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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines selbstverfestigenden Verfüllbaustoffes, im wesentlichen bestehend aus Bodenaushub, mindestens einem Plastifikator, einem Stabilisator und einem optionalen Konditioner, das nach dem Anmachen mit Wasser in flüssig eingestellter Form eingebracht und verbaut werden kann und die Verwendung des Verfüllbaustoffes, dessen wichtigste physikalische Eigenschaften denen des natürlich vorkommenden Ausgangsmaterials, wie beispielhaft beliebige Aushubböden entsprechen können oder die gezielt im Sinne des jeweiligen technischen Bedarfes verändert werden, wie beispielhaft im Falle einer benötigten Schwingungsdämpfung oder im Falle definierter Wasserdurchlässigkeiten usw.. Dabei kann in einem Sonderfall auch ein mineralogisch gleicher Stoff infolge vorheriger industrieller Bearbeitung, natürlicher Unterschiede dieses Stoffes oder von Beeinflussung im Verlauf des Herstellungsprozesses bei der Weiterverarbeitung des Materials in seinen Eigenschaften so differenziert werden, dass er sowohl als Plastifikator als auch als Stabilisator wirkt und auch für die Beeinflussung der Endeigenschaften des herzustellenden Baustoffes und somit als Konditioner eingesetzt werden kann. Im Regelfall übernimmt ein dem Gemisch trocken zugegebener quellfähiger Ton oder ein industriell vorher verändertes toniges Material später die Rolle des Stabilisators, der das Gros des zur Plastifizierung zugegebenen Wassers nach der technologisch gewollten Phase der zeitweisen Fließfähigkeit dauerhaft z. B. kristallin bindet. Der quellfähige Ton wird entweder vorher so industriell behandelt oder bei der Herstellung des Trockengemisches beispielhaft durch geeignete Maschinentechnik so bearbeitet, dass er seine Wasseranlagerungsfähigkeit verändert/erhöht und/oder gleichzeitig die Rolle des Plastifikators als auch die des Stabilisators übernehmen kann. Eine Sonderform ist dabei denkbar, bei der das natürlich vorkommende Material nicht weiter bearbeitet werden muss, da es bereits vor Ort in so verschiedenen Formen vorkommt, dass das natürliche Material die Funktion des Plastifikators und Stabilisators übernehmen kann. Ein solcher Baustoff muss in der Regel weitestgehend schwindungsfrei sein, was bei dem erfindungsrelevanten Baustoff selbst bei seiner Herstellung aus sehr tonigem Bodenaushub erreicht werden kann.
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Der verfahrensgemäß hergestellte selbstverfestigende Verfüllbaustoff ist insbesondere für die Gründung, Hinterfüllung oder Überschüttung von Bauwerken, Leitungs- oder Kabelschichten, für Auffüllungen, für Hohlraumverfüllungen, für Straßen, Wege und Dämme sowie für die Einbettung von Rohrleitungen, Kanälen und Kabeln geeignet.
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Aus dem Stand der Technik sind unterschiedlichste Baustoffe und Verfahren zu ihrer Herstellung bekannt, die zur Hohlraumverfüllung, zur Hinterfüllung oder Überschüttung eingesetzt werden.
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So werden beispielhaft seit langem so genannte „Dämmer“ als Baustoff eingesetzt. Dabei handelt es sich um steif- und starrverfestigende Materialien mit definierter Kornstruktur (Sieblinie) die unter Verwendung hydraulischer Bindemittel langsam verfestigen. Die Gemische aus Sand, Zement und weiteren betonchemischen Mitteln, wie z. B. Fließmitteln, sind sowohl technologisch als auch qualitativ nicht für den Einsatz zur Verfüllung oder Hinterfüllung im Kanalbau geeignet. So kommt es aufgrund der starren Verfestigung regelmäßig zu Rissbildungen und Setzungserscheinungen an Rohrleitungen in den verfüllten Kanälen. Auch besteht auf Grund der verwendeten Mittel der Betonchemie bei derartigen Materialien die Gefahr von Eluatbildungen d. h. es bestehen Gefahren für die Umwelt speziell das Grundwasser. Infolge der Verwendung von Sanden mit definierter Sieblinie werden bei der Herstellung derartiger Materialien auch die natürlichen Ressourcen, die es eigentlich zu schonen gilt, verwendet und damit nicht geschont.
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Daneben sind Magerbetone und Schaumbetone mit Luftporenbildner und bekannten Zusatzmitteln aus der Betonchemie gebräuchlich. Auch diese Stoffgemische sind nach ihrer Aushärtung fest und spröde, so dass auch bei ihnen, wie bei den vorher erwähnten Dämmern, auftretende Schwingungen (z. B. im Bereich von Straßen und Wegen) auf die darunter liegenden, vom Baustoff umhüllten Rohrleitungen übertragen werden. Hinzu kommt, dass der verfestigte Bauwerkstoff mechanisch schwer lösbar ist, so dass bei Wartungs und Instandsetzungsarbeiten an Rohrleitungstrassen ein erheblicher Aufwand für das Freilegen der Rohrleitungen erforderlich ist. Ein weiterer Nachteil der Verwendung von Betonen etc. besteht in der Schwindung, die zu Setzungserscheinungen und zu Bildung von Rissen und Hohlräumen führt. Auch hier können ungewollte Endeigenschaften entstehen, da die Verfestigung auf der Basis hydraulischer Bindemittel erfolgt und allein schon drainierender Umgebungsboden das Wasser-Zementverhältnis und damit die Endfestigkeit unkontrollierbar verändert. Ansonsten treffen auch die für Dämmer geschilderten umweltrelevanten Nachteile für Betone etc. zu.
