DE102007043307A1

DE102007043307A1 - Behandlung von Erdbaustoffen mit Kohlendioxid

Info

Publication number: DE102007043307A1
Application number: DE200710043307
Authority: DE
Inventors: Frank Dipl.-Chem. Dr. Sandmeyer; Leonhard Gollwitzer
Original assignee: Wacker Chemie AG
Current assignee: Wacker Chemie AG
Priority date: 2007-09-12
Filing date: 2007-09-12
Publication date: 2009-03-19
Also published as: WO2009034054A1

Abstract

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Behandlung von Erdbaustoffen, welche a) Bodenmaterialien und b) gegenüber Kohlendioxid reaktive Komponenten enthalten, mit Kohlendioxid, sowie die derart behandelten Erdbaustoffe.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Behandlung von Erdbaustoffen, welche gegenüber Kohlendioxid reaktive Komponenten enthalten, mit Kohlendioxid und die derart behandelten Erdbaustoffe.
Viele konstruktive Baumaßnahmen, z. B. der Damm- und Deichbau, Deponieabdichtungen, der Straßenunterbau, die Befestigung von mechanisch belasteten Oberflächen wie Parkplätzen oder Böschungen und verschiedenen mehr, basieren nach wie vor teilweise oder sogar überwiegend auf der Verwendung von Erdbaustoffen, wie allgemein Bodenaushub, insbesondere Schluff, Sand, Kies, Ton, Lehm oder deren Gemischen.
Erdbaustoffe können auch gewünschtenfalls zu Formkörpern, insbesondere Bausteinen und Ziegeln verarbeitet werden.
Neben konstruktiven Baumaßnahmen werden Erdbaustoffe zur Anlage künstlicher Bodenstrukturen zur Verwendung unter anderem in den Bereichen Landwirtschaft, Begrünung und Forstwirtschaft eingesetzt. Auch in diesen Anwendungen ist die Verfestigung der eingesetzten Erdbaustoffe und der gezielte Aufbau von Bodenschichten, die geeignet verfestigt und gegebenenfalls hydrophobiert sein müssen, um die Wasserverdampfung aus dem Boden zu regulieren und so der Wüstenbildung vorzubeugen oder zur Wüstenaufforstung beizutragen, vordergründig.
Verfahren, die den Wassergehalt des Bodens herkömmlicherweise erhöhen, sind die Errichtung von Kanälen und die Berieselung, also künstliche Beregnung. Diese Verfahren bringen jedoch keine grundsätzliche Verbesserung mit sich, da das ausgebrachte Wasser rasch versickert und der Wassereinsatz ineffizient ist. Einer Wüstenbildung kann nur wirksam entgegengewirkt werden, indem man die Bodenstruktur geeignet verbessert, so dass das ausgebrachte Wasser hinreichend lange verfügbar ist, um für ein Pflanzenwachstum, seien es Nutz-, Nahrungsmittel- oder Zierpflanzen zur Verfügung zu stehen.
Man schätzt, dass derzeit etwa 30% der Landoberfläche der Erde von Wüsten bedeckt sind, wobei deren Fläche kontinuierlich zunimmt. Hierfür gibt es zahlreiche Ursachen, von denen viele im Zusammenhang mit der steigenden Produktivitätsaktivität des Menschen stehen, wie etwa die übermäßige Holzfällung, die Umweltverschmutzung, dem damit verbundenen sauren Regen und der Zerstörung der Ozonschicht durch übermäßigen Kohlendioxidausstoß und der daraus abgeleiteten Erderwärmung.
Bei den Erdbaustoffen für die oben beschriebenen Anwendungen und Einsatzgebiete, handelt es sich vorwiegend um klastische Sedimente, die sich wesentlich in der Teilchengröße unterscheiden. Nachteilig an Erdbaustoffen ist häufig ihre geringe Kohäsion und daher ihre geringe mechanische Festigkeit und Formbarkeit und ihre in der Regel hohe Wasserduchlässigkeit. Diese Eigenschaften haben eine geringe Haltbarkeit und Beständigkeit der damit ausgeführten Baumaßnahmen zur Folge, insbesondere unter Feuchtbedingungen. Diese Nachteile sind umso ausgeprägter, je geringer der Anteil an sogenannten bindigen Böden wie Lehm oder Ton in den Erdbaustoffen ist. Erdbaustoffe auf Basis Sand, Kies oder Splitt also Erdbaustoffen mit geringen Anteilen an bindigen Böden sind aus Kostengründen für konstruktive Baumaßnahmen besonders interessant. Außerdem sind sie leichter handhabbar als bindige Böden und zeigen in der Regel auch keinen oder im Vergleich zu bindigen Böden geringeren Schwund beim Trocknen. Es wurde verschiedentlich versucht die mechanischen Eigenschaften von Erdbaustoffen durch Zusatz von Kalk, meist in Form von sogenanntem Brandkalk zu verbessern. Tatsächlich führt der Zusatz von Kalk zum Teil zu einer Verbesserung der Kohäsion, bewirkt aber in der Regel auch ein Verspröden des Erdbaustoffes und macht diesen für viele Anwendungen unbrauchbar.
Aus der Literatur ist weiterhin bekannt, die Beständigkeit der Oberfläche von Böden, Dämmen, Deichen und ähnlichem gegen Erosion durch Oberflächenbehandlung des jeweiligen Bauwerkes mit wässrigen Polymerzubereitungen zu verbessern. So beschreibt SU-A-179 67 743 einen Binder zur Erhöhung der Festigkeit, Wasserfestigkeit und Erosionsbeständigkeit von Sand, bestehend aus Wasser Ligninsulfonat und Baumharz. Die JP-A-60004587 beschreibt die Oberflächenbehandlung von Böden gegen Erosion durch Aufsprühen von verdünnten (Meth)acrylatdispersionen. Die DE-A-195 48 314 beschreibt die Erhöhung der Oberflächenfestigkeit von Böden durch Aufbringen einer wässrigen, die Klebrigkeit erhöhenden Zubereitung, die Polyvinylacetat und ein Gemisch von Monocarbonsäuren enthält, auf die Oberfläche der Böden.
