DE2835287C2

DE2835287C2 - Verfahren zur Verankerung eines Verstärkungselements in einem Loch sowie zerbrechliche bzw. leicht zerstörbare Packung zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE2835287C2
Application number: DE2835287A
Authority: DE
Inventors: David Linn Mercersburg Pa. Coursen; Ernst Alois Wilmington Del. Tomic
Original assignee: EI Du Pont de Nemours and Co
Current assignee: EIDP Inc
Priority date: 1977-09-06
Filing date: 1978-08-11
Publication date: 1984-03-01
Also published as: FR2440487A1; DK392178A; GB2065256A; ZA785020B; IT7827347A0; IN157596B; AU524788B2; BE870205A; DE2857543C2; CA1142556A; FR2440487B1; GB2003851A; PL209420A1; GB2063847B; FR2455691B1; GB2003851B; LU80204A1; AU3950778A; FR2455691A1; GB2065256B

Description

(a) als einen ersten Bestandteil einen anorganischer Zement, und

(b) als einen zweiten Bestandteil eine Flüssigkeit, die ^ mit dem anorganischen Zement reaktionsfähig ist, umfaßt,

wobei der anorganische Zement mehr als 10% des Gesamtgewichts der Bestandteile (a) und (b) bildet und wobei gegebenenfalls im Bestandteil (b) vornan- ^o dene polymere Stoffe hydratisierbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Zement in Form einer Aufschlämmung bzw. Schmiere mit einer Flüssigkeit, die mit dem Zement nicht reaktionsfähig ist, eingesetzt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die Bestandteile de.' anorganischen Mörtelzusammensetzung in das Loch in einer zerbrechlichen bzw. leicht zerstörbaren Packung einführt, in der sie in getrennten Kammern vorliegen, und daß die Packung νοτ Verstärkungselement durchdrungen und zerstört wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein teilchenförmiger Zuschlag in einem oder beiden der Bestandteile in einer derartigen Menge verwendet wird, daß ei 20 bis ου% des Gesamtgewichts der Bestandteile bildet.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß als teilchenförmiger Zuschlag sortierter Sand verwendet wird, der in einem Größenschnitt, der 90% oder mehr der Teilchen umfaßt, maximale und minimale Teilchengröße!? enthält, die um mehr als ± 20% von der mittleren Teilchengröße in dem Schnitt abweichen, wobei nicht über 10% seines Gesamtvolumens aus Teilchen bestehen, die größer als 600 μηι sind.

3. verfahren nach Anspiuun i, uauüfCu gekennzeichnet, daß als reaktionsfähige Flüssigkeit Wasser verwendet wird und das Wasser durch Anwesenheit eines polymeren Materials verdickt ist.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein teilchenförmiger Zuschlag In dem Wasserbestandteil vorhanden Ist und 0,01 bis 5% Polyäthylenoxid und/oder Polyacrylamid, bezögen auf das Gesamtgewicht der beiden Bestandteile als Verdickungs-Gleltmittel in dem den Zuschlag enthaltenden Wasserbestandtell vorhanden ist.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn-

zeichnet, daß eine MörteSzusammensetzung verwendet wird, die bis zu 80% Zement, 2 bis 50% Wasser, 5 bis 50% Kohlenwasserstoff, und 10 bis 70% Sand, bezogen auf das Gesamtgewicht der zwei Bestandteile der Zusammensetzung, enthält, und das Gewichtsverhältnis Wasser/Zement 0,3 bis 0,7 beträgt, das Gewichtsverhältnis Zement/Sand 0,25 bis 1 beträgt, und das Gewichtsverhältnis von Kohlenwasserstoff zu Zement 0,1 bis 0,75 beträgL

8. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Zement calcinierter Gips o-<er Portland-Zement verwendet wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Zement verwendet wird, der, bezogen auf das Gewicht, 20 bis 40% 3CaO · 3Al₂O₃ · CaSO₄ und 10 bis 35% chemisch nicht gebundenes CaSO₄ enthält, wobei der Rest im wesentlichen aus /5-2CaO ■ SiO₂ besteht.

19. Zerbrechliche bzw. leicht zerstörbare in Kammern unterteilte Fackung, geeignet zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 9 durch Einbringung in ein Loch und anschließenden Zerstörung darin durch Eindringen eines Verstärkungsgliedes in und durch die Packung hindurch und zum Vermischen ihres Inhalts durch Drehen des Verstärkungsgliedes und zur anschließenden Härtung, so daß das Verstärkungsglied in dem Loch gesichert wird, wobei die Packung

(a) in einer ersten Kammer einen anorganischen Zement, und

(b) in einer zweiten Kammer, die von der ersten Kammer geti jnr.t ist, eine Flüssigkeit enthält, die mit dem anorganischen Zement in der ersten Ksmrnsr reaktionsfähig Ist*

wobei der anorganische Zement mehr als 10 Gew.-% des gesammten Packungsinhalts bildet, dadurch gekennzeichnet, daß der Zement in Form einer Aufschlämmung bzw. Schmiere mit einer mit dem Zement nicht reaktionsfähigen Flüssigkeit vorliegt.

11. Packung nach Anspruch 10, d?durch gekennzeichnet, daß sie einen teilchenförmigen Zuschlag in der ersten und/oder in der zweiten Kammer in einer derartigen Menge enthält, daß er 80% des Gewichts des gesamten Packungsinhalts bildet.

12. Verwendung einer zerbrechlichen bzw. !eicht zerstörbaren, in Kammern unterteilte Packung nach den Ansprüchen 10 und 11 zur Verankerung eines Verstärkungselementes in einem Loch.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verankerung eines Verstärkungs- bzw. Bewehrungsgliedes bzw. -elements in einem Loch, zum Beispiel in einem Gruben-Ktu; Minpruiach h7w -hangenden, bei dem reaktive anorganische Bestandteile in ein Loch eingebracht werden und darin umgesetzt und gehärtet werden, um ein Bewehrungselement herum, um es In dem Loch stark zu befestigen, sowie eine zerbrechliche bzw. leicht zerstörbare, in Kammern unterteilte Packung zur Durchführung des Verfahrens.

' Verankerungsbolzen werden auf verschiedenen Gebieten der Technik verwendet, beispielsweise als Verstärkungs- oder Bewehrungsglieder In Gesteinsschichten und in Struktur- bzw. Baukörpern. Die Bolzen bzw. Verankerungen werden in Bohrlöcher (n die Schicht oder den

Körper eingebracht und werden darin häufig an ihrem inneren Ende oder über im wesentlichen ihre gesamte Länge fixiert oder verankert mittels einer reaktiven Mörtelzusammensetzung, die um den Bolzen herum härtet. Bei der Anwendung in einem Grubendach bzw. -hangenden unterstützen In dieser Weise eingemörtelte Verankerungen beträchtlich die Verhinderung des Bruchs des Grubendachs. Da ungestützte Gesteinsschichten häufig zu senkrechten und waagerechten Bewegungen neigen und diese Bewegung gewöhnlich zum Bruch des Daches führt, ist es wichtig, daß die Verankerungen so rasch wie möglich in einem neu freigelegten Hangenden bzw. Dach installiert werden, und daß die durch die Härtung der Mörtelzusammensetzung geschaffene erforderliche Festigkeit rasch entwickelt wird, z. B. innerhalb einiger Minuten oder etwa innerhalb einer Stunde, it .«~h der Art der Grube. Eine rasche Härtung trägt aucr= zur Leistungsfähigkeit des Arbeitsganges zur Installierung der Verankerung bei.

In der Puxls muß die Härtu·^- oder Abbindezeit einer Mörtelzusammensetzuiij; für Verankerungen ausreichend sein, um das Vermischen ihrer reaktiven BeFtandteils und das Anbringen um die Verankerung in dem Loch zu ermöglichen, z. B. mindestens etwa 15 Sekunden, je nach der Länge der Verankerung, sowohl in dem Falle, in dem die Bestandteile getrennt in das Loch eingebracht und darin vereint und vermischt werden, z. B. durch Drehen des Bolzens bzw. der Verankerung, als auch bei Einbringen der Bestandteile in vereinter und vermischter Form entweder vor oder nach dem Einführen des Bolzens bzw. der Verankerung. Nach dieser notwendigen Bearbeitungszeit sollte die Geschwindigkeit, mit der die Zusammensetzung ihre endgültige Festigkeit erreicht, so groß wie möglich sein, z. B. für die Stütze des Daches einer Kohlenmine sollte der Mörtel etwa 80% seiner Zugfestigkeit in einer Stunde oder weniger erreichen und die endgültige Zugfestigkeit sollte mindestens etwa 1715 N/cm Verankerungslänge betragen. So liegt die überragende Anforderung an Mörtelsysteme für die Verankerung von Gesteinsbolzen bzw. Gesteinsverankerungen in einer ausreichenden Bearbeitungszeit zusammen mit einer hohen endgültigen Zugfestigkeit, die so rasch erzielt wird, wie sie für einen gegebenen Anwendungszweck erforderlich ist.

Reaktive Zusammensetzungen, die bei der Verankerung von Gesteinsbolzen verwende! wurden, umfassen anorganische Zementmörtel und härtbare synthetische Harze, und d'ese wurden in die Bohr'öcher durch ein Beschickungsrohr oder in Patronenform eingebracht. Im letzteren Falle werden die reaktiven Bestandteile, z. B. eine polymerlsierbare Harzformuiierung und ein Katalysator, der die Härtung de Harzes katalysiert, in das Loch in getrennten Patron3n oder in getrennten Kammern der gleichen Patrone eingebracht. Ein starrer Bolzen dringt ein und zerbricht dabei die Patrone(n), und der Inhalt der Packung wird durch Drehen des Bolzens ischt. Die Märtsiitiischün" härtet urn

Β^η'^7ί>η

urn ihn an Ort zu verankern.

Im Falle anorganischen Zements wurde das Einpumpen eines hergestellten Zementmörtels in ein Loch beschrieben, nachdem der Bolzen eingebracht wurde, scwie auch das Eintreiben eines Bolzens in einen Zementmörtel In einem Loch beschrieben wurde. Im erstgenannten Falle ist es schwierig, eine vollständige und gleichmäßige Füllung des Hohlraums um den Bolzen sicherzustellen; im letzteren Falle muß der Bolzen unmittelbar nach dem Einbringen des Mörtels installiert werden, so daß es nicht möglich ist, zunächst eine größere Anzahl von Löchern mit dem Mörtel zu füllen und anschließend die Bolzen einzubringen, was eine wirksamere Arbeitsweise darstellen würde.
In Patronen befindliche Zementsysleme zur Verankerung von Gesteinsbolzen werden in der US-PS Re. 25 869, in den GB-PS 12 93 619 und 12 93 620 sowie in der DE-OS 22 07 076 beschrieben. In diesen Systemen werden die Bestandteile eines Zementmörtels in ein Bohrloch in getrennten Kammern einer leicht zerstörba-

i" ren Patrone eingebracht. Ein Bestandteil des Systems, d. h. ein Zement, der durch Hydratisieren erhärtet, wird in eine der Kammern in trockenem teilchenförmigen! Zustand eingefüllt, d. h. als trockenes Pulver oder in Form von Körnern; und der andere Bestandteil, d. h.

Wasser, wird in die andere Kammer eingesetzt. Durch Eintreiben und Drehen des Bolzens wird die Patrone zerbrochen, und die Bestandteile werden vermischt. Das Patronensystem weist den Vorteil auf, daß die Bolzen zu jeder Zeit nach dem Einbringen der reaktiven Komponenten installiert werden können, da die Komponenten bis zur Installierung der Bolzen getrennt gehalten werden. Außerdem erfordert ein derartiges System keine komplizierte Pumpausrüstung am Anwf .Jungsort.
D.e US-PS Re. 25 869 beschreibt die Anwendung eines Glaszylinders, der mit einem Gemisch aus trockenem Porilandzement/Sand gefüllt ist, der in eine Glaskapsel eingebettet wurde, die Wasser und ein Rasch-Härtungsmittel entS alt, z. B. Calciumchlorid, um die Härtungszeit abzukürzen.

