DE19717899A1 - Verfahren zur Herstellung sowie Verwendung von Gelen als Additive für einen mechanischen Schildvortrieb - Google Patents
Verfahren zur Herstellung sowie Verwendung von Gelen als Additive für einen mechanischen SchildvortriebInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung beansprucht ein Verfahren zur Herstellung sowie die Verwen
dung von Gelen oder gelartigen Verbindungen, als Hilfsmittel für einen mechanischen
Schildvortrieb. Der Einsatz der erfindungsgemäß beanspruchten Systeme führt bei mit
Erddruck betriebenen Schildsystemen im Vergleich zu herkömmlichen Systemen
(Bentoniten, Tonaufschlämmungen, Polymerschäumen u. a.) zu einer verbesserten Abbau- und
Austragfähigkeit für erbohrtes Erdmaterial, verbesserten Stabilitäten bei höheren in
der Abbaukammer bestehenden Drucken sowie zu günstigeren ökotoxikologischen
Werten des Abraumes.
Mit der Verbesserung der innerstädtischen Infrastruktur (U-Bahn-Tunnel, Wasser- und
Gasrohrleitungen, Kabel für Telekommunikations-, Nachrichtensysteme u. a.) wurden zu
Beginn der 60er Jahre eine Reihe von Verfahren für das maschinelle Auffahren von
Tunneln in Lockergestein entwickelt, sog. Schildvortriebsverfahren, mit deren Hilfe
erbohrtes Gestein schnell, sicher und kostengünstig ausgetragen werden sollte. Die im
Laufe der Jahre immer weiter gestiegenen technischen Anforderungen an derartige Schild
systeme sowie die Erweiterung der Einsatzgrenzen und die Anpassung an die sich
teilweise auf kurzen Strecken ändernden geologischen Bedingungen (Bodenbeschaffen
heit, Überlagerung, Grundwasserverhältnisse u. a.) führten zur Entwicklung vollkommen
neuer Methoden auf diesem Gebiet (T. Krause, Diplomarbeit, TU Braunschweig, 1987;
DE 24 57 187, JP HEI 1-239293, HEI 5-59886, HEI 1-121396). Von den verschiedenen
Schildsystemen, die sich z. Z. weltweit im Einsatz befinden, setzen sich immer mehr solche
Systeme durch, die mit flüssigkeitsgestützter (sog. Suspensionsschilde) oder mit erdge
schützter Ortsbrust (sog. Erddruckschilde) arbeiten.
Bei Hydroschilden wird der erforderliche Stützdruck zur Stabilisierung der Ortsbrust
durch eine Suspension aufgebracht, die an der Abbaufläche einen Filterkuchen ausbildet,
über den der Stützdruck aufgebracht werden kann. Hier sind insbesondere Bentonit- und
Polymersuspensionen im Einsatz. Da das Stützmedium gleichzeitig das Fördermedium für
eine hydraulische Abförderung des Abraumes darstellt, ist der gesamte Abraum intensiv
mit dem Medium vermischt und muß in einer Separieranlage wieder davon getrennt
werden. Der verbleibende Abraum ist jedoch noch mit Restmengen des Stütz- und
Fördermediums versetzt und kann in der Regel nicht mehr einer Wiederverwendung
zugeführt werden. Da der Abraum auch nach der Separierung normalerweise eine nur
geringe mechanische Festigkeit aufweist und damit den Zuordnungskriterien für eine End
lagerung nicht genügt, muß vor der Deponierung u. U. noch eine konstenintensive Nachbe
handlung in Form einer Trocknung oder Kalkung vorgeschaltet werden.
Bei Erddruckschilden wird der abzubauende Boden selber als Stützmedium verwendet. In
sehr günstigen Fällen kann der Boden unbehandelt bleiben (z. B. bei Feinsand bis Tonfrak
tionen mit weicher Konsistenz), so daß der gesamte Abraum weitgehend unverändert zu
Tage gefördert und abgelagert bzw. wiederverwendet werden kann. Bei weniger
günstigen Bodenverhältnissen (insbesondere Sand bis Kiesfraktionen mit sehr geringen
Feinkornanteilen in Abhängigkeit von der Mineralogie auch Böden der Schluff- bis
Tonfraktion) müssen auch beim Erddruckschild Zugabestoffe zur Aufbereitung
(= Konditionierung) des Bodens zugegeben werden.
Diese als Konditionierungsmittel bezeichneten Zugabestoffe sollen den gelösten Boden
ausreichend fließfähig und geschmeidig machen, so daß er innerhalb der Abbaukammer zu
den Austragöffnungen und anschließend durch die Förderschnecke transportiert werden
kann. Gleichzeitig muß der Boden ausreichend wasserundurchlässig sein, damit das ggf.
anstehende Grundwasser nicht durch die Förderschnecke durchschlägt und somit unkon
trolliert Grundwasser und Bodenmaterial aus der Abbaukammer ausgetragen wird. Dies
würde zu einem Kollaps der Ortsbrust und ggf. zu Tagbrüchen führen. In Abhängigkeit
der Bodenzusammensetzung und der eingesetzten Konditionierungsmittel wird der abge
baute Boden bei Erddruckschilden mit herkömmlichen Verfahren (z. B. Loren, Förder
bändern oder hydraulisch über Rohrleitungen) an die Geländeoberfläche transportiert und
dort bei Bedarf in Separierungs- und Aufbereitungsanlagen behandelt.
