Kurzfassung des Schlussberichts zum Verbundforschungsprojekt

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1 Kurzfassung des Schlussberichts zum Verbundforschungsprojekt Neue Sichtbetontechnik Integration der Erkenntnisse zu Wechselwirkungen zwischen Schalhaut, Trennmittel und Betonoberfläche in die Prozesskette beim Sichtbeton M. Sc. Dipl.-Ing. (FH) Immanuel Schäufele, Institut für Prävention im Bauwesen (IBP) Prof. Dr. Karsten Schubert, Fakultät für Architektur und Bauwesen Institut für Prävention im Bauwesen (IPB) An die Qualität von Sichtbetonflächen werden heute sehr hohe Anforderungen gestellt. So werden eine möglichst poren- und lunkerfreie sowie homogene Oberfläche und eine gleichbleibende Farbgebung gefordert und bei der Beurteilung als maßgebende Kriterien herangezogen. Dies wiederum stellt hohe Anforderungen sowohl an die Herstellung und die Verarbeitung des Werkstoffes Beton als auch an die Funktionalität der verwendeten Hilfsmittel wie Schalung und Trennmittel. Im Rahmen des vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (Förderkennzeichen N) über die Allianz Industrie Forschung (AiF) geförderten Verbundvorhabens Neue Sichtbetontechnik - Integration der Erkenntnisse zu Wechselwirkungen zwischen Schalungshaut, Trennmittel und Betonoberfläche in die Prozesskette beim Sichtbeton wurden deshalb umfangreiche Untersuchungen zur Charakterisierung der chemisch-physikalischen Wechselwirkungen zwischen Schalungsoberfläche, Trennmittel und Frischbeton durchgeführt. Das Projekt wurde in 3 Teilbereiche und in insgesamt 5 Arbeitspakete unterteilt. Teilbereich 1 beschäftigt sich mit der Charakterisierung der Ausgangsmaterialen Zementleim/Porenlösung, Schalhaut und Trennmittel. Teilbereich 2 befasst sich mit der Charakterisierung möglicher Wechselwirkungen zwischen Schalhaut/Trennmittel/Zementleim. Teilbereich 3 beinhaltet die Herstellung von Betonkörpern unter Verwendung von 4 Schalungsmaterialien, 2 Zementen und 3 Trennmitteln. Die Untersuchungen zeigen, dass die Verwendung unterschiedlicher Schalmaterialien und Trennmittel und die Kombination beider Einfluss auf die Sichtbetonqualität (Poren- und Lunkeranteile im oberflächennahen Bereich) haben.

