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Verfahren zur Herstellung von Mörtel mit wäßrigem Kieselsäuresol als
Bindemittel Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Mörteln mit
verbesserten Mörtelmisch- und Spachteleigenschaften. Die Verbesserung wird durch
den Zusatz kleiner Mengen bestimmter feinverteilter Kolloidstoffe erreicht.
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Es können verschiedene Mörtelarten verwendet werden, wenn hohe Korrosionsbeständigkeit
gefordert wird. Eine der gebräuchlichen Arten besteht aus einem inerten Füllstoff
wie Kieselerde in einer konzentrierten wäßrigen Natriumsilikatlösung. Diese Zubereitung
wird dann mit einem Ansäuerungsmittel, das also Alkali verbraucht, angesetzt. Hierzu
verwendet man entweder direkt eine Säure oder aber eine Substanz, die sich langsam
zersetzt, dabei die Alkalität des Natriumsilikats neutralisiert und dieses als hydratisierte
Kieselsäure niederschlägt. Diese Kieselsäure vernetzt, was für die Festigkeit und
Kohäsion des ausgehärteten Mörtels von Bedeutung ist. Ein Nachteil dieser Mörtelart
besteht darin, daß größere Mengen an Natriumverbindungen, welche aus den verwendeten
Materialien herrühren, im Mörtel verbleiben. Wird ein solcher Mörtel sauren Bedingungen
ausgesetzt, so bilden diese Natriumverbindungen Salze, die den Mörtel nachteilig
beeinflussen. So bildet sich beispielsweise unter der Einwirkung von Schwefelsäure
Natriumsulfat, das unter den Verarbeitungsbedingungen Wasser aufnehmen oder abgeben
kann. Dabei werden Form und Volumen des Mörtels verändert, wodurch dieser zerplatzt
oder absplittert. Wenn außerdem ein solcher Mörtel - wie üblich - Natriumfluorsilikat
als Aushärtungsmittel enthält, so führt der hohe Anteil an Natriumfluorid unter
der Einwirkung starker Säuren bei höherer Temperatur zur Bildung von Flußsäuren,
welche die Vernetzung der Kieselsäure löst und damit die Mörtelstruktur erweicht.
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Zur Vermeidung dieser Nachteile wurde ein kalthärtender Mörtel entwickelt,
der als Bindemittel ein wäßriges Kieselsäuresol enthält, welches durch Alkali fällbar
ist. Dieser Mörtel enthält ferner einen wasserunlöslichen und gegenüber dem Kieselsäuresol
inerten Füllstoff (z. B. Kieselerde, Silikate, verschiedene Metalloxyde u. dgl.)
und als Aushärtungsmittel ein festes Alkalisilikat, welches ein Verhältnis von Alkalimetalloxyd
zu Si0, von 1:1 bis 1:4,2 aufweist. Dieser Mörtel ist -in der USA.-Patentschrift
2 914 413 beschrieben. Die Wirkungsweise dieses Mörtels scheint in der gesteuerten
Ausfällung hydratisierter Kieselsäure aus dem wäßrigen Kieselsäuresol durch das
Aushärtungsmittel zu liegen, wodurch das Bindevermögen der Kieselsäure verbessert
wird.
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Dieser kalthärtende Mörtel wird wegen seiner gegenüber herkömmlichen
Silikatmörteln bezüglich chemischer Beständigkeit und Festigkeit überlegenen Eigenschaften
auf verschiedenen Anwendungsgebieten bevorzugt. Er ist jedoch in gewisser Hinsicht
schwieriger zu verarbeiten als die bisher üblichen Silikatmörtel, welche gut spachtelbar
sind und die Fähigkeit besitzen, dort zu verbleiben, wo man sie aufbringt. Demgegenüber
sind die Mörtel nach der genannten USA.-Patentschrift zu flüssig, um gut spachtelbar
zu sein, und neigen daher bei der Verarbeitung zum Fließen. Die in dieser Patentschrift
beschriebenen Mörtel auf Basis eines wäßrigen Kieselsäuresols sind also zu rheopektisch,
d. h., sie sind für eine leichte Verarbeitbarkeit nicht hinreichend thixotrop. Ein
thixotropes Gel wird unter Druck oder Schub (z. B. beim Mischen) flüssig, erhält
jedoch seine gelartigen Eigenschaften zurück, wenn der Druck aufgehoben wird. Diese
Eigenschaft macht einen Mörtel gut spachtelbar, und wenn er auf eine Fläche gebracht
wird, so bleibt er dort haften. Unter dem Spachteldruck wird das Gel jedoch flüssig
und kann dann auf der Oberfläche verstrichen bzw. gespachtelt werden. Nach Beendigung
des Spachtelns wird der Mörtel wieder fest und erhärtet. Da die Mörtel gemäß der
genannten USA.-Patentschrift diesen Eigenschaften nicht voll genügen, erfordern
sie
eine besondere Behandlung, was die Verarbeitungszeit verlängert.
