Qualitätskontrolle von wasserreduzierenden Zusatzmitteln

Die Leistungsfähigkeit chemischer Zusatzmittel ist ein entscheidender Faktor für die erfolgreiche Herstellung und den Einbau von Beton. Schwankende Leistungsparameter von Zusatzmitteln führen zu instabilen Frischbetoneigenschaften und erhöhen somit die Wahrscheinlichkeit von Betonierfehlern und Kundenreklamationen. Das Verhalten von Zusatzmitteln durch Prüfung ihrer Wirkung auf das Betongemenge zu erfassen, erfordert einen hohen Einsatz an qualifizierten Arbeitskräften und Zeit und lässt sich daher nur schwer in die Qualitätskontrolle integrieren. Daher bedarf es einer produktiveren Methode, um die Qualitätskontrolle von wasserreduzierenden Zusatzmitteln zu ermöglichen, bevor diese an Kunden vermarktet werden. Im vorliegenden Beitrag werden mehrere Prüfverfahren vorgestellt, die schnell und einfach durchzuführen sind. Anhand der Testergebnisse lässt sich schnell und genau bestimmen, ob das Zusatzmittel für die Vermarktung geeignet ist oder ob es nicht der Herstellererklärung entspricht.

1 Einleitung

Kunden, die Zusatzmittel kaufen, sind in erster Linie an deren Leistungsparametern interessiert [1]. Für Betreiber von Transportbetonwerken kommt es entscheidend darauf an, Zusatzmittel mit konstantem Leistungsverhalten zu verwenden. Schwankende Leistungsparameter von Zusatzmitteln führen zu instabilen Frischbetoneigenschaften und erhöhen somit die Wahrscheinlichkeit von Fehlern beim Betonieren auf der Baustelle des Kunden.

Um für das Zusatzmittel konstante Leistungsparameter zu gewährleisten, schreibt die Norm EN 934-1:2008 vor, dass die Infrarotspektren keine signifikanten Veränderungen in Bezug auf die wirksame Komponente im Vergleich zu dem vom Hersteller bereitgestellten Referenzspektrum aufweisen dürfen. Die Zusatzmittelhersteller sind gehalten, stets stabile Rohstoffe von denselben Zulieferern zu verwenden, um für konstante Infrarotspektren des Wirkstoffs zu sorgen.

In den vergangenen Jahren haben jedoch globale und lokale Ereignisse wie die Coronapandemie und der Krieg in der Ukraine die Zuverlässigkeit der Lieferketten erheblich beeinträchtigt, sodass die Zusatzmittelhersteller nun gezwungen sind, Rohstoffe von einer großen Zahl von Anbietern zu beschaffen, um eine zuverlässige Belieferung der Kunden zu gewährleisten. Unter diesen Bedingungen ist es fast unmöglich, gemäß der genannten Norm sicherzustellen, dass es zu keinen signifikanten Veränderungen in Bezug auf die Wirkkomponente kommt, wie es sinngemäß in der Norm heißt. Für die Lösung dieses Problems bietet die Norm aber auch einen Ausweg: „Sollte die Methode nach EN 480-6 ungeeignet sein, hat der Hersteller ein dokumentiertes alternatives Prüfverfahren anzugeben.“

Im vorliegenden Beitrag wird ein alternatives Verfahren zur Prüfung der Leistungsparameter von Zusatzmitteln dargestellt, das auch für Bedingungen geeignet ist, unter denen Ausgangsstoffe mit voneinander abweichenden Eigenschaften zum Einsatz kommen.

In früheren Publikationen [2, 3] wurden analytische Schnelltests und Verfahren zur Prüfung der Leistungsstabilität von Ausgangsstoffen erläutert. Der vorliegende Artikel zieht zusätzlich einige dieser Verfahren für die Qualitätskontrolle von Zusatzmitteln heran. Zudem werden weitere Methoden und Verfahren diskutiert.

