DE3632247A1 - Verfahren zur herstellung von nachhaertendem material - Google Patents

Verfahren zur herstellung von nachhaertendem material

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DE3632247A1 DE19863632247 DE3632247A DE3632247A1 DE 3632247 A1 DE3632247 A1 DE 3632247A1 DE 19863632247 DE19863632247 DE 19863632247 DE 3632247 A DE3632247 A DE 3632247A DE 3632247 A1 DE3632247 A1 DE 3632247A1
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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von nachhärtendem Material, ionsbesondere zur Ausfüllung/Abdichtung von Hohlräumen durch Injektion und zur Bodenverfestigung, wobei Wasser, Zement und körniges Zusatzmaterial miteinander vermischt werden und man das Gemisch hart werden läßt.
Bei dem Bau von Tunneln, Straßen, unterirdischen Bunkern und ähnlichem verbleiben häufig hinter der Abdeckung oder Ausmauerung unausgefüllte Hohlräume, die unter Einwirkung der veränderlichen - eventuell dynamischen - Belastungen einstürzen und dadurch größe Schäden verursachen können. Sowohl im Berg- als auch im Tunnelbau stellt das sorgfältige Ausfüllen der Hohlräume hinter der Ausmauerung eine wichtige Aufgabe dar. Zur Erfüllung derartiger Hohlraumausfüllaufgaben wird im allgemeinen irgendein Materialgemisch mit Zementbindung verwendet.
Zur Instandsetzung von schadhaft gewordenen Kanälen, insbesondere Beton- bzw. Stahlbetonabwasserkanälen ist eine Methode bekannt, nach der in den bereits vorhandenen Kanal Kunststoffrohre kleinerem Durchmesser als der des Kanals eingezogen und der Hohlraum zwischen den beiden Rohren mittels Zementmörtel ausgefüllt wird.
Die zur Zeit bekannten und verwendeten Injektionsstoffe sinken häufig ab, gewährleisten keine vollkommene Hohlraumausfüllung und beseitigen so die Gefahr des Auftretens von Einsenkungen der Bodenoberfläche und die Sicherheit der Ausmauerung gefährdenden Lockerungen unter unterschiedlichen Erddrücken nicht.
Aus der HU-PS 1 59 349 ist ein Versetzverfahren bekannt, wonach Schlamm, Zement, Wasserglas und fallweise Natriumnitrat und eine Bitumenemulsion mit Wasser vermischt werden und das Gemisch hinter die Tunnelausmauerung injiziert wird. Probleme verursacht der Umstand, daß das Bitumen - auch warmgewalzt - recht schlecht an Silikaten haftet und so mehrfache Schichttrennungen namentlich zwischen Silikat - Wasserglas, Bitumen - Silikat und Bitumenemulsionsphasen eintreten. Infolge der Risse vermindert sich die Druckfestigkeit und die Risse öffnen den Weg für das Wasser sowie den sandigen Schlamm. Mit diesem Material kann also keine vollkommene Hohlraumausfüllung erreicht werden.
Bekannt ist auch ein Injektionsmörtel, der durch das Vermischen von Zement, Flußsand, Bentonit sowie eines Plastifikators hergestellt wird. Obwohl das Natrium-Bentonit die Stabilität von Sand-Zement-Mörtel erhöht und die Wasserabgabe vermindert, kann auch mit diesem Material keine schrumpfungsfreie Raumausfüllung sichergestellt werden.
Zur Bodenverfestigung sind seit langem verschiedene Chemikalien (Akrylate, Peroxosulfate usw.) bekannt, die unter Zugabe von Natriumthiosulfat im Boden polymerisieren. Die Verwendung von Furfurolharzen, Silikonen sowie fettsauren Quarteren, Amoniumsalzen und Polyurethan-Derivaten auf diesem Gebiet ist ebenfalls wohl bekannt (Chemie Engineering News, 33. 1640. 1955).
Der gemeinsame Nachteil der Kunststoffverfestigungsmittel besteht darin, daß ihre Verwendung auch in geringen Mengen außerordentlich kostenaufwendig ist, d. h. daß sie zu Versetzarbeiten funktionell nicht verwendet werden können. Auch ihr Einsatz zur Bodenverbesserung in der Landwirtschaft ist so teuer, daß sie keine Verbreitung finden konnten.
