DE2129942A1 - Mit Wasser abbindende Gips- und Portlandzementmassen und daraus hergestellte Produkte - Google Patents

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DR. R. POSCHENRIEDER

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DIPL-ING. Η.-.ϊ. MÖLLER

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Mit Wasser abbindende Gips- und Portlandzementmassen und daraus hergestellte Produkte

Die Herstellung von Gipserzeugnissen, wie Gipswandplatten und Stuckgips, und auch die Herstellung von Portlandzement-Produkten gehören an sich zum Stand der Technik. Jedes Jahr werden sehr große Mengen dieser Materialien hergestellt. In den vergangenen Jahren sind zahlreiche Versuche unternommen worden, um solche Produkte mit einer wesentlich niedrigeren Dichte herzustellen, ohne dabei die Festigkeit zu verschlechtern. Für derartige geringgewichtige Produkte besteht offensichtlich ein technisches Bedürfnis; beispielsweise brauchen die Bausockel nicht mehr so stark und kost-

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spielig zu sein wie diejenigen, die man bei schwereren Produkten benötigt. Zu diesem Zweck hat man bereits verschiedene Materialien verwendet, wie geblähten Perlit in Gipsplatten, wie es die USA-Patentschrift 2 8Oj5 575 beschreibt, und geblähte Polystyrolperlen in Betonprodukten, wie es die USA-Patentschrift 3 247 294 besehreibt.

Wenn auch gewisse Verbesserungen bei der Herstellung von geringgewichtigen Gipserzeugnissen und Leichtbetonprodukten erzielt worden sind, so stellen die bekannten Produkte noch nicht die endgültige Lösung des erwähnten Problems dar. So werden z.B. beim Schneiden von mit Perlit hergestellten Gipsplatten die Messer bzw. Sägen rasch stumpf.

Bei Mitverwendung von expandierten bzw. geblähten Polystyrolperlen treten mehrere Schwierigkeiten auf. Die Perlen neigen zu einer starken elektrostatischen Aufladung, und als Folge hiervon fließen sie nicht gleichmäßig aus Vorratsbehältern und Aufgabevorrichtungen aus, sondern neigen dazu, an den Seitenwänden der Vorrichtungen festzukleben. Ferner schwimmen die Perlen auf der Gipsobersehicht und der Zementbreioberschicht, was häufig zu einer hohen Anreicherung der Perlen auf der Oberfläche der Produkte führt. Darüber hinaus steigt der Wasserbedarf für den Brei bei Verwendung der Perlen an, und zwar wegen des Volumens, das die Perlen einnehmen. Außerdem weisen die Fertigprodukte, die geblähte Polystyrolperlen enthalten, den Nachteil auf, daß die Perlen, die eine verhältnismäßig glatte, nicht benetzbare Oberfläche besitzen, in dem Grundgefüge zwar ein Volumen einnehmen,

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ohne jedoch ein integrierender Bestandteil desselben zu werden. Sie verkleben nicht mit der Grundraasse bzw. werden an diese nicht gebunden und neigen dazu, während der Verarbeitung und beim späteren Hantieren auszuplatzen.

Es wurde nun gefunden, daß man aus gebrannten Gipsmassen oder Portlandzementmassen, denen man - weiter unten näher erläutertes - zerfasertes bzw. zerriebenes (shredded) geblähtes Polystyrol als Zuschlagstoff zugesetzt hat, mit Wasser abgebundene Erzeugnisse, nämlich Gipsprodukte, wie Wandplatten, Leisten, Verschalungen, Unterlagenplatten, Formplatten und Verputz, und ebenso Betonprodukte, wie Blöcke, Trennwände und Dachpfannen, herstellen kann, die wesentlich niedrigere Dichten aufweisen als vergleichbare Produkte, die aus Massen ohne einen derartigen Zuschlagstoff hergestellt worden sind, wobei die Baufestigkeit der geringergewichtigen Produkte überraschenderweise nicht ernstlich beeinträchtigt ist.

