EP3366843A1 - Polymermodifizierte bodenstabilisierung - Google Patents

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EP3366843A1
EP3366843A1 EP18158963.1A EP18158963A EP3366843A1 EP 3366843 A1 EP3366843 A1 EP 3366843A1 EP 18158963 A EP18158963 A EP 18158963A EP 3366843 A1 EP3366843 A1 EP 3366843A1
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EP
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substrate
consolidator
binder
consolidated
water
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Lehner Markus Walter
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Lehner Markus Walter
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    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E01—CONSTRUCTION OF ROADS, RAILWAYS, OR BRIDGES
    • E01C—CONSTRUCTION OF, OR SURFACES FOR, ROADS, SPORTS GROUNDS, OR THE LIKE; MACHINES OR AUXILIARY TOOLS FOR CONSTRUCTION OR REPAIR
    • E01C3/00—Foundations for pavings
    • E01C3/04—Foundations produced by soil stabilisation
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E02—HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
    • E02D—FOUNDATIONS; EXCAVATIONS; EMBANKMENTS; UNDERGROUND OR UNDERWATER STRUCTURES
    • E02D3/00—Improving or preserving soil or rock, e.g. preserving permafrost soil
    • E02D3/12—Consolidating by placing solidifying or pore-filling substances in the soil

Definitions

  • the invention relates to a method for consolidating a substrate, a substrate consolidator and uses.
  • a soil layer is usually removed first, and after flattening the surface, a gravel support layer is applied, followed by an asphalt base course, an asphalt binder course and an asphalt face course.
  • the gravel base often has a thickness of 50 to 70 cm.
  • the soil In the production of foundations, the soil is usually also excavated, because a gravel layer is applied before foundation production.
  • a method of consolidating a substrate comprises processing a polymer-based elastic network former (a subsoil promoter) with a binder and water to a consolidated subfloor.
  • a substrate e.g., a road and / or foundation bearing layer
  • a polymer-based elastic network former a subsoil promoter
  • a lot of used Netztechnik Kunststoffners a lot of binder used and an amount of water used depending on the nature of the substrate.
  • a subsoil consolidator for consolidating a subfloor (which can be used in the above process), wherein the subsoil consolidator comprises a binder and 2 wt% to 5 wt% (especially 2 wt% to 4 wt%, more particularly 2% to 3.5% by weight) of an elastic (especially rubbery) network former, based on an amount of binder with which the network former and water to form the consolidated substrate are processable.
  • a subsoil consolidator having the above-described features is used, wherein between 2% by weight and 10% by weight of binder, based on the substrate to be consolidated, are used.
  • an undercoat consolidator having the above-described features is added used to increase the frost resistance of a substrate to be consolidated.
  • a subsoil consolidator having the above-described features is used as an additive for increasing the modulus of elasticity of a subfloor to be consolidated.
  • a subsoil consolidator having features described herein is used as an additive for increasing the nip tensile strength of a subfloor to be consolidated.
  • substrate consolidator can be understood in particular to mean a material or a material composition which can be taken alone or already mixed with water and / or placed in a substrate to be consolidated, so that by interaction between the substrate consolidator and the substrate to be consolidated, it comes to the formation of a solidified subsoil.
  • a substrate consolidator may, for example, be in a solid phase, in particular a granulate or a powder.
  • a subsurface consolidator may also be in a liquid phase or a viscous material, whereby during curing of the subsoil consolidator this may be converted into a solid phase.
  • the substrate consolidator may be present as a suspension (or as an emulsion).
  • polymer-based elastic network former can be understood in particular to mean a material which, as part of a substrate consolidator, has a polymer component which crosslinks when it hardens and in that case bonds to the substrate consolidator Substrate in addition to a sufficient stability also gives a degree of elasticity.
  • the crosslinking of the polymer of the network-forming agent can lead to hardening of the substrate consolidator and to solidification of the substrate interacting therewith.
  • binder can be understood in particular to mean a medium which forms part of the substrate consolidator and / or part of the substrate to be consolidated for forming a bond between the components of the substrate consolidator and between the substrate consolidator and the substrate consolidator Underground is configured.
  • Such hydraulic binders may contain, for example, cement and / or lime. Lime already contained in the subsurface can provide the hydraulic binding effect in addition to an externally added cement.
  • externally added cement for example, Portland cement CEM I 32.5 R can be used.
  • 3 to 10% by weight of cement may be milled as a hydraulic binder and 2 to 5% by weight of a polymer-based network former.
  • the term "nature of the substrate” can be understood in particular to mean a property of the substrate which has an influence on the amount of water which is to be added to form a reliable, in particular optimum, bond between substrate and substrate consolidator.
  • the texture may relate to temporary soil properties, such as a currently increased moisture due to rainfall or a currently reduced moisture due to a dry period.
  • the condition may also affect permanent soil properties, such as a natural moisture content of the soil. If the water content of the subsoil is taken into account in the design of the amount of water with the Underground consolidator is processed to solidify the substrate, a soil-specific adaptation or optimization of the relative amounts of the individual components can be carried out.
  • an amount of water for co-processing with an amount of polymer-based elastic network former of a substrate consolidator and a binder amount are not only selected in relation to each other but also the nature of the substrate to be consolidated in the measurement of the amount of water, the amount of network builders and Included in the amount of binder.
  • the nature of the substrate may in particular include its water content. The more water the subsurface can contribute to solidifying it using the subsoil consolidator, the less water must be added externally, and vice versa. Also, for an adequate amount of network builders and an appropriate amount of binder, the nature, especially the moisture, of the substrate has a significant influence which can be taken into account by selecting the individual constituents of said components depending on the type of substrate.
  • the logistically elaborate provision of large quantities of possibly not required components of the substrate consolidator is dispensable.
  • the ground-independent addition of water may even be counterproductive, since excessive water addition may even adversely affect the compressive strength and ruggedness against cracking of the substrate.
  • a subsurface has a high level of moisture
  • using a subsoil consolidator that has been previously liquefied unspecifically in water would degrade soil holding power.
  • a dry subsurface consolidator (for example in the form of granules or powder) may be better Processing results provide as an already mixed with water Untergrundverfestiger.
  • the binder to be supplied and the water to be supplied particularly advantageous properties of the consolidated substrate can be achieved in terms of strength and frost resistance.
  • an elastic network former of the subsoil consolidator having a quantity in a range between 2% and 5% by weight relative to a binder in one Substrate compaction be provided to harden together with the binder and water to form the solidified substrate.
  • the above-described surface consolidator can be used for improving the frost resistance by lowering the thermal expansion properties of the subsoil consolidator and the substrate.
  • the modulus of elasticity can be increased with advantage.
  • the polymer-based network former forms an elastic network during processing which fills voids in the soil-binder mixture and hence the frost resistance and elastic modulus of the solidified subsurface increases.
  • the network former supplied, for example, as a polymer suspension provides for an orderly delivery of water to the hydraulic binder (especially cement), resulting in an orderly hydrophobing.
  • the network creator thus forms a network Binder and substrate, so that an increased modulus of elasticity can be achieved.
  • the solidified substrate therefore exhibits increased rigidity without losing its elasticity, thereby effectively suppressing cracking tendencies.
  • the network builder clearly fills in small gaps in the substrate, so that no more water can penetrate into these gaps, whereby a particularly good frost resistance is achieved.
  • the described substrate consolidator can be processed with between 2% by weight and 10% by weight of binder, based on the substrate to be consolidated.
  • binder especially cement
  • the polymer-based network former of the subsoil consolidator is capable of moderately suppressing cracking.
  • the network former may be supplied as a dry powder or as a polymer emulsion or suspension.
  • the water can be mixed with the substrate consolidator before the substrate consolidator is introduced into the substrate to be consolidated-in particular immediately before the substrate consolidator is introduced into the substrate to be consolidated.
  • the mixing of the substrate consolidator with the water can be carried out directly at a construction site and thus after the transport of, for example, pulverulent substrate consolidator from a manufacturing facility to the site. This Significantly reduces the logistical burden associated with moving the subsoil consolidator to the site of its processing.
  • the water may be mixed with the subsoil consolidator after the subsoil consolidator is incorporated into the subfloor to be consolidated.
  • the subsoil consolidator may be introduced into the subsoil simultaneously with, but separately from, the water. It is also possible first to fill the subsoil hardener and then the water into the subsoil.
  • only one reservoir of water in the subsurface is used to liquefy the subsurface consolidator present in a solid state phase (for example, present as granules or powder). Then no external water is required to solidify the substrate by means of the substrate consolidator.
  • a degree of moisture of the substrate can be determined and, based on the determined moisture level, the water can subsequently be mixed with the substrate consolidator.
  • the amount of water to be incorporated into the ground and the amount of the network former used, as well as the amount of binder used can be adjusted depending on the moisture content of the substrate.
  • a moisture content determination of the material of the substrate to be solidified can be carried out before or during the subsurface consolidation, and depending on the determined moisture content, a quantity of water, network formers and binders are determined which are introduced into the substrate to be consolidated with the substrate consolidator. This makes it possible to determine the correct amount of the water, network former and binder to be added not only based on the ingredients of the substrate consolidator, but also from the moisture conditions of the subsurface.
  • the binder may be wholly or partly part of the substrate consolidator.
  • the binder may be part of the substrate to be consolidated.
  • the binder may be at least in part a component of the subsoil consolidator, which may then be selected flexibly and suitably to the other components.
  • the externally added binder may be partially omitted. This reduces the effort associated with underground consolidation.
  • use of underground consolidation components eliminates the need for stock removal and disposal prior to solidification.
  • the underground consolidator may be applied in powdered form to the substrate to be consolidated.
  • the weight-intensive water can only be added to the substrate consolidator and / or the substrate as needed shortly or during processing.
  • a mixture of the network former, the binder and the substrate to be solidified may be formed, a study carried out on the mixture, based on a result of the investigation, the amount of the network former to be mixed with the mixture, binder and water are determined. and the specific amount of network former, binder and water are then blended with the mixture.
  • a precise amount of water and binder added to the subsoil consolidator can be determined based on the insights of this material introduction should be. This makes it possible to find and process an optimum composition of the soil compaction ground consolidator.
  • the network former and the binder can be processed separately and without premixing in the substrate to be consolidated.
  • the processing method is particularly easy to implement (mixed in place).
  • the substrate consolidator may comprise between 2% to 3.5% by weight of the network former, based on the binder.
  • Experimental findings have shown that in such a design of the elastic polymer-based network former, the solidified soil is not only extremely frost resistant, but synergistically fast and long-lasting a significant increase in compressive strength with a simultaneous increase in the modulus of elasticity shows. These advantageous effects are particularly pronounced in the area of said corridor. In the described range, particularly advantageous properties with regard to increasing the compressive strength and the rigidity can be achieved. Particularly good results could be achieved with about 2.5% by weight of the network former.
  • the binder may be selected from a group consisting of cement and lime. Especially the use of cement leads to a high pressure resistance. In such a preferred Embodiment may be spoken of a polymer-modified cement stabilization. A mixture of cement and lime also represents a technically advantageous solution. However, other hydraulic binders may alternatively or additionally be used.
  • the substrate consolidator may be powdered or provided as granules. The liquefaction of such a substrate consolidator can then take place, for example, only during processing in the substrate.
  • the subsurface consolidator may further comprise water. This can be added to the substrate consolidator shortly before or during processing.
  • the subsoil consolidator may be free of at least one of a group consisting of stabilizers, a thickener, a defoamer, and a salt or hydroxide of an alkali or alkaline earth metal.
  • the components mentioned are therefore unnecessary for the underground consolidator. This allows a cost-effective and environmentally friendly and fast production of the substrate consolidator, which needs to be composed of only a few components.
  • the network former is a latex polymer, especially styrene butadiene latex. It has been found that a latex polymer is particularly advantageous in terms of crosslinking and providing cracking elasticity.
  • the network former may comprise or consist of lignosulfonate.
