Verfahren zur Verfestigung toniger Böden. Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verfestigung von tonigen Böden.
Es ist bekannt, dass die Tragfähigkeit wasserundurchlässiger toniger Böden durch intensive Bodenbeheizung erhöht wird. Die praktische Durchführung dieses Verfahrens ist indessen sehr umständlich. Es müssen längere Zeit brennbare Gase in die Bohr löcher eingeführt, elektrisch gezündet und verbrannt werden, oder es müssen die Bohr löcher elektrisch beheizt werden, bis der Bo den in der Umgebung der Bohrlöcher so weit erhitzt ist, dass der vorhandene Ton durch \Wasser nicht mehr veränderlich bezw. ge brannt ist.
Es ist auch schon vorgeschlagen worden, tonige Böden durch Einpressen von später erhärtenden Stoffen bezw. Niederschläge bil denden Lösungen zu verfestigen. Der Boden wird jedoch bei derartigen Verfahren nur an der Oberfläche verfestigt, da der Erhär- tungsprozess nicht in die Tiefe dringt. Demgegenüber kann gemäss vorliegender Erfindung eine Verfestigung von Ton- oder tonhaltigen Böden in jeder gewünschten Ausdehnung und Tiefe durch elektrische Be handlung des Bodens herbeigeführt werden, was bisher noch nicht bekannt und auf an dere Weise in solchem Umfange und solcher Einfachheit bisher nicht erreichbar war.
Erfindungsgemäss geschieht dies in der Weise, dass in dem zu behandelnden Boden mindestens zwei leitend miteinander verbun dene Metallelektroden angeordnet werden, von welchen die eine Elektrode stets aus Alu minium besteht, während die andere Elek trode aus einem Metall besteht, das edler als Aluminium ist.
Sind derartige Elektroden in den tonigen Boden eingebracht, so erhärtet der im Stromlinienbereich der Elektroden lie gende Boden trotz sorgfältiger Feuchthaltung mit der Zeit unter der Wirkung selbsttätigen elektrischen Stromes zwischen den Elektro den. Bei alledem können natürlich an Stelle je einer Elektrode auch entsprechende Elek- trodengruppen Verwendung finden, z.
B. in der Weise, dass um eine Cu-Elektrode ein Kranz von AI-Elektroden angeordnet wird.
Diese Verfestigung erfolgt sehr wahr scheinlich durch elektrische Umladung der Tonteilchen unter dem Spannungsgefälle des elektrischen Stromes. Die elektrische Um ladung bewirkt dabei im wesentlichen - so weit sich diese sehr komplizierten Vorgänge bisher übersehen lassen - einen Austausch der austauschfähig an der Oberfläche der Tonteilchen gebundenen ein- und zweiwerti gen Kationen, insbesondere Na-Ionen gegen H-Ionen bezw. AI-Ionen, welche durch Ioni- sierung des vorhandenen Wasser bezw. Auf lösung der AI-Anode entstehen.
Die Wirkung der erfindungsgemäss zu verwendenden AI-Elektrode liegt darnach also insbesondere darin, dass bei der entspre chenden Bodenbehandlung Al in Lösung geht, welches, ähnlich wie Wasserstoff-Ionen aus dem Wasser, die ein- und zweiwertigen Kationen aus den Tonteilchen verdrängt. Ein Ton neigt um. so mehr zu verstärkter Was serbindung, also zur Quellung und damit zum Rutschbestreben je mehr Na er an sei ner Oberfläche enthält.
Ein saurer Ton, der mit H oder ein Ton, der mit Al überwie gend gesättigt ist, quillt dagegen auch noch nach Monaten unter Wasser nicht und behält praktisch seine Form bei. Aus diesen Grün den ergibt das vorliegende Verfahren den ausserordentlichen Fortschritt, durch mittels elektrischen Stromes bewirkten Ersatz der die Quell- und Rutschfähigkeit des Tones be dingenden, ein- und zweiwertigen Kationen der Tonteilchen durch H bezw. Al,
ein er neutes Quellen des Tones und alle damit ver bundenen Nachteile und Schwierigkeiten zu verhindern und die Standfestigkeit des Ton bodens zu erhöhen.
