DE10162322A1

DE10162322A1 - Tunnelisolierung

Info

Publication number: DE10162322A1
Application number: DE2001162322
Authority: DE
Inventors: Dag Landvik
Original assignee: SKUMTECH AS OSLO; Fagerdala World Foams AB
Current assignee: SKUMTECH AS OSLO; Fagerdala World Foams AB
Priority date: 2001-12-19
Filing date: 2001-12-19
Publication date: 2003-07-10

Abstract

Nach der Erfindung werden Segmente für die Herstellung einer Tunnelisolierung aus einem extrem wärmeisolierenden Schaum gefertigt, wobei Aluminiumplättchen in den Schaum einextrudiert werden.

Description

Die Tunnelisolierung ist in nördlichen Regionen und Gebirgsregionen wichtig.
Der Grund ist das aus dem Gebirge austretende Wasser. Selbst im Winter tritt aufgrund der Erdwärme Wasser aus dem Gebirge aus. Das austretende Wasser gefriert, wenn die Lufttemperatur entsprechend niedrig ist. Es kommt leicht zu einer gefährlichen Eisbildung. Das Eis kann Unfälle, auch tödliche Unfälle verursachen. Besonders gefährlich sind Eiszapfen, die sich lösen und auf die Fahrzeuge fallen. Eine ähnliche Verkehrsgefährdung geht von vereisten Fahrbahnen aus.
Das austretende Wasser ist dann kein Problem, wenn der für den Tunnel in das Gebirge gebrochene Hohlraum mit einem Ausbau versehen ist. Der Ausbau sichert die Tunnelöffnung. Mit dem Ausbau wird zugleich auch das Wasserproblem gelöst.
Das Wasserproblem ist bei Tunneln ohne Ausbau ungelöst. Tunnel ohne Ausbau kommen in festen Gebirgsformationen vor. Das Gebirge besitzt eine ausreichend Eigenfestigkeit. Man spricht vom standfesten Gebirge.
In derartigen Tunneln tritt das Wasser aus Spalten und Klüften.
Es ist deshalb bekannt, dem Wasserproblem mit einer Folienabdichtung und Drainage zu begegnen. Die Folienabdichtung wird im Tunnel montiert und leitet das Wasser vom Tunnelfirst am Gebirgsausbruch entlang zur Tunnelsohle. Dort fließt das Wasser bei entsprechender Neigung ab.
Die Folienabdichtung kann das Eisproblem allerdings nicht allein lösen. Es ist zusätzlich eine Wärmeisolierung vorgesehen. Die Wärmeisolierung kann zugleich eine Abdichtungswirkung besitzen, die einen besondere Folienabdichtung entbehrlich macht.
Die Wärmeisolierung wird so ausgelegt, daß das austretende Wasser nicht gefrieren kann.
Es ist bekannt, die Wärmedämmung aus Kunststoffschaumsegmenten zusammenzusetzen.
Die Kunststoffschaumelemente können aus unterschiedlichen Schäumen bestehen. Die Eigenschaften der Schäume sind von der Beschaffenheit abhängig und demzufolge unterschiedlich.
Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, einen Kunststoffschaum auszuwählen, der besonders wirtschaftlich ist und dessen Beschaffenheit der Situation im Tunnel vorteilhaft angepaßt ist.
Die Erfindung hat für die Segmente Polyethylen (PE) als Kunststoff ausgewählt und in besonderer Weise wärmeisolierend ausgebildset.
Das PE wird zum Schäumen in einem Extruder plastifiziert und mit Treibmittel vermischt. Anschließend wird die entstandene Schmelze durch ein Extrusionswerkzeug/Düse ausgetragen. Eine Aufgabe des Extrusionswerkzeuges/Düse ist der Aufbau eines ausreichenden Druckes. Mit Austreten der Schmelze aus dem Extrusionswerkzeug/Düse fällt der Druck und das Treibmittel in der Schmelze schäumt auf. Durch fortlaufendes Austreten von Schmelze entsteht ein Schaumstrang.
Das PE wird granulatförmig und in Mischung mit Zuschlägen in den Extruder aufgegeben. Darüber hinaus kann das zur Schaumherstellung erforderliche Treibmittel als chemisches Treibmittel ganz oder teilweise mit dem Kunststoff-Rohstoff aufgegeben werden.
Das Treibmittel kann auch ganz oder teilweise im Wege der Direktbegasung aufgegeben werden.
Als Treibmittel kommen im Prinzip alle Treibmittel, auch Treibmittelmischungen in Betracht.
