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Verfahren zur Behandlung von Böden Die Erfindung betrifft ein Verfahren
zur Verfestigung von Böden, damit sie bei starker Inanspruchnahme zusammenhaftend
bleiben.
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Seit vielen Jahren treten beim Bau von Straßen und Flugplätzen auf
Böden bestimmter Arten, wie beispielsweise verschiedener Lehmarten, die sehr fluidem
gummiartigen Schlamm bilden und daher keine schweren Belastungen zu tragen vermögen,
Schwierigkeiten auf. Auch Sand ist in vielen Fällen nicht geeignet, schwere Fahrzeuge
zu tragen. Um diesen Schwierigkeiten zu begegnen, hat man schon tragbare Stahlmatratzen
verwendet, und natürlich sind in großem Maßstabe betonierte Straßen und Flugzeugrollbahnen
verwendet worden. Diese haben den Nachteil, daß sie den Transport großer Mengen
an schweren Baumaterialien erfordern, und zwar manchmal über große Entfernungen
und oft dann, wenn geeignete Transportvorrichtungen fehlen.
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Ziel der Erfindung ist es, Böden und Sand zu stabilisieren, um ihnen
ausreichende Steifheit und Festigkeit zu verleihen, daß sie schwere Gewichte, d.
h. Kraftfahrzeuge, Militärfahrzeuge, Flugzeuge u. dgl., zu tragen vermögen, sowie
die Erosion von Böden zu verhindern, die Viskosität von fluidem Schlamm wesentlich
zu erhöhen und Böden zu verfestigen und ihnen gummiähnliche Eigenschaften zu verleihen.
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Das Verfahren der vorliegenden Erfindung zur Behandlung von Boden,
um ihn zu stabilisieren, besteht darin, daß man in den Boden eine wäßrige Lösung
oder
Dispersion einer copolymerisierbaren Mischung einbripgi, die aus einem Acrylsäurederivat
und einem Alkylidendiacrylamid der Formel
besteht, worin
der Kohlenwasserstoffrest eines Aldehyds und R Wasserstoff oder eine Methylgruppe
ist, und die durch Polymerisation in einen wasserunlöslichen Zustand übergeht.
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Die Erfindung soll im folgenden an Hand eines Beispiels näher erläutert
werden.
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Es ist bereits bekannt, zur Verfestigung von Böden diesen eine wäßrige
Lösung bzw. Dispersion kondensierbarer Stoffe einzuverleiben und diese dann zu einem
Kunstharz zu polymerisieren (USA.-Patentschriften. 2 476 015, 2 559 i62, 2 562 866/67
und 2 595 184).
Die gemäß der vorliegenden Erfindung zur Verfestigung von Böden verwendeten polymeren
Materialien sind jedoch als Feststoffe und in Lösungen stabiler als die gemäß diesen
USA.-Patentschriften verwendeten harzartigen Kondensationsprodukte. Die Aushärtezeit
der erfindungsgemäß verwendeten Polymeren ist leichter zu steuern als die Aushärtezeit
der gemäß den Entgegenhaltungen durch Kondensation erhaltenen Harze, und das gemäß
der vorliegenden Erfindung erhaltene Gel ist biegsam und kann leichter und gleichmäßiger
während der Behandlung des Bodens in diesem verteilt werden. Beispiel i Wäßrige
Lösungen verschiedener monomerer Acrylsäurederivate, allein oder in Mischung, werden
mit geringen Mengen Methylendiacrylamid vermischt. Es wird ein geeigneter Katalysator
zugesetzt und die Mischung dann mit dem Boden vermengt, wonach man sie bei etwa
2o bis 25° polymerisieren läßt. Wenn Methylolacrylamid verwendet wird, wird seiner
wäßrigen Lösung Säure oder Alkali zugesetzt, um ihr p$ auf etwa 4 oder ii einzustellen
und dadurch die Kondensation der Methylolgruppen zu bewirken. Die Ergebnisse sind
in der folgenden Tabelle zusammengestellt.