Die gebräuchlichen Varianten der Erddruckschilde und die entsprechenden Konditionie
rungsmittel, wie z. B. Bentonitsuspensionen, Celluloseether (z. B. Carboxymethylcellulose
ether) verbunden mit z. T. mechanisch wirkenden Zugabestoffen wie z. B. Sand, Glimmer
oder Zement, sind in der Literatur beschrieben (siehe z. B. T. Krause, Diplomarbeit, TU
Braunschweig, 1987). In Japan hat sich die Zugabe von Polymerschäumen als eine
wirksame Methode erwiesen. Das Prinzip und die Vorteile eines solchen Verfahrens
gegenüber herkömmlichen Schildsystemen werden z. B. in JP 90 001 8886 und
JP 88 006 1354 erwähnt (siehe auch: Firmenbroschüre der Fa. Komatsu Ltd., (The Development
of Chemical Plug Shield Tunneliing", Japan 1990; Firmenbroschüre der Fa. Obayashi
Corp. "Development of Chemical Foam Injection Shield Tunnelling Method", Japan 1992;
Y. Hanyuda, T. Fujiwara, Research Inst. Obayashi, S. 21 (1988)).
Im physikalischen Sinn stellen Schäume kolloidchemische Systeme aus gasgefüllten, kugel- oder
polyederförmigen Zellen dar, die durch flüssige, halbflüssige, hochviskose oder feste
Zellstege begrenzt werden (Römpp Chemielexikon 9. Aufl. (1992) Bd. 5, Seite 4014,
Hrsg.: J. Falbe, M. Regitz, Georg Thieme Verlag, Stuttgart, New York). Sie sind somit
Dispersionen eines Gases in einer Flüssigkeit.
Der Vorteil des Einsatzes von Polymerschäumen für die Bodenkonditionierung gegenüber
herkömmlichen Systemen, wie z. B. Suspensionen, besteht darin, daß bei gleichen
Volumina deutlich geringere Flüssigkeitsmengen in den Boden eingebracht werden
können. Das Verfahren zur Herstellung derartiger Polymerschäume wird z. B. in
GB 2263490 A näher beschrieben. Die Schaumbildung erfolgt dabei in einem Schaumgene
rator, in dem eine schaumfähige Flüssigkeit mit Druckluft verwirbelt wird. Diese
schaumfähige Flüssigkeit besteht dabei aus Schaumbildnern und Schaumstabilisatoren
sowie ggf. weiteren Additiven. Als Schaumbildner kommen oberflächenaktive Substanzen
(Tenside), wie z. B. natürliche Proteine oder Alkylethersulfate, zum Einsatz. Die An
wesenheit von Schaumstabilisatoren, wie z. B. wasserlösliche Celluloseether (Methyl
cellulose, Carboxymethylcellulose, Ethylcellulose), führt zu einer deutlichen Verfestigung
des Schaumes. Als weitere Additive dienen wasserabsorbierende Harze sowie Phasen
transferkatalysatoren, wie z. B. Benzalconiumchlorid oder Alkyl-Benzyl-Dimethylammo
niumchlorid.
Die intensive Durchmischung des in der Abbaukammer vorliegenden Bodens mit dem so
erzeugten Polymerschaum führt aufgrund der im Korngerüst wirksam werdenden
Adhäsionskräfte zu einer während der Lebenszeit des Schaumes wirksamen Veränderung
der Eigenschatten des Bodens.
Das Gemisch aus Boden und Schaum wird anschließend mit herkömmlichen Methoden an
die Geländeoberfläche transportiert und mit speziellen Enzymen (z. B. Proteasen, Lipasen
(siehe JP 90 001 8886)) behandelt, um so den Abbau der eingesetzten schaumerzeugenden
Komponenten zu beschleunigen und eine umweltverträgliche Endlagerung des
Boden-Schaumgemisches sicherzustellen.
In der Praxis hat sich gezeigt, daß die Stabilität des Schaums im Korngerüst je nach den
vor Ort bestehenden Verhältnissen abnehmen kann, so daß dem anstehenden Grund
wasserdruck aufgrund der damit einhergehenden Wasserdurchlässigkeit des Bodens
oftmals nicht mehr standgehalten werden kann (Gefahr des sog. "Tagbruchs"). Eine ver
besserte Konditionierung von vorzugsweise nicht-bindigen Böden macht daher den
Einsatz von den Boden besser abdichtenden, die fehlenden Feinkornfraktionen ersetzenden
Zusatzmitteln erforderlich. Zudem erfordert der Einsatz von Enzymen umfangreiche
Sicherheitsvorkehrungen (z. B. pH-Wert- und Temperaturkontrolle), um z. B. Inhibie
rungen von Enzymaktivitäten oder Kontaminierungen von Lagertanks zu vermeiden. Eine
gute biologische Abbaubarkeit der eingesetzten Komponenten ist darüber hinaus per se
noch nicht mit einer guten Umweltverträglichkeit gleichzusetzen, da die Abbauprodukte
eine höhere Ökotoxizität aufweisen können als die Ausgangsverbindungen selbst (s. z. B.
p-Alkylphenoloxethylate). Wasserlösliche Spaltprodukte von biologisch leicht abbaubaren
Verbindungen führen zu einer Erhöhung des Anteils des im Grundwasser gelösten
organisch gebundenen Kohlenstoffs (DOC-Wert) und damit zu einer Belastung der
Umwelt. Eine unbedenkliche und kostengünstige Deponierung des ausgehobenen Bodens
ist damit nicht gewährleistet, so daß aufwendige Nachbehandlungen (z. B. Ausspülen des
Bodens auf den zulässigen Grenzwert) oder kostenintensive Zwischen- (sog. temporäre
Lagerung) oder Endlagerungen in speziell hierfür vorgesehenen Deponien (sog. Sonder
mülldeponien) erforderlich sind.
Ziel der Entwicklung muß es daher sein, Systeme bereitzustellen, die die positiven Eigen
schaften der herkömmlichen Polymerschäume bzw. Bentonite besitzen, jedoch kosten
günstig herstellbar sind, in der Anwendung keinen hohen technischen Aufwand
erforderlich machen, ein hohes Tragevermögen für den ausgehobenen Boden besitzen und
auch gegenüber höheren Drücken eine hinreichende Wasserundurchlässigkeit des Bodens
garantieren. Ferner muß das System ohne aufwendige Nachbehandlungen ökotoxiko
logisch unbedenklich deponierbar sein und im Vergleich zu Bentonitsuspensionen über
eine ausreichend hohe mechanische Festigkeit verfügen, um so den Zuordnungskriterien
zur Endlagerung in einer Deponie zu genügen.
