DE2819974B2

DE2819974B2 - Bodenverfestigungsmittel zur Befestigung von Erdmassen

Info

Publication number: DE2819974B2
Application number: DE2819974A
Authority: DE
Inventors: Kiichi Endo; Tatsuhiko Noguchi; Hachiro Hiroshima Yamaguchi
Original assignee: Kureha Corp
Current assignee: Kureha Corp
Priority date: 1977-05-09
Filing date: 1978-05-08
Publication date: 1980-02-21
Also published as: FR2390398B1; FR2390398A1; DE2819974A1; US4208216A; GB1597782A; DE2819974C3

Description

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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Bodenverfestigungsmittel, das zur Befestigung von Erdmassen, =, worunter auch Gesteins- und Kieselmassen verstanden ^: werden, beispielsweise beim Ba^ von Tunnels, Dämmen

'und ähnlichen Untergrundbauten, Verwendung findet

Es sind bereits verschiedene Verfahren zur Konsolidierung von Erdmassen bekannt, bei denen beispielsweise Zementmilch oder Natriumsilikat und ein Härtungsmittel zur Härtung des Natriumsilikats eingesetzt werden. Dabei werden als Härtungsmittel beispielsweise Caliumchlorid, Natriumcarbonat, Natriumsulfat Schwefelsäure, Kupfersulfat, gelöschter Kalk, Aluminiumsulfat ein Qualitätsbauzement Bentonit, Natriumalu-" minat Natriumbicarbonat und Natriumsilicofluorid verwendet Diese bekannten Verfahren haben jedoch ,-den Nachteil, daß die Zeit in der das Erdreich

' konsolidiert wird (Gelatinierungszeit), allgemein kurz ist und bereits bei kleinen Änderungen des Mischungsverhältnisses von Natriumsilikat zu Härtungsmittel außerordentlich schwankt so daß man die Gelatinierungszeit -' nicht in ausreichendem Maße kontrollieren kann und die Ausführung der Erdmassenbefestigung sehr mühsam und störanfällig ist

In den letzten Jahren wurden verschiedene organische Bodenverfestigungsmittel entwickelt die ein hohes Bodendurchdringungsvermögen besitzen und mit deren Hilfe die Gelatinierungszeiten leicht eingestellt werden

!können. Bekannte organische Bodenverfestigungsmittel sind beispielsweise solche aus Polyacrylamid, Harnstoff-

jharzen, Polyacrylaten, Urethanharzen und Chromlignin.

!Diese organischen Bodenverfestigungsmittel sind giftig

ivnd können nicht in der Nähe von Quellen, unterirdischen Wasserläufen, Flüssen und Bächen, Seen und Sümpfen verwendet wei den.

Unter den verschiedenen Methoden, die zur Durchführung von Bodenbefestigungsarbeiten verfügbar sind und auf der Verwendung von flüssigen Chemikalien vom Wassergisstyp beruhen, hat das sogenannte iLW-Verfahr«! (japanische Patentschrift Nn 24122/

Ü961) in der praktischen Anwendung weite Verbreitung gefunden. In diesem Verfahren wird eine Suspension eines Bodenverfestigungsmittels verwendet, das sich aus feinem Bauzement und Natriumsilikat zusammensetzt ω Dieses Bodenverfestigungsmittel umfaßt insbesondere 2fi bis 100 Gewichtsteile der Hauptkomponente des Wasserglases pro Gewichtsteil Bauzement Das LW-Verfahren besitzt jedoch den Nachteil, daß die Gelatinierungszeit und die Festigkeit der behandelten Erdmasse in einer wechselseitigen entgegengesetzten Beziehung zueinander stehen. Während der Anteil an Zement zum Zwecke der Festigkeitserhöhung der Erdmasse gesteigert werden muß, wird die Gelatinierungszeit entsprechend verkürzt Dadurch härtet das Verfestigungsmiitel aus, bevor es bis zur gewünschten Tiefe in die Erdmasse eingedrungen ist, und verhindert dadurch eine reibungslose Durchführung der Injektion.

Aufgabe der Erfindung ist daher die Schaffung eines Bodenverfestigungsmittels, das hinsichtlich der Gelatinierungszeit von den Mischungsverhältnissisn Silikat/ Härter möglichst unabhängig ist und zu besseren Druckfestigkeiten führt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Bodenverfestigungsmittel gemäß Ansprach 1.

