Direkt zum Inhalt

Lexikon der Geowissenschaften: Silicatgel

Silicatgel, Weichgel, Gel auf Wasserglasbasis (=Silicatbasis), das durch Einpressen in den Untergrund zur Baugrundverfestigung verwendet wird (Weichgelinjektion). Die Gele werden im Zweikomponenten-Verfahren hergestellt. Zur Wasserglaslösung werden Härter dazugegeben, deren Festigkeit und Erhärtungszeiten eingestellt werden können. Allgemein sind Silicatgele gegenüber aggressiven Wässern unempfindlich und können aufgrund ihrer schnellen Abbindung auch im bewegten Grundwasser eingesetzt werden. Bei den Härtern ist aber auf ihre Umweltverträglichkeit zu achten. Kommt es in Kontakt mit Grundwasser, können kurzfristig deutlich erhöhte pH- und Natriumwerte gemessen werden. Weichgele werden für Injektionen, die ausschließlich zur Abdichtung dienen, eingesetzt.

Der Ausgangsstoff für Silicatgele ist Wasserglas (Natriumsilicat), das in Wasser gelöst mit unterschiedlicher Dichte und Alkalität sowie unterschiedlichen Kieselsäuregehalten lieferbar ist. Wassergläser werden durch Verschmelzen von calcinierter Soda (ca. 20%) mit Siliciumsanden (ca. 80%) bei hohen Temperaturen hergestellt. Zur Gelbildung wird das Wasserglas mit einem anorganischen oder organischen Härter gemischt. Gebräuchliche Härter sind z.B. Natriumaluminat, Natriumbicarbonat und verschiedene Ester. Die Art und Menge des Härters bestimmen den Grad der Alkalineutralisation. Mit steigender Neutralisation steigt die Festigkeit des Gels.

Die Hauptbestandteile von Silicatgelen sind neben Wasserglas Wasser und Reaktive. Das Wasserglas ist zumeist eine wäßrige Lösung von Natriumsilicaten (Na2O)(SiO2)x. Im Wasserglas liegen keine echten chemischen Verbindungen vor, sondern ein Dreiphasen-System mit Kombinationen von Alkalioxiden (Na2O), Kieselsäure (SiO2) und Wasser. Die Dichte von flüssigem Natron-Wasserglas (Molverhältnis SiO2/Na2O=3,3) beträgt bei 20ºC 1,36±0,02 g/cm3, die Viskosität 20-150 mPa·s. Wasserglaslösungen bestehen aus gelösten Na2+-, SiO4-- und OH-- Ionen und einer großen kolloidalen Fraktion von Polysilicat-Anionen. Sie reagieren alkalisch (pH-Wert 10-13). Das zur Herstellung von Weichgelsohlen häufig eingesetzte Reaktiv Natriumaluminat (Na2O)m·Al2O3 ist eine amorphe, gut wasserlösliche Verbindung. Die Dichte einer handelsüblichen Natriumaluminatlösung mit 69% Wasser beträgt bei 20ºC 1,49±0,01 g/cm3, die Viskosität 600-700 mPa·s. Der Hauptbestandteil einer flüssigen Weichgelinjektionslösung ist Wasser. In der Regel wird Trinkwasser aus dem zur Verfügung stehenden Leitungssystem entnommen und als Anmachwasser eingesetzt.

Kolloide Silicatlösungen besitzen unter bestimmten Voraussetzungen die Fähigkeit zu gelieren. Hierbei entstehen elastische, aus Hydrosolen aufgebaute, sehr wasserhaltige Körper. Dabei findet eine gleichförmige Aggregation der SiO2-Partikel über den gesamten Körper statt, d.h. das gesamte System erstarrt im Gegensatz zur Bildung von Niederschlägen (Koagulaten, Fluckulate etc.) zu einer einzigen kohärenten Einheit. Die Gelierungszeit (Kippzeit) ist dabei vom pH-Wert, der Temperatur, dem Mischungsverhältnis und anderen Faktoren abhängig. Bei der Silicatgelbildung mit Natriumaluminat als Reaktiv liegt Natriumaluminat selbst als negatives Kolloidpartikel in Lösung vor und die Gelierung führt zu stöchiometrisch uneinheitlichen Mischgelen. Die Verknüpfung der Polysilicat-Kolloide wird bei den vorliegenden Silicatlösungen mit Natriumaluminat als Reaktiv durch das Alumination Al(OH)4- ausgelöst. Dabei werden die Aluminiumionen des Aluminats aufgrund des zu Silicium ähnlichen Ionenradius in das Gelgerüst selbst eingebaut. Es erfolgt jedoch kein OH--Entzug oder eine teilweise Neutralisation der Lösung, da das Reaktiv selbst basische Eigenschaften besitzt. Bei einer Mischrezeptur von 1,6 Vol.-% Natriumaluminatlauge, 16,0 Vol.-% filtriertem Wasserglas und 82,4 Vol.-% Wasser findet nachfolgende Reaktion statt:

