DE19537616A1 - Injektionsmittel sowie unter Verwendung des Injektionsmittels hergestellte Injektionssuspensionen - Google Patents
Injektionsmittel sowie unter Verwendung des Injektionsmittels hergestellte InjektionssuspensionenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Injektionsmittel sowie unter Verwen
dung des Injektionsmittels hergestellte Injektionssuspensionen
zur Abdichtung und/oder zur Verminderung der Durchlässigkeit von
Böden (Lockergesteinen) und/oder Fels und/oder Bauwerken gegen
eine Durchdringung durch Fluide, insbesondere durch Wasser
und/oder Gase. Die Erfindung ist insbesondere anwendbar zur
Sohlabdichtung des sandigen Untergrunds einer Baugrube und zur
Abdichtung von Rissen und Klüften im Fels.
Bei Tiefbauvorhaben in sandigem Untergrund ist das Eindringen
von Grundwasser in die Baugrube zu vermeiden. Üblicherweise
unterbricht man die Grundwasserzufuhr durch vertikale Umschlie
ßung der Baugrube mit einer Dicht- oder Schmalwand. Das Nach
dringen des Grundwassers aus dem Untergrund unterbricht man
durch Bodeninjektionen mit Injektionslösungen oder Injektions
suspensionen, wobei in einem bestimmten Raster injiziert wird.
Die Feststoffe der Injektionssuspension sollen Korngrößen auf
weisen, die es ermöglichen, in feinste Hohlräume einzudringen.
Außerdem muß die Injektionssuspension gewährleisten, daß nach
einer sogenannten Reifungszeit die Wasserdurchlässigkeit des
injizierten Bodenkörpers zumindest ausreichend weitgehend redu
ziert ist. Vom Injektionsgut darf keine Umweltgefährdung ausge
hen. Das Injektionsverfahren muß technisch leicht handhab- und
wirtschaftlich ausführbar sein.
Bekannt ist, Injektionslösungen in Form sogenannter "Weichgele"
oder Feinstzementsuspensionen zu verwenden.
Die Weichgele bestehen aus Lösungen von Wasserglas und einer
Härterkomponente. Nachteilig ist, daß die Lösung nach Zugabe des
Härters in einem sehr kurzen Zeitraum injiziert werden muß, weil
anderenfalls Reaktionen stattfinden, die die Viskosität der
Injektionssuspension derart erhöhen, daß die Injektion nicht
durchführbar ist. Außerdem ist die Entsorgung von Resten der
Suspension problematisch. Ein ganz wesentlicher Nachteil aber
ist der unerwünschte hohe bleibende Eintrag von Alkalien in das
Grundwasser. Es werden daher bereits Forderungen laut, derartige
Weichgele als Injektionsgut auszuschließen.
Feinstzementsuspensionen bestehen aus wäßrigen Aufschlämmungen
von Feinstzementen mit sehr hoher Feinheit, denen zur Stabili
sierung meist Natriumbentonit zugegeben wird. Die Feinstzement
suspensionen sind einfach und ungefährlich zu verarbeiten.
Feinstzemente bestehen meist aus feinst ausgemahlenen Hütten
sanden und Anreger und/oder Portlandzementen, die nach der Zug
abe von Wasser infolge ihrer Hydratation temporär unter Freiset
zung von Ca(OH)₂ alkalisch reagieren. Das Ca(OH)₂ reagiert mit
dem CO₂ des Grundwassers zu Kalk. Demgemäß ist das Injektionsver
fahren mit Feinstzementsuspensionen umweltschonend.
Natriumbentonit ist ein stark quellfähiger Ton, der in wäßriger
Suspension in feinste Teilchen zerfällt. Diese feinsten Natrium
bentonit-Teilchen verleihen Suspensionen im Ruhestand eine
Fließgrenze, die die festen Bestandteile am Sedimentieren hin
dert. In Gegenwart von hydratisierendem Zement neigen Natrium
bentonite zur Ionenumladung mit der Folge einer unerwünschten
Agglomeration; die hohe Feinheit der Ausgangskomponenten kann
somit nicht voll ausgeschöpft werden. Außerdem ist die Lager
stabilität von Natriumbentonit-Feinstzement-Abmischungen sehr
begrenzt.
