Hydraulisches Bindemittel für Beton oder Mörtel

Beschreibung:

Die Erfindung betrifft ein hydraulisches Bindemittel für Beton oder Mörtel, insbesondere für im Trocken- oder im Naßspritz¬ verfahren zu verarbeitenden Beton oder Mörtel, vorzugsweise Tunnelbeton, mit einem Gehalt an handelsüblichem Zement, wie Flugaschezement, Schlackezement und gegebenenfalls Zuschlag- Stoffen und mit einem Gehalt an Feinzement und/oder Feinklin¬ ker.

Das Bindemittel gemäß der Erfindung ist insbesondere für Spritzbeton oder -mörtel zur Erzeugung eines umweltgerechten Spritzbetones bei beliebiger (herkömmlicher) Spritztechnik (Trocken- und Naßspritzverfahren) geeignet. Allgemein kann das erfindungsgemäße Bindemittel überall dort eingesetzt werden, wo es auf ein schnelles Erstarren und eine hohe Frühfestigkeit ankommt. Als Beispiele können zusätzlich zu der Verwendung in Spritzbeton und -mörtel der Einsatz in der Betonfertigteilin¬ dustrie, bei der Erzeugung von zemen gebundenen Holzfaserplat¬ ten und bei der Herstellung von Betonrohren erwähnt werden.

Spritzbeton wird bei der sogenannten "neuen österr. Tunnel- bauweise" im Naß- oder Trockenspritzverfahren eingebaut und ist eine der wichtigsten Stützmaßnahmen. Werden ausreichende Druckfestigkeiten und Schichtdicken erzielt, kann die Spritz¬ betonschicht für den endgültigen Tunnelausbau statisch mither¬ angezogen werden. Beim Trockenspritzverfahren wird der ge- trocknete Zuschlag mit dem Zement gemischt bzw. als fertige Mischung zur Baustelle angeliefert und erst an der Düse Wasser zugegeben. Das gewünschte schnelle Erstarren kann durch Zugabe eines (flüssigen) Erstarrungsbeschleunigers an der Düse, aber auch durch Einmischen eines pulverförmigen Beschleunigers in die Zement/Zuschlagmischung erzielt werden.

Beim Naßspritzverfahren wird der Zement mit feuchten Zuschlä¬ gen und Wasser fertig vorgemischt, an die Baustelle zugelie¬ fert und mit einer speziellen Pumpe zur Spritzdüse gefördert. An der Düse wird ein Erstarrungsbeschleuniger (EB-Mittel) zugemischt, damit der Beton rasch erstarrt.

Heute übliche Erstarrungsbeschleuniger bestehen im wesentli¬ chen aus Alkalihydroxiden, Alkalialuminaten, Alkalikarbonaten und/oder wasserlöslichen Alkalisilikaten. Diese Erstarrungs¬ beschleuniger sind stark alkalisch und führen beim unachtsamen Handhaben zu bedenklichen Gesundheitsschäden (speziell Ver¬ ätzungen bei den als Düsenführer/Vorarbeiter arbeitenden Per¬ sonen). Außerdem dürfen diese Erstarrungsbeschleuniger weder in das Grundwasser noch in den Vorfluter gelangen. Zusätzlich beeinflussen die Erstarrungsbeschleuniger die weitere Festig¬ keitsentwicklung des Betons sehr negativ, da durch das rasche Erstarren ein sehr poröser Beton hergestellt wird.

