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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Gebiet der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft allgemein die Sanierung oder Reparatur von Abwassersystemkomponenten,
wie z. B. Einsteiglöcher,
Kanalisationsrohre, Hebestationen oder Klärbecken, durch die Aufbringung
einer Mehrschichtauskleidung. Genauer betrifft die Erfindung die
Sanierung solcher Systeme, bei denen die Mehrschichtauskleidung
durch Sprühen
aufgebracht wird und mindestens eine Spachtelschicht und eine Barriereschicht
umfasst. Noch genauer umfasst die Erfindung eine solche Auskleidung,
bei der die Spachtelschicht aus einem Urethanschaum besteht und
die Barriereschicht aus einem Polycarbamid- und Isocyanat-Polymergemisch
besteht. Wahlweise kann die Spachtelschicht ein Epoxy- und die Barriereschicht
ein Polycarbamidschaum sein. In einer zweiten Ausführungsform
betrifft die Erfindung eine Mehrschichtauskleidung bestehend aus
einer ersten Barriereschicht, einer Spachtelschicht und einer zweiten
Barriereschicht.
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Beschreibung des Standes der
Technik
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Die
Alterung von Abwassersystemkomponenten ist ein ernstes und zunehmendes
Problem. Nachdem sie ursprünglich
aus Ziegel-, Stein- oder Betonkonstruktionen gebaut sind, entwickeln
diese Komponenten aufgrund von Alter, Erosion, Korrosion und Eindringen
von Grundwasser Lecks, Spalte und Löcher. Leckage aus alten Einsteiglöchern und
Kanalisationsleitungen verunreinigt die Umwelt und führt manchmal
zu katastrophalem Schaden im Hinblick auf Reinigungs- und Reparaturkosten.
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Viele
Betonstrukturen, wie z. B. Eindämmbereiche
oder -teiche, erfordern eine Auskleidung, um Leckage des enthaltenen
Materials in den Beton und angrenzenden Boden zu verhindern und
Korrosion oder Alterung des Betons durch das Material zu verhindern,
das oft korrosiv und/oder toxisch ist. Aufgrund der Größe der meisten
dieser Strukturen ist eine vorgeformte Auskleidung sowohl unpraktisch
als auch teuer. Daher wäre
eine Aufsprühauskleidung hilfreich,
die relativ schnell, einfach und zu verringerten Kosten aufgetragen
werden kann.
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Da
die Kosten der Reparatur der Komponenten typischerweise deutlich
geringer als die Kosten des Austauschs sind, wurden viele Methoden
entwickelt, um Abwassersystemkomponenten zu reparieren und zu sanieren.
Es ist zum Beispiel bekannt, Einsteiglöcher und dergleichen durch
die Verwendung von Formen und gegossenem Beton umzuformen, wie z.
B. im
US-Patent Nr. 5 032 197 von
Trimble gezeigt. Da dieser Prozess sehr arbeitsintensiv ist, richten
sich viele Methoden auf sprühaufgebrachte
Auskleidungen. Zum Beispiel lehrt Strong im
US-Patent Nr. 5 002 438 die Verwendung
von gesprühtem
Zement, um in der alternden Struktur eine Auskleidung zu bilden.
Sprühaufgebrachte
Epoxy-, Acryl- oder Polyurethanauskleidungen sind ebenfalls bekannt,
wie auch die Verwendung von harzimprägnierten Substraten, wie z.
B. Filz, wie im
US-Patent Nr.
5 017 258 von Brown et al. gelehrt. Die derzeitigen sprühaufgebrachten
Systeme leiden unter Feuchtigkeit, Delaminierung, Schrumpfen und
Problemen struktureller Schwäche,
die aus der typischen Umgebung entstehen, auf die man beim Reparaturvorgang
trifft.
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US-Patent Nr. 5 618 616 von
Hume beschreibt eine Technik und eine Einrichtung zur Sanierung
von Abwassersystemkomponenten, wobei eine Mehrschichtauskleidung
verwendet wird, um den Komponenten strukturelle Festigkeit und Integrität zu verleihen.
Die Mehrschichtauskleidung von Hume besteht aus einer Grundierungsschicht,
einer ersten Feuchtigkeitsbarriereschicht, einer Schaumschicht und
einer zweiten Feuchtigkeitsbarriereschicht. Die Grundierungsschicht
wird direkt auf die Oberfläche der
Abwassersystemkomponenten aufgebracht und kann auf eine feuchte
Oberfläche
aufgebracht werden. Typischerweise ist die Grundierungsschicht ein Epoxymaterial.
