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DE60204809T2 - Zementmörtel, Struktur und Verfahren zur Verstärkung von Baukomponenten - Google Patents

Zementmörtel, Struktur und Verfahren zur Verstärkung von Baukomponenten Download PDF

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cement
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Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Zementmörtel in Form eines Feststoffpulvers, eine Struktur und ein Verfahren zur Verstärkung vorher vorhandener Baukomponenten.
  • Der Ausdruck „Baukomponenten" bedeutet all diejenigen Baukomponenten, die aus Mauerwerk, nicht-armiertem Beton oder Stahlbeton, individuell oder in Kombination betrachtet, konstruiert sind. Im Laufe der Zeit erfahren viele dieser Komponenten eine beträchtliche Verschlechterung aufgrund von Umweltangriffen (entweder natürlich oder in Folge menschlicher Aktivität) oder verursacht durch schlechte Fertigung derartiger Komponenten oder ungeeignete Wahl der Materialien: letztlich, aber nicht abschließend, können auch seismische Ereignisse eine Verschlechterung bewirken.
  • Somit bezieht sich die vorliegende Erfindung auf das Verfahren, auf die Materialien und die Strukturen zur Reparatur oder Verstärkung vorher vorhandener Baukomponenten und deren Anpassung, um den gesetzlichen Anforderungen zu genügen.
  • Gegenwärtig existieren zahlreiche Systeme zur Verstärkung von Baukomponenten, jedoch zeigen diese Systeme sämtliche Mängel und Probleme, die im Folgenden kurz genannt sind.
  • Eines der traditionellen Verfahren zur Reparatur und Verstärkung von Baukomponenten, die eine Schädigung aufgrund eines seismischen Ereignisses erfahren haben oder die eine statisch-mechanische Verbesserung (typischerweise solche Mauerwerkstrukturen, die vor einigen Jahrhunderten angelegt worden sind und jetzt für andere Zwecke verwendet werden) ist es, ein elektroverschweißtes Stahlgeflecht anzuwenden, um die Struktur zu umhüllen. Der Zweck eines derartigen Eingriffs ist es, die Formbarkeit der Strukturelemente zu erhöhen (Pflasterung, Säulen, Balken, Wände, Bögen und Wölbungen).
  • Die auf die Verwendung dieser Technik folgenden Nachteile sind im Wesentlichen zwei, nämlich:
    • a) die Schwierigkeit des Einbaus eines elektroverschweißten Geflechts wegen seines Gewichts und seiner begrenzten Handhabbarkeit: in dieser Hinsicht sind mehrere Arbeiter und manchmal eine spezielle Ausrüstung erforderlich, um das Geflecht korrekt zu positionieren;
    • b) ein Metallgeflecht erleidet Korrosion, so dass sich die Metallverstärkung auf lange Sicht in aggressiven Umgebungen aufgrund von Rost verschlechtern kann.
  • Vor kurzem ist ein neues Verstärkungssystem für Beton und Mauerwerk eingeführt worden, das auf der Verwendung von Bändern aus Kohlenstoffgeweben (oder anderen Fasergeweben) basiert, die als faserverstärktes Polymer (F. R. P.) bekannt sind. Diese Bänder werden unter Verwendung eines thermoplastischen Harzes (üblicherweise ein Epoxidharz) aufgebracht, das die Adhäsion zwischen dem Beton (oder dem Mauerwerk) und den Bändern aus synthetischem Material (Kohlenstoff-, Aramid- oder andere Fasern) gewährleistet. Diese Systeme zeigen ebenfalls Nachteile, nämlich:
    • a) Epoxidharze mit einer maximalen Betriebstemperatur von 80°C werden verwendet. Dementsprechend verschlechtert sich im Fall eines Feuers die F. R. P.-Verstärkung schnell, weil das Harz, das die Bänder aus synthetischem Material an die Beton- oder Mauerwerkstruktur gebunden hält, seine chemischen, physikalischen und mechanischen Eigenschaften verliert, was zu einem Ablösen der Fasern und zur Beeinträchtigung der Restaurationsarbeit führt;
    • b) ein weiterer Nachteil ist die schädliche Natur dieser Harze sowohl für den Arbeiter als auch für die Umwelt: in dieser Hinsicht werden sie als Katalysatoren für sekundäre und tertiäre Amine verwendet, die normalerweise toxische/schädliche Produkte sind, wobei einige von diesen sogar potentiell karzinogene Produkte sind;
    • c) ein weiterer Nachteil bezieht sich auf das Anbringen dieser Befestigungssysteme an Mauerwerkstrukturen. Das Anbringen eines Epoxidharzes, das definitionsgemäß ein geschlossenporiges Polymer ist, bedeutet, dass vom Mauerwerk kein thermohygrometrischer Transfer nach außen erfolgen kann: das bedeutet, dass die in dem Mauerwerk vorhandene Feuchtigkeit nicht frei entweichen und nach außen wandern kann;
    • d) letztlich, aber nicht abschließend, sind die Kosten dieser Verstärkungsarbeiten aufgrund der hohen Kosten der Epoxidharze und der Bänder aus Synthesefasern sehr hoch.
