Innovative Schaumtechnologie für nachhaltiges und ökonomisches Bauen

1. Einführung und Anwendungen

Energieeinsparung und CO₂-Emissionsvermeidung sind die Herausforderungen unserer Zeit. Zementbasierte Baustoffe haben einen Anteil von 7 % an den globalen CO₂-Emissionen und tragen damit erheblich zum Klimawandel bei. Da aber die Verfügbarkeit von alternativen Baustoffen insgesamt sehr beschränkt ist und auch diese nicht unbedingt zu klimaneutralem Bauen beitragen, sind auch alternative Wege zu nachhaltigerem Bauen – wie die verstärkte Verwendung von Rezyklaten, die Herstellung von materialhomogenen Bauteilen und Leichtbaustoffen, die nutzungsoptimiert und effizient eingesetzt werden können – zu nutzen. Das Bauen mit Leichtbaubetonen ist nicht neu. Khan (2022) gibt einen Überblick über die verschiedenen Arten der bisherigen Leichtbetone. Allerdings können heute Leichtbetone mit Dichten bis zu 50 g/l Trockendichte erzeugt werden. Dies stellt eine neue Klasse der zementären Leichtbaustoffe dar: die zementären Dämmstoffe. Die Verwendung dieser Dämmstoffe mit Dichten unter 100 g/l ist ein wesentlicher Beitrag zu nachhaltigerem Bauen. Diese Materialien bedienen den Bedarf an nichtbrennbaren, wiederverwertbaren und automatisiert produzierbaren Dämmstoffen. Der vorliegende Artikel stellt die wesentlichen Merkmale eines neuen Baustoffes dar, der durch die Master Builders Solutions Deutschland GmbH (MBSD) und die De Cavis AG patentiert wurde (Patentnummer WO 2018/162381, 2018), seit diesem Jahr in den Markt eingeführt wird und intern unter der Bezeichnung „non-flammable foam (NFF)“ geführt wird.

2. Dämmwirkung und Herausforderung anorganischer Schäume

Die Isolationswirkung eines Dämmstoffes kann vereinfacht aus folgenden Kenngrößen errechnet werden: Wärmeleitfähigkeit des Matrixmaterials, Anteil und Größe der Poren, Eigenschaft zur Absorption von Infrarotstrahlung:

λ_dry = λ_Matrix = V_Matrix + λ_Air * V_Pores – λ_Radiation

λ_Matrix = 300-600 mW/m*K, abhängig vom Wassergehalt der Suspension, der Rezeptur und dem Schäumungs- sowie Trocknungsverfahren; V_Matrix = Volumenanteil der Matrix (2-5 %); λ_Air = 27 mW/mK; V_Pores = Volumenanteil der Luft (95-98 %); λ_Radiation = 1-1,5 mW/mK

Die rechnerisch niedrigste erreichbare Wärmeleitfähigkeit bei getrocknetem NFF-Schaum liegt dann bei etwa 33,5 mW/mK. Dieser Wert wird mit der von MBSD entwickelten Rezeptur und dem zugehörigen Verfahren verlässlich erreicht. Abb. 4 zeigt diese Effekte vereinfacht: Je kleiner die Poren und niedriger die Leitfähigkeit des Matrixmaterials, desto besser der dämmende Effekt.

Ein großer Nachteil anorganischer Matrixmaterialien ist ihre zumindest im Vergleich zu organischen Polymeren relativ langsame Reaktivität. Der Erhärtungsvorgang des Bindemittels ist jedoch notwendig, um die Luftblasen langfristig zu stabilisieren. Zum Erreichen sehr niedriger Dichten ist es daher notwendig, die Luft mittels eines grenzflächenaktiven Stoffs zu stabilisieren, bis das Bindemittel ausreichend Viskosität bzw. Festigkeit aufgebaut hat und diese Funktion selbst übernehmen kann.

