SCHRUMPFUNGSVERHINDERER

Die übermäßige Schrumpfung des Zements und die daraus resultierende Rissbildung zahlen zu den schwerwiegendsten Probleme bei Baumaterialien auf Zementbasis. Die Risse haben einen negativen Einfluss auf verschiedene Eigenschaften des aufgebrachten Materials wie beispielsweise Optik, Benutzerfreundlichkeit und Haltbarkeit.

Theorie der Schrumpfung

Die Schrumpfung wird als die last unabhängige Volumenreduktion bei der Trocknung von Zementstein definiert. Dieser Effekt wird durch die Verringerung des Feuchtigkeitsgehalts im Zement verursacht. Es gibt vier verschiedene Arten von Schrumpfung, abhängig von Zeit und Aussehen[1].

Vom Beginn der Hydrierung bis zum Beginn des Erstarrungsprozesses findet das Frühschwinden (plastisches Schwinden, Kapillarschwinden) statt. Es erfolgt im formbaren, plastischen Zustand. Das Frühschwinden wird von den Kapillarkräften verursacht. Diese entstehen, wenn dem Frischmörtel ‐ zum Beispiel durch Verdampfen oder durch Zuschlagstoffe ‐ das Wasser entzogen wird.

Der Wert des Frühschwindens variiert je nach Formulierung, die daraus resultierenden Risse sind aber recht groß. Das Frühschwinden ist die einzige Art der Schrumpfung, die durch eine rechtzeitige Aushartung oder durch eine verlangsamte Hydrierung reduziert werden kann. Dies kann durch eine Abdeckung des Frischmörtels mit einer Kunststofffolie, durch Besprühen mit Wasser, durch Aushartung mit Additiven oder durch Dispersionen auf Paraffinbasis erreicht werden.

Das chemische oder autogene Schwinden findet in den ersten Tagen nach der Aushartung statt. Es basiert auf der Tatsache, dass das Volumen des Zementgels (Hydrat‐Phase) kleiner ist als das Gesamtvolumen der Mischung aus Wasser und Zement.

Im Falle einer vollständigen Hydratation betragt das Volumen des Zementsteins (Verhältnis Wasser/Zement = 0,4) etwa 92% des Volumens der Hydrat‐Phase. Wahrend des Hydratationsprozesses wird die Menge des frei fliesenden Wassers verringert und der Zement zieht das Wasser aus den Kapillarporen.

Dies führt zur Selbstaustrocknung der Poren und das Wasser wird chemisch in das Zementgel eingebunden. Daher ist der Prozess des autogenen Schwindens abhängig vom w/z‐Wert. Besonders niedrige w/z‐Werte fordern das autogene Schwinden.

Unter Trocknungsschwinden versteht man die Abgabe von Überschusswasser aus dem Zementstein, das nicht chemisch gebunden ist. Der Zementstein gibt solange Wasser ab, bis seine Feuchtigkeit und die Umgebungsfeuchtigkeit im Gleichgewicht sind. Dieser Vorgang ist reversibel und wird von der Diffusion gesteuert. Er ist deshalb sehr langsam und abhängig von Umgebungsfeuchtigkeit sowie von Zusammensetzung und Größe der Oberfläche.

Wie das autogene Schwinden beruht auch der Mechanismus der Trocknungsschrumpfung auf der Tatsache, dass Wasser aus den Kapillarporen abgegeben wird. Autogenes Schwinden  wird jedoch durch physikalisch-chemische Prozesse (Hydratation) und nicht durch einfache Verdampfung an die Umgebung verursacht.

Ein weiterer allerdings langsamer Schrumpfungsprozess ist das sogenannte Carbonatisierungsschwinden. Dieser irreversible Prozess wird durch eine chemische Reaktion zwischen umgebender Atmosphäre (Kohlendioxid) und im Zementstein enthaltenem Calciumhydroxid verursacht. Bei dieser Reaktion entstehen Calciumcarbonat und Wasser. Das Wasser wird so lange aus dem Zement abgegeben, bis die Feuchte des Zementsteins und der Umgebung gleich sind. Das Carbonatisierungsschwinden ist ein sehr langsamer Prozess, der über Monate und Jahrzehnte dauern kann. Der daraus resultierende Schrumpfeffekt ist sehr klein.

