Influence of polymer modification on the durability of cement concrete under sulphate exposure

Als Instandsetzungsmörtel werden heute im Allgemeinen polymermodifizierte Mörtel und Betone (PCC) eingesetzt. Häufig wird dabei unter Berufung auf eine Porenradienverkleinerung im Zementstein den PCC ein verbesserter Widerstand gegen von außen eindringende Schadstoffe zugeschrieben. Vereinzelte Untersuchungen zur Sulfatbeständigkeit von PCC zeigen, dass sich die Polymermodifizierung auch negativ auswirken kann. Hier besteht erheblicher Klärungsbedarf. Im Laufe der vorliegenden Arbeit hat sich gerade die geringere Porosität gekoppelt mit einem ungünstigen Polymer als nachteilig hinsichtlich der Dauerhaftigkeit der PCC erwiesen. Für die Definition eines günstigen/ungünstigen Polymeren verfolgen die Untersuchungen das Ziel einer Wichtung der durch eine Polymermodifizierung geänderten Eigenschaften hinsichtlich ihrer Auswirkung auf die Dauerhaftigkeit der PCC. Hierbei stehen die Porosität, getrennt nach Gesamtporenvolumen, kapillarem Saugvermögen und Porenradienverteilung, sowie die Festigkeit der PCC im Vordergrund. Zusätzlich sind seitens des Polymers seine Quellfähigkeit sowie seine Zugfestigkeit und seine Dehnung zu berücksichtigen. Die Quellfähigkeit der eingesetzten Polymere begründet die Verschlechterung der Sulfatbeständigkeit der PCC gegenüber der kunststofffreien Referenz. Im Vergleich der PCC untereinander ermöglicht das aufgestellte Ranking der genannten Faktoren die Eignung einer Polymerdispersion zur Modifizierung von Mörteln unter Sulfatbelastung im Vorfeld einzuschätzen. Darüber hinaus ergeben sich einerseits neue Diskussionsansätze zur grundsätzlichen Eignung quellfähiger Polymerdispersionen auch für die Instandsetzung anderweitig geschädigter Betonbauteile. Andererseits wird ein Lösungsansatz in Form einer neuartigen Polymerdispersion aufgezeigt, die zum einen die Sulfatbeständigkeit eines Zementmörtels verbessert und zum anderen durch den Einsatz nachwachsender Rohstoffe einen Beitrag zur ökologischen Nachhaltigkeit des Reparaturmörtels leistet.The characteristics of cement concrete for repair applications are often modified by polymer additives. The PCC (polymer cement concrete) frequently exhibits a reduction of pore radius resulting in higher density. Due to the reduced porosity, PCC is believed higher resistance against penetration by pollutants. Limited research conducted in the past indicated that the polymer modification also can have a negative effect on the durability of PCC, but that has not been sufficiently studied and explained yet. During this work it was found that lower porosity of the PCC can cause a reduction of the PCC resistance to sulphates for certain polymers. For the definition of an unfavourable/ favourable polymer the aim of this work is a weighting of the characteristics changed by a polymer modification with regard to its effect on the durability of the PCC. Characteristics such as pore volume, capillarity, distribution of pore radii and tensile strength of the PCC were measured as well as swellability and changes of the polymer under sulphate attack were studied. The resulting changes in properties were correlated with the resistance to sulphates. The swellability of the polymer has most negative effect on the sulphate resistance of PCC compared to unmodified concrete. A ranking system that can be used to assess suitability of a polymer additive for PCC due to sulphate exposure was developed. Several new approaches to applications of polymer dispersions as additives to concrete for repair applications are proposed and an initial solution to solve the problem was developed by a new polymer dispersion based on renewable-material with increased sulphate-attack resistance of PCC