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Die
Erfindung betrifft Boden- oder Fundamentverfestiger, deren Verwendung
zum Verfestigen von Erdreich oder Fundamentmaterialien und entsprechende
Verfahren zum Verfestigen von Böden und Fundamenten.
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Bei
der Herstellung von Straßen wird in der Regel zunächst
eine Bodenschicht abgetragen, und nach Einebnung der Fläche
wird eine Schottertragschicht aufgebracht, gefolgt von einer Asphalt-Tragschicht,
einer Asphalt-Bindemittelschicht und einer Asphalt-Deckschicht.
Die Schottertragschicht weist häufig eine Mächtigkeit
von 50 bis 70 cm auf und hat damit die größte
Dicke der gesamten Beschichtung.
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Zur
Herstellung von Fundamenten wird üblicherweise ebenfalls
das Erdreich ausgehoben und nach einer Begradigung mit dem Fundamentmaterial befüllt.
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Diese
bekannten Verfahren führen zu hohen Baukosten, da ein Bodenaustausch
durchgeführt werden muss und zudem kostspielige Materiallieferungen,
Erdbau und Entsorgung von Böden sowie zahlreiche Transporte
notwendig sind. Typischerweise muss alter Boden abtransportiert
und in Deponien gelagert werden. Für manche Anwendungen
sind die Druckfestigkeiten noch nicht ausreichend, was zu einer
mangelnden Stabilität der verfestigten Böden oder
Fundamente führt.
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Die
WO 97/23433 betrifft Dispersionen
und deren Einsatz in Betonmischungen.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung von Boden- oder
Fundamentverfestigern, die es erlauben, ohne Abtransport des alten
Bodens und seine Entsorgung in unaufwendiger Weise erdbautechnische
Maßnahmen zur Bodenverbesserung, Bodenverfestigung und
Bodenstabilisierung durchführen zu können.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
Boden- oder Fundamentverfestiger oder entsprechende Mittel, enthaltend
ein Latexpolymer A, ein Verdickungsmittel B, einen Entschäumer
C und mindestens ein Salz oder Hydroxid D eines Alkali- oder Erdalkalimetalls
sowie gegebenenfalls Wasser.
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Es
wurde erfindungsgemäß gefunden, dass Boden- oder
Fundamentverfestiger, die ein Latexpolymer A, ein Verdickungsmittel
B, einen Entschäumer C und mindestens ein Salz oder Hydroxyd
D eines Alkali- oder Erdalkalimetalls enthalten, nach Einbringen in
Wasser in den bestehenden Boden eingebracht und unter Vermischen
in ihn eingearbeitet werden können, wobei nach einer kurzen
Abbindezeit bereits die verfestigende Wirkung einsetzt. Beispielsweise wird
der bestehende Boden einfach durchgefräst unter Eintrag
des erfindungsgemäßen Boden- oder Fundamentverfestigers
und nachfolgend abgebunden.
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Beim
erfindungsgemäßen Verfestiger handelt es sich
um ein, vorzugsweise wasserlösliches, umweltneutrales und
ungiftiges Additiv auf Polymerbasis für den Einsatz bei
erdbautechnischen Maßnahmen zur Bodenverbesserung, Bodenverfestigung und
Bodenstabilisierung mit hydraulischen Bindemitteln.
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Der
erfindungsgemäße Verfestiger kann beispielsweise
in fließfähiger fester Form vorliegen und
0,1
bis 50 Gew.-%, vorzugsweise 0,5 bis 25 Gew.-% der Komponente A,
0,05
bis 5 Gew.-%, vorzugsweise 0,1 bis 2 Gew.-% der Komponente B,
0
oder 0,05 bis 5 Gew.-%, vorzugsweise 0 oder 0,1 bis 2 Gew.-% der
Komponente C und
0,01 bis 10 Gew.-%, vorzugsweise 0,05 bis
5 Gew.-% der Komponente D enthalten,
wobei die Gesamtmenge
der Komponenten A bis D 100 Gew.-% ergibt. Der Verfestiger liegt
dabei vorzugsweise in Pulver-, Flocken- oder Granulatform vor. Andere
mögliche fließfähige feste Formen sind dem
Fachmann bekannt.