Ein spezifisches Beispiel Tür ein solches Alkalisalz der Kieselsäure ist Wasserglas. Für den Fall, daß als zweite Komponente Imidodisulfonsäure '.nd/oder Imidodisulfonate mit einer ziemlich hohen Acidität eingesetzt werden, wird vorzugsweise ein Wasserglas mit einem niedrigen Siliciumdioxid/Natriumoxid-Verhältnis verwendet d. h. ein Wasserglas mit einem hohen Na₂O-Gehalt, um die gewünschte Gelatinierungszeit zu erhalten. ^Wenn dagegen die zweite Komponente ein Imidodisulfonat mit einer niedrigen Acidität ist, wird vorzugsweise ein Wasserglas mit einem hohen SiO₂ZNa₂G-Verhältnis 'eingesetzt

Die erfindungsgemäß verwendete Imidodisulfonsäure [(SO₃K^NH] und ihre Salze erhält man dadurch, daß man Stickstoffoxide enthaltendes Abgas in Kontakt mit ,einer wäßrigen Lösung bringt, die mindestens ein Eisen(II)salz und wenigstens ein Alkalisulfid enthält, um die Stickstoffoxide aus dem Abgas zu entfernen (US-PS 39 91 161, US-PS 39 92 508 und US-PS 40 55 623).

Die erfindungsgemäß eingesetzten Imidodisulfonate können beispielsweise in Form des Ammonium-, Natrium-, Kalium-, Calcium- und/oder Magnesiumsalzes vorliegen. Als spezifische Beispiele werden die folgenden genannt:

(NH₄SQj)₂NH Ca(SO₃J₂NNH₄

Ca(SCb)₂N.

Ca(SOj)₂N

Ca

Ca(SOa)₂N · Na ■ 3 H₂O

Ca(SO₃J₂N

- 8 H₂O

Ca(SOi)₂NH · 3 H₂O (NaSOi)₂NH

Imidodisuifonsäuren und ihre Salze weisen unterschiedliche pH-Werte auf, die im Bereich zwischen 4 und 11 liegen, und besitzen eine unterschiedlichs '(Wasserlöslichkeit Ein besonderer Vorteil der Erfindung liegt darin, daß die Imidodisulfonsäure und ihre Salze auch bei Änderung ihres Mischungsverhältnisses nur einen relativ geringen Einfluß auf die Gelatinierungszeiten haben, so daß diese leicht geregelt werden können, wobei gleichzeitig die behandelten Erdmassen eine hohe Verfestigung erhalten. Imidodisulfonsäure und ihre Salze haben außerdem eine sehr niedrige Toxizität

Das erfindungsgemäße Bodenverfestigungsmaterial gemäß Anspruch 1 ist hinsichtlich des Mischungsverhältnisses der Komponenten nicht besonders kritisch. Dieses sollte aber unter Berücksichtigung der jeweiligen besonderen Verhältnisse des zu verfestigenden Materials passend ausgewählt werden. Im einzelnen kann durch geeignete Wahl und Mischung der genannten Komponenten im gewünschten Verhältnis und Injizieren der resultierenden Mischung in die Erdmasse der Boden bei der gewünschten Gelatinierungsgeschwindigkeit (bzw. Härtungsgeschwindigkeit) verfestigt und auf diese Weise die Konsolidierung der Erimassen leicht bewerkstelligt verden. Darüber hinaus verhütet diese Arbeitsweise nach der Konsolidierung das Auftreten möglicher Verluste der Alkalikomponente aus dem Boden und macht es möglich, dem Boden genügende Festigkeit und wasserabschirmende Eigenschaften zu geben.

