DE1642380C2

DE1642380C2 - Bodenverfestigung mittels Portlandzement als Bodenverfestigungsmittel

Info

Publication number: DE1642380C2
Application number: DE19671642380
Authority: DE
Inventors: Beantragt Nichtnennung
Original assignee: Teutonia Misburger Portland Cementwerk, 3014 Misburg
Current assignee: Teutonia Zementwerk AG
Priority date: 1967-07-05
Filing date: 1967-07-05
Publication date: 1975-01-30
Also published as: NL168576C; DE1642380B1; CH499693A; NL6809528A; AT291861B

Description

Pie »BodenVerfestigung« ist ein Arbeitsverfahren, durch das einem natürlichen Boden eine erhöhte Widerstandsfähigkeit gegen mechanische Belastungen, z. B. beim Bau von Straßen, Wegen, Rollbahnen u. dgl., gegeben werden soll.

üblicherweise wird dazu so vorgegangen, daß zunächst verhältnismäßig geringe Mengen eines trockenen Bindemittels (»Bodenverfestigungsmittel«) auf den Boden aufgestreut und dann — gegebenenfalls bei zu trockenem Boden unter gleichzeitiger Justierung der ι ο Bodenfeuchtigkeit durch Zusatz von Wasser — mittels z. B. einer Bodenfräse in gleichmäßiger Verteilung in den Boden eingearbeitet werden. Anschließend wird der Boden mechanisch verdichtet. Das Bindemittel bindet dabei nach der Verdichtung des Bodens unter dem Einfluß der Bodenfeuchtigkeit ab und hat die Aufgabe, die einzelnen Bodenteilchen gewissermaßen punktförmig miteinander zu verkitten. Dadurch bekommen die Bodenteilchen eine fixierte Relativlage zueinander, die auch beim Aufbringen von Belastungen aufrechterhalten bleibt.

Von der Bodenverfestigung zu unterscheiden ist das Verfahren der Bodenabdichtung. Bei der Bodenabdichtung wird eine flüssige, abbindefähige Bindemittelmischung in den Boden eingebracht. Diese Bindemittelmischung soll sämtliche Hohlräume bzw. Poren im Boden ausfüllen, so daß nach dem Abbinden jedes Bodenteilchen in den Bindemittelmörtel eingebettet ist und der Boden insgesamt völlig undurchlässig wird. Bei der Bodenverfestigung wird demgegenüber, bedingt durch die gänzlich andere Arbeitsweise unter Verwendung von sehr viel geringeren Mengen an trockenen, erst durch die Bodenfeuchtigkeit abbindenden Bindemittel, eine Porosität und Durchlässigkeit des Bodens beibehalten.

Als Bodenverfestigungsmittel sind bereits zahlreiche Stoffe bekanntgeworden, die z. B. im Heft 16 der Zeitschrift »Straßenbau- und Straßenverkehrstechnik«, Jg. 1962, zusammengestellt sind. Zu diesen bekannten Stoffen gehört neben z. B. Kalk oder Portlandzement auch hydrophober Zement. Unter einem »hydrophoben Zement« ist ein Zement zu verstehen, dessen Micellen mit einem Hydrophobierungsmittel umhüllt worden sind. Das Hydrophobierungsmittel ist in der Regel ein organischer Stoff mit einem langen hydropliobtn Rest und einer funktionellen Gruppe, z. B. eine langkettige Fettsäure, und wird während oder nach der Vermahlung des Klinkers dem Zement zugesetzt. Die funktioneile Gruppe des Hydrophobicrungsmittels lagert sich dabei an die Zement-Micellen an, so daß der hydrophobe Rest um die Zement-Micellen eine wasserabweisende Hüllschicht von etwa molekularer Dicke bilden kann. Der besondere Vorteil der Verwendung eines hydrophoben Zements, im Vergleich z. B. zu einem unbehandelten Portlandzement, bei der Bodenverfestigung liegt darin, daß die wasserabweisende Hüllschicht ein vorzeitiges Abbinden des Zements während des Einarbeitens in den Boden verhindert, Dadurch wird gewährleistet, daß die feine Verteilung des Zementes nicht während des <*> Einarbeitens in den Boden durch Ktumpenbildner verlorengeht und daß der Zement tatsächlich erst an derjenigen Stelle im Boden abbindet, an der er endgültig seine Bindewirkung ergeben soll.