Der schwerwiegendste Nachteil des bei der vorgenannten Kanalinstandsetzungsmethode verwendeten Zementmörtels besteht darin, daß er schrumpft und so die statische Zusammenarbeit des vorhandenen Betonkanals und des Kunststoffrohres beeinträchtigt wird.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein nachhärtendes Material bereitzustellen, das nach seiner Erhärtung bzw. Verfestigung nicht schrumpft, im Gegenteil sogar wesentlich anschwillt, gut aushärtet und hierbei nicht kostenaufwendig ist.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß die Silikate die Peroxide, insbesondere das Wasserstoffperoxid, katalytisch spalten, d. h. deren Sauerstoffabspaltung wie folgt recht beschleunigen können:
2 H2O2 + SiO2 = 2 H2O + O2 + SiO2
In dem Vorgang wirkt das Silikat (der Mörtel) als Katalysator.
Die Geschwindigkeit der Gasbildung wird durch die Qualität des Silikats und die Konzentration des Peroxids beeinflußt.
Grundlage der Erfindung ist weiterhin die Erkenntnis, daß unter Verwendung der reaktiven Kraft des sich bildenen Gases auch solche Hohlräume bzw. Hohlraumteile ausgefüllt werden können, die mit Hilfe der Mittel der mit Überdruck arbeitenden Injektionstechnik bereits unerreichbar sind. (Der Einpreßradius des seit bereits langer Zeit verwendeten, als klassisches Verfestigungsmittel bekannten Warmbitumens beträgt z. B. bei einem Überdruck von 10 bar insgesamt nur 1,5 m.)
Aufgrund dieser Erkenntnisse wurde die gestellte Aufgabe dadurch gelöst, daß Wasser, Zement und ein körniger Zusatzstoff miteinander vermischt werden und man das Gemisch hart werden läßt, wobei das Gemisch unter Zugabe von Peroxid und ggf. Bentonit hergestellt wird. Im allgemeinen gelangt Wasserstoff- oder Bariumperoxid zur Verwendung: letzteres wird insbesondere verwendet, wenn das nachhärtende Material im Zusammenhang mit dem Strahlenschutz angewendet werden soll. Als Bentonitkomponente ist die Verwendung von aktiviertem Natriumbentonit am zweckdienlichsten. Das Bentonit verlangsamt übrigens die Sauerstoffabgabe - dies kann in gewissen Anwendungsfällen erforderlich werden - weiterhin verhindert es infolge seiner Gelatinierwirkung den Wasserabfluß aus dem Gemisch, was bei dem Injizieren von Nutzen sein kann.
Vorteilhafterweise werden Stoffe auf Silikatbasis, insbesondere Sand und/oder Lehm, verwendet; am zweckdienlichsten ist die Verwendung von Grobsand mit einer Korngröße von 0,2 bis 2 mm (z. B zur Ausfüllung von Hohlräumen) oder von Feinsand mit Korngrößen unter 0,2 mm (z. B. zur Verfestigung von Lehmböden). Als Zement wird am vorteilhaftesten Portlandzement der Qualität C 350 verwendet. Der Lehm wird zweckdienlicherweise in zerkleinertem (vorbereitetem) Zustand zugemischt.
Nach einem weiteren Erfindungsmerkmal wird zur Herstellung des Gemisches vorteilhafterweise eine 25 bis 30%-ige Peroxidlösung, zweckdienlicherweise Wasserstoff-Peroxidlösung verwendet.
Für eine weitere vorteilhafte Variante des Verfahrens ist kennzeichnend, daß im ersten Schritt das Peroxid mit dem Wasser oder einem Teil desselben vermischt und die weiteren Komponenten diesem Peroxid enthaltenden Wasser zugemischt werden.
Schließlich ist zweckdienlich, wenn zur Verwendung eines Gemisches von einem Kubikmeter 300 bis 500 kg Zement, 50 bis 150 kg Lehm oder/und 200 bis 400 kg Sand, ggf. 20 bis 150 kg Bentonit sowie 5 bis 20 Liter 25 bis 30%-ige Peroxidlösung oder eine dieser entsprechende Menge Peroxid verwendet werden.
Die Erfindung wird im weiteren anhand von Beispielen erläutert.
Beispiel 1
Ein lockerer Sandboden wird mit der Injektionstechnologie unter Verwendung des erfindungsgemäßen Materials verfestigt. Der zu verfestigende Sandboden hat eine grobe Struktur, d. h. er ist großporig. Das Volumengewicht beträgt 1500 kg/m3.
