DE19724939A1 - Hydraulic sealant, e.g. for sealing off waste from groundwater - Google Patents

Hydraulic sealant, e.g. for sealing off waste from groundwater

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Abstract

A hydraulic sealing medium, in which non-ionic, cationic or anionic polyacrylamides (PAA) with a mol. wt. of 300,000 to 20 million are used to plasticise the inert and/or sealing-active fillers.

Description

Die Erfindung betrifft ein hydraulisches Abdichtungsmedium mit wasserlöslichen Polyacrylamiden.The invention relates to a hydraulic sealing medium with water-soluble Polyacrylamides.

Zur Unterbindung der Wechselwirkung zwischen Deponatkörper von Altlasten/Altabla­ gerungen und dem Grundwasser werden die verschiedensten Barrieren errichtet, deren Wirksamkeit auf mechanische, chemische und hydraulische Mechanismen beruht. Viel­ fach stellen sie Kombinationen verschiedener Wirkungsweisen dar und vermindern so den Schadstofftransport ins weite Umfeld. Die Anwendung dieser Maßnahmen ist zu­ gleich abhängig von der Beschaffenheit des natürlichen Untergrundes von Deponien und Altlasten, die als geologische Barriere bezeichnet wird.To prevent the interaction between landfill bodies from contaminated sites / old dumps wrestled and groundwater the most diverse barriers are erected, their Effectiveness is based on mechanical, chemical and hydraulic mechanisms. A lot they represent combinations of different modes of action and thus reduce the transport of pollutants into the wider environment. The application of these measures is too depending on the nature of the natural underground of landfills and contaminated sites known as geological barriers.

Die Beständigkeit klassischer Abdichtungen, wie Stahlgrund- und Bohrpfahlwände steht in direkter Abhängigkeit zur Aggressivität des Deponatkörpers. Die Errichtung einer Sperrschicht zur Ausfüllung von Porenräumen der Bodenschichten mit Montanwachs entsprechend der DE-PS 42 10 473 kommt ohne zusätzliche Stützwände aus.The resistance of classic seals, such as steel base and bored pile walls in direct dependence on the aggressiveness of the landfill body. The establishment of a Barrier layer for filling pore spaces in the soil layers with montan wax according to DE-PS 42 10 473 does not require additional retaining walls.

Die Herstellung derartiger Einphasenschlitzwände gestaltet sich auf Grund der vorzei­ tigen Erstarrung des Dichtmittels in großen Teufen sehr schwierig. Bei diesem Verfahren werden reaktive Inhaltsstoffe von Deponien zur Unterstützung der Trennwirkung nicht genutzt.The manufacture of such single-phase diaphragm walls is based on the vorzei solidification of the sealant at great depths is very difficult. With this procedure landfill reactive ingredients do not support the separation effect utilized.

Bei der Versiegelung von Festschadstoffdeponien gegen Grundwasserauslaugung wird der hydraulische Kontakt zum Untergrund durch Insituerzeugung von Injektionsgelen aus zwei Systemkomponenten unterbunden. Derartige Abdichtungsgele basieren auf Natriumwasserglas und einem Gelbildner z. B. Kalziumchlorid, Natriumaluminat oder speziellen Tri-Alkoxi-Alkyl-Silanen. Diese Systeme verhalten sich indifferent zu den Deponiebestandteilen und zeichnen sich zumeist durch kurze Gelbildungszeiten aus. Dadurch sind sie in ihrer Handhabbarkeit stark eingeschränkt bzw. verursachen im Falle der Alkylsilane erhebliche Gestehungskosten.When sealing solid pollutant landfills against groundwater leaching hydraulic contact with the subsurface by generating injection gels prevented from two system components. Such sealing gels are based on Sodium water glass and a gelling agent e.g. As calcium chloride, sodium aluminate or special tri-alkoxy-alkyl silanes. These systems are indifferent to the Landfill components and are usually characterized by short gel formation times. As a result, they are severely limited in their handling or cause in the case the alkylsilanes considerable production costs.

