DE2337672A1 - Verfahren fuer die elektroosmotische umwandlung des blaettrigen gefueges einer feuchten tonmasse in ein koerniges gefuege - Google Patents

Description

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* ■■ - ■ ■ :n Hamburg, den 24.7-1973

Provalor Anstalt, Vaduz (Liechtenstein)

Verfahren für die elektroosmotische Umwandlung des blättrigen Gefüges einer feuchten Tonmasse in ein körniges Gefüge

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren für die elektroosmotische Umwandlung des blättrigen Gefüges einer feuchten Toninasse in ein körniges Gefüge, praktisch ohne Einsaugungswasser.

Bekanntlich weist der Tori ein blättriges Gefüge auf, bei \ielchem die Moleküle in Paketen geschichtet sind, die durch die van der Waalsche Kraft zusammengehalten werden. Ebenfalls bekannt ist, dass der Ton Alkali- oder Erdalkali-Ionen enthält, die von der Zersetzung der ursprünglichen Gesteine herrühren. Insbesonders sind im Ton, ausser anderen, folgende Kationen enthalten: Ca , Na , K , Mg , H und NHi. Diese Kationen sind mit anderen Kationen austauschbar und haben die Eigenschaft, infolge ihrer elektrischen Ladung sehr hydratisierbar zu sein. Das Zusammentreffen der oben genannten Eigenschaften bewirkt, dass das Regen- oder Quellt^asser in die Tonmolekülpakete eindringt und, wenn der Aktionsradius der erwähnten Ionenladungen erreicht ist, das Wasser elektrostatisch aufgehalten wird und sich zwischen den Tonmolekülpaketen in Schichten ablagert. Daraus folgt, dass bei Vorhandensein von Wasser die Tonnasse vorerst aufquillt, wobei ihre mechanische Festigkeit verringert wird, und sich nachher auflöst, wobei ihre Festigkeit praktisch null wird. Infolge dieses Phänomens sind die Tonnassen Erdrutschen, oft von sehr grosser Tragweite, unterworfen und ausserdem sind sie nicht geeignet, das Gewicht des Fundaments von Gebäuden, Brücken und überhaupt von schweren Bauwerken ohne Absenkung zu tragen.

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Die von den Erdrutschen und von eben dieser Tonbeschaffenheit verursachten Schaden sind sehr gross und bis heute wurde kein Mittel gefunden, um dagegen Abhilfe zu schaffen. Um die Standfestigkeit der Tonmassen zu verbessern, verwendet man heute in den meisten Fällen Korbverschanzungen, Pfählungen, Betoneinspritzungen und ähnliches, ohne jedoch nehr als eine Begrenzung der Schaden an Gegenständen und Personen zu erreichen oder gar das sich ständig wiederholende und immer neue Kosten verursachende Problem zu lösen.

Es wurden auch einige Experimente durchgeführt, um zu versuchen, das Hinsaugungswasser vom Boden zu entfernen, wobei beobachtet wurde, dass beim Einschlagen von zwei Elektroden in den Boden, von welchen die eine mit einer Quelle positiven elektrischen Gleichstromes und die andere mit einer Quelle negativen elektrischen Gleichstromes verbunden ist, das Wasser elektrokinetisch zur negativen Elektrode wandert und dort gesammelt und infolgedessen vom Boden entfernt werden kann. Diese Versuche wurden jedoch nicht weiter verfolgt, da festgestellt wurde, dass in deÄ Tonmassen die günstigen Auswirkungen des Wasserabzuges vom Andauern der guten Wetterlage und vom erforderlichen Abstand vom V/asserquelleneinfiuss abhängig sind: mit anderen Worten, eine auf diese V/eise verfestigte Tonmasse würde beim ersten Regen wieder aufquellen und sich auflösen.

Um die Verwirklichung des Verfahrens der vorliegenden Erfindung zu erreichen, wurde von der Feststellung ausgegangen, dass das Fehlen mechanischer Festigkeit und die geodätische Instabilität der Tonmassen vom Vorhandensein des Wassers abhängig sind, das sie durchtränkt; ebenfalls wurde von der Feststellung ausgegangen, dass das Wasser nicht durch die Tonraasse hindurchsickert (wenn diese mit Wasser vollgetränkt ist, wird sie sogar wasserundurchlässig) , v/eil das Wasser von den Alkali- und Erdalkali-Kationen aufgehalten wird, welche dem Ton das blättrige Gefüge verleihen.

