Projekt 20936/01

Synthese und Eignungsprüfung neuer Betonzusatzmittel unter Verwendung nachwachsender Rohstoffe

Projektdurchführung

MC-Bauchemie Müller GmbH & Co. KG
45071 Essen

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Der zunehmende Einsatz weicher, fließfähiger und selbstverdichtender Betone in Bauwerken erfordert immer größere Mengen an Betonzusatzmitteln wie z. B. Superplastifizierer. Betonverflüssiger auf Basis von Polycarboxylatethern (PCE) sind als dritte Generation der Superplastifizierer z. Z. die wirksamsten Fließmittel. Für die Synthese dieser PCEs werden petrochemische Rohstoffe eingesetzt.
Es wurde untersucht, ob die petrochemischen Rohstoffe von PCEs teilweise durch nachwachsende Rohstoffe ersetzt werden können. Projektziel war, PCEs auf Basis nachwachsender Rohstoffe zu entwickeln und durch Reduktion der CO2-Emissionen einen Beitrag zur Verbesserung des Klimaschutzes zu leisten.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenZu Beginn des Projektes stand eine Evaluierungsphase, in der verschiedene Ansätze verfolgt wurden. PCEs setzen sich beispielweise aus Polyacrylsäuren und Polyethern zusammen. Aus synthetischer Sicht sollte es möglich sein, eine der beiden Komponenten zu ersetzen.
Der erste Ansatz zielte deshalb darauf ab, Acrylsäure durch natürliche Hydroxycarbonsäuren wie z. B. Zitronensäure zu ersetzen. Diese sollten nach klassischen Verfahren mit Polyethern modifiziert werden.Der zweite Ansatz zielte darauf ab, den sehr hohen Anteil an Alkylenpolyethylenglykolen von bis zu 90 Massenprozent im PCE zu reduzieren. Diese werden über eine Polyaddition von Ethylenoxid an einen Starteralkohol, üblicherweise Methanol, erhalten. Es wurde geprüft, ob Fettalkohol-Derivate an Stelle von Alkylenpolyethylenglykolen eingesetzt werden können. Ziel war es, die Menge an Ethylenoxid-Einheiten um 50% zu reduzieren.
MC-Bauchemie übernahm die chemische Entwicklung der neuen Verflüssiger, die zum Teil von einem Subunternehmer durchgeführt wurden. Dies gilt besonders für die Ethoxylierungen. Diese Produkte wurden entweder chemisch modifiziert oder unverändert nach Vorprüfung bei der MC-Bauchemie dem Institut für Baustoffe zur eingehenden Untersuchung übergeben. Das Institut für Baustoffe sollte weitergehende Vergleichstests zur Verträglichkeit dieser Synthesemuster mit verschiedenen Zementen und weiteren Zusatzmitteln durchführen. Hierbei war auch die Leistungsfähigkeit der neuen Zusatzmittel im Vergleich zu konventionellen Produkten zu quantifizieren. Ein ständiger Informationsaustausch zwischen den Projektpartnern sollte zur weiteren Verbesserung der entwickelten Fließmittel führen.


Ergebnisse und Diskussion

Die Substitution der PCE auf (Meth)acrylsäure-Basis durch natürliche Hydroxycarbonsäuren wie Ricinol- oder Zitronensäure war leider nicht möglich. Ausgehend von Ricinolsäure oder Rizinusöl konnten gezielt Produkte mit unterschiedlichem Ethoxilierungsgrad hergestellt werden. Leider war die Wirkung als fließverbesserndes Betonzusatzmittel zu gering. Die gezielte Ethoxilierung von Zitronensäure oder -estern gelang nicht. Auch die Umsetzung mit hydrophilen Isocyanat-termininierten Polyurethan-prepolymeren war nicht möglich.
Vielversprechender zeigte sich der Weg die petrochemisch basierten Methylpolyethylenglykole durch Fettalkohole zu ersetzen. Zwar zeigten die durchgeführten PCE-Synthesen, dass die 100%-ige Substitution von petrochemisch basierten Methylpolyethylenglykolen durch ethoxilierte Fettalkohole wie z. B. Laurinalkohol als Ausgangsmaterialien, chemisch möglich ist, allerdings konnte auch unter Zuhilfenahme deutlich effektiverer Entschäumer der Luftporengehalt nicht auf praxisgerechte Werte gesenkt werden. Abmischungen von ethoxilierten Fettalkoholen mit synthetischen Methylpolyethylenglykolen sind als Ausgangsmaterialien einsetzbar. Es wurden zwei Fließmittel entwickelt, die hinsichtlich Konsistenzhaltung und Luftporenverteilung bessere Eigenschaften aufweisen als die Referenzverflüssiger auf petrochemischer Basis.
Das Ziel, die Menge an Ethylenoxid um 50% zu reduzieren, lässt sich mit diesen Rezepturen leider nicht erreichen. Das Einsparpotential liegt bei ca. 2 %. Aufgrund der bisherigen Ergebnisse wird ein potentielles Einsparpotential von ca. 20% als mittelfristig chemisch realisierbar betrachtet.
Zwar ist eine nennenswerte Ethylenoxid-Reduktion und somit eine Ressourcen Schonung der natürlichen Erdölquellen möglich, aber die Ökobilanzierung zeigte nicht die erhofften Vorteile, da der Methacrylsäurebedarf für die neuen Rezepturen deutlich angestiegen ist und Methacrylsäure sehr ungünstige ökologische Werte aufweist. Dies führte dazu, dass die ökologische Bilanz in nahezu allen untersuchten Bereichen für die neuen Fließmittel ungünstiger ausgefallen ist als für die derzeit gebräuchlichen.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Eine Veröffentlichung in einer Fachzeitschrift sowie in unserer Firmenzeitschrift MC Report ist vorgese-hen.


Fazit

Aufgrund dieser Ergebnisse ist es nach aktueller Datenlage hinsichtlich kumulierten Energieaufwand günstiger, eher höher ethoxilierte Produkte einzusetzen, um den Anteil des energieintensiveren Stoffes (Meth)acrylsäure so weit wie möglich zu reduzieren. Wir überlegen, ob wir diesen Weg weiterverfolgen sollen. Daneben werden wir die Entwicklungen mit einigen neuen Zusatzmittel auf Basis nachwachsender Rohstoffe fortführen, da diese sich hinsichtlich Konsistenzhaltung und Luftporenverteilung in Betonen günstiger verhalten als die aktuell vertriebenen Fließmittel.