Schaumbildner für Schaumbeton
Der Schaumbildner ist massebezogen der kleinste Bestandteil einer Schaumbetonmischung und derjenige, der ihr Verhalten am stärksten bestimmt. Er legt Blasengröße, Schaumstabilität und die niedrigste zuverlässig herstellbare Rohdichte fest — und über alle drei die Festigkeit des erhärteten Baustoffs.
Die Aufgabe eines Schaumbildners
Ein Schaumbildner ist eine grenzflächenaktive Substanz in wässriger Lösung. Im Schaumgenerator mit Druckluft verwirbelt, ergibt sie eine Masse dünnwandiger Blasen. Diese Blasen müssen anschließend drei aufeinanderfolgende Belastungen überstehen:
- Das Mischen. Die Einarbeitung in eine dichte, stark alkalische und abrasive Zementschlämme, ohne zu koaleszieren oder zusammenzufallen.
- Förderung und Einbau. Das Pumpen über unter Umständen mehr als hundert Meter und mehrere Geschosse, unter einem Druck, der jede Blase komprimiert und wieder entspannt.
- Die Ruhephase. Das Ausharren über die zwei bis sechs Stunden zwischen Einbau und dem Zeitpunkt, an dem der Zementleim das Porengefüge selbst trägt. Hier scheitern die meisten Anwendungen: Der Schaum entwässert, die Blasen wandern nach oben und vereinigen sich, das Bauteil sackt — und es entsteht ein Rohdichtegradient von unten nach oben sowie eine Rohdichte deutlich über dem Zielwert.
Ein Mittel, das im Eimer prächtigen Schaum liefert und die dritte Prüfung nicht besteht, ist wertlos. Nicht das Schaumvolumen, sondern die Schaumstabilität im Kontakt mit Zementleim ist die maßgebende Eigenschaft.
Woran sich Schaumqualität bemisst
Schaumdichte
Gemessen, indem ein Gefäß bekannten Volumens mit Schaum gefüllt und gewogen wird, üblicherweise in Gramm je Liter. Industrieller Vorschaum wird normalerweise mit 40 bis 80 g/l erzeugt, das übliche Arbeitsfenster liegt bei 45 bis 60 g/l. Schaum unter etwa 35 g/l führt so wenig Wasser mit, dass er die umgebende Mischung austrocknet, und ist meist fragil; über etwa 90 g/l ist der Schaum nass, entwässert schnell und bringt unerwünschtes Wasser in die Mischung ein.
Blasengröße und -verteilung
Feine, gleichmäßige, geschlossene Kugelporen im Bereich 0,1 bis 0,5 mm ergeben die beste Festigkeit bei gegebener Rohdichte. Grobe oder unregelmäßige Poren wirken als Fehlstellen und Spannungskonzentrationen. Der Effekt ist erheblich: Untersuchungen zur Porenstruktur zeigen durchgängig, dass Schaumbeton bei gleicher Rohdichte mit engerer Porengrößenverteilung und weniger zusammengewachsenen Poren deutlich höhere Druckfestigkeiten erreicht. Die Blasengröße hängt vom Schaumbildner, von der Generatorbauart und vom Luftdruck ab — in dieser Reihenfolge.
Stabilität, gemessen als Entwässerung oder Halbwertszeit
Stehender Schaum verliert Wasser aus seinen Lamellen an die Schwerkraft. Das übliche Labormaß ist die Zeit, bis die Hälfte der Flüssigkeit abgelaufen ist. Praktisch muss ein Schaum, der Kontakt mit Zementleim, Pumpen und Ruhephase überstehen soll, eine Halbwertszeit deutlich über der Zeitspanne von der Erzeugung bis zum Ansteifen haben — mit Reserve für Verzögerungen auf der Baustelle.
Warum die niedrigste erreichbare Rohdichte eine Eigenschaft des Mittels ist
Bei 1200 kg/m3 ist der Zementleim dick, der Luftanteil mäßig, und nahezu jedes brauchbare Mittel hält. Bei 150 kg/m3 besteht der Baustoff zu über 90 Volumenprozent aus Luft, der Zementleimfilm zwischen den Blasen ist wenige zehn Mikrometer dick, und nur ein Schaum mit sehr hoher Eigenstabilität übersteht die Zeit bis zum Erstarren. Die praktische Rohdichteuntergrenze eines Schaumbetonwerks bestimmt sein Schaumbildner, nicht sein Mischer und nicht sein Zement.