Als weiteres Problem beim Verarbeiten (Auftragen) von Spritz¬ beton ist der sogenannte Rückprall zu erwähnen. Durch das Spritzen unter Druck prallt Beton teilweise von der Wand/Decke zurück. Zum einen verändert dieser Vorgang die Zusammensetzung der Spritzbetonmischung, zum anderen muß dieser Rückprall zur Gänze als Bauschutt zB aus dem Tunnel entfernt werden. Durch den durch die Zusammensetzung der Erstarrungsbeschleuniger gegenüber normalem Beton erhöhten Alkaligehalt ist er als Sonderabfall zu klassifizieren. Der Materialbedarf beim Sprit¬ zen steigt durch den Rückprall beträchtlich an. Damit eine definierte (gewünschte) Schichtdicke erreicht wird, ist eine deutlich verlängerte Spritzzeit und damit auch ein verlänger¬ tes Aussetzen der Spritzmannschaft gegenüber den gesundheits¬ schädlichen Einflüssen unvermeidlich.

Spritzbeton ist die äußerste Schicht eines Tunnels gegen das Grundgebirge und kommt daher sehr oft mit Wasser in Berührung. Abhängig von der Menge und chemischen Beschaffenheit des Was¬ sers können aus dem Spritzbeton Bestandteile gelöst werden. Dies wird durch die oben erwähnte, von den Erstarrungsbe- schleunigem verursachte poröse Betonstruktur noch stark ge¬ fördert. Vor allem die zur Beschleunigung zugesetzten Alkalien sind für einen hohen pH-Wert des ablaufenden Wassers verant¬ wortlich. Dieses verunreinigte Wasser darf keinesfalls ins Grundwasser (Trinkwasser) gelangen und kann zu Schäden in den Drainagen führen (Ausfällungen, weitere Auslaugungen). Es sind auch schon Versuche beschrieben worden die genannten Probleme zu lösen. So wird in der AT-B-382 859 für die Her¬ stellung von Spritzbeton ein kalziumsulfatfreier Zement (also ein ohne Gips gemahlener Klinker) mit einer spezifischen Ober- fläche nach Blaine von 2 000 - 8 000 cm ² /g vorgeschlagen.

Gemahlener Klinker erhärtet bei Wasserzugabe unmittelbar (Löf¬ felbinder), ein Erstarrungsbeschleuniger ist also nicht not¬ wendig. Ein wesentlicher Nachteil ist es aber, daß nur völlig trockene Zuschlagstoffe verwendet werden können. Die AT-B- 382 859 ist daher auf Trockenspritzbeton beschränkt. Als wei¬ terer Nachteil zeigen Löffelbinder eine ausgesprochen schlechte Festigkeitsentwicklung. Zudem ist der nach der AT-B- 382 859 hergestellte Spritzzement gegen Sulfatangriff sehr wenig beständig. Es kommt zu sekundären Reaktionsumwandlungen von ursprünglich gebildetem Kalziumaluminiumhydrat (C ₄ AH ₆ ) zu Ettringit. Bei dieser Phasenumwandlung kommt es zu einer star¬ ken Volumsvergrößerung und damit zu Treibeffekten.

In der DE-B-18 00 103, US-A-4 405 372 und in darin zitierten weiteren US-Patentschriften wird ebenfalls ein gipsfrei ver- mahlener Klinker verwendet, hier jedoch mit geringen Zugaben anderer erstarrungsverzögernder Stoffe wie Methylzellulose, Aminformiat oder Aminacetat in Verbindung mit Kalk.

Nach einem in der JP-A-50-98 514 erwähnten Vorschlag wird Portlandzement mit Schnellzement und frühhochfestem Zement gemischt, um bestimmte Eigenschaften zu erreichen. Als Schnellzement wird ein Produkt genannt, das Natriumglukonat und Natriumcarbonat enthält. Diese Produkte sind umweltschäd¬ lich. Als Portlandzement wird in der JP-A-50-98 514 ein nor¬ maler PZ 475 verwendet (Blaine 5300 cm ² /g), nicht aber ein Mikrozement.