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Änderungen der kolloidalen Struktur des Mörtels ohne Beeinträchtigung
des Gesamtsystems sind schwer durchführbar. Es ist bekannt, daß schon kleine Elektrolytmengen
kolloidale Systeme stark beeinflussen und oft eine schnelle Agglomeration und Fällung
der kolloidalen Teilchen verursachen. Auch können mechanisches Rühren, die Art der
Zugabe von Zusätzen oder andere, scheinbar-unwesentliche Veränderungen kolloidale
Systeme verändern oder zerstören. Es ist daher zu erwarten, daß Zusätze, besonders
solche, welche den pH-Wert steigern oder der kolloidalen Lösung Kationen zuführen
und welche dem Mörtel auf Basis eines wäßrigen Kieselsäuresols thixotrope Eigenschaften
verleihen sollen, sehr leicht eine unregelmäßigere Fällung der Kieselsäure aus dem
Sol und/oder einen Verlust der Festigkeit oder anderer Eigenschaften zur Folge haben.
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Diese Erwartung bestätigt sich auch, wenn übliche Geliermittel in
bekannter Weise mit einem Mörtel auf der Basis eines wäßrigen Kieselsäuresols verarbeitet
werden. So wird z. B. ein Magnesium-Montmorillonit zur Herstellung eines thixotropen
Gels aus wäßrigen Dispersionen empfohlen, wobei die Anwendungskonzentrationen 2
bis 2,5% (bezogen auf die Dispersion) beträgt. Versuche, dieses Material in den
empfohlenen Konzentrationen oder selbst mit nur 1 11/o des Gewichts der Mörtelmischung
gemäß der USA.-Patentschrift 2 914 413 zu verwenden, führen zu einem zu rasch härtenden
und daher unbrauchbaren Mörtel. Ferner wird ein Attapulgit als Zusatz zu wäßrigen
Dispersionen (Zusatzmenge 3 bis 10°/o) vorgeschlagen, um thixotrope Eigenschaften
zu erzielen. Dabei müssen- diese Mittel zur Erzielung der gewünschten Wirkung unter
starkem Schub zugemischt werden.
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Es ist auch bekannt, daß Tone gute Füllstoffe für Mörtel sind. Daher
werden auch Kaolinittone bei Mörteln auf Basis eines wäßrigen Kieselsäuresols verwendet;
sie bewirken jedoch keinen nennenswerten thixotropen Effekt.
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Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die Eigenschaften, insbesonder
die Mörtelmisch- und Spachteleigenschaften von Mörteln auf Basis wäßriger Kieselsäuresole
ohne wesentliche Beeinträchti, gung der Festigkeit des Mörtels zu verbessern.
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Diese Aufgabe ist überraschenderweise mit dem hier vorgeschlagenen
Verfahren zur Herstellung von Mörtel aus einem wäßrigen Kieselsäuresol als Bindemittel,
einem inerten Füllstoff und 0,2 bis 15 % (vom Gewicht des Füllstoffes) festem Alkalimetallsilikat
mit einem Molverhältnis Alkalimetalloxyd zu Si02 von 1:1 bis 1:4,2 als Aushärtungsmittel
dadurch gelöst, daß erfindungsgemäß dem Gemisch 0,3 bis 3% (vom Gewicht des Kieselsäuresols)
Kieselsäure, wasserunlösliches anorganisches Silikat oder eines der wasserunlöslichen
kolloidalen Metalloxyde Al2O3, TiO.., ZrO2, SnOz, Cr203, Fe203, sämtlich mit einer
Teilchengröße unter 200 mg, zugesetzt wird.
