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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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A. Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung bezieht
sich auf die Verwendung einer grabungsstabilisierenden Aufschlämmung (Suspension)
zum Verhindern des Einsturzes von Grabenwänden usw. und ein Grabungsverfahren
unter Verwendung der grabungsstabilisierenden Aufschlämmung.
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B. Stand der Technik
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Bei Bohrungsbauten, wie etwa U-Bahn-Bauarbeiten,
wird die Stabilisierung von Grabenwänden üblicherweise durch Verwendung
einer grabungsstabilisierenden Aufschlämmung (die Grabungsschlammspülung genannt
werden kann) versucht, die Bentonit enthält, um den Einsturz der Grabenwände zu verhindern.
In den letzten Jahren wurde eine grabungsstabilisierende Aufschlämmung mit
einem eingesparten Bentonitgehalt bei U-Bahn-Bauarbeiten usw. in Hinblick auf die
Einfachheit der Abfallschlammbehandlung beim Entsorgen der gebrauchten
grabungsstabilisierenden Aufschlämmung
verwendet. Wenn der Bentonitgehalt in der grabungsstabilisierenden
Aufschlämmung
gespart wird, nimmt die Viskosität
der grabungsstabilisierenden Aufschlämmung ab, so dass die Fähigkeit,
die Grabenwände
zu stabilisieren (Fluidverlust) verschlechtert, oder der Bentonit
setzt sich, so dass die grabungsstabilisierende Aufschlämmung unbrauchbar
wird. Um solche Probleme zu lösen,
werden üblicherweise
Verdickungsmittel, wie etwa Carboxymethyl-Cellulose (CMC) in die
grabungsstabilisierende Aufschlämmung
gemischt. Es gibt jedoch Probleme, dass die CMC leicht verdirbt,
oder dass die CMC so schwierig zu verteilen ist, dass keine grabungsstabilisierende
Aufschlämmung
erhältlich
ist, die konstante Eigenschaften aufweist.
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Um diese Probleme zu lösen, offenbart
die JP-A-133084/1985 eine Schlammmaterialzusammensetzung, die durch
Mischen einer Bentonitdispersion mit einer Wasser-in-Öl-Typ Polymeremulsion,
die durch eine Wasser-in-Öl-Typ
Emulsionspolymerisation eines Monomers, das Natriumacrylat umfasst,
erhalten wurde, hergestellt wird. Es gibt jedoch Probleme, dass
eine solche Zusammensetzung wegen ihrer Entzündlichkeit schwer zu handhaben
ist und als Gefahrstoff nach dem Brandschutzgesetz ausgezeichnet
wird, und außerdem,
dass sich das Öl
mit Abfallschlamm vermischt.
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Die
DE 1 209 513 B offenbart ein Verfahren zum
Abdichten und Verfestigen von Bodenformationen, um sie wasserundurchlässig zu
machen, unter Verwendung eines Dichtungsmittels, das eine Mischung
aus Polymeren und Alkalihydroxid umfasst. Das Abdichtungsmittel
wird in fein verteilter Form in den Boden eingeführt, z. B. durch Injektion
oder Pressen, und das Polymer und Alkalihydroxid reagieren unter
Bildung eines Gels, das den Boden abdichtet. US-A-4,366,194 offenbart
ein Verfahren, eine poröse
Struktur, wie etwa poröse unterirdische
Strukturen, durch Behandlung mit gelierbaren Zusammensetzungen von
Amidpolymeren undurchlässig
zu machen. Die Polymerzusammensetzung zusammen mit einer alkalischen
Lösung
wird durch Druck in die poröse
Struktur hinein gezwungen, wo sie ein Gel bildet, das die gewünschte Verstopfung
der porösen
Struktur bewirkt. Beide vorerwähnten
Dokumente befassen sich nicht mit dem Problem des Aushebens von
Gräben
oder anderen Hohlräumen
im Boden, während
die Wände
solcher Gräben
oder Hohlräume
während
des Grabungsvorgangs am Einsturz gehindert werden.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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A. Ziel der Erfindung
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Daher ist es ein Ziel der vorliegenden
Erfindung, bereitzustellen: die Verwendung einer grabungsstabilisierenden
Aufschlämmung,
die nicht leicht verdirbt und eine hohe Viskosität und einen niedrigen Fluidverlust
aufweist; und ein Grabungsverfahren unter Verwendung der grabungsstabilisierenden
Aufschlämmung.
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B. Offenbarung der Erfindung
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Die gegenwärtigen Erfinder haben sorgfältig geforscht
und Experimente ausgeführt,
um die obigen Probleme zu lösen.
Als Ergebnis haben die Erfinder die vorliegende Erfindung vollendet,
indem sie herausgefunden haben, dass die obigen Probleme alle durch
eine grabungsstabilisierende Aufschlämmung gelöst werden, die eine Emulsion
umfasst, die ein verdickbares Polymer enthält, das durch seine Reaktion
mit einer alkalischen Substanz verdickt.
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Das heißt, eine grabungsstabilisierende
Aufschlämmung
zur Verwendung gemäß der vorliegenden
Erfindung umfasst eine Emulsion, die ein Polymer enthält, das
mit einer alkalischen Substanz verdickt.
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Bei einer grabungsstabilisierenden
Aufschlämmung
zum Gebrauch gemäß der vorliegenden
Erfindung ist es möglich,
die Emulsion zu verdicken durch Zugabe einer alkalischen Substanz
zu einer Emulsion, die ein Polymer enthält, das mit der alkalischen
Substanz verdickt, wodurch der pH-Wert der Emulsion auf 6 oder mehr
eingestellt wird.
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Ein Grabungsverfahren gemäß der vorliegenden
Erfindung ist ein Verfahren, das den Schritt des Ausschachtens von
Erde umfasst, während
der Einsturz der entstehenden Grabenwände unter Verwendung dieser
grabungsstabilisierenden Aufschlämmung
verhindert wird.
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Diese und weitere Aufgaben und Vorteile
der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden ausführlichenen
Offenbarung noch deutlicher werden.