| Zusammensetzung Stabilität |
| Harzmonomere Katalysator Boden nach Zugabe |
| nach 16stündiger |
| Kalium- Natrium- Wasser eines gealterten |
| . Alterung Teiles zu Wasser |
| °% persulfat bisulfit Art % °% bei zo bis 25° im 1.lberschuB |
| Acrylamid .......... |
| 16,5 |
| 0,2 - Kaolinit 66,7 16,4 zäh, hart unlöslich |
| Methylendiacrylamid . 0,2 fest |
| Calciumacrylat ...... 5,53 |
| Acrylamid .......... 2,77 |
| Methylolacrylamid 0,1o - Kaolinit 66,67 22,06 hart,
fest stabil, zäher, |
| ... 2,77 gummiarti- |
| Methylendiacrylamid . 0,1o gummiarti- |
| ger Feststoff |
| Methylolacrylamid ... 11,93 |
| o,14 0,05 Sand 71,43 16,31 harte Masse löst sich nicht |
| Methylendiacrylamid. o,14 und zerfällt |
| nicht |
| Methylolacrylamid ... 9,14 0 11 0,04 Kaolinit |
| Methylendiacrylamid. o,11 5634 3426 zäh, fest hiee keine g |
Es kann jede polymerisierbare Mischung verwendet werden, die ein monomeres Acrylsäurederivat
und ein Alkylidendiacrylamid enthält, sofern sie in der verwendeten Konzentration
wasserlöslich oder in Wasser dispergierbar ist und gleichzeitig durch ein Polymerisationsverfahren
in einen wasserunlöslichen Zustand übergeführt werden kann, und zwar entweder durch
ein Polymerisationsverfahren von der Art der Vinylpolymerisation oder durch eine
Kombination einer Kondensation mit einer solchen Polymerisation unter Bildung der
neuen stabilisierten Bodenzusammensetzungen.
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Beispiele für geeignete monomere Acrylsäurederivate sind: Acrylsäure,
Acrylamid, N-Alkylacrylamide, in denen die Alkylgruppe bis zu 4 Kohlenstoffatome
enthält, wie N-t-Butylacrylamid, Methylolacrylamid, Acrylnitril, gesättigte Alkylester
von Acrylsäure, z. B. Methylacrylat, Oxyäthylacrylat, Salze der Acrylsäure, z. B.
Calciumacrylat, Methacrylsäure und entsprechende Derivate davon. Wie aus dem Beispiel
hervorgeht, können auch Gemische von zwei oder mehr monomeren Acrylsäure.derivaten
verwendet werden.
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Die Polymerisation der Vinylgruppen der erfindungsgemäß verwendeten
Verbindungen wird vorzugsweise durch einen der üblichen wasserlöslichen sauerstoffhaltigen
Katalysatoren, wie beispielsweise Ammonium-, Kalium- und Natriumpersulfat, Wasserstoffperoxyd
oder die Alkali- und Ammoniumchlorate, bewirkt. Gewöhnlich ist es erwünscht, ein
Redox-Katalysator-System aus einer sauerstoffhaltigen Verbindung mit einem Reduktionsmittel,
wie beispielsweise Natriumthiosulfat oder Natrium- oder Kaliumbisulfit, zu verwenden.
Eine typische derartige Kombination ist ein Chlorsäure-Bisulfit-System. Im allgemeinen
können o,i bis etwa 1o Gewichtsprozent der polymerisierbaren Monomeren verwendet
werden.
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Wenn die monomere Mischung eine Methylolverbindung enthält, ist es
erwünscht, daß die Lösungen entweder stark alkalisch oder stark sauer sind, damit
die Methylolgruppen in relativ kurzen Zeiten polymerisiert werden. Einige Redox-Systeme
(beispielsweise Chlorsäure-Bisulfit) erfordern beispielsweise saure Bedingungen.
Daher wird in solchen Fällen eine Polymerisation bei einem p11-Wert unter 7 bevorzugt.
Wenn eine saure Polymerisation beabsichtigt ist, kann irgendein saures Mittel, z.
B. Schwefelsäure, Salzsäure, Phosphorsäure, Diammoniumhydrogenphosphat, Ammoniumchlorid,
Ammoniumsulfat usw., für diesen Zweck verwendet werden. In einigen Fällen kann es
erwünscht sein, organische Säuren zu verwenden. Zum Beispiel können Essigsäure,
Oxalsäure, Weinsäure, Phthalsäureanhydrid und andere Säuren verwendet werden.
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Die verwendeten Säuremengen können bis zu sehr geringen Mengen,. die
eine nur schwach saure Reaktion hervorrufen, in weitem Bereich variieren. Gewöhnlich
wird ein relativ niedriger p,1-Wert in der Größenordnung von 3,5 bis 4 bevorzugt.
