areas that were in the concreting in contact with a correspondingly pretreated formwork, or formwork skin.
  • the proposed precast concrete part is selected from: a facade element, a roof tile, a brick, a veneer, a street furniture, a bench, a vase, a planter, a curb, a paving stone, a shaft surround, a plastic, a foot plate, a concrete foot, a fence post, a supporting structure, a covering, a
  • Bicycle stand a baffle, a beacon, or a guardrail.
  • special requirements are made in terms of reduced water absorption / hydrophobicity and permanent strength.
  • Concrete elements produced according to the proposed method have a longer service life while maintaining the above-described advantageous properties.
  • Concrete surfaces for the purpose of building protection and self-cleaning are produced precast concrete or cast-in-situ components have a hydrophobic surface on surface portions which have set in contact with the priming skin pretreated with hydrophobing agent.
  • the superhydrophobicity of the concrete surface produced manifests itself in the autonomous purging of liquids, in particular precipitates such as rain or dew, and the resulting non-sticking of dust, dirt and street feces (self-cleaning).
  • Concrete surfaces produced hydrophobic or superhydrophobic concrete surfaces is a repeatedly renewed surface finish by applying a
  • Hydrophobizing typically dispensable or can be done for the first time after a much longer period of use, possibly for the first time after ten years.
  • weathering of the hydrophobic or superhydrophobic concrete surface according to the invention directly with stripping does not have this effect and preferably contributes to the improvement of its self-cleaning properties.
  • Self-cleaning effect intensifies with longer weathering of the freshly turned off concrete surface.
  • Advantageous technical effects of the thus obtained concrete surface mainly affect the possibility of their cleaning in case of incident precipitation or dripping dew (self-cleaning).
  • Advantageous applications of a prefabricated concrete part produced as described include its use as a self-cleaning and / or with a lesser effort washable facade element, brick or
  • molded concrete such as street furniture, benches, vases, planters, sculptures, structures, cladding, signaling and control surfaces, highway crash barriers or any other concrete structures can be equipped with a hydrophobic or superhydrophobic surface, if the formwork used in each case as the concrete side described with
  • Water repellent is provided.
  • hydrophobic surfaces and / or superhydrophobic concrete surfaces but also actively clean with reduced effort.
  • a corresponding façade surface can be freed of undesirable contaminants (e.g., paint, adhesive residue, bird droppings, etc.) more easily and / or at a lower cost by means of a high pressure washer.
  • Ultra High Performance Concrete also referred to as Ultra High Performance Concrete
  • UHPC Ultra High Performance Concrete
  • UHPC is characterized by a much denser microstructure compared to normal concrete which is characterized by an increased binder content, limiting the largest grain size
  • the addition of highly efficient flow agents allows for very good processability of the fresh UHPC or even self-compacting properties.As a result of the increased structural impermeability, UHPC has a much higher strength and durability compared to normal concrete ,
  • a hydrophobing agent is taken to mean siliconates and organosilicon compounds as well as organometallic compounds and microwaxes.
  • a hydrophobing agent in this context is not one of the release agents used in concrete construction, ie, for example, no conventional waxes, resins or oils, and no silicone oil.
  • the organosilicon compound is meant a compound having either at least one covalent chemical bond between a carbon atom and a silicon atom (Si-C) or a compound in the at least one carbon over at least one oxygen, nitrogen or sulfur atom on a
  • Organosilicon compounds can be generally described by the formula R n SiX 4 _ n .
  • R represents an organic radical, such as. As an aliphatic, an aromatic, or a heterocycle.
  • n is an integer from 1 to 4 according to the valency of the silicon.
  • X stands for
  • organosilicon compound Hydroxyl group / OH, from which it appears that the organosilicon compound is an organosilanol; a chlorine atom / Cl, from which it appears that the organosilicon compound is an organochlorosilane; a linkage of oxygen with silicon (-Si-O-Si) to give a silicone or a siloxane; a linkage of nitrogen with silicon (-Si-N (H) -Si-), (-Si-N (R) -Si-), indicating that the organosilicon compound is a silazane; or a linkage of carbon with silicon (-Si-C-Si), ie a carbosilane, for example: -Si-C (H 2 ) -Si-, -Si-C (CH 3 ) 2 -Si-, -Si -C (C 2 H 5 ) 2 -Si-.
  • Hydrophobing of structures Hydrophobizations are u.a. in the
  • hydrophobing agents are applied to the hardened concrete surface.
  • the durability of the hydrophobing depends largely on the penetration depth of the hydrophobizing agent into the concrete [2].
  • a second possibility for the hydrophobization of concrete components is the addition of hydrophobizing additives in concrete production. In this way, although the durability of the hydrophobing can be increased compared to a subsequent application of a hydrophobing agent.
  • the angle of contact is the angle formed by a drop of liquid on the surface of a solid to this surface. ever higher the contact angle of a liquid on a solid surface, the lower the wettability of the surface for this liquid.
  • the surface properties of a solid as a function of the contact angle are usually referred to as follows:
  • Abrollwinkel As Abrollwinkel that angle is designated by which the surface of a solid from the horizontal must be rotated in the vertical, so that rolls on the surface attached drops of water. The lower the rolling angle of a liquid on a solid surface, the better are its self-cleaning properties. Own investigations have shown that the
  • Rolling angle can decrease even if the contact angle also decreases.
  • Edge concrete zone surface In the present context, that surface of the concrete (test) body which was in contact with the formwork, in particular with the formwork skin.
  • the edge concrete zone surface is thus the surface of the
  • Edge concrete of the concrete body is in this context a concrete zone to 20 mm depth, in particular to 10 mm depth, preferably up to 5 mm depth from the outer surface (measured by hand at right angles to
  • Edge concrete zone surface is exposed with demolding, or stripping. After weathering of the concrete test specimen, measurements of contact and unrolling angles were made exclusively on edge concrete zone surfaces.
  • Hydrophobing UHPC surfaces were prepared according to the embodiments described below, different specimens.
  • the water-repellent properties of cut-off surfaces were analyzed by measuring the contact and roll-off angles of applied water droplets with a contact angle meter (Dataphysics OCA 35XLH).
  • the contact angle was determined based on the contour of the water droplet 30 seconds after its deposition on the sample surface.
  • an image of the drop was taken and transferred to the drop contour analysis software of the device.
  • a geometric model ellipse
  • the contact angle resulted from the angle between the determined drop contour function and the sample surface (average of left and right contact angles).
  • the measurement of the contact angle was repeated at five different, predefined locations.
  • the rolling angle was measured 5 seconds after settling the water drop on the sample surface.
  • the measuring table with the attached sample was moved computer-controlled from the horizontal to the vertical.
  • the device software determined the position of the table in 1/10 ° increments and stopped the process of rotation as soon as the drop rolled off the surface. The respective value of the
  • Rotation angle of the measuring table (equivalent to the value of the rolling angle) was stored. On each test piece, the measurement of the roll-off angle was repeated at three different, predefined locations. Tap water (Berlin-Dahlem) was used for all measurement series. The automatically dosed
  • the specimens had dimensions (width x length x height) of
  • the UHPC had the following composition:
  • Two methods of hydrophobing were used. They differ with regard to the timing of the application of the
  • the fresh concrete (UHPC) was poured into a formwork, the bottom of which was designed with a textile.
  • water repellents 500 g / m 2
  • the textile was completely wetted.
  • the concrete was switched off. There was no treatment of the edge concrete zone surface with hydrophobing agent.
  • Hydrophobing agent on the formwork skin of a concrete formwork for the purpose of permanent hydrophobization of a concrete surface of the solidified in the formwork concrete has been applied to our knowledge for the first time.
  • Textile formwork sheets can be used to reduce the w / c value (the mass ratio of water to cement) in the edge concrete due to the suction effect of the textile and so the formation of voids in the
  • Hydrophobing agents to increase the hydrophobicity of the concrete surface [5].
  • the fresh concrete (UHPC) was poured into a formwork, the bottom of which was designed with a textile. After 24 hours, the concrete was shut down and the concrete edge zone surface of the concrete was treated with water repellents
  • test specimens were 14 days at 23 ° C and 50% rel. Humidity stored to the chemical processes to form the hydrophobization not to bother. Thereafter, they were subjected to the stresses described below to artificially age the hydrophobic surfaces of the specimens. The demands were made successively in time, whereby between the individual
  • UV-A 340 nm with 40 W / m 2 , type 1 A, fluorescent according to ISO 4892-3, manufacturer: Atlas MTT
  • Edge concrete zone surfaces (hydrophobing agent subsequently applied to shuttering skin / water repellents prior to concreting).
