Fließmittel für ultra-hochfesten Beton: Molekülstrukturen und Wirkmechanismen

• Antragsteller: Professor Dr. Johann Plank
• Fachliche Zuordnung: Baustoffwissenschaften, Bauchemie, Bauphysik
• Förderung: Förderung von 2005 bis 2010
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 15479337

• Erstellungsjahr: 2014

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Ultra-hochfester Beton (UHPC) mit charakteristischen Wasserzementwerten von unter 0,25 und hohen Anteilen an Feinststoffen und Portlandzement benötigt hoch leistungsfähige Fließmittel, damit gut verarbeitbare Konsistenzen bis hin zur Selbstverdichtung eingestellt werden können. Copolymere aus Methacrylsäure, (ω-Methoxypolyethylenglykol)methacrylat und Methallylsulfonsäure (PCEs 1. Generation) sowie solche aus Maleinsäureanhydrid und α-Allyl-ω-Methoxypolyalkylenglykol (PCEs 2. Generation) wurden eigenständig synthetisiert und charakterisiert. Auf der Basis ihrer Dispergierwirkung wurde die Struktur-Wirk-Beziehung ermittelt und anhand von Adsorptionsuntersuchungen ihre Wirkmechanismen im UHPC aufgeklärt. Neben einer Vielzahl von Strukturvarianten der PCEs bezüglich Haupt- und Seitenkettenlängen sowie Seitenkettendichten entlang der Hauptkette wurden die Polymere chemisch durch Comonomere mit Sulfonat- bzw. Phosphonatgruppen und teilweisem Ersatz des Ethylenoxids der Seitenketten durch Propylenoxid-Einheiten modifiziert. Für eine Auswahl der effektivsten Polymere wurde eine Maßstabsvergrößerung der Synthese vom Labor- in den Technikumsmaßstab durchgeführt. Die Versuche zur Struktur-Wirk-Beziehung ergaben, dass im UHPC nur Polymerarchitekturen hinreichend wirksam sind, die aufgrund ihrer Lösungsstruktur als sehr kurzkettige Kammpolymere mit langen Seitenketten bzw. als Sternpolymere klassifiziert werden. Kombinationen aus je einem Polymer der genannten Grundtypen sowie Kombinationen aus einem PCE und einer kleinen organischen anionischen Spezies (Anionen der α-Hydroxycarbonsäuren: Gluconat, Tartrat, Citrat) wirken synergistisch. Als mechanistische Erklärung wurde das Konzept der selektiven Adsorption auf die unterschiedlichen Feststoff-Oberflächen der einzelnen UHPC-Bestandteile experimentell erarbeitet. Anstelle konkurrierender Adsorption der Einzelspezies auf alle Oberflächen erfolgt bevorzugt selektive Adsorption, so dass in der Gesamtheit des UHPC alle Partikeloberflächen sehr dicht belegt sind und die Moleküle ihre Dispergierwirkung synergistisch entfalten können. Diese Wirkungsweise bezüglich Zement und Silikastaub des UHPC konnte am System Zement/Kalksteinmehl verifiziert werden. Die PCEs wurden des Weiteren auf ihre Toleranz gegenüber verschiedenen Portlandzementen und Silikastäuben im UHPC untersucht. Abschließend wurde ein PCE mit einer funktionalen Gruppe zur Reduktion des autogenen Schwindens modifiziert und bezüglich seiner Effektivität getestet.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Optimierte Fließmittelstrukturen zur Verflüssigung von ultrahochfestem Beton (UHPC) mit Wasser-Zement-Werten unter 0,25. In: Gerdes, A. (Ed.): Tagung der GDCh-Fachgruppe Bauchemie. Karlsruhe, 5./ 6. Oktober 2006 (Gesellschaft Deutscher Chemiker, GDCh-Monographie, Bd. 36), pp. 289–296, 2006
  Schröfl, Christof; Gruber, Mirko; Plank, Johann
  
• Polycarboxylat-Fließmittel zur Verflüssigung von ultra-hochfestem Beton (UHPC) mit Wasser-Zement-Werten unter 0,25. In: Trettin, R. (Ed.): Tagung der GDCh-Fachgruppe Bauchemie. Siegen, 27./28. September 2007. (Gesellschaft Deutscher Chemiker, GDCh- Monographie, Bd. 37), pp. 87–96, 2007
  Gruber, Mirko; Schröfl, Christof; Plank, Johann
  
• Adsorption von Polycarboxylat-Fließmitteln auf Mikrosilika. In: Schubert, K. (Ed.): Tagung der GDCh-Fachgruppe Bauchemie. Koblenz, 22.-24. September 2008 (Gesellschaft Deutscher Chemiker, GDCh-Monographie, Bd. 39), pp. 101–111, 2008
  Schröfl, Christof; Gruber, Mirko; Plank, Johann
  
• Interactions between polycarboxylate superplasticizers, cement and microsilica in ultra-high strength concrete. In: Taketo, U.; Sugano, S. (Ed.): Proc. of the 8th International Symposium on the Utilization of High-Strength and High-Performance Concrete. Toshi Center Hotel, Tokyo, Japan, October 27-29, 2008, pp. 129–134, Japan Concrete Institute, Tokyo, 2008
  Plank, Johann; Sieber, Roland; Schröfl, Christof; Lesti, Matthias; Gruber, Mirko
  
