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Die Erfindung betrifft eine Mischvorrichtung und ein Verfahren zum Erstellen eines säulen- oder lamellenförmigen Bodenmischelementes im Boden sowie die Verwendung von körnigem Schüttgut zur Herstellung eines solchen Bodenmischelementes.
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Verfahren und Vorrichtungen zum in-situ-Mischen von Boden und Suspension werden insbesondere im Spezialtiefbau zur Erstellung von Gründungselementen im Boden eingesetzt. Bei diesen Verfahren erfolgt beim Einfahren eines Bohrwerkzeugs, etwa einer Bohrschnecke, eine Bodenverflüssigung durch Zugabe von Zementsuspension und optional Bentonitsuspension (2-Phasen) und Mischen des gelösten Bodenmaterials. Eine gattungsgemäße Mischvorrichtung und ein darauf basierendes Verfahren zum Erstellen einer Bohrung im Boden und Erstellen eines säulenartigen Elements durch In-Situ-Mischen von gelöstem Bodenmaterial und einer Zementsuspension ist beispielsweise aus der
EP 4 101 987 A1 bekannt.
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Das aus der
EP 4 101 987 A1 bekannte Bohrwerkzeug besitzt einen rohrförmigen Bohrschaft, mindestens eine Abtragseinrichtung, welche zum Abtragen von Bodenmaterial ausgebildet ist, eine Zuführeinrichtung zum Zuführen eines Fluides durch den Bohrschaft durch mindestens eine Austrittsöffnung für das Fluid in die Bohrung, und mindestens ein sich radial zum Bohrschaft erstreckendes Mischelement, welches an dem Bohrschaft axial beabstandet zu der Abtragseinrichtung angeordnet und zum Vermischen von Bodenmaterial mit dem Fluid ausgebildet ist. Das durch die Abtragseinrichtung an der Bohrschnecke zerkleinerte Bodenmaterial wird nach oben in einen oberen Bereich der Bohrung abgefördert. Während des Bohrens kann über eine Austrittsöffnung am Bohrschaft eine aushärtbare Suspension eingeleitet werden, wobei durch die Mischelemente die Suspension mit dem zerkleinerten Bodenmaterial zum in-situ-Herstellen eines sogenannten Bodenmörtels vermischt wird. Nach Erreichen einer Endtiefe wird das Bohrwerkzeug wieder aus der Bohrung zurückgezogen, wobei gegebenenfalls unter weiterer Zuführung von Bohrsuspension und Drehung des Bohrwerkzeuges zum weiteren Vermischen ein fertiger Bodenmörtel hergestellt wird, welcher dann zu dem Gründungselement aushärten kann.
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Bei dem aus der
EP 4 101 987 A1 bekannten Bohrwerkzeug ist mindestens eine erste Austrittsöffnung im Bereich der Abtragseinrichtung und mindestens eine zweite Austrittsöffnung axial beabstandet zu der mindestens einen ersten Austrittsöffnung angeordnet, wobei Fluid über eine Stelleinrichtung wahlweise über die mindestens eine erste Austrittsöffnung und/oder die mindestens eine zweite Austrittsöffnung in die Bohrung einleitbar ist, um das Fluid gezielt zu bestimmten Zeitpunkten über bestimmte Austrittsöffnungen in die Bohrung einzuleiten.
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Die Bindung der Mischung wird bei diesen Verfahren durch eine Zementmatrix erreicht und ein im Boden errichtetes Bodenmischelement in Form einer Säule besteht aus Bodenmaterial und Zement. Optional können Stahlträger in das Materialgemisch eingestellt werden, solange es noch nicht ausgehärtet ist. Ein Nachteil dieser Lösungen ist darin zu sehen, dass die Festigkeit des errichteten säulenartigen Elements (ohne eine Stahlbewehrung) im unteren MPa Bereich liegt.
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Ein zunehmend wichtiger Gesichtspunkt im Tiefbau ist, wie bei anderen Gebieten der Bauwirtschaft, der hohe Verbrauch an Ressourcen und Material für die Herstellung von Zement und Baumaterial wie Sand, Kies und dergleichen, sowie die kostenträchtige Beseitigung von Bauschutt, beispielsweise in Deponien.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Mischvorrichtung und ein Verfahren zum Erstellen eines säulen- oder lamellenförmigen Bodenmischelementes im Boden anzugeben, mit welchen ein stabiles Bodenmischelement mit einem geringeren Ressourcenverbrauch und verringertem CO2 Footprint hergestellt werden kann. Ein weiterer Aspekt der Erfindung besteht darin, eine ökologische Behandlung von Bauschutt vorzusehen.
