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Die vorliegende Erfindung betrifft eine silikatische Baustoffmischung. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Baustoffmischung, die als wasserfester und chemikalienbeständiger Ersatz für herkömmlichen Zement und Epoxidharze verwendet werden kann.
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Herkömmliche Zemente, wie beispielsweise Portlandzement, werden weit verbreitet in der Bauindustrie verwendet. Dabei stellt Zement ein hydraulisches Bindemittel für Stoffe wie Mörtel und Beton dar. Nach Anrühren mit Wasser härtet Zement infolge einer chemischen Reaktion mit dem Wasser selbständig zu einem Baustoff aus und bleibt auch nach dem Erhärten fest und raumbeständig.
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Mit immer anspruchsvolleren Bauvorhaben wachsen auch die Anforderungen an einen Baustoff. Es ist jedoch zunehmend wünschenswert, dass der Baustoff auch gegenüber einer Vielzahl von chemischen Substanzen inert ist, d. h. von diversen Chemikalien, denen ein Baustoff ausgesetzt sein kann, nicht angegriffen oder zersetzt wird, und somit die Struktur auch nach Aussetzen gegenüber chemisch aggressiven Substanzen beibehalten wird.
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Aus den Schriften
EP 1 081 114 A1 und
EP 1 236 702 A1 sind Baustoffmischungen für chemikalienbeständige Mörtel bekannt. Gemäß beiden Schriften wird dort neben einem herkömmlichen Zement zusätzlich Wasserglaspulver zugesetzt, um eine höhere Chemikalienbeständigkeit zu erreichen. Diese Mischungen besitzen jedoch den Nachteil, dass sie, wie herkömmlicher Zement, lediglich in einem engen Temperaturbereich von etwa 10 bis 30°C verarbeitet werden können. Die Verarbeitung bei niedrigeren Temperaturen, beispielsweise Temperaturen knapp oberhalb des Gefrierpunktes, oder bei erhöhten Temperaturen, beispielsweise oberhalb von 30°C, ist mit derartigen Mischungen sehr erschwert oder teilweise unmöglich. Die Beständigkeit der ausgehärteten Materialien ist ebenfalls beschränkt. Darüber hinaus sind die in den oben genannten Schriften offenbarten Baustoffmischungen oft empfindlich gegenüber zusätzlichem Eintrag von herkömmlichem Zement, wie er beispielsweise in den Anmachgefäßen als verbleibender Rest vorkommen kann. Schließlich besitzen die mit den oben genannten Mischungen hergestellten Mörtel den Nachteil, dass diese häufig eine lange Aushärtezeit benötigen, bis sie ihre endgültige Belastbarkeit erreicht haben, dabei leicht eine Rissbildung in der Oberfläche der Mörtel einsetzt und sie zudem nicht gegenüber erhöhten Wasserdrücken stabil bzw. sogar wasserundurchlässig sind.
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Alle oben genannten Baustoffmischungen reagieren hydraulisch, d. h., sie binden mit Wasser ab. Bei der Verarbeitung solcher Baustoffmischungen bei erhöhten Temperaturen verdampft das für die Verarbeitung und das Abbinden verwendete Wasser jedoch sehr leicht. Dadurch wird der aushärtenden Mischung das essentielle Reaktionspartner Wasser entzogen, der somit der Reaktion nicht mehr in ausreichender Menge zur Verfügung steht. Die Folgen sind zum Beispiel Rissbildung, eine schlechte Kratzhärte und eine schlechte Haftung am Untergrund. Diese Nachteile können durch eine schnelle Verarbeitung oder einen erhöhten Wassereintrag lediglich teilweise ausgeglichen werden. Oft werden dadurch jedoch andere Nachteile hervorgerufen.
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Aus der
DE 30 43 856 C2 ist eine kalt abbindende, feuerfeste Bindemittelzubereitung bekannt, welche schwer lösliche Phosphate sowie Alkalisilikate, Kieselsäure und Zeolith enthält. Die
DE 690 20 729 T2 betrifft einen Dämmstoff umfassend Mineralfasern und ein Bindemittel, das vorwiegend aus Wasserglas und aus Schlacke oder einem anderen Material, das mit Wasserglas eine hydraulische Bindung bildet, besteht.
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Es besteht daher ein Bedarf an einem leicht zu verarbeitenden, in einem weiten Temperaturbereich einsatzfähigen, schnell härtenden, Wasser- und chemikalienbeständigen Mörtel auf Grundlage einer Baustoffmischung, der bereits kurz nach seiner Verarbeitung voll belastbar ist.
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Diese und weitere Aufgaben werden durch eine Baustoffmischung gemäß Anspruch 1 und die Verwendung der Baustoffmischung gemäß den Ansprüchen 17 und 18 gelöst.
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In einem ersten Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung eine Baustoffmischung, die mindestens ein Wasserglaspulver, mindestens einen Wasserglashärter und mindestens ein latent hydraulisches oder puzzolanisches Bindemittel enthält und ferner einen Gehalt eines Chelat bildenden Komplexierungsmittels für Calciumionen besitzt.