Überraschenderweise wurde nun gefunden, daß durch den Einsatz von Gelen als Hilfs
mittel beim Tunnelbau, insbesondere bei der Schildvortriebstechnik für Erddruckschilde,
der Stand der Technik verbessert wird. Gele sind im Unterschied zu Schäumen dadurch
charakterisiert, daß der Verlustmodul G'' kleiner ist als der Speichermodul G', der die Ela
stizität des Materials kennzeichnet [Journal of Texture Studies 26 (1995) Nr. 4,
S. 391-400 und Polymer Gels & Networks 1, S. 5-18 (1993)].
Bei der Herstellung der erfindungsgemäß beanspruchten Gele wird auf die bestehende
Technik zur Erzeugung von Polymerschäumen Bezug genommen (siehe z. B. U. Maidl,
Dissertation Ruhr-Universität Bochum, 1995). Für die Bereitstellung der erfindungsgemäß
beanspruchten Gele wird ein wasserlösliches Biopolymer allein oder mit einer oberflächen
aktiven Komponente (Tensid) und einem Vernetzungsreagenz und Wasser intensiv
vermischt. Das vorgenannte Gemisch wird in einem Schaumgenerator mit Druckluft oder
Stickstoff verwirbelt. Je nach Konzentration des verwendeten Vernetzungsreagenzes
kommt es hierbei zur Ausbildung zeitlich stabiler hochfester Gele, die ein gegenüber dem
Stand der Technik verbessertes Tragevermögen für erbohrtes Erdmaterial besitzen. Das
Vermischen eines derartigen Gels mit dem in der Erddruckkammer vorliegenden Abraum
führt zu einer Verbesserung der Fließfähigkeit und zu einer verringerten Wasser
durchlässigkeit auch bei hohen Grundwasserdrücken. Das Gemisch aus Abraum und Gel
läßt sich dabei problemlos aus der Erddruckkammer durch herkömmliche Verfahren, z. B.
Schneckenförderer, austragen und ist ohne weitere Nachbehandlungen deponierbar. Je
nach anwendungstechnischen Erfordernissen können dabei Zugabemengen von ober
flächenaktiver Komponente und wasserlöslichem Biopolymer von 10-80 Vol.-% oder
darüber zum Einsatz gelangen. Gegenüber dem Stand der Technik kommt es hierbei
überraschenderweise zu deutlich verminderten Auswaschprozessen, die zu einer
geringeren Belastung der Umwelt, insbesondere des Grundwassers führen.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung werden unter den zum Einsatz gelangten
Komponenten (Tensiden) kationische Tenside (z. B. Alkylammonium-Verbindungen,
Imidazolinium-Verbindungen), nicht-ionische Tenside (z. B. Fettalkoholethoxylate,
Alkylenolethoxylate, Fettaminoethoxylate, Zuckertenside, Fettsäureethoxylate, Fettsäure
esterethoxylate, Alkylpolyglycoside, Amphotenside), insbesondere jedoch Aniontenside
(z. B. Alkylbenzolsulfonate, Alkansulfonate, Fettalkoholsulfate oder Fettalkoholether
sulfate) verstanden.
Unter den erfindungsgemäß beanspruchten wasserlöslichen Biopolymeren werden ins
besondere Polysaccharidether, vorzugsweise Celluloseether oder Celluloseetherab
mischungen verstanden. Dabei werden insbesondere solche Produkte beansprucht, die
aufgrund ihrer Struktur bzw. physikalisch-chemischen Eigenschaften durch den Zusatz der
weiter unten bezeichneten Vernetzungsmittel zur Ausbildung von Gelen bzw. gelartigen
Strukturen befähigt sind. Eingesetzt werden können sowohl ionische als auch nicht
ionische Biopolymere, insbesondere Polysaccharidether, vorzugsweise Celluloseether. Als
ionische Biopolymere werden dabei technische (salzhaltige) oder gereinigte Poly
saccharidether, wie z. B. Carboxyalkylcelluloseether, insbesondere Carboxymethyl
cellulose; Sulfoalkylcelluloseether, insbesondere Sulfoethylcellulose und Sulfomethyl
cellulose; Carboxyalkylhydroxyalkylcelluloseether, insbesondere Carboxymethylhydroxy
ethylcellulose und Carboxymethylhydroxypropylcellulose; Sulfoalkylhydroxyalkylcellulose,
insbesondere Sulfoethylhydroxyethylcellulose und Sulfoethylhydroxypropylcellulose;
Sulfoalkylalkylcelluloseether, insbesondere Sulfoethylmethylcellulose, Sulfopropylmethyl
cellulose; Carboxyalkylsulfoalkylcellulloseether, insbesondere Carboxymethylsulfoethyl
celluloseether und Carboxymethylsulfopropylcelluloseether; Dihydroxypropylcarboxy
methyl- und Dihydroxpropylsulfoethylcelluloseether, Dialkylaminoalkylcelluloseether, wie
z. B. Diethylaminoethylcelluloseether; Dialkylaminoalkylhydroxyalkylcelluloseether, wie
z. B. Diethylaminoethyl-hydroxyethylcelluloseether; modifizierte Stärken, wie z. B.
carboxyalkylierte Stärken (z. B. Carboxymethylstärke) und modifizierte Guarprodukte
(z. B. Carboxymethylguar) beansprucht.
