DE10040406A1

DE10040406A1 - Modulares System zur strukturellen Festigung hochporöser Natursteine und zur Herstellung von elastifizierten Hinterfüllmassen und Anböschmörteln sowie Verfahren zu dessen Verwendung

Info

Publication number: DE10040406A1
Application number: DE10040406A
Authority: DE
Inventors: Markus Boos; Joseph Grobe; Georg Hilbert; Eberhard Wendler; Achim Wolke
Original assignee: Remmers Bauchemie GmbH
Current assignee: Remmers Bauchemie GmbH
Priority date: 1999-09-02
Filing date: 2000-08-18
Publication date: 2001-03-08
Anticipated expiration: 2020-08-19
Also published as: DE10040406B4

Abstract

Modulares System auf Kieselsäureesterbasis zur strukturellen Festigung und Herstellung von Hinterfüllmassen und/oder Anböschmörteln für die Restaurierung oder Konservierung von Naturstein oder Natursteinmauerwerk, wobei das System mindestens umfaßt: Steinfestiger auf Kieselsäureesterbasis mit Weichsegmenten und Katalysator; mineralische Füllstoffe, optionale Haftvermittler, Pigmente sowie Quarzsand und/oder andere geeignete Sande. Die Erfindung betrifft weiterhin Verfahren zur Herstellung und Verwendung von Hinterfüllmassen und Anböschmörteln.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein System zur strukturellen Festigung hochporöser Na tursteine sowie zum Herstellen von Hinterfüllmassen und/oder Anböschmörteln auf Kiesel säureesterbasis, geeignet für die Restaurierung oder Konservierung von Natursteinen oder Natursteinmauerwerken sowie von anderen mineralischen Untergründen (z. B. Putz), wobei der Steinfestiger elastifizierende Komponenten enthält.

Bauwerke und Denkmäler unterliegen einem witterungsbedingten Verfall der Bausubstanz. Die Mechanismen der Baustoffverwitterung sind äußerst vielschichtig und auf komplexe, häufig ineinandergreifende physikalische, chemische und biologische Prozesse zurückzu führen.

Da die genannten Bauwerke und Denkmäler einen erheblichen Wert darstellen, fehlt es nicht an umfangreichen und unterschiedlichen Bemühungen zum Erhalt oder zur Wieder herstellung der von der Verwitterung betroffenen Bausubstanz.

Zentrales Augenmerk ist dabei auf die Konservierung und Restaurierung von Natursteinen zu legen, da diese die wichtigsten Materialien für den Bau von kulturhistorisch wertvollen Bauwerken wie z. B. Kirchen und Burgen sind. Unter dem Oberbegriff "Naturstein" wird eine Vielzahl von unterschiedlichsten Gesteinsmaterialien zusammengefaßt, die sich nicht nur in geologischer Hinsicht, sondern auch in ihrer chemischen Zusammensetzung und da mit in ihrer Widerstandsfähigkeit gegenüber Verwitterungseinflüssen unterscheiden. Die betroffenen Bauwerke sind vornehmlich aus Natursteinvarietäten errichtet, die in der jewei ligen Region vorkommen. Infolgedessen können in Abhängigkeit von der geographischen Lage unterschiedliche Natursteine zur Erstellung der Bauwerke verwendet worden sein. Aufgrund der unterschiedlichen Verwitterungsprofile wird der Restaurator hinsichtlich der Restaurierung oder Erhaltung der geschädigten Natursteine mit sehr verschiedenen Proble men konfrontiert. Erschwerend kommt hinzu, daß in vielen Bauwerken unterschiedliche Natursteinvarietäten verwendet wurden, um den ästhetischen und gestalterischen Wünschen der jeweiligen Erbauer zu entsprechen.

Obwohl die Verwitterungsvorgänge wegen ihrer großen Komplexität in der Regel nicht vollständig bekannt sind, gilt als gesichert, daß eine wichtige Voraussetzung für alle Ver witterungsarten die Anwesenheit von Wasser ist, das sowohl aktiv als auch passiv an der Materialzerstörung teilnimmt. Somit besteht eine der häufigsten Maßnahmen der Baudenk malpflege darin, die Feuchtigkeitsaufnahme durch Hydrophobierung des Baustoffes zu ver ringern. Hierbei handelt es sich jedoch nur um eine konservierende Maßnahme, die nicht zu einer wesentlichen Sanierung des geschädigten Bauwerks oder Denkmals führt.

Trotz der Vielfalt an baulich verwendeten Natursteinen und der damit einhergehenden Ver witterungsschäden werden im wesentlichen zwei typische Verwitterungsprofile festgestellt:

1. Die direkte oberflächennahe Verwitterung, die zu einem starken Abfall der Festigkeit des geschädigten Baustoffes in und nahe seiner Oberfläche führt. Mit wachsender Ge steinstiefe nimmt die Festigkeit rasch zu, bis sie das Niveau des ungeschädigten Ge steins erreicht.
2. Die Verwitterung hinter einem nahezu intakten Oberflächenbereich, der u. U. sogar noch die Festigkeit des ungeschädigten Steins besitzt. Hinter dieser Zone nimmt die Festigkeit stark ab, um dann zu dem ungeschädigten Gesteinsinneren hin wieder anzu steigen. Sinkt die Gesteinsfestigkeit an ihrem Tiefpunkt so stark ab, daß sie die Außen schicht nicht mehr hinreichend mit dem tieferliegenden Gestein verbindet, so kommt es zur Gesteinsspaltung, der sogenannten Schalenbildung. Die Schalenbildung ist ein Zei chen für eine intensive Gefügezerrüttung und kommt üblicherweise in einem stark be grenzten Tiefenbereich vor. Ein Beispiel für einen Naturstein, der zu einer intensiven Schalenbildung neigt, ist der überwiegend im fränkischen und schwäbischen Raum an zutreffende Schilfsandstein.