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Durch die Zugabe eines Komplexierungsmittels zu der Wasserglasmischung können Ionen komplexiert werden, welche die Reaktion zum Aushärten des Wasserglaspulvers nachteilig beeinflussen. Ein Beispiel hierfür sind Calciumionen, die äußerst schnell mit Wasserglas in einer Konkurrenzreaktion zur gewünschten Aushärtereaktion reagieren. Durch die Zugabe eines Komplexierungsmittels lässt sich somit die Aushärtung besser kontrollieren, da störende Ionen, selbst wenn sie in zuvor unbekannter Menge vorliegen, durch das Komplexierungsmittel abgefangen werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine Baustoffmischung bereitgestellt, die 4 bis 25 Gew.-% mindestens eines Wasserglaspulvers, 0,2 bis 10 Gew.-% mindestens eines Wasserglashärters, 10 bis 70 Gew.-% mindestens eines latent hydraulischen oder puzzolanischen Bindemittels, sowie 0,05 bis 0,8 Gew.-% eines Komplexbildners enthält.
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Die Angabe Gew.-% bezieht sich hierin stets, sofern nicht explizit anderes angegeben, auf das Gesamtgewicht der Baustoffmischung in trockenem Zustand, d. h. vor Zugabe einer Anmachflüssigkeit. Die Gew.%-Angaben aller Komponenten einer Baustoffmischung addieren sich zu 100 Gew.-%.
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Bei dem Wasserglaspulver, das in der vorliegenden Erfindung Verwendung findet, kann es sich um wasserlösliche Alkalisilikate handeln. Dies sind glasartige, nicht kristalline Verbindungen mit der Zusammensetzung M2O·n SiO2 mit n zwischen 1 und 4. Dabei bezeichnet n das Modul des Wasserglaspulvers, d. h. das Molverhältnis des Siliziumdioxides SiO2 zu dem Alkalioxid des Wasserglaspulvers. Da es sich bei Wasserglaspulver um Alkalisilikate handelt, steht M für ein Alkalimetall, bevorzugt für Lithium (Li), Natrium (Na) oder Kalium (K), d. h. Lithiumwasserglas, Natriumwasserglas oder Kaliumwasserglas. Natrium- und Kaliumwasserglaspulver sind hier bevorzugt, wobei Kaliumwasserglaspulveram bevorzugtesten ist. Neben den Alkaliwassergläsern ist es jedoch auch möglich, Magnesiumwasserglas (MgO·n SiO2) oder beliebige Mischung der genannten Wassergläser zu verwenden. Mischungen beliebiger Art von verschiedenen Wassergläsern können gegebenenfalls auch verwendet werden, beispielsweise Lithiumwasserglas mit Natrium- und/oder Kaliumwasserglas, oder auch Magnesiumwasserglas mit Natrium- und/oder Kaliumwasserglas, wobei die Hauptmenge (mehr als 50% oder mehr als 80% des Wasserglasgehalts stets Kalium- und/oder Natriumwasserglas sind.
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Das Modul des Wasserglaspulvers liegt in einem Bereich von 1,5 bis 4, bevorzugt im Bereich von 1,5 bis 3,5, weiter bevorzugt im Bereich von 1,7 bis 2,5.
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Das Wasserglaspulver wird in der Baustoffmischung unabhängig von den anderen Komponenten bevorzugt in einem Bereich von 4 bis 25 Gew.-%, weiter bevorzugt in einem Bereich von 5 bis 20 Gew.-%, und am bevorzugtesten in einem Bereich von 7,5 bis 18 Gew.-% eingesetzt. Weitere bevorzugte Bereiche für die Menge an Wasserglaspulver sind mindestens 10 Gew.-%, bevorzugter im Bereich von 10 bis 20 Gew.-%, weiter bevorzugt von 12 bis 20 Gew.-% und am bevorzugtesten von 15 bis 18 Gew.-%.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es besonders vorteilhaft, wenn die Baustoffmischung bezüglich des aushärtenden Materials eine rein silikatische Baustoffmischung ist, d. h. neben dem Wasserglaspulver keinen oder im Wesentlichen keinen Zement enthält. Bevorzugt ist der Zementgehalt der Baustoffmischung geringer als 1 Gew.-%, weiter bevorzugt geringer als 0,5 Gew.-% oder im Bereich von 0,1 bis 0,5 Gew.-%, noch weiter bevorzugt geringer als 0,1 Gew.-% und am bevorzugtesten ist die Baustoffmischung im Wesentlichen frei von Zement.
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Im Allgemeinen soll hier unter einem Zement ein kieselsaures Calcium verstanden werden, das nach Versetzen mit Wasser eine Calciumsilicathydrat-Phase (CSH-Phase) ausbildet und somit zu der Gruppe der hydraulischen Bindemittel gehört. Latent hydraulische Bindemittel fallen im Gegensatz dazu nicht unter den Begriff des Zements.
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Unter einer Baustoffmischung wird im Rahmen dieser Anmeldung eine Mischung verschiedener Stoffe verstanden, die mit einem Lösungsmittel angerührt werden kann. Die mit einem Lösungsmittel angerührte Baustoffmischung wird in dieser Anmeldung als Mörtel bezeichnet, unabhängig davon, ob es sich um eine erfindungsgemäße Baustoffmischung oder eine Baustoffmischung aus dem Stand der Technik handelt. Schließlich wird das ausgehärtete Produkt des Mörtels als Baustoff bezeichnet.
