DE2705751B1 - Patrone zum Befestigen von Ankerstangen in Bohrloechern - Google Patents
Patrone zum Befestigen von Ankerstangen in BohrloechernInfo
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Description
35
Die Erfindung betrifft eine Patrone zum Befestigen von Ankerstangen in Bohrlöchern mittels Polyurethan-Harzen
gemäß dem Oberbegriff des geltenden Hauptanspruches.
Es ist bekannt, Ankerstangen in Bohrlöchern mittels Polyesterharzen zu befestigen. Als weiteres in Frage
kommendes Harz werden auch die Polyurethane vorgeschlagen. Die Bildungskomponenten dieser Polyurethane
befinden sich in einer Zweikammerpatrone, wobei in der einen Kammer ein Polyisocyanat und in der
anderen Kammer ein Polyol untergebracht ist. Durch Zerstörung der Patrone durch die drehend in das
Bohrloch eingeführte Ankerstange werden die beiden Komponenten innig miteinander vermischt und dadurch
das Polyurethan gebildet. Allerdings ist die Geschwindigkeit dieser Reaktion bis zur vollständigen Aushärtung
sehr langsam, so daß nach Zerstörung der Patrone und intensiver Mischung das Harz erst nach 2 Stunden
geliert und erst nach 5—6 Stunden ausgehärtet ist (DE-AS 12 05 038 und DE-PS 17 84 458). Diese lange
Härtungszeit ist für das Setzen von Ankern von Nachteil, weil der betreffende Anker nicht, wie
erwünscht, unverzüglich belastet werden kann. bo
Es wäre zwar möglich, die Härtungszeit von Polyurethan-Harzen durch den Zusatz von Beschleunigern
zur Polyolkomponente herabzusetzen, jedoch wäre diese Maßnahme mit anderen Nachteilen verbunden.
Einmal ist die Härtungszeit sehr stark abhängig von der Beschleunigermenge, so daß bei Zusatz geringer
Mengen an Beschleuniger, z. B. spezieller metallorganischer Verbindungen, nur eine unbedeutende Verkürzung
der Härtungszeit erreicht würde. Bei Zugabe größerer Mengen an Beschleuniger hat sich indessen
gezeigt, daß diese Verbindungen einer merklichen Zersetzung unterliegen und damit alsbald, z. B. nach
einer Lagerzeit von wenigen Wochen, zur Unwirksamkeit der Patronen hinsichtlich der gewünschten kurzen
Härtungszeit führen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Befestigung von Ankerstangen in Bohrlöchern mittels
Polyurethan-Harzen zu erreichen, die in äußerst kurzer Zeit aushärten, wobei die Gelierungs- und Härtungszeit
zusammen sogar unter einer Minute liegen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in einer Zweikammer-Patrone als Polyol-Komponente
ein tertiären Aminstickstoff aufweisendes Polyol bzw. Polyol-Gemisch der nachstehend näher beschriebenen
Art eingesetzt wird.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist somit eine zum Befestigen von Ankerstangen in Bohrlöchern
mittels Polyurethan-Kunstharzen geeignete, durch die Ankerstange zerstörbare Zweikammerpatrone, welche
eine Polyisocyanat-Komponente einerseits und eine Polyol-Komponente andererseits enthält, dadurch gekennzeichnet,
daß als Polyisocyanat-Komponente ein aromatisches Polyisocyanat oder ein Gemisch aromatischer
Polyisocyanate und als Polyol-Komponente ein tertiären Aminstickstoff aufweisendes Polyol des
Molekulargewicht-Bereichs 119—3000 oder mindestens
ein derartiges Polyol enthaltendes Polyol-Gemisch zum Einsatz gelangt.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch die Verwendung einer Zweikammerpatrone gemäß dem
Hauptanspruch oder einem der übrigen Ansprüche zum Befestigen von Ankerstangen in Bohrlöchern.
Bei der erfindungsgemäß einzusetzenden Polyisocyanat-Komponente handelt es sich um aromatische
Polyisocyanate bzw. um Gemische mehrerer aromatischer Polyisocyanate. Geeignete aromatische Polyisocyanate
sind beliebige, bei Raumtemperatur flüssige Polyisocyanate mit aromatisch gebundenen Isocyanat-Gruppen
wie z. B. 2,4-Diisocyanato-toluol, 2,6-Diisocyanato-toluol
oder die Phosgenierungsprodukte von Anilin/Formaldehyd- Kondensaten. Die letztgenannten
Phosgenierungsprodukte sind besonders bevorzugt.
