WO2009034054A1 - Behandlung von erdbaustoffen mit kohlendioxid - Google Patents
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- WO2009034054A1 WO2009034054A1 PCT/EP2008/061869 EP2008061869W WO2009034054A1 WO 2009034054 A1 WO2009034054 A1 WO 2009034054A1 EP 2008061869 W EP2008061869 W EP 2008061869W WO 2009034054 A1 WO2009034054 A1 WO 2009034054A1
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Definitions
- the invention relates to a process for the treatment of earth building materials which contain components which are reactive toward carbon dioxide, with carbon dioxide and the earthworks treated in this way.
- the earthworks for the applications and applications described above are predominantly clastic sediments that differ substantially in particle size.
- a disadvantage of earth building materials is often their low cohesion and therefore their low mechanical strength and formability and their usually high Wasserduch interkeit. These properties have a low durability and durability of the performed therewith
- SU-A-179 67 743 describes a binder for increasing the strength, water resistance and erosion resistance of sand, consisting of water lignin sulfonate and tree resin.
- JP-A-60004587 describes the surface treatment of soils against erosion by spraying dilute (meth) acrylate dispersions.
- DE-A-195 48 314 describes the increase of the surface strength of soils by applying an aqueous, tackiness-increasing preparation
- JP-A-2283792 discloses a composition of bentonite, loam, sand, a re-emulsifiable polymer powder, a water-soluble polymer powder and sodium silicate powder which is hardened by pounding.
- DE 199 21 815 describes the use of polysulfide-free aqueous
- Copolymer or a pure acrylate copolymer or an acrylic-vinyl copolymer can be.
- the resulting modified Erdbaustoffe are characterized by an increased flexural and compressive strength.
- organic polymers are introduced into the soil in this case, whereby ecological disadvantages can not be excluded.
- DE 43 25 692 A1 discloses an artificial soil structure comprising a hydrophobic layer at a predetermined depth from the surface of the earth.
- the artificial soil structure serves to retain water and prevents the soil from drying out.
- the soil structure described contains at least one bottom layer, which is essentially formed from hydrophobic particles.
- JP 07050925 A describes an artificial soil structure for use, inter alia, in the fields of agriculture, greening and forestry, which contains a bonding layer treated with a fluorocarbon hydrophobing agent.
- the hydrophobing is achieved by mixing quartz sand in a concrete mixer with a water repellent according to the invention and then dried at 150 0 C for 2 hours.
- US 2005/0150417 A1 describes the hydrophobing of, inter alia, soils, sawdust and porous materials by impregnating the substrates superficially with a mixture of metal silicate and metal siliconate or by mixes the substrate-forming mixtures with the aqueous silicate-siliconate preparation prior to substrate preparation.
- the aqueous preparation silicate-siliconate preparation is sprayed onto the substrate to be treated or the substrate-forming components are immersed in the preparation or mixed with it.
- the method of blending is not disclosed, therefore effects that would be obtained by variations of the blending process are not named. Obviously, no attention has been paid to the mixing process because it is the professionals who use it
- GB 1 466 157 teaches the use of solvent-borne formulations containing alkyl silicates and hydrolysis catalysts for the consolidation of soil masses. These preparations have the advantage over aqueous Alkylsilikatzurened that they are arbitrary storage stable and penetrate deeper into the substrate. Again, no attention is paid to the process of preparing the preparations for optimum effect.
- GB 1 406 289 claims the solidification of a soil by using a mixture of alkali metal silicate and alkali metal siliconate and a water-soluble crosslinking agent.
- GB 1 180 733 claims the modification of the water retention capacity of a soil by incorporation of any organosilicon material. It is assumed in this document that any organosilicon-containing material is automatically hydrophobic, an assumption to which itself At the time of writing, because of the advanced knowledge of organosilicon chemistry, there was no longer any cause. In this respect, this claim is not feasible. This claim is further restricted in this document only in that chlorosilanes are used as the organosilicon component, which from an ecological point of view is more than just questionable.
- US Pat. No. 6,946,083 B2 discloses the use of a hygroscopic component followed by the application of a mixture of alkali silicate and alkali metal siliconate to a dry subfloor which may be dusted, such as a roadway to reduce the tendency to form dust clouds.
- EP 0 992 565 A1 teaches a method for strengthening and hydrophobicizing clayey and gravelly soil materials with alkali metal silicates and alkali metal siliconates. Characteristic of the A method is that an aqueous preparation of alkali metal silicate and Alkalimetallsiliconat is used in aqueous solution, wherein certain mixing ratios of the two components are given. The components are incorporated arbitrarily in the soil mass to be treated. Also in this document, the method of soil treatment receives no attention, because even in this case it was not obvious to the experts that the method by which the active agent is introduced into the earth mass, a decisive influence on its effectiveness and thus the expression the target effect and consequently the necessary amount of active reagent. In EP 0 992 565 A1, the rapid curing of the applied hydrophobing agent is promoted, ignoring the fact that the rate of cure and thus the
- Object of the present invention is now to provide modified Erdbaustoffe available that have improved mechanical strength, but above all not only stability, cohesion and load capacity, and water and frost resistance, durability and water retention, with the most economical use of raw materials used and thus maximum ecological compatibility of the measures taken.
- the process should use as much as possible natural resources available, or promote the use of raw materials that give natural materials similar reaction products.
- the earthworks materials should be suitable for constructional or construction projects such as road substructures, embankment and dyke construction, embankments, parking garages, or landfill gaskets, as well as for the production of soil structures with improved water retention to prevent desertification and for the utilization of desert soils for landscaping or agricultural and forestry purposes ,
- the earth building materials should be easy and inexpensive to modify and process.
- the application of the method according to the invention in road construction, for renovation or new road construction should also ensure that the existing construction and earth material can be used, so that there is minimal landfilling needs and need for newly procured earth material.
- the invention relates to a method for treating earth building materials, which a) contain soil materials and b) components which are reactive toward carbon dioxide, with carbon dioxide. The process solidifies and hydrophobizes soil materials.
- Hydrophobicity effect and are therefore less affected by unwanted effects of water. Mechanical resilience, as well as water and frost resistance, durability and water retention of treated earthworks are improved, and the most economical use of the raw materials used and thus maximum ecological compatibility of the measures taken.
- soil materials (a) can be used, in particular clayey soil materials (a), such as loam or clay, and gravelly soil materials (a), such as sand, gravel or grit, and mixtures thereof.
- clayey soil materials (a) such as loam or clay
- gravelly soil materials (a) such as sand, gravel or grit, and mixtures thereof.
- Compared to carbon dioxide-reactive components (b) are preferably selected from alkali and alkaline earth water glass and alkali and Erdalkalisiliconat and mixtures thereof.
- components (b) in particular alkali metal silicates, preference is given to using sodium silicates and potassium silicates.
- the sodium and potassium salts of silica are also referred to as water glass.
- the alkali metal silicates preferably have a weight ratio of SiO 2 to alkali oxide, in particular Na 2 O or K 2 O, of 2.3 to 3.5, a density of 1240 to 1535 kg / m 2 and a viscosity of 5 to 850 mPa ⁇ s (20 ° C.).
- Preferred alkali metal siliconates are composed of units of the general formula (I)
- R is a monovalent SiC-bonded organic radical
- R 1 is a monovalent, unsubstituted or substituted hydrocarbon radical
- radicals R are alkyl radicals, such as the methyl, ethyl, n-propyl, iso-propyl, n-butyl, iso-butyl, tert. Butyl, n-pentyl, iso-pentyl, neo-pentyl, tert.
