Die Anforderungen an die Dauerhaftigkeit und die mechanische Eigenschaften von Beton-konstruktionen wachsen ständig. Ein Weg zur Verbesserung besonderer Eigenschaften ist die Modifizierung mit Kunststoffen. In Ausgabe 5/2006 wurde bereits von den Autoren auf die Zusammensetzung, Wirkungsweise und Anwendung polymermodifizierter Mörtel und Betone (PCC) eingegangen. Weitere offene Fragen, insbesondere bezüglich der Erhärtungsmechanismen, der Dauerhaftigkeit, des Verbundverhaltens sowie des Last-Verformungs- und Bruchverhaltens konnten im Rahmen des Teilprojektes B 3 „Dauerhaftigkeit von kunst-stoffmodifizierten Mörteln und Beton“ des von der DFG geförderten Sonderforschungs-bereiches 524 „Werkstoffe und Konstruktionen für die Revitalisierung von Bauwerken“ be-antwortet werden. – 1 Einleitung – Für die Modifizierung werden hauptsächlich Thermoplaste in Form von Dispersionen oder redispergierbaren Pulvern eingesetzt. Eine Sondergruppe bilden die epoxidharzmodifizierten Mörtel/Betone (ECC). Durch die Modifizierung können sowohl die Frisch- als auch die Fest-beton- / Festmörteleigenschaften günstig beeinflusst werden. Hinsichtlich positiver mechani-scher Kennwerte und erhöhter Dauerhaftigkeit wird die Ausbildung von Polymer-Mikrofilmen in der Matrix angestrebt. Die Zug- und Biegezugfestigkeit werden i. d. R. erhöht, während sich E-Modul und Druckfestigkeit verringern. Hinsichtlich der Dauerhaftigkeit und Mikro-strukturausbildung existieren unterschiedliche, teilweise konträre Auffassungen, deren Ursachen meist in den stofflichen Aspekten der komplizierten Erhärtungsmechanismen von organischer und anorganischer Matrix liegen. – 2 Auswahl der Komponenten und Charakterisierung der PCC – Zur Verifikation der Wirkung einer Polymermodifizierung wurden neben verschiedenen Port-landzementen Hochofenzemente und ein Sulfathüttenzement in die Untersuchungen ein-bezogen. Für die Modifizierung wurden ein EP-System (KS 1), zwei Pulver (KS 2 bzw. KS 3) auf der Basis Styren/Acrylsäureester bzw. Vinylacetat/VeoVa sowie eine Dispersion (KS 4) mit der chemischen Basis Styren/Acrylsäureester verwendet. Die Mörtel wurden mit Norm-sand nach DIN EN 196, die Betone mit praxisrelevanten Gesteinskörnungen hergestellt. Die Wasser-Zement- (w/z) und Polymer-Zement-Werte (p/z) wurden variiert. Die Proben wurden auf drei verschiedene Arten bis zur Prüfung gelagert: Variante A: 1 d in der Form (20°C/95% rel. LF), danach unter Wasser; Variante B: 1 d in der Form (20°C/95% rel. LF), danach im Klimaraum (20°C/65% rel. LF); Variante C: 1 d in der Form, anschließend 6 d unter Wasser, danach im Klimaraum (20°C/65% rel. LF). Teilweise wurden Fließmittel (FM) auf PCE-Basis und Entschäumer (ES) verwendet. – Es wurden für PCC übliche Frischmörtelkennwerte ermittelt. Die Polymerzugabe führte – i. d. R. zu einer Verflüssigung. Gleichzeitig kam es zu einer Erhöhung der Verarbeitungszeit und des Wasserrückhaltevermögens. Dieser Effekt war beim CEM I deutlicher ausgeprägt als beim CEM III, hauptsächlich aufgrund differierender Mengen an FM und ES. – Nur bei günstigen Bedingungen für eine Filmbildung (Lagerungen B und C) wurden die posi-tiven Auswirkungen der Polymere deutlich. Die Biegezugfestigkeit wurde erheblich ge-steigert. Während die Druckfestigkeiten der CEM III-Mörtel im Allgemeinen abnahmen, konnten sie durch die Rezepturoptimierung bei den CEM I-Mörteln ausnahmslos gesteigert werden. Der verringerte Kapillarporenraum führt zur Reduzierung der Carbonatisierung. – Grundsätzlich konnte festgestellt werden, dass die Modifikationen zu erheblicheren Ver-besserungen der Dauerhaftigkeit führen, als dies durch Absenkung des w/z-Wertes allein möglich ist. Geringfügige Variationen der Zusammensetzung erfordern allerdings eine er-neute Eignungsprüfung. – 3 Erhärtungsmechanismen der PCC – Für diese Untersuchungen geeignet erwiesen sich elektronenoptische Verfahren, die La-sergranulometrie, die Wärmeflusskalorimetrie, die Röntgendiffraktometrie