DE69326150T2

DE69326150T2 - Gipsbasiertes bindemittel für bodenbefestigung

Info

Publication number: DE69326150T2
Application number: DE69326150T
Authority: DE
Inventors: Olli Konstari; Pekka Lammi; Josef Lindell
Original assignee: Kemira Oyj
Current assignee: Kemira Oyj
Priority date: 1992-05-19
Filing date: 1993-05-18
Publication date: 2000-04-20
Anticipated expiration: 2013-05-19
Also published as: FI922265A; DE69326150D1; DK0650515T3; EP0650515A1; WO1993023494A1; FI93739C; NO944431D0; FI93739B; EP0650515B1; FI922265A0; NO944431L; ES2137258T3

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Bindemittel zur Verwendung zum Verfestigen von Bodenmaterialien und zum Reduzieren der Wasserdurchlässigkeit von wasserdurchlässigen Böden. Die Erfindung betrifft außerdem eine Bindemittelzusammensetzung, die dieses Bindemittel enthält und außerdem andere, per se bekannte Bindemittel enthält.
An vielen Orten werden die besten Baugebiete, in denen der Boden sehr geeignet ist, bereits genutzt. Aus diesem Grund muß sich das Bauen zunehmend auf Gebiete mit sehr weichem Boden konzentrieren, zum Beispiel Ton- oder Schluffboden, d. h. sogenannte bindige Böden. Daher muß der Boden tragfähig gemacht werden. Rammen von Pfählen war früher das häufigste Verfahren, um Boden für eine Bebauung geeignet zu machen. Pfahlrammen ist jedoch ein mühseliges, langsames und relativ teures Verfahren, besonders wenn es darum geht, Flächen, Straßen und Gehwege, Rohrleitungen und andere derartige Projekte in sicherer Weise anzulegen, so daß im Laufe der Zeit keine schädlichen Senkungen auftreten.
Solche Verfahren zur Verbesserung der Bodenfestigkeit sind zum Beispiel in der FI-Patentveröffentlichung 74772 beschrieben, bei denen flache Stücke einer elastischen, offenen Netzstruktur in den Boden eingebettet werden.
Die britische Anmeldungsveröffentlichung 2073090 A beschreibt ein Verfahren zur Verbesserung der Bodenfestigkeit, bei dem lange und breite Stücke aus einem elastischen Kunststoffmaterial parallel zueinander in den Boden eingebettet werden.
Seit den 1970er Jahren hat man begonnen, zunehmend Tiefenverfestigung durch ein hierfür entwickeltes Verfahren, bei dem eine bestimmte Verfestigungszusammensetzung über eine in den Boden eingetriebene rotierende Schneide injiziert wird, für die Verfestigung weicher Böden zu verwenden. Bei diesem Verfahren wird die Zusammensetzung in das umgebende Bodenmaterial eingemischt, mit dem sie reagieren, erstarren und eine tragende Säule bilden wird, die gewöhnlich einen Durchmesser von 30-120 cm hat.
Früher wurde gebrannter Kalk als Bindemittel verwendet. Gegenwärtig werden im allgemeinen gebrannter Kalk (CaO) und Zement in einem geeigneten Mischungsverhältnis verwendet.
Die finnische Anmeldungsveröffentlichung Nr. 812355 offenbart ein Verfahren zur Verbesserung der Festigkeit des Bodenplanums, bei dem einem Boden, der Feuchtigkeit enthält, sowohl Zement als auch Plastifizierer beigemischt werden. Diese Plastifizierer sind insbesondere per se bekannte Betonverflüssiger und/oder Betonfließmittel, und sie werden in einer Menge von 2,5-5%, bezogen auf den Zementgehalt, eingesetzt.
Sogenannte Quickton-Böden sind besonders schwierig hinsichtlich einer Verfestigung. Sie sind zum Beispiel in den nördlichen Teilen der Sowjetunion, in Skandinavien, in Kananda, in den nördlichen Teilen des Staates New York und in Neuseeland anzutreffen. Diese Tone sedimentierten ursprünglich in Meer- oder Seewassern innerhalb eines kurzen Zeitraumes während der ersten eiszeitlichen Erhebung über Meereshöhe. Jedoch verwandelten sich nur einige dieser Tonablagerungen später in empfindliche Quicktone. Solch ein Wandel war hauptsächlich auf die folgenden zwei Prozesse zurückzuführen: adsorbiertes Grundwasser kann den Salzgehalt des ursprünglichen Porenwassers des Tons ausgewaschen haben, oder eine aus Mooren oder Sümpfen stammende und als Dispersionsmittel dienende organische Substanz kann in den Ton gelangt sein. Der erste Prozeß war der bedeutendste bei den in Norwegen anzutreffenden Tonen, während Tone mit einem hohen Gehalt an organischem Material, die durch den zweiten Prozeß gebildet wurden, oft in Schweden und Kanada anzutreffen sind.
In ungestörtem Zustand besitzen Quicktone eine gewisse begrenzte Festigkeit, verflüssigen sich jedoch oft, wenn sie bewegt werden. Dieses Phänomen hat mehrere Quickton-Erdrutsche in Ost- und Mittelnorwegen verursacht, oft mit katastrophalen Folgen.
