DE2819974B2 - Bodenverfestigungsmittel zur Befestigung von Erdmassen - Google Patents
Bodenverfestigungsmittel zur Befestigung von ErdmassenInfo
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Description
15
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
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
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
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
*) 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.
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)
Natriumsilikat (g)
Wasser (g)
2. Komponente
Wasser (g)
Härtungskomponente (g)
Härtungskomponente (g)
Gelatinierungszeit (Min.)
Druckfestigkeit einer durchtränkten Probe des Sandbettes (kg/cm2) nach 2 Stunden Druckfestigkeit derselben Sandbettprobe (kg/cm2) nach 48 Stunden
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.
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 HzO
3 H2O
und der Gelatinierungszeit, die sich bei den geringen
noch
zugefüj^ wird. Auf diese Weise karm die Gelatiriierungsgt
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)
^ungefähr 1 : 3)
Wasser (g)
50
50
50
50
50
50
5O
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-
40
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.
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-
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.
55
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 (2)
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.
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