sowie Analysen-methoden zur Charakterisierung der Porenlösungen und des Hydratationsgrades der Ze-mentleime bzw. -steine. Zur quantitativen Charakteristik der Adsorptions- und Trocknungsprozesse wurden Untersuchungen mittels Spektralphotometrie (Abb. 1) und Tensiometrie durchgeführt. Grundlegende Erkenntnisse konnten nur durch die Einbeziehung von Modell-substanzen erhalten werden. Es gelang, ein qualitatives Modell der Strukturausbildung im frühen Stadium der Erhärtung aufzustellen, welches in Abhängigkeit von der Zusammensetzung und Struktur der Polymere die resultierende Mikrostruktur differenziert. Es wurden erste Untersuchungen mit einem Cryo-REM durchgeführt. Die Klärung der strukturel-len Unterschiede ist Gegenstand weiterer Forschungsarbeiten. – Grundsätzliche Aussagen wurden hinsichtlich der Dauerhaftigkeit der PCC erhalten: – 1. Bei der Einwirkung von Flüssigkeiten und/oder Gasen ist die Dichtigkeit der Mörtel aus-schlaggebend. Diese hängt hauptsächlich ab vom w/z-Wert, der Zementsorte, der Nach-behandlung und dem Polymergehalt. Die Abhängigkeit von der Polymerart ist sekundär, aber erheblich von den Additiven, welche auch die Lieferform bestimmen. – 2. Werden die PCC Temperaturwechseln unterzogen ist die Beeinflussung des E-Moduls durch die Polymere für die Dauerhaftigkeit wesentlich. Polymerfilme können die Rissöff-nungsenergie erhöhen und damit als „Bewehrung“ fungieren. Hier ist eine direkte Abhängig-keit von der Menge und den Eigenschaften der Polymere gegeben (Mindestfilmbildungstem-peratur, Glasübergangstemperatur, Zugfestigkeit, Haftverbund). – 4 Verbundverhalten der PCC – Die Längenänderung, durch Temperatureinflüsse oder Schwinden verursacht, gehört zu den verbundrelevanten Kennwerten. Durch die Modifizierung wird der lineare thermische Aus-dehnungskoeffizient nur geringfügig erhöht, weiterhin bestehen keine Abhängigkeiten der Wärmestromdichte und der spezifischen Wärme. Dagegen haben die Porosität und Feuch-tigkeit der PCC einen größeren Einfluss als der geringe Volumenanteil der Polymere. – Es wurde eine am Finger-Institut für Baustoffkunde (FIB) modifizierte Methode der Schwind-messung mit Stahlrinnen genutzt, um die Längenänderung „online“ ab Erstarrungsbeginn einschließlich der Temperatur-bedingten Längenänderung erfassen zu können. Die Messun-gen erfolgten im Normalklima 20/65 sowie während zweier Temperaturzyklen, die sich an realen Temperaturdaten im Sommer und im Herbst orientierten. Bereits in den ersten Tagen wiesen die modifizierten Zementsteine ein größeres Schwindmaß auf (Überlagerung von thermischer Längenänderung und chemischen Schwinden). Weiterhin wurden neben diesen Messungen auch kontinuierliche Messungen an frei verformbaren Probekörpern vor-genommen, die mit der klassischen Messung mittels Schwindmesszapfen verglichen wurden. Die Ergebnisse aller drei Messmethoden korrelierten miteinander, waren aber nicht identisch. Die Messungen der Proben mit Behinderung wiesen die geringsten Verformungen auf, die frei verformbaren, kontinuierlich gemessen Proben zeigten die größten Schwind-werte. – Einen entscheidenden Einfluss auf den Haftverbund hat die Verarbeitbarkeit. Es wurde in umfangreichen Versuchen geprüft, wie sich verschiedene Gesteinskörnungen (Kies, Splitt), Zementsorten, Polymerarten und Fasern (AR, PP, PVA) auf die Verarbeitbarkeit auswirken. Der negative Einfluss von gebrochenen Körnungen kann durch die verflüssigende Wirkung der Polymere z. T. ausgeglichen werden. Für Polymerpulver muss jedoch eine Mindest-menge Wasser für die Redispersion vorhanden sein. Beim Einsatz von Fasern ver-schlechterte sich die Verarbeitbarkeit. Aufgrund ihres geringen Durchmessers und der Agglomerationen riefen PP-Fasern die schlechteste Verarbeitbarkeit hervor. Die hydrophilen Eigenschaften der PVA-Fasern wirkten positiv. Eine klare Verbesserung der Feststoffeigen-schaften durch die Zugabe von Fasern wurde nicht erzielt. – Bei Untersuchungen mit technischen