Na2O(SiO2)3,3+0,16(Na2O)1,72Al2O3+1,11(H2O)→0,04Na8(AlO2)8(SiO2)82,5+2,23 Na+OH-.

Nach dieser Formel entstehen pro mol eingesetztem Wasserglas 0,04 mol Mischgel mit albitähnlichem Aufbau und 2,23 mol Natronlauge. Die Kippzeit beträgt i.d.R. ca. 20-60 Minuten. Es entstehen stark porenwasserhaltige Hydrogele, jedoch ohne definierte Reaktionsprodukte. Die Gele sind fein disperse kolloide Systeme, in denen Kieselsäurepartikel zu einem räumlichen Netzwerk verbunden sind. Dieses Kieselsäurenetzwerk besitzt die Gestalt eines Porenkörpers mit makromolekularen Kugelnetzen, in denen die einzelnen Bauelemente durch Hauptvalenzen miteinander verbunden sind. Die Haftpunkte der einzelnen Kolloidoberflächen sind kovalente chemische Bindungen. An diese Oberflächen können aber ebenso andere Wasserinhaltsstoffe gebunden werden, was zu einer langfristigen Konzentrationsverminderung dieser Stoffe im Grundwasserbereich des Injektionskörpers führt. Durch das Bestreben der Kolloide nach vollständiger elektrostatischer Absättigung verläuft auch nach abgeschlossener Injektion und Gelierung einer Weichgelsohle der Aggregationsprozeß der Silicatkolloide weiter. Dazu nähern sich die Sphärokolloide gegenseitig weiter an und streben letztendlich einer kubisch dichtesten Kugelpackung zu. Hierbei verringern sich die mittleren Porenradien, und der Gelkörper beginnt unter teilweiser Verdrängung des Kapillarwassers zu schrumpfen. Dabei wird Synäresewasser freigesetzt, das fast ausschließlich aus verdrängtem Adsorptions-, Hydrat- und Kapillarwasser besteht. Mit fortdauernder Alterung bzw. Synärese einer Weichgelsohle nimmt die Porosität im Gel ab und gleichzeitig im injizierten Sediment zu. Grund hierfür ist die pH-Wert abhängige langsame Bildung getrockneter, loser Gelfragmente in den Porenräumen. Bei in der Praxis üblichen Injektionsmischungen bilden sich überwiegend Mischgele mit feldspatähnlichem Aufbau. Neben SiO2-Gelpartikeln können Eisen-, Chrom-, Kupfer-, Zinkhydroxide u.v.a. in äußerst geringen Konzentrationen (einige ppm) ausfallen; allerdings werden die Hydroxide größerer Metallionen weniger stark oder gar nicht in die Oberflächen der SiO2-Kolloide eingebaut. Theoretisch können nach der Reaktionsgleichung Natronlauge NaOH (Na+ und OH--Ionen in Lösung), Kieselsäuren H2n+2SinO3n+1,, Al3+-Ionen und geringe Anteile an Aluminationen Al(OH)4- und beim Einsatz von Zuschlägen zusätzlich geringe Anteile an Kohlenhydraten Cx(H2O)y/x ≥ y als Reaktionsprodukte entstehen. [ME,AWR]

  • Die Autoren
Redaktion

Landscape GmbH
Dipl.-Geogr. Christiane Martin
Nicole Bischof
Dipl.-Geol. Manfred Eiblmaier