  • water repellents are commonly used for the treatment of heavy clay products immediately after production (e.g., roof tiles, facing bricks, floor tiles, flower pots); of aerated concrete; used by gypsum and gypsum fiber boards and other mineral building materials. They are mostly based on silanes, siloxanes and siliconates. Molecules of suitable substances are either per se at least partially hydrophobic or form their water repellent
  • the resulting end product is a silicone resin, e.g. Polymethylsilicic.
  • Other common water repellents are based on organometallic compounds, such as. As aluminum, calcium or zinc stearate.
  • paraffins microwaxes
  • water repellents listed in Table 1 below which comprise silanes, siloxanes and siliconates, have been used by way of example.
  • other organosilicon or the other compounds mentioned above can be used:
  • Silane esters eg: CH 3 (CH 2 ) 7 Si (OCH 2 CH 3 ) 3 (octyltriethoxysilane);
  • CH 2 CHSi (OCH 3 ) 3 (vinylmethoxysilane);
  • Epoxysilanes e.g., gamma-glycidoxypropyltrimethoxysilane; Gamma-glycidoxypropyltriethoxysilane
  • B Zn (CigH 35 0 2 ) 2 (zinc stearate); C54H105AIO6 (aluminum stearate); (Aluminum distearate); C54H105AIO6
  • hydrophobizing agents may be based on, for example, commercial availability, current list price, reactivity (e.g. Hydrolizability) under the typically alkaline conditions of the fresh concrete.
  • FIG. 1 shows the results of the contact angle measurements. On the left side, the contact angles are shown on the test specimens, where the
  • Water repellents as proposed by the invention, was applied to the formwork skin immediately before the concreting and no subsequent treatment with hydrophobing agent was carried out. On the right side, for comparison, the contact angles are shown on the test specimens, which concretes on the untreated formwork and the surface after demoulding with the
  • FIG. 2 shows the results of the rolling angle measurements. On the left side, the rolling angles are shown on the test specimens, in which the
  • Water repellents as proposed by the invention, were applied to the formwork immediately prior to the concreting and no subsequent treatment with hydrophobing agent was carried out. On the right side are for comparison the
  • hydrophobing (superhydrophobing) is significantly less durable than that obtained with the method proposed according to the invention.
  • application of the hydrophobizing agent to the formwork (substrate), or to a form skin immediately before the concrete alone or in combination with a subsequent weathering leads to the formation of a permanently hydrophobic and / or superhydrophobic Betonoberfikiee.
  • the initially dry formwork or shell skin is at least superficially, but typically wetted completely with water repellents. Even an otherwise absorbent formwork skin can thus no longer absorb water from the fresh concrete.
  • the hydrophobing agent is available for the hydrophobization of the setting cementstone.
  • Hydrophobing agent from the formwork skin in the edge concrete Hydrophobing agent from the formwork skin in the edge concrete.
  • a hydrophobic or superhydrophobic concrete surface is achieved without a PDMS formwork [8].
  • a PDMS-rich structure surface with typical micron-sized feature depths is typically prone to contamination by dusts. Contamination of the PDMS form with fine dusts and / or hand touch leads to a drastic change in the surface properties of the PDMS: structures are leveled and the PDMS loses its hydrophobicity. Fine dusts are among the
  • the formwork or the formwork skin can, if necessary, for the purpose of large-scale and uniform application of the
  • Hydrophobing agent even be committed without the surface of the formwork or the skin formwork or coated with the hydrophobing agent surface of the formwork or the formwork skin is damaged or loses its technical effect. While previously known methods of subsequent hydrophobing of Randbetonzonenoberfiumbleen low efficiency and significantly reduced
  • Precast concrete is delayed.
  • the inventively proposed method of applying the hydrophobing agent on the formwork skin does not have these disadvantages, but allows an increase in the throughput of a precast concrete plant at reduced costs and thus causes a noticeable increase in effectiveness.
  • a liquid or pasty or pasty rendered hydrophobing agent based on one or more Apply organosilicon or organometallic compounds or a microcrystalline wax on a formwork surface or on a substrate surface of a mold or mold for fresh concrete.
  • the concreting on such a prepared surface allows the integration of the hydrophobing agent in the hydration process of the cement.
  • the water repellent is thereby effectively and permanently in the
  • Concrete element a hydrophobic or superhydrophobic surface.
  • Thermal compatibility Part 3 Thermal cycling without deicing salt attack.

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Abstract

Beschrieben wird ein Herstellungsverfahren für ein Betonelement, z.B. Betonfertigteil oder auch Ortbeton, umfassend eine hydrophobe und/oder eine superhydrophobe Oberfläche, umfassend: Bereitstellen einer Schalung, umfassend eine Schalungshaut; Beschichten der Schalungshaut mit einem Hydrophobierungsmittel; Einbringen eines Frischbetons in die Schalung; Ausschalen des nach dem Abbinden des Frischbetons ausgebildeten Betonelements.

Description

Verfahren zur dauerhaften Hydrophobierung und/oder Superhydrophobierung von Betonoberflächen
[0001] Die Erfindung liegt auf dem Gebiet des Bautenschutzes, der Herstellung von Ortbeton und von Betonfertigteilen. Sie betrifft die Zementindustrie,
Betonfertigteilhersteller und Betonzusatzmittelhersteller. Insbesondere betrifft die
Erfindung die Hydrophobierung von Betonoberflächen und Anwendung von
Hydrophobierungsmitteln.
[0002] Bekannte Verfahren der Hydrophobierung von Betonoberflächen umfassen den Auftrag eines Hydrophobierungsmittels auf den erhärteten Beton oder das Einmischen von Hydrophobierungsmittel in den Frischbeton.
[0003] Vor diesem Hintergrund wird ein Herstellungsverfahren nach Anspruch 1 und ein Betonelement oder Ortbeton nach Anspruch 14 vorgeschlagen. Weitere
Ausführungsformen, Modifikationen und Verbesserungen ergeben sich anhand der folgenden Beschreibung und der beigefügten Ansprüche.
[0004] Gemäß einer ersten Ausführungsform wird ein Herstellungsverfahren für ein Betonelement vorgeschlagen, das eine hydrophobe und/oder eine superhydrophobe Oberfläche aufweist. Das Verfahren umfasst zumindest die Schritte:
- Bereitstellen einer Schalung, umfassend eine Schalungshaut;
Beschichten der Schalungshaut mit einem Hydrophobierungsmittel;
- Einbringen eines Frischbetons in die Schalung;
- Ausschalen des nach dem Abbinden des Frischbetons ausgebildeten Betonelements.
[0005] Vorteile dieser Ausführungsform bestehen darin, dass eine hydrophobe oder sogar superhydrophobe Oberfläche eines Betonfertigteils oder eines im Ortbetonverfahren hergestellten Betonelements unter wesentlich verringertem Aufwand als über bekannte Verfahren der Nachbehandlung und in einem Herstellungsschritt ohne Behinderung des Baufortschritts oder anderer technologischer Abläufe erreichbar ist. Insbesondere ist ein Erreichen der Endfestigkeit des hergestellten Betonelements nicht vermindert. Im
Gegensatz hierzu führt der Zusatz eines Hydrophobierungsmittels unmittelbar in den angemischten Frischbeton typischerweise zu einer verzögerten Verfestigung und in der Folge zu erheblichen Verzögerungen technologischer Abläufe. [0006] Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird vorgeschlagen, dass der im Verfahren verwendete Frischbeton ausgewählt ist unter einer Betonmischung, umfassend:
einen Zement, beispielsweise gemäß DIN EN 197- 1 :2011;
- eine Gesteinskörnung natürlichen oder künstlichen Ursprungs, wobei eine maximale Korngröße der Gesteinskörnung 32 mm, insbesondere 8 mm, bevorzugt 2 mm beträgt;
ein Gesteinsmehl natürlichen oder künstlichen Ursprungs oder einen anderen als Betonzusatzstoff bekannten oder zugelassenen Stoff, ausgewählt unter einer Flugasche (z.B. eines Kohlekraftwerkes), einem Trass, einer Mikrosilica oder einem Silicastaub, einem Hüttensandmehl oder einem gemahlenen Reststoff einer Erzverhüttung;
- Wasser, sodass ein Wasserzementwert in dem Frischbeton zwischen 0,15 bis 0,60; insbesondere zwischen 0,25 bis 0,35 einstellbar ist.
