DE3886392T2 - Methode zur Verbesserung der Festigkeit und der Wasserundurchlässigkeit von Böden und Baukörpern. - Google Patents
Methode zur Verbesserung der Festigkeit und der Wasserundurchlässigkeit von Böden und Baukörpern.Info
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Description
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbesserung der Festigkeit und Wasserundurchlässigkeit von Böden und Baukörpern, insbesondere Kanälen und Rohrleitungen. In der Beschreibung und in den Ansprüchen sind die Ausdrücke "Böden" und "Baukörper" im breitesten Sinne zu verstehen, diese Ausdrücke umfassen ebenfalls verschiedene Lagertanks, Tunnels, natürliche und künstliche Hohlräume, Felsformationen, etc. und die sie umgebenden Böden.
- Es ist wohlbekannt, daß die meisten Baukörper wie Erdkanäle, Rohrleitungen und Lagertanks nicht die erforderlichen Undurchlässigkeitseigenschaften besitzen, was teilweise der nicht ausreichenden Qualität der Konstruktionsmaterialien und teilweise in Mängeln der Undurchlässigkeit von Leitungsverbindungen zuzuschreiben ist, oder als Folge von Schäden in den Baukörpern durch Einfluß des Alterns, des Verkehrs, etc.. Ebenfalls ist wohlbekannt, daß die Reparatur von Baukörpern, insbesondere Kanälen und Rohrleitungen im Untergrund enorm hohe Investitionen und Arbeitsaufwand erfordert und daß das Ergebnis in den meisten Fällen unbefriedigend ist.
- Die US-A-4 056 937 beschreibt ein Verfahren zur Konsolidierung von Böden durch einen Härter, der eine Mischung aus einer wäßrigen Lösung von Wasserglas und einem sauren Reaktionsteilnehmer ist. Diese Mischung wird in den Boden injiziert. Säuren, Aldehyde, Ester wie Glycerindiacetat und Amide wie Formamid werden als saurer Reaktionsteilnehmer eingesetzt. Die Mischung kann zusätzlich ein Gelsteuermittel enthalten. Geeignete Gelsteuermittel schließen anorganische Salze, organische Salze und ein- oder mehrwertige Alkohole ein.
- Die FR-A-2 533 579 beschreibt ein Verfahren zur Verbesserung der Undurchlässigkeit von Böden durch Inkontaktbringen mit einer Lösung von Wasserglas mit Fluorkieselsäure in Anwesenheit eines wasserlöslichen organischen Polymeren, das ein Hydrogel bildet, und in Anwesenheit eines Vernetzungsmittels wie Eisensalzen.
- Das ungarische Patent No. 153 975 beschreibt eine einfache und rasche Methode zur Verbesserung der Festigkeit und Undurchlässigkeit von Böden und Baukörpern. Gemäß diesem Verfahren wird Wasserglas oder ein Wasserglas enthaltendes Medium in oder auf den zu behandelnden Gegenstand aufgebracht, und dann wird das Wasserglas dem Einfluß von Fluorwasserstoff, Siliziumtetrafluorid oder Fluorkieselsäure ausgesetzt. Wenn Wasserglas mit einem gasförmigen Fluorid in Kontakt gebracht wird, geliert es rasch und verstopft die Leckstellen, Risse und Hohlräume vollständig. Wenn diese Methode angewandt wird, um Baukörper im Untergrund (wie Kanäle oder Lagertanks) wasserdicht zu machen, ist ein zusätzlicher Vorteil dadurch gegeben, daß Wasserglas, welches in den Boden durch Risse eintritt, ebenfalls verfestigt, wodurch die Einbettung der Struktur verbessert und der umgebende Boden verfestigt wird. Fluoridgase haben den zusätzlichen Vorteil, daß sie die Korrosionsbeständigkeit von Beton und verstärkten Betonelementen verbessern.