- -Pentyl radical hexyl radicals such as the n-hexyl radical, heptyl radicals such as the n-heptyl radical, octyl radicals such as the n-octyl radical and iso-octyl radicals such as the 2, 2, 4-trimethylpentyl radical, nonyl radicals such as the n-nonyl radical, decyl radicals such as the n-decyl radical, dodecyl radicals, such as the n-dodecyl radical, and octadecyl radicals, such as the n-octadecyl radical, cycloalkyl radicals, such as cyclopentyl, cyclohexyl, cycloheptyl and methylcyclohexyl radicals, aryl radicals, such as phenyl, naphthyl, anthryl and phenanthryl radical, alkaryl
- hydrocarbon radical R 1 - are the radicals specified for R, where radical R 1 - is preferably hydrogen or hydrocarbon radicals having 1 to 6 carbon atoms, more preferably hydrogen, methyl and ethyl, in particular hydrogen.
- the alkali metal siliconates are preferably those which are at least partially soluble in water at room temperature.
- the alkali metal siliconates are particularly preferably aqueous solutions of potassium alkyl siliconates.
- alkali metal silicates and alkali metal siliconates are commercially available products or can be prepared by methods customary in silicon chemistry.
- mixtures of alkali metal silicates and alkali metal siliconates are used. Preferably that is enough
- Weight ratio of alkali silicate to alkali metal siliconate of 10: 1 to 1:10, particularly preferably 1: 1.
- water is preferably used in amounts of preferably 10 to 95 1, based on 100 1 of the total amount of water used, alkali metal silicate and siliconate, wherein an amount of 70 to 90 1 is particularly preferred. Since the addition of water also depends on the water content of treated soils, the added amount of water may also be below or above the above specified ranges.
- the process uses alkali metal silicate, alkali metal siliconate and water in a total amount of preferably 1 to 100 parts by weight, more preferably 0.1 to 10 parts by weight, in particular 0.5 to 10 parts by weight, based in each case on 100 parts by weight of the soil materials (a) to be treated ,
- the carbon dioxide-reactive components (b) can be mixed in the process in any way with the soil material to be treated.
- the components used (b) can be used individually or in any mixtures.
- a mixture of water, alkali silicate and Alkalisiliconat and optionally additives to the soil material to be treated (a) is added.
- This mixture can be obtained, for example, by adding potassium hydroxide, e.g. in an amount of about 10% by weight, based on the total weight of water used, alkali silicate and siliconate stabilized.
- the wettability can also be improved by adding alcohols, such as isopropanol, for example in an amount of from 0.5 to 1.0% by weight, based on the total weight of water used, alkali metal silicate and siliconate.
- the carbon dioxide-reactive component (b) can be added during the treatment with carbon dioxide, or the treatment with carbon dioxide takes place subsequently, ie after the dosage of the opposite Carbon dioxide reactive component (b).
- the treatment with carbon dioxide is always so long and extensively that a good saturation of the earth material with carbon dioxide is ensured.
- the carbon dioxide can be added either as a pure component from suitable storage vessels or it can be provided in a mixture with other gases for the mixing process, wherein the content of carbon dioxide in the gas mixture is preferably 0.05 to 99, especially 0.5 to 10 volume percent , In particular, the mixture may also take place in an atmosphere containing the carbon dioxide as a component.
- the invention also relates to carbon dioxide treated soil building materials according to the above process.
- the method can be used wherever soil materials are to be solidified and rendered hydrophobic. In particular, it can be used in road and highway construction as well as for the production of waterproof building materials with a corresponding strength for simple masonry. In the manufacture of building materials by the process has been shown that a relatively high strength and water resistance is achieved without burning and curing of the building materials, which makes the use of so-produced earthen materials for simple construction possible.
- the method can also be used for the production of artificial soil structures.
- a soil structure is always spoken when the considered soil is composed of at least two mutually different layers.
- such an artificial soil structure may contain one or more layers, which consist of treated with carbon dioxide earth materials or under Made using the same, for example, by mixing with other ingredients, such as other earth materials or other mineral or other components.
- modified earth building materials according to the invention with other constituents or earth building materials, for example, a gradation of the hydrophobicity can be achieved, which is possibly also used selectively only in some areas, such as where plants are planted on the soil surface and where consequently a too high Hydrophobicity would prevent the plant from thriving.
- the soil layers which adjoin the soil layer or soil layers which are produced from the earth building materials modified according to the invention or which are produced with the aid of the earth building materials modified according to the invention may themselves be water-repellent or not, and in principle can be arbitrarily selected in their composition, only by the meaningfulness of the selection of the respective components forming them is limited depending on the respective intended use and target effect. Likewise, the depth is measured from the earth's surface in which the
- Soil layers of earth-based materials modified according to the invention are basically arbitrary and are determined only by the respective application target and the desired target effect. Also more constructive measures, such as the application of nonwoven layers in the ground or other such
- the mixing process according to the invention can be carried out with a milling recycler with integrated dosing system for the carbon dioxide-reactive hydrophobing component which is suitable for suitcase remobilization in the mixed-in-place process of existing forest roads, mountain roads and alpine roads as well as access roads and connecting roads.
- a milling recycler with integrated dosing system for the carbon dioxide-reactive hydrophobing component which is suitable for suitcase remobilization in the mixed-in-place process of existing forest roads, mountain roads and alpine roads as well as access roads and connecting roads.
- Bodenfräsen such.
- For constant forward speed of the machine it is advantageous if a cruise control can be done.
- the installation of dosing systems on the soil tiller allows a precise supply of the required carbon dioxide-reactive component into the mixing chamber. Quantities of 1-18 l / min / m can easily be added to the soil with sufficient accuracy and at the same time distributed homo
- the carbon dioxide-reactive component is mixed under pressure to the soil to be treated, with pressures of 5-8 bar are relevant to practice and preferred.
- the addition of carbon dioxide-reactive component takes place in the pressure metering via fine nozzles in the mixing chamber, with an upstream control unit allows the exact adjustment of the amounts.
- the compacting and leveling can be achieved after completion of the milling and mixing process by vibrating plates, which are mounted on the tractor.
- the mixed in place method is also suitable for this application, the machine technology is identical to the above-mentioned equipment.
- the carbon dioxide-reactive component is the above-described mixture of 56 parts of potassium methylsiliconate and 22 parts of sodium waterglass and 22 parts of water (in each case by weight of the total mixture)
- amounts of material of about 4 l / ⁇ are used .
- the subsequent compaction differs from the application in road construction.
- the load capacity is less stringent requirements, as heavy traffic on lawns does not occur as planned.
- On very dry sand substrates can mix with the mixture
- the inventive method can also be used on stationary systems, such. B of a plant of the company Wirthgen, exercised. In this case, it is favorable to predilute the required component which is reactive toward carbon dioxide with water and then to meter it in the calculated amount. The duration of the mixing process depends on the results of the preliminary tests of the practical test. The sand treated in this way can subsequently be filled into sacks for later use or, if necessary, be loaded for transport.
- a carbon dioxide-reactive component As a carbon dioxide-reactive component, a mixture of 56 parts Kaliummethylsiliconat and 22 parts of sodium water and 22 parts of water (each Gewichstanmaschine on the total mixture). The potassium methyl siliconate reacts with carbon dioxide to form a methyl silicone resin.
