DE2819974C3 - Bodenverfestigungsmittel zur Befestigung von Erdmassen - Google Patents
Bodenverfestigungsmittel zur Befestigung von ErdmassenInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Bodenverfestigungsmittel, das zur Befestigung von Erdmassen,
worunter auch Gesteins- und Kieselmassen verstanden werden, beispielsweise beim Bau von Tunnels, Dämmen
und ähnlichen Untergrundbauten, Verwendung findet.
Es sind bereits verschiedene Verfahren zur Konsolidierung von Erdmassen bekannt, bei denen beispielsweise
Zementmilch oder Natriumsilikat und ein Härtungsmittel zur Härtung des Natriumsilikats eingesetzt
werden. Dabei werden als Härtungsmittel beispielsweise Caliumchlorid, Natriumcarbonat, Natriumsulfat,
Schwefelsäure, Kupfersulfat, gelöschter Kalk, Aluminiumsulfat, ein Qualitätsbauzement, Bentonit, Natriumaluminat,
Natriumbicarbonat und Natriumsilicofluorid verwendet. Diese bekannten Verfahren haben jedoch
den Nachteil, daß die Zeit, in der das Erdreich konsolidiert wird (Gelatinierungszeit), allgemein kurz ist
und bereits bei kleinen Änderungen des Mischungsverhältnisses von Natriumsilikat zu Härtungsmittel außerordentlich
schwankt, so daß man die Gelatinierungszeit nicht in ausreichendem Maße kontrollieren kann und die
Ausführung der Erdmassenbefestigung sehr mühsam und störanfällig ist.
In den letzten Jahren wurden verschiedene organische Bodenverfestigungsmittel entwickelt, die ein hohes
Bodendurchdringungsvermögen besitzen und mit deren Hilfe die Gelatinierungszeiten leicht eingestellt werden
können. Bekannte organische Bodenverfestigungsmittel sind beispielsweise solche aus Polyacrylamid, Harnstoffharzen,
Polyacrylaten, Urethanharzen und Chromlignin. Diese organischen Bodenverfestigungsmittel sind giftig
und können nicht in der Nähe von Quellen, unterirdischen Wasserläufen, Flüssen und Bächen, Seen und
Sümpfen verwendet werden.
Unter den verschiedenen Methoden, die zur Durchführung von Bodenbefestigungsarbeiten verfügbar sind
und auf der Verwendung von flüssigen Chemikalien vom Wasserglastyp beruhen, hat das sogenannte
LW-Verfahren (japanische Patentschrift Nr. 24122/ 1961) in der praktischen Anwendung weite Verbreitung
gefunden. In diesem Verfahren wird eine Suspension eines Bodenverfestigungsmittels verwendet, das sich aus
einem Bauzement und Natriumsilikat zusammensetzt, Dieses Bodenverfestigungsmittel umfaßt insbesondere
2,5 bis 100 Gewichtsteile der Hauptkomponente des Wasserglases pro Gewichtsteil Bauzement. Das LW-Verfahren
besitzt jedoch den Nachteil, daß die Gelatinierungszeit und die Festigkeit der behandelten
Erdmasse in einer wechselseitigen entgegengesetzten Beziehung zueinander stehen. Während der Anteil an
Zement zum Zwecke der Festigkeitserhöhung der
55
t>o
tr> Erdmaise gesteigert werden muß, wird die Gelatinierungszeit
entsprechend verkürzt. Dadurch härtet das Verfestigungsmittel aus, bevor es bis zur gewünschten
Tiefe in die Erdmasse eingedrungen ist, und verhindert dadurch eine reibungslose Durchführung der Injektion.
Aufgabe der Erfindung ist daher die Schaffung eines Bodenverfestigungsmittels, das hinsichtlich der Gelatinierungszeit
von den Mischungsverhältnissen Silikat/ Härter möglichst unabhängig ist und zu besseren
Druckfestigkeiten führt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Bodenverfestigungsmittel gemäß Anspruch '.
