R. Vogel, F. Scharfe, C. Andratschke, G.-E. Vogel
Material- und Verarbeitungseigenschaften von Putzmörtel

Kurzreferat:

Ergebnisse von Putzmörteluntersuchungen und Aussagen zu Verarbeitungseigenschaften, die auf Putzversuchen basieren, werden rheologischen Messungen gegenübergestellt.

Der Vergleich zeigt, dass die mit einer neuentwickelten Gerätetechnik bestimmten Frischmörteleigenschaften praktischen Erfahrungen bei der Verarbeitung zuzuordnen sind.

Darüber hinaus liefern die rheologischen Kennwerte wertvolle Hinweise zur Qualitätskontrolle und für Neuentwicklungen von Putzen.

Einleitung

Gutes Standvermögen beim Anspritzen, leichtes Abziehen beim Einebnen, Geschmeidigkeit und kein Aufreißen beim Nachziehen sind die entscheidenden Kriterien bei der Beurteilung der Verarbeitungseigenschaften von Putzmörtel.

Eine genormte Anleitung zur Beschreibung oder auch Messung dieser Eigenschaften gibt es nicht. Daher werden Verarbeitungs- und letztlich auch Materialeigenschaften mit dem Anspritzen an Versuchswände, einer individuellen Bearbeitung sowie Beurteilung des frischen Putzes nach einem bewährten Erfahrungsprofil bestimmt. Neben bzw. in Ergänzung einer solchen subjektiven Putzmörtelbewertung werden auch Rührversuche durchgeführt, die ein drehzahlgebundenes Rührmoment spezifischen Produkteigenschaften zuordnen.

Die Bewertung des Putzes an Hand der genannten Versuche im Zusammenhang und in Wechselwirkung mit den einschlägigen mörteltechnischen Prüfungen entsprechend DIN-EN bilden schließlich die Grundlage für die Einstellung der Putzrezepturen.

Um die Material- und Verarbeitungseigenschaften der Putzmörtel objektiver als bisher erfassen zu können, wurde ein Verfahren und die erforderliche Gerätetechnik entwickelt, worüber im Folgenden auszugsweise berichtet wird.

Einführung in die Betrachtungsweise

Nach Habitus und Verhalten ist Putzmörtel kein Fluid im klassischem Sinne, gleichermaßen ist er kein Schüttgut. Auch kann dieser Mörtel nicht in die Gruppe der Suspensionen eingeordnet werden, da Haufwerkeigenschaften überwiegen. Durch beide, die Fluid- sowie die Haufwerkphase, werden seine Eigenschaften und sein Verhalten bei Einwirkung äußerer Kräfte bestimmt. Seinem Aufbau nach ist Putzmörtel ein sehr feinkörniges Schüttgut, dessen Partikel mit einem Fluid benetzt sind.

Die Bearbeitung des frischen Putzes an der Wand, z.B. das Abziehen, erfolgt aus rheologischer Sicht in einem Bereich sehr kleiner Scherraten und sein Erscheinungsbild ähnelt eher einem Festkörper als einem Fluid. Abweichend von der bislang üblichen Charakterisierung der Mörtel durch Fließkurven werden daher andere bekannten rheologische Experimente zur Beschreibung von Putzmörteleigenschaften herangezogen. Das sind der Kriechversuch, der Schubversuch und der Spannversuch. Aus den folgenden Abbildungen sind die charakteristischen Merkmale solcher Versuche erkennbar.

Abb.1 Kriechversuch

 

Beim Kriechversuch wird die Materialprobe eine festgelegte Zeit lang (t1) mit einem konstanten Moment T belastet (I. Momentensprung), danach sprunghaft entlastet (II. Momentensprung). Aufgezeichnet, d.h. gemessen wird die durch die Belastung eintretende Verschiebung – hier also Verdrillung der Probe (Bereich I). Die danach folgende Entlastung (Bereich II) führt zu einer teilweisen Rückverformung. Beurteilt wird der Mörtel bei vorgegebenem TSprung an Hand der absoluten Werte von A, B und C sowie auf der Grundlage der mit dem maximalen Verdrehwinkel jI,1 gebildeten Relativwerte.

Die drei j-Winkelwerte und der Kurvenverlauf im Bereich II liefern detaillierte Informationen über die Probenzusammensetzung.

Abb.2 Schubversuch

 

Der Schubversuch dient der Bestimmung des Fließmomentes TFl. Hierzu wird eine Momentenrampe T(t) vorgegeben, realisiert und der Verdrehwinkel j(t) der Probe gemessen. Eine Quotientenbildung (was einem Zähigkeitsäquivalent entspricht) führt zu einem Maximum, was wiederum die Bestimmung des Fließmomentes ermöglicht.