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Es
ist eine Aufgabe dieser Erfindung, ein Verfahren und eine besondere
Auskleidungsstruktur zur Reparatur von Abwassersystemkomponenten bereitzustellen,
die sprühaufgebracht
wird und nicht unter Problemen bezüglich Feuchtigkeit, Delaminierung,
Schrumpfen und struktureller Schwache leidet.
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Es
ist eine weitere Aufgabe, eine solche Erfindung bereitzustellen,
die aufgrund der einzigartigen Zusammensetzung der Schichten innerhalb
des auf die Komponente aufgebrachten Mehrschichtlaminats die strukturelle
Integrität
der reparierten Komponente erhöht.
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Es
ist eine weitere Aufgabe, eine solche Erfindung bereitzustellen,
die auf eine Oberfläche
mit jeglicher Form mit jeglicher Anzahl von Unregelmäßigkeiten
aufgebracht werden kann und die eine schnelle Aushärtezeit
aufweist.
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Gemäß
WO01/68997 ist eine Doppelschichtauskleidung
zum Auskleiden von bereits vorhandenen Betonstrukturen vorgesehen,
umfassend:
eine Spachtelschicht und eine Barriereschicht, wobei die
Barriereschicht auf der Spachtelschicht und ohne jegliche Eingriffteile
dazwischen angeordnet ist. Die vorliegende Erfindung ist dadurch
gekennzeichnet, dass die Spachtelschicht und die Barriereschicht
jeweils einen Schaum umfassen.
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Die
Erfindung ist eine Einrichtung zum Sanieren oder Reparieren von
Abwassersystemkomponenten und dergleichen oder zum Auskleiden und/oder
anderer Betonstrukturen wie z. B. Betoneindämmbereiche und kann eine sprühaufgebrachte Mehrschichtauskleidung
umfassen, die die Komponenten abdichtet und ihnen strukturelle Integrität verleiht.
Die Spachtelschicht kann auf eine trockene, vorbehandelte Oberfläche aufgebracht
werden, typischerweise eine Beton- oder Zementoberfläche. Die Barriereschicht
wird auf die Spachtelschicht aufgebracht. Die Kombination der Spachtelschicht
und der Barriereschicht kann der ausgehärteten Auskleidung strukturelle
Festigkeit und Steifheit verleihen, abhängig von der spezifischen Kombination
der verwendeten Auskleidungsmaterialien. Sowohl die Spachtelschicht
als auch die Barriereschicht sind typischerweise ein schnell härtendes
Material. Vorzugsweise ist die Spachtelschicht ein Urethanschaum,
und die Barriereschicht ist ein Polycarbamid- und Isocyanat-Gemisch.
Die Spachtelschicht kann auch ein Epoxy- und die Barriereschicht
ein Polycarbamidschaum sein.
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Gemäß einem
zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum
Auskleiden bereits vorhandener Betonstrukturen vorgesehen, umfassend:
Reinigen
einer Oberfläche
der Betonstruktur,
Aufbringen einer Spachtelschicht und einer
Barriereschicht auf die Betonstruktur, wobei die Barriereschicht
auf der Spachtelschicht angeordnet ist; und dadurch gekennzeichnet,
dass
die Spachtelschicht und die Barriereschicht jeweils einen Schaum
umfassen.
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1 ist
eine perspektivische Querschnittsansicht eines Abschnitts der Doppelschichtauskleidung,
wie sie auf ein Betonsubstrat aufgebracht wird.
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2 ist
eine perspektivische Querschnittsansicht eines Abschnitts der Mehrschichtauskleidung,
wie sie auf ein Betonsubstrat aufgebracht wird.
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3 ist
eine perspektivische Querschnittsansicht eines Abschnitts der Schaumauskleidung, wie
sie auf ein Betonsubstrat aufgebracht wird.
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Die
Auskleidungen der vorliegenden Erfindung werden unter Verwendung
herkömmlicher Druckluftverfahren
sprühaufgebracht,
um gealterte Abwassersysteme zu sanieren und zu reparieren oder
auf andere Weise Betonstrukturen auszukleiden. Die Auskleidungskomponenten
weisen schnelle Aushärteraten
auf, und die ausgehärtete
Auskleidung verleiht den ausgekleideten Komponenten typischerweise
strukturelle Festigkeit und Integrität.