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Daneben sind so genannte Dicht- und Schlitzwand-Verfüllmassen bekannt. Dabei handelt es sich um Baustoffe mit definierter Kornstruktur (Sieblinie) unter Zugabe definierter Mengen von hydraulischer Bindemittel, Bentoniten und weiterer Zusatzstoffe. Aufgabe der Dicht- und Schlitzwand-Verfüllmassen ist es, eine wasserdichte Abdichtung und bautechnische Sicherung eines Bauwerkes oder einer -grube über eine möglichst lange Zeit zu ermöglichen. Dabei spielt es keine Rolle, ob diese Massen physikalisch dem Umgebungsboden weitgehend gleichende oder sehr unterschiedliche Eigenschaften haben. In der Regel sind die Eigenschaften des Umgebungsbodens völlig andere als die des jeweiligen Schlitzwandgemisches.
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In einem Sonderfall kann eine Dichtwand auch unter Verwendung des anstehenden Bodens hergestellt werden. Dem dazu verwendeten Bodenaushub werden insbesondere hydraulische Bindemittel, geeignete quellfähige Tone wie Bentonite und andere Mineralien beigemischt, die der Abdichtung und Stabilisierung des wiederverfüllten Baustoffes dienen. Damit besitzt der verfüllte Baustoff auch in diesem Fall völlig andere physikalische Eigenschaften (Festigkeit, Quellfähigkeit, Abrasionsfestigkeit, Schwingungsübertragungsverhalten, Homogenität, Dichte, Wasserdurchlässigkeit usw.) als der Umgebungsbereich.
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Zum Stand der Technik zählt eine weitere Gruppe von Verfüllbaustoffen, die in einschlägigen Fachkreisen unter der Bezeichnung Bodenmörtel oder auch „Weimarer Baumörtel“ bekannt sind. Dabei handelt es sich um Verfüllmassen, die im wesentlichen aus Sanden oder sandigen Böden oder recycelten Baustoffen, Wasser, einem Ton-Soda-Gemisch und hydraulischen Bindemitteln bestehen. Die temporäre Plastifizierung (Herstellen der Fließfähigkeit) des Verfüllmaterials erfolgt dabei ohne klassische Mittel der Betonchemie durch Einsatz von Bentonitsuspensionen. Es hat sich gezeigt, dass die Verwendung dieser Suspensionen eine Reihe technologischer Probleme und schädigende Auswirkungen auf die Verfestigung des fließfähigen Gemisches und seine Endeigenschaften mit sich bringen. So wird beispielsweise durch Schädigung der Bentonitsuspension das Wasserbindevermögen der Suspension durch äußere schädigende Einwirkungen z. B. aus dem Grundwasser in Gegenwart von Zement nachteilig so verändert, dass sich das Wasser-Zement-Verhältniss nachteilig verändert und ungewollte Endfestigkeiten mit den bekannten Nachteilen einstellen. Ein weiterer Nachteil ist die verzögerte bis ausbleibende Verfestigung bei huminen Umgebungen, da die Wiederverfestigung allein auf der Hydratation des Zementes als hydraulisches Bindemittel beruht und dieser Zement in huminer Umgebung eine stark reduzierte bis ausbleibende Reaktivität zeigt.
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Bei der Verwendung des so ganannten „Weimarer Baumörtel“ besteht zwar nicht die Gefahr der Eluatbildung, da mineralische Zusatzstoffe, z. B. Bentonite in Suspensionform verwendet werden. Es kommt aber aufgrund der Zugabe des Bentonits in gelöster Form regelmäßig zu Suspensionsschädigungen durch verschiedene Boden- oder Wasserinhaltsstoffe und in der Folge zu einem stark abweichenden Verhalten des flüssig eingestellten Baustoffes vom ursprünglich beabsichtigten Materialverhalten und somit zu ungewollten Endeigenschaften wie zu hoher oder zu geringer Festigkeit des Verfüllbaustoffes. Die abweichenden Festigkeitseigenschaften sind insbesondere für den Kanalbau sehr nachteilig.
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Ein weiteres Problem bekannter und zeitweise fließfähiger Materialien besteht darin, dass der vor Ort aufgenommene Bodenaushub z. T. kontaminiert ist, so dass ein Bodenaustausch vorgenommen werden muss. Mit den bekannten Verfahren und Baustoffen können kontaminierte Böden in der Regel nicht entsprechend den gesetzlichen Forderungen temporär fließfähig eingestellt und in dieser Form wieder vor Ort (am Aushubort) eingebaut werden. Die notwendige Immobilisierung der Schadstoffe ist bei den bekannten Baustoffen nicht hinreichend gesichert und kann in der Regel nur durch eine entsprechend hohe Zugabemenge an hydraulischen Bindemitteln realisiert werden, wodurch der verbaute Boden am vorgesehenen Einbauort im Kanalgraben jedoch ungeeignete mechanische Eigenschaften erhält, die sich nachteilig auf die normative Nutzungsdauer der darin verlegten Rohre auswirkt und spätere Risse bei Wasserzufuhr auch zur ungewollten Eluatbildung führen können.