- This resin is highly hydrophobic and can impart hydrophobic properties and solidification to an earth mass under suitable conditions. Due to the water repellency, the mech. Received properties of the soil material and lead to increased frost resistance and thus stability of the substrate material. The problem here is the water solubility of said mixture before curing. In the case of rainfall or an increased water content of the soil material there is a risk that under such influences by dilution processes the effectiveness of the designated mixture in the soil material is reduced. When using the designated mixture
- the relationship between the rate of reaction of the carbon dioxide-reactive component as described above in the example text was examined by the rate of formation of the hydrophobic effect and the presence and the entry of carbon dioxide in the earthworks and found the relationship described in the invention.
- the soil material chosen was a soil sample from a rural area of Bihar in India, which has a bulk density of 1234 g / l and a moisture content of about 3.5% by weight.
- the chosen soil material is representative in terms of grading curve and composition of many other soil materials that have been studied.
- the Bihar soil material used complies with the USCS classification (Unified Soil Classification System) Soil of class CL-ML.
- Siliconate - waterglass mixture 1.09 g, 17.75 g of water are added.
- Soil compaction was achieved by placing a 5 cm diameter round metal disk centered on the soil sample and loading for 2 min with a 10 kg weight mass. Thereafter, the behavior of 0.5 ml volume of water dropped from a pipette was observed and evaluated. The drops of water were applied to at least 5 different locations in the compacted region of the soil sample.
- the formation of the drop is called
- Evaluation criterion used for the progression of the chemical reaction. The evaluation was made after 5 minutes, 10 minutes, 20 minutes and 30 minutes.
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Abstract
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Behandlung von Erdbaustoffen, welche a) Bodenmaterialien und b) gegenüber Kohlendioxid reaktive Komponenten enthalten, mit Kohlendioxid, sowie die derart behandelten Erdbaustoffe.
Description
Behandlung von Erdbaustoffen mit Kohlendioxid
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Behandlung von Erdbaustoffen, welche gegenüber Kohlendioxid reaktive Komponenten enthalten, mit Kohlendioxid und die derart behandelten Erdbaustoffe.
Viele konstruktive Baumaßnahmen, z.B. der Damm- und Deichbau, Deponieabdichtungen, der Straßenunterbau, die Befestigung von mechanisch belasteten Oberflächen wie Parkplätzen oder Böschungen und verschiedenen mehr, basieren nach wie vor teilweise oder sogar überwiegend auf der Verwendung von Erdbaustoffen, wie allgemein Bodenaushub, insbesondere Schluff, Sand, Kies, Ton, Lehm oder deren Gemischen. Erdbaustoffe können auch gewünschtenfalls zu Formkörpern, insbesondere Bausteinen und Ziegeln verarbeitet werden. Neben konstruktiven Baumaßnahmen werden Erdbaustoffe zur Anlage künstlicher Bodenstrukturen zur Verwendung unter anderem in den Bereichen Landwirtschaft, Begrünung und Forstwirtschaft eingesetzt. Auch in diesen Anwendungen ist die Verfestigung der eingesetzten Erdbaustoffe und der gezielte Aufbau von Bodenschichten, die geeignet verfestigt und gegebenenfalls hydrophobiert sein müssen, um die Wasserverdampfung aus dem Boden zu regulieren und so der Wüstenbildung vorzubeugen oder zur Wüstenaufforstung beizutragen, vordergründig.
Verfahren, die den Wassergehalt des Bodens herkömmlicherweise erhöhen, sind die Errichtung von Kanälen und die Berieselung, also künstliche Beregnung. Diese Verfahren bringen jedoch keine grundsätzliche Verbesserung mit sich, da das ausgebrachte Wasser rasch versickert und der Wassereinsatz ineffizient ist. Einer Wüstenbildung kann nur wirksam entgegengewirkt werden, indem man die Bodenstruktur geeignet verbessert, so dass das ausgebrachte Wasser hinreichend lange verfügbar ist, um für ein
Pflanzenwachstum, seien es Nutz-, Nahrungsmittel- oder Zierpflanzen zur Verfügung zu stehen.
Man schätzt, dass derzeit etwa 30% der Landoberfläche der Erde von Wüsten bedeckt sind, wobei deren Fläche kontinuierlich zunimmt. Hierfür gibt es zahlreiche Ursachen, von denen viele im Zusammenhang mit der steigenden Produktivitätsaktivität des Menschen stehen, wie etwa die übermäßige Holzfällung, die Umweltverschmutzung, dem damit verbundenen sauren Regen und der Zerstörung der Ozonschicht durch übermäßigen
Kohlendioxidausstoß und der daraus abgeleiteten Erderwärmung.
Bei den Erdbaustoffen für die oben beschriebenen Anwendungen und Einsatzgebiete, handelt es sich vorwiegend um klastische Sedimente, die sich wesentlich in der Teilchengröße unterscheiden. Nachteilig an Erdbaustoffen ist häufig ihre geringe Kohäsion und daher ihre geringe mechanische Festigkeit und Formbarkeit und ihre in der Regel hohe Wasserduchlässigkeit . Diese Eigenschaften haben eine geringe Haltbarkeit und Beständigkeit der damit ausgeführten
Baumaßnahmen zur Folge, insbesondere unter Feuchtbedingungen. Diese Nachteile sind umso ausgeprägter, je geringer der Anteil an sogenannten bindigen Böden wie Lehm oder Ton in den Erdbaustoffen ist. Erdbaustoffe auf Basis Sand, Kies oder Splitt also Erdbaustoffen mit geringen Anteilen an bindigen Böden sind aus Kostengründen für konstruktive Baumaßnahmen besonders interessant. Außerdem sind sie leichter handhabbar als bindige Böden und zeigen in der Regel auch keinen oder im Vergleich zu bindigen Böden geringeren Schwund beim Trocknen. Es wurde verschiedentlich versucht die mechanischen
Eigenschaften von Erdbaustoffen durch Zusatz von Kalk, meist in Form von sogenanntem Brandkalk zu verbessern. Tatsächlich führt der Zusatz von Kalk zum Teil zu einer Verbesserung der
Kohäsion, bewirkt aber in der Regel auch ein Verspröden des Erdbaustoffes und macht diesen für viele Anwendungen unbrauchbar .
Aus der Literatur ist weiterhin bekannt, die Beständigkeit der Oberfläche von Böden, Dämmen, Deichen und ähnlichem gegen
Erosion durch Oberflächenbehandlung des jeweiligen Bauwerkes mit wässrigen Polymerzubereitungen zu verbessern. So beschreibt SU-A-179 67 743 einen Binder zur Erhöhung der Festigkeit, Wasserfestigkeit und Erosionsbeständigkeit von Sand, bestehend aus Wasser Ligninsulfonat und Baumharz. Die JP-A-60004587 beschreibt die Oberflächenbehandlung von Böden gegen Erosion durch Aufsprühen von verdünnten (Meth) acrylatdispersionen . Die DE-A-195 48 314 beschreibt die Erhöhung der Oberflächenfestigkeit von Böden durch Aufbringen einer wässrigen, die Klebrigkeit erhöhenden Zubereitung, die
Polyvinylacetat und ein Gemisch von Monocarbonsäuren enthält, auf die Oberfläche der Böden.
