DE10049721B4

DE10049721B4 - Verfahren zur Herstellung eines Fußboden-Betonwerksteins und danach hergestellter oberflächenbehandelter Fußboden-Betonwerkstein

Info

Publication number: DE10049721B4
Application number: DE2000149721
Authority: DE
Inventors: Lothar Dr. Goretzki; Thomas Dr. Hoyer; Ralf Dr. Kriegel; Wolfram Reinhardt; Ingolf Dr. Voigt; Tilo Reinhardt
Original assignee: REINHARDT BETON GmbH; Fraunhofer Institut fuer Keramische Technologien und Systeme IKTS
Current assignee: Reinhardt Beton De GmbH; Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2000-10-07
Filing date: 2000-10-07
Publication date: 2009-05-28
Anticipated expiration: 2020-10-08
Also published as: DE10049721A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Fußboden-Betonwerksteins mit den Eigenschaften:
– säurebeständig und laugenbeständig,
– beständig gegenüber handelsüblichen Reinigungs- und Pflegemitteln,
– hemmend gegenüber Auslaugerscheinungen, Ausblühungen und damit verbundenen oberflächlichen Verfärbungen,
– wasser- und schmutzabweisend.
bei dem zur Herstellung des Betonwerksteins mit den genannten Eigenschaften
– die Betonwerksteinoberfläche zunächst durch Oberflächenbearbeitung derart vorbehandelt wird, dass die Körner der Zuschlagstoffe des Betonwerksteins aus der Oberfläche der zementgebundenen Matrix hervorstehen,
– und anschließend die Oberfläche auf eine Mikrorauhigkeit mit einem Mittenrauhwert R_a im Bereich von 0,05 µm bis 100 µm, eine gemittelte Rauhtiefe R_z im Bereich 0,25 µm bis 500 μm einen mittleren Rillenabstand RS_m von 0,5 µm bis 1000 µm eingestellt wird,
indem

Description

Die Erfindung betrifft einen oberflächenbehandelten Fußboden-Betonwerkstein mit den Eigenschaften:

– säurebeständig und laugenbeständig,
– beständig gegenüber handelsüblichen Reinigungs- und Pflegemitteln,
– hemmend gegenüber Auslaugerscheinungen, Ausblühungen und damit verbundenen oberflächlichen Verfärbungen sowie
– wasser- und schmutzabweisend.

Die Erfindung betrifft auch Verfahren zur Herstellung solcher oberflächenbehandelter Betonwerksteine.
Die Vorzüge zementgebundener Steine liegen in der hohen Festigkeit, die durch neue Entwicklungen bis in den Bereich von 200 N/m² gesteigert wurde und in dem gegenüber Natursteinen geringeren Preis. Auf Grund seiner Porosität (Mikrorisse im Gefüge) ist der Betonwerkstein jedoch anfällig für Verschmutzungen, so dass große Aufwendungen zur Reinigung unter Einsatz aggressiver Chemikalien notwendig sind. Darüber hinaus besteht durch den Karbongehalt erhebliche Empfindlichkeit gegenüber Säureeinwirkung.
Versieglungsmittel auf der Basis von Wachsen werden durch die mit aggressiven Reinigungsmitteln und rotierenden Bürsten betriebenen industriellen Reinigungsmaschinen schnell wieder aus den Poren herausgelöst. Beschichtungsmittel auf Kunstharzbasis (z. B. Poly[meth]lacrylate) bieten mechanischer Beanspruchung und organischen Lösungsmitteln nur wenig Widerstand. Die am Markt erhältlichen Silan-, Siloxan- und Siliconbeschichtungen führen zu einer Hydrophobierung der Oberfläche. Sie werden vor allem zur Imprägnierung verwendet, ohne die Poren zu versiegeln (Hans Schuhmann, Handbuch Betonschutz durch Beschichtungen, Expert-Verlag 1992, insb. Kapitel 14) und sie bietet auf Grund ihrer geringen Haltbarkeit wenig Schutz gegen Säureangriff und Verfärbungen.