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Ein weiterer Nachteil der bekannten Verfahren zur Herstellung flüssig einstellbarer Baustoffe besteht darin, dass zur Herstellung des aus Sanden, Kiesen, sandigen Böden oder Recyclingmaterialien bestehenden Gemisches ein Ausgangsmaterial wie Sand/Kies mit einer definierten Sieblinie erforderlich ist. Beliebige Bodenaushübe mit ihrer vor Ort zum Teil stark schwankenden Zusammensetzung oder dem zum Teil fehlenden Stützkorn können daher nicht verwendet werden.
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Eine Ausnahme stellt bislang der Einsatz von Trockengemischen unter Verwendung von Bentoniten nach der
DE 10 2004 023 482 A1 dar. Dabei wird eine Wiederverfestigung des Bodens dadurch erreicht, dass in trockener Form quellfähige Tone, vorzugsweise ausgewählte Bentonite, dem Trockengemisch zugegeben werden. Die Bentonite sind in der Lage, Wasser, vor allem in kristalliner Form und somit dauerhaft und damit weitgehend ohne Volumenverlust, anzulagern. Der optional zugegebene Zement dient der relativ schnellen Bindung einer Teilmenge des für die temporäre Plastifizierung zugegebenen Anmachwassers und somit der Beschleunigung der Wiederverfestigung. Somit erfüllt der Zement die Aufgabe eines Beschleunigers und führt zu einer schnelleren Wiederverfestigung der fließfähig eingestellten Massen über den Abfall des durch hydratationsbedingte Wasseranlagerung nachlassenden Poreninnendruckes des Bodens und die damit wieder zwischen den Bodenpartikeln wirkenden Reibung.
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Nachteilig ist allerdings, dass Zemente häufig große Unterschiede im zeitlichen Verlauf der Hydratationsreaktion aufweisen. Dies hat negativen Einfluss auf den gesteuerten zeitlichen Verlauf des Verfestigungsverhaltens der fließfähig eingestellten Massen. So kann es bei gleichen Transportzeiten des flüssig eingestellten Baustoffes in Mischfahrzeugen zu deutlich differierenden zeitlichen Verläufen der Wiederverfestigung kommen, wenn Zemente gleicher Klassifikation, jedoch unterschiedlicher Hersteller, mit zum Teil unterschiedlichen Hydratationsverhalten (Höhe der Wasseranlagerung durch Hydratation über die Zeit) verwendet werden.
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Weitere Nachteile bekannter Verfüllbaustoffe bestehen darin, dass in der Regel mehrere, unterschiedliche Zugabestoffe eingesetzt werden müssen, die zum Teil einer sehr exakten Dosierung bedürfen. Dabei besteht die Gefahr, dass unter den technologisch erschwerten Arbeitsbedingungen auf der Baustelle oder in mobilen Mischeinrichtungen subjektive Bedienfehler auftreten, die ungewollt zu veränderten Eigenschaften des wiederverfestigten Verfüllmaterials führen. Hinzu treten technologische Probleme bei der notwendigen homogenen Durchmischung einer größeren Zahl unterschiedlicher Zusatzstoffe, insbesondere in mobilen Mischeinrichtungen.
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Weitere technologische Probleme bekannter, temporär fließfähiger Baustoffe bestehen bei der Verarbeitung von Bodenaushub mit huminen Inhaltsstoffen oder der Verfüllung derartiger, sand-, kies- oder RC-Material basierter Baustoffe in Umgebungen mit huminem Charakter. So wird beim Einsatz hydraulischer Bindemittel für die Wiederverfestigung eines fließfähig einstellbaren, hydraulisch abbindenden Baustoffes das für die temporäre Fließfähigkeit zugegebene Wasser für die Erhärtungsreaktionen, wie z. B. die Hydratation, genutzt. Da für den Ablauf derartiger Reaktionen ein basisches Milieu notwendig ist, kommt es unter dem Einfluss huminer Bodeninhaltsstoffe zu starke Verzögerungen bis hin zum völligen Ausbleiben der Wiederverfestigung dieser Art temporär fließfähiger Baustoffe.
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Insgesamt weisen die bekannten Lösungen nach dem Stand der Technik den Nachteil auf, dass der Verfüllbaustoff, der insbesondere im Kanalbau zum Einsatz gelangt, sich durch signifikante Abweichungen relevanter physikalische Eigenschaften, wie Quellfähigkeit, Schwindung, Schwingungs- und Abrasionsverhalten usw. von den Eigenschaften des den Rohrgraben umgebenden Boden unterscheidet. Dies führt zu unterschiedlichem physikalischen Verhalten im Bereich des Rohrgrabens und des ihn umgebenden, unbeeinflussten Bodens. Es entstehen zusätzliche Inhomogenitäten im Boden mit ihren für die ausfallfreie Langlebigkeit der Rohre und Leitungen nachteiligen Folgen wie beispielhaft der Entstehung von Phasengrenzen, die das Schwingungsverhalten von Rohren im Boden nachteilig beeinflussen und dadurch die auf die Rohre einwirkenden Schwingungsenergie infolge dynamischer Lasten wie z. B. die Verkehrslasten beispielhaft als Folge von Reflektionen an den Phasengrenzen etc. verstärken.