Es ist Aufgabe der Erfindung ein hydraulisches Abdichtungsmedium zur Versiegelung von Festschadstoffdeponien gegen Grundwasserauslaugung bereitzustellen, das neben einer hohen Handhabungssicherheit eine hervorragende Resistenz gegenüber vorhan­ denen chemischen Kontaminanten aufweist, bzw. durch Verkrustungsprozesse die Dichtwirkung erhöht.It is an object of the invention to provide a hydraulic sealing medium for sealing of solid pollutant landfills against groundwater leaching, which besides a high level of handling safety an excellent resistance to existing which has chemical contaminants, or through incrustation processes Sealing effect increased.

Die Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, daß zur Plastifizierung der innerten und/oder abdichtungsaktiven Füllstoffe nichtionische, kationische oder anionische Polyacrylamide mit einer Molmasse zwischen 300.000 und 20.000.000 eingesetzt wer­ den.The object of the invention is achieved in that the inner plasticization  and / or sealing-active fillers non-ionic, cationic or anionic Polyacrylamides with a molecular weight between 300,000 and 20,000,000 are used the.

Die erfindungsgemäß eingesetzten Polyacrylamide sind Handelsprodukte der Fa. Cytec/HeGo Biotec GmbH und werden unter der Bezeichnung "Superfloc®" geführt.The polyacrylamides used according to the invention are commercial products from Cytec / HeGo Biotec GmbH and are listed under the name "Superfloc®".

Die Bezeichnung abdichtungsaktiver Füllstoff kennzeichnet dessen Eigenschaft mit Substanzen aus dem Deponatkörper eine Reaktion einzugehen und diese gewisserma­ ßen fest in das Dichtungsmedium einzubauen.The term sealing-active filler characterizes its property Substances from the landfill body to react and this to a certain extent to be firmly installed in the sealing medium.

Sehr gut geeignete Abdichtungsmedien bestehen aus einem pastösen Zementmörtel­ gemisch mit 0,1 bis 5 Gewichtsprozent anionischem Polyacrylamid mit einer Molmasse zwischen 6.000.000 und 18.000.000.Very suitable sealing media consist of a pasty cement mortar mixture with 0.1 to 5 weight percent anionic polyacrylamide with a molecular weight between 6,000,000 and 18,000,000.

Zur Gelmodifizierung der pastösen Abdichtungsmischungen wird Natriumsilikatlösung (Natronwasserglas) verwendet. Der Anteil am Gesamtfeststoffgehalt der Abdichtungsmi­ schung beträgt 0,01 bis 10 Gew.-%.Sodium silicate solution is used for gel modification of the pasty sealing compounds (Soda water glass) used. The share of the total solids content of the sealing compound Schung is 0.01 to 10 wt .-%.

Injektionsmischungen, die in den Boden eingepreßt werden, müssen in der Viskosität so eingestellt werden, daß sie unter Druck über weite Strecken pumpfähig sind. Die Zeit­ dauer der Verarbeitbarkeit muß in Verbindung mit dem Bauablauf und dem Herstel­ lungsvorgang einstellbar sein.Injection mixtures that are pressed into the soil must have such a viscosity be set so that they can be pumped over long distances under pressure. The time Duration of workability must be in connection with the construction process and the manufac be adjustable.

Wichtige Mischungskomponenten sind Bentonite, hydraulische Bindemittel und Wasser, daneben weitere Bestandteile wie z. B. Ton- und Gesteinsmehle, feine Sande, Flug­ aschen, gebrannter oder gemischter Kalk, gemahlener Mamor, gemahlener Dolomit und Abbindungsadditive.Important components of the mixture are bentonites, hydraulic binders and water, in addition other components such. B. clay and stone powder, fine sands, flight ash, burnt or mixed lime, ground marble, ground dolomite and Setting additives.