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Zum Aushärten des Wasserglaspulvers wird der Baustoffmischung mindestens ein Wasserglashärter zugegeben. Bevorzugt wird der Wasserglashärter in einer Menge von 0,2 bis 10 Gew.-%, weiter bevorzugt in einer Menge von 2 bis 10 Gew.-%, noch weiter bevorzugt in einer Menge von 4 bis 10 Gew.-% und am bevorzugtesten in einer Menge von 4,5 bis 10 Gew.-% zugegeben.
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Durch die zugegebene Menge an Wasserglashärter kann die Geschwindigkeit des Aushärtens des Mörtels gezielt gesteuert werden. Da der Mörtel auf Grundlage der vorliegende Baustoffmischung im Wesentlichen durch die Zugaben des Wasserglashärters aushärtet und aufgrund der Präsenz von Komplexierungsmitteln nicht durch unerwünschte Nebenreaktionen gestört wird, kann die Menge an Wasserglashärter auf die gegebenen Bedingungen, wie beispielsweise Temperatur oder Feuchtigkeit, eingestellt werden. Störende Nebenreaktionen können beispielsweise durch das Vorliegen von Zement auftreten, der auch als Rest störend wirken kann. Somit ist es beispielsweise möglich, durch die Zugabe eines höheren Gehaltes an Wasserglashärter eine Baustoffmischung bereitzustellen, deren Mörtel auch noch bei geringeren Temperaturen innerhalb einer akzeptablen Zeit aushärten kann. Beispielsweise kann somit ein Mörtel bereit gestellt werden, der bei Temperaturen knapp oberhalb des Gefrierpunktes, wie Temperaturen im Bereich von 0 bis 10°C, beispielsweise innerhalb eines Tages aushärtet.
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Durch das Eliminieren unerwünschter Nebenreaktionen ist es damit möglich, die gewünschte Aushärtungsreaktion durch Zugabe der Menge an Wasserglashärtungsmittel verlässlich und gezielt zu steuern. Ohne auf einen Mechanismus des Aushärtens festgelegt sein zu wollen, wird angenommen, dass durch die sauer reagierenden Wasserglashärter, wie beispielsweise Phosphorsäure oder Aluminiumoxid, aus dem Wasserglas eine Kieselsäure (z. B. H2SiO3) entsteht, die mit weiterer Kieselsäure zu einem Silikatgitter kondensiert.
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Wasser selbst nimmt an der Aushärtungsreaktion nicht teil. Es wird lediglich als Löse- bzw. Aufschlämmmittel verwendet. Daher kann die vorliegende Mischung auch bei erhöhten Temperaturen verwendet werden, wenn vermehrt Wasser aus der angerührten Baustoffmischung verdampft, da das Aushärten nicht von Wasser abhängig ist. Teilweise kann es sogar als Vorteil angesehen werden, wenn das Wasser schneller verdampft, da dadurch eine schnellere Wasserbeständigkeit, Abdichtung und Durchhärtung erzielt werden kann.
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Als Wasserglashärter kann jede beliebige Verbindung verwendet werden, die dem Fachmann als Wasserglashärter bekannt ist. Bevorzugt ist der Wasserglashärter eine organische Säure, wie beispielsweise Glykolsäure, Ascorbinsäure, Weinsäure, Bernsteinsäure und/oder Zitronensäure. Aber auch anorganische Säuren können verwendet werden, bevorzugt Kieselsäure, Borsäure, Magnesiumsilicofluorid, Natriumtrichloracetat, ein Phosphat- oder Polyphosphatsalz (Phosphathärter), wie beispielsweise ein Aluminiumphosphat oder -polyphosphat, Zinkhexafluorosilikat, Magnesiumhexafluorosilikat und/oder Natriumhexafluorosilikat. Auch Mischungen verschiedener Säuren, insbesondere der oben genannten Säuren, sind möglich. Besonders bevorzugt ist eine Mischung aus einem Aluminiumphosphat in einer Menge von 2-10 Gew.-%, vorzugsweise 2-6 Gew.-%, und Ascorbinsäure.
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Gemäß einer anderen Weiterbildung der Erfindung enthält die Baustoffmischung als Härter 0,2 bis 2 Gew.-% Glykolsäure und/oder 0,2 bis 2 Gew.-% Ascorbinsäure und/oder 0,2 bis 2 Gew.-% Natriumtrichloracetat und/oder 2 bis 10 Gew.-% eines Phosphathärters, vorzugsweise 2 bis 8 Gew.-% Aluminiumphosphate bzw. Aluminiumpolyphosphate.
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Die Aushärtegeschwindigkeit kann über den Säureanteil und die Stärke der Säure eingestellt werden. Dabei können starke Säuren die Aushärtung beschleunigen und schwache Säuren zu einer längeren Aushärtung führen.