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GENAUE BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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(Emulsion):
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Die in der vorliegenden Erfindung
verwendete Emulsion enthält
ein Polymer, das mit einer alkalischen Substanz verdickt (im folgenden
wird dieses Polymer als verdickbares Polymer bezeichnet), und diese
Verdickung erhöht
die Viskosität
der grabungsstabilisierenden Aufschlämmung, so dass sie ihren Fluidverlust
verbessert. Diese Emulsion ist eine Emulsion, die das verdickbare
Polymer in einem wässrigen
Medium dispergiert enthält,
d. h. eine wässrige
Emulsion, und ist weniger entflammbar und weist eine höhere Sicherheit
auf als Wasser-in-Öl-Typ
Polymeremulsionen.
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Die in der vorliegenden Erfindung
verwendete Emulsion kann durch Emulsionspolymerisation einer Monomerkomponente
in Wasser erhalten werden. Das verdickbare Polymer, das in der Emulsion
enthalten ist, die durch die Emulsionspolymerisation erhalten wird,
ist dadurch ausgezeichnet, dass das Molekulargewicht groß ist und
dass der Fluidverlust niedrig ist, da die Verdickbarkeit hoch ist.
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Beispiele für die Monomerkomponente umfassen
Komponenten, die ein polymerisierbares Monomer (A) umfassen, das
eine Gruppe enthält,
deren Hydrophilie mit der alkalischen Substanz zunimmt, wobei diese Komponente
außerdem
ein weiteres polymerisierbares Monomer umfassen kann. Beispiele
für die
Gruppe, deren Hydrophilie mit der alkalischen Substanz zunimmt,
umfassen: Säuregruppen,
wie etwa eine Carboxylgruppe, eine Phosphorsäuregruppe und eine Sulfonsäuregruppe;
und Gruppen, die leicht hydrolysieren, so dass sie Säuregruppen
bilden, wie etwa Carbonsäureestergruppen,
Sulfonsäureestergruppen
und Phosphorsäureestergruppen.
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Beispiele für das polymerisierbare Monomer
(A) umfassend: Carboxylgruppen enthaltende polymerisierbare Monomere,
wie etwa (Meth)acrylsäure,
Itaconsäure,
Crotonsäure,
Maleinsäure
und Maleinsäureanhydrid;
Sulfonsäuregruppen
enthaltende polymerisierbare Monomere, wie etwa Vinylsulfonsäure, Styrolsulfonsäure und
Sulfoethyl(meth)acrylat; polymerisierbare Monomere, die eine höhere Hydrolysierbarkeit
als Butylacrylat in einer wässrigen
alkalischen Lösung
mit pH 10 aufweisen, z. B. Carbonsäureestergruppen enthaltende
polymerisierbare Monomere, die vergleichsweise leicht hydrolysieren,
so dass sie die Säuregruppe
ergeben, wie etwa Methylacrylat, Ethylacrylat und Hydroxyethylacrylat;
und saure Phosphorsäureestergruppen
enthaltende polymerisierbare Monomere, wie etwa saures 2-(Meth)acryloyloxyethylphosphat,
saures 2-(Meth)acryloyloxypropylphosphat, saures 2-(Meth)acryloyloxy-3-chlorpropylphosphat
und 2-(Meth)acryloyloxyethylphenylphosphat. Diese können entweder
jeweils alleine oder in Kombinationen miteinander verwendet werden.
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Beispiele für weitere polymerisierbare
Monomere umfassen: polymerisierbare Styrolmonomere, wie etwa Styrol,
Vinyltoluol, α-Methylstyrol
und Chlormethylstyrol; polymerisierbare (Meth)acrylamidmonomere, wie
etwa (Meth)acrylamid, N-Monomethyl(meth)-acrylamid, N-Monoethyl(meth)acrylamid
und N,N-Dimethyl(meth)acrylamid; polymerisierbare (Meth)acrylsäureestermonomere,
die Ester von Methacrylsäure
mit 1–18
Kohlenstoffatome (aber keine cyclischen Alkohole einschließenden)
enthaltenden Alkoholen sind, wie etwa Methylmethacrylat, Ethylmethacrylat
und Butylmethacrylat, oder Ester von Acrylsäure mit Alkoholen, die 4–18 Kohlenstoffatome
enthalten (aber nicht cyclische Alkohole umfassen); Cyclohexylgruppen
enthaltende polymerisierbare Monomere, wie etwa Cyclohexyl(meth)acrylat;
Hydroxylgruppen enthaltende polymerisierbare (Meth)acrylsäureestermonomere,
die Monoester von (Meth)acrylsäure
mit Polyalkylenglykol sind, wie etwa 2-Hydroxyethylmethacrylat und
2-Hydroxypropyl(meth)acrylat; Polyethylenglykollcetten enthaltende
polymerisierbare Monomere, wie etwa Polyethylenglykol(meth)acrylsäureester
(aber nicht 2-Hydroxyethylacrylat einschließend); Vinylacetat; (Meth)acrylnitril;
basische polymerisierbare Monomere, wie etwa N-Vinylpyrrolidon, Dimethylaminoethyl(meth)acrylat,
Dimethylaminoethyl(meth)acrylamid, Dimethylaminopropyl(meth)-acrylamid, Vinylpyridin
und Vinylimidazol; vernetzbare, polymerisierbare (Meth)acryl amidmonomere,
wie etwa N-Methylol(meth)acrylamid und N-Butoxymethyl(meth)-acrylamid; polymerisierbare
Monomere, die eine hydrolysierbare Siliziumgruppe enthalten, die
direkt mit einem Siliziumatom verbunden ist, wie etwa Vinyltrimethoxysilan,
Vinyltriethoxysilan, γ-(Meth)acryloylpropyltrimethoxysilan,
Vinyltris(2-methoxyethoxy)silan und Allyltriethoxysilan; Epoxygruppen
enthaltende polymerisierbare Monomere, wie etwa Glycidyl(meth)acrylat
und Acrylglycidylether; Oxazolingruppen enthaltende polymerisierbare
Monomere, wie etwa 2-Isopropenyl-2-Oxazolin und 2-Vinyloxazolin;
Aziridingruppen enthaltende polymerisierbare Monomere, wie etwa
2-Aziridinylethyl(meth)acrylat und (Meth)acryloylaziridin; Halogengruppen
enthaltende polymerisierbare Monomere, wie etwa Vinylfluorid, Vinylidenfluorid,
Vinylchlorid und Vinylidenchlorid; polyfunktionelle polymerisierbare (Meth)acrylsäureestermonomere,
die mindestens zwei polymerisierbare ungesättigte Gruppen pro Molekül aufweisen,
z. B. veresterte Produkte aus (Meth)acrylsäure und mehrwertigen Alkoholen,
wie etwa Ethylenglykol, 1,3-Butylenglykol, Diethylenglykol, 1,6-Hexandiol,
Neopentylglykol, Polyethylenglykol, Propylenglykol, Polypropylenglykol,
Trimethylolpropan, Pentaerythritol und Dipentaerythritol; polyfunktionelle
polymerisierbare (Meth)acrylamidmonomere, die mindestens zwei polymerisierbare
ungesättigte
Gruppen pro Molekül
aufweisen, wie etwa Methylen(meth)acrylamid; polyfunktionelle polymerisierbare
Allylmonomere, die mindestens zwei polymerisierbare ungesättigte Gruppen
pro Molekül
aufweisen, wie etwa Diallylphtalat, Diallylmaleat und Diallylfumarat;
Allyl(meth)acrylat und Divinylbenzol. Diese können entweder jeweils alleine
oder in Kombinationen miteinander verwendet werden.