  • Lignosulfonates are the salts of lignosulfonic acid, a water-soluble, anionic, polyelectrolytic, branched polymer. Lignosulfonates are formed during the chemical digestion of lignin, a biopolymer, which can be reacted in the sulfite process with salts of sulfurous acid. Upon digestion, chemical bonds in the hydrophobic lignin framework are disrupted and the resulting fragments are converted into a water-soluble form by addition of sulfonate groups.
  • Lignosulfonate is a powdered raw material that can be conventionally used for papermaking and can function effectively as a polymer-based network former of the subsoil consolidator according to exemplary embodiments of the invention.
  • At most 15% by weight of water, based on the substrate to be stabilized, is used.
  • the exact amount of water to be used can be adjusted depending on the soil properties, in particular of the existing moisture in the ground anyway.
  • the ideally chosen amount of water depends, among other things, on the compressibility of the substrate material.
  • latex polymers which are soluble or dispersible in water.
  • SBR styrene-butadiene latex
  • (meth) acrylate latex ethylene-vinyl acetate latex, ethylene / propylene latex, ethylene / propylene-diene latex (EPDM), butadiene-acrylonitrile latex (NBR) , Silicone latex (SI), polybutadiene latex (BR), natural rubber latex, or a mixture of two or more thereof.
  • the latex can be uncrosslinked or crosslinked. It is also possible to use an uncrosslinked latex together with a crosslinking agent. In particular, chemical crosslinkers are included.
  • the molecular weight of the polymer underlying the latex may be 300 to 1,000,000, preferably 500 to 100,000 g / mol (number average molecular weight as determined by gel permeation chromatography).
  • the subsoil consolidator (which can also be referred to as a soil consolidator) can be worked into the subsoil to be consolidated using a tiller.
  • the substrate consolidator can be sprayed in pulverulent or liquid form into the catchment area of a milling machine via an, for example, processor-controlled pump and mixed with the soil or soil by the milling machine.
  • cement or another or other binder can be pre-scattered, which can then also be introduced into the substrate.
  • the road surface layer can be mixed with the milling cutter with the addition of a substrate consolidator according to an exemplary embodiment of the invention. A removal of individual layers can be avoided.
  • a Untervigverfestiger according to an exemplary embodiment of the invention can be used with advantage for the substructure and the base course for state roads, highways and highways, pedestrian and cycle paths with and without superstructure, forestry, forest and farm roads, parking, storage, container areas with / without Superstructure, construction site access, rehabilitation work, treatment of agricultural roads, gardening and landscaping, a stabilization of fly ashes, foundations in special civil engineering, runways, access roads and / or the attachment of gravel roads are used.
  • the remaining (for example at most 70% by weight) of the solidified substrate can be provided by the substrate to be consolidated itself.
  • a soil sample whose dry bulk density has previously been determined can be fed in a defined vessel with predefined energy via a Proctor compressor (in particular a drop weight with guide rod) and then the density achieved can be determined.
  • the test can be carried out at least five times with different water contents. Applying the achieved densities above the corresponding water content results in a curve that initially increases, reaches a maximum and then drops again. The maximum of this curve is the Proctor density of the subsoil with the corresponding optimum water content.
  • a relationship between compressibility and water content is visible.
  • a substantial portion of the mixture (namely, the polymer-based network stabilizer, which may be formed as a latex polymer) may be liquid or dry directly into the composition
  • Substrate are introduced and processed.
  • a liquid introduction since then the hydrophobing of the hydraulic binder can be particularly regulated.
  • the achievable with such an embodiment of the invention advantages are initially a significant logistical, as in a liquid mixture, the largest weight fraction is only water and then no longer accumulates.
  • the amount of water incorporated into the substrate which is used to redisperse the dry latex (or other polymer-based network former) and to bind an additionally used binder (e.g., cement) can be precisely tailored to these components and the actual sub-groundwater conditions can be adjusted.
  • FIG. 1 shows a container 130 having a subsurface consolidator 104 and another container 132 of water 108 to be mixed therewith in accordance with an exemplary embodiment of the invention.
  • the substrate consolidator 104 may be used to solidify a substrate 100 (see FIG. 2 ), such as a road or a sand surface, are used.
  • Substrate compaction agent 104 has a schematically illustrated binder 106, for example cement powder or lime powder. However, the binder 106 may also be partially already in the underground 100. When the binder 106 is entirely in the substrate 100, the addition of binder 106 to the substrate consolidator 104 may also be dispensable.
  • the described substrate consolidator 104 can be advantageously processed with between 2% by weight and 10% by weight of binder 106, based on the substrate 100 to be consolidated.
  • the subsurface consolidator 104 shown schematically preferably has between 2% to 3.5% by weight of an elastic, clearly rubbery, schematically illustrated polymer network former 102, based on an amount of binder 106.
  • the network former 102 may comprise or consist of a latex polymer (preferably styrene butadiene latex).
  • the network former 102 comprises or consists of lignosulfonate.
  • the network former 102 can form a polymer network with the substrate 100 during the processing of the substrate consolidator 100, thereby solidifying the substrate, but simultaneously giving it an elastic and thus crack-resistant and frost-resistant character.
  • an increase in the compressive strength and an increase in the modulus of elasticity of the substrate 100 solidified by means of the substrate consolidator 104 can be achieved at the same time. It is advantageous that the amount of network-forming agent 102 does not drop too much (in particular not far below 1% by weight, based on the amount of binder 106) and does not increase too much (in particular does not rise much above 6% by weight) on the amount of binder 106).
  • the underground consolidator 104 contained in the container 130 is powdery and does not yet have water 108, which significantly simplifies its transport from a production site to a construction site.
  • the substrate consolidator 104 may optionally also have a schematically represented additive 110 or a certain amount of kaolin.
  • the substrate consolidator 104 may preferably be free of stabilizers, a thickener, a defoamer, and a salt or hydroxide of an alkali or alkaline earth metal. This simplifies the production of the subsoil consolidator 104 without its function Affects and reduces the already low environmental impact of the subsoil hardener 104.
  • the substrate consolidator 104 can be transported from the described components 102, 106, 110 and the water 108 in separate containers 130, 132 to a construction site. Mixing of the substrate consolidator 104 with the water 108 can then take place only immediately prior to introduction into the substrate 100, during a separate introduction of substrate consolidator 104 and water 108 into the substrate 100, or after the introduction of the substrate consolidator 104 into the substrate 100.
  • FIG. 2 shows a substrate 100 to be filled and stabilized with a substrate consolidator 104 according to an exemplary embodiment of the invention, and whose moisture level is being measured by means of a moisture sensor 134.
  • a moisture level determination of the material of the substrate 100 to be consolidated is carried out before the subsurface consolidation.
  • the water 108 is subsequently mixed with the substrate consolidator 104.
  • This measure is based on the finding that it can be of considerable advantage for the substrate consolidation with regard to pressure stability, crack resistance and resistance of the consolidated substrate 100, not independently of a degree of moisture of a substrate to be consolidated 100, a firmly premixed mixture of substrate consolidator 104 and water 108 use.
  • the granular or powdery Substrate compatibilizer 104 to mix a variable amount of water, which depends on the current degree of moisture of the substrate 100.
  • the amounts of added binder 106 and network former 102 may be adjusted depending on the current moisture level of the substrate 100. For example, falling rainfall just prior to subsurface consolidation, a high groundwater level, or a fundamentally high level of subsoil 100, may result in only a small amount of water 108 or even no water 108 being added to the solid phase subsoiler 104 prior to it is introduced into the subsurface 100. In this way, a much more flexible consolidation of substrates 100 with variable soil properties can be achieved.
  • FIG. 3 Figure 13 shows the container 130 with the subsurface consolidator 104 already mixed with a quantity of water 108 according to an exemplary embodiment of the invention.
  • the amount of network former 102 used, the amount of binder 106 used, and the amount of added water 108 is based on a moisture determination of the substrate 100 (see FIG FIG. 2 ).
  • the composition of the mixture can be adjusted flexibly and application-specific as well as precisely so that a maximum solid subsurface consolidation can be achieved.
  • a quantity of water 108, network former 102 and binder 106 is determined, which is introduced into the substrate 100 to be consolidated with the substrate consolidator 104. This is done according to FIG. 3 such that the determined amount of water 108 is filled from the container 132 into the container 130 with the previously powdered subsurface hardened 104 and these components are stirred into a flowable viscous or liquid mass.
  • the polymer-based elastic network former 102 of the substrate consolidator 104 is mixed with the binder 106.
  • a defined amount of water 108 dependent on the degree of moisture is added to the substrate consolidator 104 (in a quantity which is likewise dependent on the degree of moisture of the substrate 100 to be solidified) and the resulting mixture is processed into a solidified substrate 100.
  • the amount of water 108 used is adjusted depending on a condition of the subsurface 100.
  • the water 108 is mixed with the Untergrundverestiger 104, and only shortly before the Untergrundverfestiger 104 is introduced into the substrate 100 to be solidified. More specifically, the water 108 is mixed in a defined background moisture-dependent amount with the substrate consolidator 104 immediately before the substrate compaction agent 104 is introduced into the substrate 100 to be solidified.
  • the hydraulic binder 106 for example cement
  • the polymer-based elastic network former 102 in particular as a polymer suspension
  • the amount of water 108 or the amount of substrate consolidator 104 introduced into substrate 100, if appropriate into substrate hardened 104, is dimensioned such that at most 15% by weight of water, based on the substrate 100 to be stabilized, is used. Overhydration can be avoided.
  • FIG. 4 shows a substrate 100 filled with the substrate consolidator 104 according to the exemplary embodiment of the invention.
  • the subsurface consolidator 100 according to FIG. 3 initially introduced into the substrate 100 (according to FIG. 3 and FIG. 4 into a cavity 174 of the substrate 100) and optionally by rolling or pressing into a desired shape.
  • the network former 102 which has been mixed together with the binder 106 and the water 108, is then processed together with the original substrate 100 to form the consolidated substrate 100 and thereby solidified.
  • a mixture of a network former 102, a binder 106 and the substrate 100 to be consolidated is formed. Then, a study is performed on the mixture. Based on a result of the investigation, then the amount of to be mixed with the mixture Water 108 can be determined. The particular amount of water 108 is subsequently mixed with the mixture. Also by this procedure, a high-precision mixture can be created.
  • FIG. 5 12 shows a plot 600 plotting a compressive strength in MN / m 2 after 7 days and after 28 days for a conventionally consolidated substrate and a substrate 100 solidified with a substrate consolidator 104 in accordance with two exemplary embodiments of the invention. More specifically, along an abscissa 602, different solidified substrates are plotted, whereas along an ordinate 604, the unconfined compression strength is plotted in MN / m 2 after 7 days (each left bar) and after 28 days (each right bar) , FIG. 6 shows one up FIG. 5 Referring to Figure 700, platen tensile strength is plotted after seven days and forty-eight days for the conventionally consolidated substrate and for substrate 100 solidified with subsoil consolidator 104 according to the two exemplary embodiments of the invention.
  • FIG. 7 shows one up FIG. 5 and FIG. 6
  • the elastic modulus is plotted in MN / m 2 for the conventionally consolidated subsurface and subsurface 100 solidified with subsurface consolidator 104 in accordance with the two exemplary embodiments of the invention.
  • FIG. 8 shows one up FIG. 5 to FIG. 7
  • Figure 900 in which for the conventionally consolidated substrate and for the substrate 100 solidified with a subsoil consolidator 104 according to the two exemplary embodiments of the invention, the linear thermal expansion due to freeze-thaw alternation is expressed in per mille.
  • the experimental data according to FIG. 5 to FIG. 8 give the above data for a reference background.
  • the reference background is along the abscissa 602 in FIG FIG. 5 to FIG. 8 each characterized by the numeral "1".
  • the reference substrate is a conventional, cement-stabilized substrate.
  • Number "2" in FIG. 5 to FIG. 8 also refers to a substrate treated with a subsoil consolidator 104 according to a first exemplary embodiment of the invention.
  • Number "3" in FIG. 5 to FIG. 8 also refers to a corresponding substrate that has been processed with a subsurface consolidator 104 in accordance with a second exemplary embodiment of the invention.