Figur 1 gibt in Form eines Fließschemas das Gesamtsystem einer Anlage zur Herstellung von Gipswandplatten unter Mitverwendung von zerfasertem, geblähtem Polystyrol-Zuschlagstoff wieder.

Figur 2 ist ein Teilquerschnitt durch ein nach einer Ausführungsform der Erfindung hergestelltes Erzeugnis.

Wird zerfasertes, geblähtes Polystyrol als Zuschlagstoff zu gebrannten Gipserzeugnissen oder Portlandzement zugesetzt, so weisen die mit Wasser abgebundenen Produkte, die aus solchen Gemengen hergestellt worden sind, eine signifikant niedrigere Dichte auf. Die niedrigeren Dichten hängen bis zu einem gewissen Grad von der Menge des

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Zuschlagstoffes ab, die eingearbeitet ist. Wie gefunden wurde, sind bereits sehr geringe Mengen, z.B. solche bis herunter zu 0,01 Gewichtsprozent, bezogen auf die Gesamtmasse, wirksam. Die Höchstmenge an Zuschlagstoff, deren, man sich bedient,-hängt in gewisser Weise von wirtschaftlichen Gesichtspunkten ab. Es wurde gefunden, daß bis zu 5 % eingearbeitet werden kann, ohne daß hierdurch die Festigkeit der Endprodukte merklich verändert wird. Eine Gipswandplatte von besonders guter Qualität wird durch Zugabe von 2 bis 3 Gewichtsprozent des genannten Zuschlagstoffes zum Gemisch hergestellt. Mit diesem Gemisch können Wandplatten hergestellt werden, die ungefähr nur halb so viel wie die bekannten Wandplatten wiegen, die ohne Zusatz des Zuschlagstof-

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fes hergestellt worden sind, z.B. 0,50 g/dm (1200 pounds per thousand square feet) im Vergleich zu 96,5 g/dm^£ (2000 pounds per thousand square feet).

Der Zuschlagstoff, der bei der vorliegenden Erfindung Anwendung findet, besteht aus vollständig geblähtem Polystyrol, das durch Zerfasern oder Vermählen in ein leichtes, flockiges Material umgewandelt worden ist. So kann ein geblähtes Polystyrol mit einem Schüttgewicht von annähernd 0,0048 g/crrr bis 0,024 g/crcr (0.3 - 1-5 pounds per cubic feet) zerfasert werden, um einen Zuschlagstoff zu gewinnen, von dem 70 Gewichtsprozent, vorzugsweise 85 Gewichtsprozent, durch ein 4-Maschensieb gehen und von einem lo-Maschensieb (gemeint sind jeweils Maschensiebe der US-Standard-Siebreihe) zurückgehalten werden.

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Zerfaserter, geblähter Polystyrol-Zuschlagstoff, wie er bei der Erfindung zur Anwendung gelangt, kann aus Polystyrolperlen oder -schaum, einschließlich des im Betrieb anfallenden technischen Materials, hergestellt werden. Wie festgestellt wurde, können geblähte Polystyrolperlen wirksam und wirtschaftlich zur Gewinnung des Zuschlagstoffes zerfasert oder vermählen werden. Die für diesen Zweck in Frage kommenden Perlen sind in den USA-Patentschriften 2 681 521, 2 950 261 und 2 744 291 beschrieben.

Im Gegensatz zu den Schwierigkeiten, die bei Verwendung von geblähten Polystyrolperlen auftreten, fließt der bei der vorliegenden Erfindung verwendete Zuschlagstoff leicht und gleichmäßig durch Vorratsbehälter und Aufgabevorrichtungen. Er ist auch direkt und innig in die wäßrige Anschlämmung einmischbar und zeigt keinerlei Neigung, auf der Oberfläche der Anschlämmung zu schwimmen. Es ist auch recht überraschend, daß der Wasserbedarf, der bei Verwendung von geblähten Polystyrolperlen ansteigt, bei Verwendung des erfindungsgemäßen Zuschlagstoffes herabgesetzt wird. Es scheint, als ob das zerfaserte Material einige der Hohlräume im verkittenden Gemisch ausfüllt und hierdurch eine einheitliche dichte Grundmasse zustandekommt, die weniger Einmischwasser benötigt. Dieser verminderte Wasserbedarf bringt in bezug auf die Verarbeitung dieser Materialien den weiteren Vorteil mit sich, daß die Trocknungsstufe dementsprechend verkürzt wird oder niedrigere Temperaturen verwendet werden können. Das zerfaserte Material wird letztlich an das verkittende Material gebunden und wird so zu einem integrierenden Bestandteil desselben ohne jede Neigung, aus dem Fertigprodukt auszuplatzen. Es ist ziemlich überraschend, daß die Fertigprodukte derart beträchtlich ver-

