DK158909B - Geldannende blanding paa alkalisilicat-basis - Google Patents

Description

i

DK 158909B

Opfindelsen angår flydende blandinger af alkalimetalsilica-ter, vand og et geleringsmiddel, hvilke blandinger i løbet af et tidsrum, der kan bestemmes på forhånd, størkner til kiselsyreholdige geler. Blandingernes vigtigste anvendelses-5 område er jordstabilisering i byggeteknikken.

Det har i lang tid været kendt at anvende vandige alkali-silicatopløsninger og geleringsmidler, hver for sig eller sammen, til jordstabilisering. Herved anvendes i overvejende grad sådanne geleringsmidler, som kan blandes med silicat-10 opløsningen uden øjeblikkelig geldannelse, og som først bevirker en geldannelse efter et tidsrum, der er tilstrækkeligt til fremstilling og anvendelse af blandingen. Ved injektion af disse flydende blandinger, som stivner eller størkner i jorden, i det jordområde, der skal stabiliseres, kan vand-15 gennemtrængelige jordarter gøres tætte og forstærkes.

Gelernes egenskaber og egnethed til formålet afhænger af både alkalisilicatets og geleringsmidlets art og mængde.

Det er en forudsætning for en effektiv tætning af jorden, at gelerne udviser en så lille og så langsom synærese som 20 muligt. Med udtrykket synærese menes gelernes volumensammentrækning under udskillelse af en vandig fase, det såkaldte synæresevand.

Den som "Monosol-metoden" kendte anvendelse af vandglasopløsninger med natriumaluminat som geleringsmidler opfylder dis-25 se forudsætninger i området for lave vandglaskoncentrationer. Ganske vist har disse geler en god tætningsvirkning imod vand, men de har praktisk taget ingen egen styrke. En væsentlig forbedring af gel-styrken ved forøgelse af vandglaskoncentrationen og dermed af indholdet af SiC>2 i geler-30 ne er ikke mulig, da der ved fremstilling af blandinger med et SiC^-indhold på mere end ca. 110 g pr. liter er risiko for, at tilsætningen af natriumaluminatet fører til en øjeblikkelig dannelse af gel eller bundfald. Derfor er det

DK 158909B

2 også kun muligt at fremstille geler med et maksimalt SiC^-indhold på ca. 120 g pr. liter i jorden, og disse gelers forstærkende virkning er meget ringe.

Til jordforstærkning med blandinger på alkalisilicat-basis 5 anvendes andre geleringsmidler, ofte organiske geleringsmidler. De organiske midler, hovedsagelig estere såvel som enkelte amider og aldehyder, kan uden risiko for en øjeblikkelig reaktion tilblandes vandglasopløsninger, selv når disse foreligger i høj koncentration.

10 Det er således kendt, f.eks. fra FR-PS 1.164.835 og 1.502.645, at anvende alkylestere af lavere fedtsyrer i blanding med alkalisilicatopløsninger til jordstabilisering. Ifølge DE-PS 1.567.776 og DE-PS 2.242.713 er også alkylesterne af dicarboxylsyrer, f.eks. rav-, glutar- og adipinsyre, egnede 15 som geleringsmidler. En ulempe ved de fleste alkylestere, herunder også ethylacetat, er deres ringe opløselighed i vandglasopløsninger, hvad der kan medføre, at ikke-omsatte estere uddrives af blandingen og udskilles. Som følge heraf kan der indtræde uensartet geldannelse og forurening af grund-20 vandet.

Med henblik på at undgå disse ulemper anbefales forskellige vandopløselige estere som geleringsmidler: Således omtaler FR-PS 2.175.481 glycerolacetatblandinger og GB-PS 1.109.140 cycliske estere af lacton- eller alkylencarbonattypen som 25 egnede geleringsmidler for alkalisilicatopløsninger.

Den høje styrke og dermed også den forstærkningsvirkning, som udvises af de geler, der frembringes ved hjælp af organiske geleringsmidler, skyldes i hovedsagen deres høje SiC^-indhold. Denne årsag ligger ikke alene i disse blandingers 30 høje silicatkoncentrationer, men også i gelernes kraftige synærese. Med den sammentrækning eller skrumpning af gelerne, som ved middelhøje silicatkoncentrationer (ca. 45 til 70 rumfangsprocent ved teknisk vandglasopløsning med en spe-

DK 158909 B

3 cifik vægt på omtrent på ca. 1,25 til ca. 1,45 svarende til 30-45°Bé) kan andrage ca. 50-70%, vokser deres SiC>2-indhold med en lignende procentsats. Medens gelernes styrke eller stivhed tiltager med synæresen, falder tæt-5 ningsvirkningen, eftersom den behandlede jords porevolumen kun er delvis fyldt med gel. Med tiltagende vandgennem-trængelighed eller ved en pludselig vandtilstrømning kan indenfor kort tid betydelige mængder af organiske hydrolyseprodukter og en uforandret rest af geleringsmiddel blive 10 tilført grundvandet sammen med synæresevandet og føre til en utilladelig høj forurening.