- Trotz ihrer zahlreichen Vorteile hat diese Methode nur sehr enge Anwendung in der Praxis gefunden. Die breite Anwendung dieser Methode wird in beträchtlichem Maße dadurch eingeschränkt, daß Fluorwasserstoff und Siliziumtetrafluorid stark giftig sind, so daß ihre Verwendung in den meisten Ländern aus Umweltschutzgründen verboten ist. Ein weiterer Nachteil ist, daß das sich ergebende Kieselsäuregel nicht elastisch ist, so kann es nicht den Bewegungen des Gegenstandes oder des behandelten Bodens folgen. Da die Quellfähigkeit von Kieselsäuregelen unzureichend ist, können sie nicht die neuen Risse verstopfen, welche in dem Gel bei Bewegung gebildet werden.
- Um die zuvorgenannten Nachteile zu vermeiden, wurden Methoden ausgearbeitet, bei denen wäßrige Säuren zum Gelieren von Wasserglas anstelle der giftigen, sauren Fluoridgase eingesetzt werden, und es wurden zur Sicherstellung der gewünschten Elastizität und Quellfähigkeit des Geles synthetische organische Polymere in der Gelstruktur parallel zu der Gelbildung ausgebildet. Solche Methoden sind in den ungarischen Patenten No. 186 586 und 189 250, in der veröffentlichten ungarischen Patentanmeldung No. 1095/84 wie auch in der veröffentlichten internationalen Patentanmeldung No. PCT/HU-85/00027 beschrieben. Ein gemeinsames Merkmal der hier beschriebenen Arbeitsweisen ist, daß das Gel durch Zusammenmischen von zwei Flüssigkeiten miteinander gebildet wird: eine der Flüssigkeiten umfaßt Wasserglas und organisches Polymeres bildende Komponenten wie polymerisierbare Monomere oder ein lineares, zu vernetzendes Polymeres, welche mit Wasserglas verträglich sind, während die andere Flüssigkeit eine wäßrige Lösung der zum Gelieren von Wasserglas erforderlichen Säure und der zur Durchführung der Polymerisation oder Vernetzung erforderlichen Substanzen wie Katalysator, Initiator, Vernetzungsmittel, etc., ist.
- Wenn das geeignete Vermischen der zwei Flüssigkeiten durchgeführt wird, können Hydrogele guter Qualität mit geeigneter Festigkeit, Elastizität und Quellfähigkeit gebildet werden. Jedoch kann bei den sog. "Auffülltechniken", welche im allgemeinen bei der Bodenverfestigung und der Wasserdichtmachung von Defekten von Baukörpern (insbesondere Kanälen, Leitungen und Tunnels im Untergrund) angewandt werden, das geeignete Vermischen der zwei Flüssigkeiten im allgemeinen nicht über den gesamten Querschnitt des zu behandelnden Bodens oder Baukörpers sichergestellt werden. Das Wesentliche der Auffülltechnik ist, daß zuerst eine der zwei Flüssigkeiten, im allgemeinen die Wasserglas enthaltende Lösung, auf den zu behandelnden Bereich aufgebracht wird, z.B. in einer solchen Weise, daß die Flüssigkeit in den zu reparierenden Kanalabschnitt gefüllt wird, und daß dann, nach einer angemessenen Verweildauer, der Überschuß der ersten Flüssigkeit gegebenenfalls entfernt wird, und daß die zweite Flüssigkeit, im allgemeinen die die Säure und die zur Polymerisation erforderliche Substanz umfassende wäßrige Lösung, eingeführt wird. Durch Fehlstellen mit ungleichmäßigen Abmessungen treten die Flüssigkeiten in den Boden mit einer ungleichmäßigen Geschwindigkeit ein, und als Folge der ungleichmäßigen Poren- und Hohlraumstruktur des Bodens ist ihre Bewegungsgeschwindigkeit im Boden ebenfalls nicht