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Die Aufgabe wird zum einen durch eine Mischvorrichtung zum Erstellen eines säulen- oder lamellenförmigen Bodenmischelementes im Boden mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 und zum anderen durch ein Verfahren zum Erstellen eines säulen- oder lamellenförmigen Bodenmischelementes im Boden mit den Merkmalen des Patentanspruches 11 gelöst. Die Erfindung schlägt zur Lösung des Problems ferner die Verwendung von körnigem Schüttgut, insbesondere von zerkleinertem Bauschutt, zur Herstellung eines solchen Bodenmischelementes gemäß Patentanspruch 15 vor. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Die erfindungsgemäße Mischvorrichtung zum Erstellen eines säulen- oder lamellenförmigen Bodenmischelementes im Boden umfasst zunächst ein rohrförmiges Mischgestänge mit mindestens einer inneren Zuführleitung, ein an einem unteren Ende des Mischgestänges angeordnetes Werkzeug, welches zum Lösen und Mischen von Bodenmaterial ausgebildet ist und mindestens eine Austrittsöffnung aufweist, welche mit der mindestens einen inneren Zuführleitung in Verbindung steht, und einen Drehantrieb zum drehenden Antreiben des Mischgestänges mit dem daran angebrachten Werkzeug zum Erzeugen eines Mischbereichs im Boden.
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Sodann ist die erfindungsgemäße Mischvorrichtung dadurch gekennzeichnet, dass an einem oberen Bereich des Mischgestänges eine Aufnahmeeinrichtung zum Aufnehmen eines körnigen Schüttgutes ausgebildet ist, und dass eine erste innere Zuführleitung ausgebildet ist, um das aufgenommene körnige Schüttgut von der Aufnahmeeinrichtung durch das Mischgestänge zu mindestens einer ersten Austrittsöffnung zum Bilden des säulen- oder lamellenförmigen Bodenmischelementes im Boden zu leiten.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Erstellen eines säulen- oder lamellenförmigen Bodenmischelementes im Boden, wird mittels einer Mischvorrichtung, insbesondere der erfindungsgemäßen Mischvorrichtung ausgeführt, die ein rohrförmiges Mischgestänge mit mindestens einer inneren Zuführleitung, ein an einem unteren Ende des Mischgestänges angeordnetes Werkzeug, durch welches Bodenmaterial zum Bilden eines Bohrlochs im Boden gelöst und gemischt wird, wobei das Werkzeug mindestens eine Austrittsöffnung aufweist, welche mit der mindestens einen inneren Zuführleitung in Verbindung steht, und einen Drehantrieb, durch welchen das Mischgestänge mit dem daran angebrachten Werkzeug zum Erzeugen eines Mischbereichs im Boden drehend angetrieben wird, aufweist.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist ferner dadurch gekennzeichnet, dass an einem oberen Bereich des Mischgestänges eine Aufnahmeeinrichtung ausgebildet ist, in welche ein körniges Schüttgut aufgegeben bzw. zugeführt wird, und dass eine erste innere Zuführleitung ausgebildet ist, durch welche das körnige Schüttgut von der Aufnahmeeinrichtung durch das Mischgestänge zu mindestens einer ersten Austrittsöffnung zum Bilden des säulen- oder lamellenförmigen Bodenmischelementes im Boden geleitet wird.
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Ein Grundgedanke der Erfindung ist darin zu sehen, dass mittels der speziell ausgestalteten Mischvorrichtung ein körniges Schüttgut, insbesondere ein solches, das solides, also hartes Material mit einer Korngröße bis 100 mm, vorzugsweise von 2 mm bis 70 mm, insbesondere als Kies oder zerkleinerter Bauschutt, an dem oberen Bereich des rohrförmigen Mischgestänges in die Aufnahmeeinrichtung aufgegeben bzw. zugeführt wird und von dort unter Schwerkraftwirkung durch die in einem inneren Volumen des rohrförmigen Mischgestänges ausgebildete bzw. angeordnete innere Zuführleitung in einer bestimmten Phase zu der ebenfalls an das Schüttgut angepassten Austrittsöffnung an dem Werkzeug geleitet wird und dort nach außen gelangt. Das Werkzeug ist dazu ausgestaltet, das Bodenmaterial, beispielsweise in der Tiefe eines durch das Werkzeug selbst während dem Abbohren oder durch ein anderes Werkzeug zuvor gebildeten Bohrlochs im Boden zu lösen und zu vermischen.
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Das Einbringen des körnigen Schüttguts als Zuschlagstoff durch die Austrittsöffnung zu dem Mischbereich und kontinuierliches oder intermittierendes Vermischen des gelösten Bodenmaterials und des so zugeführten körnigen Zuschlagstoffs führt zu einer Homogenisierung der Komponenten zu einer Matrix, in der alle Kornfraktionen für eine verbesserte Kraftübertragung miteinander vermengt und verbunden sind. Optional kann zusätzlich auch noch eine Bindemittelsuspension oder Bindemittel in trockenem Zustand dem Mischbereich zugeführt werden, beispielsweise ebenfalls durch das Innere des Mischgestänges, genauer durch eine oder mehrere dort angeordnete oder ausgebildete Zuführleitung(en). Dieser Mischbereich härtet nach dem Abziehen des Mischgestänges und dem daran angebrachten Werkzeug zu einer stabilen "Schottersäule", also dem säulen- oder lamellenförmigen Bodenmischelement, im Boden aus, welche/welches durch dieses Verfahren bzw. mittels der Vorrichtung auch in nicht verdrängbaren Böden erstellt werden kann.