Zu den Zuschlägen gehören wahlweise Stabilisatoren, Nukleierungsmittel, Farben, Gleitmittel, Flammschutzmittel, Alterungsschutzmittel, Antistatika, Trennmittel, Tenside und Füllstoffe.
Die Schaumbildung wird auch beeinflußt von der Homogenisierung des Materials, von der Dispergierung, von der Temperaturführung im Extruder und im Werkzeug und von den Druckverhältnissen im Extruder und im Werkzeug bzw. vor dem Werkzeug.
Wahlweise wird ein Schaum mit einer durchschnittlichen Zellgröße erzeugt. Die durchschnittliche Zellgröße(Durchmesser) liegt zwischen 0,5 und 0,8 mm. Große Zellen können auch 1 mm bis 2 mm Durchmesser aufweisen.
Vorzugsweise hat der Schaum eine Geschlossenzelligkeit von mindestens 90% aus. Die Geschlossenzelligkeit wird nach DIN gemessen.
Der gewünschte Schaum läßt sich sowohl mit Propan als auch mit Butan und mit Isobutan oder Pentan oder Mischungen davon erreichen. Es kann aber auch Kohlendioxid als Treibmittel verwendet werden.
Die besondere Wärmeisolierung wird mit Aluminiumplättchen/Flocken kleiner Abmessungen erreicht, die mit dem PE in den Extruder aufgegeben werden. Die Abmessungen der Aluminiumplattchen sind so gewählt, daß sie in den Zellwänden bleiben und dort eine Reflektion der Wärmestrahlung verursachen. Die Aluminiumplättchen besitzten vorzugsweise einen Durchmesser der kleiner als der Zelldurchmesser ist. Auch bei Plättchen, deren Fläche von einer Kreisfläche abweicht, wird von einem Durchmesser gesprochen. Dann kann die tatsächliche Fläche ermittelt werden und bezieht sich die Durchmesserangabe auf eine gleich große Kreisfläche wie die Plättfläche. Wahlweise kann der Durchmesser auch geringer als der Zelldurchmesser sein, z. B. 50% oder 25% vom Zelldurchmesser.
Je nach Zelldurchmesser können die Plättchen z. B. einen Durchmesser bis 0,15 mm oder bis zu 0,1 mm oder bis zu 0,08 mm oder bis zu 0,05 mm oder bis zu 0,03 mm oder bis zu 0,02 mm aufweisen.
Als Zelldurchmesser wird ein mittlerer Durchmesser aller Zellen angesehen. Der mittlere Durchmesser berücksichtigt sowohl Zellen unterschiedlicher Größe als auch Zellen, die nicht genau kugelförmig sind.
Die Dicke der Aluminiumplättchen ist vorzugsweise geringer als die Dicke der Zellwand. Dann können die Plättchen ganz vom Kunststoff eingeschlossen werden. Wahlweise ist die Dicke der Plättchen 10% oder 30% oder 50% geringer als die Dicke der Zellwand.
Die Plättchen werden wahlweise als Zuschlag in den Extruder aufgegeben oder es wird ein PE-Compound mit den gewünschten Plättchen bezogen und in den Extruder eingesetzt. Das Compound erleichter die Verarbeitung der Plättchen.
Die Tunnelisolierung wird vorzugsweise aus Einzelteilen/Elmenten zusammengesetzt. Diese Teile werden Paneele oder Segmente genannt. Im folgenden wird von Segementen gesprochen. Das schließt alles ein.
Obwohl die gewünschte Segmentdicke zwischen 30 und 70 mm liegt wird, wird vorzugsweise eine maximal Dicke des bahnenförmigen Schaumstranges von 30 mm oder 20 eingehalten. Vorzugsweise liegt die Dicke zwischen 10 und 15 mm. Mit der erfindungsgemäßen Schaumstrangdicke wird ein mehrschichtiger Aufbau der Segmente erforderlich. Das erscheint rückschrittlich, weil der mehrschichtige Aufbau einen zusätzlichen Aufwand beinhaltet. Damit erkauft sich die Erfindung eine Schaumausbildung, die bessere Isolierungswirkung zeigt und den Mehraufwand für den Schichtenaufbau überkompensiert.
Die erfindungsgemäß hergestellten Schichten werden vorzugsweise aufeinander kaschiert. Die Kaschierung erfolgt durch Erwärmung der Schichten auf Schweißtemperatur. Wahlweise dient zur Erwärmung ein Heißluftgebläse. Es kann auch zusätzlich oder anstelle des Heißluftgebläses eine Erwärmung mittels Wärmestrahler erfolgen. Geeignet ist auch eine Wärmeübertragung durch Berührung mit Walzen oder Heizschwertern oder Heizkeilen. Überraschenderweise beeinträchtigt die Kaschierung die Qualität der Segmente nicht merklich.
