Mit dem kontinuierlichen Fortschritt der Branche und der Verbesserung der Technologie, insbesondere durch die Einführung und Weiterentwicklung ausländischer Mörtelspritzmaschinen, hat sich die mechanische Spritz- und Verputztechnik in China in den letzten Jahren stark weiterentwickelt. Mechanisch gespritzter Mörtel unterscheidet sich von herkömmlichem Mörtel durch seine Anforderungen an ein hohes Wasserrückhaltevermögen, eine geeignete Fließfähigkeit und eine gewisse Standfestigkeit. Üblicherweise wird dem Mörtel Hydroxypropylmethylcellulose (HPMC) zugesetzt, wobei Celluloseether (HPMC) am weitesten verbreitet ist. Die Hauptfunktionen von HPMC im Mörtel sind: Verdickung und Viskositätserhöhung, Anpassung der Rheologie und ein ausgezeichnetes Wasserrückhaltevermögen. Die Nachteile von HPMC dürfen jedoch nicht außer Acht gelassen werden. HPMC hat eine luftporenbildende Wirkung, die zu mehr inneren Defekten führt und die mechanischen Eigenschaften des Mörtels erheblich beeinträchtigt. Die Shandong Chenbang Fine Chemical Co., Ltd. untersuchte den Einfluss von HPMC auf das Wasserrückhaltevermögen, die Dichte, den Luftgehalt und die mechanischen Eigenschaften von Mörtel makroskopisch sowie den Einfluss von HPMC auf die L-Struktur des Mörtels mikroskopisch.
1. Test
1.1 Rohstoffe
Zement: handelsüblicher Zement P.0 42,5, Biege- und Druckfestigkeit nach 28 Tagen: 6,9 bzw. 48,2 MPa; Sand: feiner Flusssand aus Chengde, 40–100 Mesh; Celluloseether: Hydroxypropylmethylcelluloseether, weißes Pulver, hergestellt von Shandong Chenbang Fine Chemical Co., Ltd., nominelle Viskosität 40, 100, 150, 200 Pa·s; Wasser: sauberes Leitungswasser.
1.2 Prüfverfahren
Gemäß JGJ/T 105-2011 „Bauvorschriften für maschinelles Spritzen und Verputzen“ beträgt die Konsistenz des Mörtels 80–120 mm und die Wasserrückhalterate über 90 %. In diesem Versuch wurde das Kalk-Sand-Verhältnis auf 1:5 eingestellt, die Konsistenz auf (93 ± 2) mm kontrolliert und Celluloseether extern beigemischt, wobei die Beimischungsmenge auf der Zementmasse basierte. Die grundlegenden Eigenschaften des Mörtels wie Nassdichte, Luftgehalt, Wasserrückhalterate und Konsistenz wurden gemäß JGJ 70-2009 „Prüfverfahren für die grundlegenden Eigenschaften von Baumörtel“ geprüft. Der Luftgehalt wurde nach dem Dichteverfahren ermittelt und berechnet. Die Probenherstellung sowie die Biege- und Druckfestigkeitsprüfungen wurden gemäß GB/T 17671-1999 „Verfahren zur Prüfung der Festigkeit von Zementmörtelsand (ISO-Verfahren)“ durchgeführt. Der Durchmesser der Larven wurde mittels Quecksilberporosimetrie gemessen. Das verwendete Quecksilberporosimeter war vom Typ AUTOPORE 9500 mit einem Messbereich von 5,5 nm bis 360 μm. Insgesamt wurden vier Versuchsreihen durchgeführt. Das Zement-Sand-Verhältnis betrug 1:5, die Viskosität des HPMC 100 Pa·s und die Dosierung 0 %, 0,1 %, 0,2 % bzw. 0,3 % (entsprechend den Nummern A, B, C und D).
2. Ergebnisse und Analyse
2.1 Einfluss von HPMC auf die Wasserrückhalterate von Zementmörtel
Die Wasserretention beschreibt die Fähigkeit von Mörtel, Wasser zu binden. Bei maschinell gespritztem Mörtel kann die Zugabe von Celluloseether die Wasserretention effektiv erhöhen, das Ausbluten verringern und die Anforderungen an die vollständige Hydratation zementgebundener Baustoffe erfüllen. Einfluss von HPMC auf die Wasserretention von Mörtel.
