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Verfahren zum Schutz von unterirdisch erstellten
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Bauwerken, die Zement als Bindemittel enthalten Die Erfindung betrifft
ein Verfahren zum Schutz von unterirdisch (in situ) erstellten Bauwerken und/oder
Bauteilen aus Baustoffen1 die Zement als Bindemittel enthalten, gegen zementschädigende
Stoffe.
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Baustoffe, die als Bindemittel Zement enthalten, wie sie beispielsweise
für die Erstellung von Verkehrsbauten, Gebäuden, Industrieanlagen, Dichtungswänden
im Baugrund usw. verwendet werden, sind häufig zementangreifenden Gasen, Wässern
und Böden ausgesetzt. Einschlägige Bauvorschriften und Arbeitsrichtlinien müssen
in den Fällen,
in denen betonangreifende Wässer, Böden und Gase
auftreten können, beachtet werden, um folgenschwere Schädigungen zu vermeiden. Für
die Beurteilung betonangreifender Wässer, Böden und Gase gilt die DIN 4030. Mit
den betontechnischen Empfehlungen und Maßnahmen nach DIN 1045 lassen sich Vorkehrungen
zur Erhöhung der Widerstandsfähigkeit treffen, wenn nach DIN 4030 lediglich "schwache"
oder "starke" Angriffsgrade vorliegen.
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Ist jedoch nach DIN 4030 ein sehr starker" Angriffsgrad gegeben, ist
ein dauerhafter Schutz des Betons notwendig.
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Werden die Bauwerke in offener Bauweise hergestellt, können diese
vor dem unmittelbaren Zutritt der stark angreifenden Stoffe dauerhaft durch Abdichtungen
mit Bahnen oder Folien auf Kunststoff- und/oder Bitumenbasis oder aber auch durch
spezielle Anstriche geschützt werden. Derartige Isolierungen sind aber beispielsweise
nicht bei Betonschlitzwänden, Pfählen und Dichtungswänden auf Zementbasis möglich,
die in situ im gewachsenen Boden erstellt werden. Derartige Bauwerke sind daher
schutzlos aggressiven Medien ausgesetzt. Bauwerke, die ohne die Möglichkeit einer
besonderen Isolierung in situ erstellt werden, können durch die in der DIN 4030
angegebenen zementschädigenden Stoffe zerstört werden. Zu befürchten sind insbesondere
chemische Reaktionen, die durch Auslaugung, Basenaustausch und zementsteinsprengende
Salzbildung im Laufe der Zeit Schädigungen verursachen. Die schädigenden Wirkungen
ergeben sich aus der Anwesenheit freier Wasserstoffionen, deren Konzentration durch
den pH-Wert der Böden und Wässer gekennzeichnet ist. Schädigende Wirkungen werden
auch durch kalkaggressive Kohlensäure verursacht, die durch die Verschiebung des
Kalk-Kohlensäure-Verhältnisses lösliches Calciumhydrogenkarbonat bildet und damit
die Calciumkomponente
aus dem Zement herauslöst. Auch dissoziierte
Magnesiumsalze und Ammoniumsalze können das Calcium aus dem Zementstein durch Ionenaustausch
in Lösung bringen, wodurch sich Qualitätseinbußen einstellen können. Ein Herauslösen
der Calciumanteile aus dem Zementstein, das zu einer Auflockerung und schließlich
zur Zerstörung des Gefüges des Zementsteins führt, kann erfolgen, wenn aggressive
Wässer in den Kalkstein eindringen können. Daher spielt die Dichtigkeit des zementhaltigen
Baustoffs eine wesentliche Rolle, die für seine Langzeitbeständigkeit mitbestimmend
ist.
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Aufgabe der Erfindung ist es, zementhaltige, in situ erstellte Bauwerke,
die nicht besonders isoliert werden können, vor der Zerstörung durch chemische Angriffe
zu schützen.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß in die den
zu schützenden Bauwerken unmittelbar benachbarten Erdbereiche die zementschädigenden
Stoffe neutralisierende Mittel eingebracht werden. Diese neutralisierenden Mittel
passivieren das den zu schützenden Bauwerken unmittelbar benachbarte Erdreich, so
daß die aggressiven Medien an dem Bauwerk nicht zur Einwirkung kommen können.