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Das direkt über die innere Zuführleitung und die Austrittsöffnung in den Mischbereich als Zuschlagstoff zugeführte und eingemischte körnige, grobe Schüttgut ersetzt frischen Kies und verringert den Bedarf an Zement. Insbesondere wenn als grober Zuschlag zerkleinerter Bauschutt eingebracht wird, kann dieser als Baumaterial mit guter Qualität und geringem Aufbereitungsaufwand zum einen sinnvoll, d. h. stofflich und funktional, wiederverwendet werden, und zum anderen ökonomisch und ökologisch entsorgt werden. Diese Effekte verringern in der Summe den Ressourcenverbrauch und führen zu einem reduzierten Energieverbrauch und in der Folge zu einem reduzierten CO2 Ausstoß. Außerdem kann durch das Einmischen des körnigen, groben Schüttguts als Zuschlagstoff in die gebildete Matrix eine Erhöhung der Festigkeit und/oder eine Reduzierung des Zementgehalts (bei gleicher Festigkeit) des säulen- oder lamellenförmigen Bodenmischelementes im Boden erreicht werden.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird das an sich bekannte und eingangs beschriebene Bodenmischverfahren als Grundlage bzw. Ausgangsverfahren verwendet, mit dem beim Einfahren eines Bohr- oder Mischwerkzeugs eine Bodenverflüssigung durch Lösen und Mischen des Bodenmaterials, ggf. unter Zuführung eines die Bindung in der Matrix erhöhenden Bindemittels, insbesondere einer Zementsuspension, bewirkt wird, und dieses Verfahren wird dadurch erweitert, dass in dem Mischbereich das gelöste Bodenmaterial und das zusätzlich direkt zugeführte körnige Schüttgut zu einem Bodenmörtel vermischt wird, welcher zum Bilden des Bodenmischelementes im Boden aushärtet. Der bekannte Verfahrensablauf bleibt also bis auf die Zugabe des körnigen Schüttguts als Zuschlagstoff (z. B. Kies oder zerkleinerter Bauschutt), vorzugsweise in der Phase des Ziehens des Bohr- oder Mischwerkzeugs, gleich. Damit kann durch einen definierten Prozess der Einbau der gemischten "Schottersäule", also des säulen- oder lamellenförmigen Bodenmischelements besteht aus Bodenmaterial/Zuschlag(/Zement) über der gesamten Tiefe im Boden erreicht werden.
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Weiterhin können zusätzliche reaktive Zuschläge zur Kontaminationsbindung/Reduktion im Prozess über das Innere des rohrförmigen Mischgestänges zugegeben werden.
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Vorzugsweise umfasst die Mischvorrichtung ein Trägergerät mit einem Mast, entlang welchem der Drehantrieb mittels eines Antriebsschlittens verschiebbar gelagert ist, wobei entlang des Mastes auch noch eine Zuführeinrichtung zum Zuführen von körnigem Schüttgut zu der Aufnahmeeinrichtung verschiebbar gelagert sein kann.
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Die verschiebbare Lagerung des Drehantriebs und ggf. der Zuführeinrichtung entlang des Masts ermöglicht eine kontinuierliche Drehung des Mischgestänges und des Werkzeugs sowie eine schwerkraftinduzierte Nachführung des körnigen, groben Schüttguts in die Aufnahmeeinrichtung und von dort durch das Innere des Bohrgestänges beim Ziehen des Werkzeugs aus dem Boden über der gesamten Einbautiefe. Durch die Zuführeinrichtung wird sichergestellt, dass die Nachführung des Schüttguts in die Aufnahmeeinrichtung nicht stockt oder der Prozess durch Anhalten der Rotation und Nachfüllen von weiterem Schüttgut in die Aufnahmeeinrichtung nicht unterbrochen werden muss.
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Vorzugsweise weist das Mischgestänge mindestens eine zweite Zuführleitung zum Zuführen einer Flüssigkeit oder einer Suspension zu dem Werkzeug und/oder mindestens eine dritte Zuführleitung zum Zuführen eines Gases, insbesondere von Luft, zum Fördern des Schüttgutes in der ersten inneren Zuführleitung und/oder in dem Werkzeug auf. Die weiteren Zuführleitungen können ebenfalls durch das Innere des Mischgestänges geführt sein und werden hinsichtlich Abmessungen und Durchsatzkapazität an das zuzuführende Fluid (Suspension, Wasser, Luft etc.) angepasst. Es ist auch denkbar, dass die oder eine zweite Zuführleitung und die oder eine dritte Zuführleitung identisch sind und wahlweise für das zuzuführende Fluid genutzt werden, wenn das aufgrund der Dimensionierung und Anordnung und der Positionierung und Ausgestaltung der jeweils zugeordneten von mehreren Austrittsöffnungen an dem Werkzeug, die mit der mindestens einen ersten inneren Zuführleitung und/oder der mindestens einen zweiten Zuführleitung, sofern vorhanden, und/oder der mindestens einen dritten Zuführleitung, sofern vorhanden, kommunizieren, möglich ist.
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Um die kontinuierliche Zufuhr des Schüttguts während des gesamten oder zumindest relevanten Teils des Prozesses beim Zurückziehen des Bohrgestänges über der gewünschten Höhe zu gewährleisten kann die Aufnahmeeinrichtung für das Schüttgut eine Speichereinrichtung, insbesondere einen Schüttgutbunker, mit erweitertem Volumen aufweisen. Selbstverständlich kann am Einlass in die Speichereinrichtung eine Art Trichter ausgebildet sein, um das Einbringen des Schüttguts zu erleichtern.