Zusammensetzung und Wirkungsmechanismus

Um den Wirkmechanismus von Schrumpfungsverhinderern zu verstehen, ist es sinnvoll, einen genaueren Blick auf den Mechanismus der Zementhydration und den Härtungsprozess zu werfen. In der Literatur finden sich mehrere Modelle für dieses Verfahren. Im Rahmen dieses Artikels ist es nützlich, sich auf ein Modell zu konzentrieren, das den Vorgang der Schrumpfverhinderung erklärt.

Die klassische Annahme ist, dass Zement und Wasser ein Netzwerk von kolloidalen Hydratationsprodukten bilden, das als Zementleim oder Zementgel[2] bezeichnet wird. Der Zementleim besteht hauptsachlich aus Calciumsilikat‐Hydraten, wobei das Wasser aus verschiedenen Quellen stammt. Einerseits ist es chemisch als Kristallwasser an das Calciumsilicat‐Hydrat gebunden, andererseits von den Gelpartikeln adsorbiert und schließlich existiert es als frei fließendes Wasser in den Kapillaren. Im Verlauf des Hydrationsvorganges wird der Abstand zwischen den Gelpartikeln immer kleiner und die Schichten von adsorbiertem Wasser werden nicht mehr richtig entwickelt. In diesen Bereichen kondensiert das Wasser daher. Das sogenannte kapillare Porenwasser erzeugt Druck auf die Gel‐Teilchen und verformt diese, sodass die Porenstruktur vergrößert wird. Dieser Prozess fuhrt schließlich zum Schrumpfen der Zementmasse und zur fortschreitenden Austrocknung.

Es gibt mehrere Möglichkeiten, um die Schrumpfung im Zementstein zu reduzieren, in der Frühphase der Hydratation beispielsweise durch eine Volumenexpansion mittels Zugabe von Sulfat (Gips)[3, 4] oder durch Bildung von Wasserstoff‐Hohlraumen (Zugabe von Aluminiumpulver). Wie erwähnt, kann die Verdampfung von Wasser aus dem Frischmörtel auch durch Abdecken mit Plastikfolie, Besprengen mit Wasser oder mit Hilfe von Dispersionen auf Paraffin‐Basis verringert werden. Insbesondere bei hochqualitativem Trockenmörtel ‐ zum Beispiel in Systemen mit großen Flächen wie Selbstverlaufsmassen, Ankermörtel und Reparaturmörtel ‐ werden häufig pulverförmige Schrumpfungsverhinderer eingesetzt. Schrumpfungsverhinderer enthalten oberflächenaktive Komponenten, die die Oberflächenspannung von Wasser in den kapillaren Poren reduzieren. Die Erfahrung hat gezeigt, dass eine Reihe von nichtionischen Tensiden mit unterschiedlichem hydrophobem Charakter für diese Anwendung geeignet ist. Die meisten herkömmlichen Substanzen haben aber einen großen Nachteil: Sie sind nicht frei von flüchtigen Kohlenwasserstoffen.

Aufgrund stetig steigender Nachfrage von emissionsarmen Systemen (z.B. EMICODE) werden zunehmend moderne Schrumpfungsverhinderer entwickelt, die frei von flüchtigen Kohlenwasserstoffen sind. Für die einfache Handhabung werden diese Wirkstoffe auf spezifische Träger mit hoher Adsorptions‐ undschnellere Desorptionskapazitat aufgebracht.

Verschiedene Wirkungsmechanismen für Schrumpfungsverhinderern werden diskutiert. Einerseits wird das schwer lösliche Calcium‐Hydroxid, das durch Hydratation des Zements entsteht, in Lösung gehalten, indem es mit den Wirkstoffen der Schrumpfungsverhinderer Komplexe bildet. Dadurch wird der Hydrations‐Prozess verlangsamt. Andererseits reduzieren die Inhaltsstoffe der Schrumpfungsverhinderer aufgrund ihrer oberflächenaktiven Eigenschaften den Wasserverlust der kapillaren Poren, was eine verringerte kapillare Zugspannung bewirkt. Diese Prozesse vergrößern die Abstande zwischen den Teilchen der Zementpaste und reduzieren so das autogene Schwinden und das Trocknungsschwinden.