Neben den genannten Verwitterungsprofilen treten in den Gesteinen noch Rißbildungen und Abplatzungen auf, die unterschiedlichste Ursachen haben können, z. B. mechanische Scher belastungen aufgrund unsachgemäßer Bauweise oder infolge von Baugrundsenkungen, aber auch Einschußlöcher durch Kriegseinwirkungen. Daneben gibt es noch eine Reihe natürli cher Ursachen für unterschiedlichste Tiefenrißbildungen.

Wesentliche Aufgabe der Baurestaurierung ist bei den zuvor genannten Schädigungstypen die Festigung der geschädigten, d. h. in ihrer mechanischen Stabilität beeinträchtigten Bau stoffmatrix. Die Konsolidierung erfolgt dabei durch das Einbringen von synthetischen Bin demitteln in die geschädigte natürliche Baustoffmatrix, die dann in dem geschädigten Hohl raumgefüge die Funktion der natürlichen Matrix übernehmen.

Steinschutzstoffe zur Natursteinkonsolidierung können wie folgt unterteilt werden:

- Mittel zur strukturellen Festigung, wobei eine möglichst hohe Eindringtiefe in die Ge steinsstruktur angestrebt wird.
- Hinterfüllmassen fließfähiger Konsistenz, d. h. Stoffe zum Auffüllen von Mikrorißzonen und deutlich vergrößerten Porenhohlräumen.
- Anböschmörtel fester, überwiegend erdfeuchter Konsistenz, d. h. Stoffe zum Verschließen oberflächennaher Fehlstellen im Natursteingefüge in mörtelartiger Arbeitsweise.

Als Bindemittel für Hinterfüllmassen und Anböschmörtel kommen prinzipiell folgende Stoffe in Frage: Kalk, Zement, Kunststoffe und Kieselsäureester. Die jeweiligen Bindemittel haben ihre spezifischen Vor- und Nachteile:
So ist Kalk ein historisches Bindemittel mit nicht zu hoher Festigkeit; jedoch ist er stark feuchtigkeitsanfällig.

Zement hat eine hohe Resistenz gegen Feuchte- und Kristallisationsdruck, jedoch übertrifft die Festigkeit häufig die von Natursteinen, so daß eine zu starke Oberflächenverfestigung auftreten kann, die Abplatzungen zur Folge hat. Auch ist eine auf Null auslaufende Verar beitung nicht möglich.

Kunststoffe (z. B. Epoxydharze) haben eine hohe Klebekraft, die aber nicht zu einer zu ho hen Festigung führt, und sind einfach zu verarbeiten. Andererseits wirken sie als Dampf sperre und greifen somit stark in unerwünschter Weise in den Feuchtehaushalt der Gesteins oberfläche ein.

Kieselsäureester haben sich bei der grundsätzlich durchzuführenden Festigung von Natur steinen bewährt. Sie erlauben für so unterschiedliche Aufgaben wie strukturelles Festigen, Hinterfüllen oder Anböschen das Arbeiten im gleichen Bindemittelsystem. Nach Verfesti gung bleibt die Wasserdampfdurchlässigkeit der Natursteine im wesentlichen unverändert. Kieselsäureester haben jedoch nur eine geringe Klebekraft, da die entwickelten und ausge härteten Gele eine hohe Eigensprödigkeit besitzen. Weiterhin weisen sie in Abhängigkeit von Art und Menge des gewählten Katalysators/Katalysatorsystems unterschiedlich lange Reaktionszeiten zum Aushärten auf.

Bekannte Kieselsäureester werden normalerweise in flüssiger Form als monomeres Tetra ethylsilikat oder daraus abgeleiteten Oligomere durch Flutung auf die zu konsolidierende Fassadenoberfläche aufgetragen. Weniger häufig werden Kieselsäureester anderer Alkohole verwandt. In Gegenwart von Umgebungsfeuchte unterliegen diese Verbindungen sehr leicht der Hydrolyse und bilden nach der hydrolytischen Polykondensation ein dem Quarz in sei ner chemischen Zusammensetzung entsprechendes starres, amorphes Kieselgel (SiO_2,aq. × n H₂O).

Aus 1 kg unverdünnt appliziertem monomerem Kieselsäureester können ca. 300 g SiO₂-Gel in die geschädigte Gesteinsmatrix eingetragen werden, bei oligomerem Kieselsäureester bis zu 500 g.

Bei der Ausbildung des SiO₂-Gerüstes entstehen durch Abspaltung von Ethanol mehr oder weniger große Gelplatten mit kurzen Si-O-Si-Abständen. Diese Abbindungsreaktion führt insbesondere im Fall großer Porenhohlräume im Natursteingefüge zu erheblichen (Schwund- bzw.) Schwindrissen. Durch die Risse des in das Material eingetragenen Kiesel gels kann ein sekundäres Kapillarsystem entstehen, welches in ungünstigen Fällen die ka pillare Wasseraufnahme des behandelten Materials erhöht.

Ein Gefahrenpotential geht bei diesen herkömmlichen Kieselsäureestern auch von einem zu starken Anwachsen des E-Moduls des gefestigten Bereichs bei gleichzeitig geringer Ein dringtiefe aus. Das Spannungs-Verformungsverhalten der behandelten Oberflächenzone unterscheidet sich dann zu stark vom nicht erfaßten Innenbereich, so daß bei Klimawechsel belastungen laterale Scherkräfte auftreten können. Dieses unerwünscht hohe Anwachsen des E-Moduls der mit Kieselsäureester gefestigten Gesteinsmatrix ist letztlich auf die starre Raumnetzstruktur des Kieselgels zurückzuführen. Von außen wirksame Kräfte können nicht aufgefangen werden. Gegenüber ungefestigtem Material besitzt der Kornverband eine er höhte Sprödigkeit.