Mehrere chemische Verfestigungsformulierungen sind zuvor in solchen Tonen erprobt worden. Die Formulierungen haben Aluminiumchlorid (AlCl&sub3;) und Kaliumchlorid (KCl) enthalten. Quicktone sind auf zwei verschiedene Weisen verfestigt worden: der Ton kann mit den Chemikalien gemischt und verarbeitet werden, oder die Chemikalien können in ungestörten Quickton diffundieren gelassen werden. Der Nachteil des Salzdiffusionsverfahrens ist die lange Zeit, die es benötigt, um die erforderliche Durchdringung zu erreichen.
Chemikalien, die an Stelle von Kaliumchlorid verwendbar sind, schließen Kaliumnitrat, Kaliumsulfat, Ammoniumchlorid, Ammoniumnitrat und Ammoniumsulfat ein. Es ist vorteilhaft, das Mischen in einer solchen Weise durchzuführen, daß der verfestigte Ton eine Reihe von Schichten bildet, die sich an voneinander getrennten Orten in das Innere der Tonablagerung erstrecken und dadurch die gesamte tonhaltige Ablagerung verfestigen. Die gewünschte Größe, Lage und Anzahl der Schichten werden festgelegt. Eine wirksame Menge Aluminiumhydroxid wird an jedem Ort der Ablagerung in situ mit dem Ton gemischt, worauf dieses mit dem Ton reagieren und so die gewünschten Schichten bilden wird.
Die FI-Patentanmeldung 822412 beschreibt ein Verfahren zum Verfestigen von Tonboden, bei dem eine wirksame Menge an Aluminiumhydroxid mit dem Tonboden gemischt wird, wobei dem Aluminiumhydroxid vorzugsweise Kaliumchlorid, Kaliumnitrat, Kaliumsulfat, Ammoniumchlorid, Ammoniumnitrat oder Ammoniumsulfat zugesetzt worden ist.
Es ist bereits ein Tiefenverfestigungsverfahren durch Verwendung von ungelöschtem Kalk (CaO) bekannt. Kalk ist ein alter Verfestiger, der gelegentlich verwendet worden ist. In China wurde Kalk vor Jahrhunderten als Baumaterial verwendet. In den Vereinigten Staaten in der 1940er Jahren und in Europa in den 1950er Jahren wurde Kalk als Oberflächenverfestigungsmittel verwendet. Bei dem Tiefenverfestigungsverfahren wird Kalk mit dem Ton gemischt und verarbeitet, wodurch eine Reihe von Schichten entsteht, die sich in den Ton hinunter erstrecken. Diese Schichten schaffen in der Tonablagerung eine seitliche Verfestigung.
Sowohl das Kalkverfahren als auch das Kaliumchloridverfahren besitzen bestimmte Nachteile. Kaliumchlorid verfestigt einen ungestörten umgebenden Ton, jedoch nicht gestörten Ton. Überdies erzeugt ungelöschter Kalk eine inhomogene Verfestigung. Kalktaschen erzeugen spröde Zylinderkörper, die eine niedrige Seitenscherfestigkeit aufweisen. Überdies ist ungelöschter Kalk für Tone mit einem hohem Wassergehalt unbrauchbar.
Die finnische Patentveröffentlichung Nr. 77078 offenbart ein Verfahren zur Verbesserung der Bodenfestigkeit, bei dem eine Zusammensetzung aus Portlandzement und einem Alkalimetallsilikathydrat verwendet wird. Die Zusammensetzung kann zusätzlich gebrannten Gips, ein Verdickungsmittel, Siliziumfluorid und/oder ein Staubbindemittel enthalten. Die Zusammensetzung wird Füllboden beigemischt, der aus einem Aushub entfernt worden ist, wonach der Füllboden in den Aushub zurückgebracht und verdichtet wird.
Die üblichsten bisher bekannten Bindemittel zur Verbesserung der Festigkeit verschiedener Böden basieren auf Kalk und Zement. Sie werden im allgemeinen in einer Menge von 4-8 Gew.-%, bezogen auf das Trockengewicht des Bodens, verwendet. Das Beimischen erfolgt bei einem optimalen Wassergehalt, und danach wird der Boden verdichtet. Das Zementbindemittel bildet mit Wasser einen Zementleim, der nach etwa 2 Stunden zu erstarren beginnt. Das Kalkbindemittel (CaO und Ca(OH)&sub2;) bildet mit Wasser eine Paste, die in Wasser nicht anstreifen oder erstarren wird. Das Erstarren kann in einem feuchten Boden einsetzen, aber nicht in einem nassen Boden. Hierauf wird ein Ionenaustausch eintreten oder die sogenannte puzzolanische Reaktion beginnen, was zu einer Umbildung der Mineralien führt.
Die Nachteile der obenerwähnten Bindemittel schließen einen relativ hohen Preis und begrenzte Verwendung ein. Zement ist zum Verfestigen grober Böden, Kalk vorwiegend zum Verfestigen von Ton- und Schluffböden geeignet. Überdies darf, wenn ein Zementbindemittel verwendet wird, der Boden keinen Humus enthalten. Hinsichtlich der Verleihung von Festigkeit ist Kalk bei der Behandlung von Böden wie z. B. Schlämmen, die eine große Wassermenge enthalten, unbrauchbar.
