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Verfahren zur Verbesserung von Böden und Bodenformationen Es sind
Verfahren bekannt, nach denen synthetische Polymere als Bodenverbesserungsmittel
verwandt werden. So dienen z. B. vernetzte Polyacrylamide in Form ihrer wasserhaltigen
Gele als Bodenverdichtungsmittel. Nach diesem Verfahren wird eine wäßrige Lösung
von monomerem Acrylamid in Kombination mit einer vernetzend wirkenden Substanz am
Ort der Verwendun- zu einem stark wasserhaltigen Gel polymerisiert. Dieses im Erdboden
durch Polymerisation entstandene Gel kann beispielsweise die Aufgabe erfüllen, von
oben in den Boden eindringendes Wasser gegen Versickern abzudichten. Diese
Gele aus Polyacrylamid haben jedoch. den Nachteil, daß sie nach Austrocknung kein
Wasser wieder aufnehmen können.
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Diese Unfähi(rkeit, wieder Wasser aufzunehmen, entspricht weder technisch
noch wirtschaftlich den gestellten Anforderungen.
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Bodenverdichtungsmittel we,-den z. B. dazu verwendet, den Boden, auf
dem Staumauern von Stau-Seen stehen, nach vorausgegangener Abdichtung durch Zementinjektionen
gegen eindringendes Wasser vollständig abzudichten. Bei großer Trockenheit kommt
es vor, daß die Talsperren ihr gespeichertes Wasser ab-eben und unter Umständen
sogar völlig austrocknen. Gleichzeiti- damit sinkt der Grundwasserspieg, el erheblich
ab. Dadurch trocknen auch die in den Bodenspalten als Dichtungsmittel vorhandenen
Kunststoff#gele weitgehend ein, und durch die dabei entstehende Schrumpfung geht
der Dichtungseffekt verloren. Wenn sich der Grundwasserspiegel nach jahreszeitlicher
Änderung wieder hebt und die Talsperren wieder mit Wasser gefüllt werden, so sind
die nach dem bekannten Verfahren hergestellten und gegebenenfalls im Boden eingetrockneten
Gele nicht in der Lage, wieder Wasser aufzunehmen, zu ihrer ursprünglichen Größe
aufzuquellen und damit die Bodenabdichtun- wieder vollkommen herzustellen.
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bodenverdichtung, bei dem
der abdichtende Effekt auch bei großen Temperatur- und Feuchtigkeitsschwankungen
erhalten bleibt und ist dadurch gekennzeichnet, daß man Polymerisate von Aerolein
oder Co- oder Pfropfpolymerisate des Acroleins mit Vinylmonomeren und Alkali oder
getrocknete Gele aus wäßrigen Dispersionen von Polymerisaten des Aeroleins und Alkalihydroxyd
in feinverteilter Form in Gegenwart voll
Wasser in den Boden einbringt. Die
bei der Reaktion von Acroleinpolymerisat und Alkalihydroxyd in Gegenwart von Wasser
gebildeten Gele, deren Verfestigungszeiten in weiten Grenzen einstellbar sind, sind
reversibel quellbar. Nach völligem Austrocknen nehmen sie wieder Wasser auf, quellen
zu ihrer ursprünglichen Größe und haben den gleichen Dichtungseffekt wie vor dem
Austrocknen.
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Als Comonomere für die Co- oder Pfropfpolymerisate werden Vinylmonomere,
wie Methylmethacryl.at, Vinylacetat, Styrol, Acrylamid oder Acrylnitril, verwendet.
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Die mittleren Molekulargewichte der Polymerisate liegen zwischen
10 000 und 1000 000. Die Polymerisate werden in Form von wäßrigen
Dispersionen eingesetzt.
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Als Dispersionspolymere werden am vorteilhaftesten Emulsionspolymere
verwendet, es können aber auchfeste, wasserfeuchte Polyacroleine oder entsprechende
Copolymerisate mit einem Trockensubstanzgehalt, der im Bereich zwischen
10 und 95 Gewichtsprozent liegen kann, gegebenenfalls unter Zuhilfenahme
eines Emulgators, durch intensive Mischung in Wasser disperffiert werden.