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Die neutralisierenden Mittel können aus einer vor dem zu schützenden
Bauwerk erstellten Wand oder einem Gitter bestehen, die den aggressiven Medien zur
Aufzehrung angebotenen Zement enthalten. Zweckmäßigerweise ist ein derartiger Opferzement
kalkreicher als das zu schützende Bauwerk.
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Als neutralisierende oder passivierende Mittel können Alkaliwassergläser
in pulveriger oder flüssiger Form,
Calciumphosphate, Aluminiumphosphate,
Natriumaluminat, Tonerde, Thomasmehl (Ca3(pO4)2 zu CaO) Kalkhydrat, basisches Aluminiumacetat
verwendet werden. Die in dem Boden zwischen den aggressiven Stoffen und den neutralisierenden
Mitteln stattfindenden chemischen Reaktionen neutralisieren die Säuren, verhindern
damit deren Angriff auf den Kalkgehalt des zementhaltigen Baustoffes und wirken
zusätzlich durch die sich bildenden kolloidalen Reaktionsprodukte im Randbereich
des zu schützenden Bauwerks oder Bauteils dichtend.
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Die Passivatoren werden entsprechend der Beschaffenheit der betonangreifenden
Wässer, Böden oder Gase ausgewählt und gegebenenfalls gemischt und zweckmäßigerweise
in Form von hochkonzentrierten Lösungen und/oder Suspensionen in den Boden injiziert
oder eingepreßt. Die Injektion kann im Bedarfsfall zur Auffüllung der aufzuzehrenden
Materialreserven wiederholt werden. Auch das Einleiten des Passivators in den zu
schützenden Erdbereich über Brunnen ist möglich.
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Als Passivatoren eignen sich insbesondere Stoffe mit geringer Löslichkeit,
die amphotere und pufferartige Eigenschaften aufweisen, wodurch sie in ihrem Wirkungsbereich
ein schwach alkalisches Milieu schaffen.
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Da zum Einbringen der neutralisierenden Mittel Bohrungen niedergebracht
werden müssen, können diese in einfacher Weise durch das Bohrgestänge selbst in
den Boden injiziert werden. Die Injektion erfolgt zweckmäßigerweise bei dem Herausziehen
des Bohrgestänges aus dem Bohrloch nach der Beendigung der Bohrarbeiten.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß zum Injizieren
des neutralisierenden Mittels Rohre in den Boden eingebracht werden, deren Mäntel
im axialen Abstand mit Bohrungen versehen sind, die durch die Rohre einfassende
Manschetten aus porösem, filterndem Material geschlossen sind. Durch die Manschetten
aus beispielsweise Filtervlies kann Wasser in die Rohre eintreten, das in einfacher
Weise auf seine chemische Zusammensetzung geprüft werden kann.
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Nach Bedarf lassen sich durch die Rohre hindurch erneute Injektonen
vornehmen.
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Zur Kontrolle der Langzeitwirkung können in Brunnen, Pegelbohrungen
oder in den stehenbleibenden Rohren Piezometer eingebaut werden.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend anhand der
Zeichnung näher erläutert. In dieser zeigt Fig. 1- einen Bodenquerschnitt mit einer
Betonschlitzwand und drei Bohrungen zum Injizieren der neutralisierenden Mittel
während des Niederbringens der Bohrung und mit unterschiedlich hohen injizierten
Bereichen,
Fig. 2 einen Längsschnitt durch den unteren Bereich
des Bohrgestänges mit Bohrmeißel in schematischer Darstellung, Fig. 2a einen der
Fig. 2 entsprechenden Längsschnitt, in dem die öffnung in dem Bohrmeißel zum Zuführen
von Spülflüssigkeit durch eine Kugel geschlossen ist, und Fig. 3 einen Bodenquerschnitt
mit einer Betonschlitzwand oder dergleichen, die durch einen vorgelagerten säulenförmigen
Bereich, in den passivierende Mittel eingebracht worden sind, geschützt ist.
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Die in den Fig. 1 und 3 dargestellte Betonschlitzwand 1 wird in bekannter
Weise in situ derart erstellt, daß sie die grundwasserführenden Bodenbereiche 2
durchsetzt und in der wasserdichten Bodenschicht 3 verankert ist. Um diese Schlitzwand
gegen betonaggressive Medien zu schützen, werden in unmittelbarer Nähe der Schlitzwand
Bohrungen 4 niedergebracht. Das Bohren erfolgt dabei in bekannter Weise mit einem
Bohrer der in Fig. 2 schematisch dargestellten Art. Der Bohrer besteht aus einem
rohrförmigen Bohrgestänge 5, das nach Bedarf durch Gestängezüge verlängert wird.