Pulvern auf der Basis von Vinylacetat/Veova, Vinylace-tat/Ethylen, Vinylacetat/Butylacrylat und Styren/Butadien modifizierter PCC hinsichtlich des Einflusses auf den Haftverbund nach Frost/Tau-Wechsellagerung wurden Zusammenhänge zu den Parametern Polymerzusammensetzung, -kennwerte (z. B. Zugfestigkeit, MFT, TG), Redispersion, Frisch- sowie Festmörtelkennwerte mit dem statistischen Auswerteprogramm JMP.05 betrachtet. Eindeutige lineare Abhängigkeiten der Haftzugfestigkeit konnten vom Ausbreitmaß, der Biegezug-, der Druckfestigkeit und vom E-Modulabfall abgeleitet werden. – Bei guter Verarbeitbarkeit und Verdichtung konnte kein Einfluss der Probengeometrie (quad-ratisch, rechteckig, rund) auf den Haftverbund der PCC auf Altbeton bei Klimawechsel-lagerung [RILI-SIB 2001, Teil 4] festgestellt werden. So erfolgt ein bestmöglicher Form-schluss zwischen PCC und Betonoberfläche zur Übertragung der infolge Temperatur- und Längenänderung auftretenden Spannungen. Im REM wurden Risse detektiert. Teilweise wurde in Rissen oder in Hohlräumen Ettringit gefunden, was darauf hinweist, dass die Risse bereits vor der Probenpräparation vorhandenen waren und nicht durch diese entstanden sind. Das Auftreten von Ettringit kann verschiedenste Ursachen haben, die hier nicht näher untersucht wurden. – Generell wurde festgestellt, dass es bei üblichen Einsatztemperaturen zwischen -20 °C und 60 °C zu einer Erhöhung der Biegezugfestigkeit durch eine Modifizierung kommt. – 5 Frostbeständigkeit der PCC – Der Frost-Tausalz-Widerstand wurde mittels CDF- und CIF-Test bestimmt Die Abwitterungen waren unkritisch, was u. a. auf das Polymer-Netzwerk zurückzuführen ist. Eine relevante innere Schädigung konnte nach 28 FTW nicht nachgewiesen werden. Diese positiven Ergebnisse konnten nicht generell auf 56 FTW übertragen werden. Es stellte sich z. B. heraus, dass ein geringer p/z-Wert (0,05) und niedriger w/z-Wert (0,40) häufig höheren Ab-witterungen nach 56 FTSW führen, als dies die Ergebnisse nach 28 FTW erwarten ließen. Im Allgemeinen führte auch bei längeren Belastungsdauern eine Erhöhung des p/z-Wertes zu einer Verringerung der Abwitterung und inneren Schädigung. – Zur Beurteilung der Beständigkeit gegenüber anderen Taumitteln wurden Untersuchungen mit Kaliumacetat-Lösung und Ethylenglykol durchgeführt. Die PCC wiesen eine gute Be-ständigkeit auf. Beständigkeitsversuche an freien Polymerfilmen sind auf die PCC nicht über-tragbar. – 6 Verhalten der PCC bei Belastung – Es wurden unbewehrte Betondruckzylinder (Abb. 2) und stahlbewehrte Betondehnkörper (Abb. 3) unterschiedlichen Belastungszyklen ausgesetzt. Die Ergebnisse der Druckzylinder-Versuche zeigten, dass der prinzipielle Verlauf der Spannungs-Verformungslinien der PCC dem des Referenzbetons entsprach. Auffällig waren jedoch die größeren Bruchver-formungen, welche auf die erhöhte Zug- und Biegezugfestigkeit und den niedrigen E-Modul der PCC zurückgeführt wurden. Lediglich beim PCC 4 waren Abweichungen des Kurvenver-laufes beim Entlasten festzustellen (Abb. 3). Analog waren die Ergebnisse der Zugfestig-keitsprüfung. Die bekannte Abhängigkeit der σ-ε-Beziehung von der Belastungs-geschwindigkeit und somit der Einfluss visko-elastischer und visko-plastischer Verformungs-anteile konnte ebenso ermittelt werden. – – Abb. 2: Versuchsanordnung Abb. 3: Längsstauchung von PCC und Normalbeton – – Abb. 4: Versuchsaufbau Abb. 5: Kraft-Verformungskurven der Dehnkörper – Um das Kriechen der PCC abschätzen zu können, wurden Druckzylinder des PCC 2 einer konstanten Dauerbelastung ausgesetzt. Es wurden die Quer- und Längsdehnungen auf-gezeichnet sowie zyklische Ultraschall-Messungen durchgeführt, um Gefügeveränderungen zu erfassen. Die Kriechverformungen sind auch bei geringen Lasten deutlich größer als bei Normalbeton, was in erster Linie auf die Polymere selbst zurückzuführen ist. – Es wurden Zugversuche durchgeführt, wobei am mittig in der Längsachse eingebetteten Be-wehrungsstahl