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Als einen der Hauptbestandteile enthält die erfindungsgemäße Baustoffmischung mindestens ein latent hydraulisches oder puzzolanisches Bindemittel. Es können auch sowohl latent hydraulische als auch puzzolanische Bindemittel und Mischungen beider vorliegen. Diese hydraulischen und/oder puzzolanischen Bindemittel werden bevorzugt insgesamt in einem Bereich von 10 bis 70 Gew.-%, weiter bevorzugt in einem Bereich von 20 bis 50 Gew.-% zugegeben.
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Das latent hydraulische oder puzzolanische Bindemittel wird bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Hüttensand, Flugasche, Trassmehl, Ziegelmehl, Ölschiefer, Mikrosilika und Kaolin. Es ist dabei möglich, dass lediglich eines der hydraulischen Bindemittel vorliegt, oder eine Mischung mehrerer latent hydraulischer Bindemittel, die in der Summe die oben angegebenen Mengenbereiche ergeben, gegebenenfalls zusammen mit einem oder mehreren puzzolanischen Bindemitteln.
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Als latent hydraulisches Bindemittel wird in diesem Zusammenhang ein Bindemittel verstanden, das allein durch die Zugabe von Wasser als Anmachflüssigkeit nicht aushärtet, sondern weitere Stoffe für das Starten der Aushärtung, wie beispielsweise CO2 aus der Luft oder ein in der Mischung vorhandene Härtungsmittel, beispielsweise alkalische Zusatzstoffe, wie KOH oder NaOH, benötigt. Das latent hydraulische Bindemittel ist ein zementfreies Bindemittel, d. h. Zement wird nicht als latent hydraulisches Bindemittel angesehen.
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Auch puzzolanische Bindemittel binden unter Gegenwart von Wasser ab. Oftmals wird keine klare Trennung zwischen latent hydraulischen und puzzolanischen Bindemitteln vorgenommen. In der vorliegenden Erfindung ist eine strenge Unterscheidung nicht notwendig, da beide Stoffe alternativ oder gemeinsam verwendet werden können. Daher können Stoffe wie Flugasche, Trassmehl oder Mikrosilika, das auch als Silikatstaub bezeichnet wird, wie auch weitere Stoffe, ebenfalls als puzzolanische Bindemittel angesehen werden. Als puzzolanisches Bindemittel wird puzzolanische Flugasche bevorzugt verwendet.
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Unter den oben genannten latent hydraulischen oder puzzolanischen Bindemitteln wird Mikrosilika bevorzugt in einer Menge von 1 bis 30 Gew.-% der Baustoffmischung verwendet, d. h. neben Mikrosilika wird vorzugsweise mindestens ein weiteres latent hydraulisches oder puzzolanisches Bindemittel in der Baustoffmischung verwendet.
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Besonders bevorzugt wird in der vorliegenden Baustoffmischung Hüttensand als Bindemittel verwendet. Weiter bevorzugt wird eine Mischung aus Hüttensand und puzzolanischer Flugasche mit einem Anteil von 20 bis 70 Gew.-% an der Gesamtmischung verwendet.
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Ein wesentlicher Bestandteil der Baustoffmischung der vorliegenden Erfindung ist ein Komplexierungsmittel. Als Komplexierungsmittel werden Stoffe bezeichnet, die zusammen mit Metallionen, insbesondere mit mehrwertigen Metallionen, einen Metallkomplex bilden und somit die Metallionen komplexieren. Daherwerden Komplexierungsmittel auch als Komplexbildner bezeichnet. Besonders bevorzugte Komplexbildner sind Chelatbildner, da diese üblicherweise stabilere Komplexe bilden.
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Bei der Bearbeitung von Wasserglaspulver sind insbesondere Calciumionen für die Aushärtung störend. In Gegenwart von Calciumionen wird latent hydraulisches Bindemittel verbraucht und es bilden sich sogenannte Calciumsilikathydratphasen, die auch als CSH-Phasen bezeichnet werden. Die ausgebildeten CSH-Phasen weisen zwar eine bessere Beständigkeit gegen Chemikalien, wie beispielsweise Säuren, als Ca(OH)2 auf, das bei der Reaktion von Zement mit Wasser entsteht. Die Beständigkeit der aus den erfindungsgemäßen silikatischen Baustoffmischungen hergestellten Baustoffe wird jedoch damit nicht erreicht. Die enthaltenen latent hydraulischen Bindemittel sollen daher einen möglichst geringen Gehalt an freien Calciumionen (Freikalk) aufweisen, bevorzugt sogar ohne freie Calciumionen sein, um eine Verkürzung der Verarbeitungszeit durch Ausbildung von CSH-Phasen zu verhindern. Gebundenes Calcium, das in einer wässrigen Lösung nicht in Innenform vorliegt, ist daher für die vorliegende Erfindung nicht nachteilig und es können schwerlösliche Calciumverbindungen in der Baustoffmischung verwendet werden.