In Abhängigkeit von der Art der betroffenen Natursteine sowie vom Ausmaß und Charakter der Verwitterungsschäden ist der Restaurator erzwungen, die jeweils optimalen Bindemittel für Hinterfüllmassen und Anböschmörtel auszuwählen und einzusetzen. Um die gesamte Bandbreite der jeweils notwendigen Restaurierungsmaßnahmen abdecken zu können, muß er deshalb alle zuvor genannten Stoffgruppen am Ort der Restaurierung zur Hand zu haben.

Die Nachteile einer gleichzeitigen Bevorratung und Bewirtschaftung aller genannten Stoff gruppen liegen auf der Hand. Hinzu kommt, daß für die jeweiligen Bindemittel unter schiedliche Füll- oder Zuschlagstoffe benötigt werden, die ebenfalls bevorratet werden müs sen.

Unter Füllstoffen werden Verschnittmittel zur Füllung bzw. Streckung der fließfähigen Be schichtungsmaterialien verstanden.

Zuschläge im Sinne der vorliegenden Erfindung sind Materialien, die zur Herstellung von Mörteln dienen, jeweils in Kombination mit z. B. Bindemitteln und Wasser. Sie bauen im Mörtel ein Korn- bzw. Stützgerüst auf. Beispiele für typische Zuschlagsstoffe sind: Kies, Sand, zerkleinerte Festgesteine wie Granit, Basalt und Quarzit, Hochofenschlacke, Hütten sand und Hüttenbims.

Als weiterer entscheidender Nachteil des Arbeitens in unterschiedlichen Bindemittelsyste men ist die Tatsache zu nennen, daß wegen der nicht gegebenen Kompatibilität der Binde mittel zwischen den einzelnen mit den jeweils notwendigen Bindemitteln zu realisierenden Arbeitsschritten immer die für die Abbinde-Reaktion der Bindemittel notwendigen Warte zeiten einzuhalten sind.

Es hat nicht an Versuchen gefehlt, die umfangreiche Bevorratung unterschiedlicher Be standteile für Hinterfüllmassen und Anböschmörtel zu verringern. So sind konfektionierte Abmischungen, z. B. von Hinterfüllmassen und Anböschmörteln auf Basis von Mischungen aus Kalk und Kieselsäureestern, bekannt und im Handel. Derartig konfektionierte Abmi schungen haben jedoch den Nachteil, daß z. B die jeweiligen farblichen Nuancen des zu restaurierenden Natursteins nicht berücksichtigt werden können. Auch sind beispielsweise kaum Anpassungen der konfektionierten Abmischungen hinsichtlich der Fließfähigkeit, der Eindringfähigkeit und des Verfestigungsgrades möglich. Weiterhin zeigte sich, daß keines der bisher verwendeten Bindemittel für Hinterfüllmassen und Anböschmörtel so flexibel einsetzbar ist, daß es für nahezu alle Natursteine verwendet werden kann. Die Ursache hier für liegt in den genannten Vor- und Nachteilen der bekannten Bindemittel.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es, die bestehenden Nachteile zu überwinden und ein System von Steinfestigern, Hinterfüllmassen und/oder Anböschmörteln auf Kieselsäure esterbasis für die Restaurierung oder Konservierung von Natursteinen oder Natursteinmau erwerk bereitzustellen, das zum einen als Bindemittel Kieselsäureester mit verbesserten Ei genschaften und zum anderen eine geringe Anzahl an Komponenten enthält, aus denen die Schutzmittel am Ort der Verwendung zubereitet und den jeweiligen Problemen angepaßt werden können.

Gelöst wird die Aufgabe nach den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen dargestellt.

Die vorliegende Erfindung geht dabei den Weg, die bekannten Bindemittel auf Kieselsäure esterbasis mit elastifizierenden Komponenten zu modifizieren und ihnen damit Eigenschaf ten zu verleihen, die sie zu einem nahezu universell einsetzbaren Mittel zur strukturellen Festigung sowie für die Herstellung von Anböschmörteln und Hinterführmassen für die Restaurierung oder Konservierung von Natursteinen oder Natursteinmauerwerk machen. Weiterhin stellt die Erfindung ein Modulares System auf der Basis des modifzierten Kiesel säureesters bereit, das in Form eines Baukastensystems mit einer geringen Anzahl an Ein zelkomponenten Steinfestiger, Hinterfüllmassen und Anböschmörtel für die unterschied lichsten Einsatzbereiche in der notwendigen Variationsbreite der physiko-mechanischen Eigenschaften verfügbar macht.

Das als Erfindung zu schützende modulare System zur Herstellung von Steinfestigern, Hin terfüllmassen und Anböschmörteln mit einem Schutzstoff auf Kieselsäureesterbasis mit Weichsegmenten weist eine Reihe von Vorteilen auf:
Durch den Aufbau aus einer begrenzten Anzahl an Modulen kann die Bevorratung am Ort der Restaurierung auf eine geringe Zahl unterschiedlicher Komponenten begrenzt werden. Auch ist es dem Restaurator anheimgegeben, in Abhängigkeit vom vorliegenden Naturstein, vom Schädigungsgrad und von der Schädigungsart sowie von Art und Grad der gewünsch ten Restaurierung eine Hinterfüllmasse oder einen Anböschmörtel zu rezeptieren, der den zuvor genannten Bedingungen Rechnung trägt. Das erfindungsgemäße modulare System bietet somit eine bisher nicht gekannte Variationsvielfalt.

