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Verfahren zum Anbringen geschlossener bituminöser Schichten unterhalb einer wässe- rigen Flüssigkeit
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Anbringen geschlossener bituminöser Schichten unterhalb einer wässerigen Flüssigkeit, bei dem das bituminöse Material durch Pumpenwirkung über eine lange Leitung nach der unterhalb der Flüssigkeit gelegenen Aufschüttelstelle befördert wird. Ein derartiges Verfahren fand Anwendung für das Verkleiden von Deichen (vgl. De Ingenieur 1952, Seite B 127) und zum Ausfüllen des Raumes zwischen dem Stoss eines mit Flüssigkeit gefüllten Grubenschachtes und der äusseren Wandfläche einer Schachtauskleidung, die man in diese Flüssigkeit niedergelassen hat.
Eine Deichverkleidung aus bituminösem Werkstoff soll wasserdicht sein, zudem soll sie eine sehr hohe Dauerhaftigkeit besitzen. Die Viskosität des bituminösen Werkstoffs soll derart sein, dass der auf eine Böschung aufgebrachte Werkstoff nicht abgleitet. Bei Grubenschächten hat die bituminöse Füllung ebenfalls die Aufgabe, die Schachtauskleidung wasserdicht abzuschliessen, und zudem soll sie bei eventuellen Bodenbewegungen infolge des Abbaues von mittels des Schachtes erschlossener Mineralien verhüten, dass Achsialkräfte von einer solchen Grösse auf die Auskleidung wirksam werden, dass diese auf Druck beansprucht wird.
Um diesen Anforderungen genügen zu können, soll die Füllung eine gewisse Verformbarkeit aufweisen, und zwar eine solche, dass senkrechte Verschiebungen die mit einer Geschwindigkeit von 1 cm pro'rag fortschreiten, keine auf die Verkleidungswand wirkenden Schubspannungen hervorrufen werden, deren Wert 0, 4 kg/cm2 überschreitet. Zum andern soll die Viskosität der bituminösen Füllung derart hoch sein, dass ein Verlust an Werkstoff über in dem Deckgebirge vorhandene Spalte gering ist. Weiterhin soll die Füllung, um Ausknickung der Auskleidung zu verhüten, ein spezifisches Gewicht haben, das grösser ist als das scheinbare spezifische Gewicht der Auskleidung, und so hoch ist, dass der Druck völlig zum Abstützen des Schachtstosses ausreicht.
Es hat sich gezeigt, dass sich all diesen Anforderungen genügen lässt, wenn man als Füllung Bitumina verwendet, denen man einen Füllstoff wie Kalkstein oder Quarz beigemischt hat. Ein derart zusammengesetzter Werkstoff hat ein spezifisches Gewicht, das genügend hoch ist, um eine wirksame Abstützung des Schachtstosses in seitlicher Richtung abzugeben und seine sich auf 106 bis 1011 Poises belaufender Viskosität ist niedrig genug, um bei etwaigen Senkungen des Deckgebirges eine unzulässige Beanspruchung der Auskleidung zu verhüten, und auch wieder nicht so niedrig, dass der Bitumenwerkstoff durch in dem Deckgebirge vorhandene Spalte abfliessen kann.
Wenn man eine 5 cm dicke Schicht aus bituminösem Werkstoff verwendet, dessen Viskosität bei 20 C 1011 Poises beträgt, erzeugt eine senkrechte Verschiebung, die mit einer Geschwindigkeit von 1 cm täglich fortschreitet, eine Schubspannung von 0, 2 kg/cm2, also eine, die die höchstzulässige Schubspannung ein gutes Stück unterschreitet. Verwendet man dickere Schichten oder Werkstoff mit einer niedrigeren Viskosität, so ist die erzeugte Schubspannung entsprechend niedriger.
Bedient man sich zum Abteufen von Grubenschächten eines trockenen Verfahrens, beispielsweise des Gefrierverfahrens, so lässt sich die Einbringung der bituminösen Füllung in der Weise bewerkstelligen, dass man während der Montage der Auskleidung das bituminöse Material in Form von Platten oder Blöcken an Ort und Stelle zwischen der Auskleidung und dem Schachtstoss anbringt. Bei Schächten, deren Abteufung gemäss dem Abbohrverfahren bewerkstelligt wird, ist das genannte Verfahren nicht anwendbar, denn in diesem Falle kann die Füllung erst nach erfolgter Aufstellung der ganzen Auskleidung angebracht werden.