  • Weiteren Stand der Technik stellt die Druckschrift DE-A-195 25 508 dar, die das Festigen einer Komponente aus stahlverstärktem Beton oder Mauerwerk beschreibt, indem zunächst eine Mineralmatrix in der Form einer Zementmörtelschicht auf mindestens eine Komponentenoberfläche aufgetragen wird; zweitens eine Textilnetzverstärkung so in die aufgesetzte Matrix gedrückt wird, dass der Mörtel die Maschen der Verstärkung durchdringt; und nachfolgend eine weitere Zementmörtelschicht derselben Mineralmatrix, wie sie in der ersten Stufe verwendet wurde, aufgebracht wird.
  • Das in der deutschen Patentanmeldung offenbarte Verfahren ist sehr interessant, kann jedoch keine praktische Verwendung besitzen, weil es die Verwendung einer Matrix erfordert, die aus einem Gemisch von Zementen, Füllstoffen und einer Disper sion von Styrol/Acrylat in Wasser als eine bevorzugte Bindungskomponente gebildet wird.
  • Das Vorhandensein der Dispersion von Styrol/Acrylat in Wasser in dem Matrixgemisch verleiht einem derartigen Gemisch einen physikalischen Charakter erhöhter Fluidität (das daher nicht das Härtungsverhalten besitzt, das Gemische aufweisen, die nur aus üblichen gepulverten oder festen Zementen erhalten worden sind) und hat als Konsequenz davon zwei unannehmbare Nachteile, von denen einer in der Tatsache besteht, dass, im Falle dass und wenn die Zementmörtelschicht, die die Bindungskomponente umfasst, auf eine vertikale Oberfläche einer zu verstärkenden Baustruktur aufgebracht wird, sie dazu neigt, nach unten zu laufen, bevor der Mörtel härtet, und dass das Vorliegen der Styrol/Acrylat-Dispersion die getrocknete Zementmatrixschicht sicherlich verschlechtern wird, was zur Bildung von Rissen darin und/oder zu ihrem Zerbröckeln führt.
  • Tatsächlich ist es gut bekannt, dass die mechanische Beständigkeit eines Zementmörtels in starkem Maße durch das Wasser/Zement-Verhältnis beeinflusst wird: je höher ein derartiges Verhältnis ist, desto geringer wird die mechanische Beständigkeit des Zementmörtels sein und in desto höherem Maße wird die Bildung von Sprüngen und/oder das Zerbröckeln in Folge von Volumenänderungen auftreten.
  • Die Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung liegt in der Bereitstellung einer strukturellen Verstärkungsstruktur für ein vorher vorhandenes Bauerzeugnis (Komponenten beliebiger Form, die aus nicht-armiertem Beton, Stahlbeton oder Mauerwerk konstruiert sind), die einfach und schnell auszuführen ist, die es ermöglicht, dass ein normaler thermohygrometischer Transfer zwischen dem Äußeren und dem Inneren dieser Komponenten erfolgt, die dieselbe Feuerfestigkeit wie Stahlbeton- oder Mauerwerkkomponenten besitzt und ein beständiges Geflecht von einem derartigen Typ verwendet, dass es in einer beliebigen Art von chemischer/aggressiver Umgebung keinem Verschlechterungsphänomen unterliegt: dieses Geflecht ist auch mit geringeren Kosten verbunden als Bänder aus Synthesefasern, die im Stand der Technik verwendet werden.