2 Experimentelle Untersuchungen

Die Zusatzmittel wurden mit einem Analysegerät Mettler Toledo HR 83 auf ihren Feststoffgehalt untersucht. Verdünnte Zusatzmittellösungen wurden durch Mischen mit entionisiertem Wasser (Wasserleitfähigkeit unter 5 µS/cm) in 250-ml-Laborbechern aus Polypropylen unter Verwendung eines Magnetrührers hergestellt. Die Zusatzmittel und das entionisierte Wasser wurden auf einer Präzisionswaage mit einem Wägebereich von 0 bis 500 g und einer Genauigkeit von 0,01 g gewogen. Verdünnte Zusatzmittellösungen wurden mit einem SITA-Blasendrucktensiometer auf ihre Oberflächenspannung hin untersucht. Das Aufschäumen der Zusatzmittel erfolgte mithilfe eines mit einem Dispergierrührorgan ausgestatteten Überkopfrührers Heidolph Hei-200 bei einer Drehzahl von 2.000 U/min.

Darüber hinaus wurden mit verschiedenen Mörteln Fließversuche durchgeführt. Als Ausgangsstoffe für die Mörtelherstellung kamen entionisiertes Wasser, CEN-Normsand nach EN-196-1 und Portlandzement CEM II 52,5 N/AM-SLV aus dem Zementwerk Nesher zum Einsatz. Zur Verwiegung der Ausgangsstoffe diente eine Shimadzu-Waage mit einem Wägebereich von 0 bis 3.000 g und einer Genauigkeit von 0,1 g. Verwogen wurden 700 g Normsand, 400 g Zement und 160 g Wasser. Der Mörtel wurde mit einem sechsflügligen Rührer mit 110 mm Durchmesser, der mittig in einem zylinderförmigen Edelstahlgefäß mit 120 mm Durchmesser angeordnet war, und einem Überkopfrührer Heidolph Hei-200 bei 200 U/min gemischt. Das Fließmaß des Mörtels wurde zwei Minuten nach Abschluss des Mischvorgangs bestimmt. Der verwendete Fließkegel entsprach der Norm ASTM C 109 M-95. Ausbreitversuche wurden für mehrere Betone durchgeführt, für deren Herstellung als Ausgangsstoffe Trinkwasser, Portlandzement CEM II 52,5 N/AM-SLV aus dem Zementwerk Nesher (Israel), gesiebter Natursand und gewaschene Zuschlagstoffe zum Einsatz kamen. Die Ausgangsstoffe wurden auf einer Waage mit einem Wägebereich von 0 bis 120 kg und einer Genauigkeit von 0,01 kg verwogen. Der Beton wurde in einem automatischen Mischer Collomix mx-3 mit vorgegebener Mischzeit gemischt. Die Setzfließversuche wurden gemäß BS EN 12350-2 durchgeführt. Betondichte und Luftporengehalt wurden nach BS EN 12350-6 bzw. BS EN 12350-7 gemessen.

3 Ergebnisse und Diskussion

3.1 Prognose des Betonausbreitmaßes mittels Mörtelfließversuchen

Zwei Proben desselben Zusatzmitteltyps aus verschiedenen Chargen wurden durch Drehmomentkurven und Mörtelfließversuche charakterisiert. Die Ergebnisse der Charakterisierung sind in Abb. 1 dargestellt.

Wie aus dem Diagramm ersichtlich, zeichnet sich Mörtel, der mit Zusatzmittelprobe A hergestellt wurde („Mörtel A“), durch ein geringeres Drehmoment aus als Mörtel, der mit Zusatzmittelprobe B hergestellt wurde („Mörtel B“). Je niedriger das Drehmoment, desto geringer der Mischwiderstand bei konstanter Rührdrehzahl und desto höher die Fließfähigkeit von Mörtel A im Vergleich zu Mörtel B. Das Fließmaß (Ausbreitmaß) von Mörtel A lag bei 239 mm, das von Mörtel B nur bei 189 mm. Die Aktivität des Zusatzmittels von Probe B im Vergleich zu Probe A lässt sich definieren als Aktivität = (Fluss (B)-Fluss (REF))/((Fluss (A)-Fluss (REF)). Einsetzen der Werte für die Effizienzdefinition ergibt: Aktivität = (189-108) / (239-108) = 0,62.