  • the comparative soil was prepared from 80% by weight of quartz sand (Siligrans product) and 20% by weight of quartz flour (product Microsil M300). This soil has a sand content of 80% by weight, a silt content of 17% by weight and a clay content of 3% by weight. It is therefore a silty sand (si SA).
  • the cement used was CEM II / B-M (C-L) 32.5 R cement.
  • the amount of binder was uniformly 3.5% by weight.
  • the polymer-based network former has been added in the amount of 0% by weight, 2.5% by weight and 4.0% by weight in terms of cement content.
  • the polymer-based network former 102 (added at 0% by weight, 2.5% by weight and 4.0% by weight, respectively, in cement content) had a relative proportion of about 80% styrene butadiene latex by weight (more generally 70-90% by weight) About 10% by weight of kaolin (more generally: 2 to 20% by weight of kaolin) and about 10% by weight of further additives 110 (more generally: 3 to 17% by weight of additives) (it being clear to the person skilled in the art is that the sum of the weight percent of styrene butadiene latex, kaolin and additives adds up to 100%).
  • the first three tests are relevant for the assessment of the strength of the soil body and the latter test for the frost resistance of the soil.
  • test results are to be quoted below and evaluated from a geotechnical point of view.
  • percentual increase in relation to the values of the cement-base mixture without addition of the polymer-based network former is given in brackets.
  • Table 1 uniaxial compressive strength (see FIG. 5) sample 7-day strength (N / mm 2 ) 28-day strength (N / mm 2 ) cement 2.3 4.2 Cement + 2.5% by weight polymer-based 2.6 (+ 10%) 5.1 (+ 20%) network formers Cement + 4% by weight of polymer-based network former 1.9 (-21%) 4.2 ( ⁇ 0%) sample 7-day strength (N / mm 2 ) 28-day strength (N / mm 2 ) cement 0.10 0.30 Cement + 2.5% by weight of polymer-based network former 0.17 (+ 70%) 0.33 (+ 10%) Cement + 4% by weight of polymer-based network former 0.10 ( ⁇ 0%) 0.27 (-10%) sample 28-day strength (N / mm 2 ) cement 228 Cement + 2.5% by weight of polymer-based network former
  • a significantly higher dose of the polymer-based network former has no positive effect on the compressive strength.
  • the values are similar to those without adding the polymer-based network former.
  • the modulus of elasticity (deformation behavior), which is decisive for the deformation behavior, is greatly increased by the addition of 2.5% by weight of the polymer-based network former. There is an 83% higher value and thus a much lower ductility, which has a very positive effect on the load capacity.
  • a further increase in the content of the polymer-based network former results in a somewhat lower increase of 56% from baseline without the addition of the polymer-based network former.
  • This addition rate has a positive effect on the structural behavior and deformation behavior of the cement-hardened soil. Due to the higher load-bearing capacity, a reduction of Bodenauswechslungs- or support layer thicknesses can be done.
  • the lower ductility has a positive effect on the design of the asphalt pavement or a concrete pavement. Accordingly, the layer thickness or, in the case of the concrete slab (hall construction), also the reinforcement content can be reduced.
  • frost resistance is exorbitantly increased by the addition of the polymer-based network former. Freeze elevation decreases by 66% with the addition of 2.5% by weight and by 74% with the addition of 4% by weight.
  • the target value of 10% (15 mm at sample height 150 mm) specified for frost-proof aggregates in ⁇ NORM B 4811: 2013, section 5.4, is significantly undercut.
  • the samples should therefore be classified as sufficiently frost-resistant after addition of the polymer-based network-forming agent for roads.
  • the addition of 2% by weight to 3.5% by weight of the polymer-based network former represents the optimum from a technical point of view because it can be improved with little effort compressive strength, splitting tensile strength, modulus of elasticity and frost resistance. In a wider range between 2% by weight and 5% by weight of the polymer-based network former, elastic modulus and frost resistance can be significantly improved.
  • the addition of the polymer-based network forming agent to the cement offers the possibility of stabilizing the existing substructure.
  • the load capacity can be increased to the requirements.
  • the polymer-based network former also offers the advantage that the substructure is made frost-proof. Accordingly, the frost damage can be minimized in the future.
  • the existing materials can be left. It eliminates the need for materials and material disposal. By eliminating the transports, the construction time and the environmental impact can be minimized.
  • the thickness of the antifreeze layer can be reduced or limited to a mechanically stabilized support layer (for example 20 cm or less).
  • the antifreeze layer can be reduced or limited to a mechanically stabilized support layer (20 cm or less).
  • the increase in the load capacity also allows an optimized design of the bottom plate by increasing the bedding of the plate.

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Abstract

Verfahren zum Verfestigen eines Untergrunds (100), wobei bei dem Verfahren ein polymerbasierter elastischer Netzwerkbildner (102) eines Untergrundverfestigers (104) mit einem Bindemittel (106) und Wasser (108) zu einem verfestigten Untergrund (100) verarbeitet werden, und eine Menge verwendeten Netzwerkbildners (102), eine Menge verwendeten Bindemittels (106) und eine Menge verwendeten Wassers (108) abhängig von einer Beschaffenheit des Untergrunds (100) eingestellt wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verfestigen eines Untergrunds, einen Untergrundverfestiger und Verwendungen.
  • Bei der Herstellung von Straßen wird in der Regel zunächst eine Bodenschicht abgetragen, und nach Einebnung der Fläche wird eine Schottertragschicht aufgebracht, gefolgt von einer Asphalt-Tragschicht, einer Asphalt-Bindemittelschicht und einer Asphalt-Deckschicht. Die Schottertragschicht weist häufig eine Mächtigkeit von 50 bis 70 cm.
  • Bei der Herstellung von Fundamenten wird üblicherweise ebenfalls das Erdreich ausgehoben, weil vor Fundamentherstellung eine Schotterungsschicht aufgebracht wird.
  • Diese bekannten Verfahren führen zu hohen Baukosten, da ein Bodenaustausch durchgeführt werden muss und zudem kostspielige Materiallieferungen, Erdbau und Entsorgung von Böden sowie zahlreiche Transporte notwendig sind. Typischerweise muss bestehender Boden abtransportiert und in Deponien gelagert werden.
  • Somit ist also die Herstellung von Straßen und Fundamenttragschichten aufwendig. Manche Straßenbeläge und Fundamente neigen zudem zu Rissbildung im Untergrund bzw. haben eine unzureichende Druckfestigkeit sowie neigen zu Schäden bei Frosteinwirkung.
  • Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Untergrundverfestigung mit geringem Aufwand und hoher Qualität hinsichtlich Frostbeständigkeit bei ausreichender Rissvermeidung und ausreichender Druckfestigkeit herzustellen.
  • Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Verfestigen eines Untergrunds (zum Beispiel einer Straße und/oder einer Fundamenttragschicht) geschaffen, wobei bei dem Verfahren ein polymerbasierter elastischer Netzwerkbildner (eines Untergrundverfestigers) mit einem Bindemittel und Wasser zu einem verfestigten Untergrund verarbeitet werden. Dabei wird eine Menge verwendeten Netzwerkbildners, eine Menge verwendeten Bindemittels und eine Menge des verwendeten Wassers von der Beschaffenheit des Untergrunds abhängig gemacht .
  • Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel ist ein Untergrundverfestiger zum Verfestigen eines Untergrunds bereitgestellt (der in obigem Verfahren eingesetzt werden kann), wobei der Untergrundverfestiger ein Bindemittel und 2 Gewichts% bis 5 Gewichts-% (insbesondere 2 Gewichts-% bis 4 Gewichts-%, weiter insbesondere 2 Gewichts-% bis 3,5 Gewichts-%) eines elastischen (insbesondere gummiartigen) Netzwerkbildners aufweist, bezogen auf eine Menge des Bindemittels, mit dem der Netzwerkbildner und Wasser zum Bilden des verfestigten Untergrunds verarbeitbar sind.
  • Gemäß noch einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird ein Untergrundverfestiger mit den oben beschriebenen Merkmalen verwendet, wobei zwischen 2 Gewichts-% und 10 Gewichts-% Bindemittel, bezogen auf den zu verfestigenden Untergrund, verwendet werden.
  • Gemäß noch einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird ein Untergrundverfestiger mit den oben beschriebenen Merkmalen als Zusatz zum Erhöhen der Frostbeständigkeit eines zu verfestigenden Untergrunds verwendet.
  • Gemäß noch einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird ein Untergrundverfestiger mit den oben beschriebenen Merkmalen als Zusatz zum Erhöhen des Elastizitätsmoduls eines zu verfestigenden Untergrunds verwendet.
  • Gemäß noch einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird ein Untergrundverfestiger mit hierin beschriebenen Merkmalen als Zusatz zum Erhöhen der Spaltzugfestigkeit eines zu verfestigenden Untergrunds verwendet.
  • Im Rahmen dieser Anmeldung kann unter dem Begriff "Untergrundverfestiger" insbesondere ein Material bzw. eine Materialzusammensetzung verstanden werden, das oder die alleine genommen oder bereits mit Wasser vermischt auf und/oder in einen zu verfestigenden Untergrund gegeben werden kann, sodass durch Wechselwirkung zwischen dem Untergrundverfestiger und dem zu verfestigenden Untergrund es zur Ausbildung eines verfestigten Untergrunds kommt. Ein solcher Untergrundverfestiger kann zum Beispiel in einer festen Phase vorliegen, insbesondere ein Granulat oder ein Pulver sein. Alternativ kann ein Untergrundverfestiger auch in einer flüssigen Phase vorliegen oder ein viskoses Material sein, wobei während des Aushärtens des Untergrundverfestigers dieser in eine feste Phase überführt werden kann. Insbesondere kann der Untergrundverfestiger als Suspension (oder als Emulsion) vorliegen.
  • Im Rahmen dieser Anmeldung kann unter dem Begriff "polymerbasierter elastischer Netzwerkbildner" insbesondere ein Material verstanden werden, das als Teil eines Untergrundverfestigers eine Polymerkomponente aufweist, die bei ihrer Aushärtung vernetzt und dabei dem Untergrundverfestiger an bzw. in dem Untergrund neben einer ausreichenden Stabilität auch ein gewisses Maß an Elastizität verleiht. Durch das Vernetzen des Polymers des Netzwerkbildners kann es zu einem Aushärten des Untergrundverfestigers und zu einem Verfestigen des damit zusammenwirkenden Untergrunds kommen.
  • Im Rahmen dieser Anmeldung kann unter dem Begriff "Bindemittel" insbesondere ein Medium verstanden werden, das als Teil des Untergrundverfestigers und/oder als Teil des zu verfestigenden Untergrunds für das Ausbilden einer Bindung zwischen den Komponenten des Untergrundverfestigers untereinander sowie zwischen dem Untergrundverfestiger und dem zu verfestigenden Untergrund konfiguriert ist. Solche hydraulischen Bindemittel können zum Beispiel Zement und/oder Kalk enthalten. Bereits im Untergrund enthaltener Kalk kann zusätzlich zu einem extern zugegebenen Zement die hydraulische Bindewirkung bereitstellen. Als extern zugegebener Zement kann zum Beispiel Portlandzement CEM I 32,5 R zum Einsatz kommen. Zum Beispiel können in einem zu verfestigenden Untergrund 3 bis 10 Gewichts-% Zement als hydraulisches Bindemittel und 2 bis 5 Gewichts-% eines polymerbasierten Netzwerkbildners eingefräst werden.