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Hauptzweck dor vorliegenden Erfindung ist somit, ein Verfahren zu schaffen, durch welches es möglich ist, das molekulare Gefüge des Tones von einen blättrigen in ein körniges Gefüge zu ändern, und zwar durch Austauschen der in Ton vorhandenen Kationen der Alkali- und Erdalkali-Metalle mit anderen, weniger oder gar nicht hydratisierbaren Kationen, sodass dieser ein körniges Gefüge aufweisende Ton v/asserdurchlässig wird. Ein weiterer Zweck besteht darin, ein Verfahren der oben erwähnten Art zu schaffen, durch welches, gleichzeitig mit der Umwandlung des Tongefüges, die beinahe vollständige Entfernung des im Ton enthaltenen Einsaugungswassers erreicht wird.

Ein weiterer Zweck besteht darin, ein Verfahren zu schaffen, durch welches eine wenig feste und unstabile Tonnasse nicht umkehrbar in eine die Festigkeit eines Sandsteinblocks aufweisende, homogene Masse mit hoher mechanischer Festigkeit umgewandelt wird.

Schliesslich besteht ein weiterer Zweck darin, ein Verfahren zu schaffen, das mit einfachen Einrichtungen durchgeführt und für jeden Boden leicht angewendet werden kann. Ein solches Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass in eine Tonmasse mit blättrigem Gefüge mindestens ein Schacht gebohrt wird, um welchen herum und auf der ganzen Oberfläche der Tonmasse mehrere Längselektroden eingeschlagen v/erden, die aus einem elektrizitätsleitenden Metall der Aluminium, Kupfer, Eisen und deren Legierungen enthaltenden Gruppe bestehen, und dass mindestens die vom Schacht entferntesten Elektroden mit einer Quelle positiven elektrischen Gleichstromes verbunden werden, während mindestens eine der dem Schacht zugeordneten Elektroden mit einer Quelle negativen elektrischen Gleichstromes verbunden ist, wobei die Spannung zwischen den genannten Quellen, der positiven und der negativen, zwischen ca. 50 V und 1000 V beträgt, und wobei die Speisung der Elektroden mit dem elektrischen Strom weitergeführt wird, während das sich im Schacht ansammelnde Wasser entfernt wird, bis die Tonmasse ein·körniges Gefüge aufweist und praktisch kein Einsaugungswasser mehr enthält.

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Um das Verständnis der vorliegenden Erfindung zu erleichtern, wird nachfolgend ein lediglich als Erklärung und nicht im Sinne einer Einschränkung zu verstehendes Beispiel der Anwendung des Verfahrens in einzelnen gegeben, unter Bezugnahme auf die heiligenden Zeichnungen, bei welchen Fig. 1 einen schenatischen senkrechten Querschnitt eines Abhanges darstellt, von welchem

Fig. 2 eine ebenfalls schenatische Gesamtgrundrissansicht ist und

Fig. 3 den Querschnitt des Gerätes zeigt, das benützt wird, um die Werte der elektrischen Spannung festzustellen, die für die Ausführung des Verfahrens auf dem in Frage stehenden Boden verwendet werden soll.

Es wird angenommen, dass ein aus der rutschenden Tonmasse A bestehender Boden, welcher zum Beispiel einen Hügelhang bildet, verfestigt werden soll. Ein Teil dieses Bodens ist im senkrechten Querschnitt der Fig. 1 dargestellt, während in der Fig. 2 der Grundriss der gesamten Fläche des am Erdrutsch beteiligten Bodens dargestellt ist.

Für eine richtige Durchführung des Verfahrens gemäss der vorliegenden Erfindung werden vor allem einige Behälter verwendet, wie z.B. Fig. 1 dargestellt. Jeder dieser Behälter unfasst eine Aussenverschalung 1 aus Kunststoff, deren Seitenwand mit einer Folie 2 aus Aluminium, Kupfer, Eisen, oder einer Legierung aus zwei oder mehreren dieser Metalle, überzogen ist.

In der Mitte des Behälters befindet sich ein gelochter zylindrischer Teil 3 aus demselben Metall der Folie 2, welcher durch eine Bohrung im Boden des Behälters 1 hindurchgeht und in die Oeffnung eines Messglases 4 einmündet.

Zuerst werden einige Proben des zu verfestigenden Bodens entnommen und in die oben beschriebenen Behälter verbracht, sodass der Raum zwischen der Folie 2 und dem gelochten zylindrischen

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Teil 3 gefüllt ist. Danach wird der positive Pol einer elektrischen Stromquelle 5 durch einen elektrischen Draht, dessen Ende mit einer.Anschlussklemme 6 versehen ist, nit der Folie 2 und der negative Pol durch die Anschlussklemme 7 mit den Teil 3 verbunden.

Nun werden die verschiedenen, mit Bodenproben gefüllten Behalter mit Gleichstron verschiedener Spannungen gespeist und nach einer bestimmten Zeit wird festgestellt, bei welchem Behälter der grösste Ablauf aus dem Einsaugungswassor im Messglas 4 entstanden ist (dieses Phänomen ist auf einen elcktrophysikalischcn Prozess zurückzuführen) und in welchem Behälter der Boden die grösste irreversible Verfestigung erreicht hat (elektrochemischer Prozess), was durch Laboruntersuchungen, bei welchen der Boden Druck- und Schnittversuchen unterworfen wird, nachgeprüft werden kann.

