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Die vorliegende Erfindung betrifft
ein tonhaltiges Gemisch von trockenen Feststoffen zur Verwendung
bei der Bildung eines feuchtigkeitsbeständigen Gels, umfassend pulverförmigen oder
gemahlenen Smektit, der gegebenenfalls mindestens 0,5 Gew.-% eines
pulverförmigen,
festen Aktivators umfasst, mehr als 0,2 Gew.-% eines wasserlöslichen Polymeren
und mehr als 0,5 Gew.-% eines oder mehrerer fester inerter Füllstoffe,
wobei sämtliche
gewichtsprozentualen Angaben sich auf die Menge des Smektits im
Gemisch beziehen. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein
Verfahren zur direkten Bildung eines feuchtigkeitsbeständigen Gels
auf einer zu behandelnden Oberfläche
unter Verwendung eines derartigen tonhaltigen Gemisches von trockenen Feststoffen
sowie die Verwendung eines derartigen tonhaltigen Gemisches von
trockenen Feststoffen.
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Ein derartiges tonhaltiges Gemisch
von trockenen Feststoffen zur Verwendung bei der Bildung eines feuchtigkeitsbeständigen Gels
ist aus WO-94/18284 bekannt. Gemäß dieser
WO-Patentanmeldung entsteht ein feuchtigkeitsbeständiges, wasserundurchlässiges Gel,
wenn das tonhaltige Gemisch von trockenen Feststoffen in Kontakt
mit Wasser oder einer wasserhaltigen Flüssigkeit kommt. Diese Bildung
eines Gels ist das Ergebnis von physikochemischen Vorgängen (Quellung,
Auflösung,
Ionenaustausch, Diffusion, chemische Reaktionen und dergleichen),
die die Anwesenheit von Wasser benötigen. Das erhaltene Gel bildet
eine kohärente
Struktur, wobei die festen Füllstoffe
vollständig
dem Gel einverleibt sind. Die Füllstoffe,
die in dieser WO-Patentanmeldung verwendet werden, umfassen hydrophile
Füllstoffe,
wie gemahlene feste mineralische Abfallprodukte, zum Beispiel gemahlenen Beton
oder gemahlene Ziegel, Fliesen und keramische Produkte. Ferner werden
Bauabfälle
als geeignete hydrophile anorganische Füllstoffe zur Verwendung bei
der Bildung eines feuchtigkeitsbeständigen Gels erwähnt. Gemische,
die die hydrophilen Füllstoffe,
die in der genannten WO-Patentanmeldung beschrieben sind, enthalten,
weisen einen geringen Smektit-Gehalt auf, nämlich etwa 3% (Beispiel 2), 2,5%
(Beispiel 3) und 5% (Beispiel 5).
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Wenn hydrophole Füllstoffe vorhanden sind, lässt sich
ein derartiges tonhaltiges Gemisch von trockenen Feststoffen zur
Verwendung bei der Bildung eines feuchtigkeitsbeständigen Gels
verbessern, indem man gewährleistet,
dass die Bildung eines kohärenten
Gels möglich
wird. wenn das gebildete Gel keine derartige Struktur aufweist,
kommt es dazu, dass die durch die Gelschicht erzielte Wasserabdichtung
unzureichend ist, weswegen Wasser durch die Gelschicht hindurchtreten
kann. Es ist offensichtlich, dass bei Verwendung der in WO-94/18284
beschriebenen Zusammensetzung, bei der der hydrophile Füllstoff
einen hydrophoben Füllstoff
ersetzt, die Bildung des Gels nur mit den hydrophilen Komponenten des
Gemisches stattfindet, während
die hydrophoben Füllstoffteilchen
außerhalb
der Gelstruktur in Form von kleinen, diskreten Domänen vorliegen.
Die auf diese Weise erzielte Gelstruktur weist keinen kohärenten Charakter,
sondern einen netzartigen Charakter auf, was dazu führt, dass
die wasserabdichtenden Eigenschaften der Gelschicht vollkommen verloren
gehen.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung
ist es, ein tonhaltiges Gemisch von trockenen Feststoffen zur Verwendung
bei der Bildung eines feuchtigkeitsbeständigen Gels bereitzustellen,
wobei im tonhaltigen Gemisch das Vorliegen eines hydrophoben Füllstoffes
die Bildung einer kohärenten
Gelstruktur ermöglicht,
die hervorragende Wasserabdichtungeigenschaften aufweist.
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Die in der Einleitung bezeichnete
vorliegende Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass ein tonhaltiges
Gemisch von trockenen Feststoffen verwendet wird, in dem mindestens
10 Gew.-% des Füllstoffes
aus einem hydrophoben Füllstoff,
bezogen auf die gesamte Füllstoffmenge,
bestehen, wobei die Menge an Smektit im endgültigen Gemisch 10–30 Gew.-%
beträgt
und wobei das wasserlösliche
Polymere ein Molekulargewicht von mindestens 1 Million aufweist.