Abb.3 Spannversuch

 

Mit dem Spannversuch wird eine Winkelrampe j(t) realisiert und das zum Verdrehen der Probe erforderliche Moment gemessen. Durch diese Art der Versuchsdurchführung wird die Messung des Momentes TB möglich, das die Zerstörung der Haufwerkstuktur in der Materialprobe anzeigt. Durch die Gefügezerstörung fällt das Moment bei weiterer Drehung der Messsonde rapide ab. Dem weiteren Kurvenverlauf können bestimmte Materialeigenschaften zu geordnet werden.

In manchen Fällen der Materialprüfung erscheint eine Kopplung (Hintereinanderschaltung) von wenigstens zwei Versuchen dieser Art möglich. Durch den irreversiblen Strukturaufbau der Putzmörtel bedingt, ist dabei jedoch zu beachten, dass die kritischen Drehwinkelbereiche nicht zu nahe aneinander liegen (z.B.  jI,1 <<   jB ) .

Versuchsdurchführung

Mit den Versuchen sollte geprüft werden, ob mit Hilfe rheologischer Untersuchungen Informationen zur Verarbeitbarkeit von Putzmörteln gewonnen werden können. Angepasst an die derzeitige Handhabung wurden daher einerseits die üblichen Technikumsversuche durchgeführt, allerdings ergänzt durch rheometrische Messungen, anderseits separate Untersuchungen von Putzmörteln im Labormaßstab nach einem angepassten Versuchsregime.

A.           Technikumsversuche gekoppelt mit Laboruntersuchungen

Als Putzgrund standen gemauerte Wände ( 4 x 1,75 m2 ) aus Hohllochziegeln mit den Abmessungen  500 x 240 x 110 mm3 zur Verfügung. Das Aufbringen der Putze erfolgte mit einer Putzmaschine vom Typ solomix der Firma mtec. Die Temperatur im Technikum betrug ca. 20 °C.

Der Putzmörtel wurde von 3 Putzern unabhängig voneinander verarbeitet und beurteilt.

Parallel zu den jeweiligen Arbeitsschritten der Putzer erfolgten die Messungen im Labor. Dazu wurden während des Putzaufbringens, etwa nach Verbrauch der halben Mörtelmasse, 2-Liter-Proben in ein Gefäß gespritzt und damit das Ausbreitmaß bestimmt. Nach Abschluss der Aufbringphase wurden aus dem oberen Mauerverband ein Ziegelstein herausgelöst und mit dem Zeitrhythmus der Putzbearbeitung durch die Putzer die rhelogischen Untersuchungen durchgeführt.

B.           Laborversuche

Unabhängig von den Technikumsversuchen wurden Laborversuche grundsätzlicher Art durchgeführt. Hierzu wurden  2-kg-Proben entsprechend DIN 18555 in einem Hobart-Mischer angerührt und mittels Hägermann-Ausbreittisch das Ausbreitmaß bestimmt. Als Sollbereich wurde ein Erfahrungswert von 165 < a < 175 mm festgelegt.  Davon abweichende Proben wurden verworfen.

Um die Saugfähigkeit des Putzgrundes in die Untersuchungen mit einbeziehen zu können, wurde zum einen die Glasplatte des Ausbreittisches (s. DIN 1060) mit einer doppelten Lage Filterplatten belegt, zum anderen durch Spaltplatten ersetzt.

Für die rheologischen Untersuchungen stand ein Rheometer zur Verfügung, das nach einem Konzept von  R.VOGEL-Forschungslabor  gemeinsam mit  RHEOTEST Medingen   entwickelt wurde. Über gerätetechnische Details wird an anderer Stelle berichtet.

 

 

Abb.4  Schema der Mörtel-Scherzelle  

1 Scher-RING

2 Scher-TELLER

3 Mörtel-KUCHEN

Das patentierte Messverfahren und die Messsonde werden an Hand von  Abb.4  veranschaulicht. Danach wird die Messsonde in den Mörtelkuchen, der sich auf der Ausbreittischplatte befindet oder auf eine andere Unterlage aufgetragen/aufgespritzt wurde, - ohne weitere Beeinflussung - eingetaucht und das Kriech-, Schub- und Spannverhalten des Putzmörtels gemessen. Die erforderliche präzise Messung betrifft in erster Linie in variierbarer Zuordnung zu einander die drei Größen  Zeit t, Drehmoment T und Drehwinkel j . Für bestimmte Fälle ist eine zusätzliche Höhendifferenzmessung erforderlich.

