FI93739C - Maanrakentamiseen soveltuva kipsipohjainen sideaine - Google Patents

Description

93739 5 Maarakentamiseen soveltuva kipsipobjäinen sideaine.

Tämä keksintö kohdistuu sideaineeseen käytettäväksi maa-ainesten yleensä ja erikoisesti pehmeiden maiden stabilisoi-miseksi ja lujittamiseksi käyttäen kipsipohjäistä sideainetta 10 joka sisältää mm. Ti- ja Fe-hydroksidiyhdisteitä. Em. kipsi-pohjaista sideainetta voidaan käyttää yhdessä muiden sideaineiden kanssa.

Rakentamisen kannalta parhaat alueet, jossa maaperä soveltuu 15 hyvin, on monin paikoin otettu käyttöön. Tästä syystä joudutaan rakentamisessa yhä enemmän sellaisille alueille, jossa on erittäin pehmeä maaperä esim. savi- tai silttimaa, eli ns. koheesiomaalajit. Sen takia on maaperä saatettava kantavaksi. Aikaisemmin on paalutus ollut yleisin keino tehdä maa raken-20 nuskelpoiseksi. Paalutus on kuitenkin hankala, hidas ja verraten kallis menetelmä, varsinkin kun on kysymys piha-alueiden, katujen ja jalkakäytävien, putkilinjojen yms kohteiden rakentamisesta turvallisesti, ettei ajan mittaan tapahdu haitallisia painumia.

25 Tällaisia maaperän lujittamismenetelmiä on kuvattu esim. FI-patenttijulkaisussa No 74772, jossa maahan upotetaan litteitä, joustavaa avointa verkkorakennetta olevia kappaleita.

30 Englantilainen hakemusjulkaisu No 2073090 A, kuvaa menetelmää maapohjan lujittamiseksi, jossa menetelmässä joustavasta muovimateriaalista tehtyjä pitkiä ja leveitä kappaleita upotetaan yhdensuuntaisesti maahan.

35 1970-luvulta lähtien on pehmeiden maiden stabilointia varten yhä enenevässä määrässä alettu käyttää syvästabilointia siihen kehitetyllä menetelmällä, jossa tietty stabilointi-aineseos injektoidaan maahan työnnetyn pyörivän siiven kautta. Tällöin seos sekoittuu ympäröivään maa-ainekseen, jonka 40 kanssa se reagoi, kovettuu ja muodostaa kantavan pilarin, jonka halkaisija yleensä on 30 - 120 cm.

2 93739

Aikaisemmin käytettiin sideaineena poltettua kalkkia. Nykyään käytetään yleensä poltettua kalkkia (CaO) ja sementtiä sopivassa seossuhteessa.

5 Suomalaisessa hakemusjulkaisussa No 812355 on esitetty menetelmä maa-alustan vahvistamiseksi, jossa lujitettavaan kosteutta sisältävään maahan sekoitetaan sekä sementtiä että notkistusaineita. Erikoisesti ovat nämä notkistusaineet sinänsä tunnettuja betonin notkistimia ja/tai betonin juokse-10 vuusaineita ja niitä käytetään sementtipitoisuudesta laskettuna 2.5 - 5 %.

Erityisen hankalia stabiloinnin kannalta ovat ns. pikasavi-maalajit. Niitä tavataan esimerkiksi pohjoisessa Neuvostolii-15 tossa, Skandinaviassa, Kanadassa, New York'in osavaltion pohjoisosissa ja Uudessa Seelannissa. Savet kerrostuivat alunperin meri- ja järviveteen lyhyessä ajassa ensimmäisen jääkauden kohoamisen aikana merenpinnan yläpuolelle. Kuitenkin vain jotkut näistä savikerrostumista muuttui myöhemmin 20 herkiksi pikasaviksi. Tällaiseen muutokseen ovat pääasiassa syynä seuraavat kaksi prosessia: imeytyvä pohjavesi on saattanut uuttaa saven alkuperäisen huokosveden suolapitoisuuden, tai soista tai rämeistä peräisin olevaa orgaanista ainetta, joka toimii dispergoivana aineena, on saattanut joutua sa-25 veen. Ensimmäinen prosessi on ollut tärkein Norjassa tavattavissa savissa, kun taas toisella prosessilla muodostuneita pikasavia, joissa on suuri orgaanisen aineen pitoisuus, tavataan usein Ruotsissa ja Kanadassa.