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Ferner wurde im Zuge der Erfindung überraschenderweise festgestellt,
daß man bei der erfindungsgemäß hergestellten Mörtelzubereitung die Menge des normalerweise
verwendeten Aushärtungsmittels bis zu 50 °/o ohne merkliche Festigkeitseinbuße herabsetzen
kann. Durch diese Verringerung des Gehalts an Natriumionen im Mörtel erreicht man
gleichzeitig eine bessere Wasser- und Alkalibeständigkeit sowie einen höheren elektrischen
Widerstand des Mörtels.
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Die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist sehr einfach.
Vorzugsweise wird der feingemahlene Zusatzstoff dem Füllstoff oder dem Aushärtungsmittel
oder einem Gemisch dieser beiden Komponenten zugemischt. Hierzu kann man übliche
Mischer verwenden. Falls gewünscht, kann man den Zusatzstoff auch in den Mörtel
einarbeiten.
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In der Regel wird das Gemisch aus Füllstoff, Aushärtungsmittel und
Zusatzstoff dem als Bindemittel dienenden wäßrigen Kieselsäuresol zugegeben. Der
Mörtel wird dann von Hand auf gleichmäßige Konsistenz gemischt und wie gewünscht
gespachtelt. Es ist überraschend, daß dieser Zusatz ohne kräftiges mechanisches
Rühren eine derartige Verbesserung der thixotropen Eigenschaften erzielt, im Gegensatz
zu den obenerwähnten, in höheren Konzentrationen angewendeten thixotropen Mitteln,
die ein starkes Mischen erforderlich machen.
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Die im erfindungsgemäßen Verfahren als Zusatzstoffe in Frage kommenden
Materialien sind wasserunlösliche, fein gemahlene Pulver, welche gegenüber Wasser
und dem Mörtelsystem inert sind. Erfindungsgemäß kann als Zusatzstoff die bekannte,
feste, feinzerteilte Kieselsäure verwendet werden. Sie besteht im wesentlichen aus
reinem SiO2 und ist ungefähr kugelförmig mit einem Teilchendurchmesser von 10 bis
100 Millimikron. Solche Kieselsäure wird durch Depolymerisation natürlicher Kieselsäure
und anschließende Polymerisation auf den gewünschten Verteilungsgrad hergestellt.
Kieselsäure der gewünschten Teilchengröße läßt sich beispielsweise durch Verbrennen
von Äthylsilikat oder SiC14 und Kondensieren der Kieselsäure an einer kalten Oberfläche
herstellen. Ferner kann man feinverteilte Kieselsäure aus ihren heißen Karbonatlösungen
durch Abkühlung ausfällen.
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Die erfindungsgemäß verwendeten anorganischen Silikate sind Tone,
die im allgemeinen mindestens 30 Gewichtsprozent Silizium als Si02 enthalten und
deren Teilchen wenigstens in einer Dimension kleiner als etwa 200 Millimikron sind.
Diese Materialien werden aus natürlich vorkommenden Tonen durch Fraktionierung nach
Teilchengröße gewonnen. Die Tone können Schichtenstruktur, wie Montmorillonit, oder
Nadelstruktur, wie Attapulgit, haben. Wesentlich ist ihre Teilchengröße, und wenn
sie auch als Nadeln, Fasern, Flocken, Kugeln oder Stäbe vorliegen können, so ist
es erforderlich, daß zumindest eine Dimension (Länge, Breite, Dicke oder Durchmesser),
der kleinsten Teilchen nicht größer als ungefähr 200 Millimikron ist. Der Ausdruck
»kleinste Teilchen« bezieht sich auf die Einzelteile des Stoffes und nicht auf größere
Aggregate, die aus ihnen aufgebaut sein können.