Die JP-A-2283792 beschreibt eine Zusammensetzung aus Bentonit, Lehm, Sand, einem reemulgierbaren Polymerpulver, einem wasserlöslichen Polymerpulver und Natriumsilicatpulver, die durch Stampfen ausgehärtet wird. Die DE 199 21 815 beschreibt die Verwendung von polysulfidfreien wässrigen Polymerzubereitungen als Zusatz zu Baumaterialien auf Basis von Lehm oder Ton. Die Langzeitbeständigkeit dieser Baumaterialien ist vielfach nicht zufriedenstellend.
Die DE 199 62 600 beschreibt Sandsäcke für den Katastrophenschutz, die ein Polymerpulver enthalten, das beim Einsatz durch das Eindringen von Feuchtigkeit in das innere der Säcke zu einer Stabilisierung der Sandsäcke bzw. der Sandsackwälle durch Verkleben führt. Als Baumaterial für konstruktive Baumaßnahmen sind diese Sandsäcke nicht geeignet.
DE 100 62 657 A1 offenbart polymermodifizierte Erdbaustoffe, die aus Erdbaustoffen zusammengesetzt sind, deren mineralische Hauptbestandteile Splitt, Sand oder Kies sind, und die wenigstens ein filmbildendes wasserunlösliches Polymer enthalten, das ein Styrolacrylat- oder ein Styrol-Dien-Copolymer oder ein Reinacrylatcopolymer oder ein Acryl-Vinyl-Copolymer sein kann. Die erhaltenen modifizierten Erdbaustoffe zeichnen sich durch eine erhöhte Biegezug- und Druckfestigkeit aus. Zur Realisierung der betreffenden Erdbaumassen werden in diesem Fall organische Polymere ins Erdreich eingebracht, wodurch ökologische Nachteile nicht ausgeschlossen werden können.
DE 43 25 692 A1 offenbart eine künstliche Bodenstruktur, die eine hydrophobe Schicht in einer vorbestimmten Tiefe von der Erdoberfläche umfasst. Die künstliche Bodenstruktur dient der Wasserrückhaltung und verhindert so die Austrocknung des Bodens. Dabei enthält die beschriebene Bodenstruktur mindestens eine Bodenschicht, die im Wesentlichen aus hydrophoben Teilchen gebildet wird.
JP 07050925 A beschreibt eine künstliche Bodenstruktur zur Verwendung unter anderem in den Bereichen Landwirtschaft, Begrünung und Forstwirtschaft, die eine mit einem Fluorcarbon Hydrophobierungsmittel behandelte Bondenschicht enthält. Die Hydrophobierung wird erreicht, indem Quarzsand in einem Betonmischer mit einem erfindungsgemäßen Hydrophobierungsmittel gemischt und danach bei 150°C 2 Stunden lang getrocknet wird.
US 2005/0150417 A1 beschreibt die Hydrophobierung von unter anderem Erdbaumassen, Sägemehl und porösen Materialien, indem man die Substrate oberflächlich mit einer Mischung von Metallsilicat und Metallsiliconat imprägniert oder indem man die substratbildenden Gemische vor der Substratherstellung mit der wässrigen Silikat-Siliconat-Zubereitung mischt. Die wässrige Zubereitung Silikat-Siliconat-Zubereitung wird dabei auf das zu behandelnde Substrat aufgesprüht oder die substratbildenden Komponenten werden in die Zubereitung getaucht oder damit vermengt. Das Verfahren des Vermengens wird nicht offenbart, Effekte, die durch Variationen des Vermengungsverfahrens zu erzielen wären werden folglich nicht benannt. Offensichtlich hat man dem Mischverfahren keinerlei Beachtung geschenkt, weil es den Fachleuten, die diese Erfindung offenbart haben, nicht offensichtlich war, dass durch die Art des Mischens entscheidende Anwendungsvorteile zu erzielen sind. Stattdessen wird in US 2005/0150417 A1 nur der Produktmischung aus Siliconat und Silikat Aufmerksamkeit geschenkt.
GB 1 466 157 lehrt die Verwendung lösemittelhaltiger Zubereitungen, die Alkylsilikate und Hydrolysekatalysatoren enthalten, zur Verfestigung von Bodenmassen. Diese Zubereitungen weisen gegenüber wässrigen Alkylsilikatzubereitungen den Vorteil auf, dass sie beliebig lagerstabil sind und tiefer ins Substrat eindringen. Dem Verfahren wie die Zubereitungen für einen optimalen Effekt einzuarbeiten sind, wird wiederum keine Aufmerksamkeit geschenkt.
GB 1 406 289 beansprucht die Verfestigung eines Bodens durch Verwendung einer Mischung aus Alkalimetallsilikat und Alkalimetallsiliconat und einem wasserlöslichen Vernetzungsmittel. GB 1 180 733 beansprucht die Modifizierung der Wasserrückhaltefähigkeit eines Bodens durch Einbringen eines beliebigen Organosiliconmaterials. Dabei wird in dieser Schrift unterstellt, dass ein beliebiges organosilicumhaltiges Material automatisch hydrophob ist, eine Annahme, zu der selbst zu der Zeit als diese Schrift verfasst wurde aufgrund der bereits fortgeschrittenen Kenntnisse in der siliciumorganischen Chemie keine Veranlassung mehr bestand. Insofern ist dieser Anspruch nicht umsetzbar. Eingeschränkt wird dieser Anspruch weiter in dieser Schrift nur dahingehend, dass man Chlorsilane als Organosiliciumkomponente verwendet, was aus ökologischer Sicht mehr als nur bedenklich ist.