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Was die Monomerkomponente betrifft,
ist die Verwendung von Monomerkomponenten zu bevorzugen, die (Meth)acrylsäure und
einen (Meth)acrylsäureester
umfassen, da die Verwendung solcher Monomerkomponenten die Viskosität der grabungsstabilisierenden
Aufschlämmung
erhöht,
was zu einem niedrigeren Fluidverlust führt. Was die Monomerkomponente
betrifft, so ist die Verwendung von Monomerkomponenten, die Methacrylsäure und
einen Acrylsäureester
umfassen, am meisten zu bevorzugen, da die Verwendung solcher Monomerkomponenten
die Viskosität
der grabungsstabilisierenden Aufschlämmung erhöht, wodurch sich ein geringer
Fluidverlust ergibt.
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Die Emulsionspolymerisation des polymerisierbaren
Monomers wird bevorzugt unter Verwendung eines Emulgators oder eines
Polymerisationsinitiators ausgeführt.
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Der Emulgator ist nicht besonders
beschränkt,
aber Beispiele dafür
umfassen anionische Tenside, nichtionische Tenside, kationische
Tenside, amphotere Tenside, hochmolekulare Tenside und ihre reaktiven Tenside.
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Beispiele für anionische Tenside umfassen:
Alkylsulfatsalze, wie etwa Natriumdodecylsulfat, Kaliumdodecylsulfat
und Ammoniumalkylsufat; Natriumdodecylpolyglykolethersulfat; Alkylsulfonate,
wie etwa Natriumsulforicinoleat und sulfoniertes Paraffin; Alkylsulfonate,
wie etwa Natriumdodecylbenzolsulfonat und Alkalimetallsulfate von
alkalischem Phenolhydroxyethylen; höhere Alkylnaphthalinsulfonatsalze;
kondensierte Produkte aus Naphthalinsulfonsäure und Formalin; Fettsäuresalze,
wie etwa Natriumlaurat, Triethanolaminoleat und Triethanolaminabietat;
Polyoxyalkylether-Schwefelsäureestersalze;
Polyoxyethylencarbonsäureester-Schwefelsäureestersalze;
Polyoxyethylenphenylether-Schwefelsäureestersalze; Dialkylsuccinatsulfonatsalze;
und reaktive anionische Emulgatoren, die eine Doppelbindung aufweisen,
wie etwa Polyoxyethylenalkylarylsulfatsalze. Diese können entweder
jeweils alleine oder in Kombinationen miteinander verwendet werden.
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Beispiele für nichtionische Tenside umfassen:
Polyoxyethylenalkylether; Polyoxyethylenalkylarylether; aliphatische
Sorbitanester; aliphatische Polyoxyethylensorbitanester; aliphatische
Monoglyzeride, wie etwa Monolaurat von Glyzerin; Poly(oxyethylenoxypropylen)copolymere;
kondensierte Produkte von Ethylenoxid mit aliphatischen Aminen,
Amiden oder Säuren.
Diese können
entweder jeweils alleine oder in Kombinationen miteinander verwendet
werden.
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Beispiele für hochmolekulare Tenside umfassen:
Polyvinylalkohole und ihre denaturierten Produkte; wasserlösliche (Meth)acrylpolymere;
wasserlösliche
Hydroxyethyl(meth)acrylpolymere; wasserlösliche Hydroxypropyl(meth)acrylpolymere;
und Polyvinylpyrrolidon. Diese können
entweder jeweils alleine oder in Kombinationen miteinander verwendet
werden.
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Der Polymerisationsinitiator ist
eine Substanz, die sich durch Wärme
zersetzt, so dass sie Radikalmoleküle erzeugt, und Beispiele dafür umfassen:
Persulfatsalze, wie etwa Kaliumpersulfat, Ammoniumpersulfat, Natriumpersulfat;
wasserlösliche
Azoverbindungen, wie etwa 2,2'-Azobis(2-amidinopropan)dihydrochlorid
und 4,4'-Azobis(4-cyanopentansäure); pyrolysierbare
Initiatoren, wie etwa Wasserstoffperoxid; Redoxpolymerisationsinitiatoren,
wie etwa eine Kombination von Wasserstoffperoxid mit Ascorbinsäure, eine
Kombination von t-Butylhydroperoxid mit Rongalit, eine Kombination
von Kaliumpersulfat mit Metallsalzen und eine Kombination von Ammoniumpersulfat
mit Natriumhydrogensulfit. Diese können entweder jeweils alleine
oder in Kombinationen miteinander verwendet werden.
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Die Polymerisationstemperatur, bei
der die Emulsionspolymerisation des polymerisierbaren Monomers erfolgt,
ist nicht besonders beschränkt,
liegt aber bevorzugt im Bereich von 0–100°C, bevorzugter 40–95°C.