Während die Bodenverfestigung mit Hilfe von ⁶S Bindemitteln, wie Portlandzement oder hydrophobem Zement, im allgemeinen auf keine besonderen Schwierigkeiten stößt, hat sich gezeigt, daß die bekannten Bodenverfestigungsmittel bei den sehr kritischen bindigen Böden (TonVSchluftVhaltigen Böden) häufig versagen, d. h. zu nur geringfügigen und wenig dauerhaften Ergebnissen führen. Die Ursache dafür ist in der hohen Menge des insbesondere in den Kapillaren der Mineralien dieser Böden besonders festhaftenden Wassers zu suchen sowie in der Tatsache, daß diese Böden normalerweise keine für eine feste Verkittung durch das Bindemittel geeigneten Teilchen besitzen. Man hat zwar bereits versucht, bei den bindigen Böden den Wasserhaushalt durch Einarbeiten von oberflächenaktiven Mitteln zu beeinflussen und dadurch zu besseren Ergebnissen in der Bodenverfestigung zu kommen, jedoch ist auch diesen Versuchen ein größerer Erfolg versagt geblieben.

Die Erfindung besteht demgegenüber in der Verwendung eines mit einem schwer abbaubaren oberflächenaktiven Mittel und außerdem einem Hydrophobierungsmittel versetzten Portlanduments bei Bodenverfestigungsverfahren für bindige Böden. Es WUide gefunden, daß die Verwendung eines derart behandelten Portlandzements bei der Bodenverfestigung eine allen bisher bekannten Bodenverfestigungsmitteln überraschend überlegene Wirkung bringt, die insbesondere auch bei bindigen Böden ganz ausgezeichnet ist.

Das oberflächenaktive Mittel und das Hydrophobierungsmittel können in der Praxis zwei getrennte Stoffe sein, die gleichzeitig oder nacheinander dem Klinker vor oder während des Mahlvorganges bzw. dem fertigen Zement zugemischt werden. Ebensogut ist es aber auch möglich, den Klinker bzw. Zement mit einem einzigen Mittel zu versetzen, das sowohl als oberflächenaktives Mittel als auch als Hydrophobierungsmittel wirkt. Es kommt in jedem Fall grundsätzlich nur darauf an, daß die Zement-Partikeln ausreichend hydrophob sind und zugleich als Träger für oberflächenaktive Wirkungen bzw. Eigenschaften dienen.

Die Erfindung geht von der Überlegung aus, daß zur Verfestigung eines bindigen Bodens von einem Bodenverfestigungsmittel mehrere Forderungen gleichzeitig erfüllt sein müssen, nämlich folgende:

Der Boden muß zunächst für den Verdichtungs- und Verfestigungsprozeß vorbereitet werden. Zu diesem Zweck muß ihm als erstes überschüssiges Wasser entzogen werden. Das geschieht mit Hilfe der oberflächenaktiven Mittel, die die Oberflächenspannung des Boden wassers und damit auch die Menge des Kapillarwasisers, das im anderen Fall in den Kapillaren der bodenmineralien besonders fest haftet, beträchtlich herabzusetzen.

Zum zweiten soll in dem Boden eine Krümelstruktur erzielt werden, indem sich die einzelnen Bodenteilchen zu größeren Aggregaten zusammenschließen. Diese Aggregatbildung erfolgt durch Wechselwirkung der im Zement enthaltenen mehrwertigen Ionen (z.B. Ca⁺⁺-Ionen) mit der Tonfraktion des Bodens. Jm Gegensatz dazu würden einwertige Na⁴- oder K⁺-Ionen eine Dispergierung bewirken.

Nach diesen mehr vorbereitenden Maßnahmen erfolgt die Verdichtung des weitgehend entwässerten und koagulkrten Bodens. In dem verdichteten Boden dient der Zement als Bindemittel, das die einzelnen Krümelaggregate des Bodens punktförmig untereinander verkittet. Damit der Zement dabei auf einfache Weise in den Boden gebracht und fein verteilt werden k„nn, das heißt nicht schon beim Einbringen mit der

Bodenfeuchtigkeit reagiert und sofort zu Knollen verklumpt, muß der Zement mit einem Hydrophobierungsmittel ausreichend hydrophob gemacht sein.