US 6 946 083 B2 offenbart den Gebrauch einer hygroskopischen Komponente gefolgt von der Anwendung einer Mischung von Alkalisilikat und Alkalisiliconat auf einem trockenen Untergrund, der mit Staub belegt sein kann, wie etwa einem Weg oder einer Strasse zur Reduzierung der Neigung zur Bildung von Staubwolken.
Es ist weiterhin bekannt, dass zur Bodenverfestigung hydraulisch härtende Bindemittel, wie hydraulische Kalke und Zemente in Kombination mit Hydrophobierungsmitteln, wie z. B. Paraffinen eingesetzt werden. Diese Mischungen müssen in aufwendiger Art und Weise hergestellt werden, da das Paraffin zunächst aufgeschmolzen werden muss, um auf die hydraulischen Bindemittel aufgebracht werden zu können. Als nachteilig hat sich des weiteren herausgestellt, dass die eingesetzten Stoffe nur bedingt chemisch reaktiv sind. Paraffine sind z. B. nicht in der Lage, chemisch mit den Bestandteilen der Bodenproben zu reagieren. Es kommt hier nur zu physikalischen Abmischungen die durchaus reversibel sind, und somit nicht die Beständigkeit der durch chemische Bindung erzeugten Wirkungsweise besitzen können.
EP 0 992 565 A1 lehrt ein Verfahren zur Festigung und Hydrophobierung von tonigen und kiesigen Bodenmaterialien mit Alkalisilikaten und Alkalisiliconaten. Kennzeichnend für das Verfahren ist dabei, dass eine wässrige Zubereitung aus Alkalimetallsilikat und Alkalimetallsiliconat in wässriger Lösung eingesetzt wird, wobei bestimmte Mischungsverhältnisse der beiden Komponenten vorgegeben sind. Die Komponenten werden dabei beliebig in die zu behandelnde Bodenmasse eingearbeitet. Auch in dieser Schrift kommt dem Verfahren der Bodenbehandlung keine Aufmerksamkeit zu, weil es auch in diesem Fall den Fachleuten nicht offensichtlich war, dass das Verfahren, nach dem das aktive Agens in die Erdbaumasse eingebracht wird, einen entscheidenden Einfluss auf dessen Wirksamkeit und damit die Ausprägung des Zieleffektes sowie konsequenterweise die notwendige Einsatzmenge an aktivem Reagenz hat. In EP 0 992 565 A1 wird die rasche Aushärtung des ausgebrachten Hydrophobierungsmittels ausgelobt, wobei außer Acht bleibt, dass auch die Härtungsgeschwindigkeit und damit die Geschwindigkeit, mit der die erwarteten Effekte erreichbar sind, entscheidend vom Verfahren abhängt. Entsprechend wird hierdurch die Geschwindigkeit beeinflusst, mit der die behandelten Böden Gebrauchseigenschaften erlangen und belastbar sind oder mit der die nachfolgenden Baumaßnahmen erfolgen können.
Hervorgehoben wird in EP 0 992 565 A1 , dass die beschriebenen Maßnahmen bei bindigen Böden wie tonigen Böden effektiv sind. Vorgeschlagen wird hier eine Lufttrocknung der Böden nach dem Verpressen. Nun ist allerdings bekannt, dass gerade in bindigen Böden die Notwendigkeit wasserhaushaltsregulierender, insbesondere zur Erhöhung des Wasserrückhaltevermögens führende Maßnahmen nicht in dem Maße erforderlich sind, wie dies bei sandigen und kiesigen Böden der Fall ist. Durch eine Erhöhung der Effizienz der beschriebenen Maßnahmen aus EP 0 992 565 A1 sollten auch diese nicht bindigen Böden hinsichtlich ihrer mechanischen Leistungsfähigkeit und ihres Wasserrückhaltevermögens verbesserbar sein.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es nun modifizierte Erdbaustoffe zur Verfügung zu stellen, die eine verbesserte mechanische Belastbarkeit, d. h. vor allem aber nicht nur Stabilität, Kohäsion und Tragfähigkeit, sowie Wasser- und Frostfestigkeit, Haltbarkeit und Wasserrückhaltevermögen aufweisen, bei wirtschaftlichstem Einsatz der verwendeten Rohstoffe und damit maximaler ökologischer Verträglichkeit der ergriffenen Maßnahmen. Das Verfahren soll dabei möglichst auf natürlicherweise vorhandene Rohstoffe zurückgreifen, oder den Einsatz von Rohstoffen fördern, die natürlichen Materialien ähnliche Reaktionsprodukte ergeben. Die Erdbaustoffe sollten für konstruktive Baumaßnahmen oder Bauprojekte wie Straßenunterbauten, Damm- und Deichbau, Böschungen, Parkplatzbefestigungen, oder Deponieabdichtungen, sowie zur Erzeugung von Bodenstrukturen mit verbessertem Wasserrückhaltevermögen zur Vermeidung der Wüstenbildung und zur Nutzbarmachung von Wüstenböden zur Begrünung oder agrar- und forstwirtschaftlichen Zwecken geeignet sein. Dabei sollten sich die Erdbaustoffe leicht und kostengünstig modifizieren und verarbeiten lassen. Die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens im Straßenbau, zur Sanierung oder zum Straßenneubau, soll zudem sicherstellen, dass das vorhandene Bau- und Erdmaterial genutzt werden kann, so dass nur minimaler Deponierbedarf und Bedarf an neu heranzuschaffendem Erdmaterial besteht.
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Behandlung von Erdbaustoffen, welche