Bentonit ist ein hochquellfähiger Ton, der zu 60 bis 80 Gew.-% aus dem Tonmineral Montmorillonit besteht. Der Montmorillonit gehört zur Gruppe der Dreischichtminerale aus zwei außen angeordneten Tedraederschichten und einer dazwischen liegenden Ok­ taederschicht. Ein Teil der Aluminiumionen der Oktaederschicht bzw. der Siliziumionen der Tetraederschichten können durch Ionen niedriger Wertigkeit isomorph ausgetauscht sein. Dabei entsteht jedoch eine negative Oberflächenladung, die durch Anlagerung von Kationen wie Kalzium- oder Natriumionen neutralisiert werden kann. Je nach Art der Kationenanlagerung spricht man dann von Natrium- oder Kalziumbentoniten. Eine wesentliche Eigenschaft der Bentonite ist die innerkristalline Quellung, wobei die ange­ lagerten Kationen bei Vorhandensein von Wasser das Bestreben haben, innerhalb der Quellzeit zu hydratisieren. Dabei kann sich der Abstand zwischen den einzelnen Silikat­ schichten im Tonmineral erheblich vergrößern. Da Natriumionen bei der Hydratation gegenüber Kalziumionen mehr Wasser aufnehmen, ist die Quellfähigkeit von Natrium­ bentoniten entsprechend größer. Demgegenüber sind Tonmehle allgemein aus Ein- und Zweischichttonmineralien aufgebaut, die im Vergleich zu Bentoniten eine geringere Austauschkapazität und ein geringeres Hydratationsvermögen und damit auch eine geringere Quellfähigkeit aufweisen. Diese Tonmehle sind auf Grund ihrer Reaktions­ trägheit nur unwesentlich an chemischen Prozessen beteiligt und finden daher vor­ nehmlich als sogenannte innerte Füllstoffe Verwendung.Bentonite is a highly swellable clay that contains 60 to 80% by weight of the clay mineral Montmorillonite exists. Montmorillonite belongs to the group of three-layer minerals consisting of two outer tedraeder layers and an ok in between dead layer. Part of the aluminum ions in the octahedral layer or the silicon ions of the tetrahedral layers can be exchanged isomorphically by ions of low valence be. However, this creates a negative surface charge, which is caused by the addition of Cations such as calcium or sodium ions can be neutralized. Depending on the type of Cation deposition is then called sodium or calcium bentonites. A The essential property of the bentonite is the intra-crystalline swelling, the ange Cations stored in the presence of water tend to be within the Hydrate swelling time. The distance between the individual silicates can change Enlarge layers in clay mineral considerably. Because sodium ions during hydration  absorbing more water than calcium ions is the swellability of sodium bentonites correspondingly larger. In contrast, clay flours are generally made of single and Two-layer clay minerals built up, which are lower in comparison to bentonites Exchange capacity and a lower hydration capacity and thus also one have lower swellability. These clay flours are due to their reaction Sluggishly involved in chemical processes and therefore find conveniently used as so-called inner fillers.

Als aktive Füllstoffe sind dem gegenüber die entsprechenden Kalkverbindungen, Mamor und Dolomit anzusprechen, die wirkungsvoll an chemischen Neutralisationsreaktionen, z. B. in schwefelsauren Medien, teilnehmen.In contrast, the corresponding lime compounds, marble, are active fillers and to address dolomite, which are effective in chemical neutralization reactions, e.g. B. in sulfuric media, participate.

Als hydraulische Bindemittel fungieren wirkungsvoll die Hochofenzemente. Für sulfat­ beständige Hochofenzemente wird nach der DIN 1164 ein Anteil zwischen 36 und 80 Gew.-% Hochofenschlacke und zwischen 20 und 64 Gew.-% gemahlener Portlandze­ mentklinker festgeschrieben.Blast furnace cements act effectively as hydraulic binders. For sulfate resistant blast furnace cements is a proportion between 36 and 80 according to DIN 1164 % By weight blast furnace slag and between 20 and 64% by weight of ground Portlandze ment clinker committed.

Zur Begrenzung des Aufbereitungsaufwandes auf der Baustelle und zur Vereinfachung der Qualitätssicherung werden zunehmend Trockenfertigmischungen eingesetzt. Von Silofahrzeugen aus werden die Mischungen auf der Baustelle in Vorratssilos eingebla­ sen und zur Aufbereitung der Suspensionen mit hoher Energie in Wasser dispergiert und durch Additive modifiziert.To limit the preparation work on the construction site and to simplify it Dry mixes are increasingly being used in quality assurance. From Silo vehicles are blown in at the construction site in storage silos and dispersed in water to prepare the suspensions with high energy and modified by additives.