Experimente und Ergebnisse

Um die Wirkungsweise von Schrumpfungsverhinderern zu demonstrieren, wird eine Richtrezeptur für eine selbstverlaufende Spachtelmasse verwendet (siehe Tabelle 1). Um die Verarbeitung an der Baustelle zu simulieren, wird ein bis zwei Minuten mit einem Hobart‐Mischer gemischt. Die Schrumpfung wird mit DIN 52450 gemessen. Dafür werden drei genormte Probekörper in einer speziellen Gussform hergestellt. Nach 48 Stunden werden die Prüfkörper aus der Form genommen und ihre Länge wird gemessen (siehe Abbildung 1). Die Proben werden drei Monate lang unter Normbedingungen (23°C, 50% relative Luftfeuchtigkeit) gelagert und ihre Länge wird in regelmäßigen Abstanden gemessen. Das Schwindmaß wird im Verhältnis zum Referenzwert in Millimetern pro Meter angegeben. Das Frühschwinden kann mit diesem Verfahren allerdings nicht erfasst werden, da der Referenzwert nach dem Trocknen des Probekörpers gemessen wird. Wie Abbildung 2 zeigt, betragt der Schwund nach zwei Monaten mehr als 20 Prozent. Das Frühschwinden kann mit Hilfe einer Laserabstandsmessung erfasst werden. Die selbstverlaufende Spachtelmasse wird in eine Gussform aus Kunststofffolie und Fensterdichtband gegeben. Die Basis bildet eine nivellierte Glasplatte. Zwei Reflektoren aus Polystyrol werden auf der Spachtelmasse angebracht und senkrecht zu dem Laserstrahl eingestellt. Die Längenänderung beim Harten wird aufgezeichnet. Am Ende der Prüfung wird die endgültige Länge mit einer Präzisionsschublehre gemessen und in Bezug auf die Ausgangslange berechnet.

Die Länge des Schwundes wird in mm/m angegeben. Das Ergebnis des Experiments ist in Abbildung 4 dargestellt. Gleich nach dem Auftragen dehnt sich die selbstlaufende Spachtelmasse aus. Das ändert sich nach vier bis fünf Stunden. Dann kommt es zu einer massiven Schrumpfung. Durch die Anwendung eines Schrumpfungsverhinderers werden beide Effekte deutlich reduziert.

Pulverentschäumer

Pulverentschäumer werden in vielen Trockenmortel‐Formulierungen verwendet, beispielsweise für Systeme auf Basis von Zement, Gips, Kalk‐ und redisspergierbaren Pulver‐Polymeren (Spachtelmassen, Estriche, Fliesenkleber, Fugenfuller, Pulverfarben, Putze, Reparaturmörtel).

Funktion und Zusammensetzung

Pulverentschäumer dienen zur Verringerung und Kontrolle des Luftgehaltes im Nassmörtel. Im Allgemeinen fuhrt dies zu einer erhöhten Stabilität des Mörtels. Aber nicht in jedem Fall ist ein geringer Luftgehalt erwünscht. Fliesenkleber weisen einen höheren Luftgehalt auf, um bessere Verarbeitbarkeit und genaue Einrichtung der Fliesen zu erhalten. In Leichtestrichen ist ein höherer Luftgehalt wichtig, um Gewicht zu sparen. Pulverentschäumer bestehen aus einer flüssigen Phase, die auf festen Trägern aufgebracht werden, die ein hohes Adsorpsion‐ und Desorbtionsvermögen aufweisen. Pulverentschäumer sollten rieselfähig sein, um eine Klumpenbildung bei der Lagerung zu vermeiden.

Die Flüssigphase des Entschäumers besteht aus Verbindungen, die Einfluss auf die Oberflächenspannung des nassen Mörtels haben, wie zum Beispiel Kohlenwasserstoffe, Polyglykole oder Polyethersiloxane.

Die Benetzungseigenschaften der flüssigen Komponenten sind entscheidend für eine homogene und blasenfreie Oberflache des Mörtels. Wirksamere Entschäumer erhält man durch hydrophobere Formulierungen. Sie neigen aber dazu, Oberflächenfehler wie Flecken und kleine Löcher (Abbildung 6) zu erzeugen. Manchmal können Wechselwirkungen zwischen Entschäumer und Weichmacher auftreten, die ebenfalls zu einem inhomogenen Erscheinungsbild führen können. Daher erfordert die spezifische Zusammensetzung eines Entschäumers für jeden Trockenmörtel eine fachgerechte Auswahl. Häufig sind intensive Versuche mit verschiedenen Entschäumern notwendig, um den bestmöglichen Kompromiss zwischen Leistung und visuellem Erscheinungsbild zu erzielen.

Experimente und Ergebnisse

Um die Wirkung von Pulverentschäumern zu veranschaulichen wird eine Richtrezeptur für eine selbstlaufende Spachtelmasse, die 0,3% Entschäumer enthalt, in einem Scandex Mischer gemischt. Die Verbindung wird mit Wasser unter Verwendung einer Knetvorrichtung 30 Sekunden lang gemischt. Wie bereits erwähnt, simulieren eine kurze Mischzeit und geringen Scherraten die Verarbeitung auf der Baustelle.