Ein weiterer Nachteil von Natriumbentonit-stabilisierten Feinst
zementsuspensionen ist, daß die erwünschten Wirkungen der Injek
tion in salzführenden Böden beeinträchtigt werden. Hinzu kommt,
daß Natriumbentonit-Feinstzementsuspensionen mit hohen Wasser-
Bindemittel-Werten zur Versickerung im Untergrund neigen, was in
der Regel nur vermieden werden kann, wenn der Natriumbentonit-
Anteil deutlich erhöht wird. Mit der Erhöhung des Natriumbento
nit-Anteils steigt aber auch die Gefahr der Agglomeration.
Aufgabe der Erfindung ist, eine mindestens ein Bindemittel auf
weisende feinteilige Mischung und Injektionssuspensionen daraus
zu schaffen, die einfach verarbeitbar sind und eine optimale
Abdichtung bzw. Verminderung der Durchlässigkeit gewährleisten
und als Trockenmischung lagerstabil sind. Diese Aufgabe wird
durch die Ansprüche 1 und 15 sowie 16 gelöst. Vorteilhafte Wei
terbildungen der Erfindung werden in den Unteransprüchen gekenn
zeichnet.
Die erfindungsgemäße Mischung ist natriumbentonitfrei und binde
mittelarm. Sie enthält neben den wesentlichen Basiskomponenten
Bindemittel, insbesondere Feinstbindemittel, Fließmittel und
Beschleuniger, einen im wesentlichen inerten mineralischen,
feinstteiligen, gerüstbildenden Füllstoff und mindestens ein
organisches Verdickungsmittel, z. B. mindestens ein Polysaccha
rid, das als Dichtmittel und als Stabilisierer wirkt. Inert im
Sinne der Erfindung bedeutet, daß der Füllstoff nicht reagiert
oder nur unwesentlich reagiert bzw. reaktionsträge ist. Er kann
eine geringe latente Hydraulizität oder Puzzolanität aufweisen.
Die Feinheit der Feinstbindemittel ist bekannt. Die Polysaccha
ride werden z. B. beschrieben in Ullmanns Enzyklopädie der tech
nischen Chemie, 4. neubearbeitete und erweiterte Auflage, Bd.
19, Seite 233 ff. Besonders geeignete Stabilisierer sind z. B.
Celluloseether wie Hydroxyethylcellulose (HEC), Carboxymethylhy
droxyethylcellulose (CMHEC) und Carboxymethylcellulose (CMC),
insbesondere aber Biopolymere auf der Basis Xanthan- oder Welan-
Gummi. Die Wirkung dieser Stoffe, insbesondere des Polymers auf
der Basis von Welan-Gummi oder Welan-Gummi selbst, oder synthe
tische Polymerisat-Verdickungsmittel, wie z. B. auf Basis von
Acrylsäure, kann durch Synergien mit Celluloseprodukten, wie
z. B. HEC, CMHEC und CMC, oder anderen natürlichen Verdickern,
wie z. B. Guar- und Johannisbrotkernmehl, verstärkt werden.
Aus der DE 43 39 386 A1 sind Natriumbentonit-Flüssigkeitsmedien
zur Bohrspülung und Verfüllung von seismischen Flachbohrungen
bekannt, die neben Bentonit und Zement zusätzlich ausgewählte
Polysaccharide enthalten. Durch das Polysaccharid soll das Sedi
mentationsverhalten und die Filterkuchenbildung verbessert wer
den. Zudem sind Injektionssuspensionen aus Zement und Wasser
bekannt, die ein Polysaccharid in Kombination mit einem Super
verflüssiger enthalten ("Applications of Rheological Modifiers
and Superplasticizers in Cementitious Systems", C.B. Skaggs,
W. G. Rakitsky, and S.F. Whitaker, Superplasticizers and Other
Chemical Admixtures in Concrete, Proceedings of 4th CANMET/ACI
International Conference, Montreal, Canada, Oktober 1994) . In
den bekannten Mischungen erfolgt im ersten Fall lediglich ziel
gerichtet der Aufbau eines abdichtenden Filterkuchens, im ande
ren Fall wird die Abdichtung lediglich durch das Bindemittel
selbst beschreiben. Das Zusammenspiel der erfindungsgemäßen
Komponenten wird damit nicht berücksichtigt. Dies gelingt nach
der vorliegenden Erfindung nur durch die Verwendung von Feinst
bindemitteln in Verbindung mit Feinstfüllstoffen und Polysac
chariden, wobei die Mischung natriumbentonitfrei sein muß.
