Wechselwirkung von Polycarboxylat-Fließmittel mit Tonmineralien im Beton
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Tonmineralien als Verunreinigung im Beton stellen sehr hohe Anforderungen an Fließmittel. Alle hier verwendeten, strukturell unterschiedlichen PCEs auf Basis von Methacrylsäure-Estern (1. Generation PCEs) und Allylethern (2. Generation PCEs) zeigen in Anwesenheit der geprüften Tonmineralien starken Wirkungsverlust in den Zementschlämmen. Die schädliche Wirkung der Tonminerale beruht zum einen auf ihrem Wasseranspruch (Wassersorption), der zu einer Reduzierung der Fließfähigkeit des Zementsystems führt. Quellfähige Tone wie insbesondere Na-Montmorillonit können zusätzlich neben der Oberflächensorption große Mengen an Wassermolekülen in ihre lamellaren Zwischenschichten einbauen, woraus sich ein sehr hoher Wasseranspruch ergibt. Alle Fließmittel adsorbieren auf den positiv geladenen Tonmineraloberflächen, woraus sich eine Konkurrenz zum Zement ergibt. Zetapotentialmessungen zeigten, dass die Oberfläche der Tonpartikel durch Deprotonierung in der alkalischen Zementporenlösung zunächst negativ geladen sind. Auf diesen Oberflächen adsorbieren anschließend Calcium-Ionen aus der Porenlösung und erzeugen so eine positive Oberflächenladung. Darauf adsorbieren wiederum die anionischen Fließmittel, welche dann nicht mehr für die Zementverflüssigung zur Verfügung stehen. Im Falle quellfähiger Tonminerale wie Na-Montmorillonit spielt neben der Oberflächenadsorption der chemische Einbau (Interkalation) von PCE-Fließmitteln eine große Rolle. Dabei werden die Ethylenoxid-Seitenketten der PCEs in die lamellare Struktur des Montmorillonits chemisch eingelagert. Diese äußerst unerwünschte Nebenreaktion sorgt dafür, dass beim Montmorillonit die sorbierten Mengen an Fließmittel 3 – 10 mal höher sein können als bei Kaolin, Talk oder Muskovit, welche nur Oberflächenadsorption aufweisen. Bei Anwesenheit von Montmorillonit kann der Zusatz von „Opfersubstanzen“ wie Polyethylenglykolen oder Cholin Abhilfe schaffen. Die Opfersubstanzen werden noch stärker als PCE-Fließmittel in die Zwischenschichten eingebaut. Sie müssen allerdings in ausreichender Menge (1 – 3 % bwoc) der Zementschlämme zugesetzt werden. Will man auf den Einsatz von Opfersubstanzen verzichten, bleibt als einzige Alternative die Verwendung von (weniger leistungsstarken) Polykondensaten oder der Zusatz von neuartigen, modifizierten PCE-Fließmitteln, deren Seitenketten nicht aus Polyethylenglykolen bestehen. Derartige Fließmittel wurden parallel zu diesem DFG-Forschungsprojekt am Lehrstuhl für Bauchemie entwickelt und sind inzwischen publiziert worden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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"A Concept For a Polycarboxylate Superplasticizer Possessing Enhanced Clay Tolerance", Cement and Concrete Research 42 (2012), 1299 – 1306
Lei L., Plank J.
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„A novel type of PCE superplasticizer exhibiting clay tolerance”, 4th National Conference on Polycarboxylate Superplasticizer and Application Technology, June 18 - 20, 2013, Beijing (China), in: Polycarboxylate superplasticizers – New progress in preparation, performance and application technology, Beijing Institute of Technology Press, 2013, 58 – 65. ISBN: 978-7-5640-7749-5
Lei L., Plank J.
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"Synthesis and Properties of a Vinyl Ether Based Polycarboxylate Superplasticizer For Concrete Possessing Clay Tolerance", Industrial & Engineering Chemistry Research 53 (2014) 1048 – 1055
Lei L., Plank J.
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„A Study on the Impact of Different Clay Minerals on the Dispersing Force of Conventional and Modified Vinyl Ether Based Polycarboxylate Superplasticizers“, Cement and Concrete Research 60 (2014) 1 – 10
Lei L., Plank J.
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„A Study on the Sensibility of Conventional Vinyl Ether-based Polycarboxylate Superplasticizers Toward Different Clay Minerals“, in: C. Shi, Z. Ou, K. H. Khayat (Eds.), Design, Performance and Use of Self-Consolidating Concrete (SCC’2014), Proceedings of the 3rd International Symposium, Xiamen (China), June 5- 8, RILEM Publications S.A.R.L., Bagneux (F), 2014, p. 126. ISBN: 978-2-35158-143-8
Lei L., Plank J.
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„Impact of Different Clay Minerals on the Dispersing Force of Vinyl Ether Based Polycarboxylate Superplasticizers and Respective Mitigation Strategies“ Tagung der GDCh-Fachgruppe Bauchemie, Oktober 6-8, Kassel (Germany), GDCh- Monographie 47 (2014) 84 – 87
Lei L., Plank J.
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“A Study on the Impact of Different Clay Minerals on the Dispersing Force of Conventional and Modified Vinyl Ether Based Polycarboxylate Superplasticizers”, in: Gupta Pa., Gupta Pr. (Eds.), 11th CANMET/ACI Conference on Superplasticizers and Other Chemical Admixtures in Concrete (Supplementary Papers), ACI, Ottawa (Canada), 2015, 145 – 159
Lei L., Plank J.
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“Influence of clay minerals on the effect of PCE superplasticizers – Problems with the effectiveness of a polycarboxylate superplasticizer in concrete”, 59. BetonTage, Neu-Ulm (Germany), Februar 24-26, 2015, Proceedings, p. 80 – 83
Plank J.