Die Erfindung erfüllt in konsequenter und damit optimaler Weise die vorangehend skizzierten Förderungen, indem sie durch Verwendung eines innig mit dem Hydrophobierungsmittel und dem oberflächenaktiven Mittel vereinigten Zementes erreicht, daß alle für die Bodenverfestigung erforderlichen Funktionen an exakt der gleichen Stelle des Bodens wirksam werden. Mit anderen Worten ist durch den Vorschlag der Erfindung sichergestellt, daß an der Stelle, an der das oberflächenaktive Mittel wirkt, auch zugleich die Krümelbildung und die Verknüpfung der Krümelaggregate erfolgen. Diese Tatsache ist der tiefere Grund für die beträchtliche Überlegenheit der Erfindung über alle bekannten Verfahren zur Bodenverfestigung, selbst wenn diese mit hydrophobem Zement oder mit oberflächenaktiven Substanzen als Hilfsmittel arbeiten oder aber die getrennte Zumischung von hydrophobem Zement und oberflächenaktiven Substanzen zum Boden vorsehen.

Es ist wirtschaftlich vorteilhaft und auch bodenlechnisch notwendig, nur verhältnismäßig kleine Mengen an Bindemittel zu verwenden, um die erforderliche punktförmige Verknüpfung der einzelnen Krümelaegregate zu erzielen. Demzufolge ist aber andererseits die erreichte Verfestigung des Bodens nicht etwa durch den Zusatz des Bindemittels endgültig geworden. Sie kann vielmehr wieder abnehmen oder gänzlich verlorenaehen, sofern durch den Verlust der oberflächenaktiven Substanzen erneut Wasser in die Kapillarräume eindringt und die Belegung der Tonmineralien mit den mehrwertigen Ion^n durch einen Ionenaustauschprozeß aufhebt. Dadurch würden nämlich die gebildeten Krümelaggregate in Umkehrung ihrer Bildung -·· wieder zerfallen, so daß die durch das Bindemittel geschaffenen Verknüpfungspunkte wirkungslos werden. Deshalb sind an die oberflächenaktiven Stoffe besondere Anforderungen zu stellen. Sie müssen im Boden möglichst fest verhaftet und dürfen insbesondere nicht chemisch oder biologisch abgebaut werden.

Im Sinne der Erfindung werden dabei unter »nicht abbaubaren« oder »schwer abbaubaren« oberflächenaktiven Mitteln solche Mittel verstanden, die durch die Einflüsse im Boden schwerer abgebaut werden als Fettsäuresalze. Die Auswahl der oberflächenaktiven Substanzen nach dem Grad der Abbaubarkcit richtet sich dabei in der Praxis unter anderem danach, ob die erreichte Bodenverfestigung dauernd oder nur begrenzte Zeit (z. B. bei nur vorübergehend benötigten Wegen) bestehen bleiben soll.

Fettsäuren sind bekannte Hydrophobierungsmittcl für Portlandzement. Bei der Zugabe von Fettsäuren zum Portlandzement erfolgt eine Salzbildung mit den basischen Bestandteilen des Zementes. Diese Salze der Fettsäuren sind zugleich oberflächenaktive Stoffe. Ein besonderer Zusatz an oberflächenaktiven Stoffen würde sich erübrigen, wenn die Fettsäuren nicht im Boden abgebaut wurden. Sollen Fettsäuren als Hydrophobierungsmittel zugesetzt werden, so ist also eine weitere Zugabe von nicht abbaubaren oberflächenaktiven Stoffen erforderlich.

Grundsätzlich sind als oberflächenaktive Mittel alle Verbindungen geeignet, die an einem hydrophoben Rest eine hydrophile funktionell Gruppe enthalten und außerdem die Bedingungen hinsichtlich der Abbaubarkeit erfüllen. Es wurde nun gefunden, daß manche dieser oberflächenaktiven Mittel, wie z. B. bestimmte Alkylsulfate oder Alkylarylsuifonate oder Fettamine, zugleich sehr gute Hydrophobierungsmittel darstellen. So sind beispielsweise Fettamine Tür den Zement geeignete Hydrophobierungsmittel, die im Boden zugleich als oberflächenaktive Stoffe wirken. Ein Zusatz von anderen oberflächenaktiven Stoffen erübrigt sich in diesem Fall, obwohl ein solcher Zusatz die Wirksamkeit bezüglich der Bodenverfestigung steigern kann.