Bevorzugte nicht-ionische Biopolymere sind technische (salzhaltige) oder gereinigte
Polysaccharidether, wie z. B. Alkylcelluloseether, insbesondere Methylcellulose, Ethyl
cellulose; Alkylhydroxyalkylcelluloseether, insbesondere Methylhydroxyethylcellulose,
Methylhydroxypropylcellulose, Ethylhydroxyethylcellulose, Ethylhydroxypropylcellulose;
Hydroxyalkylcelluloseether, insbesondere Hydroxyethylcellulose und Hydroxypropyl
cellulose; Alkenylcelluloseether, insbesondere Allylcelluloseether; Alkylenalkylcellulose
ether, insbesondere Allylmethylcelluloseether und Allylethylcellulose; modifizierte Stärken,
wie z. B. alkylierte und hydroxyalkylierte Stärkeether (z. B. Methyl-, Ethylstärke, Hydroxy
ethyl- und Hydroxypropylstärke) und modifizierte Guarprodukte (z. B. Hydroxy
propylguar).
Bei der Herstellung der erfindungsgemäß beanspruchten Gele können neben den vor
genannten wasserlöslichen Biopolymeren, insbesondere wasserlöslichen Polysaccharid
ethern, auch physikalische Abmischungen aus z. B. reversibel vernetzten oder unvernetzten
Hydrokolloidzusammensetzungen und vernetzten oder unvernetzen Hydrokolloiden
verwendet werden (siehe hierzu EP 0686 666 A1, EP 0407 838 A1, EPA 0597 364). Für
die Herstellung der Gele können Biopolymere unterschiedlichen Molekulargewichts
eingesetzt werden. Zur Erzielung hoher Ergiebigkeiten werden dabei insbesondere hoch
molekulare Komponenten bevorzugt verwendet. Machen ökonomische oder technische
Notwendigkeiten den Einsatz von Biopolymerlösungen, insbesondere Polysaccharid
etherlösungen mit hohem Wirkstoffgehalt, also geringem Wassergehalt erforderlich,
können auch niedermolekulare Komponenten oder Abmischungen von hoch- und
niedermolekularen Verbindungen zum Einsatz kommen. Je nach technischen Erforder
nissen können dabei mehr elastische oder eher plastische Gele erhalten werden. Z.B.
werden mit hohen Konzentrationen niedrigviskoser Biopolymere, insbesondere Poly
saccharidether, bevorzugt Carboxymethycelluloseether, mehr elastische Gele erhalten als
mit hochmolekularen Produkten.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung werden unter Vernetzungsmittel Elektrolyte,
insbesondere wäßrige Lösungen von polyvalenten Metallkationen, wie z. B. von Zirko
nium, Titan, Antimon, Bor, Aluminium, Calcium, Eisen, Magnesium, Silber, Zink, Chrom
und Blei verstanden. Je nach Einsatz der verwendeten Agentien müssen in der Regel
spezifische Bedingungen hinsichtlich des pH-Wertes, der Temperatur sowie anderer
Chemikalien u. a. eingehalten werden, damit die Komplexierungsreaktion zwischen dem
Vernetzungsmittel und dem verwendeten wasserlöslichen Biopolymer, insbesondere
Polysaccharid, stattfindet. Bei Einsatz von antimonhaltigen Netzmitteln ist es z. B. erfor
derlich, daß das wäßrige Gel einen spezifischen pH-Wert und eine spezifische Temperatur
besitzt, bevor die gelbildende Reaktion erfolgt. Andere metallhaltige Elektrolyte wie z. B.
Chromsalze erfordern eine Oxidation/Reduktion für die Vernetzung. Im Rahmen der
vorliegenden Erfindung werden insbesondere solche Vernetzungsmittel verwendet, die
ökotoxikologisch unbedenklich sowie kostengünstig einsetzbar sind. Insbesondere werden
solche Vernetzungsmittel beansprucht, die mit geeigneten wasserlöslichen Polysacchariden
bzw. Polysaccharidethern reversible Gele bzw. gelartige Strukturen ausbilden. Geeignete
Vernetzungsmittel sind z. B. Bor- oder Aluminium-Verbindungen (siehe z. B. DE 40 24 968 A1;
Y. X. Zhang, J. Macromol. Chem. 1425 (8), 955 (1980) und R. L. Davidson, Hand
book of Water Soluble Gums and Resins, Chapter 6, 1980).
Die erfindungsgemäß beanspruchte Zubereitung aus Hydrokolloid, insbesondere Poly
saccharidether, bevorzugt Celluloseether oder Celluloseetherabmischung, und Tensid kann
ggf. weitere unveredelte Polysaccharide enthalten. Ihr Einsatz gestattet es, die Zubereitung
reversibel zu vernetzen, so daß ein klumpenfreies Dispergieren der erfindungsgemäß bean
spruchten Mischung möglich ist. Ferner können durch den Einsatz von natürlich vor
kommenden, nativen, unveredelten Polysacchariden preisgünstige Abmischungen bereit
gestellt werden, die darüber hinaus den Vorteil besitzen, daß sie toxikologisch unbe
denklich einsetzbar sind und - sofern sie wasserunlöslich sind - aus dem zu deponierenden
Boden-Schaum-Gemisch nicht ausgewaschen werden und damit zu keiner Belastung des
Grundwassers führen. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung werden dabei unter Poly
saccharid natürliche, native, unveredelte Biopolymere, wie z. B. Xanthan, Stärken, Guar,
natürliche Gummi, Johannisbrotkernmehl, Traganth, Tamarinde, Alginate, Proteine,
natürliche Holzfaserstoffe, wie Lignin und Hemicellulosen, insbesondere aber Cellulose
chemiezellstoffe, wie z. B. Linters-, Roh-Linters, Nadelholz-Suffit-, Nadelholz-Sulfat- und
Laubholzzellstoffe oder Gemische hieraus verstanden.
Der Anteil des nicht-ionischen bzw. ionischen Hydrokolloids - insbesondere wasserlös
lichen Celluloseethers - bezogen auf die Summe aus nicht-ionischem und ionischem
Hydrokolloid kann je nach anwendungstechnischen Notwendigkeiten und Erfordernissen
variieren. Die Menge des nicht-ionischen Celluloseethers beträgt hierbei 0,1-99,9 Gew.-%,
insbesondere 1-99 Gew.-%, vorzugsweise 10-90 Gew.-%. Die Menge des
ionischen Celluloseethers kann somit 99,9-0,1 Gew.-%, insbesondere 99-1 Gew.-%,
vorzugsweise 90-10 Gew.-% betragen.