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Die Polymerisationszeit, während der
die Emulsionspolymerisation des polymerisierbaren Monomers erfolgt,
ist nicht besonders beschränkt,
liegt aber bevorzugt im Bereich von 3–15 Stunden.
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Bei der Durchführung der Emulsionspolymerisation
kann ein Material, wie etwa ein hydrophiles Lösungsmittel oder ein Additiv,
zugefügt
werden, wenn sich dies nicht nachteilig auf die Eigenschaften des
entstehenden verdickbaren Polymers auswirkt.
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Das Verfahren zum Zugeben des polymerisierbaren
Monomers zum Emulsionspolymerisationsreaktionssystem ist nicht besonders
beschränkt,
aber dafür
verwendbare Beispiele umfassen: Ein Aufeinmal-Zugabeverfahren, ein
polymerisierbares-Monomer-Zutropfverfahren; ein Voremulsionsverfahren,
ein automatisches Zuführungsverfahren,
ein Keimverfahren; und ein Vielschritt-Zugabeverfahren.
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Der Gehalt der nichtflüchtigen
Komponente (verdickbares Polymer) in der Emulsion, die aus der Emulsionspolymerisationsreaktion
erhalten wird, beträgt
bevorzugt 60 Gew.% oder weniger. Wenn der nichtflüchtige Gehalt
60 Gew.% übersteigt,
kann die Viskosität
der Emulsion zu hoch sein, oder die Emulsion kann koagulieren, da
die Dispersionsstabilität
nicht gehalten werden konnte.
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Der Mechanismus, durch den die Emulsion
der vorliegenden Erfindung verdickt, ist vermutlich folgender: Die
Hydrophilie des verdickbaren Polymers in der Emulsion nimmt mit
der alkalischen Substanz zu, und ein Teil oder die Gesamtheit des
Polymers löst
sich in Wasser, oder Emulsionspartikel quellen, oder es findet beides
statt. Wenn sich die Gesamtheit des verdickbaren Polymers in der
Emulsion löst,
beträgt
das gewichtsgemittelte Molekulargewicht dieses Polymers bevorzugt
100.000 oder mehr. Wenn das gewichtsgemittelte Molekulargewicht
des Polymers weniger als 100.000 beträgt, kann die Verdickbarkeit
so schlecht sein, dass der Fluidverlust der entstehenden grabungsstabilisierenden
Aufschlämmung
groß sein
kann. Was Emulsionen betrifft, die aus vernetzbaren polymerisierbaren
Monomeren erhalten wurden, kann die Messung des Molekulargewichts
wegen der entstandenen Vernetzungsstruktur unmöglich sein, aber solche Emulsionen
verdicken durch das Quellen der Emulsionsteilchen.
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Der durchschnittliche Teilchendurchmesser
des verdickbaren Polymers ist nicht besonders beschränkt, liegt
aber bevorzugt im Bereich von 40 nm bis 1 μm, bevorzugter 50–500 nm.
Wenn der durchschnittliche Teilchendurchmesser des verdickbaren
Polymers unter 40 nm liegt, kann die Polymerisationsstabilität während der
Herstellung des verdickbaren Polymers niedrig sein, oder die Viskosität des verdickbaren
Polymers kann zu hoch sein. Wenn andererseits der durchschnittliche
Teilchendurchmesser 1 μm überschreitet, kann
eine rasche Verdickung schwierig sein, auch wenn die alkalische
Substanz zugefügt
wird, so dass eine grabungsstabilisierende Aufschlämmung mit
konstanten Eigenschaften nicht erhalten wird.
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Das verdickbare Polymer ist ein Polymer,
das durch seine Reaktion mit einer alkalischen Substanz verdickt,
und Beispiele dafür
umfassen: Polymere, die eine Carboxylgruppe in ihren Molekülen enthalten;
und Polymere, die in ihren Molekülen
Gruppen, wie etwa Carbonsäureestergruppen,
Sulfonsäureestergruppen
und Phosphorsäureestergruppen
enthalten, die leicht hydrolysieren, so dass sie Säuregruppen
bilden. Unter diesen verdickbaren Polymeren sind jene, die eine
Carboxylgruppe enthalten, bevorzugt, da sie leicht verfügbar sind
und ihre Neutralisationsreaktionen durch die Zugabe der alkalischen
Substanz rasch ablaufen und Carboxylationen mit hoher Hydrophilie
ergeben.
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Bevorzugte verdickbare Polymere,
die eine Carboxylgruppe enthalten, sind Polymere, in denen die Monomereinheit,
die eine Carboxylgruppe enthält,
3–80 mol%
belegt, bevorzugter 10–60
mol% aller sich wiederholenden Einheiten. Wenn die Monomereinheit,
die eine Carboxylgruppe enthält,
nur weniger als 3 mol% aller sich wiederholenden Einheiten belegt,
kann die Verdickbarkeit so unterlegen sein, dass der Fluidverlust groß sein kann.
Wenn andererseits die Monomereinheit, die eine Carboxylgruppe enthält, mehr
als 80 mol% aller sich wiederholenden Einheiten belegt, kann die
Polymerisationsstabilität
so niedrig sein, dass eine Koagulation erfolgen kann, oder dass
eine große
Menge Koagulation gebildet werden kann.
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Die Emulsion, die bei der vorliegenden
Erfindung verwendet wird, ist nicht auf ein Produkt der obigen Emulsionspolymerisation
beschränkt,
sondern kann auch ein anderes Produkt umfassen, z. B. ein Produkt durch
Redispersion eines Produkts einer Mikrosuspensionspolymerisation
oder Lösungspolymerisation.
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Beispiele für die Emulsion umfassen eine
Emulsion, die solche Verdickungseigenschaften hat, dass eine wässrige Lösung, die
durch Verdünnen
der Emulsion mit Wasser zur Einstellung ihres Feststoffgehalts auf
1 Gew.% hergestellt wird, eine Viskosität von 1–1.000 mPa·s aufweisen wird, bevorzugt
1–500
mPa·s,
bevorzugter 1–100
mPa·s,
und dass die Viskosität,
wenn die alkalische Substanz zu dieser wässrigen Lösung gegeben wird, um ihren
pH-Wert auf 9 einzustellen, um das 2–10.000-fache, bevorzugt das
2–8.000-fache
mal, und noch bevorzugter das 2–5.000-fache
zunehmen wird.