Die Abbindereaktion der Zemente verläuft als topochemische Reaktion an der Oberflä­ che der Zementpartikel in drei Phasen. Dabei wird Wasser durch Einbau in die Hydrat­ verbindung kristallin gebunden. In der ersten Hydratationsphase - der Erstarrung - bildet sich um die einzelnen Zementpartikel eine Gelhülle, die zu nadelförmigen Strukturen ohne Kontakt zu den benachbarten Zementpartikeln heranwächst. Anschließend bilden sich in der zweiten Hydratationsphase faserförmige Hydratationsprodukte, die die Zwi­ schenräume überbrücken und damit dem Zementleim ein stabileres Grundgefüge ver­ leihen. In der Nacherhärtung - der dritten Hydratationsphase - werden weitere Poren­ räume durch feinkristalline Hydratationsprodukte besetzt.The setting reaction of the cements takes place as a topochemical reaction on the surface surface of the cement particles in three phases. Here, water is incorporated into the hydrate compound bound crystalline. In the first hydration phase - solidification - forms around the individual cement particles, a gel shell that leads to needle-shaped structures grows without contact with the neighboring cement particles. Then form in the second hydration phase fibrous hydration products, which the Zwi bridging spaces and thus providing the cement paste with a more stable basic structure lend. In the post-hardening - the third hydration phase - further pores become rooms occupied by fine crystalline hydration products.

Durch den erfindungsgemäßen Einsatz der Polyacrylamide wird durch Lösen in Wasser zunächst ein Gel mit feststofftragenden Eigenschaften erzeugt. Solche gefüllten Gele sind pumpfähig und binden bei Verwendung von selbstaushärtenden Zementen erst bei Zugabe von Natruimwasserglas als Modifizierungsmittel ab. Der Abbindungsmechanis­ mus ist zur Zeit noch nicht ganz geklärt. Damit ist es möglich, Injektionsgele mit den Eigenschaften dauerplastisch bis hartabbindend einzustellen und durch die Auswahl der Füllungsbestandteile eine Anpassung an das jeweilige Milieu zu garantieren.By using the polyacrylamides according to the invention, by dissolving in water first created a gel with solid-carrying properties. Such filled gels are pumpable and only bind when using self-curing cements Add sodium silicate as a modifier. The binding mechanism mus has not yet been fully clarified. This makes it possible to use injection gels with the  Set properties permanently plastic to hard setting and by selecting the Filling components to guarantee an adaptation to the respective milieu.

Damit können die bisherigen Bentonitsuspensionen optimiert bzw. bentonitfreie Abdich­ tungsmedien mit hervorragender Füll- und Abdichtwirkung eingesetzt werden.The previous bentonite suspensions can thus be optimized or bentonite-free seals media with excellent filling and sealing properties.

Wesentliche Einflußfaktoren für die infragekommende Injektionstechnik sind u. a. bodenphysikalische Gegebenheiten, Stabilität der Injektionsmittel bei pH-Wert-Schwan­ kungen, die Anwendbarkeit der Injektionsverfahren und Injektionsregime in Abhängigkeit von der Injektionszielsetzung. Generell unterscheidet man bei Injektionsverfahren in das sehr universell einsetzbare Hochdruckinjektionsverfahren (jet-grouting), bei dem das Gesteinsgefüge durch den Eintrag des Dichtungsmittels über Düsenstrahlinjektion ver­ ändert wird und in die Verfahren der Poren- und Kluftinjektionen. Letztere werden als Packerinjektionen bei Festgesteinen und als Manschettenrohr-Injektionen im Lockerge­ stein eingesetzt.Significant factors influencing the injection technology are u. a. Soil-physical conditions, stability of the injectables with pH swan dependent on the applicability of injection procedures and injection regimes from the injection objective. In general, a distinction is made between injection methods very universally applicable high pressure injection process (jet grouting), in which the Rock structure through the entry of the sealant via jet injection changes and in the procedures of pore and fracture injections. The latter are called Packer injections for hard rock and as cuff tube injections in the Lockerge stone used.

