DE2819974A1

DE2819974A1 - Bodenverfestigungsmittel zur befestigung von erdmassen

Info

Publication number: DE2819974A1
Application number: DE19782819974
Authority: DE
Inventors: Kiichi Endo; Fukushima Iwaki; Tatsuhiko Noguchi; Hachiro Yamaguchi
Original assignee: Kureha Corp
Current assignee: Kureha Corp
Priority date: 1977-05-09
Filing date: 1978-05-08
Publication date: 1978-11-23
Also published as: FR2390398A1; FR2390398B1; DE2819974B2; US4208216A; GB1597782A; DE2819974C3

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 Calciumchlorid, 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.

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In den letzten Jahren wurden verschiedene organische Boden verfestigungsmittel 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, ürethanharzen und Chromlignin. Die Verwendung dieser organischen Bodenverfestigungsmittel ist in Japan wegen ihrer möglichen Giftwirkung auf den Menschen seit 1975 verboten. Diese organischen Verbindungen können, wenn man sie in Gebieten verwendet, die in der Nähe von Quellen, unterirdischen Wasserläufen, Flüssen und Bächen, Seen und Sümpfen liegen, eventuell eine ernste nachteilige Wirkung auf den Menschen, auf Fische, Schalentiere usw. ausüben, die sich in der unmittelbaren Umgebung aufhalten. In der Verordnung des japanischen Bauministeriums vom Juli 1974 wurde festgesetzt, daß zur Zeit nur solche Chemikalien für die Verwendung bei Bauarbeiten zugelassen sind, die auf flüssigen Chemikalien vom Wasserglastyp basieren, d.h. die vorwiegend Natriumsilikate enthalten, und die frei von stark reagierenden Verbindungen oder Fluorverbindungen sind.

Unter den verschiedenen Methoden, die zur Durchführung von Bodenbefestigungsarbeiten verfügbar sind und auf der

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Verwendung von flüssigen Chemikalien vom Wasserglastyp beruhen, hat das sogenannte LW-Verfahren (japanische Patentveröffentlichung 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 Erdmasse 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 vorliegenden Erfindung ist daher die Schaffung eines Bodenverfestigungsmittels mit sehr geringer Toxizität und einer den praktischen Bedürfnissen im gewünschten Maße Rechnung tragenden Gelatinierungszeit.

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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Bodenverfestigungsmittel gemäß Anspruch 1. Es wurde nämlich gefunden, daß für die oben genannten Zwecke eine Zusammensetzung, die ein Silikat, Imidodisulfonsäure und/oder ein Salz dieser Säure umfaßt, als Bodenverfestigungsmittel sehr vorteilhaft geeignet ist.

Erfindungsgemäß können solche Silikate verwendet werden, die die Fähigkeit zur Verfestigung von Erdmassen besitzen, z.B. die Alkalisalze der Kieselsäure. Ein spezifisches Beispiel für ein solches Alkalisalz der Kieselsäure ist Wasserglas. Für den Fall, daß als zweite Komponente Imidodisulfonsäure und/oder Imidodisulfonate mit einem ziemlich hohen Säuregrad 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 Imidodisulfonat mit einem niedrigen Säuregrad ist, wird vorzugsweise ein Wasserglas mit einem hohen SiO₂/Na₂O-Verhältnis eingesetzt.

Die erfindungsgemäß verwendete Imidodisulfonsäure ^TsO₃H)₂NH? und ihre Salze erhält man dadurch, daß man Stickstoffoxide

•7* enthaltendes Abgas in Kontakt mit einer wäßrigen Lösung

bringt, die mindestens ein Eisen (II)salz und wenigstens

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ein Alkalisulfid enthält, um die Stickstoffoxide aus dem Abgas zu entfernen gemäß einem Verfahren nach US-PS 3 991 161, US-PS 3 992 508 und US-PS 4 055 623.

Die erfindungsgemäß eingesetzten Imidodisulfonate können beispielsweise in Form des Ammonium-, Natrium-, Kalium-, Calcium- und/oder Magnesiumsalzes vorliegen. Als spezifische Beispiele werden die folgenden genannt:

(NH₄SO₃J₂NH, Ca(SO₃J₂NNH₄, Ca(SO₃J₂N ,Ca(SO₃J₂N-Na-SH₂

Ca(SO₃J₃N

Ca(SO-J₀N

^{3 2} >Ca-8H₂O, Ca(SO₃J₂NHOH₂O, (NaSO₃J₂NH

Ca(SO₃J₂N

Imidodisulfonsauren und ihre Salze haben unterschiedliche Säuregrade, 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 niedri ge Toxizität, so daß sie beispielsweise als Zusatz für

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synthetische Waschmittel einen geringeren Beitrag zur Verunreinigung der Umwelt liefern sollen als Natriumtripolyphosphat. Sie können demzufolge auch unbedenklich für die oben genannten Verwendungszwecke eingesetzt werden.

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 Härtungsmittel zur Härtung des Silikates enthalten. Beispiele für geeignete Härtungsmittel sind Calcium-

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chlorid, 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 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 0,1 bis 100 Gewichtsteilen Silikat pro Gewichtsteil Zement liegen. Wenn das Mischungsverhältnis 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 hohem pH-Wert in einer Menge von

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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 erfindungsgemäSen 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

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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, ohne jedoch hierauf beschränkt zu sein.