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Ein Grund für diese meist sehr stark von den Eigenschaften des Umgebungsbodens abweichenden Endeigenschaften der bekannten fließfähigen und wiederverfestigten Materialien ist, dass in der Regel für die Herstellung des Verfüllbaustoffes feststehende Rezepturen verwendet werden, die jeweils einem konkreten Einsatzzweck entsprechen. Damit soll eine Reproduzierbarkeit gleicher Eigenschaften erreicht werden. Im Umkehrschluss werden dadurch aber Inhomogenitäten im Boden erzeugt, da der Verfüllbaustoff mit konstanten Eigenschaften sich von den vor Ort befindlichen bzw. an den Kanal angrenzenden Böden signifikant unterscheidet. Insbesondere besteht nicht die Möglichkeit der Herstellung homogener Untergründe mit quasi identischen Eigenschaften des Verfüllbaustoffes und des angrenzenden Bodens. Dies schadet aber der Lebensdauer der Rohre und Leitungen. Ebenso sind die bisher bekannten Verfahren nicht geeignet, gezielte Änderungen signifikanter physikalischer oder chemischer Eigenschaften des Verfüllbaustoffes zu ermöglichen.
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Ein weiterer Nachteil bei der Verwendung bekannter, flüssig einstellbarer Massen besteht in der Verwendung von Fließmitteln, Verzögerern oder Beschleunigern aus dem Bereich der Betonchemie, welche die Gefahr einer umweltschädigenden Eluatbildung nach sich ziehen.
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So weisen die bereits eingangs zitierten Dicht- und Schlitzwand-Verfüllmassen, die gleichfalls unter Verwendung von Mitteln der Betonchemie hergestellt werden, signifikante physikalische Nachteile, wie die bei ihrer funktionsbedingten Verwendung gewollte Wasserdichtheit, auf, die zur Bildung einer im Kanalbau aber meist unerwünschten Wassersperrschicht führt, speziell, wenn es dann zur Sperrung wasserführender Schichten und damit Wasseraufstau kommt, der die anstehenden Gebäude schädigen kann. Daneben kommt es bei diesen Verfüllmassen zur Ausbildung eines recht festen und spröden Baustoffes, der auftretende Schwingungen (z. B. im Bereich von Straßen und Wegen) ungedämpft auf die im Untergrund eingebetteten Rohrleitungen überträgt. Somit führt die Verwendung hydraulischer Bindemittel, auf die die Bodenversprödung zurückzuführen ist, zu einer signifikanten Verkürzung der normativen Nutzungsdauer der verlegten Rohre als Folge uneingeplanter Rohrbelastungen und damit von ungewollten Spannungsspitzen Derartige Materialien sind somit nicht für die hochwertige und eine lange ausfallfreie Nutzungsdauer sichernde Verfüllung von Kanalgräben etc. geeignet.
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Es kommt bei Materialien, die durch Zugabe von Luftporenbildnern zwar mechanisch lösbar gemacht werden können, doch noch immer infolge der hydraulischen Bindemittel ein steifes und Schwingungen übertragendes Verhalten aufweisen, bei der Einleitung dynamischer Lasten wie z. B. Verkehrslasten auch zu nicht gewollten Setzungserscheinungen infolge zerfallender Strukturen der Luftporen z. B. Schaumbetone. Derartige Setzungserscheinungen sind insbesondere beim Einsatz von Luftporenbildnern und dem Zerfall der gebildeten Luftporen unter Lasteinwirkung beobachtet worden.
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Aus der
DE 10 2004 023 482 A1 ist ein Trockengemisch zur Herstellung eines selbstverfestigenden Verfüllbaustoffes bekannt, das aus Bodenaushub, mindestens einem wasserbindenden Mittel und einem wasserretendierenden Mittel auf Basis von Bentonit oder einem anderen mineralischen Stoff besteht. Dabei kann das wasserbindende Mittel ein natürliches oder künstliches Puzzolan sein.
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Als weiteres erfindungswesentliches Merkmal weist das Trockengemisch mindestens ein wasserbindendes Mittel auf. Als wasserbindende, organisch-mineralische Mittel werden bevorzugt Zement, Kalk oder Gips eingesetzt. Aufgabe der wasserbindenden Mittel ist die Herstellung einer dauerhaft festen Bindung (z. B. durch Hydratation) mit dem Anmachwasser (Seite 4, linke Spalte, [0019]). Ein wesentlicher Nachteil des Einsatzes von Zementen besteht darin, dass handelsübliche Zemente im Regelfall große Unterschiede im zeitlichen Verlauf der Hydratationsreaktion aufweisen. Dies hat negativen Einfluss auf den gesteuerten zeitlichen Verlauf des Verfestigungsverhaltens der fließfähig eingestellten Massen (Seite 3, rechte Spalte, [0012]).
