DE102004031039A1

DE102004031039A1 - Verfahren zur Bodenverbesserung, Verwendung von Polyelektrolyten dafür sowie Verfahren zur Behandlung eines Gemenges, Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen eines Additivs dafür

Info

Publication number: DE102004031039A1
Application number: DE102004031039A
Authority: DE
Inventors: Eckehard Maruhn; Christoph Muther
Original assignee: SILVER CAY WORLDWIDE CORP
Current assignee: SILVER CAY WORLDWIDE CORP
Priority date: 2003-06-26
Filing date: 2004-06-25
Publication date: 2005-02-03
Also published as: WO2004112953A3; WO2004112953A2

Abstract

Bei einem Verfahren zur Bodenverbesserung und -verfestigung - insbesondere zur Erhöhung der Tragfestigkeit des Bodens im Straßenbau - wird ein hydraulisches Bindemittel auf den zu verbessernden bzw. verfestigenden Bodenabschnitt aufgebracht und mit den oberen Bodenschichten des Bodenabschnittes vermengt, wonach eine maschinelle Verdichtung des Bodenabschnitts erfolgt. Vor dem Aufbringen des hydraulischen Bindemittels werden Polyelektrolyte - vorzugsweise Polymere oder Copolymere auf Basis von Acrylamid - auf den zu verbessernden bzw. verfestigenden Bodenabschnitt aufgebracht und mit den oberen Bodenschichten vermengt. Zudem werden vor der Zugabe des hydraulischen Bindemittels den abgetragenen Bodenschichten im Mischer Polyelektrolyte, vorzugsweise Polymere oder Copolymere auf Basis von Acrylamid, beigemengt. Das Polyelektrolyt wird mit einem Mengenanteil von 0,001 bis 1 Gew.-% - bzogen auf das Trockengewicht des Bodens - beigemengt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bodenverbesserung und -verfestigung nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 sowie Verwendung von Polyelektrolyten dafür. Zudem erfasst die Erfindung ein Verfahren zur Behandlung eines Gemenges, insbesondere eines Bodens sowie ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen eines Additivs dafür.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bodenverbesserung und -verfestigung, insbesondere zur Erleichterung von Bauarbeiten und zur Erhöhung der Tragfestigkeit des Bodens im Straßenbau, bei dem ein hydraulisches Bindemittel oder eine Bitumenemulsion auf den zu verbessernden bzw. verfestigenden Bodenabschnitt aufgebracht und mit den oberen Bodenschichten des Bodenabschnittes vermengt wird und danach eine maschinelle Verdichtung des Bodenabschnittes erfolgt. Solche Verfahren werden eingesetzt, um die Herstellung von Kunstruktionsschichten im Straßen- und Wegebau, von homogenisierten Erdstoffen als Füllmaterialeinsatz oder von Dämmen, Böschungen und Baustraßen zu ermöglichen und dienen zur Verbesserung des Baugrundes im Straßen- und Wegebau sowie für die Erschließung von Industrie- und Gewerbegebieten. Hierbei unterscheidet man zwischen Bodenverbesserung und Bodenverfestigung.
Als Bodenverbesserung bezeichnet man ein Verfahren zur Verbesserung der Einbaufähigkeit und der Verdichtbarkeit von Böden sowie zur Erleichterung der Ausführung von Bauarbeiten. So soll z.B. die Befahrbarkeit ermöglicht werden. Bodenverbesserungen werden im Straßenbau vor allem zur Herstellung eines tragfähigen Planums verwendet. Die bodenverbesserten Schichten sind aber nicht Teil des frostsicheren Oberbaus.
Bei der Bodenverfestigung wird vor allem die Widerstandsfähigkeit des Bodens gegen die Beanspruchung aus Verkehr und Klima, insbesondere der Frostbeanspruchung, langfristig erhöht. Der Boden wird dauerhaft tragfähig, wasserunempfindlich und frostbeständig. Verfestigungen werden im Straßenbau für die komplette oder teilweise Herstellung des frostsicheren Oberbaues verwendet. Bodenverbesserung und Bodenverfestigung werden im Folgenden auch als Bodenstabilisierung bezeichnet.

Dabei kommen insbesondere hydraulische Bindemittel, beispielsweise Zement, hochhydraulischer Kalk, Kalkhydrat oder Feinkalk, und bituminöse Bindemittel, beispielsweise Fluxbitumen, Kaltbitumen oder Bitumenemulsionen, zum Einsatz. Im sog. Vorortmischverfahren ("mixed-in-place") fährt ein Mischgerät (Bodenmixer, Bodenfräse oder ein Gräder) auf dem zu verbessernden bzw. verfestigenden Bodenabschnitt, reißt die oberen Bodenschichten auf, zerkleinert sie und mischt das jeweilige Bindemittel sowie gegebenenfalls erforderliches Wasser bei zu großer Trockenheit des Bodens ein. Als obere Bodenschichten werden hier jene Schichten verstanden, die sich innerhalb der oberen 50 cm des Bodenabschnittes befinden. Anschließend wird der betreffende Bodenabschnitt mittels Walzen, Großflächenrüttlern oder ähnlichem verfestigt. Im sog. Mischanlagenverfahren ("mixed-in-plant") werden die oberen Bodenschichten abgetragen und Mischanlagen zugeführt, in denen sie mit dem jeweiligen Bindemittel sowie gegebenenfalls Wasser vermengt werden. Das Mischprodukt wird anschließend wieder zum betreffenden Bodenabschnitt transportiert und eingebaut. Das Mischanlagenverfahren ist im Vergleich zum Vorortmischverfahren zwar aufwändiger und meistens auch teurer, ermöglicht aber eine größere Homogenität und somit bessere Qualität des verbesserten bzw. verfestigten Bodens.