Die Summe aus ionischem und nicht-ionischem Hydrokolloid bezogen auf den gesamten
Anteil aus wasserlöslichem Biopolymer, Vernetzungsmittel und Tensid beträgt bis zu
99,9%, insbesondere bis zu 98%.
Als Quellmittel werden vorzugsweise toxikologisch unbedenkliche Systeme, wie Wasser
oder wäßrig-alkoholische Geinische eingesetzt. Das Verfahren zur Herstellung der erfin
dungsgemäß beanspruchten Zubereitung kann nach den üblichen, literaturbekannten
Methoden durchgeführt werde(s. z. B. EP 0 407 838 B1, EP 0 686 666 A1,
EP 0 597 364 A1, US 4,373,959, DE 31 03 338 A1 und dort zitierte Literatur).
Der Einsatz der vorgenannten Abmischungen macht eine homogene und intensive Durch
mischung aller Komponenten erforderlich. Das Verfahren der physikalischen Durch
mischung bzw. die Art des verwendeten Mischaggregates ist Stand der Technik und für
das Wesen der vorliegenden Erfindung unerheblich und somit auch nicht Gegenstand der
Erfindung. Geeignete Mischaggregate sind z. B. geschlossene Mischbehälter oder Mischer
mit rotierenden Mischwerkzeugen. Zur Vermeidung von Agglomeraten oder Ent
mischungen ist es ferner möglich, den Mischvorgang mit einem Mahlvorgang zu ver
binden, Vormischungen herzustellen oder die Homogenisierung durch die Benetzbarkeit
mit Zusatzstoffen zu verbessern. Geeignete Apparaturen hierfür sind z. B. Kneter, Feucht
gutmischer, Granuliertrommeln, Pelletierteller oder -trommeln.
Die erfindungsgemäß beanspruchten oben bezeichneten Zubereitungen können zusätzlich
nach dem Stand der Technik übliche Hilfsstoffe, insbesondere Füllstoffe, Konservierungs
mittel, Luftporenbildner, Phasentransferkatalysatoren, Emulgatoren, dispergierende oder
absorbierende Polymere (z. B. Harze) u.ä. oder Gemische hieraus enthalten. Derartige
Hilfsstoffe werden vorzugsweise in Mengen von maximal 35%, insbesondere bis zu 25%
eingesetzt, ohne dabei das Wesen der vorgenannten erfindungsgemäß beanspruchten
Zubereitung zu verändern.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen im Ver
gleich zum Stand der Technik (Celluloseether mit schaumgenerierenden Systemen
(Tensiden)) naher erläutert.
Die zum Einsatz gelangten Celluloseether bzw. physikalischen Mischungen von Cellulose
ethern werden durch die in Tabelle 1 bezeichneten Kenndaten charakterisiert.
Charakteristische Kenndaten von im Rahmen der Erfindung ausge
testeten Celluloseethern und Celluloseetherabmischungen
Charakteristische Kenndaten von im Rahmen der Erfindung ausge
testeten Celluloseethern und Celluloseetherabmischungen
1) Durchschnittlicher Substitutionsgrad durch Methylgruppen (Me)
2) Durchschnittlicher Substitutionsgrad durch Carboxymethyl-(CM)
3) Molarer Substitutionsgrad durch Hydroxyethyl-(HE)
4) Viskosität gemessen als 2 gew.-%ige, wäßrige Lösung in einem Rotationsviskosimeter (Haake) bei D = 2,5 s⁻1, T = 20°C
5) Carboxymethylcellulose; Handelsmuster Fa. Daiichi Kasei Sangyo Kabushiki Kaisha, Japan
6) Methylhydroxyethylcelluloseether; Walocel MKX 30 000 PF 01® (Wolff Walsrode AG)
7) Physikalische Mischung aus 50 Gew.-% Methylhydroxyethylcellulose (Walocel MK 30 000 PF 01® (Wolff Walsrode)) und 50 Gew.-% Carboxymethylcellulose (Walocel CRT 30 000 P® (Wolff Walsrode AG))
8) Walocel VP-C-2427® (Wolff Walsrode AG))
9) Brookfield RVT, Spindel 5/100 UpM, T = 25°C, c = 2%
2) Durchschnittlicher Substitutionsgrad durch Carboxymethyl-(CM)
3) Molarer Substitutionsgrad durch Hydroxyethyl-(HE)
4) Viskosität gemessen als 2 gew.-%ige, wäßrige Lösung in einem Rotationsviskosimeter (Haake) bei D = 2,5 s⁻1, T = 20°C
5) Carboxymethylcellulose; Handelsmuster Fa. Daiichi Kasei Sangyo Kabushiki Kaisha, Japan
6) Methylhydroxyethylcelluloseether; Walocel MKX 30 000 PF 01® (Wolff Walsrode AG)
7) Physikalische Mischung aus 50 Gew.-% Methylhydroxyethylcellulose (Walocel MK 30 000 PF 01® (Wolff Walsrode)) und 50 Gew.-% Carboxymethylcellulose (Walocel CRT 30 000 P® (Wolff Walsrode AG))
8) Walocel VP-C-2427® (Wolff Walsrode AG))
9) Brookfield RVT, Spindel 5/100 UpM, T = 25°C, c = 2%
Der Einsatz der erfindungsgemäß beanspruchten Zubereitungen wird mittels der nach
folgend beschriebenen Labormethoden exemplarisch im Vergleich zum Stand der Technik
beschrieben. Die erforderlichen Eigenschaften und Wirkungen der Zubereitung sind von
den sich jeweils ändernden geologischen Bedingungen (Bodenart, Körnung etc.) abhängig
und werden durch die sehr unterschiedlichen Anforderungen, die an das Boden-Zusatz
mittelgemisch gestellt werden (z. B. Abdichtung gegen drückendes Wasser, Verringerung
des Scherwiderstandes für Schneid- und Mischrad, Herstellen eines homogenen
Gemisches von geeigneter Konsistenz für die verschiedenen Abförderungsmöglichkeiten
aus dem Tunnel und zur Deponie, Deponiefähigkeit u. a.) bestimmt, so daß die in den Bei
spielen erwähnten Mengenangaben von den tatsächlichen, in der Praxis zum Einsatz
kommenden Mengen abweichen können.