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Ein weiterer Nachteil resultiert aus dem Einsatz hydraulischer Bindemittel die zur Ausbildung fester Strukturen der Reaktionsprodukte, wie Zementsteinstrukturen, (ihren (Seite 5, rechte Spalte, [0029]).
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Aus der
DE 103 37 590 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Aufbereiten von Erdaushub oder anderen Material unbestimmter Form bekannt, wobei das Material unter Anwesenheit von gebrochenem und/oder gemahlenem Grobmaterial einem Mischprozess unterworfen wird, bei dem das gebrochene Grobmaterial mit dem Material vermischt wird.
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Das Verfahren ist somit immer mit einem notwendigen Aufbrechen von Grobmaterial verbunden, dass nachfolgend in gebrochener oder gemahlener Form mit dem tonigen oder lehmigen Material vermischt wird.
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Ein weiterer Nachteil dieser Lösung besteht in der Verwendung von zerkleinertem Grobmaterial, das puzzolanische Bindeeigenschaft aufweist. Diese Eigenschaften führen zwangsläufig zur Ausbildung starrer, zwängender Strukturen, die sich signifikant von den Eigenschaften des ursprünglichen Bodens unterscheiden.
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Aufgabe der Erfindung ist es, die bekannten Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen und ein Verfahren zur Herstellung eines selbstverfestigenden Verfüllbaustoffes vorzuschlagen, der Schwindverhalten aufweist, das dem des Bodenaushubs entspricht. Eine weitere Aufgabe besteht darin, die Verwendung des Verfüllbaustoffes, der aus beliebigem lokalem Bodenaushub herstellbar ist, im Kanalbau zu ermöglichen, wo der Baustoff annähernd gleiche physikalische Eigenschaften wie der Umgebungsboden aufweisen soll, um die geforderte normative Nutzungsdauer der im Aushub eingebetteten Rohrleitungen bzw. darin gegründeten Bauwerken zu sichern.
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Das wiederverfestigte Material soll in seinen relevanten physikalischen Eigenschaften, die für die Qualität des Kanalbaus und die ausfallfreie Lebensdauer der eingebauten Rohre und Leitungen entscheidend sind, den jeweiligen Eigenschaften des Umgebungsbodens entsprechen und damit für weitgehend homogene Untergründe sorgen, auch wenn dort bereits Kanalbaumassnahmen stattgefunden haben.
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Wichtige physikalische, technologische, bodenmechanische und mineralogische bzw. chemische Eigenschaften des wieder verfestigten und temporär fließfähigen Materials (Wasser-durchlässigkeit, Konsistenz, Festigkeit, Abrasionswiderstand dauerhafte z. B. kristalline Bindungsfähigkeit für Wasser und kontaminierte Bodeninhaltsstoffe bzw. chemische Verunreinigungen, Ansteifungsverhalten, etc) sollen bei Bedarf an die jeweiligen Anforderungen der baulichen Aufgaben angepasst werden können.
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Für die Herstellung der temporären Fließfähigkeit sollen nur in der Natur selbst vorkommende, die Umwelt nicht belastende Stoffe eingesetzt werden. Auf Mittel der Betonchemie soll zum Ausschluss von schädigenden Eluaten verzichtet werden können.
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Die Herstellung der temporären Fließfähigkeit soll nur auf der Basis einer Trockenmischung aus lokalem Bodenaushub und trockenen, quellfähigen Tonen erfolgen, der Wasser zugegeben wird, ohne dass es vorher zur Bildung einer Suspension kommt. Dabei werden die bauphysikalisch wichtigen und technologisch für den Prozess relevanten Eigenschaften durch vorherige Verfahrensschritte im Sinne der gewünschten Eigenschaften beeinflusst. Ein zusätzlicher Plastifikator wie beispielhaft eine Zellulose oder ein ähnlich wirkender Stoff kann somit entfallen oder es kann optional die sonst für die zeitweise Plastifzierung benötigte Menge reduziert werden. Die Trockenmischung wiederum garantiert, dass die bekannten schädigenden Einflüsse auf Suspensionen nicht wirksam werden können und somit die technologischen und die Endeigenschaften des wiederverfestigten Materials nicht von den beabsichtigten abweichen.
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Die gewünschte mechanische Lösbarkeit des verfüllten Baustoffes soll ohne chemische oder physikalische Luftporenbildner erreicht werden und in der Regel der des Umgebungsmaterials (Bodens) entsprechen.
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Die Herstellung auf der Baustelle oder in stationären oder mobilen Anlagen soll einfach und fehlerresistent erfolgen. Daher soll auf komplizierte technologische Zwischenschritte wie z. B. Suspensionsbildung und auf die Vermischung vieler verschiedener Substanzen bzw. Stoffe zur Erreichung der technologisch und physikalisch bis chemisch relevanten Eigenschaften vor allem vor Ort auf der Baustelle verzichtet bzw. auch aus Kostengründen die Anzahl der für die Herstellung der temporären Fliessfähigkeit beliebiger Schüttstoffe und Bodenarten und die anschließende Wiederverfestigung eingesetzten Stoffe minimiert werden.