  • Im Rahmen dieser Anmeldung kann unter dem Begriff "Beschaffenheit des Untergrunds" insbesondere eine Eigenschaft des Untergrunds verstanden werden, die einen Einfluss darauf hat, welche Menge Wasser zum Ausbilden einer zuverlässigen, insbesondere optimalen, Verbindung zwischen Untergrund und Untergrundverfestiger zuzuführen ist. Die Beschaffenheit kann temporäre Bodeneigenschaften betreffen, wie zum Beispiel eine gegenwärtig erhöhte Feuchtigkeit aufgrund von Niederschlägen oder eine gegenwärtig reduzierte Feuchtigkeit aufgrund einer Trockenperiode. Die Beschaffenheit kann aber auch dauerhafte Bodeneigenschaften betreffen, wie zum Beispiel ein natürlicher Feuchtegehalt des Bodens. Wenn die Wasserhaltigkeit des Untergrunds bei der Bemessung der Menge von Wasser berücksichtigt wird, die mit dem Untergrundverfestiger zum Verfestigen des Untergrunds verarbeitet wird, kann eine bodenspezifische Anpassung bzw. Optimierung der relativen Mengen der Einzelkomponenten erfolgen.
  • Gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung werden eine Wassermenge zum gemeinsamen Verarbeiten mit einer Menge polymerbasierten elastischen Netzwerkbildners eines Untergrundverfestigers sowie eine Bindemittelmenge nicht nur im Verhältnis zueinander ausgewählt, sondern wird zudem die Beschaffenheit des zu verfestigenden Untergrunds bei der Bemessung der Wassermenge, der Menge Netzwerkbildner und der Bindemittelmenge mit einbezogen. Die Beschaffenheit des Untergrunds kann insbesondere dessen Wasserhaltigkeit umfassen. Je mehr Wasser der Untergrund zum Verfestigen desselben unter Verwendung des Untergrundverfestigers beisteuern kann, desto weniger Wasser muss extern zugegeben werden, und umgekehrt. Auch auf eine angemessene Menge Netzwerkbildner und auf eine angemessene Menge Bindemittel hat die Beschaffenheit, insbesondere der Feuchtigkeit, des Untergrunds einen signifikanten Einfluss, der durch das untergrundbeschaffenheitsabhängige Auswählen der Einzelmengen der genannten Bestandteile berücksichtigt werden kann. Dadurch ist das logistisch aufwendige Vorhalten großer Mengen von möglicherweise gar nicht benötigten Bestandteilen des Untergrundverfestigers entbehrlich. Vielmehr kann zum Beispiel bei relativ feuchten Untergründen die bodenunabhängige Zugabe von Wasser (zum Beispiel bei einer festen Vormischung des Untergrundverfestigers mit Wasser) sogar kontraproduktiv sein, da sich übermäßige Wasserzugabe sogar negativ auf die Druckfestigkeit und Robustheit gegen Rissbildung des Untergrunds auswirken kann. Wenn zum Beispiel ein Untergrund eine ausgeprägt hohe Feuchtigkeit aufweist, würde das Verwenden eines bereits vorab in Wasser unspezifisch verflüssigten Untergrundverfestigers die Haltekraft im Boden verschlechtern. In diesem Fall kann ein trockener Untergrundverfestiger (zum Beispiel in Form eines Granulats oder eines Pulvers) bessere Verarbeitungsergebnisse liefern als ein bereits mit Wasser versetzter Untergrundverfestiger. Wenn also die Beschaffenheit des Untergrunds als Basis für die Bestimmung der Menge von zuzuführendem Netzwerkbildner, zuzuführendem Bindemittel und zuzuführendem Wasser berücksichtigt wird, können besonders vorteilhafte Eigenschaften des verfestigten Untergrunds in Hinblick auf Festigkeit und Frostbeständigkeit erreicht werden.
  • Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung, das gemeinsam mit dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung oder ohne dieses implementiert werden kann, kann ein elastischer Netzwerkbildner des Untergrundverfestigers mit einer Quantität in einem Korridor zwischen 2 Gewichts-% und 5 Gewichts-% bezogen auf ein Bindemittel in einem Untergrundverfestiger vorgesehen werden, um gemeinsam mit dem Bindemittel und Wasser zum Bilden des verfestigten Untergrunds auszuhärten. Besonders in diesem Bereich kann der beschriebene Untergrundverfestiger zum Verbessern der Frostbeständigkeit durch Herabsetzung der thermischen Ausdehnungseigenschaften des Untergrundverfestigers samt Untergrund verwendet werden. Auch das Elastizitätsmodul kann mit Vorteil erhöht werden. Diese signifikanten Wirkungen sind durch Experimente belegt. Außerdem kann in dem genannten Bereich zum Teil zusätzlich eine Verbesserung der Festigkeit erreicht werden, jedenfalls aber die Festigkeit in akzeptablen Grenzen gehalten werden. Ohne dass die Anmelderin wünscht, an eine bestimmte Theorie gebunden zu werden, wird gegenwärtig angenommen, dass der polymerbasierte Netzwerkbildner bei der Verarbeitung ein elastisches Netzwerk bildet, das Poren bzw. Lücken in dem Boden-Bindemittel-Gemisch füllt und damit die Frostbeständigkeit und das Elastizitätsmodul des verfestigten Untergrunds erhöht. Genauer gesagt wird anschaulich davon ausgegangen, dass der zum Beispiel als Polymersuspension zugeführte Netzwerkbildner für eine geordnete Abgabe von Wasser an das hydraulische Bindemittel (insbesondere Zement) sorgt, was zu einer geordneten Hydrophobierung führt. Der Netzwerkbildner bildet also ein Netzwerk mit Bindemittel und Untergrund, sodass ein erhöhtes Elastizitätsmodul erreicht werden kann. Der verfestigte Untergrund zeigt daher eine erhöhte Steifigkeit, ohne aber seine Elastizität zu verlieren, wodurch Tendenzen zur Rissbildung wirksam unterdrückt werden. Darüber hinaus füllt der Netzwerkbildner anschaulich kleine Lücken im Untergrund aus, sodass kein Wasser mehr in diese Lücken eindringen kann, wodurch eine besonders gute Frostbeständigkeit erreicht wird.
  • Gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung kann der beschriebene Untergrundverfestiger mit zwischen 2 Gewichts-% und 10 Gewichts-% Bindemittel, bezogen auf den zu verfestigenden Untergrund, verarbeitet werden. Je mehr Bindemittel (insbesondere Zement) eingesetzt wird, desto besser wird die Druckfestigkeit. Allerdings führt eine höhere Menge Bindemittel zu einem Anstieg der Tendenz zu einer spröden Rissbildung. Der polymerbasierte Netzwerkbildner des Untergrundverfestigers jedoch vermag es in mäßigen Mengen, die Rissbildung zu unterdrücken.
  • Im Weiteren werden zusätzliche Ausführungsbeispiele des Untergrundverfestigers, des Verfahrens und der Verwendungen beschrieben.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann der Netzwerkbildner als Trockenpulver oder als Polymeremulsion bzw. -suspension zugeführt werden.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das Wasser mit dem Untergrundverfestiger vermischt werden, bevor der Untergrundverfestiger in den zu verfestigenden Untergrund eingebracht wird - insbesondere unmittelbar bevor der Untergrundverfestiger in den zu verfestigenden Untergrund eingebracht wird. Das Vermischen des Untergrundverfestigers mit dem Wasser kann direkt an einer Baustelle und somit nach dem Transport des zum Beispiel pulverförmigen Untergrundverfestigers von einer Fertigungsstätte an die Baustelle erfolgen. Dies reduziert signifikant den logistischen Aufwand im Zusammenhang mit dem Verbringen des Untergrundverfestigers an den Ort seiner Verarbeitung.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das Wasser mit dem Untergrundverfestiger vermischt werden, nachdem der Untergrundverfestiger in den zu verfestigenden Untergrund eingebracht ist. Hierbei kann der Untergrundverfestiger gleichzeitig mit, aber getrennt von dem Wasser in den Untergrund eingeführt werden. Es ist auch möglich, erst den Untergrundverfestiger und dann das Wasser in den Untergrund einzufüllen. Bei noch einer anderen Option wird nur ein Wasserreservoir in dem Untergrund genutzt, um den in einer Festkörperphase vorliegenden (zum Beispiel als Granulat oder Pulver vorliegenden) Untergrundverfestiger zu verflüssigen. Dann ist gar kein externes Wasser erforderlich, um den Untergrund mittels des Untergrundverfestigers zu verfestigen.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann ein Feuchtegrad des Untergrunds ermittelt werden und basierend auf dem ermittelten Feuchtegrad erst nachfolgend das Wasser mit dem Untergrundverfestiger vermischt werden. Anders ausgedrückt kann die Menge von in den Untergrund einzubringenden Wassers sowie die Menge des eingesetzten Netzwerkbildner als auch die Menge des eingesetzten Bindemittels abhängig von dem Feuchtegrad des Untergrunds eingestellt werden. Entsprechend kann vor oder während der Untergrundverfestigung eine Feuchtegradbestimmung des Materials des zu verfestigenden Untergrunds durchgeführt werden, und abhängig von dem ermittelten Feuchtegrad eine Menge Wasser, Netzwerkbildner und Bindemittel ermittelt werden, die mit dem Untergrundverfestiger in den zu verfestigenden Untergrund eingebracht werden. Dadurch wird es möglich, die korrekte Menge des hinzuzufügenden Wassers, Netzwerkbildners und Bindemittels nicht nur basierend auf den Ingredienzien des Untergrundverfestigers ermitteln zu können, sondern auch aus den Feuchtebedingungen des Untergrunds.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das Bindemittel ganz oder teilweise Teil des Untergrundverfestigers sein. Alternativ oder ergänzend kann das Bindemittel teilweise Teil des zu verfestigenden Untergrunds sein. Das Bindemittel kann also zumindest zum Teil eine Komponente des Untergrundverfestigers sein, die dann flexibel und passend zu den anderen Komponenten ausgewählt werden kann. Es ist allerdings auch möglich, ohnehin im Untergrund befindlichen Zement, Kalksand, etc. als Bindemittel zu verwenden. In diesem Fall kann das extern hinzugefügte Bindemittel teilweise weggelassen werden. Dies reduziert den Aufwand im Zusammenhang mit der Untergrundverfestigung. Außerdem macht eine Nutzung von im Untergrund enthaltenen Komponenten für die Verfestigung einen Abtrag und eine Entsorgung von Untergrundmaterial vor der Verfestigung entbehrlich.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann der Untergrundverfestiger in pulverförmiger Form zu dem zu verfestigenden Untergrund verbracht werden. Das gewichtsintensive Wasser kann in diesem Fall erst kurz oder während der Verarbeitung dem Untergrundverfestiger und/oder dem Untergrund bedarfsweise hinzugefügt werden.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann ein Gemisch aus dem Netzwerkbildner, dem Bindemittel und dem zu verfestigenden Untergrund gebildet werden, eine Untersuchung an dem Gemisch durchgeführt werden, basierend auf einem Ergebnis der Untersuchung die Menge des mit dem Gemisch zu vermengenden Netzwerkbildners, Bindemittels und Wassers bestimmt werden, und die bestimmte Menge Netzwerkbildner, Bindemittel und Wasser mit dem Gemisch dann vermengt werden. Nachdem also der Untergrund mit dem wie beschrieben zusammengesetzten Untergrundverfestiger versetzt worden ist, kann auf Basis der Erkenntnisse dieser Materialeinbringung eine präzise Menge von Wasser und Bindemittel bestimmt werden, die dem Untergrundverfestiger hinzugefügt werden sollten. Dies erlaubt es, eine optimale Zusammensetzung des Untergrundverfestigers für die Bodenverfestigung aufzufinden und zu verarbeiten.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel können der Netzwerkbildner und das Bindemittel getrennt voneinander und ohne Vormischung in den zu verfestigenden Untergrund verarbeitet werden. Indem die beiden Komponenten unabhängig voneinander direkt in den Boden eingebracht werden können, ist das Verarbeitungsverfahren besonders einfach durchführbar ("Mixed in Place"). Alternativ ist es jedoch auch möglich, zunächst eine Mischung aus Netzwerkbildner und Bindemittel in einem Mischwerk herzustellen und bereits die Mischung dieser Komponenten gemeinsam in den Untergrund einzubringen ("Mixed in Plant").