Proteinhydrolysate
Die klassischen industriellen Schaumbildner sind Proteinhydrolysate: keratinreiche tierische Nebenprodukte — Horn, Hufe, Haare, Borsten, Federn — oder Blut- und Knochenmehl, durch alkalische oder saure Hydrolyse in ein Gemisch aus Polypeptiden und freien Aminosäuren aufgeschlossen. Die entstehende Lösung ist stark grenzflächenaktiv, und die Polypeptidketten bilden an der Luft-Wasser-Grenzfläche einen vergleichsweise dicken, viskoelastischen Film.
Stärken
- Der Grenzflächenfilm ist mechanisch fest; die Blasen widerstehen der Koaleszenz unter Scherung und unter den Druckwechseln beim Pumpen.
- Die Blasengröße ist von Natur aus fein und die Verteilung eng.
- Die Entwässerung ist langsam, was eine lange Verarbeitungsstabilität und gutes Verhalten bei niedrigen Rohdichten ergibt.
- Bei gegebener Trockenrohdichte liegt die Festigkeit typischerweise über der eines synthetischen Mittels, weil das Porengefüge feiner und regelmäßiger ist.
Schwächen
- Geruch. Hydrolysiertes tierisches Protein riecht — im Gebinde und schwach auch im Frischbaustoff. In geschlossenen oder genutzten Gebäuden ist das eine reale Einschränkung.
- Chargenschwankungen. Die Hydrolyse eines heterogenen biologischen Rohstoffs ergibt eine Molmassenverteilung, die zwischen Chargen wandert. Zwei Gebinde desselben Produkts können unterschiedlich schäumen.
- Lagerfähigkeit. Die Lösungen sind biologisch aktiv, altern und reagieren empfindlich auf Hitze und Frost. Die nutzbare Lagerzeit beträgt Monate, nicht Jahre.
- Ergiebigkeit. Die Aufschäumverhältnisse sind niedriger als bei Synthetika, der Konzentratverbrauch je Kubikmeter entsprechend höher.
- Beschaffung. Tierische Rohstoffe werfen Lieferketten-, religionsrechtliche und beschaffungspolitische Fragen auf, die manche Auftraggeber nicht akzeptieren.
Synthetische Tenside
Die Alternative ist eine formulierte Mischung synthetischer Tenside — meist anionische Typen wie Alkylsulfate, Alkylethersulfate und Alkylbenzolsulfonate, häufig mit amphoteren Cotensiden wie Betainen, dazu Lösungsmittel und stabilisierende Polymere.
Vorteile
- Gleichmäßigkeit. Eine definierte chemische Rezeptur ergibt praktisch identisches Verhalten von Gebinde zu Gebinde und von Jahr zu Jahr.
- Lagerfähigkeit. In der Regel ein Jahr und mehr, bei weiter Temperaturtoleranz.
- Hohe Ergiebigkeit. Mehr Liter Schaum je Liter Konzentrat, also geringere Kosten je Kubikmeter.
- Geruchsfrei, einfach zu handhaben und ohne tierische Bestandteile.
Grenzen
Tensidfilme sind dünn und beweglich. Sie stabilisieren eine Blase während ihrer Entstehung wirksam, widerstehen der Koaleszenz über die Zeit aber schlechter. In der Praxis zeigt sich das in größeren und ungleichmäßigeren Poren, schnellerer Entwässerung und einer höheren praktischen Rohdichteuntergrenze. Im Bereich von 600 bis 1600 kg/m3, der den Großteil der Block- und Estrichproduktion abdeckt, sind synthetische Mittel uneingeschränkt zuverlässig; unterhalb von rund 400 kg/m3 erfordern sie sorgfältige Formulierung und Prozessführung, und die sehr niedrigen Rohdichten sind schwer konstant zu halten. Vergleichende Untersuchungen finden wiederholt niedrigere Druckfestigkeiten bei gleicher Rohdichte gegenüber Proteinmitteln — zurückzuführen auf das gröbere Porengefüge, nicht auf eine chemische Wirkung auf die Hydratation.