gleichmäßig. Dies bedingt, daß es beträchtliche örtliche Abweichungen zwischen den Mischverhältnissen der zwei Flüssigkeiten gibt. Dies bedeutet, daß ein Gel an bestimmten Plätzen bei dem ersten Auffüllzyklus überhaupt nicht gebildet werden kann, während an anderen Plätzen, in Abhängigkeit von dem tatsächlichen Mischungsverhältnis, beträchtliche örtliche Abweichungen der Gelqualität beobachtet werden können. Wenn beispielsweise eine Wasserglaslösung zuerst eingeführt wird, und dann eine wäßrige Lösung, welche kein Gel per se bei der Neutralisation bilden kann (wie eine wäßrige Lösung, die eine andere Säure als Fluorkieselsäure und zusätzliche nichtgelierende Komponenten, z.B. Vernetzungsmittel, Polymerisationskatalysatoren etc.) enthält, auf die Wasserglaslösung aufgebracht wird, wird kein Gel aus den Teilen der sauren Lösung, welche im Überschuß vorliegen, oder welche nicht mit der Wasserglaslösung vermischt werden können, gebildet. Diese Teile der sauren Lösung strömen durch den Bodenabschnitt, der mehr oder weniger mit Wasserglas imprägniert wird, ohne daß sie ausgenutzt werden, wodurch kanalähnliche Durchtritte durch den Boden geschnitten werden. Diese kanalähnlichen Durchtritte machen die Gelstruktur gegenüber dem Herausfiltern von Wasser mehr oder weniger offen, so daß die Wasserdichtigkeit des in dem ersten Auffüllzyklus gebildeten Gels nicht ausreicht. Ein Gel mit der erforderlichen Dichtigkeit gegenüber Wasser kann nur durch zweimalige oder mehrmalige Wiederholung des Auffüllzyklus erreicht werden, dies setzt die Effizienz des Verfahrens herab und bedingt eine beträchtliche Steigerung der Behandlungskosten.
- Wenn jede der zwei Flüssigkeiten eine Komponente umfaßt, welche bei Neutralisation geliert (beispielsweise eine der Flüssigkeiten umfaßt Wasserglas und die andere umfaßt ein Monomeres oder Oligomeres, welches beim Kontakt hiervon mit Alkali polymerisiert) hat ein ungleichmäßiges Vermischen der zwei Flüssigkeiten die Folge, daß statt des Erhalts eines Geles mit homogener Mikrostruktur, in welchem die organischen und mineralischen Anteile verschmolzen sind, ein Gel erhalten wird, das aus leicht unterscheidbaren, diskreten mineralischen (Silikat) und organischen (Polymer) Blöcken besteht, d.h. es wird ein Gel mit inhomogener Mikrostruktur gebildet. Die Eigenschaften der Festigkeit und Quellfähigkeit der organischen und mineralischen Blöcke unterscheidet sich stark voneinander. Diese Gele mit inhomogener Mikrostruktur vereinigen im wesentlichen alle Nachteile der vollständig mineralischen und vollständig organischen Gele: an den mineralischen Blöcken ist das Gel nicht elastisch, spröde und reißt bei Bodenbewegungen, während an den organischen Blöcken das Gel zu weich ist und den schädlichen Einflüssen höherer Spannungen nicht widerstehen kann.
- Das zuvor beschriebene ungleichmäßige Mischen ist eine notwendige Begleiterscheinung aller Auffüllarbeitsweisen, welche zwei Flüssigkeiten anwenden. Um die nachteiligen Folgen des ungleichmäßigen Vermischens zu vermeiden, wird ein Paar von gelbildenden Flüssigkeiten benötigt, in denen
- - Gel aus beiden Flüssigkeiten bei einer chemischen Reaktion gebildet werden kann und
- - die Eigenschaften der getrennt aus den zwei Flüssigkeiten gebildeten Gele in starkem Maße ähnlich sind.
