Untersuchungen zur Dauerhaftigkeit hydrophober Schichten im Beton mittels NMR

Antons, Udo; Breit, Wolfgang; Raupach, Michael

doi:HT019431470

Untersuchungen zur Dauerhaftigkeit hydrophober Schichten im Beton mittels NMR = Investigations on the durability of hydrophobic layers in concrete by NMR

Antons, Udo

2017

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Udo Antons

ImpressumAachen 2017

Umfang1 Online-Ressource (V, 144 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2017

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak03

Hauptberichter/Gutachter
Raupach, Michael (Thesis advisor) ; Breit, Wolfgang (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2017-01-06

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2017-07590
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/698247/files/698247.pdf
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/698247/files/698247.pdf?subformat=pdfa

Einrichtungen

Lehr- und Forschungsgebiet Baustoffkunde - Bauwerkserhaltung und -instandsetzung (311320)

Projekte

DHaB-001 - Zur Dauerhaftigkeit von Hydrophobierungen auf Beton (169884052)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Beton (frei) ; Dauerhaftigkeit (frei) ; Hydrophobierung (frei) ; Methodenentwicklung (frei) ; single-sided NMR (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 624

Kurzfassung
Die über die letzten Dekaden stetig schneller voranschreitende Entwicklung in der Baustofftechnologie ermöglicht den Bau immer komplexerer und filigranerer Bauwerke. Aus ökonomischen und ökologischen Gesichtspunkten stiegen jedoch gleichzeitig die Anforderungen an deren Dauerhaftigkeit. Die beim Bau verwendeten Materialien werden über die Nutzungsdauer eines Bauwerks einer Vielzahl von chemischen und physikalischen Angriffen ausgesetzt. Der Wunsch nach einer langen Nutzungsdauer bedingt in vielen dieser Fälle die Ergreifung geeigneter präventiver Schutzmaßnahmen. Aufgrund ihrer Eigenschaft, das Erscheinungsbild eines Bauwerks praktisch nicht zu verändern, sind Hydrophobierungen in vielen Fällen von großem Interesse. Über die Dauerhaftigkeit der in den letzten Dekaden als Wirkstoff der Hydrophobierungsmittel hauptsächlich verwendeten siliziumorganischen Verbindungen gibt es in der Fachwelt jedoch kontroverse Meinungen. Als mögliche Ursachen für den eventuellen Verlust ihrer Wirksamkeit werden übergreifend die Einwirkung von UV-Strahlung, Staubablagerung, chemischer Abbau, Rissbildung und mechanische Abnutzung der Oberfläche genannt. Abhängig von der Exposition, der chemischen Struktur des verwendeten Hydrophobierungsmittels, der Art und des Zustandes des imprägnierten Substrates sowie des angewendeten Untersuchungsverfahrens werden unterschiedlich starke Auswirkungen der einzelnen Mechanismen beschrieben. Über einen weiteren entscheidenden Punkt bezüglich Wirksam- und Dauerhaftigkeit einer Hydrophobierungsmaßnahme sind sich viele Autoren einig: Hauptursache für eine unzureichende hydrophobe Wirkung ist in den meisten Fällen eine unsachgemäße Anwendung und fehlerhafte Applikation des Hydrophobierungsmittels. Diese Arbeit befasst sich mit den beiden wesentlichen Fragen bezüglich der Dauerhaftigkeit einer Hydrophobierungsmaßnahme: Welche Mechanismen haben einen negativen Einfluss auf die Wirksamkeit einer Hydrophobierungsmaßnahme als Barriere gegenüber flüssigem Wasser? Gibt es Möglichkeiten zur Verbesserung der Qualitätskontrolle im Rahmen der Durchführung einer Hydrophobierungsmaßnahme am Bauwerk? Auswirkungen auf die Wirksamkeit hydrophober Schichten werden hierbei separat nach dem jeweiligen Mechanismus betrachtet. Hierfür werden mehr als 350 Probekörper auf Basis zweier Betone mit sieben Hydrophobierungsmitteln behandelt und hinsichtlich der