Die Wahl des jeweiligen Bindemittels sowie dessen erforderliche Zumischmenge richtet sich insbesondere nach den loka len Gegebenheiten wie Zusammensetzung und Feuchtigkeit des Bodens, klimatischen Bedingungen oder der notwendigen Belastbarkeit des Planums bzw. Oberbaus. In herkömmlicher Weise wird hierzu hinsichtlich der Zusammensetzung des Bodens insbesondere die Korngrößenverteilung des Bodens ermittelt, um so dessen Zuordnung zu grob-, gemischt- oder feinkörnigem Boden zu klären. Daraus können bereits grundlegende Eigenschaften des Bodens hinsichtlich dessen Frostsicherheit, Tragfähigkeitseigenschaften oder auch Verdichtungsfähigkeit abgeleitet werden. Des weiteren wird auch zwischen "bindigen Böden" und "rolligen Böden" unterschieden. Bei ersterem handelt es sich um fein- und gemischtkörnige Böden mit Feinkornanteilen (Korngrößen unter 0.063 mm) über 5 Gew.-%, bezogen auf das Trockengewicht des Bodens, etwa feinkörnige Tonböden oder Schluff. Böden dieser Art weisen insbesondere ein großes Quellvermögen bei Feuchtigkeitszufuhr auf, was der Bodenstabilisierung abträglich ist. Rollige Böden weisen einen Feinkornanteil unter 5 Gew.-% auf, wobei als Beispiele etwa grobkörniger Kies oder Sand genannt werden können.

Bei fein- bis gemischtkörnigen Böden werden in der Regel Feinkalk oder Kalkhydrat als Bindemittel verwendet, während bei gemischt- bis grobkörnigen Böden hochhydraulischer Kalk, Zement und bituminöse Bindemittel eingesetzt werden. Die Mengenanteile orientieren sich bei feinkörnigen Böden an den jeweiligen Schluff- und Tonanteilen, bei gemischtkörnigen Böden an den jeweiligen Anteilen von Sand, Schluff, Ton, und Kies und bei grobkörnigen Böden an den jeweiligen Anteilen von Sand und Kies. Auch die Kornform der Bodenanteile wird bei der Bemessung der Menge an zugemischtem Bindemittel berücksichtigt, etwa wenn es sich bei grobkörnigem Boden um brüchiges, poröses oder angewittertes Korn handelt. Die Zumischmenge des jeweiligen Bindemittels orientiert sich insbesondere auch an der Feuchtigkeit des Bodens, wobei man bestrebt ist, das sog. Proctor-Optimum zu erreichen, bei dem es sich um jenen Sättigungsgrad des Bodens handelt, bei dem die optimale Verdichtungsfähigkeit des Bodens gegeben ist. Oft weisen Böden einen zu hohen Feuchtigkeitsgehalt auf, wobei beim Einsatz von Feinkalk, Kalkhydrat oder hochhydraulischem Kalk dem Boden Wasser entzogen wird. Das ist einerseits auf die chemische Umwandlung von Kalziumoxid (CaO) in Kalziumhydroxid (Ca(OH)₂) unter Einbindung von Wasser zurückzuführen, andererseits aber auch auf die bei dieser Reaktion frei werdenden Wärmeenergie, die zum physikalischen Verdampfen von Wasser führt. Die Stabilisierung des Bodens beruht hier einerseits auf der Regulierung des Feuchtigkeitsgehaltes, und andererseits auf das abbindende Kalziumhydroxid, wobei sich über eine langjährige Reaktion die verfestigende Eigenschaft über die Reaktion des Kalziumhydroxids mit Kohlendioxid und dem dadurch entstehenden Kalziumkarbonat noch erhöht. Bei der Stabilisierung trockener Böden muss Wasser zugeführt werden.

Wenngleich diese herkömmliche Verfahren zur Bodenstabilisierung ein gewisses Spektrum an unterschiedlichen Methoden für unterschiedliche Bodenzusammensetzungen und Feuchtigkeitsgehalte anbieten, zeigen sich deren Nachteile bei sehr heterogenen Böden, deren Zusammensetzung und Feuchtigkeitsgehalt sich entlang eines Bauabschnittes stark ändern. So ist oft festzustellen, dass sich ein anhand bestimmter Bodenproben ausgewähltes Bindemittel aufgrund sich ständig wechselnder Bodenbedingungen abschnittsweise als ungeeignet erweist, der ständige Wechsel eines Bindemittels aber praktisch nicht machbar ist. Aber auch bei konstanten Bodenbedingungen erweisen sich gängige Verfahren zur Bodenstabilisierung oft als unzureichend, etwa bei trockenen Böden in wasserarmen Gebieten, wo die Zufuhr von Wasser zur Stabilisierung des Bodens kein gangbarer Weg ist.

Die Verfestigung bzw. die Stabilisierung von Gemengen wie Böden, Stäuben, Aschen, Schlämmen od.dgl. stellen ein Problem dar. Die herkömmlichen Produkte zur Verfestigung bestehen vielfach aus hydraulisch wirkenden Bindemitteln auf Basis eines Zementes oder Kalks sowie anderen reaktiven Substanzen bzw. Chemikalien.

In den meisten Fällen sind diese Verfestiger oder Stabilisatoren aufgrund der schlechten Beständigkeit nur bedingt wirksam. Diese Produkte sind nicht in der Lage, ein Gemenge – beispielsweise einen gewachsenen Boden, der in seiner Struktur sehr heterogen sein kann – nachhaltig zu stabilisieren oder zu verfestigen.

Böden verändern sich in der chemischen wie auch physikalischen Struktur, so dass die konventionellen Stabilisatoren und Verfestiger – besonders unter Einfluss äußerer Faktoren – nicht die gewünschten Resultate erbringen können.

Hierbei stellen statische und dynamische Einwirkungen – etwa durch das Befahren einer stabilisierenden Fläche durch Fahrzeuge – eine besondere Herausforderung dar. Hinsichtlich solcher Beanspruchungen versagen die herkömmlichen Verfahren oft nach kurzer Zeit. Vielfach ist eine ungenügende Tragfähigkeit – hervorgerufen durch den Eintrag bodenfremder Stoffe, die in Schichten nach einer Auskofferung eingebracht werden – das kritische Element.