- Zur Herabsetzung der Sprödigkeit des Gels und zur Sicherstellung einer geeigneten Quellfähigkeit ist darüber hinaus eine Substanz erforderlich, welche per se nicht polymerisiert und geliert, jedoch in der Lage ist, in die Gelstruktur eingebaut zu werden, wo sie einen plastifizierenden Effekt ausübt. Um die nachteiligen Folgen des ungleichmäßigen Vermischens herabzusetzen, ist es erwünscht, daß diese Substanz fähig sein sollte, durch Diffusion selbst solche Flüssigkeitsabschnitte zu erreichen, welche sich nicht miteinander vermischen.
- Es wurde nun gefunden, daß die zuvorgenannten Erfordernisse dadurch erfüllt werden können, daß ein Paar von Flüssigkeiten verwendet wird, in welchem eine der Flüssigkeiten eine wäßrige Lösung eines Wasserglases, wahlweise weiterhin umfassend ein oder mehrere natürliche oder synthetische Oligomere oder Polymere, ist, und die andere Flüssigkeit ein Kieselsäuresol ist, in welchem das Dispersionsmedium zumindestens teilweise aus einer wassermischbaren organischen Flüssigkeit besteht, die zur Reaktion mit dem Alkaligehalt der Wasserglaslösung fähig ist, wodurch das Wasserglas geliert wird.
- Die aus der Wasserglaslösung bei Neutralisation ihres Alkaligehaltes und aus dem Kieselsäuresol bei Reaktion des organischen Dispersionsmediums gebildeten Gele sind in gleicher Weise Silikatgele mit sehr eng beieinanderliegenden physikalischen Eigenschaften. Sowohl das in der Wasserglaslösung vorliegende Alkali als auch das in dem Kieselsäuresol vorliegende reaktionsfähige organische Dispersionsmedium sind zur Bewegung durch Diffusion in der Lage, so daß nach einer bestimmten Zeitspanne die Reaktion selbst in solchen Flüssigkeitsabschnitten voranschreitet, welche nicht miteinander vermischt wurden oder in welchen das Mischen unzureichend war. Es wurde ebenfalls gefunden, daß das organische Dispersionsmedium des Kieselsäuresols sich sofort in die Gelstruktur parallel mit der Gelbildung einbaut und dort einen plastifizierenden Defekt ausübt, d.h. zur Bildung eines stärker quellenden und stärker deformierbaren Gels führt. Das Ergebnis ist, daß bei Reaktion des in der Wasserglaslösung vorliegenden Alkalis und des in dem Kieselsäuresol vorliegenden organischen Dispersionsmediums, welche sofort in den gut vermischten Flüssigkeitsabschnitten und innerhalb einer durch Diffusion kontrollierten Zeitspanne in den weniger vermischten oder nichtvermischten Flüssigkeitsabschnitten voranschreitet, ein Silikatgel aus beiden Flüssigkeiten gebildet wird, welches das organische Dispersionsmedium oder sein Reaktionsprodukt in der Gelstruktur eingeschlossen enthält. Die Gelbildung schreitet selbst an solchen Orten voran, wo das Mischen der zwei Flüssigkeiten unzureichend ist oder das Mischungsverhältnis von dem vorher eingestellten Wert abweicht, und die Eigenschaften der an den Plätzen eines inhomogenen Mischens gebildeten Gelblöcke nähern sich stark den aus homogenen Mischungen gebildeten Gelblöcken.
- Auf dieser Basis betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Verbesserung der Festigkeit und Wasserundurchlässigkeit von Böden und Baukörpern durch Bildung eines Silikatgeles. Gemäß der Erfindung wird in einer solchen Weise vorgegangen, daß in einer Stufe:
- - eine alkalische Wasserglaslösung, welche Wasserglas in einer Menge von 15-40 Gew.-%, berechnet als Trockensubstanz, umfaßt, wahlweise zusammen mit einem oder mehreren natürlichen oder synthetischen Oligomeren oder Polymeren in einer den Trockensubstanzgehalt der Wasserglaslösung nicht übersteigenden Menge und in einer anderen Stufe
- - ein Kieselsäuresol, welches SiO&sub2; in einer Menge von 5-50 Gew.-%, vorzugsweise 10-45 Gew.-%, berechnet als Trockensubstanz, umfaßt, in welchem 10-100 Vol.-% des Dispersionsmediums aus einer wassermischbaren organischen Flüssigkeit, die zu einer Reaktion mit einem Alkali unter Abtrennung von Kieselsäure fähig ist, bestehen, wobei die organische Flüssigkeit Diethylenglykoldiacetat, Glycerindiacetat, Ethylencarbonat, Ethylurethan oder Harnstoff ist,
- auf oder in den zu behandelnden Boden oder Baukörper auf/eingebracht werden, und das Gelieren der auf/eingebrachten Flüssigkeiten ermöglicht wird.
