Reaktionsharzbeton und – mortel

In Reaktionsharzbetonen wird die Gesteinskomung allein durch ein Polymerbindemittel verkittet. Anstelle des Zementleims kommen flussige Reaktionsharze zum Einsatz, die nach Zugabe von Reaktionsmitteln (Harter, Katalysatoren, Beschleuniger, Stabilisatoren u. a.) durch Polyaddition oder – kondensation bei normaler Umgebungstemperatur ausharten. Als reaktive Harze werden vor allem ungesattigte Polyester – und Acrylharze sowie Epoxid – und Polyurethanharze, als Gesteinskomung Quarzsande und – mehle sowie kunstlicher Korund (Elektrokorund) verwendet. Durch das breite Spektrum moglicher Fullstoffe konnen Poly – mermortel und – betone mit sehr unterschiedlichen Eigenschaften hergestellt und den jewei – ligen Erfordemissen angepasst werden

Die Vorteile des Einsatzes von Polymermorteln und – betonen liegen in kurzeren Erhar – tungsphasen (vor allem bei reaktionsharzgebundenen Morteln und Betonen!), hohen Frtih – und Endfestigkeiten, hoheren Dichtigkeiten, hohen Schlagzahigkeiten und Abriebbestan – digkeiten sowie einem vemachlassigbaren Wasseraufnahme – bzw. Quellvermogen.

Das Fehlen eines Kapillarsystems bewirkt eine gute Bestandigkeit polymergebundener Mortel und Betone gegeniiber dem Angriff aggressiver Medien und pradestiniert ihren Ein­satz in der Abwassertechnik und dem Unterwasserbau, des Weiteren zum Abdichten von Bauwerken gegen Feuchtigkeit (Korrosionsschutz), zum Ausbessem schadhafter Betonfla – chen (Reparatur – und Beschichtungsmortel) sowie fur Klebearbeiten.

Die Wahl des jeweiligen Polymerbindemittels hangt fur die konkrete Situation von Para – metem wie Chemikalienbelastung, Verformungsverhalten, thermische Belastung und Haf­tung auf dem Untergrund ab. Eine Groborientierung zur Auswahl reaktiver Polymerbinde­mittel ist in Tab. 10.10 gegeben.

Hartungsvorgang. Der Grad der Vemetzung der Makromolekule wird vom verwendeten Hartersystem, den eingesetzten Modifikatoren sowie der Temperatur beeinflusst. Modifi – katoren greifen entweder in den Mechanismus ein, wobei sie zusatzliche Vemetzungen initiieren, oder sie verbleiben nach der Aushartung zwischen den Makromolekulen und,,lockem“ das Netzwerk auf. Temperaturerhohung ftihrt generell zu einer hoheren Vemet­zung. Mit steigender Temperatur erhoht sich die Beweglichkeit und damit die Reaktionsfa – higkeit der reagierenden Teilchen. Unterhalb einer Arbeitstemperatur von etwa 10°C kann der Vemetzungs – bzw. Hartungsprozess zum Erliegen kommen. In Analogie zu Zement – morteln findet auch bei der Erhartung der Polymermortel und – betone ein Schrumpfen statt. Ursache ist die Exothermie der Vemetzungsreaktion.

Polymermortel und – betone weisen nicht nur eine hohe Festigkeit auf, die Festigkeit wird auch in relativ kurzer Zeit erreicht. Zusatz von Beschleunigem sowie hohe Temperaturen verkiirzen die Festigkeitsentwicklung.