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ringerte Dichten aufweisen trotz des integrierenden Einmischens des zerfaserten Materials in die Grundmasse. Man hätte erwarten können, daß das flockige Material - zumindest in einem gewissen merklichen Ausmaß - unter dem Druck des Systems zusammenfällt.

Zur Herstellung der Gips-Leichtwandplatten nach der Lehre der vorliegenden Erfindung kann man sich der üblichen Methoden bedienen, wie sie bei der Herstellung der bekannten Wandplatten angewendet werden. Darüber hinaus kann das Produkt zusätzlich die konventionellen Zusatzstoffe, z.B. die in der USA-Patentschrift 3 314 613 beschriebenen gemahlenen Gips-Beschleuniger, enthalten.

Eine Ausführungsform des Verfahrens zur Herstellung der leichten Gipswandplatten mit zerfasertem geblähtem Polystyrol-Zuschlagstoff ist in Figur 1 schematisch dargestellt. Bläiibare Polystyrolperlen mit Durchmessern von ungefähr 0,794 mm bis 6,55 mm (1/32" - 1/4"), deren Dichte 0,481 bis 0,641 g/enP (30 - 40 lbs. per cubic foot) beträgt, werden in einem Vorratsbehälter 1 für die Rohperlen gelagert. Nach Bedarf werden sie durch die Aufgabevorrichtung 2 der Expandiervorrichtung 4 für die Perlen zugeführt, wo sie mit Wasserdampf in Kontakt gebracht werden, welcher der Expandiervorrichtung 4 durch die Leitung 3 zugeführt wird. Die Perlen werden durch die Hitzeeinwirkung auf ungefähr das 6- bis 10-fache ihres ursprünglichen Durchmessers aufgebläht und treten aus der Expandiervorrichtung nahe am Deckel derselben aus und gelangen von dort durch die Zuführvorrichtung 5 in den Lagerbehälter 6. Von hier aus werden sie nach Maßgabe des Bedarfs durch die Aufgabevor-

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richtung 7 der Expandiervorrichtung 8 zugeführt, in der die Perlen durch Einwirkung von zusätzlicher Wasserdampfwärme weiter auf ungefähr das 7- bis 12-fache ihres ursprünglichen Durchmessers aufgebläht werden. Abweichend hiervon können die Perlen aus der Expandiervorrichtung 4 auch unmittelbar dem Lagerbehälter 10 zugeführt werden. Beim Aufblähen der Perlen entweichen die organischen Flüssigkeiten, wie z.B. Pentan, die beim Herstellungsprozeß in die Perlen eingeschlossen worden sind; hierdurch wird die Dichte des Polystyrols für diesen Zweck weiter herabgesetzt, die Lagerbehälter 6 und 10 sind vorzugsweise Maschenlagerbehälter. Von hier gelangen die geblähten Perlen durch die Aufgabevorrichtung 9 in den Lagerbehälter 10, und sie werden von dort über die Zuführungsvorrichtung 11 der Zerfaserungsvorrichtung bzw. dem Mahlwerk 12 zugeführt und gelangen über Leitung 13 in den Lagerbehälter 14. In der Zerfaserungsvorrichtung 12 werden die Perlen zu feinen Partikeln zerrieben, und die Partikelchen sind in ihrer Gestalt unregelmäßig. Ungefähr 1 % von ihnen werden auf dem 4-Maschensieb zurückgehalten, und 96 % von ihnen werden auf dem JO-Maschensieb zurückgehalten (gemeint sind jeweils Siebe der US-Standard-Siebreihe). Der so zerfaserte, geblähte Polystyrol-Zuschlagstoff gelangt vom Vorratsbehälter 14 durch die Zuführungsvorrichtung 15 in den Schneckenförderer 16, wo er mit den anderen trockenen Bestandteilen der Gipswandplatten, ausgenommen gebrannter Gips, gleichmäßig durchgemischt wird. Das Gemenge fließt über Leitung 17 dem Schneckenförderer 18 zu, wo es mit gebranntem Gips gleichmäßig durchgemischt wird. Über Leitung I9 ge-