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Zur Herstellung der erfindungsgemäßen Gele werden die in Wasser feinverteilten
Polymerisate des Acroleins mit Alkalihydroxydlösuneen versetzt. Die Trockensubstanz
des Gemisches besteht zu 1 bis 9 Teilen aus Polymerisaten des Acroleins
bzw. 9 bis 1 Teilen Alkalihydroxyd. Der Trockensubstanzgehalt des
Gesamtgemisches kann in weiten Grenzen schwanken und z. B. weniger als
1 Gewichtsprozent betragen.
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Vorzugsweise werden bei der Herstellung der Gemische Polymerdispersionen
mit 5 bis 30 Gewichtsprozent Trockensubstanz verwendet. Die Alkalihydroxydlösungen
sind
im allgemeinen 3- bis 30gewichtsprozentig.
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Die Gemische werden im Bereich zwischen -5 und +100'C, besonders
zwischen +5 und +50'C,hergestellt.
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Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt in
der Möglichkeit, die Verfestigungszeit der Gele in weiten Grenzen einzustellen.
Das Gel bildet sich nicht plötzlich, sondern über eine stufenweise Viskositätszunahme.
Trotzdem kann aber die gesamte Verfestigungszeit recht kurz sein.
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Die Verfestigungszeit hängt ab von der Auswahl des Polymeren und dem
Wassergehalt des Gemisches aus Polymerdispersion und Alkalihydroxydlösung.
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Polyacrolein oder Copolymerisate des Acroleins können durch Alterung
in einen Zustand übergeführt werden, bei dem die Gelbildungsreaktion mit Alkalihydroxydlösung
langsamer erfolgt als unter gleichen Reaktionsbedingungen mit einem ungealterten
Polymeren. Eine Grobeinstellung der Verfestigungszeit ist somit durch geeignete
Auswahl eines gealterten Polymeren gegeben.
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Soll die Verfestigungszeit noch weiter variiert, d. h. verlängert
werden, so wird dem bereits gelbildenden, aber noch flüssigen Gemisch aus Polymerdispersion
und Lauge nach einer experimentell festgestellten Initialzeit eine bestimmte Menge
Wasser oder verdünnte wäßrige Säure zugegeben. In Abhängigkeit von der Menge des
zugegebenen Verdünnungsmittels ist die Verfestigungszeit variierbar. Allerdings
soll der Trockensubstanzgehalt in dem dann vorliegenden Gemisch 1 Gewichtsprozent
nicht wesentlich unterschreiten.
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Hierdurch ist es möglich, besonders genau die für den jeweiligen Fall
notwendigen Verfestigungszeiten einzustellen. Mit anderen Worten: Durch Auswahl
des Polymerisats des Acroleins und durch Verdünnung mit Wasser und/oder Säure kann
eine Feineinstellung erreicht werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann allen vorkommenden Situationen
hinreichend angepaßt werden. Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß
das Verfahren einstufig durchführbar ist. Beim Hintereinandereinpressen von zwei
Reaktionsmedien treten durch zu frühes Ingangsetzen der Reaktion sehr leicht Verstopfungen
in den Poren, Kanälen usw. der betreffenden Formation auf, die einem weiteren Einpressen
erheblichen Widerstand entgegensetzen und eine völlige Durchdringung der zu verdichtenden
Formation mit den Reaktionslösungen unmöglich machen. Diese Gefahr ist bei der einstufigen
Durchführung des Verfahrens nicht gegeben.
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Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren entstehenden Gele sind temperaturunempfindlich.
Ihre Quellfähigkeit verringert sich auch nicht nach mehrstündigem Erhitzen auf höhere
Temperaturen. Werden die Gele sehr hoch, z. B. auf 300'C, erhitzt, so quellen
sie trotzdem nach Wasserzugabe wieder auf und besitzen noch einen hohen Dichtungseffekt.