Ein spezifisches Beispiel für ein solches Alkalisalz der Kieselsäure ist Wasserglas. Für den Fall, daß als zweite
Komponente Imidodisulfonsäure und/oder Imidodisulfonate mit einer ziemlich hohen Acidität eingesetzt
werden, wird vorzugsweise ein Wasserglas mit einem niedrigen Siliciumdioxid/Natriumoxid-Verhältnis verwendet,
d. h. ein Wasserglas mit einem hohen Na2O-Gehalt,
um die gewünschte Gelatinierungszeit zu erhalten. Wenn dagegen die zweite Komponente ein lmidodisulfonat
mit einer niedrigen Acidität ist, wird vorzugsweise ein Wasserglas mit einem hohen SiO2/Na2O-Verhältnis
eingesetzt
Die erfindungsgemäß verwendete Imidodisulfonsäure [(SO3H)2NH] und ihre Salze erhält man dadurch, daß
man Stickstoffoxide enthaltendes Abgas in Kontakt mit einer wäßrigen Lösung bringt, die mindestens ein
Eisen(II)salz und wenigstens ein Alkalisulfid enthält, um die Stickstoffoxide aus dem Abgas zu entfernen (US-PS
39 91 161, US-PS 39 92 508 und US-PS 40 55 623).
Die erfindungsgemäß eingesetzten Imidodisulfonate können beispielsweise in Form des Ammonium-,
Natrium-, Kalium-, Calcium- und/oder Magnesiumsalzes vorliegen. Als spezifische Beispiele werden die
folgenden genannt:
(NH4SOj)2NH
Ca(SO3I2NNH4
Ca(SOj)2N
Ca(SO3I2NNH4
Ca(SOj)2N
>Ca
Ca(SO.,)2N
Ca(SO3J2N · Na · 3 H2O
Ca(SOj)2N
^>Cu ■ 8 H2O
Ca(SOj)2N'
Ca(SOj)2N'
Ca(SOj)2NH ■ 3H2O
(NaSOj)2NH
(NaSOj)2NH
Imidodisulfonsäuren und ihre Salze weisen unterschiedliche pH-Werte auf, die im Bereich zwischen 4
und 11 liegen, und besitzen eine unterschiedliche Wasserlöslichkeit. Ein besonderer Vorteil der Erfindung
liegt darin, daß die Imidodisulfonsäure und ihre Salze auch bei Änderung ihres Mischungsverhältnisses nur
einen relativ geringen Einfluß auf die Gelatinierungszeiten haben, so daß diese leicht geregelt werden können,
wobei gleichzeitig die behandelten Erdmassen eine hohe Verfestigung erhalten. Imidodisulfonsäure und
ihre Salze haben außerdem eine sehr niedrige Toxizität.
Das erfindungsgemäße Bodenverfestigungsmaterial gemäß Anspruch 1 ist hinsichtlich des Mischungsverhältnisses
der Komponenten nicht besonders kritisch. Dieses sollte aber unter Berücksichtigung der jeweiligen
besonderen Verhältnisse des zu verfestigenden Materials passend ausgewählt werden. Im einzelnen kann
durch geeignete Wahl und Mischung der genannten Komponenten im gewünschten Verhältnis und Injizieren
der resultierenden Mischung in die Erdmasse der Boden bei der gewünschten Gelatinierungsgeschwindigkeit
(bzw. Härtungsgeschwindigkeit) verfestigt und auf diese Weise die Konsolidierung der Erdmassen
leicht bewerkstelligt werden. Darüber hinaus verhütet diese Arbeitsweise nach der Konsolidierung das
Auftreten möglicher Verluste der Alkalikomponente aus dem Boden und macht es möglich, dem Boden
genügende Festigkeit und wasserabschirmende Eigenschaften zu geben.
Das Bodenverfestigungsmaterial gemäß der Erfindung kann zusätzlich ein Härtungsmitte] zur Härtung
des Silikats enthalten. Beispiele für geeignete Härtungsmittel sind Calciumchlorid, Natriumcarbonat, Schwefelsäure,
Kupfersulfat, gelöschter Kalk, Bauzement, Bentonit, Natriumaluminat, Natriumbicarbonat, Natriumsilicofluorid,
Calciumaluminat, Gips, Natriumsulfat, Natriumbisulfit,
Calciumcarbonat, Celluloseglykolat, Ammoniumsulfat, Phosphorsäure, Natriumphosphat, Ethylencarbonat,
Kaliumbicarbonat, Adipinsäuredimethylsulfoxid, Ethylenglykoldiacetat, Glyoxal, Gamma-Butyllacton,
Essigsäure, Fettsäureester von Polyethylenglykol w u. dgl. Als Bauzement können Portlandzement, gemischter
Zement oder jeder andere ähnliche Zement verwendet werden. Besonders bevorzugt wird Portlandzement.