I praksis er det ofte nødvendigt at gøre en byggegrund tæt og samtidig forstærke den. Dannelsen af en gel, som opfylder begge disse krav, forudsætter en i det mindste delvis 15 undertrykkelse af den utæthed-skabende synærese.

Muligheder til at opnå dette er: 1. Forøgelse af den geldannende blandings silicatindhold, f.eks. til mere end 75 rumfangsprocent teknisk vandglasopløsning, dette medfører en tilbagetrængning af 20 udskillelsen af synæresevand.

2. Binding eller indeslutning af synæresevandet ved tilsætning af skeletdannende midler, f.eks. cementsuspensioner.

Som geleringsmidler har man hidtil i begge tilfælde anvendt de ovennævnte organiske stoffer, i det andet 25 tilfælde især formamid, imidlertid er anvendelsen af formamid ikke uden risiko på grund af dets giftvirkning (teratogene virkning). Til behandling af finkornede jordmasser er imidlertid ingen af de to muligheder anvendelig, da blandingens indtrængningsevne er kraftigt nedsat, 30 i første tilfælde på grund af den høje viskositet, i det andet tilfælde på grund af indholdet af fast stof. Derfor behandles i praksis sådanne finkornede jordmasser først med en tætnende blanding, og derpå injiceres en forstærkende eller afstivende blanding. En sådan måde 35 at gå frem på er yderst tidskrævende og kræver en indsats, der er praktisk taget dobbelt så stor som ved en arbejdsmåde i ét trin.

DK 158909 B

4

Det er derfor opfindelsens formål at udvikle blandinger på alkalisilicatbasis, der er egnet til jordstabilisering, og som både sikrer en pålidelig tætning og en yderligere forstærkning svirkning og endvidere er egnet til behandling 5 af finkornede jordmasser.

Det har vist sig, at dette formål kan opnås med en geldannende blanding af alkalimetalsilicat, vand og geleringsmiddel, der ifølge opfindelsen som geleringsmiddel indeholder en trialkoxysilan af formlen R-SItORMg , hvori 10 R er en aliphatisk gruppe med 1-6 carbonatomer, og grupperne R', der kan være ens eller forskellige, betyder alkyl-grupper med 1-4 carbonatomer. Foretrukne trialkoxysilaner er n-propyl-, isopropyl- og isobutyl-trimethoxy-silan henholdsvis -triethoxy-silan. Disse silaners alkoxygrupper kan 15 også delvis foreligge i hydrolyseret form som OH-grupper.

Mængden af den silan, der ifølge opfindelsen skal anvendes som geleringsmiddel, afhænger af silanens molvægt, vandglasindholdet og af den ønskede geleringstid for blandingen.

For blandinger med vandglasopløsninger på fra 10-90 rum-20 fangsprocent af fra 30-43° Bé (d^® = 1,25 til 1,4) og geleringstider på fra 30-300 minutter andrager denne mængde fra 20 til 140 g pr. liter blanding svarende til et molforhold silan:SiC>2 på (0,05 til 0,28) :1.

Ved ændring af mængdeforholdet mellem geleringsmiddel og 25 alkalisilicat er det muligt at variere geleringstiderne for blandingerne ifølge opfindelsen indenfor vide grænser. Desuden er det muligt at indstille både geleringstiderne og gelens styrke ved tilsætning af yderligere midler til blandingen af alkalimetalsilicat, vand og trialkoxysilan. Så-30 danne ekstra midler til geleringstidindstilling er f.eks. hydroxider og alkalisk reagerende salte af alkalimetallerne og ammonium, af hvilke især natriumforbindelser, såsom NaOH, Na2C03, NaOOCCH^ eller Na3P04 er egnet til afkortning af geleringstiden. Som sådanne ekstra tilsætningsmidler egner sig

DK 158909B

5 imidlertid også andre, i sig selv kendte geleringsmidler for vandige alkalisilicatopløsninger, som f.eks. alkylen-carbonaterne (f.eks. ethylen- eller 1,2-propylencarbonat), som foruden en afkortning af geleringstiden også bevirker 5 en hurtigere vækst i gelens styrke. Disse stoffer kan tilsættes til blandingen af alkalisilicat, vand og silan i mængder på op til omtrent 3 vægtprocent, regnet på blandin gen.

Ved hjælp af de ekstra tilsætningsmidler kan egenskaberne 10 ved blandingerne ifølge opfindelsen med kort varsel tilpasses til uforudsete afvigelser i lokale jordbundsforhold, tiisse undtagelsestilfælde kræver hovedsagelig blandinger med kortere geleringstider og en hurtigere tætnings- eller forstærknings-virkning. I alle andre tilfælde er tilsætnings-15 midler hverken nødvendige eller fordelagtige.