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Vorzugsweise ist ein Rüttelantrieb zum Fördern des Schüttgutes in der ersten inneren Zuführleitung und/oder in dem Werkzeug angeordnet, um den ansonsten schwerkraftgetriebenen Transport des Schüttguts, zusätzlich zu der Drehbewegung des Gestänges, zu unterstützen und eine Blockierung der inneren Zuführleitung zu verhindern. Eine solche Blockierung kann insbesondere bei einer gröberen Körnung des Schüttguts leicht auftreten, da sich größere Brocken gegeneinander verkeilen und dann einen Innendurchmesser der Zuführleitung zusetzen können. Ein solcher Rüttelantrieb kann an mehreren Stellen entlang der Länge verteilt positioniert sein.
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Vorzugsweise weist das Werkzeug Löseelemente, insbesondere Zähne, zum Lösen von Bodenmaterial und Mischelemente (z. B. an sich bekannte Mischpaddel) zum Mischen von gelöstem Bodenmaterial mit dem zugeführten Schüttgut und/oder zugeführter Flüssigkeit und/oder zugeführtem Gas auf. Dabei können die Löseelemente und die Mischelemente an dem Werkzeug relativ zueinander drehbar gelagert sein. Die Form, die relative Anordnung einschließlich Abstände im Umfangs- und Axialrichtung und die Anzahl der Löse- und Mischelemente kann in Abhängigkeit des einzubringenden Schüttguts gewählt werden, wobei ein Aspekt für die Ausgestaltung eine möglichst gleichmäßige Verteilung des Schüttguts bzw. Zuschlagstoffes über den Säulenquerschnitt sein kann.
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Eine bevorzugte Anordnung von Mischelementen ist die Ausbildung von Mischpaddeln am unteren Ende des Werkzeugs, welche so ausgestaltet sind, dass sie das oberhalb der Mischpaddel zugeführte Schüttgut beim Ziehen des Werkzeugs in das gelöste Bodenmaterial im Mischbereich einmischen.
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Mit Blick auf das Verfahren kann es vorteilhaft sein, wenn das gelöste Bodenmaterial zumindest teilweise aus dem Mischbereich abgeführt wird, während körniges Schüttgut im Gegenzug zum Mischbereich zugeführt wird. Dadurch kann die Zusammensetzung des Mischbereichs für eine gewünschte Ausbildung der Matrix gesteuert und die Anteile von Bodenmaterial und Schüttgut können verändert werden. Die Abfuhr von gelöstem Bodenmaterial kann in an sich bekannter Weise durch das Innere des Mischgestänges erfolgen.
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Besonders vorteilhaft mit Blick auf die Festigkeit des im Boden errichteten Bodenmischelements aus gelöstem Bodenmaterial und Schüttgut als Zuschlag und ggf. einer aushärtbaren Bindemittel-Suspension nach dem Ziehen des Mischgestänges mit Werkzeug ist die Verwendung eines in die Aufnahmeeinrichtung aufgegebenen körnigen Schüttguts als Material mit einer Korngröße bis 100 mm, vorzugsweise von 2 mm bis 70 mm, insbesondere als Kies und/oder zerkleinerter Bauschutt in den genannten Größenbereichen.
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Das im Boden errichtete bzw. ausgebildete Bodenmischelement aus Bodenmörtel nach dem Ziehen des Mischwerkzeugs kann beispielsweise zu einem Gründungselement, insbesondere einem Gründungspfahl, aushärten.
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Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann so ein besonders gut durchmischter Bodenmörtel und damit sehr homogener Bodenmörtel mit erhöhter Festigkeit in der Matrix direkt im Boden produziert werden, der zu einem hochqualitativen Bauelement im Boden aushärtet. Die Gefahr der Bildung von Fehlstellen in dem Gründungselement wird erheblich reduziert oder sogar vollständig vermieden. Außerdem kann die Verwendung von zerkleinertem Bauschutt andere körnige Baustoffe substituieren und neben der erhöhten Festigkeit einen Beitrag zur Lösung ökologischer und ökonomischer umweltbezogener Probleme leisten.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels weiter erläutert. In den Zeichnungen zeigen:
- Fig. 1 eine Seitenansicht einer Baumaschine in der Form eines Bohrgeräts mit einer erfindungsgemäßen Mischvorrichtung;
- Fig. 2 eine Seitenansicht eines bei der Mischvorrichtung von Fig. 1 verwendeten Werkzeugs, hier in der Form eines Bohrwerkzeuges;
- Fig. 3 eine perspektivische Ansicht von oben eines alternativen Werkzeugs, das mit der erfindungsgemäßen Mischvorrichtung verwendet werden kann;
- Fig. 4 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens; und
- Fig. 5 eine schematische Darstellung einer Abwandlung des erfindungsgemäßen Verfahrens als 2-Phasen System mit einer modifizierten Mischvorrichtung.
