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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Steinfestiger zur strukturellen
Festigung hochporöser Natursteine
sowie zum Herstellen von Hinterfüllmassen
und/oder Anböschmörteln auf
Kieselsäureesterbasis,
geeignet für
die Restaurierung oder Konservierung von Natursteinen oder Natursteinmauerwerken
sowie von anderen mineralischen Untergründen (z. B. Putz), wobei der
Steinfestiger elastifizierende Komponenten enthält.
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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
zurückzuführen.
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Da
die genannten Bauwerke und Denkmäler einen
erheblichen Wert darstellen, fehlt es nicht an umfangreichen und
unterschiedlichen Bemühungen zum
Erhalt oder zur Wiederherstellung der von der Verwitterung betroffenen
Bausubstanz.
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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 damit in ihrer Widerstandsfähigkeit gegenüber Verwitterungseinflüssen unterscheiden.
Die betroffenen Bauwerke sind vornehmlich aus Natursteinvarietäten errichtet, die
in der jeweiligen 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 Problemen konfrontiert. Erschwerend
kommt hinzu, daß in
vielen Bauwerken unterschiedliche Natursteinvarietäten verwendet
wurden, um den ästhetischen
und gestalterischen Wünschen
der jeweiligen Erbauer zu entsprechen.
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Obwohl
die Verwitterungsvorgänge
wegen ihrer großen
Komplexität
in der Regel nicht vollständig
bekannt sind, gilt als gesichert, daß eine wichtige Voraussetzung
für alle
Verwitterungsarten die Anwesenheit von Wasser ist, das sowohl aktiv
als auch passiv an der Materialzerstörung teilnimmt. Somit besteht
eine der häufigsten
Maßnahmen
der Baudenkmalpflege darin, die Feuchtigkeitsaufnahme durch Hydrophobierung
des Baustoffes zu verringern. Hierbei handelt es sich jedoch nur
um eine konservierende Maßnahme,
die nicht zu einer wesentlichen Sanierung des geschädigten Bauwerks
oder Denkmals führt.
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Trotz
der Vielfalt an baulich verwendeten Natursteinen und der damit einhergehenden
Verwitterungsschäden
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 Gesteinstiefe nimmt die Festigkeit rasch zu, bis
sie das Niveau des ungeschädigten
Gesteins 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 Außenschicht
nicht mehr hinreichend mit dem tieferliegenden Gestein verbindet,
so kommt es zur Gesteinsspaltung, der sogenannten Schalenbildung. Die
Schalenbildung ist ein Zeichen für
eine intensive Gefügezerrüttung und
kommt üblicherweise in
einem stark begrenzten Tiefenbereich vor. Ein Beispiel für einen
Naturstein, der zu einer intensiven Schalenbildung neigt, ist der überwiegend
im fränkischen
und schwäbischen
Raum anzutreffende Schilfsandstein.
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Neben
den genannten Verwitterungsprofilen treten in den Gesteinen noch
Rißbildungen
und Abplatzungen auf, die unterschiedlichste Ursachen haben können, z.
B. mechanische Scherbelastungen aufgrund unsachgemäßer Bauweise
oder infolge von Baugrundsenkungen, aber auch Einschußlöcher durch
Kriegseinwirkungen. Daneben gibt es noch eine Reihe natürlicher
Ursachen für
unterschiedlichste Tiefenrißbildungen.
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Wesentliche
Aufgabe der Baurestaurierung ist bei den zuvor genannten Schädigungstypen
die Festigung der geschädigten,
d. h. in ihrer mechanischen Stabilität beeinträchtigten Baustoffmatrix. Die Konsolidierung
erfolgt dabei durch das Einbringen von synthetischen Bindemitteln
in die geschädigte natürliche Baustoffmatrix,
die dann in dem geschädigten
Hohlraumgefüge
die Funktion der natürlichen Matrix übernehmen.
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Steinschutzstoffe
zur Natursteinkonsolidierung können
wie folgt unterteilt werden:
- • Mittel
zur strukturellen Festigung, wobei eine möglichst hohe Eindringtiefe
in die Gesteinsstruktur 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.
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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.
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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 Verarbeitung nicht möglich.
