DE102007038403C5

DE102007038403C5 - Trockenmischung für ein säurebeständiges Muffenfüllmaterial, daraus hergestellter Mörtel, Verfahren zurHerstellung eines Mörtels, Verfahren zum Herstellen einer Muffenverbindungund Verwendungen der Trockenmischung

Info

Publication number: DE102007038403C5
Application number: DE102007038403.5A
Authority: DE
Inventors: Uwe Tröger; Markus Schulte
Original assignee: Erlus AG
Current assignee: Erlus AG
Priority date: 2007-08-14
Filing date: 2007-08-14
Publication date: 2021-04-22
Anticipated expiration: 2027-08-15
Also published as: DE102007038403B4; DE102007038403A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Mörtels zum Verbinden von keramischen Körpern auf Basis einer Trockenmischung, welche folgende Komponenten umfasst:a) 50 bis 70 Gew.-% mindestens eines amorphen Füllstoffs, umfassend gemahlenen Bruch der zu verbindenden keramischen Körper,b) 10 bis 30 Gew.-% mindestens einer Flugasche,c) 3 bis 20 Gew.-% mindestens eines Metallsilikats der Zusammensetzung M2O·nSiO2, wobei n = eine ganze oder gebrochene Zahl zwischen 1 und 5 ist,d) mindestens einen porosierenden Hilfsstoff, unde) mindestens ein Phosphat oder Polyphosphat als Härter für das Metallsilikat und wobei die Trockenmischung zusätzlich zu den Komponenten a) bis e) keine zusätzlichen basischen Hydroxylverbindungen enthält, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:A) Zugabe von Wasser zu der Trockenmischung,B) Vermischen des Wassers mit der Trockenmischung zu einem gleichmäßig benetzten Mörtel, wobei keine weiteren Flüssigkeiten und basischen Hydroxylverbindungen zu der Trockenmischung zugegeben werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Trockenmischung zum Herstellen eines Mörtels zum Verbinden von keramischen Körpern, insbesondere Schornsteinrohren, ein Verfahren zur Herstellung des Mörtels auf Basis der Trockenmischung, einen Mörtel auf Basis der Trockenmischung, ein Verfahren zum Herstellen einer Muffenverbindung, sowie Verwendungen der Trockenmischung.
Mörtel zur Anwendung im Schornsteinbau, z. B. zur Verbindung von keramischen Formteilen und zur gasdichten Abdichtung von Fugen, sind allgemein bekannt. Abgesehen von Elastomer- und Gewebedichtungen sind eine Vielzahl von säurebeständigen Mörteln kommerziell erhältlich.
In der DIN EN 13063-2 „Abgasanlagen - Systemabgasanlagen mit Keramik-Innenrohren - Teil 2: Anforderungen und Prüfungen für feuchte Betriebsweise; Deutsche Fassung EN 13063-2: 2005“ mit Stand vom Dezember 2005 - im folgenden als EN 13063-2 bezeichnet - sind Anforderungen an einen Verbindungswerkstoff, bestehend aus säurebeständigem Mörtel zur dichtenden Verbindung von keramischen Schornsteinrohren, definiert. Die EN 13063-2 legt Anforderungen hinsichtlich der folgenden Eigenschaften eines säurebeständigen Mörtels fest: Druckfestigkeit, Feuchtebeständigkeit und Säurebeständigkeit. Gemäß der EN 13063-2-Norm sollte die Druckfestigkeit vor Wasserlagerung mindestens 10 N/mm² und die Druckfestigkeit nach Wasserlagerung sollte mindestens 10 N/mm² betragen. Ferner sollte gemäß dieser Norm der Masseverlust nach Wasserlagerung maximal 3 Gew.-% bezogen auf das Gesamtgewicht der Trockenmasse und der Masseverlust nach Säurelagerung max. 2 Gew.-% bezogen auf das Gesamtgewicht der Trockenmasse betragen. Derzeit ist allerdings kein säurebeständiger Trockenmörtel zur Anwendung als Muffenfüllmaterial bekannt, der die Anforderungen der EN 13063-2 erfüllt.
DE 42 33 295 A1 beschreibt einen schnell und mit geringer Volumenschrumpfung härtenden, säurefesten Mörtel für den Einsatz im Feuerfest- und Säureschutzbau, der durch Anmachen einer Trockenmischung mit Wasser hergestellt wird. Die Trockenmischung enthält Wasserglas, Aluminiumphosphat sowie Flugasche, bestehend aus sehr feinteiligem glasig-amorphem Siliciumdioxid und Aluminiumoxid. Darüber hinaus können der beschriebenen Mischung Kieselgur und mineralische Füllstoffe zugesetzt sein. Für den mineralischen Füllstoff werden dabei vorzugsweise Mineralmehle verwendet, wie Quarzmehl, Glimmermehl, Kaolin, Talkum, Schiefermehl oder Basaltsteinmehl. Die Trockenmischung ist feinteilig, wobei 80% der Teilchen eine Größe von kleiner als 25 µm und 60% von kleiner als 12 µm aufweisen.
Wird ein derartiger Mörtel zum Verbinden von keramischen Rohren mit angeformten Muffen, wie beispielsweise von Schornsteinrohren verwendet, so treten bei hohen Einsatztemperaturen Spannungen zwischen dem Rohrmaterial und dem Mörtel und dadurch bedingt mitunter Risse auf, die sich vom Mörtel in das Rohr beziehungsweise die Muffe fortsetzen können. Gerade im Kaminbau sind derartige Risse unerwünscht, da diese zum unbemerkten Austritt von gesundheitsschädlichen Rauchgasen in das umliegende Mauerwerk und sich anschließende Räume führen können. Die Vorgaben der EN 13063-2 können mit dem beschriebenen Mörtel nicht eingehalten werden.
DE 10 2004 039 491 B4 beschreibt ein Muffenfüllmaterial bzw. Mörtel auf Basis einer Geopolymer-Bindung. Geopolymere sind anorganische Zwei-Komponentensysteme aus a) einer wässrigen alkalischen Aktivierungslösung, umfassend Alkalihydroxide, -silikate, -aluminate, -carbonate und/oder -sulfate und b) einer reaktiven Feststoffkomponente, umfassend SiO₂, Al₂O₃, Aschen, Aktivtone, Puzzolane, und/oder Schlacken. Durch Reaktion der beiden Komponenten kommt es zur Erhärtung durch Bildung eines aluminosilikatischen, amorphen bis teilkristallinen Netzwerkes, d. h. eines aluminosilikatischen Polymers, welches wasserbeständig ist. Gemäß der DE 10 2004 039 491 B4 umfasst das Muffenfüllmaterial flüssiges Alkalisilikat, Alkalihydroxid, Zinkoxid, Flugasche, Aluminiumphosphat, einen Füllstoff in Form von gemahlenem Bruch der zu verbindenden Schornsteinrohre und/oder Schamotte und/oder Cordierit und einen Schaumbildner. Das Muffenfüllmaterial mit Geopolymer-Bindung hat zwar die positive Eigenschaft, dass es sehr schnell erhärtet, es zeigt aber für den Einsatz im Kaminbau eine zu hohe Festigkeit und ist zu wenig elastisch, wodurch das Muffenfüllmaterial sehr zur Rissbildung tendiert. Durch die Übertragung der im Muffenfüllmaterial herrschenden Spannungen auf die durch den Muffenfüllmaterial verbundenen keramischen Materialien werden auch Risse in den keramischen Materialien induziert.
Bei dem in der DE 10 2004 039 491 B4 beschriebenen Muffenfüllmaterial wird versucht, die Rissanfälligkeit auszugleichen, indem man Flugasche und Kieselgur zugibt. Dadurch ist das beschriebene Muffenfüllmaterial in der Lage, die bei Temperatureinwirkung entstehenden Spannungen zwischen Rohr und Muffenfüllmaterial besser aufzunehmen. Darüber hinaus enthält das beschriebene Muffenfüllmaterial ein Additiv in Form eines Schaumbildners, welcher zu einer erhöhten Porosität im Muffenfüllmaterial führt. Dadurch können die oben erwähnten Spannungen bereits im Muffenfüllmaterial abgefangen werden, ohne das Rohrmaterial in Mitleidenschaft zu ziehen. Außerdem enthält das Muffenfüllmaterial einen Füllstoff in Form von gemahlenem Bruch der zu verklebenden Schornsteinrohre. Durch den Einsatz dieses Füllstoffs, dessen thermischer Ausdehnungskoeffizient an das zu verbindende Rohrmaterial angepasst ist oder gleich dem der zu verbindenden Rohrmaterialien ist, lassen sich die thermisch induzierten Spannungen zwischen Rohren und Muffenfüllmaterial weiter reduzieren, so dass dies in einer generell verminderten Rissbildungstendenz resultiert. Dieses Muffenfüllmaterial hat allerdings den Nachteil, dass es mit flüssigen Alkalisilikat-Lösungen angemischt wird, was für die Herstellung von Muffenverbindungen auf der Baustellen zu umständlich und auch zu gefährlich ist. Zudem hat es sich gezeigt, dass die durch den Schaumbildner erzeugte Schaumstruktur des Muffenfüllmaterials wiederum zu einer reduzierten Wasser- und Säurebeständigkeit der Muffenverbindung führt, so dass die Anforderungen, die in der EN 13063-2 festgelegt sind, ebenfalls nicht eingehalten werden können.
Es ist nun Aufgabe der Erfindung, einen demgegenüber verbesserten Mörtel zum Verbinden von keramischen Körpern, insbesondere Schornsteinrohren, bereitzustellen, der eine verbesserte Feuchtebeständigkeit, Säurebeständigkeit, mechanische Beständigkeit und/oder Temperaturbeständigkeit aufweist und vorzugsweise die DIN EN 13063-2 erfüllt. Insbesondere ist es Aufgabe der Erfindung, einen Mörtel mit verringerter Festigkeit und erhöhter Elastizität bereitzustellen.
Es ist vorzugsweise auch Aufgabe der Erfindung, einen Ausgangsstoff für die Herstellung eines solchen Mörtels bereitzustellen, der zum Anmischen direkt auf der Baustelle geeignet ist. Weiter ist es die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Mörtels bereitzustellen.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird durch eine Trockenmischung zum Verbinden von keramischen Körpern, insbesondere Schornsteinrohren, gelöst, wobei die Trockenmischung