Die JP-A-2283792 beschreibt eine Zusammensetzung aus Bentonit, Lehm, Sand, einem reemulgierbaren Polymerpulver, einem wasserlöslichen Polymerpulver und Natriumsilicatpulver, die durch Stampfen ausgehärtet wird. Die DE 199 21 815 beschreibt die Verwendung von polysulfidfreien wässrigen
Polymerzubereitungen als Zusatz zu Baumaterialien auf Basis von Lehm oder Ton. Die Langzeitbeständigkeit dieser Baumaterialien ist vielfach nicht zufriedenstellend.
Die DE 199 62 600 beschreibt Sandsäcke für den
Katastrophenschutz, die ein Polymerpulver enthalten, das beim Einsatz durch das Eindringen von Feuchtigkeit in das innere der Säcke zu einer Stabilisierung der Sandsäcke bzw. der Sandsackwälle durch Verkleben führt. Als Baumaterial für konstruktive Baumaßnahmen sind diese Sandsäcke nicht geeignet.
DE 100 62 657 Al offenbart polymermodifizierte Erdbaustoffe, die aus Erdbaustoffen zusammengesetzt sind, deren mineralische Hauptbestandteile Splitt, Sand oder Kies sind, und die wenigstens ein filmbildendes wasserunlösliches Polymer enthalten, das ein Styrolacrylat- oder ein Styrol-Dien-
Copolymer oder ein Reinacrylatcopolymer oder ein Acryl-Vinyl- Copolymer sein kann. Die erhaltenen modifizierten Erdbaustoffe zeichnen sich durch eine erhöhte Biegezug- und Druckfestigkeit aus. Zur Realisierung der betreffenden Erdbaumassen werden in diesem Fall organische Polymere ins Erdreich eingebracht, wodurch ökologische Nachteile nicht ausgeschlossen werden können .
DE 43 25 692 Al offenbart eine künstliche Bodenstruktur, die eine hydrophobe Schicht in einer vorbestimmten Tiefe von der Erdoberfläche umfasst. Die künstliche Bodenstruktur dient der Wasserrückhaltung und verhindert so die Austrocknung des Bodens. Dabei enthält die beschriebene Bodenstruktur mindestens eine Bodenschicht, die im Wesentlichen aus hydrophoben Teilchen gebildet wird.
JP 07050925 A beschreibt eine künstliche Bodenstruktur zur Verwendung unter anderem in den Bereichen Landwirtschaft, Begrünung und Forstwirtschaft, die eine mit einem Fluorcarbon Hydrophobierungsmittel behandelte Bondenschicht enthält. Die Hydrophobierung wird erreicht, indem Quarzsand in einem Betonmischer mit einem erfindungsgemäßen Hydrophobierungsmittel gemischt und danach bei 1500C 2 Stunden lang getrocknet wird.
US 2005/0150417 Al beschreibt die Hydrophobierung von unter anderem Erdbaumassen, Sägemehl und porösen Materialien, indem man die Substrate oberflächlich mit einer Mischung von Metallsilicat und Metallsiliconat imprägniert oder indem man
die substratbildenden Gemische vor der Substratherstellung mit der wässrigen Silikat-Siliconat-Zubereitung mischt. Die wässrige Zubereitung Silikat-Siliconat-Zubereitung wird dabei auf das zu behandelnde Substrat aufgesprüht oder die substratbildenden Komponenten werden in die Zubereitung getaucht oder damit vermengt. Das Verfahren des Vermengens wird nicht offenbart, Effekte, die durch Variationen des Vermengungsverfahrens zu erzielen wären werden folglich nicht benannt. Offensichtlich hat man dem Mischverfahren keinerlei Beachtung geschenkt, weil es den Fachleuten, die diese
Erfindung offenbart haben, nicht offensichtlich war, dass durch die Art des Mischens entscheidende Anwendungsvorteile zu erzielen sind. Stattdessen wird in US 2005/0150417 Al nur der Produktmischung aus Siliconat und Silikat Aufmerksamkeit geschenkt.
GB 1 466 157 lehrt die Verwendung lösemittelhaltiger Zubereitungen, die Alkylsilikate und Hydrolysekatalysatoren enthalten, zur Verfestigung von Bodenmassen. Diese Zuberei- tungen weisen gegenüber wässrigen Alkylsilikatzubereitungen den Vorteil auf, dass sie beliebig lagerstabil sind und tiefer ins Substrat eindringen. Dem Verfahren wie die Zubereitungen für einen optimalen Effekt einzuarbeiten sind, wird wiederum keine Aufmerksamkeit geschenkt.
GB 1 406 289 beansprucht die Verfestigung eines Bodens durch Verwendung einer Mischung aus Alkalimetallsilikat und Alkalimetallsiliconat und einem wasserlöslichen Vernetzungsmittel. GB 1 180 733 beansprucht die Modifizierung der Wasserrückhaltefähigkeit eines Bodens durch Einbringen eines beliebigen Organosiliconmaterials . Dabei wird in dieser Schrift unterstellt, dass ein beliebiges organosilicumhaltiges Material automatisch hydrophob ist, eine Annahme, zu der selbst
zu der Zeit als diese Schrift verfasst wurde aufgrund der bereits fortgeschrittenen Kenntnisse in der siliciumorganischen Chemie keine Veranlassung mehr bestand. Insofern ist dieser Anspruch nicht umsetzbar. Eingeschränkt wird dieser Anspruch weiter in dieser Schrift nur dahingehend, dass man Chlorsilane als Organosiliciumkomponente verwendet, was aus ökologischer Sicht mehr als nur bedenklich ist.
US 6 946 083 B2 offenbart den Gebrauch einer hygroskopischen Komponente gefolgt von der Anwendung einer Mischung von Alkalisilikat und Alkalisiliconat auf einem trockenen Untergrund, der mit Staub belegt sein kann, wie etwa einem Weg oder einer Strasse zur Reduzierung der Neigung zur Bildung von Staubwolken .
Es ist weiterhin bekannt, dass zur Bodenverfestigung hydraulisch härtende Bindemittel, wie hydraulische Kalke und Zemente in Kombination mit Hydrophobierungsmitteln, wie z.B. Paraffinen eingesetzt werden. Diese Mischungen müssen in aufwendiger Art und Weise hergestellt werden, da das Paraffin zunächst aufgeschmolzen werden muss, um auf die hydraulischen Bindemittel aufgebracht werden zu können. Als nachteilig hat sich des weiteren herausgestellt, dass die eingesetzten Stoffe nur bedingt chemisch reaktiv sind. Paraffine sind z.B. nicht in der Lage, chemisch mit den Bestandteilen der Bodenproben zu reagieren. Es kommt hier nur zu physikalischen Abmischungen die durchaus reversibel sind, und somit nicht die Beständigkeit der durch chemische Bindung erzeugten Wirkungsweise besitzen können .
