Verfahren zum Abdichten und Verfestigen von Böden und Bauwerken Bei der Durchführung von Bauvorhaben oder bei der Sicherung vorhandener Gebäude oder in anderen Fällen erweist es sich oftmals als notwendig, die vor handenen Böden oder Bauwerke zu verfestigen.
Bei Talsperren, Dämmen, Baugruben usw. ist es andererseits oft erforderlich, durchlässige Schichten abzudichten, um den Durchtritt von Flüssigkeiten, meist Wasser, zu verhindern.
Für die Abdichtung und Verfestigung von Böden sind eine Reihe von Verfahren entwickelt worden. Hinzuweisen ist auf das Injizieren von Zementmilch sowie auf die speziellen chemischen Verfahren, z. B. die unter dem Namen Joostenverfahren und Monosol- verfahren bekannten Verfahren. Bei den zwei letzt genannten Methoden wird als eigentliche Abdich- tungs- und Verfestigungssubstanz flüssiges Wasser glas verwendet. Durch Zugabe von besonderen Che mikalien - beim Joostenverfahren durch nachträg liches Einpressen von z.
B. Kalziumchlorid, beim Monosolverfahren durch die Zumischung von bei spielsweise Natriumaluminat vor dem Einpressen wird erreicht, dass die kolloidal gelösten Silikate des Wasserglases in wasserunlösliche Silikate umgewan delt werden und die zu konsolidierenden Boden schichten oder Bauwerke entweder sofort oder in regelbarer Zeit verfestigen oder abdichten. In vielen Fällen bietet das Monosolverfahren mit nur einerEin- presslösung besondere Vorteile, speziell bei der Bo denabdichtung. Aber auch dieses Verfahren kann nicht überall verwendet werden.
Da bei der Herstel lung des Gemisches aus flüssigem Wasserglas und Natriumaluminat die Reaktion momentan beginnt, verringert sich die Injektionsfähigkeit des Gemisches sehr schnell. Durch Wahl geeigneter Mischungsver hältnisse und der Konzentration des flüssigen Was serglases ist man zwar in der Lage, die Geschwindig keit der Verdickung in gewissen Grenzen zu variie- ren, doch hängt andererseits die Festigkeit des schliesslich erhaltenen Gels ebenfalls von den Mi schungsverhältnissen ab.
Die Praxis hat gezeigt, dass es wegen der sofort beginnenden und mit der Zeit beschleunigt fortschreitenden Verdickung des Ge misches nicht möglich ist, dieses z. B. in Feinsande mit nennenswertem Schluffgehalt einzupressen, um diese abzudichten und zu verfestigen. Eine verfesti gende Wirkung tritt ohnehin über die Verleihung von Kohäsion hinaus nicht ein. Auch nach dem oben schon erwähnten Joosten-Verfahren können wegen der Viskosität der benutzten Lösungen nur Mittel und Grobsande verfestigt und abgedichtet werden.
Es wurde nun ein Abdichtungs- bzw. Verfesti- gungsmittel gesucht, das für Bauwerke sowie für alle Arten von Böden, einschliesslich solchen aus schluf- figen Feinsanden verwendbar ist.
Es sind verschiedene Reaktionen bekannt, die eine Verwendung von flüssigem Wasserglas zur Ver festigung oder Abdichtung ermöglichen. Aus dem kolloidal gelösten Alkalisilikat des Wasserglases kön nen durch Basenaustausch unlösliche Silikate entste hen, oder es werden durch Kondensation niedermole kularer Kieselsäuren amorphe unlösliche Kieselsäure infolge Erniedrigung des pH-Wertes im basischen wie im sauren Bereich gebildet.
Es sind viele anor ganische Substanzen bekannt, die diese Reaktionen bewirken, beispielsweise Kalziumchlorid, Magnesium- chlorid, Natriumaluminat, Zement, freie Säuren.
Die durch Erniedrigung des pH-Wertes der Was serglaslösungen durch Zusatz der eben genannten an organischen Stoffe entstehenden Kieselsäuren sind günstigenfalls gelartige Körper, deren Festigkeit im feuchten Zustand ziemlich gering ist.
Die durch Fäl lung mittels Chemikalien infolge Basenaustausch ent stehenden schwerlöslichen Silikate haben zwar eine grössere Festigkeit als die Kieselsäuren, erfordern je- doch das nacheinander erfolgende Einpressen zweier Lösungen, d. h. der Wasserglas- und der Fällungs- lösung, wie z.
