Physical Properties of Concrete Modified with Superabsorbent Polymers

This dissertation deals with the effect of a new concrete additive, called salt-insensitive superabsorbent polymer, on the physical properties of normal and high strength concrete. Superabsorbent polymers, short SAP, are special polymers that are able to absorb many times more water than their own weight within short time. They can even store water when exposed to gentle mechanical stress. When added dryly to the concrete mix, they absorb a specific part of the mixing water. In doing so, they swell and form finely distributed internal water reservoirs with diameters of about 50 to 1000 μm. During cement hydration, the stored water is released back and air-filled macropores remain in the hardened matrix. The supply of water due to internal reservoirs is called internal curing. Recently, internal curing by SAP is investigated in the field of high-strength concretes at low water-to-cement (w/c) ratio. The intention is to mitigate selfdesiccation and self-desiccation shrinkage, respectively, in order to prevent early-age cracking of restraint concrete structures. The superabsorbent polymers examined in this thesis were tested with respect to their aibility for internal curing in Portland cement pastes and silica fume modified high performance mortars. Autogenous shrinkage tests, continuous monitoring of the dynamic elastic material parameters and measurements on the change in internal relative humidity were performed. The results show that not only the amount of entrained water but also the three dimensional distribution of the water reservoirs significantly influences the efficiency of internal curing. Due to measurements with nuclear magnetic resonance relaxometry, the emptying of the initially water-filled SAP pores in hardening cement paste was observed. Thermogravimetry measurements revealed that curing water provided by SAP does not influence hydration much different compared to the same amount of ordinarily added water. A similar trend was found for the influence of internal curing water on the development of compressive strength. Only in case of mixtures produced at low w/c ratio it could be shown that internal curing leads to a slight increase of compressive strength when compared to mixtures without internal curing but same total water content. One of the main topics of this work is the redistribution of capillary water into larger SAP pores. This approach has the target to significantly enhance the concrete’s durability by a specific change of the pore structure. For instance, it is shown that the gas and water permeability and the capillary water absorption of concrete can be reduced due to addition of SAP. This effect is more pronounced when the particle size distribution of the used SAP is increased. Further, it is demonstrated that the air pores, which remain after the polymers have dried out, can be used to improve the freeze-thaw resistance of concrete. The presented results substantiate the assumption that a certain SAP pore volume with d50 > 150 μm can improve the frost-resistance of concrete (according to the CDF-test method) similar to the same volume of air pores generated by traditional air-entraining agents, although the SAP pores are initially water-filled. So far, the void spacing factor has been used as reliable parameter for the characterization of the pore system. However, it was found that the correlation between total pore volume and concrete scaling is much better than the correlation between void spacing of SAP pores and scaling. A big advantage of air-entrainment by SAP is the ability to control the characteristics of the pore volume by the dosage and the size of the dry SAP particles. A so far completely unknown effect was observed in case of tensile creep measurements on SAP-modified concrete. It was found that addition of SAP reduces tensile creep down to a level of a reference concrete without SAP addition, which has a water content comparable to the water content of the SAP-modified concrete while neglecting the water stored in SAP. Further, it was found that tensile creep of concrete is less sensitive to changes in ambient relative humidity compared with shrinkage of concrete. Kurzfassung (German abstract) Die vorliegende