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]
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