  • Eine andere Aufgabe dieser Erfindung liegt in der Bereitstellung eines Zementmörtels, der in Pulverform vorliegt und überhaupt kein Wasser enthält (Wasser muss dem Zementgemisch offensichtlich unmittelbar vor der Verwendung des Mörtels zugegeben werden), während er verflüssigende und thixotrope Additive enthält, die es ermöglichen, dem Mörtel zum Zeitpunkt seiner Verwendung eine geringere Menge an Wasser zuzugeben (was somit die mechanische Beständigkeit der gehärteten Zementschicht erhöht), die Verteilung der Zementmörtelschicht erleichtern, es verhindern, dass die nicht-gehärtete Schicht nach unten läuft, im Falle dass und wenn sie auf eine vertikale Wand aufgetragen wird, und die Bildung von Rissen und Krümeln in der gehärteten Zementschicht verhindert oder stark verringern.
  • Diese und weitere Aufgaben werden durch einen Zementmörtel zur Bildung von Strukturen, die ein Geflecht aus Synthesefasern enthalten, zur Verstärkung von Baukomponenten erzielt, umfassend ein Gemisch aus Komponenten in Pulverform, umfassend zwischen 5% und 95% Zement, zwischen 10% und 70% feiner inerter mineralischer Füllstoffe mit einer Partikelgröße unter 700 Mikrometer, dadurch gekennzeichnet, dass er auch chemische Additive umfasst, die selbst zwischen 0,1% und 25% ungesättigter Copolymerharze, zwischen 0,05 und 2,5% verflüssigender Additive und zwischen 0,005 und 1% thixotroper Additive, die zur Celluloseklasse gehören, umfassen, wobei alle zuvor genannten Prozentangaben Gewichtsprozent sind und sich auf das Gesamtgewicht des Zementmörtels beziehen.
  • Zemente, die verwendet werden können, sind Portland-Zement, Komposit-Portland-Zement, Hochofenzement, Pozzolanzement, Komposit-Zement und jeweilige Unterarten: Pozzolan- oder Komposit-Zemente sind bevorzugt. Ihre Anteile variieren zwischen 5 Gew.-% und 95 Gew.-% mit einem Vorzug für Anteile zwischen 20 Gew.-% und 70 Gew.-%.
  • Die mineralischen Füllstoffe besitzen eine maximale Partikelgröße von 700 Mikrometer; sie können von quarzartiger, silikatartiger, kalkartiger, sandartiger oder granitartiger Natur sein oder sie können Nebenprodukte anderer Prozesse sein, wie z. B. Quarzmehl oder Flugasche. Vorzugsweise werden Gemische dieser Füllstoffe eingesetzt.
  • Die Gemischanteile variieren zwischen 10 Gew.-% und 70 Gew.-%.
  • Die in der Mörtelformulierung verwendeten chemischen Additive können nach der chemischen Natur und/oder der Leistung klassifiziert werden. Einige von diesen sind essentiell, um den Zementmörtel bindend zu machen, während andere bevorzugt, jedoch nicht essentiell sind.
  • Diejenigen Additive, deren Vorhandensein im Mörtel essentiell ist, sind die folgenden:
    • 1. Polymerharze in Pulverform, die zur Klasse der ungesättigten Copolymere gehören, wie Styrol/Butadien-, Vinylacetat/Ethylen-, Styrol/Divinylbenzol-, Styrol/Acryl-Copolymere usw. Die zu verwendenden Anteile variieren zwischen 0,1 Gew.-% und 25 Gew.-%; Werte zwischen 1 Gew.-% und 17 Gew.-% sind bevorzugt.
    • 2. Superverflüssigende und verflüssigende Additive, die vorzugsweise zur Klasse der Polymere auf Basis von polykondensierten Lignin-, Betanaphthalin- oder Melamin-Formaldehydsulfonaten (LS, NFS oder MS) oder auf Basis modifizierter Polyacrylatketten (ACR) gehören. Der Anteil variiert zwischen 0,05 Gew.-% und 2,5 Gew.-%.
    • 3. Thixotrope Additive, die zur Celluloseklasse gehören, z. B. Methylcellulose, Methylhydroxyethylcellulose, Methylhydroxypropylcellulose, Hydroxyethylcellulose, Hydroxypropylcellulose, Carboxymethylcellulose, Carboxymethylhydroxyethylcellulose. Methylcellulose und ihre Derivate sind bevorzugt.
  • Die zu verwendenden Anteile variieren von 0,005 Gew.-% bis 1 Gew.-%; praktische Experimente zeigen, dass die besten Ergebnisse mit Anteilen zwischen 0,15 Gew.-% und 0,65 Gew.-% erhalten werden.