In diesem Fall kann das Mischungsverhältnis von Silikat zu Zement in dem ungefähren Bereich von r,
0,1 bis 100 Gewichtsteilen Silikat pro Gewichtsteil Zement liegen. Wenn das Mischungsverhältn.., von
Zement zu Silikat groß ist, ist die Härtungszeit (Gelatinierungszeit) sehr kurz, obwohl der erhaltene
konsolidierte Boden eine hohe Festigkeit besitzt, so daß in diesem Fall die Mischung nicht problemlos verwendet
werden kann. Um die Festigkeit der erhaltenen konsolidierten Erdmasse zu erhöhen und die Gelatinierungszeit
in geeigneter Weise zu regeln, wird vorzugsweise das Silikat mit dem Zement in einem Verhältnis
von 0,2 bis 2 Gewichtsteilen Silikat pro Gewichtsteil Zement gemischt und zu der erhaltenen Mischung
Natriumimidodisulfonat oder ein anderes ähnliches Imidodisulfonat mit relativ hohen pH-Wert in einer
Menge von 0,1 bis 10 Gewichtsteilen pro Gewichtsteil des festen Natriumsilikats zugemischt. Eine geeignete
Verkürzung der Härtungszeit wird vorzugsweise dadurch erreicht, daß man unter den Imidodisulfonaten
ein solches mit einem hohen Calciumgehalt, beispielsweise Calciumimidodisulfonat, auswählt
Wenn der besondere Zweck der Konsolidierung des Bodens eine Einregulierung der Härtungskapazität der
erfindungsgemäßen Zusammensetzung erfordert, kann eine solche selbstverständlich durch Regelung der
Konzentration der Einzelkomponenten erfolgen, erforderlichenfalls auch durch Zusatz der oben im
einzelnen genannten Härtungsmittel.
Die Konsolidierung von Erdmassen durch Verwendung der erfindungsgemäßen Bodenverfestigungsmittel
kann in an sich bekannter Weise durchgeführt werden, beispielsweise durch Versprühen, Zerstäubung, Einmischen,
Einspritzen u. dgl. Sämtliche Komponenten der Komposition können vor der Injektion miteinander
gemischt und dann unter Druck injiziert werden. Es ist aber auch möglich, die- Komponenten unabhängig
voneinander zu injizieren. Die Injektion der erfindungsgemäßen Zusammensetzung in die Erdmasse kann aber
auch in der Weise erfolgen, daß man zunächst die Komponenten in gepulvertem Zustand mischt, die
erhaltene Mischung beispielsweise in einem Papierzylinder unterbringt, der in ein Loch eingesetzt wird, das
zuvor in die Erdmasse gebohrt wurde, und dann die Mischung in der Erdmasse aushärten läßt.
Da die erfindungsgemäße Bodenverfestigungsmasse anorganischer Natur ist, besteht keine Gefahr, daß
durch ihre Anwendung vorliegende Bestimmungen zur Reinhaltung des Wassers und Abwasser-Verordnungen
verletzt werden. Auch hierin liegt ein besonderer Vorteil der vorliegenden Erfindung.
Die Erfindung wird durch die nachfolgenden Beispiele weiter erläutert
Ein Glasrohr von 5 cm Innendurchmesser und 10 cm
Höhe wurde mit etwa 400 g standardisiertem Sand gefüllt, wobei oben auf dem so erhaltenen Sandbett ein
freier Raum verblieb. In diesen Raum wurde eine wäßrige, gründlich gerührte Mischung aus Wasserglas
und aus dem Imidodisulfonat gegossen. Dann wurde rasch ein reduzierter Druck auf das so gefüllte Rohr
ausgeübt, um ein Eindringen der flüssigen Zusammensetzung in den Sand 2U bewirken. Nachdem der Inhalt in
dem Rohr erstarrt war, wurde ein Teil des von der flüssigen Zusammensetzung durchdrungenen Sandbettes
auf Festigkeit geprüft, die als Druckfestigkeit bestimmt wurde. Die Ergebnisse sind in der Tabelle la
zusammengestellt. In allen Versuchen erreichten die festgestellten Festigkeitswerte der konsolidierten Sandproben
nach 48 Stunden den Bereich zwischen 5 und 20 kg/cm2. Die Tabelle Ib zeigt Vergleichsversuche mit
üblichen Härtern.
| Komponente | Versuch ] | Nr. | 3 | 4 | 5*) | Ca ■ 8 H2O | 6 | |
| Natriumsilikat (g) | 1 | 2 | 20 | |||||
| 1. | Wasser (g) | 50 | 70 | 70 | 70 | |||
| Komponente | 50 | 70 | 50 | 30 | 30 | 30 | ||
| Wasser (g) | 50 | 30 | ||||||
| 2. | I midodisulfonat (g) | 80 | 80 | 80 | 80 | |||
| 80 | 80 | Ca(SO3I2N | Ca(SQj)2N. Ca(SOj)2N |
(Ni | ||||
| Ca(SOj)2NH 3H2O | ||||||||
| 20 | ||||||||
| 20 | ||||||||
| 1SOj)2NNa ■ 3 H2O | ||||||||
| .20 |
Fortsetzung
Versuch Nr.