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Erfindungsgemäß verwendbare Montmorillonite sind Alkali- und Erdalkali-Montmorillonite,
wie Natrium-, Kalium-, Lithium-, Magnesium- und Kalzium-Montmorillonit. Diese Substanzen
sind bekannte Tone (gewöhnlich Aluminiumsilikate) und enthalten ungefähr 40 bis
60% Si02 neben Wasser und Metalloxyden wie Ca0, Na20, Li20, Fe20., K20 und gewisse
Halogenide.
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Erfindungsgemäß brauchbare Attapulgite (wasserhaltige Magnesium-Aluminium-Silikate)
enthalten ungefähr 67% Si02 (bezogen auf wasserfreie Substanz). Sie können z. B.
eine Teilchengröße von etwa
120 bis 140 Millimikron haben. Andere
erfindungsgemäß verwendbare Tone sind die Sepiolite, die Illite u. a.
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Die wasserunlöslichen anorganischen Oxyde, die zur Verbesserung der
thixotropen Eigenschaften von Mörteln auf Basis eines wäßrigen Kieselsäuresols eingesetzt
werden können, sind die kolloidalen Metalloxyde A1,03, Ti0" Zr02, Sn02, Cr203 und
Fe2O3. Viele dieser Oxyde sind in feinverteilter Form im Handel erhältlich.
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Die Menge des verwendeten Zusatzes kann zwischen 0,3 und 3 9/o des
Gewichts des zur Herstellung des Mörtels verwendeten wäßrigen Kieselsäuresols schwanken.
Nimmt man weniger als 0,3%, so ist der Effekt ungenügend. Andererseits wirkt sich
aber auch die Verwendung von mehr als 31% nachteilig aus, weil dann der Mörtel erhärtet,
bevor er verarbeitet ist. Vorzugsweise wendet man eine Zusatzmenge von 0,7 bis 29/o
an, welche optimale Mörtelmischeigenschaften, gute Spachtelbarkeit und gute Festigkeitseigenschaften
des erhärteten Zementes ergibt.
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Das Gewichtsverhältnis von Pulver und flüssiger Mörtelzubereitung
hängt von dem verwendeten Füllstoff ab. Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich
besonders vorteilhaft bei einem Verhältnis von 2,8: 1 bis 6: 1 durchführen.
Vorzugsweise wird als Füllstoff Quarzmehl verwendet, wobei das optimale Verhältnis
von Pulver zu Flüssigkeit zwischen 3,1: 1 und 3,7: 1 liegt. Bei diesem bevorzugten
Füllstoff liegt die Menge des dem Füllstoff und dem Aushärtungsmittelzuzugebenden
Zusatzstoffes zwischen ungefähr 0,1 und 0,75% des Gewichts der fertigen Zubereitung.
Diese Zubereitung kann in den Handel gebracht werden und ist durch einfaches Mischen
mit dem Bindemittel gebrauchsfertig.
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Bezogen auf das Gewicht der Mörtelmischung, beträgt die Menge an Zusatzstoff
ungefähr 0,06 bis 0,6%. Wie ersichtlich, sind so kleine Mengen des Zusatzstoffes
im Mörtel außerordentlich wirkungsvoll und bringen einen bedeutenden Fortschritt.
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Das als Bindemittel verwendete wäßrige Kieselsäuresol ist ein solches,
welches durch Alkalien oder Salze als Gel niedergeschlagen werden kann. Als Aushärtungsmittel
werden feste Alkalisilikate (vorzugsweise Natriumsilikate) verwendet, deren Molverhältnis
von Alkalimetalloxyd zu Kieselerde zwischen 1: 1 und 1:4,2 liegt. Die Menge des
Aushärtungsmittel wird normalerweise 0,2 bis 15% des Gewichts des Füllstoffs betragen.
Der inerte Füllstoff kann irgendeiner der für diesen Zweck bekannten Füllstoffe
sein.
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Die erfindungsgemäß hergestellten Mörtel dienen als Bindemittel, um
z. B. Ziegelsteine aneinanderzubinden. Sie finden aber auch Verwendung als Gußmittel
zur Herstellung vorgefertigter Profile wie Rohre, Stangen u. ä.
| Tabelle 1-A |
| Eigenschaften des Mörtels |
| Mörtel Abbindedauer Anfangshärtung Spachtelbarkeit |
| (Minuten) |
| (Stunden + Minuten) |
| Ohne Montmorillonit ....................... 20 1 Stunde
20 Minuten schlecht |
| Mit Montmorillonit ........................ 15 1 Stunde
0 Minuten gut |
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung dienen die folgenden Beispiele, in denen
alle angegebenen Teile und Prozentsätze Gewichtsteile und Gewichtsprozente sind.