Die GB-PS 12 93 619 und 12 93 620 beschreiben die Verwendung einer Patrone, die aus inneren und äußeren starren brüchigen Rohren besteht, die mindestens ein Ende aufweisen, das leicht zerbrechlich ist, wobei der Zwischenraum zwischen den beiden Rohren ein Gemisch von Portlandzement und Zemeni mli hohem Aiuminiumoxidgehalt enthält und das innere Rohr Wasser enthält. Die Zugabe eines Zuschlags bzw. Aggregats, z. B. von Sand oder Kupferschlacke, eines natürlichen Gummis und einer Salzverbindung sowie eines Benetzungsmittels

^4U zu dem Wasser werden auch beschrieben.

Nach der DE-OS 22 07 076 ist das te'.lchenför.nige Ma»erial in einer Kammer Gips, vorzugsweise vermischt mit einem die Festigkeit erhöhenden Zement, zu dem ein inerter Füllstoff gefügt werden kann, wie Styrolschaum. Es wird auch die Verwendung von Alginaten, Polyvinylalkohol, Polyacrylsäure. Carboxymethylcellulose und von Metallseifen als Gel bildende Mittel beschrieben, um die Viskosität des Wasser in der anderen Kammer zu erhöhen.

Zwar sind anorganische Mörtelsysteme wirtschaftlich vorteilhaft im Vergleich mit Harz-Katalysator-Systemen, und es treten im allgemeinen keine derartigen Probleme wie Lagerungsinstabilität der Harz-Katalysator-Systeme auf, jedoch können Zement-Mörtel-Systeme, In denen e'.ner der Bestandteile 3in trockener Zement ist, bestimmte Anwendungsschwierigkeiten ergeben, insbesondere, wenn sie verwendet werden zur Fixierung von Bolzen in Bohrlöchern. Bei der Verwendung vcn unterteilten Patronen muß der Bolzen in die Patrone eingeführt werden und <n ihre ganze Länge eindringen, wenn die Bestandteile soigfältlg vermischt werden sollen. Dieses Einbringen 1st schwieriger mit Patronen zu erzielen, die einen Bestandteil aus trockenem Zement enthalten. Die zur Erzielung des notwendigen Eindringens erforder-Hche Kraft kann die Möglichkelten einer Standard-Bolzensetzvorrichtung 'Iberschreiten, die an einer Arbeitsstätte, z. B. In einer Mine bzw. Grube vorhanden Ist. Auch kann die erforderliche Einführungskraft, bei derar-

tigen Patronen zu einem Knicken des Bolzens führen. Von Bedeutung 1st In diesem Zusammenhang auch, daß In Beispiel 1 auf Seite 8 der DE-OS 22 07 076 erwähnt wird, daß der in das Loch eingedrehte Bolzen 16 Stunden lang nicht berührt wurde, um die Mischung aus Gips und Zement härten zu lassen. Dies deutet auf eine außergewöhnlich lange Härtungszelt hin.

Ein anderes Problem der bekannten Patronensysteme mit einem trockenen Zementbestandteil Hegt darin, daß der Zementbestandteil sehr anfällig für eine vorzeitige Erhärtung ist, wenn Umgebungsfeuchtigkeit! oder Wasser aus der anderen Kammer durch die Verschlüsse der Patrone oder das Verpackungsmaterial dringen, eine Möglichkeit, die sich bei der Lagerung oder während des Transportes der Patronen ergeben kann. Schließlich sind die bekannten Bolzen-Verankerungssysteme unter Anwendung von anorganischem Zement nicht besonders geeignet zur Anwendung in der nlcht-Pairunenform für die eine kompakte Pumpausrüstung und genaue Meßeinrichtungen erforderlich sind, um die Bestandteile in das Bohrloch einzubringen.

Die US-PS 33 24 663 beschreibt die Verstärkung bzw Bewehrung von Gesteinsschichten mit einer Zweikomponenten-Harzzusammensetzung auf der Basis von a) einem ungesättigtem polymerislerbaren Polyester-(alkyd)-harz. vermischt mit einer monomeren polymerislerbaren äthylenischen Verbindung und b) eines quervernetzenden Peroxidkatalysatorsystems. Ein mit Wasser reaktiver Füllstoff, wie Portlandzement oder Gipsmörtel (5 bis 10% der endgültigen Zusammensetzung) werden entweder in den Harzbestandteil oder in den Katalysatorbestandteil eingebracht, und Wasser wird In die Komponente eingebracht, die den Wasser-reaktiven Füllstoff nicht enthält. Der mit Wasser reaktive Füllstoff und das Wasser werden verwendet um das System basisches Harz/Katalysator zu modifizieren, wobei beschrieben wird, daß die Anwesenheit von Wasser während der Härtung des Harzes eine unvollständige Härtung und eine Verringerung der Schrumpfung auf ein Minimum bewirkt Es wurde beschrieben (US-PS 22 88 321). daß mit Wasser reaktive Füllstoffe (bis zu 5%) Jie Härtungszelt von Alkydharzen abkürzen, durch Reaktion mit dem Wasser, das während der Härtung gebildet wird.

Mönelsysteme. die organische Polymere enthalten, sird unter anderem auch in den DE-OS 14 95 329 und 22 01 7% beschrieben.

In dem Mörtelsystem der US-PS 33 24 663 sind die Reaktionskomponenten, die zur Bildung eine«, gehärteten Mörtels wesentlich sind. gänjJich organisch, d. h. ein Alkydharz und ein flüssiges äthylenisches Monomeres, und sie werden zusammen in der gleichen Kammer in die Patrone abgefüllt, d. h. vorgemischt, wobei das Harz Jn dem äthylenischen Monomeren gelöst wird und damit reagiert, wenn der separat verpackte Katalysator eingemischt wird. Nur etwa 5 bis 1096 der Gesamtzusammensetzufi_ä bestehen aus mit Wasser reaktivem Füllstoff. Das Vorherrschen von Harz und Katalysator in diesem System und die grundlegende Härtungsreaküon des Harzes, die auftritt, überwiegen und verschleiern jegliche mögliche Sekundärreaktion. unter Einbeziehung des mit Wasser reaktiven Füllstoffs.

Die US-PS 28 78 875 betrifft hydraulische Zementaufschlämriiungen bzw. -schmieren, die zuni Zementieren von Quellen eingesetzt werden. Im einleitenden Teil dieser US-PS heißt es in Spalte 1, Zeüen 15 bis 39 sinngemäß, daß die Nachteile bislang verwendeter hydraulischer Zementaufschlämmungen darin lägen, daß bei der Beförderung der Aufschlämmung oder Schmiere zum Einsatzort ein Flüssigkeitsverlust auftritt, der zu einer frühzeitigen Härtung des Zements führt. Weiterhin wird als Nachteil angegeben, daß derartige Aufschlämmungen zu schnell abbinden. Es sind hiermit Aufschlämmungen von Zement In der reaktiven Flüssigkeit, also zum Beispiel Wasser, gemeint. In der US-PS wird es als Aufgabe angesehen, Zementaufschlämmungen zur Verfügung zu stellen, bei denen ein geringerer Flüsslgkeltsverlust auftritt, und die nicht zu schnell abbinden bzw. erhärten.

ίο Dies sieht der erfindungsgemäßen Problemstellung, nämlich ein System zu finden, das schnell abbindet und schnell härtet, diametral gegenüber Die fm Rahmen der US-PS beschriebenen und eingesetzten Aufschlämmungen enthalten sowohl eine reaktive als auch eine nlchtreaktive Flüssigkeit In Mischung mit dem Zement. Näher betrachtet, sehen die Zusammensetzungen so aus. daß der Zement in Mischung mit einer Wasser-in-Öl-Emulsion vorliegt. In Spalte 5 der US-FS werden in Tabelle 2 Pumpzeiten von 1 Stunde bis mehr als 3 Stunden angegeben. während welchen i'^;e Zementschmiere keinerlei Abbindung unterliegt. Die anschließende Tabelle 3 zeigt, daß die Zementaufschlämmungen bzw. -schmieren auch nach 24 iden noch nicht voll ausgehärtet sind, sondern daß hierzu mehrere Tage erforderlich sind.

Die US-PS 31 26 958 betrifft ein Verfahren zur Auszementierung von Bohrlöchern, die der Förderung von zum Beispiel Öl dienen. Zur Auszementierung werden eine Aufschlämmung oder eine Schmlen, eines zydraulischen Zehntes in einer nichtwäßrigen Flüssigkeit und getrennt hiervon eine wäßrige Flüssigkeit In das Bohrloch eingeführt. Die Härtungszeiten, die in dieser Patentschrift angegeben werden, sind sehr lang. In Spalte 3. Zeilen 63 bis 67 heißt es. daß nach der Einführung der verschiedenen Bestandteile das Bohrloch geschlossen wird, damit die 24- bis 72stündige Härtung des Zements erfolgen kann.

Die US-PS 32 42 986 betrifft, die wie US-PS 28 00 963. die einleitend genannt ist. ein Verfahren zum Versiegeln von wasserhaltigen Erdformationen, die sich benachbart zu gas- oder ölhaltigen Formationen befinden. Bei diesem Verfahren, das auch als »squeeze cementing« bekannt ist. wird eine Zementaufschiämmung oder schmiere in einer nichtreaktiven Flüssigkeit bis zu einem Ort gepumpt, der sich in der Nähe der wasserhaltigen Erdformationen befindet. Dort wird die Zementaufschiämmung oder -schmiere für eine kurze Zeit gehalten (»hesitation step«), damit Wasser aus den wasserhaltigen Formationen mit der Schmiere in Berührung kommen kann. Anschließend wird ein hoher Druck auf die Aufschlämmung oder Schmiere ausgeübt, um sie in die was-SCt- und kohlenwasserstoffhaltigen Formationen zu pressen. Die Aufschlämmung oder Schmiere härtet dinn selektiv in der wasserhaltigen Erdformation, um diese gegenüber der anderen Erdfonnation, die die Kohlenwasserstoffe enthält, abzudichten. Die Härtung erfolgt sehr langsam, wobei in der US-PS 28 00 963 Härtungszeiten von 24 bis 72 Stunden angegeben werden. Die Härtungszeiten beim Verfahren der US-PS 32 42 986 sind die glei-

^C Die US-PS 34 28 121 schließlich betrifft ein Verfahren zur Behandlung von störenden Erdformationen, mit dem verhindert werden soll, daß Sandteilchen aus dieser Formation In das Bohrloch gelangen und dieses dann bei der Förderung von z. B. Öl verstopfen. Das Verfahren sieht vor, daß diese störenden Erdformationen zementiert wer den. Zu diesem Zweck wird eine Aufschlämmung von Sand, Zement und Wasser in einem Öl zu der störenden Formation geführt, unter Druck gesetzt und aushärten

gelassen. Abgesehen davon, daß die Zementschmiere auch die reaktive Flüssigkeit neben der nichtreaktiven Flüssigkeit enthält, sind auch hler Härtungszelten von 8 bis 72 Stunden erwähnt (sfehe Spalte 2, Zelle 71).

Bei den in den ohen genannten US-PS beschriebenen Zementierüngsverfahren von Bohrlöchern und Erdfprrh'atlonen werden Zemeritschrnleren oder -aüfschlärhmungen eingesetzt, deren Härtungszelten beträchtlich 4^ind (24 Hs 72 Stunden). Dies steht der erftndungsgemäf Ben Problemstellung, nämlich ein Verfthren zur Veranikerung von Gesteinsboizerfezur Abstützung von z.)B. Grübendächern zur Verfügung'zu stellen, mit dem es möglich ist. die Verstärkungsbolzen schnell und sicher 7<i verankern (rasche Härtung der eingesetzten Mörtelzusammensetzungen innerhalb kürzester Zelt, um die erforderliche Festigkeit Innerhalb dieser kurzen Zeitspanne zu erreichen), entgegen. Die in den genannten US-PS erwähnten langen Härtungszeiten weisen darauf hin. daß das Vorhandensein der nichtreaktiven Flüssigkeit den Abbinde- und Härtungsprozeß des Zementes mit dem Wasser derart stört, daß die Erzielung rascher Festigkeiten, wie sie erfindungsgemäß gefordert wird, unmöglich ist. Um so überraschender ist es, daß die unter den besonderen Bedingungen des erfindungsgemäßen Ver fahrens e'ngesetzten Zementschmieren bei Zusatz von Wasser außerordentlich schnell härten, ohne daß dabei die Anwesenheit der nicht-reaktiven Flüssigkeit, die zur Herstellung d^r Schmiere diente, den Härtungsprozeß stört. Möglicherweise verhindern die in Bohrlöchern und tiefergelegenen Erdformationen herrschenden Bedingungen eine rasche Härtung des in Form einer Schmiere eingesetzten Zements. Es war nicht zu erwarten, daß der Einsatz einer Zementschmiere bei einem Verfahren der beanspruchten Art ohne Einfluß auf die Härtungsgeschwindigkeit ist. d. h. daß die Anv isenheit der nicht-reaktiven Flüssigkeit bei einem Verfahren der beanspruchten Art den Härtungsprozeß nicht stört.