Fachberater

Allgemeine Geologie
Prof. Dr. V. Jacobshagen, Berlin

Angewandte Geologie
Prof. Dr. H. Hötzl, Karlsruhe

Bodenkunde
Prof. Dr. H.-R. Bork, Potsdam

Fernerkundung
Prof. Dr. phil. M. Buchroithner, Dresden

Geochemie
Prof. Dr. W. Altermann, München

Geodäsie
Prof. Dr. K.-H. Ilk, Bonn

Geomorphologie
Prof. Dr. W. Andres, Frankfurt / Main

Geophysik
Prof. Dr. P. Giese, Berlin

Historische Geologie
Prof. Dr. H.-G. Herbig, Köln

Hydrologie
Prof. Dr. H.-J. Liebscher, Koblenz

Kartographie
Prof. Dr. W.G. Koch, Dresden

Klimatologie
Prof. Dr. Ch.-D. Schönwiese, Frankfurt / Main

Kristallographie
Prof. Dr. K. Hümmer, Karlsruhe

Landschaftsökologie
Dr. D. Schaub, Aarau, Schweiz

Meteorologie
Prof. Dr. G. Groß, Hannover

Mineralogie
Prof. Dr. G. Strübel, Gießen

Ozeanographie
Prof. Dr. J. Meincke, Hamburg

Petrologie
Dr. R. Hollerbach, Köln

Autoren

Allgemeine Geologie
Dipl.-Geol. D. Adelmann, Berlin
Dr. Ch. Breitkreuz, Berlin
Prof. Dr. M. Durand Delga, Avon, Frankreich
Dipl.-Geol. K. Fiedler, Berlin
Prof. Dr. V. Jacobshagen, Berlin
Dr. W. Jaritz, Burgwedel
Prof. Dr. H. Kallenbach, Berlin
Dr. J. Kley, Karlsruhe
Prof. Dr. M. Lemoine, Marli-le-Roi, Frankreich
Prof. Dr. J. Liedholz, Berlin
Prof. Dr. B. Meißner, Berlin
Dr. D. Mertmann, Berlin
Dipl.-Geol. J. Müller, Berlin
Prof. Dr. C.-D. Reuther, Hamburg
Prof. Dr. K.-J. Reutter, Berlin
Dr. E. Scheuber, Berlin
Prof. Dr. E. Wallbrecher, Graz
Dr. Gernold Zulauf, Frankfurt

Angewandte Geologie
Dr. A. Bohleber, Karlsruhe
Dipl.-Geol. W. Breh, Karlsruhe
Prof. Dr. K. Czurda, Karlsruhe
Dr. M. Eiswirth, Karlsruhe
Dipl.-Geol. T. Fauser, Karlsruhe
Prof. Dr.-Ing. E. Fecker, Karlsruhe
Prof. Dr. H. Hötzl, Karlsruhe
Dipl.-Geol. W. Kassebeer, Karlsruhe
Dipl.-Geol. A. Kienzle, Karlsruhe
Dipl.-Geol. B. Krauthausen, Berg / Pfalz
Dipl.-Geol. T. Liesch, Karlsruhe
R. Ohlenbusch, Karlsruhe
Dr. K. E. Roehl, Karlsruhe
Dipl.-Geol. S. Rogge, Karlsruhe
Dr. J. Rohn, Karlsruhe
Dipl.-Geol. E. Ruckert, Karlsruhe
Dr. C. Schnatmeyer, Trier
Dipl.-Geol. N. Umlauf, Karlsruhe
Dr. A. Wefer-Roehl, Karlsruhe
K. Witthüser, Karlsruhe
Dipl.-Geol. R. Zorn, Karlsruhe

Bodenkunde
Dr. J. Augustin, Müncheberg
Dr. A. Behrendt, Müncheberg
Dipl.-Ing. agr. U. Behrendt, Müncheberg
Prof. Dr. Dr. H.-P. Blume, Kiel
Prof. Dr. H.-R. Bork, Potsdam
Dr. C. Dalchow, Müncheberg
Dr. D. Deumlich, Müncheberg
Dipl.-Geoök. M. Dotterweich, Potsdam
Dr. R. Ellerbrock, Müncheberg
Prof. Dr. M. Frielinghaus, Müncheberg
Dr. R. Funk, Müncheberg
Dipl.-Ing. K. Geldmacher, Potsdam
Dr. H. Gerke, Müncheberg
Dr. K. Helming, Müncheberg
Dr. W. Hierold, Müncheberg
Dr. A. Höhn, Müncheberg
Dr. M. Joschko, Müncheberg
Dr. K.-Ch. Kersebaum
Dr. S. Koszinski, Müncheberg
Dr. P. Lentzsch, Müncheberg
Dr. L. Müller, Müncheberg
Dr. M. Müller, Müncheberg
Dr. T. Müller, Müncheberg
Dr. B. Münzenberger, Müncheberg
Dr. H.-P. Pior, Müncheberg
Dr. H. Rogasik, Müncheberg
Dr. U. Schindler, Müncheberg
Dipl.-Geoök. G. Schmittchen, Potsdam
Dr. W. Seyfarth, Müncheberg
Dr. M. Tauschke, Müncheberg
Dr. A. Ulrich, Müncheberg
Dr. O. Wendroth, Müncheberg
Dr. St. Wirth, Müncheberg