Die erfindungsgemäßen Mischungen sind lagerstabil und die daraus
hergestellten Suspensionen über lange Zeit sedimentationsstabil
und auch in salzführenden Böden, ohne beeinträchtigt zu werden,
einsetzbar. Die hohe Feinheit der Komponenten, insbesondere bei
Verwendung von Feinstbindemitteln, kann voll ausgenutzt werden.
Die Bildung von Agglomeraten durch chemische oder chemisch-phy
sikalische Veränderung eines Bestandteils ist ausgeschlossen.
Ein Filtratwasserverlust, gemessen nach dem API RP 13B-Test, ist
gering; ein Filterkuchen bildet sich nicht. Überraschenderweise
bleibt der Wasserdurchlässigkeitswert nach DIN 18130 einer inji
zierten Sandschicht bei Verwendung des Füllstoffs, dessen Anteil
am Feststoffgehalt der Mischung vorzugsweise über 50 Gew.-%
beträgt, drastisch abgesenkt.
Woraus die besondere Wirkung der Kombination des Stabilisierers
mit dem Feststoffsystem resultiert, ist noch nicht bekannt. Die
Feststoffe der mit Wasser/Feststoff-Werten von vorzugsweise über
5 angemachten Suspensionen sind theoretisch betrachtet nicht in
der Lage, die relativ großen Zwischenräume in z. B. sandigen
Böden bzw. in Rissen in klüftigem Fels auszufüllen. Sehr wahr
scheinlich bildet die Kombination der Bestandteile Stabilisie
rer/Feinstfüllstoff und Bindemittel, insbesondere Feinstbinde
mittel, ein Gerüst oder Skelett in den Porenräumen des Sandes
bzw. zwischen den Rißufern des Felses, das sich an den Korn
bzw. Rißwandungen abstützt und die Porenräume derart in kleinere
Poren unterteilt, daß das Eindringen und Durchdringen von Wasser
weitestgehend unterbunden werden kann. Der Stabilisierer hat
u. a. die Aufgabe, die festen Komponenten (Füllstoff und Zement,
insbesondere Feinstzement) in der Kluft bzw. in den Zwickeln
zwischen den Sandkörnern festzuhalten, bis Kristalle bzw. Kri
stallite der Silikathydratphasen, die aus den Zementkörnern
radial in den Raum wachsen, die Füllstoffkörner dauerhaft unter
einander vernetzen und mit den Raumwandungen verbinden.
Als Feinstfüllstoff können tonhaltige Gesteinsmehle und Tonmehle
eingesetzt werden, soweit sich die Tonkomponente gegenüber Cal
ciumionen weitgehend inert verhält, wie z. B. bei calciumbentoni
tischen, kaolinitischen und illitschen Tonen. Im Gegensatz ,zu
Natriumbentonit, der die Rolle eines Stabilisierers hat, tragen
Calciumbentonit, Illit und Kaolinit bei hohen Wasser/Feststoff-
Werten nicht oder nur unwesentlich zur Stützung einer Suspension
bei. Sie tragen auch nicht wesentlich zur Festigkeitsentwicklung
bei, weshalb sie als "inerte" Feinstfüllstoffe im Sinne der
Erfindung verwendet werden.
Zu den Feinstfüllstoffen sind auch z. B. Flugaschen, und/oder
bestimmte träge reagierende Hüttensandmehle und/oder bestimmte
Gesteinsmehle, wie z. B. Traß- oder Bims oder dgl. zu rechnen,
die zwar über einen längeren Zeitraum einen geringen Festig
keitsbeitrag liefern, der aber für die genannte kurzfristige
Anwendung unbeachtlich ist.
