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"Verfahren zum Verdichten und Abdichten von
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wasserdurchlässiSen Böden" Gegenstand der Erfindung ist ein verbessertes
Verfahren zum kontrolierten Verdichten und Abdichten von durchlässigen Böden und/oder
Schüttmaterial mit Hilfe von Silikaten gegen das Eindringen von Wasser, wobei besonders
kleine Mengen spezieller pulverförmiger Alkalisilikate mit relativ hohem Kieselsäuregehalt
benötigt werden. Wesentlich ist, daß die Behandlung in trockenem bis natürlich erdfeuchtem
Medium vorgenommen wird.
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Es ist bekannt, reinen Ton oder stark tonhaltige Böden wie Lehm zu
Abdichtungsproblemen als dichtendes Deckmaterial einzusetzen.
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Zu diesem Zweck werden beispielsweise zur Dichtung wasserdurchlässiger
Substrate wie Kiesböden, Steinhalden und Schlackenhalden, Lehmschichten in einer
Schichtdicke bis 2 m, vorzugsweise von 30 - 50 cm, aufgebracht. Trotz mechanischer
Verdichtung wird dabei lediglich eine Verringerung der Sickerungsgeschwindigkeit
- gemessen in cm/Sekunde (sogenannter KWert) - von 1 10 auf 10 erreicht. Ein solcher
Wert ist Jedoch - abgesehen von den unwirtschaftlich großen Materialmengen - oft
nicht hinreichend.
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Man hat daher auch schon Kombinationen von Alkalisilikatlösungen (Wasserglaslösungen)
mit Ton für derartige Zwecke verwendet. So ist es beispielsweise bekannt, zum Abdichten
von Stauanlagen, Flußdämmen, Deichen und ähnlichem thixotrope Produkte zu verwenden,
die aus Ton und einem hohen Anteil an flüssigem Alkalisilikat hergestellt werden.
Diese Mittel erfordern fUr die Anwendung in der Praxis einen relativ hohen voluminösen
technischen Aufwand, da für die Herstellung des Substratesspezielle Apparaturen,
hohe Konzentrationen der Reaktionsteilnehmer mit entsprechend hohem Chemikalienaufwand
erforderlich sind.
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Sowohl die reinen Tonschichten wie besonders die stark kieselsäure-
und wasserhaltigen Silikat/Ton-Mischungen unterliegen Alterungsvorgängen, d. h.
sie neigen zu gerährlichem Schrumpfen und Rißbildung, Effekte, welche die beabsichtigte
Abdichtung in Frage stellen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Sperrschichten mit kontrollierter
Undurchlässigkeit in wasserdurchlässigen Böden mit möglichst geringem technischem
Aurwand und Chemikalieneinsatz zu erzeugen, wobei das Verfahren auch in schwer zugänglichem
Gelände angewandt werden kann. Die einzusetzenden Produkte bzw. die resultierenden
Reaktionsprodukte sollen chemisch und biologisch neutral sein und für die zu schützenden
Substrate keine Fremdkörper darstellen.
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Das neue Verfahren zum kontrollierten Verdichten und Abdichten mit
Hilfe von Silikaten von durchlässigen Böden und/oder SchUttmaterial gegen das Eindringen
von Wasser ist dadurch gekennzeichnet, daß man diese mit pulverförmigen Alkalisilikaten
und trockenem bis erdfeuchtem (bis etwa 7 % Wassergehalt) mineralischem tonhaltigem
Feinmaterial behandelt, wobei das Oewichtsverhältnis von zu dichtendem Material
zu festem wasserlöslichem Alkalisilikat = 1 000 : 1 bis 1 000 : 5 beträgt und gegebenenfalls
anschließend eine mechanische Verdichtung vorgenommen wird. Das Mischen beider Komponenten
geschieht in trockenem Zustand, d. h. die natürliche Erdfeuchte des Feinmaterials
und der Wassergehalt der eingesetzten Alkalisilikate sind zum Ingangsetzen der notwendigen
Reaktionen ausreichend.
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Der Einsatz dieser geringen Mengen Wasser und Alkalisilikate ist wesentlicher
Bestandteil des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Die beschriebenen Mängel bisher Ublicher Verfahren, bei denen ungleich
größere Mengen Wasser und Alkalisilikat zum Einsatz kommen, wie Alterung, Schrumpfen,
Rißbildung, Gefährdung durch hohei Alkaligehalt, sind dadurch ausgeschlossen.
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Als zu dichtendes Material wird die Dicke der Sperrschicht angesehen,
die im allgemeinen nicht mehr als 35 cm beträgt. Die Sperrschicht kann aus dem Boden
selbst gebildet werden, sofern dieser lehmartig ist und einen Anteil an Feinmaterial
von mindestens 25 - 30 % (Korngröße 0,001 - 0,06 mm) enthält.
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Enthält der Boden kein oder nur eine unzureichende Menge an tonhaltigem
Material, so bezieht sich der Alkalisilikatgehalt auf das als Deckschicht verwendete
mineralische tonhaltige Feinmaterial.