2 Gleiches gilt für die Farbhomogenität. Im Fall der Schalung ist dies auf die chemischphysikalischen Eigenschaften der Werkstoffoberfläche im Allgemeinen und im Speziellen auf deren polare Oberflächenenergieanteile zurückzuführen. Im Fall der Trennmittel ist der Einfluss nach derzeitigen Erkenntnissen auf die chemische Zusammensetzung, vor allem aber auf die Trennmittelmenge zurückzuführen. Des Weiteren zeigen die Untersuchungen, dass das bislang in der Praxis bekannte Phänomen, dass homogene Sichtbetonoberflächen erst ab einer gewissen Einsatzhäufigkeit der Schalung möglich sind, auf eine mit zunehmender Anzahl der Abschalvorgänge einhergehende Erhöhung der Oberflächenenergie zurückgeführt werden kann. Zwar sind die erzielten Ergebnisse zunächst nur für die verwendeten Materialien belegt, können aber aufgrund einer ausgearbeiteten Systematisierung bei der Vorgehensweise auf jedes andere System übertragen werden. Die Untersuchungen zeigen ferner, dass Trennmittel, die auf Kohlenwasserstoffverbindungen basieren, mit kohlenwasserstoffhaltigen Schalmaterialien interagieren. Lange Standzeiten sind daher zu vermeiden. Praktisch bedeutet dies, dass die Trennmittel in die Schalhaut eindringen können und sich unter Umständen kein ausreichender Trennfilm zwischen Schalhaut und Zementleim ausbilden kann. Bei einer nicht saugenden Schalung ist die Trennmittelmenge so gering wie möglich zu halten, da es sonst zu Entmischungen des Zementleims kommen kann. Die Vielzahl der Einflussfaktoren führt dazu, dass Schalung und Trennmittel ebenfalls in den Optimierungs- und Abstimmungsprozess bei der Sichtbetonerstellung mit eingebunden werden müssen. Für die Trennmittel muss deshalb eine wirksame Trennmittelmenge festgesetzt werden. Dies bedeutet, dass die Trennmittelmenge auf die Art der Schalung, die Betonrezeptur und die Umgebungsbedingungen abgestimmt angewendet werden muss. Ziel muss es sein, durch eine wirksame Trennmittelmenge den Reibungswiderstand an der Grenzfläche Schalhaut/Trennmittel/Zementleim so niedrig wie möglich zu halten, um eine unter den gegebenen Randbedingungen möglichst optimale Entlüftung des Zementleims im Randbereich zu ermöglichen. Des Weiteren muss das Austreten der Porenlösung und die Vermischung mit dem Trennmittel verhindert werden. Wird die Optimierung vernachlässigt, kommt es an der Grenzfläche Zementleim/Trennmittel zu einer erhöhten Porenbildung. Die durchgeführten Untersuchungen zeigen den Einfluss der Trennmittel in der Wechselwirkung mit der jeweiligen Schalhaut. Mit dem modifizierten Wassersaumtest ist eine optimale Auswahl der der Trennmittelmenge hin zu einer wirksamen Trennmittelmenge möglich. Ein bisher angenommenes Modell zur Porenbildung, das annimmt, dass es bei der Verwendung von hydrophoben Trennmitteln zur erhöhten Porenbildung kommt, wird basierend auf den durchgeführten Untersuchungen von sekundärer Bedeutung angesehen. Gründe hierfür sind die Erkenntnisse, dass sich die Oberflächenenergie einer Schalhaut bei längerer Einwirkzeit eines hydrophoben Trennmittels formulierungsunabhängig positiv im Sinne ihrer Benetzbarkeit verändert und ein ausgeprägteres Benetzungsverhalten als eine neue Schalung aufweist. Seite 2 von 6

3 Ein weiterer Grund ist die Beobachtung, dass unabhängig von der Formulierung (hydrophob, hydrophil-hydrophob oder hydrophob-hydrophil) des Trennmittels bei einer zu hohen Trennmittelmenge die im Zementleim befindliche Porenlösung aufgrund der durchgeführten Untersuchungen austritt und der Zementleim dadurch an der Grenzfläche Schalhaut/Trennmittelfilm entmischt, was zu einer erhöhten Reibung führt. Dadurch bedingt wird zum Verdichten ein höherer Energieeintrag im System benötigt, um den Zementleim vor die Luftpore zu schieben und sie so zu verdecken. Prinzipiell richtig ist die Annahme, dass ein hydrophiles Trennmittel sich positiv auf die Porenbildung im oberflächennahen Bereich auswirkt. Eine verminderte Porenbildung wird jedoch nicht aufgrund der wasseranziehenden Bestandteile durch gleichmäßiges Verteilen des Zementleims an der Grenzfläche Schalhaut/Trennmittelfilm als logisch angesehen, sondern genau umgekehrt. Durch die Hydrophilie eines Trennmittels wird der Zementleim am Entmischen gehindert bzw. stabil gehalten. Für die Bildung der Poren werden deshalb die folgenden Erkenntnisse in einem 4-stufigen Modell abgeleitet. Grundsätzlich sind 2 Fälle für die Bildung von Poren im oberflächennahen Bereich zu unterscheiden: - Fall 1 (siehe Abbildung 1): Zum jetzigen Zeitpunkt wird davon ausgegangen, dass sich bei einer zu hohen Trennmittelmenge die Porenlösung mit dem Trennmittel vermischt und so der Zementleim an der Grenzfläche Trennmittel/Schalhaut an Porenlösung verarmt und dadurch stärker an der Schalhaut anhaftet. Dies kann für den Fall 2 allgemein durch eine lokal zu hohe Trennmittelmenge oder durch eine insgesamt zu hohe Trennmittelmenge verursacht werden. - Fall 2 (siehe Abbildung 1): Kommt der Beton beim Einbau (Fallbewegung) mit dem Trennmittelfilm in Kontakt, wird dieser abgetragen. In Folge des Abtrags kommt es zu einer erhöhten Reibung an der Grenzfläche Schalhaut/Trennmittelfilm. Es erfordert wiederum höhere Verdichtungsenergien, einen Zementleimfilm vor die Luftblase zu schieben. Bleibt die Verdichtungsenergie aus, kommt es zu einer Porenbildung im oberflächennahen Bereich. Die aus den beiden Fällen abgeleiteten vier Stufen sind: I. Austritt der Porenlösung wegen zu hoher Trennmittelmenge (Fall 1, siehe Abbildung 1) und lokale Störung der Trennmittelfilmstärke durch den Einbau des Betons (Fall 2, siehe Abbildung 1). Seite 3 von 6