Es handelt sich hierbei um Polyisocyanat-Gemische, die neben 4,4'-Diisocyanato-diphenylmethan Isomere
und höhere Homologe dieses Diisocyanates enthalten. Im allgemeinen weisen diese Gemische einen Gehalt an
Diisocyanato-diphenylmethan-Isomeren von 20 bis 100 Gew.-%, einen Gehalt an 3kernigen Triisocyanaten
von 0 bis 80Gew.-% und einen Gehalt an 4- und höherkernigen Polyisocyanaten von 0 bis 50Gew.-%
auf. In erster Näherung können diese Polyisocyanat-Gemische daher durch folgende Formel beschrieben
werden, wobei η für 0 oder eine ganze Zahl von 1 —4 steht:
OCN-f j- CH2
NCO
Bei der erfindungsgemäß einzusetzenden Polyol-Komponente handelt es sich vorzugsweise um tertiären
Aminstickstoff und gegebenenfalls Äthergruppen aufweisende Polyhydroxyl-Verbindungen mit aliphatisch
gebundenen Hydroxylgruppen einer OH-Funktionalität 2—4, eines Molekulargewichts von 119—3000, vorzugsweise 149—1000, bzw. um mindestens ein derartiges,
tertiären Aminstickstoff aufweisendes Polyol enthaltende PolyolgemJsche einer mittleren OH-Zahl von
60—1600, vorzugsweise 200—1200, welche neben den genannten, tertiären Aminstickstoff aufweisenden Polyolen noch vorzugsweise stickstofffreie aliphatische
Polyole bzw. Polyäther-Polyole des Molekulargewicht-Bereichs 62—3000, vorzugsweise 100—1000, enthalten.
Die erfindungsgemäß zum Einsatz gelangende Polyol-Komponente weist einen Gehalt an tertiärem Aminstickstoff von 0,4 bis 12, vorzugsweise 1,5 bis 10 Gew.-%,
auf.
Geeignete, tertiären Aminstickstoff aufweisende Polyole sind z. B. einfache, tertiären Aminstickstoff
aufweisende Poyole wie z. B. N-Methyldiäthanolamin, Triäthanolamin, N-Methyl-dipropanolamin, Tripropanolamin oder auch aliphatische Polyätherpolyole mit
eingebautem tertiärem Aminstickstoff, wie sie in bekannter Weise durch Alkoxylierung von geeigneten
Startermolekülen zugänglich sind. Geeignete Startermoleküle in diesem Zusammenhang sind z. B. Ammo-
niak, Hydrazin, Äthylendiamin, Hydroxylamin, Methylamin, Triäthanolamin, Tripropanolamin oder Hexamethylendiamin. Geeignete Alkylenoxide zur Herstellung
der stickstoffhaltigen Polyätherpolyole sind insbesondere Äthylenoxid und/oder Propylenoxid. Die Herstellung
der tertiären Aminstickstoff aufweisenden Polyätherpolyole geschieht nach bekannten Verfahren (vgl. UIlmanns Enzyklopädie der Chemie, Band 14, 3. Auflage,
1963, S. 50-52).
Geeignete, gegebenenfalls im Gemisch vorliegende stickstifffreie Polyole sind z. B. einfache, vorzugsweise
aliphatische Polyole wie Äthylenglykol, Propylenglykol, Trimethylolpropan oder Glyzerin, oder aber auch
stickstofffreie Polyätherpolyole wie z. B. die Alkoxylierungsprodukte geeigneter, stickstofffreier Startermole-
küle wie z. B. Wasser, Äthylenglykol, Trimethylolpropan
oder Pentaerythrit Die Mitverwendung von höher als tetrafunktionellen Polyätherpolyolen wie insbesondere
von Zucker-Polyäthern, hergestellt durch Alkoxylierung
von Rohrzucker, ist prinzipiell auch möglich.