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In Fig. 1 ist ein Trägergerät 1 in der Form eines Bohrgeräts gezeigt, an dem die erfindungsgemäße Mischvorrichtung 40 eingesetzt und angebaut ist. Es wird aber darauf hingewiesen, dass das hier gezeigte Bohrgerät als Beispiel einer selbstfahrenden Baumaschine nur eine beispielhafte Anwendung für ein Trägergerät 1 zeigt und die Mischvorrichtung 40 auch bei anderen Baumaschinen und bei stationären Bohreinrichtungen als Trägergerät zum Einsatz kommen kann.
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Das Trägergerät 1 kann einen Mast 20 umfassen, an dem ein Antriebsschlitten 22 in Längsrichtung des Mastes 20 verfahrbar gelagert sein kann. Der Antriebsschlitten 22 kann einen Drehantrieb 43 der Mischvorrichtung 40 zum Antreiben eines hier als Bohrgestänge ausgeführten Mischgestänges 41 tragen. Weil die erfindungsgemäße Mischvorrichtung nicht notwendig so ausgestaltet sein muss, dass mit ihr das gesamte Bohrloch in den Boden eingebracht werden muss, sondern sie auch zur Errichtung eines Bodenmischelements in einem zumindest teilweise zuvor hergestellten Bohrloch verwendet werden kann, wird im Rahmen der allgemeineren Offenbarung von einem "Mischgestänge" gesprochen, das anhand des Bohrgestänges als Beispiel erläutert wird.
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Das Trägergerät 1 kann ein Fahrwerk 10 aufweisen, welches einen Unterwagen 12 und einen daran vorzugsweise drehbar angelenkten Oberwagen 14 aufweisen kann. An dem Oberwagen 14 kann der Mast 20 schwenkbar angeordnet sein. Mittels eines Schwenkzylinders 18 kann der Mast 20 aus einer im Wesentlichen vertikalen Betriebsposition in eine im Wesentlichen horizontale Transportposition verschwenkt werden. An einem unteren Bereich des Mastes 20 kann eine Winde 15 angeordnet sein, welche ein Seil 17, das zu einer im oberen Bereich des Mastes 20 angeordneten Umlenkrolle 16 führt, aufnimmt. Der Mast 20 kann ferner einen Mastkopf 24 aufweisen. In seiner Betriebsposition kann der Mast 20 an einem vorderen Bereich des Fahrwerks 10 angeordnet sein. An einer Mastvorderseite, das heißt an einer von dem Fahrwerk 10 abgewandten Seite, kann der Mast 20 eine Führungseinrichtung 26 aufweisen, an welcher der Antriebsschlitten 22 entlang des Mastes 20 geführt verfahrbar sein kann. Die Führungseinrichtung 26 kann vorzugsweise Führungsschienen 30 umfassen, die seitlich in einem vorderen Bereich des Mastes 20 angeordnet sind. Der Antriebsschlitten 22 kann mehrere Führungsbacken 32, 33 aufweisen, die mit den Führungsschienen 30 gleitend in Eingriff stehen.
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Der Antriebsschlitten 22 kann also die Mischvorrichtung 40 tragen, deren Drehantrieb 43 zum drehenden Antreiben des Mischgestänges 41 vorgesehen ist. Die Mischvorrichtung 40 kann somit auch als Bohrantriebsanordnung bezeichnet werden, wenn diese an ihrem unteren Ende mit einem Bohrwerkzeug 42 versehen ist. Für die Zwecke der Erfindung genügt als Funktion des Werkzeugs eine Lösefunktion und eine Mischfunktion, weshalb es nicht auf ein Bohrwerkzeug 42 wie hier beispielhaft gezeigt beschränkt ist.
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Der Drehantrieb 43 der Mischvorrichtung 40 kann mindestens eine (hier nicht im Detail dargestellte) Antriebsmotoreinheit aufweisen, die zum Erzeugen und Bereitstellen eines Motordrehmoments dient. Ein Getriebe übersetzt das Antriebsmoment und die Antriebsdrehzahl ins Schnelle oder Langsame und überträgt es auf das Bohr- bzw. Mischgestänge und über dieses auf das Werkzeug. Hierfür kann an dem Drehantrieb 43 ein Kardangelenk angeflanscht sein, welches zur Aufnahme des Bohr- bzw. Mischgestänges vorgesehen ist und das ein bereitgestelltes Ausgangsdrehmoment zum Antreiben des Bohr- bzw. Mischgestänges überträgt. Es wird darauf hingewiesen, dass das Kardangelenk nur bei bestimmten Situationen eingesetzt wird, insbesondere wenn ein Winkelversatz zwischen den Längsachsen einer Abtriebswelle und dem Bohr- bzw. Mischgestänge überbrückt und ausgeglichen werden soll. Es kann daher bei anderen Anwendungen und Anordnungen auch entfallen. Zur Führung und/oder zum Festhalten des Bohrgestänges ist unterhalb des Drehantriebs 43 und ggf. des Kardangelenks eine Gestängeführung 48 vorgesehen, die an dem Mast 20 befestigt ist.