Möglich wird dies u. a. durch den Steinfestiger auf Kieselsäureesterbasis mit Weichseg menten, der gegenüber den herkömmlichen Steinfestigern deutliche Vorteile aufweist. So können Anböschmörtel rezeptiert werden, die eine auf nahezu Null auslaufende Verarbei tung ermöglichen.

Das modulare System umfaßt als Steinfestiger den modifizierten Kieselsäureester ein schließlich Lösungsmittel, Katalysatoren zur Steuerung der Aushärtungsgeschwindigkeit und in Abhängigkeit von dem bereitzustellenden Restaurationsmittel ggf. mineralische Füll stoffe, Haftvermittler sowie Quarzsand und/oder andere geeignete Gesteinssande als Zu schläge. Die Zuschläge ergänzen die Grundrezeptur der Hinterfüllmassen für die Anwen dung als Anböschmörtel. Die Wahl der Zuschläge (Sande) hat derart zu erfolgen, daß der resultierende Anböschmörtel eine an die Fuller-Kurve angelehnte Sieblinie aufweist. Die Gesetzmäßigkeiten der Fuller-Kurve, die z. B. in W. Scholz "Baustoffkenntnis", 1995, Seite 208 ff. beschrieben sind, ermöglichen eine günstige Anpassung der Anböschmasse an den Untergrund im Hinblick auf die Parameter Optik, Struktur und physiko-mechanische Eigen schaften.

Durch den Kunstgriff der Einführung von kettenförmigen Weichsegmenten in die Gelstruktur des Steinfestigers wird beim Aushärten des Gels eine deutlich verringerte Schwindrißneigung bewirkt. Anstelle des üblichen scherbigen Aufbrechens bildet sich eine Struktur mit weich verlaufenden Rißkonturen, welche in engem Kontakt zur Mineralober fläche verbleibt. Das Spannungs-Verformungsverhalten behandelter Körper ist deutlich ver bessert, der E-Modul ist trotz gleich hohem Festigkeitszuwachses niedriger als bei der An wendung bekannter Kieselsäureester. Erreicht wird diese Modifizierung des Steinfestigers durch die Zugabe von hydroxygruppenhaltigen Polyethern.

Eine Verbesserung der Anhaftung auch an nicht-silikatische (z. B. carbonatische) Unter gründe wird durch die Zugabe von speziellen Alkylestern erreicht. Bevorzugt handelt es sich bei diesen um Phosphorsäure-mono-n-butylester und/oder Phosphorsäure-dibutylester, die zusätzlich die hydrolytische Polykondensation katalysieren.

Diese Reaktion der Kieselsäureester zum Kieselgel verläuft ohne Katalyse so langsam, daß sie die praktische Anwendung verhindern würde, wenn nicht geeignete Katalysatoren zur Verfügung ständen. Vorzugsweise kommt dafür Di-n-Butyl-zinncarboxylat zum Einsatz.

Die üblicherweise flüssigen Hydroxygruppen-haltigen Polyether bzw. Haftvermittler wer den werksseitig der alkoholischen Lösung der Kieselsäurealkylester zugesetzt. Beim Aus härten bzw. bei der Vernetzung des Kieselgels ermöglichen die Hydroxy- bzw. Alkoxy funktionen der Modifizierungsmittel den Einbau in die Gelstruktur des resultierenden, a morphen Siliciumdioxids, das als Bindemittel abgeschieden wird, und bewirken so die E lastifizierung bzw. die bessere Anhaftung auch an nicht-silikatische Untergründe.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird ein Steinfestiger auf Basis eines modifizierten Kieselsäureethylesters verwendet, der in einem polaren, wasserfreien Lösemittel bereitge stellt wird. Geeignete Lösemittel umfassen:

- Alkohole wie Ethanol, 1-Methoxypropanol-2, Methoxypropoxypropanol, iso- und n-Propanol
- Ester wie Essigsäureethylester oder Butylacetat
- Glykole wie Methyldipropylenglykol, Methylpropylenglykol
- Ketone wie Cyclohexanon, Methylethylketon oder
- Gemische aus den zuvor genannten Stoffen.

Geeignete Hydroxygruppen-haltige Polyether zur Modifizierung des Kieselsäureesters sind:
Polyethylenoxide, Polypropylenoxide, Polytetrahydrofurane sowie Gemische daraus.

Eine ca. 70%-ige Kieselsäureethylesterlösung in einem Lösungsmittel oder einer Lösungs mittel-Mischung enthält z. B. 1-20% (bevorzugt 2-15%; besonders bevorzugt 2,5-10%) Polyether und ggf. spezielle Alkylester. Wenn die Ausgangslösung andere Gehalte an Kie selsäureethylester aufweist, sind die Gehalte an Polyethern entsprechend anzupassen.

Das System enthält weiterhin geeignete Katalysatoren zur Aktivierung und Beschleunigung der Gelbildung bzw. Abscheidung von elastifiziertem Siliciumdioxid. Ein geeigneter Kata lysator ist Di-n-Butyl-zinncarboxylat.

In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden die Weichsegmente dem Steinfestiger in Form von weichsegmenthaltigen Silanen zugefügt. Die weichsegment haltigen Silane können mit üblichen Kieselsäurealkylesterlösungen verschnitten werden, um einen anwendungsfähigen Steinfestiger zu erhalten. Für spezielle Anwendungen können die weichsegmenthaltigen Silane ohne Beimischung von Kieselsäurealkylestern eingesetzt wer den.

Im Rahmen der vorliegenden Beschreibung werden die genannten weichsegmenthaltigen Silane ebenfalls als Steinfestiger auf Kieselsäureesterbasis mit Weichsegmenten bezeichnet, unabhängig davon, ob sie mit Kieselsäurealkylestern verschnitten sind oder nicht.