Auswirkungen von Temperatur, UV-Strahlung, Karbonatisierung, Alkalien, Hydratation und geringer Applikationsmenge untersucht. Des Weiteren werden Methoden entwickelt, welche es ermöglichen direkt im Anschluss an die Applikation die Eindringtiefe der Hydrophobierungsmittel und damit einhergehend die später am Bauwerk vorliegende Dicke der hydrophoben Schicht zerstörungsfreie zu bestimmen. Hierfür wurden zunächst Messmethoden auf Basis der unilateralen NMR-Messtechnologie entwickelt, welche es ermöglichen die Verteilung von Wasser bzw. Hydrophobierungsmittel im Substrat zu detektieren, Veränderungen der hydrophoben Schicht festzustellen und den Wassergehalt im Beton tiefenabhängig zu bestimmen. Auf Basis dieser Methodik konnte zwischen den herkömmlich bestimmten hydrophoben Schichtdicken und den Eindringprofilen von Hydrophobierungsmitteln im Beton eine Korrelation nachgewiesen werden. Dies eröffnet für die Qualitätssicherung am Bauwerk gänzlich neue Perspektiven. Zur Untersuchung der Dauerhaftigkeit erfolgten über den Zeitraum der jeweiligen Exposition Messungen an wassergesättigten Probekörpern. Hieran konnte durch den direkten Vergleich von Messungen vor, während und nach der Exposition die jeweiligen hydrophoben Schichtdicken bestimmt und potentiell Veränderungen innerhalb der hydrophoben Schicht festgestellt werden. Des Weiteren wurde im Anschluss an die Exposition die Wasseraufnahme durch die hydrophoben Schichten untersucht. Sowohl nach Lagerung bei 200 °C als auch nach mehrmonatiger Beaufschlagung mit Alkalien konnte bei keinem Probekörper eine signifikante Veränderung der hydrophoben Schichtdicken festgestellt werden. Die Auswirkungen von UV-Strahlung auf die siliziumorganischen Verbindungen an der Oberfläche des Betons sind aufgrund des Abbaus des Abperleffekts offensichtlich. Einen Einfluss auf Bereiche unterhalb der Oberfläche konnte nach UV-Bestrahlung jedoch nicht festgestellt werden. Die verwendete Zementart spielt bei der Karbonatisierung eine entscheidende Rolle. Die Karbonatisierung von Portlandzementbeton hat keine Auswirkung auf die hydrophobe Schicht. Nach der Karbonatisierung von Hochofenzementbeton war anhand der NMR Messergebnisse ein deutlicher Anstieg des Wassergehalts innerhalb des vorher hydrophoben Bereichs feststellbar. Bestätigt wurde der negative Einfluss zudem durch einen drastisch gestiegenen Wasseraufnahmekoeffizienten. Nach der Karbonatisierung von Hochofenzementbeton ist eindeutig kapillares Saugen der maßgebende Transportmechanismus des Wassers durch den vormals hydrophoben Bereich. Durch die Applikation wesentlich geringerer Wirkstoffmengen wurde der Einfluss der Schichtdicke auf die Wirksamkeit der hydrophoben Schicht untersucht. Die Ergebnisse verdeutlichten, dass bei geringen Applikationsmengen der Wasseraufnahmekoeffizient maßgeblich von der Gleichmäßigkeit der Verteilung des Wirkstoffes und dem Anspruch des Substrates abhängt. Die vorangegangene Ausführungen verdeutlichen, dass die Wirksamkeit von Hydrophobierungsmitteln in bzw. auf der Oberfläche von Beton im Rahmen der in dieser Arbeit betrachteten Expositionen lediglich durch Karbonatisierung von Hochofenzementbeton und durch direkte UV-Bestrahlung an der Betonoberfläche beeinflusst werden. Als größter Einfluss auf die Wirksamkeit einer hydrophoben Schicht hat sich die Applikation des Hydrophobierungsmittels selbst herausgestellt. Beeinflusst von der Gleichmäßigkeit der Wirkstoffverteilung, der Porosität und des Wirkstoffanspruches des Betons können starke Schwankungen der Eindringtiefe auftreten. Auch bei der Applikation einer auf die Gesamtfläche bezogenen ausreichende Mengen an Hydrophobierungsmittel können so lokal geringe hydrophobe Schichtdicken und sogar Fehlstellen auftreten.