Durch die vorliegende Erfindung wird ein Verfahren zur Verfügung gestellt zur Verankerung eines Verstärkungselements in einem Loch durch Einbringen gesteuerter Mengen von zwei Bestandteilen einer härtbaren Mörtelzusammensetzung auf der Basis von Zement und einer reaktiven Flüssigkeit In das Loch und Einführen eines Verstärkungsgliedes in die Mörtekusammensetzung in dem Loch, vor einer wesentlichen Härtung der Zusammensetzung, wobei die Mörtelzusammensetzung Jn einen zwischen dem Versiärkungsglied uno der Wandung des Loches gebildeten Ringspalt gedrückt wird, die beiden Bestandteile in das Loch in getrennter oder frisch vereinter Form eingebracht und Innig vermischt werden und die Bestandteile rasch in dem Ringspalt unter Bildung eines gehärteten Mörtels mit einer ausreichenden Festigkeit zur festen Verankerung des Versfärkungselements an die Wandung des Loches reagieren, und wobei die von einem härtbaren Harz freie anorganische Mörtelzusammensetzung

(a) als einen ersten Bestandteil einen anorganischen Zement, und

(b) als einen zweiten Bestandteil eine Flüssigkeit, die mit dem anorganischen Zement reaktionsfähig Ist, umfaßt,

wobei der anorganische Zement mehr als 1096 des Gesamtgewichts der Bestandteile (a) und (b) bildet und wobei gegebenenfalls im Bestandteil (b) vorhandene polymere Stoffe hydratlsierbar sind, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß der Zement In Form einer Aufschlämmung bzw. Schmiere mit einer Flüssigkeit, die mit dem Zement nicht reaktionsfähig Ist, eingesetzt wird. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfaßt ein anorganisches Mörtelsystem eine Zusammensetzung bestehend aus gesteuerten Mengen einer ersten Komponente (a) die eine Schmiere oder eine schlammartige Masse eines teilchenförmigen anorganischen Zements, z. B. einen Zement, der durch Hydratisieren aushärtet und eine Flüssigkeit wie einen kohlenwasserstoff enthält, der damit nicht reaktionsfähig ist und einer zweiten

Komponente (b), getrennt von der ersten besteht, die aus einer Flüsslgkeit^z/B, Wasser, besteht; die mit dem anorganischen Zemenf In dem ersten Bestandteil reaktionsfähig ist. wobei der anorganische Zement mehr als 10% des Gesamtgewichts der Komponenten (i) und (b) ausmacht und die Komponenten (a) und (b) so angepaßt sind, daß sie zusammengebracht und Innig vermischt werden können, um rasch zu reagieren unter Bildung eines gehärteten Mörtels mit einer ausreichenden Festigkeit für eine starke Verankerung des Verankerungselements an der Wandung des Luches.

Ein teilchenförmigen Zuschlag bzw. ein tellchenförmlges Aggregat wie Sand, ist vorzugsweise in einer oder beiden Komponenten In einer derartigen Menge vorhanden, daß er 20 bis 80 Prozent des Gesamtgewichtes der Komponenten (a> und (b) bildet. Besonders bevorzugt ist ein ungleichmäßiger feiner Sand. In diesem System wird die Mörtelzusammensetzung vorzugsweise In einen Ringspalt gepreßt, der zwischen dem Verstärkungsglied und der Wandung des Loches gebildet wird, durch Einbringen des Verstärkungsgliedes in die Mörtelzusammensetzung, bevor eine wesentliche Härtung der Zusammensetzung eingetreten ist, wobei die gemischten Bestandteile der Zusammensetzung in dem Ringspalt unter Bildung eines gehärteten Mörtels reagieren.

Bei einem Verfahren zur Verankerung eines Verstärkungselements in einem Loch mittels des erfindungsgemäßen Mörtelsystems werden (1) zwei Bestandteile einer härtbaren anorganischen Mörtelzusammensetzung in gesteuerten Mengen In das Loch eingebracht, wobei die erste dieser Komponenten (a) eine Schmiere eines teilchenförmigen anorganischen Zements und einer damit nicht reaktionsfähigen Flüssigkeit umfaßt und die zweite (b) eine Flüssigkeit umfaßt, die mit dem anorganischen Zement reaktionsfähig ist. wobei der anorganische Zement mehr als 10% des Gesamtgewichtes der Bestandteile (a) und (b) bildet; und wird (2) ein Verstärkungsglied in die Mörtelzusammensetzung in dem Loch vor dem Auftreten einer wesentlichen Härtung der Zusammensetzung eingeführt, wodurch die Mörtelzusammensetzung in einen Ringspalt gedrückt wird, der zwischen dem Verstärkungsglied und der Wandung des Loches gebildet wird; die Komponenten (a) und (b) werden In das Loch in getrenntem oder frisch zusammengebrachtem Zustand eingebracht und innig vermischt, wodurch sie rasch um das Verstärkungsglied herum reagieren, unter Bildung eines gehärteten Mörtels mit einer Festigkeit, die ausreicht, das Verstärkungsglied an der Wandung des Loches fest zu verankern. Vorzugsweise werden die beiden Bestandteile getrennt in das Loch eingebracht, besonders bevorzugt, hält man sie In einer zerbrechlichen mit Kammern versehenen Packung, die zur Einbringung in das Loch geeignet ist und anschließend darin zerbrochen wird, durch Eindringen des Verstärkungsgliedes, und die beiden Bestandteile werden durch Rotieren des Verstärkungsgliedes zusammengebracht und vermischt. Durch die Erfindung wird auch eine Packung bereitgestellt, die (a) In einer ersten Abteilung bzw. einer ersten Kammer eine Schmiere oder schlammartige Masse ent-

hält, die einen teilchenförrilgen anorganischen Zement in einer damit nicht reaktionsfähigen Flüssigkeit umfaßt und (b) In einer zweiten Abteilung bzw. Kammer die von der ersten Kammer getrennt 1st, eine Flüssigkeit enthält, die mit dem anorganischen Zement In der ersten Kammer reaktionsfähig 1st, wobei der anorganische Zement mehr als 10% des Gewichts des gesamten Packungsinhaltes bildet. Ein tellehenförmiges Aggregat bzw. ein teilchenförmlger Zuschlag, wie Sand, Ist vorzugsweise In der ,ersten und/oder zweiten Kammer In einer Menge vorhanden, die bis zu 80% des Gewichts des gesamten Pakkungslnhalts beträat.

In einem bevorzugten erfindungsgemäßen Mörtelsystem bzw. einem bevorzugten erfindungsgemäßen Verankerungsverfahren, das insbesondere zur Verstärkung von Grubendächern Anwendung finden kann, bei denen die Mörtelzusammensetzung rasch genug binden bzw. härten muß, um Innerhalb einer sehr kurzen Zelt eine hohe Festigkeit zu ergeben, werden Mörtelzusammensetzungen verwendet, die relativ rasch härten, z. B. Zusammensetzungen, die kalzinierten Gips oder einen Zement, der rasch eine sehr hohe Festigkeit ergibt (beschrieben in der US-PS 38 60 433), in dem ersten Bestandteil und Wasser In dem zweiten Bestandteil verwendet.

Der hier zur Beschreibung der teilchenförmigen festen Reaktionskomponente in dem ersten Bestandteil oder der ersten Kammer der Packung verwendete Ausdruck »anorganischer Zement« bezeichnet eine teiichenförmlge anorganische Zusammensetzung, die abbindet und härtet zu einem starken, dichten, monolithischen Feststoff, wenn man sie mit einer Flüssigkeit vermischt und stehen läßt. Der Ausdruck umfaßt hydraulische Zemente, d. h. solche, die dazu geeignet sind, ohne Kontakt mit der Atmosphäre abzubinden und zu härten, aufgrund der Wechselwirkung der Bestandteile des Zements Im Gegensatz zum Verdampfen eines flüssigen Trägers oder zur Reaktion mit atmosphärischem Kohlendioxid oder Sauerstoff. Beispiele für derartige Zementsorten sind Portlandzementsorten, Zementsorten mit hohem Aluminlumoxidgehalt, Puzzolanerden bzw. -zemente und Gipsmörtelarten, die beim Vermischen mit Wasser abbinden.

Der Ausdruck, »Schmiere«, der hier zur Beschreibung der ersten Komponente der Mörtelzusammensetzung verwendet wird, bezeichne, eine Feststoff-Flüsslgkelts-Kombination von schlickartiger oder schlammiger Konsistenz. Der Ausdruck schließt Feststoff-Flüssigkeits-Kombinationen verschiedener Beweglichkeitsgrade ein, bezeichnet jedoch in allen Fällen Kombinatäonen, die gut pumpbar sind.

Der hier verwendete Ausdruck »Flüssigkeit« der zur Beschreibung der zweiten Komponente der Mörtelzusammensetzung verwendet wird, die mit dem anorganischen Zement in der ersten Komponente reaktionsfähig ist, wird in üblichem Sinne verwendet zur Bezeichnung einphasiger Materialien, sowie auch von Lösungen. Auch die Reaktionsfähigkeit dieser Flüssigkeit hinsichtlich des Zements kann In situ erzeugt werden, wenn die Komponenten zusammengebracht werden, wie später beschrieben.

Die nicht vorhandene Reaktionsfähigkeit der Flüssigkeit in der Schmiere, die den ersten Bestandteil bildet, oder die in der ersten Kammer der Packung vorhanden ist, bezieht sich auf die wesentliche Inertheit dieser Flüssigkeit bezüglich des festen Zements und anderer darin vorliegender Materialien. Eine derartige Flüssigkeit kann jedoch mit einem Material in der zweiten Komponente oder der zweiten Kammer reaktionsfähig sein und kann einen gewissen Einfluß auf die Abbindezeit und die endgültige Festigkeit des Mörtels ausüben.

Die beigefügte Zeichnung veranschauiicht spezielle Ausführungsformcn der unterteilten bzw. mit Kammern versehenen Packung und der anorganischen Mörtelsysterne gemäß der Erfindung;

Die Fig. 1 stellt eine perspektivische Ansicht eines Teiles einer erfindungsgemäßen unterteilten, bzw. mit Kammern versehenen Packung dar; an dieser Packung wurde In transversaler Richtung ein Querschnitt vorgenommen, um deren Innenstruktur besser darzulegen; Und

FIg. 2 stellt ein Diagramm der Scherfestigkeit gegen die Zelt eines erfindungsgemäßen Zement-Wasser-Systems dar.

Im folgenden wird die Erfindung genauer beschrieben Gemäß einem Verfahren und einem System der Erfindung wird ein anorganischer Zement, ι. B. ein Zement, der durch Hydratisieren abbindet In Form einer Schmiere oder einer schlammartigen Masse zusammen mit eine.