Bei den werksseitig konfektionierten, weichsegmenthaltigen Steinfestigern handelt es sich im allgemeinen um Alkoxyalkyl-alkoxysilane und/oder Carboxyalkyl-alkoxysilane. Als besonders geeignet erweisen sich Carboxyalkyl-alkoxysilane, Alkoxyethyl-alkoxysilane, Alkoxypropyl-alkoxysilane und die höheren Homologen des letztgenannten. Die geeignetsten weichsegmenthaltigen Silane sind ausgewählt aus Ethylenglycol-bis-[2- (triethoxysilyl)-ethyl]-ether, Diethylenglycol-bis-[2-(triethoxysilyl)-ethyl]-ether, Triethylen glycol-bis-[2-(triethoxysilyl)-ethyl]-ether, Ethylenglycol-bis-[3-(triethoxysilyl)-propyl]- ether, Diethylenglycol-bis-[3-(triethoxysilyl)-propyl]-ether, Triethylenglycol-bis-[3-(tri ethoxysilyl)-propyl]-ether, Essigsäure-[2-(triethoxysilyl)-ethyl]-ester, Essigsäure-[4-(tri ethoxysilyl)-butyl]-ester, Essigsäure-[5-(triethoxysilyl)-pentyl]-ester, Essigsäure-[3- (triethoxysilyl)-propyl]-ester, Propionsäure-[3-(triethoxysilyl)-propyl]-ester, Buttersäure-[3- triethoxysilyl)-propyl]-ester sowie Gemische aus den zuvor genannten.

Am geeignetsten für die Verwendung als Steinfestiger mit Weichsegmenten ist Triethy lenglycol-bis-[2-(triethoxysilyl)-ethyl]-ether.

Wie oben ausgeführt, können die vorkonfektionierten, weichsegmenthaltigen Silane direkt verwendet oder zur Herstellung des applikationsfertigen Steinfestigers mit Kieselsäureestern verschnitten werden. Zur Vereinfachung der Handhabbarkeit und Dosierbarkeit können Lö semittel zugefügt werden. Die Steinfestiger der zuletzt genannten Ausführungsform, d. h. die konfektionierten Steinfestiger, lassen sich auch in Kombination mit den nicht konfektio nierten Steinfestigern mit Weichsegmenten verwenden.

Zur Aktivierung und Beschleunigung der Gelbildung bzw. Abscheidung von elastifiziertem Kieselgel sind weiterhin geeignete Katalysatoren erforderlich; als geeignet hat sich dafür Di-n-Butyl-zinncarboxylat erwiesen.

Eine Hinterfüllmasse für Gesteinsschäden unter Verwendung des erfindungsgemäßen mo dularen Systems enthält auf 100 Teile Steinfestiger auf Kieselsäureesterbasis mit Weich segmenten und Katalysator 50-200 Teile (vorzugsweise 70-150 Teile) mineralischen Füll stoff. Alle Angaben sind in Gewichtsteilen.

Als Beispiele für geeignete mineralische Füllstoffe seien genannt:

- Eine Verwachsung von Chlorit, Glimmer und Quarz als feinkörniges Mineralpulver mit Partikelgrößen ≦ 30 µm. Durch die Zugabe dieses Mineralpulvers wird die Fließfähig keit von Hinterfüllmassen entscheidend verbessert.
- Ein Quarzmehl mit hoher spezifischer BET-Oberfläche (mittlere Korngröße: ca. 6 µm), das besonders viele Anknüpfpunkte für Kieselsäureester und somit den innigen Ver bund zwischen Bindemittel, Füllstoff/Füllstoff-Gemisch und zu behandelndem Unter grund gewährleistet.

Ein Anböschmörtel, hergestellt unter Verwendung des erfindungsgemäßen modularen Sys tems, enthält auf 100 Anteile Steinfestiger auf Kieselsäureesterbasis mit Weichsegmenten und Katalysator 50-200 Teile (vorzugsweise 90-150 Teile) mineralischen Füllstoff und 50-450 (vorzugsweise 200-360) Teile Zuschläge in Form von Quarzsand und/oder anderen ge eigneten Sanden.

Wenn erwünscht, können der Hinterfüllmasse und/oder dem Anböschmörtel weitere Hilfs- oder Wirkstoffe wie Pigmente, Farbintensivierer oder Mittel gegen Pilz- und Schwammbe fall in geeigneten Mengen zugesetzt werden. Pigmente werden vorzugsweise in Form von anorganischen Pigmenten in Mengen von 0-10 (insbesondere 0-5) Gewichtsteilen, zugege ben.

Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Hinterfüllen geschädigter Gesteine unter Verwendung des erfindungsgemäßen modularen Systems. Das Verfahren umfaßt folgende Schritte: Abmischen der Hinterfüllmasse aus Steinfestiger auf Kieselsäureesterbasis mit Weichsegmenten und Katalysator mit mineralischen Füllstoffen, wobei auf 100 Teile Stein festiger 50-200 Teile mineralischer Füllstoff und die optionalen Hilfs- und Wirkstoffe, ins besondere Pigmente, zugeschlagen werden. Anschließend wird das Gemisch bis zur voll ständigen Durchmischung homogenisiert. Es folgen die Applikationen des Gemisches in die zu hinterfüllende Gesteinsschicht unter Nutzung des üblichen Verfahrens durch Hintersprit zen in unterschiedlichen anwendungstechnisch typischen Formen und schließlich das Aus härten der Hinterfüllmasse.