a) 50 bis 70 Gew.-% mindestens eines amorphen Füllstoffs, umfassend gemahlenen Bruch von keramischen Körpern,
b) 10 bis 30 Gew.-% mindestens einer Flugasche,
c) 3 bis 20 Gew.-% mindestens eines Metallsilikats der Zusammensetzung M₂O·nSiO₂, wobei n = eine ganze oder gebrochene Zahl zwischen 1 und 5 aufweist,
d) mindestens einen porosidierenden Hilfsstoff, und
e) mindestens ein Phosphat oder Polyphosphat als Härter für das Metallsilikat

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Durch die Erfindung werden mehrere Vorteile erzielt:

Die Trockenmischung wird lediglich unter Zugabe von Wasser angemischt, um den Mörtel, insbesondere das Muffenfüllmaterial, herzustellen. Der erfindungsgemäße Mörtel ist daher auf der Baustelle einfacher herzustellen als ein Mörtel, der aus flüssigem Wasserglas angemischt wird.

Die Trockenmischung ist durch den Verzicht auf Hydroxyl-Verbindungen für Anwender auf der Baustelle weniger gefährlich (Augenkontakt!) und die Vorkehrungen zur Arbeitssicherheit, die für die Trockenmischung zu treffen sind, sind mit geringerem Aufwand verbunden.
Durch den Verzicht auf Hydroxyl-Verbindungen ist die Trockenmischung lediglich gering hygroskopisch, d. h. die Lagerhaltung vereinfacht sich. Außerdem ist die Trockenmischung dadurch schnell löslich, wodurch sich die Verwendung auf der Baustelle vereinfacht.
Unter einer Hydroxyl-Verbindung, welche nicht in der erfindungsgemäßen Trockenmischung enthalten ist, werden insbesondere Alkalihydroxid, Erdalkalihydroxid und/oder Hydroxide der Borgruppe verstanden. Beispielsweise handelt es sich bei den Hydroxylverbindungen um Zn(OH)₂, KOH, NaOH, Ca(OH)₂, Mg(OH)₂, B(OH)₃, Al(OH)₃, und/oder Mischungen davon.
Derartige Hydroxide sind stark hygroskopisch, d. h. sie wären als Bestandteil einer Trockenmischung ungeeignet. Zn(OH)₂, KOH, NaOH und/oder Ca(OH)₂, Mg(OH)₂, reagieren mit dem Kohlendioxid der Luft und müssen deshalb in verschlossenen Behältern aufbewahrt werden. Auch deshalb sind sie für eine Trockenmischung ungeeignet. Die hohe Wasserlöslichkeit der Trockenmischung und die hohe Säurebeständigkeit des vorliegenden Muffenfüllmaterials wird unter anderem dadurch erreicht, indem auf die Hydroxide verzichtet wird.
Durch das Anrühren der Trockenmischung mit Wasser entsteht der erfindungsgemäße Mörtel. Dieser erfindungsgemäße Mörtel, der auch als Muffenfüllmaterial bezeichnet werden kann, erhärtet schwindarm und ist im ausgehärteten Zustand in hohem Maße säurebeständig, feuchtebeständig und gasdicht. Insbesondere weist der erfindungsgemäße Mörtel diesbezüglich Messwerte auf, mit denen die Anforderungen der DIN EN 13063-2 erfüllt werden. Außerdem ist der erhärtete Mörtel temperaturbeständig, vorzugsweise bis mindestens 1000°C.
Die mit einer Feuchte- oder Säureeinwirkung einhergehenden strukturellen Veränderungen an dem erhärteten Mörtel sind nur sehr gering, so dass hierdurch nur kleinste Masse- oder Festigkeitsverluste entstehen. Auch bei Einwirkung hoher Temperaturen bis 1000°C bleibt der erhärtete Mörtel vorzugsweise rissfrei und daher gasdicht.
Der erfindungsgemäße Mörtel weist nach dem Erhärten vorzugsweise eine hohe Porosität, d. h., eine große Zahl von Poren pro Volumeneinheit auf, wobei die nahe an der Oberfläche des Muffenfüllmaterials liegenden Poren überwiegend nach außen geschlossen sind (geschlossene Porosität). Die hohe Porosität ermöglicht es, die Spannungen zwischen Schornsteinrohr und Muffenfüllmaterial auszugleichen, so dass eventuell durch (thermische) Spannungen entstehende Risse sich bereits im ausgehärteten Mörtel verlaufen und somit das Rohrmaterial nicht mehr beeinträchtigen.
Vorzugsweise weist der Mörtel einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf, der maximal um höchstens 10%, vorzugsweise um höchstens 5% von dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten der zu verbindenden Teile abweicht. Das Meßverfahren für den Wärmeausdehnungskoeffizienten ist in der DIN 51045 definiert. Durch den Einsatz von gemahlenem Bruch der zu verbindenden Schornsteinrohre als amorphen Füllstoff in der Trockenmischung wird der thermische Ausdehnungskoeffizient des daraus hergestellten Mörtels an das zu verbindende Rohrmaterial angepasst. Ein derart zusammengesetzter Füllstoff weist einen optimal an das Rohrmaterial angepassten thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf und vermindert die thermisch induzierten Spannungen zwischen Rohren und Mörtel bzw. Muffenfüllmaterial auf ein Minimum. Dadurch lassen sich die thermisch induzierten Spannungen zwischen Rohren und Muffenfüllmaterial weiter reduzieren, was in einer generell verminderten Rissbildung resultiert. Ferner wird auf den Einsatz von bislang üblicherweise verwendetem Quarzmehl, als Füllstoff vorzugsweise verzichtet, da Quarz aufgrund seiner beim Aufheizen und Abkühlen jeweils bei 573°C auftretenden, sprunghaften Volumenänderung, dem sogenannten Quarzsprung, hohe Spannungen im Muffenfüllmaterial induziert und zu vermehrter Rissbildung führt.