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Es ist auch möglich, zunächst die Gele aus Polymerisaten des Acroleins
und Alkali bei erhöhten Temperaturen zu trocknen und sie in Form von Trockengelpulver
als Dichtungsmittel zu verwenden. Das Wasser wird von ihnen sehr schnell aufgenommen,
und es entsteht wiederum ein wäßriges Gel.
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Bei der Herstellung der Trockengelpulver ist die Menge an Trockensubstanz
in dem wäßrigenAusgangsgel ohne Bedeutung, Selbst Gele mit nur 3 Gewichtsprozent
Trockensubstanz ergeben verwendungsfähige Trockengelpulver.
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Die nach dem Abdichten in den Böden bzw. Bodenformationen verliegenden
Gele sind unempfindlich gegen saure Wässer (pH-Wert etwa 4 bis 6) sowie gegen
die in den Böden vorkommenden Ionen wie NH4+, Na+ ' K+, Ca++, Ba++, Mn++,
Mg++, Cu++, AI++, Fe+ Fe+++. Ihre Struktur und damit ihr Dichtungseffekt bleibt
auch in sauren sowie in kalk-oder tonhaltigen Böden erhalten.
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Nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung kann die hydrophile Eigenschaft
und damit die reversible Quellung der Gele durch Zumischen von Formaldehyd zu dem
Gemisch aus wäßriger Polymerdispersion und Lauge noch verstärkt werden.
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Weiter ist es möglich, das entstehende Gel mechanisch zu verstärken.
Dazu werden den Gemischen aus Polyacroleindispersion und Lauge während der Gelbildung
Sand, Wasserglas, wasserlösliche oder quellbare Cellulose oder Stärkederivate (fest
oder in Lösung), Polyvinylalkohol, Polymerdispersionen, insbesondere Polyvinylacetat
oder Polyacrylsäureester und/oder hochdisperse Füllstoffe, wie Kieselsäure, Ruß
u. dgl., zugefügt. Auch Gemische aus Gel und Sand können zur Herstellung von dichtenden
Schichten verwendet werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich für die verschiedensten
Dichtungszwecke, vor allem zur Isolierung gegen eindringende Wässer, z. B. für den
Untergrund von Stauseemauern, für das Abdichten von Staudämmen und Kanalbauten,
bei Flußregulierungen und bei der Anlage von Seen und Teichen, für die Verfestigung
von Bohrlöchern oder auch von lockerem Sand, wie Sandböden, Wanderdünen. Dabei können
die Gele als solche oder unter Mitverwendung von Zement und Mörtel abdichtend und
verfestigend wirken.
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Weiter ist es möglich, z. B. die Sandböden selbst mit dem Trockengel
zu vermischen und das auf natürlichem oder künstlichem Wege zugeleitete Wasser mit
Hilfe des aufquellenden Gels festzuhalten. Diese Möglichkeit hat Bedeutung für die
Fruchtbarmachung von Sand- oder Wüstenböden. Beispiel 1
5 Teile einer
wäßrigen Dispersion von Polyacrolein vom Molgewicht 80 000 mit 20 Gewichtsprozent
Feststoffgehalt werden mit 5 Teilen lOgewichtsprozentiger Natronlauge vermischt
und bei 25'C in eine Form gegossen. Die anfangs milchigweiße Emulsionsmischung färbt
sich langsam gelblichbraun, gleichzeitig verschwindet die Emulsionsfarbe immer mehr,
und die Viskosität der Mischung nimmt ständig zu. Nach etwa 5 Minuten, vom
Zeitpunkt des Vermischens an gerechnet, bildet sich ein bräunliches, klares Gel,
das die Form ohne Schrumpfung vollständig ausfüllt. Das Gel kann in Wasser noch
weiter aufquellen, es ist aber nicht in Wasser löslich. Beispiel 2 100Volumteile
einer wäßrigen Dispersion von Polyacrolein (Molgewicht 80000) mit einem Feststoffgehalt
von 20Gewichtsprozent werden mit 60Volumteilen 20gewichtsprozentiger Natronlauge
vermischt. Ein kleiner Teil dieser Mischung wird sofort in das Ablaufrohr eines
Trichters gegossen, das unten mit einem Stopfen verschlossen war. Innerhalb von
30 Sekunden nach dem Vermischen der beiden
Komponeten bildet
sich ein klares, braungefärbtes Gel. Der Stopfen wurde irn Ablaufrohr des Trichters
entfernt und nun der Trichter mit Wasser gefüllt. Das Gel bewirkt eine vollständige
Abdichtung, das eingefüllte Wasser kann weder ablaufen noch durchsickern.