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Abwassersystemkomponenten,
wie z. B. Einsteiglöcher,
Kanalisationsrohre, Hebe- oder Pumpstationen und Klärbecken
degenerieren und alter mit der Zeit – was zum Verlust von Integrität und Lecken
von flüssigen
Komponenten in die Umwelt führt.
Auf ähnliche
Weise alter viele andere ähnliche Beton-
oder Metallstrukturen und müssen
auf schnelle, effektive Weise repariert werden. Viele Betonstrukturen,
wie z. B. Betonrückhaltebereiche
brauchen möglicherweise
eine Auskleidung, um Aussickern, Lecken oder Alterung herrührend von
dem darin enthaltenen oft giftigen oder korrosiven Material zu verhindern.
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Wie
durch die Schnittdarstellung in 1 gezeigt,
umfasst die Erfindung eine Doppelschichtauskleidung 11,
die auf ein Beton-, Ziegel-, Stein-, Metall- oder ähnliches
Substrat 20 aufgebracht wird. Typischerweise ist das Substrat 20 ein
gealtertes Einsteigloch oder Kanalisationsrohr mit einer unregelmäßigen Oberfläche mit
Spalten oder Löchern,
aber es kann auch jegliches Substrat sein, das Schutz benötigt, wie
z. B. eine Betonrückhaltestruktur.
Die Auskleidung 11 umfasst in einer ersten Ausführungsform eine
Spachtelschicht 25 und eine Barriereschicht 30. In
einer zweiten Ausführungsform
und wie in 2 gezeigt, kann die Auskleidung 10 auch
eine erste Barriereschicht 12, eine Spachtelschicht 13 und
eine zweite Barriereschicht 14 umfassen. Die Auskleidung 10 ist
so aufgebracht, dass sie die gesamte innere Oberfläche des
Substrats 20 bedeckt, das üblicherweise von allgemein
rohrartiger Konfiguration ist, obwohl jegliche Form oder Konfiguration
möglich
ist, und das Verfahren ist ohne Berücksichtigung der besonderen
Form des Substrats anwendbar.
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In
der ersten Ausführungsform
der Erfindung wird die Substratoberfläche 20 anfänglich hergestellt, indem
Wasser unter Hochdruck oder abrasives Sandstrahlen verwendet wird,
um alle harten Fremdkörper,
jegliche Mikroorganismen oder lebende Masse wie z. B. Schimmelpilze,
Moder etc. und jegliche lose degenerierte Materialien des Substrats
selbst zu entfernen. Die Substratoberfläche 20 wird dann unter Verwendung
von Wärme
getrocknet. Dieser Trockenvorgang eliminiert die Notwendigkeit,
eine Grundierung zu verwenden, um die Substratoberfläche zu behandeln,
wie im Stand der Technik. Die Spachtelschicht 25 wird direkt
auf das Substrat 20 aufgebracht. Die Wärme, um die Substratoberfläche zu trocknen,
kann durch jegliches im Stand der Technik bekannte Mittel zugeführt werden.
Die Schleif- und Trockenschritte
führen
zu einer sauberen Oberfläche mit
einer optimierten Oberfläche
zum Anhaften der Auskleidung. Wo ein Epoxy als Spachtelschicht verwendet
wird, muss das Substrat vor dem Aufbringen der Spachtelschicht nicht
getrocknet werden. Als nächstes
wird die Spachtelschicht 25 unter Verwendung herkömmlicher
Druckluftsprüheinrichtungen sprühaufgebracht.
In einer Ausführungsform
besteht die Spachtelschicht 25 vorzugsweise aus einem Polyurethangemisch,
das auf den Austritt aus der Sprühdüse des Aufbringgeräts hin schnell
schäumt und
aushärtet.
Vorzugsweise ist das Schaummaterial primär geschlossenzellig und weist
eine Anstiegszeit von weniger als 30 Sekunden und vorzugsweise weniger
als 10 Sekunden auf. Die Spachtelschicht 25 wird vorzugsweise
aufgebracht, um zu einer Trockenstärke von mindestens 12.700 Mikron
(500 Mils) zu führen,
obwohl die Spachtelschicht insgesamt oder in ausgewählten Bereichen
dicker sein kann, wenn nötig.