a) Bodenmaterialien und
b) gegenüber Kohlendioxid reaktive Komponenten enthalten,

Durch das Verfahren werden Bodenmaterialien verfestigt und hydrophobiert.
Die behandelten Erdbaustoffe zeigen früh einen Hydrophobieeffekt und werden deshalb weniger durch unerwünschte Wassereinwirkung beeinträchtigt. Mechanische Belastbarkeit, sowie Wasser- und Frostfestigkeit, Haltbarkeit und Wasserrückhaltevermögen der behandelten Erdbaustoffe werden verbessert, und das bei wirtschaftlichstem Einsatz der verwendeten Rohstoffe und damit maximaler ökologischer Verträglichkeit der ergriffenen Maßnahmen.
Im Verfahren können alle bisher bekannten Bodenmaterialien (a) eingesetzt werden, insbesondere tonige Bodenmaterialien (a), wie Lehm oder Ton und kiesige Bodenmaterialien (a), wie Sand, Kies oder Splitt und Mischungen daraus.
Gegenüber Kohlendioxid reaktive Komponenten (b) werden vorzugsweise ausgewählt aus Alkali- und Erdalkaliwasserglas und Alkali- und Erdalkalisiliconat und Mischungen daraus.
Bevorzugt werden als Komponenten (b), insbesondere Alkalisilikate, Natrium- und Kaliumsilikate eingesetzt. Die Natrium- und Kaliumsalze der Kieselsäure werden auch als Wasserglas bezeichnet.
Vorzugsweise haben die Alkalisilikate ein Gewichtsverhältnis von SiO₂ zu Alkalioxid, insbesondere Na₂O bzw. K₂O, von 2,3 bis 3,5, eine Dichte von 1240 bis 1535 kg/m³ und eine Viskosität von 5 bis 850 mPa·s (20°C).
Bevorzugt werden als Komponenten (b) auch Alkalisiliconate eingesetzt. Bevorzugte Alkalisiliconate sind aufgebaut aus Einheiten der allgemeinen Formel (I) R_a(R¹O)_b(M⁺O^–)_cSiO_(4-a-b-c)/2 (I),wobei
R einen einwertigen SiC-gebundenen organischen Rest,
R¹ einen einwertigen, unsubstituierten oder substituierten Kohlenwasserstoffrest,
M⁺ Alkalimetallion oder Ammoniumion, insbesondere Na⁺ oder K⁺,
a die Werte 0, 1, 2 oder 3, bevorzugt 1,
b die Werte 0, 1, 2 oder 3, bevorzugt 1 oder 2, und
c die Werte 0, 1, 2 oder 3, bevorzugt 1, bedeuten,
mit der Maßgabe, daß die Summe aus a, b und c kleiner oder gleich 3 ist und pro Molekül mindestens ein Rest (M⁺O^–) anwesend ist.
Beispiele für Reste R sind Alkylreste, wie der Methyl-, Ethyl-, n-Propyl-, iso-Propyl-, n-Butyl-, iso-Butyl-, tert.-Butyl-, n-Pentyl-, iso-Pentyl-, neo-Pentyl-, tert.-Pentylrest, Hexylreste, wie der n-Hexylrest, Heptylreste, wie der n-Heptylrest, Octylreste, wie der n-Octylrest und iso-Octylreste, wie der 2,2,4-Trimethylpentylrest, Nonylreste, wie der n-Nonylrest, Decylreste, wie der n-Decylrest, Dodecylreste, wie der n-Dodecylrest, und Octadecylreste, wie der n-Octadecylrest, Cycloalkylreste, wie Cyclopentyl-, Cyclohexyl-, Cycloheptyl- und Methylcyclohexylreste, Arylreste, wie der Phenyl-, Naphthyl-, Anthryl- und Phenanthrylrest, Alkarylreste, wie o-, m-, p-Tolylreste, Xylylreste und Ethylphenylreste, und Aralkylreste, wie der Benzylrest, der α- und der β-Phenylethylrest.
Bei Rest R handelt es sich bevorzugt um Kohlenwasserstoffreste mit 1 bis 12 Kohlenstoffatomen, besonders bevorzugt um den Methyl-, Ethyl- und Propylrest, insbesondere um den Methylrest.
Beispiele für Kohlenwasserstoffrest R¹ sind die für R angegebenen Reste, wobei es sich bei Rest R¹ bevorzugt um Wasserstoffatom oder Kohlenwasserstoffreste mit 1 bis 6 Kohlenstoffatomen, besonders bevorzugt um Wasserstoffatom, den Methyl- und Ethylrest, insbesondere um Wasserstoffatom, handelt.
Bevorzugt handelt es sich bei den Alkalisiliconaten um solche, die bei Raumtemperatur in Wasser zumindest zum Teil löslich sind.
Besonders bevorzugt handelt es sich bei den Alkalisiliconaten um wäßrige Lösungen von Kaliumalkylsiliconaten.
Die Alkalisilikate und Alkalisiliconate sind handelsübliche Produkte bzw. nach in der Silicium-Chemie gängigen Methoden herstellbar.
Vorzugsweise werden Mischungen von Alkalisilikaten und Alkalisiliconaten eingesetzt. Vorzugsweise reicht das Gewichtsverhältnis von Alkalisilikat zu Alkalisiliconat von 10:1 bis 1:10, besonders bevorzugt 1:1.
Bei dem Verfahren wird vorzugsweise Wasser in Mengen von vorzugsweise 10 bis 95 l, bezogen auf 100 l der Gesamtmenge an eingesetztem Wasser, Alkalisilikat und Siliconat eingesetzt, wobei eine Menge von 70 bis 90 l besonders bevorzugt ist. Da sich die Zugabe von Wasser auch nach dem Wassergehalt der zu behandelnden Böden richtet, kann die zugegebene Wassermenge auch unterhalb oder oberhalb der oben angegebenen Mengenbereiche liegen.
Bei dem Verfahren werden Alkalisilikat, Alkalisiliconat und Wasser in einer Gesamtmenge von vorzugsweise 1 bis 100 Gewichtsteilen, besonders bevorzugt 0,1 bis 10 Gewichtsteilen, insbesondere 0,5 bis 10 Gewichtsteilen, jeweils bezogen auf 100 Gewichtsteile der zu behandelnden Bodenmaterialien (a), eingesetzt.
Die gegenüber Kohlendioxid reaktiven Komponenten (b) können im Verfahren auf beliebige Art und Weise mit dem zu behandelnden Bodenmaterial vermischt werden. Dabei können die eingesetzten Komponenten (b) einzeln oder in beliebigen Mischungen eingesetzt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird eine Mischung aus Wasser, Alkalisilikat und Alkalisiliconat sowie gegebenenfalls Zusatzstoffen dem zu behandelnden Bodenmaterial (a) zugegeben. Diese Mischung kann beispielsweise durch Zusatz von Kalilauge, z. B. in einer Menge von etwa 10 Gewichts-%, bezogen auf das Gesamtgewicht an eingesetztem Wasser, Alkalisilikat und Siliconat, stabilisiert werden. Die Benetzbarkeit kann außerdem durch Zusatz von Alkoholen, wie Isopropanol, beispielsweise in einer Menge von 0,5 bis 1,0 Gewichts-%, bezogen auf das Gesamtgewicht an eingesetztem Wasser, Alkalisilikat und Siliconat, verbessert werden.
