DD204123A1 - Verfahren zur elektrochemischen verfestigung bindiger lockergesteine - Google Patents

Abstract

Verfahren zur elektrochemischen Verfestigung bindiger Lockergesteine vorzugsweise im Bergbau -Tagebau, im Bauwesen und in der Melioration. Ziel der Erfindung ist die einfache, schnelle, billige und energiesparende Austrocknung undVerfestigung des betreffenden Bauabschnittes.Die technische Aufgabe besteht in der Schaffung eines Verfahrens, das bei geringem Energieaufwand bei der Elektroosmose auftretendePolarisation der Kathodenoberflaeche durch Wasserstoffund die ungleichmaessige Austrocknung des Bauabschnittes vermeidet, dagegen die Geschwindigkeit der Entwaesserung und die Festigkeitseigenschaften des Bodens verbessert. Erfindungsgemaess werden zwischen vorbekannten Elektroreihen in definiertem Abstand zur Anodenreihe eingebracht, die mit dem gesamten Elektrodennetz erst an ein Gleichstromfeld und danach an ein teilweise ueberlagertes Wechselstromfeld in einer bestimmten Schaltfolge und mit bestimmten Verhaeltnissen der Spannungen und Feldstaerken angelegt werden.

Description

237816 2

a) Titel der Erfindung

Verfahren zur elektrochemischen Verfestigung bindiger Lockergesteine

b) Anwendungsgebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur elektroosmoti-" sehen Austrocknung und Verfestigung bindiger Lockergesteine, vorzugsweise im Bergbau—Tagebau zur Verfestigung von Strossen und Böschungen, im Bauwesen zur Baugrundverbesserung und Böschungsstabilisierung, im Verkehrswesen zur Verbesserung des Straßen- und Schienenunterbaus und in der Melioration zur Entwässerung,

c) Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Ein vorbekanntes Verfahren zum Verfestigen bindiger Lockergesteine besteht darin, daß perforierte, rchrförmige Elektroden reihenweise in bestimmten Abständen der Reihen und untereinander in bindigen Untergrund eingeschlagen und an ein Gleichstromfeld derart angeschlossen werden, daß die eine Reihe als Anoden- und die andere als Kathodenreihe ausgebildet wird. Durch das Anlegen der Gleichspannung beginnt ein Ionenaustauschprozeß. Das Porenwasser wird aus dem Boden in Richtung von der Anode zur Kathode abgeführt und von dort abgeleitet. Diese Austrocknung und das Eindringen von emittierten Hetallionen von der Anode bewirken die gewünschte Verfestigung. Außerdem können in die perforierten Anoden Salzlösungen gefüllt werden, deren Ionen ebenfalls in den Boden eindringen und eine Verfestigung bewirken, nachteilig bei diesem Verfahren ist die zu langsame und

L i I Ö I G L

ungleichmäßige Aus trocknung; die Restfeuchtigksdt wandert von der Anodenzone über die Zwiscnenzone zur Kathodenzone. Damit verringern sich, auch die Festigkeitseigenschaftan des zu behandelnden Lockergesteins, was wiederum Unsicherheiten an Strossen und Böschungen, unter Straßen oder Schienensträngen oder im Baugrund bedingt. Außerdem ist das Terfahren durch relativ hohen Energieverbrauch gekennzeichnet.

Einem verbesserten Terfahren liegt der G-edanke zugrunde, statt des Gleichstromf eldes einen asymetrischen "i/echs el strom anzulegen. Dabei treten aber die gleichen Nachteile wie beim Gleichstromfeld auf und außerdem stört der asymmetrische Wechselstrom den Ablauf der elektrokinetischen und elektrochemischen Prozesse. Beiden Terfahren haftet der Hackteil an, daß die Anoden infolge von Abwanderung der Metallionen zerstört werden.

d) Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung ist es, bindige Lockergesteine auf möglichst einfache ¥eise schnell und gleichmäßig und mit geringem Energieaufwand zu verfestigen.

e) Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt dis technische Aufgabe zugrunde, ein solches '/"erfahren zur Verfestigung bindiger Lockergesteina zu schaffen, daß die prozeßhemmende Polarisation der Eathodenoberflache durch Wasserstoff sowie dia ungleichmäßige Austrocknung durch-Verstopfung der Kapillaren mit liederschlägen von Metallhydroxiden und -karbonaten vermeidet. .

Erfindungsgemäß wird eine schnelle, sichere und gleichmäßige Verfestigung dadurch erreicht, daß zwischen die vorbekannten Elektrodanreihen zusätzlich eine oder mehrere Seihen von Zwischeneiaktrodan eingebracht werden, die als Zwischenkathoden wirken. Es wird zunächst ein Gleichstromfaid angelegt und anschließend teilweise ein Wechselstromfaid überlagert. Die tragende Komponente ist der Gleichstrom, der die Sationen orientiert und zur Kathode fließen läßt. Mit dar angelegten Wechselspannung wird die Gesacitfeldspannung und damit auch, dia

237816 2

Geschwindigkeit der elektroosmotisehen Filtration erhöht. Außerdem werden mittels des pulsierenden Wechselstromes Verstopfungen in den diffusen Schichtfugen und Poren der Lockergesteine aufgehoben und der aktive Sadius der Kapillaren vergrößert» Auch bewirkt der pulsierende Wechselstrom eine aktive Hepolarisaiion der Kathodenoberfläche.