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Beispiel 3
5 Teile einer wäßrigen Dispersion von Polyacrolein
mit 20 Gewichtsprozent Feststoffgehalt werden bei 20'C mit 10 Teilen
lOgewichtsprozentiger Natronlauge vermischt. Innerhalb von 130 Sekunden bildet
sich ein bräunliches, klares Gel, das ausreichende Festigkeit besitzt und gegenüber
Wasser als Dichtun-smittel wirksam ist.
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Um bei der Herstellung des Gels am Ort der Verwendung, z. B. als Bodenverdichtungsmittel,
eine ausreichende Verfestigungszeit zur Verfügung zu haben, werden entsprechend
dem oben angegebenen Beispiel 100 Sekunden nach dem Vermischen von
5 Teilen einer wäßrigen Dispersion von Polyacrolein mit 20 Gewichtsprozent
Feststoffgehalt mit 10 Teilen lOgewichtsprozentiger Natronlauge
3,5 Teile Wasser in die viskoser gewordene Mischung eingeführt. Dadurch bleibt
die Mischung länger fließfähig; erst nach 7 Minuten tritt Gelierung ein.
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Wird unter genau analogen Reaktionsbedingungen anstatt mit
3,5 Teilen mit 4,0 Teilen Wasser verdünnt, so wird eine noch längere Verfestigungszeit
erhalten. Die Gelbildung erfolgt erst nach 15 Minuten.
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Wenn die zur Verdünnung verwendete Wassermenge noch weiter vergrößert
wird, so daß anstatt mit 4,0 Teilen unter wiederum genau analogen Bedingun-,en mit
4,5 Teilen Wasser verdünnt wird, so wird eine Verfestigungszeit von über einer Stunde
erhalten. Die Reaktionsmischung nimmt an Viskosität zu, bleibt aber noch weiter
fließfähig. Erst nach 11/2 bis 2 Stunden wird ein Gel gebildet.
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Es ist ebenfalls möglich, zur Veränderung der Verfestigungszeit verdünnte
Salzsäure an Stelle von Wasser als Verdünnungsmittel zu vdwenden. Eine Verfestigungszeit
von 15 Minuten bis zur Gelbildung wird erhalten, wenn unter den oben angegebenen
Bedingungen nach 100 Sekunden Initialzeit mit 2Teilen lOgewichtsprozentiger
Salzsäure verdünnt wird.
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C
Beispiel 4 5 Teile einer wäßrigen Dispersion von Polyacrolein
mit 20 Gewichtsprozent Feststoffgehalt werden bei 20'C mit 10 Teilen
lOgewichtsprozentiger Natronlauge vermischt. Nach 100 Sekunden Initialzeit
wird 1 Teil 40gewichtsprozentiger Formaldehyd zugegeben. Unter langsam ansteigender
Viskosität wird nach 3 Minuten ein gelbliches, reversibel quellbares Gel
erhalten.
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Beispiel 5
Eine Mischung aus 5 Teilen einer wäßrigen
Dispersion von Polyacrolein mit 20 Gewichtsprozent Feststoffgehalt mit
5 Teilen 1-ewichtsprozentiger wäßriger Lösung von Tylose wird bei
20'C mit 5 Teilen 20gewichtsprozentiger Natronlauge versetzt. Innerhalb
von 2 Minuten bildet sich ein festes, klar durchsichtiges Gel.