Gemäß der JP-A-60-180 944 wird ein normaler Zement mit bis zu 40 % extrafeinem Zement (Blaine > 6.000 cm ² /g, bevorzugt Blaine 9.000 cm ² /g) gemischt und mit < 30 % Wasser versetzt, um früh¬ hochfeste Betonformteile herzustellen. Dabei werden insbeson¬ dere die hohen Frühfestigkeiten von Zement/Feinzementmischun- gen genutzt. Nicht genutzt und in der JP-A-60-180 944 auch nicht angesprochen, wird die hohe Reaktivität des MikroZemen¬ tes zur extremen Erstarrungsbeschleunigung, die beim Einsatz¬ gebiet Spritzbeton/-mörtel viel wichtiger ist als die hohe Festigkeit.

In der JP-A-58-223 652 wird eine Mischung von normalem Port¬ landzement mit Mikrosilica und einem "calcic expanding materi- al" vorgeschlagen. Dieses letztere Material weist sehr hohe Gehalte an CaO (Freikalk) und CaF ₂ sowie eine für einige Schnellzemente typische Klinkerphase (HCa0. Al ₂ 0 ₃ .CaF ₂ ) auf. Mikrozement wird nicht erwähnt. Es wird auch keine besonders feine hydraulische Phase eingesetzt. Der gemäß der JP-A-58-223 652 erhaltene Mörtel soll als Fugenfüller bei Betonbauteilen verwendbar sein.

Die DE-A-3 503 385 betrifft ein Bindemittelgemisch aus Port¬ landzement, Tonerdeschmelzzement, Kalkstein und Kalkhydrat und o fenbart die Zugabe von Betonfließmitteln und Erstarrungsbe¬ schleunigern. Dies ist genau eine jener Mischungen, die aus Umweltschutzgründen vermieden werden sollen, da der verwendete Erstarrungsbeschleuniger (Wasserglas oder eine verwandte Sub¬ stanz) umweltschädlich ist. Überdies bringt die Zugabe von Tonerdeschmelzzement zur Erstarrungsbeschleunigung die bekann¬ ten Nachteile von solchen Mischungen (verringerte Beständig- keit, geringe Endfestigkeiten) mit sich.

In der DE-A-2 055 120 wird die Zugabe von Zement als pulver- förmiger Beschleuniger an der Spritzdüse als unbefriedigende Möglichkeit der Erstarrungsbeschleunigung erwähnt. Die DE-A- 2055 120 lehrt das Zumischen eines Restanteiles von gemahle¬ nem Klinker an der Düse.

Die DE-B-2 341 493 beschreibt die Mischung eines normalen Portlandzementes mit einem speziellen Calciumaluminatzement. Die Beschleunigung des Abbindens beruht auf den besonderen Eigenschaften von C ₁₂ A ₇ , nicht aber auf der hohen Mahlfeinheit einer der Komponenten.

Die DE-B-1211097 beschreibt wiederum eine Mischung aus Port- landzement und Tonerdeschmelzzement sowie Anhydrit. Die beson- deren Eigenschaften beruhen auf der Zumischung von Tonerde¬ schmelzzement, nicht jedoch auf einer hohen Mahlfeinheit und damit Reaktivität eines Teils des Bindemittelgemisches.

Das schnelle Erstarren soll gemäß der DE-A-2 518 799 durch das Zumischen einer Suspension oder Betonmischung zu Tonerde¬ schmelzzement und/oder Kalziumhalogenaluminatzement unmittel¬ bar an der Düse erreicht werden.

Die vorliegende Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt ein Bindemittel zur Verfügung zu stellen, bei dessen Verwendung auf herkömmliche Erstarrungsbeschleuniger gänzlich verzichtet werden kann. Dabei soll der Rückprall, wenn das Bindemittel für Spritzbeton oder -mörtel verwendet wird, deutlich verrin- gert sein. Durch eine hohe Klebrigkeit von mit dem erfindungs- gemäßen Bindemittel angemachtem Beton oder Mörtel soll es möglich sein, das Produkt ohne technische Modifikationen in beiden herkömmlichen Spritzverfahren aufzutragen, dem jungen Beton mehr Zeit als bisher zum Erstarren zu geben und damit eine bessere Festigkeitsentwicklung und weniger Poren zu er¬ reichen und trotzdem nach 1 bis 5 Stunden ausreichende Frühfe¬ stigkeiten für einen weiteren Abschlag im Tunnelbau zu gewähr¬ leisten.

