Hydrophobierung von Beton - Das Projekt Silamark

Hydrophobierung von Beton -
vom Molekül bis zur Infrastruktur
Prof. Dr. Andreas Gerdes
Zentrum für Bauchemie, Karlsruhe
KIT – die Kooperation von
Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
und Universität Karlsruhe (TH)

Inhaltsverzeichnis
1. Die Rolle der Infrastruktur – gestern, heute und in der Zukunft
2. Der Lebenszyklus eines Bauwerks - Präventionsmaßnahmen
3. Betonimprägnierung mit Silanen
4. Silane – chemisches Verhalten von Silanen in zementgebundenen Werkstoffen
5. Silane – Reaktiver Transport in der Werkstoffrandzone
6. Konzepte für die Imprägnierung in der Praxis
7. Zusammenfassung
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Infrastruktur in der Antike
• Pantelleria
- 1500 BC.: erste Besiedlung
- 900 BC.: Besetzung durch Karthago
- 400-300 BC.: verstärkter Bau von Zisternen
- 2000 AC.: Zisternen sind bis heute im
Gebrauch
- die Zisternen sind mit unterschiedlichen
Systemen beschichtet
Welche Faktoren sind entscheidend für
das Langzeitverhalten und
Dauerhaftigkeit?
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Infrastruktur – Aktueller Zustand
Objektspezifische Verwendung und
nutzungsspezifische Einwirkungen auf die
Infrastruktur …
■ Mechanische Einwirkungen
■ Chemische Einwirkungen
■ Biologische Einwirkungen
■ Folgen des Klimawandels
... führen zu Bauwerksschäden,
die komplexe und kostspielige
Reparatur erfordern
Kläranlage
Brücke
Flughafen
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4