Um die Ergebnisse der Mörtelprüfungen zu validieren, wurden drei Betongemenge hergestellt: das erste mit Zusatzmittelprobe A („Gemenge A“), das zweite mit Zusatzmittelprobe B („Gemenge B“) und das dritte ohne Zusatzmittel („Gemenge REF“). Der Wasser-Zement-Wert für Gemenge B und Gemenge REF wurde so eingestellt, dass das gleiche Ausbreitmaß wie bei Gemenge A erreicht wurde (10 Minuten nach dem Kontaktmoment von Wasser und Zement). Die Betoneigenschaften sind in Tabelle 1 zusammengefasst.

Wie aus der Tabelle ersichtlich, ist der Wasseranspruch von Gemenge A im Vergleich zu Gemenge B geringer. Bei gleichem Ausbreitmaß nach 10 Minuten lag der Wasser/Zement-Wert für Gemenge A bei 0,58; für Gemenge B betrug er 0,67. Demnach konnten in Gemenge A und B gegenüber Gemenge REF 19,9 % bzw. 9,7 % Wasser eingespart werden. Da es in der wässrigen Phase des Gemenges aufgrund der Verringerung der Oberflächenspannung [4] zur Luftporenbildung kommt und Gemenge B im Vergleich zu Gemenge A einen höheren Flüssigkeitsanteil aufweist, betrug der Luftporenanteil für Gemenge B 3,5 vol.-% und für Gemenge A 2,6 vol.-%. Der höhere Wasser/Zement-Wert und der höhere Luftporengehalt führen zu einer geringeren Druckfestigkeit von Gemenge B im Vergleich zu Gemenge A.

Die Zusatzmittelaktivität in Probe B im Vergleich zu Probe A lässt sich definieren als Aktivität = (w/z-Wert (REF) - w/z-Wert (B))/(w/z-Wert (REF) - w/z-Wert (A)). Einsetzen der Zahlenwerte für die Aktivitätsdefinition ergibt: Aktivität = (0,77-0,67) / (0,77-0,58) = 0,53.

Der Vergleich der Ergebnisse von Mörtel- und Betonversuchen zeigt, dass ein Zusatzmittel, das sich im Mörtelfließversuch als aktiver erwiesen hat, auch im Betonausbreitversuch höhere Aktivität zeigte. Somit ist der Mörtelfließversuch eine valide Methode zur schnellen und genauen Vorhersage des Betonausbreitmaßes, sofern keine größeren Schwankungen des Luftporengehalts auftreten (rund 1 vol.-%).

3.2 Prognose der Luftporenbildung

Die Verringerung der Oberflächenspannung der Flüssigphase verbessert die Benetzbarkeit der Zementpartikel und führt damit zu einer effektiveren Dispergierung und höheren Fließfähigkeit des Gemenges [5]. Wie bereits erwähnt, besteht ein Nebeneffekt der verringerten Oberflächenspannung darin, dass sich im Betongemenge Luftporen bilden. Man kann daher davon ausgehen, dass sich der Grad der Luftporenbildung von der Messung der Oberflächenspannung der Zusatzmittellösung ableiten lässt. Der unten dargestellte Versuch wurde mit dem Ziel durchgeführt, die Eignung der Eigenschaft der Oberflächenspannung für die Vorhersage der Luftporenbildung zu prüfen. In diesem Versuch wurden vier verschiedene Zusatzmittel auf ihre Oberflächenspannung und die Eigenschaften der Betongemenge getestet. Ein Gemenge ohne Zusatzmittel (nur Wasserzugabe) diente als Referenz.

Abb. 2 zeigt die dynamische Oberflächenspannung in Abhängigkeit von der Blasenlebensdauer.

Wie im diesem Diagramm erkennbar, steigt die gemessene Abweichung der Oberflächenspannung mit der Lebensdauer der Blasen, was darauf hindeutet, dass für die geprüften Zusatzmittel eine Messung der statischen Oberflächenspannung möglicherweise vorzuziehen ist.

Die folgende Tabelle zeigt den Luftporengehalt des Betongemenges in Abhängigkeit von der Oberflächenspannung. Wie zuvor wurde ein Betongemenge ohne Zusatzmittel als Referenz verwendet (Abb. 3).