Optional kann die Betonmischung ein Betonzusatzmittel umfassen. Geeignete
Betonzusatzmittel werden zur Steuerung von Eigenschaften des Frischbetons und/oder des aus dem Frischbeton erhältlichen Festbetons verwendet. Beispiele beeinflussbarer Werte betreffen einen verminderten Wasseranspruch (Wasserbedarf), die Verflüssigung, die Stabilisierung, die Luftporenbildung, die Beschleunigung oder Verzögerung der
Zementhydratation (Erstarrung bzw. Erhärtung), die Dichtigkeit des erzielten Betons (insbesondere Dichtigkeit gegenüber Wasser), das Schwinden oder Quellen.
[0007] Vorteile dieser Ausführungsform betreffen vor allem die Festigkeit des erhaltenen Betons, bzw. des Hochleistungsbetons (UHPC).
[0008] Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird vorgeschlagen, das
Hydrophobierungsmittel auszuwählen unter einem Silan; einem Siloxan und/oder einem Siliconat.
[0009] Vorteile der vorgeschlagenen Hydrophobierungsmittel sind ihre kommerzielle Verfügbarkeit und die mit ihrer Hilfe erreichbare dauerhafte Hydrophobierung
mineralischer Oberflächen.
[0010] Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das Hydrophobierungsmittel ausgewählt unter: einem Salz einer Fettsäure, beispielsweise einem Salz der Stearinsäure. [0011] Vorteilhaft entspricht eine mit der kostengünstig verfügbaren Stearinsäure erreichbare Hydrophobierung der Betonoberfiäche den Anforderungen des Bautenschutzes hinsichtlich Stabilität und Selbstreinigungspotential.
[0012] Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird vorgeschlagen, ein
mikrokristallines Wachs (Mikrowachs) als Hydrophobierungsmittel einzusetzen.
[0013] Ein Vorteil mikrokristalliner Wachse ergibt sich mit der Möglichkeit ihres erleichterten kapillaren Transports in den allmählich abbindenden Frischbeton und ihrer UV-Stabilität sowie ihrer kostengünstigen Verfügbarkeit.
[0014] Gemäß weiteren Ausführungsformen ist das Hydrophobierungsmittel Siliconat ausgewählt unter einem Alkali-Monomethyl-, einem Alkali-Monoethyl-, einem Alkali- Monopropyl-, oder einem Alkali-Monobutyl-Siliconat.
[0015] Vorteilhaft sind diese Verbindungen auf Grund ihrer chemischen Reaktivität gut geeignet, eine dauerhafte Hydrophobierung in der Randbetonzone herbeizuführen. Diese Hydrophobierungsmittel sind zu geringen Kosten verfügbar.
[0016] Gemäß weiteren Ausführungsformen ist das Hydrophobierungsmittel Silan ausgewählt ist unter einem iso-Octyltriethoxysilan, einem n- Octyltriethoxysilan oder einem anderen Alkylalkoxysilan.
[0017] Vorteilhaft sind diese Verbindungen auf Grund ihrer chemischen Reaktivität gut geeignet, alternativ eine dauerhafte Hydrophobierung in der Randbetonzone herbeizuführen. Diese Hydrophobierungsmittel sind zu geringen Kosten verfügbar.
[0018] Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das Hydrophobierungsmittel Siloxan ausgewählt unter einem Alklyalkoxysiloxan.
[0019] Vorteilhaft sind Alklyalkoxysiloxane auf Grund ihrer chemischen Reaktivität gut geeignet, alternativ eine dauerhafte Hydrophobierung in der Randbetonzone herbeizuführen. Alklyalkoxysiloxane sind zu geringen Kosten verfügbar.
[0020] Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das Salz der Stearinsäure ausgewählt unter Zink-, Aluminium- oder Calciumstearat.
[0021] Die Verwendung dieser Metallseifen, die für ihre ausgeprägten hydrophoben Eigenschaften bekannt sind, bewirkt eine effektive Hydrophobierung der Randbetonzone, bzw. der Oberfläche des erhaltenen Betonelements. [0022] Gemäß einer weiteren Ausführungsform erfolgt das Beschichten der
Schalungshaut durch Aufgießen, Fluten, Aufsprühen, Aufspritzen, Aufpinseln,
Aufspachteln, Aufrollen oder Rakeln des Hydrophobierungsmittels.
[0023] Vorteile ergeben sich aus der Einfachheit dieser Verfahrensschritte.
[0024] Gemäß einer weiteren Ausführungsform erfolgt das verfahrensgemäße Behandeln der Schalungshaut vor der Betonage durch vollflächiges Benetzen der
Schalungshaut mit dem Hydrophobierungsmittel.
[0025] Auf diese Art und Weise kann eine für die Hydrohobierung der Randbetonzone und der Randbetonzonenoberfläche ausreichende Menge des Hydrophobierungsmittels bereitgestellt werden.
[0026] Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird ein Betonelement, insbesondere ein Betonfertigteil und alternativ ein Ortbeton vorgeschlagen. Das Betonelement, das Betonfertigteil und der Ortbeton weisen eine hydrophobe oder superhydrophobe
Oberfläche auf und umfassen jeweils eine Randbetonzone, die eine gegenüber einer äußeren Umgebung abschließende hydrophobe oder superhydrophobe Oberfläche hat. Dabei liegt eine hydrophobierende Substanz, ausgewählt unter einer silizium- oder metallorganischen Verbindung oder einem Mikrowachs, in der Randbetonzone bis auf (in) eine Tiefe von 20 mm vor. Bevorzugt wird der Randbeton bis auf eine Tiefe von 10 mm hydrophobiert, zumindest aber bis auf eine Tiefe von 5 mm von der Oberfläche aus gemessen. Im Unterschied zu den hydrophobierten Bereichen der Randbetonzone ist der verbleibende Anteil des Betonfertigteils weitestgehend frei von hydrophobierenden Substanzen.
[0027] Selbstredend ist die hydrophobierte oder superhydrophobierte Oberfläche nur in jenen Bereichen ausgebildet, die bei der Betonage im Kontakt mit einer entsprechend vorbehandelten Schalung, bzw. Schalungshaut standen. Vorteile bestehen in einem auch bei geringfügigem Materialabtrag, der ggf. durch mechanische Belastung beim Gebrauch oder Verwitterung auftreten kann, dauerhaften Schutz vor eindringender Feuchtigkeit.
[0028] Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das vorgeschlagene Betonfertigteil ausgewählt unter: einem Fassadenelement, einem Dachstein, einem Mauerstein, einer Verblendung, einem Stadtmöbel, einer Sitzbank, einer Vase, einer Pflanzschale, einem Randstein, einem Pflasterstein, einer Schachtumfassung, einer Plastik, einer Fußplatte, einem Betonfuß, einem Zaunpfosten, einem Tragwerk, einer Verkleidung, einem
Fahrradständer, einer Leitfläche, einer Bake, oder einer Leitplanke. [0029] An derartige Betonelemente werden besondere Anforderungen hinsichtlich verminderter Wasseraufnahme / Hydrophobizität und dauerhafter Festigkeit gestellt.
Gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren hergestellte Betonelemente weisen eine längere Nutzungsdauer unter Beibehaltung der oben erläuterten vorteilhaften Eigenschaften auf.
[0030] Die beschriebenen Ausführungsformen können beliebig miteinander kombiniert werden.
[0031 ] Die vorstehend beschriebenen und nachfolgend weiter ergänzten und erläuterten Ausführungsformen bewirken eine dauerhafte Hydrophobierung von
Betonoberflächen zum Zwecke des Bautenschutzes und der Selbstreinigung. So erzeugte Betonfertigteile oder Bauteile aus Ortbeton weisen eine hydrophobe Oberfläche an Oberflächenabschnitten auf, die im Kontakt mit der mit Hydrophobierungsmittel vorbehandelten Schalungshaut abgebunden haben. Die Superhydrophobie der erzeugten Betonoberfläche zeigt sich an Hand des selbstständigen Abperlens von Flüssigkeiten, insbesondere von Niederschlägen wie Regen oder Tau und des so bewirkten Nicht-Haftens von Staub, Schmutz und Straßenkot (Selbstreinigung).