Folgende Untersuchungen der Gele bzw. des Gemisches aus Boden und Zugabemittel
wurden vorgenommen:
- 1. Bestimmung der Geldichte in Anlehnung an DIN 18 126
- 2. Ermittlung des Ausbreitmaßes nach DIN 1048, Teil 1
- 3. Ökotoxikologische Bestimmung an verschiedenen Musterböden
- 4. Rheologische Charakterisierung der Gele und Schäume im Vergleich
- 5. Bestimmung der relativen Standzeit der Gele
- 6. Bestimmung des Durchlässigkeitsbeiwertes in Anlehnung an DIN 18130, Teil 1
Für die Untersuchung der Eigenschaften eines Boden-Gel-Gemisches wurde ein
Musterboden ("Z 1") mit definierten Anteilen von Sand- und Kiesfraktionen einge
setzt. Der verwendete Boden ist in Bild 1 durch seine Körnungslinien nach
DIN 18 123 beschrieben.
Die Bestimmung der Geldichte wurde in Anlehnung an DIN 18 126 durchgeführt, in
dem das im Schaumgenerator erzeugte Gel in einen Behälter mit einem definierten
Volumen gefüllt und anschließend unter Berücksichtigung des Behältergewichtes
gewogen wurde. Die Dichte des Geles ergibt sich aus der Formel:
Für die Bestimmung der relativen Standzeit wurden die Gele und Schäume in ein
Becherglas gefüllt. Als Meßwert der Standzeit wurde die Zeit definiert, bis sich aus
einem definierten Schaumvolumen von 1,0 L im Becherglas eine Flüssigkeitsmenge
von 1,0 cm Höhe (entspricht ca. 5% des Schaumvolumens) abgesetzt hatte oder die
Schaumoberfläche auf unter 75% der Behälterobeifläche abgesunken war. Werte
über 120 Minuten wurden aus anwendungsorientierten Gründen als ausreichende
Standzeit angesehen.
Bild 1: Körnungskurve des Musterbodens Z1
Zur Konsistenzbestimmung des Boden-Zusatzmittel-Gemisches im Arbeitsraum und an
der Förderschnecke wurde das Ausbreitmaß nach DIN 1048, Teil 1 ermittelt. Hierbei
wurde das Boden-Gel-Gemisch in zwei Lagen lose in die Kegelstumpfform eingefüllt und
abschließend ohne Verdichtungswirkung an der Oberkante der Form abgestrichen. Danach
wurde die Form nach oben abgezogen und anschließend innerhalb von 15 Sekunden die
Platte des Versuchstisches 15 mal bis zum Anschlag gehoben und frei fallengelassen. In
Ergänzung des Versuches nach DIN 1048, Teil 1 wurde das Ausbreitmaß direkt nach dem
Hochziehen der Form nach ca. 10 Sekunden nach 5- und 10-maligem Fallenlassen des
Versuchstisches bestimmt (Tabelle 3, Spalten "Ausbreitmaß"). Die Versuchsdurchführung
verlängerte sich dadurch auf ca. 2 Minuten nach dem Ausbau des Versuchsgemisches aus
der Durchströmungsapparatur. Die Versuchsergebnisse ergeben im Zusammenhang mit
den zeitgleichen visuellen Betrachtungen einen Anhalt über den Zusammenhalt und das
Verformungsverhalten des Gemisches.
Bei dem derzeitigen Stand der Kenntnisse über die Korrelation zwischen Ausbreitmaß und
Eignungsgemisch für ein Erddruckschild, können Werte von Ausbreitmaßen zwischen
35 cm und 40 cm als geeignet angesehen werden. Bei Werten unter 35 cm muß in Abhän
gigkeit der jeweils aktuellen Körnungslinie und der Mineralogie untersucht werden, ob der
Boden auch ausreichend pastöse Eigenschaften besitzt. Bei Werten über 40 cm ist die
erforderliche Undurchlässigkeit des Gemisches zu ermitteln. Weiterhin ist in diesen Fällen
zu prüfen, ob das Material für einen Bandtransport geeignet ist und ggf. vor der Depo
nierung nachbehandelt werden muß. Für das Ausbreitmaß wurden mit Schaum durch
strömte Bodenproben verwendet, so daß alle Porenräume mit Schaummaterial gefüllt
waren. Dieser Zustand entspricht in etwa dem eines abgebauten Bodens im Erd
druckschild. Die tatsächlich erforderliche Menge an einzusetzendem Gel ist u. a. von der
jeweiligen Bodenart, dem Grundwasserstand sowie der Bauart des Schildes abhängig und
kann von den in den Versuchen verwendeten Mengen deutlich abweichen. Die Menge des
zu verwendenden Vernetzungsreagenzes zur Gelbildung ist dabei einerseits von der Art,
Menge und vom Molekulargewicht der eingesetzten wasserlöslichen Biopolymere,
insbesondere des Celluloseethers bzw. der Celluloseetherabmischung abhängig. Anderer
seits legen technische Erfordernisse fest, wie ausgeprägt die Festigkeit des zu ver
wendenden Gels sein muß.