Der größte Nachteil der herkömmlichen Substanzen zur Stabilisierung ist jedoch, dass diese eine geringe Beständigkeit gegen Wasserangriff besitzen und dadurch der Erosion im hohen Maße ausgesetzt sind.

Gerade eindringendes Wasser in die stabilisierten Schichten bewirkt eine Zerstörung der Struktur und ist hauptsächlich Verursacher u.a. von Straßenschäden. Das eindringende Wasser führt zu Senkungen in und unterhalb der stabilisierten Schicht, wodurch es zu Rissbildung und Ausbrüchen kommt.

Angesichts dieser Gegebenheiten ist es Ziel der Erfindung, ein Verfahren zur Bodenstabilisierung zu schaffen, das die Nachteile der gängigen Verfahren bei heterogenen Bodenzu sammensetzungen mit ständig wechselnden Eigenschaften hinsichtlich Zusammensetzung, Korngrößenverteilung und Feuchtigkeit vermeidet. Insbesondere soll ein Verfahren zur Bodenverbesserung und -verfestigung angeboten werden, das ohne wesentliche Modifikationen über ein weites Spektrum an Korngrößen einsetzbar ist; Bodenstabilisierung ist nicht lediglich über die abbindende Wirkung eines hydraulischen Bindemittels zu erzielen, sondern eine Agglomeration der feinkörnigen Bestandteile auch auf anderem Wege, dessen Wirkungsweise nicht auf der chemischen Umwandlung von Wasser beruht. Des weiteren ist Ziel der Erfindung, durch die Behandlung des Gemenges, z.B. eines Bodens, dieser Erosion entgegenzuwirken und die Stabilität einerseits sowie der Wasserbeständigkeit zum anderen zu erhöhen. Dabei werden die im Boden oder im Gemenge vorhandenen Partikel nicht durch bodenfremdes Material ersetzt, wie dies bei der konventionellen Stabilisierung erfolgt.

Zur Lösung dieser Aufgabe führt die Lehre des unabhängigen Anspruches; die Unteransprüche geben günstige Weiterbildungen an. Zudem fallen in den Rahmen der Erfindung alle Kombinationen aus zumindest zwei der in der Beschreibung, der Zeichnung und/oder den Ansprüchen offenbarten Merkmale. Bei angegebenen Bemessungsbereichen sollen auch innerhalb der genannten Grenzen liegende Werte als Grenzwerte offenbart und beliebig einsetzbar sein.

Erfindungsgemäß bezieht sich Patentanspruch 1 auf das Vorortmischverfahren und sieht hierbei vor, dass vor dem Aufbringen des hydraulischen Bindemittels Polyelektrolyte, vorzugsweise Polymere oder Copolymere auf Basis von Acrylamid, auf den zu verbessernden bzw. verfestigenden Bodenabschnitt aufgebracht und mit den oberen Bodenschichten vermengt werden. Die Erfindungsziele werden auch durch die Verwirklichung von Anspruch 2 erreicht, der das Mischanlagenverfahren betrifft und vorsieht, dass Polyelektrolyte, vorzugsweise Polymere oder Copolymere auf Basis von Acrylamid, den abgetragenen Bodenschichten im Mischer vor der Zu gabe des hydraulischen Bindemittels beigemengt werden. Als Polyelektrolyt wird hier im herkömmlichen Sinn ein wasserlösliches ionisches Polymer bezeichnet, das anionisch aus Polysäuren (z.B. Polycarbonsäuren), kationisch aus Polybasen (z.B. Polyvinylammoniumchlorid) entsteht oder neutral ist (Polyampholyte oder Polysalze). Ein Beispiel für natürliche Polyelektrolyte sind Polysaccharide mit ionischen Gruppen wie Carrageen, aber auch Proteine und langkettige Polyphosphate. Erfindungsgemäß werden vorzugsweise Polyacrylamide als Polyelektrolyte eingesetzt, also Verbindungen aus Monomeren auf Acrylamidbasis. Es ist des weiteren denkbar, auch Mischungen mono- und polymerer Polyelektrolyte, evtl. gemeinsam mit Lösungsvermittlern, Emulgatoren und Katalysatoren sowie mit Beimengungen an Propylendiamin, Dimethylammoniumchlorid oder Isopropylalkohol einzusetzen. Alternativ dazu können auch Mischungen kationischer Tenside eingesetzt werden.

Erfindungsgemäß wird das Polyelektrolyt mit einem bevorzugten Mengenanteil von 0.001–1 Gew.-%, bezogen auf das Trockengewicht des Bodens, beigemengt. Vor Aufbringen bzw. Zugabe des hydraulischen Bindemittels soll dem hydraulischen Bindemittel zudem ein Styren-Acryl-Copolymer beigement werden, was insbesondere bei nassen, salzigen und tonreichen Böden vorteilhaft ist.

Im Rahmen der Erfindung liegt ein Vorortmischverfahren, bei dem eine Bitumenemulsion anstatt des erwähnten hydraulischen Bindemittels verwendet wird. Diese Vorgangsweise ist besonders bei trockenen, sandigen Böden vorteilhaft. Nach einem anderen Merkmal der Erfindung wird vor dem Aufbringen der Bitumenemulsion ein Polyelektrolyt – vorzugsweise Polymere oder Copolymere – auf Basis von Acrylamid, auf den zu verbessernden bzw. verfestigenden Bodenabschnitt aufgebracht und mit den oberen Bodenschichten vermengt. Hierzu werden bei einem Mischanlagenverfahren vor der Zugabe der Bitumenemulsion den abgetragenen Bodenschichten im Mischer Polyelektrolyte, vorzugsweise Polymere oder Copolymere auf Basis von Acrylamid, beigemengt. Als günstig hat es sich erwiesen, das Polyelektrolyt mit einem bevorzugten Mengenanteil von 0.001–1 Gew.-% – bezogen auf das Trockengewicht des Bodens – beizumengen.