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In einigen Fällen, insbesondere bei Böden, die säureabsorbierende
oder mit Säuren reagierende Stoffe enthalten, kann es erwünschter sein, gegebenenfalls
anwesende Methylolgruppen unter alkalischen Bedingungen zu polymerisieren. Hierzu
kann jedes wasserlösliche Alkali verwendet werden. Im allgemeinen werden jedoch
Natriumcarbonat, Natriumhydroxyd, Ammoniumhydroxyd, Kaliumhydroxyd und Kalziumhydroxyd
verwendet. Es können aber auch organische Basen, wie Guanidincarbonat, benutzt werden.
Wenn
alkalische Materialien zur Katalysierung der Polymerisation der Methylgruppen verwendet
werden, liegt der pH-Wert vorzugsweise relativ hoch, nämlich bei etwa iz. Wenn es
jedoch nicht erforderlich ist, die Methylolgruppen rasch zu polymerisieren, kann
auch eine niedrigere Alkalität bis herab zur Neutralität angewendet werden.
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Bei alkalischen Böden kann ein Katalysatorsystem angewendet werden,
das ein Amin als Aktivator für die Vinylpolymerisation enthält. Beispiele für Aktivatoren
für Peroxydkatalysatoren, wie Persulfate, sind Polyamine, d. h. Diäthylentriamin,
Tetraäthylenpentamin usw., Triäthanolamin, Dimethylamin-propionitril, Dimethylamino-acetonitril
usw.
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Die Gelbildung eines bestimmten Harzes kann variieren, je nachdem
ob die Polymerisation in Gegenwart von Säure oder Alkali durchgeführt wird, und
auch dieser Faktor muß bei Festlegung der Polymerisationsbedingungen berücksichtigt
werden.
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Die Erfindung ist auf alle Arten von Lehm und Sand und auf verschiedene
Böden, die Mischungen solcher Materialien enthalten und die normalerweise weich
und schlammig sind und gewöhnlich nicht gut für die Benutzung durch schwere Fahrzeuge
verwendet werden können, anwendbar.
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Das Verhältnis an polymerisierbarem Material, das etwa 0,5
bis io °/o Alkyhdendiacrylamid und vorzugsweise etwa 10/0, bezogen auf das gesamte
polymerisierbare Material, enthält, zu dem Boden kann in weitem Bereich variieren,
liegt jedoch gewöhnlich zwischen etwa 3 bis 25 Gewichtsteilen Boden zu i Gewichtsteil
an polymerisierbarem Material. Gewöhnlich wird das polymerisierbare Material in
Wasser gelöst oder dispergiert, um eine Lösung öder Dispersion zu bilden, die mit
dem Boden vermischt wird. Die Konzentration der Lösungsoder Dispersion und die verwendete
Menge können so einreguliert werden, daß die Konzentration des Endgemisches von
Boden und stabilisierenden Zusätzen an Wasser in einem Bereich von etwa 5 bis etwa
7o Gewichtsprozent je nach der Bodenart variiert. Sand beispielsweise erfordert
sehr vielweniger Wasser als bestimmte Lehmarten. Die verwendete Menge an Wasser
bestimmt bis zu einem gewissen Grade die Eigenschaften des stabilisierten Bodens.
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Das polymerisierbare Material kann in irgendeiner Weise, beispielsweise
durch Vermischen in einer Drehtrommel, in den Boden eingebracht werden. Eine geeignete
Methode besteht beispielsweise darin, daß man den Boden und das Monomere vormischt
und dem Gemisch eine Lösung des Katalysators in Wasser . zusetzt. Eine weitere manchmal
anwendbare Methode besteht darin, daß man eine wäßrige Lösung oder Dispersion des
polymerisierbaren Materials auf den Boden, der zäh gemacht werden soll, aufsprüht.
Diese Verfahrensweise ergibt jedoch für viele Zwecke keine ausreichende Durchdringung.
Diese Schwierigkeit kann aber oft wenigstens teilweise dadurch überwunden werden,
dä.ß man den Boden entweder vor oder nach dem Aufsprühen oder gleichzeitig damit
umpflügt. Dies kann zweckmäßig mit einem geeigneten Pflug erfolgen, der die oberste
Schicht des Bodens bis in eine Tiefe von etlichen Zentimetern gründlich durchmischt.
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Um eine ausreichende Verfestigung eines bestimmten Bodenabschnittes
zum Tragen von schweren Lasten zu gewährleisten, wird der Boden zweckmäßig bis zu
einer Tiefe von etwa 3,7 bis 15 cm nach dem erfindungsgemäßen Verfähren behandelt.
Die erforderliche Tiefe variiert jedoch, je nachdem wie groß die Fluidität des Bodens
zu Beginn des Verfahrens ist oder, mit anderen Worten, eine wie starke Verfestigung
erforderlich ist.