f) Ausführungsbeispiel

In den zu verfestigenden Abschnitt bindiger Lockergesteine zur Verfestigung des Unterbaues von Eisenbahngleisen werden, wie in 5¹XgUr 1 gezeigt wird, zunächst zwei Reihen Elektroden eingeschlagen: die Anodenreihe 1 und die Zathodenreihe 2. Der kürzeste Heihanabstand beträgt dabei 1.„ ^- 0,7 bis 1,5 m der Elektrodenabstand untereinander ist ähnlich. Zwischen diesen Slektrodenreinen werden Zwischenelektrodenreihen .3 besonderer Ausführung eingeschlagen, und zwar derart, daß sie einen guten Kontakt zum Boden bekommen. Der Abstand der Zwischenelektrodenreihen zur Anodenreihe muß 0,5 bis 0,75 1.·^ betragen. Wenn die zu verfestigenden Lockergesteine in ihren Austauschkomples einen zu geringen Gehalt an Srdalkaüionen oder Calcium- und Magnesiumkarbonaten haben, werden in die Anoden entsprechende Salzlösungen eingebracht, um mittels Ionenaustausch die Festigkeit das zu behandelnden Bauabschnittes zu verbessern, ilach der Fertigstellung des Elektrodannetzes wird diases an ein Gleichstromfeld angeschlossen. Danach wird teilweise ein Viechs els tr omf eld mit einer Frequenz von f = 50 Hz überlagert. Diese Zuschaltung geschieht entweder mittels eines Widerstandes oder durch etappenweise Zuschaltung einseiner Abschnitte der gesamten vorbereiteten Anlage, um Stromstöße zu vermeiden» Da's Verhältnis zwischen Wechsel- und Gleichspannung muß dabei

7j-f- i 0,16, das Verhältnis der Feldstärke

3 - -= 1

237 816 2

'Durch, das Anlagen der elektrischen Felder wird eine intensive Waziderung der Kationen und der Lösungen in Richtung zur Kathodenreihe eingeleitet- Die tragende Komponente ist das Gleichstromfeld.. Ss orientiert die Kationen der diffusen Schichten des Lockergesteins, der Lösung und die aus den Anoden emittierten Ionen und setzt sie in Bewegung, Mt dem Wechselstromfeld wird infolge dynamischer Anregung der elektroosmotisch^ Prozeß intensiviert, die Strömungsgeschwindigkeit der Ionen und die abgesonderte Porenwassermenge erhöht. Ein typisches äußeres Merkmal für diese Tatsache ist die Vergrößerung einer kreisförmigen Terfärbung an der Oberfläche des Bodens; um die Anoden und Kathoden herum. Das ist besonders bei aus elektrochemischer Sicht schwach- oder mittelaktiven bindigen Lockergesteinen zu sehen. Mit diesem Verfahren ?/ird die zwischen Anoden- und Kathodenreihe sich ausbildende, mit herkömmlichen Verfahren nichtbeeinflußbare Zwischenzone verkleinert. Mit dem pulsierenden Wechselstrom werden Verstopfungen in den diffusen Schichten des Lokkergesteins gelöst. Damit wird der Aktive Radius der Kapillaren vergrößert und eine aktive Depolarisation der Kathodenoberfläche erreicht, weil die Wasserstoffüberspannung bei der Absonderung des Wasserstoffes verringert wird. Sie kann sonst bei verschiedenen Lockergesteinen mit unterschiedlicher ursprünglicher Feuchtigkeit zisischen Beginn und Ende der Behandlung Werte zwischen 2 und 400 mV annehmen» Bei zahlreichen Versuchen unter Einhaltung o.g. Bedingungen sind folgende Ergebnisse zu erzielen:

1. Ia den ersten ein bis zwei Tagen, d.h. in der aktivsten Phase des elektrochemischen Prozesses- · .

- erhöht sich aax Koeffizient der Elektroosmose K ^ um

eO

das 1,5 bis Jfache,

- erhöht sich die elektroosmotisch^ Geschwindigkeit ν _ um

eO

das 1,5 bis Apache, wodurch sich die Behandlungszeit zur elektrochemischen Austrocknung und Verfestigung wesentlich verringert,

- reduziert sich dia aufgewendete Elektroenergie pro Einheit abgesonderten Porenwassers um das 2 bis 2,5fa-che

- wird eine gleichmäßigere Austrocknung des Bauabschnittes als mit herkömmlichen Verfahren erreicht.

237 81 6 2

Die Kennziffer dafür ist der Koeffizient

-^A-wobei W die Feuchtigkeit der Kathodenzone und W die der Anoden-

K A

zone nach der elektroosinotischen Austrocknung bedeutet..

2. Bei gleicher Entwässerungsdauer verringert sich bei gleichzeitiger Behandlung mit Gleichstrom und periodischem, nicht sinusförmigem Wechselstrom die Ionenfeuchtigkeit durchschnittlich um 21 $.

Claims (2)

1. 816 2

   Pat entans-oruche

   1», Verfahren, zur elektrochemischen. Terf estigung bindiger Lockergesteine, mittels: in. den. Boden, des .zu verfestigenden Bauabschnittes eingebrachten. Elektroden,, gekennzeichnet- dadurch., daß zwischen reihenförmig 7 angeordneten Anoden und. Kathoden parallel und in einem festgesetzten. Abstand zur Anodenreihe eine zusätzliche Zwischenkathodenreihe eingebracht und mit dem gesamten Blektrodennetz an ein Gleichstromfeld angelegt wird, dem mit vorgegebener Schaltfolge ein Wechselstromfeld teilweise überlagert wird, wobei ein bestimmtes Verhältnis zwischen Spannungen und Peldstärken des Gleich- und Wechselstromfeldes einzuhalten ist.
2. 2. Verfahren nach Pkt.. 1, gekennzeichnet- dadurch,- daß die "Überlagerung· mit Wechselstrom nur zwischen. Hauptkathoden und Zwischenkathodenreihen geschieht,-

   Hierzu 1 Seite Zeichnungen