Material- und Verfahrensentwicklung zum Trockenspritzen einer mineralischen Wärmedämmung auf Mikrohohlglaskugelbasis

Titelangaben

Zelder, Stefan:
Material- und Verfahrensentwicklung zum Trockenspritzen einer mineralischen Wärmedämmung auf Mikrohohlglaskugelbasis.
Bayreuth , 2026 . - XV, 176 S.
( Dissertation, 2026 , Universität Bayreuth, Fakultät für Ingenieurwissenschaften)

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Abstract

Ein Großteil der Wohngebäude in Deutschland wurde vor dem Inkrafttreten der ersten Wärmeschutzverordnung aus dem Jahr 1977 errichtet. Somit sind diese Gebäude oftmals schlecht bis gar nicht gedämmt und tragen daher erheblich zu den CO2-Emissionen des Gebäudesektors bei. Bereits 15 cm Fassadendämmung können den Wärmedurchgangskoeffizienten um bis zu 85 % reduzieren. Allerdings benötigen herkömmliche Dämmstoffe einen ebenen Untergrund, um ihre Dämmwirkung zu entfalten. Daher ist, vor der Applikation, eine aufwendige Vorbereitung der Fassade notwendig, was die Sanierungsdauer deutlich erhöht. Um diese zu senken, wurde im Jahr 2019 ein formfolgender, mineralischer Dämmputz auf Basis von Mikrohohlglaskugeln (MHGK) und Calcium-Sulfo-Aluminatzement (CSA-Zement) entwickelt. Die Verarbeitung erfolgt gegenwärtig mittels Nassspritzen, welches einen hohen Wassergehalt erfordert. Dies führt zu langen Trocknungszeiten und somit ebenfalls zu langen Sanierungsdauern. Als alternatives Verarbeitungsverfahren bietet sich das Trockenspritzen an, welches gegenwärtig in der Betonverarbeitung zum Einsatz kommt. Hierbei wird das Wasser erst kurz vor Düsenaustritt zugegeben, was den Wasser- und Additivgehalt der Pulvermischung deutlich reduzieren kann. Ziel der vorliegenden Arbeit war es daher, das Trockenspritzen für die Verarbeitung der mineralischen Dämmung nutzbar zu machen. Zu diesem Zweck wurde das Benetzungsverhalten der MHGK mit Wasser charakterisiert, um die Staubentwicklung beim Trockenspritzen abschätzen zu können. Anschließend wurde die Mischung mittels modifizierter Trockenspritzanlage verarbeitet und die daraus resultierenden Sandwichstrukturen hinsichtlich ihrer Eigenschaften charakterisiert. Abschließend wurde die Nachhaltigkeit der Dämmung in Bezug auf die Carbonatisierung der Zementmatrix sowie die Wiederverwertbarkeit der MHGK untersucht. Die Charakterisierung des Benetzungsverhaltens der MHGK und des CSA-Zements erfolgte mittels kapillaren Aufstiegsversuchen nach Washburn. Es zeigte sich, dass die MHGK eine hydrophile Oberfläche aufweisen, sodass sich bei Wasserkontakt ein Kontaktwinkel nahe 0° bildet. Es konnte gezeigt werden, dass vor allem die Reproduzierbarkeit der Schüttdichte sowie deren homogene Verteilung über die gesamte Länge der Kapillare entscheidend für die Wiederholgenauigkeit der Messungen ist. Generell konnte gezeigt werden, dass die Benetzbarkeit der MHGK sehr gut ist und somit auch von geringer Staubentwicklung bzw. schneller Agglomeration beim Trockenspritzen ausgegangen werden kann. Um die für das Trockenspritzen idealen Schichtzusammensetzungen zu ermitteln, wurde anschließend der Einfluss der MHGK auf die Eigenschaften der Dämmschicht untersucht. Dabei hat sich gezeigt, dass die Hydratation des CSA-Zements unter Zugabe von MHGK bereits nach zwölf Stunden vollständig abgeschlossen ist. Aus diesem Grund wurde die Hydratation in den ersten 24 Stunden nach Wasserzugabe mittels ESEM- und Transmissions-XRD-Messungen in einem zwei-Minuten-Intervall untersucht. Die MHGK dienen aufgrund ihrer großen Oberfläche als Nukleationspunkt