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Beispiele für die Emulsion, die die obigen
Viskositätseigenschaften
hat, schließen
eine Emulsion ein, die ein Polymer (verdickbares Polymer) umfasst,
das eine funktionelle Gruppe enthält, die eine Neutralisations- oder
Hydrolysereaktion mit der alkalischen Sub stanz eingeht, um die Hydrophilie
zu erhöhen,
so dass Emulsionsteilchen mit Wasser quellen oder diese Teilchen
sich in Wasser lösen,
so dass die Viskosität
des Gesamten erhöht
wird.
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Die grabungsstabilisierende Aufschlämmung gemäß der vorliegenden
Erfindung ist eine Aufschlämmung,
welche die oben beschriebene Emulsion umfasst, und kann auch einer
Zugabe von alkalischer Substanz oder Additiven, wie etwa Tonmineralien
oder Schaumverhinderungmitteln, zu einer beliebigen Zeit unterliegen,
z. B. während
der Herstellung der Emulsion oder gerade vor der Ausführung. Außerdem können auf ähnliche
Weise weitere Materialien, wie etwa Wasser, ebenfalls zugemischt
werden.
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(Alkalische Substanz):
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Die in der vorliegenden Erfindung
verwendete alkalische Substanz verdickt das verdickbare Polymer. Beispiele
für die
alkalische Substanz umfassen Natriumhydroxid, Kaliumhydroxid, Natriumcarbonat,
Ammoniak (Wasser) und Amine. Diese können entweder jeweils alleine
oder in Kombinationen miteinander verwendet werden.
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(Tonmineral):
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Das in der vorliegenden Erfindung
verwendbare Tonmineral gibt der grabungsstabilisierenden Aufschlämmung die
grundlegenden Viskositätseigenschaften
und den niedrigen Fluidverlust. Beispiele für das Tonmineral umfassen nicht
nur Bentonit, sondern ebenso Sepiolit, Attapulgit, Ettringit, Kaolinit,
Montmorillonit, Hectorit, Saponit, Beidellit, Zeolit, Palygorskit
und Glimmer. Diese können
entweder jeweils alleine oder in Kombinationen miteinander verwendet
werden. Was unter diesen zu bevorzugen ist, ist mindestes ein Bestandteil,
ausgewählt
aus der Gruppe, bestehend aus Bentonit, Sepiolit, Attapulgit, Ettringit
und Kaolinit, da sie einen niedrigen Fluidverlust ergeben.
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(Additive wie etwa Schaumverhinderungsmittel):
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Die grabungsstabilisierende Aufschlämmung kann
nicht nur die obigen Komponenten, sondern ebenfalls Additive umfassen,
von denen Beispiele umfassen: Schaumverhinderungsmittel, wie etwa
Silikonschaumverhinderungsmittel, Pluronic-Typ-Schaumverhinderungsmittel
und mineralische Schaumverhinderungsmittel; Dispersionsmittel, wie
etwa Polyacryldispersionsmittel; wasserlösliche Polymere, wie etwa CMC,
Polyacrylamid und Polyvinylalkohol. Unter diesen ist das Schaumverhinderungsmittel
zu bevorzugen, da die Mischung damit die Handhabung erleichtert.
Wenn das Schaumverhinderungsmittel mindestens ein Bestandteil, ausgewählt aus
der Gruppe, bestehend aus Silikonschaumverhinderungsmittel und Pluronic-Typ-Schaumverhinderungsmittel
ist, wird das Schäumen
während
der Herstellung oder der Verwendung der grabungsstabilisierenden
Aufschlämmung
unterdrückt.
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Das Verhältnis zwischen den obigen Komponenten,
die die grabungsstabilisierende Aufschlämmung ausmachen, ist nicht
besonders beschränkt,
aber pro 100 Gewichtsteilen der grabungsstabilisierenden Aufschlämmung liegt
der Feststoffgehalt der Emulsion bevorzugt im Bereich von 0,01–20 Gewichtsteilen
(bevorzugter 0,05–10
Gewichtsteile), und das Tonmineral liegt bevorzugt im Bereich von
0,1–20
Gewichtsteilen (bevorzugter 0,5–10
Gewichtsteile). Wenn der Feststoffgehalt der Emulsion unter 0,01
Gewichtsteilen liegt, kann die Viskosität so niedrig sein, dass der
Fluidverlust groß sein
kann. Wenn andererseits der Feststoffgehalt der Emulsion 20 Gewichtsteile übersteigt,
kann die Viskosität
der grabungsstabilisierenden Aufschlämmung so übermäßig hoch sein, dass die grabungsstabilisierende
Aufschlämmung
schwierig zu handhaben sein kann. Wenn das Tonmineral unter 0,1
Teilen liegt, kann der Fluidverlust groß sein. Wenn andererseits das
Tonmineral 20 Gewichtsteile übersteigt,
kann die Viskosität
zu hoch sein.
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Die Menge der alkalischen Substanz,
die die grabungsstabilisierende Aufschlämmung bildet, ist nicht besonders
beschränkt,
solange die Menge so ist, wie sie zum Einstellen des pH-Werts der
grabungsstabilisierenden Aufschlämmung
auf 6 oder mehr benötigt
wird. Die Obergrenze einer solchen Menge ist jedoch bevorzugt so,
dass der pH-Wert der gra bungsstabilisierenden Aufschlämmung 13
oder weniger beträgt.
Wenn der pH-Wert der grabungsstabilisierenden Aufschlämmung weniger
als 6 beträgt,
kann die Viskosität
der grabungsstabilisierenden Aufschlämmung niedrig sein. Wenn andererseits
der pH-Wert der grabungsstabilisierenden Aufschlämmung 13 übersteigt, kann der Fluidverlust
der grabungsstabilisierenden Aufschlämmung groß sein.