30 Pikasavilla on häiriintymättömässä tilassa tietty rajoitettu lujuus, mutta uudelleen muokattaessa ne muuttuvat juokseviksi. Tämä ilmiö on aiheuttanut useita pikasavien liukumisia Itä- ja Keski-Norjassa, usein katastrofaalisin seurauksin.

35 Aikaisemmin on kokeiltu useita kemiallisia stabilointisuunni-telmia tällaisiin saviin. Niitä olivat alumiinikloridi (A1C13) ja ja kaliumkloridi (KC1). Pikasavia on stabiloitu 3 93739 kahdella eri tavalla: savi voidaan sekoittaa ja muovata uudelleen ko. kemikaalien kanssa, tai kemikaalien voidaan antaa diffundoitua häiriintymättömään pikasaveen. Suoladif-fuusiomenetelmän haittana on se pitkä aika, jonka se vaatii 5 saavuttaakseen vaaditun tunkeutumisen.

Kaliumkloridin tilalla käyttökelpoisia kemikaaleja ovat ka-liumnitraatti, kaliumsulfaatti, ammoniumkloridi, ammoniumnit-raatti ja ammoniumsulfaatti. Sekoitus on edullista suorittaa 10 siten, että stabiloitu savi muodostaa sarjan pinoja, jotka ulottuvat savikerrostuman sisään toisistaan erillään olevissa kohdissa stabiloiden koko savea sisältävän kerrostuman. Pinojen haluttu koko, sijainti ja lukumäärä määritetään. Tehokas määrä alumiinihydroksidia sekoitetaan paikalla saveen jokai-15 sessa kerrostuman kohdassa, jolloin se reagoi saven kanssa ja muodostaa täten halutut pinot.

FI-patenttihakemuksessa 822412 on kuvattu savimaan stabiloin-timenetelmä, jossa savimaahan sekoitetaan tehokas määrä alu-20 miinihydroksidia ja jolloin alumiinihydroksidiin on edullisesti lisätty kaliumkloridia, kaliumnitraattia, kaliumsul-faattia, ammoniumkloridia, ammoniumnitraattia tai ammonium-sulfaattia.

25. Vanhastaan tunnetaan syvästabilointimenetelmä käyttäen sam-muttamatonta kalkkia (CaO). Kalkki on vanha stabilointiaine, jota on käytetty satunnaisesti. Kiinassa sitä käytettiin vuosisatoja sitten rakennusmateriaalina. 1940-luvulla Yhdysvalloissa ja 1950-luvulla Euroopassa kalkkia käytettiin pin-30 tastabilointiaineena. Syvästabilointimenetelmässä kalkki sekoitetaan ja muovataan saven kanssa, jolloin muodostuu sarja pinoja, jotka ulottuvat alas saveen. Nämä pinot aikaansaavat sivuttaista stabilointia savikerrostumaan.

35 Sekä kalkki- että kaliumkloridimenetelmillä on eräitä haittoja. Kaliumkloridi stabiloi häiriintymättömän ympäröivän saven, mutta ei häirittyä savea. Lisäksi sammuttamaton kalkki 4 93739 aiheuttaa epähomogeenisen stabiloinnin. Kalkkitaskut saavat aikaan hauraita sylinterejä, joilla on pieni sivusuuntainen leikkauslujuus. Lisäksi sammuttamaton kalkki ei ole käyttökelpoinen savilla, joilla on suuri vesipitoisuus.

5

Suomalaisessa patenttijulkaisussa No 77078 on esitetty menetelmä maan lujittamiseksi, jossa käytetään koostumusta, joka muodostuu portlandsementistä ja hydratoituneesta alkalimetal-lisilikaatista. Koostumus voi sisältää lisäksi poltettua 10 kipsiä, sakeuttamisainetta, piifluoridia ja/tai pölynsidonta-ainetta. Koostumus sekoitetaan täytemaahan joka on poistettu kaivannosta ja sen jälkeen täytemaa palautetaan kaivantoon ja tiivistetään.