Das zum Auffüllen der Poren und zur Verfestigung dienende Materialgemisch wird nach folgender Rezeptur (auf 1 m3 Mörtel bezogen) zubereitet:
8 Liter 30%-ige Wasserstoffperoxidlösung
420 kg Portlandzement C 350
300 kg Grobsand der Korngröße 2,0 bis 0,2 mm
Wasser.
Im ersten Schritt wird das Wasserstoffperoxid dem beizumengenden Wasser zugegeben und darin gründlich vermischt. Dann werden die übrigen Komponenten zugegeben, bzw. der Wasserstoffperoxid enthaltenden Flüssigkeit zugemischt. Die Wassermenge wird so gewählt, daß die Viskosität des Mörtels das Injizieren ermöglicht.
Der nach vorstehender Rezeptur hergestellte Mörtel, der mit dem Sauerstoff, der sich unter der katalytischen Wirkung der Silikate aus dem Peroxid abspaltet, zusammen dreiphasig feste Phase, Wasser und Gas) ist, ist sehr gut injizierbar, schwillt nach dem Eindringen in die Poren, erhärtet nach einer dem Injizieren folgenden abgrenzbaren Zeitdauer und auch die Endfestigkeit des gebundenen Materials ist größer als die der zur Zeit bekannten - unter Verwendung von Zement der gleichen Menge angefertigten - Mörtel. Der erfindungsgemäße Mörtel gewährleistet eine vollkommene Hohlraumausfüllung und demzufolge eine vollkommene Verfestigung des Bodens.
Beispiel 2
Ein Lehmboden, d. h. ein einen geringen Hohlraumanteil, ein Volumengewicht von ca. 2000 kg/m3 aufweisender Boden wird unter Verwendung von nach dem erfindungsgemäßen Verfahren gefertigtem Mörtel unter Anwendung der Injektionstechnologie verfestigt.
Zur Herstellung von 1 m3 Mörtel werden dem Wasser 15 Liter einer 30%- igen Wasserstoffperoxidlösung zugegeben und diese mit dem Wasser gründlich vermischt. Zu der so erhaltenen Flüssigkeit werden 400 kg Portlandzement C 350, 100 kg vorbereiteter (zerkleinerter) Lehm sowie 100 kg Natriumbentonit zugegeben. Der dreiphasige Mörtel wird - in an sich bekannter Art und Weise - in den Boden injiziert, wo er dann entsprechend der Angaben unter Beispiel 1 anschwillt und nach Bindung eine vollkommene Porenausfüllung und effektive Bodenverfestigung herbeiführt.
Beispiel 3
Ein schadhaft gewordener Betonkanal wird durch Einziehen eines harten, selbsttragenden Kunststoffrohres sowie durch Ausfüllen des zwischen den beiden Rohren zurückbleibenden Hohlraumes mittels nachhärtendenden, injizierten Materials instandgesetzt. Der nachhärtende Mörtel wird aufgrund folgender für 1 m3 Mörtel geltenden Rezeptur hergestellt:
11 Liter 25%-ige Wasserstoffperoxidlösung
320 kg Portlandzement C 350
350 kg Grobsand, Korngröße bis 2 mm
75 kg aktiviertes Natriumbentonit
Wasser.
Auch in diesem Falle wurde im ersten Schritt das Wasser und das Wasserstoffperoxid vermischt und dann wurden die übrigen Komponenten dem Vorgemisch zugeführt. Der erhaltene dreiphasige Mörtel bewirkt nach seinem Injizieren in den Hohlraum zwischen dem Beton- und dem Kunststoffrohr durch sein bis zum Einsetzen des Abbindens anhaltendes Anschwellen nicht nur eine vollkommene fugenfreie Ausfüllung des ringförmigen Hohlraumes, sondern beeinflußt das statische Verhalten der von den beiden Rohren und der verfestigten Mörtelschicht gebildeten Tragkonstruktion günstig, weil er dieser eine Art Vorspannung verleiht.