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Als pulverförmiges Alkalisilikat kommen handelsübliche Produkte mit
einem Gewichtsverhältnis SiO2 : Me20 (Me = Natrium oder Kalium) wie 2 bis 3,5 :
1 und mit einem Wassergehalt von 12 bis 25 Gew.-%, vorzugsweise 15 bis 22 Gew.-%
in Betracht.
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Als mineralisches tonhaltiges Feinmaterial haben sich vorzugsweise
Montmorillonit- und/oder Illit-Type besonders bewährt und sind kaolinitischem Material
vorzuziehen.
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Das pulverförmige Alkalisilikat und das Feinmaterial können getrennt
auf das durchlässige Substrat aufgebracht und anschließend durch Einfräsen, Eggen
mit diesem vermischt werden.
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Als Substrate kommen außer den üblichen wasserdurchlässigen Böden
Aufschüttungen wie Steinhalden, Aschehalden, Schwemmsandflächen und MUlldeponien
in Betracht.
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Falls der Anteil an mineralischem tonhaltigen Feinmaterial des Bodens
zu gering ist, d. h. unter 25 - 30 % liegt, kann die Abdeckung durch Lehmböden unter
Zusatz von 0,1 bis 0,5 Zo Silikat mit Schichtdicken von 10 bis 30 cm erfolgen. Mit
diesen relativ geringen Schichtdicken, die etwa der Hälfte einer sonst erforderlichen
Lehmschicht entsprechen, lassen sich vorzügliche Ergebnisse erzielen. Die Sickerungsgeschwindigkeit
in cm/Sekunde liegt im Bereich von 10 8 bis 10'12
Enthält hingegen
der Boden bereits einen Anteil an tonhaltigern Feinmaterial von über 30 %> so
ist es lediglich erforderlich, das feste Alkalisilikat aufzustreuen und durch Einfräsen,
Eggen oder ähnlichen Maßnahmen grob zu vermischen. Dabei ist es im allgemeinen vorteilhaft,
wenn anschließend an die beschriebene grobe Vermischung eine mechanische Verdichtung
durch Walzen, Rütteln oder Stampfen erfolgt.
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Die erzielten Vorteile bestehen in der einfachen unproblematischen
Anwendungsform des Verfahrens, dem verhältnismäßig geringen Materialaufwand und
der Anwendbarkeit auf eine Vielfalt von Substraten.
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Ein besonderer Vorteil ist die geringe Alkalisilikatmenge, die nur
geringfUgige pH-Anderungen verursacht und dadurch ein biologisch freundliches Milieu
ermöglicht. Darüber hinaus wird die Wurzelbildung, der Pflanzenwuchs usw. durch
die Anwesenheit kolloidaler Xieselsäure nachweislich stimuliert.
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Schadionen wie Blei, Cadmium und ähnliche, werden ohne zusätzliche
Maßnahmen unlöslich und damit unschädlich gemacht.
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Durch entsprechende Schichtdicke und Variation der Körnung (bis zum
"Kies") des zu dichtenden Materials ist der Grad der Abdichtung steuerbar, so daß
der Wasserhaushalt z. B. einer zur Rekultivierung vorgesehenen Ablagerung zugunsten
einer vermehrten Wasserhaltung unter Kontrolle gehalten wird.
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Beispiel 1 Feldversuch Vorbereitung eines Grundstücks für die Neuanlage
einer Mülldeponie (Hausmüll und Rückstand aus der Müllverbrennung).
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Dabei wurden verschiedenartige Probleme durch den Einsatz der erfindungsgemäßen
Verfahrensweisen gelöst: Zur Vorbereitung des leicht hügeligen Geländes als Deponiegrund
wurde dieses zunächst eingeebnet. Der Boden bestand zum größten Teil aus Lehm und
wurde früher landwirtschaftlich genutzt. Das Niveau liegt im Durchschnitt ca. 8
m über dem Grundwasser. Beim Planieren wurde eine ca. 1000 m2 große Kiesschicht
(Kieslinse) mit einer Tiefenausdehnung bis zum Grundwasser angeschnitten. Es galt
in erster Linie, diese Kieslinse bezüglich Versickerung zu sichern. Durchschnittliche
Korngrößenwerte: a) Kieslinse 8 % o,ool - 0,006 mm 2 % 0,006 - 0,6 10 % bis 2,0
" 25 ffi bis 20,0 35 ffi bis 60,0 Rest Steine Kf ~ durchlässig b) Lehmboden 8 %
0,001 - 0,002 mm 5 % - 0,006 " 5 % - 0,01 14 % - 0,02 54 % - 0,06 14 % Sand 0,1
n Kf in "gestörtem" Zustand ~ 10 3 cm/sec Kf verdichtet ~ 10-6 - 10-8 cm/sec
Es
wurde zur Auflage gemacht, die Gesamtfläche auf Kf-Werte von 10-8 einzustellen.
Für die Kies linse wurde eine Sondersicherung, z. B. durch Folienabdeckung, als
Voraussetzung für die behördliche Genehmigung zur Einrichtung der Deponie verlangt.