Bei einer erfindungsgemäßen Verwendung werden Polyelektrolyten, vorzugsweise Polymere oder Copolymere auf Basis von Acrylamid, zur Bodenverbesserung und -verfestigung, insbesondere zur Erleichterung von Bauarbeiten und zur Erhöhung der Tragfestigkeit des Bodens im Straßenbau eingesetzt.

Im Folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren näher beschrieben:
Im Zuge der Bodenverbesserung bzw. -verfestigung sind zunächst gewisse Vorarbeiten durchzuführen, die auch bei herkömmlichen Verfahren der Beimengung von hydraulischen Bindemitteln durchzuführen sind. Dazu zählen etwa das Entfernen des Oberbodens, pflanzlicher Bestandteile oder größerer Steine, das Zerkleinern schwerer Böden mit Aufreißer, starkem Pflug oder schwerer Egge, das Vorplanieren und Profilieren einer Querneigung mit Grader oder Rauper sowie gegebenenfalls das Vorverdichten einer für die Bodenverfestigung vorgesehenen Schicht. Diese Vorarbeiten dienen im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens auch dazu, das Poylelektrolyt gleichmäßig dosieren zu können, sowie eine ebene Oberfläche und eine homogene Mischung in gleichbleibender Tiefe zu erreichen.

Im Rahmen des Vorortmischverfahrens wird des weiteren das Polyelektrolyt in flüssiger Form mittels Balkensprüher, Hydroseeder oder ähnlichem auf den zu verbessernden bzw. verfestigenden Bodenabschnitt aufgebracht. Mit Hilfe einer Fräse oder Scheibenegge werden in einem anschließenden Verfahrensschritt die oberen Bodenschichten, etwa die oberen 10 bis 20 cm, mit dem Polyelektrolyt vermengt. Wie bereits erwähnt, werden hier als Polyelektrolyte wasserlösliche ionische Polymere bezeichnet, die anionisch aus Polysäuren (z.B. Polycarbonsäuren), kationisch aus Polybasen (z.B. Polyvinylammoniumchlorid) entstehen oder neutral sind (Polyampholyte oder Polysalze). Es ist des weiteren denkbar, auch Mischungen mono- und polymerer Polyelektrolyte, evtl. gemeinsam mit Lösungsvermittlern, Emulgatoren und Katalysatoren sowie mit Beimengungen an Propylendiamin, Dimethylammoniumchlorid oder Isoprpylalkohol einzusetzen. Diese Polymere verfügen über ionische dissoziierbare Gruppen, die Bestandteil der Polymerkette sein können und deren Zahl so groß ist, dass die Polymerre in der dissoziierten Form wasserlöslich sind. Vorzugsweise wird Polyacrylamid in Suspensionsform verwendet. In wässriger Lösung verfügen Polyelektrolyte über reaktive Gruppen, die eine starke Affinität zu den Oberflächen der Kolloide und Feinstpartikel des Feinkornanteils des Bodens zeigen. Je nach der Ionogenität des Polyelektrolyts beruhen die Wechselwirkungen gegenüber den Feststoffteilchen auf der Bildung von Wasserstoff-Brücken, wie dies bei den nichtionischen Polymeren der Fall ist oder auf elektrostatischen Wechselwirkungen und auf Ladungsaustausch und dadurch bedingte Entstabilisierung der Partikeloberfläche: In diesem Sinne wirkend die anionischen (= negativ geladenen) und die kationischen (= positiv geladenen) Polyelektrolyte. Durch Entstabilisierung und Verknüpfung sehr vieler Einzelpartikel kommt es zur irreversiblen Agglomeration der Feinteilchen im Boden, was eine höhere Dichte und eine starke Reduzierung des Quellvermögens des Bodens bewirkt. Die erfindungsgemäß verwendeten Polyelektrolyte können somit auch als grenzflächenaktive Substanzen bezeichnet werden.

Ausschlaggebend für die optimale Wirkung des Polyelektrolyts sind die an der Partikeloberfläche wirksamen Potentiale. Sie sind sowohl von den Teilchen selbst als auch von den Umgebungsbedingungen abhängig, d.h. von der Ionenstärke des Wasser-Bodengemisches und den dadurch vorgegebenen Eigenschaften, wie pH-Wert, elektrische Leitfähigkeit oder Härte. Durch relativ einfache Vorversuche wird der Fachmann das für den jeweiligen Anwendungsfall geeignete Polyelektrolyt mit der entsprechenden Ionogenität ermitteln. Es hat sich aber gezeigt, dass etwa Polyacrylamid in den meisten Fällen geeignet ist und gute Eigenschaften hinsichtlich Bodenverbesserung und -verfestigung zeigt. Das Polyelektrolyt wird hierbei mit einem bevorzugten Mengenanteil von 0.001 bis 1 Gew.-%, bezogen auf das Trockengewicht des Bodens, verwendet, wobei bei außergewöhnlichen Bodenbedingungen auch Mengenanteile außerhalb dieses Intervalls denkbar sind. Der Mengenanteil wird sich insbesondere an der Ionogenität des verwendeten Polyelektrolyts sowie am Feinkornanteil des Bodens orientieren. Bei Verwendung von Polyacrylamid haben sich für die meisten Bodenbedingungen 0.01 Gew.-% als ausreichend erwiesen. Über die Verdünnung mit Wasser kann bei trockenem Boden eine evtl. erforderliche Zugabe von Wasser dosiert werden.