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Die Möglichkeit einer Wiederverfestigung ohne den Einsatz hydraulischer Bindemittel als Beschleuniger und ohne die Notwendigkeit der Schaffung entsprechender fester Strukturen von Reaktionsprodukten der zugegebenen hydraulischen Bindemittel, wie beispielhaft von Zementsteinstrukturen und damit Sicherung der Wiederverfestigung auch im Bereich huminer Böden bzw. großer Gehalte an huminen Inhaltsstoffen des temporär fließfähig eingestellten Bodens ist nötig, um z. B. die bei huminen Bodeninhaltsstoffen entfallende Wirkung hydraulischer Bindemittel zu kompensieren und dennoch eine Wiederverfestigung der temporär fließfähigen Massen mit den gewünschten Endeigenschaften zu erreichen und die bekannten Nachteile des Standes der Technik auszuschließen.
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Eine weitere Aufgabe ist es, die dauerhafte Bindung von Kontaminationen im Boden ohne Gefahr von Eluatbildungen bei von Wasser durchflossenen Böden zu ermöglichen, um die vor Ort vorgefundenen kontaminierten Böden nicht austauschen und gegen hohe Kosten entsorgen zu müssen und dennoch den Wirkungspfad Boden-Grundwasser wirkungsvoll zu schützen. Dabei sollen die wichtigsten physikalischen Eigenschaften der wieder einbaufähig gemachten Böden ebenfalls denen der Umgebungsböden und den Forderungen eines hochwertigen Kanalbaus hinsichtlich fremdspannungsfrei gelagerter und vor den Wirkungen dynamischer Lasten speziell Verkehrslasten geschützter Rohre und Leitungen weitgehend entsprechenden und nicht als am Ende starrer, steifer Erdbeton etc. eingebaut werden müssen.
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Zur Herstellung des selbst verfestigenden Verfüllbaustoffes sollen alle bekannten Bodenarten, unabhängig von deren Zusammensetzung (Sieblinie, Vorhandensein huminer Bodeninhaltsstoffe, etc) verwendet werden können.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch die Merkmale der Patentansprüche 1, 7 und 9.
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Bei dem Verfahren zur Herstellung eines selbst verfestigenden Verfüllbaustoffes wird lokaler Bodenaushub und trockener, quellfähiger Ton unter Zufuhr kinetischer Energie trocken gemischt, partiell zerkleinert und mechanisch so aufbereitet, dass die Bestandteile des trockenen, quellfähigen Tons durch die Reibungsenergie zwischen den Partikeln des Trockengemisches eine Aktivierung erfahren. Das Mischungsverhältnis zwischen Bodenaushub und Ton wird dabei derart eingestellt, dass sich nach der Erstarrung des unter Wasserzusatz fließfähig eingestellten Gemisches der ausgebrachte Verfüllbaustoff eine maximale Schwindung zwischen 0 und 3,0 Vol.-% aufweist.
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Der wesentliche Vorteil des innovativen Verfahrens besteht darin, dass die, durch Wasserzusatz zum Trockengemisch erhaltene, fließfähige Masse sich durch die dauerhafte Wasseranlagerung an den verfahrensgemäß eingesetzten Ton zu einem Verfüllbaustoff verfestigt, dessen Schwindverhalten dem des ursprünglichen Bodenaushubs entspricht.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird Bentonit als quellfähiger Ton eingesetzt, das die Möglichkeit bietet, größere Wassermengen dauerhaft kristallin zu binden.
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Zur gezielten Steuerung der Wasseranlagerung wird in einer weiteren, gleichfalls bevorzugten Ausbildung der Erfindung ein Gemisch aus verschiedenen Bentoniten eingesetzt. Besonders vorteilhaft erweist sich ebenso der Einsatz eines quellfähigen Tones aus einem Gemisch von Tonen unterschiedlicher Korngröße.
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Gleichfalls bevorzugt ist die Verwendung eines Gemisches von Tonen, die einen unterschiedlich hohen Energieeintrag aufweisen. Dadurch kann der zeitliche Ablauf des Verfestigungsprozesses gesteuert werden.
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Gleichfalls bevorzugt ist der Einsatz eines Gemisches von Tonen mit unterschiedlicher Gitterstruktur oder unterschiedlich beabstandeten Schichtenlayer, die gleichfalls eine Steuerung der Kristallwasseranlagerung und des temporären Verlaufs der Verfestigung der fließfähigen Masse ermöglicht.
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Gleichfalls bevorzugt ist der Einsatz eines Tones oder eines Gemisch von Tonen der bzw. das industriell vorbehandelt wurde und so prozessrelevante Eigenschaften gezielt verändert z. B. die Wasseranlagerungskapazität als Folge mineralogisch wirksamer Bindungsarten.
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Bevorzugt wird der verfahrensgemäß hergestellte Verfüllbaustoff zur Sicherung von Hochwasserschutzanlagen, insbesondere zur Sicherung und Verfüllung von Dämmen, Deichen oder deren Bestandteilen eingesetzt.
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Gleichfalls bevorzugt ist die Verwendung des verfahrensgemäß hergestellten Verfüllbaustoffes zur Einbettung und Verfüllung von Rohrleitungen, Kanälen und Kabeln im Tiefbau.