Dissertation beschäftigt sich mit dem Einfluss von salzstabilen Superabsorbierenden Polymeren als neuem Betonzusatz auf die physikalischen Eigenschaften von normalund hochfestem Beton. Superabsorbierende Polymere, kurz SAP, sind Spezialkunststoffe, die in der Lage sind innerhalb weniger Minuten ein Vielfaches ihres Eigengewichts an Wasser oder wässriger Lösung aufzunehmen und unter Druck zu speichern. Dem Beton trocken zugemischt, entziehen sie einen vordefinierten Teil des Anmachwassers und quellen dabei zu feinverteilten, inneren Wasserreservoirs mit Durchmessern von zirka 50 bis 1000 μm auf. Während der Hydratation des Zements geben sie das Wasser wieder ab und verbleiben als luftgefüllte Poren im Zementstein zurück. Dieser Vorgang, auch innere Nachbehandlung genannt, wird seit kurzem im Bereich hochfester Betone erforscht, um der inneren Austrocknung dieser Betone und dem damit einhergehenden autogenen Schwinden, welches zur frühen Rissbildung im Bauteil führen kann, entgegenzuwirken. Die in dieser Arbeit verwendeten Superabsorber wurden ebenfalls hinsichtlich ihrer Eignung zur inneren Nachbehandlung in Portlandzementleimen und in mit Silikastaub modifizierten Hochleistungsmörteln untersucht. Es wurden Messungen zum autogenen Schwinden, zur Entwicklung der dynamischen elastischen Materialparameter und zum Verlauf der inneren Feuchte vorgenommen. Dabei konnte gezeigt werden, dass nicht nur die Menge an eingebrachtem Wasser, sondern auch die räumliche Verteilung der Wasserquellen einen maßgebenden Einfluss auf die Effektivität der inneren Nachbehandlung ausübt. Anhand hochauflösender KernspinresonanzMessungen an Zementleimproben wurde die Entleerung der anfangs wassergefüllten SAP-Poren über den Hydratationsverlauf beobachtet. Mittels Thermogravimetrie wurde nachgewiesen, dass sich das von den SAP zur Verfügung gestellte Wasser hinsichtlich des Hydratationsverlaufs nur marginal von einer vergleichbaren Menge an frei zugegebenem Wasser unterscheidet. Ähnlich verhält es sich mit dem Einfluss der SAP-Poren auf die Druckfestigkeit. Hier konnte lediglich bei Mischungen mit niedrigen Wasser-Zement-Werten gezeigt werden, dass durch die inneren Wasserquellen die Druckfestigkeit im Vergleich zur gleichen Menge an gewöhnlich zugegebenem Wasser leicht gesteigert werden kann. Ein wesentlicher Bestandteil dieser Arbeit stellt die Herausarbeitung der Auswirkungen einer Umverteilung von Kapillarwasser in größere SAP-Poren dar. Ziel dieses Ansatzes ist es, durch gezielte Änderungen der Porenstruktur die Dauerhaftigkeitseigenschaften des Betons erheblich zu verbessern. So konnte beispielsweise gezeigt werden, dass durch den Einsatz von SAP die Gasund Wasserpermeabilität sowie die kapillare Wasseraufnahme des Betons reduziert werden können. Dieser positive Effekt nimmt mit steigender Partikelgröße der verwendeten SAP zu. Des Weiteren wurde die Eignung der nach Austrocknung im Zementstein verbleibenden SAP-Poren zur Steigerung der Frost-Tausalzbeständigkeit des Betons untersucht. Die dargelegten Ergebnisse bekräftigen die Annahme, dass ein bestimmtes Volumen an SAP-Poren bei ausreichender Größe der einzelnen Poren von d50 > 150 μm, trotz ihrer anfänglichen Wassersättigung, den FrostTausalzwiderstand (CDF-Verfahren) in ähnlicher Weise steigern kann, wie ein vergleichbares Volumen an herkömmlich eingebrachten Luftporen. Dabei zeigte sich eine bessere Korrelation zwischen Gesamtporenvolumen und Abwitterungsmenge als eine entsprechende Korrelation mit dem Porenabstandsfaktor, der bisher als geeigneter Parameter für die Beschreibung des FrostTausalzwiderstandes galt. Ein wesentlicher Vorteil der Verwendung von SAP besteht in der Zuverlässigkeit, mit der ein entsprechendes stabiles Porensystem im Beton angelegt werden kann. Ein bisher völlig unbekannter Effekt trat bei der Untersuchung des Einflusses der SAP auf das Zugkriechverhalten von Beton in Erscheinung. Hier wurde festgestellt, dass sich durch Zugabe von SAP das Zugkriechen auf ein Maß reduzieren lässt, das dem eines Referenzbetons ohne SAP entspricht, dessen Zugabewasser um die in SAP gespeicherte Wassermenge reduziert wurde. Des Weiteren wurde festgestellt, dass das Zugkriechen von Beton deutlich weniger empfindlich auf Änderungen der Umgebungsfeuchte reagiert als das Schwinden von Beton.