Durch die erfindungsgemäße Zusammensetzung erfolgt eine Abdich
tung der Poren verbunden mit einer, gegenüber anderen Stoffen,
verbesserten Unweltverträglichkeit durch eine entscheidende
Absenkung der freigesetzten Alkali- und Erdalkaliionen.
Die erfindungsgemäßen Mischungen zur Herstellung einer Injek
tionssuspension bestehen im wesentlichen aus:
- - Komponente A: Bindemittel, insbesondere Feinstbindemit tel, vorzugsweise Feinstzement;
- - Komponente B: Feinstfüllstoff, insbesondere Feinstge steinsmehl;
- - Komponente C: Stabilisierer in Form eines Polysaccharids;
- - Komponente D: Fließmittel;
- - Komponente E: Erhärtungsbeschleuniger.
Zudem können andere übliche Zusatzmittel vorhanden sein, wie
Injektionshilfsmittel oder Wasserretentionsmittel.
Bevorzugte Mischungen enthalten die folgenden Bestandteile:
- - Komponente A: 80 bis 20 Gew.-%, insbesondere 70 bis 30 Gew.-%, vorzugsweise 60 bis 40 Gew.-%;
- - Komponente B: 20 bis 80 Gew.-%, insbesondere 30 bis 70 Gew.-%, vorzugsweise 40 bis 60 Gew.-%;
- - Komponente C: 0,05 bis 2 Gew.-%, insbesondere 0,2 bis 1 Gew.-%; bezogen auf die Summe der Komponenten A und B;
- - Komponente D: 0,1 bis 3 Gew.-%, insbesondere 0,2 bis 1 Gew.-%, bezogen auf die Summe der Komponenten A und B;
- - Komponente E: 1 bis 10 Gew.-%, insbesondere 2 bis 6 Gew.-%, bezogen auf das Feinstbindemittel.
Vorzugsweise wird ein Feinstzement, insbesondere auf Portland-
und Hüttenzementbasis als Bindemittel verwendet. Gut geeignet
sind auch Gemische aus Feinstzement und Hüttensand-Feinstmehl.
Als Feinstfüllstoff werden insbesondere Gesteinsmehle, insbeson
dere Kalksteinmehl, einer Feinheit von 5 µm < × < 40 µm verwen
det. Neben den vorzugsweise eingesetzten Fein, und Feinstkom
ponenten von 1 bis 40 µm können auch Stoffe von 40 bis ca. 90 µm
eingesetzt werden. Fließmittel ist insbesondere ein sulfoniertes
Naphthalin-formaldehydkondensat (PNS) und als Beschleuniger wird
bevorzugt Natriumsulfat verwendet. Ein bevorzugter Stabilisierer
ist Welan-Gummi.
Die erfindungsgemäßen Mischungen werden zu einer Suspension
durch intensives Mischen mit Wasser angemacht, wobei Teilmengen
später auch auf der Baustelle als Compound zugegeben werden
können. Dabei wird vorzugsweise ein Wasser/Feststoff-Wert von
über 3,5 eingestellt.
Nach einer Reifungszeit ist die Permeabilität der Schicht, die
mit der erfindungsgemäßen Mischung injiziert wurde, zumindest
stark abgesenkt. Die erfindungsgemäßen Rezepturen weisen einen
sehr geringen Feststoffgehalt auf, wobei ein sehr hoher Wasser/
Feststoff-Wert von über 5 (entspricht einem Wasser/Bindemittel-
Wert von vorzugsweise über 10) den Anforderungen nach der Ab
dichtung z. B. der Sohlschicht aus Sand oder sandhaltigem Boden
gerecht wird. Die Suspension eignet sich ebenso für Rißinjektio
nen im Fels. Die Stabilität der Suspension ergibt sich durch die
Zugabe des assoziativen Verdickers (Stabilisierers). Die Fein
heit des Feinstbindemittels und des Feinstfüllstoffes richtet
sich nach der Art des zu injizierenden Bodens und liegt vorzugs
weise im Bereich von über 5 µm und unter 24 µm Korngröße. Als
Feinstbindemittel kommen auch latent hydraulische Bindemittel mit
Anreger oder natürliche oder künstliche Puzzolane (Traß, calci
nierter Ton, calcinierter Kaolin oder calciniertes Gesteinsmehl
oder Flugasche oder Silicastaub) mit Reaktionspartner in Frage.