In einem weiteren Verfahrensschritt wird im Falle eines nassen und/oder salzigen und/oder tonreichen Bodens ein Styren-Acryl-Copolymer, etwa eine Acrylsäuredispersion, mittels Düngemittelstreuer, Kalkstreuer oder ähnlichem auf den zu behandelnden Bodenabschnitt aufgetragen. Im Fall eines trockenen, sandigen Bodens wird bevorzugt eine Bitumenemulsion mittels Balkensprüher, Hydroseeder oder ähnlichem aufgetragen. Es ist aber nicht ausgeschlossen, dass sich auch eine Mischung eines Styren-Acryl-Copolymers und einer Bitumenemulsion als vorteilhaft erweisen kann. Die oberen Bodenschichten werden wiederum bis zu einer Tiefe von ungefähr 10 bis 40 cm mit dem aufgetragenen Copolymer bzw. der Bitumenemulsion durchmischt und mittels einer Walze oder einer anderen Verdichtungsvorrichtung verdichtet. Hierbei empfehlen sich als Polyelektrolyte auch Mischungen kationischer Tenside, die in trockener Form vorliegen können. Der Wassergehalt des Bodens sollte für dieses erfindungsgemäße Verfahren beim Proctor-Optimum oder geringfügig darüber liegen. Nach einem 50-%igen Rücktrocknen ist der Boden belastbar.

Beim Mischanlagenverfahren wird der Boden in den Mischer eingebracht. Hierzu werden die oberen Bodenschichten vom zu behandelnden Bodenabschnitt abgetragen und zur Mischanlage transportiert. Im Mischer wird das Polyelektrolyt zugegeben und intensiv mit den Bodenanteilen vermischt bzw. homogenisiert. Danach erfolgt entweder die Zugabe eines Styren-Acryl-Copolymers, etwa einer Acrylsäuredispersion, im Falle eines nassen und/oder salzigen und/oder tonreichen Bodens, oder einer Bitumenemulsion im Falle eines trockenen, sandigen Bodens. Es ist aber nicht ausgeschlossen, dass sich auch eine Mischung eines Styren-Acryl-Copolymers und einer Bitumenemulsion als vorteilhaft erweisen kann. Das homogenisierte Mischprodukt kann anschließend in der gewünschten und erforderlichen Schichtdicke ausgebracht und wie oben verdichtet werden. Durch dieses Verfahren können ebenso Mauersteine sowie Fertigteile nach dem Presseverfahren hergestellt werden. Bei Straßen, Plätzen, Rollbahnen und weiteren Befestigungen von Böden können als Verschleißschichte alle herkömmlichen Aufbauten verwendet werden. Die Homogenisierung stellt hierbei eine qualitativ höherwertige Tragschicht sicher.

Die erfindungsgemäßen Verfahren bewirken somit eine irreversible Gefügebeeinflussung der Bodenbestandteile aufgrund der Agglomeration der Feinteile und einer Veränderung der kapillaren Wasserführung durch das Aufbrechen des Haftwasserfilmes an den kolloiden Bestandteilen. Damit geht eine Reduzierung des Quell- und Schrumpfungsvermögens einher, was für eine Stabilisierung des Bodens entscheidend ist. Im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren ist des weiteren eine bessere Verdichtbarkeit des Bodens zu beobachten, eine stark reduzierte Wasseraufnahme durch eine Veränderung der Kapillarität des Bodens sowie eine verringerte Wasserdurchlässigkeit zu beobachten.

Im Rahmen der Erfindung liegt auch die Aktivierung von im Gemenge oder Boden vorhandenen Bindungskräften durch Beigabe von zumindest einem oberflächenaktiven, hydrophob wir kenden Additiv. Diese Bindung der einzelnen Substratteilchen untereinander wird durch das Aufbrechen eines die Partikel umgebenden Haftwasserfilms bewirkt; jedes der Partikel oder Teilchen ist von einem als Trennflüssigkeit wirkenden Wasserfilm umgeben, der in der Folge eine Kohäsion der einzelnen Partikel nicht zulässt, so dass die Partikel nicht in der Lage sind, Haftungsbrücken aufzubauen.

Wird nun dieser Haftwasserfilm durch das Andocken des hydrophoben Additivs an den Partikeln abgerissen, werden die Partikeloberflächen bindungsaktiv und erfahren dadurch eine Affinität in der gegenseitigen Bindung. Setzt man das Gemenge unter Wasser in gesättigtem Zustand – also im sog. Proktoroptimum – einem Druck aus, entsteht eine irreversible Agglomeration. Die bodeneigenen Bindungskräfte an den reaktiven Oberflächen beginnen zu wirken, und die Partikel verhaken sich ineinander.

Bei den zur Herstellung des Additivs notwendigen Reagenzien handelt es sich erfindungsgemäß vorzugsweise um ein auf die zu behandelnden Gemenge – beispielsweise Böden – abgestimmte und optimierte Mischung von stark oberflächenaktiven Substanzen, wie etwa alkyl-substituierte Amine mit Alkylresten der Kettenlänge von C16 bis C18 und quarternären Ammoniumsalzen. Die aktive, stark polare Alkylgruppe "dockt" an der Oberfläche des typischen mineralischen Partikels des Bodens an, und die hydrophoben Ketten beeinflussen in positiver Weise die kritische Interaktion zwischen Wasser und den mineralischen Partikeln, welche zu einer irreversiblen Agglomeration führt. Der bei der Applikation zur Stabilisierung aufzubringende Druck sollte keinesfalls 1 N/mm² unterschreiten, da ansonsten eine Agglomeration nicht gewährleistet zu werden vermag. Der aufgebrachte Pressdruck ist – neben der möglichst homogenen Mischung des Gemenges – im Proktoroptimum entscheidend.

Um diese boden- oder substrateigenen Bindekräfte zu aktivieren, wird erfindungsgemäß ein Additiv eingesetzt, welches dem zu bindenden Substrat oder Gemenge – etwa einem Boden – in flüssiger Form zugeleitet wird. Die Wirkstoffe werden dabei in feinster disperser Form durch Versprühen von Wasser als Trägermedium dem Boden zugeführt. Dies erfolgt vorzugsweise mit einem Sprayer, der gegebenenfalls auf einem Lastkraftwagen aufgebaut ist.