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Beispiel I Entsprechend dem BeispielI der USA.-Patentschrift 2914413
wird eine Mischung von Füllstoff und Aushärtungsmittel mit folgender Zusammensetzung
hergestellt:
| Gewichts- |
| Aushärtungsmittel prozent |
| Natriumsilikatpulver ............... 5 |
| Füllstoff |
| Kaolinit........................... 2 |
| Quarzpulver ....................... 62 |
| Quarzsand ........................ 31 |
| 100 |
Dieses Pulvergemisch (100 Teile) wird dann zu 27,8 Gewichtsteilen eines wäßrigen
Kieselsäuresols als Bindemittel zugesetzt und zu einem Mörtel verarbeitet.
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Eine zweite Mörtelzubereitung wird wie oben beschrieben hergestellt,
bei der aber das dem wäßrigen Kieselsäuresolbinder zugesetzte Pulver 61,75% Quarzpulver
(anstatt 62%) und 0,25% (= 0,9%, bezogen auf das Gewicht des Kieselsäuresols) eines
Magnesium-Montmorillonits enthält. Der verwendete Montmorillonit besteht (bezogen
auf Trockengewicht) im wesentlichen aus 25,811/o Mg0, 56,511/o SiO,, 2,8% Ca0, 2,59/o
Na20, 2,59/o Cl, 1,1% Li.,O, 1,0% F, 0,2% A1203, 0,2% Fe,03 und 0,1% K20.
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Zur Bestimmung der physikalischen Eigenschaften werden die Mörtel
in zur Prüfung geeignete Formen gegossen und die Gußstücke 14 Tage lang bei einer
relativen Luftfeuchtigkeit von 50 bis 60 % bei 21° C gealtert. Das Verhalten der
Mörtel bezüglich der Abbindedauer wird nach der ASTM-Methode C 414-58 T der American
Society for Testing Materials bestimmt. Die Bestimmung der Druckfestigkeit erfolgt
nach ASTM C 396-57 T, nur werden an Stelle von Würfeln mit 5 cm Kantenlänge 2,5-cm-Zylinderproben
verwendet. Die chemische Beständigkeit der Zemente wird durch Messung der Druckfestigkeit
nach 14tägigem Eintauchen in 30%ige Schwefelsäure bei 21 bis 22° C und in 96%ige
Schwefelsäure bei 281° C ermittelt. Die Druckfestigkeit wird außerdem nach 14tägigem
Altern an der Luft bestimmt.
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Die Mörtel werden auch auf Spachtelbarkeit und Mörtelmischeigenschaften
durch Aufmauern von Ziegeln untersucht.
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Die folgenden Tabelle 1-A und I-B vergleichen die wichtigsten Eigenschaften
der beiden Mörtel und der aus ihnen hergestellten Zemente.
| Tabelle I-B |
| Eigenschaften des Zements |
| Zement Zement |
| ohne Montmorillonit I mit montmorillonit |
| Druckfestigkeit (kg/cm2) |
| Vor Tauchung ..................................................
309,3 316,3 |
| Nach 14 Tagen bei 21 bis 22° C ..................................
316,3 316,3 |
| Nach 14 Tagen bei 281° C in 96%iger H2S04 .....................
407,7 386,7 |
| Nach 14 Tagen bei 21 bis 22° C in 30%iger H2S04 ................