Dieses Diagramm verdeutlicht eine eindeutige lineare Korrelation zwischen dem sich im Beton bildenden Luftvolumen und der Oberflächenspannung der Zusatzmittellösungen. Da eine solche Korrelation gefunden wurde, lässt sich für die lineare Trendkurve ein Datenfitting durchführen. Durch Anwendung einer linearen Trendlinienkorrelation kann die Luftporenbildung rechnerisch prognostiziert werden. Der Prognosefehler ist in Tab. 2 dargestellt.

Die Daten belegen, dass der Prognosefehler im Vergleich zum Messwert relativ gering ist, weshalb das Verfahren der Ermittlung der Oberflächenspannung für eine schnelle und genaue Vorhersage des Luftporengehalts für die oben geprüften Zusatzmittel geeignet ist. Dieses Prüfverfahren ist für jeden anderen Zusatzmitteltyp zu validieren, bevor es für Anwendungen in der Qualitätskontrolle zum Einsatz kommen kann.

3.3 Abweichung zwischen Mörtelfließmaß und Betonausbreitmaß durch Luftporenbildung

In einem Versuch wurde Zusatzmittel D so formuliert, dass es im Vergleich zu Zusatzmittel B eine erhöhte Luftporenbildung auslöst. Die Zusatzmittel wurden auf Schaumbildung, Mörtelfließfähigkeit sowie Frisch- und Festbetoneigenschaften geprüft, was zu folgenden Ergebnissen führte.

3.3.1 Schaumprüfung

Vorgehen: 75 g des Zusatzmittels wurden in ein hohes, 250 ml fassendes Becherglas gefüllt. Das Aufschäumen erfolgte durch intensives Mischen bei 2.000 U/min für 2:15 Minuten unter Verwendung eines Dispersionsrührers („Sägezahnrührer“). Nach Abschluss des Rührvorgangs wurden die aufgeschäumten Lösungen in ein Messröhrchen gegossen. Die Volumina der aufgeschäumten Lösungen wurden eine Minute nach Beendigung des Rührens gemessen. Die Versuchsergebnisse sind in Tab. 3 aufgeführt.

Die Bilder verdeutlichen, dass bei Zusatzmittel D das Volumen der aufgeschäumten Lösung am größten (ca. 89 ml) und bei Zusatzmittel B am kleinsten ist (68 ml). Das Volumen der Mischung aus B und D liegt dazwischen (71 ml). Das bei Zusatzmittel D größere Volumen deutet auf einen höheren Grad der Luftporenbildung bei Zusatzmittel D im Vergleich zu Zusatzmittel B hin.

3.3.2    Mörtelversuche

Proben der Zusatzmittel B und D sowie eine Mischung aus beiden („Mischung B+D“) wurden durch Drehmomentkurven, Mörtelfließ- und Mörtelrohdichteprüfungen charakterisiert. Die Ergebnisse der Charakterisierung sind in Abb. 4 dargestellt.

Ein trockenes Sand-Zement-Gemisch wird in den ersten zwei Minuten allmählich zugeführt, was sich in einem allmählichen Anstieg des Drehmoments niederschlägt. Nach zwei Minuten beginnt das Drehmoment langsam zu sinken. Die Verringerung des Drehmoments ist auf die Dispergierung der Zementpartikel durch das Zusatzmittel zurückzuführen. Mörtelmischung D weist im Vergleich zu Mörtelmischung B ein höheres Drehmoment auf; daher ist Zusatzmittel D weniger aktiv. Die Versuchsergebnisse sind in Tab. 4 zusammengefasst.

Bei Mörtelmischung B ist der Mörtel fließfähiger (Fließmaß 161 mm gegenüber 109 mm bei Mörtelmischung D), was mit der Drehmomentkurve übereinstimmt. Die Rohdichte ist bei Mörtelmischung D niedriger (2.226 kg/l gegenüber 2.338 kg/l bei Mörtelmischung B), was – wie in der Schaumprüfung nachgewiesen – auf einen höheren Luftporengehalt hindeutet (etwa 5 vol.-% mehr Luft). Die Eigenschaften des Mörtels mit Mischung B+D liegen erwartungsgemäß dazwischen. Somit ist die Schaumprüfung für die Vorhersage des Luftporengehalts von Mörtel geeignet. Darüber hinaus kommen wir zu dem Schluss, dass überschüssige Luftporen keinen signifikanten Beitrag zur Fließfähigkeit des Mörtels leisten, da die Fließfähigkeit von Mörtelmischung D trotz eines deutlich höheren Luftporenvolumens sehr gering ist.