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Komponente
C kann vorliegen oder abwesend sein.
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Alternativ
kann der Verfestiger in fließfähiger flüssiger
Form vorliegen und dabei 3 bis 95 Gew.-%, vorzugsweise 30 bis 80
Gew.-% eines wie vorstehend beschriebenen Gemisches in 5 bis 97
Gew.-%, vorzugsweise 20 bis 70 Gew.-% Wasser enthalten.
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Der
in fließfähiger fester Form vorliegende Verfestiger
kann durch einfaches Einbringen in Wasser und Auflösen
oder Dispergieren darin in die fließfähige flüssige
Form gebracht werden.
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Die
fließfähige flüssige Form kann direkt
zur Einarbeitung in den Boden eingebracht werden, während
die fließfähige feste Form eine vereinfachte Lagerung
und einen vereinfachten Transport erlaubt. Das Einbringen in Wasser
kann unmittelbar vor der Anwendung erfolgen.
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Alle
Inhaltsstoffe des Verfestigers können in fester oder gelöster/dispergierter
Form eingesetzt werden. Beispielsweise kann das Latexpolymer A in Form
eines Pulvers oder einer Latexlösung eingesetzt werden.
Eine wässrige Latexlösung hat vorzugsweise eine
Konzentration von 30 bis 60 Gew.-%. In der gebrauchsfertigen Zusammensetzung
beträgt der Anteil des Latex vorzugsweise 0,5 bis 20 Gew.-%,
besonders bevorzugt 1 bis 10 Gew.-%. Der Anteil des Verdickungsmittels
B beträgt vorzugsweise 0,1 bis 5 Gew.-%, besonders bevorzugt
0,1 bis 2 Gew.-%. Der Anteil der Komponente D beträgt vorzugsweise
0,01 bis 10 Gew.-%, besonders bevorzugt 0,05 bis 5 Gew.-%.
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Der
Anteil des Entschäumers C beträgt, sofern er als
Emulsion eingesetzt wird, vorzugsweise 0,05 bis 5 Gew.-%, besonders
bevorzugt 0,1 bis 2 Gew.-%.
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Als
Latexpolymer A können beliebige geeignete Latexpolymere
eingesetzt werden, die in Wasser löslich oder dispergierbar
sind. Vorzugsweise handelt es sich beim Latexpolymer A um einen
Styrol-Butadien-Latex (SBR), (Meth)acrylat-Latex, Ethylen-Vinylacetat-Latex,
Ethylen/Propylen-Latex, Ethylen/Propylen-Dien-Latex (EPDM), Butadien-Acrylnitril-Latex
(NBR), Silikon-Latex (SI), Polybutadien-Latex (BR), Naturkautschuk-Latex
oder ein Gemisch von zweien oder mehreren davon. Der Latex kann dabei
unvernetzt oder vernetzt sein. Es ist auch möglich, einen
unvernetzten Latex gemeinsam mit einem Vernetzungsmittel einzusetzen.
Dabei werden insbesondere chemische Vernetzer mitverwendet. Das Molekulargewicht
des dem Latex zugrunde liegenden Polymers kann in weiten Bereichen
frei gewählt werden. Typischerweise beträgt das
Molekulargewicht 300 bis 1000000, bevorzugt 500 bis 100000 g/mol
(Zahlenmittel des Molekulargewichts, bestimmt durch Gelpermeationschromatographie).
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Besonders
bevorzugt wird ein vernetzter Latex oder ein Latex zusammen mit
einem Vernetzungsmittel eingesetzt. Geeignete Latices sind technisch
erhältlich und können aus einer Vielzahl von Quellen
bezogen werden. Besonders bevorzugt werden Acrylat-, Styrol-Butadien-
oder Ethylen-Vinylacetat-Latices eingesetzt.