[0032] Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, vor der Betonage ein
Hydrophobierungsmittel auf die Schalungshaut aufzutragen und in einem Arbeitsgang mit der Herstellung des Betonteils dessen resultierende Randbetonzone und ihre äußere Oberfläche zu hydrophobieren. Auf diese Weise kann überaus kostengünstig eine hydrophobe bzw. superhydrophobe Betonoberfläche hergestellt werden. Im Unterschied zu bekannten Verfahren, durch hydrophobierende Nachbehandlung von festen
Betonoberflächen erzeugten hydrophoben bzw. superhydrophoben Betonoberflächen, ist eine wiederholt erneuerte Oberflächenvergütung durch Auftragen eines
Hydrophobierungsmittels typischerweise entbehrlich oder kann erstmals nach einer wesentlich längeren Nutzungsdauer, ggf. erstmals nach zehn Jahren erfolgen. Ganz im Gegenteil zu der mit andauernder Bewitterung überwiegend zu beobachtenden deutlich nachlassenden Hydrophobizität der auf bekannte Weise hydrophobierten Betonoberflächen hat eine Bewitterung der erfindungsgemäß unmittelbar mit dem Ausschalen freigestellten hydrophoben oder superhydrophoben Betonoberfläche nicht diese Wirkung und trägt bevorzugt zu der Verbesserung ihrer selbstreinigenden Eigenschaften bei. Wassertropfen perlen allein unter Einwirkung der Schwerkraft selbsttätig und/oder bei Einwirkung von Wind von der Betonoberfläche ab und nehmen dabei lose anhaftende Verunreinigungen mit, sodass das erhaltene Betonfertigteil selbstreinigende Oberflächen hat. Der
Selbstreinigungseffekt verstärkt sich mit längerer Bewitterung der frisch ausgeschalten Betonoberfläche. [0033] Vorteilhafte technische Wirkungen der so erzielten Betonoberfläche betreffen vor allem die Möglichkeit ihrer Reinigung bei auftreffenden Niederschlägen oder abperlendem Tau (Selbstreinigung). Vorteilhafte Anwendungen eines wie beschrieben hergestellten Betonfertigteils umfassen dessen Verwendung als selbstreinigendes und/oder mit verringertem Aufwand abwaschbares Fassadenelement, Mauerstein oder
beispielsweise als Verblendung. Ebenso können andere aus Beton gefertigte Formkörper, beispielsweise Stadtmöbel, Sitzbänke, Vasen, Pflanzschalen, Plastiken, Tragwerke, Verkleidungen, Signal- und Leitflächen, Autobahnleitplanken oder jegliche andere Betonbauten mit einer hydrophoben bzw. superhydrophoben Oberfläche ausgestattet werden, wenn die jeweils verwendete Schalung betonseitig wie beschrieben mit
Hydrophobierungsmittel versehen ist.
[0034] Vorteilhaft lassen sich wie beschrieben hydrophobierte Oberflächen und/oder superhydrophobierte Betonflächen aber auch aktiv mit verringertem Aufwand reinigen. Beispielsweise kann eine entsprechende Fassadenfläche leichter und/oder zu geringeren Kosten von unerwünschten Verunreinigungen (z.B. Farbe, Kleber-Rückständen, Vogel- Kot etc.) mit Hilfe eines Hochdruckreinigers befreit werden.
[0035] Zur weiteren Beschreibung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens, der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Vorrichtung und der erfindungsgemäß
vorgeschlagenen Verwendung werden zunächst einige der verwendeten Begriffe erläutert.
[0036] Ultrahochleistungsbeton: Ultra-High Performance Concrete (UHPC), zu Deutsch„Ultrahochleistungsbeton", (auch bezeichnet als ultrahochfester Beton) zeichnet sich im Vergleich zu Normalbeton durch ein sehr viel dichteres Gefüge aus, welches durch einen erhöhten Bindemittelgehalt, Begrenzung des Größtkorns der Gesteinskörnung (Zuschlag) und durch Minimierung des Wassergehalts erreicht wird. Die Zugabe von hocheffizienten Fließmitteln ermöglicht eine sehr gute Verarbeitbarkeit des frischen UHPC oder sogar selbstverdichtende Eigenschaften. Als Folge der erhöhten Gefügedichtheit verfügt UHPC im Vergleich zu Normalbeton über eine sehr viel höhere Festigkeit und Dauerhaftigkeit.
[0037] Hydrophobierungsmittel: Unter einem Hydrophobierungsmittel werden erfindungsgemäß Siliconate und siliziumorganische Verbindungen sowie metallorganische Verbindungen und Mikrowachse zusammengefasst. Ein Hydrophobierungsmittel ist in diesem Zusammenhang keines der im Betonbau eingesetzten Trennmittel, also z.B. keine herkömmlichen Wachse, Harze oder Öle, auch kein Siliconöl. [0038] Als siliziumorganische Verbindung wird eine Verbindung bezeichnet, die entweder zumindest eine kovalente chemische Bindung zwischen einem Kohlenstoffatom und einem Siliziumatom (Si-C) aufweist oder eine Verbindung in der zumindest ein Kohlenstoff über zumindest ein Sauerstoff-, Stickstoff- oder Schwefel- Atom an ein
Siliziumatom gebunden ist. Siliziumorganische Verbindungen können allgemein durch die Formel RnSiX4_n beschrieben werden. Hierbei stellt R einen organischen Rest dar, wie z. B. ein Aliphat, einen Aromaten, oder einen Heterocyclus. Das Zeichen n ist entsprechend der Wertigkeit des Siliziums eine ganze Zahl von 1 bis 4. Das Zeichen X steht für
verschiedene Gruppen, z.B. für Wasserstoff / H; einen organischen Rest / R; eine
Hydroxylgruppe / OH, woraus sich ergibt, dass die siliziumorganische Verbindung ein Organosilanol ist; ein Chlor- Atom / Cl, woraus sich ergibt, dass die siliziumorganische Verbindung ein Organochlorsilan ist; eine Verknüpfung von Sauerstoff mit Silizium (-Si- O-Si-), was ein Silicon oder ein Siloxan ergibt; eine Verknüpfung von Stickstoff mit Silizium (-Si-N(H) -Si-), (-Si-N(R)-Si-), woraus sich ergibt, dass die siliziumorganische Verbindung ein Silazan ist; oder eine Verknüpfung von Kohlenstoff mit Silizium (-Si-C- Si-), d.h. ein Carbosilan, z.B.: -Si-C(H2) -Si-, -Si-C(CH3)2 -Si-, -Si-C(C2H5) 2-Si-.
[0039] Hydrophobierung von Bauwerken: Hydrophobierungen werden u.a. im
Rahmen von Schutz- und Instandsetzungsarbeiten an Betonbauten eingesetzt, um das kapillare Einsaugen von Wasser einschließlich der transportierten Schadstoffe (zeitlich begrenzt) zu behindern [1]. In diesem Fall werden hydrophobierende Mittel auf die erhärtete Betonoberfläche aufgetragen. Die Dauerhaftigkeit der Hydrophobierung hängt dabei maßgeblich von der Eindringtiefe des Hydrophobierungsmittels in den Beton ab [2]. Erfahrungsgemäß lässt die Wirkung dieser Art von Hydrophobierung innerhalb weniger Jahre nach, weshalb sie in regelmäßigen Abständen wiederholt bzw. erneuert werden muss. Eine zweite Möglichkeit der Hydrophobierung von Betonbauteilen besteht in der Zugabe hydrophobierender Zusatzmittel bei der Betonherstellung. Auf diese Weise kann zwar die Dauerhaftigkeit der Hydrophobierung im Vergleich zu einem nachträglichen Auftrag eines Hydrophobierungsmittels erhöht werden. Allerdings ist diese Art der Hydrophobierung von massiven Betonbauteilen unwirtschaftlich, da sich das Hydrophobierungsmittel nicht nur an der Betonoberfläche sondern auch im Inneren des Betons befindet, wo es nicht erforderlich ist. Diese Art der Hydrophobierung beschränkt sich deshalb im Wesentlichen auf Instandsetzungsmörtel [3] und Fugenmörtel für den Mauerwerksbau. Darüber hinaus führen Hydrophobierungsmittel bei Dosierungen, die eine wirksame Hydrophobierung bewirken, zu einer Verzögerung der Zementhydratation und zu einer deutlichen
Verringerung der Betonfestigkeit.