• Structure performance relationship of polycarboxylate superplasticizers based on methacrylic acid esters in ultra high performance concrete. In: Fehling, E.; Schmidt, M.; Stürwald, S. (Ed.): Ultra High Performance Concrete (UHPC). Proc. of 2nd International Symposium on Ultra High Performance Concrete. University of Kassel, Germany, March 5- 7, 2008 (Structural Materials and Engineering Series, 10), pp. 383–390, kassel university press, Kassel, 2008
  Schröfl, Christof; Gruber, Mirko; Plank, Johann
  
• Die zeitliche Entwicklung des Fließmaßes von UHPC in Abhängigkeit von der Fließmittelzugabe und dem Absorptionsverhalten von Polycarboxylatfließmittel. In: Stark, J. (Ed.): 17. Internationale Baustofftagung -Tagungsbericht. ibausil. Bauhaus Universität Weimar, September 23-26, 2009. 2 Bände, pp. 2-0614 - 2-0621, F.-A. Finger Institut für Baustoffkunde, Weimar, 2009
  Mazanec, Oliver; Gruber, Mirko; Schießl, Peter
  
• Effectiveness of Polycarboxylate Superplasticizers in Ultra-High Strength Concrete: The Importance of PCE Compatibility with Silica Fume. In: Journal of Advanced Concrete Technology 7 (1), pp. 5–12, 2009
  Plank, Johann; Schröfl, Christof; Gruber, Mirko; Lesti, Matthias; Sieber, Roland
  
• Einfluss des pH-Wertes der Zementporenlösung auf die Wechselwirkung zwischen Polycarboxylat-Fließmitteln und Mikrosilica. In: Middendorf, B.; Klein, D. (Ed.): Tagung der GDCh-Fachgruppe Bauchemie. Dortmund, 7./ 8. Oktober 2009 (Gesellschaft Deutscher Chemiker, GDCh-Monographie, Bd. 42), pp. 177–180, 2009
  Schröfl, Christof; Gruber, Mirko; Plank, Johann
  
• Synergistische Zusatzmittelkombination aus Polycarboxylat und Hydroxycarbonsäuren zur Verflüssigung von Ultrahochfestem Beton (UHPC). In: Stark, J. (Ed.): 17. Internationale Baustofftagung -Tagungsbericht. ibausil. Bauhaus Universität Weimar, September 23-26, 2009. 2 Bände, pp. 1-1047 - 1-1052, F.-A. Finger Institut für Baustoffkunde, Weimar, 2009
  Plank, Johann; Schröfl, Christof; Gruber, Mirko
  
• Use of supplement agent to improve flowability of ultra-high performance concrete. In: Holland, T. C.; Gupta, P. R.; Malhotra, V. M. (Ed.): Proc. of the 9th ACI International Conference on Superplasticizers and other Chemical Admixtures in Concrete. Seville, Spain, October, 2009 (ACI Symposium Publications, SP-262-1), pp. 1–16, American Concrete Institute (ACI), Farmington Hills, Mich, 2009
  Plank, Johann; Schröfl, Christof; Gruber, Mirko
  
• Interactions between Polycarboxylate Superplasticizers and Components Present in Ultra-High Strength Concrete. In: Journal of the Chinese Ceramic Society 38 (9), pp. 1605–1612, 2010
  Schröfl, Christof; Gruber, Mirko; Plank, Johann
  
• Investigations on the workability and microstructure development of UHPC - part 1: Effect of superplasticizer and silica furne on rnixing and workability of UHPC (Untersuchungen zur Verarbeitbarkeit und Gefügeentwicklung von UHPC - Teil 1: Effekt von Hochleistungsverflüssigern und Silikastaub auf das Mischen und die Verarbeitbarkeit von UHPC). In: Cement International 8 (4), pp. 60–71, 2010
  Schießl, Peter; Mazanec, Oliver; Lowke, Dirk; Plank, Johann; Schröfl, Christof; Gruber, Mirko et al.
  
• Rheology of UHPC-Effect of Superplasticizer and Silica Fume on Mixing and Workability of UHPC. In: The International Federation for Structural Concrete (fib) (Ed.): Proc. of the 3rd International fib Congress and Exhibition. Incorporating the PCI Annual Convention and Bridge Conference. Washington, D. C., 2010, proceedings disk ID61
  Schießl, Peter; Mazanec, Oliver; Lowke, Dirk; Plank, Johann; Schröfl, Christof; Gruber, Mirko et al.
  
• α-Allyl-ω-Methoxy-polyethylenglykol-comaleat-basierte Polycarboxylat-Fließmittel für ultra-hochfesten Beton (UHPC): Synthese, Eigenschaften, Wirkmechanismus und Funktionalisierung. Dissertation. Technische Universität München, Lehrstuhl für Bauchemie, München, 2010
  Gruber, Mirko
  
• Omega-Methoxypoly(ethylenoxid)-Methacrylsäureester-co-Methacrylsäure-co-Methallylsulfonsäure-Polycarboxylate als Fließmittel für ultra-hochfesten Beton. Synthese, Wirkmechanismus und Untersuchungen zum Synergismus von selektiv adsorbierenden Polymergemischen. Dissertation, Shaker, Aachen, 2011
  Schröfl, Christof
  
• Preferential adsorption of polycarboxylate superplasticizers on cement and silica fume in ultra-high performance concrete (UHPC). In: Cement and Concrete Research 42 (11), pp. 1401–1408, 2012
  Schröfl, Christof; Gruber, Mirko; Plank, Johann