Einfluss von Zumahlstoffen auf die Wirkung von Fließmitteln in CEM II- und CEM III-Zementen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
In dieser Studie wurden die Wechselwirkungen von Polycarboxylat-basierten Fließmitteln mit einem Mikrosilika, drei Hüttensanden, einer Steinkohle-Flugasche und einem gebranntem Ölschiefer untersucht. Um praxisgerechte Ergebnisse zu erzielen, wurde der in Zementporenlösung sich ausbildende Ionenhaushalt nachgebildet. Dazu mussten für die verschiedenen Zumahlstoffe unterschiedliche Konzepte verfolgt werden. Bei Hüttensand und Flugasche konnten die Bedingungen eines hydratisierenden Zements durch Verwenden einer synthetischen Zementporenlösung ausreichend simuliert werden. Dieser Weg versagte bei Mikrosilika, da die Mikrosilika- Oberfläche mehr Ca2+-Ionen aufnimmt als in der Zementporenlösung insgesamt enthalten ist. In einem realen Zement wird verbrauchtes Ca2+ durch beständiges Auflösen der Klinkerphasen kontinuierlich nachgeliefert. Aus diesem Grund wurden den Mikrosilika-Suspensionen zusätzlich CaCl2- und Na2SO4-Lösungen zugesetzt. Gebrannter Ölschiefer bildet in Wasser eine zementähnliche Porenlösung aus, so dass hier auf den Einsatz einer synthetischen Porenlösung verzichtet werden konnte. Am Beispiel von Mikrosilika, suspendiert in Alkalilauge, konnte gezeigt werden, dass bei fehlender Ca2+-Adsorption auch keine Verflüssigung mit PCE auftritt. Bei Dispergierung von Mikrosilika in DI Wasser kann es sogar zu einer verdickenden Wirkung durch Fließmittel-Zugabe kommen. Erst bei Verwendung Ca2+-haltigen, alkalischen Anmachwassers tritt Verflüssigung ein. Dieses Ergebnis unterstreicht die Bedeutung der chemischen Zusammensetzung der wässrigen Phase für die Aussagefähigkeit der Experimente hinsichtlich praktischer Anwendungen. Die Oberflächenladung (Zeta-Potential) der Zumahlstoffe wird maßgeblich von der chemischen Zusammensetzung der Porenlösung bestimmt. In alkalischer Lösung sind die Zeta-Potentiale von Mikrosilika und Flugasche negativ. Die Oberflächenladung von Hüttensanden hingegen ist von deren chemischer Zusammensetzung und der Zusammensetzung der Porenlösung abhängig. Sie kann zwischen -20 mV und + 20 mV liegen. Durch Zugabe von Ca2+-Ionen wird die Oberfläche der negativ geladenen Mikrosilika-, Hüttensand- und Flugasche-Partikel nach positiv umgeladen. Dadurch stellt sich in alkalischer, Ca2+-haltiger Lösung bei allen Zumahlstoffen schlussendlich ein positives Zeta-Potential ein. Das Zeta-Potential von gebranntem Ölschiefer wurde mit +30 mV ermittelt und ist somit stets stark positiv. Sulfat-Ionen, die in hoher Konzentration in der Zementporenlösung vorkommen, können auf den Oberflächen der Zumahlstoffteilchen adsorbieren und die durch adsorbierte Calcium-Ionen bewirkte positive Oberflächenladung teilweise zu negativen Werten umkehren. Das endgültige Zeta-Potential der Zumahlstoffe in Zementporenlösung ist somit abhängig von ihrer chemischen Zusammensetzung und von der Konzentration der einzelnen Ionenspezies in Lösung. Für die Verflüssigung von Mikrosilika sind bedingt durch die extrem hohe spezifische Oberfläche außergewöhnlich hohe Dosierungen an Fließmittel notwendig. Untersuchungen zeigten, dass Allylether-basierte Fließmittel für die Dispergierung von Mikrosilika besser geeignet sind als Methacrylat-basierte PCEs. Außerdem wurde eine synergistische Wechselwirkung zwischen Alkalisalzen von ?