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Der selbst verfestigende Verfüllbaustoff besteht im wesentlichen aus beliebigem, lokalem Bodenaushub, der unmittelbar im Baustellenbereich entnommen wird. Der Bodenaushub wird mechanisch aufbereitet, bei Bedarf rieselfähig gemacht und seine tonigen und silikatischen Inhaltsstoffe dabei durch die Zufuhr von Reibungs- und kinetischer Energie aktiviert. Im trockenen Zustand wird trockener, quellfähiger Ton, vorzugsweise ein Bentonit oder ein Bentonit-Gemisch, zugegeben. Der quellfähige Ton übernimmt dabei sowohl die Funktion eines Plastifikators und eines Stabilisators und kann auch optional die eines Beschleunigers übernehmen.
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Im Sinne einer Definition wird nachfolgend unter einem Plastifikator ein Stoff verstanden, der die temporäre Fließfähigkeit des mit Anmachwasser versetzten Trockengemisches ermöglicht.
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Als Stabilisator wird ein Stoff verstanden, der die Wiederverfestigung des flüssig eingestellten und verbauten Verfüllbaustoffes durch unter ähnlichen bis gleich bleibenden Umgebungsbedingungen dauerhafte Wasseranlagerung bewirkt.
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Als Konditioner wird ein Stoff bezeichnet, der eine gewollte, gezielte Veränderung der physikalischen oder chemischen Eigenschaften des Verfüllbaustoffes bewirkt.
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Als Beschleuniger wird ein Stoff bezeichnet, dessen Verwendung zu einer Beschleunigung des Prozesses der Rückverfestigung des zeitweise fließfähigen Verfüllbaustoffes führt.
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Die Untersuchungen haben gezeigt, dass bei der Herstellung eines energetisch aufbereiteten Trockengemisches aus beliebigen Bodenarten und trockenem, quellfähigen Ton der ausschließlich zugesetzte Ton unter den erfindungsgemäßen Voraussetzungen sowohl die zunächst notwendige temporäre Fließfähigkeit des Gemisches als auch die spätere dauerhafte Wasserbindung und Stabilisierung des flüssig eingestellten Verfüllbaustoffes bewirkt. Diese differenzierten Eigenschaften können durch verschiedene Verfahrensschritte noch weiter verstärkt werden, beispielhaft wenn die mit geeigneter Technik zugeführte mechanische Energie zu einer im trockenen Zustand infolge der Reibung stattfindenden weiteren Aufmahlung der zugegebenen quellfähigen Tone führt. In diesem Falle entstehen neben der jeweiligen normalen Korngröße des jeweiligen Tones noch Kleinstteilchen mit viel geringerem Durchmesser, die bei der späteren Wasserzugabe schnell reagieren und so zu einer temporären Fließfähigkeit führen.
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Als quellfähige Tone werden erfindungsgemäß Bentonite in industriell vorbehandelter Form verwendet. Die Korngrößen des quellfähigen Tons liegen in unvorbehandelter Form in den üblichen Bereichen Der vorbehandelte, trockene, quellfähige Ton besteht dabei aus mindestens zwei unterschiedlichen Komponenten oder Chargen:
Die Komponente K1 besteht aus quellfähigem Ton, der eine sofortige Wasseranlagerung des Anmachwassers in der Mischeinrichtung in Form relativ leichter Hüllbindungen ermöglicht. Die Wasseranlagerung erfolgt dabei beispielhaft in einem Zeitraum von bis zu 15 (20) min nach Zugabe des Anmachwassers in das Trockengemisch, bestehend aus mechanisch aufbereitetem Bodenaushub und vorbehandeltem Bentonit. Diese Zeit kann durch den Grad des externen Energieeintrages während des Herstellungsprozesses beeinflusst werden.
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Höherer Energieeintrag bewirkt eine stärkere Differenzierung der Korngröße und somit eine schnellere Plastifizierung auf Basis dieser Partikel. Dieses über Hüllbindungen angelagerte Wasser plastifiziert das Gemisch und macht es temporär fließfähig.
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Die Komponente K2 ist eine vorbehandelte Tonkomponente, die erst nach einer technologisch notwendigen Verweil- oder Hilfszeit wirksam mit dem zugegebenen Wasser reagiert und durch diese Reaktion d. h. Wasseranlagerung in z. B. kristalliner Form die Wiederverfestigung mit den gewünschten Eigenschaften sichert.
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Um eine optimale Anpassung der Eigenschaften des späteren Verfüllbaustoffes an den umgebenden Boden zu realisieren, werden vor oder während des Bodenaushubs Bodenproben analysiert. In Abhängigkeit vom vorgefundenen Bodenaushub wird eine Beprobung und Beschreibung des Bodenprofils aufgrund der Farbe, Textur, Struktur sowie anderer diagnostischer Merkmale, der Unterschiede der vor Ort vorgefundenen Böden und der Bodeninhaltsstoffe z. B. huminer vorgenommen. In Abhängigkeit von der Homogenität des zu entnehmenden Bodenaushubs können eine Einzelprobe, z. B. als Mischprobe oder mehrere Proben an unterschiedlichen Aushuborten entnommen werden. So ist es durch diese Beprobung möglich, eine hinreichend genaue Ansprache des Bodens bzw. der vor Ort vorkommenden Bodenunterschiede und eine Einschätzung der spezifischen Eigenschaften bis hin zu klassischen Korngrößenfraktionen Sand, Schluff und Ton einer Bodenart vorzunehmen. Damit ist auch eine gute Beurteilung der Bearbeitbarkeit und der Wasserspeicherfähigkeit des Bodenaushubs möglich. Bei Bedarf können die Bodenproben, z. B. bei Verdacht auf Kontamination des Bodens, in mobilen oder stationären Laboreinrichtungen beprobt werden.
