Innovative Zugabestoffe für die Innere Nachbehandlung von Hochleistungsbeton unter Berücksichtigung der räumlichen und zeitlichen Wasserbilanz

• Antragsteller: Professor Dr. Jörg Kärger
• Fachliche Zuordnung: Baustoffwissenschaften, Bauchemie, Bauphysik
• Förderung: Förderung von 2006 bis 2010
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 27624232

• Erstellungsjahr: 2010

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Etwa 40 verschiedene wasserab- / adsorbierende Materialien wurden mittels der zerstörungsfrei arbeitenden Niedrigfeld-1H-NMR-Relaxometrie hinsichtlich ihrer Eignung als Additiv für die innere Nachbehandlung (INB) von hydratisierenden Zementen mit niedrigen Wasser-Zement-(w/z-)Werten untersucht. Die mechanisch stabilen und pH-resistenten Polysaccharid-Hydrogele von Kalzium- und Aluminiumcarboxylat von Alginat, Gellan und Carboxymethylcellulose und vom Sulfat des Kalzium- und Aluminiumcarrageenan wurden unmittelbar nach Anrühren den Zementleimen zugegeben. Es wurde gefunden, dass sie trotz unterschiedlicher chemischer Stukturen ihr Wasser im wesentlichen während der Akzelerationsperiode an den hydratisierenden Zement, nachdem ca. 15 % des physikalisch im hydratisierenden Zement gebundenen Wassers durch die Hydratationsreaktion verbraucht sind, desorbieren. Für einen praxisrelevanten Einsatz standen Polymere im Vordergrund, die dem Zement trocken beigemischt werden können und die auch bei kleinen w/z-Werten spontan und in großen Mengen Wasser absorbieren, speichern und erst während der Akzelerationsperiode wieder dem hydratisierenden Zement zur Verfügung stellen. Neben einigen acrylsäurebasierten Superabsorbern erfüllt nur das Gemisch aus Natrium- und Kalziumcarrageenan diese Anforderungen. Aus der Vielzahl der untersuchten mineralischen Adsorbentien konnte der für eine Anwendung zur INB gewünschte Feuchteübergang anhand der NMR-Methode für Blähgläser verschiedener Körnungen sowie für einen Blähton mit niedrigem Fe2O3 -Gehalt nachgewiesen werden. Blähgläser und -ton desorbieren ihr gespeichertes Wasser während der Akzelerationsperiode, beginnend bei einem Hydratationsgrad αH von etwa 0,1 bis αH von etwa 0,7. In systematischen Untersuchungen wurden die Einflüsse Initial-w/z-Wert des Zementes, Zementart, Fließmittel- und Mikrosilikazugabe auf die Hydratationskinetik, auf den Zeitpunkt und die Quantität des bei der INB erwünschten Feuchteüberganges und auf die sich ausbildende Porenstruktur untersucht. Im Falle der Zugabe von Fließmittel verzögert sich der Feuchtetransport, im Falle der kombinierten Zugabe von Fließmittel und Mikrosilika wird eine geringere Verzögerung registriert. Die Desorption des Wassers erfolgt aber jeweils während der verspätet einsetzenden Akzelerationsperiode. Die aus verschiedenen INB-Materialien desorbierten Wasseranteile lassen sich in Abhängigkeit des Initial-w/z-Wertes für den Portlandzement CEM I 42,5 R nach der Beziehung m(w/z) = 60 – w/z * 100 ermitteln. Aus den T2-Relaxationszeit-Entwicklungen von Zementen, denen ≤ 10 % Wasser (bezogen auf den Gesamtwassergehalt in der Probe) durch INB mit Hydrogel bzw. wassergesättigte Leichtzuschläge zugeführt werden, ergeben sich keine Hinweise auf eine signifikante Veränderung der Mikroporenstruktur in den ausgehärteten Proben infolge einer INB, ausgenommen die durch das INB-Material eingetragenen Makroporen. Das konnte anhand von Quecksilberdruckporosimetrie-Untersuchungen an ausgewählten Proben bestätigt werden. Hydratisierende Zementproben denen zur INB acrylsäurebasierte SAP (im SAP detektierter Wasseranteil w: 10 % ≤ w ≤ 15 %) zugegeben wurden, weisen im Vergleich zu ausgehärteten Proben ohne INB eine etwas dichtere Nanoporenstruktur auf. Unter Nutzung des Powers` Modelles wird gezeigt, dass durch die INB (mit Kalziumgellan und mit Blähglas) das Maximum des Hydratationsgrades erhöht und die Bildung luft-gefüllter Mikroporen als Maß für das chemische Schwinden reduziert werden kann. Die Niedrigfeld-1H-NMR-Relaxometrie ist auf verschiedene Systeme der inneren Nachbehandlung anwendbar und liefert wertvolle Aussagen hinsichtlich des zeitlichen Ablaufes der inneren Nachbehandlung sowie hinsichtlich der durch die INB verschiedener aushärtender zementbasierter Systeme idealerweise zuzuführenden Menge an Wasser. Die Untersuchungen führten zu einer weiteren Aufklärung des Mechanismus der inneren Nachbehandlung und zur Empfehlung von INB-Materialien.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• 4. K. Friedemann, F. Stallmach, N. Nestle, J. Ma, N. V. Tue, J. Kärger, Hydratisierende Zemente mit innerer Nachbehandlung - Demonstration des Feuchteüberganges durch NMR Relaxations- und Diffusionsuntersuchungen, 16. Internationale Baustofftagung, September 20-23, 2006, Weimar (Deutschland)
  K. Friedemann, F. Stallmach, N. Nestle, J. Ma, N. V. Tue, J. Kärger
  