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann der Untergrundverfestiger zwischen 2 Gewichts-% bis 3,5 Gewichts-% des Netzwerkbildners aufweisen, bezogen auf das Bindemittel. Experimentelle Befunde haben gezeigt, dass bei einer derartigen Bemessung des elastischen polymerbasierten Netzwerkbildners der verfestigte Boden nicht nur äußerst frostbeständig ist, sondern synergistisch schnell und langanhaltend eine deutliche Erhöhung der Druckfestigkeit bei einer gleichzeitigen Erhöhung des Elastizitätsmoduls zeigt. Diese vorteilhaften Effekte stellen sich in besonders ausgeprägtem Maße im Bereich des genannten Korridors ein. In dem beschriebenen Bereich können besonders vorteilhafte Eigenschaften in Hinblick auf eine Erhöhung der Druckfestigkeit und der Steifigkeit erreicht werden. Besonders gute Ergebnisse konnten mit ungefähr 2,5 Gewichts-% des Netzwerkbildners erreicht werden.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das Bindemittel aus einer Gruppe ausgewählt sein, die besteht aus Zement und Kalk. Besonders die Verwendung von Zement führt zu einer hohen Druckfestigkeit. Bei einem solchen bevorzugten Ausführungsbeispiel kann von einer polymermodifizierten Zementstabilisierung gesprochen werden. Auch eine Mischung aus Zement und Kalk stellt eine technisch vorteilhafte Lösung dar. Allerdings können alternativ oder ergänzend andere hydraulische Bindemittel eingesetzt werden.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann der Untergrundverfestiger pulverförmig sein oder als Granulat bereitgestellt werden. Die Verflüssigung eines solchen Untergrundverfestigers kann dann zum Beispiel erst während der Verarbeitung in dem Untergrund erfolgen.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann der Untergrundverfestiger ferner Wasser aufweisen. Dieses kann dem Untergrundverfestiger kurz vor oder während der Verarbeitung zugefügt werden.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann der Untergrundverfestiger frei von zumindest einem aus einer Gruppe bestehend aus Stabilisatoren, einem Verdickungsmittel, einem Entschäumer, und einem Salz oder Hydroxid eines Alkali- oder Erdalkalimetalls sein. Die genannten Komponenten sind für den Untergrundverfestiger also entbehrlich. Dies erlaubt eine kostengünstige und umweltfreundliche sowie schnelle Herstellung des Untergrundverfestigers, der aus nur wenigen Komponenten zusammengesetzt zu sein braucht.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist der Netzwerkbildner ein Latexpolymer, insbesondere Styrolbutadienlatex. Es hat sich herausgestellt, dass ein Latexpolymer besonders vorteilhafte Eigenschaften im Hinblick auf Vernetzung und Bereitstellung einer gegen Rissbildung dienenden Elastizität ist.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann der Netzwerkbildner Ligninsulfonat aufweisen oder daraus bestehen. Ligninsulfonate sind die Salze der Ligninsulfonsäure, einem wasserlöslichen, anionischen, polyelektrolytischen, verzweigten Polymer. Ligninsulfonate entstehen beim chemischen Aufschluss von Lignin, eines Biopolymers, welches im Sulfitverfahren mit Salzen der Schwefligen Säure umgesetzt werden kann. Beim Aufschluss werden chemische Bindungen im hydrophoben Ligningerüst aufgebrochen und die entstehenden Fragmente durch Anlagerung von Sulfonat-Gruppen in eine wasserlösliche Form überführt. Ligninsulfonat ist ein pulverförmiger Rohstoff, der herkömmlich zur Papierherstellung verwendet werden kann und gemäß exemplarischen Ausführungsbeispielen der Erfindung wirksam als polymerbasierter Netzwerkbildner des Untergrundverfestigers fungieren kann.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel werden höchstens 15 Gewichts-% Wasser, bezogen auf den zu stabilisierenden Untergrund, verwendet. Die exakt zu verwendende Menge Wasser kann abhängig von den Bodeneigenschaften eingestellt werden, insbesondere von der ohnehin im Untergrund vorhandenen Feuchte. Die idealerweise gewählte Wassermenge hängt unter anderem von der Verdichtungsfähigkeit des Untergrundmaterials ab.
  • Als Netzwerkbildner können Latexpolymere eingesetzt werden, die in Wasser löslich oder dispergierbar sind. Zum Beispiel kann Styrol-Butadien-Latex (SBR), (Meth)acrylat-Latex, Ethylen-Vinylacetat-Latex, Ethylen/Propylen-Latex, Ethylen/Propylen-Dien-Latex (EPDM), Butadien-Acrylnitril-Latex (NBR), Silikon-Latex (SI), Polybutadien-Latex (BR), Naturkautschuk-Latex oder ein Gemisch von zweien oder mehreren davon eingesetzt werden. Der Latex kann dabei unvernetzt oder vernetzt sein. Es ist auch möglich, einen unvernetzten Latex gemeinsam mit einem Vernetzungsmittel einzusetzen. Dabei werden insbesondere chemische Vernetzer mitverwendet. Das Molekulargewicht des dem Latex zugrunde liegenden Polymers kann 300 bis 1000000, bevorzugt 500 bis 100000 g/mol, betragen (Zahlenmittel des Molekulargewichts, bestimmt durch Gelpermeationschromatographie).
  • Der Untergrundverfestiger (der auch als Bodenverfestiger bezeichnet werden kann) kann mit einer Fräse in den zu verfestigenden Untergrund eingearbeitet werden. Dadurch entfällt ein aufwendiges Ersetzen des Untergrunds. Beispielsweise kann der Untergrundverfestiger gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung in pulverförmiger oder flüssiger Form über eine beispielsweise prozessorgesteuerte Pumpe in den Einzugsbereich einer Fräse eingesprüht und durch die Fräse mit dem Boden oder Erdreich vermischt werden. Dabei kann beispielsweise Zement oder ein weiteres oder anderes Bindemittel vorgestreut werden, das dann ebenfalls in den Untergrund eingebracht werden kann. Bei der Sanierung eines Untergrunds, beispielsweise Straßen, kann die Straßenoberschicht unter Hinzufügung eines Untergrundverfestigers gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung mit der Fräse vermischt werden. Ein Abtrag einzelner Schichten kann dabei vermieden werden.
  • Ein Untergrundverfestiger gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung kann mit Vorteil für den Unterbau und die Tragschicht für Landesstraßen, Bundesstraßen und Autobahnen, Geh- und Radwege mit und ohne Oberbau, Forst-, Wald- und Wirtschaftswege, Parkplätze, Lager-, Containerflächen mit/ohne Oberbau, Baustellenzufahrten, Sanierungsarbeiten, Aufbereitung von Wirtschaftswegen, Garten- und Landschaftsbau, ein Stabilisieren von Flugaschen, Gründungen im Spezialtiefbau, Rollbahnen, Erschließungsstraßen und/oder die Befestigung von Schotterpisten eingesetzt werden.
  • Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel kann das Verfahren zum Verfestigen eines Untergrunds wie folgt durchgeführt werden:
    1. 1. Entnahme einer Bodenprobe
    2. 2. Bestimmung des Wassergehalts der Bodenprobe
    3. 3. Bestimmung der Menge des hydraulischen Bindemittels und des elastischen Netzwerkbildners
    4. 4. Herstellen einer Suspension (oder Emulsion) auf Basis des polymerbasierten elastischen Netzwerkbildners
    5. 5. Einbringen der Suspension (oder Emulsion) in den Boden
    6. 6. Einfräsen des hydraulischen Bindemittels
  • Im Folgenden werden exemplarische Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung mit Verweis auf die folgenden Figuren detailliert beschrieben.
    • Figur 1 zeigt einen Behälter mit einem Untergrundverfestiger und einen Behälter von damit zu vermischendem Wasser gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
    • Figur 2 zeigt einen Untergrund, der mit einem Untergrundverfestiger gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung zu erfüllen und zu stabilisieren ist, und dessen Feuchtegrad gemessen wird.
    • Figur 3 zeigt einen Behälter mit einem bereits mit einer Menge von Wasser vermischten Untergrundverfestiger gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung, welche Menge basierend auf einer Feuchtigkeitsbestimmung des Untergrunds bestimmt worden ist.
    • Figur 4 zeigt einen mit einem Untergrundverfestiger gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung verfüllten Untergrund.
    • Figur 5 zeigt ein Diagramm, in dem für einen herkömmlich zementstabilisierten Untergrund und für einen mit einem Untergrundverfestiger gemäß zwei exemplarischen Ausführungsbeispielen der Erfindung verfestigten Untergrund eine Druckfestigkeit in MN/m2 nach 7 Tagen und nach 28 Tagen aufgetragen ist.
    • Figur 6 zeigt ein auf Figur 5 bezogenes Diagramm, in dem für den herkömmlich zementstabilisierten Untergrund und für den mit dem Untergrundverfestiger gemäß den zwei exemplarischen Ausführungsbeispielen der Erfindung verfestigten Untergrund die Spaltzugfestigkeit nach 7 Tagen und nach 28 Tagen aufgetragen ist.
    • Figur 7 zeigt ein auf Figur 5 und Figur 6 bezogenes Diagramm, in dem für den herkömmlich zementstabilisierten Untergrund und für den mit dem Untergrundverfestiger gemäß den zwei exemplarischen Ausführungsbeispielen der Erfindung verfestigten Untergrund das Elastizitätsmodul in MN/m2 aufgetragen ist.
    • Figur 8 zeigt ein auf Figur 5 bis Figur 7 bezogenes Diagramm, in dem für den herkömmlich zementstabilisierten Untergrund und für den mit einem Untergrundverfestiger gemäß den zwei exemplarischen Ausführungsbeispielen der Erfindung verfestigten Untergrund die lineare Ausdehnung infolge Frost-Tau-Wechsel aufgetragen ist.
  • Gleiche oder ähnliche Komponenten in unterschiedlichen Figuren sind mit gleichen Bezugsziffern versehen.
  • Bevor bezugnehmend auf die Figuren exemplarische Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben werden, sollen noch einige allgemeine Aspekte der Erfindung erläutert werden:
    • Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung wird ein Untergrundverfestiger geschaffen, bei dem eine polymermodifizierte Bodenstabilisierung mit hydraulischen Bindemitteln durch folgende Zusammensetzung realisiert werden kann:
      • vorzugsweise 2-10 Gewichts-% Bindemittel in Bezug auf einen zu stabilisierenden Untergrund (insbesondere Boden);
      • vorzugsweise 2-5 Gewichts-% Polymer als elastischer Netzwerkbildner (trocken), in Bezug auf eingesetztes Bindemittel;
      • vorzugsweise gelöst in einer Wasserzugabemenge, die zum Beispiel basierend auf einem Proctor-Test des Untergrund-Bindemittel-polymerbasierter Netzwerkbildner-Gemisches ermittelt werden kann. Die Wassermenge bewegt sich dabei vorzugsweise im Bereich von 0-15 Gewichts-% in Bezug auf zu stabilisierenden Untergrund.
  • Die restlichen (zum Beispiel höchstens 70 Gewichts-%) des verfestigten Untergrunds können durch den zu verfestigenden Untergrund selbst bereitgestellt werden.
  • Bei einem Proctor-Test kann einer Bodenprobe, deren Trockenrohdichte zuvor ermittelt wurde, in einem definierten Gefäß nach einem festgelegten Arbeitsverfahren vordefinierte Energie über einen Proctorverdichter (insbesondere einem Fallgewicht mit Führungsstange) zugeführt und anschließend die erzielte Dichte ermittelt werden. Der Versuch kann mindestens fünfmal mit unterschiedlichen Wassergehalten durchgeführt werden. Trägt man die erzielten Dichten über dem zugehörigen Wassergehalt auf, ergibt sich eine Kurve, die zunächst ansteigt, ein Maximum erreicht und dann wieder abfällt. Das Maximum dieser Kurve ist die Proctordichte des Untergrunds mit zugehörigem optimalen Wassergehalt. Hierbei wird ein Zusammenhang zwischen Verdichtbarkeit und Wassergehalt sichtbar.