[0040] Kontaktwinkel: Als Kontaktwinkel wird der Winkel bezeichnet, den ein Flüssigkeitstropfen auf der Oberfläche eines Feststoffs zu dieser Oberfläche bildet. Je höher der Kontaktwinkel einer Flüssigkeit auf einer Festkörperoberfläche ist, desto geringer ist die Benetzbarkeit der Oberfläche für diese Flüssigkeit. Bei der Verwendung von Wasser werden die Oberflächeneigenschaften eines Festkörpers in Abhängigkeit vom Kontaktwinkel üblicherweise wie folgt bezeichnet:
Kontaktwinkel von 0 ° bis etwa 90 °: hydrophil;
Kontaktwinkel von etwa 90 ° bis etwa 140 °: hydrophob;
Kontaktwinkel ab etwa 140 °: superhydrophob.
[0041 ] Dem populären Lotuseffekt technischer Oberflächen wird eine
Superhydrophobizität der betreffenden Oberfläche zugeschrieben. Von einer
superhydrophoben Oberfläche perlt Wasser in nahezu ideal runden Tropfen ab (vgl. Blatt der Lotuspflanze). Das erfolgt typischerweise bei Kontaktwinkeln ab 130 bis 140 Grad. Insbesondere werden Oberflächen mit Kontaktwinkeln für Wassertröpfchen im Bereich ab 135 bis 150 Grad als superhydrophob bezeichnet.
[0042] Abrollwinkel: Als Abrollwinkel wird derjenige Winkel bezeichnet, um den die Oberfläche eines Festkörpers aus der Waagerechten in die Senkrechte gedreht werden muss, damit ein auf die Oberfläche aufgesetzter Wassertropfen abrollt. Je geringer der Abrollwinkel einer Flüssigkeit auf einer Festkörperoberfläche ist, desto besser sind ihre selbstreinigenden Eigenschaften. Eigene Untersuchungen haben gezeigt, dass der
Abrollwinkel auch dann abnehmen kann, wenn der Kontaktwinkel ebenfalls sinkt.
[0043] Randbetonzonenoberfläche: Im vorliegenden Zusammenhang diejenige Oberfläche des Beton(prüf)körpers, der im Kontakt mit der Schalung, insbesondere mit der Schalungshaut stand. Die Randbetonzonenoberfläche ist somit die Oberfläche des
Randbetons des Betonkörpers. Unter dem Randbeton wird in diesem Zusammenhang eine Betonzone bis 20 mm Tiefe, insbesondere bis 10 mm Tiefe, bevorzugt bis 5 mm Tiefe von der äußeren Oberfläche aus (gemessen an Hand eines rechtwinklig zur
Oberflächennormale ausgeführten Querschliffs) verstanden. Die
Randbetonzonenoberfläche wird mit dem Entformen, bzw. Ausschalen freigelegt. Nach der Bewitterung des Betonprüfkörpers wurden Messungen von Kontakt- und Abrollwinkeln ausschließlich an Randbetonzonenoberflächen vorgenommen.
[0044] Zur Ermittlung der Effizienz der unterschiedlichen Verfahren zur
Hydrophobierung von UHPC-Oberflächen wurden gemäß den nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispielen unterschiedliche Prüfkörper hergestellt. [0045] Es wurden die wasserabweisenden Eigenschaften ausgeschalter Oberflächen mittels Messung der Kontakt- und Abrollwinkel von aufgetragenen Wassertropfen mit einem Kontaktwinkelmessgerät (Dataphysics OCA 35XLH) analysiert. Der Kontaktwinkel wurde dabei anhand der Kontur des Wassertropfens 30 Sekunden nach dessen Absetzen auf die Probenoberfläche ermittelt. Mit Hilfe einer Kamera wurde ein Bild des Tropfens aufgenommen und in die Tropfenkonturanalyse-Software des Geräts übertragen. Nach der Konturerkennung wurde in einem zweiten Schritt ein die Tropfenkontur beschreibendes, geometrisches Modell (Ellipse) an die Kontur gefittet. Der Kontaktwinkel ergab sich aus dem Winkel zwischen der ermittelten Tropfenkontur-Funktion und der Probenoberfläche (Mittelwert aus linkem und rechtem Kontaktwinkel). An jedem Prüfkörper wurde die Messung des Kontaktwinkels jeweils an fünf verschiedenen, vorab definierten Stellen wiederholt. Die Messung des Abrollwinkels erfolgte 5 Sekunden nach dem Absetzen des Wassertropfens auf der Probenoberfläche. Der Messtisch mit der befestigten Probe wurde computergesteuert aus der Waagerechten in die Senkrechte bewegt. Die Gerätesoftware ermittelte in 1/10 ° Schritten die Position des Tisches und stoppte den Vorgang der Rotation sobald der Tropfen von der Oberfläche abrollte. Der jeweilige Wert des
Rotationswinkels des Messtisches (gleichbedeutend mit dem Wert des Abrollwinkels) wurde dabei gespeichert. An jedem Prüfkörper wurde die Messung des Abrollwinkels jeweils an drei verschiedenen, vorab definierten Stellen wiederholt. Für alle Messreihen wurde Leitungswasser (Berlin-Dahlem) verwendet. Die automatisch dosierten
Wassertropfen hatten ein Volumen von 22 μΐ. Die erste Messreihe erfolgte 14 Tage nach der Herstellung der Prüfkörper. Anschließend wurden die Messungen jeweils nach den einzelnen im Folgenden beschriebenen Alterungsverfahren (künstliche Probenalterung) durchgeführt.
[0046] Die Prüfkörper hatten Abmessungen (Breite x Länge x Höhe) von
100 mm x 100 mm x 20 mm und wurden aus UHCP hergestellt. Der UHPC hatte die folgende Zusammensetzung:
- Zement (CEM II /B-S 52,5 R): 620 kg/m3
- Quarzmehl: 430 kg/m3
- Sand (0-2 mm): 1150 kg/m3
- Wasser: 178,5 kg/m3
- Fließmittel (PCE): 17,85 kg/m3
Der Wasserzementwert w/z ergibt sich als Masseverhältnis von Wasser zu Zement zu w/z = 0,29 ohne Berücksichtigung des Wassergehalts des zugesetzten Fließmittels. [0047] Es wurden zwei Verfahren der Hydrophobierung angewendet. Sie unterscheiden sich hinsichtlich des Zeitpunkts der Aufbringung des
Hydrophobierungsmittels .
Auftrag des Hydrophobierungsmittels auf die Schalhaut
[0048] Der Frischbeton (UHPC) wurde in eine Schalung gegossen, deren Boden mit einem Textil ausgelegt war. Unmittelbar vor der Betonage wurden mit einem Pinsel Hydrophobierungsmittel (500 g/m2) auf das Textil aufgetragen, sodass das Textil vollständig benetzt war. Nach 24 Stunden wurde der Beton ausgeschalt. Es erfolgte keine Behandlung der Randbetonzonenoberfläche mit Hydrophobierungsmittel.
[0049] Dieses erfindungsgemäße Verfahren, d. h. der Vorabauftrag eines
Hydrophobierungsmittels auf die Schalungshaut einer Betonschalung zum Zwecke der dauerhaften Hydrophobierung einer Betonoberfläche des in der Schalung erstarrten Betons wurde unserer Kenntnis nach erstmalig angewendet.
[0050] Die Art des Textils ist für das erfindungsgemäße Verfahren von
untergeordneter Bedeutung. Wesentlich ist die Benetzbarkeit des Schalungsbodens mit dem Hydrophobierungsmittel. Textile Schalungsbahnen können verwendet werden, um auf Grund der Saugwirkung des Textils den w/z-Wert (das Masseverhältnis von Wasser zu Zement) im Randbeton zu senken und so die Ausbildung von Lunkern in der
Betonoberfläche zu vermeiden [4]. Andere Anwendungen von Textilien hatten auch eine Strukturierung der Betonoberfläche zum Zweck, um in Verbindung mit einer wie nachfolgend beschriebenen nachträglichen Behandlung der Betonoberfläche mit
Hydrophobierungsmitteln die Hydrophobizität der Betonoberfläche zu erhöhen [5].