Die gegenwärtig kommerziell angebotenen Oberflächenbehandlungsmittel sind in Tabelle 1 gegenübergestellt.

Oberflächenbehandlung	Vorteile	Nachteile
Fluatieren (z. B. mit MgSiF₆)	Verdichtung und Verfestigung der Oberfläche, Erhöhung der Beständigkeit gegen Wasser	keine Säurebeständigkeit
Kristallieren (z. B. mit Oxalaten)	Verdichtung und Verfestigung der Oberfläche, Erhöhung der Beständigkeit gegen Wasser, Erhöhung des Glanzes	keine Säurebeständigkeit
Beschichtung mit Wachsen	Versieglung der Poren, Erhöhung der Beständigkeit gegen Wasser und Säuren, Erhöhung des Glanzes	keine Beständigkeit gegen industriell eingesetzte Reinigungsmittel, keine Beständigkeit gegenüber organischen Lösungsmitteln
Beschichtung mit Epoxidharzen	Versieglung der Poren, Erhöhung der Beständigkeit gegen Wasser und Säuren, Erhöhung des Glanzes	Verfärbung, geringe Witterungsbeständigkeit
Beschichtung mit Polymethacrylaten	Versiegelung der Poren, Erhöhung der Beständigkeit gegen Wasser und Säuren, Erhöhung des Glanzes	geringe mechanische Beständigkeit
Beschichtung mit Silanen, Siloxanen, Siliconen	Hydrophobe Oberfläche, Erhöhung der Beständigkeit gegen Wasser	geringe mechanische Beständigkeit, nicht ausreichend säurebeständig

Im US-Patent 3,354,022 A wird beschrieben, wie man durch definierte Strukturierung hydrophober Oberflächen die wasserabstoßende Wirkung erhöhen kann.
In den letzten Jahren ist es Prof. Barthlott gelungen, den Mechanismus der schmutzabweisenden Eigenschaften bestimmter Pflanzenblätter aufzuklären ( WO 96/04123 A1 ). Diese als Lotuseffekt bekannt gewordene Selbstreinigungs-Fähigkeit beruht auf strukturierten hydrophoben Blattoberflächen. Solche Oberflächen sind wie oben beschrieben extrem wasserabweisend, d. h. der Wasserrandwinkel ist deutlich größer als 110° und der Tropfen hat nahezu Kugelgestalt. Das Wasser rollt so auf einer geneigten Oberfläche ab (perlt ab). Dabei wird Schmutz vom Wasser aufgenommen und mit abtransportiert.
Um derartige „selbstreinigende Oberflächen" zu erzeugen bedarf es spezieller Strukturen, die gegenüber mechanischen Belastungen nicht stabil wären. Darüber hinaus ist mit „Selbstreinigung" nach Prof. Barthlott gemeint, dass z. B. Regenwasser ausreichend ist, um eine Fassade sauber zu halten, indem sämtliche Schmutzpartikel durch die abrollenden Regentropfen aufgenommen und entfernt werden. Das ist bei waagerecht liegenden Flächen – wie Fußböden – nicht gegeben.
Die Gebrauchsmusterschrift DE 299 21 129 U1 beschreibt die Beschichtung von Fußböden aus Naturstein, dichter Grobkeramik und Betonstein durch ein anorganisch/organisches Hybridpolymer-Sol-Gel-System. Damit sollen in erster Linie rutschhemmende Beschichtungen realisiert werden. Im Beispiel wird ein UV-härtendes System angeführt. Es ist vor allem für die Nachbehandlung von Fußböden in alten Gebäuden, wie z. B. Schlössern, Burgen, Klöstern, Herrensitzen vorgesehen.
DE 30 31 598 A1 beschreibt Metallaminatsiliconatlösungen, die u. a. zur Mauerwerksimprägnierung verwendet werden. Sie dienen jedoch nicht zur Versiegelung der Oberfläche.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Betonwerkstein an der Oberfläche zur Erzielung der eingangs aufgezählten Eigenschaften so zu behandeln, dass ein hochverschleißfestes Erzeugnis erzielt wird und die genannten Eigenschaften insbesondere bei waagerechter Anordnung als trittfester Fußboden oder Außenflächenbelag wirksam und nutzbar sind.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines Fußboden-Betonwerksteins mit den Eigenschaften:

– säurebeständig und laugenbeständig,
– beständig gegenüber handelsüblichen Reinigungs- und Pflegemitteln,
– hemmend gegenüber Auslaugerscheinungen, Ausblühungen und damit verbundenen oberflächlichen Verfärbungen,
– wasser- und schmutzabweisend. bei dem zur Herstellung des Betonwerksteins mit den genannten Eigenschaften
– die Betonwerksteinoberfläche zunächst durch Oberflächenbearbeitung derart
vorbehandelt wird, dass die Körner der Zuschlagstoffe des Betonwerksteins aus der Oberfläche der zementgebundenen Matrix hervorstehen,
– und anschließend die Oberfläche auf eine Mikrorauhigkeit mit einem Mittenrauhwert R_a (gemäß DIN 4768 vom Mai 1990) im Bereich von 0,05 μm bis 100 µm, eine gemittelte Rauhtiefe R_z (gemäß DIN 4768 vom Mai 1990) im Bereich 0,25 µm bis 500 µm und einen mittleren Rillenabstand RS_m (gemäß DIN 4768 vom Mai 1990) von 0,5 µm bis 1000 µm versehen wird, indem
a) die Einstellung der Mikrorauhigkeit durch mechanische Bearbeitung des unbeschichteten Betonwerksteins erfolgt und nachfolgend zumindest auf die Bereiche der zementgebundenen Matrix ein organischer hydrophober Nanokompositlack, als flüssige Vorstufe eines Nanokomposits, aufgetragen, getrocknet und ausgehärtet wird, wobei die Mikrorauhigkeit erhalten bleibt, oder
b) die Einstellung der Mikrorauhigkeit allein dadurch erfolgt, dass zumindest auf die Bereiche der zementgebundenen Matrix ein organischer hydrophober Nanokompositlack, als flüssige Vorstufe eines Nanokomposits, aufgetragen, getrocknet und ausgehärtet wird, wobei der flüssigen Vorstufe des Nanokomposits anorganische Mikropartikel zugesetzt werden, oder
c) die Einstellung der Mikrorauhigkeit durch die Kombination von mechanischer Bearbeitung des Betonwerksteins und Auftragen, Trocknen und Aushärten eines organischen hydrophoben Nanokompositlacks, als flüssige Vorstufe des Nanokomposits, erfolgt, wobei das Aufbringen zumindest auf die Bereiche der zementgebundenen Matrix erfolgt und wobei der flüssigen Vorstufe des Nanokomposits anorganische Mikropartikel zugesetzt werden.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen beschrieben. Der wesentliche Vorteil eines erfindungsgemäßen oberflächenbehandelten Fußboden-Betonwerksteins besteht darin, dass die Kornoberfläche der Zuschlagstoffe 0,005 mm bis 2 mm höher liegen, als die zementgebundene Matrix.
Mit der hier beschriebenen Lösung erhält man im Gegensatz zum geschilderten Stand der Technik Produkte mit folgenden Eigenschaften:

– Glanz,
– versiegelte Poren,
– erhöhte Beständigkeit gegen Säuren und Laugen,
– erhöhte Beständigkeit gegen Industriereiniger und organische Lösungsmittel,
– schmutzabweisend und leicht zu reinigen,
– ausreichend verschleißbeständig.