Bei dem Verfahren kann die gegenüber Kohlendioxid reaktive Komponente (b) während der Behandlung mit Kohlendioxid zudosiert werden, oder die Behandlung mit Kohlendioxid erfolgt nachträglich, also nach der Dosierung der gegenüber Kohlendioxid reaktiven Komponente (b). Die Behandlung mit Kohlendioxid erfolgt stets so lange und ausgiebig, dass eine gute Sättigung des Erdbaustoffes mit Kohlendioxid sichergestellt ist. Das Kohlendioxid kann dabei sowohl als reine Komponente aus geeigneten Vorratsgefäßen zudosiert werden oder es kann im Gemisch mit anderen Gasen für den Mischvorgang bereit gestellt werden, wobei der Gehalt an Kohlendioxid im Gasgemisch vorzugsweise 0,05 bis 99, insbesondere 0,5 bis 10 Volumenprozent beträgt. Insbesondere kann die Mischung auch in einer Atmosphäre stattfinden, die das Kohlendioxid als Komponente enthält.
Gegenstand der Erfindung sind auch nach dem vorstehenden Verfahren mit Kohlendioxid behandelte Erdbaustoffe.
Das Verfahren kann überall dort angewendet werden, wo Bodenmaterialien verfestigt und hydrophobiert werden sollen. Insbesondere kann es im Wege- und Straßenbau sowie zur Herstellung von wasserfesten Baustoffen mit einer entsprechenden Festigkeit für den einfachen Mauerwerksbau eingesetzt werden. Bei der Herstellung von Baustoffen nach dem Verfahren hat sich gezeigt, daß ohne Brennen und Härten der Baustoffe eine relativ hohe Festigkeit und Wasserfestigkeit erreicht wird, die den Einsatz so hergestellter Erdbaustoffe für einfache Bauweisen möglich macht.
Das Verfahren kann auch zur Herstellung künstlicher Bodenstrukturen verwendet werden. Von einer Bodenstruktur wird dabei immer dann gesprochen, wenn der betrachtete Boden aus mindestens zwei voneinander verschiedenen Schichten aufgebaut ist. Dabei kann eine solche künstliche Bodenstruktur eine oder mehrere Schichten enthalten, die aus mit Kohlendioxid behandelten Erdbaustoffen bestehen oder unter unter Zuhilfenahme derselben hergestellt werden, zum Beispiel durch Vermengen mit anderen Bestandteilen, wie etwa weiteren Erdbaustoffen oder anderen mineralischen oder sonstigen Komponenten. Durch eine Vermischung von erfindungsgemäß modifizierten Erdbaustoffen mit anderen Bestandteilen oder Erdbaustoffen, kann beispielsweise eine Abstufung der Hydrophobizität erreicht werden, die ggf. auch gezielt nur in einigen Bereichen eingesetzt wird, etwa dort, wo Pflanzen auf der Bodenoberfläche eingepflanzt werden und wo demzufolge eine zu hohe Hydrophobie das Gedeihen der Pflanze verhindern würde. Die Bodenschichten, die an die Bodenschicht oder die Bodenschichten angrenzen, die aus den erfindungsgemäß modifizierten Erdbaustoffen erzeugt werden oder die unter zuhilfenahme der erfindungsgemäß modifizierten Erdbaustoffen erzeugt werden, können selbst wasserabweisend sein oder auch nicht, und sind in ihrer Zusammensetzung prinzipiell beliebig wählbar, nur durch die Sinnhaftigkeit der Auswahl der jeweiligen sie bildenden Komponenten in Abhängigkeit vom jeweiligen Einsatzzweck und Zieleffekt eingeschränkt. Ebenso ist die Tiefe von der Erdoberfläche aus gemessen, in der die Bodenschichten aus erfindungsgemäß modifizierten Erdbaustoffen ausgebracht werden grundsätzlich beliebig und wird nur durch das jeweilige Anwendungsziel und den gewünschten Zieleffekt bestimmt. Auch weitere eher konstruktive Maßnahmen, wie das Ausbringen von Vlieslagen in den Boden oder anderen solchen Maßnahmen sind grundsätzlich in diesem Zusammenhang möglich und zulässig.
Alle vorstehenden Symbole der vorstehenden Formeln weisen ihre Bedeutungen jeweils unabhängig voneinander auf. In allen Formeln ist das Siliciumatom vierwertig.
In den folgenden Beispielen sind, falls jeweils nicht anders angegeben, alle Mengen- und Prozentangaben auf das Gewicht bezogen, alle Drücke 0,10 MPa (abs.) und alle Temperaturen 20°C.
Beispiele
Im Folgenden sind beispielhaft geeignete Mischverfahren beschrieben.
Mischvorgänge sind Versuche mit Wacker BS^® Drysoil:
1. Mischverfahren im Straßenbau mit einem Großrecycler
Das erfindungsgemäße Mischverfahren kann mit einem für die Koffersanierung im mixed in place Verfahren von bestehenden Forst-, Flur-, Berg- und Alpenstraßen sowie Erschließungs- und Verbindungsstraßen geeigneten Fräsrecycler mit integrierter Dosieranlage für die gegenüber Kohlendioxid reaktive Hydrophobierungskomponente ausgeübt werden. In Frage kommen dabei Bodenfräsen wie z. B. BOMAG^® MPH 120, Raco^® 250 oder Bitelli^® ST 200. Für konstante Vorwärtsgeschwindigkeit der Maschine ist es von Vorteil, wenn durch einen Tempomat eine Regulierung erfolgen kann. Durch die Installation von Dosieranlagen auf die Bodenfräsen wird eine genaue Mengenzufuhr der benötigten gegenüber Kohlendioxid reaktiven Komponente in den Mischraum ermöglicht. Mengen von 1–18 l/min/m können so problemlos in ausreichender Genauigkeit dem Erdreich zugemischt und gleichzeitig homogen verteilt werden. Gegebenenfalls wird die gegenüber Kohlendioxid reaktive Komponente unter dem Druck dem zu behandelnden Erdreich beigemischt, wobei Drücke von 5–8 bar praxisrelevant und bevorzugt sind.