Mit verschiedenen Parametern wird der Einfluss des Entschäumers auf die Eigenschaften der selbstlaufenden Spachtelmasse gemessen. Der Durchfluss wird mit einem Hagermann Ausbreittisch, die Nassdichte mit Hilfe eines Pyknometers bestimmt. Die Trockendichte wird gemessen, indem man eine Probe herstellt, die mit einem Schutzlack beschichtet und nach dem Trocknen gemessen wird. Die Dichte der Probe erhalt man durch Wiegen in Wasser und Luft. Für die Beurteilung des optischen Erscheinungsbildes wird die Probe in eine Petrischale gegossen. Die Ergebnisse sind Tabelle 2 zu entnehmen. In diesem Fall zeigt Entschäumer 3 die besten Ergebnisse.

Pulverformige Dispergiermittel

 Pulverformige Dispergiermittel werden verwendet, um die Benetzung hydrophober Komponenten in mineralischen Mörteln beim Mischen mit Wasser zu beschleunigen und zu verbessern. Diese hydrophoben Komponenten sind beispielsweise Fasern, Pigmente oder Quarzsand. Deshalb werden pulverformige Dispergiermittel vor allem in farbigen Fugenmassen, faserverstärktem Mörteln und in Mörteln, die in Maschinen gemischt werden, verwendet. Dispergiermittel in Pulverform erhöhen die Farbstarke in pigmentierten Systemen, sie reduzieren das Aufschwimmen von Pigmenten an die Oberfläche und verleihen eine homogene Oberfläche. Die Benetzung der Verstärkungsfasern wird verbessert und ein Aufschwimmen an die Oberfläche unterdrückt. Dies führt zu einer höheren Stabilität des Mörtels. In Mörteln, die mithilfe von Maschinen gemischt werden, wird die Mischzeit reduziert. So können höhere Förderraten erreicht werden. In einigen Fallen erzeugt die Kombination von Pulver-Entschäumer und Dispergiermittel Synergieeffekte, die zu einer glatteren Oberfläche führen.

Die Moleküle an der Oberfläche benetzen die Oberfläche von Fasern, Pigmenten und Additiven. Man unterscheidet zwei verschiedene Wirkmechanismen: die elektrostatische und die sterische Stabilisierung.

Im Falle der elektrostatischen Stabilisierung wird die Oberfläche der Partikel mit ionischen Additiven bedeckt. Wenn alle Teilchen die gleiche Ladung aufweisen, kommt es zur elektrostatische Abstoßung. Sind die abstoßenden Kräfte starker als die anziehenden Kräfte, wird eine Reagglomeration der Teilchen verhindert. Im Falle der sterischen Stabilisierung haften die hochmolekularen Polymere an der Partikeloberfläche. Die Polymerzweige bedecken die Partikeloberflache und verhindern die Reagglomeration und das Anhaften von anderen Teilchen. Eine Kombination beider Wirkungsmechanismen in einem einzigen oberflächenakiven Molekül ist möglich.

Experimente und Ergebnisse

Die Wirkungsweise der pulverformigen Dispergiermittel wird anhand eines schwarzen Fugen Füllers gezeigt. Die Farbe wird durch Einlagerung von schwarzen Eisenoxidpigmenten erzeugt. Die schwarze Fugenmasse wird mit 0,5% Dispersionspulver vermischt. Um negative Auswirkungen des Dispergiermittels auf die Verarbeitbarkeit und die Konsistenz zu vermeiden, werden die gleichen Parameter, wie oben erwähnt, gemessen. Um die Dispersionseigenschaften der Fugenmasse zu bewerten, werden die Farbstärke und die L‐Werte mit einem Datacolor Kolorimeter gemessen. Unter der Farbstärke versteht man die Fähigkeit der Pigmente den Füllstoff zu färben. In diesem Beispiel erhöht das Dispergiermittel die Farbstärke um 45% (siehe Tabelle 3). Der L‐Wert ist ein Maß für die Helligkeit der Oberflache und beschreibt die unbunten Farben im L * a * b *‐Farbraum. Die Skala reicht von 0 (Schwarz) bis 100 (weiß). Eine Abnahme des L‐Werts in diesem konkreten Beispiel bedeutet, dass die Fugenmasse schwärzer wird.