Nachträgliche Hydrophobierung
[0051] Der Frischbeton (UHPC) wurde in eine Schalung gegossen, deren Boden mit einem Textil ausgelegt war. Nach 24 Stunden wurde der Beton ausgeschalt und die Randbetonzonenoberfläche des Betons mit Hydrophobierungsmitteln behandelt
(Aufpinseln einer Hydrophobierungsmittelmenge von 500 g/m2). Dieses Verfahren wird üblicherweise zur Hydrophobierung von Bauteilen eingesetzt.
Künstliche Alterung der Prüfköper
[0052] Nach ihrer Herstellung wurden die Prüfkörper 14 Tage bei 23 °C und 50 % rel. Luftfeuchte gelagert, um die chemischen Prozesse zur Ausbildung der Hydrophobierung nicht zu stören. Danach wurden sie den nachfolgend beschriebenen Beanspruchungen ausgesetzt, um die hydrophobierten Oberflächen der Prüfkörper künstlich zu altern. Die Beanspruchungen erfolgten zeitlich nacheinander, wobei zwischen den einzelnen
Beanspruchungen die Prüfkörperoberflächen durch Messung von Kontakt- und
Abrollwinkeln untersucht wurden.
[0053] Es wurden die folgenden drei verschiedenen Alterungsverfahren eingesetzt. Die künstliche Bewitterung (Nr. 3) erfolgte in Anlehnung an DIN EN 13687-2:2002 [6] und DIN EN 13687-3:2002 [7]. Zusätzlich zu den in diesen Prüfvorschriften genannten Beanspruchungen wurden die Probenoberflächen über die gesamte Dauer der
(klimatischen) Beanspruchung mit UV-A (340 nm mit 40 W/m2, Typ 1 A, fluoreszent nach ISO 4892-3, Hersteller: Atlas MTT) bestrahlt.
1) 7 Tage bei +30 °C und 50 % relativer Luftfeuchte und anschließend 7 Tage bei +45 °C und 50 % relativer Luftfeucht
2) 7 Tage bei +60 °C und 50 % relativer Luftfeuchte mit UV-A-Bestrahlung während des gesamten Zeitraums
3) 35 Tage künstliche Bewitterung mit durchgehender UV-A-Bestrahlung
in 149 Zyklen mit jeweils:
3 Stunden bei +60 °C ohne Luftfeuchteregelung
1 Stunde Abkühlung mit Beregnung (auf +10 °C gekühltes
Spritzwasser)
2 Stunden bei -6,5 °C ohne Luftfeuchteregelung
[0054] Die erhaltenen Ergebnisse sind grafisch in den beiliegenden Zeichnungen zusammenfassend dargestellt. Die Zeichnungen veranschaulichen Ausführungsformen und dienen zusammen mit der Beschreibung der Erläuterung der Prinzipien der Erfindung. zeigt Kontaktwinkel vor und nach Bewitterung der Prüfkörper vergleichend für die beiden vorgenannten Verfahren zur Hydrophobierung der
Randbetonzonenoberflächen (Hydrophobierungsmittel vor der Betonage auf Schalungshaut / Hydrophobierungsmitteln nachträglich aufgebracht); Figur 2 zeigt Abrollwinkel vor und nach Bewitterung der Prüfkörper vergleichend für die beiden vorgenannten Verfahren zur Hydrophobierung der
Randbetonzonenoberflächen (Hydrophobierungsmittel vor der Betonage auf Schalungshaut / Hydrophobierungsmitteln nachträglich aufgebracht).
[0055] Kommerziell verfügbare Hydrophobierungsmittel werden üblicherweise für die Behandlung von grobkeramischen Erzeugnissen unmittelbar nach der Produktion (z.B.: Dachziegel, Vormauerziegel, Bodenplatten, Blumentöpfe); von Porenbeton; von Gips- und Gipsfaserplatten und anderen mineralischen Baustoffen verwendet. Sie basieren zumeist auf Silanen, Siloxanen und Siliconaten. Moleküle geeigneter Substanzen sind entweder per se zumindest abschnittsweise hydrophob oder bilden ihre wasserabweisenden
Eigenschaften auf dem Baustoff typischerweise durch Reaktion mit Kohlensäure aus der Luft oder bei der Hydrolyse aus. Das dabei entstehende Endprodukt ist ein Silikonharz, z.B. Polymethylkieselsäure. Andere übliche Hydrophobierungsmittel basieren auf metallorganischen Verbindungen, wie z. B. Aluminium-, Calcium- oder Zinkstearat.
Zunehmend werden auch Paraffine (Mikrowachse) eingesetzt.
[0056] Erfindungsgemäß wurden beispielhaft die in der nachfolgenden Tabelle 1 angeführten Hydrophobierungsmittel, umfassend Silane, Siloxane und Siliconate verwendet. Jedoch können auch andere siliziumorganische bzw. die anderen vorangehend genannten Verbindungen verwendet werden:
- Silanester, z.B.: CH3(CH2)7Si(OCH2CH3)3 (Octyltriethoxysilan);
CH3Si(OCH2CH3)3 (Methyltriethoxysilan); CH3Si(OCH3)3 (Methylmethoxysilan);
- Vinylsilane, z.B.: CH2=CHSi(OCH2CH3)3 (Vinyltriethoxysilan);
CH2=CHSi(OCH3)3 (Vinylmethoxysilan);
Epoxysilane, z.B.: Gamma-Glycidoxypropyltrimethoxysilan; Gamma- Glycidoxypropyltriethoxysilan
- metall-organische Verbindungen, z. B.: Zn(CigH3502)2 (Zinkstearat); C54H105AIO6 (Aluminiumstearat);
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(Aluminiumdistearat); C54H105AIO6
(Aluminiumtristearat); C36H7oCa04 (Calciumstearat); mikrokristalline Wachse (Paraffin).
Die Auswahl bevorzugter Hydrophobierungsmittel kann beispielsweise basierend auf der kommerziellen Verfügbarkeit, dem aktuellen Listenpreis, der Reaktivität (z. B. Hydrolisierbarkeit) unter den typischerweise alkalischen Bedingungen des Frischbetons erfolgen.
Tabelle 1 Hydrophobierungsmittel
Figure imgf000015_0001
[0057] Figur 1 zeigt die Ergebnisse der Kontaktwinkelmessungen. Auf der linken Seite sind die Kontaktwinkel auf den Prüfkörpern dargestellt, bei denen die
Hydrophobierungsmittel, wie erfindungsgemäß vorgeschlagen, unmittelbar vor der Betonage auf die Schalungshaut aufgetragen wurde und keine nachträgliche Behandlung mit Hydrophobierungsmittel erfolgte. Auf der rechten Seite sind zum Vergleich die Kontaktwinkel auf den Prüfkörpern dargestellt, die auf die unbehandelte Schalung betoniert und deren Oberfläche nach dem Entschalen nachträglich mit den
Hydrophobierungsmitteln behandelt wurden. Bei dem Vorabauftrag der
Hydrophobierungsmittel auf die Schalung wurden im Vergleich zum nachträglichen Auftrag der Hydrophobierungsmittel deutlich höhere Kontaktwinkel erreicht. Im Falle der Mittel HM1 und HM4 wurden bis vor der künstlichen Bewitterung (Messungen 0 bis 2) Kontaktwinkel > 140 ° gemessen, was einer superhydrophoben Oberfläche entspricht. Bei allen Mitteln wurden nach der Bewitterung (Messung 3) Kontaktwinkel deutlich > 90 ° erreicht. Bei nachträglichem Auftrag der Hydrophobierungsmittel wurden mit den Mitteln HM1 und HM2 anfangs zwar Kontaktwinkel von mehr als 90 ° erreicht. Diese sanken infolge der künstlichen Bewitterung aber auf deutlich unter 90 °. Die Wirksamkeit von Mittel HM3 war bei nachträglichem Auftrag auf die Betonoberfläche anfangs kleiner, als wenn es erfindungsgemäß vorab auf die Schalung aufgetragen wurde. Erst nach der künstlichen Bewitterung war die Wirksamkeit von HM3 bei beiden
Hydrophobierungsarten vergleichbar. Die höchsten Kontaktwinkel bei nachträglichem Auftrag, d. h. die wirksamste Hydrophobierung, wurde mit dem Mittel HM4 erzielt. Dieses Mittel war bei nachträglichem Auftrag ähnlich wirksam wie beim Vorabauftrag auf die Schalung.