Das Bodenverfestigungsmaterial gemäß der Erfindung kann zusätzlich ein Härtungsmittel zur Härtung des Silikats enthalten. Beispiele für geeignete Härtungsmittel sind Calciumchlorid, Natriumcarbonat, Schwefelsäure, Kupfersulfat, gelöschter Kalk, Bauzement, Bentonit, NatriumahurJnat, Natriumcarbonat, Natriumsiiicofluorid, Calciumahiminat, Gips, Natriumsulfat, Natri-. umbisulfit, Calciumcarbonat, Celluloseglykoiat, Ammoniumsulfat, Phosphorsäure, Natriumphosphat, Ethylencarbonat, Kaliumbicarbonat, Adipinsäuredimethylsulfoxid, Ethylenglykoldiacetat, Glyoxal, Gamma-Butyllacton, Essigsäure, Fettsäureester von Polyethyleriglykol u. dgL Als Bauzement können Portlandzement, gemischter Zement oder jeder andere ähnliche Zement verwendet werden. Besonders bevorzugt wird Portlandzement In diesem Fall kann das Mischungsverhältnis von Silikat zu Zement in dem ungefähren Bereich von 0,1 bis 100 Gewichtsteilen Silikat pro Gewichtsteil -Zement liegen. Wenn das Mischungsverhältnis von Zement zu Silikat groß ist, ist die Härtungszeit (Gelatinierungszeit) sehr kurz, obwohl der erhaltene konsolidierte Boden eine hohe Festigkeit besitzt, so daß in diesem Fall die Mischung nicht problemlos verwendet werden kann. Um die Festigkeit der erhaltenen konsolidierten Erdmasse zu erhöhen und die Gelatinierungszeit in geeigneter Weise zu regeln, wird vorzugsweise das Silikat mit dem Zement in einem Verhältnis yen 0,2 bis 2 Gewichtsteilen Silikat pro Gewichtsteil »Zement gemischt und zu der erhaltenen Mischung ■Natriumimidodisulfonat oder ein anderes ähnliches Imidodisulfonat mit relativ hohen pH-Wert in einer 'Menge von 0,1 bis 10 Gewichtsteilen pro Gewichtsteil des festen Natriumsilikats zugemischt Eine geeignete Verkürzung der Härtungszeit wird vorzugsweise dadurch erreicht, daß man unter den Imidodisulfonaten ein solches mit einem hohen Calciumgehalt, beispielsweise Calciumimidodisulfonat, auswählt

Wenn der besondere Zweck der Konsolidierung des Bodens eine Einregulierung der Härtungskapazität der erfindungsgemäßen Zusammensetzung erfordert, kann eine solche selbstverständlich durch Regelung der Konzentration der Einzelkomponenten erfolgen, erforderlichenfalls auch durch Zusatz der oben im einzelnen genannten Härtungsmittel.

ίο Die Konsolidierung von Erdmassen durch Verwendung der erfindungsgemäßen Bodenverfestigungsmittel kann in an sich bekannter Weise durchgeführt werden, beispielsweise durch Versprühen, Zerstäubung, Einmischen, Einspritzen u. dgl. Sämtliche Komponenten der

is Komposition können vor der Injektion miteinander gemischt und dann unter Druck injiziert werden. Es ist aber auch möglich, die Komponenten unabhängig voneinander zu injizieren. Die Injektion der erfindungsgemäßen Zusammensetzung in die Erdmasse kann aber auch in der Weise erfolgen, daß man zunächst die ',{Komponenten in gepulvertem Zustand mischt, die !erhaltene Mischung beispielsweise in einem Papierzylinder unterbringt, der in ein Loch eingesetzt wird, das zuvor in die Erdmasse gebohrt wurde, und dann die

Mischung in der Erdmasse aushärten läßt

Da die erfindungsgemäße Bodenverfestigungsmasse anorganischer Natur ist, besteht kerne Gefahr, daß durch ihre Anwendung vorliegende Bestimmungen zur Reinhaltung des Wassers und Abwasser-Verordnungen verletzt werden. Auch hierin liegt ein besonderer Vorteil der vorliegenden Erfindung.

Die Erfindung wird durch die nachfolgenden Beispiele weiter erläutert

Beispiel 1

Ein Glasrohr von 5 cm Innendurchmesser und 10 cm Höhe wurde mit etwa 400 g standardisiertem Sand gefüllt, wobei oben auf dem so erhaltenen Sandbett ein freier Raum verblieb. In diesen Raum wurde eine v/äßrige, gründlich gerührte Mischung aus Wasserglas und aus dem Imidodisulfonat gegossen. Dann wurde rasch ein reduzierter Druck auf das so gefüllte Rohr ausgeübt, um ein Eindringen der flüssigen Zusammensetzung in den Sand zu bewirken. Nachdem der Inhalt in

item Rohr erstarrt war, wurde ein Teil des von der flüssigen Zusammensetzung durchdrungenen Sandbettes auf Festigkeit geprüft, die als Druckfestigkeit bestimmt wurde. Die Ergebnisse sind in der Tabelle la zusammengestellt In allen Versuchen erreichten die

so festgestellten Festigkeitswerte der konsolidierten Sandproben nach 48 Stunden den Bereich zwischen 5 i'nd 20 kg/cm². Die Tabelle Ib zeigt Vergleichsversuche mit üblichen Härtern.