Flüssigkeit, mit der er nicht reagiert, d. h einer Inerten, nicht wäßrigen Flüssigkeit, vorzugsweise einem Kohlenwasserstoff, Im Falle eines Zements, der durch Hydratisieren abbindet, gehalten; und die Schmiere wird zusammengebracht und vermischt, vorzugsweise in einem Bohrloch, mit einer reaktiven Flüssigkeit, z. B. Wasser im Falle eines Zements, der durch Hydratisieren abbindet und in dem Loth um ein Verstärkungsglied herum reagieren gelassen. Zement in Form einer Schmiere weist verschiedene Vorteile gegenüber trockenem Zement auf.

der In bekannten Gesteinsverankerungs-Packungen verwendet wurde. Zunächst verleiht die nicht reagierende Flüssigkeit dem Zement eine Gleitfähigkeit, so daß. falls die beiden Bestandteile der Mörtelzusammensetzung in einer mit Kammern versehenen Patrone abgepackt werden. ein Bolzen leicht und rasch in die Patrone eingeführt werden kann. Auch trägt die nicht reaktive Flüssigkeit, wenn sie im wesentlichen nicht mit der reaktiven Flüssigkeit mischbar ist. dazu bei, die Möglichkeit der vorzeitigen Härtung des Zemenis durch Kontakt mit der reaktiven Flüssigkeit oder Ihren Dämpfen, z. B. durch die Umgehungsfeuchtigkeit, während der Lagerung oder Handhabung, zu verringern und dadurch eine längere Lagerungsbeständigkeit des Patronensystems zu bewirken. Darüber hinaus wird es durch die Anwendung des Zements in Form einer Schmiere bzw. eines Schlammes möglich, den Zementbestandteil genau abzumessen und in kompakten Pumpen bzw. Verdichtungspumpen zur leichten Verpackung in einer mit hoher Geschwindigkeit arbeitenden Formungs-Abfüll-Vorrichtung, sowie bei Beschickungsarbeitsgängen an der Baustelle zu handhaben. Die Zementkomponente in Form einer Schmiere ist auch günstig, da sie intermittierend in relativ geringen Mengen abgegeben werden kann, wie dies zur Verankerung von Bolzen In Löchern erforderlfch ist.

Die Kombination des anorganischen Zements mit einer nicht reaktiven Flüssigkeit gemäß einer Ausführungsform d2r Erfindung ergibt eine wirksame Isolation und Fluidisierung des Zements vor der Anwendung, greift jedoch überraschenderweise nicht an die Wechseiwirkung des Zements mit der reaktiven Flüssigkeit nach dem Vermischen der Mörtelkomponenten ein, so daß relativ kurze Abbindungszeiten, eine rasche Festigkeitsentwicklung, eine hohe endgültige Festigkeit erzielbar sind, trotz des ursprünglichen Vorhandenseins der nicht reagierenden Flüssigkeit, um die Teilchen des Zements in der Schmiere herum. Die Tatsache, daß das vorliegende Schmieren-System zu einem raschen Abbinden und einer raschen Festigkeitsentwicklung führt, die für

dl« Stütze von Grubendüchern von großer Bedeutung Ist, 1st in dt/ Tat überraschend, wenn man die Verhaltensweise von Zement-Öl-Kombinatlonen bei Verfahren wie dem Zementieren von Brunnen bzw. von Schächten, von Schacht-Verrohrungen oder Erdformationen in Betracht 2ieht. Beispielsweise wird beim Verfahren zum Abdichten von Wasser tragenden Formationen, die benachbart sind, zu öl- oder gasenthaltenden Fonnationen, die bekannt sind als »squeeze cementing« und beispielsweise In der US-PS 28 00 963 beschrieben sind, eine Zementaufschlämmung in ein Bohrloch gepumpt, bis sie sich in Nachbarschaft zu der Wasser führenden Schicht befindet und wird dort in einem statischen Zustand während etwa 5 Minuten (»Vczögerungsstufe«) gehalten, um zu ermöglichen, daß Wasser aus der Wasser führenden Schicht In Kontakt mit der Aufschlämmung kommt Anschließend wird an die Aufschlämmung ein hoher Druck angelegt, um sie In die Kohlenwasserstoff tragenden und Wasser tragenden Formationen zu drücken Die Aufschlämmung härtet in der Wasser führenden Formation und siegelt diese Formation selektiv ab. Bei dem »Squeeze cemenilng«-Verfahren und dem Schacht-Zementier-Vefahren der US-PS 28 78 875 wurde Öl oder eine Wasser-in-ül-Emulsion anstelle von Wasser In der Zementaufschlämmung verwendet, um die Härtungszelt des Zements zu verzögern. Es wurde beschrieben, daß die Entwicklung der Festigkeit In dem Zement In dem beschriebenen Schacht-Abdichtungs-Verfahren eine Zelt von mehreren Tagen erfordert, was anzeigt, daß Zement-Öl-Aufschlämmungen bei Verfahren vermieden werden sollten, die ein rasches Abbinden des Zements erfordern

Es kann eine Vielzahl von Flüssigkeiten als schmierenbildende Flüssigkeiten in den Mörtelzusammpnsetzungen verwendet werden. Die spezielle Wahl In einem gegebenen Falle erfolgt auf der Grundlage der Natur des teilchenförmigen Bestandteils, gewöhnlich des Zements, auf der Grundlage jeglicher Wirkung, die die spezielle Flüssigkeit auf die Härtung und die Festigkeits-Entwicklungszeit haben kann und im Hinblick auf die Kosten der Flüssigkeit. Flüssige Kohlenwasserstoffe und Gemische, die derartige Kohlenwasserstoffe enthalten, sind hinsichtlich der Härtungszeit, sowie der Kosten besonders vorteilhaft und sind daher bevorzugt. Bevorzugt ist eine im wesentlichen nicht flüchtige Flüssigkeit, um eine Stabilität unter verschiedenen Lagerungs- und Anwendungsbedingungen sicherzustellen. Aus diesem Grunde sind Flüssigkeiten, die bei Atmosphärendruck über etwa 25° C sieden, bevorzugt. So sind bevorzugte Kohlenwasserstoff-aufschlämmungs- bzw. schmiereribildende Flüssigkelten aliphatische Kohlenwasserstoffe mit 5 bis 25 Kohlenstoffatomen, wie Hexane, Heptane und Octane; und aromatische Kohlenwasserstoffe wie Benzol und Alkylbenzole, ζ. B. Toluol und Xylol. Aromatische oder aliphatische Kohlenwasserstoffgemische, wie Gasolin bzw. Benzin, Naphtha, Kerosin, Paraffinöl, Dieselöl, Heizöl, Schmieröle, pflanzliche Öle, ζ. B. Lelnsamenöl, Tungöl, Baumwolls^menöl, Maisöl und Erdnußöl und Rohstoffe, wie Erdöl bnv. Petroleum und Schieferöl können ebenfalls verwendet werden. Zur Anwendung in Kohlengruben muß die Flüssigkeit in der Schmiere bzw. dem Schlamm einen Entflammungspunkt über 38° C aufweisen und sollte einen geringen Gehalt an flüchtigen Aromaten aufweisen.

Zwar sind schmierenbildende Flüssigkeiten mit geringer Viskosität bevorzugt, jedoch können auch dicke Flüssigkeiten, wie Prozeßöle mit mittlerer oder hoher Viskosität, Asphalt, Schmierfett, z. B. Kohlenwasserstofföle, die mit Seifen oder anderen Modifiziermitteln für die Viskosität eingedickt sind; tierische Fette, z. B. Speck; und hydrierte Pflanzenöle ebenfalls verwendet werden, entweder allein oder in Kombination mit Flüssigkeiten mit geringer Viskosität.

Die die Schmiere bildende Flüssigkeit kann auch ein Alkohol sein, z. B. Methanol, Isopropanol, Butanol, sec-Butylalkohol, Amylalkohol oder ein Polyoi, wie Glykol oder Glycerin; ein Keton, ζ. B. Aceton oder Methyläthylketon; Cellosolve; ein Ester, z. B. Dlbutylphthalat oder

lö Acetyltributylcltrat; Dimethylsulfoxid; oder Dimethyl formamid; jedoch kann die Härtungszeit von Mörteln, die aus Schlämmen bzw. Schmieren mit diesen Verbindungen hergestellt wurden, wesentlich länger sein, als die aus Schlämmen mit Kohlenwasserstoffen.

Ein iellchenförmlger Zuschlag, vorzugsweise Sand, kann In einer gesteuerten Menge als Füllstoff in einem oder beiden Bestandteilen der Mörtelzusammensetz'ing. z. B Zement/Wasser, vorhanden sein Im allgemeinen erhöht ein Zuschlag sehr die Festigkeit des gehärteten Mörtels und verringert auch die Menge an Zement, die erforderlich ist Andere Zuschlag- b/w Aggregatmaterialien, die verwendet werden können, schließen ein. Teilchen von geeigneten Felsen oder Natursteinen oder Fels bildenden Mineralien wie Granit. Basalt. Dolomit, Andeslt. Feldspartarten. Amphibole. Pyroxene. OHvIn. Gabbro. Rhvolit. Syenit. Diorit. Dolerit. Peridotit, Trachyt. Obsldi^rn, Quarz, usw. sowie Materialien, wie Schlacke. Brennstoffschlacken. Flugasche. Glasscherben und faserartige Materialien, wie geschnittener Metalldraht (vorzugsweise Stahl), Glasfasern, Asbest. Baumwolle und Polyester- und Aramidfaser. Sandarten mit verschiedenen Teilchenformen und -größen können ebenfalls verwendet werden. Wegen der notwendigen Packung in einen engen Ringschlitz, sollten die Teilchen eine minimale Dimension aufweisen, nicht über 3 mm. Gemische von verschiedenen Zuschlägen können ebenfalls verwendet werden.

Für ein vorgegebenes System erhöht sich die Scherfestigkeit des gehärteten Mörtels mit zunehmendem Zuschlaggehalt, bis auf e*wa 60 bis 70Gew.-% bezogen auf das Gesamtgewicht der Mörtelzusammenseuung Gleichzeitig jedoch wird das Vermischen der Bestandteile mit steigendem Zuschlaggehalt zunehmend erschwert. Auch führt ein zu hoher Zuschlaggehalt, z. B.

90% oder darüber, bezogen auf das Gesamtgew'cht des Mörtels, zu einem zerbrechlichen, stoßempfii.ulichen Produkt, das zur Verankerung eines Verstärkungselements in einem Loch nicht geeignet ist. Es kann daher zwar ein Zuschlaggehalt von bis zu 80% verwendet werden, jedoch ist ein Gehalt über 70% nicht bevorzugt, wegen der Leichtigkeit des Vermischens und da nur eine geringe Zunahme der Scherfestigkeit, falls überhaupt, erzielt werden kann, wenn 70% überschritten werden. Es ist auch ein Zuschlag/Zement-Gewichtsverhältnis im Bereich von 1:1 bis 4: 1 bevorzugt. Gewöhr....... bestehen mindestens 20% und vorzugsweise mindestens 40% des Gesamtgewichts der Mörtelzusammensetzung aus Zuschlag.
Die Art, nach der der Zuschlag zwischen den Reaktlonskomponenten verteilt wird, wirkt sich nicht bedeutend auf die Scherfestigkeit des gehärteten Mörtels aus. So können 100% des Zuschlags In der Zementschmiere vorliegen, oder 100% in der davon getrennten Komponente. Alternativ kann der Zuschlag aufgeteilt sein in jeglichen anderen Anteilen, z. B. 1/1, zwischen den beiden getrennten Bestandteilen. Die spezielle Zuschlagverteilung In jedem vorgegebenen Falle wird gewöhnlich auf der Basis gewählt, die das gewünschte Viskositätsgleich-

gewicht und ein leichtes Vermischen ergibt. In einem System, in dem die Bestandteile an den Anwendungsort gepumpt und dort vermischt werden, kann es zweckmäßiger sein, den Zuschlag nur in einen der Bestandteile einzubeziehen.

In den erfindungsgemäßen anorganischen Mörtelsysie men stellt einen bevorzugten Zuschlag in der Mörtelzusammensetzung ein ungleichmäßiger oder sortierter Sand dar. z. B. Sand, der in einem Größenschniti. der 50% oder mehr der Teilchen umfaßt, maximale und minimale Größen enthält, die um mehr als 20% von der mittleren Teilchengröße in dem Schnitt abweichen. Es wurde gefunden, daß sortierter Sand zu Bolzen-Verankerungs-Mörteln führt, die eine höhere Scherfestigkeit aufweisen, ais solche aus Zusammensetzungen, die gleichmäßigen Sand enthalten. Da sortiener Sand mit einer Teilchengrößenabweichung von 30% oder darüber handelsüblich ist. werden dei artige Sandsorten häufig in dem erfindungsgemäßen System angewendet. Ohne die Ei findung durch theoretische Betrachtungen einschränken zu wollen, wird angenommen daß der vorteilhafte Effekt von sortiertem Sand in d»r Zusammensetzung im Vergleich mit gleichmäßigem Sand auf eine bessere Verteilung und Packung der Sandteilchen zurückgeführt werden kann.