Man kann das Bindemittel Zement kombinieren mit einem nicht abbaubaren Hydrophobierungsmitiel, z. B. Stearylamin, und einem nicht abbaubaren oberflächenaktiven Mittel, wie z. B. bestimmten Alkylarylrulfonaten. Hierbei werden optimale Effekte für den Fall erreicht, daß die oberflächenaktiven Wirkungen des Hydrophobierungsmittels allein nicht ausreichen, andererseits aber aus Gründen der Reaktionsfähigkeit des Zementes keine größeren Mcn^.. a;>. Hydrophobierungsmitteln verwendet werden dürfen.

Die zur Bildung der Krümelaggregate im Boden erforderlichen mehrwertigen Ionen werden normalerweise von dem Portlandzement geliefert, und zwar vornehmlich als Ca^{+ +}-Ionen.

Bei dem Verfahren der Bodenabdichtung ist der Zusatz von oberflächenaktiven Mitteln bereits bekannt. Dort erfolgt ein solcher Zusatz aber nicht zum trockenen Zement, sondern zur flüssigen Zementmischung mit dem Zweck, daß diese Zementmischung infolge erhöhter Benetzbarkeit leichter in alle Hohlräume und Poren des Bodens eindringen kann. Zwar ist es auf dem Gebiet der Bodenabdichtung bekannt, den Zement unter Zusatz eines oberflächenaktiven Mittels mit öl anstalt Wasser anzumischen und diese Mischung zur Abdichtung von Wassereinbrüchen in Bohrlöcher zu verwenden. Die Mischung bleibt dabei so lange flüssig, bis sie mit einer wasserführenden Schicht in Kontakt kommt, abbindet und dadurch den Wassereinbruch abdichtet. Aber auch bei einer solchen Zementmischung handelt es sich nicht um einen, »hydrophoben Zement« im Sinne der Erfindung. Insgesamt liegt das Gebiet der Bodenabdichtung hinsichtlich Aufgabe und Lösung so weit von der Bodenverfestigung entfernt, daß sich aus diesem Gebiet keine Anregungen für die Durchführung der Bodenverfestigung herleiten lassen.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wurden mehrere mit A bis D bezeichnete Vergleichsversuche durchgeführt.

In diesen Versuchen wurden Proben eines Schluffbodens unter sonst gleichen Bedingungen in einem Labormischer innig vermengt:

Reihe I in einer Arbeitsstufe mit einem Zement, der bereits während der Herstellung (nämlich in der Zemcntmühlc) mit einem Hydrophobierungsmittcl und einem oberflächenaktiven Mittel vermischt worden ist.

Reihe 2 in zwei Arbeitsstufen zunächst mit einem oberflächenaktiven Mittel und dann mit einem hydrophoben Zement,

Reihe 3 in drei Arbeitsstufen zunächst mit einem oberflächenaktiven Mittel, dann mit einem Hydrophobierungsmittel und danach mit normalem Portlandzement,

Reihe 4 in einer Arbeitsstufe mit einem Zement, der während der Herstellung sowohl mit einem als Hydrophobierungsmittel als auch als

oberflächenaktiven Mittel wirksamen Stoffen vermischt worden ist, und

Keine 3 in zwei Arbeitsstufen zunächst mit dem als Hydrophobierungsmittel und zugleich als oberflächenaktiven Mittel wirksamen Stoff und dann mit normalem Portlandzement.

In allen Fällen wurde dabei stets vom gleichen K-ünker ausgegangen, der je nach Versuchstyp mit bzw. ohne Additivzusatz in der gleichen Mühle unter gleichen Bedingungen zu dem entsprechenden Zement vermählen wurde.