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Wenn anstatt 5 Teile wäßriger Tyloselösung O,lTeil Tylose MH
300 als feste Substanz unmittelbar vor der NaOH-Zugabe in dem Dispersionspolyacrolein
vermischt wird, so bildet sich unter sonst analogen Bedingungen innerhalb von einer
Minute ein klares, festes Gel.
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Beispiel 6
In 5Teile einer wäßrigen Dispersion von Polyacrolein
(wie im Beispiell) werden O,lTeil hochdisperse Kieselsäure verteilt und anschließend
5 Teile 20gewichtsprozentige Natronlauge zugegeben. Die Mischung erstarrt
innerhalb von einer Minute zu einem klaren, gelblichbraunen Gel mit erhöhter Festigkeit.
Beispiel 7
Eine Mischung aus 5 Teilen einer wäßrigen Dispersion von
Polyacrolein (wie im Beispiel 1) und 9 Teilen 50gewichtsprozentiger
Polyvinylacetatdispersion werden mit 5 Teilen 20gewichtsprozentiger Natronlauge
homogenisiert. Innerhalb von 2 Minuten entsteht ein gelblichweißes Gel, das in gewissem
Umfang elastische Eigenschaften zeigt.
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Wenn bei der Gelbildung überschüssige Natronlauge angewandt wird,
so kann diese durch Polyvinylacetat inaktiviert werden, indem durch partielle Verseifun-
Natriumacetat entsteht.
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Beispiel 8
9Teile einer Dispersion von Polyacrolein mit 20Gewichtsprozent
Feststoffgehalt werden verdünnt mit 4,5Teilen Wasser, und anschließend wird mit
12Teilen lOgewichtsprozentiger Natronlauge versetzt. Es wird mit 100 Teilen
Sand vermischt und diese Mischung in ein weites, unten offenes Rohr eingefüllt,
derart, daß die Sandmischung eine Füllhöhe einnimmt, die etwa gleich ist dem Durchmesser
des Rohres. Die Sandschicht wird mit dem etwa gleichen Volumen Wasser überschichtet.
Das sich bildende Gel verhindert ein Eindringen des Wassers in die Sandschicht.
Aus dem unten offenen Rohr fließt selbst nach mehrtägigem Stehen kein Wasser ab.
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Wird die obenerwähnte Sand-Gel-Mischung dazu verwendet, auf einen
eingelegten Filter in einem Trichter eine 0,3 bis 0,5 cm dicke Schicht
aufzubauen, und anschließend 15 Stunden trocknen gelassen, so werden nach
Einfüllen von 100 Teilen Wasser selbst durch diese dünne Dichtungsschicht
erst nach etwa 5 bis 6 Stunden 50 Teile Wasser hindurchgelassen.
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Beispiel 9
6 Teile einer wäßrigen Dispersion von Polyacrolein
mit 20 Gewichtsprozent Feststoffgehalt werden mit 6 Teilen Wasser verdünnt
und anschließend mit 8 Teilen lOgewichtsprozentiger Natronlauge vermischt.
Das nach wenigen Minuten gebildete Gel wird zerkleinert und bei 120'C 3 Stunden
getrocknet. Der Rückstand wird in einer Mühle zu einem feinen Pulver gemahlen.
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Ein Teil des auf die genannte Art erhaltenen Geltrockenpulvers wird
versetzt mit 3 Teilen Wasser. Innerhalb von 20 Sekunden findet Aufquellung
zu einem festen Gel statt.