• Hydratisierende Zemente mit innerer Nachbehandlung - Demonstration des Feuchteüberganges durch NMR Relaxations- und Diffusionsuntersuchungen, Tagungsbericht der 16. Internationalen Baustofftagung, September 2006, Weimar, Hrsg.: F.A. Finger-Institut für Baustoffkunde, J. Stark, Band I (2006), S.367-374
  K. Friedemann, F. Stallmach, N. Nestle, J. Ma, N. V. Tue, J. Kärger
  
• Internal Post Curing of Hardening Cement Pastes of High Performance Concretes by a Water-containing Polyelectrolyte Gel, Conference MRPM8, September 10-14, 2006, Bologna (Italy): Posterbeitrag
  K. Friedemann, W.Schönfelder, N. Nestle, F. Stallmach, J. Kärger
  
• Internal post-curing of hardening cement pastes of high-performance concretes studied by Low-field NMR relaxometry, International RILEM Conference, August 20-23, 2006, Lyngby (Denmark)
  K. Friedemann, F. Stallmach, N. Nestle, J. Kärger
  
• Internal post-curing of hydrating cement pastes of high-performance concretes studied by Low-field NMR relaxometry, Proceedings of the international RILEM Conference, August 2006, Denmark, ‘Volume Changes of Hardening Concrete: Testing and Mitigation’, edited by O. M. Jensen, P. Lura, K. Kovler, (2006) pp.147-155
  K. Friedemann, F. Stallmach, N. Nestle, J. Kärger
  
• NMR diffusion and relaxation studies during cement hydration – a non-destructive approach for clarification of the mechanism of internal post-curing of cementious materials, Cem. Concr. Res. 36 (5) 817-826 (2006)
  K. Friedemann, F. Stallmach, J. Kärger
  
• NMR diffusometry on cementitious materials: expanding the hydration time window by static field gradient NMR in ultrastrong gradients, Conference MRPM8, September 10-14, 2006, Bologna (Italy): Posterbeitrag
  N. Nestle, A. Gädke, K. Friedemann, F. Stallmach, P. Galvosas
  
• Internal Post Curing of Hardening Cement Pastes of High Performance Concretes by a Water-containing Polyelectrolyte Gel, Magnetic Resonance Imaging 25 (2007) 558
  K. Friedemann, W.Schönfelder, N. Nestle, F. Stallmach, J. Kärger
  
• NMR diffusometry on cementitious materials: expanding the hydration time window by static field gradient NMR in ultrastrong gradients, Magnetic Resonance Imaging 25 (2007) 575-576
  N. Nestle, A. Gädke, K. Friedemann, F. Stallmach, P. Galvosas
  
• Water selfdiffusion studies in complex materials with fast-relaxing components: Static and pulsed field methods revisited, Diffusion Fundamentals 5 (2007) 5.1-5.16
  A. Gädke, K. Friedemann, P. Galvosas, F. Stallmach, J. Kärger, N. Nestle
  
• NMR relaxometry during internal curing of Portland cements by lightweight aggregates, Materials and Structures 41 (2008) 1647–1655
  K. Friedemann, W. Schönfelder, F. Stallmach, J. Kärger
  
• Understanding T2 relaxation times in hardening cement pastes using the NMR exchange and the Powers' hydration models, Conference on Magnetic. Resonance in Porous Media. (MRPM9). Boston, (USA). July 13-17,. 2008, Posterbeitrag
  F. Stallmach, P. Galvosas, K. Friedemann
  
• Carboxylates and sulfates of polysaccharides for controlled internal water release during cement hydration. Cem. Concr. Comp. 31 (2009) 244-249
  K. Friedemann, F. Stallmach, J. Kärger
  
• NMR Relaxometrie und Powers’ Modell zur Quantifizierung des Feuchtetransportes bei der inneren Nachbehandlung, 17. Internationale Baustofftagung, September 23-26, 2009, Weimar (Deutschland)
  K. Friedemann, F. Stallmach, J. Kärger
  
• NMR Relaxometrie und Powers’ Modell zur Quantifizierung des Feuchtetransportes bei der inneren Nachbehandlung, Tagungsbericht der 17. Internationalen Baustofftagung, September 2009, Weimar, Hrsg.: F.A. Finger-Institut für Baustoffkunde, J. Stark, Band I (2009), S. 297-302
  K. Friedemann, F. Stallmach, J. Kärger
  
• Water balance and pore structure development in cementious materials in internal curing with modified superabsorbent polymer studied by NMR. Microporous and Mesoporous Materials 125 (2009), 51-57
  N. Nestle, A. Kühn, K. Friedemann, C. Horch, F. Stallmach, G. Herth