  • Mit einem Untergrundverfestiger gemäß dem oben beschriebenen exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung kann ein wesentlicher Teil der Mischung (nämlich der polymerbasierte Netzwerkstabilisator, der als Latexpolymer ausgebildet sein kann) flüssig oder trocken direkt in den Untergrund eingebracht und verarbeitet werden. Bevorzugt wird ein flüssiges Einbringen, da dann die Hydrophobierung des hydraulischen Bindemittels besonders geregelt erfolgen kann.
  • Die mit einem solchen Ausführungsbeispiel der Erfindung erzielbaren Vorteile sind zunächst ein erheblicher logistischer, da in einer flüssigen Mischung der größte Gewichtsanteil nur Wasser ist und dann nicht mehr anfällt. Darüber hinaus kann die in den Untergrund eingebrachte Menge an Wasser, welches zum Redispergieren des trockenen Latex (oder eines anderen polymerbasierten Netzwerkbildners) und zum Abbinden eines zusätzlich verwendeten Bindemittels (zum Beispiel Zement) eingesetzt wird, genau auf diese Komponenten und die tatsächlichen Wasserverhältnisse im Untergrund angepasst werden kann.
  • Figur 1 zeigt einen Behälter 130 mit einem Untergrundverfestiger 104 und einen anderen Behälter 132 von damit zu vermischendem Wasser 108 gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
  • Der Untergrundverfestiger 104 kann zum Verfestigen eines Untergrunds 100 (siehe Figur 2), wie zum Beispiel einer Straße oder einem Sanduntergrund, eingesetzt werden. Der Untergrundverfestiger 104 weist ein schematisch dargestelltes Bindemittel 106 auf, zum Beispiel Zementpulver oder Kalkpulver. Das Bindemittel 106 kann sich allerdings auch teilweise bereits im Untergrund 100 befinden. Wenn sich das Bindemittel 106 ganz im Untergrund 100 befindet, kann das Hinzufügen von Bindemittel 106 zu dem Untergrundverfestiger 104 auch entbehrlich sein. Der beschriebene Untergrundverfestigers 104 kann mit Vorteil mit zwischen 2 Gewichts-% und 10 Gewichts-% Bindemittel 106 verarbeitet werden, bezogen auf den zu verfestigenden Untergrund 100.
  • Darüber hinaus weist der schematisch dargestellte Untergrundverfestiger 104 bevorzugt zwischen 2 Gewichts-% bis 3,5 Gewichts-% eines elastischen, anschaulich gummiartigen, schematisch dargestellten Polymer-Netzwerkbildners 102 auf, bezogen auf eine Menge des Bindemittels 106. Der Netzwerkbildner 102 kann ein Latexpolymer aufweisen oder daraus bestehen (bevorzugt Styrolbutadienlatex). Gemäß einem anderen bevorzugten Ausführungsbeispiel weist der Netzwerkbildner 102 Ligninsulfonat auf oder besteht daraus.
  • Anschaulich kann der Netzwerkbildner 102 beim Verarbeiten des Untergrundverfestigers 100 mit dem Untergrund 100 ein Polymernetzwerk bilden und dabei den Untergrund verfestigen, ihm aber gleichzeitig einen elastischen und somit rissfesten und frostbeständigen Charakter verleihen. Bei den genannten mäßigen Mengen des Netzwerkbildners 102 kann gleichzeitig eine Erhöhung der Druckfestigkeit und eine Erhöhung des Elastizitätsmoduls des mittels des Untergrundverfestigers 104 verfestigten Untergrunds 100 erreicht werden. Es ist vorteilhaft, dass die Menge des Netzwerkbildners 102 nicht zu stark absinkt (insbesondere nicht weit unter 1 Gewichts-% absinkt, bezogen auf die Menge des Bindemittels 106) und nicht zu stark ansteigt (insbesondere nicht weit über 6 Gewichts-% ansteigt, bezogen auf die Menge des Bindemittels 106).
  • Der in dem Behälter 130 befindliche Untergrundverfestiger 104 ist pulverförmig und weist noch kein Wasser 108 auf, was dessen Transport von einer Fertigungsstätte zu einer Baustelle signifikant vereinfacht.
  • Darüber hinaus kann der Untergrundverfestiger 104 gemäß dem beschriebenen Ausführungsbeispiel der Erfindung optional noch ein schematisch dargestelltes Additiv 110 bzw. eine gewisse Menge Kaolin aufweisen.
  • Dagegen kann der Untergrundverfestiger 104 vorzugsweise frei von Stabilisatoren, einem Verdickungsmittel, einem Entschäumer und einem Salz oder Hydroxid eines Alkali- oder Erdalkalimetalls sein. Das vereinfacht die Herstellung des Untergrundverfestiger 104, ohne dessen Funktion zu beinträchtigen und reduziert die ohnehin schon geringe Umweltbelastung des Untergrundverfestigers 104.
  • Wie anhand Figur 1 zu erkennen ist, können der Untergrundverfestiger 104 aus den beschriebenen Bestandteilen 102, 106, 110 sowie das Wasser 108 in separaten Behältern 130, 132 zu einer Baustelle transportiert werden. Eine Vermischung des Untergrundverfestigers 104 mit dem Wasser 108 kann dann erst unmittelbar vor dem Einbringen in den Untergrund 100 erfolgen, während eines separaten Einbringens von Untergrundverfestiger 104 und Wasser 108 in den Untergrund 100, oder nach dem Einbringen des Untergrundverfestigers 104 in den Untergrund 100.
  • Figur 2 zeigt einen Untergrund 100, der mit einem Untergrundverfestiger 104 gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung zu verfüllen und zu stabilisieren ist und dessen Feuchtegrad gerade mittels eines Feuchtesensors 134 gemessen wird.
  • Mit anderen Worten wird vor dem Einbringen des in Figur 1 gezeigten Untergrundverfestigers 104 in den Untergrund 100 zunächst mittels des Feuchtesensors 134 ein Feuchtegrad des Untergrunds 100 gemessen. Somit wird mittels des Feuchtesensors 134 vor der Untergrundverfestigung eine Feuchtegradbestimmung des Materials des zu verfestigenden Untergrunds 100 durchgeführt. Basierend auf dem ermittelten Feuchtegrad wird erst nachfolgend das Wasser 108 mit dem Untergrundverfestiger 104 vermischt. Dieser Maßnahme liegt die Erkenntnis zugrunde, dass es für die Untergrundverfestigung in Hinblick auf Druckstabilität, Rissfestigkeit und Beständigkeit des verfestigten Untergrunds 100 wesentlich von Vorteil sein kann, nicht unabhängig von einem Feuchtegrad eines zu verfestigenden Untergrunds 100 eine fest vorgemischte Mischung aus Untergrundverfestiger 104 und Wasser 108 einzusetzen. Vielmehr ist es von Vorteil, dem granulatartigen oder pulverförmigen Untergrundverfestiger 104 eine variable Menge Wasser beizumischen, die von dem aktuellen Feuchtegrad des Untergrunds 100 abhängig ist. Auch die Mengen von hinzugefügtem Bindemittel 106 und Netzwerkbildner 102 können abhängig vom aktuellen Feuchtegrad des Untergrunds 100 eingestellt werden. Zum Beispiel kann kurz vor der Untergrundverfestigung fallender Regen, ein hoher Grundwasserspiegel oder ein grundsätzlich hoher Feuchtegrad eines Untergrunds 100 dazu führen, dass nur eine geringe Menge Wasser 108 oder sogar gar kein Wasser 108 dem in einer festen Phase befindlichen Untergrundverfestiger 104 beigefügt wird, bevor dieser in den Untergrund 100 eingebracht wird. Auf diese Weise kann eine wesentlich flexiblere Verfestigung von Untergründen 100 mit variablen Bodenbeschaffenheiten erreicht werden.
  • Zum Beispiel kann der folgende Prozess durchgeführt werden:
    1. 1. der Wassergehalt des Bodens wird bestimmt
    2. 2. die Proctordichte wird bestimmt
    3. 3. der Gesamtwassergehalt wird bemessen durch die Summe aus vorhandenem Wasser und einer zusätzlichen Beigabe
    4. 4. das zusätzliche Wassers wird mit dem polymerbasierten Netzwerkbildner vermischt
  • Figur 3 zeigt den Behälter 130 mit dem bereits mit einer Menge von Wasser 108 vermischten Untergrundverfestiger 104 gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Menge von verwendetem Netzwerkbildner 102, die Menge verwendeten Bindemittels 106 und die Menge von zugefügtem Wasser 108 ist basierend auf einer Feuchtigkeitsbestimmung des Untergrunds 100 (vergleiche Figur 2) bestimmt worden.
  • Indem die Menge von in den Untergrund 100 einzubringendem Wasser 108, Netzwerkbildner 102 und Bindemittel 106 abhängig von dem Feuchtegrad des Untergrunds 100 eingestellt wird, kann die Zusammensetzung der Mischung aus Untergrundverfestiger 104 und Wasser 108 flexibel und anwendungsbezogen sowie präzise so eingestellt werden, dass eine maximal feste Untergrundverfestigung erreicht werden kann. Abhängig von dem ermittelten Feuchtegrad wird also eine Menge Wasser 108, Netzwerkbildner 102 und Bindemittel 106 ermittelt, die mit dem Untergrundverfestiger 104 in den zu verfestigenden Untergrund 100 eingebracht wird. Dies erfolgt gemäß Figur 3 so, dass die ermittelte Menge Wasser 108 aus dem Behälter 132 in den Behälter 130 mit dem zuvor pulverförmigen Untergrundverfestigter 104 eingefüllt wird und diese Komponenten zu einer fließfähigen viskosen oder flüssigen Masse verrührt werden.
  • Bei dem beschriebenen Verfahren zum Verfestigen des Untergrunds 100 wird also zunächst gemäß Figur 1 der polymerbasierte elastische Netzwerkbildner 102 des Untergrundverfestigers 104 mit dem Bindemittel 106vermischt. Nach Bestimmung des Feuchtegrads des zu verfestigenden Untergrunds 100 gemäß Figur 2 wird dann gemäß Figur 3 eine von dem Feuchtigkeitsgrad abhängige definierte Menge Wasser 108 zu dem Untergrundverfestiger 104 (in einer ebenfalls von dem Feuchtegrad des zu verfestigenden Untergrunds 100 abhängigen Menge) hinzugefügt und das resultierende Gemisch zu einem verfestigten Untergrund 100 verarbeitet. Dabei wird die Menge verwendeten Wassers 108 abhängig von einer Beschaffenheit des Untergrunds 100 eingestellt. Hierfür wird das Wasser 108 mit dem Untergrundverfestiger 104 vermischt, und zwar erst kurz bevor der Untergrundverfestiger 104 in den zu verfestigenden Untergrund 100 eingebracht wird. Genauer ausgedrückt wird das Wasser 108 in einer definierten untergrundfeuchtigkeitsabhängigen Menge mit dem Untergrundverfestiger 104 vermischt, unmittelbar bevor der Untergrundverfestiger 104 in den zu verfestigenden Untergrund 100 eingebracht wird.
  • Alternativ ist es auch möglich, das hydraulische Bindemittel 106 (zum Beispiel Zement) einerseits und den polymerbasierten elastischen Netzwerkbildner 102 (insbesondere als Polymer-Suspension) voneinander getrennt in den Untergrund 100 einzubringen und erst dort miteinander zu vermischen.
  • Vorzugsweise wird die gegebenenfalls in den Untergrundverfestigter 104 eingebrachte Menge Wasser 108 bzw. die Menge des in den Untergrund 100 eingebrachten Untergrundverfestigers 104 so bemessen, dass höchstens 15 Gewichts-% Wasser, bezogen auf den zu stabilisierenden Untergrund 100, verwendet werden. Eine Überwässerung kann dadurch vermieden werden.
  • Figur 4 zeigt einen mit dem Untergrundverfestiger 104 gemäß dem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung verfüllten Untergrund 100.
