Chemie für nachhaltige Baustoffe

Hochalkalische Hydrogele gewinnen in der Baustoffforschung zunehmend an Bedeutung. Wir konnten mehrfach zeigen, dass insbesondere kationische alkalische Hydrogele auf Basis von Diallyldimethylammoniumhydroxid (DADMAOH) effektiv zur Abdichtung wasserführender Risse oder als Kopplungsmedien für die elektrochemische Chloridextraktion eingesetzt werden können. Das Upscaling stellt eine Herausforderung dar, da sich kommerzielle kationenselektive Membranen hier als wenig effektiv erwiesen. Auf der anderen Seite können neutrale Gele und Gelpartikel leicht aus Diallyldimethylammoniumchlorid (DADMAC) in großen Mengen und mit einer breiten Spektrum an Zusammensetzungen hergestellt werden. Hier wird gezeigt, dass diese neutralen Gelpartikel mittels inversem statischem Anionenaustausch in NaOH-Lösung in DADMAOH-Partikel mit Resthalogenidgehalten von <0,3 % überführt werden können. Die physikalischen und chemischen Eigenschaften der alkalischen Partikel entsprechen denen der alkalischen Gele und erfüllen alle notwendigen Anforderungen für Baustoffanwendungen, sind aber deutlich einfacher herzustellen.

T. B. Mrohs, O.Weichold
A Simple Preparation of Crosslinked, Highly Alkaline Diallyldimethylammonium Hydroxide Hydrogel Particles via Inverse Static Anion Exchange
Gels 2024, 10, 743. https://doi.org/10.3390/gels10110743 (open access)

Im Rahmen unserer Arbeiten zu hochalkalischen Diallyldimethylammoniumhydroxid-(DADMAOH)-Hydrogelen zur Instandsetzung von mineralischen Baustoffen haben T. Mrohs und O. Weichold die Beständigkeit der vier oben gezeigten Vernetzer untersucht. Klassische Amide wie N,N′-Methylenbisacrylamid (BIS) zersetzen sich durch langsame Hydrolyse, was zur Verflüssigung der Gele führt. Überraschend schnell zersetzt sich N,N,N′,N′-Tetraallylpiperaziniumdibromid (1b) aufgrund chemischer Instabilitäten. Dagegen zeigen Hydrogele mit Tetraallylammoniumbromid (1a) oder N,N,N′,N′-Tetraallyltrimethylendipiperidindibromid (1c) selbst nach 28 Tagen bei 60 °C keine Spuren von Abbauprodukten. Dies entspricht einer Haltbarkeit von über 15 Monaten bei Raumtemperatur – ausreichend für Anwendungen wie Realkalisation oder Chloridextraktion. Diese Ergebnisse zeigen, dass solche innovativen Materialien ideal für langlebige Bauanwendungen sind.

T. B. Mrohs, O. Weichold
Hydrolytic Stability of Crosslinked, Highly Alkaline Diallyldimethylammonium Hydroxide Hydrogels
Gels 2022, 8, 669. https://doi.org/10.3390/gels8100669

Alkalische Hydrogele auf Basis von Diallyldimethylammoniumhydroxid (DADMAOH) können 3 wichtige Funktionen von Reparaturmaterialien für gerissenen Beton erfüllen: Abdichtung des Risses, um das Austreten von Wasser zu verhindern, Re-Alkalisierung von carbonatisiertem Zementstein, was den Alkalipuffer wiederherstellt, und die Re-Passivierung der Stahlbewehrung, wodurch die Korrosion der Bewehrung verhindert wird. In einem Proof-of-Concept-Experiment wurden z. B. die Abdichtungseigenschaften des Gels erfolgreich an einem gerissenen Probekörper getestet, wobei unter einem Wasserdruck von 5 Metern über 28 Tage keine Leckage beobachtet wurde (WTA-Test W2.1-E).

A. Jung, O. Weichold
A 3-in-1 alkaline gel for the crack injection in cement-based materials with simultaneous corrosion protection and re-passivation of crack-crossing steel rebars
Construction Building Mater. 2022, 344, 128092. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2022.128092