Vorzugsweise handelt es sich bei dem Metallsilikat um ein Alkalisilikat, insbesondere Natriumsilikat und/oder Kaliumsilikat. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Silikat um ein Wasserglas.
Bei der erfindungsgemäßen Trockenmischung liegt der Gehalt an gemahlenem Bruch der zu verbindenden keramischen Körper bei 50 bis 70-Gew.-%, vorzugsweise 55 bis 65 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Trockenmischung.
Bei der erfindungsgemäßen Trockenmischung liegt der Gehalt an Flugasche bei 10 bis 30-Gew.-%, vorzugsweise 15 bis 25 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Trockenmischung.
Bei der erfindungsgemäßen Trockenmischung liegt der Gehalt an Metallsilikat bei 3 Gew.-% bis 20 Gew.-%, vorzugsweise 5 Gew.-% bis 12 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Trockenmischung.
Bei einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Trockenmischung liegt der Gehalt an porosierenden Hilfsstoff bei 1 Gew.-% bis 15 Gew.-%, vorzugsweise 1 Gew.-% bis 5 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Trockenmischung.
Bei einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Trockenmischung liegt der Gehalt an Härter für das Metallsilikat bei 1 Gew.-% bis 15 Gew.-%, vorzugsweise 1 Gew.-% bis 5 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Trockenmischung.
Unter porosierenden Hilfsstoff sind vorzugsweise amorphe Pulver mit einer offenen Porosität zu verstehen, die insbesondere Siliciumdioxid umfassen. Unter offener Porosität versteht man das Volumen der offenen Hohlräume bezogen auf das Gesamtvolumen einschließlich der offenen und geschlossenen Hohlräume.
Bei einer Ausführungsform werden Puzzolane als porosierender Hilfsstoff eingesetzt. Bei einer Ausführungsform umfasst der porosierende Hilfsstoff Kieselgur oder besteht daraus. Kieselgur ist bereits selbst porös und trägt somit zu einer Erhöhung der Porosität im Muffenfüllmaterial bei, was zu einer Verbesserung der Aufnahmefähigkeit für thermisch induzierte Spannungen und somit zu einer verringerten Rissanfälligkeit des erhärteten Mörtels führt.
Es hat sich weiter bewährt, als Flugasche eine Asche zu verwenden, die neben Aluminiumoxid und amorphem Siliciumdioxid vorzugsweise Eisenoxid, TiO₂, CaO, K₂O, MgO und/oder Mischungen davon enthält. Vorzugsweise umfasst die Asche kein ZnO.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung findet eine feinteilige Flugasche, vorzugsweise aus einem Kohlekraftwerk, Verwendung. Eine derartige Flugasche enthält amorphes Siliciumdioxid und Aluminiumdioxid in Form kleiner glasartiger Hohlkugeln. Bei einer Ausführungsform umfasst die Flugasche Hohlkugeln vorzugsweise mit einem mittleren Teilchendurchmesser von kleiner als 10 µm. Die Kugelform verbessert die Verarbeitungseigenschaften. Durch die Kugelform wird die bei der Verarbeitung benötigte Wassermenge reduziert und somit die Verarbeitbarkeit und die erzielte Festigkeit der verfestigten Trockenmischung verbessert.
Durch den relativ hohen Anteil an dieser Flugasche in der Trockenmischung wird eine sehr hohe Porosität des daraus hergestellten Mörtels erreicht, was ebenfalls zu einer verringerten Rissbildung im Mörtel führt. Eine geeignete Flugasche ist beispielsweise unter der Bezeichnung Microsit M10 von der Firma BauMineral GmbH, 45699 Herten, DE, zu beziehen.
Vorzugsweise enthält die erfindungsgemäße Trockenmischung kein kristallines Siliciumdioxid, insbesondere keinen Quarzsand.
Vorzugsweise wird bei der erfindungsgemäßen Trockenmischung zur Herstellung des Mörtels auf Zinkoxid verzichtet. Bei bisher üblichen Muffenfüllmaterialien, die Zinkoxid und KOH enthalten, bildet das Zinkoxid mit Silikaten Zinksilikat, welches ein Kristallgefüge aufweist. Dadurch wird zwar eine schnelle Frühfestigkeit des Muffenfüllmaterials erreicht, allerdings ist Zinksilikat amphoter, d. h. es reagiert sowohl mit Säuren als auch Basen. Das bedeutet, Zinkoxid bzw. das daraus entstandene Zinksilikat verschlechtert die Säurebeständigkeit des Mörtels. Durch den Verzicht auf Zinkoxid wird daher eine erhöhte Säurebeständigkeit des Mörtels erreicht. Um trotz des Verzichts auf Zinkoxid eine äquivalente Frühfestigkeit zu erreichen, werden bei der erfindungsgemäßen Trockenmischung verschiedene Modifikationen von Phosphaten als Härter verwendet.