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Prinzipiell sind beliebige feste
hydrophobe Füllstoffe
zur Verwendung als hydrophober Füllstoff geeignet,
wobei aber die Verwendung von Strömen von hydrophoben festen
Abfallprodukten, die für
die Umgebung schädlich
sind und die isoliert werden müssen,
besonders bevorzugt ist.
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Die Verwendung derartiger Abfallströme löst nicht
nur das Recyclingproblem derartiger Ströme, sondern trägt auch
dazu bei, eine Umweltverschmutzung, die durch derartige Abfallströme verursacht wird,
zu verhindern, da die erfindungsgemäß erzielte kohärente Gelstruktur
die verwendeten hydrophoben Füllstoffe
vollständig
isoliert. Somit wird der hydrophobe Füllstoff in der gebildeten Gelstruktur
fixiert, so dass dessen Austausch mit der Umgebung unmöglich gemacht
wird. Bevorzugte hydrophobe Füllstoffe zur
Verwendung im erfindungsgemäßen tonhaltigen Gemisch
von trockenen Feststoffen umfassen einen oder mehrere Polymere,
Harze, Teerprodukte und Koksprodukte, die vorwiegend aus der Schwerindustrie
und der petrochemischen Industrie stammen, insbesondere aus der
Kunststoff- und petrochemischen Industrie. Weitere geeignete hydrophobe
Füllstoffe, die
verwendet werden können,
sind Abfallprodukte, die bei Sandsgießverfahren entstehen, insbesondere Formsand
in Gießereien,
wobei diese Abfallprodukte neben Koksprodukten, organischen Bindemitteln
und harzbeschichteten Sandteilchen (hydrophoben Teilchen) eine erhebliche
Menge an hydrophilem Sand, gebrannten Tonminerialien und möglicherweise
Bentonit enthalten können.
Formsand ist ein Beispiel für einen
möglichen
Füllstoff,
der aus einem Kern aus einem hydrophilen Material und einem Überzug aus
einem hydrophoben Material besteht. Als Folge der Anwesenheit dieses Überzugs
kann der Formsand als ein hydrophobes Material angesehen werden.
Für die
Berechnung der Menge des hydrophoben Füllstoffes wird das Gesamtgewicht
des Formsandes als hydrophobes Material angesehen. Obgleich ein
derartiger Füllstoff
auch hydrophile Komponenten neben hydrophoben Komponenten enthält, stört dies
den Gelbildungsvorgang nicht. Derartige hydrophile Teilchen werden
vollständig
in die gebildete Gelstruktur einverleibt. Bei Verwendung des erfindungsgemäßen tonhaltigen
Gemisches ist es möglich,
20 Gew.-% und mehr eines hydrophoben Füllstoffes im inerten Füllstoff
zu verwenden.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen tonhaltigen
Gemisches von trockenen Feststoffen beträgt die Menge an Smektit im endgültigen Gemisch
12–15
Gew.-%. Beispielsweise können
die folgenden Materialien als Smektit enthaltende Materialien verwendet
werden Montmorillonit, Beidelit, Hectorit, Saponit, Illit, Allevardit,
Gemische davon oder künstliche
Gemische von Silikatverbindungen vom Smektittyp (nämlich Laponite
(Handelsbezeichnung), Laporte Co., Großbritannien). Ferner können auch
natürliche
Steintypen, die Smektit enthalten, wie Bentonit, als Ausgangsmaterialien
verwendet werden, die eine Menge an Smektit gemäß dem vorstehend angegebenen
Smektitanteil enthalten. Wenn der zu verwendende Füllstoff
von sich aus einen bestimmten Smektitgehalt aufweist, was insbesondere
bei Abfallströmen
von Sandgießverfahren der Fall ist, kann
dessen Anteil an Smektit bei der Berechnung des gesamten Smektitgehalts
ebenfalls berücksichtigt
werden.