Ein derartiger Austausch solcher aus tauschfähig am Tonteilchen gebundener Ka tionen, die viel Wasser und dieses in loser Form binden (insbesondere Na) gegen solche Kationen, die wenig Wasser binden (ins- besondere H und Al), kann jedoch, wie oben bereits angedeutet, niemals durch einfache Erwärmung erfolgen. Getrocknete Tone zer fallen daher sofort unter Quellüng, wenn sie wieder in Wasser kommen, welcher Gegen satz allein schon den ausserordentlichen Fort schritt des vorliegenden Verfahrens erweist.
Der sich im Rahmen des vorliegenden Verfahrens abspielende Erhärtungsprozess kann dadurch beschleunigt werden, dass man in der leitenden Verbindung der Elektroden eine Gleichstromquelle anordnet, deren posi tiver Pol mit der AI-Elektrode und deren negativer Pol mit der andern Elektrode, z. B. einer Kupferelektrode, verbunden ist, und durch den zu behandelnden Boden einen Strom so lange hindurchleitet, bis der Boden verfestigt ist.
Je nach der Spannung und der Strom stärke trocknet hierbei der Boden an der Al- Elektrode mehr oder weniger schnell aus und tritt an dem Nicht-Aluminiumpol, z. B. dem Cu-Pol unter Gasentwicklung Wasser aus. Wenn nun dem positiven Pol kein Wasser zugeführt wird, trocknet der Boden in kur zer Zeit aus und findet der elektrische Pro zess in kurzer Zeit seinen Abschluss.
Um eine genügende Verfestigung des Boden zu errei chen, empfiehlt es sich daher, ein vorzeitiges Austrocknen des Bodens durch ständige Nass- haltung der der AI-Elektrode nächstliegen den Bodenpartien zu verhindern, und die Grösse von Strom und Spannung so zu wäh len, dass der Boden nicht übermässig erwärmt wird. Der Erhärtungsprozess findet in sol chem Falle erst nach längerer Zeit seinen natürlichen Abschluss. Der Boden nimmt dann schliesslich kein Wasser mehr auf und zeigt praktisch keine Leitfähigkeit mehr.
Eine übermässige Erwärmung oder gar eine Erhitzung des Bodens und die unvermeid- lieherweise damit verbundene Rissbildung ist nach Möglichkeit zu verhindern.
Wie gross der Wassergehalt des Bodens auch vor der Behandlung gewesen sein mag; mit der natürlichen Beendigung der Behand lung gemäss der Erfindung sinkt er in jedem Falle in weitgehendem Umfange zum Bei spiel auf zirka 30 bis 40 %, je nach der Art des Bodens. Die Verfestigung ist derart, dass selbst bei stärkerem Nasswerden des behan delten Bodens der Wassergehalt unverändert bleibt und ein Zerfallen des Bodens bei Was- serlagerung nicht mehr stattfindet, es sei denn, dass während des Erhärtungsprozesses Risse in dem behandelten Boden entstanden sind.
Die ausserordentlich geringe Zusam- mendrückbarkeit des behandelten Bodens zeigt, dass der Verfestigungsvorgang mit einer Strukturneubildung auch in Fällen vollkommen gestörten Bodens Hand in Hand zu gehen scheint. Neben der vorerwähnten Umladung der Tonteilchen können durch den elektrolytischen Prozess abgelagerte AI-Ver bindungen ebenfalls' zur Erhöhung der Fe stigkeit des Bodens beitragen.
Für den Verfestigungsvorgang gemäss der Erfindung kann man, wie bereits gesagt, an Stelle der Cu-Elektrode auch andere Elek- trodenmaterialien verwenden. Führt man den Prozess ohne Verwendung einer besonderen Stromquelle durch, dann sind zweckmässiger weise solche Metalle zu wählen, deren Einzel potentiale eine grosse EMg ergeben, wie z. B. A1 - Cu (-1,28) - (-j-- 0,34) = 1,62 Volt. Bei Al -- Fe (-1,28) - (- 0,43) = 0,85 Volt dauert der Prozess entsprechend länger.
Unabhängig hiervon verlangt die Verfesti gung des Tonbodens indessen, dass der Ein tritt des Stromes in den Boden stets durch die Aluminiumelektrode erfolgt.