274,1 274,1 |
Aus obigen Tabellen ist leicht ersichtlich, daß die Verwendung des Montmorillonits
einen gut spachtelbaren Mörtel mit einer etwas geringeren Abbinde-und Anfangshärtungsdauer
ergibt, was durchaus erwünscht ist. Außerdem hat der den Zusatzstoff enthaltende
Mörtel sehr gute Mörtelmischeigenschaften und bleibt beim Aufbringen liegen, während
der Mörtel ohne diesen Zusatzstoff viel schwieriger zu handhaben ist und zum Abfallen
neigt. Die Festigkeitseigenschaften des Zements werden offensichtlich durch den
Montmorillonitzusatz nicht verändert. Beispiel II Nach den Angaben des Beispiels
I wird ein Zement mit einer Mischung von Füllstoff und Aushärtungsmittel hergestellt,
die aus 3 % Natriumsilikatpulver (Härtemittel), 0,25% Magnesium-Montmorillonit,
2% Kaolinit, 63,75% Quarzpulver (120 Maschen) und 31% Quarzsand besteht. Diese Mischung
wird, wie im BeispielI beschrieben, mit einem wäßrigen Kieselsäuresolbinder gemischt.
Der Mörtel hat eine Abbindezeit von 20 Minuten; eine Anfangshärtungszeit von 1,3
Stunden und eine gute Spachtelbarkeit. Seine Druckfestigkeit beträgt nach 14 Tagen
bei 21 bis 22° C 251,066 kg/cm2, nach 14tägiger Tauchung in 96%iger H2S04 bei 281
° C 328,404 kg/cm2 und nach 14tägiger Tauchung in 30%iger H.S04 bei 21 bis 22° C
202,524 kg/cm2. Beispiel III Das Beispiel I wird unter Verwendung von 0,25% Natrium-Montmorillonit
an Stelle der Magnesiumverbindung wiederholt. Der erhaltene Zement hat gute Spachtelbarkeit,
und die physikalischen Eigenschaften sind im wesentlichen dieselben wie bei dem
Zement mit Magnesium-Montmorillonit.
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Beispiel IV Entsprechend den Angaben im Beispiel I werden Zemente
mit verschiedenen Zusätzen hergestellt. Die folgende Tabelle II gibt die Zementzubereitungen
und die Versuchsergebnisse wieder.
| Tabelle II |
| Bestandteile in Gewichtsprozent I A B C I D I E I F G |
| Aushärtungsmittel |
| Quarz ............................. 5,0 5,0 5,0 5,0 5,0 5,0
3,0 |
| Füllstoffe |
| Magnesium-Montmorillonit .......... 0,25 0,1 1,0 - - - - |
| Kaolinit............................ 2,0 2,0 2,0 2,0 2,0 2,0
2,0 |
| Quarzpulver (120 Maschen) .......... 61,75 61,9 61,0
61,75 61,75 61,75 61,75 |
| Quarzsand ......................... 31,0 31,0 31,0 31,0 31,0
31,0 31,0 |
| Attapulgit.......................... - - - 0,25 0,25 - - |
| Bentonit ........................... - - - - - 0,25 - |
| Si02Pulver ........................ - - - - - - 0,25 |
| Bindemittel |
| Wäßriges Kieselsäuresol |
| Verhältnis Pulver zu Bindemittel ... 36,0 3,6 3,6 3,6
3,6 3,6 3,6 |
| Prozentualer Zusatz |
| (auf Bindemittelgewicht) .......... 0,9 0,36 3,6 0,9 0,9 0,9
0,9 |
| Spachtelbarkeit ..................... gut mäßig (f)
ausgezeichnet sehr gut gut |
| Bemerkung: |
| (f) härtet zu rasch, um Spachtelbarkeit bestimmen zu können. |
Außer den erzielbaren, aus der Tabelle II ersichtlichen guten Spachteleigenschaften
zeigen die Mörtel A, B, D, E, F und G auch gute Mörtelmischeigenschaften und verbleiben
an der Aufbringungsstelle. Der Mörtel C, der über 3 % Zusatzstoff enthält, erhärtet
so schnell, daß er nicht verarbeitet werden kann.
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An Stelle der erwähnten Silikat-Füllstoffe können auch andere Substanzen,
wie Beryll, Mullit, Flußspat, Siliziumcarbid u. ä., mit dem gleichen Ergebnis verwendet
werden.
Ebenso lassen sich an Stelle der einzelnen genannten kolloidalen Kieselsäuren auch
andere wäßrige kolloidale Kieselsäuren mit höherer oder niedrigerer Silikatkonzentration
verwenden.