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Bei
den Latices handelt es sich allgemein um kolloidale Dispersionen
von Polymeren in wässrigen Medien, die auch bei hohen Polymerkonzentrationen niedrige
Viskositäten aufweisen. Synthetische Latices werden typischerweise
durch Emulsionspolymerisation geeigneter Monomeren oder durch Dispergieren
von Polymeren in einem Dispersionsmittel hergestellt. Die Latices
können Zusatzstoffe wie Schutzkolloide, Stabilisatoren,
Pigmente und Vulkanisationshilfsmittel enthalten. Zudem können
die nachfolgend beschriebenen Verdickungsmittel enthalten sein.
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Als
Verdickungsmittel B können beliebige geeignete Verdickungsmittel
eingesetzt werden.
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Verdickungsmittel,
die auch als Quellungsmittel bezeichnet werden können,
sind in der Regel organische hochmolekulare Stoffe, die Flüssigkeiten, insbesondere
Wasser, aufsaugen, dabei aufquellen, und schließlich in
zähflüssige echte oder kolloide Lösungen übergehen.
Die Verdickungsmittel dienen dazu, die Viskosität der erfindungsgemäßen
Verfestiger zu erhöhen. Erfindungsgemäß können
beliebige geeignete Verdickungsmittel eingesetzt werden.
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Beispielsweise
können organische natürliche Verdickungsmittel
wie Agar-Agar, Carrageen, Tragant, Gummi arabicum, Alginate, Pektine,
Polyosen, Guar-Mehl, Johannisbrotbaumkernmehl, Stärke,
Dextrine, Gelatine oder Casein eingesetzt werden.
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Es
können zudem organische, abgewandelte Naturstoffe wie Carboxymethylcellulose
und andere Celluloseether, Hydroxyethyl- und -propylcellulose wie
auch Kernmehlether eingesetzt werden.
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Ferner
können organische, vollsynthetische Verdickungsmittel wie
Polyacryl- und Polymethacrylverbindungen, Vinylpolymere, Polycarbonsäuren, Polyether,
Polyimine oder Polyamine eingesetzt werden.
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Ferner
ist es möglich, dass anorganische Verdickungsmittel wie
Polykieselsäuren, Tonmineralien wie Montmorillonite, Zeolithe
oder Kieselsäuren eingesetzt werden.
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Bevorzugt
wird ein Verdickungsmittel auf Cellulose-Basis eingesetzt. Dabei
ist das Verdickungsmittel besonders bevorzugt ausgewählt
aus Carboxymethylcellulose, Cellulose-Ethern, Hydroxyethylcellulose,
Hydroxypropylcellulose und Gemischen von zweien oder mehreren davon.
Insbesondere wird Methylcellulose eingesetzt.
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Als
Komponente C werden erfindungsgemäße Entschäumer
mitverwendet. Hierbei handelt es sich um Substanzen, die an der
Grenzfläche flüssig-gasförmig einen geschlossenen
Film bilden und dadurch dem zu entgasenden Medium ermöglichen, in
sehr kurzer Zeit unter Zerstörung der Gasbläschen die
kleinste Oberfläche und damit den energieärmsten
Zustand auszubilden. Die den schon gebildeten Schaum zerstörenden
Entschäumer haben prinzipiell die gleiche Zusammensetzung
wie die die Schaumbildung verhindernden Schaumverhütungsmittel.
Es kann sich dabei um grenzflächenaktive Stoffe handeln,
die die Schaumbildner aus der Grenzfläche verdrängen,
ohne selbst Schaum zu erzeugen, oder um Produkte, die die Oberflächenspannung
des Wassers erhöhen, wie beispielsweise natürliche
Fette und Öle oder Fettalkohole. Vielfach werden Entschäumer
auf Silikon-Basis eingesetzt. Es können auch beispielsweise
Glykolether wie Polyethylen/Propylenglykolether oder Mischether
eingesetzt werden. Bevorzugt wird erfindungsgemäß eine
Entschäumeremulsion eingesetzt, wie sie handelsüblich ist.