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Kunststoffe
(z. B. Epoxydharze) haben eine hohe Klebekraft, die aber nicht zu
einer zu hohen Festigung führt,
und sind einfach zu verarbeiten. Andererseits wirken sie als Dampfsperre
und greifen somit stark in unerwünschter
Weise in den Feuchtehaushalt der Gesteinsoberfläche ein.
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Kieselsäureester
haben sich bei der grundsätzlich
durchzuführenden
Festigung von Natursteinen bewährt.
Sie erlauben für
so unterschiedliche Aufgaben wie strukturelles Festigen, Hinterfüllen oder
Anböschen
das Arbeiten im gleichen Bindemittelsystem. Nach Verfestigung bleibt
die Wasserdampfdurchlässigkeit
der Natursteine im wesentlichen unverändert. Kieselsäureester
haben jedoch nur eine geringe Klebekraft, da die entwickelten und ausgehärteten Gele
eine hohe Eigensprödigkeit
besitzen. Weiterhin weisen sie in Abhängigkeit von Art und Menge
des gewählten
Katalysators/Katalysatorsystems unterschiedlich lange Reaktionszeiten
zum Aushärten
auf.
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Bekannte
Kieselsäureester
werden normalerweise in flüssiger
Form als monomeres Tetraethylsilikat 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 seiner chemischen
Zusammensetzung entsprechendes starres, amorphes Kieselgel (SiO2.aq. × n
H2O).
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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.
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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 Kieselgels kann ein sekundäres Kapillarsystem
entstehen, welches in ungünstigen
Fällen
die kapillare Wasseraufnahme des behandelten Materials erhöht.
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Ein
Gefahrenpotential geht bei diesen herkömmlichen Kieselsäureestern
auch von einem zu starken Anwachsen des E-Moduls des gefestigten Bereichs
bei gleichzeitig geringer Eindringtiefe aus. Das Spannungs-Verformungsverhalten
der behandelten Oberflächenzone
unterscheidet sich dann zu stark vom nicht erfaßten Innenbereich, so daß bei Klimawechselbelastungen
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 erhöhte Sprödigkeit.
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In
Abhängigkeit
von der Art der betroffenen Natursteine sowie vom Ausmaß und Charakter
der Verwitterungsschäden
ist der Restaurator gezwungen, 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.
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Die
Nachteile einer gleichzeitigen Bevorratung und Bewirtschaftung aller
genannten Stoffgruppen liegen auf der Hand. Hinzu kommt, daß für die jeweiligen
Bindemittel unterschiedliche Füll-
oder Zuschlagstoffe benötigt
werden, die ebenfalls bevorratet werden missen.
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Unter
Füllstoffen
werden Verschnittmittel zur Füllung
bzw. Streckung der fließfähigen Beschichtungsmaterialien
verstanden.
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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, Hüttensand
und Hüttenbims.
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Als
weiterer entscheidender Nachteil des Arbeitens in unterschiedlichen
Bindemittelsystemen ist die Tatsache zu nennen, daß wegen
der nicht gegebenen Kompatibilität
der Bindemittel zwischen den einzelnen mit den jeweils notwendigen
Bindemitteln zu realisierenden Arbeitsschritten immer die für die Abbinde-Reaktion
der Bindemittel notwendigen Wartezeiten einzuhalten sind.
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Es
hat nicht an Versuchen gefehlt, die umfangreiche Bevorratung unterschiedlicher
Bestandteile 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 Abmischungen 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 hierfür liegt
in den genannten Vor- und Nachteilen der bekannten Bindemittel.
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Aus
DE 198 16 973 A1 sind
Organosiliciumverbindungen bekannt, die zur Imprägnierung von mineralischen
Baustoffen bestimmt sind. Dazu werden die Verbindungen u. a. mit
zinnorganischen Verbindungen, die als Katalysator die Veresterung, Umesterung
oder Hydrolyse der Silane bewirken sollen, versetzt. Die Struktur
der Verbindungen, insbesondere die Einheit X, soll eine elastifizierende
Wirkung haben. Bevorzugte Verbindungen sind Bis(trialkoxysilylpropyl)disulfane.