Im Rahmen der Erfindung liegt auch das Andocken der aktiven, stark polaren Amingruppe an den mineralischen Partikeloberflächen; die Amingruppe erzeugt eine starke Haftwirkung an der Partikeloberfläche. Vorteilhafterweise beeinflussen die hydrophoben Ketten des Additivs die Interreaktionen zwischen Wasser und den mineralischen Partikeln in der gewünschten Weise.

Nach weiteren Merkmalen der Erfindung wird das Gemenge einem intensiven Mischprozess unterzogen, und das additivhaltige Gemenge wird unter Vibration und/oder Verdichtung weitgehend irreversibel agglomeriert.

Vorteilhafterweise entsteht bei der Verarbeitung ein wasserabweisendes bzw. wasserdichtes additivhaltiges Gemenge; durch das Additiv wird das Gemenge gegen Auswaschung geschützt, und toxische Inhaltsstoffe werden immobilisiert.

Erfindungsgemäß wird das Additiv in einem vorzugsweise beheizbaren Mischer unter Beigabe eines Mediums – insbesondere von Wasser – hergestellt.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Herstellen eines Stabilisators od.dgl. Additiv ist einem Reaktor mit Rührwerk sowohl eine Leitung für Wasser als auch eine Leitung für liquide Substanzen zugeordnet; ebenfalls ist eine Zuleitung für Feststoffe aus einem Silo vorhanden. Vorteilhafterweise wird dem Reaktor ein Gefäß für eine Dispersion mit Additiv nachgeordnet.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung, diese zeigt in:
1 bis 3: unterschiedliche Zuordnungen von Substratteilchen zueinander;
4: einen Verfahrensstammbaum zur Aktivierung unter Zugabe von Additiven;
5: eine Anlage zur Herstellung von Additiven.
Zur Bindung einzelner in 1 bis 3 skizzierter Substratteilchen oder Partikel 10 werden unter Beigabe von oberflächenaktiv wirkenden Additiven die im Boden vorhandenen Bindungskräfte aktiviert. Dazu wird ein jene mineralischen Partikel 10 umgebender Haftwasserfilm 12 aufgebrochen; jedes der Teilchen 10 ist von einem solchen – als Trennflüssigkeit wirkenden – Wasserfilm 12 umgeben, der eine Kohäsion der einzelnen Teilchen gemäß 1 nicht zulässt.
Durch das Andocken des erwähnten hydrophoben Additivs wird in 2 dieser Haftwasserfilm 12 abgerissen und die Partikeloberflächen werden bindungsaktiv, was zu einer Affinität und deshalb zu einer gegenseitigen Bindung führt. Setzt man das Gemenge unter Wasser in gesättigtem Zustand – also im sog. Proktoroptimum – einem Druck aus, erfolgt eine in 3 angedeutete irreversible Agglomeration. Die bodeneigenen Bindungskräfte an den reaktiven Oberflächen beginnen zu wirken, und die Partikel 10 verhaken sich ineinander.
Im übrigen soll der Druck, der bei der Applikation zur Stabilisierung aufgebracht werden muss, 1 N/mm² nicht unterschreiten, da ansonsten eine Agglomeration nicht gewährleistet ist.
Um diese boden- oder substrateigenen Bindekräfte zu aktivieren, wird das erwähnte Additiv eingesetzt, welches gemäß 4 in das zu bindende Substrat oder Gemenge in flüssiger Form eingearbeitet wird. Die Wirkstoffe werden dabei in feinster disperser Form durch Versprühen von Wasser als Trägermedium dem Boden zugeführt (Stufe 1 in 4).
In Schritt 2 wird der Boden anschließend einem intensiven Mischprozess unterzogen. Dafür eignen sich Asphaltfräsen, Scheibeneggen oder ähnliche Geräte oder Maschinen, die im konventionellen Straßenbau oder der Landwirtschaft Verwendung finden. Dabei ist es von entscheidender Bedeutung, dass eine möglichst homogene Verteilung der Additive erfolgt, um sicherzustellen, dass möglichst viele Bodenpartikel 10 den zugeführten Substanzen ausgesetzt werden. Dieses Vorgehen wird als "Mixed in place" bezeichnet.
Das nun mit den Additiven durchsetzte Gemenge wird im Schritt 3 nach der Ausbringung und Verteilung – mittels eines Gräders oder Fertigers – durch eine Walze verdichtet (Schritt 4) oder einvibriert. Hierzu können sowohl Rad-, Vibro- als auch Plattenvibratoren oder Grabenstampfer eingesetzt werden.
Das Zuführen nach Ziffer 1, das Mischen (Ziffer 2) und das Verteilen (Ziffer 3) können mit geeigneten Maschinen auch in einem Arbeitsgang bewerkstelligt werden. Der dabei aufgebrachte Druck bzw. die Vibration bestimmt weitgehend die Festigkeit des stabilisierten Bodens oder Gemenges.
Bei einer in 4 rechts dargestellten anderen Möglichkeit – "Mixed in plant" – wird unter Beigabe der Additive das zu behandelnde Gemenge in einem Mischer oder in einem ähnlichen Gerät gemischt (Schritt 5). Anschließend kann dieses Gemenge einem Kompaktierungsprozess (Schritt 6), beispielsweise in einer Presse oder bei einer Vibroverdichtung, unterzogen werden. Das Ausbringen und die nachträgliche Verdichtung durch einen Gräder und eine Walze kann auch nach vorgängiger Mischung des Gemenges im Mischer erfolgen.