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Als
Komponente D werden erfindungsgemäß mindestens
ein Salz oder Hydroxid eines Alkali- oder Erdalkalimetalls eingesetzt.
Dabei handelt es sich vorzugsweise um Natrium-, Magnesium- und/oder
Calciumverbindungen. Dabei werden insbesondere die Hydroxide oder
Chloride eingesetzt. Besonders bevorzugt wird eine Kombination aus
Natriumhydroxid und Calciumchlorid eingesetzt. Bezogen auf die gebrauchsfertige
flüssige Zusammensetzung beträgt der Anteil des
Natriumhydroxids vorzugsweise 0,01 bis 0,15 Gew.-%. Der Anteil des
Calciumchlorids beträgt vorzugsweise 0,5 bis 5 Gew.-%.
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Natriumhydroxid
und Calciumhydroxid werden zur Einstellung des pH-Werts und zur
Stabilisierung der erfindungsgemäßen Zusammensetzung eingesetzt.
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Die
erfindungsgemäßen Verfestiger können ferner
weitere übliche Hilfs- und Zusatzstoffe enthalten.
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Die
erfindungsgemäßen Verfestiger können durch
einfaches Vermischen der Ausgangsstoffe hergestellt werden. Dabei
können die Pulver der Ausgangsstoffe vermischt werden.
Es können auch wässrige Lösungen, Emulsionen
oder Dispersionen der Ausgangsstoffe miteinander vermischt werden, um
zu einer anwendungsfertigen fließfähigen flüssigen
Zusammensetzung zu gelangen.
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Die
erfindungsgemäßen Boden- oder Fundamentverfestiger
werden, gegebenenfalls nach Vermischen mit Wasser, zum Verfestigen
von Erdreich bzw. Erdboden, Erdreich enthaltenden Materialien wie
Mischungen aus Erdreich und Straßenbelägen oder
Baumaterialien, oder Fundamentmaterialien eingesetzt. Gemäß einer
Ausführungsform der Erfindung wird der Verfestiger nicht
in Beton oder Zement eingesetzt. Beton- oder Zementzusätze
bei der Verfestigung von Erdreich sind in aller Regel unkritisch.
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Die
Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Verfestigen von Böden
und Fundamenten, bei dem man einen wie zuvor beschriebenen Boden-
oder Fundamentverfestiger, gegebenenfalls nach Vermischen mit Wasser
und gegebenenfalls gemeinsam mit Zement und/oder Füllstoffen
in den Boden oder das Fundament unter Vermischen mit dem Boden oder
Fundament einarbeitet. Dabei kann es sich bei dem Boden um den Untergrund
einer Verkehrsfläche, z. B. einer Straße, eines
Weges oder eines, z. B. asphaltierten, Platzes handeln. Allgemein
kann ein beliebiger Untergrund erfindungsgemäß behandelt werden.
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Typischerweise
wird der erfindungsgemäße Boden- und Fundamentverfestiger
mit einer Fräse in den zu verfestigenden Boden eingearbeitet.
Dadurch entfällt das üblicherweise notwendige
und aufwendige Ersetzen des entstehenden Bodens. Beispielsweise
wird die erfindungsgemäße flüssige Zusammensetzung über
eine Mikroprozessor-geregelte Pumpe in den Einzugsbereich einer
Fräse eingesprüht und durch die Fräse
mit dem Boden oder Erdreich vermischt. Dabei kann beispielsweise
Zement oder ein weiterer Füllstoff vorgestreut werden,
der dann ebenfalls in den Boden eingebracht wird. Bei der Sanierung
von Bodenflächen, beispielsweise Straßen, kann
die gesamte Straßenoberschicht mit der Fräse vermischt
werden unter Hinzufügung des erfindungsgemäßen
Verfestigers. Ein Abtrag einzelner Schichten kann dabei vermieden
werden.