15 Yleisimmät tunnetut sideaineet erilaisten maa-ainesten lujittamisessa ovat kalkki- ja sementtiperustaiset. Näitä käytetään yleensä 4-8 paino-% maa-aineksen kuivapainosta. Sekoitus suoritetaan optimivesipitoisuudessa ja sen jälkeen maa-aines tiivistetään. Sementtisideaine muodostaa veden kanssa sement-20 tiliiman, joka alkaa sitoutua n. 2 tunnin kuluttua. Kalk-kisideaine (CaO ja Ca(0H)2) muodostaa veden kanssa puuron, joka ei jäykisty tai kovetu vedessä. Kovettuminen voi alkaa kosteassa, mutta ei märässä maassa. Tällöin tapahtuu ionien vaihtoa, tai nk. putsolaanireaktio alkaa johtaen mineraalien 25 uudestimuodostukseen.

Edellä mainittujen sideaineiden haittoina ovat suhteellisen kallis hinta ja rajoitetut käyttökohteet. Sementti soveltuu stabiloimaan karkeita maalajeja, kalkki puolestaan etupäässä 30 savi- ja silttimaalajeja. Lisäksi sementtisideainetta käytet täessä maa-aines ei saa sisältää humusta. Kalkista ei ole hyötyä runsaasti vettä sisältävien maa-ainesten esim. liejujen käsittelyssä lujuuden saavuttamisen kannalta.

35 Nykyisillä sideaineilla on täten tietyt haittapuolensa. Sementti antaa yleensä kyllä lujuutta mutta yksinään tekee rakenteesta liian hauraan. On myös todettu, ettei kalkki- 5 93739 sementtiseoksella voi aikaansaada riittäviä lujuusarvoja kaikissa savimaissa. Eri savet poikkeavat toisistaan oleellisesti ja on aina esikokeilla selvitettävä pystyykö stabilointia tehdä ja millä sideaineseoksella.

5

Nyt on yllättäen todettu, että sideainekoostumus, joka on tiettyjä määriä titaani- ja rautahydroksidiyhdisteitä sisältävä kipsipitoinen sideaine, mahdollisesti yhdessä perinteisten sideaineiden kanssa, soveltuu käytettäväksi myös sellai-10 sille savilajeille, joihin tähän asti tunnetut sideaineet eivät kunnolla sovi.

Keksinnön pääasialliset tunnusmerkit ilmenevät oheisista patenttivaatimuksista 1-11.

15 Kehitetty uusi sideaine tekee mahdolliseksi laajentaa huomattavasti syvästabilointimenetelmän käyttöalueita, mikä helpottaa uusien vaikeasti hyödynnettävien maa-alueiden käyttöönottoa. Sen lisäksi saavutetaan yleensä huomattavasti parempia lujuusarvoja.

20 Käytettyjen, keksinnön mukaista sideainetuotetta sisältävän stabilointiaineseoksen sekoitussuhteet voivat vaihdella hyvinkin laajalla alueella. Optimisuhde on erikseen selvitettävä erityyppisissä sovellutuksissa.

25.

Vaikkakin keksinnön mukaista yllättävän tehokasta kipsipoh-jaista, rauta- ja titaanihydroksidiyhdisteitä sisältävää sideainetta voi määrätyissä sovellutuksissa käyttää sellaisenaankin, niin usein on mukana lisäksi jokin tunnettu muu 30 sideaine.

Mainitun uuden stabilointisideaineen käyttö ei rajoitu vain syvästabilointiin, vaan sitä voidaan myös menestyksellisesti käyttää erilaisissa kerrosstabilointisovellutuksissa kuten 35 esim. tienrakennuksessa, putkikaivantojen, varasto- ym aluei den maapohjien vahvistuksessa, liejumaisten aineksien kiinteyttämisessä jne.

6 93739

Eräässä keksinnön mukaisessa edullisessa suoritusmuodossa keksinnön mukainen sideainekoostumus yhdessä bentoniitin ja sementin kanssa vähentää huomattavasti veden läpäisevyyttä ja 5 parantaa näin ollen toimenpiteen suojaavaa vaikutusta. Suo-jaava kerros voidaan rakentaa tunnetuilla yleisesti käytössä olevilla työmenetelmillä tai myös syvästabiloinnissa käytettyä pyörrepaalutekniikkaa hyväksikäyttäen.