Die Temperatur des Heizmediums liegt zum Teil erheblich höher als die Schweißtemperatur des Schaumes, um trotz der Bewegung des Schaumes gegenüber der Heizeinrichtung einen ausreichenden Wärmefluß zu sichern. Zum Beispiel kann die Heißluft eine Temperatur von etwa 350 Grad Celsius besitzen, wenn der Schaum gegenüber dem ortsfesten Heißlufigerät mit einer Geschwindigkeit von 10 m pro Minute bewegt wird. Bei höherer Geschwindigkeit muß die Temperatur erhöht werden. Bei geringerer Geschwindigkeit kann die Temperatur verringert werden.
Die Kaschierung kann dadurch erfolgen, daß ein oder mehrere bahnenförmige Schaumstränge erzeugt und zu Rollen aufgewickelt werden. Anschließend werden die Schaumstränge von den Rollen abgezogen und nach der oben beschriebenen Erwärmung ihrer Berührungsflächen aufeinandergedrückt. Je nach Dicke der Stränge werden 4 bis 5 Stränge miteinander durch Kaschierung verbunden. Je nach dieser Strangzahl sind bei Verwendung von Heißluft 3 bis 4 Blasköpfe erforderlich, die in geringem Abstand die Heißluft gegen den sich bewegenden Schaum blasen.
Die Schaumstränge können gemeinsam mit einem Rollenpaar von den Vorratsrollen abgezogen werden. Die Blasköpfe ragen dabei zwischen die Schaumstränge, möglichst dicht bis an das Rollenpaar.
Alternativ oder zusätzlich wird das Raumgewicht des Kunststoffschaumes in bestimmten Grenzen gehalten, vorzugsweise unter 40 kg pro Kubikmeter und noch weiter bevorzugt unter 30 kg pro Kubikmeter. Je geringer das Raumgewicht des Schaumes ist, desto besser ist die Isolierungswirkung des Schaumes.
Das erfindungsgemäße Schaummaterial ist flexibel und hat mit den allen oben beschriebenen Maßnahmen einen überraschend geringen Wärmeleitfaktor von 0,031 bis 0,036 W/mK. Gemessen wird dabei an der mittleren Temperatur zwischen minus 5 Grad Celsius und plus 40 Grad Celsius. Das sind die Temperaturgrenzen für eine Tunnelisolierung.
Die Isolierungswirkung des erfindungsgemäßen Schaummaterials ist damit um einiges besser als die Isolierungswirkung aller anderen bekannten Schaummaterialien für die Tunnelisolierung, die durch Extrudieren hergestellt werden.
Aus dem erfindungsgemäßen Material werden Segmente hergestellt, die wahlweise für die Firstisolierung in einem Tunnel vorgesehen sind. Dabei sind beliebige Längen herstellbar. Die Länge hat jedoch aus praktischen Gründen Handhabungsgrenzen. Das gleiche gilt für die Breite der Segmente. Vorzugweise sind Längen bis maximal 15 m, vorzugsweise bis maximal 10 m und noch weiter bevorzugt 7 m vorgesehen. Handhabbar sind Breiten von 2 m oder 1,5 oder Im, vorzugsweise bis 0,6 m.
Die erfindungsgemäßen flexiblen Segmente werden vorzugsweise so gefertigt, daß sie noch von Hand verformbar sind. Infolgedessen können die Segmente flach liegend und günstig transportiert werden und beim Einbau von Hand in die gewünschte Form gebracht/gebogen werden. Die den Monteuren bei der Verformung von Hand zumutbare Belastung ist beschränkt und liegt derzeit bei 30 kg.
Für die Tunnelisolierung ist es von Vorteil, wenn die Segmente mit Nut und Feder oder mit einem Stufenfalz ineinander greifen.
Dazu ist wahlweise eine Profilierung des Randes der Segmente vorgesehen.
Die Profilierung kann konfektioniert/geschnitten/gefräst werden.
Die erfindungsgemäße Segmentherstellung erlaubt aber auch eine Nut/Feder-Bildung und Stufenfalzbildung auf andere Weise. Bei mehrschichtiger Ausbildung wird nach einem weiteren Merkmal der Erfindung durch Verschieben der Schichten bei deren Kaschieren bzw. durch exzentrisches Kaschieren am Rand der Segmente ein Nut bzw. eine Feder bzw. ein Stufenfalz erzeugt.