  • Diejenigen Additive, deren Vorhandensein bevorzugt, jedoch nicht essentiell ist, sind die folgenden:
    • 1. Anionische, kationische, nicht-ionische und amphotere auflockernde Additive, z. B. quaternäre Ammoniumsalze, gemischte Salze von Laurylsulfonsäure, Fluorphenylborate, Nonylphenyl mit verschiedenen Ethoxylierungsgraden usw. Laurylsulfonsäurederivate sind bevorzugt: die Anteile variieren von 0,01 Gew.-% bis 1,5 Gew.-%.
    • 2. Additive, die einem Schwinden sowohl im plastischen Zustand als auch im gehärteten Zustand entgegenwirken und aus Gemischen von Sulfoaluminaten und Oxiden bestehen. Die zu verwendenden Anteile liegen zwischen 0,1 Gew.-% und 10 Gew.-%, wobei Anteile zwischen 0,3 Gew.-% und 5 Gew.-% bevorzugt sind.
  • All die oben genannten, spezifizierten Prozentangaben sind Gewichtsprozent und beziehen sich auf das Gesamtgewicht des Zementmörtels, von dem die verschiedenen Additive einen Teil bilden.
  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Verstärkung von Baukomponenten, wobei das Verfahren das Herstellen einer Schicht aus einem wie oben definierten Zementmörtel, wobei dieser Mörtel mit Wasser vermischt und dann auf die Oberfläche der zu verstärkenden Baukomponente aufgetragen wird, und Einarbeiten eines oder mehrerer Netze, die aus einer oder mehreren Synthesefasern hergestellt worden sind, umfasst. Geeignete Fasern für diese Netze bestehen aus Kohlenstofffaser, Aramidfaser, Glasfaser, Polyesterfaser, Polyethylenfaser oder einer anderen Faser oder Gemischen davon, wobei im Fall eines Gemisches die Mischverhältnisse zwischen 10–90 Gew.-% und 90–10 Gew.-% variieren, wobei Gemische, die aus 50 Gew.-%-50 Gew.-% bestehen, bevorzugt sind.
  • Hinsichtlich des geometrischen Profils besitzt das voranstehend genannte Geflecht ein quadratisches Netzwerk mit Dimensionen zwischen 10 mm und 35 mm: Werte von 11 mm, 26 mm oder 35 mm sind bevorzugt, wobei es seine Aufgabe ist, die Struktur, auf die es aufgetragen wird, zu verbessern oder anzupassen.
  • Die prozentuale Gewichtsverteilung der Synthesefaser in Schuss- und Kettrichtung variiert zwischen 20–80 und 80–20; praktische Experimente deuten an, dass die Verhältnisse 24–76, 55–45 und 78–22 die besten Ergebnisse hinsichtlich der strukturellen Verstärkung liefern.
  • Zur Klärung des Verfahrens der Bildung des Mörtels und der Verstärkungsstruktur für Baukomponenten werden nun einige Ausführungsformen davon durch nicht-einschränkende Beispiele beschrieben werden.
  • BEISPIEL 1
  • Herstellung des Zementmörtels
  • 22,8% Pozzolanzement, 8,35% Copolymerharz, 0,03% Methylhydroxyethylcellulose, 37,27% feiner Quarz mit einer maximalen Partikelgröße von 500 μm und 31,55% Flugasche werden innig miteinander vermischt, wobei die Prozentangaben Gew.-% sind und sich auf das Gesamtmörtelgewicht beziehen.
  • BEISPIEL 2
  • Herstellung des Zementmörtels
  • In einer ähnlichen Weise wie in Beispiel 1 werden Komposit-Zement (53,25%), Copolymerharz (1,95%), Methylcellulose (0,20%), feiner Quarz mit einer maximalen Partikelgröße von 350 μm (20,80%), gepulverter Marmor mit einer maximalen Partikelgröße von 41 μm (13,50%), Quarzmehl (6,50%), ACR (0,05%), Laurylsulfatether (0,80%) und Antischrumpfungsadditiv (2,95%) innig miteinander vermischt.
  • BEISPIEL 3
  • Herstellung des Zementmörtels
  • Hochofen-Zement (64,00%), Copolymerharz (16,75%), Methylcellulose (0,60%), Quarz mit einer maximalen Partikelgröße von 500 μm (20,80%), Marmor mit einer maximalen Partikelgröße von 51 μm (13,50%), Flugasche (4,75%) und NFS (2,00%) werden innig miteinander vermischt.