Im Anschluß an die Bestimmung des Ausbreitmaßes wurde dasselbe Material wieder in die
Durchströmungsapparatur nach Maidl (U. Maidl, Dissertation, Mitteilung Nr. 95-4),
Ruhruniversität Bochum, Institut für konstruktiven Ingenieurbau 1995) eingebracht und
die Anfangsdurchlässigkeit bei einem Differenzdruck von 0,2 bar bestimmt (siehe
Tabelle 3).
In der nachfolgende Tabelle (Tabelle 3) sind die Ergebnisse der anwendungstechnischen
Untersuchungen aufgeführt. Der Musterboden wurde dabei mit Celluloseethern und Ten
siden im Vergleich zu den erfindungsgemäß beanspruchten Zubereitungen ausgetestet.
Bei den rheologischen Untersuchungen wurde das Ziel verfolgt, die erfindungsgemäß
beanspruchten Gele eindeutig zu charakterisieren und diese vom Stand der Technik
(Schäume) abzugrenzen. Mit einem Platte-Platte-System wurden daher Oszillations
messungen vorgenommen. Aus Kenntnis der Kraft bzw. Schubspannung τ (stress) der
Verformung γ (strain) und der Phasenverschiebung δ läßt sich das viskoelastische Ver
halten eines Materials vollständig durch zwei Kenngrößen beschreiben [J. D. Ferry:
"Viscoelastic Properties of Polymers", Wiley & Sons, New York 1980). Die eine Kenn
größe bezeichnet den Speichermodul: G' = (τ0/γ0).cos δ. Dieser beschreibt unmittelbar
die Elastizität des Materials (τ0 und γ0 sind die Amplituden der Schubspannung und
Verformung). Der Verlustmodul kennzeichnet dabei die zweite Kenngröße, die durch
folgende mathematische Gleichung beschrieben wird: G'' : (γ0/τ0).sin δ.
Der Verlustmodul beschreibt dabei die Fähigkeit des Materials, die Deformationsenergie in
Wärme umzuwandeln. Die beiden Grenzfälle mit δ = 0°C bzw. δ = 90°C beschreiben das
Verhalten rein elastischer bzw. rein viskoser Substanzen.
Die im folgenden durchgeführten dynamischen Oszillationsmessungen wurden mit einem
Platte-Platte-System im viskoelastischen Bereich (γ con. = 0,4) durchgeführt. Die rheolo
gischen Meßergebnisse sind im Anhang aufgeführt. Überall dort, wo der elastische Anteil
oberhalb des viskosen Anteils liegt, handelt es sich um Substanzen, die im rheologischen
Sinne (s. o.) als Gele zu bezeichnen sind (G' < G''). In der nachfolgend bezeichneten
Tabelle werden die Ergebnisse der rheologischen Messungen nochmals zusammengefaßt.
Ergebnisse der rheologischen Messungen
Ergebnisse der rheologischen Messungen
Ziel bei den anwendungstechnischen Untersuchungen war es, kostengünstige und einfach
herstellbare Produkte bereitzustellen, die anwendungstechnisch den Stand der Technik
mindestens einstellen (je nach Anwendung, Ergiebigkeit, Durchlässigkeitsveränderungen
usw.) sowie niedrige DOC-Werte für das Boden-Zusatzmittelgemisch ergeben und somit
im Vergleich zum Stand der Technik ökologisch und technisch unbedenklich deponierbar
sind.
Das Ergebnis der Untersuchungen zeigt, daß nach dem Stand der Technik mit Methyl
hydroxyethylcelluloseethern ohne Tensidzusätze Schäume erhalten werden, deren flüssige
Zustandsform insbesondere bei größeren Grundwassergegendrücken von Nachteil ist, da
eine abdichtende Wirkung gegen drückendes Wasser auch durch Erhöhung der Schaum
zugabemenge nicht erreicht werden kann, da die Durchlässigkeit des Gemisches in der
Förderschnecke zu groß ist. Bei einem Einsatz von Tensiden werden zwar Schäume
erzeugt, die für die vorgenannte Anwendung einsetzbar sind (siehe Tabelle 4, lfd. Nr. 2,
[CMC]), allerdings läßt der hohe DOC-Wert (siehe Tabelle 5) eine Deponierung in
Bauschuttdeponien o. ä. nicht zu.
Bei Einsatz der erfindungungsgemäß beanspruchten Gele ist es dagegen möglich, den
Tensideinsatz zu reduzieren oder vollständig auf den Einsatz von Tensiden zu verzichten
(s. lfd. Nr. 5 in Tabelle 4), so daß bei gleichen technischen Vorteilen die ökotoxikologisch
unbedenkliche Deponierung des Abraums sichergestellt werden kann.
Oszillationsversuch eines Gemisches aus CMC und Tensid ohne Boden
(Stand der Technik). Produktkenndaten s. Tabelle 1, Produkt-Nr. 1 (CMC) und
Tabelle 3, lfd.-Nr. 2.
Oszillationsversuch eines Gemisch es aus Carboxymethylcellulose und Tensid
(Stand der Technik)
Oszillationsversuch eines Gemisches aus Methylhydroxyethylcellulose (MHEC) und
Tensid ohne Boden (Stand der Technik). Produktkenndaten s. Tabelle 1, Produkt-Nr.
2 (MHEC) und Tabelle 4, lfd. Nr. 3
Oszillationsversuch eines Gemisches aus MHEC und Tensid
(Stand der Technik)
Oszillationsversuch eines Gemisches aus MHEC/CMC und Vernetzungsreagenz und
Tensid ohne Boden (Erfindung). Produktkenndaten s. Tabelle 1, Produkt-Nr. 3
(MHEC/CMC) und Tabelle 4, lfd. Nr. 4.
Oszillationsversuch eines Gemisches aus MHEC und CMC und Tensid
(Erfindung)
Oszillationsversuch eines Gemisches aus MHEC/CMC und Vernetzungsreagenz ohne
Tensid und ohne Boden (Erfindung). Produktkenndaten s. Tabelle 1, Produkt-Nr. 3
(MHEC/CMC) und Tabelle 4, lfd.-Nr. 5.