Die mit dem Abbinden des Mörtels verbundenen günstigen Wirkungen sind folgende: Das infolge der Sauerstoffabspaltung aus Peroxid entstehende Gas ist nicht explosionsgefährlich, nicht giftig, biologisch sogar vorteilhaft, wobei es den flüssigen Mörtel für eine bestimmte Dauer - infolge seiner pneumatischen Rührwirkung - in dünnflüssigem Zustand hält, so daß der Mörtel, so lange die Gasbildung anhält, von der Stelle, wohin er injiziert wurde, sogar zurückgesaugt werden kann. Die Gasbildung trägt - nachdem sie praktisch bereits abgeschlossen ist - in annehmbarer Weise zur Verstärkung der Silikatbindung durch den Einbau von Sauerstoffbrücken bei. Demzufolge übertrifft auch die Druckfestigkeit des erhärtenden Mörtels den Wert, der durch Verwendung von nur Zement und körnigem Zusatzmaterial erreichbar ist. Einen weiteren Vorteil bedeutet der Umstand, daß nur ein Teil des sich bildenen Sauerstoffes in das Silikat eingebaut wird; der andere Teil macht den Mörtel mikroporös und in letzterem setzt eine langsame Geldiffusion ein. Auf diese Weise schrumpft einerseits das Material keineswegs, sondern schwillt für eine gewisse Dauer und bis zu einem gewissen Maß an, andererseits vermindert sich auch sein Volumengewicht. Seine Eigenschaften des Schwellens, der vorzüglichen Injizierbarkeit und die hohe Festigkeit machen das Material für sämtliche Aufgaben des Auffüllens von Hohlräumen geeignet; natürlich ist das "Hohlraumausfüllen" - wie dies auch aufgrund der vorstehend eingehend dargelegten Beispiele feststellbar ist - in der weitestmöglichen Auslegung zu verstehen, d. h. auch die Bodenverfestigung - d. h. das Ausfüllen der Bodenporen - gehört in diesen Begriffskreis.
In Abhängigkeit von der jeweiligen Anwendung sind Qualität und Menge der Komponenten veränderlich und durch Änderung der Wassermenge kann auch die Viskosität des Mörtels zwischen weiten Grenzen verändert werden. Darüberhinausgehend, daß der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Mörtel zum Ausfüllen der verschiedensten Hohlräume (unterirdische alte Keller, Bunker; Tunnelausmauerungen, unausgefüllte Hohlräume hinter Grubenausbauungen; Spalten zwischen Bauteilen, z. B. durch die Wand geführten Rohren und den Durchbrüchen usw.) vorzüglich geeignet ist, kann er auch für andere Zwecke, so z. B. zur Herstellung von Bauelementen und Raumabgrenzkonstruktionen in Gebäuden, z. B. Wänden, durch das Injizieren und Zurücksaugen des Mörtels zum Abdichten der Poren von Baukonstruktionen, die wasserdicht sein sollen, z. B. Betonrohren usw., verwendet werden.

Claims (12)

1. Verfahren zur Herstellung von nachhärtendem Material, insbesondere zum Ausfüllen von Hohlräumen durch Injektion und zur Bodenverfestigung, in dessen Verlauf Wasser, Zement und körniges Zusatzmaterial miteinander vermischt werden und man das Gemisch hart werden läßt, dadurch gekennzeichnet, daß das Gemisch unter Zugabe eines Peroxids und - ggf. - Bentonit hergestellt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gemisch unter Zugabe von Wasserstoffperoxid hergestellt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gemisch unter Zugabe von Bariumperoxid hergestellt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Gemisch unter Zugabe von aktiviertem Natriumbentonit hergestellt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als körniges Zusatzmaterial solches auf Silikatbasis, insbesondere Sand und/oder Lehm, verwendet wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Herstellung des Gemisches grober Sand mit einer Korngröße von 2 bis 0,2 mm oder Sand mit einer Korngröße unter 0,2 mm verwendet wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Herstellung des Gemisches Portlandzement C 350 verwendet wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Herstellung des Gemisches vorbereiteter (zerkleinerter) Lehm (Ton) verwendet wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Herstellung des Gemisches 25 bis 30%-ige Peroxidlösung, insbesondere Wasserstoff-Peroxidlösung verwendet wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß im ersten Schritt das Peroxid mit dem Wasser oder einem Teil desselben vermischt und die übrigen Komponenten dem Peroxid enthaltenden Wasser zugemischt werden.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung von 1 m3 Gemisch 300 bis 500 kg Zement, 50 bis 150 kg Lehm (Ton) und/oder 200 bis 400 kg Sand, ggf. 20 bis 150 kg Bentonit sowie 50 bis 20 Liter 25 bis 30%-ige Peroxidlösung oder eine dementsprechende Menge von Peroxid verwendet werden.
12. Verfahren zum Ausfüllen von Hohlräumen durch Injizieren oder sonstiges Einbringen eines Mörtels, dadurch gekennzeichnet, daß als Mörtel ein nach einem der Ansprüche 1 bis 11 hergestelltes Gemisch verwendet wird.
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