Gegenwärtige Bindemittel besitzen somit gewisse Nachteile. Zement verleiht gewöhnlich Festigkeit, wenn er jedoch allein verwendet wird, macht er die Struktur zu spröde. Es ist auch beobachtet worden, daß bei Verwendung eines Kalk-Zement-Gemisches nicht in allen Tonböden ausreichende Festigkeitswerte erreicht werden können. Verschiedene Tone unterscheiden sich wesentlich voneinander, und es ist immer notwendig, durch Vorversuche zu bestimmen, ob und mit welchem Bindemittelgemisch eine Verfestigung durchgeführt werden kann.
Überraschenderweise ist nun beobachtet worden, daß ein Bindemittel, das ein gipshaltiges Bindemittel ist, welches bestimmte Mengen an Titanhydroxid- und Eisenhydroxid-Verbindungen gegebenenfalls zusammen mit herkömmlichen Bindemitteln enthält, auch zur Verwendung in Tonen geeignet ist, für die sich Bindemittel, die dem Stand der Technik entsprechen, nicht wirklich eignen.
Das erfindungsgemäße Bindemittel ist somit dadurch gekennzeichnet, daß es als Hauptbestandteil Gips und zusätzlich Titanhydroxid- und Eisenhydroxid-Verbindungen enthält.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform enthält das Bindemittel 30- 75 Gew.-%, vorzugsweise 50-70 Gew.-% Gips, bemessen als CaSO&sub4;; 0,1-15 Gew.-% einer Titanhydroxid-Verbindung, bemessen als Ti; und 0,5-15 Gew.-% einer Eisenhydroxid-Verbindung, bemessen als Fe.
Der Gips liegt vorzugsweise in der Form eines Hemihydrats oder eines Dihydrats vor.
Die Erfindung betrifft außerdem eine Bindemittelzusammensetzung, welche das erfindungsgemäße Bindemittel als Bestandteil A, der die Verfestigung fördert, sowie einen Bestandteil B, der zumindest ein anderes Mittel enthält, das die Verfestigung fördert, enthält.
Der genannte Bestandteil B ist typischerweise ein bereits per se bekanntes Bindemittel wie CaO, Zement, Bentonit oder dergleichen oder ein Gemisch davon.
Das entwickelte neue Bindemittel und die Bindemittelzusammensetzung ermöglichen es, den Anwendungsbereich des Tiefenverfestigungsverfahrens beträchtlich zu erweitern; dies erleichtert die Nutzung neuer, schwer nutzbarer Landgebiete. Zudem werden gewöhnlich beträchtlich verbesserte Festigkeitswerte erzielt.
Bei der erfindungsgemäßen Bindemittelzusammensetzung kann das Mischungsverhältnis der Bestandteile A und B in einem weiten Bereich variieren. Das günstigste Verhältnis ist für verschiedene Anwendungsarten gesondert zu bestimmen. Eine erfindungsgemäße Bindemittelzusammensetzung enthält vorzugsweise Bestandteil A und Bestandteil B in einem Gewichtsverhältnis von 6 : 1-1 : 6.
Die Verwendung des neuen Bindemittels und der neuen Bindemittelzusammensetzung ist nicht auf Tiefenverfestigung beschränkt; sie können auch erfolgreich für verschiedene Schichtenverfestigungen, zum Beispiel beim Straßenbau, zur Verbesserung der Festigkeit von Rohrleitungsgräben und des Bodenplanums von Lagerbereichen und anderer solcher Bereiche, für die Verfestigung schlammartiger Materialien etc. verwendet werden.
Bei einer bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform reduziert das erfindungsgemäße Bindemittel zusammen mit Bentonit und Zement beträchtlich die Wasserdurchlässigkeit und steigert somit die Schutzwirkung des Verfahrens. Die Schutzschicht kann durch bekannte, allgemein verwendete Arbeitsverfahren ausgebildet werden oder auch durch Verwendung der bei Tiefenverfestigung angewendeten Technik des Einspülens von Pfählen.
Das erfindungsgemäße Bindemittel kann durch Hinzufügen einer basischen Kalziumverbindung wie Kalkbrei oder Kalkstein zu einer Schwefelsäure enthaltenden Lösung, die auch Titan- und Eisenverbindungen enthält, und durch Abfiltrieren, Trocknen und Kalzinieren des ausgefällten Produkts durch bereits bekannte Techniken zur Herstellung des gewünschten Bindemittels zubereitet werden. Der Gipsgehalt, Titanhydroxidgehalt und Eisenhydroxidgehalt des erfindungsgemäßen Bindemittels kann je nach den Ausfällungsbedingungen schwanken. Je nach den Verfestigungsbedingungen und -erfordernissen wird das erfindungsgemäße Bindemittel vorzugsweise mit anderen Bindemitteln in einem geeigneten Verhältnis gemischt, und zwar entweder in einem gesonderten Mischwerk oder auf der Baustelle, zum Beispiel in einer Tiefenverfestigungsmaschine oder auf irgendeine andere Weise.