Fernerkundung
Prof. Dr. phil. M. Buchroithner, Dresden
Prof. Dr. E. Csaplovics, Dresden
Prof. Dr. C. Gläßer, Halle
Dr. G. Meinel, Dresden
Dr. M. Netzband, Dresden
Prof. Dr. H. Will, Halle

Geochemie
Prof. Dr. A. Altenbach, München
Prof. Dr. W. Altermann, München
Dr. St. Becker, Wiesbaden
Dr. A. Hehn-Wohnlich, Ottobrunn
P.D. Dr. St. Höltzl, München
Dr. M. Kölbl-Ebert, München
Dr. Th. Kunzmann, München
Prof. Dr. W. Loske, München
Dipl.-Geol. A. Murr, München
Dr. T. Rüde, München

Geodäsie
Dr.-Ing. G. Boedecker, München
Dr. W. Bosch, München
Dr. E. Buschmann, Potsdam
Prof. Dr. H. Drewes, München
Dr. D. Egger, München
Prof. Dr. B. Heck, Karlsruhe
Prof. Dr. K.-H. Ilk, Bonn
Dr. J. Müller, München
Dr. A. Nothnagel, Bonn
Prof. Dr. D. Reinhard, Dresden
Dr. Mirko Scheinert, Dresden
Dr. W. Schlüter, Wetzell
Dr. H. Schuh, München
Prof. Dr. G. Seeber, Hannover
Prof. Dr. M. H. Soffel, Dresden

Geomorphologie
Dipl. Geogr. K.D. Albert, Frankfurt / Main
Prof. Dr. W. Andres, Frankfurt / Main
Dipl. Geogr. P. Houben, Frankfurt / Main
Dr. K.-M. Moldenhauer, Frankfurt / Main
Dr. P. Müller-Haude, Frankfurt / Main
Dipl. Geogr. S. Nolte, Frankfurt / Main
Dr. H. Riedel, Wetter
Dr. J. B. Ries, Frankfurt / Main

Geophysik
Dr. G. Bock, Potsdam
Dr. H. Brasse, Berlin
Prof. Dr. P. Giese, Berlin
Prof. Dr. V. Haak, Potsdam
Prof. Dr. E. Hurtig, Potsdam
Prof. Dr. R. Meißner, Kiel
Prof. Dr. K. Millahn, Leoben, Österreich
Dr. F. R. Schilling, Potsdam
Prof. Dr. H. C. Soffel, München
Dr. W. Webers, Potsdam
Prof. Dr. J. Wohlenberg, Aachen

Geowissenschaft
Prof. Dr. J. Negendank, Potsdam

Historische Geologie / Paläontologie
Prof. Dr. W. Altermann, München
Dr. R. Becker-Haumann, Köln
Dr. R. Below, Köln
Dr. M. Bernecker, Erlangen
Dr. M. Bertling, Münster
Prof. Dr. W. Boenigk, Köln
Dr. A. Clausing, Halle
Dr. M. Grigo, Köln
Dr. K. Grimm, Mainz
Prof. Dr. Gursky, Clausthal-Zellerfeld
Dipl.-Geol. E. Haaß, Köln
Prof. Dr. H.-G. Herbig, Köln
Dr. I. Hinz-Schallreuther, Berlin
Dr. D. Kalthoff, Bonn
Prof. Dr. W. von Königswald, Bonn
Dr. habil R. Kohring, Berlin
E. Minwegen, Köln
Dr. F. Neuweiler, Göttingen
Dr. S. Noé, Köln
Dr. S Nöth, Köln
Prof. Dr. K. Oekentorp, Münster
Dr. S. Pohler, Köln
Dr. B. Reicherbacher, Karlsruhe
Dr. H. Tragelehn, Köln
Dr. S. Voigt, Köln
Dr. H. Wopfner, Köln

Hydrologie
Dr. H. Bergmann, Koblenz
Prof. Dr. K. Hofius, Boppard
Prof. Dr. H.-J. Liebscher, Koblenz
Dr. E. Wildenhahn, Vallendar
Dr. M. Wunderlich, Brey

