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Verfahren zur Befestigung von Ankern in den sie aufnehmenden Bohrlöchern mittels einer in das Bohrlochtiefste eingebrachten
Vergussmasse sowie Patrone und Vergussmasse hiefür
DieErfindung betrifft ein Verfahren zur Befestigung von Ankern in den sie aufnehmenden Bohrlöchern.
Solche Anker werden auf den verschiedensten Gebieten der Technik, z. B. bei dem bekannten Ankerausbau von Grubenräumen und Tunneln, ferner zur Sicherung von überhängenden Felswänden über Tage, für zahlreiche Zwecke im Bauwesen, wie zur Verstärkung von Fundamenten usw., ferner auch, um Anbringungsmöglichkeiten für andere Teile an ihrem dann als Haken ausgebildeten Aussenende zu schaffen, verwendet.
Die für die Wirkung solcher Anker entscheidende Belastbarkeit desselben wird durch die Güte der Sicherung ihres Endes im Bohrlochtiefsten bestimmt.
Im Falle von für den Ausbau von unterirdischen Hohlräumen bzw. Grubenräumen verwendeten Ankern erfolgt deren Befestigung im Bohrlochtiefsten in der Regel durch mechanisches Aufweiten und Verspreizen des spreizbar ausgebildeten Ankerkopfes gegen die Bohrlochwandung durch Eindrehen oder Eintreiben der Ankerstange in den Spreizkopf. Im Falle insbesondere von Bohrlöchern, die in weichem Gestein, in welchem eine ausreichende Haftung des Ankerkopfes nicht erzielbar ist, wie auch solchen, die. in besonders festem Gestein, in das die Spreizelemente am Ankerkopf nicht ausreichend eindringen könnten, so dass der Anker unter seiner Dauerbelastung "kriechen" würde. stehen. wird das Ende der Ankerstange vielfach in das Bohrlochtiefste einzementiert.
Für diesen Zweck werden gewöhnliche Zementmörtel verwendet. Bei dieser Art der Befestigung der Ankerstange kann der Bohrlochdurchmesser wesentlich geringer gehalten werden als bei Verwendung von Ankerstangen mit Spreizköpfen und damit die Zerspanungsarbeit beim Bohren erheblich verringert werden.
Die in abwärtsgerichteten Bohrlöchern, die lediglich auf einem entsprechenden Teil ihrer Länge mit Zementmörtel ausgegossen zu werden brauchen, sehr einfache Befestigung der Anker in dieser Weise macht jedoch Schwierigkeiten im Falle von aufwärtsgerichteten Bohrlöchern ; sie erfordert dann die Verwendung des Zementmörtels in sehr konsistentem Zustande und bedingt das Eintreiben der Ankerstange unmittelbar nach demEinbringen des Mörtels, so dass es nicht möglich ist, in an sich erwünschter Weise zunächst eine Vielzahl von Bohrlöchern mit dem Mörtel zu versehen und dann erst die Ankerstangen in sie einbringen.
Allen bekannten Einzementierverfahren ist ferner der Nachteil gemeinsam, dass der einzementierte Anker erst mit einer erheblichen Verzögerung, die durch die Mindestabbindungsdauer des Mörtels von meist einigen Tagen bedingt ist und abgewartet werden muss, tragfähig ist. Erst dann kann z. B. seine Verspannung gegen den Gebirgskörper od. dgl. erfolgen. Diese Zeitdauer lässt sich durch Verwendung von das Abbinden beschleunigenden Mitteln zwar abkürzen. jedoch nicht auf weniger als 8-12 h.
