Verfuhren zur Abdichtung oder Verfestigung von Böden Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abdich ten oder Verfestigen von Böden, beispielsweise für den Strassenunterbau, für Talsperren usw.
Sie ermöglicht es, Bitumenemulsionen herzustellen und zur Boden abdichtung zu verwenden, die sich in einfacher Weise in den Boden einbringen lassen und sich in diesem durch Aufhebung der Dispergierwirkung der als Dis- pergator verwendeten Sulfitablauge bzw. deren Tro- ckensübstanz in zeitlich steuerbarer Weise verfestigen und hierdurch eine befriedigende Abdichtung des Bodens bewirken.
In der Technik besteht vielfach die Aufgabe, Böden abzudichten oder zu verfestigen. Meist handelt es sich hierbei darum, dass der Boden wasserundurch lässig werden soll. Dies ist beispielsweise wichtig für den Strassenbau, da, durch Eindringen von Wasser im Winter an Strassen erhebliche Frostschäden ent stehen, oder auch für den Bau von Talsperren durch Aufschüttung, bei denen sowohl der Damm selbst als auch der Untergrund wasserdicht sein müssen. In anderen Fällen handelt es sich darum, Böden zu verfestigen, beispielsweise bei der Anlage von Roll bahnen auf Flugplätzen.
Man hat bisher für diese Zwecke den Boden mit verschiedenen Mitteln abzu dichten oder zu verfestigen versucht, beispielsweise auch mit Bitumenemulsionen. Man musste diese, um überhaupt einen gewissen Effekt zu erzielen, in möglichst dichter Konsistenz in den Boden einbringen. Im Strassenbau war es hierfür üblich, das Profil auf die erforderliche Tiefe auszuschachten, in grossen Mischmaschinen eine Mischung des zur Herstellung des Unterbaus verwendeten Rohmaterials mit der Bitumenemulsion herzustellen und diese Mischung als dann in die Baugrube einzufüllen. Bei diesem Verfahren war es nun aber natürlich nicht möglich, die auf umständlichem Wege eingebrachte Emulsion wieder zu brechen, sodass der Effekt des Dichtungsmittels später oder früher wieder unwirksam gemacht wurde.
Bei der Oberflächenbearbeitung von Böden, beispiels weise bei der Herstellung von Rollbahnen auf Flug plätzen, hat man daher auch schon versucht, anstelle der Mischung des Bodens mit der Bitumenemulsion in einem besonderen Grossmischer, den Boden mit Hilfe von Bodenfräsen aufzulockern und mit der Emulsion zu mischen. In einem zweiten Arbeitsgang wurde dann ein Mittel zum Brechen der Emulsion auf demselben Wege eingemischt, beispielsweise bei Verwendung von Seifen als Emulgiermitteln durch Einbringung von Kalksalzen.
Abgesehen davon, dass dies einen besonderen Arbeitsgang erfordert, zeigten diese Verfahren den grossen Nachteil, dass bei der Einmischung der Kalksalze eine sofortige Ausfällung von Kalkseifen stattfand, wodurch die Brechung der Emulsion nur ungleichmässig und unvollkommen erfolgte. Vor allem aber wurde durch die nochmalige Auflockerung und Durchmischung des Bodens gleich zeitig mit der Brechung der Emulsion die innige Ver bindung zwischen den Einzelteilen des Bodens und des Dichtungsmittels, die für die Dichtungswirkung wesentlich ist, wieder zerstört.
Besonders schwerwie gend und bisher nur umständlich oder schwierig zu lösen war das Problem der Bodendichtung beim Bau von Talsperren durch Schüttung. Der Vorteil dieser Bauweise gegenüber der von massiven Sperrmauern, dass man den Bau nicht auf massiven Fels zu gründen braucht, ging hierbei zum grossen Teil wieder dadurch verloren, dass man gezwungen war, einen entsprechend breiten Schacht bis auf den gewachsenen Fels aus zuheben und mit einem Kern aus wasserundurch lässigem Material, beispielsweise Ton, zu füllen.
Eine unelastische Abdichtung, etwa durch Zement, ist in diesen Fällen nämlich nicht möglich, da der Boden unter dem Damm arbeitet und durch die hierbei auftretenden gewaltigen Kräfte einen derartigen Bau wieder zerstören würde, wenn dieser ein wirtschaftlich tragbares Ausmass behalten soll. Man ist daher gezwungen, die Bodenabdichtung mit elastischen Mit teln vorzunehmen. In allen diesen und weiteren ähn lich gelagerten Fällen war bisher eine einwandfreie Abdichtung des Bodens nicht möglich.