Das Mengenverhältnis, in dem die Polyole und die Polyisocyanate in den einzelnen Kammern der Zweikammer-Patrone untergebracht sind, kann in weiten
Grenzen variiert sein. Vorzugsweise wird jedoch so viel Polyisocyanat vorgesehen, daß auf jedes reaktionsfähige Wasserstoffatom der Polyole der einen Kammer 0,5
bis 2 NCO-Gruppen im Polyisocyanat der anderen Kammer entfallen. Das bedeutet im allgemeinen in der
Praxis ein Gewichtsverhältnis von Isocyanat zu Polyol wie etwa 3 :1 bis 1:4.
Auch die bekannte Reaktionsfähigkeit der Polyisocyanate mit Wasser erweist sich bei den erfindungsgemäßen Patronen als sehr vorteilhaft. So kann beispielsweise die Oberfläche der Ankerstange feucht oder das
Bohrloch naß sein. In beiden Fällen wird die Feuchtigkeit durch die bekannte Reaktion von Wasser
mit Polyisocyanat rasch verbraucht, so daß auch in feuchtem Medium ein inniger Verbund zwischen
Ankerstange, Bohrlochwand und des im Ringraum gebildeten Verbundkörper zustande kommt. Dieses
Ergebnis wird mit den stark verbreiteten Polyesterharzen nicht erreicht, da diese wasserempfindlich sind und
keinerlei Bindung mit Wasser eingehen.
Von Vorteil ist es, den Polyolen bis zu 0,5 Gew.-%, vorzugsweise 0,1 bis 0,3Gew.-%, Wasser zuzusetzen,
wodurch ein begrenztes Aufschäumen bei der Komponentenvermischung auftritt, so daß das Harz unter
Volumenvergrößerung aushärtet. Dies ist von entscheidendem Vorteil, weil somit das Polyurethan, auch wenn
der Ringraum relativ groß ist, z. B. bei ausgeschlagenen Bohrlöchern, auf jeden Fall den Ringraum vollständig
ausfüllt. Ein Ablösen des Kunststoffkörpers von der Bohrlochwand infolge Schrumpfens ist nicht möglich.
Durch die Volumenvergrößerung füllt der Harzkörper nicht nur sämtliche Hohlräume des Bohrlochs aus,
sondern dringt darüber hinaus auch in die Klüfte und Risse der Bohrlochwand ein und bewirkt dadurch nicht
nur eine Verklebung, sondern zusätzlich eine regelrechte Verzahnung des Verbundkörpers mit Anker und
Gebirge.
Damit das ausgehärtete Harz eine oft erwünschte gewisse Elastizität aufweist, können dem Polyol
Plastifizierungsmittel bis zu 20 Gew.-%, vorzugsweise 1 bis 5 Gew.-%, zugesetzt sein, z. B. Rizinusöl. Auch
langkettige Polyätherpolyole mit einer niedrigen OH-Zahl zwischen etwa 20 und 100 sind als flexibilisierende
Stoffe geeignet
Schließlich ist es von Vorteil für die Festigkeit der Verklebung, wenn einer oder beiden Komponenten
Füllstoffe, beispielsweise Gesteinsmehl oder Quarzmehl, zugesetzt sind, so daß eine Art Polyurethan-Beton
gebildet wird. Es kommen Zusätze von 10—80Gew.-%, vorzugsweise 20—70 Gew.-%, bezogen auf das gebildete Harz, in Frage.
Da die Polyurethane nach dem Mischen jedenfalls in wenigen Sekunden aushärten und somit die Verklebung
der eingebrachten Ankerstange mit der Bohrlochwand praktisch unverzüglich erfolgt, kann das Ankern mit
erfindungsgemäßen Patronen mittels automatischer Bohr- und Setzmaschinen erfolgen.
Ein weiterer Vorteil des schnellen Gelierens und Aiishärtens der Polyurethane wird bei Anwendung der
Patronen für das Ankern in aufwärts gerichteten Bohrlöchern deutlich, da kein Auslaufen des Harzes aus
dem Bohrloch erfolgen kann, so daß Materialverluste und eine Gefährdung der Arbeiter vermieden werden.