für die sich bildenden Ettringitkristalle, was zu einem Anstieg der Nukleationsgeschwindigkeit führt. Die große Oberfläche der MHGK führt weiterhin dazu, dass die Ettringitkristalle nicht ausschließlich auf den Klinkerpartikeln wachsen und diese daher nicht vollständig umschließen können. Durch den dauerhaften Kontakt der Klinkerpartikel mit dem Porenwasser ist die Hydratation bereits nach zwölf Stunden abgeschlossen. Weiteres Kristallwachstum ist anschließend nur noch über die Ostwald-Reifung möglich. Der Dämmputz wurde im Anschluss mittels Trockenspritzen zu einer Sandwichstruktur verarbeitet. Die Anlagentechnik zum Trockenspritzen wurde für die Verarbeitung der MHGK-haltigen Mischung modifiziert. Insbesondere wurde der Förderluftstrom im Vergleich zur Betonverarbeitung deutlich reduziert, um Kugelbruch in der Schlauchleitung zu verhindern. Zur Bereitstellung der zur Applikation der Masse an die Wand notwendigen kinetischen Energie wurde kurz vor Düsenaustritt ein Zusatzluftstrom zugeführt. Die mittels Trockenspritzen hergestellten Sandwichstrukturen weisen eine um 95 % höhere Wärmeleitfähigkeit sowie eine um 120 % höhere Dichte auf als die vergleichbare nassgespritzte Struktur. Es konnte gezeigt werden, dass einerseits der hohe Luftvolumenstrom zu einer nachträglichen Verdichtung der Schicht führt und andererseits die MHGK teilweise nicht in Agglomeraten gebunden sind und über die leichte Staubentwicklung entweichen. Weiterhin kann die lange Trockenförderstrecke mit zu vermehrtem Kugelbruch führen. Diese Faktoren führen zu einem lokal höheren Zementanteil, wodurch sich die Dichte sowie die Wärmeleitfähigkeit der Struktur erhöhen. Abschließend wurde die Nachhaltigkeit der Dämmung einerseits anhand der CO2-Aufnahmegeschwindigkeit und andererseits durch die Wiederverwendung der MHGK untersucht bzw. bewertet. Zur Bestimmung der Carbonatisierung wurden unterschiedliche Dämmputzproben analysiert. Es wurde eine Probe aus einer Fassade entnommen, welche für zwei Jahre unter ungünstigen Witterungsbedingungen gealtert ist. Die Vergleichsprobe wurde für 4 Jahre im Innenraum unter kontrollierten Bedingungen gelagert. Dabei konnte festgestellt werden, dass die Probe der Fassade bereits nach zwei Jahren nahezu vollständig carbonatisiert ist, während die Vergleichsprobe eine Carbonatisierungsrate von ca. 76 % aufwies. Es konnte gezeigt werden, dass die offene Porosität und der damit verbundene ungehinderte Zugang von CO2 und Feuchtigkeit zu den Ettringitkristallen für die hohe Carbonatisierungsrate verantwortlich ist. Trotz der hohen Carbonatisierungsrate war die verbleibende Festigkeit der Dämmung immer noch hoch genug, um ein Ablösen der Schicht von der Fassade zu verhindern. Neben der Carbonatisierung wurde erstmals auch die Wiederverwertung der MHGK am Ende der Lebensdauer der Dämmung untersucht. Mittels Temperaturbehandlung konnte die Zementmatrix so weit geschwächt werden, dass die MHGK mittels einfachen Mahlverfahren aus der Dämmung gelöst werden konnten. Dabei konnten Recyclingraten von bis zu 21 % intakter MHGK erzielt werden. Die Zugabe von bis zu 20 % an wiedergewonnenen MHGK zu neuem Dämmputz hatte keinen Einfluss auf die Mikrostruktur oder die Eigenschaften der Dämmung. In dieser Arbeit konnte erstmals gezeigt werden, dass das Trockenspritzen zum Auftragen einer mineralischen Dämmung auf Basis von MHGK geeignet ist. Die Dämmung von Altbaufassaden kann in einem Arbeitsschritt und damit schneller erfolgen, wodurch die Sanierungsrate deutlich gesteigert werden könnte.