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In
DE 198 16 973 A1 sind
jedoch keine zusätzlichen
elastischen Weichsegmente vorgesehen, die dem Kieselsäureester
und dem Katalysator als gesonderte Komponente beigemischt werden.
Die Vorteile des Einbaus dieser Weichsegmente in die Gelstruktur
des Silans, die bei dessen Aushärtung entsteht,
werden somit nicht erreicht. Die erfindungsgemäß vorgesehenen zusätzlichen
Weichsegmente bewirken eine Verringerung der Schwindrißneigung, eine
bessere Elastifizierung und eine bessere Anhaftung des Steinfestigers
an nicht-silikatische Untergründe.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung war es, die bestehenden Nachteile zu überwinden
und einen Steinfestiger auf Kieselsäureesterbasis für die Restaurierung
oder Konservierung von Natursteinen oder Natursteinmauerwerk bereitzustellen,
der zum einen als Bindemittel Kieselsäureester mit verbesserten Eigenschaften
und zum anderen eine geringe Anzahl an Komponenten enthält, aus
denen die
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Schutzmittel
am Ort der Verwendung zubereitet und den jeweiligen Problemen angepaßt werden
können.
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Gelöst wird
die Aufgabe nach den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Bevorzugte
Ausführungsformen
sind in den abhängigen
Ansprüchen dargestellt.
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Die
vorliegende Erfindung geht dabei den Weg, die bekannten Bindemittel
auf Kieselsäureesterbasis
mit elastifizierenden Komponenten zu modifizieren und ihnen damit
Eigenschaften zu verleihen, die sie zu einem nahezu universell einsetzbaren
Mittel zur strukturellen Festigung sowie für die Herstellung von Anböschmörteln und
Hinterfüllmassen
für die
Restaurierung oder Konservierung von Natursteinen oder Natursteinmauerwerk
machen. Weiterhin stellt die Erfindung ein System auf der Basis
des modifizierten Kieselsäureesters
bereit, das in Form eines Baukastensystems mit einer geringen Anzahl
an Einzelkomponenten Hinterfüllmassen
und Anböschmörtel für die unterschiedlichsten
Einsatzbereiche in der notwendigen Variationsbreite der physiko-mechanischen
Eigenschaften verfügbar
macht.
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Das
als Erfindung zu schützende
System zur Herstellung von Hinterfüllmassen 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 gewünschten
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.
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Möglich wird
dies u. a. durch den Steinfestiger auf Kieselsäureesterbasis mit Weichsegmenten, der
gegenüber
den herkömmlichen
Steinfestigern deutliche Vorteile aufweist. So kön nen Anböschmörtel rezeptiert werden, die
eine auf nahezu Null auslaufende Verarbeitung ermöglichen.
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Das
System umfaßt
als Steinfestiger den modifizierten Kieselsäureester einschließlich Lösungsmittel,
Katalysatoren zur Steuerung der Aushärtungsgeschwindigkeit und in
Abhängigkeit
von dem bereitzustellenden Restaurationsmittel ggf. mineralische
Füllstoffe,
Haftvermittler sowie Quarzsand und/oder andere geeignete Gesteinssande
als Zuschläge.
Die Zuschläge
ergänzen
die Grundrezeptur der Hinterfüllmassen
für die
Anwendung 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 Eigenschaften.
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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 Mineraloberfläche verbleibt. Das Spannungs-Verformungsverhalten
behandelter Körper
ist deutlich verbessert, der E-Modul ist
trotz gleich hohem Festigkeitszuwaches niedriger als bei der Anwendung
bekannter Kieselsäureester. Erreicht
wird diese Modifizierung des Steinfestigers durch die Zugabe von
hydroxygruppenhaltigen Polyethern.
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Eine
Verbesserung der Anhaftung auch an nicht-silikatische (z. B. carbonatische)
Untergründe 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.
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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.