Geeignet sind auch Tonerde-Schmelzzement und Zemente üblicher
Feinheit. Dabei sind Anreger bzw. Reaktionspartner in der Regel
Feinstzement, Feinstcalciumhydroxid, Natrium- oder Kaliumhydro
xid oder Natrium- oder Kaliumsulfat. Als Feinstfüllstoffe können -
wie bereits erwähnt - auch tonhaltige Gesteinsmehle und Ton
mehle eingesetzt werden, soweit sich die Tonkomponente Calcium
ionen gegenüber weitgehend inert verhält, wie z. B. bei calcium
bentonitischen, kaolinitischen und illitischen Tonen. Injek
tionshilfsmittel sind Dispergiermittel, wie Naphthalinformalde
hydkondensatsulfonat oder Natriumpoly
methacrylat.
In den erfindungsgemäßen Suspensionen können sich offenbar die
Kristalle der Hydratphasen der Bindemittel, insbesondere der
Feinstbindemittel, frei im Raum ausbreiten und eine Art Gerüst
anordnung zusammen mit den Körnern des Feinstfüllstoffs entwic
keln, wobei hierzu die Polysaccharide Hilfestellung leisten.
Diese Wirkung kann ohne die Beigabe von Sacchariden und im we
sentlichen inerten Feinstfüllstoffen nicht bewirkt werden. Bei
bekannten Zement- bzw. Feinstzement/Natriumbentonit-Mischungen
erfolgt eine Anhäufung des Feststoffmaterials an den Kornober
flächen der Sande oder den Oberflächen der Risse im Fels, so daß
ein erheblicher Teil des Raums zwischen den Sandkörnern bzw. in
den Rissen für das Eindringen von Wasser frei bleibt. Nach der
Erfindung wird dieser Raum nicht durch Inertmaterial ausgefüllt,
denn dazu reicht die Menge des inerten Materials nicht aus,
sondern es wird eine Matrixstruktur erzeugt, die ein sehr fein
poriges Matrixmaterial in den Hohlräumen aufweist. Diese Wirkung
der Komponenten war nicht vorhersehbar. Die Erfindung kann - wie
bereits ausgeführt - sowohl mit Bindemitteln, insbesondere Ze
menten, üblicher Feinheit, als auch mit Feinstbindemitteln bzw.
Feinstzementen ausgeführt werden, weil es erfindungsgemäß darauf
ankommt, in den abzudichtenden Räumen bzw. Porenräumen eine
Gerüststruktur aufzubauen, die aus im wesentlichen Calciumsili
kathydrat-Kristallen und Füllstoffkörnern besteht.
Claims (17)
1. Injektionsmittel als Trockenmischung zur Herstellung einer
Injektionssuspension zur Abdichtung und/oder zur Verminde
rung der Durchlässigkeit von Böden (Lockergesteinen) und/
oder Fels und/oder Bauwerken gegen eine Durchdringung durch
Fluide, insbesondere durch Wasser und/oder Gase, enthaltend
mindestens ein mineralisches Bindemittel, insbesondere ein
Feinstbindemittel, mindestens einen Stabilisierer, minde
stens ein Fließmittel sowie gegebenenfalls andere übliche
Zusatzmittel, wie mindestens einen Erhärtungsbeschleuniger,
ein Injektionshilfsmittel und Wasserretentionsmittel, wobei
der Stabilisierer mindestens ein organisches Verdickungs
mittel ist und die Mischung zudem mindestens einen im we
sentlichen inerten Feinstfüllstoff aufweist.
2. Injektionsmittel nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Bindemittel ein Feinstbindemittel, insbesondere ein
Feinstzement, insbesondere mit einer Kornfeinheit von 1 bis
40 µm ist.
3. Injektionsmittel nach Anspruch 1 und/oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Feinstbindemittel ein Gemisch aus Feinstzement und
Hüttensand-Feinstmehl ist.