Bei einer Ausführungsform wird als Härter für das Metallsilikat ein anorganisches Phosphatsalz verwendet. Bei einer Ausführungsform ist das anorganische Phosphatsalz ausgewählt aus einer Gruppe, bestehend aus Natrium-Phosphat, Calcium-Phosphat, Kalium-Phosphat, Aluminium-Phosphat und Magnesium-Phosphat. Vorzugsweise werden Polyphosphate, insbesondere dieser Salze, eingesetzt. Besonders bewährt hat sich die Verwendung von Aluminiumphosphat als anorganisches Phosphatsalz. Aluminiumphosphat kann in verschiedenen Kondensationsgraden gefällt werden, so dass Einheiten unterschiedlichen Molekulargewichts erhalten werden können, die sich in Bezug auf ihre Wirkung auf den Abbindeprozess des Muffenfüllmaterials unterscheiden. Durch die geeignete Wahl des Aluminiumphosphats kann der Mörtel gut auf die für Montagesysteme erforderlichen Verarbeitungs- und Abbindezeiten eingestellt werden.
In einer besonders bevorzugten Ausführung wird ein Aluminiumphosphat eingesetzt, das zu ca. 80 Gew.-% aus Aluminiumphosphat vom Typ Fabutit 320 und zu ca. 20 Gewichts-% aus Aluminiumphosphat vom Typ Fabutit 305 besteht (Chemische Fabrik Budenheim KG in 55253 Budenheim, DE). Fabutit 320 ist eine Kombination von Phosphaten, welche zwischen 38 und 42 Prozent P₂O₅ und zwischen 21 und 24 Prozent Al₂O₃ enthält und ist als Pulver erhältlich.
Fabutit 305 ist ein Aluminiumsäure-tri-polyphosphat-2-hydrat welches zwischen 66,5 und 69,5 Prozent P₂O₅ und zwischen 15 und 19 Prozent Al₂O₃ enthält und ist als Pulver erhältlich. Sein Glühverlust beträgt zwischen 12 und 16 Prozent, sein pH-Wert (10%) liegt bei 2,0-2,3.
Vorzugsweise wird bei der vorliegenden Erfindung auf ein Additiv in Form eines Schaumbildners verzichtet. Unter Schaumbildnern im Sinne der vorliegenden Erfindung sind vorzugsweise grenzflächenaktive Stoffe und/oder Stoffe zu verstehen, die durch Gasentwicklung zur Schaumbildung führen. Grenzflächenaktive Stoffe werden als physikalische Schaumbildner bezeichnet. Zu den physikalischen Schaumbildnern gehören beispielsweise Salze von Naphthensäuren und/der Protein-Eiweisshydrolysate. Zu den chemischen Schaumbildnern gehören beispielsweise Stoffe, die durch Gasentwicklung zur Schaumbildung führen. Zu den chemischen Schaumbildnern gehört beispielsweise Aluminium-Pulver, welches in Gegenwart von Wasser Wasserstoffgas freisetzt. Zu den chemischen Schaumbildnern gehört beispielsweise auch die Kombination aus Kohlenstoff und Natriumsulfat, die SO₂ und CO₂ bilden. Bei bisher üblichen Mörteln, die ein Additiv in Form eines Schaumbildners enthalten, bewirkt das Additiv eine erhöhte Porenbildung und eine ausgeprägte Schaumstruktur im erhärteten Mörtel. Die Schaumstruktur weist u. a. einen hohen relativen Anteil nach außen offener Poren auf und führt zu einer großen Oberfläche des Mörtels. Dadurch verschlechtert sich die Feuchte- und Säurebeständigkeit des Mörtels.
Durch den Verzicht auf ein Additiv in Form eines Schaumbildners wird daher eine erhöhte Feuchte- und Säurebeständigkeit des Muffenfüllmaterials erreicht. Um trotz des Verzichts auf ein Additiv in Form eines Schaumbildners keine erhöhte Rissbildung im Muffenfüllmaterial hervorzurufen, wird ein relativ hoher Anteil eines porosierenden Hilfsstoffes verwendet.
Vorzugsweise wird bei der vorliegenden Erfindung auf Metakaolin, ungebrannten Ton und/oder calcinierten Ton verzichtet. Calcinierter Ton wird aus ungebranntem Ton bei Temperaturen unter 1000°C, vorzugsweise in einem Temperaturbereich von 200 bis 400°C, erhalten.
Metakaolin führt in Kombination mit Wasserglas bei pH-Werten über 7 zu einem Geopolymer-Material: Metakaolin stellt ein reaktionsfähiges Material aus einer energiereichen, amorphen Phase bereit. In Kontakt mit der alkalischen Wasserglas werden in der amorphen Phase vorhandenen Si-O- und Al-O-Bindungen aufgebrochen und monomere Bausteine erzeugt, wobei das Alkalisilikat als Lieferant für Si-O-Monomere und das alkalische Wasserglas als Aktivator dient. Diese reagieren, bei Erwärmung beschleunigt, durch Kondensationsreaktion zu silikatischen Netzwerken, den sogenannten Geopolymeren. Aufgrund der mit dem Geopolymer verbundenen hohen Festigkeit und fehlender Elastizität kann somit bei Mörteln unter Verwendung von Metakaolin eine erhöhte Rissanfälligkeit des Mörtels vorliegen. Durch den Verzicht auf Metakaolin wird daher eine verringerte Rissanfälligkeit erreicht.
Eine Trockenmischung gemäß der Erfindung weist folgende Bestandteile auf, die in Summe 100 Gew.-% der Trockenmisohung ergeben:

50 bis 70 Gew.-%, vorzugsweise 55 bis 65 Gew.-% amorphen Füllstoff,
10 bis 30 Gew.-%, vorzugsweise 15 bis 25 Gew.-% Flugasche,
3 bis 20 Gew.-%, vorzugsweise 5 bis 12 Gew.-% Metallsilikat, vorzugsweise
1 bis 15 Gew.-%, besonders bevorzugt 1 bis 5 Gew.-%, porosierender Hilfsstoff, sowie vorzugsweise
1 bis 15 Gew.-%, besonders bevorzugt 1 bis 5 Gew.-%, Härter für das Metallsilikat.

Die Trockenmischung weist vorzugsweise einen Füllstoff auf, der fein gemahlen ist und eine maximale Korngröße von circa 0,7 mm aufweist. Ein derart aufgemahlener Füllstoff geht eine besonders gute Verbindung mit dem Alkalisilikat ein.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist der Mörtel eine Feuchtebeständigkeit auf, so dass bei einem Messverfahren gemäß EN 13063-2 der Verlust an löslichen Anteilen in einem Bereich zwischen 0 und 3 Gew.-%, bezogen auf den trockenen Mörtel, liegt.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist der Mörtel eine Säurebeständigkeit auf, so dass bei einem Messverfahren gemäß EN 13063-2 kein Masseverlust festgestellt wird, sondern sogar eine Massenzunahme in einem Bereich zwischen 0 und 2 Gew.-%, bezogen auf den trockenen Mörtel, festgestellt wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist eine Muffenverbindung, die mit dem erfindungsgemäßen Mörtel hergestellt wurde, eine Gasdichtheit auf, die bei einem Prüfdruck von 40 Pa die Leckrate im Bereich von 0 × 10^-3 m³s^-1m² bis 2 × 10^-3 m³s^-1m², und bei einem Prüfdruck von 200 Pa die Leckrate im Bereich von 0 × 10^-3 m³s^-1m² bis 0,006 × 10^-3 m³s^-1m² liegt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist der erfindungsgemäße Mörtel nach einer Unterwasserlagerung von 24 Stunden eine Druckfestigkeit von mindestens 10 N/mm² auf. Hierzu wird der Mörtel nach einer Lagerung von 7 Tagen 24 Stunden in ein Wasserbad getaucht und danach die Druckfestigkeit gemäß dem in EN 13063-2 angegebenen Prüfverfahren gemessen.
Der erfindungsgemäße Mörtel erfüllt demnach vorzugsweise alle Vorgaben, die gemäß der EN 13063-2 an einen säurefesten Mörtel gestellt werden. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist der erfindungsgemäße Mörtel eine Rohdichte im Bereich von 1500 kg/m³ bis 2000 kg/m³ auf. Die Rohdichte wird gemessen als die Dichte des vollständig erhärteten Mörtels, basierend auf dem Volumen einschließlich der Porenräume.
Weiterhin wird die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe durch ein Verfahren zur Herstellung eines Mörtels zum Verbinden von keramischen Körpern auf Basis einer Trockenmischung gelöst, wobei die Trockenmischung folgende Komponenten umfasst:

a) 50 bis 70 Gew.-% mindestens eines amorphen Füllstoffs, umfassend gemahlenen Bruch der zu verbindenden keramischen Körper,
b) 10 bis 30 Gew.-% mindestens einer Flugasche,
c) 3 bis 20 Gew.-% mindestens eines Metallsilikats der Zusammensetzung M₂O·nSiO₂, wobei n = eine ganze oder gebrochene Zahl zwischen 1 und 5 aufweist,
d) mindestens einen porosierenden Hilfsstoff, und
e) mindestens ein Phosphat oder Polyphosphat als Härter für das Metallsilikat und wobei die Trockenmischung zusätzlich zu den Komponenten a) bis e) keine basischen Hydroxylverbindungen enthält, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
A) Zugabe von Wasser zu der Trockenmischung, und
B) Vermischen des Wassers mit der Trockenmischung zu einem gleichmäßig benetzten Mörtel, wobei keine weiteren wirksamen Flüssigkeiten zu der Trockenmischung zugegeben werden, wobei

Diese Abfolge an Misch- und Zugabeschritten ermöglicht eine optimale Aufbereitung des erfindungsgemäßem Mörtels, welcher insbesondere als Muffanfüllmaterial verwendet werden kann. Die optimal auf den Verwendungszweck abgestimmte Porosität bei dem erfindungsgemäßen Mörtels wird abgesehen durch die Inhaltsstoffe wie z. B. die Metalloxide und den porosierenden Hilfsstoffes auch durch die erfindungsgemäß optimal eingestellte Viskosität des Mörtels beim Anmischen erreicht. Ein derart hergestellter Mörtel weist verarbeitungsfertig vorzugsweise eine standfeste, das bedeutet nicht fließfähige, Konsistenz auf, so dass eine optimale Applikation auf den zu verbindenden Rohren möglich ist.
Es hat sich bewährt, die der Trockenmischung zugegebene Wassermenge derart zu begrenzen, dass die Gesamtmenge an Wasser, die der Trockenmischung zugegeben wird, den Wert von 21 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht der Trockenmischung, nicht überschreitet. Bei einer bevorzugten Ausführungsform werden bei dem erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung des Mörtels der Trockenmischung eine Wassermenge im Bereich von 15 bis 20 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht der Trockenmischung, zuzugeben. Dadurch wird eine für die Baustelle geeignete Konsistenz des Muffenfüllmaterials erzielt und ein geeigneter Wert der Abbindungs- bzw. Erhärtungsdauer erreicht. Bei einer Temperatur von 20 °C besitzt das angemischte Muffenfüllmaterial eine Verarbeitungszeit von etwa 2 Stunden.
Die Vermischung der Trockenmischung mit dem Wasser kann mit einem Spachtel, einer Kelle oder mit jedem anderen baustellenüblichen Verfahren, z. B. einem Mörtelquirl als Bohrmaschinenaufsatz, erfolgen. Das zugegebene Wasser wird gut unter die Trockenmischung geknetet bis der Mörtel gleichmäßig benetzt ist. Bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird nach der Zugabe von Wasser zu der Trockenmischung das Wasser mit der Trockenmischung zu dem Mörtel vermischt. Vorzugsweise lässt man den Mörtel vor der Verarbeitung ruhen. Die Ruhezeit (= Sumpfzeit) des Mörtels nach dem Vermischen mit Wasser beträgt vorzugsweise 5 bis 20 Minuten. Es hat sich bewährt, eine Ruhezeit von 5 Minuten nicht zu unterschreiten. Eine Ruhezeit von 10 Minuten hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen. Vorzugsweise wird nach der Ruhezeit der Mörtel erneut durchmischt und gegebenenfalls die Konsistenz des Mörtels durch weitere Zugabe von Wasser angepasst, wobei die oben angegebene Wassermengen eingehalten werden.
Ferner wird die erfindungsgemäße Aufgabe durch einen Mörtel, insbesondere Muffenfüllmaterial, gelöst, welcher aus der vorstehend beschriebenen Trockenmischung und Wasser herstellbar ist.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird ferner durch ein Verfahren zum Herstellen einer Muffenverbindung gelöst, dadurch gekennzeichnet dass

a) eine Trockenmischung nach einem der Ansprüche 6 bis 14 mit Wasser zu einem Mörtel angemischt wird,
b) der Mörtel aus Schritt a) auf ein Muffenende und/oder ein Spitzenende einer Muffe eines ersten Rohres aufgebracht wird, und
c) das Muffenende und/oder das Spitzenende aus Schritt b) mit dem Spitzenende bzw. Muffenende eines zweiten Rohres mit einander verbunden werden, wobei das Muffenfüllmaterial zwischen Muffenende und Muffenspitze verbleibt.

Bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird nach Schritt c) der Mörtel bei einer Temperatur im Bereich von 0 bis 100°C ausgehärtet. Vorzugsweise wird der Mörtel in einer CO₂-haltigen Atmosphäre gehärtet.
Die erfindungsgemäße Trockenmischung kann zur Verbindung von Muffen verwendet werden.
Die Verwendung des erfindungsgemäßen Mörtels zur rissfreien Verbindung von keramischen Schornsteinrohren, insbesondere von Schornsteinrohren mit einer Einsatztemperatur bis 1000°C, ist ideal. Dabei kann der Mörtel sowohl bei der Werksproduktion geschosshoher Kaminelemente als auch als Komponente eines Montagesystems zur Erstellung von Kaminen nach EN 13063 (Teil 1 und 2) vor Ort auf der Baustelle eingesetzt werden.
Für eine haltbare und gasdichte Muffenrohrverbindung hat es sich bewährt, wenn der Mörtel bzw. das Muffenfüllmaterial ein an einem ersten Rohr angeordnetes Muffenende mit einem in die Muffe gesteckten Spitzende eines zweiten Rohrs verbindet. Selbstverständlich können aber auch Rohre im Bereich ihrer Stirnflächen unter Anwendung des erfindungsgemäßen Mörtels optimal miteinander verbunden werden.
Der Mörtel härtet dabei vorzugsweise an Umgebungsluft bei einer Temperatur im Bereich von 0 bis < 100°C aus. Eine Aushärtung in einem Temperaturbereich oberhalb von 100°C kann zu Siedevorgängen im noch nicht erhärteten Mörtel und damit zu einer unerwünschten Gefügeausbildung des Mörtels durch austretenden Wasserdampf unter Ausbildung von offener Porosität sowie stark reduzierter Festigkeit und somit von Gasundichtigkeiten im erhärteten Mörtel führen.
Ausführungsbeispiele
Die 1 zeigt einen Schnitt entlang der Rohrachse eines Ausführungsbeispiels einer Muffenrohrverbindung 10, wie sie für Schornsteinrohre üblich ist. Ein erstes Rohr 1 aus einem keramischen Material wird dabei mit einem zweiten Rohr 2 aus dem keramischen Material verbunden, wobei ein Spitzende 1a des ersten Rohrs 1 in ein am zweiten Rohr 2 angeordnetes Muffenende 2a gesteckt ist. Ein Mörtel bzw. Muffenfüllmaterial 3 wurde vor dem Zusammenstecken der Rohre 1, 2 auf die sich im Verbindungsbereich befindliche Außenseite des Spitzendes 1a und die Innenseite des Muffenendes 2a aufgetragen, wobei auch die Stirnseite des Spitzendes 1a beschichtet werden kann.
Die bei dem Ausführungsbeispiel in 1 eingesetzte erfindungsgemäße Trockenmischung 3 weist folgende Zusammensetzung auf:

62,65 Gew.-% aufgemahlener Bruch der zu verklebenden Rohre 1 und 2,
21,65 Gew.-% Flugasche,
8,90 Gew.-% Alkalisilikat,
3,27 Gew.-% Kieselgur, und
3,53 Gew.-% Aluminiumphosphat.

Dabei wurde eine Viskosität des Mörtels 3 durch Zugabe von Wasser auf eine standfeste Konsistenz eingestellt. Nach dem Zusammenstecken der Rohre 1, 2 erhärtet der Mörtel 3 bei einer Umgebungstemperatur von 18°C über einen Zeitraum von etwa 24 h.
Die Anpassung des thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Mörtels 3 an den thermischen Ausdehnungskoeffizienten der konzentrischen Rohrmuffe 2a ist derart, dass der Mörtel 3 bei Erwärmung keine schädigende Druckspannung auf die Muffe 2a ausübt.
Es zeigt sich, dass die so gebildete Muffenrohrverbindung 10 die Anforderungen gemäß EN 13063-2 sowohl vor als auch nach einem Einsatz bis 1000°C hervorragend erfüllt.
Die Tabelle 1 zeigt die Ergebnisse von Prüfungen gemäß EN 13063-2 einer Probe eines erfindungsgemäßen Muffenfüllmaterials bzw. Mörtels, mit der Bezeichnung „MFM“, im Vergleich zu zwei verschiedenen Proben eines Muffenfüllmaterials bzw.

Mörtels auf Basis einer Geopolymer-Bindung gemäß DE 10 2004 039 491 B4 , mit den Bezeichnungen „ER06003“ und „ER06019“. Tabelle 1

Probe	Rohdichte [t/m³]	Druckfestigkeit [N/mm²]	Feuchtebeständigkeit [% Masseverlust]	Säurebeständigkeit [% Masseverlust]
EN 13063-2		≥ 10	≤ 3	≤ 2
MFM	1,77	11,55	1,84	-3,55
ER06003	1,52	12,54	4,86	6,03
ER06019	1,56	14,85	5,40	4,41