	Versuch Nr.	3	4	5»)	6
	: 2
1. Komponente		50	70	70	70
NfttrimsfUOcot (g)	SO 70	SO	30	30	30
Wüste)	50 30
Z Komponente		80	80	80	80
WaMerd)	80 80		Ca(SQj)₂IWH₄	Ca(SOi)₂I	(NaSOj)₂NNa ■ 3 H₂O
ImidtxfcuHooit (g)	CMSQj)₂NH-3 H₂O	20 -	*CtISOM*	.20
	20







Γ 20

Fortseuung

Versuch Nr. 1 2

5»)

>30

8,0

Bemerkungen:

*) In den Versuchsaufen neigten die Sandproben dazu, teil? eise zu koagulieren, wodurch angezeigt wird, daß das Verfahren, zwei flütdge Komponenten zu mischen, genau eingestellt werden sollte.

Tabelle 1 b

Härtungszeit (Gelatinierungszeit) (Min.)	3	2	4	3	1
Druckfestigkeit einer durch tränkten Probe des Sandbette; (kg/cm²) nach 2 Stunden	2,0	3,5	3,0	4,0	4,0
Druckfestigkeit derselben Sandbettproben (kg/cm²) nach 48 Stunden	6,0	14,0	10,0	15,0	18,

1. Komponente
Natriumsilikat (g)
Wasser (g)

2. Komponente

Wasser (g)
Härtungskomponente (g)

Gelatinierungszeit (Min.)
Druckfestigkeit einer durchtränkten Probe des Sandbettes (kg/cm²) nach 2 Stunden Druckfestigkeit derselben Sandbettprobe (kg/cm²) nach 48 Stunden

Vergleichsversuch Nr,	2	3**)	4)
1	70	50	70
50	30	50	30
50	80	90	90
90		Calciumchlorid
Natriumaluminat	20	10	10
10	3	1	0,5
5	3,5	4,0	4,0
3,0

3,8

4,2

Bemerkungen:

**) In den Versuchsläufen neigten d-e Sandproben dazu, teilweise zu koagulieren, wodurch angezeigt wird, daß das Verfahren, zwei flüssige Komponenten zu mischen, genau eingestellt v/erden sollte.

Beispiel 2

Es wurden Versuche durchgeführt, die die Beziehung zwischen der Gelatinierungszeit und dem Mischungsverhältnis bei der Verwendung von Natriumsilikat und den verschiedenen Imidodisulfonaten aufzeigen. Die Versuchsbedingungen und -ergenisse sind in Tabelle 2a zusammengestellt Dabei zeigen die Versuche 1 bis 3 die Beziehung zwischen der zugefügten Menge an

Änderungen: der Züsatzmengen nicht sehr änderte. Die Versuche 4 bis 6 zeigen dagegen, daß die Gelatinierungszeit geändert werden kann, wenn zusätzlich zum

Ca(SO3)2NH - 3 H₂O
■3 HzO

3 H₂O

und der Gelatinierungszeit, die sich bei den geringen

Tabelle 2 a

noch

zugefüj^ wird. Auf diese Weise karm die Gelatiriierungsg_t durch.ieei^ete Wahl der Art und Kombination vvon Imidoilisulfonaten eingestellt werden;

(bei 15°t>

Versuch Nr, 12

Natriumsilikat (g)

/Na₂OASiO₂ λ
^ungefähr 1 : 3)

Wasser (g)

50

5O

Fortsetzung

Versuch Nr. 1

Ca(SOj)₂NH · 3 H₂O (g)	18	20	22	20	20	15
(NaSO₃)₂NNa - 3 H₂O (g)	0	0	0	3	6	6
Wasser (g)	80	80	80	80	80	80
Gelatinierungszeit (Min.)	4,3	3,1	2,5	5,5	9,3	24,

Zum Vergleich wurden die Versuche Nr. 7 bis 12 mit Änderungen der Zusatzmengen stark, so daß eine sehr

Natriumaluminat und CaCl₂ durchgeführt Die Ergebnis- genaue Einstellung des Mischungsverhältnisses erfor-

se sind in Tabelle 2b zusammengestellt. Offensichtlich 15 derlich ist ändert sich die Gelatinierungszeit schon bei geringen