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Im
erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt typischerweise
zunächst eine Probennahme des Bodens, so dass bodenmechanische
Laboruntersuchungen durchgeführt werden können.
Zudem können geotechnische Voruntersuchungen durchgeführt werden,
und bei Verkehrsflächen können die Lasten und
die Häufigkeit des Verkehrs festgestellt werden. Ferner
kann das Klima bestimmt werden, beispielsweise die Frosthäufigkeit
und die Niederschlagsmenge. Hieraus kann die Dosierung des Zements
ermittelt werden, wie auch die Dosierung des erfindungsgemäßen
Festigers. Nachdem beispielsweise der Boden durch Planierer, Grader
und Raupe vorbehandelt wurde, können sich ein Zementaufstreuen
und ein Einbringen des erfindungsgemäßen Verfestigers über
eine Fräse anschließen. Sodann können
sich wiederum Planierer, Grader und Raupe wie auch Walze anschließen.
Typischerweise wird sodann eine Probenahme durchgeführt,
und die Tragfähigkeit nach dem Abbinden wird untersucht.
Hierdurch kann eine angemessene Qualitätssicherung sichergestellt
werden. Abschließend kann beispielsweise ein Asphaltauftrag
in gewohnter Weise erfolgen, wobei auf eine Schottertragschicht
verzichtet werden kann.
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Ohne
an eine Theorie gebunden zu sein, wird davon ausgegangen, dass der
Latex vernetzt und zusammen mit der Emulsion Kapillarwasser aus dem
Boden oder Fundament verdrängt. Das Verdickungsmittel bindet
zudem Wasser.
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Höhere
Bodenfestigkeiten und Betonfestigkeiten werden erfindungsgemäß durch
die Beimengung feinster Zusatzstoffe erzielt. Dabei werden vorzugsweise
bei der Herstellung von hochfesten Betonen Silikatpartikel zugegeben.
Diese Silikatpartikel sind etwa 30- bis 100-mal kleiner als die
Zementkörper (Durchmesser im Mikrometerbereich) und bestehen
nahezu vollständig aus amorphem Siliciumdioxid. Aufgrund
ihrer Gestalt und Größe sind die Silikatpartikel
in der Lage, einen Teil des Porenraums zwischen den Zementkörnern
wesentlich besser auszufüllen. Damit wird die wegen der
dispergierenden Wirkung der Fließmittel bewirkte Gefügeverdichtung des
Zementsteins noch einmal deutlich gesteigert, und es wird eine höhere
Dichte erreicht. Zusätzlich zur Zementhydratation läuft
eine putzolanische Sekundärreaktion zwischen dem bei der
Zementhydratation entstehenden Calciumhydroxid und den Silikatpartikeln
ab. Hierbei wird Calciumsilikathydrat gebildet, das gegenüber
den Ausgangsstoffen eine höhere Festigkeit aufweist. Erfindungsgemäß wird durch
diese Vorgehensweise außerdem die Mikrostruktur in der
Verbundzone zwischen Zementstein und Zuschlag deutlich verbessert.
Dieser verbesserte Verbund zwischen Zuschlag und Matrix durch Beeinflussung
des Calcium- und Ettringit-Gehaltes trägt wesentlich zur
Festigkeitssteigerung bei. Erfindungsgemäß werden
diese Hilfsstoffe, bezogen auf Zement, in einer Menge von 5 bis
99 Gew.-%, besonders bevorzugt 10 bis 50 Gew.-% eingesetzt.
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Dabei
werden besonders bevorzugt Silikatpartikel zugegeben, die vorzugsweise
eine mittlere Teilchengröße im Bereich von 100
bis 1000 nm aufweisen.