In den erfindungsgemäßen Mörtelsystemen ist der Sand vorzugsweise im wesentlichen frei und enthält in jedem Falle nicht mehr als etwa 10 und vorzugsweise nicht mehr als etwa 5 Vol.-% an Teilchen, die größer als 600 ;im sind. Zusammensetzungen, die mehr Teilchen dieser Größe enthalten, müssen ein höheres Flüssigkeits/Feststoff-Verhältnis aufweisen, um das Pumpen zu erleichtern, z. B. während der Verpackungsarbeitsgänge und der Flüssigkeitsgehalt, der für die Pumpbarkeit notwendig ist. kann zu einem schwächeren MSrie! führen. Bei Teilchen, die größer als 600 μπι sind, besteht eine größere Wahrscheinlichkeit, daß die Sandteilchen geeignet sind, durch die Filmpatronen des Mörtels zu dringen, insbesondere an den Enden der Patrone, wo der Film zusammengefaßt ist und durch eine Metallklammer am Ort gehalten wird, was zu einer Leckbildung führt. Teilchen, die größer als 600 μπι sind, sind auch schädlich für die Zusammensetzung, da sie das Einführen eines Bolzens erschweren. Derartige Teilchen besitzen eine größere Neigung, sich aus einer Schmiere, einer Aufschlämmung oder Flüssigkeit abzusetzen, wodurch die in Patronen abgefüllten Mörtel an bestimmten Stellen härter und steifer sind als an anderen Stellen und das Einführen eines Bolzens erschwert wird. Das Einführen des Bolzens wird auch erleichtert, wenn der Sand mehr runde als kantige Teilchen aufweist und daher sind Sandarten mit runden Teilchen bevorzugt.

Der gehärtete Mörtel, der um das Verstärkungsglied herum nach der erfindungsgemäßen Verfahrensweise gebildet wurde, bildet sich durch die Reaktion zwischen den anorganischen Reaktionskomponenten. Organische HarzhärtunEssvsteme sind nicht erforderlich und die ReaktionsKomponenten. die eine Härtungsreaktion eingehen, sind daher im wesentlichen insgesamt anorganisch. Die Entwicklung der Festigkeit in dem gehärteten Mörtel, in ausreichender Weise, um einen Bolzen sicher an seiner Sieiie in einem ',och in einen: Grubcndach zu verankern und die Bereitstellung der Komponenten in einer derartigen Form, daß sie zweckmäßig eingesetzt und vermischt werden können, erfordern einen Ausgleich des Gehalts an anorganischem Zement, an schlamm- bzw. schmierebildender Flüssigkeit, reaktiver Flüssigkeit und gegebenenfalls vorhandenem Zuschlag. Zwar Ist es auf dieser Basis möglich, einen mindestzufriedenstellenden Mörtel aus Zusammensetzungen herzustellen, die 5 bis 10% eines Zements enthalten, der durch Hydratbildung abbindet, um eine maximal mögliche Festigkeit zu ergeben, jedoch beträgt die Menge eines derartigen Zements vorzugsweise mehr als 10% des Gesamtgewichts der Zusammensetzung. Es sollte ausreichend reaktive Flüssigkeit vorhanden sein, um mit diesem Zement zu reagieren, z. B. ausreichend, um ein Wasser/Zementgewichts /emältnis von mindestens 0.1

ίο und vorzugsweise mindestens 0,3 zu e;-geben. Um die Einarbeitung einer ausreichenden Menge an Zuschlag und reaktiver Flüssigkeit in dieses System zu ermöglichen, überschreitet die Menge an Zement 80% des Gesamtgewichts der beiden Bestandteile nicht; bevorzugt ist ein maximaler Zementgehalt von 50%, da sich hinsichtlich der endgültigen Festigkeit beim Oberschreiten dieser Menge kein Vorteil ergibt.

Die speziellen Mengen an Flüssigkeiten, die in der Zusammensetzung verwendet werden, hängen von den Mengen der vorhandenen Feststoffe, der leichten Lieferung bzw. Freisetzung, dem Vermischen usw. ab. Von Festigkeätsüberlegungen her gesehen, ist es unerwünscht, die stöchfometrische Menge an reaktiver Flüssigkeit und die Menge an schlamm- bzw. schmierebildender Flüssigkeit beträchtlich zu übei schreiten, die erforderlich ist, um die notwendige Gleitfähigkeit und Zulieferbarkeit (z. B. Pumpbarkeit) zu ergeben. Ein Gewichtsverhältnis von Flüssigkeiten/Feststoffe der vereinten Komponenten im Bereich von 0.1 bis 0,6 ist bezüglich Festigkeits- und Handhabungs- und Mischerwägungen zufriedenstellend. Im Einklang mit diesen Betrachtungen wird das Wasser/Zementgewichtsverhältnis in Zementsystemen, die durch Hydratisieren erhärten, im allgemeinen 1,0, vorzugsweise 0,7 nicht überschreiten; und die Wassermenge auf der Basis des Gesamtgewichts der beiden Komponenten wird 2 bis 50 und vorzugsweise 5 bis 30% betragen. Auch die Menge der schlammbildenden Flüssigkeit wird von 5 bis 50, vorzugsweise 8 bis 20% des Gesamtgewichts der Zusammensetzung variieren, oder von 10 bis 75%, vorzugsweise 35 bis 65% des Gewichts des Zements.

Die reaktive Flüssigkeit in der zweiten Komponente der Mörtelzusammensetzung sind vorzugsweise in eingedickter Form, z. B. enthalten sie ein Verdickungsmittel. Dies verringert die Möglichkeit, daß die Flüssigkeit aus einem aufwärts gerichteten schräg gerichteten Loch ausrinnt oder in Risse oder Poren in der Wandung des Loches einsickert. Das Verdickungsmittel ist ein fesies Material, das Wasser absorbiert, hydratisierbar ist oder etwas wasserlöslich ist und es kann ein anorganisches Material sein, wie Ton oder gebranntes Siliciumdioxid oder ein organisches Material. Organische Verdickungsmittel, die verwendet werden können, schließen ein Carboxymethylcellulose^ Polyvinylalkohole, Stärken, Carboxyvinylpolymere und andere Schleime oder Schleim bildende Mittel und Harze, wie Galactomannane (z. B. Guargummi), Polyacrylamide und Polyäthylenoxide. Polyäthylenoxid, Polyacrylamid und Gemische der beiden sind bevorzugt. Diese beiden Materialien bewirken nicht nur den Verdickungseffekt, der notwendig ist, um die Möglichkeit des Ausrinnens von Wasser aus einem auteäns gerichteten geneigten Loch oder des Einsickerns in Risse oder Poren in der Wandung des Loches zu verengern, sondern sind gleichzeitig Gleitmittel, In dem Sinne, daß sie das Einführen eines Bolzens in eine Zuschlag-Wasser-Aufschlämmung bzw. einen Schlamm erleichtern, da der Zuschlag eine geringere Neigung aufweist, in Wasser abzusitzen oder zu verpacken, das diese Materialien enthält. Darüber hinaus wird die günstige

Wirkung dieser EiDdicker/GIeitmittel mit ausreichend geringen Mengen davon erzielt» so daß die Scherfestigkeit des Mörtels nicht ernstlich beeinträchtigt wird.

Die Menge an Eindickungsmittel in cer reaktiven flüssigen Komponente hängt von dem verwendeten speziellen Material ab und insbesondere von dem Ausmaß der damit erzielbaren Verdickung der flüssigen Komponente, einer Funktion im allgemeinen des Molekulargewichts und des Substitutionsgrades des Materials und hängt auch von den anderen festen Materialien ab, die in der reaktiven flüssigen Komponente enthalten sein können. Im allgemeinen wird die Menge des Eindickungsmittel im Bereich von 0,1 bis I, vorzugsweise von 0,5% des Gesamtgewichts der Zusammensetzung liegen, wobei das untere Ende des Bereichs bei Materialien mit hohem Molekulargewicht und/oder mit mehreren hydrophilen Gruppen verwendet wird. Im Fall der organischen Polymeren wird im allgemeinen mehr als 0,296 bezogen auf das Gesamtgewicht der Zusammensetzung nicht notwendig sein.

In das Reaktionssystem können ein oder mehrere oberflächenaktive Mittel eingearbeitet werden, entweder in einen oder beide der Bestandteile. Ein oberflächenaktives MIttel in dem ZementFchlamm oder in der reaktiven Flüssigkeitskomponente, die suspendierte Sandteilchen enthält, führt zur Konsistenz einer glatten Paste, was zu einer verbesserten Mischbarkeit der Komponenten führt. Das oberflächenaktive Mittel sollte In der Flüssigkeit des Bestandteils, in dem es verwendet wird, löslich sein und sollte einen Hydrophil-Lipophil-Gleichgewlchtswert von etwa S bis 14 ergeben, bestimmt nach den Methoden in »The Atlas HLB System«, Atlas Chemical Industries, Inc., 1962. 0,1 bis 10 und vorzugsweise 1 bis 5% des oberflächenaktiven Mittels werden verwendet. Da jedoch die Anwesenheit eines oberflächenaktiven Mittels zu einem gehärteten Mörtel mit einer geringeren Scherfestigkeit führen kann, ist es nötig, zu untersuchen, welchen Effekt gegebenenfalls das oberflächenaktive Mittel hinsichtlich der Festigkeit ergibt und das Untersuchungsergebnis gegen die erzielbaren Mischvorteile abzuwägen. Verwendbare oberflächenaktive Mittel schließen ein Ölsäure bzw. Oleinsäure, Sorbitanmonooleat und -monolaurat, Polyoxyäthylennionooleat und -hexaoleat, Polyoxyäthylensorbitantrioleat und -monolaurat und PolyoxyäthylentrtdecyiSther. Unter diesen ist Ölsäure bevorzugt wegen ihrss Wirksamkeitsgrades und ihrer Kosten.

Das erfindungsgemäße Mörtelsystem kann überall eingesetzt werden, wo Strukturverstärkungen erforderlich sind. z. B. bei Oesteinsverankerungen oder Verankerungen von Dächern, Hangenden oder Auskleidungen In Kohlen- oder Metaügmben, oder zur Sicherung von Bolzen bzw. Verankerungen in Bohrlöchern in Zementstrukturen. Werden die Bestandteile des Systems in das Bohrloch durch Pumpen beliefert, so werden sie in das Loch bevorzugt getrennt gepumpt und darin vereint und

gCIIliaVlIt, yUI UUbI Iiavil U^X L*ll*st*iuu>a& Mvw uvabv.....

Alternativ können die gepumpten Bestandteile unmittelbar vor dem Loch vereint und dort oder in dem Loch vermischt werden. Vorzugswelse werden die Bestandteile der Mörtelzusammensetzung in das Bohrloch eingeführt und; das·, Verstärkungsglied^wirdjAn. ,dieiZüsammensetzung eingeführt, b<?yor eine* wesentliche -<Härtungyder Zusammensetzung aufgetreten ist, wodurch die Mörtelzusammensetzung In einen Ringspalt gezwungen wird, der zwischen dem Verstärkungsglied und der Lochwandung ausgebildet Ist. Die Bestandteile werden anschließend vermischt, vorzugsweise durch Drehen des Verstärkungselements, zur Bildung des gehärteten Mörtels. Ein bevorzugtes System umfaßt eine zerbrechliche unterteilte Packung mit mindestens zwei Bestandteilen in getrennten Kammern, wobei die Packung durch Eindringen des Verstärkungsgliedes zerbrochen wird. Eine derartige Pakkung wird in der Fi g. 1 dargestellt. In der Fi g. 1 sind ein rohrförmiges Glied I mit im wesentlichen kreisförmigem Querschnitt und ein Diaphragma 2 hergestellt durch Wickeln einer einzigen Rolle eines biegsamen Filmmaterials in einer derartigen Weise, daß ein eingefaltetes Rohr

ίο gebildet wird, mit einer teilweise einschichtigen und einer teilweise doppelschichtigen Wand, wobei die innere Schicht des doppelschichtigen Wandungsanteils die Zwischenwand 2 bildet. Die beiden Schichten des doppelschichtigen Anteils sind nahe der inneren Kante 3 und der äußeren Kante 4 der Rolle miteinander versiegelt bzw. abgeschlossen, so daß lineare Verbindungen oder Dichtungen 5 bzw. 6 gebildet werden. Das Rohrglied I, die Trennwand 2 und die Verbindungen 5 und f-, definieren zwei getrennte Kammern 7 und S. An jedem Ende des Rohrgliedes mit Kammern von denen eines in der Flg. 1 dargestellt ist, sind die Endteile des Rohrgliedes 1 und der Zwischenwand 2 zusammengefaßt und durch eine Schließvorrichtung 9 abgeschlossen. Die Kammer 8 ist mit der im folgenden Beispiel 1 beschriebenen Komponente A gefüllt und die Kammer 7 mit der im gleichen Beispiel beschriebenen Komponente B.

