Einleitung
Aufgrund ihrer hervorragenden Haftfähigkeit, mechanischen Eigenschaften und chemischen Korrosionsbeständigkeit finden Epoxidharze häufig Anwendung im Bereich der Bauwerksverstärkung und -instandsetzung. Insbesondere werden sie bei der Sanierung von Betonkonstruktionen eingesetzt, um Risse zu verfüllen und die Oberfläche instand zu setzen. Dadurch werden die Integrität und Dauerhaftigkeit der Konstruktionen wirksam wiederhergestellt. Reines Epoxidharz unterliegt jedoch während des Aushärtungsprozesses und in beheizten Umgebungen einer gewissen Längenänderung. Weicht sein Wärmeausdehnungskoeffizient stark von dem des Betonuntergrunds ab, ist es wahrscheinlich, dass bei Temperaturänderungen innere Spannungen an der Grenzfläche entstehen. Dies kann zu Ablösungen oder sekundären Rissen führen und letztlich die Reparaturwirkung sowie die langfristige Stabilität beeinträchtigen [1].
Um die Dimensionsstabilität von Epoxidharzen zu verbessern, werden häufig anorganische Füllstoffe in die Harzmatrix eingearbeitet, um die Wärmeausdehnungskoeffizienten zu verringern. Glasperlen sind hohle, leichte, mikrometergroße anorganische Füllstoffe, die sich durch einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten, eine hohe spezifische Festigkeit und eine gute Fließfähigkeit auszeichnen [2]. Sie können nicht nur den Wärmeausdehnungskoeffizienten des Verbundwerkstoffs verringern, sondern auch das Eigengewicht des Reparaturmaterials reduzieren. Das macht sie sowohl praktisch als auch wirtschaftlich.
Bei den in dieser Untersuchung verwendeten Proben handelte es sich um Epoxidharze, die zur Reparatur von Rissen in Gebäuden eingesetzt werden. Neben einem phenolischen Amid-Härter enthalten die Harze Cardanol (C) und Diethylentriamin (D), die ein kombiniertes Beschleunigersystem für die Härtung bilden (Abbildung 1). Es wurde untersucht, wie sich verschiedene Glasperlen-Gehalte (GB) im Harz auf dessen mittleren thermischen Ausdehnungskoeffizienten auswirken. Die Glasperlen wurden dabei in verschiedenen Massenanteilen (0 %, 0,5 %, 1 %, 1,5 %, 2 %) zugesetzt. Das Zugabeverhältnis wird als Prozentsatz der Epoxidharzmasse berechnet. In diesem Experiment wurde eine NETZSCH-TMA 402 F1 mit Edelstahlofen verwendet.
Experimentelle Bedingungen
Die Messbedingungen sind in Tabelle 1 aufgeführt.
Tabelle 1: Experimentelle Bedingungen
| Gerät | TMA 402 F1 Hyperion® |
| Probengröße | Quader, ca. 10 mm x 10 mm x 25 mm |
| Heizrate | 5 K/min |
| Statische Kraft | 50 mN |
| Probenhalter | Quarzglas-Kompressionshalter |
| Temperaturbereich | -50 - 150 °C |
| Atmosphäre | Inertgas (Durchflussmenge: 70 ml/min) |
Messbedingungen und Diskussion
Abbildung 2 zeigt die dL/L0-Kurven der jeweils 2. Aufheizung der ausgehärteten Epoxidharzproben mit unterschiedlichen Glasperlengehalten. Die Tabelle 2 fasst die GlasübergangstemperaturDer Glasübergang gilt als eine der wichtigsten Eigenschaften amorpher und teilkristalliner Materialien, wie z.B. anorganische Gläser, amorphe Metalle, Polymere, Pharmazeutika und Lebensmittel, usw., und bezeichnet den Temperaturbereich, in dem sich die mechanischen Eigenschaften des Material von einem harten und spröden Zustand in einen weicheren, verformbaren oder gummiartigen Zustand ändern.Glasübergangstemperatur (Tg) und den mittleren Wärmeausdehnungskoeffizienten (mCTE) der Proben bei verschiedenen Temperaturen zusammen.
Aus Tabelle 2 geht hervor, dass der Tg des Epoxidharzes bei steigendem Glasperlengehalt leicht abnimmt. Die Probe ohne Glasperlen (1#) weist eine Temperatur von 60,8 °C auf; bei 2,0 % GB sind es 57,9 °C, also 2,9 °C weniger. Dieser geringfügige Rückgang wird auf die Störung des Vernetzungsnetzwerks und das erhöhte freie Volumen an der Grenzfläche [3] sowie auf Spuren von Feuchtigkeit und verbleibende Additive zurückgeführt, die die Aushärtung geringfügig hemmen [4].
Tabelle 2: Tg und mCTE der Epoxidharzproben mit unterschiedlichem GP-Gehalt
| Probennr. | Glasperlengehalt (Gew.-%) | Tg (°C) | mCTE (10-6 1/K) | |
| -40 - 0 °C | 100 - 150 °C | |||
| 1 | 0 | 60,8 | 84,49 | 202,65 |
| 2 | 0,5 | 60,1 | 82,58 | 202,27 |
| 3 | 1,0 | 59,8 | 82,43 | 200,14 |
| 4 | 1,5 | 58,3 | 81,47 | 194,05 |
| 5 | 2,0 | 57,9 | 81,29 | 192,42 |
Im glasartigen Zustand (-40 °C bis 0 °C) sinkt der mCTE bei steigendem Glasperlengehalt (von 0 auf 2,0 %) von 84,49 × 10-6 K-1 auf 81,29 × 10-6 K-1, was einer Verringerung um 3,8 % entspricht. Dies deutet darauf hin, dass die starren Glasperlen die thermische Ausdehnung selbst dann einschränken, wenn sich die Matrix im Glaszustand unterhalb des Tg befindet. Im gummiartigen Zustand (100 °C bis 150 °C) weist das reine Epoxidharz einen mCTE von 202,65 × 10-6 K-1 auf (≈ 2,4-facher Wert gegenüber dem glasartigen Zustand). Die Zugabe von 2,0 % Glasperlen reduziert diesen Wert auf 192,42 × 10-6 K-1 (entspricht einer Reduzierung um 5,1 %), was den stärkeren Einschränkungseffekt im gummiartigen Zustand bestätigt.
Über den untersuchten Temperaturbereich hinweg zeigt sich eine negative Korrelation zwischen dem mCTE und dem Glasperlengehalt, was mit den in der Literatur beschriebenen Ergebnissen übereinstimmt [5].
Fazit
Auf der Grundlage der mit der TMA 402 F1 erzielten Untersuchungsergebnisse lässt sich das thermische Verhalten der Verbundwerkstoffe präzise charakterisieren. Die Zugabe von Glasperlen senkt den Wärmeausdehnungskoeffizienten von Epoxidharz signifikant, verbessert die thermische Anpassung an Betonsubstrate und verringert das Risiko von Ablösungen und Rissen, die durch Temperaturänderungen hervorgerufen werden. Damit liefern die Ergebnisse eine experimentelle Grundlage für die Optimierung von Formulierungen für Betonreparaturmaterialien.