Das Verfahren, bei dem man Bitumen-
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dung befindet, kommt hier nicht in Betracht, weil sich zwischen den Bitumenbröckchen Lücken vorfinden werden ; die erforderliche Wasserdichtigkeit kann daher nicht erzielt werden, und in bezug auf das Entlasten und Abstützen der Schachtauskleidung wird die Bitumenschicht nicht die gewünschten Eigenschaften aufweisen. Es wurde bereits vorgeschlagen, das Bitumen über Falleitungen in den auszufüllenden Raum einzubringen. Dieses Verfahren hat aber niemals praktische Verwendung gefunden, weil eine derartige Einbringung von Bitumina zuviel Zeit beansprucht.
Man hat auch bereits vorgeschlagen, bei dem Bau von Deichen eine Schicht aus bituminösem
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Werkstoff in der Weise anzubringen, dass man den Werkstoff in angewärmtem Zustand durch Pumpenwirkung nach der gewünschten Stelle befördert, wobei man sich den Umstand zunutze macht, dass die Viskosität von Bitumina bei höherer Temperatur niedriger ist als bei der Umgebungstemperatur. Es zeigte sich dann aber, dass beim Ausströmen des bituminösen Werkstoffs Dampfbildung auftrat und daher die Eigenschaften der auf diese Weise hergestellten Bitumenschicht durch die durch Dampfblasen hervorgerufene Höhlungen beeinträchtigt wurden.
Mit Rücksicht auf die abnorm hohen Förderdrücke, die sich für das Fortpumpen bei niedrigen Temperaturen als erforderlich erwiesen, gelangte man zu der Auffassung, es sei nicht möglich, Bitumen durch eine Leitung zu pumpen, deren Ausmündungsstelle tiefer als 1 m unter dem Wasserspiegel liegt (vgl. De Ingenieur 1952, Seite B 127, Spalte zur rechten Seite).
Wie Versuche gezeigt haben, ist es bei passender Wahl gewisser betrieblicher Verhältnisse sehr wohl möglich, Bitumen bei Anwendung normaler Förderdrücke durch in eine wässerige Flüssigkeit ausmündende, lange, von aussen her nicht angewärmte Leitungen hindurchzupumpen, ohne dass durch Dampfblasen die Güte der auf diese Weise erhaltenen Bitumenschicht beeinträchtigt wird.
Hiezu pumpt man erfindungsgemäss das Bitumen durch die Leitung mit einer aufs wenigste
1/100 der Leitungsgesamtlänge L (in m) belaufen- den Mengengeschwindigkeit Q (in m3/h) und einer Eintrittstemperatur, die aufs wenigste 120 C beträgt, vorzugsweise 160 C überschreitet, im Höchstfall aber dem Ergebnis der Errechnungs-
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depunkt der an der Mündungsstelle der Leitung befindlichen Flüssigkeit darstellt.
An Hand einiger in beigefügter Zeichnung gegebener Diagramme soll die Erfindung näher erläutert werden. Die betreffenden Diagramme zeigen die Ergebnisse von Versuchen, die mit einem Asphaltbitumenprodukt angestellt worden sind, dessen Viskosität sich bei 100C auf 106 Poises belief. Der Viskositätsindex a, der ein Mass für die Viskositätsänderung bei Änderung der Temperatur abgibt und in dem Bereich 70-210 C annähernd konstant ist, beträgt 0, 052/ C. In diesem Bereich gilt die Annäherungsformel r==70- < '--70) in der T eine Temperatur innerhalb des Bereiches 70-210 C under die Viskosität bei dieser Temperatur darstellt.
Die Versuche betrafen verschiedene Leitungslängen und verschiedene Temperaturen des zugeleiteten Bitumens. Bei diesen Versuchen wurde die Menge des durch die Leitung hindurchgeleitenen Bitumens variiert.
In der Fig. 1 ist der Druck P, der für die Beförderung des Bitumens durch die Leitung verlangt ist, als Funktion der Mengengeschwindig- keit Q aufgetragen. Die Anfangstemperatur des Bitumens war 210 C. Die Versuche bezogen sich auf Leitungen mit einem Durchmesser von 200 m und einer Länge, die zwischen 400 und 900 m schwankt. Aus dem Diagramm ist ersichtlich, dass, der Förderdruck bei einer gewissen Mengengeschwindigkeit einen Mindestwert aufweist. Bei erhöhter Lieferung der Pumpe steigt infolge des Wachsens des Leitungswiderstandes auch der Druck, der verlangt ist, an. Bei verringerter Lieferung der Pumpe verweilt das Bitumen länger in der Leitung, die Abkühlung des Bitumens ist dann stärker und seine Viskosität nimmt zu. Ebenfalls ist der verlangte Druck dann höher.
Das Dia-
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sten Drucks der für die verschiedenen Leitungslängen gezogenen Kurven miteinander verbindet.