Auf das untere Ende des Bohrgestänges 5 ist der Bohrmeißel 6 aufgeschraubt, der
eine zentrale Düsenöffnung 7 für die Wasserspülung aufweist. Das eingepumpte, den
Bohrmeißel kühlende und das Bohrgut wegschwemmende Wasser steigt anschließend in
dem Ringraum zwischen dem Bohrgestänge und dem Bohrloch wieder auf, wie es in Fig.
1 in dem linken Bohrloch durch die Pfeile dargestellt ist.
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Ist das Bohrloch bis in die wasserdichte Bodenschicht 3 niedergebracht
worden, wird in die zentrale Bohrung des Bohrgestänges die aus Fig. 2a ersichtliche
Kugel 8 eingeworfen, die sich gegen einen hohlkegeligen Ventilsitz legt und die
Spülwasserdüse verschließt.
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Nach dem Verschließen der Spülwasserdüse in dem Bohrmeißel ist das
Bohrgestänge zum Injizieren der passivierenden Mittel vorbereitet. Das Bohrgestänge
weist oberhalb des Bohrmeißels mindestens eine Strahldüse 9 für die zu injizierende
Flüssigkeit auf, wobei das Düsenmundstück 10 aus einem Hartmetalleinsatz besteht.
Die Strahldüse 9, 10 weist einen Durchmesser von etwa 3 bis 5 mm auf, wobei die
aus der Passivatormischung bestehende, zu injizierende Flüssigkeit mit einem Druck
von etwa 200 - 300 bar aus der Düse austritt. Die bodenabhängige Reichweite des
Flüssigkeitsstrahls liegt in der Größenordnung von 1,0 - 1,5 m, so daß ein säulenartiger
Behandlungsbereich von 2 - 3 m Durchmesser erreicht werden kann.
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Das Injizieren der passivierenden Flüssigkeit geschieht dadurch, daß
das Bohrgestänge rotierend aus dem Bohrloch herausgezogen wird, so daß sich ein
säulenartiger passivierter Bereich ergibt, wie er auf der rechten Seite der Fig.
1 durch doppelte Schraffur dargestellt ist. Die einzelnen säulenartigen passivierten
Bereiche werden so dicht nebeneinander angelegt, daß sie einander überschneiden.
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In Fig. 3 ist eine Wand 1 dargestellt, die beispielsweise Teil einer
Deponieumschließung sein könnte. Wände von DeponieumschlieBungen zum Schutze des
Grundwassers müssen aus Dichtungsmassen bestehen, deren Durchlässigkeitsbeiwert
kleiner ist als 10 8 m/s. Eine derartige, beispielsweise
aus einem
Gemisch von Zement, Ton und Wasser hergestellte Dichtungsmasse wird von einem stark
betonaggressiven Wasser angegriffen.
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Beispielsweise soll angenommen werden, daß ein stark betonaggressives
Wasser einen pH-Wert in der Größenordnung von 5 und einen Elektrolytgehalt von 1000
mg/l Magnesium aufweist, wobei das Magnesium als Chlorid vorliegt. Zur Neutralisierung
eines derartigen sauren Wassers und der Magnesiumausfällung kann beispielsweise
als kostengünstige Suspension eine Mischung von pulverförmigem Natronwasserglas
und Wasser in den Boden injiziert werden. Das alkalisch reagierende Wasserglas bindet
die Säure als Natriumsalz und fällt das Magnesium als unlösliches Magnesiumhydroxid
aus, wobei gleichzeitig kolloidales Kieselsäuregel entsteht. Diese Reaktionsstoffe
sind gegenüber der Dichtungsmasse passiv. Hierdurch ergibt sich eine zusätzliche
nachdichtende Wirkung, die durch das Einwandern der Reaktionsstoffe in die Wand
erfolgt. Für dieses Beispiel würde der Passivatorverbrauch nach stöchiometrischer
Berechnung je m2 Dichtungswand und 1 Jahr Passivierungsdauer bei 12 kg Wasserglas
liegen. Dieser Wert wird sich durch Collamation noch erheblich reduzieren.
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L e e r s e i t e