Es ist ferner bereits vorgeschlagen worden, an Stelle von Zement Kunstharze zu verwenden, die in flüssigem Zustande in einer auf das aufzuspreizendeEnde des Ankers aufgesetzten Kapsel in das Bohrlochtiefste gebracht werden. Beim Spreizen des Ankers wird die Kapsel zerstört, die flüssigen Kunstharze treten aus, füllen den Raum zwischen Ankerstangenkopf und Bohrlochwandung aus und verkleben den Ankerkopf nach ihrem Erhärten gewissermassen mit dem Gebirge. Hiebei wird zwar der Nachteil der langen
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Härtungsdauer des Betons vermieden, jedoch ist die erzie1bareHaftwirkungínsbesonderewegen derSchwín- dung des Kunstharzes im Zuge seines Erhärtens, derzufolge sich der Kunststoffkörper von der Bohrwandung ablöst, nicht befriedigend.
Durch die Erfindung werden diese Nachteile der bekannten Verfahren der beschriebenen Art beseitigt, d. h. es wird eine schnell wirksame Sicherung des Ankerkopfes im Bohrlochtiefsten in ein Vielfaches der bisher denkbaren Vorspannung des Ankers ermöglichender Weise bewirkt. Gleichzeitig werden in weiterer Entwicklung des Grundgedankens der Erfindung die zu diesem Zwecke erforderlichen Massnahmen verein- facht bzw. der Arbeitsaufwand verringert.
Die sichere Verbundwirkung zwischen Ankerkopf und Gebirge wird gemäss der Erfindung dadurch er- zielt, dass die Komponenten einer Vergussmasse, die nach Mischung der Komponenten erhärtet, vonein- ander getrennt in das Bohrloch eingebracht und dort gemischt werden.
Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens wird dies dadurch er- reicht, dass die Mischung der Komponenten unter gleichzeitiger vollkommener Ausfüllung des Hohlraumes in dem Bohrlochtiefsten durch drehendes Eintreiben der in ihrem Endbereich als Mischschnecke ausgebil- deten Ankerstange bis ins Bohrlochtiefste erfolgt.
Diese Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens ergibt, dass sie die Anwendung hoher Drucke, die grössenordnungsmässig je nach den Gesteinsverhältnissen auf über 100 at gesteigert werden können, beim Einpressen des flüssigen Kunststoffes ermöglicht, ein tiefes Eindringen desselben in die Spalten und Risse und dadurch einen besonders zugfesten Verband zwischen Gebirge und Kunststoffkörper, in welchem der an sich glatte, mit zweckentsprechenden Aufrauhungen bzw. Erhöhungen und Vertiefungen versehene Ankerstangenkopf sicher gehalten wird.
Für dasEinpressen desKunststoffes wird zweckmässig eine Vorrichtung nach Art eines Tränkrohres benutzt, das bis etwa 3/4 der Bohrlochlänge in das Bohrloch eingebracht wird. Ein an ihm angebrachter, ringförmiger Dichtungskörper dichtet das mit dem Kunststoff zu füllende Bohrlochtiefste gegen den restlilichen Hauptteil des Bohrloches ab. Im Falle der Verwendung von geschmolzenen Kunstharzen wird das Tränkrohr auf seiner gesamten oder einen Teil seiner Länge elektrisch beheizt. Dies bedingt jedoch die Verwendung zusätzlicher Einrichtungen für die Erzeugung des Druckes und kommt in erster Linie dann in Betracht, wenn es auf eine besonders hohe Zugfestigkeit der Verankerung ankommt.
Ein für die angestrebte Wirkung in der Regel völlig ausreichender Verband unter Ausfüllung aller Hohlräume im Bohrlochtiefsten einschliesslich der in das Bohrloch mündenden Spalte und Risse lässt sich einem weiteren Erfindungsmerkmal zufolge dadurch erzielen, dass eine durch Eindrehen der Ankerstange zer- störbarePatrone vorgesehen wird, die voneinander getrennte Abteile aufweist, in denen die Komponenten der Vergussmasse untergebracht sind. Dies hat den weiteren Vorteil, dass das Einbringen des den Verband herstellenden Körpers und der Ankerstange zeitlich völlig unabhängig voneinander durchgeführt werden kann.