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Ein unten offenes Glasrohr, das in einer Schale stand, wurde
50 cm hoch mit einer Mischung gefüllt, die aus 100 Volumteilen Sand
und 5 Volumteilen »Trocken,-elpulver« bestand. Die in dem Rohr befindliche
Mischung wurde nun 50 cm hoch mit Wasser überschichtet. Die Sandsäule wurde
zwar völlig mit Wasser durchfeuchtet, ein Teil des Wassers ist auch in die Schale
abaeflossen, aber nach etwa 20 Minuten e
war das dem Sand zugemischte
Trockengelpulver jedoch so weit aufgequollen, daß noch etwa 20 cm hoch das anfangs
zugegebene Wasser über der Sandsäule stand und auch nach mehrstündiger Beobachtungszeit
nicht mehr abgeflossen ist.
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In einem Blindversuch wurde in einem entsprechend großen Rohr
50 cm hoch Sand ohne Trockengelpulver eingefüllt. Innerhalb von 20 Minuten
sind 5 - 50 cm Wasserfüllhöhe durch die Sandsäule hindurch abgeflossen.
Nach dieser Zeit wurde der Blindversuch abgebrochen, eine Abdichtung ist erwartungsgemäß
nicht eingetreten.
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Beispiel 10
In ein 1,50 m langes Rohr wird eine Mischung
aus 24 Teilen einer Dispersion von Polyacrolein mit 20 Gewichtsprozent Feststoffgehalt
und 24 Teilen Wasser eingefüllt und anschließend mit 32 Teilen lOgewichtsprozentiger
Natronlauge überschichtet. Es findet selbst bei einem Innendurchmesser des Rohres
von nur 0,8 cm völlige Durchmischung statt unter Ausbildung eines klaren
Gels auf der gesamten Füllhöhe.
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Beispiel 11
Ein unten offenes Glasrohr wurde zu etwa 60cm Füllhöhe
mit Sand gefüllt. Durch ein leeres Glasrohr, dessen unteres Ende 30 cm tief
in der Sandsäule steckte, wurde eine Mischung aus 25 Volumteilen einer wäßrigen
Dispersion von Polyacrolein mit 20 Gewichtsprozent FeststofIgehalt und
25 Volumteilen 100/,iger Natronlauge zufließen gelassen und dabei das Glasrohr
langsam herausgezogen, so daß der Sand wie durch eine Sonde mit der Reaktionsmischung
durchfeuchtet wurde. Nach etwa 10 Minuten fand Gelierun- statt. Die Sandsäule
wurde sofort mit Wasser überschichtet, das Wasser konnte jedoch nicht eindringen.
Der abdichtende Effekt ist dauerhaft. Der Wasserspiegel senkt sich nach mehrtägiger
Beobachtungszeit nicht.
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Beispiel 12 In einer analogen Versuchsordnung, wie unter
11
beschrieben, wurde durch die Glasrohrsonde etwa in der Mitte der
60 cm hohen Sandsäule nur eine etwa 1,5 cm breite Sandschicht mit
der Reaktionsmischung durchtränkt und gelieren gelassen. Selbst diese dünne Imprägnierschicht
genügte, um von oben eindringendes Wasser vollständig und dauerhaft zurückzuhalten.
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Beispiel 13
5Teile wäßrige Dispersion eines Copolymerisates
aus 80 Teilen Acrolein und 20 Teilen Vinylacetat vom K-Wert 60 mit
10 Gewichtsprozent Feststoffgehalt werden mit 10 Teilen lOgewichtsprozentiger
Natronlauge vermischt und bei 25'C in eine Form gegossen. Nach etwa 3 Minuten,
vom Zeitpunkt des Vermischens an gerechnet, bildet sich ein bräunliches, schwachtrübes
Gel, das in Wasser quellbar, aber nicht mehr in Wasser löslich ist.
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Beispiel 14 5Teile wäßrige Dispersion eines Copolymerisates aus 75Teilen
Acrolein und 25Teilen Methylmethacrylat vom K-Wert 65 mit 20 Gewichtsprozent
Feststoffgehalt werden mit 10 Teilen 15 "/,iger wäßriger Kalilauge
vermischt. Innerhalb von 5 Minuten entsteht aus der Mischung bei 25'C ein
braunes, trübes Gel, das in Wasser quellbar, aber nicht mehr in Wasser löslich ist.