In der 2. Zeile der Tabelle 1 sind als Vergleichswerte die von der EN 13063-2 geforderten Grenzwerte angegeben.
Der negative Wert -3,55% Masseverlust bei der Säurebeständigkeit des erfindungsgemäßen Muffenfüllmaterials „MFM“ bzw. Mörtels bedeutet eine Massenzunahme des Probenstücks: die Säure, in die das Probenstück gelegt wird, bildet auf dem Probenstück schwerlösliche Salze, so dass sich bei den anschließenden Wägungen eine Massenzunahme ergibt. Ein Massenverlust durch die Säurebehandlung liegt daher nicht vor.
Es zeigt sich, dass das erfindungsgemäße Muffenfüllmaterial bzw. Mörtel die geforderten Grenzwerte nach EN 13063-2 einhält.
Die Vergleichsproben „ER06003“ und „ER06019“ erfüllen zwar den Grenzwert bezüglich der Druckfestigkeit, überschreiten aber die Grenzwerte bezüglich der Feuchte- und Säurebeständigkeit.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Mörtels zum Verbinden von keramischen Körpern auf Basis einer Trockenmischung, welche folgende Komponenten umfasst: a) 50 bis 70 Gew.-% mindestens eines amorphen Füllstoffs, umfassend gemahlenen Bruch der zu verbindenden keramischen Körper, b) 10 bis 30 Gew.-% mindestens einer Flugasche, c) 3 bis 20 Gew.-% mindestens eines Metallsilikats der Zusammensetzung M₂O·nSiO₂, wobei n = eine ganze oder gebrochene Zahl zwischen 1 und 5 ist, d) mindestens einen porosierenden Hilfsstoff, und e) mindestens ein Phosphat oder Polyphosphat als Härter für das Metallsilikat und wobei die Trockenmischung zusätzlich zu den Komponenten a) bis e) keine zusätzlichen basischen Hydroxylverbindungen enthält, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: A) Zugabe von Wasser zu der Trockenmischung, B) Vermischen des Wassers mit der Trockenmischung zu einem gleichmäßig benetzten Mörtel, wobei keine weiteren Flüssigkeiten und basischen Hydroxylverbindungen zu der Trockenmischung zugegeben werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei nach dem Vermischen der Trockenmischung mit Wasser zu einem gleichmäßig benetzten Mörtel dieser mindestens 5 bis 10 min stehen gelassen wird,
Verfahren nach Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Gesamtmenge an Wasser, die der Trockenmischung zugegeben wird, 21 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht der Trockenmischung, nicht überschreitet.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt A) zu der Trockenmischung 15 bis 20 Gew.-% Wasser, bezogen auf das Gesamtgewicht der Trockenmischung, zugegeben werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Mörtel in einer standfesten, nicht fließfähigen Konsistenz hergestellt wird.
Trockenmischung, dadurch gekennzeichnet, dass die Trockenmischung a) 50 bis 70 Gew.-% mindestens eines amorphen Füllstoffs, umfassend gemahlenen Bruch von keramischen Körpern, b) 10 bis 30 Gew.-% mindestens einer Flugasche, c) 3 bis 20 Gew.-% mindestens eines Metallsilikats der Zusammensetzung M₂O·nSiO₂, wobei n = eine ganze oder gebrochene Zahl zwischen 1 und 5 aufweist, d) mindestens einen porosierenden Hilfsstoff, und e) mindestens ein Phosphat oder Polyphosphat als Härter für das Metallsilikat umfasst und zusätzlich zu den Komponenten a) bis e) keine zusätzlichen basischen Hydroxyl-Verbindungen enthält.
Trockenmischung nach Anspruch 6, wobei die Flugasche mindestens 30 Gew.-% SiO₂ und mindestens 15 Gew.-% Al₂O₃ umfasst.
Trockenmischung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 6 und 7, wobei es sich bei dem Metallsilikat um ein Alkalisilikat handelt.
Trockenmischung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der porosierende Hilfsstoff amorphes poröses Siliciumdioxid umfasst.
Trockenmischung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der porosidierende Füllstoff Kieselgur umfasst oder daraus besteht.
Trockenmischung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 6 bis 10, wobei der Härter für das Metallsilikat ein Phosphat oder Polyphosphat des Aluminiums ist.
Trockenmischung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Trockenmischung keinen Schaumbildner, kein ZnO, kein Metakaolin, keinen ungebrannten Ton, keinen calcinierten Ton und/oder kein kristallines SiO₂ enthält.
Trockenmischung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Trockenmischung 50 bis 70 Gew.-% gemahlenen Bruch der keramischen Körper und/oder 10 bis 30 Gew.-% Flugasche, und/oder 3 bis 20 Gew.-% Metallsilikat, und/oder 1 bis 15 Gew.-% porosierender Hilfsstoff, und/oder 1 bis 15 Gew.-% Härter für das Metallsilikat aufweist, wobei die Trockenmischung die in Anspruch 6 genannten Komponenten a) bis e) enthält.
Trockenmischung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 6 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der amorphe Füllstoff eine mittlere Partikelgröße von weniger als 0,7 mm aufweist.
Mörtel, dadurch gekennzeichnet, dass der Mörtel eine Trockenmischung nach einem der Ansprüche 6 bis 14 und Wasser enthält.
Verfahren zum Herstellen einer Muffenverbindung, dadurch gekennzeichnet dass a) eine Trockenmischung nach einem der Ansprüche 6 bis 14 mit Wasser zu einem Mörtel angemischt wird, b) der Mörtel aus Schritt a) auf ein Muffenende und/oder ein Spitzenende einer Muffe eines ersten Rohres aufgebracht wird, und c) das Muffenende und/oder das Spitzenende aus Schritt b) mit dem Spitzendende bzw. Muffenende eines zweiten Rohres miteinander verbunden werden, wobei der Mörtel zwischen Muffenende und Muffenspitze verbleibt.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass nach Schritt c) der Mörtel bei einer Temperatur im Bereich von 0 bis 100 °C ausgehärtet wird.
Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, wobei der Mörtel in einer CO₂-haltigen Atmosphäre gehärtet wird.
Verwendung der Trockenmischung nach einem der Ansprüche 6 bis 14 zur Verbindung von Muffen.
Verwendung der Trockenmischung nach einem der Ansprüche 6 bis 13 zur Verbindung von keramischen Schornsteinrohren.
Verwendung der Trockenmischung nach Anspruch 20 zur Verbindung von Schornsteinrohren mit einer Einsatztemperatur bis 1000 °C.