[0058] Figur 2 zeigt die Ergebnisse der Abrollwinkelmessungen. Auf der linken Seite sind die Abrollwinkel auf den Prüfkörpern dargestellt, bei denen die
Hydrophobierungsmittel, wie erfindungsgemäß vorgeschlagen, unmittelbar vor der Betonage auf die Schalung aufgetragen wurden und keine nachträgliche Behandlung mit Hydrophobierungsmittel erfolgte. Auf der rechten Seite sind zum Vergleich die
Abrollwinkel auf den Prüfkörpern dargestellt, die auf die unbehandelte Schalung betoniert und deren Oberfläche nach dem Entschalen nachträglich mit den Hydrophobierungsmitteln behandelt wurden. Diese Darstellung belegt deutlich die höhere Effizienz der
erfindungsgemäß vorgeschlagenen Hydrophobierungsart. Mit Ausnahme des Mittels HM2 wurden vor der Bewitterung relativ niedrige Abrollwinkel gemessen und auch nach Abschluss der Bewitterung konnte ein Abperlen der Wassertropfen festgestellt werden. Überraschenderweise stellte sich diese Eigenschaft bei dem Mittel HM2 erst im Zuge der Bewitterungsversuche ein. Bei nachträglichem Auftrag der Hydrophobierungsmittel konnten mit Ausnahme des Mittels HM4 keine Abrollwinkel gemessen werden. D. h. die Wassertropfen sind nicht von der Oberfläche abgerollt, sondern blieben selbst bei einer Drehung der Prüfkörper bis zu 90 ° auf der Oberfläche haften. Bei HM4, also das einzige Hydrophobierungsmittel aus der Testreihe, mit dem überhaupt Abrollwinkel verlässlich gemessen werden konnten, nahmen die Abrollwinkel bis zur Bewitterung stetig ab. Das heißt, das Vermögen eines Wassertropfens, von der Betonoberfläche abzuperlen, wurde besser. Eine anschließende Bewitterung des Prüfkörpers führte allerdings zu einer
Verschlechterung dieser Eigenschaft.
[0059] An Hand der vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele wurde untersucht, welchen Einfluss die Art des Aufbringens von Hydrophobierungsmitteln auf die Ausprägung und die Dauerhaftigkeit der Hydrophobierung einer Betonoberfiäche (UHPC) hat. Wie ersichtlich, ist eine nachträgliche Imprägnierung der Betonoberfläche deutlich weniger wirksam in Hinsicht auf eine Hydrophobizität der erhaltenen
Randbetonzonenoberfläche. Die erzielte Hydrophobierung (Superhydrophobierung) ist deutlich weniger dauerhaft, als die, welche mit dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren erhalten wurde. Damit führt ein Aufbringen des Hydrophobierungsmittels auf die Schalung (Substrat), bzw. auf eine Schalungshaut unmittelbar vor der Betonage allein oder in Kombination mit einer anschließenden Bewitterung zur Ausbildung einer dauerhaft hydrophoben und/oder superhydrophoben Betonoberfiäche.
[0060] Ursache hierfür ist vermutlich, dass das Hydrophobierungsmittel bei einer nachträglichen Imprägnierung nicht ausreichend tief in den erhärteten Beton eindringen kann, während durch den erfindungsgemäßen Vorabauftrag der Hydrophobierungsmittel auf die Schalung und unmittelbar anschließender Betonage die Wirkstoffe der
Hydrophobierungsmittel effektiv und dauerhaft in den Zementstein an der Betonoberfläche und im Randbeton eingebunden und bei Bewitterung kontinuierlich freigelegt werden.
[0061] Die zunächst trockene Schalung bzw. Schalungshaut wird zumindest oberflächlich, typischerweise jedoch vollständig mit Hydrophobierungsmittel benetzt. Auch eine ansonsten saugende Schalungshaut kann somit kein Wasser mehr aus dem Frischbeton aufnehmen. Das Hydrophobierungsmittel steht für die Hydrophobierung des abbindenden Zementsteins bereit.
[0062] Erfindungsgemäß werden somit die bei einer saugenden Schalung im
Randbeton ablaufenden Transportprozesse umgekehrt. Der mit dem Abbinden bzw. der Hydratation verbundene Wasserverbrauch führt zu einem kapillaren Transport des
Hydrophobierungsmittels von der Schalungshaut in den Randbeton.
[0063] Gemäß den hier beschriebenen Ausführungsformen wird eine hydrophobe bzw. superhydrophobe Betonoberfläche ohne eine PDMS-Schalung [8] erzielt. Eine PDMS umfassende Strukturfläche mit typischen Strukturtiefen im Mikrometerbereich ist typischerweise anfällig für eine Kontamination durch Stäube. Eine Verunreinigung der PDMS-Form mit Feinstäuben und/oder bei Berührung durch die Hand führt zu einer drastischen Änderung der Oberflächeneigenschaften des PDMS: Strukturen werden nivelliert und das PDMS verliert seine Hydrophobizität. Feinstäube sind unter den
Praxisbedingungen der Herstellung von Betonfertigteilen jedoch kaum oder nur mit sehr hohem Aufwand zu vermeiden. Auch ist das sachgerechte Auslegen von großflächigen PDMS-Gebilden in eine konventionelle Schalung kaum ohne zusätzliches Handanlegen möglich. Bekanntermaßen sind großflächige PDMS-Substrate allein schon wegen der Materialdichte des PDMS anfällig für Risse und neigen auf Grund der ausgeprägten Klebrigkeit zur Ausbildung von Falten, sobald Abschnitte der Oberfläche miteinander in Kontakt kommen. Diese Nachteile weist das erfindungsgemäß vorgeschlagene
Hydrophobierungsverfahren nicht auf. Die Schalung bzw. die Schalungshaut kann erforderlichenfalls zwecks großflächigem und gleichmäßigem Auftragen des
Hydrophobierungsmittels sogar begangen werden, ohne dass die Oberfläche der Schalung bzw. der Schalungshaut oder die mit dem Hydrophobierungsmittel beschichtete Oberfläche der Schalung bzw. der Schalungshaut beschädigt wird oder ihre technische Wirkung verliert. Während bisher bekannte Verfahren der nachträglichen Hydrophobierung von Randbetonzonenoberfiächen eine geringe Effektivität und deutlich verminderte
Dauerhaftigkeit der erreichten Hydrophobierung aufweisen, gelingt es mit dem
vorgeschlagenen Verfahren, den erreichten Hydrophobierungseffekt zu verstärken und bei Bewitterung sogar weiter zu steigern. Das sonst erst mehrere Wochen nach Herstellung auf den ausgeschalten Beton erfolgende Auftragen eines Hydrophobierungsmittels verzögert den Bauablauf. Weiterhin ist bei nachträglichem Auftrag des Hydrophobierungsmittels auf den Beton eine homogene Hydrophobierung der Betonfiäche erschwert, sodass bei zu sattem Auftrag farbliche weiße Ausblühungen oder speckig glänzende Flächen auftreten können. Es hat den zusätzlichen Nachteil eines verzögerten Arbeitsablaufes. Das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren des Auftrags des Hydrophobierungsmittels auf der Schalung bzw. Schalungshaut hat diese Nachteile nicht. Es resultiert in einer optisch gleichmäßigen Oberfläche, die durchgehend hydrophobiert ist.
[0064] Die Verwendung von Hydrophobierungsmitteln als Massezusatzmittel hat den Nachteil einer verzögerten Entwicklung der Festigkeit des Betons. Der deutlich erhöhte Bedarf an Hydrophobierungsmittel verursacht höhere Kosten. Insgesamt wird die
Effektivität eines Betonwerkes nachteilig gemindert, da die Fertigung von
Betonfertigteilen verzögert ist. Das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren des Auftrags des Hydrophobierungsmittels auf der Schalungshaut hat diese Nachteile nicht, sondern erlaubt eine Steigerung des Durchsatzes eines Betonfertigteilwerkes bei verringerten Kosten und bewirkt somit eine spürbare Steigerung der Effektivität.
[0065] Eine Bewitterung konventionell hydrophobierter Betonflächen führt typischerweise zum Nachlassen der Hydrophobizität gerade der exponierten Flächen. Die Oberflächenbehandlung muss deshalb stets erneut vorgenommen werden. Eine mittels Einmischen von Hydrophobierungsmittel in den Frischbeton erreichbare Hydrophobierung von Betonteilen wird mit gesteigerten Kosten durch unnötig erhöhten Bedarf an
Hydrophobierungsmittel und verlangsamtes Abbinden und deshalb verzögertem Bauablauf erkauft.