3. Luftstabilisierung und Schäumungstechnologie

Der übliche Weg zur Einbringung von Luft in Mörtel ist die Verwendung von hochporösen Leichtfüllstoffen oder Tensiden. Neuere Arbeiten zeigen aber auch das Potenzial alternativer Ansätze: Xanthangummi kann Luft ebenfalls stabilisieren, und auch die Verwendung von partiell aktivierten Mikropartikeln kann die Luftstabilität erheblich verbessern (Gonzenbach, Studart, Tervoort, & Gauckler, 2006).

3.1 Luftstabilisierung durch Tenside und Partikel

MBSD hat sich für das Produkt MasterProtect NFF 2000 IN entschieden, Mikropartikel zur Luftstabilisierung zu verwenden. Diese ermöglichen die Herstellung eines sehr stabilen Schaumes bei sehr niedrigen Trockendichten. Die Partikel bilden bei der Schäumung im Übergang Luft/Wasser eine beinahe vollständig geschlossenzellige Schalenstruktur aus. Dadurch bleibt der Schaum auch über 24 Stunden volumenstabil und ermöglicht eine reproduzierbare Schäumung selbst bei niedrigen und sehr hohen Temperaturen, unabhängig von der Bindemittelreaktion. Die Festigkeiten erhöhen sich im Vergleich zu offenzelligen Schaumsystemen um ca. 20 %, und die Wasseraufnahme ist deutlich reduziert. Abb. 5 zeigt hier die Volumenstabilität jeweils eines Templatschaumes mit Tensiden und Partikeln aufgeschäumt.

Die sich ergebende Schaumstruktur ist ein Ergebnis der Interaktion von verschiedenen  Zusatzmitteln, beispielsweise Hydrophobierungsmittel und Dispersionen, sowie der Luftstabilisierung. Zum Erreichen optimaler Ergebnisse muss die organische Zusatzmittelchemie aufeinander eingestellt werden. Nur dann können homogene, feine und gleichmäßige Porenstrukturen zielsicher erreicht werden. Abb. 6 zeigt, wie die Interaktion zwischen organischer Stellchemie und Partikelstabilisierung zu guten Ergebnissen in der Porenstruktur führt.

3.2 Mischtechnologien

Das sichere Erreichen von Zieldichten bedingt auch eine optimierte Mischtechnologie. Folgende Ansprüche müssen Mischer für die Herstellung von zementären Dämmstoffen erfüllen:

1. Die Lufteinbringung während des Mischprozesses sollte minimal und immer gleich groß sein.

2. Innerhalb sehr kurzer Zeit sollte viel Mischenergie in das System eingebracht werden.

3. Fasern und hydrophobe Zuschläge dürfen sich nicht entmischen.

Erfüllt ein Mischer diese Kriterien, sind bei einer Fertigung mit z. B. Kolloidalmischern Festigkeitssteigerungen von bis zu 60 % allein durch optimierte Mischtechnologie zu erwarten. Abb. 7 zeigt hier den Vergleich verschiedener Mischertypen bei gleichen Ausgangsrezepturen, gleichen Wassergehalten und gleicher Mischzeit. Schwankungen in den Ergebnissen sind vor allem auf die Mischtechnologie zurückzuführen.

3.3 Mechanisch-chemische Schäumung

MasterProtect NFF kann mittels chemischer (Abb. 8), aber auch mechanischer Schäumung (Abb. 9) in einem Dichtebereich von 50 bis 700 g/l aufgeschäumt werden. Der spezifische Anwendungsfall definiert dabei, welches Verfahren das sinnvollere ist. Verallgemeinert kann unterschieden werden zwischen hochindustriellen Verfahren (Abb. 1 und 3), die auf hohe Produktivität ausgelegt sind und daher die chemische Schäumung bevorzugt einsetzen, und halbmanuellen Verfahren, die eher zur mechanischen Schäumung tendieren. Ausbringleistungen von über 14 m³/h sind hierbei mit der mechanischen Schäumung erreichbar, die chemische Schäumung erreicht Produktionsmengen von über 200 m³/h.