Proteine biotechnologischen Ursprungs
Eine dritte Familie steht zwischen beiden. Diese Mittel sind proteinbasiert und teilen damit den mechanisch festen Grenzflächenfilm, der Proteinschäume stabil macht — die Proteine werden jedoch auf biotechnologischem Weg, typischerweise durch mikrobielle Fermentation, hergestellt und nicht durch Hydrolyse tierischer Nebenprodukte gewonnen. Die Hersteller beschreiben die Wirkstoffe als hochaktive Proteine biotechnologischen Ursprungs, ausdrücklich nicht als Ergebnis einer Proteinhydrolyse; die Formulierungen werden häufig als enzymbasierte oder enzymatische Schaumbildner bezeichnet.
Die geltend gemachte technische Folge des anderen Ursprungs ist eine definierte, reproduzierbare Molekülspezies anstelle eines Hydrolyseprodukts mit breiter Molmassenverteilung. Daraus sollen folgen:
- ein sehr feines und gleichmäßiges Blasengefüge, feiner als bei einem üblichen Hydrolysat;
- hohe Stabilität und langsame Entwässerung, also ein langes Verarbeitungsfenster;
- Chargenkonstanz auf dem Niveau eines synthetischen Mittels;
- neutraler Geruch, da kein tierischer Rohstoff eingesetzt wird;
- stabile Herstellung sehr niedriger Rohdichten — bis herunter zu etwa 75 kg/m3, also an oder unter der praktischen Grenze gewöhnlicher Hydrolysate und deutlich unter dem, was synthetische Mittel zuverlässig halten.
Wie belastbar ist das?
Die Unterscheidung zwischen hydrolysiertem tierischem Protein und Protein biotechnologischen Ursprungs wurde kommerziell eingeführt, und die obigen Leistungsangaben stammen aus technischen Unterlagen der Hersteller. Unabhängige begutachtete Vergleiche biotechnologischer Proteinmittel gegen die beiden anderen Familien sind rar: Die veröffentlichte Vergleichsarbeit, etwa Panesar (2013), behandelt Protein gegen synthetisch. Wer bei 75 bis 150 kg/m3 ausschreibt, sollte Eignungsprüfungen mit dem tatsächlich vorgesehenen Zement und Wasser fordern und Rohdichte und Festigkeit am erhärteten Baustoff nachweisen lassen, statt sich auf Datenblätter zu verlassen.
Die drei Familien im Vergleich
| Eigenschaft | Proteinhydrolysat | Synthetisches Tensid | Biotechnologisches Protein |
|---|---|---|---|
| Ursprung | Hydrolysierte tierische Nebenprodukte | Petrochemische Tenside | Fermentativ erzeugtes Protein |
| Blasengefüge | Fein, gleichmäßig | Gröber, breitere Verteilung | Sehr fein, gleichmäßig (Herstellerangabe) |
| Schaumstabilität | Hoch | Mittel | Hoch (Herstellerangabe) |
| Praktische Rohdichteuntergrenze | ~150 kg/m3 | ~300–400 kg/m3 | ~75 kg/m3 (Herstellerangabe) |
| Festigkeit bei gleicher Rohdichte | Höher | Niedriger | Höher (Herstellerangabe) |
| Ergiebigkeit | Geringer | Höher | Mittel |
| Chargenkonstanz | Schwankend | Sehr gut | Gut |
| Lagerfähigkeit | Monate | 12 Monate und mehr | Herstellerabhängig |
| Geruch | Deutlich | Keiner | Neutral |
| Unabhängige Datenlage | Umfangreich | Umfangreich | Begrenzt |
Stabilisatoren und weitere Zusatzmittel
Die Schaumstabilität lässt sich auch von der Zementleimseite her verbessern. Die üblichen Ansätze:
- Viskositätsmodifizierer. Celluloseether, Welan- und Xanthangummi verdicken die Porenlösung und verlangsamen die Entwässerung zwischen den Blasen. Wirksam und verbreitet, um den Preis einer steiferen Frischmischung.
- Feine mineralische Zusatzstoffe. Silicastaub, feine Flugasche und Kalksteinmehl erhöhen die Kohäsion und können Feststoffpartikel an der Blasengrenzfläche anlagern, die die Koaleszenz mechanisch behindern.
- Polymerdispersionen. Verbessern das Zugverhalten der dünnen Zementsteinfilme und mindern Schwindrisse, zu deutlichen Mehrkosten.