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langt das Gemenge in die Mischkammer 21, wo es mit Wasser vermischt wird, das durch die Leitung 20 zugeführt wird. Der entstandene Brei 24, der den Kern der Gipswandplatte bildet, wird durch den Auslaß 22 auf ein in Bewegung befindliches Papier 2.J> aufgetragen, und die Kombination wird durch die Pormwalzen 25 und 26 geführt, wo sie auf dem Papier 2.J> zu einer gleichmäßigen Dicke verstrichen wird. In dieser Ausgestaltung der Erfindung ist die Walze 25 auch dafür vorgesehen, eine Papierschicht 27 als Deckschicht auf die Wandplatte aufzubringen. Es können konventionelle Mittel, die nicht eingezeichnet sind, angewendet werden, um die Außenränder des Papiers 2^ auf und über die Papierlage 27 zu falten, um so die Kanten der Platte zu bilden. Gemäß einer abgewandelten Ausführungsform kann der zerfaserte, geblähte Polystyrol-Zuschlagstoff von der Beschickungsvorrichtung 15 direkt dem Schneckenförderer zugeführt werden, und in diesem Fall können andere, trocknende Ingredienzien, wie Beschleuniger, Stärke u.dgl., vorher dem gebrannten Gips zugemischt werden. Gemäß einer weiteren Abwandlung kann der zerfaserte Zuschlagstoff mit einem Strom von Wasser vermischt und den anderen Komponenten im Mischer 21 zugesetzt werden.

Figur 2 stellt einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Wandplatte dar, welche mit den Papierumkleidungen kO und 41 versehen ist und einen Kern aufweist, der hauptsächlich aus abgebundenem Gips ^;+2 besteht, in dem der zerfaserte, geblähte Polystyrol-Zuschlagstoff dispergiert ist.

Der in dieser Erfindungsbeschreibung durchgehend benutzte Ausdruck "gebrannter Gips" soll das Produkt be-

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zeichnen, das man gemeinhin zur Fabrikation von Gipswandplatten verwendet. Dieses Produkt besteht aus Calciumsulfat, das gebrannt worden ist, um einen Teil des Kristallisationswassers abzutreiben, wobei ein Produkt gebildet wird, das im wesentlichen der Formel CaSO^.1/2H₂O entspricht.

Wird zerfaserter, geblähter Polystyrol-Zuschlagstoff in Portlandzementmörtel oder Portlandzementbeton eingearbeitet, so haben die Fertigprodukte im wesentlichen dieselben erwünschten Eigenschaften, wie sie bei den vorstehend beschriebenen Gipsprodukten auftreten. Die Zementerzeugnisse weisen gute Festigkeitseigenschaften und Dichten auf, die beträchtlich niedriger sind als sie normalerweise erreicht werden, und der zerfaserte Zuschlagstoff ist in der Zementgrundmasse gleichmäßig dispergiert und an das Fertigprodukt fest gebunden. Diese Produkte können beliebige weitere Materialien enthalten, wie sie für gewöhnlich in Portlandzement eingemischt werden, z.B. Dispergiermittel, Schaummittel, Asbestfasern, Ton und andere Zuschlagstoffe, Der zerfaserte, geblähte Polystyrole-Zuschlagstoff kann im Gemisch mit irgendeinem Portlandzement-Typ verwendet werden, wird aber am besten in den Typen I, II und III mitverwendet.