B. beim Joosten-Verfahren. Die vor dem Einpressen erfolgende Vermischung beider Lö sungen kommt durch die sofort einsetzende Bildung von Silikaten mit besonders fester Struktur nicht in Frage, da die Injizierung einer solchen Lösung auf grosse Schwierigkeiten stösst.
Bei den bisher bekannten Verfahren ist infolge der einmal gegebenen Verfestigungszeit die Schnel ligkeit der Durchführung, d. h. die Schnelligkeit, mit der die Einpressung der Lösungen in den Boden er folgen muss, festgelegt. Wenn die Durchführungs zeit aus irgendwelchen technischen Gründen verlän gert werden musste, so war das nur durch Herabsetz- zen der Konzentration von den Reaktionspartnern möglich; dieses Herabsetzen hatte aber einen ent scheidenden Einfluss auf den Endzustand, d. h. auf die Härte der eingetretenen Verfestigung ; sie ent sprach nicht mehr der gewünschten Höhe.
Durch das erfindungsgemässe Verfahren zum Ab dichten von Böden und Bauwerken kann nun diesem Übelstand abgeholfen und die Zeit für die technische Durchführung den jeweilig gegebenen Verhältnissen angepasst werden. Das erfindungsgemässe Verfah ren ist dadurch gekennzeichnet, dass eine mit min destens einem Karbonsäurehalogenid, einem Sulfon- säurehalogenid und/oder einem entsprechenden Säureanhydrid gemischte Wasserglaslösung in die Böden oder Bauwerke eingebracht wird.
Die Länge der verfestigten Bodenschicht ist un abhängig von Art und Konzentration des bzw. der angewandten Säurebildner. Sie wird allein durch die Feinheit der bei der Reaktion gebildeten Teilchen bestimmt. Diese Teilchenfeinheit kann wiederum durch weitere Zusätze (z. B. Emulgatoren und Schutzkolloide) zu der Wasserglasablösung gesteuert werden.
Von den genannten Säurebildnern kommen in Frage: Säureanhydride der ein- bzw. mehrbasischen Alkyl- bzw. Arylkarbonsäuren, z. B. Essigsäureanhy- drid und Benzoesäureanhydrid, Säurehalogenide der Alkyl- oder Arylkarbonsäuren wie Azetylchlorid, und Benzoylchlorid,
Sulfonsäurechloride wie Benzolsul- fonsäurechlorid und o-Toluolsulfonsäurechlorid. So bilden sich bekanntlich aus einem Mol Säureanhy- drid durch Wasseraufnahme zwei Mol Säuren; Kar bonsäurehalogenide gehen durch Hydrolyse in je ein Mol Karbonsäure und ein Mol Halogenwasserstoff über.
Analog dazu entstehen aus Sulfonsäurehalo- geniden je ein Mol Sulfonsäure und ein Mol Halogen- wasserstoff. Die gebildeten Säuren wirken derart, dass unter Bindung von Hydroxylionen der pH-Wert erniedrigt wird. In Gegenwart von z. B. Natrium silikat tritt daher Ausfällung von Kieselsäuren ein.
Die Geschwindigkeit der Ausfällung von Kiesel säuren entspricht der Erniedrigung des pH-Wertes ; diese wiederum ist abhängig von der Geschwindig keit, mit der sich die genannten Säurebildner mit Wasser umsetzen. Benzoylchlorid, z.
B. hydrolisiert in Wasserglas- lösungen bei Raumtemperatur in 15 Minuten, wäh rend Benzolsulfonsäurechlorid in Wasserglaslösungen zur Hydrolyse 50 Minuten benötigt. Toluolsulfon- säurechlorid braucht zur Hydrolyse unter den glei chen Bedingungen 100 Minuten.
Man hat es also durch Auswahl eines geeigneten Säurebildners in der Hand, die gewünschte Ver- festigungszeit einzustellen ; welcher Säurebildner aus der grossen Anzahl der zur Verfügung stehenden Säurebildner in Betracht kommt, hängt von den je weiligen Gegebenheiten ab.
Der Grad der durch Ausfällung der Kieselsäuren bewirkten Verfestigung wiederum hängt von der Kon zentration ab, in welcher die genannten Säurebildner angewendet werden.