Ergebnisse

Untersucht wurden fünf verschiedene Putzmörtel,  siehe Tafel 1. Für die Technikumsversuche stand Sackware zur Verfügung. Die Laborversuche wurden mit rezepturgemäßen Gemengen nach Werkstandard durchgeführt und gezielte Variationen geprüft.

Tafel 1  Beschreibung der verwendeten Werktrockenmörtel

Bezeichnung

Kürzel

Gemisch Zusammensetzung

Kalk-Gips-Putz

KGP

Mehrphasengipse, Kalkhydrat, Körnung, Additive, Verzögerer

Kalk-Zement-Putz

KZP

Kalkhydrat, Zement, Körnung, Additive

Kalk-Zement-Leichtputz

KZLP

Kalkhydrat, Zement, Körnung, Additive, Styropor

Systemleichtputz

SLP

Kalkhydrat, Zement, Körnung, Additive, Leichtzuschläge

In Tafel 2 sind die wesentlichen Ergebnisse der Putzversuche zusammengestellt.

In den Zeilen 1, 8 und 9 ist das Urteil der Putzer festgehalten. Im Sprachgebrauch dieser Spezialisten wird mit Leichtigkeit der Kraftaufwand beim Arbeitsgang Abziehen verstanden, Klebrigkeit steht für das Anhaften des Mörtels an der Kartätsche und unter Geschmeidigkeit ist das Verhalten des Putzes in der zweiten Phase, beim Nachziehen fixiert. Diesen Aussagen sind die Angaben zum Ausbreitmaß in Zeile 3 direkt zu zuordnen.

Die Putzereindrücke sind vergleichbar mit den Rheometer-Messergebnissen der Zeilen 2 und 13 bis 16 , da der Mörtel unter gleichen Voraussetzungen geprüft wurde.

Betrachtet man die Angaben in den Zeilen 1, 2 und 3, so kann man feststellen:

  • Nach der Streuung der Ausbreitmaße zu urteilen, wurde mit sehr unterschiedlicher Frischmörtelkonsistenz gespritzt.
  • Sieht man davon ab, dass beim KZLP die Bruchmomente höher liegen als bei der Einschätzung ‚mittel’ der KGPe, so kann ‚Leichtigkeit’ als Synonym für Bruchmoment aufgefasst werden. Damit ist Leichtigkeit durch einen konkreten Zahlenwert beschreibbar. Nach dem derzeitigen Erkenntnisstand müßte eine Skala der Leichtigkeit von 30 bis 150 mNm bzw. von 350 bis 1800 Pa reichen.
    Die in Zeile 2 fett gesetzten Angaben zum Bruchmoment gehören einheitlich zu einem Ausbreitmaß von 166 mm .

Tafel 2
TECHNIKUMsversuche bei Frankenmaxit im Vergleich mit KRIECH-, SPANN- und SCHUBversuchen zur Fixierung von Verarbeitungseigenschaften

Lfd.
Nr.

Material

KGP 1

KGP 2

KZP

KZLP

SLP

Untergrund

1

Leichtigkeit

mittel

mittel

schwer

mittel

leicht

Ziegel-
mauerwerk

2

Bruchmoment

[mNm]

53...61

61...64

70...140

87...109

49...73

Ziegelstein

3

Ausbreitmaß

[mm]

171...176

166...162

176..166

166...164

166...154

-

4

Ausbreitmaß

[mm]

168...166

-

174..166

172...168

171...166

-

5

Bruchmoment

[mNm]

46...49

-

54...53

50...57

29...38

Glas- / Metallplatte

6

Bruchmoment

[mNm]

-

-

77

-

-

Spaltplatte

7

Bruchmoment

[mNm]

-

-

84

-

-

zweifach Papierlage

8

Klebrigkeit

nicht

mäßig

nicht

nicht

nicht

Ziegel-
mauerwerk

9

Geschmeidigkeit

gut

schlecht

gut

gut

gut

Ziegel-
mauerwerk

13

Dj1

[-]

0,087

0,102

0,234

0,179

0,189

Ziegelstein

14

jII,120 / jI,1

[-]

0,544

0,659

0,550

0,542

0,553

Zeigelstein

15

TV / >Dj1

[Nm/Grad]

0,714

0,541

0,441

0,417

0,078

Ziegelstein

16

TV / jII,120

[Nm/Grad]

0,114

0,084

0,188

0,138

0,27

Ziegelstein

 


Als materialtypische Größe kann das Bruchmoment auch unter definierten Laborbedingungengen für Putzmörtel bestimmt werden. Diese Messergebnisse sind in Tafel 2  in den Zeilen 4 bis 7  zu finden. Mit einer Versuchsanordnung entsprechend Abb.4 , also Mörtelkuchen auf dichtem Putzgrund, wurden die Daten in Zeile 5  gefunden. Eine Variation des Putzgrundes, beispielsweise bei  KZP, zeigt die Auswirkungen in den Zeilen 6 und 7.