10 Keksinnön mukaisen tuotteen yllättävän tehokas maa-ainesten stabilointikyky saattaa johtua valmistustavasta jossa neutra-lointitapahtumassa ovat reagoivat komponentit "in statu mas-cendi" tilassa.

15 Keksinnön mukainen sideaine on saostettu happamesta Ti- ja Fe- yhdisteitä sisältävästä vedestä käyttämällä Ca-pitoisia emäksiä, esim. kalkkikiveä. Saostettu tuote suodetaan, kuivataan tai kalsinoidaan ennestään tunnetulla tekniikalla. Sen kipsipitoisuus, joko hemi- tai dihydraattimuodossa, voi vaih-20 della laajalla alueella, 40 - 95 %, samoin sen Ti-pitoisuus 0,1 - 15 % ja sen Fe-pitoisuus 0,5 - 15 % riippuen saos-tusolosuhteista. Riippuen stabilointi-olosuhteista ja -vaatimuksista tuote sekoitetaan muiden sideaineiden kanssa sopivassa suhteessa, joko erillisessä sekoituslaitteistossa tai 35 työmaalla esim. syvästabilointikoneessa tai muulla tavalla.

Esimerkit:

Seuraavassa on esitetty esimerkkejä keksinnön mukaisen sideaineen käytöstä. Mukana on 4 esimerkkiä eri savilajien syväs-30 tabiloinnista, joissa myös käy ilmi savilaadun vaikutus.

Viides esimerkki koskee suojaavan tiivistelmän tekoa keksinnön mukaista sideainetta hyväksikäyttäen. Uudelle sideaineelle on esimerkeissä käytetty lyhennystä F.

35 7 93739

Esimerkki 1 Tässä esimerkissä oli kipsipitoisella sideaineella stabiloitava savi otettu Porin Musasta. Uuden sideaineen kipsipitoi-suus oli 67 %, Ti-pitoisuus 4,5 % ja Fe-pitoisuus 2,7 %.

5 Sideainemäärä vastaa 20 kg/m halkaisijaltaan 500 mm pilarille syötettyä sideainemäärää. Kaikki kokeet on tehty vertailukelpoisissa olosuhteissa. Tavoiteleikkauslujuus on vähintään 100 kPa.

10 Sideaine Suhde Leikkauslujuus kPa (30 vrk) F + CaO 1 : 1 170 F + CaO 4:1 40 15 Sementti + CaO 1:1 60

CaO 35

Esimerkki 2.

Samanlainen kuin esimerkki 1, mutta savi oli Porvoon Länsi-20 rannasta.

Sideaine Suhde Leikkauslujuus kPa (30 vrk) 25 F + CaO 1 : 1 135 F + CaO 4:1 20

Sementti + CaO 1:1 20

CaO 15 30 Esimerkkien mukaan hyvät tulokset saavutettiin kun keksinnön mukaisen tuotteen ja tunnetun sideaineen eli CaO:n suhde oli 1 : l.

Esimerkki 3.

35, Samanlainen kuin esimerkki 1, mutta savi oli Seinäjoelta.

Sideaine Suhde Leikkauslujuus kPa (30 vrk) 40 F + CaO 1 : 1 350 F + CaO 4 : 1 165

Sementti + CaO 1:1 170

CaO 120 8 93739

Esimerkki 4.

Samanlainen kuin esimerkki 1, mutta savi oli Espoon Suvinii-tystä.

5 Sideaine Suhde Leikkauslujuus kPa (30 vrk) F + CaO 1 : 1 120 F + CaO 4:1 30 10 Sementti + CaO 1:1 70

CaO 15

Esimerkki 5.

Kipsipitoisen uuden sideaineen vaikutusta seoksen vesitii-15 veyteen kokeiltiin mittaamalla tietyllä koejärjestelmällä koekappaleen läpi vuotanut vesimäärä 30 vrk:n aikana. Veden painekorkeus oli 3 m. Tiivistettävään hiekkaan sekoitettiin 20 % sideaineseosta, jossa kipsipitoisuus oli 73 %, Ti-pitoi-suus 9,5 % ja Fe-pitoisuus oli 4,1 %.