  • Um die Anordnung gemäß Figur 4 zu erhalten, wird der Untergrundverfestiger 100 gemäß Figur 3 zunächst in den Untergrund 100 eingebracht (gemäß Figur 3 und Figur 4 in einen Hohlraum 174 des Untergrunds 100) und gegebenenfalls durch Rollen oder Pressen in eine gewünschte Form gebracht.
  • Der Netzwerkbildner 102, der gemeinsam mit dem Bindemittel 106 und dem Wasser 108 vermischt wurde, wird dann gemeinsam mit dem ursprünglichen Untergrund 100 zum Bilden des verfestigten Untergrunds 100 verarbeitet und dadurch verfestigt.
  • Im Weiteren wird ein anderes vorteilhaftes Ausführungsbeispiel geschrieben, das in der Figur nicht dargestellt ist. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel wird zunächst ein Gemisch aus einem Netzwerkbildner 102, einem Bindemittel 106 und dem zu verfestigenden Untergrund 100 gebildet. Sodann wird eine Untersuchung an dem Gemisch durchgeführt. Basierend auf einem Ergebnis der Untersuchung kann dann die Menge des mit dem Gemisch zu vermengenden Wassers 108 bestimmt werden. Die bestimmte Menge Wasser 108 wird nachfolgend mit dem Gemisch vermengt. Auch durch diese Vorgehensweise kann eine hochpräzise Mischung erstellt werden.
  • Figur 5 zeigt ein Diagramm 600, in dem für einen herkömmlich verfestigten Untergrund und für einen mit einem Untergrundverfestiger 104 gemäß zwei exemplarischen Ausführungsbeispielen der Erfindung verfestigten Untergrund 100 eine Druckfestigkeit in MN/m2 nach 7 Tagen und nach 28 Tagen aufgetragen ist. Genauer gesagt sind entlang einer Abszisse 602 unterschiedliche verfestigte Untergründe aufgetragen, wohingegen entlang einer Ordinate 604 die Druckfestigkeit ("unconfined compression strength") in MN/m2 nach 7 Tagen (jeweils linker Balken) und nach 28 Tagen (jeweils rechter Balken) aufgetragen ist. Figur 6 zeigt ein auf Figur 5 bezogenes Diagramm 700, in dem für den herkömmlich verfestigten Untergrund und für den mit dem Untergrundverfestiger 104 gemäß den zwei exemplarischen Ausführungsbeispielen der Erfindung verfestigten Untergrund 100 die Spaltzugfestigkeit nach 7 Tagen und nach 28 Tagen aufgetragen ist.
  • Figur 7 zeigt ein auf Figur 5 und Figur 6 bezogenes Diagramm 800, in dem für den herkömmlich verfestigten Untergrund und für den mit dem Untergrundverfestiger 104 gemäß den zwei exemplarischen Ausführungsbeispielen der Erfindung verfestigten Untergrund 100 das Elastizitätsmodul in MN/m2 aufgetragen ist.
  • Figur 8 zeigt ein auf Figur 5 bis Figur 7 bezogenes Diagramm 900, in dem für den herkömmlich verfestigten Untergrund und für den mit einem Untergrundverfestiger 104 gemäß den zwei exemplarischen Ausführungsbeispielen der Erfindung verfestigten Untergrund 100 die lineare thermische Ausdehnung infolge Frost-Tau-Wechsel in Promille aufgetragen ist.
  • Die experimentellen Befunde gemäß Figur 5 bis Figur 8 geben die genannten Daten zum einen für einen Referenzuntergrund wieder. Der Referenzuntergrund ist entlang den Abszissen 602 gemäß Figur 5 bis Figur 8 jeweils durch die Ziffer "1" charakterisiert. Bei dem Referenzuntergrund handelt es sich um einen herkömmlichen, zementstabilisierten Untergrund.
  • Ziffer "2" in Figur 5 bis Figur 8 bezieht sich ebenfalls auf einen Untergrund, der mit einem Untergrundverfestiger 104 gemäß einem ersten exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung behandelt wurde. Dieser enthält einen pulverförmigen latexbasierten Polymer-Netzwerkbildner 102 und das Zement als Bindemittel 106.
    Ziffer "3" in Figur 5 bis Figur 8 bezieht sich ebenfalls auf einen entsprechenden Untergrund, der mit einem Untergrundverfestiger 104 gemäß einem zweiten exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung verarbeitet wurde. Dieser enthält einen pulverförmigen latexbasierten Polymer-Netzwerkbildner 102 in einer anderen Menge als gemäß "2" und das Zement als Bindemittel 106.
  • Den experimentellen Befunden von Figur 5 bis Figur 8 ist zu entnehmen, dass der Untergrundverfestiger 104 gemäß dem ersten und dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung jeweils eine signifikante Verbesserung gegenüber dem herkömmlich verfestigten Referenzuntergrund hinsichtlich Festigkeit und Steifigkeit zeigt. Außerdem ist eine signifikante Verbesserung der Frostbeständigkeit zu erkennen.
  • Im Weiteren werden die experimentellen Befunde gemäß Figur 5 bis Figur 8 näher beschrieben.
  • Um die Wirkungsweise des polymerbasierten Netzwerkbildners als Zusatzstoff des Bodenverfestigers gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung hinsichtlich Veränderung der Festigkeit und Frostbeständigkeit eines mittels hydraulischen Bindemittels verfestigten Bodens erfassen zu können, sind die in Figur 5 bis Figur 8 dargestellten vergleichenden Laboruntersuchungen durchgeführt worden.
  • Da jeder natürlich gewachsene Boden Inhomogenitäten aufweist, sind die Versuche, zur Erhöhung der Vergleichbarkeit, an Probekörpern aus einem Vergleichsboden durchgeführt worden. Der Vergleichsboden wurde aus 80 Gewichts-% Quarzsand (Produkt Siligrans) und 20 Gewichts-% Quarzmehl (Produkt Microsil M300) hergestellt. Dieser Boden weist einen Sandanteil von 80 Gewichts-%, einen Schluffanteil von 17 Gewichts-% und einen Tonanteil von 3 Gewichts-% auf. Es handelt sich somit um einen schluffigen Sand (si SA).
  • Als Bindemittel ist Zement des Typs CEM II/B-M (C-L) 32.5 R eingesetzt worden. Die Bindemittelmenge betrug einheitlich 3,5 Gewichts-%.
  • Als Zusatzstoff ist der polymerbasierte Netzwerkbildner im Ausmaß von 0 Gewichts-%, 2,5 Gewichts-% und 4,0 Gewichts-% bezüglich Zementgehalt beigegeben worden. Der polymerbasierte Netzwerkbildner 102 (der mit 0 Gewichts-%, 2,5 Gewichts-% bzw. 4,0 Gewichts-% bezüglich Zementgehalt beigegeben wurde) wies einen relativen Anteil von ca. 80 Gewichts-% Styrolbutadienlatex (allgemeiner: 70 bis 90 Gewichts-% Styrolbutadienlatex), ca. 10 Gewichts-% Kaolin (allgemeiner: 2 bis 20 Gewichts-% Kaolin) und ca. 10 Gewichts-% weitere Additive 110 (allgemeiner: 3 bis 17 Gewichts-% Additive) auf (wobei dem Fachmann klar ist, dass sich die Summe der Gewichtsprozente von Styrolbutadienlatex, Kaolin und Additiven auf 100% summiert).
  • Aus diesen Gemischen sind die Probekörper unter Zugabe von 8 Gewichts-% Wasser und Verdichtung nach Proctorbedingungen in Übereinstimmung mit der Norm EN 13286-2:2012 hergestellt worden.
  • Die maßgebenden Laborversuche zur Charakterisierung der Festigkeit und Frostbeständigkeit der Probekörper sind wie folgt festgelegt worden:
    • Druckfestigkeit nach 7 und 28 Tagen gemäß EN 13286-41:2003 (vergleiche Figur 5)
    • Spaltzugfestigkeit nach 7 und 28 Tagen gemäß EN 13286-42:2003 (vergleiche Figur 6)
    • Elastizitätsmodul gemäß EN 13286-43:2003 (vergleiche Figur 7)
    • Frosthebungsversuche gemäß TP BF StB, Teil 11, Pkt. 1 (vergleiche Figur 8)
  • Die erstgenannten drei Versuche sind für die Beurteilung der Festigkeit des Bodenkörpers und der letztgenannte Versuch für die Frostbeständigkeit des Bodens maßgebend.
  • Nachstehend sollen die Versuchsergebnisse angeführt und aus geotechnischer Sicht bewertet werden. Zusätzlich wird in Klammer jeweils die prozentuelle Erhöhung gegenüber den Werten des Zement-Bodengemisches ohne Zusatz des polymerbasierten Netzwerkbildners angegeben.
  • Es wird dabei bezugnehmend auf die nachfolgenden Tabellen auf die Auswirkungen der Zugabe des polymerbasierten Netzwerkbildners auf die Festigkeit des Boden-Zement Gemisches einerseits und die Frostbeständigkeit andererseits eingegangen. Tabelle 1: einaxiale Druckfestigkeit (vergleiche Figur 5)
    Probe 7-Tage-Festigkeit (N/mm2) 28-Tage-Festigkeit (N/mm2)
    Zement 2,3 4,2
    Zement + 2,5 Masseprozent polymerbasierter 2,6 (+10%) 5,1 (+20%)
    Netzwerkbildner
    Zement + 4 Masseprozent polymerbasierter Netzwerkbildner 1,9 (-21%) 4,2 (±0%)
    Tabelle 2: Spaltzugfestigkeit (vergleiche Figur 6)
    Probe 7-Tage-Festigkeit (N/mm2) 28-Tage-Festigkeit (N/mm2)
    Zement 0,10 0,30
    Zement + 2,5 Masseprozent polymerbasierter Netzwerkbildner 0,17 (+70%) 0,33 (+10%)
    Zement + 4 Masseprozent polymerbasierter Netzwerkbildner 0,10 (±0%) 0,27 (-10%)
    Tabelle 3: E-Modul (vergleiche Figur 7)
    Probe 28-Tage-Festigkeit (N/mm2)
    Zement 228
    Zement + 2,5 Masseprozent polymerbasierter Netzwerkbildner 419 (+83%)
    Zement + 4 Masseprozent polymerbasierter Netzwerkbildner 356 (+56%)
    Tabelle 4: Frosthebung (vergleiche Figur 8)
    Probe Lineare Ausdehnung (‰)
    Zement 23,2
    Zement + 2,5 Masseprozent polymerbasierter Netzwerkbildner 7,9 (-66%)
    Zement + 4 Masseprozent polymerbasierter 6,1 (-74%)
    Netzwerkbildner
  • Hinsichtlich der Druckfestigkeit ist festzuhalten, dass die Zugabe von 2,5 Gewichts-% des polymerbasierten Netzwerkbildners eine nennenswerte Festigkeitszunahme bewirkt. Diese beträgt nach 7 Tagen 10 % und nach 28 Tagen 20 %. Der 7-Tagewert von 2,6 MN/m2 liegt bei Zugabe des polymerbasierten Netzwerkbildners nur knapp unter den Anforderungen für zementstabilisierte Tragschichten gemäß RVS 08.17.01. Dort beträgt der Soll-Wert 3,0 MN/m2. Bei Erhöhung des Zementgehaltes kann auch dieser Wert erreicht werden.
  • Eine deutlich höhere Dosis des polymerbasierten Netzwerkbildners bleibt hingegen ohne positive Auswirkung auf die Druckfestigkeit. Die Werte entsprechen in etwa jenen ohne Zugabe des polymerbasierten Netzwerkbildners.
  • Im Falle der Spaltzugfestigkeit resultiert bei Zugabe von 2,5 Gewichts-% des polymerbasierten Netzwerkbildners eine kurzzeitige Erhöhung um 70% nach 7 Tagen und eine langfristige erhebliche Erhöhung um ca. 10 % nach 28 Tagen.