Die Einsetzbarkeit eines Injektionsverfahrens hängt maßgeblich von bodenmechani­ schen Parametern wie Korngrößenverteilung und Durchlässigkeit ab, wird aber auch durch die differenten Eigenschaften verschiedener Dichtstoffe bestimmt. Feststoffinjek­ tionen, bei denen Bentonit-Zement-Suspensionen (BZS) in vorhandene Porenräume injiziert werden, sind in Lockergesteinen mit kf-Werten < 10-3 m/s einsetzbar. Begren­ zendes Kriterium hierbei ist die Voraussetzung, daß die Feststoffanteile der Dichtstoffe in die abzudichtenden Hohlräume eindringen und die erforderliche Endreichweite gewähr­ leisten müssen. Für kf-Werte von 10-3 bis 10-7 m/s werden, je nach Zielsetzung der Maßnahme, Weichgelinjektionen zur Abdichtung und Hartgelinjektion zur Verfestigung eingesetzt.The applicability of an injection process depends largely on soil mechanical parameters such as particle size distribution and permeability, but is also determined by the different properties of different sealants. Solid matter injections, in which bentonite-cement suspensions (BZS) are injected into existing pore spaces, can be used in loose rock with kf values <10 -3 m / s. The limiting criterion here is the prerequisite that the solids content of the sealants penetrate into the cavities to be sealed and must ensure the required final range. For kf values of 10 -3 to 10 -7 m / s, depending on the objective of the measure, soft gel injections are used for sealing and hard gel injections are used for consolidation.

Bei kf-Werten < 10-7 m/s ist eine Injizierbarkeit nur bei jet-grounting-Verfahren erfolgver­ sprechend.At k f values <10 -7 m / s, injectability is only promising for jet grounting processes.

Die Erfindung soll nachstehend durch Beispiele näher erläutert werden.The invention will be explained in more detail below by examples.

AusführungsbeispieleEmbodiments Beispiel 1example 1

Zur Darstellung der Abdichtwirkung eines erfindungsgemäßen Weichgels gegenüber einer durchlässigen Deponiesole wurden 6 je 2 Liter fassende Bechergläser 10 cm hoch mit feinem Quarzsand gefüllt, mit destilliertem Wasser bis zur Sandoberkante gesättigt mit einer 2 cm dicken Weichgelschicht versehen und mit einer 10 cm hohen 1 gew.-%igen Schwefelsäurelösung überschichtet. Ein 7. Becherglas wurde analog vorbereitet. Es enthielt keine Weichgelschicht und diente als Vergleich. Die Flüssigkeitsminisken wurden markiert und die verdunstete Flüssigkeit aller 4 Tage durch Nachfüllen mit distilliertem Wasser ergänzt. Nach 12 Wochen wurden die Versuche abgebrochen und ausgewertet, die pH-Werte der Quarzsandschichten gemessen und die Gelkante visuell beurteilt.To illustrate the sealing effect of a soft gel according to the invention a permeable landfill brine, 6 2-liter beakers were 10 cm high filled with fine quartz sand, saturated with distilled water to the top of the sand provided with a 2 cm thick soft gel layer and with a 10 cm high 1% by weight Layered sulfuric acid solution. A 7th beaker was prepared analogously. It contained no soft gel layer and served as a comparison. The liquid minisks were marked and the evaporated liquid every 4 days by refilling distilled water added. After 12 weeks the experiments were stopped and evaluated, the pH values of the quartz sand layers measured and the gel edge visually judged.

Für die Herstellung der erfindungsgemäßen Weichgele wurde folgende Rezeptur benutzt:
Wasser: 750 ml
Polyacrylamid: 6 g
Dolomit: 550 g
gebrannter Kalk: 350 g.The following recipe was used to prepare the soft gels according to the invention:
Water: 750 ml
Polyacrylamide: 6 g
Dolomite: 550 g
quick lime: 350 g.

Wie zu erwarten, besitzt reiner Quarzsand keinerlei Stoppwirkung gegenüber der eindif­ fundierenden Schwefelsäure. Beim Vergleichsversuch hatte sich die Überschichtungs­ schwefelsäure gleichmäßig verteilt. Die erfindungsgemäßen Dichtgele hatten den Durchtritt der Schwefelsäure total verhindert und sich an der Grenzfläche Gel/Schwe­ felsäure zu fein kristallinen Deckschichten umgesetzt.As expected, pure quartz sand has no stopping effect compared to the diff founding sulfuric acid. In the comparison test, there was an overlap sulfuric acid evenly distributed. The sealing gels according to the invention had the Total passage of sulfuric acid prevented and at the gel / weld interface Rock acid converted to fine crystalline cover layers.