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Die Mischvorrichtung 40 umfasst also das rohrförmige Mischgestänge 41 mit mindestens einer (hier nicht im Detail gezeigten) inneren Zuführleitung, dem am unteren Ende des Mischgestänges 41 angeordneten Werkzeug 42, welches (zumindest) zum Lösen und Mischen von Bodenmaterial ausgebildet ist und mindestens eine Austrittsöffnung 47 aufweist, welche mit der mindestens einen inneren Zuführleitung in Verbindung steht, und den Drehantrieb 43 zum drehenden Antreiben des Mischgestänges 41 mit dem daran angebrachten Werkzeug 42 zum Erzeugen eines Mischbereichs im Boden.
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Erfindungsgemäß ist an einem oberen Bereich des Mischgestänges 41 eine (nicht im Detail gezeigte) Aufnahmeeinrichtung 44 zum Aufnehmen eines körnigen Schüttgutes ausgebildet, und eine erste innere Zuführleitung ist ausgebildet und dimensioniert, um das aufgenommene körnige Schüttgut von der Aufnahmeeinrichtung 44 durch das Mischgestänge 41, konkret durch die erste innere Zuführleitung, zu mindestens einer ersten Austrittsöffnung 47 im Bereich des Werkzeugs 42 zu leiten, aus der das Schüttgut austritt und durch das rotierende Werkzeug als Zuschlagstoff in dem Mischbereich mit dem Bodenmaterial homogen gemischt wird. Aus diesem Mischbereich wird nach dem Verfestigen (beispielsweise durch Aushärten) das säulen- oder lamellenförmigen Bodenmischelement 60 im Boden gebildet (siehe Fig. 5).
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Die erste innere Zuführleitung dient als Material-Zuführrohr und kann beispielsweise als ein Seelenrohr ausgebildet sein, das im Inneren des Mischgestänges 41 angeordnet ist, kann aber auch ein Segment des Innenvolumens des Mischgestänges sein. Die Innenweite der ersten inneren Zuführleitung ist in jedem Fall so zu dimensionieren, dass das körnige Schüttgut in der gewählten Größe bzw. Körnung passieren kann, ohne sich ineinander zu verhaken und den Querschnitt durch Verstopfen zu blockieren.
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Ein Verstopfen der ersten inneren Zuführleitung durch die Zuschlagstoffe kann beispielsweise auch zusätzlich verhindert werden, indem wie beim Tiefenrütteln die Vibrationen des Rüttlers oder des Gestänges genutzt wird. Hierfür kann beispielsweise auch ein Rüttelantrieb zum Fördern des Schüttgutes in der ersten inneren Zuführleitung und/oder in dem Werkzeug 42 angeordnet sein.
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Das Mischgestänge 41 kann ferner mindestens eine zweite Zuführleitung zum Zuführen einer Flüssigkeit oder einer Suspension zu dem Werkzeug 42 und/oder mindestens eine dritte Zuführleitung zum Zuführen eines Gases, insbesondere von Luft, zum Fördern des Schüttgutes in der ersten inneren Zuführleitung und/oder in dem Werkzeug 42 aufweisen. Die zweite Zuführleitung kann demnach zum Zuführen einer Bindemittelsuspension zu dem Mischbereich genutzt werden, wie das im Stand der Technik der
EP 4 101 987 A1 schon bekannt ist, um im Mischbereich durch homogene Vermischung mit dem Bodenmaterial und dem körnigen Schüttgut in-situ den Bodenmörtel herzustellen. Das Gas kann dazu verwendet werden, um den Mischbereich aufzulockern und/oder um den reibungslosen Transport des Schüttguts durch die erste Zuführleitung zu unterstützen. Die Unterscheidung zwischen zweiter und dritter Zuführleistung dient zur Bezeichnung der Funktion. Sofern möglich können diese Zuführleitungen für Fluide und Gase verwendet werden und auch identisch sein. In der Regel werden die zweite und/oder die dritte Zuführleitung einen kleineren Querschnitt besitzen wie die erste innere Zuführleitung für das körnige Schüttgut.
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Bei den in den Fig. 4 und 5 gezeigten Mischvorrichtungen kann die Aufnahmeeinrichtung 44 für das Schüttgut eine Speichereinrichtung 45, insbesondere einen Schüttgutbunker, aufweisen, um eine größere Menge an Schüttgut aufzunehmen und in die erste innere Zuführleitung einzuleiten. Das Fassungsvermögen der Speichereinrichtung 45 ist so zu bemessen, dass sie vorzugsweise die zur Errichtung eines Bodenmischelements benötigte Menge an Schüttgut aufnehmen kann, um einen kontinuierlichen Prozess zu ermöglichen. Die Aufnahmeeinrichtung 44 kann oberhalb oder unterhalb des Drehantriebs angeordnet sein.
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Bei den in Fig. 4 und 5 gezeigten Varianten der Mischvorrichtung ist die Speichereinrichtung 45 an dem Antriebsschlitten 22 befestigt und über diesen entlang des Mastes 20 verschiebbar gelagert, so dass die die Speichereinrichtung 45 zusammen mit dem Mischgestänge 41, dem Werkzeug 42 und dem Drehantrieb 43 in die Tiefe des Bodens hinein bewegt wird und beim Zurückziehen des Werkzeugs entlang dem Mast hochgefahren wird, wobei dabei das Schüttgut in die Aufnahmeeinrichtung 44 nachgeführt werden kann.