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Um eine möglichst Calciumionen-freie Mischung zu erhalten, können dennoch vorliegende Calciumionen durch Komplexierungsmittel komplexiert werden, und somit aus dem Gleichgewicht entfernt werden. Alle gängigen Komplexierungsmittel, die insbesondere dazu in der Lage sind, Calciumionen zu komplexieren, können verwendet werden. Beispiele solcher Komplexierungsmittel schließen Ethylendiamintetraessigsäure (ED-TA), Hexametaphosphonat, Oxalat, und Citrat ein. Es ist jedoch auch möglich, andere Komplexbildner für Calciumionen und auch andere störende Ionen zu verwenden, um diese zu binden. Darüber hinaus ist es möglich, eine Mischung verschiedener Komplexierungsmittel in der vorliegenden Erfindung zu verwenden.
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Das Komplexierungsmittel liegt üblicherweise unter 1 Gew.-%, bevorzugt in einer Menge von 0,05 bis 0,8 Gew.-%, weiter bevorzugt in einer Menge von 0,1 bis 0,7 Gew.-% und am bevorzugtesten in einer Menge von 0,4 bis 0,6 Gew.-% vor. Gehalte von mehr als 1 Gew.-% sind gegebenenfalls anwendbar, wenn mit besonders hohen Calciumionengehalten in der Anwendung der Baustoffmischung gerechnet werden muss, beispielsweise bei der Verwendung sehr harten Wassers.
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Durch die Zugabe eines Komplexbildners zu der Baustoffmischung der vorliegenden Erfindung kann die nachteilige Wirkung von Calciumionen in der Baustoffmischung, wie sie beispielsweise durch Verunreinigungen durch Zement (z. B. durch verschmutzte Anmischbehälter auf der Baustelle) auftreten können, verhindert werden. Bei bisherigen Baustoffmischungen mit Wasserglaspulver erfolgte in solchen Fällen häufig eine schlagartige Aushärtung, wodurch es zu einer schlechten Anhaftung auf dem Untergrund kommt. Der Einsatz von Phosphaten als Wasserglashärter führte bisher häufig zum Ausblühen und somit nicht homogenen Produkten. Die erfindungsgemäßen Baustoffmischungen lassen sich in einem weiten Temperaturbereich verarbeiten und führen zu hoch chemikalienbeständigen Produkten, die zudem selbst für Druckwasser bis 5 bar wasserundurchlässig sind. Mit der Baustoffmischung der vorliegenden Erfindung ist es möglich, durch gezielte Kristallisationsbildung ein dichtes Gitter auszubilden. Diese ausgehärtete Baustoffmischung ist so beständig, dass selbst eine dünne Schicht von ca. 2-3 mm gegenüber einem Wasserdruck von 5 bar undurchlässig ist, und eignet sich daher insbesondere auch zur chemikalienbeständigen und wasserdichten Auskleidung von Rohren, Tanks, Reservoirs und dergleichen.
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Neben den vier obligatorischen Bestandteilen Wasserglaspulver, Wasserglashärter, latent hydraulisches Bindemittel und Komplexbildner können fakultativ weitere Stoffe enthalten sein. Derartige Stoffe schließen Füllstoffe und Additive ein.
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Als Füllstoff werden bevorzugt anorganische Füllstoffe verwendet. Insbesondere bevorzugt sind hier Quarzsand, einschließlich Quarzmehl, Glimmer, Kaolin, Al2O3, Al(OH)3, Verbindungen von Ca-Mg-Al und/oder Ca-Mg-Si, Schwerspat und Flussspat, sowie deren Mischungen. Bevorzugt wird Al(OH)3 verwendet. Der Quarzsand besitzt bevorzugt eine Feinheit von 100 bis 1000 µm, das Quarzmehl eine Feinheit von 2 bis 200 µm. Auch Mischungen von Füllstoffen werden im Rahmen dieser Erfindung als Füllstoff bezeichnet. Nach einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind in der Baustoffmischung 35 bis 65 Gew.-%, weiter bevorzugt 40 bis 60 Gew.-% des anorganischen Füllstoffs vorhanden.
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In einer bevorzugten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung ist mindestens ein Additiv enthalten, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Hydrophobierungsmitteln, Fließmittel, Entschäumer, Härtungsbeschleuniger, Härtungsverzögerer, Wasserretentionsmittel und Thixotropiermittel.
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In einer besonders bevorzugten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung ist das Additiv mindestens ein Alkali- oder Erdalkalimetallsalz. Vorzugsweise ist das Alkali- oder Erdalkalimetallsalz ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Lithiumhydroxid, Lithiumcarbonat, Lithiumsulfat, Natriumhydroxid, Natriumcarbonat, Natriumsulfat, Kaliumhydroxid, Kaliumcarbonat, Kaliumsulfat, Lithiumsilikat und Magnesiumsilikat. Die vorgenannten Alkali- oder Erdalkalimetallsalze liegen bevorzugt jeweils in einem Anteil von 0,1 bis 2 Gew.-% vor. Ganz besonders bevorzugt ist in diesem Zusammenhang die Zugabe von Lithiumcarbonat und/oder Natriumsulfat, insbesondere jeweils in einer Menge von 0,1 bis 1,5 Gew.-%, vorzugsweise 0,1 bis 1 Gew.-%. Dabei kann Lithiumcarbonat als Verzögerer der Aushärtereaktion wirken.