12 3 4 5·)
| 4 | 3 | 1 |
| 3,0 | 4,0 | 4,0 |
| 10,0 | 15,0 | 18, |
(Min.)
tränkten Probe des Sandbettes
(kg/cm2) nach 2 Stunden
Druckfestigkeit derselben 6,0 14,0 10,0 15,0 18,0 8,0
Sandbettproben (kg/cm2) nach
48 Stunden
*) In den VersuchsBufen neigten die Sandproben dazu, teilweise zu koagulieren, wodurch angezeigt wird, daß das Verfahren, zwei flüssige
Komponenten zu mischen, genau eingestellt werden sollte.
'· .-rglcichsversuch Nr.
1 2 3*·)
1. Komponente
Natriumsilikat (g) 50 70 50 7O
Wasser (g) 50 30 50 30
2. Komponente
Wasser (g) 90 80 90 90
Härtungskomponente (g) Natriumaluminai Calciumchlorid
!0 20 10 !Ο
Gelatinierungszeit (Min.) 5 3 1 0.5
Druckfestigkeit einer durchtränkten Probe 3.0 3.5 4.0 4.0
des Sandbettes (kg/cm2) nach 2 Stunden
Druckfestigkeit derselben Sandbettprobe ikg/cnr) 3.5 3.8 4,2 -.3
nach 48 Stunden
Bemerkungen:
**) In den Versuchsläufen neigten die Sandproben dazu, !eilweise zu koagulieren. wcL.irch angezeigt wird, daß das Verfahren.
zwei flüssige Komponenten zu mischen, genau eingesteill werden sollte.
Änderungen der Zusatzmengen nicht sehr änderte. Die
Es wurden Versuche durchgeführt, die die Beziehung Versuche 4 bis 6 zeigen dagegen, daß die Gelatinie-
zwischen der Gelatinierungszeit und dem Mischungs- rungszeit geändert werden kann, wenn zusätzlich zum
verhältnis bei der Verwendung von Natriumsilikat und ρ ,<,„ , N„ „ n
den verschiedenen Imidodisulfonaten aufzeigen. Die 5o (3/2 · 2
Versuchsbedingungen und -ergenisse sind in Tabelle 2a noch
zusammengestellt. Dabei zeigen die Versuche 1 bis 3 die (NaSC^NNa · 3 H2O
Beziehung zwischen der zugefügten Menge an
r /cn \ μη τ u η zugefügt wird. Auf diese Weise kann die Gelatinierungs-
CaIbU3J2NM · J H2U .. zejt durch geeignete Wahl der Art und
und der Gelatinierungszeit, die sich bei den geringen von Imidodisulfonaten eingestellt werden.
Tabelle 2 a (bei 15 C)
Versuch Nr.
1 2
1 2
Natriumsilikat (g) 50 50 50 50 50 50
/Na2O/SiO: \
V ungefähr 1:3/
V ungefähr 1:3/
Wasser (g) 50 50 50 50 50 50
rortM.'t/.iinu
Versuch Nr. I
| Ca(SO1J2NH · 3H?0(g) | 18 | 20 | 22 | 20 | 20 | 15 |
| (NaSOy)2NNa ■ 3 H2O (g) | 0 | 0 | 0 | 3 | 6 | 6 |
| Wasser (g) | 80 | 80 | 80 | 80 | 80 | 80 |
| Gelatinierungszeit (Min.) | 4,3 | 3,1 | 2,5 | 5,5 | 9,3 | 24, |
Zum Vergleich wurden die Versuche Nr. 7 bis 12 mit Natriumaluminat und CaCl2 durchgeführt. Die Ergebnisse
sind in Tabelle 2b zusammengestellt. Offensichtlich ändert sich die Gelatinierungszeit schon bei geringen
Änderungen der Zusatzmengen stark, so daß eine sehr genaue Einstellung des Mischungsverhältnisses erforderlich
ist.