4. Injektionsmittel nach Anspruch 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß das mineralische Bindemittel ein Zement und/oder ein
Gemisch aus Zement und Hüttensandmehl üblicher Feinheit,
z. B. 40 bis ca. 90 µm ist.
5. Injektionsmittel nach einem oder mehreren der Ansprüche 1
bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Feinstfüllstoff ein Flugasche, und/oder ein be
stimmtes träge reagierendes Hüttensandmehl und/oder ein
bestimmtes Gesteinsmehl, wie z. B. Traß- oder Bimsmehl oder
dgl. ist.
6. Injektionsmittel nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Gesteinsmehl ein Kalksteinmehl ist.
7. Injektionsmittel nach Anspruch 5 und/oder 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Kornfeinheit des Feinstfüllstoffs zwischen
1 µm < × < 90 µm, insbesondere des Feinstfüllstoffs
zwischen 5 µm < × < 24 µm, liegt.
8. Injektionsmittel nach einem oder mehreren der Ansprüche 1
bis 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Verdickungsmittel ein Polysaccharid ist.
9. Injektionsmittel nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Polysaccharid ein Celluloseether ist.
10. Injektionsmittel nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Polysaccharid ein Biopolymer auf der Basis von
Xanthan-Gummi ist.
11. Injektionsmittel nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Polysaccharid ein Biopolymer auf der Basis von
Welan-Gummi, vorzugsweise Welan-Gummi selbst ist.
12. Injektionsmittel nach einem oder mehreren der Ansprüche 8
bis 11,
dadurch gekennzeichnet,
daß mindestens zwei der genannten Polysaccharide enthalten
sind.
13. Injektionsmittel nach einem oder mehreren der Ansprüche 8
bis 12,
dadurch gekennzeichnet,
daß zusätzlich ein natürlicher Verdicker wie z. B. Guar-
und/oder Johannisbrotkernmehl enthalten sind.
14. Injektionsmittel nach einem oder mehreren der Ansprüche 1
bis 13,
dadurch gekennzeichnet,
daß es wie folgt zusammengesetzt ist:
- - Komponente A: Bindemittel, insbesondere Feinstbindemit tel, vorzugsweise Feinstzement;
- - Komponente B: Feinstfüllstoff, insbesondere Feinstge steinsmehl;
- - Komponente C: Stabilisierer in Form eines Polysaccharids;
- - Komponente D: Fließmittel;
- - Komponente E: Erhärtungsbeschleuniger.
15. Injektionsmittel nach Anspruch 14,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Mischungen wie folgt zusammengesetzt sind:
- - Komponente A: 80 bis 20 Gew.-%, insbesondere 70 bis 30 Gew.-%, vorzugsweise 60 bis 40 Gew.-%;
- - Komponente B: 20 bis 80 Gew.-%, insbesondere 30 bis 70 Gew.-%, vorzugsweise 40 bis 60 Gew.-%;
- - Komponente C: 0,05 bis 2 Gew.-%, insbesondere 0,2 bis 1 Gew.-%; bezogen auf die Summe der Komponenten A und B;
- - Komponente D: 0,1 bis 3 Gew.-%, insbesondere 0,2 bis 1 Gew.-%, bezogen auf die Summe der Komponenten A und B;
- - Komponente E: 1 bis 10 Gew.-%, insbesondere 2 bis 6 Gew.-%, bezogen auf das Feinstbindemittel.
16. Injektionssuspension, hergestellt aus einem Injektionsmit
tel nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 15 durch
Einbringen der Bestandteile des Injektionsmittels in Wasser
mit einem Wasser/Feststoff-Wert von über 3,5.
17. Injektionssuspension nach einem oder mehreren der Ansprüche
1 bis 16, insbesondere nach Anspruch 16, hergestellt aus
einem Injektionsmittel nach einem oder mehreren der Ansprü
che 1 bis 16 durch Einbringen der Bestandteile des Injek
tionsmittels in Wasser mit einem Wasser/Bindemittel-Wert
von über 7.
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ES96109540T ES2100829T3 (es) | 1995-07-25 | 1996-06-13 | Compuesto inyectable asi como suspension preparada durante la inyeccion. |
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Applications Claiming Priority (2)
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