Von besonderem Vorteil ist, daß die mit amingestarteten Polyolen gebildeten Polyurethankörper eine
verbesserte Haftfähigkeit sowohl am Gestein als auch an der Ankerstange besitzen. Dieser Vorteil ist für die
Praxis insofern von großer Bedeutung, als erstens die Ankerstangen mit größeren Zugkräften belastet werden
können und zweitens für die Verklebung des Ankers mit dem Gebirge bis zu seiner Bruchbelastung kleinere
Verklebungslängen ausreichen.
Als Patrone diente ein Glaszylinder von 1 mm Wandstärke, einem Innendurchmesser von 2,6 cm und
einer Länge von 60 cm, der mit 210 g eines Polyisocyanat-Gemischs der Diphenylmethan- Reihe mit einer
Viskosität von 100 cP/25°C und einem NCO-Gehalt von 32Gew.-%, hergestellt durch Phosgenierung eines
Anilin/Formaldehyd- Kondensats und Einstellen der genannten Viskosität durch Abdestillieren von Diisocyanato-diphenylmethan-Isomeren aus dem Phosgenierungsprodukt gefüllt war. Als Innenpatrone diente ein
Glasrohr von 59 cm Länge, 1,6 cm Innendurchmesser und lmm Glasstärke, das mit 125 g eines aus
Äthylendiamin und Propylenoxid hergestellten Polyols der OH-Zahl 625 gefüllt war.
Die mit einem Plastikstopfen verschlossene Patrone wurde in ein Bohrloch von 30 mm Durchmesser
eingeführt und bei einer Umdrehungszahl von 300 U/min durch eine am unteren Ende mit Spiralrippen
versehene Ankerstange von 24 mm Durchmesser zerstört, wodurch die Komponenten vermischt wurden.
Die Gelierzeit betrug 40 see.
Nach 50 see wurde die Ankerstange mit 41
vorgespannt Bei einer Verklebungslänge von 100 cm konnte bei 221 Zugbelastung die Ankerstange aus dem
Bohrloch gezogen werden.
Als Patrone diente ein an beiden Enden mit Clips verschlossener Polyamidschlauch von 2,8 cm Durchmesser und einer Länge von 60 cm, der mit 420 g eines
obigem Polyisocyanat-Gemisches entsprechenden Polyisocyanat-Gemisch der Diphenylmethan-Reihe mit
einem NCO-Gehalt von 30,5Gew.-% und einer Viskosität von 2OOcP/25°C und Gesteinsmehl im
Gewichtsverhältnis 1:2 gefüllt war.
Als Innenpatrone diente ein Glasrohr von 59 cm Länge, 1,6 cm Innendurchmesser bei einer Wandstärke
von 0,8 mm, das mit 102 g eines aus Äthylendiamin und Propylenoxid hergestellten Polyols der OH-Zahl 680
gefüllt war. Die Größe des Bohrlochs und der Ankerstange entsprachen Beispiel 1.
Nach dem Zerstören der Patrone und dem Vermischen der Komponenten trat bei einer Verklebungslänge von 100 cm Bruch zwischen Kunststoffkörper und
Ankerstange bei einer Zugbelastung von 26 t auf.
Es wurde die gleiche Patrone wie im Beispiel 2 benutzt Bohrloch- und Ankerstangendimensionen entsprachen ebenfalls Beispiel 1. In einem nassen Bohrloch
trat bei einer Verklebungslänge von 100 cm bei einer Zugbelastung von 25,51 Bruch der Ankerstange auf.
Als Patrone diente ein Glaszylinder von 60 cm Länge, einem Innendurchmesser von 2,8 cm und einer Wandstärke von 0,7 mm, der mit 420 g eines Gemisches aus
einem Polyisocyanat-Gemisch der Diphenylmethan-Reihe mit einem NCO-Gehalt von 33 Gew.-% und einer
Viskosität von 80cP/25°C und Gesteinsmehl im Verhältnis 1:2 gefüllt war. In einer Innenpatrone aus
Glas von 59 cm Länge, 1,25 cm Innendurchmesser und 0,7 mm Wandstärke befanden sich 66 g eines Gemisches
aus 10Gew.-% Rizinusöl, 40Gew.-% Triäthanolamin
(OH-Zahl - 1122) und 50 Gew.-% Gesteinsmehl.
Bei einer Zugbelastung von 28 t bei 100 cm Verklebungslänge riß die Ankerstange.