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Zur Erzielung ausreichender Kf-Werte (Sickerungsgeschwlndtgkeit in
cm/sec) wurden folgende Arbeitsweisen untersucht: a) Kieslinse Verfahren Kf bei
50 cm WS 5 m WS 1) Behandlung einer 30 cm starken Schicht - lose SchUttung - m.
5%o Silikat 2) Wie 1) nech Verdichtung 10-3 bis 10-6 10-4 (Durchbruch nach 6 Tagen)
3) Wie 2) mit Zusatz von 10-7 bis 10 # 10-8 VolX tonhaltigem Boden 10 bis 10 10
(b) + 5 %o Silikat und Versuchs-Verdichtung dauer 2 Monate ohne Veränderung 4) Abdeckung
des Kiessubstrats mit 20 cm Boden 10-8 bis 10-10 # 10-10 (b) + 3 %o und Verdichtung
(Walze) 5) Kombination 3) u. 4) wobei die Behandlung v. (a) bereits beim Planieren
be- 10 10bis 10-12 10-12 rUcksichtigt wurde. Dabei konnte 1 Arbeitsgang ge- Auf
den Wert spart werden 10-12 stellte sich das System in 5 Reproduktionen regelmäßig
nach 3 Tagen ein
b) 1) Bodensubstrat (b) 1,7 - 10 7 1,7 - 10 nach
intensiver Verdichtung 2) Bodensubstrat (b) 10-6 -6 + 3 Jo Silikat und 10 - 10 9
zunehmend loser SchUttung bis 10-10 3) Wie 2) nach Ver- 10-12 1o~l2 dichten d. h.
Grenze Schichtstärke: der Meßmög-25 cm lichkeit Zur Behandlung der gesamten Fläche
wurde wie folgt verfahren: 1) Vorbehandlung der Kieslinse. Beim Planieren wurde
im Bereich der Kieslinse eine ca. 10 cm starke Schicht aus 1/3 Lehm, 2/3 Kies und
3o Silikat hergestellt und eingewalzt.
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2) Gesamtfläche. Die Gesamtfläche wurde in einer Tiefe von ca. 30
cm mit aufgestreutem Silikat durch Einfräsen gemischt, das Mischsubstrat wurde in
einer Stärke von 20 cm auch über die vorbehandelte Kieslinse geschoben. Anschließend
wurde durch Walzen verdichtet.
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Eingebaute Drainagen und Probe-Brunnen zeigen nach 1/2 Jahr Beobachtung
noch kein ein- oder durchgedrungenes Wasser an.
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BeisPiel 2 Abdichtung einer Steinhalde Das Problem, Steinhalden vor
dem Eindringen von Wasser (Regen etc.) zu schützen, ist bekannt. Die entstehenden
Eluate würden schließlich den Grund und danach das Grundwasser unter der Halde erreichen
und unter Umständen durch den Gehalt an Schadstoffen (Schwermetalle) verderben.
Eine zur Zeit meistgebräuchliche Methode für einen wirksamen Schutz ist das Aufbringen
dichter, tonhaltiger Böden oder von reinem Ton (z. B. Bentonit). Für solche Schichten
sind Schichtstärken von 30 - 50 cm (nach Erfahrungswerten) vorgeschrieben. Die Kr-Werte
solcher Schichten, selbst nach Verdichten, liegen bei 10 -7 bis höchstens 10-8 Bei
einem Projekt - Steinhalde mit Steingeröll 10 - 150 mm das in der oben beschriebenen
Weise durch Aufschüttung mit 50 cm Lehmboden gesichert wurde, wurde erfindungsgemäß
ein Substrat aus gleichem Boden + 5 so Silikat in Stärke von 2C cm aufgebracht.
Der Boden wurde grob verteilt, mit dem Silikatpulver bestreut und durch Eggen egalisiert.
Mit einer 'Anhangevibrationswalze" wurde die Auflage - wie die 50 cm Bodenschicht
- verdichtet. An Bohrkernen aus diesem Substrat wurden in Labormessungen Kr-Werte
in der Größenordnung bis 10-12 gemessen.
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Ein weiteres Versuchsstück wurde zum Vergleich gegenüber dem erfindungsgemäßen
Verfahren wie folgt behandelt. Die zur Dosierung mit 5 %o eines hypothetisch angenommenen
30 cm tiefen Horizonts notwendige Menge Alkalisilikat wurde ohne weitere Vorbereitung
auf das Geröll verteilt. Anschlie3end wurde das zu einem flüssigen Brei mit Wasser
verdünnte Bodensubstrat eingeschwemmt. Das Einschwemmaterlal war so dünnflüssig,
daß der angenommene Horizont von 30 cm ausgefüllt werden konnte.
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Messungen, die 5 Tage nach dem Aufbringen an Bohrkernen vorgenommen
wurden, ergaben zwar Kr-Werte von 10 9 bis 10 12s nach 3 Wochen Versuchsdauer traten
Jedoch bei mehreren der Parallelproben Wasserdurchbrüche auf, ein Beweis für die
durch den hohen Wassergehalt wieder möglichen Alterungs-und Schrumpfungsvorgänge.