Beispiele

Unten werden Beispiele für die Verwendung des erfindungsgemäßen Bindemittels gegeben. Eingeschlossen sind vier Beispiele für die Tiefenverfestigung verschiedener Tone, die auch die Wirkung der Tonsorte zeigen. Das fünfte Beispiel betrifft die Herstellung einer schützenden Wassersperre durch Verwendung eines erfindungsgemäßen Bindemittels. In den Beispielen wird das neue Bindemittel mit F bezeichnet.

Beispiel 1

In diesem Beispiel stammte der mit einem gipshaltigen Bindemittel zu verfestigende Ton von Musa in Pori. Das neue Bindemittel enthielt 67 Gew.-% Gips, bemessen als CaSO&sub4;, 4,5 Gew.-% Titanhydroxid, bemessen als Ti, und 2,7 Gew.-% Eisenhydroxid, bemessen als Fe. Die Menge an Bindemittel entspricht der Bindemittelmenge, die mit 20 kg/m in eine Säule mit einem Durchmesser von 500 mm eingespeist wird. Sämtliche Versuche wurden unter vergleichbaren Bedingungen durchgeführt. Die angestrebte Scherfestigkeit betrug mindestens 100 kPa.

Beispiel 2

Gleich Beispiel 1, der Ton stammte jedoch von Länsiranta in Porvoo.
Gemäß den Beispielen wurden gute Ergebnisse erzielt, wenn das Verhältnis des neuen Bindemittels F der Erfindung zum bereits bekannten Bindemittel, d. h. CaO, 1 : 1 betrug.

Beispiel 3

Gleich Beispiel 1, der Ton stammte jedoch von Seinäjoki.

Beispiel 4

Gleich Beispiel 1, der Ton stammte jedoch von Suviniitty in Espoo.