Infrastruktur – Herausforderungen im 21. Jahrhundert
Thesis 1: TECHNOLOGIE
Hohe Performance und dauerhafte Materialien für die
Infrastruktur sind herstellbar durch „intelligente“ Bauchemie
Thesis 2: Ökologie
Aufgrund des Klimawandels und der Ressourcenknappheit
müssen die extrem hohen Massen- und Energieströme in
der Bauindustrie drastisch reduziert werden
Thesis 3: Ökonomie
Das Funktionieren der lokalen Infrastruktur wird für die
Wettbewerbsfähigkeit der Industrie und Entwicklungsländer
im globalen Markt entscheidend sein
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Imprägnierung – vom Altertum bis in die Zukunft
Pont du Gard – Applikation von Öl und Fett
Houses of Parlament – „Siliciumether“
Brücke „Gotthard-Autobahn“ –
Präventiver Oberflächenschutz durch Silane
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Präventivmaßnahmen – Imprägnierung von Beton
1. Aufsprühen von Silanen
auf die Oberfläche
2. Transport durch Kapillares
Saugen
Silanes
Si
Si
R
O
O
Si
R
R
Si
O
O
Si
R
R
Si
3. Chemische Reaktion der
Silane
3.1 Hydrolyse
3.2 Kondensation(Polymerisierung)
4. Reduktion der kapillaren
Wasseraufnahme
„Reaktiver Transport“
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Silane – Struktur von siliciumorganischen Verbindungen
Alkyl-Gruppe
- Propyl-
- iso-Butyl-
- iso-Octyl-
Alkoxy-Gruppe
- n-Octyl-
- methoxy
- ethoxy Silizium
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Silane – Reaktion von Silanen in zementgebundenen
Materialien
Reaktion von Silanen in Zementgebundenen Materialien
1. Schritt: Hydrolyse in der Porenlösung und Entstehung von Silanolen
2. Schritt: Polykondensation der Silanole („Polymerisierung“)
REACTION IN THE
PORE SOLUTION
SILANE SILANOL ETHANOL
Beton
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Imprägnierung von Beton – Welche Faktoren beeinflussen die
Performance und Dauerhaftigkeit ?
Die Performance und Dauerhaftigkeit
einer Imprägnierung hängt ab von …
Eindringtiefe
+ Gehalt an Wirksubstanz
= Tiefenprofil
Wirkstoffgehalt
• Kontaktdauer
• Porenstruktur der Substrate
• Feuchtigkeitsgehalt
• Chemische Reaktivität der Silane
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Silane – Chemische Reaktivität
Die chemische Reaktivität hängt ab von...
• Struktur der Alkoxy-Gruppen
• Struktur der Alkyl-Gruppen
• Chemischer Aufbau der Substrate
• pH-Wert
• Lösung
• Temperatur
• ....
Chemisches Verhalten von
Silanen in zementgebundenen
Materialien
Reaktiver Transport
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Silane – Chemisches Verhalten von Silanen in
zementgebundenen Materialien
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Silane – Hydrolyse von Silanen
Versuchsergebnisse
Freisetzung von Ethanol/
Grad der Hydrolyse [%]
iso-Octyltriethoxysilane
Propyltriethoxysilane
Zeit [min]
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Neue Strategien in der Chemie – Molecular Modelling
Molekular Mechanische Berechnungen:
• Bestimmung von Ausgleichs-Geometrien und Konstellationen
• Strukturen mit mehreren tausenden Atomen
(Biomoleküle, z.B. Proteine)
Quantenchemische Berechnungen:
• Information über den Mechanisms und die
Verteilung chemischer Reaktionen, qualitativ
und quantitativ
• Berechnung von....
- Geometries von Übergangszuständen
- Reaktionsenergien (Thermodynamik)
- Aktivierungsenergien (Kinetik)
Verstehen des Verhaltens von
Chemikalien in einer komplexen
„Umgebung“
T 7 O 2 (OH) 3
Polysiloxane
Substrate
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Silane – Hydrolyse von Silanen
Präsentation von „LUMOS“ von PTES und i-OTES (DFT, GGA):
LUMO = Lowest Unoccupied Molecule Orbitals
Propyltriethoxysilane
Hydrolyse
iso-Octyltriethoxysilane
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Silane – Polykondensation der Silanole
Reaktion von Silanen in Zementgebundenen Materialien
1. Schritt: Hydrolyse in der Porenlösung und Entstehung von Silanolen
2. Schritt: Polykondensation der Silanole („Polymerisierung“)
Beton
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Silane – Polykondensation von Silanolen
Modellierung der Kondensation von Propyltrihydroxysilan
Entwicklung von 8 PTS und 26 H 2 O zum Hauptprodukt T 7 O 2 (OH) 3
Hauptprodukt
T 7 O 2 (OH) 3
Hauptprodukt
experimentiell untersucht
durch TOF/MS: T 7 O 2 (OH) 3
(Kondensation in reine
Alkaline Lösung)
SE (PM3) berechnete
Energie Stufen für die
Oligomerisation
T=RSiO
Entstehung des
Oligomers
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Silane – Reaktiver Transport von Silanen
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Silane – reaktiver Transport in zementgebundenen
Werkstoffen
Reaction in the
Pore Solution
Silane
chemische Chemical
Reaktion reaction
Silan Silan Aufnahme uptake Contact Kontaktzeit: Time: Minuten Minutes Kontaktzeit Contact Time: : Sunden Hours
Silan-Aufnahme:
m
=
σ ⋅
r
2η
eff
⋅
t
=
A
⋅
t
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Dynamik der Oberflächenspannung
Alkyltriethoxysilane
Hydrolyse
Silanole
(löslich)
+
Ethanol
(löslich)
Kondensation
Polysiloxane
(unlöslich)
σ Wasser
= 72 mN/m
σ Ethanol = 22 mN/m
σ* Silanol- = ? mN/m
σ** System = f(c Silanol )
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Dynamik der Oberflächenspannung
75
Alkyltriethoxysilane
70
Oberflächenspannung [mN/m]
65
60
55
50
45
40
Hydrolyse
Silanol
Ethanol-Wasser-Mischung
n-Hexyltriethoxysilane
hydrophob
hydrophil
0 100 200 300 400 500
Zeit [min]
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Kondensation
Polysiloxane
cEthanol (max) = 0,02 mol/L
σ* = 68 mN/m