Auf diese Weise wird durch Versuche der Idealwert der Spannung festgelegt, der für den zu untersuchenden Boden die besten Ergebnisse inbezug auf die irreversible Verfestigung und die Entwässerung bietet: diesbezüglich sollte beachtet werden, dass die erwähnte Spannung von Fall zu Fall zwischen ca. 50 V und ca. 1000 V variieren kann und dass sie normalerweise zwischen ca. 50 und ca. 100 V liegt.

Nun v/erden auf dem leicht abrutschenden Boden (Fig. 1 und 2) zum Beispiel zwei voneinander um ca. 30 bis 100 m entfernte Schächte (von welchen nur einer in der Fig. 1 dargestellt ist), welche mit den Nummern 8 und 9 gekennzeichnet sind, bis zur Basis des Erdrutsches gebohrt.

Danach wird in den Boden, um die Schächte herum und auf der ganzen Oberfläche des zu behandelnden Bodens, eine sehr grosse Anzahl Elektroden 10 aus Aluminium, Kupfer, Eisen oder deren Legierungen in der Länge von zum Beispiel ca. 1 bis 10 m, normalerweise von ca. 2 - 3 m, eingeschlagen; fallweise können auch bis 10000 Elektroden gleichzeitig notwendig sein. Diese Elektroden, die mit der Nummer 10 gekennzeichnet sind, sind in

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der Fig. 2 durch Punkte dargestellt, während ferner aus der Fig. 1 ersichtlich ist, dass eine Elektrode 11 auf den Grund des Schachtes 8. in den Boden eingeschlagen wurde.

Danach werden die Elektroden, die sich am Rand der Oberfläche des zu behandelnden Bodens befinden, mit einer Gleichstromquelle verbunden, zum Beispiel die Elektroden ausserhalb einer Ideallinie, die in der Fig. 2 durch eine gestrichelte Linie dargestellt und mit dem Buchstaben B gekennzeichnet ist: alle anderen Elektroden, d.h. diejenigen innerhalb der Linie B und die Elektroden 11, werden dagegen mit dem negativen Pol derselben Gleichstromquelle verbunden. Die Spannung zu den Elektroden 10 und 11 hat den Wert, der vorher unter Anwendung der beschriebenen Behälter durch Versuche bestimmt wurde: die Stromstärke kann zxvischen ca. 10 und ca. 300 Λ variieren, meistens beträgt sie ca, 30 A: insbesondere dann, wenn eine rasche Verfestigung des Bodens erforderlich ist, wird ein hoher Wert der Stromstärke gewählt; hingegen werden niedrigere Werte der Stromstärke dort angewendet, wo es notwendig ist, mit Vorsicht vorzugehen, um eventuelle Schaden an Personen und Gegenständen zu vermeiden.

Während die Elektroden 10 und 11 in der erwähnten Weise mit Strom gespeist werden, findet eine Wanderung des Einsaugungswassers in der Tonmasse von aussen nach innen an der gestrichelten. Linie B statt und weil das Wasser die nichtmetallischen Kationen mitnimmt, findet gleichzeitig die Entfernung der ursprügnlich im Ton anwesenden Alkali- und Erdalkali-Kationen und deren Austausch mit den metallischen Ionen des Metalles statt, aus welchem die Elektroden bestehen. Deshalb nutzen sich diese Elektroden schnell ab, sodass sie durch neue ersetzt werden müssen,

Schliesslich wandern im Boden die Metallionen, zum Beispiel Aluminium-Ionen aus den mit dem positiven Pol der elektrischen Spannungsquelle verbundenen Elektroden, und zwar den in der Fig. 1 gestrichelt gezeichneten Linien entlang, wobei diese

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Ionen die von Wasser nitgenonnencn Alkali- und Erdalkali-Kationen ersetzen und unlösbare Salze bilden, zum Beispiel Aluniniun-Salze, genau so, wie dies bei der Betonbindung geschieht. Sobald der sich ausserhalb der gestrichelten Linie B befindende Boden irreversibel verfestigt ist und praktisch das ganze ursprüngliche Einsaugungswasser verloren hat, werden mit dem positiven Pol der Gleichstromquelle auch die sich zwischen der gestrichelten Linie B und der Linie C befindenden Elektroden verbunden und es wird auf dieselbe V/eise vorgegangen, wie bereits beschrieben.