Die Ergebnisse der Versuche sind der Tabelle 1 zu entnehmen. The results of the tests are shown in Table 1.  

Sperrwirkung eines gefüllten Polyacrylamidweichgels gegenüber SchwefelsäureBlocking effect of a filled polyacrylamide soft gel sulfuric acid

Sperrwirkung eines gefüllten Polyacrylamidweichgels gegenüber SchwefelsäureBlocking effect of a filled polyacrylamide soft gel sulfuric acid

Beispiel 2Example 2

Es wurden drei pumpfähige, aushärtende Einkapselungsgele aus folgenden Komponenten hergestellt:
Three pumpable, hardening encapsulation gels were produced from the following components:

Teil 1
900 ml Wasser
150 ml Natriumwasserglas (25 gew.-%ig)
10 g Polyacrylamid (Superfloc C491K oder Superfloc N100 oder Superfloc A110)
Teil 2
200 g Hochofenzement
100 g Kalziumbentonit
150 g Kalziumhydroxid
200 g feiner Sand (Körnung 0 bis 1).Part 1
900 ml of water
150 ml sodium water glass (25% by weight)
10 g polyacrylamide (Superfloc C491K or Superfloc N100 or Superfloc A110)
Part 2
200 g blast furnace cement
100 g calcium bentonite
150 g calcium hydroxide
200 g fine sand (grain size 0 to 1).

Zunächst wurde ein Weichgel aus den Komponenten des Teil 1 erzeugt, das lagerstabile Eigenschaften über mehrere Wochen besitzt.First, a soft gel was created from the components of Part 1, which has storage-stable properties over several weeks.

Nacheinander wurden die Bestandteile des Teil 2 in das Weichgel eingetragen.The components of Part 2 were added to the soft gel in succession.

Die so hergestellten Gele füllten vorhandene Hohlräume beim Einpressen in die zu verfestigende Schicht sehr gut aus, sind unanfällig gegenüber pH-Wert-Schwankungen des Umgebungsniveaus und erhärten nach etwa 5 Stunden.The gels produced in this way filled existing cavities when pressed into them solidifying layer very well, are not sensitive to pH fluctuations of the ambient level and harden after about 5 hours.

Für alle drei Einkapselungsgele wurden Durchlässigkeitswerte von k 10-11 m/s ermittelt.Permeability values of k 10 -11 m / s were determined for all three encapsulation gels.

Wird im Teil 1 das Polyacrylamid weggelassen, entsteht eine Mischung, die innerhalb von Minuten betonartig erstarrt.If the polyacrylamide is omitted in part 1, a mixture is formed which is within solidified like concrete in minutes.

Claims (3)

1. Hydraulisches Abdichtungsmedium mit wasserlöslichen Polyacrylamiden, dadurch gekennzeichnet, daß zur Plastifizierung der innerten und/oder abdichtungsaktiven Füllstoffe nichtionische, kationische oder anionische Polyacrylamide mit einer Molmasse zwischen 300.000 und 20.000.000 eingesetzt werden.1. Hydraulic sealing medium with water-soluble polyacrylamides, characterized in that non-ionic, cationic or anionic polyacrylamides with a molecular weight of between 300,000 and 20,000,000 are used to plasticize the inner and / or sealing-active fillers. 2. Hydraulisches Abdichtungsmedium gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß es aus einem pastösen Zementmörtelgemisch mit 0,1 bis 5 Gewichtsprozent anionischem Polyacrylamid mit einer Molmasse zwischen 6.000.000 und 18.000.000 besteht.2. Hydraulic sealing medium according to claim 1, characterized in that that it consists of a pasty cement mortar mixture with 0.1 to 5 weight percent anionic polyacrylamide with a molecular weight between 6,000,000 and 18,000,000 exists. 3. Hydraulisches Abdichtungsmedium gemäß Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß es zur Gelmodifizierung Natriumsilikatlösung (Natronwasserglas) enthält.3. Hydraulic sealing medium according to claim 1 and 2, characterized in that it is used for gel modification sodium silicate solution (soda water glass) contains.
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