Dynamik der Oberflächenspannung
75
Oberflächenspannung [mN/m]
70
65
60
55
50
45
n-Propyl-TES
iso-Butyl-TES
n-Hexyl-TES
iso-Octyl-TES
40
0 100 200 300 400 500
Zeit [min]
Je kürzer die Alkyl-kette, desto KIT – schneller die Kooperation von die Silanol Entstehung.
Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Je länger die Alkyl-kette, desto und langsamer Universität Karlsruhe (TH) der Kondensationsprozess

Reaktiver Transport – Karlsruher Modell
Silane mit kurzkettigen Alkyl-Gruppen
σ > σ*
σ** > σ*
σ
σ*
σ
σ*
Silane mit langkettigen Alkyl-Gruppen
σ
σ**
σ
σ**
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Konzept für die Imprägnierung von Betonbauwerk in der
Praxis
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Partner im Pilot-Projekt
Zuliefererkette
Raw Mat.
Products Planning Execution
Science
In Kooperation mit:
Dr. Willberg, Autobahndirektion Südbayern
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Imprägnierung von Betonbauwerken – Konzept
Ziele des Konzepts:
• Analyse der Ausgangssituation Kann das Betonbauteil behandelt werden ?
• Planung der Behandlung Ausführungskonzept ?
• Art der Behandlung Applikationstechnologie, Sicherheitsmaßnahmen?
• Qualitätskontrolle sind die Parameter erreicht?
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Imprägnierung von Betonbauwerken – Realisation
• Ausführung der Voruntersuchung und Planung der
Behandlung
- Analyse der Ausgangssituation Chlorid Eindringtiefenprofil,
Carbonatisierung
- Planung der Behandlung Eindringtiefe: 5-6 mm,
Menge an Silikonharz: 0.2 - 0.3 Massen-%
• zeitweise Verkehrsregulation und Einhausung der
Brückenpfeiler
Planung der Behandlung
Eindringtiefe: 5-6 mm, Menge an aktiven Substanzen: 0.2-0.3
Massen-%
• Applikation der wasserabweisenden Substanz
Baustellenseitige Installation Einhausung des Brückenpfeilers
Ausführung der Applikation Butyl- oder Octyltriethoxysilane
Applikation von sehr viskosem Material
• Qualitätskontrolle
Analyse der Bohrkerne Untersuchung des Tiefenprofils mittels
FTIR-Spektroskopie
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Imprägnierung von Betonbauwerken –Konzept
Ziele des Konzepts:
• Analyse des Ausgangszustands
• Planung der Behandlung
• Ausführung der Behandlung
• Qualitätskontrolle
Kosten für die Instandsetzung des
Brückenpfeilers:
150 000 – 200 000 €
Kosten für die Imprägnierung:
15 000 – 20 000 €
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Schlussfolgerung
1. Während den kommenden Jahrzehnten wird die Bedeutung der Infrastruktur
aus wirtschaftlichen und ökologischen Gründen signifikant anwachsen
2. Die chemischen Reaktionen von Silane, die während der Imprägnierung der
Betonbauwerke stattfinden, sind sehr komplex und bis jetzt noch nicht völlig
erforscht
3. Computerchemische Methoden sind sehr hilfreich bei der Untersuchung dieser
Prozesse
4. Trotz dem Mangel an Wissen über chemische and physikalische Interaktionen
zwischen Silanen und zementgebundenen Werkstoffen, ist die Imprägnierung
von Betonbauwerken ein geeignetes Mittel für die Prävention an Bauwerken in
der Praxis
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und Universität Karlsruhe (TH)

Danke für IhreAufmerksamkeit
KIT – die Kooperation von
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