  • Die Messungen mit dichtem Putzgrund (Glas/Metallplatte als Kuchenunterlage) zeigen verständlicherweise geringere Bruchmomente als die von Zeile 2  her bekannten. Tendenzmäßig stimmen sie jedoch mit den Angaben dort überein.
  • Wird die Kuchenunterlage saugfähig gestaltet, so kommen die Ergebnisse der Laborversuche den Bruchmomenten aus den Technikumsversuchen nahe. (Bei den Versuchen mit der zweifach Papierlage wurden rund 10 % des Anmachwassers abgesaugt).

Für die bei den Technikumsversuchen von den Putzern getroffenen Aussagen zur Klebrigkeit und Geschmeidigkeit des Putzes - siehe Zeile 8 und 9 , lassen die rheologischen Untersuchungen noch Fragen offen. Das liegt einerseits daran, daß Abweichungen vom Wunschzustand des Putzes ‚nicht klebrig’ und ‚gut’ bei der Aussage zur Geschmeidigkeit, ausschließlich - und nicht voneinander zu trennen - bei KGP 2 notiert wurden, anderseits, weil eine Zuordnung zu bekannten physikalischen Begriffen unsicher ist. Zieht man in diesem Zusammenhang die Ergebnisse der Kriechversuche zu Rate, Zeilen 13 bis 16 , so gibt Zeile 14 einen Hinweis. Die dort angegebenen Werte der irreversiblen Deformation jII,120 / jI,1 für KGP 2 weichen auffällig von allen anderen Putzen ab. Aus dieser Feststellung ein Urteil abzuleiten, ist verfrüht, da hierzu die genaue stoffliche Zusammensetzung bekannt sein muß, die leider nicht zur Verfügung steht. Aus den Kriechversuchen kann man dann sicher noch eine Vielzahl von Schlüssen ziehen, wie die Angaben in den Zeilen 13 bis 16 vermuten lassen.

Abb.5

Typischer Momentenverlauf T( j) der Spannversuche aus der KGP-Serie

Zur Klebrigkeit - also einer Kombination von Adhäsions- und Kohäsionskräften - gibt es eine qualitative Information aus dem Momentenverlauf beim Spannversuch. Abb.5  zeigt einen solchen für beide Kalk-Gipsputze. Bei gleichem Ausbreitmaß von 166 mm besitzen beide Putze ein Bruchmoment von rund  60 mNm . Der  KGP 2  zeigt aber im Gegensatz zu  KGP 1  nach der Gefügezerstörung ein wesentlich flacheren Momentenverlauf. Wie Versuche mit anderen Materialien - z.B. Dispersionsklebern - zeigen, ist dieses Verhalten eindeutig durch Klebeigenschaften bedingt. Wenn die Zusammensetzung der Proben bekannt wäre, ließe sich auch sagen, von welcher Gemengekomponente diese herrühren.

Abb.6

Einfluß des MC-Anteiles im Putzmörtel auf den Momentenverlauf bei KZP.

Abb.7

Vergleich der untersuchten Putzmörtel, a = 168 mm.

Dass unter anderem auch der Methyl-Cellulose-Anteil den Kurvenverlauf beeinflusst, soll Abb.6  veranschaulichen. Der Putzmörtel ohne  MC  ist sehr ‚scharf’ , der Bruch erinnert an einen Sprödbruch. Es ist zuerkennen, dass die Beimengung von  MC  nicht nur das Bruchmoment vermindert, sondern auch den Kurvenverlauf abflacht. Zuviel  MC  bedeuted demnach im oben diskutierten Sinne auch Klebrigkeit. Auch für diese Ergebnisse gilt  a = 166 mm .