- Beschleuniger. Die Ruhephase zu verkürzen ist der direkteste Weg zu Schaumstabilität, weil er die Zeit verkürzt, die der Schaum überstehen muss. Calciumformiat ist verbreitet; chloridhaltige Beschleuniger scheiden bei einbetoniertem Stahl aus.
- Fasern. Polypropylen- und Glasfasern begrenzen Früh- und Trocknungsschwindrisse. Sie stabilisieren den Schaum nicht und können oberhalb von etwa 0,5 Volumenprozent das Fließverhalten stören, auf das der Baustoff angewiesen ist. Der Übersichtsbeitrag von Amran und Mitautoren (2020) in Materials ist die Standardquelle dazu.
Fließmittel
Fließmittel wirken luftaustreibend. Ein Polycarboxylatether, in den für Konstruktionsbeton üblichen Mengen in eine Schaumbetonmischung dosiert, entzieht einen erheblichen Teil des Schaums, und die Rohdichte fällt zu hoch aus. Wo Wasserreduktion wirklich nötig ist, gehört das Fließmittel in die Grundmischung vor der Schaumzugabe, die Dosierung bleibt minimal, und die Frischrohdichte ist bei jeder Eignungsprüfung nachzuweisen.
Verdünnung, Dosierung und Prüfung
Schaumbildner werden als Konzentrat geliefert und vor dem Generator mit Wasser verdünnt. Üblich ist 1 Teil Konzentrat auf 20 bis 40 Teile Wasser, maßgeblich ist stets die Herstellerangabe. Diese Lösung wird anschließend mit Druckluft etwa auf das 15- bis 25-fache ihres Volumens aufgeschäumt, bis die Ziel-Schaumdichte erreicht ist.
Ein Zahlenbeispiel: Für 1 m3 Schaumbeton mit 400 kg/m3 werden rund 600 bis 700 Liter Schaum benötigt. Bei 50 g/l enthält dieser Schaum etwa 30 bis 35 kg Schaumlösung, was bei einer Verdünnung von 1:30 rund 1 Liter Konzentrat entspricht. Etwa ein Liter Schaumbildner je Kubikmeter Leichtmaterial ist damit ein brauchbarer erster Kalkulationsansatz; der Wert sinkt mit steigender Rohdichte.
Prüfverfahren
- ASTM C869 — Spezifikation für Schaumbildner zur Herstellung von Vorschaum für Zellenbeton. Die Anforderung, gegen die eingekauft wird.
- ASTM C796 — Prüfverfahren für Schaumbildner zur Herstellung von Zellenbeton mit Vorschaum. Das Verfahren, mit dem die Konformität nach C869 nachgewiesen wird.
- ASTM C495 — Druckfestigkeit von dämmendem Leichtbeton, für den erhärteten Baustoff.
Im laufenden Betrieb fangen zwei Prüfungen fast alles ab: eine Schaumdichtemessung am Generatorausgang zu Schichtbeginn und eine Frischrohdichtemessung an jeder Charge. Beide dauern unter einer Minute. Die Rechenwege stehen unter Mischungsentwurf, der normative Rahmen unter Normen.
Auswahl eines Schaumbildners
| Aufgabe | Ansatz | Begründung |
|---|---|---|
| Grabenverfüllung, Hohlraumverfüllung bei 400–800 kg/m3 | Synthetisch | Kosten und Konstanz entscheiden; die Rohdichte liegt bequem im Bereich |
| Stein- und Plattenfertigung bei 500–1200 kg/m3 | Synthetisch, bei knapper Festigkeit Protein | Hoher Durchsatz, lange Lagerfähigkeit; Protein bringt Festigkeit bei gleicher Rohdichte |
| Dämmschüttungen und -platten bei 150–300 kg/m3 | Protein oder biotechnologisch | Die Schaumstabilität entscheidet; Synthetika halten die Rohdichte kaum |
| Ultraleicht unter 150 kg/m3 | Biotechnologisch, mit Eignungsprüfung | Nur sehr stabile Schäume überstehen einen derart dünnen Zementleimfilm |
| Geschlossene oder genutzte Gebäude | Synthetisch oder biotechnologisch | Der Geruch schließt Hydrolysate aus |
| Lange Förderwege oder heißes Klima | Protein oder biotechnologisch | Druckwechsel und Wärme beschleunigen beide die Koaleszenz |
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Schaumbildner für zementgebundenen Leichtbeton.
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