Claims

1. Herstellung von Tunnelisolierung aus PE-Schaum, wobei

a) Bahnenförmige Schaumstränge durch Extrusion erzeugt werden und

b) aufeinanderkaschiert werden, wobei

c) der Schaum mit Alumuniumplättchen versehen ist.

2. Herstellung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Aluminiumplättchen einen Durchmesser besitzen, der kleiner als der Durchmesser der Zellen im Schaum ist, vorzugsweise 50% vom Zelldurchmesser ist und noch weiter bevorzugt 25% vom Zelldurchmesser ist und/oder daß die Aluminiumplättchen einen Durchmesser bis 0,15 mm oder bis 0,1 mm oder bis 0,08 mm oder bis 0,05 mm oder bis 0,03 mm oder bis 0,02 mm besitzen.

3. Herstellung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Aluminiumplättchen eine Dicke besitzen, die kleiner als die Dicke der Zellwand, 10% oder 30% oder 50% kleiner als die Zellwand ist.

4. Herstellung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die bahnenförmigen Schaumstränge eine Dicke bis 30 mm oder bis 20 mm, vorzugsweise eine Dicke von 10 bis 15 mm besitzen.

5. Herstellung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Tunnelisolierung aus Segmenten zusammengesetzt wird und die Segmente mit einem Stufenfalz oder Nut und Feder am Rand ineinandergreifen.

6. Herstellung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Segmente aus Schichten bestehen, die zur Erzeugung eines Stufenfalzes oder von Nut und Feder beim Kaschieren gegeneinander verschoben bzw. exzentrisch miteinander verbunden werden.

7. Herstellung nach Anspruch 5 oder 6, gekennzeichnet durch eine Herstellung von Segmenten mit

a) einer maximalen Länge von 15 m, vorzugsweise mit einer maximalen Länge von 10 m und noch weitere bevorzugt mit einer maximalen Länge von 7 m und/oder

b) einer maximalen Breite von 2 m oder 1,5 m oder 1 m, vorzugsweise einer maximalen Breite von 0,6 m.

8. Herstellung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaumstränge ein Raumgewicht von höchstens 40 kg pro Kubikmeter oder von höchstens 30 kg pro Kubikmeter besitzen.

9. Herstellung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch die Herstellung von Segmenten mit einer Dicke von 30 bis 70 mm, vorzugsweise von mindestens 40 mm.

10. Herstellung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch Segmente, die sich in Anpassung an den Gebirgsausbruch im Tunnel von Hand biegen lassen.

11. Herstellung nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch maximale Biegekräfte von 30 kg zur Anpassung an den Gebirgsausbruch.

12. Herstellung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, gekennzeichnet durch eine Erwärmung der Berührungsflächen mit Heißluft oder Wärmestrahlung.