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Ein fakultativ vorliegendes Wasserretentionsmittel kann bevorzugt ausgewählt werden aus der Gruppe bestehend aus Methylcellulose, Hydroxyethylcellulose und höherwertigen Alkoholen, insbesondere Neopentylglycol. Als Beispiele für Thixotropiermittel können pyrogene Kieselsäure und/oder Bentonite genannt werden. Hydrophobierungsmittel können beispielsweise der Gruppe bestehend aus Silikonpulver, Stearinpulver, Stearat und Oleat, entnommen werden.
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Gemäß einer anderen bevorzugten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung wird der Baustoffmischung zumindest ein Farbpigment zugesetzt. Somit können der Baustoffmischung farbgebende Eigenschaften verliehen werden, die diese auf die endgültigen Produkte, wie beispielsweise Mörtel, weitergeben kann. Bevorzugt werden anorganische Farbpigmente verwendet, insbesondere auf der Basis von Eisenoxid und/oder Titandioxid. Derartige Farbpigmente werden bevorzugt in einer Menge von bis zu 10 Gew.-%, z. B. 0,3 bis 5 Gew.-%, weiter bevorzugt in einer Menge von 0,3 bis 4 Gew.-% zugegeben.
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Mit der erfindungsgemäßen Baustoffmischung kann ein Baustoff bereitgestellt werden, der in weiten pH-Bereichen säure- und laugenstabil ist. Zudem ist der Baustoff gegen Wasser auch unter erhöhtem Druck stabil und undurchlässig und neigt nicht zur Rissbildung. Das Gefüge der Baustoffe der vorliegenden Erfindung ist aufgrund des Ausbildens von mehr SiO4-Bindungen und einem SiO2-Gitter in Form einer dichtesten Packung deutlich dichter als bisherige CSH-Phasen von Zement.
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Üblicherweise wird die Baustoffmischung als Trockenmischung bereitgestellt. Diese Trockenmischung kann dann mit einer Anmachflüssigkeit, bevorzugt mit Wasser, versetzt werden. Dadurch wird ein Mörtel erhalten, der als Fliesenkleber, Fugenmörtel, Fugenfüller, Spachtelprodukt, Bodenbeschichtung, bevorzugt Industriebodenbeschichtung, selbst verlaufende Masse, Nivelliermasse, einkomponentiger Silikatputz, einkomponentige Silikatfarbe oder Beschichtungsmittel verwendet werden kann. Der Begriff „Mörtel“ umfasst daher auch diese Begriffe und Materialien. Die Verarbeitung des Mörtels kann auf herkömmliche Art erfolgen, beispielsweise durch Aufstreichen, Aufschlämmen, Aufspachteln, Aufziehen und dergleichen.
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Der Baustoffmischung können auch Dispersionen auf Basis von Reinacrylat, Styrolacrylat, Vinylacetatethylen, Styrolbutadien und deren Kombinationen zugegeben werden. Bevorzugt werden Dispersionen auf Basis von Styrolacrylat oder Styrolbutadien verwendet.
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Ein zweiter Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft die Verwendung der Baustoffmischung zur Herstellung eines Mörtels zum Auskleiden von Rohren oder zur Herstellung von Vollrohren, oder zur Herstellung eines einkomponentigen Silikat-Beschichtungsmittels Wie bereits oben erwähnt, sind die Baustoffe der vorliegenden Erfindung äußerst dicht und beständig, insbesondere gegenüber Säuren. Aber auch Salze können die ausgehärtete Baustoffmischung nicht angreifen. Die Baustoffe können daher auch als Korrosionsschutz verwendet werden. Die bisher als Zementersatz verwendeten Epoxidharze können eine derartige Beständigkeit üblicherweise nicht aufweisen. Darüber hinaus ist der Baustoff UV-beständig, im Gegensatz zu Epoxidharzen, die zudem oft gesundheitsschädlich sind.
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Gegenüber herkömmlichem Zement weist die Baustoffmischung den Vorteil auf, dass sie nicht kennzeichnungspflichtig ist und kein oder nur sehr wenig CO2 für die Herstellung erzeugt wird. Die verwendeten latent hydraulischen oder puzzolanischen Bindemittel fallen oftmals als Industrieabfälle an. Somit ist die Baustoffmischung auch in dieser Hinsicht umweltfreundlich, da sie zum Recycling von Abfallprodukten beitragen kann.
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Ein Mörtel aus der erfindungsgemäßen Baustoffmischung besitzt auch ein sehr gutes Haftvermögen, insbesondere auf glatten oder glasierten Substraten. Somit eignet sie sich neben einer Beschichtung von Beton auch für das Beschichten von Metallen oder anderen Oberflächen, beispielsweise um diese vor Säureangriffen zu schützen und als Korrosionsschutz zu dienen. Da die Baustoffe auch für Anwendungen im Trinkwasserbereich geeignet sind, können damit beispielsweise Rohre ausgekleidet werden, ebenso Rohrleitungen in Anlagen, z. B. der chemischen Industrie, wobei hohe Chemikalienbeständigkeit von Vorteil ist.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird der aus der Baustoffmischung hergestellte Mörtel zur Verkleidung oder zur Herstellung von Rohren verwendet. Dabei können beliebige Rohre mit dem Mörtel ausgekleidet werden, wie beispielsweise Stahlrohre, Zementrohre oder Plastikrohre. Durch das Auskleiden der Rohre werden diese beständig gegenüber Chemikalien und Druck. Es ist jedoch auch möglich, Rohre vollständig aus dem erfindungsgemäßen Material herzustellen, d. h. Vollrohre aus dem ausgehärteten Mörtel. Entsprechende Rohre sind auch Gegenstand der vorliegenden Erfindung.
