Warum werden Beschleuniger im Spritzbetonbau eingesetzt? Wenig Wissen über Zusatzmittel

Warum werden Beschleuniger im Spritzbetonbau eingesetzt? Wenig Wissen über Zusatzmittel

Mit der rasanten Entwicklung des Tiefbaus und des Verkehrsinfrastrukturbaus findet der Einsatz der Spritzbetontechnologie zur Böschungsreparatur, Felssicherung und Leckagesperre beim Tunnelsprengungsbau und bei der schnellen Wartung immer mehr Verbreitung. Spritzbeton ist eine Betonart, die durch Hochgeschwindigkeitssprühen einer Mischung aus zementhaltigen Materialien und Zuschlagstoffen auf eine bestimmte Oberfläche mithilfe von Druckluft oder anderen Energiequellen entsteht.

Der Spritzbetonbau wird in zwei Haupttypen unterteilt: Trockenmisch- und Nassmischverfahren. Beim Trockenmischverfahren kommen pulverförmige Beschleuniger zum Einsatz, während beim Nassmischverfahren flüssige Beschleuniger zum Einsatz kommen. In China wird beim Spritzbetonbau immer noch überwiegend im Trockenmischverfahren gearbeitet, während der Nassmischbau nur etwa 10 % der Spritzbetonanwendungen ausmacht. Da jedoch die Qualitätsanforderungen an Spritzbeton im Tiefbau steigen und das Umweltbewusstsein zunimmt, gilt das Nassmischverfahren als unumgänglicher Trend für die zukünftige Entwicklung der Spritzbetontechnologie.

Beschleuniger sind die wichtigsten Zusatzstoffe im Spritzbeton und spielen eine entscheidende Rolle für die Abbindegeschwindigkeit und Festigkeit des Betons. Ihre Dosierung beträgt nur 2 %-3 % der Zementmenge im Beton, dennoch erreichen sie die Anfangsabbindung innerhalb von 5 Minuten und die Endabbindung innerhalb von 10 Minuten und erfüllen damit die Anforderungen an eine schnelle Abbindung im Sonderbau und sorgen für eine schnelle Verfestigung in Tunneln oder Wellen. Daher sind die Forschung und der Einsatz von Beschleunigern entscheidende Faktoren für den Stand der Spritzbetontechnologie.

Beschleuniger gibt es in verschiedenen Ausführungen, die je nach Produktform entweder als Pulverbeschleuniger (fest) oder als Flüssigbeschleuniger klassifiziert werden. Je nach Alkaligehalt kann es sich um alkalische oder nichtalkalische Beschleuniger handeln, wobei Beschleuniger einen Na2O-Gehalt aufweisen<1% considered non-alkaline. The development of accelerators has gone through stages such as high-alkali powder, low-alkali powder, high-alkali liquid, and low (non)-alkali liquid since the Swiss company Sika first developed Sigunite powdered accelerator in the 1930s.

Nicht-alkalische Beschleuniger lösen das Problem des hohen Alkaligehalts in herkömmlichen Beschleunigern. Beton mit nicht-alkalischen Beschleunigern kann im Vergleich zu herkömmlichen Beschleunigern mehr als 90 % seiner 28-Tagesfestigkeit erreichen. Darüber hinaus sind nicht-alkalische Beschleuniger nicht korrosiv, umweltfreundlich und stellen ein minimales Gesundheitsrisiko für das Baupersonal dar. Der Trend geht hin zur Verwendung nicht-alkalischer Flüssigbeschleuniger anstelle herkömmlicher alkalischer und alkaliarmer Beschleuniger.

Der heutige Stand der Pulverbeschleuniger begann in den 1930er Jahren mit Sigunite, das von der Schweizer Firma Sika entwickelt wurde. Frühe alkalische Pulverbeschleuniger, die aus anorganischen Salzmaterialien wie Kalk, Natriumaluminat sowie Silikat- und Carbonatsalzen hergestellt wurden, erfüllten die Anforderungen einer schnellen Aushärtung, erlitten jedoch später einen erheblichen Festigkeitsverlust, der zwischen 20 und 50 % lag.

In China begann die Forschung an Beschleunigern aufgrund der relativ späten Einführung der Spritzbetontechnologie später. Alkalische Pulverbeschleuniger bieten Vorteile wie gute Anpassungsfähigkeit, effektive Leistung bei verschiedenen Zementmarken, gute Abbindeeffekte, niedrige Kosten und ausgereifte Herstellungsverfahren. Sie weisen jedoch mehrere Mängel auf, darunter einen erheblichen Festigkeitsverlust in späteren Phasen, eine verringerte Betonhaltbarkeit aufgrund der Einführung von Alkali, einen hohen Rückprall beim Betonspritzen und eine starke Korrosivität während der Vorbereitung, was eine Gefahr für die Arbeiter darstellt.

Mit zunehmender Verbreitung der Nassmischmethode ist die Forschung an pulverförmigen Beschleunigern deutlich zurückgegangen und der Schwerpunkt verlagert sich auf die Untersuchung flüssiger, alkaliarmer und nicht alkalischer Beschleuniger. Aufgrund der Einfachheit, Anpassungsfähigkeit und geringen Kosten des Trockenmischverfahrens werden jedoch bei einem beträchtlichen Teil der Spritzbetonprojekte in China immer noch pulverförmige Beschleuniger eingesetzt.