Bei der Anwendung wird diese Packung in e!n Bohrloch eingeführt und der Bolzen wird in die Packung eingepreßt, wobei der Film zerreißt und der Bolzen teilweise oder in die volle Länge der Packung eindringt. Die Bestandteile werden durch Drehen des Bolzens vermischt und reagieren anschließend unter Härtung, so daß der Bolzen in dem Loch gesichert wird.
Die folgenden Beispiele dienen zur Eriäuierung der Erfindung. Teile beziehen sich auf das Gewicht.

Beispiel 1

Es wurde ein Zweikomponentenreaktionssystem der folgenden Zusammensetzung he^r gestellt:

Bestandteil A

Bestandteil B

19,05% Zement
28.57% Sand
11,43% Öl

0,12% Polyacrylamid
28,57o/o Sand
12,26% Wasser

Die Prozentsätze sind Gewichtsprozente der Bestandteile, bezogen auf das Gesamt-komblnationsgewicht der beiden Bestandteile. Bei dem Zement handelt es sich um einen rasch härtenden Zement, der durch hydratisieren abbincst und In der US-PS 38 60 433 beschrieben wird. Dieser Zement enthält (bezogen auf das Gewicht) 20 bis 40% 3CaO · 3Al₂O₅ · CaSO₄ und 10 bis 35% chemisch nicht gebundenes CaSO₄, wobei der Rest Im wesentlichen aus B-2CaO · S1O2 besteht. Bei dem Sand handelte es sich um ein Handelsprodukt. Dieser Sand weist runde Teilchen auf, von denen 94% im Größenbereich von 74 bis 210 μπι liegen. Die mittlere Teilchengröße beträgt 142 μπι und die Abweichung ± 48%. 9996 der Sandteil- c'nen- sind kleiner als $20μτη. Die vf'iikszms Oberfläche des :SandesfbeträgfeeÄä^l60_; cmlg. Beljdem-Polyacrylamid-handelte es.slch^üm ein HandelsprÖdukt.- Als Öl wurde Kerosin ,verwendet. Der Schlamm aus Zement,

65, Sand und Öl wurde getrennt von der Kombination verdicktes Wasser/Sand gehalten. Zur Untersuchung der Festigkeit wurden die beiden Bestandteile auf im wesentlichen Homogenität gemischt, worauf das öl daraus aus-

geschwitzt wurde und die resultierende pastenartige Zusammensetzung härtete.

Die Scherfestigkeit des Mörtels, gemessen nach 24 Stunden, betrug 3293 N/cm². Es wurde folgende Meßmethode angewendet

Eine Probe des frisch vermischten Mörtels wurde In einen Polyäthylenterephthalatfilm eingebracht und ein Ring aus rostfreiem Stahl, von 15,9 mm Durchmesser und 2,92 nun Höhe wurde in den Mörtel eingesetzt. Ein Stück des Polyäthylenterephthalatfilmes wurde über den Ring gelegt und dieser wurde gleichmäßig mittels eines Holzblockes In den Mörtel eingepreßt. Der resultierende »Scherknopf« des Mörtels wurde in eine Instron-Testvorrichtung eingesetzt (entsprechend der Methode ASTM E 4, Verification of Testing Machines) und 24 Stunden nach dem Vermischen auf die Scherfestigkeit untersucht nach der Methode ASTM D 732 (ASTM Ist die American Society for Testing and Materials). Bei dieser Untersuchung wurde ein Kolben auf den Mörtel in einem Ausmaß von 12.7 mm pro Minuten In AbwSrtsrichtung aufgebracht. Die Scherfestigkeit wurde aus der zum Bruch angewendeten Kraft nach der folgenden Gleichung berechnet:

Scherfestigkeit =

Kraft

Dicke der Probe Xix Durchmesser des Kolbens

Der Mörtel wurde auch nach 24 Stunden hinsichtlich seiner durchschnittlichen Zugfestigkeit untersucht, d. h. 4410 N/cm nach der folgenden Arbeitsweise:

Frisch vermischter Mörtel wurde In einen Abschnitt von 2,54 cm eines mit Gewinde versehenen Rohres einigebracht und in dt η Mörtel wurde ein Standard-Sta¹·' stumpf-Verstärkungsstab mit einem Durchmesser ve. .1,59 cm eingebracht. Überschüssiger Mörtel wurde während des Elndrlnges des Stabes herausgedrückt und weggekratzt und die Rohr-Stab-Anordnung wurde in eine Test-Spannvorrichtung einer Instron-Universal-Untersuchungsvorrichtung eingesetzt. Der Stab wurde anschließend (24 Stunden nach dem Vermischen des Mörtels) durch Anwendung einer gemessenen nach aufwärts gerichteten Kraft auf den Bolzen gezogen, während der Rohrabschnitt de- Rohr-Stab-Anordnung stationär in der Klammervorrichtung gehalten wurde. Die Kraft, bei der die erste Diskontinuität der aufgezeichneten Kraft gegen die Abweichungs- bzw. Durcnblegungskurve festgestellt wurde, wurde als Zugfestigkeit oe/.e; „hnet.

Beispiel 2

Vier zerbrechliche Packunger, mit Doppelkammer in Form von 46 cm langen »Rund«-Patronen von 2,3 cm Durchmesser, wie in den US-PS 37 95 081 und 38 61 522 und in der vorliegenden Fig. 1 dargestellt und die ein Zweikomponenten.eaktionssystem gemäß der Erfindung enthalten, wurden aus einer Rolle aus einem Polyäthylenterephthalatfilm hergestellt. Eine Kammer enthielt die Aufschlämmung von Zement, Sand und ÖL beschrieben in Beispiel 1. Die andere Kammer enthielt Wasser und den Sand und das Verdickungsmittel, beschrieben in Beispiel 1. Der Gehalt an Bestandteilen, bezogen auf das gesamte kombinierte Gewicht der Bestandteile der beiden Kammern, war wie folgt:

Patronen a und b Patronen c und d

Zement	34 %	32 %
Ö'	Π %	13 %
Sand	31,4 %*)	30,2 %**)
Wasser	21,5 %	24,7 %
Eindickungsmittel	0,10%	0,10%

*) 26% in der Zementaufschlämmung; 5,4% in dem Wasser
*·) 24% in der Zementaufschlämmung; 6,2% in dem Wasser

Jede verschlossene Patrone wurde in ein Stahlrohr von 2,54 cm Durchmesser mit einer rauhen Wandung und einem verschweißten Abschluß an einem Ende (simuliertes Bohrloch) eingefüllt. Das Rohr wurde in einem Schraubstock in aufrechter Stellung gehalten, wobei das geschlossene Ende nach oben zeigte. Ein mit Kopf versehener Verstärkungsstab (Bolzen) von 15,9 mm Durchmesser wurde In die Patrone mit einer rotierenden Ajfwärtsbewegung eingebracht und mit 300 UpM gedreht, um den Inhalt der Packung zu vermischen. Das untere Ende des Rohres wurde mit einem Abdichtungsring verschlossen. Die Raumtemperatur betrug 27° C. Nach 1 Stunde wurde die Zugfestigkeit des Mörtels bestimmt durch Anlegen einer Kraft an das Kopfende des Bolzens in Abwärtsrichtung in einem Ausmaß von 1,27 cm/Minute. Die Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle aufgeführt:

30

35

40

Patrone	Vermischzeit	Zum Herausziehen erforderliche
	Sekunden	Kraft
a	7,5	100 X W N
b	20	118 X 10³N
C	7,5	89 X W N
d	17,5	90 X 10³ N

Beispiel 3

Ein Zement-ÖIdchlamm und ein wäßriges Sandgemisch in den Anteilen von 28,57% Zement, 14,2996 Öl, 42,86% Sand und 14,29% Wasser (der gleiche Zement, Öl und Sand wie in Beispiel 1 beschrieben) wurden sorgfältig vermischt und es wurden Seherknöpfe aus dem frisch gemischten Mörtel wie in Beispiel 1 beschrieben hergestellt. Die Ergebnisse sind in der Fig. 2 dargestellt, wo die Scherfestigkeit gegen die Zeit in einem logarithmisehen Maßstab aufgetragen ist. Es ist ersichtlich, daß dieser Mörtel eine Scherfestigkeit von 686 bis 1372 N/cm² (äquivalent der Festigkeit einer Kohlengruben-Dachgesteinsschicht) in 30 bis 90 Minuten und weit über 90% seiner vollen Festigkeit (entsprechend der Festigkeit van Metallgruben-Dachschichten) In weniger als 4 Stunden ergab. Für die Fig. 2 wurden die Scherknöpfe wie im Beispiel ! nach 7 verschiedenen Zeiter, auf die Scherfestigkeit untersucht.

60

Beispiel 4

(I) Es wurden folgende getrennte ßestandtef/e hergestellt:

65 Bestandteil A (Teile)

Bestandteil B (Teile)

Zement (26,32)

Sand (19,74)

Fortsetzung

Zement

Bestandteil A (Teile)

Bestandteil B (Teile)

Druckfestigkeit

N/cm²

(Zeit in Stunden)

Scherfestigkeit N/cm²

Sand (19,74)
Öl (14,47)

1% wäßrige Losung von Polyacrylamid (19,74)

aus Beispiel 1 >3 "" '24)

gewöhnlicher < Γ . l (24)
Portland (Typ ΠΙ)

Der Sand und Öl waren die gleichen wie die im Beispiel 1 verwendeten. Fünf verschiedene Gemische des Bestandteils A wurden hergestellt, jeweils mit einem unterschiedlichen Zement. Die Scherfestigkeit nach 24 Stunden des durch Vermischen jedes der fünf 3l 'ardtcüe A mit dem Bestandteil B erhaltenen Mör?'* wurden gemessen wie in Beispiel 1 beschrieben. Mc;: erhielt folgende Ergebnisse:

Zement im Bestandteil A

Scherfestigkeit N/cm²

aus Beispiel I 1441

gewöhnlicher Portland (Typ II) ~ 49

Zement^a) ~ 39

Zement (Typ ΙΠ) ^b) 0

Kalzinierter Gips 412

(2) Die Festigkeits/Härtungszeitcharakteristika der unter (1) ohne Öl verwendeten Zementsorten.

20 Teile jedes vorstehend unter (1) aufgeführten Zements wurden mit 30 Teilen des Sandes vermischt und es wurde eine Wassermenge nach den Angaben des Herstellers zugefügt, um eine maximale Festigkeit bei minimaler Alterung zu erzielen. Die Anzahl der Minuten, die für jeden ölfreien Mörtel zur Härtung erforderlich waren, sind in der folgenden Tabelle aufgeführt:

Zement^a)

Zement
(Typ IH)»)

Kalzinierter Gips

3430 (I)
> 2058 (24)

3675
823

2460
4430

>4459(l)(naß) 2597
>9261 (I) (trocken)

Beispiel 5

Die Wirkung i<es Sandgehaltes auf die Scherfestigkeit nach 24 Stunden des Mörtels wurde mit einem System untersucht, in dem 28,6 Teile des in Beispiel 1 beschriebenen Zements und 14,3 Teile des ii> Beispiel 1 beschriebenen Öls eine Komponente bildeten u.sü 14,3 Teile einer l%igen wäßrigen Polyacrylamidlösung die andere Komponente bildeten und eine Sandmenge gleichmäßig zwischen den beiden Komponenten aufgeteilt wurde. Die Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle aufgeführt:

Sand
Teile

Scherfestigkeit
N/cm² *)

14,9

26

46,8

2097
2372
2881
7223

*) gemessen wie in Beispiel 1 beschrieben

Zement

Härtungszeit

aus Beispiel 1 < 20 Minuten

gewöhnlicher Portland (Typ II) ~ 24 Stunde?.