- Der in der Beschreibung und in den Ansprüchen verwendete Ausdruck "Wasserglas" umfaßt Alkalimetall (Na/K)- und Ammoniumwasserglasprodukte und Mischungen hiervon.
- Die wäßrige Lösung von Wasserglas kann natürliche und/ oder synthetische Oligomere oder Polymere umfassen. Als natürliche Oligomere seien hydrolysierte Proteine und natürlicher Latex genannt, als synthetische Oligomere und Polymere Polyvinylalkohol und Butadienlatex. Selbstverständlich sollten die eingesetzten Oligomere oder Polymere alkalibeständig und verträglich mit der wäßrigen Wasserglaslösung sein. Diese Polymere werden in die Gelstruktur entweder physikalisch oder chemisch bei der Gelbildung eingeschlossen, und sie erhöhen die Deformations- und Quellfähigkeit des Gels.
- Die bei dem Verfahren der Erfindung angewandten Kieselsäuresole (sog. "Organosole") sind bekannt oder können nach bekannten Methoden hergestellt werden [R.K. Iler: Colloid Chemistry of Silica and Silicates; Cornell University Press, Ithaca, N.Y., S. 90-95 (1955) und R.K. Iler: The Chemistry of Silica; John Wiley and Sons, N.Y., S. 331-343 und 415-419 (1979)]. Diese Sole umfassen disperse Kieselsäureteilchen mit einer Teilchengröße von 3-200 nm, vorzugsweise 10-50 nm. Die dispersen Kieselsäureteilchen können wahlweise auf ihrer Oberfläche vorbehandelt sein; mono- oder polyvalente Alkohole, Alkylenoxidoligomere oder -polymere oder Al³&spplus;- oder Fe³&spplus;-Ionen können über Oberflächenhydroxygruppen an der Oberfläche dieser vorbehandelten Kieselsäureteilchen gebunden sein. Kieselsäuresole, welche auf ihrer Oberfläche vorbehandelte Kieselsäureteilchen umfassen, sind bekannt oder können nach bekannten Methoden hergestellt werden, z.B. wie sie in den zuvorgenannten Lehrbüchern angegeben sind. Entsprechend den gemachten Erfahrungen ergeben Kieselsäuresole, welche auf ihrer Oberfläche vorbehandelte Kieselsäureteilchen umfassen, bessere Ergebnisse als solche, welche nichtbehandelte Kieselsäureteilchen umfassen. Der Ausdruck "Kieselsäuresol", wie er in der Beschreibung und den Ansprüchen verwendet wird, umfaßt ebenfalls Sole, welche solche vorbehandelten Kieselsäureteilchen umfassen.
- Wenigstens 10 Vol.-% des Dispersionsmediums des Kieselsäuresols sollte aus einer wassermischbaren organischen Flüssigkeit bestehen, die in der Lage ist, mit alkalischen Agentien zu reagieren. Der Ausdruck "wassermischbar" bezieht sich auf Flüssigkeiten mit unbeschränkter Mischbarkeit mit Wasser, d.h. auf Flüssigkeiten, welche stabile Mischungen mit Wasser in einem beliebigen Verhältnis bilden. Solche organischen Flüssigkeiten sind Diethylenglykoldiacetat, Glycerindiacetat, Ethylencarbonat, Ethylurethan und Formamid. Der restliche Teil des Dispersionsmediums, falls vorhanden, kann aus einer beliebigen organischen Flüssigkeit bestehen, welche in unbegrenztem Maße sowohl mit Wasser als auch den zuvorgenannten organischen Flüssigkeiten mischbar ist und gegenüber alkalischen Agentien indifferent ist; hierzu sind Alkohole und Ketone zu erwähnen. Das Dispersionsmedium kann ebenfalls Wasser in einer 80 Vol-% nicht übersteigenden Menge enthalten.