Som alkalisilicater skal ifølge opfindelsen forstås de som vandglas kendte kalium- og især natriumsilicater. På grund af deres fremstillingsmåde foreligger de som vandige opløsninger med forskellige indhold af alkalioxid og SiC^. De an-20 vender derfor som sådanne vandige opløsninger, idet der fortrinsvis anvendes koncentrerede opløsninger med en vægtfylde d^ på ca. 1,25-1,40 (svarende til 30-43° Bé) . Alt efter anvendelsesformålet fortyndes opløsningerne med vand til den ønskede koncentration.

25 I almindelighed er det ved sammensætning af de til jordstabilisering anvendte blandinger af alkalisilicatopløsning og geleringsmidler nødvendigt, foruden til jordens beskaffenhed og den tilsigtede virkning, også at tage hensyn til komponenternes indbyrdes forenelighed og den geleringstid, der 30 skal opnås. Blandingerne ifølge opfindelsen kan fremstilles uden risiko for en øjeblikkelig geldannelse eller fældning, selv ved anvendelse af ufortyndede tekniske vandglasopløsninger med en vægtfylde fra ca. 1,25 til ca. 1,40 (ca. 30-43° Bé) . Indenfor det samlede område af sædvanlige vandglaskoncentra-

DK 158909B

6 tioner kan geleringstiderne indstilles mellem 30 og 300 minutter ved at variere mængden af trialkoxysilan. I alle tilfælde fremkommer der primært meget tætte geler, som i deres yderligere egenskaber adskiller sig tydeligt fra de 5 geler, der er fremstillet af kendte blandinger af alkali-silicat og geleringsmiddel. Synæresen begynder på et senere tidspunkt og forløber meget langsommere end med geler ud fra blandinger med kendte organiske geleringsmidler. Ved de forhold mellem silicat og trialkoxysilan svarende til 0,04 3 10 ti.l 0,11 mol silan pr. 100 cm vandglasopløsning med en vægtfylde d^ på ca. 1,38 (svarende til 38-40° Bé), som det foretrækkes at anvende, udgør synæresen efter 4 uger mindre end 10% og sikrer en høj tætningsvirkning i dette tidsrum, der er tilstrækkeligt til mange byggeformål. Den langsomt til-15 tagende gelstyrke forhindrer de blødgørings- og opløsnings-fænomener, der iagttages ved andre tætningsgeler i betøring med vand, og bevirker en ønsket forøgelse af forstærknings-væsken.

Den praktiske fremstilling og anvendelse af blandingerne 20 ifølge opfindelsen kan ske ved hjælp af de i jordbehandlingsteknikken sædvanligt anvendte maskiner. Blandingen af komponenterne kan udføres på to måder: 1. Man blander vandglasopløsning og vand i det ønskede forhold, tilsætter den nødvendige mængde trialkoxysilan og' omrører til dette opløses, hvortil der 25 kræves ca. 30-45 minutter. 2. Man opløser den nødvendige mængde trialkoxysilan i omtrent den samme mængde vand, som med en meget lille mængde mineralsyre er blevet bragt til en pH-værdi på mellem 3,5 og 4, og tilsætter denne opløsning til blandingen af vandglas og det resterende vand. Den før-30 ste metode kan anvendes for praktisk taget alle koncentrationsforhold, og den anden noget hurtigere metode kan anvendes ved blandinger med lavere vandindhold (mindre end 70 rumfangsprocent) .

DK 158909 B

7

Eksempel 1.

20

Teknisk vandglasopløsning (d^ ca. 1,35) og vand blev sammenblandet svarende til de i tabel I angivne rumfangsandele, hvorpå den angivne mængde n-propyltrimethoxysilan blev til-5 sat og blandingen omrørt i 45 minutter. Til karakterisering blev der foretaget bestemmelse af blandingernes geleringstid og gelernes synærese.

Geleringstid = tidsrummet fra tilsætning af silanen til blandingens størkning. Størkningstidspunktet var nået, når 10 en glasstav, der blev trukket på tværs gennem blandingens overflade, efterlod sig et spor, som endnu var synligt efter 5 sekunder (ca. 100 mPa.s.). Til kontrol blev der foretaget bestemmelse af vippetiden, efter hvilken en prøveportion af blandingen ikke længere flød ud af et reagensglas med en 15 hældning på mere end 90°. (De her ikke angivne vippetider lå i gennemsnit 1 minut under geleringstiderne).

Synærese = gelens volumensammentrækning, bestemt ved afhældning og måling af synæresevandet, hvis rumfang blev angivet i procent af det samlede rumfang.