Nach dem Joosten-Verfahren erhält man gel- artige Verfestigungen bei Anwendung von Fällungs- lösungen niedriger Konzentration und festere Kon kretionen, wenn man die Konzentration der Fäl- lungslösungen erhöht. Beim Monosolverfahren las sen sich überhaupt nur gelartige Festigkeiten errei chen. Eine Erhöhung der Konzentrationen bedingt je doch in jedem Falle eine Verkürzung der Verfesti- gungszeit.
Mit den nach dem erfindungsgemässen Verfah ren zu verwendenden Mitteln entstehen gelartige Ver festigungen, wenn man den bzw. die Säurebildner in niedrigeren Konzentrationen der Wasserglaslösung zusetzt, und gipsähnliche Festigkeiten bei hohen Kon zentrationen der Säurebildner.
So ist es also möglich, Verfestigungszeit und Grad der Verfestigung aufeinander abzustimmen. Will man langsame Verfestigungszeiten und gips artige Konkretion, dann wird man hohe Konzentra tionen eines Säurebildners anwenden, dessen Umset zungsgeschwindigkeit mit Wasser gering ist. Umge kehrt kann man schnelle Verfestigungszeiten und gelartige Verfestigung erreichen, wenn man geringe Konzentrationen solcher Säurebildner anwendet, de ren Geschwindigkeit bei der Umsetzung mit Wasser gross ist.
Es ist nicht notwendig, dass die genannten Säure bildner in jedem Fall vollkommen in den Wasser glaslösungen löslich sind. Mit gleich guter Wirkung lassen sich Emulsionen oder Suspensionen aus Was serglaslösungen und Säurebildnern verwenden. Es ist vorteilhaft, die Bildung von entsprechenden Emul sionen bzw. Suspensionen, mit Hilfe oberflächen aktiver Stoffe zu erleichtern bzw. ihre Beständigkeit zu erhöhen. In dieser Hinsicht sind besonders die Kondensationsprodukte von Alkylphenolen mit Äthy- lenoxyden oder Alkylarylsulfonate geeignet.
Die An wendung dieser Stoffe kann gleichzeitig die beim Er starren der Silikatlösungen auftretende Synärese verhindern. Diese wirkt sich besonders nachteilig durch die Schrumpfung und durch die Verringerung der Festigkeit der gelartigen oder festen Körper aus.
Zweckmässig ist es, darüber hinaus den Wasser glaslösungen Schutzkolloide zuzusetzen, um die Be- ständigkeit der Emulsionen bzw. Suspensionen zu er höhen. Als solche Zusätze sind Harnstoff, Sorbit, Karboxymethylzellulose, Polyacrylate und dergleichen geeignet.
Es ist wie gesagt möglich, auch Gemische der genannten Säurebildner anzuwenden. So lassen sich Säurebildner, die schnell und langsam hydrolysieren, miteinander kombinieren und damit die Verfesti- gungszeiten beeinflussen.
Auch der Zusatz von Puffersubstanzen bietet eine Möglichkeit, die Verfestigungszeiten nach Wunsch zu variieren, da sie die Einstellung eines be liebigen pH-Wertes und damit der Geschwindigkeit der Hydrolyse erlauben In den folgenden Beispielen 1-7 ist die Verfesti- gungszeit von im erfindungsgemässen Verfahren an zuwendenden Mitteln in Abhängigkeit von der Aus wahl des Säurebildners (Beispiele 1 und 2), die Art der Verfestigung in Abhängigkeit von der Konzen tration des Säurebildners (Beispiele 1 und 3 sowie 2 und 4) und von der Konzentration des Emulgators (Beispiele 5 und 6)
sowie die Anwendung von Puffer substanzen (Beispiel 7) ersichtlich. Die Beispiele 8 bis 10 beschreiben Einpressversuche solcher Mittel. <I>Beispiele</I> 1. 25 cm;, einer Wasserglaslösung von 38 B6 (Dichte d'40, = 1,393 ;
480 g/1 Wasserglas, Zusam mensetzung des Wasserglases Na20 - 3,36 Si02) wer den mit 25 cm3 Wasser verdünnt und 5,3 cm3 Ben- zoylchlorid sowie 0,5 cni3 Hostapal CV (Marken produkt) als Emulgator zugegeben. Dieses Gemisch geliert nach etwa<B>11</B> Minuten. Schliesslich bildet sich ein fester Körper von etwa Gipsfestigkeit.