Abstract in weiterer Sprache

The majority of residential buildings in Germany were constructed before the first thermal insulation ordinance came into force in 1977. As a result, these buildings are often poorly insulated or not insulated at all, and therefore contribute significantly to CO2 emissions in the building sector. Just 15 cm of facade insulation can reduce the heat transfer coefficient by up to 85 %. However, conventional insulation materials require a level surface in order to be effective. This means that the facade must be carefully prepared before application, which significantly increases the duration of the renovation work. To reduce this, a form-fitting, purely mineral insulation plaster based on hollow glass microspheres (HGMS) and calcium sulfoaluminate cement (CSA-cement) was developed in 2019. It is currently applied by wet spraying, which requires a high water content. This leads to long drying times and thus also to long renovation times. An alternative processing method is dry spraying, which is currently used in concrete processing. Here, the water is added just before it exits the nozzle, which can significantly reduce the water and additive content of the powder mixture. The aim of this study was therefore to make dry spraying suitable for use in the processing of mineral insulation. To this end, the wetting behavior of HGMS with water was characterized in order to estimate the amount of dust generated during dry spraying. The mixture was then processed using a modified dry spraying system and the resulting sandwich structures were characterized in terms of their properties. Finally, the sustainability of the insulation was examined in terms of the carbonation of the cement matrix and the recyclability of the HGMS. The wetting behavior of HGMS and CSA-cement was characterized using Washburn capillary rise tests. It was found that HGMS has a hydrophilic surface, resulting in a contact angle close to 0° when in contact with water. It was shown that the reproducibility of the bulk density and its homogeneous distribution over the entire length of the capillary are particularly crucial for the repeatability of the measurements. In general, it was shown that the wettability of HGMS is very good, so that low dust formation and rapid agglomeration can be assumed during dry spraying. In order to determine the ideal layer compositions for dry spraying, the influence of HGMS on the properties of the insulation layer was then investigated. It was found that the hydration of CSA-cement with the addition of HGMS is already complete after twelve hours. For this reason, hydration was investigated in the first 24 hours after water addition using ESEM and transmission XRD measurements at two-minute intervals. The HGMS serve as nucleation points for the ettringite crystals that form, thereby increasing the nucleation rate. The large surface area of HGMS also means that the ettringite crystals do not grow exclusively on the clinker particles and therefore cannot completely enclose them. Due to the permanent contact of the clinker particles with the pore water, hydration is already complete after twelve hours. Further crystal growth is then only possible via Ostwald ripening. The insulating plaster was then processed into a sandwich structure using dry spraying. The dry spraying system was modified for processing the mixture containing HGMS. In particular, the air flow was significantly reduced compared to concrete processing in order to prevent ball breakage in the hose line. To provide the kinetic energy required to apply the mixture to the wall, an additional air flow was supplied shortly before the nozzle outlet. The sandwich structures produced by dry spraying have 95% higher thermal conductivity and 120% higher density than comparable wet-sprayed structures. It was shown that, on the one hand, the high air volume flow leads to subsequent compaction of the layer and, on the other hand, the MHGK are not partially bound in agglomerates and escape via slight dust formation. Furthermore, the long dry conveyor line can lead to increased ball breakage. These factors lead to a locally higher cement content, which increases the density and thermal conductivity of the structure. Finally, the sustainability of the insulation was examined and evaluated on the basis of CO2 absorption rate on the one hand and reuse of HGMS on the other. Various insulation plaster samples were analyzed to determine carbonation. A sample was taken from a facade that had been exposed to unfavorable weather conditions for two years. The comparison sample was stored indoors under controlled conditions for four years. It was found that the sample from the facade was almost completely carbonated after only two years, while the comparison sample showed a carbonation rate of approximately 76 %. It was shown that the open porosity and the associated unhindered access of CO2 and moisture to the ettringite crystals was responsible for the high carbonation rate. Despite the high carbonation rate, the remaining strength of the insulation was still high enough to prevent the layer from detaching from the facade. In addition to carbonation, the recycling of HGMS at the end of the insulation's service life was also investigated for the first time. Temperature treatment weakened the cement matrix to such an extent that the HGMS could be removed from the insulation using simple grinding processes. Recycling rates of up to 21 % of intact HGMS were achieved. The addition of up to 20 % recovered HGMS to new insulating plaster had no effect on the microstructure or properties of the insulation. This work demonstrated for the first time that dry spraying is suitable for applying mineral insulation based on HGMS. The insulation of old building facades can be carried out in a single step and thus more quickly, which could significantly increase the renovation rate.