Beispiel 1

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 mit einer ersten Komponente aus Wasserglas und einer zweiten Komponente 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 zu bewirken. Nachdem der Inhalt in dem Rohr erstarrt war, wurde ein Teil des von der flüssigen Zusammensetzung durchdrungenen Sandbettes auf Festigkeit geprüft,

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die als Druckfestigkeit bestimmt wurde. Die Ergebnisse sind in den Tabellen 1a und 1b zusammengestellt. In allen Versuchen erreichten die festgestellten Festigkeitswerte der konsolidierten Sandproben nach 48 Stunden den Bereich zwischen

5 und 20 kg/cm .

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Tabelle 1a

	Versuch Nr.	Natriurasilikat (9)	1	2	2	3	4	3	5*	6
	1. Kom ponente	Wasser (?)	50	70	3,5	50	70	4,0	70	70
608	2. Kom ponente	Wasser (?)	50	30	14,0	50	30	15,0	30	30
OO "«J ■»> O -«4 Oi O		Imidodisulfonat (g)	80	80	80	80	80	80
	Härtungszeit (Gelatinierungs- zeit) (Min.)	Ca (SO₃)₂NH-3H₂O 20	Ca(SO₃J₂NNH₄ 20	Ca(SO₃) ₂Ν._ρ, Orr _n Ca(SO^) V^Ca-^8H2° ^{0 l} 20	(NaSO,)_NNa- 3H₂O ^J ^z 20
Druckfestigkeit einer durch tränkten Probe des Sandbettes (kg/cm²) nach 2 Stunden	3	4	1	> 30
Druckfestigkeit derselben Sandbettproben (kg/cm²) nach 48 Stunden	2,0	3,0	4,0	2_;5
6,0	10,0	18,0	8,0

Bemerkungen: In den Versuchslaufen neigten die Sandproben dazu, teilweise zu koagulieren,
wodurch angezeigt wird, daß das Verfahren, zwei flüssige Komponenten zu mischen, genau eingestellt werden sollte.

Tabelle 1b

Ver gleichs- versuch Nr.	Natriumsilikat (g)	1	2	3	3 **	50	4 **	70	0,5
1. Kom ponente	Wasser (g)	50	70	3,5	50	30	4,0
2. Kom ponente	Wasser (g)	50	30	3,8	90	90	4,3
	Härtungskomponente (?)	90	80	Calciumchlorid 10 10
Gelatinierungsseit (Min.)	Natriumaluminat 10 20	1
Druckfestigkeit einer durchtränkten Probe des Sandbettes (kg/cm²) nach 2 Stunden	5	4,0
Druckfestigkeit derselben Sandbett probe (kg/cm²) nach 48 Stunden	3,0	4,2
3,5

Bemerkungen:

^In^^denu^{VerSUChSläufen nei}?^{ten di}e Sandproben dazu, teilweise zu koagulieren wodurch angezeigt wird, daß das Verfahren, zwei flüssige Komponenten zu misehen, genau eingestellt werden sollte.

Beispiel 2

Es wurden Versuche durchgeführt, die die Beziehung zwischen der Gelatinierungszeit und dem Mischungsverhältnis bei der Verwendung von Natriumsilikat und den verschiedenen Imide— disulfonaten aufzeigen. Die Versuchsbedingungen und -ergebnisse sind in Tabelle 2a zusammengestellt. Dabei zeigen die Versuche 1 bis 3 die Beziehung zwischen der zugefügten Menge an Ca(SO₃J₂NH.3H₂O und der Gelatinierungszeit, die sich bei den geringen Änderungen der Zusatzmengen nicht sehr änderte. Die Versuche 4 bis 6 zeigen dagegen, daß die Gelatinierungszeit geändert werden kann, wenn zusätzlich zum Ca(SO₃J₂NH. 3H₂O noch Ca(SO₃J₃NNa.3H₂O zugefügt wird. Auf diese Weise kann die Gelatinierungszeit durch geeignete Wahl der Art und Kombination von Imidodisulfonaten eingestellt werden.

Tabelle 2a

(bei 15^UC)

Versuch-Nr.	1	2	3	4	5	6
Natriumsilikat (g)	50	50	50	50	50	5O
\ ungefähr \ 1 : 3 )
Wasser (g)	50	50	50	50	50	50
Ca(SO₃J₂NH.3H₂O(g)	18	20	22	20	20	15
Ca (SO₃J₂NNa.3H₂O(g)	0	0	0	3	6	6
Wasser (g)	80	80	80	80	80	80
Gelatinierungszeit (Min.)	4,5	3	2,3	5	9	25

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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 Gelatxnierungszext schon bei geringen Änderungen der Zusatzmengen stark, so daß eine sehr genaue Einstellung des Mischungsverhältnisses erforderlich ist.