4 II. Entmischung des Zementleims an der Grenzfläche Zementleim/Trennmittel und ggf. damit einhergehende Farbveränderungen (siehe Abbildung 1). III. Luftpore kann wegen erhöhter Adhäsionskräfte des Zementleims im Randbereich nicht entlüftet werden (siehe Abbildung 2). IV. Beim Ausschalen bleiben die entmischten Zementsteinbereiche an der Schalung haften. Die Luftporen im oberflächennahen Bereich (ca. 0,5 mm) bleiben irreversibel als Pore zurück (siehe Abbildung 2). Abbildung 1: Stufe I und II des Modells zur Porenbildung an Sichtbetonflächen Seite 4 von 6

5 Abbildung 2: Stufe III und IV des Modells zur Porenbildung an Sichtbetonflächen Durch den in der ersten Projektphase entwickelten und in der jetzigen Phase weiterentwickelten Wassersaumtest können bei den eingesetzten Schalmaterialien die optimalen Trennmittelmengen ermittelt werden. Prinzipiell lassen sich basierend auf den durchgeführten Untersuchungen bestimmte Schalmaterial-Trennmittel-Trennmittelmengen-Kombinationen festlegen, die eine Verbesserung in der Ausführungsqualität ermöglichen. Im Bereich der Fehleranalysen zeigen die Untersuchungen, dass die auf der Schalung applizierte Trennmittelmenge einen Einfluss auf die Hydratation im oberflächennahen Bereich hat und zu Farbveränderungen durch Entmischung bzw. dadurch bedingt zu unterschiedlichen zeitlichen Verläufen der Hydratation führen kann. Es ist deshalb zu folgern, dass gerade in Bezug auf die Nachbehandlung bzw. die Betonage bei widrigen Verhältnissen (Hitze, Kälte, Regen) dies von hoher Bedeutung ist und bei der Ausführung beachtet werden muss. Seite 5 von 6

6 Ziele: Die zu Projektbeginn definierten Ziele wurden erreicht. Weitere Forschungsaktivitäten, z.b. für weitere Systeme oder Trennmittelmengen, sind jedoch notwendig, um die Erkenntnisse zu festigen. Förderhinweis: Das IGF-Vorhaben (15873 N) der Forschungsvereinigung (Deutscher Beton- und Bautechnik e.v.) wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung und Entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Schlussbericht: Der Schlussbericht kann in der im Institut für Prävention im Bauwesen (IPB) der Hochschule Karlsruhe Technik und Wirtschaft nach Terminabsprache eingesehen werden. Kontakt: Institut für Prävention im Bauwesen (IPB) Hochschule Karlsruhe Technik und Wirtschaft Immanuel Schäufele ( Moltkestrasse Karlsruhe Seite 6 von 6