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Die grabungsstabilisierende Aufschlämmung kann
außerdem
Additive in einem solchen Umfang umfassen, dass der Fluidverlust
nicht zunehmen kann. Viele grabungsstabilisierende Aufschlämmungen
umfassen generell einen Emulgator und haben daher Probleme mit Schäumen, so
dass bevorzugt wird, ein Schaumverhinderungsmittel zuzufügen. Die
Menge des zugefügten
Schaumverhinderungsmittels ist nicht besonders beschränkt, liegt
aber bevorzugt im Bereich von 0,001–3 Gewichtsteilen, bevorzugter
0,01–1
Gewichtsteil pro 100 Gewichtsteile der grabungsstabilisierenden
Aufschlämmung.
Wenn die Menge des zugefügten
Schaumverhinderungsmittels unter 0,001 Gewichtsteilen liegt, kann
beinahe kein Schaumverhinderungseffekt erreichbar sein. Wenn andererseits
die Menge des zugefügten
Schaumverhinderungsmittels 3 Gewichtsteile übersteigt, kann sich das Schaumverhinderungsmittel
von der grabungsstabilisierenden Aufschlämmung trennen, oder der Flüssigkeitsverlust
kann groß sein.
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Der Wassergehalt der grabungsstabilisierenden
Aufschlämmung
ist nicht besonders beschränkt,
liegt aber bevorzugt im Bereich von 80–99,9 Gewichtsteilen, bevorzugter
90–99
Gewichtsteilen pro 100 Gewichtsteile der grabungsstabilisierenden
Aufschlämmung.
Wenn der Wassergehalt unter 80 Gewichtsteilen liegt, kann die Viskosität der grabungsstabilisierenden
Aufschlämmung
zu hoch sein. Wenn andererseits der Wassergehalt 99,9 Gewichtsteile übersteigt,
kann die Viskosität
der grabungsstabilisierenden Aufschlämmung zu niedrig sein, oder
der Flüssigkeitsverlust
kann groß sein.
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Die grabungsstabilisierende Aufschlämmung gemäß der vorliegenden
Erfindung wird zur Verhinderung des Einsturzes von Grabenwänden in
Bauten wie etwa Bohrungsbauten verwendet. Wenn Behandlungen wie
etwa Schlammbehandlungen unter Verwendung der gra bungsstabilisierenden
Aufschlämmung
ausgeführt werden,
werden die Grabenwände
stabilisiert, so dass ihr Einsturz verhindert wird.
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Das Herstellungsverfahren der grabungsstabilisierenden
Aufschlämmung
ist nicht besonders beschränkt,
aber Beispiele dafür
umfassen Verfahren, die den Schritt der Zugabe der obigen Komponenten,
wie etwa alkalischer Substanzen, Tonmineralien, Wasser oder Schaumverhinderungsmittel,
in beliebiger Reihenfolge zur Emulsion umfassen, welche die wesentliche
Komponente ist. Wenn die alkalische Substanz zugefügt wird,
ist ein bevorzugtes Verfahren unter den obigen Verfahren eines,
das den Schritt des Einstellens des pH-Werts als Ganzes auf 6 oder mehr umfasst,
um die Viskosität
gegenüber
der der ursprünglichen
Emulsion zu erhöhen,
so dass die grabungsstabilisierende Aufschlämmung erzeugt wird. Solch ein
Verfahren kann auf einfache Weise eine grabungsstabilisierende Aufschlämmung herstellen,
die kaum verdirbt und eine hohe Viskosität und einen niedrigen Fluidverlust
aufweist.
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(Grabungsverfahren):
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Das Grabungsverfahren gemäß der vorliegenden
Erfindung umfasst den Schritt des Aushebens von Erde, während der
Einsturz der gebildeten Grabenwände
unter Verwendung der grabungsstabilisierenden Aufschlämmung der
vorliegenden Erfindung verhindert wird.
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Wenn die grabungsstabilisierende
Aufschlämmung
in die gebildeten Gräben
gefüllt
wird, während Gräben, wie
etwa Tunnel, unter Verwendung von Aushubmaschinen, wie etwa Bohrern,
BW-Aushubmaschinen, Schaufel-Typ-Hydrophasenbaggern und Elektrofräsen gebildet
werden, dann dringt die grabungsstabilisierende Aufschlämmung in
die Grabenwände
ein, so dass sie eine Schlammwandschicht im Bereich der Oberfläche der
Grabenwände
bildet, wobei die Schlammwandschicht Schlammkuchen genannt wird
und für Wasser
fast undurchdringlich ist. Diese Schlammwandschicht hat ein so hohes
Dichtungsvermögen,
dass sie die Grabenwände
verstärken
kann. Da der Wasserdruck der grabungsstabilisierenden Aufschlämmung höher ist
als der Grundwasserdruck, ist es möglich, einen Einsturz der Grabenwände zu verhindern,
der durch das Überschreiten
der selbststehenden Höhe
des Erdbodens oder durch andere Faktoren, wie etwa Grundwasserdruck,
verursacht werden könnte.
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Das erfindungsgemäße Grabungsverfahren kann z.
B. auf Verfahren zum Ausheben von Erde angewandt werden, wie etwa
unterirdische fortlaufende Wandverfahren, Abbauschildverfahren und
unterirdische Rammverfahren.
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(Auswirkungen und Vorteile
der Erfindung)
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Die erfindungsgemäße grabungsstabilisierende
Aufschlämmung
verdirbt kaum und weist eine hohe Viskosität und einen niedrigen Fluidverlust
auf.
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Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren für eine grabungsstabilisierende
Aufschlämmung
kann auf einfache Weise die grabungsstabilisierende Aufschlämmung herstellen.
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Das erfindungsgemäße Grabungsverfahren kann den
Einsturz von Grabenwänden
sicher verhindern, weil dieses Verfahren die Verwendung der obigen
grabungsstabilisierenden Aufschlämmung
beinhaltet.
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GENAUE BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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Im Folgenden wird die vorliegende
Erfindung anhand der folgenden Beispiele einiger bevorzugter Ausführungsbeispiele
im Vergleich mit nicht erfindungsgemäßen Vergleichsbeispielen näher veranschaulicht.