The ongoing development in the field of building material research during the last decades enables the construction of even more complex and filigree buildings. Due to economically and ecologically aspects the requirements on the durability are also rising. Construction materials are exposed to a verity of chemically and physically attacks during the service time of a construction. To guarantee a long service time suitable preventive measure have to be chosen. Based on their characteristic to leave the appearance of buildings unchanged, hydrophobizing agents are of major interest in many cases. Unfortunately, among experts there are controversial opinions on the durability of the mainly as active agent used silicium organic compounds. As possible reasons for the potentially loss of efficacy UV-irradiation, dust deposit, chemical degradation, crack appearance and mechanical abrasion were named. Depending on the exposure, the chemical structure of the used active agent, the kind and condition of the treated substrate as well as the used investigation method, differences in the effect intensity are described. However, on one essential point related to efficacy and durability of a hydrophobizing treatment many of the authors have the same opinion: In the most cases the major reason for an insufficient hydrophobic effect is an incorrect application of the hydrophobizing agent. This thesis focuses on the two essential questions related to the durability of a hydrophobizing treatment: Which mechanisms have a negative effect on the efficacy as barrier against liquid water of a hydrophobizing treatment? Are their possibilities to improve the quality control in the framework of the application process on site? Effects on the efficacy of hydrophobic layers were investigated for each mechanism separately. Therefor more than 350 specimens based on two concretes and treated with seven different hydrophobizing agents have been produced and investigated with regards to the effects of temperature, UV-Irradiation, carbonation, alkali, cement hydration and minor application quantity. In addition investigation methods were developed, which enable the possibility to measure the hydrophobic layer thickness non-destructively direct after the application process on site. For this purpose methods based on single sided NMR technology to measure the distribution of water and hydrophobizing agents in the substrate, to detect changings of the hydrophobic layer and to determine the amount of water in the concrete have been developed. Based on these methods a correlation between conventionally measured hydrophobic layer thicknesses and ingress profiles of hydrophobizing agents could be proved. Due to this, there are given new prospects in the field of quality control on site. During the period of exposure the specimens were measured after being water saturated to investigate the durability of the hydrophobic layer. By comparison of measurements of the hydrophobic layer thickness before, during and after exposure potentially changings could be found. Furthermore, the water uptake ability through the hydrophobic layer was investigated after exposure. After storage at 200 °C and also after storage in alkaline solution for several months no significant changes of the hydrophobic layer thickness of exposed specimens were detectable. The effect of the UV-irradiation on the silicium organic compound at the surface of the concrete is obvious due to the loss of the “drop off effect”. However, an impact on the area beneath the surface was not observable after UV-irradiation. The used kind of cement has a major impact if the carbonation affects the hydrophobic layer. The carbonation of Portland cement based concrete has no effect on the hydrophobic layer thickness. After the carbonation of blast furnace slag cement based concrete a significant higher amount of water in the hydrophobic layer was detected by NMR. The negative impact was confirmed by a dramatically raised water uptake coefficient. After the carbonation of blast furnace slag cement based concrete capillary suction has become the controlling transport mechanism through the anciently hydrophobic layer. By applying a minor amount of active agent the impact of the hydrophobic layer thickness on the efficacy of the hydrophobic layer was observed. The results clarify, that the water uptake coefficient is majorly affected by the distribution homogeneity of the active agent and the amount of active agent demanded by the substrate. The previous statements highlight, that in the framework of the carried out exposures the efficacy of hydrophobizing agents in the concrete respectively on the concrete surface was only affected by the carbonation of blast furnace slag cement based concrete and by direct UV-irradiation. The biggest impact on the efficacy of a hydrophobic layer has the application process of the hydrophobizing agents itself. Due to the homogeneity of the active agent distribution, the porosity and the demand of active agent of the concrete the hydrophobic layer thickness can vary in a wide range. Even after applying a sufficient amount of hydrophobizing agent related to the entire surface the appearance of local areas with minor hydrophobic layer thicknesses or even imperfections possible.

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