Die Zugabe der gegenüber Kohlendioxid reaktiven Komponente erfolgt bei der Druckdosierung über feine Düsen in den Mischraum, wobei ein vorgeschaltetes Steuergerät die genaue Einstellung der Mengen ermöglicht.
2. Mischverfahren im Straßenbau mit einem Traktorreycler
Aus Systemkomponenten können mit geeigneten Traktoren funktionstüchtige Fräsrecycler konzipiert werden. Es werden dabei der Vorratstank mit den Sprühdüsen an der Vorderseite montiert, der Recycler an der Rückseite angebracht. Das auf den Boden aufgesprühte Material wird dann bei konstanter Fahrgeschwindigkeit intensiv eingemischt.
Versuche wurden mit Geräten der Fa. Gutzwiller, Lucelle, Frankreich, durchgeführt und ergaben ähnliche Ergebnisse wie mit der BOMAG^® MPH 120.
Die Verdichtung und Planierung kann nach Beendigung des Fräs- und Mischvorganges durch Rüttelplatten erreicht werden, die an den Traktor montiert werden.
Der Arbeitsablauf ist in beiden Fällen gleich: In einem typischen Beispiel wird als gegenüber Kohlendioxid reaktive Komponente eine Mischung aus 56 Teilen Kaliummethylsiliconat und 22 Teilen Natriumwasserglas und 22 Teilen Wasser (jeweils Gewichtsanteile an der Gesamtmischung) eingesetzt.
Der aufgerissene Boden wird mit ca. 4 l/m³ dieser Mischung wie oben beschrieben versetzt und mit maschinentypischen Parametern intensiv gemischt. Nach dem Befeuchten und Planieren wird der Boden mit Walzen oder Rüttelplatten verdichtet.
2. Hydrophobierung von Wüstensand
Für diesen Anwendungszweck eignet sich ebenfalls das mixed in place Verfahren, die Maschinentechnik ist identisch mit den o. g. Gerätschaften. Je nach Feuchtgehalt des vorhandenen Sandes werden für den Fall, dass es sich bei der als gegenüber Kohlendioxid reaktiven Komponente um die oben beschriebene Mischung aus 56 Teilen Kaliummethylsiliconat und 22 Teilen Natriumwasserglas und 22 Teilen Wasser (jeweils Gewichstanteile an der Gesamtmischung) handelt, Materialmengen von ca. 4 l/m³ eingesetzt. Die anschließende Verdichtung unterscheidet sich dabei von der Anwendung im Straßenbau. An die Tragfähigkeit werden weniger hohe Anforderungen gestellt, da Schwerlastverkehr auf Rasenflächen planmäßig nicht vorkommt.
Bei sehr trockenen Sanduntergründen kann mit der Mischung aus 56 Teilen Kaliummethylsiliconat und 22 Teilen Natriumwasserglas und 22 Teilen Wasser (jeweils Gewichstanteile an der Gesamtmischung) als gegenüber Kohlendioxid reaktiver Komponente gearbeitet werden und das erfindungsgemäße Verfahren kann ausgeübt werden, wenn die besagte Mischung mit sauberem Wasser so verdünnt wird, dass sich letztendlich eine Bodenfeuchte von 6–8% ergibt.
3. Stationäre Anlagen
Das erfindungsgemäße Verfahren kann ebenso auf stationären Anlagen, wie z. B einer Anlage der Firma Wirthgen, ausgeübt werden. In diesem Fall ist es günstig, die benötigte gegenüber Kohlendioxid reaktive Komponente mit Wasser vorzuverdünnen und dann in der berechneten Menge zu dosieren.
Die Dauer des Mischvorganges richtet sich nach den Ergebnissen der Voruntersuchungen des Praxistestes. Der so behandelte Sand kann anschließend zur späteren Verwendung in Säcke abgefüllt oder gegebenenfalls für den Transport verladen werden.
Beispiel für eine erfindungsgemäße modifizierte Erdbaumasse:
Als gegenüber Kohlendioxid reaktive Komponente wird eine Mischung aus 56 Teilen Kaliummethylsiliconat und 22 Teilen Natriumwasserglas und 22 Teilen Wasser (jeweils Gewichstanteile an der Gesamtmischung) verwendet. Das Kaliummethylsiliconat reagiert mit Kohlendioxid zu einem Methylsiliconharz aus.
Dieses Harz ist hoch hydrophob und kann einer Erdbaumasse unter geeigneten Bedingungen hydrophobe Eigenschaften verleihen und zur Verfestigung führen. Durch die Wasserabweisung werden die mech. Eigenschaften des Bodenmaterials erhalten und führen zu einer erhöhten Frostbeständigkeit und damit Stabilität des Untergrundmateriales.
Problematisch ist dabei die Wasserlöslichkeit des genannten Gemisches vor dessen Aushärtung. Bei Regenfällen oder einem erhöhten Wassergehaltes des Bodenmaterials besteht die Gefahr, dass unter solchen Einflüssen durch Verdünnungsvorgänge die Wirksamkeit der bezeichneten Mischung im Bodenmaterial reduziert wird. Bei Verwendung der bezeichneten Mischung werden Zusatzmengen von 3–7 l/m³ empfohlen.
Im konkreten Beispiel wurde der Zusammenhang zwischen der Reaktionsgeschwindigkeit der gegenüber Kohlendioxid reaktiven Komponente wie oben im Beispieltext beschrieben ausgedrückt durch die Geschwindigkeit der Ausbildung des hydrophoben Effektes und dem Vorhandensein und dem Eintrag von Kohlendioxid in das Erdbaumaterial untersucht und der erfindungsgemäß beschriebene Zusammenhang gefunden.
Als Bodenmaterial wurde eine Bodenprobe aus einer ländlichen Gegend von Bihar in Indien gewählt, die ein Schüttgewicht von 1234 g/l aufweist und einen Feuchtegehalt von ca. 3,5 Gew.-% besitzt.
Das gewählte Bodenmaterial ist hinsichtlich Sieblinie und Zusammensetzung repräsentativ für viele weitere Bodenmaterialien, die untersucht wurden.
Das verwendete Bodenmaterial aus Bihar entspricht nach der USCS Klassifikation (Unified Soil Classification System) einem Bodenmaterial der Klasse CL-ML.
Die Richtwerte einiger wichtiger Kennziffern des Bodenmateriales in seinem natürlichen Zustand sind in folgender Zusammenstellung aufgeführt:

Klassifizierung Geotechnische Mittlere Kornverteilung [mm]

nach USCS Bezeichnung 0–0,002 0,002–0,06 0,06–2,0 2,0–60,0

CL-ML: Silt-toniger Silt

Ton Silt Sand Kies

12% 58% 26% 4%

Bodenprobe aus Bihar: Einsatzmenge: 250 g
Aktueller Feuchtegehalt: ca. 3,5%
Optimaler Feuchtegehalt für den Eintrag und die Wirksamkeit der verwendeten gegenüber Kohlendioxid reaktiven Mischung: ca. 8%

Wird durch Wasserzugabe zu der eingesetzten gegenüber Kohlendioxid reaktiven Siliconat-Wasserglasmischung erreicht:
Siliconat-Wasserglasmischung: 1,09 g, wird mit 17,75 g Wasser versetzt.
Das bedeutet auf 1 m³ Bodenmaterial hochgerechnet einen Einsatz von 5 l/m³

Mischvorgang: intensives Mischen der Probe mit einem Laborspatel von Hand unter einer Gasatmosphäre. Dabei wurden verschieden zusammengesetzte Gasatmosphären gewählt: Raumluft (enthielt 4% Kohlendioxid), Stickstoffatmosphäre (praktisch kein von Kohlendioxid, d. h. Kohlendioxidgehalt < 0,5%), reine Kohlendioxidatmosphäre.
Mischzeit: 2 Minuten