  • Der in den Beispielen 1 bis 3 beschriebene Zementmörtel besteht aus einem innigen Gemisch der Komponenten in Pulverform.
  • BEISPIEL 4
  • Bildung von Verstärkungsstrukturen für Baukomponenten
  • Die zu verstärkenden Baukomponenten können von beliebiger Art sein, d. h. konstruiert aus Mauerwerk, nicht-armiertem Beton, Stahlbeton oder einer Kombination dieser Materialien.
  • Die Oberfläche der zu verstärkenden Komponente (beispielsweise der Gewölberücken einer Mauerwerkswölbung, die Oberfläche einer verstärkten Säule oder eines Pfeilers aus nicht-armiertem Beton, die Oberfläche einer Mauerwerkswand) wird sorgfältig gereinigt, indem das lose Material entfernt wird und die Oberfläche möglicherweise mit Mörtel einheitlich gemacht wird. Diese Oberfläche muss dann befeuchtet werden und eine ausreichend dicke Schicht (beispielsweise von etwa 5 mm Dicke) des erfindungsgemäßen Zementmörtels darauf aufgetragen werden, wonach eine oder mehrere Schichten eines Geflechts aus synthetischem Material darüber verteilt werden (wenn mehr als eine Schicht Geflecht verwendet wird, werden die Maschen eines Netzes über diejenigen des am nächsten benachbarten Netzes gelegt, jedoch versetzt zu diesen, wobei eine Schicht aus Zementmörtel zwischen diese Netze eingefügt wird). Das Netz wird auf die Mörtelschicht gedrückt, bis es in den Mörtel eingebettet ist, und schließlich wird dann die äußere Oberfläche durch Auftragen einer sehr dünnen (etwa 1 mm) Schicht aus weiterem Zementmörtel einheitlich gemacht.
  • In der beigefügten Zeichnung stellt die einzige Figur einen Teil eines Mauerwerks 1 dar, auf dessen zu verstärkende Oberfläche eine erste Schicht 2 Zementmörtel aufgetragen wird, in die ein Geflecht 3 aus Synthesefasern eingebettet wird, auf das dann eine dünne zweite Schicht 4 erfindungsgemäßer Zementmörtel aufgetragen wird.
  • Die durchgeführten Tests haben gezeigt, dass die beschriebenen Strukturen sehr wirksam hinsichtlich der Verstärkung von Baukomponenten sind, auf die sie aufgebracht werden, ermöglichen, dass ein normaler thermohygrometischer Transfer zwischen dem Äußeren und dem Inneren des Mauerwerks stattfindet, sie dieselbe Feuerbeständigkeit wie Stahlzementstrukturen und Mauerwerk aufweisen und keine Verschlechterungsphänomene in jeglicher Art aggressiver chemischer Umgebung erfahren.

Claims (3)

  1. Zementmörtel zur Bildung von Strukturen, die ein Geflecht aus Synthesefasern enthalten, zur Verstärkung von Baukomponenten, umfassend ein Gemisch aus Komponenten in Pulverform, umfassend zwischen 5% und 95% Zement, zwischen 10% und 70% feiner inerter mineralischer Füllstoffe mit einer Partikelgröße unter 700 Mikrometern, dadurch gekennzeichnet, dass er auch chemische Additive umfasst, die selbst zwischen 0,1% und 25% ungesättigter Copolymerharze, zwischen 0,05% und 2,5% verflüssigender Additive und zwischen 0,005% und 1% thixotroper Additive, die zur Celluloseklasse gehören, umfassen, wobei alle zuvor genannten Prozentangaben Gewichtsprozent sind und sich auf das Gesamtgewicht des Zementmörtels beziehen.
  2. Zementmörtel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die verflüssigenden Additive ausgewählt sind aus der Gruppe, bestehend aus Polymeren auf Basis von polykondensiertem Lignin, Betanaphthalin oder Melamin-Formaldehyd-Sulfonaten und Polymeren auf Basis modifizierter Polyacrylatketten.
  3. Verfahren zur Verstärkung von Baukomponenten, dadurch gekennzeichnet, dass auf die Oberfläche der Baukomponente eine Schicht eines Gemisches aus Wasser und Zementmörtel nach den Ansprüchen 1 und 2 aufgebracht wird, wobei eine derartige Schicht mindestens ein Geflecht enthält, das aus mindestens einer Synthesefaser gebildet worden ist.
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