DE2705751C2 - Patrone zum Befestigen von Ankerstangen in Bohrlöchern - Google Patents

Patrone zum Befestigen von Ankerstangen in Bohrlöchern

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DE2705751C2 DE772705751A DE2705751A DE2705751C2 DE 2705751 C2 DE2705751 C2 DE 2705751C2 DE 772705751 A DE772705751 A DE 772705751A DE 2705751 A DE2705751 A DE 2705751A DE 2705751 C2 DE2705751 C2 DE 2705751C2
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Description

Die Erfindung betrifft eine Palrone 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.
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 mctallorganis'her Verbindungen, nur eine upbeHenienrle 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
κι 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-Kompo-
r> nente 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
υ 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
r> 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 Pelyol-Gemisch zum
in Einsatz gelangt.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch die Verwendung einer Zwcikammerpatrone gemäß dem Hauptanspruch oder einem der übrigen Ansprüche zum Befestigen von Ankerstangen in Bohrlöchern.
π 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
κι 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.
4". 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-lsomeren von 20 bis
•so 100 Gew.-%, einen Gehalt an 3kernigen Triisocyanatcn von 0 bis 80 Gew.-% 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
ν-, werden, wobei η für 0 oder eine ganze Zahl von 1 —4 steht:
Ü— CH, -
CII,
NCO
NCC)
Bei der erfindungsgemäß einzusetzenden Polyol-KoniDonente handelt es sich vorzugsweise um tertiären
Aminstickstoff und gegebenenfalls Äthergruppen aufweisende Polyhydroxyverbindungen 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 Polyolgemische 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 Gehall an tertiärem Aminstickstoff von 0,4 bis 12, vorzugsweise 1,5 bis 10Gew.-%, auf.
Geeignete, tertiären Aminstickstoff aufweisende Polyole sind z. B. einfache, tertiären Aminslickstoff aufweisende Poyole wie z. B. N-Methyldiäthanolamin, Triäthanoiamin, 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. Ammoniak, Hydrazin, Äthylendiamin, Hydroxylamin, Methylamin, Triäthanoiamin, 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. UII-manns Enzyklopädie der Chemie, B-ind 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 Startermoleküle wie z. B. Wasser, Äthylenglykol, Trimethylolpropan oder Pentaerythrit. Die Mitverwendung von höher als tetrafunktionellen Polyätherpolyolen wie insbesondere von Zucker-Polyälhern, 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 Ankersiange, 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 0,3 Gew.-°/o, 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 Kunsistoffkörpers 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.-°/o, vorzugsweise I 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—80 Gew.-%, 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 Aushärtens 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 Materialverluslc 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.
Beispiel 1
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 32 Gew.-%, hergestellt durch Phosgenierung eines Anilin/Formaldehyd-Kondensats und Einstellen der genannten Viskosität durch Abdestillieren von Diisocyanato-diphenylmethan-lsomeren aus dem Phosgcnierungsprodukt 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 r> 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 22 t Zugbelastung die Ankerstange aus dem in Bohrloch gezogen werden.
Beispiel 2
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 30,5 Gew.-% und einer Viskosität von 200cP/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 Kunststoff körper und jo Ankerstange bei einer Zugbelastung von 26 t auf.
Beispiel 3
Es wurde die gleiche Patrone wie im Beispiel 2 benutzt. Bohrloch- und Ankerstangendimensionen ent- π sprachen ebenfalls Beispiel 1. In einem nassen Bohrloch trat bei einer Verklebungslänge von 100 cm bei einer Zugbelastung von 25,5 t Bruch der Ankerstange auf.
Beispiel 4 w
Als Patrone dieme 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.
Bohrloch und Ankerstange entsprachen Beispiel 1.
Bei einer Zugbelastung von 28 t bei 100 cm Verklebungslänge riß die Ankerstange.
Beispiel 5
Als Palrone dieme ein Polyäthylenschlauch von
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 besab eine Länge von 57 cm, einen Innendurchmesser von 1,65 cm bei einer Wandstärke von 0,5 mm und war mit 110 g 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 29 t.
Beispiel 6
Als Patrone dieme ein Rohr von 2,8 cm Durchmesser,
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 mii einem NCO-Gehall 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 0,3 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.
w Beispiel 7
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. Als Innenpatrone
4-, diente ein Glasrohr von 19cm Länge, 1,8cm 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.
in Bei einer Verklebungslänge von 18 cm konnte bei 23 t Zugbelastung der Anker aus dem Bohrloch gezogen werden.

Claims (6)

Patentansprüche:
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-Komponenie 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-G ruppen 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 I 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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