  • Eine weitere deutliche Erhöhung des Gehaltes des polymerbasierten Netzwerkbildners wirkt sich hingegen auch bei diesem Parameter nicht mehr positiv aus. Die Werte liegen in etwa 10 % unter jenen ohne Zugabe des polymerbasierten Netzwerkbildners.
  • Der E-Modul (Verformungsverhalten), der für das Verformungsverhalten maßgebend ist, erhöht sich durch die Zugabe von 2,5 Gewichts-% des polymerbasierten Netzwerkbildners sehr stark. Es liegt ein um 83 % höherer Wert und somit eine wesentlich geringere Verformbarkeit vor, was sich äußerst positiv auf die Tragfähigkeit auswirkt.
  • Eine weitere Erhöhung des Gehaltes des polymerbasierten Netzwerkbildners führt zu einer etwas geringeren Erhöhung um 56 % gegenüber dem Ausgangswert ohne Zugabe des polymerbasierten Netzwerkbildners.
  • Zusammenfassend ist festzuhalten, dass die Zugabe von 2,5(±0,5) Gewichts-% des polymerbasierten Netzwerkbildners das technische Optimum darstellt.
  • Diese Zugabemenge wirkt sich positiv auf das Tragverhalten und Verformungsverhalten des mittels Zement verfestigten Bodens aus. Durch das höhere Tragverhalten kann eine Reduzierung der Bodenauswechslungs- bzw. Tragschichtstärken erfolgen.
  • Die geringere Verformbarkeit wirkt sich hingegen positiv auf die Bemessung des Asphaltbelages bzw. einer Betondecke aus. Es kann dementsprechend die Schichtstärke bzw. im Falle der Betonplatte (Hallenbau) auch der Bewehrungsgehalt reduziert werden.
  • Ferner wird auch die Frostbeständigkeit durch die Zugabe des polymerbasierten Netzwerkbildners exorbitant erhöht. Die Frosthebung vermindert sich bei Zugabe von 2,5 Gewichts-% um 66 % und bei Zugabe von 4 Gewichts-% um 74 %.
  • Der für frostsichere Gesteinskörnungen in der ÖNORM B 4811:2013, Pkt. 5.4, angegebenen Soll-Wert von 10 % (15 mm bei Probenhöhe 150 mm) wird jedenfalls nennenswert unterschritten.
  • Die Proben sind daher nach Zugabe des polymerbasierten Netzwerkbildners für Straßen als ausreichend frostbeständig einzustufen.
  • Zusammenfassend ist festzuhalten, dass die Zugabe von 2 Gewichts-% bis 3,5 Gewichts-% des polymerbasierten Netzwerkbildners das Optimum aus technischer Sicht darstellt, weil sich damit mit geringem Aufwand Druckfestigkeit, Spaltzugfestigkeit, Elastizitätsmodul und Frostbeständigkeit verbessern lassen. In einem breiteren Bereich zwischen 2 Gewichts-% und 5 Gewichts-% des polymerbasierten Netzwerkbildners können Elastizitätsmodul und Frostbeständigkeit wesentlich verbessert werden.
  • Im Weiteren soll auf Basis der Versuchsergebnisse und der geotechnischen Bewertung ein Überblick über mögliche Anwendungsgebiete des polymerbasierten Netzwerkbildners erfolgen. Bei den möglichen Anwendungen ist einerseits die Verbesserung des Trag- und Verformungsverhalten und andererseits die Erhöhung der Frostbeständigkeit zu berücksichtigen.
  • Als mögliche Anwendung ist zunächst die Sanierung von untergeordneten Straßen mit Frostschäden zu nennen.
  • Es existiert im untergeordneten Straßennetz eine Vielzahl an Straßen, wo kein ausreichender Aufbau vorhanden ist. Dies führt laufend zu Frostschäden, die üblicherweise provisorisch saniert werden. Eine Gesamtsanierung ist dann vorgesehen, wenn die Einzelschäden ein zu großes Ausmaß annehmen.
  • In diesem Zusammenhang bietet der Zusatz des polymerbasierten Netzwerkbildners zum Zement die Möglichkeit, den bestehenden Unterbau damit zu stabilisieren. Dadurch kann einerseits die Tragfähigkeit auf die Anforderungen erhöht werden. Der polymerbasierte Netzwerkbildner bietet allerdings auch den Vorteil, dass der Unterbau frostsicher gemacht wird. Dementsprechend können zukünftig auch die Frostschäden minimiert werden.
  • Darüber hinaus können die bestehenden Materialien belassen werden. Es entfallen dadurch der Materialbedarf und die Materialentsorgung. Durch den Entfall der Transporte kann auch die Bauzeit und die Umweltbelastung minimiert werden.
  • Als weitere Anwendungsbeispiele sind die Errichtung von Straßen, Wirtschafts-und Forstwegen, Parkplätzen und Betriebsgebieten zu nennen.
  • Auf Grund der Erhöhung der Frostbeständigkeit des anstehenden Untergrundes durch die Zugabe des polymerbasierten Netzwerkbildners kann die Stärke der Frostschutzschichte reduziert bzw. auf eine mechanisch stabilisierte Tragschichte (zum Beispiel 20 cm oder weniger) beschränkt werden.
  • Zusätzlich ermöglicht die Erhöhung der Tragfähigkeit bzw. Verminderung der Verformbarkeit eine Optimierung des Asphaltaufbaues.
  • Als weiteres Anwendungsbeispiel kommen Industriehallen in Betracht.
  • Im Falle von Industriebauten werden oftmals monolithische oder zweifach bewehrte Bodenplatten ausgeführt.
  • Durch eine Bodenstabilisierung mittels hydraulischem Bindemittel und Zugabe des polymerbasierten Netzwerkbildners kann am anstehenden Boden einerseits die Verformbarkeit minimiert und die Frostsicherheit erreicht werden.
  • Dementsprechend kann die Frostschutzschichte reduziert bzw. auf eine mechanisch stabilisierte Tragschichte (20 cm oder weniger) beschränkt werden. Die Erhöhung der Tragfähigkeit ermöglicht außerdem eine optimierte Bemessung der Bodenplatte durch Erhöhung der Bettung der Platte.
  • Ergänzend ist darauf hinzuweisen, dass "aufweisend" keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt und "eine" oder "ein" keine Vielzahl ausschließt. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale oder Schritte, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen oder Schritten anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.

Claims (15)

  1. Verfahren zum Verfestigen eines Untergrunds (100), wobei bei dem Verfahren:
    ein polymerbasierter elastischer Netzwerkbildner (102) eines Untergrundverfestigers (104) mit einem Bindemittel (106) und Wasser (108) zu einem verfestigten Untergrund (100) verarbeitet werden; und
    eine Menge verwendeten Netzwerkbildners (102), eine Menge verwendeten Bindemittels (106) und eine Menge verwendeten Wassers (108) abhängig von einer Beschaffenheit des Untergrunds (100) eingestellt wird.
  2. Verfahren gemäß Anspruch 1, aufweisend eines der folgenden Merkmale:
    wobei das Wasser (108) mit dem insbesondere pulverförmigen Untergrundverfestiger (104) vermischt wird, bevor der Untergrundverfestiger (104) in den zu verfestigenden Untergrund (100) eingebracht wird, insbesondere unmittelbar bevor der Untergrundverfestiger (104) in den zu verfestigenden Untergrund (100) eingebracht wird;
    wobei das Wasser (108) mit dem insbesondere pulverförmigen Untergrundverfestiger (104) vermischt wird, während der Untergrundverfestiger (104) in den zu verfestigenden Untergrund (100) eingebracht wird und/oder nachdem der Untergrundverfestiger (104) in den zu verfestigenden Untergrund (100) eingebracht worden ist.
  3. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 2, aufweisend zumindest eines der folgenden Merkmale:
    wobei ein Feuchtegrad des Untergrunds (100) ermittelt wird und basierend auf dem ermittelten Feuchtegrad erst nachfolgend eine daraus ermittelte Menge Netzwerkbildner (102), Menge Bindemittel (106) und Menge Wasser (108) mit dem Untergrundverfestiger (104) vermischt wird;
    wobei das Bindemittel (106) ganz oder teilweise Teil des Untergrundverfestigers (104) ist;
    wobei das Bindemittel (106) teilweise Teil des zu verfestigenden Untergrunds (100) ist.
  4. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei ein Untergrundverfestiger (104) gemäß einem der Ansprüche 11 bis 18 verwendet wird.
  5. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Untergrundverfestiger (104) in pulverförmiger Form oder als Granulat in den zu verfestigenden Untergrund (100) eingebracht wird.
  6. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei:
    ein Gemisch aus dem Netzwerkbildner (102), dem Bindemittel (106) und dem zu verfestigenden Untergrund (100) gebildet wird;
    eine Untersuchung an dem Gemisch durchgeführt wird;
    basierend auf einem Ergebnis der Untersuchung die Menge des mit dem Gemisch zu vermengenden Netzwerkbildners (102), Bindemittels (106) und Wassers (108) bestimmt wird;
    die bestimmte Menge Netzwerkbildner (102), Bindemittel (106) und Wasser (108) mit dem Gemisch vermengt wird.
  7. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Netzwerkbildner (102), insbesondere trocken oder in einer wässrigen Suspension, und das Bindemittel (106) getrennt voneinander und ohne Vormischung in den zu verfestigenden Untergrund (100) eingearbeitet werden.
  8. Untergrundverfestiger (104) zum Verfestigen eines Untergrunds (100), wobei der Untergrundverfestiger (104) aufweist:
    ein Bindemittel (106); und
    2 Gewichts-% bis 5 Gewichts-% eines elastischen Netzwerkbildners (102), bezogen auf eine Menge des Bindemittels (106), mit dem der Netzwerkbildner (102) und Wasser (108) zum Bilden des verfestigten Untergrunds (100) verarbeitbar sind.
  9. Untergrundverfestiger (104) gemäß Anspruch 8, wobei der Untergrundverfestiger (104) zwischen 2 Gewichts-% bis 3,5 Gewichts-% des Netzwerkbildners (102) aufweist, bezogen auf das Bindemittel (106).
  10. Untergrundverfestiger (104) gemäß Anspruch 8 oder 9, aufweisend zumindest eines der folgenden Merkmale:
    wobei das Bindemittel (106) aus einer Gruppe ausgewählt ist, die besteht aus Zement und Kalk;
    wobei der Untergrundverfestiger (104) trocken vorliegt, insbesondere pulverförmig ist;
    wobei der Untergrundverfestiger (104) als Suspension vorliegt;
    wobei der Untergrundverfestiger (104) frei von zumindest einem aus einer Gruppe bestehend aus Stabilisatoren, einem Verdickungsmittel, einem Entschäumer, und einem Salz oder Hydroxid eines Alkali- oder Erdalkalimetalls ist;
    wobei der Netzwerkbildner (102) ein Latexpolymer aufweist oder daraus besteht, insbesondere Styrolbutadienlatex;
    wobei der Netzwerkbildner (102) Ligninsulfonat aufweist oder daraus besteht.
  11. Verwendung eines Untergrundverfestigers (104) gemäß einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei zwischen 2 Gewichts-% und 10 Gewichts-% Bindemittel (106), bezogen auf den zu verfestigenden Untergrund (100), verwendet werden.
  12. Verwendung gemäß Anspruch 11, wobei höchstens 15 Gewichts-% Wasser (108), bezogen auf den zu stabilisierenden Untergrund (100), verwendet werden.
  13. Verwendung eines Untergrundverfestigers (104) gemäß einem der Ansprüche 8 bis 10 als Zusatz zum Erhöhen der Frostbeständigkeit eines zu verfestigenden Untergrunds (100).
  14. Verwendung eines Untergrundverfestigers (104) gemäß einem der Ansprüche 8 bis 10 als Zusatz zum Erhöhen des Elastizitätsmoduls eines zu verfestigenden Untergrunds (100).
  15. Verwendung eines Untergrundverfestigers (104) gemäß einem der Ansprüche 9 bis 10 als Zusatz zum Erhöhen der Spaltzugfestigkeit eines zu verfestigenden Untergrunds (100).
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