Mit steigendem HPMC-Gehalt nimmt die Wasserrückhalterate des Mörtels allmählich zu. Die Kurven für Hydroxypropylmethylcelluloseether mit Viskositäten von 100, 150 und 200 Pa·s verlaufen im Wesentlichen gleich. Bei einem Gehalt von 0,05 % bis 0,15 % steigt die Wasserrückhalterate linear an und erreicht bei 0,15 % über 93 %. Ab einem HPMC-Gehalt von 0,20 % flacht der Anstieg der Wasserrückhalterate ab, was auf eine nahezu vollständige Sättigung mit HPMC hindeutet. Die Einflusskurve des HPMC-Gehalts bei einer Viskosität von 40 Pa·s auf die Wasserrückhalterate verläuft annähernd linear. Bei einem Gehalt über 0,15 % ist die Wasserrückhalterate des Mörtels deutlich geringer als bei den drei anderen HPMC-Varianten mit gleicher Viskosität. Es wird allgemein angenommen, dass der Wasserbindungsmechanismus von Celluloseether folgendermaßen aussieht: Die Hydroxylgruppe des Celluloseethermoleküls und das Sauerstoffatom der Etherbindung bilden mit Wassermolekülen Wasserstoffbrückenbindungen. Dadurch wird freies Wasser gebunden, was zu einer guten Wasserbindung führt. Man geht außerdem davon aus, dass die Interdiffusion zwischen Wassermolekülen und Celluloseether-Molekülketten es Wassermolekülen ermöglicht, in das Innere der Makromoleküle einzudringen und dort starke Bindungskräfte einzugehen. Dies verbessert die Wasserbindung der Zementsuspension. Eine ausgezeichnete Wasserbindung sorgt für einen homogenen Mörtel, verhindert Entmischung und gewährleistet gute Mischeigenschaften. Gleichzeitig reduziert sie den mechanischen Verschleiß und verlängert die Lebensdauer der Mörtelspritzmaschine.
2.2 Der Einfluss von Hydroxypropylmethylcellulose (HPMC) auf die Dichte und den Luftgehalt von Zementmörtel
Bei einem HPMC-Anteil von 0–0,20 % sinkt die Dichte des Mörtels mit steigendem HPMC-Anteil stark von 2050 kg/m³ auf etwa 1650 kg/m³, was einer Reduzierung um ca. 20 % entspricht. Bei einem HPMC-Anteil über 0,20 % nimmt die Dichte kontinuierlich ab. Der Vergleich der vier HPMC-Varianten mit unterschiedlichen Viskositäten zeigt: Je höher die Viskosität, desto geringer die Dichte des Mörtels. Die Dichtekurven der Mörtel mit HPMC-Mischviskositäten von 150 und 200 Pa·s decken sich nahezu vollständig. Dies deutet darauf hin, dass die Dichte bei weiter steigender HPMC-Viskosität nicht weiter abnimmt.
Der Luftgehalt von Mörtel verhält sich umgekehrt proportional zu seiner Dichte. Bei einem HPMC-Gehalt von 0–0,20 % steigt der Luftgehalt mit zunehmendem HPMC-Gehalt nahezu linear an. Oberhalb von 0,20 % ändert sich der Luftgehalt kaum noch, was auf eine nahezu vollständige Sättigung der Luftporenbildung im Mörtel hindeutet. HPMC mit einer Viskosität von 150 und 200 Pa·s weist eine höhere Luftporenbildung auf als HPMC mit einer Viskosität von 40 und 100 Pa·s.
Die Luftporenbildungswirkung von Celluloseether wird hauptsächlich durch seine Molekularstruktur bestimmt. Celluloseether besitzt sowohl hydrophile (Hydroxyl-, Ether-) als auch hydrophobe Gruppen (Methyl-, Glucosering) und wirkt als Tensid. Aufgrund seiner Oberflächenaktivität bewirkt er eine Luftporenbildung. Einerseits kann das eingebrachte Gas im Mörtel wie ein Kugellager wirken, die Verarbeitungseigenschaften verbessern, das Volumen erhöhen und somit die Ausbeute steigern, was für den Hersteller vorteilhaft ist. Andererseits erhöht die Luftporenbildung jedoch den Luftgehalt und die Porosität des Mörtels nach dem Aushärten, was zu einer Zunahme schädlicher Poren und einer deutlichen Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften führt. Obwohl HPMC eine gewisse Luftporenbildungswirkung aufweist, kann es das Luftporenbildner nicht ersetzen. Darüber hinaus kann die gleichzeitige Verwendung von HPMC und Luftporenbildner die Wirkung des Luftporenbildners beeinträchtigen.