| Tabelle 2 b | Versuch Nr. | 8 | 9 | 5 | 1,5 | 10 | 11 | 1 | (bei 15 C) | 12 |
| 7 | 50 | 50 | Beispiel | 3 | 50 | 50 | 50 | |||
| 50 | ||||||||||
| Natriumsilikat (g) | 50 | 50 | 50 | 50 | 50 | |||||
| /Na2O/SiO, λ V ungefähr 1 : 3/ |
50 | Natriumaluminat 8 10 12 |
Calciumchlorid 8 10 |
12 | ||||||
| Wasser (g) | 13 | 4 | sofort kristallisiert |
|||||||
| Härtungskomponente (g) | ||||||||||
| Gelatinierungszeit (Min.) | ||||||||||
30 g Portlandzement wurden in 100 g Wasser dispergiert und mit einer Lösung von 70 g Wasserglas
(Verhältnis Na2O/SiO2 ungefähr 1 :3) und 10 g Trinatriumimidodisulfonat
(NaSOs)2NNa in 50 g Wasser gemischt. Die Gelatinierung trat nach ungefähr
lOminütigem Mischen ein, die Festigkeit des Gels selbst
betrug nach 24stündiger Alterung 1,5 kg/cm2. Die Festigkeit der Probe, die durch Mischen der obenerwähnten
Mischung mit standardisiertem Sand (von Toyoura) hergestellt wurde, betrug nach einer 72stündigen
Alterung der Mischung in feuchter Luft 25 kg/cm2.
Eine Vergleichsprobe wurde in der gleichen Weise, aber ohne Zusatz von Natriumimidodisulfonat, hergestellt.
Es gelierte bald nach der Zumischung, d.h. innerhalb von 2 Minuten, und konnte daher nicht für die
Konsolidierung des Sandes gebraucht werden.
Es wurde die gleiche Mischung wie in Beispiel 3 hergestellt mit dem Unterschied, daß die Menge an
(NaSOa)2NNa auf 20 g erhöht wurde. Dadurch wurde
die Gelatinierungszeit um 5 Minuten auf 15 Minuten verlängerL Die Festigkeit des Gels selbst betrug nach
24siündigerri Stehenlassen 1,3 kg/cm7, nach 72stür.digem
Aushärten 8 kg/cm2. Durch Vermischen dieser Mischung mit standardisiertem Sand (von Toyoura),
Koagulieren der erhaltenen Mischung und 72stündigem Aushärtenlassen dieser Mischung in feuchter Atmo-
Sphäre wurde eine Probe erhalten, dessen Festigkeil 22 kg/cm2 betrug.
Die Beziehung zwischen der Härtungszeit und den-Mischungsverhältnis
von Zement, Wasserglas unc Imidodisulfonaten' wurde in den in Tabelle 3 zusammengestellten
Versijchsergebnissen aufgezeigt. Daraus gehl
deutlich hervor, daß die Härtungszeit durch Zusatz vor (NaSO3)2NNa bzw. Ca(SO3J2NNa · 3 H2O in einenweiten
Bereich geregelt werden kann.
| Portland zement |
H2O | Wasserglas (Na2O/SiCb ungefähr 1:3) |
30 | (NaSO3)2NNa | 0 | H2O | Gewichts verhältnis von Zement/ Wasserglas |
Härtungs zeit |
| g | g | g | 30 | g | 20 | g | - | (15 C) |
| 40 | 100 | 70 | 0 | 150 | 1.3 | 0.1 | ||
| 40 | 100 | 150 | 1.3 | 1.8 | ||||
| 30 | 100 | 50 | 0.4 | 2.0 |
•"ort sei/u ng
100 100 100 100
70
70
200
200
50
50
100
100
10
| Portland | IU) | Wasserglas | (NaSO1HNNa | H1O | Gewichts- | llärtungs- |
| zement | (Na,O/SiO, | verliiiltnis | ZC it | |||
| ungefähr | von Zement/ | |||||
| 1:3) | Wasserglas | |||||
| B | e | g | B | B | - | (15 C) |
0.4 0.4 0.2 0.2
10 15 10
*) Ca(SOj)2NNaOHiO.
Claims (2)
1. Bodenverfestigungsmittel enthaltend ein Alkalisilikat und eine Schvefel enthaltende Säure und/
oder deren Salze, dadurch gekennzeichnet, daß es als Schwefel enthaltende Säure
und/oder deren Salze Imidodisulfonsäure und/oder ein oder mehrere Imidodisulfonate enthält
2. Bodenverfestigungsmittel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als lmidodisulfonat das
Ammonium-, Natrium-, Kalium-, Calcium- und/oder Magnesiumsalz eingesetzt wird.
Applications Claiming Priority (2)
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