59 cm Länge und einem Durchmesser von 2,8 cm, der
mit 420 g des Polyisocyanat-Gemisches aus Beispiel 4 und Gesteinsmehl im Verhältnis 1:2 gefüllt war.
Die Innenpatrone aus Glas besaß eine Länge von ίο 57 cm, einen Innendurchmesser von 1,65 cm bei einer
Wandstärke von 0,5 mm und war mit HOg eines Gemisches aus 30% eines aus Triäthanolamin und
Propylenoxid hergestellten Polyätherpolyols der OH-Zahl 60,70% eines aus Äthylendiamin und Propylenoxid
hergestellten Polyols der OH-Zahl 680 gefüllt
Bei Bohrloch und Ankerstange gemäß Beispiel 1 riß die Ankerstange bei 291.
60 cm Länge und einer Wandstärke von 1,1 mm aus einer extrudierbaren Kohle-Kunststoff-Mischung, die
aus 70 Gew.-% Kohlestaub, 8 Gew.-% niedermolekularem Polyäthylen und 22 Gew.-% hochmolekularen
Polyäthylen bestand, das mit 425 g eines Gemisches aus einem Polyisocyanat-Gemisch der Diphenylmethan-Reihe mit einem NCO-Gehalt von 33 Gew.-% und einer
Viskosität von 80cP/25°C und Gesteinsmehl im Verhältnis 1:2 gefüllt war. Als Innenpatrone diente ein
Rohr aus der gleichen Kohle-Kunststoff-Mischung von 59 cm Länge und 1,6 cm Innendurchmesser, der mit 98 g
eines Gemisches eines aus Äthylendiamin und Propylenoxid hergestellten Polyols der OH-Zahl 670, dem 03 g
Wasser beigemischt waren, gefüllt war.
Bohrloch- und Ankerstangendaten stimmen mit denen des Beispiels 1 überein. Bei einer Verklebungslänge von 100 cm riß die Ankerstange bei einer
Zugbelastung von 26 t
Als Patrone diente ein Glasrohr von 20 cm Länge und 28 cm Außendurchmesser, die mit 140 g des Polyisocyanat-Gemisches aus Beispiel 2 und Gesteinsmehl im
Gewichtsverhältnis 1:2 gefüllt war. Ais Innenpatrone
diente ein Glasrohr von 19 cm Länge, 1,8 cm Innendurchmesser bei einer Wandstärke von 0,8 mm, das mit
34 g eines aus Äthylendiamin und Propylenoxid hergestellten Polyols der OH-Zahl 660 und 10 g
Gesteinsmehl gefüllt war.
so Bei einer Verklebungslänge von 18 cm konnte bei 231
Zugbelastung der Anker aus dem Bohrloch gezogen werden.
Claims (6)
1. Zum Befestigen von Ankerstangen in Bohrlöchern geeignete, durch die Ankerstange zerstörbare
Zweikammerpatrone, welche eine Polyisocyanat-Komponente einerseits und eine Polyol-Komponente
andererseits enthält, dadurch gekennzeichnet, daß als Polyisocyanat-Komponente ein aromatisches Polyisocyanat oder ein Gemisch
aromatischer Polyisocyanate und als Polyol-Komponente
ein tertiären Aminstickstoff aufweisendes Polyol des Molekulargewicht-Bereichs 119—3000
oder mindestens ein derartiges Polyol enthaltendes Polyol-Gemisch zum Einsatz gelangt.
2. Patrone nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf jedes reaktionsfähige Wasserstoffatom
der Polyole der einen Kammer 0,5 bis 2 NCO-Gruppen im Polyisocyanat der anderen Kammer entfallen.
3. Patrone nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß den Polyolen bis zu 0,5 Gew.-%
Wasser zugesetzt sind.
4. Patrone nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß den Polyolen bis zu 20 Gew.-%
eines Plastifizierungsmittels zugesetzt sind.
5. Patrone nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß dem Polyol und/oder dem
Isocyanat Füllstoffe zugesetzt sind.
6. Verwendung einer Zweikammerpatrone gemäß dem Hauptanspruch oder einem der übrigen
Ansprüche zum Befestigen von Ankerstangen in Bohrlöchern.
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