2.3 Der Einfluss von HPMC auf die mechanischen Eigenschaften von Zementmörtel
Bei einem HPMC-Anteil von nur 0,05 % sinkt die Biegefestigkeit des Mörtels deutlich und liegt etwa 25 % unter der des Vergleichsmaterials ohne HPMC. Die Druckfestigkeit erreicht lediglich 65 % der 80 % des Vergleichsmaterials. Ab einem HPMC-Anteil von 0,20 % ist der Rückgang der Biege- und Druckfestigkeit nicht mehr so ausgeprägt. Die Viskosität von HPMC hat nur geringen Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften des Mörtels. HPMC führt zu einer starken Bildung kleiner Luftbläschen. Der dadurch entstehende Luftporeneinschluss erhöht die innere Porosität und die Anzahl schädlicher Poren im Mörtel, was zu einem deutlichen Abfall der Druck- und Biegefestigkeit führt. Ein weiterer Grund für die Festigkeitsminderung ist die wasserbindende Wirkung des Celluloseethers. Dieser hält Wasser im erhärteten Mörtel zurück, wodurch das hohe Wasser-Bindemittel-Verhältnis die Festigkeit des Prüfkörpers verringert. Bei mechanischem Konstruktionsmörtel kann Celluloseether zwar die Wasserrückhalterate des Mörtels deutlich erhöhen und seine Verarbeitbarkeit verbessern, jedoch kann eine zu hohe Dosierung die mechanischen Eigenschaften des Mörtels ernsthaft beeinträchtigen, weshalb das Verhältnis zwischen beiden angemessen abgewogen werden muss.
Mit steigendem Gehalt an Hydroxypropylmethylcellulose (HPMC) zeigte das Faltverhältnis des Mörtels einen insgesamt zunehmenden Trend, der im Wesentlichen einem linearen Zusammenhang entsprach. Dies ist darauf zurückzuführen, dass der zugesetzte Celluloseether zahlreiche Luftblasen einbringt, was zu mehr Defekten im Mörtel führt. Dadurch sinkt die Druckfestigkeit des Mörtels stark, obwohl auch die Biegefestigkeit etwas abnimmt. Der Celluloseether verbessert jedoch die Flexibilität des Mörtels, was sich positiv auf die Biegefestigkeit auswirkt und den Abfall verlangsamt. Insgesamt führt die kombinierte Wirkung beider Faktoren zu einem Anstieg des Faltverhältnisses.
2.4 Der Einfluss von HPMC auf den L-Durchmesser des Mörtels
Aus der Porengrößenverteilungskurve, den Porengrößenverteilungsdaten und verschiedenen statistischen Parametern der AD-Proben lässt sich erkennen, dass HPMC einen großen Einfluss auf die Porenstruktur des Zementmörtels hat:
(1) Nach Zugabe von HPMC vergrößert sich die Porengröße des Zementmörtels deutlich. In der Porengrößenverteilungskurve verschiebt sich der Bereich des Maximums nach rechts, und der Wert des Maximums steigt. Der mittlere Porendurchmesser des Zementmörtels ist nach HPMC-Zugabe deutlich größer als der der Kontrollprobe. Bei einer HPMC-Dosierung von 0,3 % ist der mittlere Porendurchmesser um zwei Größenordnungen höher als bei der Kontrollprobe.
(2) Die Poren im Beton werden in vier Typen unterteilt: unschädliche Poren (≤ 20 nm), weniger schädliche Poren (20–100 nm), schädliche Poren (100–200 nm) und viele schädliche Poren (≥ 200 nm). Tabelle 1 zeigt, dass die Anzahl der unschädlichen bzw. weniger schädlichen Poren nach Zugabe von HPMC deutlich abnimmt, während die Anzahl der schädlichen bzw. sehr schädlichen Poren zunimmt. Der Anteil der unbehandelten Proben an unschädlichen bzw. weniger schädlichen Poren beträgt ca. 49,4 %. Nach Zugabe von HPMC verringert sich dieser Anteil deutlich. Bei einer Dosierung von 0,1 % beispielsweise sinkt er um ca. 45 %, während die Anzahl der schädlichen Poren mit einem Durchmesser von mehr als 10 µm um das Neunfache ansteigt.
(3) Der mittlere Porendurchmesser, der durchschnittliche Porendurchmesser, das spezifische Porenvolumen und die spezifische Oberfläche folgen keinem strengen Änderungsmuster mit steigendem Hydroxypropylmethylcellulose-Gehalt (HPMC), was auf die Probenauswahl im Quecksilberinjektionstest und die damit verbundene große Dispersion zurückzuführen sein könnte. Insgesamt ist jedoch zu beobachten, dass der mittlere Porendurchmesser, der durchschnittliche Porendurchmesser und das spezifische Porenvolumen der mit HPMC versetzten Probe im Vergleich zur Blindprobe tendenziell zunehmen, während die spezifische Oberfläche abnimmt.
Veröffentlichungsdatum: 03.04.2023