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß der Feinzement und/oder Feinklinker eine spezifische Oberfläche von Blaine > 12 000 cm ² /g, vorzugsweise von 15 000 bis 20 000 cm ² /g auf¬ weist.

Die vorliegende Erfindung stellt ein Bindemittel insbesondere für Spritzbeton oder -mörtel bereit, der sich sowohl im Trok- ken- als auch im Naßspritzverfahren ohne umweltschädigende Einflüsse verarbeiten läßt. Es wurde festgestellt, daß dies überraschend und besonders gut erreicht wurde, wenn ein han- delsüblicher Zement - beispielsweise der im österreichischen Tunnelbau weithin eingesetzte Flugaschezement "FAZ 20" bzw. Schlackezement PZ 275 (H) 20 ( "Tunnelzement" ) mit 5 bis 80 Gew.-% eines speziell hergestellten Zementes oder Klinkers sehr hoher Mahlfeinheit (Blaine > 8 000 cm ² /g), bevorzugt Blaine > 12 000 cm ² /g) versetzt wird. Für das Trockenspritz- verfahren ist bevorzugt der hochfeine Klinker, für das Na߬ spritzverfahren der hochfeine Zement (der beispielsweise unter dem Namen "Microcem "A" und "B" von den Heidelberger Zement¬ werken bzw. "Microdur P" von Dyckerhoff im Handel erhältlich oder in jedem Zementwerk durch Sichtung problemlos herstellbar ist) einzusetzen. Bei der Erfindung wird also eine Mischung aus zwei Zementen unterschiedlicher Mahlfeinheit (Naßspritz¬ verfahren) bzw. eine Mischung eines herkömmlichen Zementes mit Klinker sehr hoher Mahlfeinheit (Blaine > 8 000 cm ² /g) (Troc- kenspritzverfahren) eingesetzt.

Dabei wird in dieser Beschreibung und in den Patentansprüchen unter "Feinzement" ein mit Gipszusatz vermahlener Klinker und unter "Feinklinker" ein ohne Gipszusatz vermahlener Klinker verstanden.

Bevorzugte Zusammensetzungen des erfindungsgemäßen Bindemit¬ tels sind Gegenstand der Unteransprüche.

Soll ein Spritzbeton oder -mörtel mit dem erfindungsgemäßen Bindemittel im Naßspritzverfahren verarbeitet werden, wird erfindungsgemäß ein Verfahren, bei dem man den Wasser und gegebenenfalls Zuschlagstoffen sowie Feinklinker enthaltendes Bindemittel enthaltenden Beton oder Mörtel auf die zu be- schichtende Fläche aufspritzt, bevorzugt, welches sich dadurch auszeichnet, daß der Feinklinker erst unmittelbar vor dem Austritt des Betons oder Mörtels aus der Spritzvorrichtung, insbesondere unmittelbar an der Spritzdüse zugemischt wird. So wird ein vorzeitiges Erstarren des Betons oder Mörtels verhin- der .

Feinzemente mit den oben erwähnten Bezeichnungen haben folgen¬ de Spezifikationen: Microcem A: Blaine: etwa 11.000 cm ² /g

Korngröße: 95% < 16 um, Microcem B:

Blaine: etwa 15 000 cm ² /g

Korngröße: 100 % < 10 μm 98 % < 8 μm Im folgenden wird eine O-Probe mit der Duriment GK4-Rezeptur (werksgemischter Trockenfertigbeton der Wietersdorfer & Peg- gauer Zementwerke) mit 5% eines handelsüblichen Beschleunigers (Addiment BE-2) auf Alkalibasis mit Proben ohne Beschleuniger aber Ersatz von PZ 275 (H) 20 durch Mikrozement verglichen. Zusätzlich wurde mit und ohne Verflüssiger (Liquiment der Fa. Chemie Linz) sowie mit unterschiedlichen Mikrozementen (Wie¬ tersdorfer Mikrozement, Heidelberger Mikrozement "Microcem B" (Handelsware) sowie Wietersdorfer Mikrozement mit reduziertem S0 ₃ -Gehalt) gearbeitet. Die Spritzarbeiten erfolgten mit einer baustellengerechten Spritzmaschine Aliva 242 im Trockenspritz- verfahren. Der W/B-Wert (Wasser/Bindemittel-Wert) betrug für die Mischungen ohne Verflüssiger etwa 0,55; für die Mischungen mit Verflüssiger etwa 0,50.

Duriment Torkretbeton GK4-Rezeptur ist wie folgt zusammenge¬ setzt (im übrigen entspricht die Rezeptur der weiter unten erwähnten "Mörtelmischung" ):

Größtkorn: 4 mm

Schuttgewicht: etwa 1 600 kg/m ³

Erstarrungsbeginn: etwa 30 sec

Erstarrungsende: etwa 60 sec

Der Beschleuniger Addiment BE-2 ist ein alkalischer Erstar¬ rungsbeschleuniger (Hersteller: Heidelberger Baustofftechnik) auf Basis von Natriumaluminat.

Liquiment ist ein Verflüssiger auf Basis von Naphthalinsul- fonatharz.

Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 zusammengefaßt.

^z /g, Korngröße: 100 % < 10 μm, 95 % < μm.

BE-2 ist ein Beschleuniger auf Basis von Natriumaluminat (Handelsname "Addiment BE-2) w & p (-S0 ₃ ) ist ein Mikrozement der og Spezifikation, wobei der S0 ₃ -Gehalt gegenüber normalem Mikrozement "w & p" um 3 % verringert ist.

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Staub und Rückprall bei 10-30% am geringsten, dann bis 75% Mikrozement nur Staub zunehmend, bei 100% Mikrozement Staub und Rückprall wie bei Mischung 0.

Mit allen Varianten ließen sich problemlos Schichtdicken > 30 cm in einem Arbeitsgang spritzen. Die Mischungen 3 und 4 wur¬ den auch über Kopf gespritzt. Die Mindestanforderung an Spritzbeton laut Richtlinie Spritzbeton vom Jänner 1989 (Dl > 5 N/mm ² ) wird von allen Rezepturvarianten problemlos erreicht. Die Frühfestigkeiten bis zu 1 Stunde sind schwächer als bei nach heutiger Technik beschleunigten Spritzbetonen. Dies wird durch die hohe Klebrigkeit kompensiert. Ab 1 Stunde setzt bei den nach vorliegender Erfindung hergestellten Spritzbetonen eine sehr schnelle Festigkeitsentwicklung ein, welche die erzielbaren Festigkeitswerte nach 24 Stunden von nach dem derzeitigen Stand der Technik hergestellten Spritzbetonen weit übersteigt.

Der in der Mörtelrezeptur für die Spritzversuche eingesetzte Stabilisator Addiment ST 2 ist chemisch ein Cellulose-Ether.

Für die Versuche wurde folgende Mörtelrezeptur eingesetzt:

PZ 275 (H) 20 170 kg <— anteiliger Ersatz durch Feinzement

Splitt 0/0,3 90 kg

0,3/0,8 310 kg

0,8/2,0 171 kg

2,0/4,0 250 kg Addiment ST 2 0,25 kg.

Als betontechnische Vorteile des erfindungsgemäßen Bindemit¬ tels sind zu nennen:

weniger Bluten, höhere Frühfestigkeiten, größere Beständigkeit gegen Verwitterungseinflüsse, größere Dichtigkeit, besserer Korrosionsschutz von Stahlbewehrungen, geringerer mechanischer Abrieb, schnelleres Erhärten und hohe Reaktivität auf Betonzusatzmittel.