Mit dem positiven Pol v/erden danach auch die sich zwischen den gestrichelten Linien C und D befindenden Elektroden verbunden, und weiter alle anderen innerhalb der Linie D befindlichen Elektroden, und nach und nach die den Schächten inner näher zugeordneten Elektroden: in letzten Verfahrensgang bleiben nur die sich auf den Schachtgrund befindenden Elektroden nit dem negativen Pol der Gleichstromquelle verbunden. Wichtig ist zu beachten, dass während der Ausführung des Verfahrens ständig Kasser aus den Schächten entnommen wird, wobei dennoch stets ein wenig Wasser in jedem Schacht belassen wird.

Aufgrund der in grosser Zahl durchgeführten Versuche, konnte festgestellt werden, dass ein mit dom elektroosmotischen Verfahren gemäss der vorliegenden Erfindung behandelter tonerdiger Boden die für wolche Böden charakteristischen, geotechnischen Eigenschaften vollständig verliert (zum Beispiel das blättrige Gefüge) und dass er die Festigkeit und die Tragfähigkeit eines für die Fundierung geeigneten Bodens mit körnigem, sandartigem, stark zementiertem und durchaus wasserdurchlässigem Gefüge erhält. Ein tonerdiger Boden mit einer durchschnittlichen Schnittfestigkeit von ca. 0,30 ... 0,40 kg/cm und einen« Elastizitätsmodul von ca. 0,70 ... 0,80 kg/cm² erhält zum Beispiel nach dem Verfestigungsverfahren gemäss der vorliegenden Erfindung eine Schnittfestigkeit von ca. 3 kg/cm und einen Elastizitätsmodul von ca. 5 ... 6 kg/cm . Dieser Boden kann nicht mehr abrutschen und wird zum Tragen von Bau-

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fundamenten u. ähnl · bestens geeignet sein, da er für die Aufquellungs- und Auflösungswirkung des Wassers vollständig unempfindlich ist.

Eine letzte Bemerkung betrifft folgende Tatsache: da die Anoden während der Durchführung des elektroosmotischen Verfahrens ihre Metallionen in den Boden abgeben, sollen die Anionen die elektrochemische Fähigkeit besitzen, die im tonerdigen Boden vorhandenen Ionen zu verschieben, ohne jedoch deren hydrophile Eigenschaften zu besitzen. Es wurde festgestellt, dass für die praktische Anwendung die Anoden nur aus Aluminium, Kupfer, Eisen und deren Legierungen hergestellt werden können, da diese Metalle die im Ton vorhandenen Alkali-Ionen leicht verschieben und gleichzeitig das Phänomen der elektrostrukturcllen Umwandlung mit Bildung von unlösbaren und stabilen Salzen zu bewirken imstande sind.

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Claims (4)

1. Patentansprüche

   1J Verfahren für die elektroosnotische Umwandlung des blättrigen Gefüges einer feuchten Tonnasse in ein praktisch kein Einsaugungswasser enthaltendes, körniges Gefüge, dadurch gekennzeichnet, dass in die Tonnasse nit blättrigen Gefüge mindestens ein Schacht gebohrt wird, um welchen herum nchrere längliche Elektroden, welche aus einen elektrizitätsleitenden Metall der Aluniniun-, Kupfer-, Eisen-Gruppe oder deren Legierungen bestehen, so in die Tonnasse eingeschlagen v/erden, dass mindestens die vom Schacht entferntesten Elektroden mit einer Quelle positiven elektrischen Gleichstroms verbunden werden, während mindestens eine sich auf dem Grund des Schachtes befindende Elektrode nit einer Quelle negativen elektrischen Gleichstromes verbunden wird, wobei die Spannung zwischen den erwähnten Stromquellen, der positiven und der negativen, zwischen ca. 50 und ca. 1000 V beträgt und die Speisung der Elektroden mit dem elektrischen Strom weitergeführt wird, während das sich im Schacht sammelnde Wasser entfernt wird, bis die Tonmasse ein körniges Gefüge annimmt und praktisch kein Einsaugungswasser mehr aufweist.
2. 2. Verfahren gemäss Anspruch i, dadurch gekennzeichnet , dass der elektrische Speisestrom zu den erwähnten Elektroden eine Stromstärke zwischen ca. 10 A und ca. 300 A besitzt.
3. 3. Verfahren gemäss den Ansprüchen 1 und 2 , dadurch gekennzeichnet, dass vorerst nur die vom erwähnten Schacht entferntesten Elektroden und danach auch die anderen, immer näher beim Schacht angeordneten Elektroden mit der erwähnten positiven Stromquelle verbunden werden, während die anderen Elektroden nit der negativen Stromquelle verbunden sind, mit welcher in der Endphase des Verfahrens mindestens eine im erwähnten Schacht befindliche Elektrode verbunden bleibt.

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4. 4. Verfahren gemäss den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in der genannten Tonmasse der Abstand von mindestens zwei der erwähnten Schächte ca. 20 - 100 m beträgt .

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