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Die überlicherweise
flüssigen
Hydroxygruppen-haltigen Polyether bzw. Haftvermittler werden werksseitig
der alkoholischen Lösung
der Kieselsäurealkylester
zugesetzt. Beim Aushärten
bzw. bei der Vernetzung des Kieselgels ermöglichen die Hydroxy- bzw. Alkoxyfunktionen
der Modifizierungsmittel den Einbau in die Gelstruktur des resultierenden.
amorphen Siliciumdioxids, das als Bindemittel abgeschieden wird,
und bewirken so die Elastifizierung bzw. die bessere Anhaftung auch
an nicht-silikatische Untergründe.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
wird ein Steinfestiger auf Basis eines modifizierten Kieselsäureethylesters
verwendet, der in einem polaren, wasserfreien Lösemittel bereitgestellt 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.
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Geeignete
Hydroxygruppen-haltige Polyether zur Modifizierung des Kieselsäureesters
sind: Polyethylenoxide, Polypropylenoxide, Polytetrahydrofurane
sowie Gemische daraus.
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Eine
ca. 70%-ige Kieselsäureethylesterlösung in
einem Lösungsmittel
oder einer Lösungsmittel-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 Kieselsäureethylester
aufweist, sind die Gehalte an Polyethern entsprechend anzupassen.
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Das
System enthält
weiterhin geeignete Katalysatoren zur Aktivierung und Beschleunigung
der Gelbildung bzw. Abscheidung von elastifiziertem Siliciumdioxid.
Ein geeigneter Katalysator ist Di-n-Butyl-zinncarboxylat.
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In
einer weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung werden die Weichsegmente dem Steinfestiger
in Form von weichsegmenthaltigen Silanen zugefügt. Die weichsegmenthaltigen
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 werden.
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Im
Rahmen der vorliegenden Beschreibung werden die genannten weichsegementhaltigen
Silane ebenfalls als Steinfestiger auf Kieselsäureesterbasis mit Weichsegmenten
bezeichnet, unabhängig davon,
ob sie mit Kieselsäurealkylestern
verschnitten sind oder nicht.
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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, 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 Gemische aus den zuvor genannten.
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Am
geeignetsten für
die Verwendung als Steinfestiger mit Weichsegmenten ist Triethylenglycol-bis-[2-(triethoxysilyl)-ethyl]-ether.
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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
Lösemittel
zugefügt
werden. Die Steinfestiger der zuletzt genannten Ausführungsform.
d. h. die konfektionierten Steinfestiger, lassen sich auch in Kombination
mit den nicht konfektionierten Steinfestigern mit Weichsegmenten
verwenden.
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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.
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Eine
Hinterfüllmasse
für Gesteinsschäden unter
Verwendung des erfindungsgemäßen Systems enthält auf 100
Teile Steinfestiger auf Kieselsäureesterbasis
mit Weichsegmenten und Katalysator 50–200 Teile (vorzugsweise 70–150 Teile)
mineralischen Füllstoff.
Alle Angaben sind in Gewichtsteilen.
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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 Fließfähigkeit 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 Verbund zwischen Bindemittel, Füllstoff/Füllstoff-Gemisch
und zu behandelndem Untergrund gewährleistet.
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Ein
Anböschmörtel, hergestellt
unter Verwendung des erfindungsgemäßen modularen Systems, 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 geeigneten Sanden.
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Wenn
erwünscht,
können
der Hinterfüllmasse
und/oder dem Anböschmörtel weitere
Hilfs- oder Wirkstoffe
wie Pigmente, Farbintensivierer oder Mittel gegen Pilz- und Schwammbefall
in geeigneten Mengen zugesetzt werden. Pigmente werden vorzugsweise
in Form von anorganischen Pigmenten in Mengen von 0–10 (insbesondere
0–5) Gewichtsteilen,
zugegeben.
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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 Steinfestiger 50–200 Teile mineralischer Füllstoff
und die optionalen Hilfs- und Wirkstoffe, insbesondere Pigmente,
zugeschlagen werden. Anschließend
wird das Gemisch bis zur vollständigen
Durchmischung homogenisiert. Es folgen die Applikationen des Gemisches
in die zu hinterfüllende
Gesteinsschicht unter Nutzung des üblichen Verfahrens durch Hinterspritzen
in unterschiedlichen anwendungstechnisch typischen Formen und schließlich das
Aushärten
der Hinterfüllmasse.