- Hydroxycarbonsäuren und Allylether-basierten Polycarboxylaten gefunden. Eine derartige Kombination erlaubt es, die PCE-Dosierung erheblich zu senken. Somit ist bei Zement-Mikrosilika-Mischungen mit hohem Mikrosilika-Anteil (z.B. 16 % bzgl. Zement) die Verflüssigung von Mikrosilika ausschlaggebend. Die Dispergierung von Zement spielt hier eher eine untergeordnete Rolle. Im Gegensatz dazu benötigen Hüttensande, Flugaschen und gebrannter Ölschiefer deutlich geringere Fließmittel-Dosierungen zur Verflüssigung. Bei ihnen wurde kein merklicher Einfluss der Zusammensetzung des Anmachwassers auf Dosierung und Wirkung der PCE-Fließmittel beobachtet. Dies ist in gewisser Weise überraschend, da die chemische Zusammensetzung der Porenlösung sehr wohl einen Einfluss auf das Zeta-Potential hat. Somit kann die Wechselwirkung zwischen Fließmittel und Zumahlstoff bei Hüttensand, Flugasche und gebranntem Ölschiefer näherungsweise in Suspension mit DI Wasser abgeschätzt werden. Dies ist bei Mikrosilika nicht möglich. Die für eine effektive Verflüssigung notwendigen PCE-Dosierungen (45PC6) wurden für Mikrosilika mit 0,5 Gew.-%, für Ölschiefer mit 0,18 Gew.-%, für Flugasche mit 0,1 Gew.-% und für Hüttensand mit 0,05 Gew.-% (jeweils bzgl. Feststoff) ermittelt. Der Fließmittelverbrauch von Zumahlstoffen kann somit recht unterschiedlich sein. Dies ist bei der Rezeptierung von Betonen, die Zemente mit Zumahlstoffen enthalten, zu berücksichtigen. Für Mikrosilika konnte gezeigt werden, dass durch eine Kombination strukturell verschiedener Fließmittel eine deutliche Senkung der Dosierungen erzielbar ist. Als wesentliches Ergebnis dieser Studie bleibt festzuhalten, dass die Oberflächenchemie der Zumahlstoffe ihre Wechselwirkung mit PCE-Fließmitteln entscheidend beeinflusst. Diese Oberflächenchemie hängt einerseits von ihrer chemischen Zusammensetzung und andererseits von den in der Zementporenlösung vorherrschenden Ionenkonzentrationen ab.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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"Polycarboxylat-basierte Fließmittel zur Verflüssigung von ultra-hochfestem Beton (UHPC) mit Wasser-Zement-Werten unter 0,25." GDCh-Monographie 37, 2007, pp 87-96
Gruber, M.; Schröfl, C.; Plank, J.
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"Adsorption von Polycarboxylat-Fließmitteln auf Mikrosilika." GDCh-Monographie 39, 2008, 101-111
Schröfl, C.; Gruber, M.; Plank, J.
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"Structure performance relationship of polycarboxylate superplasticizers based on methacrylic acid esters in ultra high performance concrete." In: "Ultra High Performance Concrete (UHPC) - Second International Symposium on Ultra High Performance Concrete", Fehling, E.; Schmidt, M.; Stürwald, S. (Eds). Kassel, 2008, 383-390
Schröfl, C.; Gruber, M.; Plank, J.
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"Effectiveness of Polycarboxylate Superplasticizers in Ultra-High Strength Concrete: the Importance of PCE Compatibility with Silica Fume." Journal of Advanced Concrete Technology 7 (1) 2009, 5-12
Plank, J.; Schröfl, C.; Gruber, M.; Lesti, M.; Sieber, R.
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"Use of a supplemental agent to improve flowability of ultra-high performance concrete." T. C. Holland, P. R. Gupta, V. M. Malhotra (Eds.), 9th CANMET/ACI Conference on Superplasticizers and Other Chemical Admixtures in Concrete, SP-262-1, ACI, Seville, 2009, pp.1-16
Plank, J.; Schröfl, C.; Gruber, M.
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"Interaction between Polycarboxylate Superplasticizers and Amorphous Ground Granulated Blast Furnace Slag." Journal of the American Ceramic Society
Habbaba, A., Plank, J.