EP 0 992 565 Al lehrt ein Verfahren zur Festigung und Hydrophobierung von tonigen und kiesigen Bodenmaterialien mit Alkalisilikaten und Alkalisiliconaten . Kennzeichnend für das
Verfahren ist dabei, dass eine wässrige Zubereitung aus Alkalimetallsilikat und Alkalimetallsiliconat in wässriger Lösung eingesetzt wird, wobei bestimmte Mischungsverhältnisse der beiden Komponenten vorgegeben sind. Die Komponenten werden dabei beliebig in die zu behandelnde Bodenmasse eingearbeitet. Auch in dieser Schrift kommt dem Verfahren der Bodenbehandlung keine Aufmerksamkeit zu, weil es auch in diesem Fall den Fachleuten nicht offensichtlich war, dass das Verfahren, nach dem das aktive Agens in die Erdbaumasse eingebracht wird, einen entscheidenden Einfluss auf dessen Wirksamkeit und damit die Ausprägung des Zieleffektes sowie konsequenterweise die notwendige Einsatzmenge an aktivem Reagenz hat. In EP 0 992 565 Al wird die rasche Aushärtung des ausgebrachten Hydrophobierungsmittels ausgelobt, wobei außer Acht bleibt, dass auch die Härtungsgeschwindigkeit und damit die
Geschwindigkeit, mit der die erwarteten Effekte erreichbar sind, entscheidend vom Verfahren abhängt. Entsprechend wird hierdurch die Geschwindigkeit beeinflusst, mit der die behandelten Böden Gebrauchseigenschaften erlangen und belastbar sind oder mit der die nachfolgenden Baumaßnahmen erfolgen können .
Hervorgehoben wird in EP 0 992 565 Al, dass die beschriebenen Maßnahmen bei bindigen Böden wie tonigen Böden effektiv sind. Vorgeschlagen wird hier eine Lufttrocknung der Böden nach dem Verpressen. Nun ist allerdings bekannt, dass gerade in bindigen Böden die Notwendigkeit wasserhaushaltsregulierender, insbesondere zur Erhöhung des Wasserrückhaltevermögens führende Maßnahmen nicht in dem Maße erforderlich sind, wie dies bei sandigen und kiesigen Böden der Fall ist. Durch eine Erhöhung der Effizienz der beschriebenen Maßnahmen aus EP 0 992 565 Al sollten auch diese nicht bindigen Böden hinsichtlich ihrer mechanischen Leistungsfähigkeit und ihres Wasserrückhaltevermögens verbesserbar sein.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es nun modifizierte Erdbaustoffe zur Verfügung zu stellen, die eine verbesserte mechanische Belastbarkeit, d.h. vor allem aber nicht nur Stabilität, Kohäsion und Tragfähigkeit, sowie Wasser- und Frostfestigkeit, Haltbarkeit und Wasserrückhaltevermögen aufweisen, bei wirtschaftlichstem Einsatz der verwendeten Rohstoffe und damit maximaler ökologischer Verträglichkeit der ergriffenen Maßnahmen. Das Verfahren soll dabei möglichst auf natürlicherweise vorhandene Rohstoffe zurückgreifen, oder den Einsatz von Rohstoffen fördern, die natürlichen Materialien ähnliche Reaktionsprodukte ergeben. Die Erdbaustoffe sollten für konstruktive Baumaßnahmen oder Bauprojekte wie Straßenunterbauten, Damm- und Deichbau, Böschungen, Parkplatzbefestigungen, oder Deponieabdichtungen, sowie zur Erzeugung von Bodenstrukturen mit verbessertem Wasserrückhaltevermögen zur Vermeidung der Wüstenbildung und zur Nutzbarmachung von Wüstenböden zur Begrünung oder agrar- und forstwirtschaftlichen Zwecken geeignet sein. Dabei sollten sich die Erdbaustoffe leicht und kostengünstig modifizieren und verarbeiten lassen. Die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens im Straßenbau, zur Sanierung oder zum Straßenneubau, soll zudem sicherstellen, dass das vorhandene Bau- und Erdmaterial genutzt werden kann, so dass nur minimaler Deponierbedarf und Bedarf an neu heranzuschaffendem Erdmaterial besteht .
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Behandlung von Erdbaustoffen, welche a) Bodenmaterialien und b) gegenüber Kohlendioxid reaktive Komponenten enthalten, mit Kohlendioxid.
Durch das Verfahren werden Bodenmaterialien verfestigt und hydrophobiert .
Die behandelten Erdbaustoffe zeigen früh einen
Hydrophobieeffekt und werden deshalb weniger durch unerwünschte Wassereinwirkung beeinträchtigt. Mechanische Belastbarkeit, sowie Wasser- und Frostfestigkeit, Haltbarkeit und Wasserrückhaltevermögen der behandelten Erdbaustoffe werden verbessert, und das bei wirtschaftlichstem Einsatz der verwendeten Rohstoffe und damit maximaler ökologischer Verträglichkeit der ergriffenen Maßnahmen.
Im Verfahren können alle bisher bekannten Bodenmaterialien (a) eingesetzt werden, insbesondere tonige Bodenmaterialien (a) , wie Lehm oder Ton und kiesige Bodenmaterialien (a) , wie Sand, Kies oder Splitt und Mischungen daraus.
Gegenüber Kohlendioxid reaktive Komponenten (b) werden vorzugsweise ausgewählt aus Alkali- und Erdalkaliwasserglas und Alkali- und Erdalkalisiliconat und Mischungen daraus.
Bevorzugt werden als Komponenten (b) , insbesondere Alkalisilikate, Natrium- und Kaliumsilikate eingesetzt. Die Natrium- und Kaliumsalze der Kieselsäure werden auch als Wasserglas bezeichnet.
Vorzugsweise haben die Alkalisilikate ein Gewichtsverhältnis von Siθ2 zu Alkalioxid, insbesondere Na2θ bzw. K2O, von 2,3 bis 3,5, eine Dichte von 1240 bis 1535 kg/m^ und eine Viskosität von 5 bis 850 mPa's (200C) .
Bevorzugt werden als Komponenten (b) auch Alkalisiliconate eingesetzt. Bevorzugte Alkalisiliconate sind aufgebaut aus Einheiten der allgemeinen Formel (I)
Ra (Rio) b (M+O-) cSiO (4-a-b-c) /2 (D ,
wobei
R einen einwertigen SiC-gebundenen organischen Rest, RI einen einwertigen, unsubstituierten oder substituierten Kohlenwasserstoffrest,
M+ Alkalimetallion oder Ammoniumion, insbesondere Na+ oder K+, a die Werte 0, 1, 2 oder 3, bevorzugt 1, b die Werte 0, 1, 2 oder 3, bevorzugt 1 oder 2, und c die Werte 0, 1, 2 oder 3, bevorzugt 1, bedeuten, mit der Maßgabe, daß die Summe aus a, b und c kleiner oder gleich 3 ist und pro Molekül mindestens ein Rest (M+O-) anwesend ist.
Beispiele für Reste R sind Alkylreste, wie der Methyl-, Ethyl-, n-Propyl-, iso-Propyl-, n-Butyl-, iso-Butyl-, tert . -Butyl-, n- Pentyl-, iso-Pentyl-, neo-Pentyl-, tert . -Pentylrest, Hexylreste, wie der n-Hexylrest, Heptylreste, wie der n- Heptylrest, Octylreste, wie der n-Octylrest und iso-Octylreste, wie der 2, 2, 4-Trimethylpentylrest, Nonylreste, wie der n- Nonylrest, Decylreste, wie der n-Decylrest, Dodecylreste, wie der n-Dodecylrest, und Octadecylreste, wie der n-Octadecylrest, Cycloalkylreste, wie Cyclopentyl-, Cyclohexyl-, Cycloheptyl- und Methylcyclohexylreste, Arylreste, wie der Phenyl-, Naphthyl-, Anthryl- und Phenanthrylrest, Alkarylreste, wie o-, m-, p-Tolylreste, Xylylreste und Ethylphenylreste, und Aralkylreste, wie der Benzylrest, der CC- und der ß- Phenylethylrest .