[0066] Insgesamt wird erfindungsgemäß die Effektivität und die Dauerhaftigkeit der Hydrophobierung von Betonoberfiächen gegenüber einer konventionellen Nachbehandlung des Betons oder gegenüber dem Zusatz eines Hydrophobierungsmittels in den Frischbeton deutlich erhöht, ohne die Eigenschaften des Betons (z. B. Erstarrung, Festigkeit) nachteilig zu beeinflussen. Die so erhaltenen hydrophoben, bzw. superhydrophoben und
selbstreinigenden Betonoberfiächen (Lotus-Effekt) ermöglichen eine kostengünstige und dauerhafte Hydrophobierung von Betonoberfiächen. Die Anwendung des Verfahrens ist für alle am Bautenschutz interessierten Kreise von Interesse, insbesondere für die
Betonfertigteilindustrie, Architekten und Bauherren.
[0067] Zusammenfassend wird vorgeschlagen, ein flüssiges oder pastöses oder pastös gemachtes Hydrophobierungsmittel, basierend auf einer oder mehreren siliziumorganischen oder metallorganischen Verbindungen oder einem mikrokristallinen Wachs auf eine Schalungsoberfläche oder auf eine Substratoberfläche einer Schalung bzw. Gussform für Frischbeton aufzutragen. Die Betonage auf eine solcherart präparierte Fläche ermöglicht die Integration des Hydrophobierungsmittels in den Hydratationsprozess des Zements. Das Hydrophobierungsmittel wird dadurch effektiv und dauerhaft in den
Zementstein der Randbetonzone eingebunden und verleiht dem so gefertigten
Betonelement eine hydrophobe oder superhydrophobe Oberfläche.
[0068] Die vorliegende Erfindung wurde anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Diese Ausführungsbeispiele sollten keinesfalls als einschränkend für die vorliegende Erfindung verstanden werden. Die nachfolgenden Ansprüche stellen einen ersten, nicht bindenden Versuch dar, die Erfindung allgemein zu definieren.
Quellenverzeichnis
[1] DAfStb-Richtlinie Schutz und Instandsetzung von Betonbauteilen
(Instandsetzungsrichtlinie) - Teil 1 : Allgemeine Regelungen und Planungsgrundsätze, Ausgabe Oktober 2001.
[2] K. Hankvist, F. Karlsson: Gel Impregnation of Concrete - Theoretical Results and Practical Experiences. Hydrophobe III - 3 rd Int. Conf. on Surface Technology with Water Repellent Agents, Hannover, 25-26 September 2001, 93-109.
[3] L. Falchi, U. Müller, P. Fontana, F. Izzo, E. Zendri: Influence and effectiveness of water-repellent admixtures on pozzolana-lime mortars for restoration application. Construction and Building Materials 49 (2013), 272-280.
[4] http://www.baunetzwissen.de/standardartikel/Beton_Schalungshaut-und- Oberflaechenstrukturen l 51032.html.
[5] K. Malaga, A. Lundahl, M.A. Kargol: Use of Technical Textile to Obtain Sustainable Easy to Clean Concrete Surface. Hydrophobe VI - 6th Intern. Conf. on Water
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[6] DIN EN 13687-2 (05-2002): Produkte und Systeme für den Schutz und die
Instandsetzung von Betontragwerken, Prüfverfahren: Bestimmung der
Temperaturwechselverträglichkeit Teil 2: Gewitterregenbeanspruchung
(Temperaturschock).
[7] DIN EN 13687-3 (05-2002): Produkte und Systeme für den Schutz und die
Instandsetzung von Betontragwerken, Prüfverfahren: Bestimmung der
Temperaturwechselverträglichkeit Teil 3 : Temperaturwechselbeanspruchung ohne Tausalzangriff.
[8] M. Horgnies, J.-J. Chen (2014) Superhydrophobic concrete surfaces with integrated microtexture; Cement and Concrete Composites. 52 (September 2014): 81-90.

Claims

Patentansprüche
1. Herstellungsverfahren für ein Betonelement, umfassend eine hydrophobe und/oder eine superhydrophobe Oberfläche, umfassend:
Bereitstellen einer Schalung, umfassend eine Schalungshaut;
Beschichten der Schalungshaut mit einem Hydrophobierungsmittel;
Einbringen eines Frischbetons in die Schalung;
Ausschalen des nach dem Abbinden des Frischbetons ausgebildeten Betonelements.
2. Herstellungsverfahren gemäß Anspruch 1, wobei der Frischbeton ausgewählt ist unter einer Betonmischung, umfassend: einen Zement; eine Gesteinskörnung natürlichen oder künstlichen Ursprungs, wobei eine maximale Korngröße der Gesteinskörnung 32 mm beträgt; ein Gesteinsmehl natürlichen oder künstlichen Ursprungs oder einen anderen als Betonzusatzstoff bekannten oder zugelassenen Stoff, ausgewählt unter einer Stein- oder Braunkohlenflugasche, einem Trass, einer Mikrosilica oder einem Silicastaub, einem Hüttensandmehl oder einem gemahlenen Reststoff einer Erzverhüttung;
Wasser.
3. Herstellungsverfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das
Hydrophobierungsmittel ausgewählt ist unter: einem Silan; einem Siloxan und/oder einem Siliconat.
4. Herstellungsverfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das
Hydrophobierungsmittel ausgewählt ist unter: einem Salz der Stearinsäure.
5. Herstellungsverfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das
Hydrophobierungsmittel ausgewählt ist unter: einem mikrokristallinen Wachs (Mikro wachs).
6. Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei das Siliconat
ausgewählt ist unter: einem Alkali-Monomethyl-, einem Alkali-Monoethyl-, einem Alkali-Monopropyl-, oder einem Alkali-Monobutyl-Siliconat.
7. Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei das Silan ausgewählt ist unter: einem iso-Octyltriethoxysilan, einem n- Octyltriethoxysilan oder einem anderen Alkylalkoxysilan.
8. Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei das Siloxan
ausgewählt ist unter: einem Alklyalkoxysiloxan.
9. Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 4, 6, 7 und 8, wobei das Salz der Stearinsäure ausgewählt ist unter: einem Zink, Aluminium- oder Calciumstearat. Herstellungsverfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das
Beschichten der Schalungshaut durch Aufgießen, Fluten, Aufsprühen, Aufspritzen, Aufpinseln, Aufspachteln, Aufrollen oder Rakeln erfolgt.
Herstellungsverfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, umfassend ein vollflächiges Benetzen der Schalungshaut mit dem Hydrophobierungsmittel.
12. Herstellungsverfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das
Beschichten der Schalungshaut mit dem Hydrophobierungsmittel unmittelbar vor dem Einbringen des Frischbetons in die Schalung erfolgt, sodass ein kapillarer Transport des Hydrophobierungsmittels von der Schalungshaut in einen Randbeton erfolgt.
13. Herstellungsverfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, weiter umfassend:
Hydrophobieren einer Randbetonzone.
14. Betonfertigteil oder Ortbeton, umfassend eine Randbetonzone und eine die
Randbetonzone gegenüber einer äußeren Umgebung abschließende hydrophobe oder superhydrophobe Oberfläche, wobei eine hydrophobierende Substanz, ausgewählt unter einer silizium- oder metallorganischen Verbindung oder einem Mikrowachs, in der Randbetonzone bis auf eine Tiefe von zumindest 5 mm vorliegt, während ein verbleibender Anteil des Betonfertigteils weitestgehend frei von der
hydrophobierenden Substanz ist.
15. Betonfertigteil nach Anspruch 14, wobei das Betonfertigteil ausgewählt ist unter: einem Fassadenelement, einem Dachstein, einem Mauerstein, einer Verblendung, einem Stadtmöbel, einer Sitzbank, einer Vase, einer Pflanzschale, einem Randstein, einem Pflasterstein, einer Schachtumfassung, einer Plastik, einer Fußplatte, einem Betonfuß, einem Zaunpfosten, einem Tragwerk, einer Verkleidung, einem
Fahrradständer, einer Leitfläche, einer Bake, oder einer Leitplanke.
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