In einer weiteren Ausführungsform
kann ein Epoxymaterial verwendet werden, um die Spachtelschicht
zu bilden. Abhängig
von der Stärke
der Spachtelschicht 25 und dem spezifischen Substratmaterial,
das abgedeckt wird, kann die Spachtelschicht wie aufgebracht eine
glatte innere Oberfläche erzeugen,
wobei seine Masse jegliche Löcher,
Vertiefungen oder Spalte in der Substratoberfläche 20 ausfüllt.
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Schließlich wird
die Barriereschicht 30 über die
gesamte Oberfläche
der Spachtelschicht 25 sprühaufgebracht. Die Barriereschicht 30 kann
ein Polymergemisch von separaten Komponenten sein, die gemischt
werden, wenn sie die Sprühdüse verlassen,
wobei die Komponenten reagieren, um infolge des Aushärtens ein
hartes Material zu bilden. Vorzugsweise wird ein Gemisch aus einer
Polycarbamidkomponente und einer Isocyanatkomponente verwendet,
wobei die beiden Komponenten so gestaltet sind, dass sie ähnliche
Viskositäten
aufweisen. In einer alternativen Ausführungsform kann die Barriereschicht 30 ein
Polycarbamidschaum sein. Vorzugsweise wird die Barriereschicht 30 auf
eine Trockenfilmstärke
von vorzugsweise zwischen 1016 bis 2032 Mikron (40 bis 80 Mils)
aufgebracht, noch bevorzugter auf eine Stärke von 1524 Mikron (60 Mils).
Es ist jedoch verständlich,
dass die spezifischen Charakteristika der Barriereschicht von der
spezifischen Anwendung vorgegeben werden. Das für die Barriereschicht verwendete
Material sollte eine Gelzeit von weniger als einige Sekunden und
vorzugsweise weniger als drei Sekunden mit einer Gesamtaushärtezeit
von weniger als 60 Sekunden und vorzugsweise weniger als 30 Sekunden
aufweisen und während des
Aushärten
minimales Schrumpfen aufweisen. Diese schnelle Aushärtung ist
notwendig, um Integrität
der Barriereschicht sicherzustellen, selbst wenn sie unter nicht
optimalen Bedingungen aufgebracht wird. Das bevorzugte Polycarbamid-
und Isocyanatgemisch weist eine Zugfestigkeit von mehr als 10,34 Mpa
(1500 psi), ein Ausdehnungsverhältnis
von 125%, Reißfestigkeit
von 2,41 Mpa (350 psi), eine Shore-D-Härte von 55 und einen 100%-Modulus
von größer als
1500 auf. Die Barriereschicht ist für Wasser und andere Flüssigkeiten
undurchlässig
und ist eine strukturell steife Schicht, die so an dem Substrat haftet,
dass sie unter Zugtestbedingungen von größer als 20,07 Mpa (300 psi)
haften bleibt.
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In
einer zweiten Ausführungsform
der Erfindung, wie in 2 gezeigt, besteht die Auskleidung 10 aus
einer ersten Barriereschicht 12, einer Spachtelschicht 13 und
einer zweiten Barriereschicht 14. Die Barriereschichten
weisen die gleichen Eigenschaften auf wie für die Barriereschicht der ersten Ausführungsform
beschrieben. Auf ähnliche
Weise ist die Spachtelschicht 13 der zweiten Ausführungsform
identisch mit der Spachtelschicht 25 der ersten Ausführungsform.
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Das
Substrat 20 wird hergestellt wie vorstehend beschrieben,
und die erste Barriereschicht wird darauf sprühaufgebracht. Die Spachtelschicht 13 wird
dann aufgebracht, um die erste Barriereschicht 12 vollständig zu
bedecken. Die zweite Barriereschicht 14 wird dann aufgebracht,
um die Spachtelschicht 13 zu bedecken.
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Die
resultierende Auskleidung 10 aus der ersten oder zweiten
Ausführungsform
ist eine wasserundurchlässige
Barriere, die stark an dem Substrat haftet, was verhindert, dass
Flüssigkeiten
aus dem Abwassersystem oder der Betonstruktur auslecken, und auch
verhindert, dass Grundwasser in das System eintritt. Bezüglich der
Langlebigkeit noch wichtiger ist, dass die Auskleidung 10 ein
Strukturelement ist, das die Komponenten des Wassersystems festigt,
egal, in welchem Ausmaß sie
gealtert sind oder in welchem Ausmaß sie korrosiven Substanzen
oder Materialien ausgesetzt sind. Bisher verwendete wasserundurchlässige Auskleidungen,
ob sie aus epoxy-, acryl-, polyurethan- oder harzimprägnierten
Substraten bestehen, haften nicht stark an dem Substrat und neigen
dazu, mit der Zeit zu delaminieren. Diese typischen Auskleidungen
verstärken die
Systemkomponenten nicht und verleihen ihnen keine strukturelle Festigkeit.
