Wasserverdünner sind ein unverzichtbarer Bestandteil der modernen Betonaufbereitung. Er wird hauptsächlich verwendet, um:
- Reduzierung des Wasserverbrauchs bei gleichbleibendem Zementgehalt und Fließfähigkeit des Betons, wodurch die Betonfestigkeit erhöht wird.
- Erhöhung der Fließfähigkeit bei gleichbleibendem Zement- und Wassergehalt.
In diesem Artikel wird der Unterschied zwischen traditionellen und Polycarboxylat-Fließmittel.
Herkömmliche Wasserreduzierer und ihre Beschränkungen
Die Entwicklung von Wasserreduzierern ist in drei Hauptphasen verlaufen:
1. Gewöhnliche Wasserverminderer
Die erste Generation von Wasserreduzierern, gewöhnliche Wasserreduzierer wie Natriumresinat, Kalziumlignosulfonat und Natriumlignosulfonat, kamen in den 1930er Jahren auf, wiesen jedoch nur geringe Wasserreduzierraten auf (im Allgemeinen unter 12%).
2. Hocheffiziente Wasserreduzierer
Als die Anforderungen der Ingenieure an höhere Wasserreduzierungsraten stiegen, wurde in den 1960er Jahren die zweite Generation - hocheffiziente Wasserreduzierer wie Wasserreduzierer auf Naphthalin- und Melaminbasis - erfolgreich entwickelt. Diese boten höhere Wasserreduzierungsraten (14%-25%) und eine verbesserte Festigkeitssteigerung, waren aber nicht in der Lage, das Setzmaß von frisch gemischtem Beton zu erhalten.
3. Leistungsstarke Wasserreduzierer
Um dieser Einschränkung entgegenzuwirken, wurde Mitte der 1980er Jahre die dritte Generation entwickelt, die Polycarboxylat-Fließmittel. Hochleistungs-Wasserreduzierer zeichnen sich durch eine hohe Wasserreduzierung, ein ausgezeichnetes Setzverhalten, eine hervorragende Festigkeitssteigerung und ein geringes Schwindmaß aus. Aufgrund ihrer hochgradig gestaltbaren Molekülstrukturen kann ihre Funktionalität durch Modifizierung der Molekülstrukturen oder Einführung neuer funktioneller Gruppen maßgeschneidert werden.
Was ist ein Polycarboxylat-Fließmittel?
Polycarboxylat-Fließmittel ist ein innovatives Additiv, das durch die Copolymerisation von ungesättigten Monomeren unter Einwirkung von Initiatoren hergestellt wird, wobei Seitenketten mit aktiven Gruppen auf das Polymergerüst aufgepfropft werden. Das Ergebnis ist ein Produkt, das eine hohe Effizienz, einen kontrollierten Setzverlust und eine hohe Schwindungsresistenz bietet und keine negativen Auswirkungen auf das Abbinden und Erhärten von Zement hat. Hochleistungs-Wasserreduzierer auf Polycarboxylatbasis unterscheiden sich grundlegend von Naphthalinsulfonat-Formaldehyd- (NSF) und Melaminsulfonat-Formaldehyd- (MSF) Wasserreduzierern. Selbst bei geringer Dosierung verleihen sie Mörtel und Beton eine hohe Fließfähigkeit sowie eine niedrige Viskosität und erhalten das Setzverhalten bei niedrigen Wasser-Zement-Verhältnissen. Sie weisen eine relativ bessere Kompatibilität mit verschiedenen Zementarten auf und sind unverzichtbare Materialien für hochfesten, hochfließfähigen Beton.
Unterschiede zwischen herkömmlichem Fließmittel und Polycarboxylat-Fließmittel
| Traditionelles Fließmittel | Polycarboxylat-Fließmittel | |
|---|---|---|
| Mechanismus der Dispersion | Elektrostatische Abstoßung | Elektrostatische Abstoßung und sterische Effekte |
| Wasserreduzierungsrate | 15-25% | bis zu 40% |
| Slump-Konservierung | innerhalb von 30-60 Minuten | bis zu 2 Stunden |
| Auswirkungen auf die Umwelt | Enthält Formaldehyd und andere Chemikalien | Formaldehydfrei |
| Kompatibilität | Inkompatibilitätsprobleme | Hohe Verträglichkeit mit verschiedenen Additiven |
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Polycarboxylate Superplasticizer im Vergleich zu herkömmlichen Wasserreduzierern die folgenden Vorteile bieten:
- Hohe Wasserreduzierungsrate: Die Wasserreduktionsrate kann 25-40% erreichen.
- Hohe Wachstumsrate der Festigkeit: Deutlich verbesserte Festigkeit, insbesondere in der frühen Phase der Festigkeitsentwicklung.
