Der Einfluss komplexer Additive
auf die Dauerfestigkeit von Beton

Mit der Entwicklung hocheffizienter Superweichmacher (SW) ergibt sich nun die Möglichkeit, sie bei der Entwicklung von komplexen Zusatzstoffen zu nutzen, um hochfesten und hochwertigen Beton mit einem geringen Wasser-Zement-Verhältnis zu erhalten, der sich durch eine reduzierte Größe der Kapillarporosität, die die Langlebigkeit des Betons bestimmt, auszeichnet.

Wir haben ein komplexes Additiv aus einem SW, ­einem Aushärtebeschleuniger und einer wasserabweisenden Imprägnierung (WA) entwickelt. Als SW wurde das Additiv Odolit-K auf der Basis von Polycarboxylatether („Service Group“), als Aushärtebeschleuniger – Natriumsulfat (SN), als WA – ein unlösliches Silikonoligomer PVS-50 (­Tscheboksary Chimprom) verwendet [2].

Auf der Grundlage statistischer Versuchsplanungen wurde eine optimale Dosis der Komponenten des Additivs bestimmt, sie beträgt: SW -1 %, Aushärtebeschleuniger –1,5 %, WA -0,1 % vom Zementgewicht.

Es wurde die Wirkung des optimalen Gehaltes der Additivmischung und seiner Komponenten auf die Kinetik der Schwindverformung des Zement-Sand-Mörtels von 1:3 festgestellt. Aus der Studie ist ersichtlich, dass durch Zusatz von SW, verglichen mit der Zusammensetzung ohne Additiv, die Schwindung des Mörtels im Alter von 180 Tagen um das 1,8-fache reduziert wird (Bild 1), die Schwindung der Proben mit der Zugabe von SN und WA im gleichen Alter respektive 0,89 und 0,81 mm/m beträgt und sich nicht maßgeblich von der Kontrollprobe unterscheidet. Der optimale Gehalt der Komponenten im komplexen Additiv reduziert maßgeblich die Schwindung des Mörtels im Alter von 180 Tagen – um das 2,5-fache im Vergleich zur Kontrollgruppe.

Es ist bekannt, dass ein Angriff von Zementen besonders in flüssigen, aggressiven Medien durch die Auf­lösung der Zementbestandteile oder durch Neubildung im Zementstein erfolgt, die bei der Wechselwirkung von Hydraten und aggressiven Medien entstehen und ein größeres Volumen aufweisen, als die Summe der Volumen der Ausgangsverbindungen. Die Volumenvergrößerung der hydratisierten Neubildungen verursacht innere Spannungen, begleitet durch die Bildung von Rissen, was zur Zerstörung des Betons führt [3].

Vor diesem Hintergrund untersuchten wir die Wirkung von Additiven auf die Sulfatbeständigkeit eines Zement-Sand-Mörtel-Gemisches von 1:3. Die Ergebnisse der Untersuchungen an Zement-Sand-Mörteln infolge Zugabe von Zusatzstoffen auf Festigkeit und chemische Beständigkeit sind in Tabelle 1 gezeigt.

Als Kriterium für die Abschätzung einer Sulfatbeständigkeit wird der sog. Sulfatbeständigkeitskoeffizient KS angenommen, der das Verhältnis der Grenzbiegespannung von Proben der Größe 4 x 4 x 16 cm, die sich 180 Tage in 5 %-iger SN-Lösung befanden, zur Biegefestigkeit von Vergleichsproben, die 180 Tage im Leitungswasser waren, darstellt.

Wie aus Tabelle 1 ersichtlich ist, erhöht das Additiv mit all seinen Komponenten die Sulfatbeständigkeit vom Zement-Sand-Mörtel. Wie erwartet, wird die größte Sulfatbeständigkeit mit dem Zusatz des komplexen Additivs um 78 % – im Vergleich zu der Zusammensetzung ohne das Additiv – erreicht.

Um die Wirkung des Additivs und seiner Komponenten auf die Quellverformung in einer korrosiven Umgebung festzustellen, wurde die Kinetik der Quellverformung vom Zement-Sand-Mörtel von 1:3 in einer 5 %-igen Lösung von Natriumsulfat bestimmt (Bild 2). Es wurde festgestellt, dass die Quellverformung des Zement-Sand-Mörtels mit der Zugabe des komplexen Additivs 2,2 mal geringer ist, als eine Verformungen ohne Additiv. Alle Komponenten des komplexen Additivs tragen zur Reduzierung der Verformungen in allen Stadien des Testes bei; so sind geringere Verformungen unter dem Zusatz von SW 1,7 und bei Zugabe von WA 1,3 zu erkennen, als ohne das Additiv. Der niedrigere Wert der Quellung der Proben mit Additiv, verglichen mit denen ohne Additiv, erklärt sich durch die reduzierte Kapillarporosität vom Zement-Sand-Mörtel. Die Reduktion der Kapillarporosität wird durch die Verringerung des Wasser-Zement-Verhältnisses um 32 % erreicht.

Bekanntlich, erhöht eine Verringerung des Wasser-Zement-Verhältnisses die Dichte und reduziert die gesamte Porosität von Beton, was sich zwangsläufig nicht nur auf die Absorption, sondern auch auf die Änderungen der physikalischen und mechanischen Eigenschaften, Kältefestigkeit und Wasserbeständigkeit auswirkt. Um die Wirkung des Additivs und seiner Komponenten auf die Porosität sowie auf Frost- und Wasserbeständigkeit zu bestimmen, haben wir das folgende Experiment durchgeführt: Anhand von Betonrezepturen, die sich in der Zugabe von Portlandzement unterscheiden, wurden die Porositätsparameter nach dem Staatsstandard 12730,4-78 bestimmt. Die Frostbeständigkeit wurde an Probewürfeln von 10x10x10 cm nach Staatsstandard 10.060,3-95 auf dem Gerät „Concrete-Frost“ bestimmt. Die Wasserbeständigkeit von Beton wurde gemäß Anhang 4 des Staatsstandards 12730,5 auf dem Gerät „Agama-2RM“ mittels Luftdurchlässigkeits-Prüfung bestimmt. Die Ergebnisse der experimentellen Untersuchungen sind in Tabelle 2 dargestellt.