Die Auskleidungen der vorliegenden Erfindung schaffen nicht nur
eine Flüssigkeitsbarriere,
sie vergrößern auch
die Stärke
der Abwassersystemkomponenten, indem sie ein Verstärkungselement
bereitstellen, das aufgrund seiner geschichteten Zusammensetzung
strukturell steif ist.
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Die
Auskleidung der zweiten Ausführungsform
ist ein gespanntes Verkleidungspaneel, bestehend aus einer strukturell
steifen inneren Schaumschicht, die durch zwei haftende Spachtelschichten eingegrenzt
ist – erste
Feuchtigkeitsbarriereschicht und zweite Feuchtigkeitsbarriereschicht –, die aufgrund
der schnellen Aushärterate
des Materials unter Spannung stehen, wenn sie aufgebracht werden. Diese
schnelle Aushärtezeit
lässt nicht
zu, dass innere Spannungen, die durch das geringe Ausmaß an Schrumpfung
während
des Aushärtens
erzeugt werden, entspannt werden, wie dies bei gesprühten Filmen
mit langen Aushärtezeiten
auftritt. Die Prinzipien der gespannten Verkleidungspaneele, die
in der Bauindustrie für
Wände von
großen
Gebäuden
wohlbekannt sind, stellen ein Strukturelement mit erhöhter struktureller
Stärke
und Integrität
von mehreren Faktoren bereit, die über die der individuellen Komponenten
einzeln genommen hinausgeht. Daher führt die Kombination des gespannten
Verkleidungspaneels, das durch die Mehrschichtkombination von erster
Feuchtigkeitsbarriereschicht, innerer Schaumschicht und zweiter
Feuchtigkeitsbarriereschicht, die an den Abwassersystemkomponenten
haften, aufgrund der verstärkenden
Eigenschaften der Auskleidung zu einer reparierten Komponente mit
außerordentlichen
strukturellen Charakteristika und ist gegenüber den heute verwendeten ein
deutlich verbessertes System.
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Wie
in 3 gezeigt, kann die Auskleidung 10 eine
Einzelschaumschicht 40 umfassen, die direkt auf die Betonoberfläche 20 aufgebracht
wird. Vorzugsweise wird zuerst die Betonoberfläche 20 hergestellt,
wie z. B. durch Druckwaschen gefolgt von Trocknen. Die Oberfläche wird
typischerweise unter Verwendung von Wärme getrocknet. Dann wird die Schaumschicht 40 unter
Verwendung eines jeglichen geeigneten, in der Industrie bekannten
Verfahrens aufgebracht. Der Schaum ist vorzugsweise ein Polycarbamidschaum
oder ein Polyurethanschaum. Wenn der Schaum trocknet und aushärtet, bildet
er einen inneren gehärteten
Mantel 42, einen dazwischen liegenden strukturellen und
isolierenden Kern 44 und eine äußere Bindungsschicht 46.
Der innere Mantel 42 ist typischerweise undurchlässig für Wasser
und andere korrosive oder toxische Chemikalien, die in dem ausgekleideten
System enthalten sein oder durch dieses hindurch fließen können. Der
innere Mantel 42 kann der Auskleidung auch eine gewisse
Steifigkeit und strukturelle Integrität bereitstellen. Der Zwischenkern 44 ist
typischerweise zellular in seiner Struktur und verleiht der Auskleidung
Festigkeit und Stabilität
und stellt aufgrund der in der zellulären Struktur des Kerns eingeschlossenen
Luft auch einen isolierenden Effekt bereit. Die äußere oder Bindungsschicht 46 interagiert
direkt mit der Substratoberfläche,
wobei sie typischerweise eine mechanische Bindung damit bildet und
die Auskleidung fest gegen das Substrat hält. Die äußere Schicht 46 kann auch
das Einsickern von ungewünschtem
Material in das System verhindern.
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Es
versteht sich, dass Fachleuten offensichtliche Äquivalente und Substitutionen
bekannt werden können.
Der wahre Umfang und die wahre Definition der Erfindung sollen daher
sein, wie in den folgenden Ansprüchen
dargelegt.