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Die
Erfindung umfaßt
weiterhin ein Verfahren zum Anböschen
von Gesteinsschäden
unter Verwendung des erfindungsgemäßen Systems mit folgenden Schritten:
Abmischen des Anböschmörtels aus Steinfestiger
auf Kieselsäureesterbasis
mit Weichsegmenten und Katalysator 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, insbesonde Pigmente,
zugeschlagen 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.
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Vor
Anwendung der Hinterfüllmassen
oder der Anböschmörtel können übliche Untergrundvorbereitungen
durchgeführt
werden.
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Die
Verarbeitungstemperaturen für
die Hinterfüllmassen
und Anböschmörtel liegen üblicherweise
zwischen 10°C
und 20°C.
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Beispiele
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Beispiel 1A:
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Schlesischer Sandstein: Hinterfüllmasse
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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 Klumpenbildung, wurde länger
homogenisiert.
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Beispiel 1B:
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Schlesischer Sandstein: Anböschmörtel
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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 Klumpenbildung, 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.
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Beispiel 2A:
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Schilfsandstein: Hinterfüllmasse
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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 Klumpenbildung, wurde langer homogenisiert.
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Beispiel 2B:
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Schilfsandstein: Anböschmörtel
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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 Konsistenz an.
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Beispiel 2C:
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Schilfsandstein: Schlämme
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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 Minuten. Zeigte die Masse
noch Klumpenbildung, wurde länger
homogenisiert. Anschließend
wurden zusätzlich
noch 120 g Quarzsand eingerührt.
Zur Farbanpassung wurden des weiteren 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
Untergrund wurden noch 70 g Quarzsand (Kornfraktion: 0–500 μm) zu der
homogenisierten Masse gegeben.
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Beispiel 2D:
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Schilfsandstein: Lasur
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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 (Kremer Nr.: 48 44) homogenisiert.
Homogenisierdauer: 3–4
Minuten. Zeigte die Masse noch Klumpenbildung, wurde länger homogenisiert.
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Beispiel 3A:
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Buntsandstein, rot: Anböschmörtel
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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 (Kornfraktion: 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.
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Beispiel 3B:
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Buntsandstein, rot: Schlämme
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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 gegeben.
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Beispiel 3C:
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Buntsandstein, rot: Lasur
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Je
66,67 ml elastifizierter Steinfestiger wurden mit je 33,33 ml wasserfreiem
Ethanol verdünnt und
mit je 100 g Mineralmehl und 60 g Quarzmehl als Füllstoff
homogenisiert. Homogenisierdauer: 3–4 Minuten. Zeigte die Masse
noch Klumpenbildung, wurde langer 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.
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Beispiel 4:
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Darstellung der (Oligo)Ethylenglycol-bis-[2-(triethoxysilyl)-ethyl]-ether
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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
Triethoxysilan 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%.
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Beispiel 5:
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Darstellung der (Oligo)Ethylenglycol-bis-[3-(triethoxysilyl)-propyl]-ether
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In
einer Rückflußapparatur
wurde der jeweils ausgewählte
Diallylether in trockenem THF vorgelegt, auf Siedetemperatur erhitzt
und mit katalytischen Mengen von Hexachloroplatin(IV)-Säure versetzt.
Anschließend
wurde Triethoxysilan in trockenem THF zugegeben, wobei das Molverhältnis von Diallylether
und Triethoxysilan 1:2 beträgt.
Nach vollständigem
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%.
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Beispiel 6:
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Herstellung der Essigsäure-[triethoxysilyl-alkyl]-ester
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In
einer Rückflußapparatur
wurden der ausgewählte
Essigsäure-Alkenylester
und eine katalytische Menge Hexachloroplatin (IV)-Säure vorgelegt. Das
Reaktiongemisch 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 Reaktionsgemisch unter verringertem
Druck destilliert. Die Ausbeuten betrugen: Essigsäure-[2-(triethoxysilyl)-ethyl]-ester
55%; Essigsäure-[3-(triethoxysilyl)-propyl]-ester
61%; Essigsäure-[4-(triethoxysilyl)-butyl]-ester
52%; Essigsäure-[5-(triethoxysilyl)-pentyl]-ester
54%.
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Beispiel 7:
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Darstellung der Carbonsäure-[3-(triethoxysilyl)-propyl]-ester
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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%.