3.3.3 Betonversuche

Die Leistungsparameter der Zusatzmittel B und D wurden anhand von Ausbreitmaß, Luftporengehalt, Rohdichte und Druckfestigkeit charakterisiert. Die Ergebnisse der Charakterisierung sind in Tab. 5 dargestellt.

Wie aus den Daten ersichtlich, ist der Luftporengehalt bei Betongemenge D höher und die Rohdichte niedriger als bei Betongemenge B. Die Druckfestigkeit von Betongemenge B ist höher als die von Betongemenge D. Dies entspricht der Rohdichte, dem Luftporengehalt und den ermittelten weiteren Eigenschaften. Für Mischung B+D liegen die Ergebnisse wie nach der Mörtelprüfung zu erwarten dazwischen. Daraus lässt sich ableiten, dass die Schaumprüfung das Luftporenvolumen und die Rohdichte sowohl für Mörtel als auch für Beton vorhersagen kann.

In Bezug auf das Setzfließverhalten wurde festgestellt, dass die Mörtelfließfähigkeit bei Mörtelmischung B zwar höher ist als bei Mörtelmischung D. Doch ist das Ausbreitmaß bei Betongemenge D größer als bei Betongemenge B. Bei einem Betongemenge mit sehr hohem Luftporengehalt lässt sich aus dem Mörtelfließversuch also keine Prognose des Ausbreitverhaltens des Betons ableiten, da der Mörtelfließvorgang von der Zementdispergierung, das Setzfließverhalten des Betons jedoch von der Zementdispergierung und dem Anteil der durch das Zusatzmittel im Beton gebildeten Luftporen abhängig ist. Darüber hinaus lässt sich feststellen, dass eine derartige Abweichung zwischen Mörtelfließ- und Betonausbreitversuchen eindeutig auf einen zu hohen Luftporengehalt hinweist, der auf minderwertige Festbetoneigenschaften in Bezug auf Festigkeit und Dauerhaftigkeit schließen lässt.

4 Umsetzung

Ausgehend von den vorgestellten Ergebnissen wird die Anwendung des in Tab. 6 dargestellten Verfahrens vorgeschlagen.

5 Zusammenfassung

5.1 Prognose des Luftporengehalts

Die Prognose des Luftporengehalts wurde durch zwei verschiedene Methoden validiert: durch Messung der Oberflächenspannung und durch Schaumprüfung.

5.2 Prognose des Ausbreitmaßes von Beton

Die Prognose der Betonausbreitung wurde durch den Mörtelfließversuch validiert.

5.3 Mörtelfließversuch

Der Mörtelfließversuch ist valide, da die Prognose des Luftporengehalts keine Abweichungen gegenüber einem normalen Zusatzmittel offenbart.

5.4  Abweichung zwischen Mörtelfließverhalten

und Betonausbreitung

Eine Abweichung zwischen dem Mörtelfließmaß und dem Ausbreitmaß des Betons weist eindeutig auf einen übermäßig hohen Luftporengehalt hin, der zu minderwertigen Betoneigenschaften führt.

5.5 Möglichkeit der schnellen und genauen Vorhersage des Verhaltens von Zusatzmitteln

Die schnelle und genaue Vorhersage des Verhaltens von Zusatzmitteln erhöht die Zuverlässigkeit der Leistungsparameter und damit die Produktivität von Transportbetonwerken.

6 Widmung

Der vorliegende Beitrag ist dem Gedenken an den Bruder des Autors, Michael (Mickey) Israel, gewidmet, der vor einigen Monaten plötzlich und unerwartet verstarb.

Chaim V. Israel hatte die große Ehre, fast 50 Jahre an Mickeys Seite zu leben, und seine einzigartigen menschlichen Qualitäten gegenüber der Familie – wie Bescheidenheit und Großzügigkeit – werden ihm für den Rest seines Lebens in Erinnerung bleiben.