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Der Smektit kann im erfindungsgemäßen tonhaltigen
Gemisch von trockenen Feststoffen in einer aktiven Form oder in
einer inaktiven Form vorliegen. Der Ausdruck „inaktive Smektittypen” ist so
zu verstehen, dass er Typen von Smektit umfasst, bei denen Natrium-,
Kalium- und/oder Lithiumionen des Gitters nicht mehr als 30% der
Summe der austauschbaren Gitterkationen darstellen. Derartige inaktive
Smektittypen erfordern die Verwendung eines Aktivators zur Öffnung ihrer
Gitterstruktur. Obgleich aktive Smektittypen in der Natur vorkommen,
sind entsprechende natürliche
Smektitquellen selten. Bei den meisten Smektittypen, die in der
Natur vorkommen, handelt es sich um inaktive Smektittypen. Bei Verwendung
von aktiven Smektittypen ist die Anwesenheit von Aktivatoren nicht
erforderlich. Als Aktivatoren können
beliebige wasserlösliche
Natrium-, Kalium- oder Lithiumsalze verwendet werden, wobei das
Anion des in Frage stehenden Salzes mit Erdalkalimetallen einen
unlöslichen
Niederschlag bildet. Zu Beispielen für derartige Aktivatoren gehören Natriumcarbonat,
Natriumphosphat und -polyphosphatverbindungen, Kaliumcarbonat, Kaliumphosphat
und -polyphosphatverbindungen, Lithiumcarbonat, Lithiumphosphat
und Gemische davon, wobei Natriumcarbonat besonders bevorzugt wird.
Der Aktivator liegt im allgemeinen in Form eines pulverförmigen Gemisches
in einer Menge bis zu 10 Gew.-% vor, bezogen auf die Menge an Smektit,
vorzugsweise von 1,0–6,0
Gew.-%. Bei bestimmten Ausführungsformen ist
es bevorzugt, inaktiven Smektit zu verwenden, um einen zufriedenstellenden
Aufbau der durch die Umsetzung zwischen polymeren Komponenten, Smektit und
Füllstoffen
gebildeten Gelstruktur zu erreichen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform
des tonhaltigen Gemisches von trockenen Feststoffen zur Bildung
eines feuchtigkeitsbeständigen
Gels liegt das Molekulargewicht des wasserlöslichen Polymeren im Bereich
von 7 bis 10 Millionen. Liegt das Molekulargewicht unter 1 Million,
so ergibt sich eine unzureichende kohärente Gelstruktur, was in der
Praxis einen nachteiligen Einfluss auf die wasserabdichtenden Eigenschaften
des zu bildenden Gels ausübt.
Zu Beispielen für
bevorzugte Polymere gehören
Polymere, die die Gruppen, -COOH, -COO-ME+ (ME+ bedeutet ein einwertiges Metallkation),
-CONH2, -OH und/oder =C-O-C= als funktionelle
Gruppen enthalten, zum Beispiel ein Polyacrylamid mit einem Hydrolysegrad
von maximal 40%, Polymethacrylamid, Acrylamid-Acrylsäure-Copolymere,
Vinylalkohol-Acrylsäure-Copolymere,
Polyethylenoxid und Gemische davon. Ferner ist es möglich, gepfropfte Polymere
zu verwenden, wie auf ein Cellulosegerüst gepropftes Acrylamid. Das
Polymere liegt vorzugsweise im endgültigen Gemisch in einer Menge
von 0,6 Gew.-% oder mehr und vorzugsweise von 1,2 Gew.-% oder mehr,
bezogen auf die Smektitmenge vor.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform
beträgt
die Menge des Polymeren im Gemisch 1,2–3 Gew.-%, bezogen auf die
Menge an Smektit.
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Das erfindungsgemäße tonhaltige Gemisch von trockenen
Feststoffen wird durch einfaches Homogenisieren der einzelnen Bestandteile
hergestellt. Die Mischreihenfolge der einzelnen Bestandteile ist nicht
kritisch. Das Homogenisieren kann auch stufenweise durchgeführt werden.
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Das erfindungsgemäße tonhaltige Gemisch von trockenen
Feststoffen kann über
längere
Zeitspannen hinweg gelagert werden, wenn ein Kontakt mit Feuchtigkeit
vermieden wird. Das Gemisch von trockenen Feststoffen kann mittels üblicher
Vorrichtungen auf horizontale oder leicht geneigte Oberflächen aufgebracht
werden. Außerdem
eignet sich das erfindungsgemäße Gemisch
von trockenen Feststoffen zum Auffüllen von Spalten oder Hohlräumen. Nachdem
das trockene Gemisch von Feststoffen aufgebracht worden ist, kann
es mit Wasser befeuchtet werden, um eine Gelbildung herbeizuführen, wobei es
aber in besonderen Ausführungsformen
erwünscht
ist, das aufgebrachte Gemisch von trockenen Feststoffen in unbehandeltem
Zustand zu belassen, wonach die erwünschte Gelbildung bei Einwirkung
von Regen, natürlichem
oder künstlichem
Sickerwasser und dergleichen eintritt. Bei bestimmten Ausführungsformen
ist es bevorzugt, das erfindungsgemäße tonhaltige Gemisch von trockenen
Feststoffen vorher mit Wasser zu befeuchten, wonach das vorbefeuchtete
Gemisch auf die zu behandelnde Oberfläche aufgebracht wird. Ferner
ist es jedoch auch möglich,
das erfindungsgemäße tonhaltige
Gemisch von trockenen Feststoffen unter Verwendung eines Gasstroms
oder eines Flüssigkeitsstroms
unter hoher Turbulenz aufzubringen. Bei einer derartigen Ausführungsform
wird das Gemisch mit einem Gasstrom oder einem Flüssigkeitsstrom
vermischt und in diesem Zustand auf die zu behandelnde Oberfläche aufgespritzt.