Kartographie
Prof. Dr. J. Bollmann, Trier
Dipl. Geogr. T. Bräuninger, Trier
Prof. Dr. phil. M. Buchroithner, Dresden
Dr. G. Buziek, Hannover
Prof. Dr. W. Denk, Karlsruhe
Dr. D. Dransch, Berlin
Dipl. Geogr. H. Faby, Trier
Dr. K. Großer, Leipzig
Dipl. Geogr. F. Heidmann, Trier
Prof. Dr. K.-H. Klein, Wuppertal
Prof. Dr. W. Koch, Dresden
Prof. Dr. S. Meier, Dresden
Dipl. Geogr. A. Müller, Trier
Prof. Dr. J. Neumann, Karlsruhe
Prof. Dr. K. Regensburger, Dresden
Dipl.-Ing. Ch. Rülke, Dresden
Dr. W. Stams, Dresden
Prof. Dr. K.-G. Steinert, Dresden
Dr. P. Tainz, Trier
Dr. A.-D. Uthe, Berlin
Dipl. Geogr. W. Weber, Trier
Prof. Dr. I. Wilfert, Dresden
Dipl.-Ing. D. Wolff, Wuppertal

Kristallographie
Dr. K. Eichhorn, Karlsruhe
Prof. Dr. K. Hümmer, Karlsruhe
Prof. Dr. W. E. Klee, Karlsruhe
Dr. G. Müller-Vogt, Karlsruhe
Dr. E. Weckert, Karlsruhe
Prof. Dr. H.W. Zimmermann, Erlangen

Lagerstättenkunde
Dr. W. Hirdes, D-53113 Bonn
Prof. Dr. H. Flick, Marktoberdorf
Dr. T. Kirnbauer, Wiesbaden
Prof. Dr. W. Proschaska, Leoben, Österreich
Prof. Dr. E. F. Stumpfl, Leoben, Österreich
Prof. Dr. Thalhammer, Leoben, Österreich

Landschaftsökologie
Dipl. Geogr. St. Meier-Zielinski, Basel, Schweiz
Dipl. Geogr. S. Rolli, Basel, Schweiz
Dr. D. Rüetschi, Basel, Schweiz
Dr. D. Schaub, Frick, Schweiz
Dipl. Geogr. M. Schmid, Basel, Schweiz

Meteorologie und Klimatologie
Dipl. Met. K. Balzer, Potsdam
Dipl.-Met. W. Benesch, Offenbach
Prof. Dr. D. Etling, Hannover
Dr. U. Finke, Hannover
Prof. Dr. H. Fischer, Karlsruhe
Prof. Dr. M. Geb, Berlin
Prof. Dr. G. Groß, Hannover
Prof. Dr. Th. Hauf, Hannover
Dr. habil. D. Heimann,
Oberpfaffenhofen / Weßling
Dr. C. Lüdecke, München
Dipl. Met. H. Neumeister, Potsdam
Prof. Dr. H. Quenzel, München
Prof. Dr. U. Schmidt, Frankfurt / Main
Prof. Dr. Ch.-D. Schönwiese, Frankfurt / Main
Prof. Dr. W. Wehry, Berlin

Mineralogie
Prof. Dr. G. Strübel, Gießen

Ozeanographie
Prof. Dr. W. Alpers, Hamburg
Dr. H. Eicken, Fairbanks, Alaska, USA
Dr. H.-H. Essen, Hamburg
Dr. E. Fahrbach, Bremerhaven
Dr. K. Kremling, Kiel
Prof. Dr. J. Meincke, Hamburg
Dr. Th. Pohlmann, Hamburg
Prof. Dr. W. Zahel, Hamburg

Petrologie
Dr. T. Gayk, Köln
Dr. R. Hollerbach, Köln
Dr. R. Kleinschrodt, Köln
Dr. R. Klemd, Bremen
Dr. M. Schliestedt, Hannover
Prof. Dr. H.-G. Stosch, Karlsruhe

Schreiben Sie uns!

Wenn Sie inhaltliche Anmerkungen zu diesem Artikel haben, können Sie die Redaktion per E-Mail informieren. Wir lesen Ihre Zuschrift, bitten jedoch um Verständnis, dass wir nicht jede beantworten können.

Partnerinhalte

Bitte erlauben Sie Javascript, um die volle Funktionalität von Spektrum.de zu erhalten.