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Das
Verhältnis von erfindungsgemäßem Verfestiger
zu Zement kann in weiten Bereichen frei gewählt werden.
Bevorzugt ist ein Anteil von Verfestiger (bestimmt als Trockenmasse),
bezogen auf den Zement, von 0,1 bis 20 Gew.-%, besonders bevorzugt 0,3
bis 10 Gew.-%.
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Der
Einsatz des erfindungsgemäßen Boden- und Fundamentverfestigers
ist besonders vorteilhaft für
- – Unterbau
und Tragschicht für Landes-, Bundesstraßen und
Autobahnen
- – Geh- und Radwege mit und ohne Oberbau
- – Forst-, Wald- und Wirtschaftswege
- – Parkplätze, Lager-, Containerflächen
mit/ohne Oberbau
- – Baustellenzufahrten
- – Sanierungsarbeiten, Aufbereitung von Wirtschaftswegen
- – Garten- und Landschaftsbau
- – Stabilisieren von humusreichen Böden, (Klär)Schlämmen
und Flugaschen
- – Gründungen im Spezialtiefbau
- – Rollbahnen
- – Erschließungsstraßen
- – Befestigung von Schotterpisten.
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Wesentliche
Vorteile der erfindungsgemäßen Boden- oder Fundamentverfestiger
sind
- – höhere Festigkeit,
Bruchverformung, Verformungsmodul
- – geringere Wasseraufnahmefähigkeit
- – geringere Wasserdurchlässigkeit und Wassereindringung
- – höhere Frostbeständigkeit und Witterungsbeständigkeit
- – besseres Schrumpfverhalten und kein Austrocknen
- – schnelleres Abbindeverhalten
- – Abbinden bei organischen Bestandteilen
- – Abbinden bei Schadstoffen im Boden
- – Abbinden mit Süß- und Salzwasser
- – bessere Verarbeitbarkeit und Verdichtbarkeit
- – hohe Haltbarkeit.
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Zudem
ist der erfindungsgemäße Verfestiger umweltverträglich
und kann sogar zum Abbinden und damit Stabilisieren von verunreinigten
Böden verwendet werden. Selbst unter schwierigsten Bedingungen,
unter denen eine Straßensanierung bzw. ein Straßenbau
herkömmlicher Art nicht mehr möglich sind, kann
die Verarbeitung der erfindungsgemäßen Verfestiger
erfolgen, beispielsweise bei Frost.
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Der
Einsatz der erfindungsgemäßen Verfestiger führt
zu einer erheblichen Senkung von Baukosten durch Einsparung der
Aufwendungen für den Bodenaustausch, Transport, Materiallieferungen,
Erdbau und Entsorgung von Böden. Die Bauzeit kann so um
bis zu 50% gesenkt werden. Ein Befahren des Baufeldes ist nach kurzer
Zeit, typischerweise zwei Tagen, in Folge des schnellen Abbindevorgangs möglich.
Die Instandhaltungskosten können gesenkt werden, wobei
gleichzeitig wesentlich höhere Druckfestigkeiten erreicht
werden. Auch bei Frost kann das erfindungsgemäße
Verfahren durchgeführt werden.
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Die
Erfindung betrifft auch mit dem erfindungsgemäßen
Verfestiger verfestigtes Erdreich, Erdreich enthaltende Materialien
oder Fundamentmaterialien.
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Die
Erfindung wird durch das nachstehende Beispiel näher erläutert.
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Zusammensetzung
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Die
folgenden Inhaltsstoffe werden unter Verrühren miteinander
vermischt, wobei die angegebenen Mengen Gew.-% sind: 92,5% Wasser,
0,4% Cellulose, 2,0% Calciumhydroxid, 5,0% wässrige 55%ige
Latexlösung, 0,1% Entschäumer-Emulsion.
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Die
Zusammensetzung kann direkt zur Bodenverfestigung eingesetzt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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