Tabelle 10.10 Orientierende Hinweise zur Auswahl des Polymerbindemittels [OC 6]

Bindemittel

Hinweise fur ihre Verwendung

Durch Polyaddition aus – hartende Reaktionsharze:

Epoxidharze (EP) Polyurethane (PUR)

gute Chemikalienbestandigkeit, geringe Schrumpfung, hohe Festigkeit hohe Dehnung, geringe Schrumpfung

Durch Polymerisation aus – hartende Reaktionsharze:

Ungesattigte Polyesterharze (UP)

Ungesattigte Methacrylatharze (PMMA) u. a. Vinylesterharze

gute Chemikalienbestandigkeit, hohe Festigkeit, hohe Schrumpfung

gute Chemikalienbestandigkeit, hohe Reaktivitat bei niedrigen Temperaturen, hohe Festigkeit, hohe Schrumpfung

Durch Polykondensation hartba – re reaktive Polymerbindemittel:

Phenolharze

gute Chemikalienbestandigkeit

10.4.4 Alterung von Kunststoffen

Kunststoffe unterliegen Alterungserscheinungen, die in mitunter recht kurzen Zeitraumen wichtige Werkstoffeigenschaften, wie zum Beispiel die Oberflachenbeschaffenheit, die Schlagzahigkeit, die Zugfestigkeit, die ReiBdehnung, die Untergrundkorrosion, aber auch die Farbgestaltung signifikant verandem konnen. Naturliche Witterungs – und Umweltein – fliisse bewirken eine allmahliche Veranderung der chemischen Struktur der Kunststoffe, die letztendlich zum vollstandigen Abbau der Polymere fuhren kann. Nachkristallisations – und Diffusionsprozesse verstarken den Polymerabbau.

Ebenso wie fur die Korrosion der Metalle und mineralischen Baustoffe gilt auch fur die Alterung der Kunststoffe: Die einzelnen Witterungs – und Umwelteinflusse wirken nicht isoliert, sondem stets komplex. Deshalb lasst sich im speziellen Fall eben nicht klar ent – scheiden, ob die auftretenden Alterungsprozesse ursachlich auf die Einwirkung von Warme, UV-Strahlen, 02 bzw. 03, Feuchtigkeit, Schadgase oder etwa Mikroorganismen zuruckzufiihren sind.

Tabelle 10.11 Bindungsenergien ausgewahlter chemischer Bindungen [AC 3]

Bindung

Bindungsenergie

(kJ/mol)

Bindung

Bindungsenergie

(kJ/mol)

C = C

811

C = C

615

c-c

345

C-H

416

C-F

489

C-Cl

327

C-Br

272

c-s

289

C-0

358

C-N

305

O-H

463

Si-0

444

Si-C

306

Si-H

323

Warme. Wie fur alle anderen chemischen Reaktionen gilt auch fur Abbaureaktionen, dass sich die Reaktionsgeschwindigkeit bei ansteigenden Temperaturen erhoht (Кар. 4.3.3). Dabei ist fur den Abbauprozess nicht nur die Hohe der Temperatur, sondem auch die Dauer der Warmeeinwirkung von entscheidender Bedeutung. Die mit steigender Temperatur zu – nehmende Warmebewegung der Atome kann zu einem Auseinanderbrechen bzw. einem Abbau der Polymerketten bis hin zu den Monomeren ffihren. Diesen Prozess nennt man Depolymerisation. Einen depolymerisierenden Einfluss uben auch energiereiche Strahlung und Chemikalien aus. In der Mehrzahl der Falle entstehen bei den Abbauprozessen Ketten- fragmente unterschiedlicher GroBe. Deshalb wird in der Literatur mitunter von Kettenfrag – mentierungen oder kurz von Fragmentierungen gesprochen. Letzterer Ausdmck ist aller – dings unglucklich gewahlt, da der Begriff der Fragmentierung in der organischen Chemie einem anderen Reaktionstyp vorbehalten ist.