Die Erfindung umfaßt weiterhin ein Verfahren zum Anböschen von Gesteinsschäden unter Verwendung des erfindungsgemäßen Systems mit folgenden Schritten: Abmischen des An böschmörtels aus Steinfestiger auf Kieselsäureesterbasis mit Weichsegmenten und Kataly sator mit mineralischen Füllstoffen und Quarzsand und/oder anderen geeigneten Sanden als Zuschlag, wobei auf 100 Teile Steinfestiger 50-200 Teile mineralischer Füllstoff und 50- 450 Teile Sand sowie die optionalen Hilfs- und Wirkstoffe, insbesondere Pigmente, zuge schlagen werden. Anschließend wird das Gemisch bis zur vollständigen Durchmischung homogenisiert. Danach folgen die Applikation des Anböschmörtels in üblicher Weise, z. B. durch Auftragen mit dem Spatel, und schließlich das Aushärtenlassen des Anböschmörtels.

Vor Anwendung der Hinterfüllmassen oder der Anböschmörtel können übliche Untergrund vorbereitungen durchgeführt werden.

Die Verarbeitungstemperaturen für die Hinterfüllmassen und Anböschmörtel liegen übli cherweise zwischen 10°C und 20°C.

Beispiele Beispiel 1A

Schlesischer Sandstein: Hinterfüllmasse
Je 100 ml elastifizierter Steinfestiger wurden mit 60 g Mineralmehl und 30 g Quarzmehl als Füllstoffe homogenisiert. Homogenisierdauer: 3-4 Minuten. Zeigte die Masse noch Klum penbildung, wurde länger homogenisiert.

Beispiel 1B

Schlesischer Sandstein: Anböschmörtel
Je 100 ml elastifizierter Steinfestiger wurden mit 70 g Mineralmehl und 70 g Quarzmehl als Füllstoffe homogenisiert. Homogenisierdauer: 3-4 Minuten. Zeigte die Masse noch Klum penbildung, wurde länger homogenisiert. Anschließend wurden noch zusätzliche 400 g Quarzsand (Kornfraktion 0-500 µm) und 200 g Normsand (Kornfraktion 1000-2000 µm) eingerührt. Dazu wurde die Masse vorgelegt und der Quarzsand gründlich eingemischt. Die Masse nahm dabei letztlich feuchte, erdbröckelige Konsistenz an.

Beispiel 2A

Schilfsandstein: Hinterfüllmasse
Je 100 ml elastifizierter Steinfestiger wurden mit 60 g Mineralmehl und 30 g Quarzmehl als Füllstoffe homogenisiert. Homogenisierdauer: 3-4 Minuten. Zeigte die Masse noch Klum penbildung, wurde länger homogenisiert.

Beispiel 2B

Schilfsandstein: Anböschmörtel
Je 100 ml elastifizierter Steinfestiger waren mit 70 g Mineralmehl und 40 g Quarzmehl als Füllstoffe zu homogenisieren. Homogenisierdauer: 3-4 Minuten. Zeigte die Masse noch Klumpenbildung, wurde länger homogenisiert. Anschließend wurden zusätzlich noch 120 g Quarzsand eingerührt. Zur Anpassung der physiko-mechanischen Eigenschaften des Mörtels an die des Schilfsandsteins wurden außerdem 320 g Schilfsandsteinsand (Fraktion: 125-250 µm) als Zuschlag eingerührt. Dazu wurde die Masse vorgelegt, und die Sande wurden gründlich eingemischt. Die Mischung nahm dabei letztlich erdfeuchte, bröckelige Konsis tenz an.

Beispiel 2C

Schilfsandstein: Schlämme
Je 100 ml elastifizierter Steinfestiger wurden mit 50 g Mineralmehl, 50 g Quarzmehl und 4,4 g Schiefermehl (z. B. Kremer Nr.: 40 900) homogenisiert. Homogenisierdauer: 3-4 Mi nuten. Zeigte die Masse noch Klumpenbildung, wurde länger homogenisiert. Anschließend wurden zusätzlich noch 120 g Quarzsand eingerührt. Zur Farbanpassung wurden des weite ren 1,4 g Ocker-Pigment (z. B. Kremer Nr.: 40 050) und 0,5 g Eisenoxid-Pigment (z. B. Kremer Nr.: 4844) zugegeben. Zur strukturellen Anpassung an den zu schlämmenden Unter grund wurden noch 70 g Quarzsand (Kornfraktion: 0-500 µm) zu der homogenisierten Masse gegeben.

Beispiel 2D

Schilfsandstein: Lasur
Je 100 ml elastifizierter Steinfestiger wurden mit 24 g Schiefermehl (z. B. Kremer Nr.: 40 900), 5,6 g Ocker-Pigment (z. B. Kremer Nr.: 40 050) und 0,8 g Eisenoxid-Pigment (Kre mer Nr.: 48 44) homogenisiert. Homogenisierdauer: 3-4 Minuten. Zeigte die Masse noch Klumpenbildung, wurde länger homogenisiert.

Beispiel 3A

Buntsandstein, rot: Anböschmörtel
Je 100 ml elastifizierter Steinfestiger wurden mit 90 g Mineralmehl und 60 g Quarzmehl als Füllstoff homogenisiert. Homogenisierdauer: 3-4 Minuten. Zeigte die Masse noch Klum penbildung, wurde länger homogenisiert. Zur Farbanpassung wurden des weiteren 2,2 g Umbra-Pigment (z. B. Kremer Nr.: 40 720) und 2,6 g Mortuum-Pigment (z. B. Kremer Nr.: 48 220) zugegeben. Anschließend wurden zusätzlich noch 420 g Quarzsand (Kornfrak tion: 0-500 µm) und 180 g Quarzsand (Kornfraktion: 40-150 µm; z. B. Kremer Nr.: 58 630) eingerührt. Dazu wurde die Masse vorgelegt und der Quarzsand gründlich eingemischt. Die Masse nahm dabei letztlich feuchte, erdbröckelige Konsistenz an.