20 Tabel I.

Vandglas Vand S.ilan Gelerings- Synærese (%) efter x dage (ml) (ml) (g) tid (min.) 1 3 7 14 28 20 80 4,5 80 0 1 3 6 10 30 70 5,5 99 0 0 0,5 2 5 50 50 6,0 100 0 0 <0,5 2 5 25 60 40 6,5 104 0 0 < 0,5 0,5 1 70 30 7,5 98 0 0 < 0,5 3 6 80 20 8,0 85 0 0 0 < 0,5 0,5

DK 158909B

8

Eksempel 2.

20 60 ml vandglasopløsning (d^ ca. 1,35), 40 ml vand og 5,9 g isobutyl-trimethoxysilan blev omrørt i 15 minutter under tilsætning af 0,5 ml emulgator (en 40%'s opløsning af Na-5 alkylarylsulfonat). Den fremkomne blandings geleringstid var 33 minutter, målt fra silantilsætningen. Den stive gel udviste praktisk taget ingen synærese (efter 28 dage mindre end 1%).

Eksempel 3.

10 50 ml vand blev ved hjælp af fortyndet saltsyre bragt på en sur pH-værdi på 3,6 og omrørt med 50 g n-propyl-trimethoxy-silan, hvorved der efter 7 minutter fremkom en homogen opløsning.

a) 10 g af den 50%'s silanopløsning blev indrørt i blanding 20 15 af 30 ml vandglasopløsning (d^ = 1,26) og 60 ml vand. Blan dingen størknede efter en geleringstid på 95 minutter. Efter 24 dage var den stive gels synærese 1,5%.

b) 15 g af den 50%'s silanopløsning blev i løbet af 3 minutter inddryppet under kraftig omrøring i en blanding af 60 ml 20 20 vandglasopløsning (d^ = 1,26) og 30 ml vand. Omrøringen blev fortsat i yderligere 10 minutter, hvorved den til at begynde med optrædende uklarhed i stor udstrækning forsvandt. Efter en geleringstid på 92 minutter fremkom en stiv, uigennemsigtig gel med meget ringe synærese (0,5% efter 24 dage).

25 Eksempel 4.

Tre blandinger, hver bestående af 60 ml vandglasopløsning 20 (d4 ca. 1,35) og 40 ml vand, med forskellige geleringstider blev fremstillet ved anvendelse af forskellige mængder af n-propyl-trimethoxysilan. Resultaterne fremgår af tabel II.

30 Fremstillingen af blandingerne blev gentaget under tilsætning af natriumhydroxid til afkortning af geleringstiden. Natrium-

DK 158909B

9 hydroxidet opløstes i blandingens vandandel i en med silanen ækvimolær mængde.

Tabel II.

Forsøg Silan NaOH Gelerings- Synærese af gelen (%) efter (g) (g) tid (min.) 3 dage 14 dage - 417 0 1,0 D a 4,3 1,12 119 <0,5 4,5 , c c - 218 0 0,5 ° 0,0 1,37 62 < 0,5 6,5 - 104 0 0,5 C b,b 1,62 43 <0,5 8,5

Eksempel 5.

Den i eksempel 4b nævnte blanding af 60 ml vandglasopløsning 20 10 (d^ ca. 1,35), 40 ml vand og 5,5 g n-propyl-trimethoxysilan (geleringstid 218 minutter) blev efter omrøring i 30 minutter tilsat 2,5 g 1,2-propylencarbonat. Efter 18 minutter størkede blandingen til en fast gel med højere synærese (efter 3 dage 4,4%, efter 17 dage 21%) .

Claims (5)

1. Geldannende blanding af alkalimetalsilicat, vand og geleringsmiddel, kendetegnet ved, at den som geleringsmiddel indeholder en trialkoxysilan med formlen

5 R-Si(OR*)2 , hvori R betyder en aliphatisk gruppe med 1-6 carbonatomer, og grupperne R', der kan være ens eller forskellige, betyder alkylgrupper med 1-4 carbonatomer.

2. Geldannende blanding ifølge krav 1, kendetegnet ved, at trialkoxysilanen er n-propyl- eller 10 isobutyl-trimethoxy eller -triethoxysilan.

3. Geldannende blanding ifølge krav 1 eller 2, kendetegnet ved, at den som yderligere midler til indstilling af geleringstiden og/eller gelstyrken indeholder hydroxider og/eller alkalisk reagerende salte af alkalimetal- 15 lerne eller af ammonium.

4. Geldannende blanding ifølge krav 1-3, kendetegnet ved, at den yderligere som middel til indstilling af geleringstiden indeholder et i sig selv kendt geleringsmiddel for alkalisilicatopløsninger.

5. Geldannende blanding ifølge krav 4, kendeteg net ved, at den som yderligere kendt geleringsmiddel indeholder ethylen- eller 1,2-propylencarbonat. r