Zement^a) < 10 Minuten

Zement (Typ III)^b) < 20 Minuten

Kalzinierter Gips < 20 Minuten

Die folgende Tabelle giot die Druckfestigkeit und die Scherfestigkeiten nach 24 Stunden (gemessen wie in Beispiel 1 beschrieben) für ölfreie Mörtel an, die aas den im vorstehenden Teil 1 angegebenen Zementsorten hergesieiii wurden. Die Fronen fur die Untersuchung der Scherfestigkeit wurden hergestellt aus Mörteln, die erhalten wurden durch Vermischen von 10 Teilen des Zements mit 15 Teilen Sand und 3,5 bis 4,5 Teilen Wasser.

Beispiel 6

Ein Reaktionssystem, in dem 18,7% Zement und 13,1% Öl (der gleiche Zement und das gleiche Öl tvie im Beispiel 1) in dem Bestandteil A vorlagen, 12,1% einer l%igen wäßrigen Lösung von Polyacrylamid im Bestandteil B vorhanden sind und 56,1% Sand (der in Beispiel 1 verwendete Sand), wie in der folgenden Tabelle angegeben, vorlagen, wurde auf die Scherfestigkeit wie vorstehend beschrieben untersucht:

Scherfestigkeit nach
24 Stunden N/cm²

■) Beschrieben als einen rasch abbindenden (15 Minuten) gießbaren Mörtel beim Vermischen mit Wasser bildend, abbindend auf 3430 N/cm² in 1 Stunde

^b) Typ III enthält Calicunaluminiumfluorit, beschrieben als raschabbindend und geeignet für Erzielung einer Festigkeit mit rascher Geschwindigkeit im frühen Betonstadium

100% in öestandteil A
100% in Bestandteil B
50% in Bestandteil A\
50% in Bestanc".eil BI

3205
all

2862

Diese Ergebnisse zeigen, daß die Verleitung des Sandes zwischen den Bestandteilen keine wesentliche Wirkung auf die Scherfestigkeit des gehärteten Mörtel·* aufweist, Insofern als alle Werte Innerhalb von ± 10% des durchschnittlichen Wertes !legen, was eine Abweichung darstellt, die auf experimentellen Fehlern der Untersuchungsmethode basleren kann.

Beispiel 7

Der Zement-ÖI-Aufschlämmung der folgenden Untersuchungen wurden faserartige Materialien zugesetzt.

(a) Ein Mörtel, hergestellt durch Vermischen eines Zement-Öl-Schlammes, enthaltend 28,49 Teile Zement (aus Beispiel 1), 14,25 Teile des In Beispiel 1 beschriebenen Öls und 0,28 Teile von Glaswollfasern mit einer Länge von 1,27 bis 2,54 cm, mil einer wäßrigen Sandsuspension, die 42,74 Teile des In Beispiel 1 beschriebenen Sandes. 14,25 Teile Wasser und 0,14 Teil Polyacrylamid enthielt, wies eine Scherfestigkeit nach einem Tag (Methode des Beispiels I) von 2852 N/cm¹ auf. Die gleiche Aufschlämmung ohne die Glaswolle ergab einen Mörtel mit einer Scherfestigkeit nach einem Tag von 2303 N/cm^J.

(b) Die Scherfestigkeit nach 4 Stunden eines Mörtels, hergestellt durch Vermischen von 40,61 Teilen Zement (s. Beispiel 1) und 18.27 Teilen Öl (das gleiche wie in Beispiel 1) mit 20.30 Teilen Sand (der gleiche wie in Beispiel 1) und 20.30 Teilen einer l%lgen wäßrigen Lösung von Polyacrylamid, wurde von 960 N/cm* auf 1205 N/cm¹ durch Zusatz von 0.51% 1.27 cm langer vollaromatlscher Polyamidfasern zu dem Zementschlamm erhöht

derllch war zur Einführung eines Bolzens In den Schlamm, im Vergleich mit der Kraft, die zum Eindringen In trockenen Zement benötigt wurde. Ein Stahlrohr mit einem Innendurchmesser von 2,54 i;m wurde mit dem Zementbestandteil gefüllt und ein Stahlverstärkungsstab mit einem Durchmesser von 15,9 mm wurde abwärts In die Komponente In einer Instron-Vorrichtung mit einer Geschwindigkeit von 51 cm/Minute eingeführt. Zum Eindringen In 2,5 cm einer Aufschlämmung

to aus 44,44% Zement, 33,3356 Sand und 22,22% Kerosin (ein vorwiegend allphatlsches Kerosin) oder Öl (ein Öl auf Naphthenbasls) wurde nur eine Kraft von etwa 1,96 N benötigt.

Im Gegensatz hierzu war ehie Kraft von 15680 N (maximal erhältliche der Instron-Vorrlchtung) erforderlich, um den Bolzen etwa 2,54 cm tief in ein Gemisch aus 57,1 Teilen trockenem Zement und 42,9 Teilen Sand einzutreiben.

Beispiel 10

Es «.„. .en folgende getrennte Bestandteile hergestellt:

Bestandteil A (Teile)

Bestandteil B (Teile)

Beispiel 8

Verschiedene organische Flüssigkeiten wurden als Schlamm bildende Flüssigkeiten untersucht, durch Vsreinen von 20 Teilen Zement (s. Beispiel 1) mit 10 Teilen der zu untersuchenden Flüssigkeit. Zusatz von 10 Teilen Wasser zu der resultierenden Aufschlämmung. Vermischen von Zement- und Wasserbestandteilen und qualitative Untersuchung des resultierenden Mörtels auf seine Härte

Man erhielt folgende Ergebnisse:

Zement (28, 57)
Öl (14, r>)

Sand (42, 86)
Wasser (14, 29)

Schlamm bildendes Mittel

Mörtelcharakleristilca

Der Zement und das Öl waren die gleichen wie in Beispiel 1 verwendet. Es würden drsi verschiedene Gemische des Bestandteils B hergestellt, jedes mit einem unterschiedlichen Sand. Die Scherfestigkeit nach 24 Stunden des durch Vermischen jedes der drei Bestandteile B mit dem Bestandteil A erhaltenen Mörtels wurde wie im Beispiel I beschrieben, gemessen. Man erhielt folgende Ergebnisse:

40

Pentan

Hexan

Heptan

Benzol

Toluol

Gasolin (Benzin)

Brer.no! Nr. 2

(ASTM D 396-,5)
Kerosin
Nujol
Methanol

hart in hart in hart in hart in hart in hart in hart in ■ hart in ·

hart in hart in hart in -

- 7 Minuten

- 5 Minuten

- 10 Minuten

• 7 Minuten

• 8 Minuten

• 9 Minuten

• 6 Minuten 23 Minuten

7 Stunden Sand im
Bestandteil B

Charakteristika
des Sandes

Scherfestigkeit N/cm²

45 von Beispiel 1

Sand

(-0,50 mm =
-35 mesh)

Geschnittener
Sand

55 Vergleiche Beispiel 1 2411

95% 147-420 μΐη; 2303

Mittel 288 μΐη;
Abweichung ± 45%;
100%<540μΐη;
gebrochen

95% 297-420 μπι; 1Ι47

Mittel 348 μπι;
Abweichung ± 17%;
96% < 540 μπι;
rund

Ging man wie vorstehend beschrieben vor, jedoch ohne Zusatz der Schlamm bildenden Flüssigkeit, so wurde der Mörtel in 5 Minuten hart.

Beispiel 9

Eine der günstigen Wirkungen, die man erzielt durch Anwendung des Zements in Form eines Schlammes, wurde untersucht durch Vergleich der Kraft, die erfor-

Beispiel Il

Die in Beispiel 10 beschriebene Arbeitsweise wurde wiederholt mit sieben verschiedenen Sandsorten in dem Bestandteil B. In diesem Falle betrug der Zementgehalt 184 Teile, der Ölgehalt 14,8 Teile, der Sandgehalt 55,6 Teile und der Wassergehalt 11,1 Telia Alle Sandanen wiesen runde Teilchen auf. Man erhielt folgende Ergebnisse:

24

Bereich Teilchengröße (μηι)

Mittel Abweichung Max.

Scherfestigkeit N/cm²

a) SpezialVerbund

b) Verbundsand

c) feine Spezialrnischung

d) 0,?> mm (50 mesh)

e) Sand

f) Sand

g) Sand

Beispiel 12

Die Arbeitsweise des Beispiels 10 wurde zweimal wiederholt, einmal mit einem sortierten Sand des Beispiels 10 mit bis zu 0,50 mm (-35 mesh) und einmal mit einem gleichmäßigen Sand. d. h. dem 297 bis 420 μΐη-Schnitt des Sandes bis 0,50 mm (-35 mesh). Die mittlere Teilchengröße dei gleichmäßigen Sandes betrug 358 (im und die Abweichung ± 17%. Die Scherfestigkeit nach 24 Stunden des Mörtels, der den sortierten Sand enthielt.

96%	105-297	201	48%	100% < 540	2185
97%	105-297	201	48%	100% < 540	2499
96%	140-420	280	50%	100% < 540	2450
91%	105-210	157	33%	99% < 420	2195
94%	74-210	142	48%	99% < 420	2195
96%	74-210	142	48%	>99%<420	2264
98% < 53-147 ~	100	47%	>99%<297	1676

Eindickungsmittel

chemische Natur

Scherfestigkeit (N/cm²)

20

Polyacrylamid
Polyacrylamid
Polyacrylamid

Polyäthylenoxid

betrug 4626 N/cm² and die des Mörtels, der den gleich- 25 Natriumcarboxymethylcellulose mäßigen Sand enthielt. 3469 N/cm². Natriumcarboxymethylcellulose

Beispiel 13 Methylcellulosederivat

Es wurden zwei verschiedene Sandsorten untersucht auf ihre Absetzgeschwindigkeiten in eingedicktem Wasser, was ein Anzeichen für ihre Verhaltensweise in gelagerten Patronen mit zwei Kammern ist. bei denen sich ein Zementschlamm in einer Kammer und ein Sand/Wasser-Gemisch in der anderen befinden. Die Abscheidung des Sandes führt j einer asymmetrischen Packung, die in einer Kammer härter und steifer ist als in der anderen, was die Einführung des Bolzens erschwert.

Ein Sand war grobkörnig und bestand nur aus Teilchen über 500 um (53· „ über 833 μ. 12"„ größer als 2.36 mm. der Rest zwischen 540 und 833 μηι). Bei dem anderen handelte es sich um einen feinen Sand, bestehend aus dem Sand bis 0,50 mm (-35 mesh) beschrieben in Beispiel 10. Rohre von 31 cm Länge, mit einem Durchmesser von 2.5 cm wurden mit einer l%igen wäßrigen Lösung von Polyacrylamid gefüllt und der Sand wurde in die Rohre eingebracht. Die Absetzgeschwinrligkeit bei 20^e C betrug etwa 20 Minuten für etwa 90% des groben Sandes und etwa 46 Minuten für etwa 90% des feinen Sandes.

Beispiel 14 Es wurden folgende getrennte Bestandteile hergestellt:

Bestandteil A (Teile)

Bestandteil B (Teile)

Zement (27,8)
Öl (13,9)

Sand (41,6)

Wa wäßrige Einäiekerlösung (16,7) Methylcellulosederivat
Methylcellulosederivat
Methylcellulosederivat
Methylcellulosederivat
Methylceiluiosederivat
natürlicher Gummi
natürlicher Gummi

35

1362

1607

1107

794

1450

1784

157

490

265

372

196

167

1597

657

Wurde die vorstehend beschriebene Arbeitsweise ohne Eindickungsmittel wiederholt, so betrug die Scherfestigkeit 229 N/cm².