Tabelle 2b

(bei 15^υΟ

Versuch-Nr.	7	8	5	9	10	11	12	1	sofort kri stallisiert
Natriumsilikat (g)	50	50	50	50	50	50
/Na„O/SiO„\
ι ungefähr / \ 1 : 3 j
Wasser (g)	50	50	50	50	50	50
Härtungskompo nente (g)	Natrium- aluminat 8 10	12	Calciumchlorid 8 10 12
Gelatinierungszeit (Min.)	13	1,5	4

Beispiel 3

30 g Portlandzement wurden in 100 g Wasser dispergiert und mit einer Lösung von 70 g Wasserglas (Verhältnis Na_o0/Si0_o ungefährt 1:3) und 10 g Trinatriumimidodisulfonat (NaSO₃)JNNa in 50 g Wasser gemischt. Die Gelatinierung trat nach ungefähr 10-minütigem Mischen ein, die Festigkeit des Gels selbst

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betrug nach 72-stündiger Alterung 1,5 kg/cm . Die Festigkeit des Musters, das durch Mischen der oben erwähnten Mischung mit standardisiertem Sand (von Toyoura) hergestellt wurde, betrug nach einer 72-stündigen Alterung der Mischung in feuchter Luft 25 kg/cm².

Ein Vergleichsmuster wurde in der gleichen Weise, aber ohne Zusatz von Natriumimidodisulfonat, hergestellt. Es gelierte bald nach der Zumischung und konnte daher nicht für die Konsolidierung des Sandes gebraucht werden.

Beispiel 4

Es wurde die gleiche Mischung wie in Beispiel 3 hergestellt mit dem Unterschied, daß die Menge an (NaSO₃J₂NNa auf 20 g erhöht wurde. Dadurch wurde die Gelatinierungszeit um 5 Minuten auf 15 Minuten verlängert. Die Festigkeit des Gels

2 selbst betrug nach 24-stündigem Stehenlassen 1,3 kg/cm ,

nach 72-stündigem Aushärten 8 kg/cm . Durch Vermischen dieser Mischung mit standardisiertem Sand (von Toyoura), Koagulieren der erhaltenen Mischung und 72-stündigem Aushärtenlassen dieser Mischung in feuchter Atmosphäre wurde ein

Muster erhalten, dessen Festigkeit 22 kg/cm betrug.

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Beispiel 5

40 g Portlandzement wurden in 100 g Wasser dispergiert und mit einer Flüssigkeit, die 200 g Wasserglas wie in Beispiel 3 und 20 g Ca(SO₃)₂NNa.3H₂O in 100 g Wasser gelöst enthielt, gemischt. Die erhaltene Mischung gelierte nach etwa 2 Minuten. Eine Vergleichsmischung, in der das Imidodisulfonat fehlte, gelierte dagegen nach 10 Minuten. Hierdurch wird deutlich, daß die Gelatinierungszeit durch Steuerung der Menge an Imidodisulfonat geregelt werden kann.

Beispiel 6

Die Beziehung zwischen der Härtungszeit "und dem Mischungsverhältnis von Zement, Wasserglas und Imidodisulfonaten wurde in den in Tabelle 3 zusammengestellten Versuchsergebnissen aufgezeigt. Daraus geht deutlich hervor, daß die Härtungszeit durch Zusatz von (NaSO₃J₂NNa bzw. Ca(SO₃)₂NNa. 3H₂O in einem weiten Bereich geregelt werden kann.

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Tabelle 3

(D

4P·· -3

ι Portland zement	H₂O	Wasserglas (Na₂O/3iO₂ ungefähr 1:3)	(NaSO₃)₂NNa	H₂O	Gewichtsverhält nis von Zement/Wasser glas	Härtungs- zeit
g	g	g	g	g	-	(15^ec )
40	ICO	30	0	150	1.3	0.1
40	100	30	20	150	1.3	1.8
30	100	70	0	50	0.4	2.0
30	100	70	10	50	0.4	10
30	100	70	20	50	0.4	15
40	100	200	0	100	0.2	10
40	100	200	20*	100	0.2	2

CO I

* Ca (SO₃) ₂NNa

OO

(D CO

Claims

UfcXKÜLL & SrOLBERG BESELERSTRASSE 4 2000 HAMBURG 52 Kureha Kagaku Kogyo Kabushiki Kaisha No. 8, Horidome-cho 1-chome, Nihonbashi, Chuo-ku, Tokyo Japan PATENTANWÄLTE DR. J.-D. FRHR. von UEXKÜLL DR. ULRICH GRAF STOLBERG DIPL.-ING. JÜRGEN SUCHANTKE (Prio: 9. Mai 1977 JP 52-52097, 52-52098 - 14955) Hamburg, 5. Mai 1978 Bodenverfestigungsmittel zur Befestigung von Erdmassen Patentansprüche

1. Bodenverfestigungsmittel, enthaltend ein Silikat und Imidodisulfonsäure und/oder ein oder mehrere Imidodisulfonate.

2. Bodenverfestigungsmittel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Silikat ein Alkalisilikat, insbesondere Wasserglas, ist.

3. Bodenverfestigungsmittel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Imidodisulfonat das Ammonium-, Natrium-, Kalium-, Calcium- und/oder Magnesiumsalz eingesetzt wird.

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