Das stabilisierte Gemenge kann in relativ kurzer Zeit nach dem Trocknen auf etwa die Hälfte des Proktoroptimums voll belastet werden. Eine Abbindezeit wie etwa bei Zement oder Kalk, bei dem in der Regel mehrere Tage bis Wochen abgewartet werden müssen, ist nicht erforderlich.
Die zum Herstellen des Additivs erforderliche Anlage 20 ist in 5 dargestellt. Sie besteht im Wesentlichen aus einem – bevorzugt beheizbaren – Reaktor 22 mit Rührwerk 24, in dem die Substanzen in durch eine Zuleitung 26 fließendem Wasser A dispers verteilt werden. Bei einer Prozesstemperatur von zwischen 15°C und 45°C sowie einer Verweilzeit von 4 bis 18 Minuten werden die besten Resultate bezüglich der Dispergierung erreicht. Das Produkt kann sowohl kontinuierlich im Durchlaufverfahren als auch diskontinuierlich – d.h. schub- oder batchweise – hergestellt werden.
Die Dosierung der liquiden Substanzen B erfolgt über eine in eine Leitung 26_a integrierte Dosierpumpe 28 aus einem Fass oder einem Tank 30, die Dosierung der Feststoffe C über eine einem Silo 32 nachgeschaltete, in einem Rotor 34 befindliche Dosierschnecke 36 oder durch andere Zuführungsarten aus dem Feststoffgebinde.
Nach dem Herstellen der das Additiv enthaltenden Dispersion D wird das Produkt in Gefäße 38 verbracht. Dann wird das fertige, für die Anwendung vorbereitete Produkt an den Bestimmungsort transportiert, wo es unter den oben genannten Bedingungen verarbeitet werden kann.
Die Substanz, welche im Reaktor zu dem Additiv verarbeitet wird, besteht im Wesentlichen aus einerseits alkylsubstituierenden Aminen mit Alkylresten als Additivgruppe B und andererseits quarternären Ammoniumsalzen als Additivgruppe C.
Die typischen Zusammensetzungen der Substanzen sind in der nachstehenden Tabelle aufgeführt, wobei der Wasseranteil nicht berücksichtigt ist, da dieser sich primär am Proktoroptimum orientiert. Die Gehalte repräsentieren daher nur den Wirkstoffanteil, welcher sich aus der Summe der beiden Additivgruppen ergibt.
TABELLE 1
Die Anwendung dieser Additive ist selbstverständlich nicht nur auf die oben erwähnten klassischen Anwendungen beschränkt. So kann dieses Produkt auch als Abdichtung von Dämmen, Kanälen und anderen wasserführenden Strukturen eingesetzt werden.
Dabei kann das Additiv – wie oben beschrieben – appliziert, aber auch durch eine Injektion des additivhaltigen Gemenges mit anschließender Vibration oder Verdichtung in das Gemenge eingebracht werden.
Eine weitere Anwendungsmöglichkeit ist die Beigabe des Additivs bei der Herstellung von Porenbeton oder Betonfertigteilen bzw. Stahlbeton, welcher auch in Schalungen appliziert wird, wodurch die Präsenz der Additive eine gegen Wasser dichte Struktur entsteht.
Es hat sich gezeigt, dass neben den oben aufgeführten bautechnischen Anwendungen in der Stabilisierung und Verfestigung auch eine Immobilisierung von kontaminierten Gemengen – wie zum Beispiel von durch Schwermetallen belastete Stäube, Böden usw. – erfolgen kann. In diesem Falle bewirken die Additive eine Versiegelung des Gemenges. Das Eindringen von Wasser in das behandelte Gemenge, welches zu Auswaschungen der Schadstoffe führen kann, wird unterbunden.
Eine weitere Applikation ist die Anwendung im Bereich der Feuerfestmaterialien. Bei denen wird ein Füllstoff wie etwa Schamottstrukturen, meist mit hydraulischen Bindemitteln wie Kalziumaluminat, Feuerfestzement usw. – aber auch durch organische Bindemittel – gebunden. Der Matrixaufbau durch dieses Bindemittel ist anfällig auf Druck- und Schlagbelastung unter hohen Temperaturen. Durch das direkte Verhaken der Feuerfestmaterialien, welches durch die Anwendung der Additive erreicht wird, kann dieser Schwachpunkt bei den Feuerfestanwendungen signifikant reduziert werden.
Die Feuerbeständigkeit und Festigkeit hängt nun nicht mehr von der thermischen Beständigkeit des Binders ab, sondern von den Feuerfestkomponenten, welche in der Regel eine bessere Beständigkeit und Festigkeit aufweisen.
Die für diese unterschiedlichen Applikationen angewendeten Mengen der Additive sind nachfolgend aufgeführt.
TABELLE 2
Die der Tabelle 2 entnehmbaren Anwendungen zeigen die für die unterschiedlichen Applikationen notwendigen Konzentrationen der beiden Additivgruppen aus der Tabelle 1 auf.
Dabei ist der notwendige Wassergehalt nicht berücksichtigt. Der Wasseranteil orientiert sich im Proktoroptimum.