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Die Speichereinrichtung 45 kann bei der Variante von Fig. 4 auch unabhängig von Mischgestänge 41 und Werkzeug 42 mittels eines eigenen Schlittens entlang dem Mast verschiebbar gelagert sein, um ggf. ein Nachfüllen von Schüttgut während des Mischprozesses zu ermöglichen (siehe Fig. 1).
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Bei der in Fig. 5 gezeigten Variante ist zusätzlich zu der Speichereinrichtung 45 (hier mit einem etwas geringeren Volumen wie bei der Fig. 4) eine Zuführeinrichtung 46 in Form einer Art Kippeimer vorgesehen, der auch unabhängig vom Mischgestänge 41 und Werkzeug 42 an einem eigenen Schlitten entlang dem Mast verschiebbar gelagert ist und in einer unteren Stellung am Mast durch eine Baumaschine befüllt werden kann und den Inhalt nach dem Hochfahren zur Speichereinrichtung 45 in diese entleeren kann. Dadurch kann beispielsweise auch bei Bedarf an größeren Mengen von Schüttgut eine Unterbrechung des Misch- und Einbringvorgangs des Schüttguts vermieden werden, indem die Zuführeinrichtung 46 wiederholt entlang dem Mast auf- und abfährt, während der Mischvorgang durch Drehen des Mischgestänges fortgesetzt wird. Außerdem ist die Befüllung der Aufnahmeeinrichtung 44 bzw. der Speichereinrichtung 45 bei dieser Variante auch mit kleinem Gerät wie einem Radlader möglich.
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Das am unteren Ende des Mischgestänges angeordnete Werkzeug 42, von dem exemplarisch zwei Varianten in den Fig. 2 und 3 gezeigt sind, weist sowohl Löseelemente 50, insbesondere Zähne, zum Lösen von Bodenmaterial, als auch Mischelemente 51 zum Mischen von gelöstem Bodenmaterial mit dem zugeführten Schüttgut und/oder zugeführter Flüssigkeit und/oder zugeführtem Gas auf.
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Die Löseelemente 50 und die Mischelemente 51 sind bei der Variante von Fig. 2 in axialen Abständen an einem Bohrschaft 52 des Werkzeugs starr angebracht und werden über den Bohrschaft gedreht. Die Löseelemente 50 und die Mischelemente 51 können auch relativ zueinander drehbar gelagert sein, wie das in Fig. 3 gezeigt ist, so dass beispielsweise eine relative Rotation zueinander in Gegenrichtung möglich ist.
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Außerdem besitzt das Werkzeug 42 mehrere Austrittsöffnungen 47, die mit der mindestens einen ersten inneren Zuführleitung und/oder der mindestens einen zweiten Zuführleitung, sofern vorhanden, und/oder der mindestens einen dritten Zuführleitung, sofern vorhanden, kommunizieren. Diese Austrittsöffnungen sind so dimensioniert, dass der jeweils durch die Zuführleitung herangeführte Stoff durch diese hindurchtreten und in den Mischbereich gelangen kann, wo die Stoffe durch die Mischelemente 51 miteinander und mit dem gelösten Bodenmaterial vermischt werden.
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Ein für die Anwendung bei der erfindungsgemäßen Mischvorrichtung einsetzbares Werkzeug 42 ist beispielsweise das in der der
EP 4 101 987 A1 beschriebene Bohrwerkzeug 49. Dieses Werkzeug ist in
Fig. 3 dargestellt und umfasst einen rohrförmigen Bohrschaft 52 mit einem inneren Hohlraum. An einer Unterseite des Bohrschaftes 52 sind eine mittige Pilotspitze 53 und eine nach unten gerichtete Abtragseinrichtung 54 angeordnet. Die Abtragseinrichtung 54 weist eine Bohrwendel 55 auf. Entlang von zwei sich in radialer Richtung erstreckenden Tragleisten 56 sind zahnartige Abtragelemente 57 zum Abtragen von Bodenmaterial in grundsätzlich bekannter Weise angeordnet. Die Abtragelemente 57 dienen hier als Löseelemente 50.
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Die Tragleisten 56 sind hohl ausgebildet und bilden einen Leitungskanal, welcher in radialer Richtung verläuft. Der Leitungskanal ist mit einer Zuleitung in dem hohlen Bohrschaft 52 zur Zuführung einer Flüssigkeit oder Suspension von der (zweiten) Zuführleitung, die durch das Mischgestänge 41 verläuft, verbunden. Die Flüssigkeit oder Suspension kann über nicht gezeigte (zweite) Austrittsöffnungen entlang der Tragleisten 56 ausströmen und unmittelbar an der Abtragseinrichtung 54 in die Bohrung eingeleitet werden, beispielsweise bei einer Rotation des Bohrwerkzeugs 49 in der Vorschubrichtung. Dadurch kann das Bodenmaterial bis auf eine Endtiefe gelöst und in dem Mischbereich verflüssigt werden.