In Ergänzung von Tafel 2  sind in Abb.7  vergleichbare Ergebnisse der Laboruntersuchungen zusammengestellt. Die Abhängigkeit des Bruchmomentes vom Mörtelhabitus wird damit sehr deutlich, auch ist der tendenzielle Verlauf nach der Zerstörung des Materialgefüges in etwa gleich. Die Abweichung bei KGP 1  im letzten, rechten Teil des Kurvenverlaufes signalisiert leichtes Kleben, was eine Überprüfung der Putzerprotokolle bestätigt.

Ist die Zielsetzung für einen Laborversuch klar, so führt ein geschickter Versuchsaufbau zur Lösung. Zur Verfolgung des Abbindeprozesses wurde z.B. dem Hobart-Mischer eine solche Menge Trockenmörtel zugegeben, dass sie für 4 Proben ausreichte. Nach dem abgeschlossenen Mischvorgang wurden sie in zeitlich dichter Reihenfolge mit Hilfe der bekannten Prozedur ausgebreitet. Zu Beginn der rheologischen Untersuchungen lagen also 4 gleich behandelte Mörtelkuchen vor. Ein Ergebnis aus diesem Versuchskomplex macht Abb.8  deutlich. Offenbar wirkt sich die Standzeit erst aus , wenn Zeiträume über einer halben Stunde zur Rede stehen. Die Tendenz des Bruchverlaufes ist


Abb.8

Einfluß der Abbindezeit auf das Bruchmoment für
KGP 1.

unverändert geblieben. Erst wenn die Größenordnung von zwei Stunden erreicht wird, zeigen sich bei diesem Material Sprödbrucherscheinungen. Dann sollte der Mörtel verworfen werden.

Da über die stoffliche Zusammensetzung der untersuchten Mörtel so gut wie keine quantitativen Angaben gemacht werden können, sind die Ergebnisse der Kriechversuche wenig wert. Um auf den Erkenntnisgewinn zu verweisen, den man damit verschenkt, und um Anregungen für weiterführende Arbeiten zu geben, wird Abb.9  angeführt. Dort werden Kriechversuche der beiden Putze  KGP  und KZLP  miteinander verglichen. Links ist die Darstellung der absoluten Werte zu sehen und rechts ein Ausschnitt einer dimensionslosen Auftragung des Drehwinkels in der Form    j /    j I,1 . Bei gleichem Ausbreitmaß a = 171 mm und gleicher Probenbelastung TV = 15 mNm zeichnen sich




Abb.9 Ausgewählte Kriechversuche von KGP- und KZLP-Untersuchungen



Materialunterschiede recht deutlich ab. Benutzt man für die Auswertung des Rückverformungsbereiches eine Exp.-Funktion der Form

bzw. in dimensionsloser Schreibweise

,

so liefert der Kriechversuch - siehe auch Abb.1 - insgesamt 7 Informationen und zwar die direkten

jI,1;  jII,1  ;  jII,120  bzw.  jII,¥   und die indirekten Meßgrößen

a ;  b ;  c ;  tanb  .

Aus der Darstellung der absoluten Messwerte in Abb.9 erkennt man den Unterschied in der Größenordnung der zuerst genannten Gruppe, die dimensionslose Darstellung vermittelt einen Eindruck zu den Differenzen in der zweiten Wertegruppe.

 

Zusammenfassung und Schlussfolgerungen

Es wird über Putzmörteltests im Technikum und Labor berichtet. Konventionelle Putzereinschätzungen zur Verarbeitbarkeit der Putze werden rheologischen Messungen gegenübergestellt. Die mit einer neuen Gerätetechnik bestimmten Frischmörteleigenschaften können den praktischen Erfahrungen bei der Verarbeitung zu geordnet werden. Wie der Vergleich der rheologischen Messungen mit Putzeraussagen zeigt, gibt es keine grundsätzlichen Diskrepanzen. Darüber hinaus liefern die rheologischen Kennwerte wertvolle Hinweise zur Qualitätskontrolle und für Neuentwicklungen von Putzen.

Zur weiteren Vervollkommnung der Aussagekraft der Rheometer-Ergebnisse, insbesondere im Zusammenhang mit dem Kriechversuch, müssen über Modellgemenge gezielt Stoffparameter herausgearbeitet werden.

 

 

 

Verfasser

Prof. Dr.-Ing. habil. Ruprecht Vogel
Dipl.-Ing. Gert-Erik Vogel

R. VOGEL - FORSCHUNG
Labor für Strömungs- und Schüttguttechnik
Malerstieg 6
D – 99 425 WEIMAR

 

Dipl.-Ing. Friedbert Scharfe
Dipl.-Ing. Christin Andratschke
 

Franken MAXIT GmbH & Co
Azendorf 63
D – 95 359 KASENDORF