Bei Rest R handelt es sich bevorzugt um Kohlenwasserstoffreste mit 1 bis 12 Kohlenstoffatomen, besonders bevorzugt um den Methyl-, Ethyl- und Propylrest, insbesondere um den Methylrest,
Beispiele für Kohlenwasserstoffrest R^- sind die für R angegebenen Reste, wobei es sich bei Rest R^- bevorzugt um Wasserstoffatom oder Kohlenwasserstoffreste mit 1 bis 6 Kohlenstoffatomen, besonders bevorzugt um Wasserstoffatom, den Methyl- und Ethylrest, insbesondere um Wasserstoffatom, handelt .
Bevorzugt handelt es sich bei den Alkalisiliconaten um solche, die bei Raumtemperatur in Wasser zumindest zum Teil löslich sind.
Besonders bevorzugt handelt es sich bei den Alkalisiliconaten um wäßrige Lösungen von Kaliumalkylsiliconaten .
Die Alkalisilikate und Alkalisiliconate sind handelsübliche Produkte bzw. nach in der Silicium-Chemie gängigen Methoden herstellbar .
Vorzugsweise werden Mischungen von Alkalisilikaten und Alkalisiliconaten eingesetzt. Vorzugsweise reicht das
Gewichtsverhältnis von Alkalisilikat zu Alkalisiliconat von 10:1 bis 1:10, besonders bevorzugt 1:1.
Bei dem Verfahren wird vorzugsweise Wasser in Mengen von vorzugsweise 10 bis 95 1, bezogen auf 100 1 der Gesamtmenge an eingesetztem Wasser, Alkalisilikat und Siliconat eingesetzt, wobei eine Menge von 70 bis 90 1 besonders bevorzugt ist. Da sich die Zugabe von Wasser auch nach dem Wassergehalt der zu
behandelnden Böden richtet, kann die zugegebene Wassermenge auch unterhalb oder oberhalb der oben angegebenen Mengenbereiche liegen.
Bei dem Verfahren werden Alkalisilikat, Alkalisiliconat und Wasser in einer Gesamtmenge von vorzugsweise 1 bis 100 Gewichtsteilen, besonders bevorzugt 0,1 bis 10 Gewichtsteilen, insbesondere 0,5 bis 10 Gewichtsteilen, jeweils bezogen auf 100 Gewichtsteile der zu behandelnden Bodenmaterialien (a) , eingesetzt.
Die gegenüber Kohlendioxid reaktiven Komponenten (b) können im Verfahren auf beliebige Art und Weise mit dem zu behandelnden Bodenmaterial vermischt werden. Dabei können die eingesetzten Komponenten (b) einzeln oder in beliebigen Mischungen eingesetzt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird eine Mischung aus Wasser, Alkalisilikat und Alkalisiliconat sowie gegebenenfalls Zusatzstoffen dem zu behandelnden Bodenmaterial (a) zugegeben. Diese Mischung kann beispielsweise durch Zusatz von Kalilauge, z.B. in einer Menge von etwa 10 Gewichts-%, bezogen auf das Gesamtgewicht an eingesetztem Wasser, Alkalisilikat und Siliconat, stabilisiert werden. Die Benetzbarkeit kann außerdem durch Zusatz von Alkoholen, wie Isopropanol, beispielsweise in einer Menge von 0,5 bis 1,0 Gewichts-%, bezogen auf das Gesamtgewicht an eingesetztem Wasser, Alkalisilikat und Siliconat, verbessert werden.
Bei dem Verfahren kann die gegenüber Kohlendioxid reaktive Komponente (b) während der Behandlung mit Kohlendioxid zudosiert werden, oder die Behandlung mit Kohlendioxid erfolgt nachträglich, also nach der Dosierung der gegenüber
Kohlendioxid reaktiven Komponente (b) . Die Behandlung mit Kohlendioxid erfolgt stets so lange und ausgiebig , dass eine gute Sättigung des Erdbaustoffes mit Kohlendioxid sichergestellt ist. Das Kohlendioxid kann dabei sowohl als reine Komponente aus geeigneten Vorratsgefäßen zudosiert werden oder es kann im Gemisch mit anderen Gasen für den Mischvorgang bereit gestellt werden, wobei der Gehalt an Kohlendioxid im Gasgemisch vorzugsweise 0,05 bis 99, insbesondere 0,5 bis 10 Volumenprozent beträgt. Insbesondere kann die Mischung auch in einer Atmosphäre stattfinden, die das Kohlendioxid als Komponente enthält.
Gegenstand der Erfindung sind auch nach dem vorstehenden Verfahren mit Kohlendioxid behandelte Erdbaustoffe.
Das Verfahren kann überall dort angewendet werden, wo Bodenmaterialien verfestigt und hydrophobiert werden sollen. Insbesondere kann es im Wege- und Straßenbau sowie zur Herstellung von wasserfesten Baustoffen mit einer entsprechenden Festigkeit für den einfachen Mauerwerksbau eingesetzt werden. Bei der Herstellung von Baustoffen nach dem Verfahren hat sich gezeigt, daß ohne Brennen und Härten der Baustoffe eine relativ hohe Festigkeit und Wasserfestigkeit erreicht wird, die den Einsatz so hergestellter Erdbaustoffe für einfache Bauweisen möglich macht.
Das Verfahren kann auch zur Herstellung künstlicher Bodenstrukturen verwendet werden. Von einer Bodenstruktur wird dabei immer dann gesprochen, wenn der betrachtete Boden aus mindestens zwei voneinander verschiedenen Schichten aufgebaut ist. Dabei kann eine solche künstliche Bodenstruktur eine oder mehrere Schichten enthalten, die aus mit Kohlendioxid behandelten Erdbaustoffen bestehen oder unter unter
Zuhilfenahme derselben hergestellt werden, zum Beispiel durch Vermengen mit anderen Bestandteilen, wie etwa weiteren Erdbaustoffen oder anderen mineralischen oder sonstigen Komponenten. Durch eine Vermischung von erfindungsgemäß modifizierten Erdbaustoffen mit anderen Bestandteilen oder Erdbaustoffen, kann beispielsweise eine Abstufung der Hydrophobizität erreicht werden, die ggf. auch gezielt nur in einigen Bereichen eingesetzt wird, etwa dort, wo Pflanzen auf der Bodenoberfläche eingepflanzt werden und wo demzufolge eine zu hohe Hydrophobie das Gedeihen der Pflanze verhindern würde. Die Bodenschichten, die an die Bodenschicht oder die Bodenschichten angrenzen, die aus den erfindungsgemäß modifizierten Erdbaustoffen erzeugt werden oder die unter Zuhilfenahme der erfindungsgemäß modifizierten Erdbaustoffen erzeugt werden, können selbst wasserabweisend sein oder auch nicht, und sind in ihrer Zusammensetzung prinzipiell beliebig wählbar, nur durch die Sinnhaftigkeit der Auswahl der jeweiligen sie bildenden Komponenten in Abhängigkeit vom jeweiligen Einsatzzweck und Zieleffekt eingeschränkt. Ebenso ist die Tiefe von der Erdoberfläche aus gemessen, in der die
Bodenschichten aus erfindungsgemäß modifizierten Erdbaustoffen ausgebracht werden grundsätzlich beliebig und wird nur durch das jeweilige Anwendungsziel und den gewünschten Zieleffekt bestimmt. Auch weitere eher konstruktive Maßnahmen, wie das Ausbringen von Vlieslagen in den Boden oder anderen solchen
Maßnahmen sind grundsätzlich in diesem Zusammenhang möglich und zulässig.