- Ausgezeichnete Klumpenrückhaltung: Die außergewöhnliche Klumpenrückhaltung gewährleistet einen minimalen Klumpenverlust im Laufe der Zeit.
- Hervorragende Homogenität: Verleiht dem Beton eine ausgezeichnete Fließfähigkeit und erleichtert das Gießen und Verdichten, geeignet für selbstnivellierenden und selbstverdichtenden Beton.
- Kontrollierbare Produktion: Anpassungen des Polymermolekulargewichts, der Seitenkettenlänge, der Dichte und der Art der Seitenkettengruppen ermöglichen maßgeschneiderte Wasserreduzierungsraten, Verfestigung und luftporenbildende Eigenschaften.
- Breite Kompatibilität: Gute Dispergierbarkeit und Standfestigkeit mit verschiedenen Zementsorten, einschließlich gewöhnlichem Portlandzement, Hüttenzement und gemischtem Zement.
- Geringe Schrumpfung: Verbessert die Volumenstabilität und reduziert die 28-Tage-Schrumpfung um ca. 20% im Vergleich zu Wasserreduzierern auf Naphthalinbasis, wodurch das Risiko der Rissbildung verringert wird.
- Umweltfreundlich: Ungiftig, nicht korrosiv und frei von Formaldehyd und anderen schädlichen Bestandteilen.
Zusätzliche Erläuterung
Polycarboxylat-Hochleistungswasserreduzierer werden auf der Grundlage von Molekülstrukturprinzipien unter Verwendung der DLVO-Ladungsabstoßungstheorie und der Theorie der sterischen Hinderung entwickelt. Aktive Gruppen mit unterschiedlichen Funktionalitäten werden auf die Hauptkette aufgepfropft und bilden das Polymer. Die Hauptkette des Polycarboxylatmoleküls adsorbiert fest an der Oberfläche der Zementpartikel, wodurch die Hydratation effektiv behindert und das Setzverhalten verbessert wird, während die Seitenketten die Zementpartikel umgeben und sowohl sterische Hinderung als auch elektrostatische Abstoßung bieten. Dieser Mechanismus, der sich von der elektrostatischen Abstoßung unterscheidet, die von herkömmlichen Wasserreduzierern zur Dispersion von Zementpartikeln verwendet wird, führt zu einer besseren Dispergierbarkeit und Wasserreduzierung, was letztlich die Gesamtleistung von Mörtel- und Betonprodukten verbessert.
Polycarboxylat-Wasserreduzierer werden durch radikalische wässrige Lösungspolymerisation synthetisiert, enthalten nur minimale Chloridionen und benötigen nur eine geringe Menge an Alkali zur Neutralisation, was zu einem sehr niedrigen Alkaligehalt führt. Im Gegensatz dazu variiert der Alkaligehalt von Wasserreduzierern auf Naphthalinbasis aufgrund der unterschiedlichen Sulfonierungsverfahren erheblich.
Alkali ist ein Hauptfaktor bei Alkali-Aggregat-Reaktionen (AAR), die weltweit zahlreiche Fälle von Betonverschlechterung verursacht haben. Alkali im Beton stammt hauptsächlich aus Zement, Flugasche, Wasserreduzierern und anderen Rohstoffen. Weltweit wird großer Wert auf die Kontrolle des Alkaligehalts gelegt. Zum Beispiel:
- Südafrika schreibt einen maximalen Gesamtalkaligehalt von 2,1 kg/m³ vor.
- Im Rahmen des chinesischen Drei-Schluchten-Projekts ist die Menge auf 2,5 kg/m³ begrenzt.
- In den Vereinigten Staaten ist der Wert auf 3,3 kg/m³ begrenzt.
Als einer der fünf wesentlichen Bestandteile von Beton wirkt sich der Alkaligehalt von Wasserreduzierern, insbesondere Na2SO4, direkt auf den Gesamtalkaligehalt des Betons aus. Aufgrund von Produktionsprozessen, die eine Sulfonierung mit konzentrierter Schwefelsäure und eine Neutralisierung mit Natriumhydroxid beinhalten, enthalten einige Wasserreduzierer auf Naphthalinbasis Na2SO4-Gehalte von bis zu 30%, wobei die meisten bei 10% liegen und der Chloridionengehalt im Allgemeinen 0,3% oder mehr beträgt. Im Gegensatz dazu werden Wasserreduzierer auf Polycarboxylatbasis durch Polymerisation in wässriger Lösung ohne Sulfonierung synthetisiert und erfordern nur ein Minimum an Natriumhydroxid zur pH-Einstellung, was zu einem vernachlässigbaren Gehalt an Alkali- und Chloridionen führt. Dadurch wird die Dauerhaftigkeit von Mörtel und Beton erheblich verbessert, und Wasserreduzierer auf Polycarboxylatbasis werden zu wesentlichen Komponenten für die Herstellung von grünem Hochleistungsbeton.