Beispiel 3B

Buntsandstein, rot: Schlämme
Je 100 ml elastifizierter Steinfestiger wurden mit 53,6 g Mineralmehl und 35,7 g Quarzmehl homogenisiert. Homogenisierdauer: 3-4 Minuten. Zeigte die Masse noch Klumpenbildung, wurde länger homogenisiert. Zur Farbanpassung wurden des weiteren 2,2 g Umbra-Pigment (z. B. Kremer Nr.: 40 720) und 2,5 g Rot-Pigment (z. B. Kremer Nr.: 48 600) zugegeben. Zur strukturellen Anpassung an den zu schlämmenden Untergrund wurden noch 160,7 g Quarzsand (Kornfraktion: 40-125 µm; z. B. Kremer) zu der homogenisierten Masse gege ben.

Beispiel 3C

Buntsandstein, rot: Lasur
Je 66,67 ml elastifizierter Steinfestiger wurden mit je 33,33 ml wasserfreiem Ethanol ver dünnt und mit je 100 g Mineralmehl und 60 g Quarzmehl als Füllstoff homogenisiert. Ho mogenisierdauer: 3-4 Minuten. Zeigte die Masse noch Klumpenbildung, wurde länger ho mogenisiert. Zur Farbanpassung wurden des weiteren 2,2 g Umbra-Pigment (z. B. Kremer Nr.: 40 720) und 2,6 g Mortuum-Pigment (z. B. Kremer Nr.: 48 220) zugegeben.

Beispiel 4 Darstellung der (Oligo)Ethylenglycol-bis-[2-(triethoxysilyl)-ethyl]-ether

In einer Rückflußapparatur wurde der jeweils ausgewählte Divinylether in trockenem THF vorgelegt und mit katalytischen Mengen an Hexachloroplatin(IV)-säure versetzt; die Mi schung wurde anschließend zum Sieden erhitzt. Zu der siedenden Lösung wurde Triethoxy silan in trockenem THF zugegeben, wobei das Molverhältnis des Divinylethers zum Triethoxysilan etwa 1 : 2 beträgt. Die Reaktionsmischung wurde bei Siedehitze bis zum Ende der Reaktion gerührt und anschließend destilliert. Die Ausbeuten betrugen: Ethylenglycol- bis-[2-(triethoxysilyl)-ethyl]-ether 55%; Diethylenglycol-bis-[2-(triethoxysilyl)-ethyl]-ether 60%; Triethylenglycol-bis-[2-(triethoxysilyl)-ethyl]-ether 56%.

Beispiel 5 Darstellung der (Oligo)Ethylenglycol-bis-[3-(triethoxysilyl)-propyl]-ether

In einer Rückflußapparatur wurde der jeweils ausgewählte Diallylether in trockenem THF vorgelegt, auf Siedetemperatur erhitzt und mit katalytischen Mengen von Hexachloropla tin(IV)-Säure versetzt. Anschließend wurde Triethoxysilan in trockenem THF zugegeben, wobei das Molverhältnis von Diallylether und Triethoxysilan 1 : 2 beträgt. Nach vollständi gem Umsatz wurde die abgekühlte Reaktionslösung im Vakuum destilliert. Die Ausbeuten betrugen: Ethylglycol-bis-[3-(triethoxysilyl)-propyl]-ether 61%; Diethylenglycol-bis-[3- (triethoxysilyl)-propyl]-ether 58%; Triethylenglycol-bis-[3-(triethoxysilyl)-propyl]-ether 50%.

Beispiel 6 Herstellung der Essigsäure-[triethoxysilyl-alkyl]-ester

In einer Rückflußapparatur wurden der ausgewählte Essigsäure-Alkenylester und eine ka talytische Menge Hexachloroplatin (IV)-Säure vorgelegt. Das Reaktionsgemisch wurde auf maximal 90°C erwärmt und eine äquimolare Menge an Triethoxysilan so zugetropft, daß die Dampftemperatur 90°C nicht überschreitet. Nach Reaktionsende wurde das Reaktionsge misch unter verringertem Druck destilliert. Die Ausbeuten betrugen: Essigsäure-[2- (triethoxysilyl)-ethyl]-ester 55%; Essigsäure-[3-(triethoxysilyl)-propyl]-ester 61%; Essig säure-[4-(triethoxysilyl)-butyl]-ester 52%; Essigsäure-[5-(triethoxysilyl)-pentyl]-ester 54%.

Beispiel 7 Darstellung der Carbonsäure-[3-(triethoxysilyl)-propyl]-ester

Der ausgewählte Carbonsäureallylester wurde unter Rückflußkühlung vorgelegt und mit katalytischen Mengen Hexachloroplatin(IV)-Säure versetzt. Das Gemisch wurde auf etwa 90°C erhitzt und dann eine äquimolare Menge an Triethoxysilan so zugetropft, daß die Dampftemperatur 90°C nicht überschreitet. Nach Ende der Reaktion wurde das Gemisch einer Vakuumdestillation unterworfen. Die Ausbeuten betrugen: Essigsäure-[3- (triethoxysilyl)-propyl]-ester 61%; Propionsäure-[3-(triethoxysilyl)-propyl]-ester 61%; Buttersäure-[3-(triethoxysilyl)-propyl]-ester 57%.

Claims

1. System auf Kieselsäureesterbasis zur strukturellen Festigung hochporöser Natursteine und zur Fertigung von Hinterfüllmassen für oberflächenparalelle Rißsysteme und/oder von Anböschmörteln zum Verschließen oberflächennaher Risse für die Restaurierung oder Konservierung von Natursteinen oder Natursteinmauerwerk, dadurch gekennzeichnet, daß das System einen modularen Aufbau besitzt und wenigstens folgende Module umfaßt:
Steinfestiger auf Kieselsäureesterbasis,
optional mineralische Füllstoffe,
optional Quarzsand und/oder andere geeignete Sande,
sowie optional weitere geeignete Hilfs- und Wirkstoffe, insbesondere Pigmente,
wobei der Steinfestiger elastifizierende Weichsegmente und wenigstens einen Kataly sator enthält.