20

Sideainekoostumusta vaihdeltiin ja saatiin seuraavat tulokset :

Vertailuseos: 75 % masuunisementtiä ja 25 % bentoniittia. Suotautunut vesimäärä 30 vrk:n jälkeen oli yhteensä 1150 ml 2 c eikä enää lisääntynyt.

Koeseos A: 50 % masuunisementtiä, 25 % bentoniittia ja 25 % uutta sideainetta.

Suotautunut vesimäärä oli 500 ml, eikä enää lisääntynyt.

3G

Koeseos B: 25 % masuunisementtiä, 25 % bentoniittia ja 50 % uutta sideainetta

Suotautunut vesimäärä vastaavasti oli 350 ml ja lievä lisäys vielä.

35

Kipsipitoisella sideaineella oli selvästi vähentävä vaikutus läpisuotavaan vesimäärään. Kaikilla seoksilla saatiin lievästi happamessa ympäristössä samansuuruisia tyydyttäviä puristus lujuusarvo ja 900 - 700 kPa.

Claims (11)

1. 93739 1.Sideaine käytettäväksi maa-ainesten stabiloimiseen ja vettä läpäisevien maalajien vedenläpäisevyyden pienentämiseen tunnettu siitä, että se sisältää 40-95 p-% kipsiä sekä titaani- ja rautahydroksidiyhdisteitä sellaisessa määrissä, joissa Ti-pitoisuus voi vaihdella 0,1-15 p-% ja Fe-pitoisuus voi vaihdella 0,5-15 p-%.
2. 2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen sideaine tunnettu siitä, että kipsipitoisuus on edullisesti 60-90 p-%.
3. 3. Patenttivaatimuksen l tai 2 mukainen sideaine tunnettu siitä, että pääosa kipsistä voi olla hemi-tai dihydraattimuodossa.
4. 4. Sideainekoostumus käytettäväksi maa-ainesten stabiloimiseen ja vettä läpäisevien maalajien vedenläpäisevyyden pienentämiseen tunnettu siitä, että se sisältää vaatimuksen 1-3 mukaisen stabilointia edistävän aineosan A, ja aineosan B, joka sisältää ainakin yhden toisen stabilointia edistävän aineen.
5. 5. Patenttivaatimuksen 4 mukainen sideainekoostumus tunnettu siitä, että aineosa A sisältää 40-95 p-% kipsiä sekä titaani- ja rautahydroksidiyhdisteitä sellaisessa määrissä, joissa Ti-pitoisuus voi vaihdella 0,1-15 p-% ja Fe-pitoisuus voi vaihdella 0,5-15 p-%.
6. 6. Patenttivaatimuksen 4 tai 5 mukainen sideainekoostumus tunnettu siitä, että aineosa A edullisesti sisältää 60 - 90 p-% kipsiä.
7. 7. Jonkin patenttivaatimuksen 4-6 mukainen sideainekoostumus tunnettu siitä, että pääosa kipsistä voi olla hemi-tai dihydraattimuodossa. 93739
8. 8. Jonkin patenttivaatimuksen 4-7 mukainen sideainekoostumus tunnettu siitä, että aineosa B sisältää ennestään tunnettuja stabilointiaineita, kuten CaO:ta, sementtiä, ben-toniittia tai vastaavaa tai näiden seosta.
9. 9. Jonkin patenttivaatimuksen 4-8 mukainen sideainekoostumus tunnettu siitä, että se sisältää aineosaa A ja aineosaa B painosuhteessa 6:1 - 1:6.
10. 10. Jonkin patenttivaatimuksen 1-3 mukaisen sideaineen tai jonkin patenttivaatimuksen 4-9 mukaisen sideainekoostumuksen käyttö erilaisten maalajien stabiloimiseen, lujittamiseen ja tiivistämiseen syvästabiloinnissa, kerrosstabiloinnissa, tiivistepatojen ja seinämien rakentamiseen sekä liejumaisten maamassojen kiinteyttämisen.
11. 11. Menetelmä jonkin patenttivaatimuksen 1-3 mukaisen sideaineen valmistamiseksi tunnettu siitä, että titaani-ja rautayhdisteitä sisältävään happamaan liuokseen lisätään kalsiumyhdistettä ja saostunut tuote suodatetaan ja kuivataan tai kalsinoidaan ennestään tunnetulla tekniikalla mainitun sideaineen muodostamiseksi. il 93739