Diese Patrone wird durch das Eintreiben des Endes der keinen Spreizkopf aufweisenden Ankerstange zerstört ; hiedurch werden die Komponenten miteinander gemischt, und durch weiteres, vorzugsweise drehend erfolgendes Eintreiben der Ankerstange, die zu diesem Zwecke mit sich um ihren Umfang erstreckenden ununterbrochenen oder unterbrochenen Spiralrippen versehen ist, entgegen der Drehrichtung der Spirale, wird die Mischung in die Hohlräume eingedrückt.
Dieses Verfahren kann sowohl unter Bildung des Verbundkörpers aus einer anorganischen Zementmörtelmischung, wie auch vorzugsweise aus einem flüssigen Kunststoff und einem Härtungsmittel für diesen durchgeführt werden.
Als Beispiel einer für die letzte Ausführungsform des Verfahrens geeigneten Kunstharzmischung sei
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Verkürzung der Verfestigungsdauer des den Verband zwischen Gebirge und Anker herstellenden Materials, hat sich die Verwendung von härtbaren Kunststoffen besonderer Art, nämlich von Polyesterharzen sowie mit diesen hinsichtlich ihrer Zusammensetzung und Eigenschaft-äquivalenten Kunstharzen, wie Phenolharzen, Melaminharzen oder Polyurethanen, gegebenenfalls auch von Epoxyden erwiesen, die mit den in getrennten Räumen der Patrone untergebrachten Härte-und/oder Beschleunigungsmitteln in das Bohrlochtiefste eingeführt und dort nach Zerstörung der Patrone mit diesen gemischt werden.
Als Härter für diese Kunststoffe werden Peroxyde, z. B. Cyclohexanonperoxyd, Benzoylperoxyd oder Methyläthylketonperoxyd, und als Beschleuniger z. B. Dimethylanilin oder Kobaltnaphthenat verwendet.
Als Füllstoffe, deren Zweck insbesondere der ist, das beim Abhärten solcher Kunststoffe unter Umständen
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vermischt mit 4% Dimethylanilin enthielt. NachEinführen der Patrone in einBohrloch von 33 mm Durch- messer wurde die Ankerstange, die in der Länge der Patrone von der Spitze des Ankers entsprechendem
Abstand ein elastisches ringförmiges Dichtungselement trug, mit 300 Umdr/min rotierend in das Bohrloch gesenkt, hiedurch die Patrone zerstört und die Komponenten einschliesslich der Glassplitter innig miteinander vermischt. Nach 60 sec Drehzeit und einer anschliessenden Härtungszeit von 40 min wurde der An- ker auf Zug belastet ; die Haftung betrug 1,4 t/cm Verklebungslänge.
Die folgende Tabelle zeigt eine Übersicht über Harzmischungen, die sich als besonders zweckent- sprechend für die Durchführung des neuen Verfahrens erwiesen haben.
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<tb>
<tb>
Temp. <SEP> Harz <SEP> % <SEP> Füllstoff <SEP> % <SEP> Härter <SEP> *) <SEP> % <SEP> Beschleu <SEP> % <SEP> Härtungs- <SEP> Haftung <SEP> **)
<tb> niger <SEP> dauer <SEP> t/cm
<tb> 20 <SEP> Polyestergiess- <SEP> 40 <SEP> Quarzmehl <SEP> 60 <SEP> BP <SEP> 8 <SEP> DMA <SEP> 1 <SEP> 30 <SEP> min <SEP> 1, <SEP> 05 <SEP>
<tb> harz
<tb> 20 <SEP> Polyestergiess- <SEP> 30 <SEP> Quarzsand <SEP> 70 <SEP> BP <SEP> 8 <SEP> DMA <SEP> 1 <SEP> 30 <SEP> min <SEP> 1, <SEP> 25 <SEP>
<tb> harz <SEP> 1-2 <SEP> mm <SEP>