2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elastifizierenden Weichse gmente aus hydroxygruppenhaltigen Polyethern gebildet sind; dazu zählen insbeson dere Polyethylenoxide, Polypropylenoxide, Polytetrahydrofurane oder Gemische hier aus.

3. System nach Ansprach 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Steinfestiger aus einer wasserfreien Lösung von Kieselsäureester besteht und 2,5-20 Gew.-% eines hydroxygruppenhaltigen Polyethers und
0-1,5 Gew.-% Di-n-Butylzinncarboxylat sowie optional
2,5-10 Gew.-% Phosphorsäure-mono-n-butylester und/oder
2,5-10 Gew.-% Phosphorsäure-di-butylester enthält.

4. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der weichsegmenthaltige Steinfestiger aus folgender Gruppe von Verbindungen ausgewählt ist: Ethylenglycol- bis-[2-(triethoxysilyl)-ethyl]-ether, Diethylenglycol-bis-[2-(triethoxysilyl)-ethyl]- ether, Triethylenglycol-bis-[2-(triethoxysilyl)-ethyl]-ether, Ethylenglycol-bis-[3- (triethoxysilyl)-propyl]-ether, Diethylenglycol-bis-[3-(triethoxysilyl)-propyl]-ether, Triethylenglycol-bis-[3-(triethoxysilyl)-propyl]-ether, Essigsäure-[2-(triethoxysilyl)- ethyl]-ester, Essigsäure-[4-(triethoxysilyl)-butyl]-ester, Essigsäure-[5-(triethoxysilyl)- pentyl]-ester, Essigsäure-[3-(triethoxysilyl)-propyl]-ester, Propionsäure-[3- (triethoxysilyl)-propyl]-ester, Buttersäure-[3-triethoxysilyl)-propyl]-ester sowie Gemi sche daraus.

5. System nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der weichsegmenthaltige Steinfestiger mit Kieselsäurealkylestern, bevorzugt Kieselsäureethylester, verschnitten ist.

6. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß daraus eine Hinterfüllmasse gefertigt ist, die auf 100 Teile Steinfestiger 50-200 Teile (vorzugsweise 70-150) mineralischen Füllstoff und optional 0-2 Teile Pigment enthält.

7. System nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß daraus ein Anböschmörtel gefertigt ist, der auf 100 Teile Steinfestiger 50-200 (vorzugsweise 70-150) Teile mineralischen Füllstoff und 50-450 Teile Quarzsand und/oder andere geeignete Sande sowie optional 0-5 Teile Pigment enthält.

8. Verfahren zum Hinterfüllen geschädigter Gesteine unter Verwendung des modularen Systems nach einem der Ansprüche 1 bis 6, das folgende Schritte umfaßt:
Abmischen der Hinterfüllmasse aus dem Steinfestiger und dem mineralischen Füll stoff, wobei auf 100 Teile Steinfestiger 50-200 Teile mineralischer Füllstoff sowie optionale Hilfs- und Wirkstoffe zugeschlagen werden,
Homogenisieren des Füllstoffes im Steinfestiger,
Applizieren des Gemisches in die zu hinterfüllende Gesteinsschicht und
Aushärtenlassen der Hinterfüllmasse.

9. Verfahren zum Anböschen von geschädigten Gesteinen unter Verwendung des mo dularen Systems nach einem der Ansprüche 1 bis 3 oder 7, das folgende Schritte um faßt:
Abmischen des Anböschmittels aus Steinfestiger, mineralischem Füllstoff sowie Quarzsand und/oder anderen geeigneten Sanden, wobei auf 100 Teile Steinfestiger 50-200 Teile mineralischer Füllstoff und 50-450 Teile Sand sowie optional Hilfs- und Wirkstoffe zugeschlagen werden,
Homogenisieren des Füllstoffes und des Sandes im Steinfestiger,
Applizieren des Anböschmörtels auf die anzuböschende Gesteinsschicht und
Aushärtenlassen des Anböschmörtels.

10. Steinfestiger auf der Basis von Kieselsäureestern zur strukturellen Festigung poröser Natursteine und/oder zur Zubereitung von Hinterfüllmassen und/oder Anböschmör teln, dadurch gekennzeichnet, daß der Steinfestiger elastische Weichsegmente enthält und aus folgender Gruppe von Verbindungen ausgewählt ist: Ethylenglycol-bis-[2- (triethoxysilyl)-ethyl)-ether, Diethylenglycol-bis-[2-(triethoxysilyl)-ethyl]-ether, Triethylenglycol-bis-[2-(triethoxysilyl)-ethyl]-ether, Ethylenglycol-bis-[3- (triethoxysilyl)-propyl]-ether, Diethylenglycol-bis-[3-(triethoxysilyl)-propyl]-ether, Triethylenglycol-bis-[3-(triethoxysilyl)-propyl]-ether, Essigsäure-[2-(triethoxysilyl)- ethyl]-ester, Essigsäure-[4-(triethoxysilyl)-butyl]-ester, Essigsäure-[5-(triethoxysilyl)- pentyl]-ester, Essigsäure-[3-(triethoxysilyl)-propyl]-ester, Propionsäure-[3- (triethoxysilyl)-propyl]-ester, Buttersäure-[3-triethoxysilyl)-propyl]-ester sowie Gemi sche davon.

11. Steinfestiger nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der weichsegment haltige Steinfestiger mit Kieselsäurealkylestern, insbesondere Kieselsäureethylester, verschnitten ist.