Der Abbau beginnt mit einem Bindungsbruch. NaturgemaB werden zuerst die chemischen Bindungen,,gebrochen“, zu deren Spaltung die geringste Bindungsenergie notwendig ist. Unter der Bindungsenergie eines Molekuls AB versteht man die Energie, die notig ist, um AB in die Atome A und В aufzuspalten (zu dissoziieren). Die Bindungsenergie entspricht demnach der Bindungsdissoziationsenergie. Bei mehratomigen Molekulen ABn erhalt man die Bindungsenergie A-В als arithmetisches Mittel der Summe der ersten, zweiten, dritten bis n-ten Bindungsdissoziationsenergie des Molekuls ABn.

Aufgrund ihrer vergleichsweise geringen Bindungsenergien (Tab. 10.11) beginnen die Ab­baureaktionen halogenhaltiger Kunststoffe bevorzugt an den C-X-Bindungen (X = Cl, Br). Das erklart die thermische Instability von PVC, dessen C-Cl-Bindungen nicht nur durch energiereiche UV-Strahlung, sondem auch durch Warmeenergie gespalten werden konnen. Dabei bilden sich unter Abspaltung von Chlorwasserstoff C=C-Doppelbindungen aus (Gl. 10-22). Weitere HC1-Abspaltung fiihrt zum Aufbau konjugierter Doppelbindungssysteme innerhalb der Makromolekulketten. Sie sind auf Gmnd ihrer spezifischen Absorptionsei – genschaften verantwortlich fur eventuell auftretende Verfarbungen (Vergilbung).

-Pch-ch-ch-ch2-ch 4 ► -^CH-CH =ch-ch2-ch4 (10-22)

і н——- н і n – на L і і Jn v ‘

Cl LH_ _CL Cl Cl Cl

Polyvinylchlorid

Подпись: CH - CH2 - CH - CH2- CH 4 L I I I Jn OH OH OH Polyvinylalkohol image202 Reaktionsharzbeton und - mortel Подпись: (10-23)

Die hohe Bindungsenergie der C-F-Bindung bildet die Ursache fur die Thermostabilitat des Polytetrafluorethylens. Dagegen ist die thermische Instabilitat des Polyvinylalkohols und anderer Polymere mit Hydroxylgruppen auf zwei unterschiedliche chemische Reaktionen zuriickzufuhren, die einzeln oder kombiniert ablaufen konnen: Polyvinylalkohole sind in der Lage, unter Dehydrierung (Abspaltung von H2) in Ketone und unter Dehydratisierung (Abspaltung von H20) in ungesattigte Alkohole (Alkenole, Gl. 10-23) uberzugehen. Verantwortlich fur die Instabilitat der Alkenole ist die hohe Reaktivitat der entstandenen Doppelbindungen. Die ungesattigten Alkohole zersetzen sich in Folgereaktionen.

Подпись: OHOH

ungesattigter Alkohol

Подпись: Abbildung 10.20 Saurekatalysierter Abbau von Polyamiden am Beispiel von PA 66 (schematisch).

Bei Polymeren, die ausschlieBlich C-C – und C-H-Bindungen enthalten (z. B. PE, PP, PB und РЮ) setzen die Fragmentierungsreaktionen bevorzugt an den Seitenketten ein.

Kunststoffe enthalten in unterschiedlicher Zahl und Menge organische und anorganische Hilfs-, Full – und Verstarkungsstoffe. Da organische Zusatzstoffe iiberwiegend niedrige Schmelz- und Siedepunkte aufweisen, kann bereits eine maBige, jedoch langer andauemde Temperaturerhohung zu ihrer teilweisen Verfluchtigung fuhren. Insbesondere das Ver – dunsten oder Herauslosen von Weichmachem bewirkt bei einigen Kunststoffen (z. B. Weich-PVC) eine merkliche Veranderung der Gebrauchseigenschaften (Versprodung).

UV-Strahlung. Die UV-A-Strahlung (X = 315…400 nm) umfasst den Energiebereich von 380…299,3 kJ. Damit ist insbesondere der kurzwellige Teil der UV-A-Strahlung in der Lage, eine Reihe von Bindungen photolytisch zu spalten (Tab. 10.10). Beispielsweise liegt die Energie von UV-Licht der Wellenlange X = 320 nm (= 374,lkJ) sowohl uber der Ener – gie der C-C – als auch liber der einer ganzen Reihe von C-Heteroatom-Bindungen.