- Die Erfindung wird im Detail unter Bezugnahme auf das folgende, nichtbeschränkende Beispiel erläutert.
- Ein defekter Kanalabschnitt mit einem Durchmesser von 300 mm, begrenzt von zwei Schichten, wird zuerst mit 10 m³ einer konzentrierten wäßrigen Wasserglaslösung (Komponente A) gefüllt. Die Verluste der Wasserglaslösung werden derart ergänzt, daß die Höhe der Flüssigkeit nicht unter 1,5 m abfällt. Nach 30 min wird die Flüssigkeit aus dem Kanal mit einer Hochleistungspumpe innerhalb 5 sec abgepumpt, und dann werden 10 m³ Komponente B mit der im folgenden angegebenen Zusammensetzung in den Kanalabschnitt eingefüllt:
- Glucosediacetat 2 m³
- Ludox CL-X (ein Kieselsäuresol mit 46 Gew.-% SiO&sub2;; pH = 9,1; vertrieben von E.I. DuPont de Nemours and Co., Wilmington, Delaware, USA) 3 m³
- Diethylenglykolmonomethylether 1 m³
- Wasser 4 m³
- Die Flüssigkeitshöhe wird auf 1,5 m in dem Kanal durch Ergänzung der Komponente B gehalten, bis das Heraussickern aufhört (für etwa 60 min). Danach wird der Überschuß der Komponente B aus dem Kanal abgepumpt.
- Die Qualität der Reparatur wurde durch Wasserdrucktest untersucht. Es konnte keine Erniedrigung des Wasserniveaus beobachtet werden, dies bedeutet, daß die Reparatur perfekt war.
Claims (2)
1. Verfahren zur Verbesserung der Festigkeit und
Wasserundurchlässigkeit von Böden und Baukörpern durch Bildung eines
Silikatgels, dadurch gekennzeichnet, daß
- in einer Stufe eine alkalische Wasserglaslösung, welche
Wasserglas in einer Menge von 15-40 Gew.-%, berechnet als
Trockensubstanz, umfaßt, wahlweise zusammen mit einem oder
mehreren natürlichen oder synthetischen Oligomeren und oder
Polymeren in einer den Trockensubstanzgehalt der
Wasserglaslösung nicht übersteigenden Menge, und
- in einer anderen Stufe ein Kieselsäuresol, welches SiO&sub2; in
einer Menge von 5-50 Gew.-%, vorzugsweise 10-45 Gew.-%,
berechnet als Trockensubstanz, umfaßt, in welchem 10-100
Vol.-% des Dispersionsmediums aus einer wassermischbaren
organischen Flüssigkeit, die zu einer Reaktion mit einem
Alkali unter Abtrennung von Kieselsäure fähig ist,
bestehen, wobei die organische Flüsssigkeit
Diethylenglykoldiacetat, Glycerindiacetat, Ethylencarbonat,
Ethylurethan oder Formamid ist,
auf oder in den zu behandelnden Boden oder Baukörper
auf/eingebracht werden, und das Gelieren der auf/eingebrachten
Flüssigkeiten ermöglicht wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das
Kieselsäuresol Kieselsäureteilchen mit an ihre Oberfläche
gebundenen mono- oder polyvalenten Alkoholen,
Alkylenoxidoligomeren oder -polymeren oder Al³&spplus;- oder Fe³&spplus;-Ionen
umfaßt.
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