Mit keinem der in Tabelle 1 aufgeführten Oberflächenbehandlungsmittel lassen sich bisher alle diese Anforderungen gleichzeitig erfüllen.
Nanokompositmaterialien bieten durch den hohen Vernetzungsgrad der Nanoteilchen eine Verschleißbeständigkeit, die über der von Kunstharz- oder Siliconbeschichtungen liegt. Weiterhin werden Lacke mit hohem Feststoffgehalt eingesetzt, welche die Poren nicht nur hydrophobieren, sondern weitgehend versiegeln. Der Randwinkel von Wasser auf einer ebenen Probenoberfläche dient als Maß für die Hydrophobie dieser Oberfläche. Je größer der Randwinkel ist, desto hydrophober ist die Oberfläche. Thermodynamisch-geometrische Überlegungen führen zu der Erkenntnis, dass sich beim Übergang von glatten zu rauen Oberflächen der Randwinkel ändert. Ist er auf der glatten Fläche kleiner/größer 90°, dann verringert/erhöht er sich beim Übergang zu rauen Oberflächen. Somit lassen sich extrem wasserabstoßende Oberflächen erzeugen, indem man hydrophobe Materialien mit einer rauen bzw. strukturierten Oberfläche versieht.
Die hier beschriebenen beschichteten Betonwerksteine besitzen eine Oberfläche mit definierter Mikrogenauigkeit, die zu schmutzabweisenden Oberflächen (hydrophob und/oder oleophob) führt. Da der Schmutz an der Oberfläche nicht haftet, lässt sich der Reinigungsaufwand drastisch senken. Die Mikrorauhigkeit wird erreicht durch entsprechende Vorbehandlungen der Betonwerksteine (z. B. Schleifen mit definierter Körnung) und/oder Verwendung von Nanokompositlacken, die Füllstoffe (z. B. Siliciumdioxid) definierter Partikelgröße enthalten.
Die Mikrorauhigkeit führt zu einer Rutschhemmung. Diese Rutschhemmung ist bei Fußböden erwünscht und beispielsweise bei polierten Granitplatten, einem ansonsten teuren und hochwertigen Naturstein, nicht gegeben.
Die Verschleißbeständigkeit von beschichteten Platten besonders im Fußbodenbereich wird weiter verbessert, indem durch ein geeignetes Vorbehandlungsverfahren die Betonwerksteinoberfläche vor der Beschichtung so vorbereitet wird, dass die Kornoberflächen gegenüber der zementgebundenen Matrix hervorstehen. Eine Abnutzung durch Abrieb wird dann zuerst auf den Kornoberflächen stattfinden und die zementgebundenen Bereiche bleiben weiterhin versiegelt. (4)
Mit der hier beschriebenen Lösung gelingt es, die vorteilhaften hydrophoben Eigenschaften von Nanokompositbeschichtungen so auf den Betonwerkstein zu übertragen, dass die Verschleißbeständigkeit nach wie vor durch die Hartstoffbestandteile gewährleistet bleibt. Die Zementmatrix wird dauerhaft vor chemischem Angriff geschützt. In Verbindung mit einer gezielt eingestellten Mikrorauhigkeit wird eine hohe schmutzabweisende Wirkung erreicht, wie sie im Stand der Technik nicht bekannt geworden ist.
Die Erfindung wird nachstehend an vier Ausführungsbeispielen zu den Herstellungsverfahren näher erläutert. Die beigefügten Abbildungen zeigen schematisch im Schnitt:
1 einen unbehandelte Betonsteinplatte im geschnittenen oder geformten Zustand, deren Oberseite erfindungsgemäß behandelt werden soll.
2 die gleiche Platte mit selektiv geschliffener Oberfläche, wobei die eingelagerten Körner höher hervorstehen als die zementgebundene Phase.
3 die gleiche Platte im gebrauchsfertigen Zustand nach Auftragung der Nanokompositschicht, auf welcher, wie die Ausschnittsvergrößerung zeigt, durch zugesetzte Mikropartikel eine Mikrorauhigkeit erzeugt wurde.