2. 25 cm3 Wasserglas (wie im Beispiel 1) werden mit 25 cm3 Wasser verdünnt und 6,5 cm3 o-Toluol- sulfochlorid sowie 0,5 em3 Hostapal CV (Emul- gator) zugegeben. Dieses Gemisch geliert nach etwa 90 Minuten. Schliesslich bildet sich ein fester Körper von etwa Gipsfestigkeit.
3. 25 cm3 Wasserglas (wie im Beispiel 1) werden mit 25 cm-" Wasser verdünnt und<B>1,33</B> cm3 Benzoyl- chlorid sowie 0,5 em3 Hostapal CV (Emulgator) zugesetzt. Dieses Gemisch geliert nach etwa 13 Mi nuten und bleibt gelartig.
4. 25 cm3 Wasserglas (wie im Beispiel 1) werden mit 25 cm' Wasser verdünnt und 1,64 cm3 o-Toluol- sulfochlorid sowie 0,5 cm' Hostapal CV (Emul- gator) zugesetzt. Dieses Gemisch geliert nach etwa 140 Minuten und bleibt gelartig.
5. 25 cm', Wasserglas (wie im Beispiel 1) werden mit 50 cm3 Wasser verdünnt. In diesem Gemisch werden 1,64 cm3 o-Toluolsulfochlorid unter Zugabe von 0,2 cm3 Hostapal CV (Emulgator) verteilt. Nach etwa 150 Minuten ist das Gemisch verfestigt. Nach 24 Stunden stellt man eine Volumenkontrak tion auf Grund der Synärese auf etwa 50 % fest.
6. Bei Verwendung desselben Ansatzes wie unter 5), wobei jedoch statt 0,2 em3 Hostapal CV 1,0 cm-" verwendet wird, beobachtet man wiederum eine Verfestigungszeit von etwa 150 Minuten. Der gebildete Silikatkörper zeigt jedoch auch nach meh reren Monaten eine Volumenkontraktion von we niger als 5 %a .
7. 25 cm3 Wasserglas (wie im Beispiel 1) werden mit 25 cm3 Sodalösung (239 g Na2C03 - 10 H20 pro Liter) verdünnt. In diesem Gemisch werden 1,34 cm Benzolsulfochlorid unter Zugabe von 0,5 cm3 Ho- stapal CV (Emulgator) verteilt, wobei die Soda als Puffersubstanz wirkt. Dieses Gemisch geliert nach etwa 110 Minuten und bleibt gelartig.
B. Ein Glasrohr mit 18 mm lichtem Durchmesser wird mit einem Feinsand gefüllt, bei welchem die Korngrösse unter 0,2 mm liegt. In diesen Sand wird ein Gemisch aus 25 cm3 Wasserglas (wie im Bei spiel 1), 25 cm3 Wasser, 1,64 cm3 o-Toluolsulfo- chlorid und 0,
2 cm3 Hostapal CV unter einem Druck von etwa 2 Atmosphären eingepresst. Nach Ablauf der Verfestigungsreaktion zeigt es sich, dass der Sand über eine Länge von 20 bis 25 cm hart ver festigt ist.
9. Wird dem unter B. genannten Gemisch noch 0,5 cm3 einer 1 % igen Lösung von Latekoll AS (Markenprodukt) als Schutzkolloid zugesetzt und so dann in den Feinsand eingepresst, so beobachtet man nach Ablauf der Verfestigung, dass der Sand über eine Länge von mehr als 30 cm hart verfestigt ist.
10. Ein Glasrohr mit 18 mm lichtem Durchmes ser wird mit einem Feinsand gefüllt, bei welchem die Korngrössen unter 0,2 mm liegen. In diesen, zu nächst mit Wasser befeuchteten Sand wird ein Ge misch aus<B>100</B> cm3 Wasserglas (wie im Beispiel 1), 100 cm3 Wasser, 6,5 cm3 o-Toluolsulfochlorid, 8,0 cm3 Latekoll AS (1 % ige Lösung) und 2,0 cm-3 einer 10 % igen Lösung von Nekal BX (Markenprodukt)
als Emulgator unter einem Druck von 3 atü eingepresst. Nach Ablauf der Verfesti- gungsreaktion zeigt es sich, dass der Sand über eine Länge von 55 cm verfestigt ist.