Die Behandlung des Bodens kann im Rahmen des vorliegenden Verfahrens ferner dadurch wesentlich gefördert werden, dass man dem Boden geeignete chemische Mittel eingibt, welche, wie z. B. Aluminiumverbin dungen bezw. Salze zwei- und dreiwertiger Kationen, den Austauschprozess zu fördern vermögen. So ist es zum Beispiel vorteilhaft, den Boden insbesondere in der Nähe der Al- Elektrode mit essig- oder schwefelsaurer Tonerde zu tränken. Die verfestigende Wir kung wird in diesem Falle wesentlich erhöht und der Prozess dadurch merkbar- beschleu nigt.
Ausführungsbeispiel: In einem würfelförmigen Holzkasten von 1 m3 Inhalt wird parallel zu dessen einer Seitenwandung eine AI-Platte und in 65 cm Abstand zu dieser ein mit Kupferblech be schlagener Holzhohlkörper von quadrati schem Querschnitt angeordnet. Der Holz hohlkörper und dessen Kupferbelag wird da bei durchlöchert ausgeführt.
In diesen Holzkasten wird als zu behan delndes Bodenmaterial ein stark quellfähiger und zum Rutschen neigender Ton aus der Gegend der Unterelbe von Hemmoor ein geführt. Es ist dies ein marines Sediment, das durch einen Gehalt von 6 Miniäquivalen- ten austauschfähiger Na-Ionen je 100 g Trockensubstanz im Tonkomplex gekenn zeichnet ist.
Die Gesamtmenge der austausch fähig gebundenen ein- und zweiwertigen Ba sen betrug 26 iMilliäquivalente je 100 g Trok- kensubstanz. Der Ton besass im natürlichen Zustand eine Fliessgrenze von zirka 90 nach Atterberg (ermittelt im Casagrande- Apparat). Dieser Ton gelangte in einer Mi- schung 1 : 4 mit feinkörnigem Sand (Korn grösse 0 bis 1 mm Durchmesser) zur Verwen dung. Der Wassergehalt der Mischung be trug<B>80%</B> der Trockensubstanz.
An die Al- und Cu-Elektrode wurde dann eine Gleichstromspannung, und zwar an die AI-Platte als Anode angelegt. Es wurde mit einer Spannung von 220 Volt und zirka 7,5 Ampere angefangen, die später vorüber gehend auf 400 Volt und 13 Ampere erhöht wurde.
Im Verlaufe des Versuches nahm der Wi derstand zu, welche Zunahme ein relatives Mlass der fortschreitenden Verfestigung dar stellte. Diese Zunahme beruht nicht ledig lich auf der Verminderung des Wassergehal tes, sondern auch auf einem Ersatz besonders der austauschfähig gebundenen Na-Kationen des Tones durch H- bezw. AI-Ionen.
Die bei der vorstehenden Behandlung er zielte Festigkeit des Bodenmaterials wurde in der Weise bestimmt, dass die Eindring- tiefe eines mit 9,4 kg/cm' belasteten Rund eisenstabes in verschiedenen Abständen von der AI-Anode nach verschiedenen Betriebs stunden ermittelt wurde.
Den darnach sich ergebenden Verlauf der Verfestigung in Abhängigkeit vom Abstand von der Al-Anode zeigt die in Fig. 1 ge gebene Darstellung des verfestigten Ton bodenfeldes nach 66.5 Betriebsstunden = 91 kWh, in dem bei. 9,4 kg/cmz Belastung die Einsinktiefe = 0 ist.
In Ergänzung hierzu zeigt Fig. 2 die durchschnittliche Einsinktiefe bei 9,4 kg/cm' Belastung in Richtung der in Fig. 1 angegebenen Schnitt- linie A-B in Abhängigkeit vom Abstand von der AI-Anode. Die Senkrechte zeigt da bei die Einsinktiefe in Zentimetern und die Waagrechte den Abstand von der AI-Anode in Zentimetern. Die Linie C zeigt die durch schnittliche Einsinktiefe nach 60 Betriebs
stunden = 76 kWh und die Linie D die durchschnittliche Einsinktiefe nach 66,5 Be triebsstunden = 91 kWh.
Nach Beendigung der Verfestigung wur den sämtliche Holzwände entfernt und der stehengebliebene Bodenblock mittels Wasser strahl abgespritzt. Es blieb ein verfestigtes dreiseitiges Prisma entsprechend der behan delten Bodenzone stehen. Aus diesem Prisma von der Seite der AI-Anode entnommene Bo denproben zerfielen auch nach monatelanger Lagerung unter Wasser praktisch nicht und zeigten hierbei auch keinerlei Quellung.