4 die gleiche Platte nach starker Abnutzung, wobei die höher stehenden Körner den Abrieb auf der zementgebundenen Phase verhindern und die Poren dort versiegelt bleiben.
Beispiel 1
Betonwerksteinplatten bzw. Betonwerksteinbauteile enthalten in der Verschleißschicht als Zuschläge Hartgesteine wie z. B. Granitsplitt. Bei der Herstellung von den zu beschichtenden Betonwerksteinen wird dementsprechend als Zuschlag für die Verschleiß- bzw. Deckschicht Hartgestein (> 70 Ma-% des gesamten Zuschlags) eingesetzt. Nach ausreichender Aushärtung der Zementsteinmatrix wird die Oberfläche des Betonwerksteins geschliffen. Die Schleifbedingungen werden so gewählt, dass die Zementsteinmatrix mindestens 0,05 mm tiefer als der Hartgesteinszuschlag abgetragen wird. Die so vorbereitete Zementsteinmatrix wird durch Energieeintrag, z. B. IR-Strahlung, getrocknet. Die Dauer der Behandlung soll zwischen 1 und 20 Minuten, vorzugsweise zwischen 5 und 10 Minuten liegen. Anschließend wird der für die jeweiligen Eigenschaften erforderliche Nanokompositlack appliziert. Die Applikation kann durch Sprühen, Spritzen, Walzen, Rakeln (auch mit porösen Rakeln), Fluten, Tauchen, Bürsten erfolgen. Die Anbindung des Lacks an der Oberfläche geschieht durch eine chemische Reaktion (Polykondensation) des Zementsteins mit dem Nanokompositlack. Die Kondensationsreaktion verläuft unter Abspaltung von Wasser. Die Reaktion wird wiederum durch Energieeintrag beschleunigt, vorzugsweise durch infrarote Strahlung. Bei lichthärtenden Nanokompositmaterialien erfolgt zusätzlich eine fotochemische Vernetzung organischer Gruppen, durch Bestrahlung mit Licht, vorzugsweise UV-Licht.
Beispiel 2
Bereits verlegte Betonwerksteine werden mittels Hochdruckreiniger zunächst gereinigt und anschließend geschliffen. Wiederum werden die Schleifbedingungen so gewählt, dass die Zementsteinmatrix mindesten 0,05 mm tiefer als der Zuschlag abgetragen wird. Die Zementsteinmatrix wird durch Gebläse oder durch Energieeintrag (z. B. IR-Strahlung) getrocknet, bis die Oberfläche des Betonwerksteins dauerhaft frei von flüssigem Wasser bleibt. Anschließend wird der für die jeweiligen Eigenschaften erforderliche Nanokompositlack appliziert. Die Applikation kann durch Sprühen, Spritzen, Walzen, Rakeln (auch mit porösen Rakeln), Fluten, Tauchen, Bürsten erfolgen. Die Anbindung des Lacks an der Oberfläche geschieht durch eine chemische Reaktion (Polykondensation) des Zementsteins mit dem Nanokompositlack. Die Kondensationsreaktion verläuft unter Abspaltung von Wasser. Die Reaktion wird wiederum durch Energieeintrag beschleunigt, vorzugsweise durch infrarote Strahlung. Bei lichthärtenden Nanokompositmaterialien erfolgt zusätzlich eine fotochemische Vernetzung organischer Gruppen durch Bestrahlung mit Licht, vorzugsweise UV-Licht.
Beispiel 3
Ein UV-härtendes Nanokompositmaterial kann auf folgende Weise erhalten werden: 89 g Vinyltriethoxysilan und 111 g Mercaptopropyltrimethoxysilan werden in einer Mischung aus 500 g Butylacetat und 250 g Ethanol gelöst und langsam unter Rühren mit 70 g 0,1 M Salzsäure versetzt. Nach 2 Stunden Rühren werden in dieser Mischung 10 g Fällungskieselsäure (spezifische Oberfläche ca. 250 m²/g) dispergiert. Es ist darauf zu achten, dass die Temperatur nicht über 30°C ansteigt. Kurz vor der Verarbeitung löst man 2g radikalischen Fotoinitiator in der Mischung. Nach dem Auftrag und dem Abdunsten des Lösungsmittels erfolgt die Härtung mit UV-Licht, z. B. mit Hilfe einer Quecksilberlampe, 1200 W innerhalb von 15 s.