Die entstandenen Boden-Zement-Gemische wurden in eine zylindrische Form gefüllt und bis zur optimalen Proctordichte verdichtet. Die Prüfkörper wurden 3 Tage im Feuchtraum (95% Luftfeuchtigkeit) und 2 Stunden im Wasser gelagert und dann auf ihre Druckfestigkeit geprüft. Die gefundenen Werte sind in der Tabelle I zusammengestellt, und zwar bezogen auf den Weit der Reihe 1 = 100%. Dabei bedeuten die Kennziffern der einzelnen Versuchsreihen folgende Additive bzw. Verfahrensweisen:

A₁: Zement mit 0,2% Dodccylbcnzolsulfonit und

0.2% Stearinsäure.
A,: a) 0.2% Dodecylbenzolsulfonat,

b) Zement mit 0,2% Stearinsäure.
A₃: a) 0,2% Dodecylbenzolsulfonat,

b) 0,2% Stearinsäure,

c) Zement.

Β,: Zement und 0,3% Nonylphenolpolyglycoläther

und 0,2% Stearinsäure.
B₂: a) 0,3% Nonylphenolpolyglycoläther.

b) Zement und 0,2% Stearinsäure.
B₁: a) 0,3% Nonylphenolpolyglycoläther,

b) 0,2% Stearinsäure,

c) Zement.

C₁: Zement und 0,2% Dodecylbenzolsulfonat und

0,2% synthetische Fettsäure.
C₂: a) 0,2% Dodecylbenzolsulfonat.

b) Zement und 0,2% Fettsäure.
C,: a) 0,2% Dodecylbenzolsulfonal,

b) 0,2% Fettsäure,

c) Zement.

D₄: Zement und 0,2% Stearylamin.
D₅: a) 0,2% Stearylamin,
b) Zcmeni.

Tabelle 1

Druckfestigkeiten der Boden-Zement-Prüfkörpcr
nach 3 Tagen

eihc	Λ	B	C	D
I	100%	100%	100%
1	88%	95%	86%
3	64%	48%	74%
4				100%
5				77%

Portlandzement (PZ J75) zeigen. Dabei sind in dem oberen Teil der Tubelle II die Werte Tür ein mit einem schwer abbaubaren oberflächenaktiven Mittel und aullerdcm mit einem Hydrophobierungsmittel versetzten Zeinent niedergelegt, während der untere Teil dieser Tabelle die entsprechenden Werte für einen Zement zeigt, der mit einem einzigen zugleich als Hydrophobierungsmittel und als oberllächenaktiven Mittel wirksamen Stoff versetzt wurde. In allen Fällen

ίο wurde dabei vom gleichen Klinker ausgegangen und unter sonst gleichen Bedingungen gearbeitet.

Tabelle II

Druckfestigkeiten der Boden-Zement-Prüfkörper in Absolutwerten (normaler Portlandzement)

bzw. in Relativwerlen, bezogen auf normalen Portlandzement = 100%

Zugabe.
IMi kg /.c-.TierH pro m' Boden

Druckfesligkciicn n;u.h

Normaler Portlandzement .... 153 kp cnr 65 kp m^: ^2S Zement mit 0,3% Dodecylbenzolsulfonat und

0.3% Stearinsäure J 123% j 144",,

Zement mit 0,2% Dodecyl- I j

benzolsulfonat und j I

0,2% Stearinsäure | !23% ; 141",,

Zement mit 0,2% Naphthalin- j j

sulfonsäure-Formaldehyd- j I Kondensationsprodukt und

0,2% Stearinsäure

Zement mit 0.3% Naphthalin- j
suIfonsäure-Formaldehyd- j
Kondensationsprodukt und |

0.3% Stearinsäure 1

Zement mit 0.25% Stearylamin
und 1 % Dodecylbenzolsulfonat

Zement mit 0.25% Stearylamin
Zement mit 1% Dodccylbcnzol-

sulfonat

Zement mit 0.25% Stearylamin
und 0,25% Paraffinöl

(als Verschnittmittel)

Zement mit 1.0% Dodecylbenzolsulfonat und
0.25% Paraffinöl

'als Verschnittmittel)

Zement mit 0.2% Bromstcarinsäure

123%

11 2%

1 30% ! 26%

161% 123 %

1 55% 100%

144"»

138%

125"· Ό 131%

! 39% 131"»

1 26'!·»

Nach dem gleichen Schema wurden weitere Versuche durchgeführt, die die Ergebnisse der Erfindung im Vergleich zu der Wirksamkeit von normalem

Claims

Patentanspruch:

Verwendung eines mit einem schwer abbaubaren oberflächenaktiven Mittel und einem Hydrophobierungimittel versetzten Portlandzeinents zur Bodenverfestigung von bindigen Böden.