Die mit diesen Gemischen erhaltenen Leichtbeton-Bauelemente können ohne Anwendung der Vakuumverformung und ohne die Notwendigkeit, das Betongemisch einer Behandlung im Autoklaven auszusetzen« hergestellt werden. In solchen Gemischen ersetzt der zerfaserte Zuschlag-

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stoff in der Tat einen Teil des Einmischwassers, ohne daß das Gemisch hierdurch eine Herabminderung seiner Pließbarkeit erfährt. Das Gemisch erreicht seine erwünschte Festigkeit unter Anwendung der bei Beton üblichen Misch- und Härtungsprozeduren. Derartige Leichtbeton-Bauelemente können als vorgeblendete Fertigwände in Industriebauten verwendet werden. Sie können auch zu Tafeln für Schrägwandkonstruktionen gegossen oder als Dachplatten oder Trennwände verwendet werden.

Beispiel 1

0,454 kg (1 pound) eines zerfaserten, geblähten Polystyrol-Zuschlagstoffes mit einem Schüttgewicht von 0,00865 g/cnr (Ο.54 pound per cubic foot), dessen Maschensiebfeinheit so groß war, daß 0,8 # auf einem 4-Maschensieb zurückgehalten wurden, 31*4 % auf einem 8-Maschensleb zurückgehalten wurden, 56,2 % auf einem 16-Maschensieb zurückgehalten wurden, 8,3 % auf einem 30-Maschensieb zurückgehalten wurden und 3*2 % durch ein 30-Maschensieb hindurchgingen, wurden zu 44,91 kg (99 pounds) gebranntem Gips gegeben, und das Ganze wurde gründlich durchgemischt. Das Gemenge wurde danach mit Wasser vermischt, um einen Brei zu ergeben,und der Brei wurde in eine Form gegossen. Der Brei hatte in 30 Minuten abgebunden und ergab ein hartes Produkt von einer der Form entsprechenden Gestalt.

Beispiel 2

Eine Gipswandplatte, deren Dicke 12,7 mm (1/2 inch) und deren Breite 1,219 m (4 feet) betrug, wurde aus einem Gemisch aus 567 kg (I250 pounds) gebranntem Gips, 3#63 kg (8 pounds) Stärke, 14,51 kg (32 pounds) gemahlenem Gips-

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Beschleuniger, 0,454 kg (1 pound) zerfasertem, geblähtem Polystyrol-Zuschlagstoff (von dem 96 % durch ein 4-Maschensieb 'gingen und auf einem 30-Maschensieb zurückgehalten vnirden) und 0,91 kg (2 pounds) Lignin hergestellt. Das Gemenge wurde durchgemischt, bis ein einheitliches Gemisch entstanden war. Dann wurde Wasser, Papierzellstoffbrei (0,39 g/dm , auf Trockengewicht be» rechnet, entsprechend 8 lbs. per thousand square feet

-MSF- dry basis) und ein Schaummittel (0,024 g/dm , auf Trockengewicht berechnet, entsprechend 0.5 lb/MSP dry basis) in das Gemenge eingemischt, um einen einheitlichen Brei des Produktes zu bilden. Der Brei wurde dann auf Papier aufgegossen, und eine Deckpapierlage wurde auf die Oberschicht gelegt, wobei die Ränder verklebt wurden, um eine Platte von einer Dicke von 12,7 mm (1/2 inch) und einer Breite von 1,219 m (4 feet) zu bilden, nachdem das Ganze durch Formwalzen geführt worden war. Das Gewicht der Papierlagen, die den Gipskern umgaben, betrug 7,J> g/dm (150Jbs. MSF). Das Produkt wurde durch einen Trockenofen geführt, um das überschüssige Wasser zu entfernen, und das Trockengewicht betrug 84,7 g/dm² (1735 lbs. MSF). Bei einer Trocknungsmethode war es möglich, die Gipsplatte durch den Trockenofen mit einer Geschwindigkeit von 36,58 m (120 feet) pro Minute zu führen, und das stellt eine Erhöhung der Geschwindigkeit um 3*05 m (10 feet) pro Minute gegenüber der Geschwindigkeit dar, die man bei den bekannten technischen Gipsplatten bei derselben Operation ohne Mitverwendung von zerfasertem geblähtem Polystyrol-Zuschlagstoff benötigt. Die im Handel befindlichen Platten benötigen zu ihrer Herstellung doppelt soviel Zellstoffbrei und erfordern demzufolge zusätzliche Wassermengen.