Als ausgesprochen bestandig gegeniiber UV-Strahlung erweisen sich die lichtdurchlassigen Polymethylmethacrylate und die Polytetrafiuorethylene, was mit den relativ hohen Bin – dungsenergien der C-O – und C-F-Bindung begriindet werden kann.

Sauerstoff/Ozon. Im Sonnenlicht geht der unter normalen Temperaturen eher reaktions – trage Sauerstoff in Anwesenheit eines Farbstoffs als Sensibilisator in eine besonders ag­gressive, energiereiche Form uber, den Singulett-Sauerstoff (Кар. 5.4.2.1). Der Singulett – Sauerstoff spielt aufgrund seines starkeren Oxidationsvermogens eine wichtige Rolle bei der Autoxidation der Kunststoffe. Trotz zugesetzter Antioxidantien kann es zum Ausblei – chen der Kunststoffe sowie zum Abblattem von Kunststoffuberziigen kommen.

Die lichtinduzierten Veranderungen der Kunststoffstruktur werden an der Luft durch den Einfluss von Ozon noch verstarkt. Ozon addiert sich aufgrund seines hohen Oxidations­vermogens (E° = 2,075 V!) leicht an ungesattigte organische Verbindungen unter Bildung von Ozoniden. Das kann zu unerwunschten Vemetzungen bei Gummi und anderen Po – lymeren mit endstandigen ungesattigten Gruppen fuhren, wodurch die Materialien sprode und bruchig werden.

Wasser/Chemikalien. Gegeniiber dem Angriff aggressiver Industriegase, Wasser bzw. saurer Losungen und Salzlosungen sind Kunststoffe weitgehend widerstandsfahig. Das betrifft insbesondere Kunststoffe, die aus unpolaren C-C – und C-H-Bindungen aufgebaut sind. Polymere mit Heteroatomen in der Hauptkette bzw. in den Seitenketten, wie z. B. Po­lyamide, Polyurethane, Polyether, Polyester und Polycarbonate, werden von Sauren bzw. Laugen angegriffen. Die Starke der Schadigung hangt von der Konzentration des Elektro – lyten ab.

Zum Beispiel unterliegt Polyamid, dessen Makromolekule ursprunglich unter Abspaltung von Wasser entstanden sind (Polykondensation), der saurekatalysierten Hydrolyse. Im ers – ten Schritt lagert sich ein Proton an das Sauerstoffatom der Carbonylgruppe (C=0) an und anschlieBend wird ein Molekiil Wasser an das nunmehr positive С-Atom addiert. Proto- nenwanderung und Bindungsbruch fuhren zu Kettenfragmenten mit Carboxyl – und Amino – Endgruppen (Abb. 10.20). Polyamid kann das bei der Kondensation abgespaltene Wasser wieder einlagem, und es lauft zumindest teilweise die Ruckreaktion der Kondensation, die Hydrolyse, ab.

Das Auftreten von Spannungsrissen durch mechanische Zugbelastungen oder durch Ei – genspannungen, die von Bearbeitungsprozessen hernihren, fuhrt zu einer Verminderung der Festigkeit des Kunststoffs. Zu einer Rissbildung kommt es insbesondere dann, wenn der unter Einwirkung mechanischer Spannungen stehende Kunststoff in Kontakt mit polaren Flussigkeiten (Alkohole, Ester, Amine und organische Sauren), wassrigen Losungen ober – flachenaktiver Stoffe oder bestimmten Gasen gerat. Dabei kann der Kunststoff in Abwe – senheit mechanischer Spannungen gegenuber den genannten Chemikalien bzw. Gasen ab­solut bestandig sein.