Die Mischvorgänge dauerten jeweils genau gleich lang.
Nach den Mischvorgängen, wurden die Bodenproben weiterhin in der jeweiligen Gasatmosphäre belassen. Eine Verdichtung der Bodenprobe wurde erreicht, indem eine runde Metallscheibe von 5 cm Durchmesser mittig auf die Bodenprobe aufgesetzt und für 2 min mit einem Gewichtsstück von 10 kg Masse belastet wurde. Danach wurde das Verhalten von aus einer Pipette aufgesetzten Wassertropfen von 0,5 ml Volumen beobachtet und beurteilt. Die Wassertropfen wurden an mindestens 5 verschiedenen Stellen in der verdichteten Region der Bodenprobe aufgesetzt.
Die Ausbildung des Tropfens wird dabei als Beurteilungskriterium für das Fortschreiten der chemischen Reaktion verwendet.

Die Beurteilung erfolgte nach 5 min, 10 min, 20 min und 30 min. Beurteilung der Bodenproben: Ausbildung der Wassertropfen und kapillares Saugen

Zeit [min]	reines CO₂	Raumluft	reiner N₂*
5	leichte	keine	keine
	Tropfenbildung,	Tropfenbildung	Tropfenbildung
	beginnende
	Hydrophobie
10	Tropfenbildung	leichte	keine
	voll ausgebildet	Tropfenbildung	Tropfenbildung
20	kapillares	Tropfenbildung	leichte
	Saugen gebremst,	voll	Tropfenbildung
	Hydrophobie voll	ausgebildet
	ausgebildet
30		kapillares	leichte
		Saugen	Tropfenbildung
		gebremst,
		Hydrophobie
		voll
		ausgebildet,
		Reaktion

* nicht erfindungsgemäss

Nach 5 Stunden waren alle Proben hydrophob und zeigten die erforderliche optimale Tropfenausbildung.
Bei diesem Experiment zeigt sich klar, dass eine signifikante Verbesserung in Bezug auf eine frühe Ausbildung des Hydrophobieeffektes durch die Anwesenheit von homogen verteiltem Kohlendioxid gegeben ist. Dadurch wird der schädliche Einfluss von erhöhten Feuchtigkeitsbelastungen während der Ausbildung der Zieleffekte, z. B. durch Regen während des Arbeitsprozesses reduziert.
Das beschleunigte Ausreagieren der mit Kohlendioxid reaktiven Komponente, die zum Zwecke der Festigung, Hydrophobierung und Wasserrückhaltung zugegeben wird erlaubt des weiteren höhere Tagesleistung bei der Herstellung geeignet modifizierter Erdbaumassen für die im Text erwähnten Anwendungsbereiche, z. B. für den Straßenbau.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- SU 17967743 A [0008]
- JP 60004587 A [0008]
- DE 19548314 A [0008]
- JP 2283792 A [0009]
- DE 19921815 [0009]
- DE 19962600 [0010]
- DE 10062657 A1 [0011]
- DE 4325692 A1 [0012]
- JP 07050925 A [0013]
- US 2005/0150417 A1 [0014, 0014]
- GB 1466157 [0015]
- GB 1406289 [0016]
- GB 1180733 [0016]
- US 6946083 B2 [0017]
- EP 0992565 A1 [0019, 0019, 0020, 0020]

Claims

Verfahren zur Behandlung von Erdbaustoffen, welche a) Bodenmaterialien und b) gegenüber Kohlendioxid reaktive Komponenten enthalten, mit Kohlendioxid.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Bodenmaterialien (a) ausgewählt werden aus tonigen Bodenmaterialien (a) und kiesigen Bodenmaterialien (a) und Mischungen daraus.
Verfahren nach Anspruch 1 und 2, bei dem die gegenüber Kohlendioxid reaktiven Komponenten (b) ausgewählt werden aus Alkali- und Erdalkaliwasserglas und Alkali- und Erdalkalisiliconat und Mischungen daraus.
Verfahren nach Anspruch 3, bei dem als Alkaliwasserglas Natrium- oder Kaliumsilikate oder Mischungen daraus eingesetzt werden.
Verfahren nach Anspruch 3, bei dem die Alkalisiliconate aufgebaut sind aus Einheiten der allgemeinen Formel (I) R_a(R¹O)_b(M⁺O^–)_cSiO_(4-a-b-c)/2 (I),wobei R einen einwertigen SiC-gebundenen organischen Rest, R¹ einen einwertigen, unsubstituierten oder substituierten Kohlenwasserstoffrest, M⁺ Alkalimetallion oder Ammoniumion, insbesondere Na⁺ oder K⁺, a die Werte 0, 1, 2 oder 3, bevorzugt 1, b die Werte 0, 1, 2 oder 3, bevorzugt 1 oder 2, und c die Werte 0, 1, 2 oder 3, bevorzugt 1, bedeuten, mit der Maßgabe, daß die Summe aus a, b und c kleiner oder gleich 3 ist und pro Molekül mindestens ein Rest (M⁺O^–) anwesend ist.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, bei dem die Behandlung mit Kohlendioxid durch ein Gasgemisch erfolgt, dessen Gehalt an Kohlendioxid 0,05 bis 99 Volumenprozent beträgt.
Erdbaustoffe, behandelt mit Kohlendioxid nach dem Verfahren gemäss Anspruch 1 bis 6.