<tb> 20 <SEP> Polyestergiess- <SEP> 30 <SEP> Quarzsand <SEP> 70 <SEP> BP <SEP> 8 <SEP> DMA <SEP> 1 <SEP> 180 <SEP> min <SEP> 1, <SEP> 40 <SEP>
<tb> harz <SEP> 1-2 <SEP> mm <SEP>
<tb> 20 <SEP> Polyestergiess-35 <SEP> Quarzsand <SEP> 65 <SEP> BP <SEP> 8 <SEP> DMA <SEP> 2 <SEP> 30 <SEP> min <SEP> 1,
<SEP> 30 <SEP>
<tb> harz <SEP> 1-2 <SEP> mm <SEP>
<tb> 20 <SEP> Polyesterigess- <SEP> 30 <SEP> Quarzsand <SEP> 70 <SEP> BP <SEP> 8 <SEP> DMA <SEP> 1 <SEP> 30 <SEP> min <SEP> 1, <SEP> 20
<tb> harz <SEP> 1-2 <SEP> mm <SEP>
<tb> 20 <SEP> Epoxyharz <SEP> 40 <SEP> Quarzmehl <SEP> 60 <SEP> Diamine'20--1200 <SEP> min <SEP> 1, <SEP> 50
<tb> 20 <SEP> Epoxyharz <SEP> 40 <SEP> Quarzmehl <SEP> 60 <SEP> Triamine <SEP> 20--1200 <SEP> min <SEP> 1. <SEP> 60 <SEP>
<tb> 120 <SEP> Epoxyharz <SEP> 40 <SEP> Quarzmehl <SEP> 60 <SEP> Diamine <SEP> 20--60 <SEP> min <SEP> 1, <SEP> 60
<tb> 160 <SEP> Epoxyharz <SEP> 40 <SEP> Quarz. <SEP> sand <SEP> 60.
<SEP> Diamine <SEP> 20 <SEP> - <SEP> - <SEP> 15 <SEP> min <SEP> 1, <SEP> 70 <SEP>
<tb>
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Komponenten in voneinander getrennten Abteilen, die vorzugsweise aus Glas, gegebenenfalls auch aus Kunststoff oder dünnwandigem Metall bestehen können, werden zweckmässig an geeigneten Stellen über ihren Umfang verteilt mit längsgerichteten Schwächungslinien versehen, durch welche die Stellen, an denen das Aufsprengen der Patrone durch den Druck der Ankerstange erfolgt, vorgeschrieben werden. Ferner können die Patronen in zweckmässigen axialen Abständen voneinander Umfangrippen aus elastischem Werk- stoff aufweisen, welche sich federnd gegen die Bohrlochwandung legen und die eingeführte Patrone im
Bohrloch halten, bis die Einführung der Ankerstange erfolgt.
Es können ausserdem auch sich nach innen erstreckende Umfangsrippen in geeigneten Abständen vorgesehen werden, die sich gegen den Umfang der in die Patrone eindringenden Ankerstange legen und jeweils abschnittsweise den Patroneninhalt abdichten.
Die Abteile können durch Längs- oder durch Querwände oder durch in axialen Abständen angeord- nete Querwände in die Abteile unterteilt werden, deren jedes eine Komponente der herzustellenden Mi- schung enthält oder es kann auch z. B. die flüssige Mischungskomponente in einem zentral in das die zylindrische Patrone füllenden Material der andern Komponente eingebetteten Glasbehälter untergebracht sein.
Die drehend in die Patronen eingetriebene, vorzugsweise mit entgegen derDrehrichtung verlaufenden Spiralrippen versehene Ankerstange kann jeweils der Patrone zweckmässig durch einen von der Ankerstange durchdrungenen, den Bohrlochwandungen anliegenden Dichtungskörper gegen diesen abgeschlossen werden.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel einer für die vorteilhaftesten Ausführungsformen des erfindungsgemässen Verfahrens geeigneten Patrone dargestellt. Fig. 1 ist ein axialer Schnitt durch die die Mischkomponenten aufnehmende Patrone ; Fig. 2 zeigt in entsprechender Darstellung die in das Bohrlochtiefste eingebrachte noch unzerstörte Patrone und Fig. 3 den Zustand, der sich nach Zerstörung der Patrone einstellt.