Tabelle 2 b	Versuch Nr.	8	9	10	12	10	11	10	(bei 15 C)	U
	7	50	50	5	1,5	50	50	1		50
	50
Natriumsilikat (g)				Beispiel	3
/Na₂O/SiO₂ \ V ungefähr 1 : 3J		50	50		50	50	50
Wasser (g)	50		Natriumaluminat			Calciumchlorid
Härtungskomponente (g)		8		8	12
	13	4	sofort
Gelatinierungszeit (Min.)			kristallisiert

30 g Portlandzement wurden in 100 g Wasser dispergiert und mit einer Lösung von 70 g Wasserglas (Verhältnis Na₇OfSiO₂ ungefähr 1 :3) und 10 g Trinatriumimidodisulfonat (NaSO₃J₂NNa in 50 g Wasser gemischt Die Gelatinierung trat nach ungefähr lQminütigem Mischen ein, die Festigkeit des Gels selbst betrug nach 24stündiger Alterung 1,5 kg/cm². Die Festigkeit der Probe, die durch Mischen der obener-

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wähnten Mischung mit standardisiertem Sand (von Toyoura) hergestellt wurde, betrug nach einer 72stündigen Alterung der Mischung in feuchter Luft 25 kg/cm².

Eine Vergleichsprobe wurde in der gleichen Weise, aber ohne Zusatz von Natriumimidodisulfonat, hergestellt Es gelierte bald nach der Zurnischung, d.h. innerhalb von 2 Minuten, und konnte daher nicht für die Konsolidierung des Sandes gebraucht werden.

Beispiel 4

Es wurde die gleiche Mischung wie in Beispiel 3 hergestellt mit dem Unterschied, daß die Menge an (NaSOj)₂NNa auf 20 g erhöht wurde. Dadurch wurde die Gelatinierungszeit um 5 Minuten auf 15 Minuten verlängert Die Festigkeit des Gels selbst betrug nach 24stündigem Stehenlassen 13 kg/cm², nach 72stündigem Aushärten 8 kg/cm². Durch Vermischen dieser Mischung mit standardisiertem Sand (von Toyoura), Koagulieren der erhaltenen Mischung und 72stündigeni Äiishärfeniassen dieser Mischung in feuchter Ätmo-

Tabelle 3

Sphäre wurde eine Probe erhalten, dessen Festigkeit 22 kg/cm² betrug.

Die Beziehung zwischen der Härtungszeit und dem Mischungsverhältnis von Zement, Wasserglas und ImidodisuJfoi.aten wurde in den in Tabelle 3 zusammengestellten Versuchsergebnissen aufgezeigt Daraus geht deutlich hervor, daß die Härtungszeit durch Zusatz von (NaSO₃J₂NNa bzw. Ca(SO₃J₂NNa - 3 H₂O in einem weiten Bereich geregelt werden kann.

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Portland zement	H₂O	Wasserglas (Na₂O/SiÖ₂ ungefähr 1:3)	30	(NaSOj)₂NNa	0	H₂O	Gewichis- verhältnis von Zement^ Wasserglas	Härtürigs- -j. zeit Γ	030 106/481
g	S	g	30	g	20	g	—	(15"C)
40	ioo	70	0	150	1.3	0.1
40	100			150	1.3	1.8
30	100	50	0.4	2.0

	9	Wasserglas (Na₂O/SiO₂ ungefähr 1:3)	70	28 19 974	10	Härtungs zeit
Fortsetzung		g	70			(15 C)
Portland zement	H₂O	,200	(NaSO₃J₂NNa H₂O	Gewichts verhältnis von Zement/ Wasserglas	10
g	g	^00	g g	-	15
30	100	10 50	0.4	10
30	100	* 20 . 5. 50	0.4.	2
40	100 ^	0 £ JOO	ib'a
.; 40	aoö	^20*) 1 TOO '	0.2

·3Ή₂Ό;

Claims

■ta· * — Patentansprüche:

1. Bodenverfestigungsmittel enthaltend ein Alkalisilikat und eine Schw .fei enthaltende Säure und/ oder deren Salze, dadurch gekennzeichnet, daß es als Schwefel enthaltende Säure und/oder deren Salze Imidodisulfonsäure und/oder ein oder mehrere Imidodisulfonate enthält

2. Bodenverfestigungsmittel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Imidodisulfonat das Ammonium-, Natrium-, Kalium-, Calcium- und/oder Magnesiumsalz eingesetzt wird.