Ein bevorzugtes Merkmal der Erfindung ist folgendes: Die Verwendung von auf spezifische Oberflächen von Blaine > 8000 cm ² /g. bevorzugt Blaine > 12.000 cm ² /g, im speziellen Blaine 15 000 bis 20 000 cm ² /g gemahlenen bzw. gesichteten Zementen bzw. Klinker üblicher Phasenzusammensetzung sowie HS- Klinker als Beimischung in Anteilen ab 5 % zu handelsüblichen Zementen zur Herstellung von Spritzzement. Dieser Spritzzement erlaubt in weiterer Folge die Herstellung eines umweltfreund- liehen Spritzbetons ohne alkalihaltige Beschleuniger und mit minimiertem Rückprall im Trocken- als auch im Naßspritzver- fahren.

Als weitere Besonderheit der erfindungsgemäßen Zement-Mikroze- mentmischungen wurde festgestellt, daß sie überraschend beson¬ ders stark auf handelsübliche Betonzusatzmittel, wie zB Beschleuniger reagieren. Ist eine besonders schnelle Frühfe- stigkeitsentwicklung erforderlich, kann jeder marktübliche Beschleuniger (zB Alkalihydroxide, Alkalialuminate, Alkali¬ karbonate und/oder wasserlösliche Alkalisilikate) zur Abbinde¬ beschleunigung eingesetzt werden. Im Gegensatz zu der für normale Zemente notwendigen Dosierung (oft 5 - 7 %) kann die Dosierung wegen der hohen Reaktivität des in der Mischung verwendeten Mikrozementes jedoch um mindestens 75 % reduziert werden. So konnte in Laborversuchen im direkten Vergleich ein Spritzbeton der Festigkeitsklasse J3 der Richtlinie Spritzbe- ton mit einem normalen Spritzbeton nur bei einer Dosierung von 6 % Beschleuniger (Natriumalumina ) erreicht werden, bei Er¬ satz von 30 % des Bindemittels durch Mikrozement konnten ent¬ sprechende Frühfestigkeiten durch Zusatz von nur mehr 0,8 % desselben Beschleunigers erreicht werden.

Zusammenfassend kann die Erfindung beispielsweise wie folgt dargestellt werden:

Ein hydraulisches Bindemittel für Beton oder Mörtel, mit einem Gehalt an handelsüblichem Zement, wie Flugaschezement, Schlackezement und gegebenenfalls Zuschlagstoffen sowie mit einem Gehalt an Feinzement und/oder Feinklinker. Das Binde¬ mittel enthält zur Herstellung von im Naßspritzverfahren zu verarbeitendem Beton oder Mörtel, insbesondere Tunnelbeton, wenigstens 5 Gew.-% Feinzement und zur Herstellung von im Trockenspritzverfahren zu verarbeitendem Beton oder Mörtel, insbesondere Tunnelbeton, wenigstens 5 Gew.—% Feinklinker. Der Feinzement und der Feinklinker weisen eine spezifische Ober¬ fläche von > 12 000 cm ² /g, vorzugsweise von 15 000 bis 20 000 cm ² /g, auf. Das Bindemittel kann mit Betonzusatzmitteln kom¬ biniert werden. Durch die hohe Reaktivität des Mikrozement- anteiles im Bindemittel kann die Dosierung dieser Betonzusatz¬ mittel gegenüber herkömmlichen Zementen um mindestens 75 % reduziert werden. Wir das erfindungsgemäße Bindemittel mit handelsüblichen Betonzusatzmitteln versetzt, so genügen be¬ reits Dosierungen in der Größenordnung von 10 bis 20 % der bei bekannten Bindemitteln üblichen Dosierungen, um die gewünsch¬ ten Änderungen der Eigenschaften zu erzielen.