Oszillationsversuch eines Gemisches aus MHEC und CMC und
Vernetzungsmittel (Aluminiumsulfat) ohne Tensid
(Erfindung)
Claims (10)
1. Verfahren zum Stützen der Ortsbrust und des anstehenden Grundwassers bei
Vortriebssystemen, insbesondere mit Erddruckschilden betriebenen Schild
systemen für den Tunnelbau im begehbaren und nichtbegehbaren Bereich
sowie Microtunnelling bei dem der abgebaute Boden in der Erddruckkammer
mit einem fluidisierenden Medium vermischt und durch gezieltes Abführen des
Gemisches in der Erddruckkammer ein dem Erddruck und dem Grundwasser
druck entgegenwirkender Druck erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß
das dem abgebauten Boden zugeführte fluidisierende Medium ein die Durch
lässigkeit des Bodens verringerndes Gel ist und daß durch Mischen und
Verrühren im Abbauraum oder der Förderschnecke ein Gemisch aus Boden
und Gel hergestellt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gel aus min
destens einer wasserlöslichen hochmolekularen Substanz und mindestens einer
oberflächenaktiven Substanz und einem Vernetzungsmittel besteht.
3. Verfahren nach mindestens einem der oben genannten Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß das wasserlösliche hochmolekulare Produkt oder
Produktgemisch mindestens einen Polysaccharidether, insbesondere Cellu
loseether bezeichnet.
4. Verfahren nach mindestens einem der oben genannten Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß es sich bei dem Celluloseether oder dem Celluloseether
gemisch um Carboxymethylcelluloseether, Sulfoethylcelluloseether, Hydroxy
ethylcellulose-, Hydroxypropylcellulose-, Ethylcellulose-, Methylcellulose-,
Methylhydroxyethylcellulose- oder Methylhydroxypropylcelluloseether
handelt.
5. Verfahren nach mindestens einem der oben genannten Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß es sich bei der oberflächenaktiven Substanz um Tenside
oder Tensidgemische, insbesondere um nicht-ionische, anionische, kationische
oder amphotere Tenside handelt.
6. Verfahren nach mindestens einem der oben genannten Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß es sich bei der oberflächenaktiven Substanz um nicht
ionische Tenside sowie Abmischungen derselben mit anionischen, kationischen
oder amphoteren Tensiden handelt.
7. Verfahren nach mindestens einem der oben genannten Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß es sich bei der oberflächenaktiven Substanz um Tenside
aus nachwachsenden Rohstoffen, insbesondere um nicht-ionische Tenside vom
Typ der Alkylpolyglycoside handelt, die allein oder in Kombination mit her
kömmlichen anionischen, nicht-ionischen oder amphoteren Tensiden eingesetzt
werden.
8. Verfahren nach mindestens einem der oben genannten Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß es sich bei der oberflächenaktiven Substanz um nicht
ionische Tenside vom Typ der Alkylpolyglycoside mit Alkylkettenlängen von
C4-C30 handelt.
9. Verfahren nach mindestens einem der oben genannten Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß ein Gemisch aus einem ionischen und nicht-ionischen
Celluloseether verwendet wird, wobei es sich bei der ionischen Komponente
um Carboxymethylcelluloseether oder Sulfoethylcelluloseether und bei der
nicht-ionischen Komponente um Hydroxyethylcellulose-, Hydroxypropyl
cellulose-, Ethylcellulose-, Methylcellulose-, Methylhydroxyethyl
cellulose- oder Methylhydroxypropylcelluloseether handelt.
10. Verfahren nach mindestens einem der oben genannten Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß es sich bei dem Vernetzungsmittel um Borverbindungen,
zwei- oder dreiwertige Kationen, mono-, bi- oder mehrfachfunktionelle
Aldehyde, organische oder anorganische Säuren, Harnstoff oder Harnstoff
derivate, mehrwertige Epoxide, Epichlorhydrin sowie weitere zur Vernetzung
befähigte Verbindungen handelt.
Priority Applications (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19717899A DE19717899A1 (de) | 1996-12-09 | 1997-04-28 | Verfahren zur Herstellung sowie Verwendung von Gelen als Additive für einen mechanischen Schildvortrieb |
EP97120718A EP0846747A1 (de) | 1996-12-09 | 1997-11-26 | Verfahren zur Herstellung sowie Verwendung von Gelen als Additive für einen mechanischen Schildvortrieb |
JP35403697A JPH10183116A (ja) | 1996-12-09 | 1997-12-09 | 機械的シールド工法に対する添加剤としてのゲルの製造法及び使用法 |
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19651043 | 1996-12-09 | ||
DE19717899A DE19717899A1 (de) | 1996-12-09 | 1997-04-28 | Verfahren zur Herstellung sowie Verwendung von Gelen als Additive für einen mechanischen Schildvortrieb |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE19717899A1 true DE19717899A1 (de) | 1998-06-10 |
Family
ID=7814076
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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DE19717899A Withdrawn DE19717899A1 (de) | 1996-12-09 | 1997-04-28 | Verfahren zur Herstellung sowie Verwendung von Gelen als Additive für einen mechanischen Schildvortrieb |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE19717899A1 (de) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2005021932A1 (ja) * | 2003-08-29 | 2005-03-10 | Obayashi Corporation | 気泡シールド工法における気泡の生成方法及び気泡シールド工法に用いられる気泡材 |
WO2020212358A1 (de) | 2019-04-15 | 2020-10-22 | Ionys Ag | Polyionen-komplexe |
-
1997
- 1997-04-28 DE DE19717899A patent/DE19717899A1/de not_active Withdrawn
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2005021932A1 (ja) * | 2003-08-29 | 2005-03-10 | Obayashi Corporation | 気泡シールド工法における気泡の生成方法及び気泡シールド工法に用いられる気泡材 |
WO2020212358A1 (de) | 2019-04-15 | 2020-10-22 | Ionys Ag | Polyionen-komplexe |
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