Die Erfindung ist jedoch nicht auf die nachfolgenden Beispiele beschränkt. Im
Folgenden beziehen sich die Einheiten "%" und "Teil(e)" auf das Gewicht.
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Die in den Beispielen verwendeten
Emulsionen (1)–(3)
wurden gemäß den folgenden
Herstellungsbeispielen 1–3
hergestellt.
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HERSTELLUNGSBEISPIEL 1
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Zunächst wurden 666 Teile ionenausgetauschtes
Wasser und 9 Teile Hitenol N-08 (hergestellt von Dai-ichi Kogyo
Seiyaku Co., Ltd.) in einen mit einem Topftrichter, einem Rührer, einem
Stickstoffeinleitungsrohr, einem Thermometer und einem Kühler ausgestatteten
Kolben gegeben. Das Hitenol N-08 wurde durch Rühren bei 72°C vollständig gelöst. Während die Temperatur der entstandenen
wässrigen
Lösung,
die das Hitenol N-08 enthielt, auf 72°C gehalten wurde, wurde die
Innenatmosphäre
des Kolbens durch Stickstoff ersetzt. Danach wurden 30 Teile aus
einer Monomermischung, die 105 Teile Methacrylsäure und 195 Teile Ethylacrylat enthielt,
aus dem Topftrichter zugetropft, und dann wurde das Rühren für 5 Minuten
ausgeführt.
Als nächstes wurden
25 Teile einer 5%igen wässrigen
Kaliumpersulfatlösung
zugefügt,
und dann wurde das Rühren
für 10 Minuten
fortgesetzt, während
die Temperatur auf 72°C
gehalten wurde, so dass die Anfangspolymerisation ausgeführt wurde.
Der Rest, 270 Teile, der obigen Monomermischung wurde über einen
Zeitraum von 2 Stunden zur Reaktionsmischung im Kolben zugetropft.
Nach dem Ende des Zutropfens wurde das Rühren für 1 Stunde fortgesetzt, während die
Temperatur auf 72°C
gehalten wurde, und dann wurde die Reaktionsmischung gekühlt, um
die Polymerisation zu beenden, so dass eine Emulsion (1) erhalten
wurde, die eine Konzentration an nichtflüchtigen Komponenten von 31,0%
aufwies und ein verdickbares Polymer enthielt.
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HERSTELLUNGSBEISPIEL 2
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Eine Emulsion (2), die eine Konzentration
nichtflüchtiger
Komponenten von 30,9% aufwies und ein verdickbares Polymer enthielt,
wurde auf die gleiche Weise wie in Produktionsbeispiel 1 erhalten,
außer
dass eine Mischung von 60 Teilen Methacrylsäure, 180 Teilen Methylacrylat
und 60 Teilen Hydroxyethylacrylat als Monomermischung verwendet
wurde.
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HERSTELLUNGSBEISPIEL 3
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Zunächst wurden 327 Teile ionenausgetauschtes
Wasser und 4 Teile Hitenol N-08 (hergestellt von Dai-ichi Kogy Seiyaku
Co., Ltd.) in einen mit zwei Topftrichtern, einem Rührer, einem
Stickstoffeinleitungsrohr, einem Thermometer und einem Kühler ausgestatteten
Kolben gegeben. Das Hitenol N-08 wurde durch Rühren bei 72°C vollständig gelöst. Während die Temperatur der entstandenen
wässrigen
Lösung,
die das Hitenol N-08 enthielt, auf 72°C gehalten wurde, wurde die
Innenatmosphäre
des Kolbens durch Stickstoff ersetzt. Danach wurden 30 Teile einer
Voremulsion, die durch kräftiges
Rühren
einer Mischung von 105 Teilen Methacrylsäure, 195 Teilen Methylacrylat
und 300 Teilen einer 1,6%igen wässrigen
Hitenol N-08-Lösung
erhalten worden war, aus dem Topftrichter zugetropft, und dann wurde
das Rühren
für 5 Minuten
ausgeführt.
Als nächstes wurde
1 Teil einer 5%igen wässrigen
Natriumhydrogensulfitlösung
und 4 Teile einer 1%igen wässrigen
Ammoniumpersulfatlösung
zugegeben, und dann wurde das Rühren
für 20
Minuten fortgesetzt, während
die Temperatur auf 72°C
gehalten wurde, so dass die Anfangspolymerisation ausgeführt wurde.
Der Rest, 570 Teile, der obigen Voremulsion und 64 Teile einer 1%igen
wässrigen
Ammoniumpersulfatlösung
wurden über
einen Zeitraum von 2 Stunden zur Reaktionsmischung im Kolben zugetropft.
Nach dem Ende des Zutropfens wurde die Reaktionstemperatur auf 80°C erhöht, und
dann wurde das Rühren
für 1 Stunde
fortgesetzt, und dann wurde die Reaktionsmischung gekühlt, um
die Polymerisation zu beenden, so dass eine Emulsion (3) erhalten
wurde, die eine Konzentration an nichtflüchtigen Komponenten von 30,8%
aufwies und ein verdickbares Polymer enthielt.
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BEISPIEL 1
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Die Emulsion (1), die im obigen Herstellungsbeispiel
1 erhalten worden war, wurde abgewogen, so dass ihr Feststoffgehalt
in 600 ml der Endgesamtmenge der grabungsstabilisierenden Aufschlämmung 0,05 Gew.%
betragen würde,
und dann wurde die abgewogene Emulsion (1) in einen rostfreien Becher
gegeben. Dann wurde in diesen Becher Leitungswasser in einer solchen
Menge zugegeben, dass die Gesamtmenge, einschließlich der zur Neutralisation
verwendeten 0,1 N wässrigen
Natriumhydroxidlösung,
600 ml betragen würde.
Außerdem
wurde NOPCO 8034L (hergestellt von SAN NOPCO LIMITED), das ein Silikonschaumverhinderungsmittel
ist, in einem Verhältnis
von 0,1% der Gesamtmenge zugegeben.
