Entwicklung und Applikation von kontinuierlichen Glasschutzschichten auf Betonoberflächen

  • Development and application of continuous glass protection layers on concrete surfaces

Eiwen, Felix Tobias; Roos, Christian Hans-Georg (Thesis advisor); Raupach, Michael (Thesis advisor)

Aachen (2020, 2021)
Doktorarbeit

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2020

Kurzfassung

Die Produktion von Zement ist ein ressourcen-, energie- und kostenintensiver Prozess, der der Hauptverursacher von CO2 bei der Herstellung von Betonbauten ist. Die Anwender von Bauteilen aus Beton, wie z.B. Abwasserrohre, Klärbecken oder Kühltürme, suchen nach Möglichkeiten diese Bauteile vor äußeren Einflüssen zu schützen, um so die Lebensdauer entscheidend zu verlängern. Der Fokus dieser Arbeit liegt auf der Entwicklung und Applikation von kontinuierlichen Glasschutzschichten auf Betonoberflächen. Hierfür wurde durch den Einsatz eines Roboters und eines Flammspritzsystems ein halbautomatischer Applikationsprozess entwickelt, bei dem verschiedene selbst entwickelte Gläser, sowie kommerzielle Gläser auf Betonsubstrate zu gut anhaftenden und kontinuierlichen Schutzschichten aufgetragen werden konnten. Um eine optimale Glasschicht auf dem Betonsubstrat aufzutragen muss die Applikationstemperatur des Glases im Viskositätsbereich log"η" ("η" in dPa·s) = 2 bis 4 liegen. Für die in dieser Arbeit getesteten Gläser entsprechen die Applikationsfenster 1040 °C bis 1214 °C und einer Betonsubstratvorwärmtemperatur von mindestens 250 °C. Die Glasschichten wurden in einem fest definierten Spritzmuster in einem Abstand von 8 oder 10 cm vom Substrat und Robotergeschwindigkeiten von 80 bis 220 "mm" /"s" appliziert. Hierbei wurden abhängig von den Spritzparametern Glasschichtdicken von ca. 1,17 mm pro Spritzdurchgang aufgetragen. Solche Schutzschichten erreichen Haftzugwerte von > 1,0 MPa, was den bautechnischen Ansprüchen der möglichen Einsatzgebiete genügt. Unabhängig von der applizierten Glaszusammensetzung konnten mit dem Flammspritzprozess auf kleinen Flächen wasserundurchlässige Schichten aufgetragen werden, jedoch kann es zur prozessbedingten Rissbildung kommen. Solche Risse sind eine Schwachstelle in der Glasschutzschicht und müssen über nachgelagerte Behandlungen versiegelt werden. Bei der Anwendung von Glas-Beton-Verbunden für die Abwasserführung werden neben der Haftung zusätzlich noch chemische Anforderungen an das Glas gestellt. Die Herausforderung besteht darin, eine Glaszusammensetzung nach dem phasentheoretischen Ansatz zu entwickeln, die ausreichend beständig gegen die stark alkalische Umgebung auf der Betonseite (pH = 13,2) und gleichzeitig resistent gegen den starken Säureangriff (pH = 1,5) auf der Abwasserseite ist. Die nach einer Auswahl von thermodynamischen Berechnungen entwickelten und durch die Substitution von CaO durch MgO und/oder ZnO optimierten Glaszusammensetzungen (ZEM Gläser) aus dem CaO Al2O3 SiO2 System zeichnen sich durch eine hervorragende chemische Beständigkeit im alkalischen Milieu (max. Massenverlust = 0,6 Ma. %) aus und ihr Säurewiderstand konnte im Vergleich zu reinen CAS Gläsern verbessert werden. Darüber hinaus können solch entwickelte ZEM Gläser aufgrund ihrer guten alkalischen Eigenschaften sowie kostengünstigen Rohstoffauswahl als Zusatzstoffe in der Betonherstellung genutzt werden. Hierdurch lässt sich der Zementanteil reduzieren, ohne dass technische Einschränkungen für das Betonbauteil gemacht werden müssen. Obwohl die chemische Beständigkeit der entwickelten ZEM Gläser um den Faktor fünf besser als unbehandelter Beton ist, kann ein umfassender Schutz des Betons vor dem sauren Abwasser nicht gewährleistet werden. In Korrosionsversuchen in synthetischer Pufferlösung (pH = 1,5) wiesen diese Gläser einen Massenverlust von 24 – 34 Ma. % auf. Ein verbesserter Schutz kann durch die Optimierung des Flammspritzprozesses erreicht werden, in dem ein Mehrschichtsystem aus einem zuerst applizierten alkaliresistenten ZEM Glases und einer anschließenden Schicht eines säureresistenten Glases aufgebracht wird. Die in dieser Arbeit gewonnenen Erkenntnisse lassen sich leicht auf andere Glasarten anwenden, um so die jeweiligen individuellen Applikationsfenster und Spritzparameter zu bestimmen.

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