Beispiel 15

Ein Stahlrohr mit einem Innendurchmesser von 2,54 cm wurde mit einem Gemisch von 75% Sand (bis zu 0,50 mm -35 mesh) und mit 25% einer l%igen wäßrigen Lösung eines Eindickungsmittel gefüllt und ein Verstärkungjstab aus Stahl mit einem Durchmesser von 15,9 mm wurde in Abwärtsrichtung in das Gemisch in einer Instron-Vorrichtung mit einer Geschwindigkeit von 51 cn/Minute eingeführi. Die zu einer Einführung von 2„54 cm des Stabes erforderliche Kraft wurde gemessen.

Man erhielt folgende Ergebnisse:

Eindickungsmittel

Für ein Eindringen von 2,54 cm erforderliche Kraft (N)

Der Zement, das Öi und der Sand waren die gleichen wie die in Beispiel 1 verwendeten. Es wurden verschiedene Gemische des Bestandteils B hergestellt, jedes mit einem unterschiedlichen Eindickungsmittel- Die Scherfestigkeit nach 24 Stunden des durch Vermischen jedes der Bestandteile A mit dem Bestandteil B erhaltenen Mörtels wurde wie in Beispiel 1 beschrieben, gemessen. Man erhielt folgende Ergebnisse:

Polyäthylenoxid 49

Methylcellulosederivat 216

Polyacrylamid 559

natürlicher Gummi 892

Natriumcarboxymethyl- 921 cellulose

Natriumcarboxymethyl- 1460 cellulose

War kein Eindickungsmittel vorhanden, so war eine Kraft von 5958 N erforderlich und 5762 N waren erforderlich, wenn kein Wasser oder kein Eindickungsmittel vorlagen.

Die Beispiele 14 und 15 zeigen, daß von den Verdlkkungsmltteln, die eine Scherfestigkeit von 686 bis 1372 N/cm^J ermöglichen, Polyäthylenoxid und Polyacrylamid überlegen si:,d, was die Leichtigkeit des Eindringens des Bolzens betrifft und somit zur Anwendung In Zementmörteln zur Verankerung von Gestelnsbolzen geeignet sind.

Beispiel 16

Wurde die Arbeltswelse des Beispiels 15 wiederholt unter Anwendung des In Beispiel 1 beschriebenen Sandes, so war eine Kraft von lediglich 196 N pro Eindringen von 2,54 cm erforderlich für die Polyacrylamid- und Polyäthylenoxid-Lösungen.

Beispiele 17 bis 21

0,2 Teile eines oberflächenaktiven Mittels wurden zu
einem Mörtel der folgenden Zusammensetzung gefügt:

Bestandteil A (Teile)

Bestandteil B (Teile)

10 Zement (19,76)
Sand *) (29,64)

Öl*) (7,90)

*) wie in Beispiel 1

Sand *) (29,64)

1% wäßrige Lösung von
Polyacrylamid (12,85)

Die beim Vermischen der Bestandteile A und B erhaltenen Mörtel wurden 24 Stunden später auf ihre Scherfestigkeit wie Im Beispiel 1 beschrieben untersucht. In
allen Fällen bei denen ein oberflächenaktives Mittel verwendet wurde, war die das oberflächenaktive Mittel enthaltende Komponente eine glatte Paste und es kennte
leicht vermischt werden.

Beispiel	oberflächenaktives Mittel	HLB-Wert *)	das Oberflächen-	Scherfestigkeit
Nr.			enthnltender	nach 24 Stunden
			Bestandteil **·)	N/cm²
1?	keines			2401
18	Polyoxyäthylenmonooleat	10	A	1303
19	Polyoxyäthylensorbitantrioleat	11	B	706
20	Sorbitanrnonolaurat	8,6	A	382
21	Polyoxyäthylenhexaoleat	10,2	A	539

*) Kydrophil-Lipophil-GIeichgewicht

*·) Der Bestandteil A bestand aus 19,01 Teilen Zement, 28,52 Teilen Sand und 11,31 Teilen Öl. Der Bestandteil B bestand aus 28,52 Teilen Sand und 12,36 Teilen Polyacrylamidlösung.

Beispiel 22 Es wurden folgende Bestandteile hergestellt:

Bestandteil A (Teile)

Bestandteil B (Teile)

45 Bestandteil A (Teile)

Bestandteil B (Teile)

Sand *) (46,74)

1% wäßrige Lösung von Polyacrylamid (15,58)

Zement*) (31,36)
Öl*) (6,23)

Sorbitanmonooleat
(0,12)
HLB-Wert = 9,1

Polyäthylensorbitantrioleat (0,16)

*) wie in Beispiel 1

113 Teile des Bestandteils A und is7 Teile des Bestandteils B wurden in die getrennten Kammern der in Beispiel 2 beschriebenen Patrone aus Polyüthylentetephlhalalfihn gefügt. Der In die Patrone abgefüllte Mörtel wurde auf die Zugfestigkeit In einem simulierten Bohrloch, wie in Beispiel 2 beschrieben, untersucht; 24 Stunden nach dem Vermischen der Bestandteile betrug die Zugkraft des gehärteten Mörtels 108 χ 10³ N.

Beispiel 23 £s wurden folgende Bestandteile hergestellt:

handelsüblicher Zement Wassei (1758)

(bestehend im wesentlichen

aus kalziniertem Gips)

(2000)
Leichtes Mineralöl

(369)
Stearinsäure (22)

Methylcellulosederivat (35)

Natriumstearat ■
(114)

Dar Bestandteil A wurde hergestellt durch Erhitzen eines Gemlschs des Öls und der Stearinsäure auf 57° C zur Auflösung der Stearinsaure und Vermischen der resultierenden Lösung mit dem Zement in einem Turblnenmlscher. Der Bestandteil B wurde hergestellt durch Erwärmen eines Gemlschs der Bestandteile auf 57° C, um das Natriumstearat zu lösen und eine dicke Paste zu bilden. Würde» die Bestandteile A und B !m Gewichtsverhältnis von 6,38/1 A/B vermischt, so erfolgte eine Abbindung des Gemlschs zu einem Feststoff innerhalb weniger Minuten.

Eine Kammer der 61 cm langen Patrone mit zwei Kammern, beschrieben Im Beispiel 2, wurde mit dem Bestandteil A und die andere Kammer mit dem Bestandtell B Im Gewlchtsverhältrüs von 6,38 Teilen des Bestandteils A pro jeden Teil des Bestandteils B vermischt. Die gefüllte Patrone wurde 10 Tage gelagert und anschließend auf ihre Verankerung vor. Gesteinsbolzen

Im wesentlichen wie Im Beispiel 2 beschrieben untersucht. Ein ⁿdcm laiger Gesteinsbolzen wurde In die Patrone mit jlner Geschwindigkeit von etwas weniger als 1,2 m pro 15 Sekunden eingeführt, während der Bolzen mit 450 UpM gedreht wurde. Der Bolzen wurde 5 oder 10 S?- .unden nach dem Eindringen gedreht.

Unterzog man den vermörtelten Bolzen nach 12,5 Minuten einem Zugtest, so trat kein Herausgleiten bis zu dem Anlegen einer Kraft von 80360 N auf.

/UKümmcnl'ilsserul belrlffl die Erfindung ein Verfahren zur Verankerung eines Verslärkungselements, wie eines Gesteinsankers In einem Loch, z. B. In einem Grubendach, durch Reaktion der gemischten Bestandteile einer anorganischen Mörtelzusammensetzung unter Bildung eines gehärteten Mörtels, um das Verstärkungselement herum. Das MCrtelsystem umfaßt eine härtbare anorganische Mörtelzusammensetzung, die in einem ersten Bestandteil einen teilchenförmigen anorganischen Zement, kombiniert mit einer damit nicht reaktionsfähigen Flüssigkeit, enthält. In Form einer Schmiere oder einer schlammartigen Masse und in einem zweiten Bestandteil, getrennt vom ersten Bestandteil, eine Flüssigkeit enthält, ile mit dem Zement reaktionsfähig Ist. wobei ein teilchenförmlger Zuschlag, wie Sand, vorzugsweise in der Zementschmiere und/oder der reaktiven Flüssigkeit vorhanden Ist. Eine Ausführungsform der Erfindung betrifft ein Mörtelsystem, das rasch eine hohe Festigkeit ergibt, zur Verankerung eines Verstärkungselements in einem Loch, mit einer Zugfestigkeit von mindestens ~ 175 Verankerungslänge Innerhalb einer Stunde und gewöhnlich innerhalo von 5 bis 10 Minuten. Das Gewicht von gegebenenfalls vorhandem Zuschlag beträgt nicht mehr als 80% des Gesamtgewichts der Zusammensetzung. Der Zement oder die basische Komponente in der Schlammform und der gesteuerte Zuschlaggehalt verleihen dem System eine Gleitfähigkeit zur leichten Einbringung und Rotation eines Verstärkungsgliedes, und der Zement oder die basische Komponente und die vereinten Komponenten werden durch Leitungen mit geringem Durchmesser pumpbar; auch , wird die Entwicklung einer geeigneten Zugfestigkeit in dem um das Verstärkungsglied herum gebildeten gehärteten Mörtel ermöglicht, wenn die vermischten Komponenten miteinander reagieren.

Ein bevorzugter Zuschlag zur Bildung eines Mörtels mit einer höheren Scherfestigkeit und zur erleichterten Anwendung der Zusammensetzung in abgepackter Form besteht aus ungleichmäßig sortiertem feinem Sand, z. B. ·« Sund mit einer Abweichung der mnxlmalcn und minimalen l'ellchengrößcn von der mittleren TcllchengrölJc von über ± 20%, wobei nicht mehr als 10% seines Gesamtvolumens aus Teilchen bestehen, die größer als 600 (im sind. Unter den Zementsoiten, die durch Hydratisieren >5 abbinden. Ist ein bevorzugter Zement hinsichtlich der erhöhten raschen Festigkell ein Zement, der, bezogen auf das Gewicht, 20 bis 40¹V. an 3CaO 3AI₂O, CaSO₄ und 10 bis 35% chemisch nicht gebundenes CaSO₄ enthäi:. wobei der Rest Im wesentlichen aus jS-2CaO · SlOj besteht. Ist die reaktive Flüssigkeitskomponente Wasser, das einen teilchenförmigen Zuschlag enthält, so wird vorzugsweise eine geringe Menge an Polyäthylenoxid und/oder Polyacrylamid /u dem Wasserbestandtell als Verdlckungs-Gleltmillel zugesetzt, um das Einführen eines Bolzens In die Zusammensetzung zu erleichterr und dann die Entwicklung einer guten Scherfestigkeit zu ermöglichen.

Die beiden Bestandteile werden vorzugsweise in getrennter Weise In das Loch eingebracht, z. B. aus getrennten Beschickungsleitungen oder bevorzugter In getrennten Kammern einer zerbrechlichen bzw. leicht zerstörbaren Packung, die durch Eindringen des Verstärkungsgliedes zerstört wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren stellt einen wichtigen Ersatz für die kostspieligeren Harz/Katalysator-Systeme zur Verankerung von Bolzen dar, die gegenwärtig zur Abstützung von Grubendächern eingesetzt werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche: 35

1. Verfahren zur Verankerung eines Verstärkungselements in einem Loch durch Einbringen gesteuerter Mengen von zwei Bestandteilen einer härtbaren Mörielzusammense'tzung auf der Basis vcn Zement und einer reaktiven Flüssigkeit in das Loch und Einführen eines Verstarkungsglledes in die Mörtelzusammensetzung in dem Loch, vor einer wesentlichen Härtung der Zusammensetzung, wobei die Mörtelzusammen-Setzung in einen zwischen dem Verstärkungsglied und der Wandung des Loches gebildeten Ringspalt gedrückt wird, die beiden Bestandteile in das Loch in getrennter oder frisch vereinter Form eingebracht und innig vermischt werden und die Bestandteile rasch in is dem Ringspalt unter Bildung eines gehärteten Mörtels mit einer ausreichenden Festigkeit zur festen Verankerung des Verstärkungselements an die Wandung des Loches reagieren, und wobei die von einem härtbaren Harz freie anorganische Mörtelzusammensel· a> zung