Beispiel 5

Die Wirkung des neuen gipshaltigen Bindemittels auf die Wasserdurchlässigkeit eines Gemisches wurde durch Messung der Wassermenge, die durch einen Prüfkörper sickerte, mittels einer speziellen Testanordnung geprüft. Die Wasserdruckhöhe betrug 3 m. Die untenerwähnten Bindemittelgemische wurden dem wasserundurchlässig zu machenden Sand in einer Menge von 20 Gew.-% beigemischt. Das erfindungsgemäße neue Bindemittel enthielt 58 Gew.-% Gips, bemessen als CaSO&sub4;, 9,5 Gew.-% Titanhydroxid, bemessen als Ti, und 4,1 Gew.-% Eisenhydroxid, bemessen als Fe.
Die Bindemittelzusammensetzung wurde variiert und die folgenden Ergebnisse wurden erzielt:
Vergleichszusammensetzung: 75 Gew.-% Hochofenzement und 25 Gew.-% Bentonit. Die Filtermenge an Wasser betrug nach 30 Tagen insgesamt 1150 ml und stieg nicht weiter an.
Testzusammensetzung A: 50 Gew.-% Hochofenzement, 25 Gew.-% Bentonit und 25 Gew.-% neues Bindemittel. Die Filtermenge an Wasser betrug 500 ml und stieg nicht weiter an.
Testzusammensetzung B: 25 Gew.-% Hochofenzement, 25 Gew.-% Bentonit und 50 Gew.-% neues Bindemittel. Die Filtermenge an Wasser betrug jeweils 350 ml mit einem geringfügigen weiteren Anstieg.
Das gipshaltige Bindemittel hatte deutlich eine reduzierende Wirkung auf die ausfilternde Wassermenge. In einer leicht sauren Umgebung wurden mit sämtlichen Zusammensetzungen ähnliche zufriedenstellende Druckfestigkeitswerte von 900-700 kPa erzielt.

Claims

1. Bindemittel zur Verwendung zum Verfestigen von Böden und zum Reduzieren der Wasserdurchlässigkeit von wasserdurchlässigen Böden, dadurch gekennzeichnet, daß es als Hauptbestandteil Gips und zusätzlich Titanhydroxid- und Eisenhydroxid-Verbindungen enthält.

2. Bindemittel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es 30-75 Gew.-% Gips, bemessen als CaSO&sub4;, 0,1-15 Gew.-% einer Titanhydroxid-Verbindung, bemessen als Ti, und 0,5-15 Gew.-% einer Eisenhydroxid-Verbindung, bemessen als Fe, enthält.

3. Bindemittel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß es vorzugsweise 50-70 Gew.-% Gips, bemessen als CaSO&sub4;, enthält.

4. Bindemittel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Großteil des Gipses in der Form eines Hemihydrats oder eines Dihydrats vorliegt.

5. Bindemittelzusammensetzung zur Verwendung zum Verfestigen von Böden und zum Reduzieren der Wasserdurchlässigkeit von wasserdurchlässigen Böden, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen verfestigungsfördernden Bestandteil A, der als seinen Hauptbestandteil Gips und zusätzlich Titanhydroxid- und Eisenhydroxid- Verbindungen enthält, und einen Bestandteil B, der zumindest ein anderes Mittel enthält, das die Verfestigung fördert, enthält.

6. Bindemittelzusammensetzung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Bestandteil A 30-75 Gew.-% Gips, bemessen als CaSO&sub4;, 0,1-15 Gew.-% einer Titanhydroxid-Verbindung, bemessen als Ti, und 0,5-15 Gew.-% einer Eisenhydroxid-Verbindung, bemessen als Fe, enthält.

7. Bindemittelzusammensetzung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Bestandteil A vorzugsweise 50-70 Gew.-% Gips, bemessen als CaSO&sub4;, enthält.

8. Bindemittelzusammensetzung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Großteil des Gipses in der Form eines Hemihydrats oder eines Dihydrats vorliegt.

9. Bindemittelzusammensetzung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Bestandteil B bekannte Stabilisierungsmittel wie CaO, Zement, Bentonit oder dergleichen, oder eine Mischung derselben enthält.

10. Bindemittelzusammensetzung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß sie den Bestandteil A und den Bestandteil B in einem Gewichtsverhältnis von 6 : 1-1 : 6 enthält.

11. Verwendung des Bindemittels nach einem der Ansprüche 1 bis 4 oder der Bindemittelzusammensetzung nach einem der Ansprüche 5 bis 10 für das Verfestigen, Verstärken und Wasserdichtmachen verschiedener Böden bei der Tiefenverfestigung und der Schichtenverfestigung, für die Konstruktion von Wasserrückhaltebetten und -wänden und für das Festwerden von schlammartigen Bodenmassen.

12. Verfahren zum Bereiten eines Bindemittels nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kalziumverbindung einer Schwefelsäure enthaltenden Lösung, die auch Titan- und Eisenverbindungen enthält, hinzugefügt wird, und daß das ausgefällte Produkt ausgefiltert und getrocknet oder kalziniert wird, um das Bindemittel herzustellen.