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Als nächstes wurde Kunigel VI (hergestellt
von Kunimine Industries Co., Ltd.), das ein Bentonit ist, in einem
Verhältnis
von 3% der Gesamtmenge zugegeben, und die gebildete Mischung wurde
rasch bei einer Drehgeschwindigkeit von 1.200 rpm für 15 Minuten
mit einem Hamilton-Beach-Mischer gemischt. Dabei wurde eine vorgegebene
Menge (wie in Tabelle 1 gezeigt) einer 0,1 N wässrigen Natriumhydroxidlösung direkt
nach dem Beginn des Rührens
zugegeben. Nach dem Ende des Rührens
wurde die Mischung für
24 Stunden stehengelassen und dann erneut für 15 Minuten mit dem Hamilton-Beach-Mischer
gemischt, so dass eine grabungsstabilisierende Aufschlämmung (1a)
erhalten wurde, deren Trichterviskosität und deren Fluidverlust durch
die nachfolgenden Verfahren gemäß den Testverfahren
des AMERICAN PETROLEUM INSTITUTE (API) gemessen wurde. Die Ergebnisse
sind in Tabelle 1 gezeigt.
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Die grabungsstabilisierenden Aufschlämmungen
(1b)–(1e)
wurden auf die gleiche Weise wie oben erhalten, um die Trichterviskosität und den
Fluidverlust zu messen, außer
dass die Emulsion (1) so abgewogen wurde, dass ihr Feststoffgehalt
in 600 ml der Gesamtmenge der grabungsstabilisierenden Aufschlämmung 0,1, 0,2,
0,3 bzw. 0,5 Gew.% betragen würde.
Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 gezeigt.
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In dem Fall (Blindversuch), in dem
weder die Emulsion (1) noch die 0,1 N wässrige Natriumhydroxidlösung in
der obigen Vorschrift zugefügt
wurde, betrug der pH-Wert 11,5, die Trichterviskosität 19,5 (Sek.),
und der Fluidverlust betrug 23,2 (ml).
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Trichterviskosität
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Eine Menge von 500 ml der obigen
grabungsstabilisierenden Aufschlämmung
wurde in ein Trichter-Typ-Trichterviskosimeter gegeben, um die Zeit
zu messen, die zum Auslaufen der gesamten grabungsstabilisierenden
Aufschlämmung
genötigt
wurde.
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Messung des
Fluidverlustes
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Eine Menge von 290 ml der stabilisierenden
Aufschlämmung
wurde in einen Zylinder (Innendurchmesser: 76,2 mm) eines Fluidverlustmessgeräts gegeben.
Dann wurde Toyo Filterpapier Nr. 4 mit 9 cm Durchmesser eingelegt,
und eine Abdeckung mit einem Auslauf wurde angesetzt. Der Zylinder
wurde in einer vorgegebenen Position befestigt und ein Messzylinder
wurde aufgestellt. Danach wurde durch eine Stickstoff-Flasche der
Zylinder unter Druck (3 kg/cm2) gesetzt,
und die Menge (ml) des Wassers, das in 30 Minuten ausgeflossen ist,
wurde mit dem Messzylinder gemessen.
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BEISPIEL 2
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Die grabungsstabilisierenden Aufschlämmungen
(2a) bis (2e) wurden auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 erhalten,
um die Trichterviskosität
und den Fluidverlust zu messen, außer dass die Emulsion (1) durch die
Emulsion (2) ersetzt wurde, die im Herstellungsbeispiel 2 erhalten
wurde. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 gezeigt.
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BEISPIEL 3
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Die grabungsstabilisierenden Aufschlämmungen
(3a) bis (3e) wurden auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 erhalten,
um die Trichterviskosität
und den Fluidverlust zu messen, außer dass die Emulsion (1) durch die
Emulsion (3), die im Herstellungsbeispiel 3 erhalten wurde, ersetzt
wurde. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 gezeigt.
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VERGLEICHSBEISPIEL 1
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Zunächst wurden 600 ml Leitungswasser,
18 g Kunigel VI (hergestellt von Kunimine Industries Co., Ltd.),
das ein Bentonit ist, und Telcellulose DS-P (hergestellt von Telnite
Co., Ltd.), die so abgewogen wurde, dass ihr Feststoffgehalt in
600 ml der Endgesamtmenge der grabungsstabilisierenden Aufschlämmung 0,05 Gew.%
betragen würde,
in einen rostfreien Becher gegeben und dann schnell mit einer Umdrehungsgeschwindigkeit
von 1.200 rpm für
15 Minuten mit einem Hamilton-Beach-Mischer gemischt. Nach dem Ende
des Rührens
wurde die Mischung für
24 Stunden stehengelassen und dann erneut für 15 Minuten mit dem Hamilton-Beach-Mischer
gemischt, so dass eine grabungsstabilisierende Vergleichsaufschlämmung (1a)
erhalten wurde, deren Trichterviskosität und deren Fluidverlust durch
die unten erwähnten
Verfahren gemessen wurden. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 gezeigt.
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Die grabungsstabilisierenden Vergleichsaufschlämmungen
(1b) bis (1e) wurden auf die gleiche Weise wie oben erhalten, um
die Trichterviskosität
und den Fluidverlust zu messen, außer dass die Telcellulose DS-P so
abgewogen wurde, dass ihr Feststoffgehalt in 600 ml der Endgesamtmenge
der jeweiligen grabungsstabilisierenden Aufschlämmungen 0,1, 0,2, 0,3 bzw.
0,5 Gew.% betragen würde.
Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 gezeigt.
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VERGLEICHSBEISPIEL 2
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Die grabungsstabilisierenden Vergleichsaufschlämmungen
(2a) bis (2e) wurden auf die gleiche Weise wie in Vergleichsbeispiel
1 erhalten, um die Trichterviskosität und den Fluidverlust zu messen,
außer
dass die Telcellulose DS-P durch Telpolymer 30 (hergestellt von
Telnite Co., Ltd.) ersetzt wurde. Die Ergebnisse sind in Tabelle
2 gezeigt.
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Verschiedene Einzelheiten der Erfindung
können
geändert
werden, ohne vom Schutzbereich der Ansprüche abzuweichen. Außerdem dient
die vorhergehende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele
gemäß der vorliegenden
Erfindung nur zur Veranschaulichung und nicht zur Beschränkung der
Erfindung, die durch die folgenden Ansprüche definiert ist.