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dem Diagram hervor, dass sich in der Umgebung des Tiefpunkts am günstigsten arbeiten lässt, vorzugsweise zur rechten Seite dieses Punkts, indem dann die Regelung stabiler ist. Eine Verringerung der Mengengeschwindigkeit bedingt dann eine Abnahme des Widerstands. Zur linken Seite des Tiefpunkts ist die Regelung labiler und in Sonderheit trifft dies für den steilen Kurvenabschnitt zu, weil hier eine verringerte Lieferung eine bedeutende Erhöhung des Strömungswiderstands nach sich zieht. Das Arbeiten mit Kreiselpumpen in diesem Gebiet ist fast unmöglich ; hiezu kann man nur noch Kolbenpumpen verwenden.
Fig. 2 gibt die Ergebnisse von mit der gleichen Bitumenart durchgeführten Versuchen, bei denen die Leitungslänge L ständig auf 500 m gehalten und die Temperatur des zugeleiteten Bitumens variiert wurde. Dieses Diagramm zeigt, dass das Verhältnis Z, : Q in dem Tiefpunkt grösser wird, wenn die Anfangstemperatur des Bitumens abnimmt, was an sich durch die bei diesen Tempe-
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190 C auf 62 zu 1 und bei 170 C auf 70 zu 1.
In Fig. 3 sind die Austrittstemperaturen Te des Bitumens als Funktion der Durchflussgeschwindigkeit bei unterschiedlichen Leitungslängen dargestellt.
Die in Rede stehenden Versuche beziehen sich, ebenso wie diejenige der Fig. 1, auf eine Anfangstemperatur von 210 C. Es zeigt sich nunmehr beim Einzeichnen der Linie q für Pmin bei den unterschiedlichen Leitungslängen und der zu denen gehörigen günstigsten Mengengeschwindigkeit, dass in sämtlichen Fällen die Endtemperatur des Bitumens gleich hoch ist, nämlich etwa 148 C.
Bei Verwendung von Dickspülung mit einem spezifischen Gewicht von 1, 2 beträgt der Druck in einer Teufe von 400 m 40 X 1, 2 + 1 = 49 kg/cm2.
Wenn dieser Druck vorliegt, siedet Wasser bei einer Temperatur Tk= 260oC, und demnach droht in dieser Teufe nicht die Gefahr von Dampfbildung.
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lässig bei Teufen von 20 m und darüber hinaus. Eine weitere Vergrösserung des Verhältnisses L : Q ist jedoch ungünstig, weil man dann in dem steilen Abschnitt der P-Q-Kurve arbeitet und die Lieferung der Pumpe dann gering ist. Man muss in diesem Falle die Anfangstemperatur niedriger wählen. Als Mindesttemperatur käme hier 120 C in Betracht, mit Rücksicht darauf, dass bei noch niedrigeren Temperaturen durch die dann sehr hohe Viskosität des Bitumens der Strömungswiderstand in der Leitung eine wesentliche Rolle spielen wird, was aus der Fig. 2 hervorgeht.
Bei sehr geringen Teufen ist die Gefahr, dass die Austrittstemperatur so hoch ist, dass Dampfbildung auftritt, grösser. Muss beispielsweise Bitumen durch eine Leitung, deren Länge 200 m beträgt, nach einer Stelle gepumpt werden, die 5 m unter dem Wasserspiegel liegt, so wird man mit Rücksicht auf den verfügbaren Förderdruck eine Mengengeschwindigkeit von beispielsweise 4 m3/h wählen. In dieser Teufe siedet Wasser bei 110 C. Die Anfangstemperatur darf dann höchstens
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betragen.
Bei Anwendung der Erfindung ist es möglich, mittels mässiger, im allgemeinen einen Druckwert
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bemessenen Mengengeschwindigkeit unter dem Wasserspiegel anzubringen. Beim Füllen des zwischen Schachtstoss und Auskleidung vorhandenen, ringförmigen Raums leitet man diesen Werkstoff vorzugsweise über mehrere über den Umkreis verteilte Zuleitungsrohre ein, wobei man bei jedem dieser Rohre die obenerwähnten Bedingungen in bezug auf Mengengeschwindigkeit und Anfangstemperatur einzuhalten hat.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zum Anbringen geschlossener bituminöser Schichten unterhalb einer wässerigen Flüssigkeit, bei dem dieser Werkstoff durch Pumpenwirkung über eine lange Leitung nach der unterhalb der Flüssigkeit gelegenen Aufschüttstelle befördert wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff durch die Leitung gepumpt wird mit einer aufs wenigste 1/100 der Leitungsgesamtlänge L (in m) belaufenden Mengengeschwindigkeit Q
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entspricht,Tk den Siedepunkt der an der Mündungsstelle der Leitung befindlichen Flüssigkeit darstellt.