Mit derartigen Techniken lässt
sich eine elastische Schicht, die eine hervorragende Haftung aufweist,
bilden. Ferner können
derartige Schichten mit Betonschichten kombiniert werden.
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Das tonhaltige Gemisch von trockenen
Feststoffen, das zur Bildung eines feuchtigkeitsbeständigen Gels
zu verwenden ist, eignet sich insbesondere zur Bildung von wasserundurchlässigen Schichten
in Fundamenten, Bauwerken und Abfalllagerstätten. Außerdem erweist sich das aus
dem tonhaltigen Gemisch von trockenen Feststoffen gebildete Gel
als hervorragendes Fixierungsmaterial für die darin vorhandenen hydrophoben
Füllstoffe,
so dass ein Austausch zwischen den hydrophoben Füllstoffen und der Umgebung
verhindert wird.
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Nachstehend wird die Erfindung unter
Bezugnahme auf die folgenden Beispiele näher beschrieben. Es ist darauf
hinzuweisen, dass die Erfindung jedoch durch diese Beispiele in
keiner weise beschränkt
wird.
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Beispiel
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100 g eines Abfallstroms eines Sandgießverfahrens,
der aus 70 Gew.-% einer groben Sandfraktion (15 Gew.-% dieser Fraktion
sind freier Bentonit, der nicht mit einem Harz beschichtet ist,
wobei die Smektitmenge 60% beträgt),
15 Gew.-% einer mittleren Sandfraktion (mit einem Gehalt an etwa
80 Gew.-% freiem Bentonit mit einem Smektitgehalt von 60% , Rest
Koksprodukte und Harze) und 15 Gew.-% einer feinen Sandfraktion
(vorwiegend aus Koksprodukten bestehend, mit einer geringen Menge
an Bentonit) bestand, wurde mit 2,5 g eines Bentonitgemisches, das
aus 30 Gew.-% hochaktivem Bentonit (enthaltend 7% Na2CO3, Smektitgehalt 70 Gew.-%) und 70 Gew.-%
inaktiven (Ca) Bentonit (Smektitgehalt 70 Gew.%) bestand, und 0,3
g eines Acrylsäure-Acrylamid-Copolymeren
(Molekulargewichtsmittel 10 Millionen) vermischt. Die Menge an Smektit
im endgültigen
Gemisch betrug 15 Gew.-%. Das Gemisch wurde homogenisiert, sodann
mit 18 g Wasser befeuchtet, erneut homogenisiert und auf eine trockene
Schicht von Sand, der in einem Glasrohr vorlag, gegossen. Das auf
diese Weise befeuchtete Gemisch wurde leicht zur Bildung einer Schicht
mit einer Dicke von 3 cm verpresst, wonach oben auf die auf diese
Weise gebildete Schicht 40 cm Wasser gebracht wurden. Dieser Aufbau
wurde 6 Wochen belassen. Nach dieser Zeitspanne war die untere Sandschicht
noch vollständig
trocken. Es konnte kein Durchsickern von Flüssigkeit durch die Schicht
des feuchten Gemisches festgestellt werden.
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Vergleichsbeispiel 1
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Die gleichen Mengen und Bestandteile
wie in Beispiel 1 wurden verwendet, mit der Ausnahme, dass das wasserlösliche Acrylsäure-Acrylamid-Copolymere
ein Molekulargewicht von 800000 aufwies. Das erhaltene Gemisch wurde
anschließend
in ein Glasrohr gebracht. Wasser wurde oben auf die auf diese Weise
gebildete Schicht aufgebracht. Bei diesem Aufbau kam es bereits
nach zwei Tagen zum Durchsickern von Wasser. Nach Ablauf von drei
Wochen war die gesamte Wassermenge durch die Gelschicht gesickert.
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Vergleichsbeispiel 2
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Es wurden die gleichen Mengen und
Bestandteile wie in Beispiel 1 verwendet, mit der Ausnahme, dass
der endgültige
Smektitgehalt 9,45% betrug. Das erhaltene Gemisch wurde in ein Glasrohr gebracht.
Oben auf die auf diese Weise gebildete Schicht wurde Wasser aufgebracht.
Bereits nach drei Tagen wurden an der Bodenschicht Wassertropfen festgestellt.
Nach Ablauf von fünf
Wochen war das gesamte Wasser durch die Gelschicht gesickert.