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Fußboden-Betonwerksteins mit den Eigenschaften: – säurebeständig und laugenbeständig, – beständig gegenüber handelsüblichen Reinigungs- und Pflegemitteln, – hemmend gegenüber Auslaugerscheinungen, Ausblühungen und damit verbundenen oberflächlichen Verfärbungen, – wasser- und schmutzabweisend. bei dem zur Herstellung des Betonwerksteins mit den genannten Eigenschaften – die Betonwerksteinoberfläche zunächst durch Oberflächenbearbeitung derart vorbehandelt wird, dass die Körner der Zuschlagstoffe des Betonwerksteins aus der Oberfläche der zementgebundenen Matrix hervorstehen, – und anschließend die Oberfläche auf eine Mikrorauhigkeit mit einem Mittenrauhwert R_a im Bereich von 0,05 µm bis 100 µm, eine gemittelte Rauhtiefe R_z im Bereich 0,25 µm bis 500 μm einen mittleren Rillenabstand RS_m von 0,5 µm bis 1000 µm eingestellt wird, indem
a) die Einstellung der Mikrorauhigkeit durch mechanische Bearbeitung des unbeschichteten Betonwerksteins erfolgt und nachfolgend zumindest auf die Bereiche der zementgebundenen Matrix ein organischer hydrophober Nanokompositlack, als flüssige Vorstufe eines Nanokomposits, aufgetragen, getrocknet und ausgehärtet wird, wobei die Mikrorauhigkeit erhalten bleibt, oder
b) die Einstellung der Mikrorauhigkeit allein dadurch erfolgt, dass zumindest auf die Bereiche der zementgebundenen Matrix ein organischer hydrophober Nanokompositlack, als flüssige Vorstufe eines Nanokomposits, aufgetragen, getrocknet und ausgehärtet wird, wobei der flüssigen Vorstufe des Nanokomposits anorganische Mikropartikel zugesetzt werden, oder
c) die Einstellung der Mikrorauhigkeit durch die Kombination von mechanischer Bearbeitung des Betonwerksteins und Auftragen, Trocknen und Aushärten eines organischen hydrophoben Nanokompositlacks, als flüssige Vorstufe des Nanokomposits, erfolgt, wobei das Aufbringen zumindest auf die Bereiche der zementgebundenen Matrix erfolgt und wobei der flüssigen Vorstufe des Nanokomposits anorganische Mikropartikel zugesetzt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenbearbeitung durch Schleifen, Strahlen, Flammen, steinmetzmäßige Bearbeitung, Waschen oder Säuern erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 der 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Auftragung der flüssigen Vorstufe durch Spritzen, Sprühen oder Vernebeln erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Auftragung der flüssigen Vorstufe durch Pinsel- bzw. Bürstenauftrag, Verreiben, Walzen oder Rakeln erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Auftragung der flüssigen Vorstufe durch Tauchen, Fluten oder Lackvorhanggießen erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aushärtung thermisch bei Temperaturen > 60° erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Aushärtung durch kurzzeitige Bestrahlung mit Licht, vorzugsweise UV-Licht, erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Aushärtung mit Unterstützung von Mikrowellenstrahlung erfolgt.
Oberflächenbehandelter Fußboden-Betonwerkstein, erhalten nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kornoberfläche der Zuschlagstoffe 0,005 mm bis 2 mm höher liegen, als die zementgebundene Matrix.