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In Abhängigkeit von den gefundenen Eigenschaften (Bodenart, Sieblinie, Bodeninhaltsstoffe, Grundwassereigenschaften usw.) werden gezielt und entsprechend der jeweiligen technischen und technologischen Aufgabe Versuche vorgenommen, bei denen eine Bodenaushubprobe mit unterschiedlichen Zugabemengen der möglichen Zugabestoffe gemischt und aktiviert wird, bis sich die gewünschten Eigenschaften einstellen. Als Maß für die Beurteilung der Konsistenz des Gemisches aus Bodenaushub, quellfähigem Ton und Anmachwasser dient dabei die Fließfähigkeit, bei dem ein vorgegebenes Bodenausbreitungsmaß gemessen wird. Die Bestimmung des Bodenausbreitungsmaßes ist notwendig, um die technologisch relevanten Eigenschaften des Bodens (z. B. bei Hanglage einer Baustelle) beurteilen zu können und bei Bedarf auch gezielt zu verändern.
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Durch Untersuchungen an der Bodenaushubprobe wird die notwendige Rezeptur bestimmt. Diese ist dann ermittelt, wenn nach der Erstarrung des fließfähig eingestellten Gemisches keine oder nur eine hinreichend geringe Schwindung (in der Regel zwischen 0,2% und 3,0% des Volumens) zu beobachten ist und keine ungewollten, späteren Eigenschaftsänderungen auftreten.
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Durch Untersuchungen wurde festgestellt, dass die Fließfähigkeit des Gemisches aus Bodenaushub und quellfähigem Ton primär durch die Hüllbildung des Anmachwassers erzeugt wird, bei der sich Wasser an der unmittelbaren Oberfläche der Tonpartikel anlagert. Die für die Fließfähigkeit nutzbare und nicht drainierende Wassermenge ist einstellbar durch die gezielte Aktivierung der Tonpartikel. Dazu wir in modifizierten Mischeinrichtungen das Gemisch aus Bodenaushub und Zugabestoffen (Ton und Tongemische sowie optional auch Beschleuniger) durch die kinetische Energie der bewegten Teile der Mischeinrichtung und die Reibungsenergie der Partikel untereinander aktiviert. So kann sich in vergleichsweise kurzen Zeitintervallen (beispielhaft 0 < 10 ... 20 min) das Hüllwasser an der Oberfläche der Tonpartikel anlegen.
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Im Gegensatz zum bekannten Stand der Technik wird keine gesättigte Suspension hergestellt, die zu dem bekannten Schädigungsverhalten führt.
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Dadurch, dass das für die Plastifizierung zugegebene Wasser zunächst nur an der Oberfläche (Hüllbildung) des quellfähigen Ton angelagert wird, wird die notwendige Fließfähigkeit hergestellt, die für den Umschlag, den Transport des Gemisches im Mischer und die Ausbringung des Gemisches notwendig ist.
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Während des Ausbringens des Baustoffgemisches auf der Baustelle erfolgt eine Stabilisierung des Gemisches durch Einlagerung des Anmachwassers im Inneren des quellfähigen Tons über verschiedene Bindungsarten (z. B. kristalline Bindung).
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Bevorzugt werden als quellfähige Tone unterschiedliche Arten von Bentoniten oder Mischungen aus unterschiedlichen Bentoniten eingesetzt, die vorbehandelt wurden, um prozessrelevante Eigenschaften zu optimieren wie beispielsweise die Wasseranlagerungskapazität. So kann zum einen die Korngröße des Bentonits chargenweise modifiziert werden. Das geschieht im einfachsten Fall durch mechanische Aufbereitung (Malen und Aktivieren) des quellfähigen Tons in trockenem Zustand beispielhaft in der jeweiligen Mischeinheit der verwendeten Maschinentechnik.
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Daneben besteht die Möglichkeit, unterschiedliche Arten von Bentoniten mit zum Teil unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften zu kombinieren. Ebenso besteht die Möglichkeit, das verwendete, homogene Bentonit in unterschiedliche Chargen aufzuteilen und separat aufzumalen.
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Auch können Bentonite verwendet werden, deren natürliches Vorkommen bereits für eine ausreichend differenzierte Reaktion des Materials sorgt, die wiederum durch industrielle Vorbehandelung verstärkt werden kann, so dass die Funktion des Plastifikators und des Stabilisators in diesem Falle auch von ein und dem selben Material erfüllt werden kann.
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Die gezielte Verwendung unterschiedlicher Arten und Korngrößen von Bentoniten weist den Vorteil auf, dass das Material gleichzeitig und ohne negative Nebenwirkung auf technologische Eigenschaften und Qualität des Endproduktes als Plastifikator und als Stabilisator wirkt und in speziellen Fällen auch gezielt für die Beeinflussung der Endeigenschaften des wieder verfestigten Materials wie beispielhaft die Dichte und Elastizität und damit als Konditioner eingesetzt werden kann.