gezogen wurde (Abb. 4). So konnten u. a. Erstrissverhalten, Risshäufigkeit und Rissabstände erfasst werden. Die Auswertungen zeigten, dass in der Kraft-Verformungs-Kurve (Abb. 5) Risszeitpunkt und Risshäufigkeit gut zu erkennen sind. – PCC haben aufgrund der geringeren E-Moduln weniger Risse. Diese treten bei den thermo-plastisch modifizierten PCC erst bei größeren Kräften auf. Ab ca. 50 % der Höchstlast ergab sich das endgültige Rissbild und es wurde nur noch die reine Stahldehnung gemessen. Die konstruktiven Eigenschaften, aber auch die Ursachen des unterschiedlichen Last-Verformungs-, Bruch- und Reißverhaltens der PCC bei Druck- bzw. Zugbelastung sind Gegen-stand weiterer Forschungen. – 7 Kunststoffmodifizierte Sonderbetone – Es wurden erste Untersuchungen zu den rheologischen Eigenschaften von selbstver-dichtendem, polymermodifiziertem Beton (SPC) durchgeführt. Denkbar ist der Einsatz von SPC speziell beim Neubau und der Sanierung von Industriefußböden. Die Projektierung des SPC wurde auf der Basis des Konzeptes von Okamura durchgeführt. Die Ergebnisse sind viel versprechend. Es wurde auch festgestellt, dass die Verwendung von Dispersionen gleicher chemischer Basis, aber verschiedener Hersteller zu anderen Ergebnissen führen kann. Wie die Festbetoneigenschaften beeinflusst werden konnte noch nicht vollständig ge-klärt werden. – 8 Zusammenfassung – Die Untersuchungen im Rahmen des SFB 524 zeigten, dass eine Polymermodifikation von Mörtel bzw. Beton grundsätzlich zur Erhöhung der Dauerhaftigkeit gegenüber unterschied-lichsten Einflüssen führt. Trotz des erhöhten Preises haben sich die kunststoffmodifizierten Systeme im Neubau, aber insbesondere zum Schutz und zur Instandsetzung geschädigter Bauteile in allen Bereichen des Betonbaus etabliert. – Wesentliche Zusammenhänge zwischen der Zusammensetzung der PCC (hinsichtlich Re-zeptur und Polymerkonfiguration), der Hydratation des Zementes, den Frischmörtel- / Frischbetonkennwerten und wichtigen Festmörtel- / Festbetoneigenschaften (z. B. thermische und hygrische Längenänderung, Biegezug- und Druckfestigkeit, Haftfestigkeit) wurden in den Grundsätzen erforscht. Das ermöglicht einen zielgerichteten und ökonomischen Einsatz von PCC. – Entscheidend sind dabei die Interaktionen zwischen Zement und Polymeren. Diese beruhen hauptsächlich auf Adsorptions- und Agglomerationsvorgängen. In Abhängigkeit vom Ad-sorptionsgrad der Polymere, welcher entscheidend von weiteren Additiven und Teilchen-größen abhängig ist, wird die Zementhydratation beeinflusst. Der internationale Erfahrungs-austausch mit Fachkollegen (Kongresse, Workshops) belegt, dass es mit den in diesem For-schungsprojekt verwendeten Methoden reproduzierbar gelungen ist, diese Wechsel-wirkungen qualitativ zu modellieren. – Insbesondere bei Temperaturwechseln ist die Beeinflussung des E-Moduls durch die Poly-mere infolge der Erhöhung der Rissöffnungsenergie von Bedeutung. Zu beachten ist die Er-höhung des Schwindens mit steigendem Polymergehalt, was für den Verbund von PCC zur Altsubstanz entscheidend sein kann. Um die in der Verbundzone auftretenden Spannungen besser übertragen zu können, muss ein bestmöglicher Formschluss zwischen PCC und Be-tonoberfläche hergestellt werden. – Untersuchungen zur statischen und dynamischen Belastung von PCC zeigten, dass es in-folge des reduzierten E-Moduls zu größeren Verformungen kommt, was einen Einsatz von Polymeren im Beton zur Erhöhung der Duktilität ermöglicht und somit einem Sprödbruchversagen vorbeugt. – In mehr als 17 Veröffentlichungen sind die Forschungsergebnisse dargestellt. Ausführliche Informationen können bei den Autoren eingeholt werden. – Prof. Dr.-Ing. Andrea Dimmig-Osburg – Dipl.-Ing. Kay Andre Bode – Dipl.-Ing. Alexander Flohr – Bauhaus-Universität Weimar – F. A. Finger-Institut für Baustoffkunde – Juniorprofessur Polymere Bindemittel und Baustoffe – Coudraystraße 11 – 99421 Weimar – E-Mail: andrea.dimmig@bauing.uni-weimar.de –