4. Formulierung

Luansu Wei hat 2021 neue zementäre Leichtbaumörtel auf Basis von Mikrohohlkugeln, OPC und Füllstoffen beschrieben. Dieser Ansatz wurde ursprünglich auch von MBSD verfolgt. Jedoch zeigte sich, dass die Verwendung von Mikrohohlkugeln keine deutlichen Eigenschaftsverbesserungen brachte. Heute basieren die Rezepturen auf einem Schnellzement und speziellen Füllstoffen und Additiven (Abb. 10).

Der Wasser/Feststoff-Gehalt kann in einem weiten Bereich variiert werden und hat erheblichen Einfluss auf die Festschaumeigenschaften.

5. Festschaumeigenschaften

5.1 Messmethoden

Die Ermittlung der Druckfestigkeit bei hochporösen und sprödbrüchigen Materialien ist schwierig und erfordert sehr viel Erfahrung. Neue Messmethoden wie die Ermittlung der Druckfestigkeit unter triaxialem Spannungszustand können Aufschluss über Versagensmechanismen geben. Die hier gezeigten Messwerte wurden nach DIN EN 826 nach 7 Tagen ermittelt. Die Wärmeleitfähigkeit wurde nach DIN EN 12667 gemessen. Die Proben wurden bei 40 °C getrocknet und in einem l-Messgerät EP 500 bis zum Erreichen eines konstanten Wärmestroms ausgemessen.

5.2 Messergebnisse

Die Dichte des Schaumsystems variiert stark je nach betrachtetem Zeitpunkt. Es wird unterschieden zwischen Schüttdichte des Trockencompounds (ca. 650 g/l), Nassmischung (1.100 g/l), Nassschaumdichte (150 g/l) und Trockenschaumdichte (75 g/l). Bei Volumen und Mischungsberechnungen muss dies berücksichtigt werden. Abb. 11 zeigt die gegenseitigen Abhängigkeiten von Dichte, Wärmeleitfähigkeit und Festigkeit. MasterProtect NFF 2000 IN zeigt bei Trocknung bei 70 °C und einer Dichte von 50 g/l eine bislang für zementäre Dämmstoffe nicht erreichte Wärmeleitfähigkeit von 31,5 mW/mK. Dieser Wert ist aber nur bedingt praxisrelevant, da für den Bemessungswert noch Feuchte- und Alterungsaufschläge zu berücksichtigen sind. Der für die Zulassung angestrebte Bemessungswert liegt dann bei ca. 35 mW/mK.

5.3 Nachhaltigkeit und Gedanken zur Kreislaufverwertung

Das Institut für Bauen und Umwelt zertifizierte eine Dämmstoffplatte mit einer Dichte von 70 g/l und erstellte eine entsprechende Umweltproduktdeklaration (EPD). Damit kann auch eine auf den U-Wert bezogene Betrachtung berechnet und ein Vergleich der Suffizienz mit anderen Dämmstoffen angestellt werden. Abb. 12 zeigt das Ergebnis einer solchen Betrachtung für einen angestrebten U-Wert von 150 mW/m²K. Damit kann gezeigt werden, wie nachhaltig ein zementärer Dämmstoff im Systemvergleich sein kann.

Bei der Entwicklung des Produktes wurde auch von Anfang an viel Wert auf die mögliche Verwendung von Rezyklaten gelegt. Das Produkt ist so eingestellt, dass eine Verwendung von 10 Masseprozent an Rezyklat ohne Abschlag auf die Eigenschaften möglich ist. Jedoch muss die Sieblinie des Rezyklates passend zum ersetzten Füllstoff gewählt sein.

6. Zusammenfassung

Master Builders Solutions Deutschland leistet mit dem neuen Produkt MasterProtect NFF 2000 IN einen wesentlichen Beitrag zu nachhaltigerem Bauen mit zementären Bindemitteln. Das Produkt setzt neue Maßstäbe in Sachen Nachhaltigkeit bei gleichzeitiger Nichtbrennbarkeit (A1) und vollständiger Rezyklierbarkeit. Zudem kann die Betonindustrie automatisierte Fertigungsprozesse auch bei der Platzierung von Dämmlagen einführen.