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Die Rohre sind Aufgrund des inerten Verhaltens des Materials sowohl für Wasser, insbesondere Trinkwasser, bei verschiedenen Temperaturen und Drücken geeignet. Insbesondere können die Rohre jedoch auch für Abwässer, wie übliche Haushaltsabwässer, Industrieabwässer, Gülle, etc. verwendet werden. Dabei werden die Rohre auch durch aggressive Abwasser mit Chemikalien, wie Säuren oder Laugen, nicht angegriffen.
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Wegen der ausgezeichneten Beständigkeit gegenüber Chemikalien eignet sich der Baustoff auch zur Verwendung als Industrieboden und zum Schutz von mineralischen Flächen vor Chemikalien. Darüber hinaus wird noch eine hohe Abriebfestigkeit erreicht. Daher ist der Baustoff besonders für Bodenbeläge in Industriebetrieben, Garagen, Parkhäusern, etc. geeignet. Auch als Korrosionsschutz kann der Baustoff eingesetzt werden.
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Für das Aushärten der Baustoffmischung ist auch keine Nachbehandlung mit Wasser notwendig, wie dies insbesondere in wärmeren Gebieten für Zement erforderlich ist. Daher kann die Baustoffmischung ohne Anpassung auch in wärmeren Gebieten leicht verwendet werden. Ebenso kann die Baustoffmischung durch Einstellen der Härter für kältere Gebiete angepasst werden, in denen üblicherweise die Aushärtung einen längeren Zeitraum in Anspruch nimmt.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
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Es können zwei beispielhafte Baustoffmischungen mit folgenden Anteilen in Gew.-% hergestellt werden:
| | | Mischung 1 | Mischung 2 |
| Wasserglas | Kaliwasserglas pulverförmig | 15 | 15 |
| Bindemittel | Hüttensand als latent hydraulisches Bindemittel | 30 | 27 |
| Puzzolanische Flugasche | 12 | 15 |
| Microsilika | 7 | 7 |
| Komplexierungsmittel | EDTA | 0,6 | 0,4 |
| Füllstoffe | Füllstoffe wie Glimmer, Kaoline und höhere Aluminat-haltige Füllstoffe | 6 | 7 |
| Fein gemahlene Quarzmehle mit einer Feinheit zwischen 5200 µm | 8,7 | 7,3 |
| Quarzsand mit einer Feinheit zwischen 100-5000 µm | 10 | 8 |
| Härter | Glykolsäure | | 0,6 |
| Ascorbinsäure | 0,9 | |
| Natriumtrichloracetat | | 0,5 |
| Aluminiumphosphat | 8 | 8 |
| Borsäure | | 0,4 |
| Magnesiumhexafluorosilikat | 0,6 | |
| Bernsteinsäure | | 1 |
| Additive | Lithiumhydroxid | | 0,7 |
| Lithiumcarbonat | | 0,6 |
| Titandioxid | | 0,8 |
| Hydrophobierungsmittel | 0,5 | 0,2 |
| Natriumhydroxid pulverförmig | | 0,5 |
| Kaliumhydroxid pulverförmig | 0,7 | |
| | | 100 | 100 |
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Die gemäß den oben genannten Anteilen hergestellten Mischungen werden mit Wasser angerührt und können leicht zu einem Mörtel verarbeitet werden. Hieraus hergestellte Rohrauskleidungen mit einer Wandstärke von 0,5-1,5 cm bzw. 5-15 mm zeigen nach DIN-EN 18195 eine Dichtigkeit gegen Wasserdruck von 5 bar, wohingegen herkömmliche Dichtungsschlämme lediglich eine Dichtigkeit von üblicherweise bis zu 2 bar aufweisen. Auch gegen negativen Druck, d. h. gegenüber Druck von Wasser beispielsweise aus dem Untergrund, sind die so hergestellten Mörtel bis zu -5 bar dicht, wohingegen herkömmliche Materialien bereits bei -0,3 bar negativem Druck undicht werden. Die Temperaturbeständigkeit der aus den oben genannten Baustoffmischungen hergestellten Bauteile beträgt jeweils ca. 700°C.
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Ein aus Mischung 1 hergestellter Mörtel besitzt bei 20°C eine Verarbeitungszeit von 20 Minuten, wohingegen ein aus Mischung 2 hergestellter Mörtel etwa 3 Stunden verarbeitbar bleibt. Damit ist der Mörtel aus Mischung 1 insbesondere für die Verarbeitung bei geringen Temperaturen geeignet. Bei einer Temperatur von 40°C besitzt der Mörtel aus Mischung 1 noch lediglich eine Verarbeitungszeit von unter 5 Minuten und ist damit bei diesen Temperaturen nur noch schwer zu verarbeiten. Dagegen besitzt ein Mörtel aus Mischung 2 bei 40°C eine Verarbeitungszeit von 80 Minuten und kann somit auch bei diesen erhöhten Temperaturen leicht verarbeitet werden.