Wie dort ersichtlich ist, erreicht charakteristischerweise die höchste Porosität die Kontrollprobe von Beton ohne Zusatzstoffe. Solcher Beton ist durch ein hohes Wasser-Zement-Verhältnis charakterisiert, was zu einer höheren Kapillarporosität im ausgehärteten Beton beiträgt. Die Veränderung der Kapillarporosität erfolgt insgesamt durch die Erhöhung des Hydratationsgrades von Zement und der Menge von Calcium-Hydrosilikate C-S-H [4], was durch die X-ray-Analyse bestätigt wird [5]. Die sehr geringe Porosität und der geringe Anteil an Kapillarporen, die Erhöhung der geschlossenen Porosität auf Kosten der Verringerung der Kapillarporosität, führt zur einer deutlichen Erhöhung der Frost- (F) und Wasserbeständigkeit (W) des Betons. Das Wasser friert in solchen Poren bei Temperaturen deutlich unter -20 °C.

Der spezifische Verbrauch von Zement im Beton hat einen signifikanten Einfluss auf die Bildung der Porenstruktur des Betons. Der Zusatz des komplexen Additivs in den Beton mit einem Zementverbrauch von 300-600 kg/m³ ­verringert die Gesamtporosität um 40-45 %, im Vergleich zur Rezeptur ohne das Additiv. Bei einem Zementverbrauch von 600 kg/m³ sinkt der Anteil der Kapillarporen um 52 %, sogar um 57 % beim Zementverbrauch von 450 kg/m³, und um 51 % bei einem Zementverbrauch von 300 kg/m³, während der Anteil der Kapillarporen im Beton ohne Additive durchschnittlich 55 % der Gesamtporosität beträgt. Der Anteil der relativ geschlossenen Poren im Beton wächst mit dem Additiv um 14 % bei einem Zementverbrauch von 300 kg/m³, um 16 % beim Zementverbrauch von 450 kg/m³, um 18 % bei einem Zementverbrauch von 600 kg/m³, verglichen mit der Zusammensetzung ohne Additive.

Um die Ergebnisse zur Bestimmung der Porenstruktur des Betons zu bestätigen, wurde folgendes Experiment durchgeführt: Dabei geht es um die Abschätzung der Wirkung des komplexen Additivs und seiner Komponenten SW und WA auf die Wasserabsorption durch den Kapillarsog nach Staatsstandard 31.356-2007. Die Ergebnisse sind in Tabelle 3 angegeben.

Tabelle 3 zeigt, dass die Wasserabsorption durch den Kapillarsog WKP mit dem komplexen Additiv um 80 % geringer ist, als die in der Zusammensetzung ohne die Additive. Den größten Beitrag zur Verringerung der Kapillarporosität leistet dabei WA (30 %), gefolgt von SW (22 %).

An Proben zur Bestimmung des Kapillarsogs wurde gleichzeitig auch die Gewichtszunahme durch Wasserabsorption nach 48 Stunden bestimmt. Das Diagramm zeigt in Bild 3 die Gewichtszunahme durch Wasserabsorption an Zement-Sand-Mörtel mit Additiv und seinen Komponenten.

Die Daten zeigen, dass das komplexe Additiv die Wasserabsorption des Zement-Sand-Mörtels nach 48 Stunden um 60 % reduziert, verglichen mit der Zusammensetzung ohne das Additiv. Es sei darauf hingewiesen, dass WA von allen Komponenten des komplexen Additivs den größten Beitrag zur Reduktion der Wasserabsorption leistet.

Die Aushärtung von Portlandzement erfolgt in der Anfangsphase durch die Reaktion von Calciumaluminat mit Gips als Kristallisation unter Volumenzunahme zu Calciumsulfoaluminat. Die Zugabe von Natriumsulfat im komplexen Additiv führt zur Bildung von kolloidalem Gips, der Calciumsulfoaluminat intensiver bildet und eine größere Fähigkeit besitzt an den Reaktionen teilzunehmen, im Vergleich zum Gips, wie er dem Portlandzementklinker zugegeben wird (Bild 4).

Aus den Ergebnissen der Studie sind folgende Schlussfolgerungen zu ziehen:

Die Zugabe des komplexen Additivs reduziert die Schwindung von Zementmörtel um das 2,5-fache;

Die Sulfatbeständigkeit von Zementmischungen ist bei Zugabe des komplexen Additivs um 78 % höher, als ohne Additiv. Die Verformung durch Quellung ist mit Additiv in einer 5 %-igen Lösung von Natriumsulfat 2,2 mal geringer, als im Vergleich ohne das Additiv;

Eine Modifizierung von Beton durch Zugabe des komplexen Additivs trägt wesentlich zur Frostbeständigkeit (bis zu 800 F) und Wasserbeständigkeit (bis W20) bei. Dies liegt in erster Linie an der Reduzierung der Kapillarporosität um 51-57 %, sowie der Gesamtporosität um 40-45 % und der Erhöhung der geschlossenen Porosität um 14-18 %;

In Rezepturen mit dem komplexen Additiv ist die Wasserabsorption durch den Kapillarsog um 80 % und die gewichtsbezogene Wasserabsorption um 60 % weniger als in den Mischungen ohne das Additiv.