Die Geschichte der Flüssigkeitsbeschleuniger reicht bis in die 1970er Jahre zurück, als in der Schweiz alkalische Flüssigkeitsbeschleuniger von Sika entwickelt wurden. Diese frühen flüssigen Beschleuniger hatten jedoch einen hohen Alkaligehalt, was zu einer schlechten Festigkeit und Haltbarkeit des Betons im späteren Stadium führte. Um die Leistung in späteren Phasen zu verbessern und gesundheitliche Schäden zu vermeiden, begannen Forscher in Industrieländern in den 1970er Jahren mit der Entwicklung von Flüssigbeschleunigern mit niedrigem Alkaligehalt. Sie verwendeten Aluminiumsalze als Hauptabbindebeschleuniger, wodurch der Alkaligehalt auf 10-20 % reduziert wurde, was zu einer Verringerung des Festigkeitsverlusts im späteren Stadium auf 20 %-30 % führte.

In China blieb die Forschung zu Flüssigkeitsbeschleunigern aufgrund der späten Einführung der Nassmischmethode hinter den Industrieländern zurück. Frühe Flüssigbeschleuniger erfüllten zwar die Standardanforderungen, wiesen jedoch eine geringere Anfangsfestigkeit des Betons auf. Um dieses Problem anzugehen, konzentrierten sich die Forscher auf die Reduzierung des Alkaligehalts, um den Festigkeitsverlust im späteren Stadium zu mildern und die Haltbarkeit zu verbessern. Heutzutage sind flüssige Beschleuniger mit niedrigem Alkaligehalt auf dem Markt weit verbreitet und bieten Vorteile wie niedrige Dosierung und kurze Abbindezeiten. Diese führen jedoch immer noch einen gewissen Alkaligehalt ein und können zu Alkali-Aggregat-Reaktionen führen, die sich negativ auf die Haltbarkeit von Spritzbeton auswirken. Aus diesem Grund haben Forscher ihre Aufmerksamkeit auf nicht alkalische Flüssigkeitsbeschleuniger gerichtet.

Die Erforschung nicht alkalischer Flüssigkeitsbeschleuniger begann in den 1990er Jahren in Europa und den Vereinigten Staaten, etwas später in China. Der primäre Forschungsansatz besteht in der Suche nach neuen Abbindematerialien als Ersatz für Alkalimetallsalze in Flüssigbeschleunigern. Unter ihnen fördert Aluminiumsulfat aufgrund seines fehlenden Alkalimetallgehalts effektiv die Hydratation des Zements und verbessert die Festigkeit des Mörtels im Anfangsstadium erheblich. Es gilt derzeit als ideales Material zur Herstellung nicht alkalischer Flüssigkeitsbeschleuniger. Forscher auf der ganzen Welt haben umfangreiche Studien zu Flüssigkeitsbeschleunigern durchgeführt, die hauptsächlich aus Aluminiumsulfat hergestellt wurden. Leistungsstarke und stabile Produkte wie die MEYCOSA-Serie von BASF und die Sigunite®A-Serie von Sika repräsentieren den aktuellen Stand der nicht-alkalischen Flüssigbeschleuniger.

Nicht-alkalische Flüssigbeschleuniger stehen im Mittelpunkt der aktuellen und zukünftigen Entwicklung. Sie verringern die Wahrscheinlichkeit von Alkali-Aggregat-Reaktionen und verbessern effektiv die spätere Festigkeit des Betons. Die Entwicklung von nicht-alkalischen Flüssigbeschleunigern steckt jedoch noch in den Kinderschuhen und zu den Herausforderungen gehören eine relativ hohe Dosierung (6 % -12 %), eine unzureichende Lagerstabilität sowie höhere Preise und Kosten im Vergleich zu herkömmlichen alkalischen Flüssig- und Pulverbeschleunigern .

4.2 Zusammensetzung von Beschleunigern

Aluminiumsalze, Silikatsalze, Carbonatsalze und Hydroxide sind die wichtigsten Alkaliarten in Beschleunigern. Aluminiumsalz und Aluminiumalkali sind die wichtigsten Bestandteile in nicht alkalischen Flüssigkeitsbeschleunigern. Für Aluminiumsalz ist Aluminiumsulfat ein idealer Rohstoff, und die Verwendung von Aluminiumsulfat als Hauptabbindekomponente in nicht alkalischen Flüssigkeitsbeschleunigern hat große Aufmerksamkeit und Forschung auf sich gezogen.

4.4 Beschleuniger-Produktionsprozess

4.4.1 Flüssigkeitsbeschleuniger

Alkalische Beschleuniger: Natriumhydroxid und Wasser werden in einem Reaktionsgefäß gemischt und nach Rühren wird Aluminiumhydroxid hinzugefügt. Die Mischung wird auf 110 Grad erhitzt und dann abgekühlt, um das Endprodukt herzustellen.

Nicht-alkalische Beschleuniger: Fluorkieselsäure wird in das Reaktionsgefäß gegeben und bei Raumtemperatur und Atmosphärendruck gerührt. Aluminiumsulfat wird zugegeben und gerührt, bis es vollständig aufgelöst ist. Anschließend wird der pH-Wert auf 5 eingestellt, wodurch das Endprodukt entsteht.

4.4.2 Pulverförmige Beschleuniger

4.4.2.1 Wiegen und Mischen

Rohstoffe wie Aluminiumasche (Partikelgröße {{0}}cm), Kalkstein (Partikelgröße 0,5-1,2cm) und Industriealkali (Natriumcarbonat) werden über ein versiegeltes Förderband transportiert eine Waage. Aluminiumsulfat