Alle vorstehenden Symbole der vorstehenden Formeln weisen ihre Bedeutungen jeweils unabhängig voneinander auf. In allen Formeln ist das Siliciumatom vierwertig.
In den folgenden Beispielen sind, falls jeweils nicht anders angegeben, alle Mengen- und Prozentangaben auf das Gewicht bezogen, alle Drücke 0,10 MPa (abs.) und alle Temperaturen 200C.
Beispiele
Im Folgenden sind beispielhaft geeignete Mischverfahren beschrieben .
Mischvorgänge sind Versuche mit Wacker BS® Drysoil:
1. Mischverfahren im Straßenbau mit einem Großrecycler
Das erfindungsgemäße Mischverfahren kann mit einem für die Koffersanierung im mixed in place Verfahren von bestehenden Forst-, Flur-, Berg- und Alpenstraßen sowie Erschließungs- und Verbindungsstraßen geeigneten Fräsrecycler mit integrierter Dosieranlage für die gegenüber Kohlendioxid reaktive Hydrophobierungskomponente ausgeübt werden. In Frage kommen dabei Bodenfräsen wie z. B. BOMAG® MPH 120, Raco® 250 oder Bitelli® ST 200. Für konstante Vorwärtsgeschwindigkeit der Maschine ist es von Vorteil, wenn durch einen Tempomat eine Regulierung erfolgen kann. Durch die Installation von Dosieranlagen auf die Bodenfräsen wird eine genaue Mengenzufuhr der benötigten gegenüber Kohlendioxid reaktiven Komponente in den Mischraum ermöglicht. Mengen von 1-18 l/min/m können so problemlos in ausreichender Genauigkeit dem Erdreich zugemischt und gleichzeitig homogen verteilt werden. Gegebenenfalls wird die gegenüber Kohlendioxid reaktive Komponente unter dem Druck dem zu behandelnden Erdreich beigemischt, wobei Drücke von 5-8 bar praxisrelevant und bevorzugt sind.
Die Zugabe der gegenüber Kohlendioxid reaktiven Komponente erfolgt bei der Druckdosierung über feine Düsen in den Mischraum, wobei ein vorgeschaltetes Steuergerät die genaue Einstellung der Mengen ermöglicht.
2. Mischverfahren im Straßenbau mit einem Traktorreycler Aus Systemkomponenten können mit geeigneten Traktoren funktionstüchtige Fräsrecycler konzipiert werden. Es werden dabei der Vorratstank mit den Sprühdüsen an der Vorderseite montiert, der Recycler an der Rückseite angebracht. Das auf den Boden aufgesprühte Material wird dann bei konstanter Fahrgeschwindigkeit intensiv eingemischt.
Versuche wurden mit Geräten der Fa. Gutzwiller, Lucelle, Frankreich, durchgeführt und ergaben ähnliche Ergebnisse wie mit der BOMAG® MPH 120.
Die Verdichtung und Planierung kann nach Beendigung des Fräs- und Mischvorganges durch Rüttelplatten erreicht werden, die an den Traktor montiert werden.
Der Arbeitsablauf ist in beiden Fällen gleich: In einem typischen Beispiel wird als gegenüber Kohlendioxid reaktive Komponente eine Mischung aus 56 Teilen Kaliummethylsiliconat und 22 Teilen Natriumwasserglas und 22 Teilen Wasser (jeweils Gewichtsanteile an der Gesamtmischung) eingesetzt. Der aufgerissene Boden wird mit ca. 4 1 /πß dieser Mischung wie oben beschrieben versetzt und mit maschinentypischen Parametern intensiv gemischt. Nach dem Befeuchten und Planieren wird der Boden mit Walzen oder Rüttelplatten verdichtet.
2. Hydrophobierung von Wüstensand
Für diesen Anwendungszweck eignet sich ebenfalls das mixed in place Verfahren, die Maschinentechnik ist identisch mit den o.g. Gerätschaften. Je nach Feuchtgehalt des vorhandenen Sandes
werden für den Fall, dass es sich bei der als gegenüber Kohlendioxid reaktiven Komponente um die oben beschriebene Mischung aus 56 Teilen Kaliummethylsiliconat und 22 Teilen Natriumwasserglas und 22 Teilen Wasser (jeweils Gewichstanteile an der Gesamtmischung) handelt, Materialmengen von ca. 4 1/πß eingesetzt. Die anschließende Verdichtung unterscheidet sich dabei von der Anwendung im Straßenbau. An die Tragfähigkeit werden weniger hohe Anforderungen gestellt, da Schwerlastverkehr auf Rasenflächen planmäßig nicht vorkommt. Bei sehr trockenen Sanduntergründen kann mit der Mischung aus
56 Teilen Kaliummethylsiliconat und 22 Teilen Natriumwasserglas und 22 Teilen Wasser (jeweils Gewichstanteile an der Gesamtmischung) als gegenüber Kohlendioxid reaktiver Komponente gearbeitet werden und das erfindungsgemäße Verfahren kann ausgeübt werden, wenn die besagte Mischung mit sauberem Wasser so verdünnt wird, dass sich letztendlich eine Bodenfeuchte von 6-8 % ergibt.
3. Stationäre Anlagen Das erfindungsgemäße Verfahren kann ebenso auf stationären Anlagen, wie z. B einer Anlage der Firma Wirthgen, ausgeübt werden. In diesem Fall ist es günstig, die benötigte gegenüber Kohlendioxid reaktive Komponente mit Wasser vorzuverdünnen und dann in der berechneten Menge zu dosieren. Die Dauer des Mischvorganges richtet sich nach den Ergebnissen der Voruntersuchungen des Praxistestes. Der so behandelte Sand kann anschließend zur späteren Verwendung in Säcke abgefüllt oder gegebenenfalls für den Transport verladen werden.
Beispiel für eine erfindungsgemäße modifizierte Erdbaumasse:
Als gegenüber Kohlendioxid reaktive Komponente wird eine Mischung aus 56 Teilen Kaliummethylsiliconat und 22 Teilen Natriumwasserglas und 22 Teilen Wasser (jeweils Gewichstanteile
an der Gesamtmischung) verwendet. Das Kaliummethylsiliconat reagiert mit Kohlendioxid zu einem Methylsiliconharz aus.
Dieses Harz ist hoch hydrophob und kann einer Erdbaumasse unter geeigneten Bedingungen hydrophobe Eigenschaften verleihen und zur Verfestigung führen. Durch die Wasserabweisung werden die mech. Eigenschaften des Bodenmaterials erhalten und führen zu einer erhöhten Frostbeständigkeit und damit Stabilität des Untergrundmateriales . Problematisch ist dabei die Wasserlöslichkeit des genannten Gemisches vor dessen Aushärtung. Bei Regenfällen oder einem erhöhten Wassergehaltes des Bodenmaterials besteht die Gefahr, dass unter solchen Einflüssen durch Verdünnungsvorgänge die Wirksamkeit der bezeichneten Mischung im Bodenmaterial reduziert wird. Bei Verwendung der bezeichneten Mischung werden
Zusatzmengen von 3-7 1/m^ empfohlen.
