Erforschung der Eigenschaften neuer salzstabiler superabsorbierender Polymere und Ableitung werkstoffwissenschaftlicher Kenngrößen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Rahmen der Forschungsarbeiten wurden neue Anwendungsmöglichkeiten für superabsorbierende Polymere (SAP) im Beton aufgezeigt. Dazu sind unter anderem physikalische und mechanische Eigenschaften SAP-modifizierter Festbetone untersucht und mit denen von Referenzbetonen verglichen worden. Die Eigenschaften der Superabsorber wurden dabei variiert. Es konnte gezeigt werden, dass SAP nicht nur als innere Wasserquellen zur Nachbehandlung und zur Verminderung des autogenen Schwindens von Mörtel und Betonen mit niedrigem w/z- Wert eingesetzt werden können. Auch Betone mit w/z-Werten von über 0,40 weisen verbesserte Eigenschaften durch die während dem Mischvorgang trocken zugegebenen SAP auf. Vor allem die Dauerhaftigkeit dieser Betone kann gesteigert werden. Die Wasseraufnahme der SAP führt zu einer Verdichtung des Zementsteins, die Kapillarporosität nimmt ab, Permeabilität und kapillares Saugen werden reduziert. Geben die SAP während der Hydratation das zuvor absorbierte Mischwasser an den Zementstein ab, verbleiben luftgefüllte Poren zurück. Diese erhöhen den Frost-Tausalzwiderstand erheblich ohne dabei jedoch die Festigkeit des Betons herabzusetzen. Ein bedeutender Vorteil gegenüber herkömmlichen Luftporenbildnern besteht zudem in der Zuverlässigkeit mit der die anfangs wassergefüllten Poren in den Beton unabhängig von den äußeren Bedingungen eingebracht werden können. Die Größe der Poren liegt in Abhängigkeit der gewählten Sieblinie und der Wasseraufnahmekapazität der SAP zwischen 50-800 µm. Des Weiteren wurde festgestellt, dass durch Zugabe von SAP das Frühschwinden erheblich vermindert und das Trocknungsschwinden reduziert werden kann. Zudem laufen Chloridmigration und Carbonatisierung langsamer ab. Wird das von den SAP aufgenommene Wasser durch zusätzliches Mischwasser ausgeglichen, sinken die Festigkeitswerte linear mit steigender Zugabemenge ab. Im Verlauf der Arbeiten wurde das FE-Programm DuCOM von Chaube und Maekawa um Routinen erweitert, die es ermöglichen die innere Nachbehandlung durch SAP abzubilden. Der Wassertransport in den hydratisierenden Zementstein wurde über Gleichungen zu Diffusion und kapillarem Saugen modelliert. Mit dem Modell lassen sich nun Hydratationsgrad, Feuchteverteilung, Porenverteilung und Porensättigung vorhersagen. Die Arbeiten erweitern die bereits zum Zeitpunkt der Antragsstellung durchgeführten Arbeiten zur Modellierung der inneren Nachbehandlung von Beton mittels wassergesättigter Leichtzuschläge. Des Weiteren lassen sich mechanische Eigenschaften wie Druckfestigkeit und E-Modul vorhersagen. Künftig sollen bestehende Modellansätze zur Abbildung des Schwindverhaltens adaptiert werden. Ein weiteres Ziel besteht darin, Dauerhaftigkeitseigenschaften wie z.B. Chloridmigration und Carbonatisierung für SAP- modifizierte Betone vorhersagen zu können. Weitere Forschungsarbeit ist nötig um die Wirkungsweise der SAP und damit die Auswirkungen auf die Transportvorgänge genauer beschreiben zu können. Die Anwendungsmöglichkeiten der SAP sind vielseitig, ihr Einsatz als Betonzusatz ist viel versprechend. Um den Einsatz der SAP im Beton weiter zu optimieren, müssen in Zukunft die Eigenschaften der SAP gezielt den jeweiligen Anforderungen angepasst werden. Ein möglicher Einfluss der SAP auf die Korrosion der Bewehrung wurde bisher nicht untersucht.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- 2007: Superabsorbent polymers – an additive to increase the freeze-thaw-resistance of high strength concrete, in: Advances in Construction Materials 2007, Springer Berlin
Mönnig, S., Lura, P.
- 2008: Ein Zusatzmittel zur Vergrößerung des Frost- Taumittelwiderstandes von normal- und hochfesten Betonen, in: Betonwerk International Heft 1, S. 70-80
Reinhardt, H.-W., Mönnig, S.
- 2008: Potentiale von Superabsorbern im Betonbau - von der Übersicht ins Detail, in: 52. Ulmer Betontage, 12.-14. Februar 2008, Betonwerk + Fertigteil-Technik 74 (2008), H.2, S. 20-21
Gehlen, C., Reinhardt, H.-W., Mönnig, S.
- 2008: Superabsorbent Polymers (SAPs) – an admixture to increase the durability of concrete, in: Sun W., van Breugel K., Miao C., Ye G., Chen H. (ed.), Microstructure related durability of cementitious composites. RILEM Publ. Proc. 61, Bagneux, pp. 312-322
Reinhardt, H.-W., Assmann, A., Mönnig, S.,
- 2009: Enhanced durability of concrete by superabsorbent polymers, in: A. M. Brandt, V. C. Li, I. H. Marshall (ed.) Brittle Matrix Composites 9, Proc. Intern. Symp., October 22-28, 2009, Warsaw, Poland, pp. 291-300
Reinhardt, H.-W., Assmann, A.
- 2009: Superabsorbierende Polymere als Betonzusatzstoff, 17. Internationale Baustofftagung (ibausil), 23.-26. September 2009, Weimar, Tagungsbericht Band 1, S. 1-0303 – 1-0311
Reinhardt, H.-W., Assmann, A.