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An einem oberen Ende des Bohrschaftes 52 ist eine kupplungsartige Bohrrohrverbindung 58 angeordnet, um das Bohrwerkzeug 49 mit dem hohlen Bohr- bzw. Mischgestänge 41 zu verbinden, welches wie beschrieben an dem Trägergerät 1 drehbar gelagert und zur Drehung angetrieben ist. Von dem Trägergerät kann über das Bohr- bzw. Mischgestänge 41, konkret die zweite Zuführleitung, Flüssigkeit oder Suspension dem Bohrwerkzeug 49 zugeleitet werden.
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Zwischen der Bohrrohrverbindung 58 und der Abtragseinrichtung 54 sind an dem Bohrschaft 52 axial und/radial versetzte Mischelemente 51 mit radial gerichteten Tragarmen ausgebildet, an welchen Mischblätter angeordnet sein können.
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Generell kann das Bohrwerkzeug nur an seinem unteren Endbereich eine Abtragseinrichtung zum Abtragen von Bodenmaterial aufweisen. Bei bestimmten Bodenverhältnissen kann es zweckmäßig sein, dass mindestens eine Abtragseinrichtung an einem unteren Endbereich des Bohrschaftes und mindestens eine weitere Abtragseinrichtung axial oberhalb der unteren Abtragseinrichtung, beispielsweise an einem oberen Endbereich des Bohrwerkzeugs vorgesehen werden, so dass gegebenenfalls auch beim Rückziehen des Bohrwerkzeugs eingefallenes Bodenmaterial entlang der Bohrlochwandung zuverlässig abgetragen werden kann. Die (zweiten) Austrittsöffnungen befinden sich dann vorzugsweise an und/oder zwischen den zwei Abtragseinrichtungen.
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Außerdem kann an dem Werkzeug eine Stelleinrichtung vorgesehen sein, mit der die Zufuhr der Flüssigkeit oder Suspension entsprechend einer Phase des Mischprozesses zu unterschiedlichen (zweiten) Austrittsöffnungen geleitet werden kann. So kann beispielsweise beim Erstellen und Abteufen einer Bohrung mit den Bohrwerkzeug 49 das Stellelement in eine Position gebracht werden, in der beim Abbohren Bohrflüssigkeit oder Bohrsuspension zu unteren (zweiten) Austrittsöffnungen geleitet und unmittelbar an der unteren Abtragseinrichtung 54 in die Bohrung eingeleitet werden kann. Wird hingegen das Bohrwerkzeug 49 mit umgekehrter Drehrichtung aus der erstellten Bohrung wieder rückgezogen, kann durch das Stellelement bewirkt werden, dass zugeleitete Flüssigkeit oder Suspension teilweise oder ausschließlich über darüberliegende (zweite) Austrittsöffnungen an der oberen Abtragseinrichtung in die Bohrung eingeleitet wird. Durch das Einleiten am oberen Ende des Bohrwerkzeuges wird beim Rückziehen sichergestellt, dass das drehende Bohrwerkzeug die neu eingeleitete Flüssigkeit oder Suspension noch hinreichend intensiv mit der bereits bestehenden Suspension in der Bohrung und dem gelösten Bodenmaterial vermengt.
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Beim Zurückziehen des Werkzeugs nach Erreichen der Endtiefe wird sodann auch das Schüttgut als Zuschlagsstoff von der zuvor befüllten Speichereinrichtung 45 über die innere Zuführleitung, beispielsweise in der Form eines Seelenrohrs, und die dieser zugeordnete mindestens eine erste Austrittsöffnung 47 im Bereich des Werkzeugs, vorzugsweise oberhalb zumindest der unteren Abtragseinrichtung 54, ausgetragen und in den Mischbereich zugeführt, wo es durch erneutes Durchmischen beim Ziehvorgang durch die Mischelemente 51 in den Mischbereich aus gelöstem Bodenmaterial und ggf. Suspension eingemischt wird, vorzugsweise bei gleichzeitiger Rotation des Werkzeugs in der entgegengesetzten Drehrichtung wie beim vorausgegangenen Bohrvorgang, so dass das säulen- oder lamellenförmigen Bodenmischelement 60 im Boden gebildet wird.
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Wenn beim Zurückziehen des Werkzeugs eine größere Menge Zuschlagstoff zugegeben wird, kann es erforderlich sein, das gelöste Bodenmaterial zumindest teilweise aus dem Mischbereich abzuführen, während das körnige Schüttgut zum Mischbereich zugeführt wird.
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Besonders zweckmäßig kann es nach einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens auch sein, dass als Fluid eine aushärtbare Suspension eingeleitet wird, beispielsweise durch Zuführen eines Bindemittels, insbesondere einer Zementsuspension, in den Mischbereich, so dass nach dem Zurückziehen des Werkzeugs im Boden der aus dem abgetragenen Bodenmaterial und der zugeleiteten aushärtbaren Suspension hergestellte Bodenmörtel mit dem darin zusätzlich eingemischten körnigen Schüttgut aushärten kann, beispielsweise zu einem Gründungselement, insbesondere einem Gründungspfahl.
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Im Rahmen des Verfahrens kann beispielsweise ein Absinken des zugegebenen körnigen Schüttguts in der Säule durch entsprechende Bemessung der Korngröße und/oder der Menge an Zuschlag sowie einer Einstellung der Suspensionsdichte verhindert werden.