Im konkreten Beispiel wurde der Zusammenhang zwischen der Reaktionsgeschwindigkeit der gegenüber Kohlendioxid reaktiven Komponente wie oben im Beispieltext beschrieben ausgedrückt durch die Geschwindigkeit der Ausbildung des hydrophoben Effektes und dem Vorhandensein und dem Eintrag von Kohlendioxid in das Erdbaumaterial untersucht und der erfindungsgemäß beschriebene Zusammenhang gefunden. Als Bodenmaterial wurde eine Bodenprobe aus einer ländlichen Gegend von Bihar in Indien gewählt, die ein Schüttgewicht von 1234 g/l aufweist und einen Feuchtegehalt von ca. 3,5 Gew. % besitzt . Das gewählte Bodenmaterial ist hinsichtlich Sieblinie und Zusammensetzung repräsentativ für viele weitere Bodenmaterialien, die untersucht wurden.
Das verwendete Bodenmaterial aus Bihar entspricht nach der USCS Klassifikation (Unified Soil Classification System) einem
Bodenmaterial der Klasse CL-ML.
Die Richtwerte einiger wichtiger Kennziffern des Bodenmateriales in seinem natürlichen Zustand sind in folgender Zusammenstellung aufgeführt:
Klassifizierung Geotechnische Mittlere Kornverteilung [mm] nach USCS Bezeichnung 0-0,002 0,002-0,06 0,06-2,0
2,0-60,0
CL-ML: Silt-toniger SiIt
Ton SiIt Sand Kies
12 % 58 % 26 % 4 %
Bodenprobe aus Bihar : Einsatzmenge: 250 g Aktueller Feuchtegehalt: ca. 3,5 %
Optimaler Feuchtegehalt für den Eintrag und die Wirksamkeit der verwendeten gegenüber Kohlendioxid reaktiven Mischung: ca. 8 % Wird durch Wasserzugabe zu der eingesetzten gegenüber Kohlendioxid reaktiven Siliconat - Wasserglasmischung erreicht:
Siliconat - Wasserglasmischung: 1,09 g, wird mit 17,75 g Wasser versetzt .
Das bedeutet auf 1 m^ Bodenmaterial hochgerechnet einen Einsatz von 5 1 /m-3
Mischvorgang: intensives Mischen der Probe mit einem Laborspatel von Hand unter einer Gasatmosphäre. Dabei wurden verschieden zusammengesetzte Gasatmosphären gewählt: Raumluft (enthielt 4% Kohlendioxid) , Stickstoffatmosphäre (praktisch kein von Kohlendioxid, d.h. Kohlendioxidgehalt < 0,5%), reine Kohlendioxidatmosphäre .
Mischzeit: 2 Minuten
Die Mischvorgänge dauerten jeweils genau gleich lang.
Nach den Mischvorgängen, wurden die Bodenproben weiterhin in der jeweiligen Gasatmosphäre belassen. Eine Verdichtung der Bodenprobe wurde erreicht, indem eine runde Metallscheibe von 5 cm Durchmesser mittig auf die Bodenprobe aufgesetzt und für 2 min mit einem Gewichtsstück von 10 kg Masse belastet wurde. Danach wurde das Verhalten von aus einer Pipette aufgesetzten Wassertropfen von 0,5 ml Volumen beobachtet und beurteilt. Die Wassertropfen wurden an mindestens 5 verschiedenen Stellen in der verdichteten Region der Bodenprobe aufgesetzt.
Die Ausbildung des Tropfens wird dabei als
Beurteilungskriterium für das Fortschreiten der chemischen Reaktion verwendet. Die Beurteilung erfolgte nach 5 min, 10 min, 20 min und 30 min.
Beurteilung der Bodenproben:
Ausbildung der Wassertropfen und kapillares Saugen
Zeit [min] reines CO2 Raumluft reiner N2* leichte keine keine
Tropfenbildung, Tropfenbildung Tropfenbildung beginnende
Hydrophobie
10 Tropfenbildung leichte keine voll ausgebildet Tropfenbildung Tropfenbildung
20 kapillares Tropfenbildung leichte
Saugen gebremst, voll Tropfenbildung
Hydrophobie voll ausgebildet ausgebildet
30 kapillares leichte
Saugen Tropfenbildung gebremst,
Hydrophobie voll ausgebildet,
Reaktion
* nicht erfindungsgemäss
Nach 5 Stunden waren alle Proben hydrophob und zeigten die erforderliche optimale Tropfenausbildung.
Bei diesem Experiment zeigt sich klar, dass eine signifikante Verbesserung in Bezug auf eine frühe Ausbildung des Hydrophobieeffektes durch die Anwesenheit von homogen verteiltem Kohlendioxid gegeben ist. Dadurch wird der schädliche Einfluss von erhöhten Feuchtigkeitsbelastungen während der Ausbildung der Zieleffekte, z.B. durch Regen während des Arbeitsprozesses reduziert. Das beschleunigte Ausreagieren der mit Kohlendioxid reaktiven Komponente, die zum Zwecke der Festigung, Hydrophobierung und
Wasserrückhaltung zugegeben wird erlaubt des weiteren höhere Tagesleistung bei der Herstellung geeignet modifizierter Erdbaumassen für die im Text erwähnten Anwendungsbereiche, z.B, für den Straßenbau.
Claims
1. Verfahren zur Behandlung von Erdbaustoffen, welche a) Bodenmaterialien und b) gegenüber Kohlendioxid reaktive Komponenten enthalten, mit Kohlendioxid.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Bodenmaterialien (a) ausgewählt werden aus tonigen Bodenmaterialien (a) und kiesigen Bodenmaterialien (a) und Mischungen daraus.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, bei dem die gegenüber Kohlendioxid reaktiven Komponenten (b) ausgewählt werden aus Alkali- und Erdalkaliwasserglas und Alkali- und Erdalkalisiliconat und Mischungen daraus.
4. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem als Alkaliwasserglas Natrium- oder Kaliumsilikate oder Mischungen daraus eingesetzt werden.
5. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem die Alkalisiliconate aufgebaut sind aus Einheiten der allgemeinen Formel (I)
Ra (R1O) b (M+O-) cSiO (4-a-b-c) /2 (D ,
wobei
R einen einwertigen SiC-gebundenen organischen Rest, R1 einen einwertigen, unsubstituierten oder substituierten
KohlenwasserStoffrest, M+ Alkalimetallion oder Ammoniumion, insbesondere Na+ oder K+, a die Werte 0, 1, 2 oder 3, bevorzugt 1, b die Werte 0, 1, 2 oder 3, bevorzugt 1 oder 2, und c die Werte 0, 1, 2 oder 3, bevorzugt 1, bedeuten, mit der Maßgabe, daß die Summe aus a, b und c kleiner oder gleich 3 ist und pro Molekül mindestens ein Rest (M+O") anwesend ist.
6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, bei dem die Behandlung mit Kohlendioxid durch ein Gasgemisch erfolgt, dessen Gehalt an Kohlendioxid 0,05 bis 99 Volumenprozent beträgt.
7. Erdbaustoffe, behandelt mit Kohlendioxid nach dem Verfahren gemäss Anspruch 1 bis 6.
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NENP | Non-entry into the national phase |
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