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Beispiel 3

Die Verfahrensstufen des Beispiels 2 wurden wiederholt unter Verwendung von.385,5 kg (85O lbs.) Stuckgips, 3,63 kg (8 lbs.) Stärke, 13,6 kg (30 lbs.) gemahlenem Gips-Beschleuniger, 13*6 kg (30 lbs.) zerfasertem geblähtem Polystyrol-Zuschlagstoff und 0,907 kg (2 lbs.) des unter der Handelsbezeichnung "Cerelose" bekannten Maiszuckers. Die aus diesem Gemisch hergestellte, 12,7 mm (1/2 inch) dicke Wandplatte wog 58 g/dm² (1200 lbs. MSF).

Beispiel 4

0,45^ kg (1 pound) zerfaserter, geblähter Polystyrol-Zuschlagstoff wurde gleichmäßig mit 44,9 kg (99 lbs.) Portlandzement Typ I durchgemischt. Das Gemisch wurde mit Wasser angeschlämmt und dann in eine Form gegossen. Nach 3 Stunden hatte der Brei abgebunden und sich in ein festes Produkt umgewandelt, das die Gestalt der Form angenommen hatte.

Beispiel 5

Zerfaserter, geblähter Polystyrol-Zuschlagstoff mit einem Schüttgewicht von 0,0078 g/cnr (0.49 pound per cubic foot), von dem 96 % durch ein Sieb mit 4 bis 30 Maschen gingen, wurde zu 226,8 kg (500 pounds) Portlandzement Typ III in folgenden Mengen zugegeben: 6,8 kg, 4,54 kg und 3,17 bis 5,44 kg (15* 10 and 7-12 pounds). Die aus diesen Gemischen hergestellten gehärteten Betonprodukte wiesen Dichten von 0,432 g/cm⁵, 0,641 g/cm⁵ und 0,801 g/cm⁵ (27, 40 and pounds per cubic foot) auf. Die Produkte wiesen Druckfe-

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stigkeiten von 3^*7 kg/cm , 70,3 kg/cm und IO9 kg/cm (550, 1000 and I550 psi) auf.

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Claims (8)

1. _ ₁₃ . 212994?

   Patentansprüche

   Im wesentlichen einheitliche, mit Wasser abbindende Massen, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus

   (a) gebranntem Gips oder Portlandzement und

   (b) zerfasertem oder zerkleinertem geblähtem Polystyrol-Zuschlagstoff

   bestehen, wobei der genannte Zuschlagstoff etwa 0,01 bis etwa 5 Gewichtsprozent der Masse ausmacht.
2. 2. Masse gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Bestandteil (a) aus gebranntem Gips besteht.
3. 3. Masse gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Zuschlagstoff etwa 0,05 bis etwa 3 Gewichtsprozent der Masse ausmacht.
4. h. Gipswandplatte, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern aus einer Masse gemäß Anspruch 3 hergestellt worden ist.
5. 5. Gipswandplatte gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Zuschlagstoff etwa 2 bis etwa 3 Gewichtsprozent der Wandplatte ausmacht.
6. 6. Gipswandplatte gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Zuschlagstoff etwa 0,05 bis etwa 0,5 Gewichtsprozent der Wandplatte ausmacht.
7. 7. Im wesentlichen einheitliche, mit Wasser abbindende Massen, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus

   (a) Portlandzement und

   (b) zerriebenem oder zermahlenem Polystyrol-Zuschlagstoff

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   bestehen, wobei der genannte Zuschlagstoff etwa O₅Ol bis etwa 5 Gewichtsprozent der Masse ausmacht.
8. 8. Masse gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Bestandteil .(a) aus Portlandzementmörtel besteht,

   9· Masse gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Bestandteil (a) aus Portlandzement-Becon besteht.

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