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Die unterschiedliche Verarbeitungszeit bei unterschiedlichen Temperaturen hängt von der Wahl des Härters ab. Als Härter wird bevorzugt eine Säure verwendet. Je stärker die Säure ist, d. h. je kleiner der pKs-Wert der Säure ist, desto schneller härtet der Mörtel bei einer gegebenen Temperatur aus (bei vergleichbarer Säuremenge). Mit anderen Worten kann ein Mörtel mit einer stärkeren Säure als Härter auch noch bei geringeren Temperaturen in angemessener Zeit verarbeitet werden, d. h. er härtet in angemessener Zeit aus. Eine längere Aushärtezeit oder eine Verarbeitbarkeit bei höheren Temperaturen kann daher mit der Verwendung von schwächeren Säuren erreicht werden. Die Aushärtung kann mit einer stärkeren Säure beschleunigt und mit einer schwächeren Säure verzögert werden.
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Darüber hinaus kann die Aushärtung durch weitere Additive verzögert werden. Beispielsweise wirkt Lithiumcarbonat als Verzögerer, da zunächst Lithiumwasserglas gebildet wird.
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Die ausgehärteten Mörtel der Mischungen 1 und 2 können unterschiedlichen Chemikalien ausgesetzt werden, um die Beständigkeit der fertigen Produkte gegenüber Chemikalien zu überprüfen. Die Zylinderproben der ausgehärteten Mörtel (25 x 25 x 25 mm analog DIN EN 12808 Teil 1) können nach sieben Tagen Aushärtung einer Salzsäure mit unterschiedlichen Konzentrationen von 5 Gew.-% bis zu konzentrierter Salzsäure ausgesetzt werden. Sowohl nach vier als auch nach 13 Tagen Lagerung in der Salzsäure kann an den Zylinderproben keine Veränderung festgestellt werden. Sowohl optisch als auch mechanisch, überprüft durch Belastungstests, kann keine Veränderung gegenüber einer Referenzprobe festgestellt werden.
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Die Chemikalienbeständigkeitstests kann sowohl mit Schwefelsäure im Konzentrationsbereich von 5 Gew.-% bis konzentriere Schwefelsäure, als auch mit Natronlauge im Konzentrationsbereich von 2 Gew.-% bis 50 Gew.-% wiederholt werden. Auch hier zeigt sich weder optisch noch mechanisch eine signifikante Veränderung der Proben.
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Die Mörtel der vorliegenden Erfindung sind daher ausgezeichnet für die Verwendung als Schutz vor aggressiven Chemikalien, wie Säuren oder Laugen, geeignet.
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Ein weiterer Vorteil der Mörtel der vorliegenden Erfindung ist die hohe Härte der ausgehärteten Materialien. Insbesondere bei erhöhten Temperaturen kann eine verbesserte Härte festgestellt werden.
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Zur Untersuchung der Druck- und Biegefestigkeit können Prismen von 4 x 4 x 16 cm nach EN 196-1 hergestellt werden. Diese können über sieben Tage bei 500°C gelagert werden. Eine Referenzprobe kann über denselben Zeitraum bei 25°C gelagert werden. Nach sieben Tagen zeigt die Referenzprobe eine nach DIN EN 12808-3 gemessene Druckfestigkeit von 22,5 N/mm2, wobei die bei 500°C gelagerten Proben eine Druckfestigkeit von 31,8 N/mm2 besitzt.
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Dies zeigt deutlich, dass eine hohe Lagertemperatur bzw. Aushärtetemperatur für den Mörtel der vorliegenden Erfindung nicht nachteilig ist, sondern im Gegenteil die Festigkeit weiter erhöht. Daher kann der Mörtel der vorliegenden Erfindung beispielsweise vorteilhaft für die Auskleidung von Schornsteinen und Abgasrohren verwendet werden, da diese unmittelbar nach der Auskleidung verwendet werden können und dabei sogar noch die Festigkeit der Auskleidung erhöht wird. Im Gegensatz dazu wird bei der Verwendung herkömmlicher Zementmörtel eine hitzebelastungsfreie Zeit benötigt, damit die Zementmörtel rissfrei aushärten können.
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Die Baustoffe der vorliegenden Erfindung können bei erhöhten Temperaturen leichter ein vorteilhaftes Silikatgitter mit Si-O-Si-Bindungen ausbilden. Dadurch wird die Belastbarkeit der ausgehärteten Mörtel weiter erhöht.
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Wie vorliegend gezeigt werden konnte, besitzen die Baustoffmischungen der vorliegenden Erfindung beträchtliche Vorteile gegenüber dem Stand der Technik, wie anpassbare Verarbeitungszeit in Abhängigkeit von der Umgebung und hohe Belastbarkeit gegenüber Druck oder Chemikalien.