In Fig. 1 ist mit 1 der die Patrone bildende, stirnseitig zweckmässig etwas abgerundete Zylinder aus Glas oder damit äquivalentem Werkstoff bezeichnet, dessen Länge je nach der Länge des Bereiches der Ankerstange bemessen wird, die einzementiert werden soll, d. h. von der gewünschten Haltewirkung abhängt.
Im Falle eines imGrubenausbau verwendeten Ankers beträgt dielänge des Zylinders z. B. 0, 4-1, 0 m.
In dem beispielsweise angenommenen Falle der Verwendung eines anorganischen Mörtels ist der Zylinder 1 mit dem Trockenmörtel 2 gefüllt, der z. B. und vorzugsweise aus einem Gewichtsanteil Portland-Zement und 2 Gew.-Teilen Sand von 0 bis 2 mm Korngrösse besteht. In diesen Mörtel ist eine aus einem Werkstoff gleicher Beschaffenheit wie die Patrone 1 bestehende Kapsel 3 eingebettet, die das Anmachwasser und das darin gelösteSchnellhärtungsmittel enthält. Die Wassermenge wird so bemessen, dass sich bei der Mischung der beiden Komponenten miteinander ein Mörtel von erdfeuchter Beschaffenheit mit einem Wasserzementfaktor von unter 0, 40 ergibt. Hiedurch wird an sich eine schnelle Härtung und eine wesentlich höhere Festigkeit des Betons erzielt.
Die nach der Bohrlochmündung zu liegende Öffnung 4 der Patrone wird nach deren, wie oben bereits bemerkt, zweckmässig in der Fabrik erfolgendem, Füllen luftdicht verschlossen, so dass die Patrone unbegrenzt haltbar ist. Am Ende der Patrone ist ein Dichtungskörper 5, z. B. aus Schaumgummi oder damit äquivalentem Werkstoff, angebracht, der sich um 30-800/0 seines Volumens zusammendrücken lässt und sich federnd elastisch an die Bohrlochwandung legt.
Fig. 2 lässt die mit Hilfe eines Ladestockes bis auf die Bohrlochsohle geschobene Patrone erkennen, die durch die Dichtung 5 gegen Zurückrutschen gesichert ist.
Nach dem Einführen der Patrone wird die Ankerstange 7 (Fig. 3), die wenigstens an ihrem Ende mit durchgehenden, gegebenenfalls auch unterbrochenen Spiralrippen 8 versehen ist, durch die mittlere Öffnung der Dichtung 5 hindurch unter Zerstörung und Zermahlen zunächst des Bodens 4 und anschliessend der gesamten Wandung der Patrone entgegen der Richtung der auf ihr angeordneten Spiralrippen drehend in die Patrone eingetrieben, wobei gleichzeitig das mittlere Loch des Dichtungskörpers 5 bis auf den Durchmesser der Ankerstange aufgeweitet wird, und sich, wie aus Fig. 3 deutlich ersichtlich ist, eine grossflächige Abdichtung seines Mantels gegen die Bohrlochwandung ergibt.
Hiedurch werden der Trockenmörtel, das Anmachwasser und das darin gelöste Härtungsmittel intensiv gemischt und durch die Wirkung der Spiralrippen unter Förderung der Mischung nach dem Bohrlochtiefsten der zur Ausfüllung aller Hohlräume erforderliche Druck ausgeübt.
Der ganze Vorgang erfordert, je nach der Umdrehungszahl der Ankerstange, nicht mehr als 15-30 sec.
Unter schwierigen Bedingungen kann es sich als zweckmässig erweisen, die Ankerstange gegen das vor dem Erhärten der Masse (des Zementmörtels oder Kunststoffmaterials) etwa mögliche Herausrutschen aus dem Bohrloch zusätzlich zu der Dichtung 5 noch dadurch zu sichern, dass zwischen sie und die Bohrloch-
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