Claims

Verfahren zur Bodenverbesserung und -verfestigung, insbesondere zur Erhöhung der Tragfestigkeit des Bodens im Straßenbau, bei dem ein hydraulisches Bindemittel auf den zu verbessernden bzw. verfestigenden Bodenabschnitt aufgebracht und mit den oberen Bodenschichten des Bodenabschnittes vermengt wird, wonach eine maschinelle Verdichtung des Bodenabschnittes erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Aufbringen des hydraulischen Bindemittels Polyelektrolyte, vorzugsweise Polymere oder Copolymere auf Basis von Acrylamid, auf den zu verbessernden bzw. verfestigenden Bodenabschnitt aufgebracht und mit den oberen Bodenschichten vermengt werden.
Verfahren zur Bodenverbesserung und -verfestigung, insbesondere zur Erhöhung der Tragfestigkeit des Bodens im Straßenbau, bei dem die oberen Bodenschichten eines zu verbessernden bzw. verfestigenden Bodenabschnittes abgetragen und in einem Mischer mit einem hydraulischen Bindemittel vermengt werden, wonach das Mischprodukt wieder auf den betreffenden Bodenabschnitt aufgetragen wird und eine maschinelle Verdichtung des Bodenabschnittes erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Zugabe des hydraulischen Bindemittels den abgetragenen Bodenschichten im Mischer Polyelektrolyte, vorzugsweise Polymere oder Copolymere auf Basis von Acrylamid, beigemengt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Polyelektrolyt mit einem Mengenanteil von 0.001 bis 1 Gew.-%, bezogen auf das Trockengewicht des Bodens, beigemengt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass vor Aufbringen des hydraulischen Bindemittels dem hydraulischen Bindemittel ein Styren-Acryl-Copolymer beigemengt wird.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass vor Zugabe des hydraulischen Bindemittels dem hydraulischen Bindemittel ein Styren-Acryl-Copolymer beigemengt wird.
Verfahren zur Bodenverbesserung und -verfestigung, insbesondere zur Erhöhung der Tragfestigkeit des Bodens im Straßenbau, bei dem eine Bitumenemulsion auf den zu verbessernden bzw. verfestigenden Bodenabschnitt aufgebracht und mit den oberen Bodenschichten des Bodenabschnittes vermengt wird, wonach eine maschinelle Verdichtung des Bodenabschnittes erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Aufbringen der Bitumenemulsion Polyelektrolyte, vorzugsweise Polymere oder Copolymere auf Basis von Acrylamid, auf den zu verbessernden bzw. verfestigenden Bodenabschnitt aufgebracht und mit den oberen Bodenschichten vermengt werden.
Verfahren zur Bodenverbesserung und -verfestigung, insbesondere zur Erhöhung der Tragfestigkeit des Bodens im Straßenbau, bei dem die oberen Bodenschichten eines zu verbessernden bzw. verfestigenden Bodenabschnitts abgetragen und in einem Mischer mit einer Bitumenemulsion vermengt werden, wonach das Mischprodukt wieder auf den betreffenden Bodenabschnitt aufgetragen wird und eine maschinelle Verdichtung des Bodenabschnittes erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Zugabe der Bitumenemulsion den abgetragenen Bodenschichten im Mischer Polyelektrolyte, vorzugsweise Polymere oder Copolymere auf Basis von Acrylamid, beigemengt werden.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Polyelektrolyt mit einem Mengenanteil von 0.001 bis 1 Gew.-%, bezogen auf das Trockengewicht des Bodens, beigemengt wird.
Verwendung von Polyelektrolyten, vorzugsweise Polymeren oder Copolymeren auf Basis von Acrylamid, zur Bodenverbesserung und -verfestigung, insbesondere zur Erleichterung von Bauarbeiten und zur Erhöhung der Tragfestigkeit des Bodens im Straßenbau.
Verfahren zur Behandlung eines Gemenges aus Partikeln, insbesondere eines Bodens, dadurch gekennzeichnet, dass durch Beigabe zumindest eines oberflächenaktiven, hydrophob wirkenden Additivs zu dem Gemenge die in ihm vorhandenen Bindungskräfte aktiviert werden.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein das Partikel umgebender Haftwasserfilm aufgebrochen wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Gemenge unter Wasser in gesättigtem Zustand einem Druck ausgesetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, gekennzeichnet durch einen Druck von ≥ 1 N/mm².
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass stark oberflächenaktive Substanzen, welche unter Einsatz von Wasser als Medium das Gemenge stabilisieren, zusammengeführt und gemischt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, gekennzeichnet durch das Aktivieren der gemenge- bzw. bodeneigenen Bindungskräfte durch den Einsatz des Additivs.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, gekennzeichnet durch Additive aus Alkyl-substituierenden Aminen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, gekennzeichnet durch Additive aus quarternären Ammoniumsalzen.
Verfahren nach Anspruch 16 und 17, dadurch gekennzeichnet, dass die alkyl-substituierenden Amine mit den quarternären Ammoniumsalzen unter Beigabe eines flüssigen Mediums gemischt werden.
Verfahren nach Anspruch 16 oder 18, gekennzeichnet durch ein Additiv aus alkyl-substituierenden Aminen mit Alkylresten der Kettenlänge von C12 bis C20 und quarternären Ammoniumsalzen.
Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass das flüssige Medium Wasser ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 20, gekennzeichnet durch das Andocken der aktiven, stark polaren Amingruppe an den mineralischen Partikeloberflächen, wobei die Alkylgruppe eine hydrophobe Wirkung erzeugt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die hydrophoben Ketten des Additivs die Interreaktionen zwischen Wasser und den mineralischen Partikeln positiv beeinflussen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass das Additiv im Proktoroptimum dem Gemenge beigegeben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass das Gemenge einem intensiven Mischprozess unterzogen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass das additivhaltige Gemenge unter Vibration und/oder Verdichtung weitgehend irreversibel agglomeriert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 25, gekennzeichnet durch ein wasserabweisendes bzw. wasserdichtes additivhaltiges Gemenge nach der Verarbeitung.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Additiv das Gemenge gegen Auswaschung geschützt wird und toxische Inhaltsstoffe immobilisiert werden.
Verfahren zum Herstellen eines Additivs nach einem der Ansprüche 10 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass das Additiv in einem Mischer unter Beigabe eines Mediums hergestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass der Mischer beheizt wird.
Verfahren nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass das Medium Wasser ist.
Vorrichtung zum Herstellen und Einsatz eines Additivs, insbesondere zum Durchführen des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass einem Reaktor mit Rührwerk (24) sowohl eine Leitung (26) für Wasser (A) als auch eine Leitung (26_a ) für liquide Substanzen (B) zugeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 31, gekennzeichnet durch eine Zuleitung (34) für Feststoffe (C) aus einem Silo (32).
Vorrichtung nach Anspruch 31 oder 32, dadurch gekennzeichnet, dass dem Reaktor (22) ein Gefäß (38) für eine Dispersion mit Additiv (D) nachgeordnet ist.