Es wurde nun gefunden, dass es gelingt, Böden in einfacher und einwandfreier Weise abzudichten oder zu verfestigen, wenn man unter Verwendung von Bitumen, Sulfitablauge oder deren Trockensubstanz oder durch Behandlung der Zange mit Fällungsmitteln erhältlichen Produkten und einem Oxydationsmittel eine flüssige emulgiertes Bitumen enthaltende Mi schung herstellt und letztere in den Boden einbringt. Es zeigte sich nämlich überraschenderweise, dass durch das Oxydationsmittel die Dispergierwirkung z. B. der Sulfitablauge derart gebrochen wird, dass dieser Vorgang zeitlich in gut beherrschbarer Weise gesteuert werden kann.
Man hat es weitgehend in der Hand, durch die Zusammensetzung der verwende ten Mischung unter Mitberücksichtigung physikalischer Faktoren, wie der herrschenden Temperatur, die Zeit der Brechung der Emulsion in bestimmten Grenzen zu variieren und danach den Zeitpunkt der Herstel lung bzw. Anwendung der Emulsion zu bestimmen, den man entsprechend dem Zeitpunkt der gewünschten Verfestigung des Dichtungsmittels wählt. Hierdurch wird es ermöglicht, die erfindungsgemäss hergestellte emulgiertes Bitumenenthaltende flüssige Mischung in verhältnismässig einfacher Weise in den Boden ein zubringen, wo sie sich durch die zeitlich gesteuerte Aufhebung der Dispergierwirkung der z.
B. verwende ten Sulfitablauge in der gewünschten verhältniss- mässig kurzen Zeit verfestigt und den Boden abdichtet.
Als Dichtungsmittel kommen beliebige Bitumen präparate, wie Teere, Peche, Naturasphalte, destil lierte, geblasene und verschnittene Bitumina, in Frage. Die als Dispergiermittel verwendete Sulfitablauge kann beliebiger Natur und Herkunft sein. Beispielsweise kommt sowohl Nadelholz- als auch Laubholzsulfit- ablauge in Frage. Sie kann ungereinigt sein, kann aber auch durch Reinigungsmethoden von einem Teil ihrer kationischen Bestandteile, beispielsweise Kalk, oder anderen Stoffen befreit sein. Sie kann vergoren oder unvergoren sein.
In manchen Fällen ist es zweck- mässig, Fraktionen von Sulfitablauge zu verwenden, die durch fraktionierende Fällung mit bekannten Fällungsmitteln, wie beispielsweise Metallhydroxyden, deren schwefiigsaure oder schwefelsaure Salze in Wasser unlöslich sind, Alkoholen, organischen Basen oder dergleichen, erhalten werden. Oft wird man zweckmässig die Ablauge durch Eindampfen konzen trieren oder gar trocknen, was insbesondere ihren Versand erleichtert.
Als Oxydationsmittel verwendet man zweckmäs- sigerweise sechswertige Chromverbindungen, wie ins besondere Natriumbichromat. Doch auch vierwer tige Bleiverbindungen oder Perverbindungen, beispiels weise Persulfate und Permanganate, sind geeignet.
Sowohl die Menge der auf die Einheit Boden zu ver wendenden emulgiertes Bitumenenthaltenden Mi schung (im folgenden teilweise kurz als Emulsion bezeichnet) als auch die mengenmässige Zusammen setzung derselben sind in weiten Grenzen variierbar. Die Menge der Mischung hängt von verschiedenen Faktoren, wie der Beschaffenheit des Bodens, insbe sondere der Korngrösse, beim Talsperrenbau auch von dem hydrostatischen Druck, dem der gedichtete Boden ausgesetzt wird, ab. In den meisten Fällen sind Zusätze zwischen 5 und 20 % ausreichend. Unter günstigen Verhältnissen kommt man eventuell auch mit geringeren Mengen aus. Nach oben hin setzen die Kosten einem beliebig hohen Zusatz eine Grenze.
Auch beim Zusatz von Sulfitablauge zu dem Bitu men wird man sich bemühen, mit möglichts geringen Mengen auszukommen. Im übrigen richten sich diese nach der Art des Bitumens und der Sulfitablauge sowie nach den sonstigen Gegebenheiten des Einzel falles. Im allgemeinen kommen Mengen zwischen 5 und<B>50%,</B> berechnet als Ablauge-Trockenzubstanz je Gewichtseinheit Bitumen, in Frage. In den meisten Fällen sind Zusätze zwischen 10 und 30 % zweck- mässig.
Zur zeitlichen Steuerung der Brechung der Emul sion kann man, unter Berücksichtigung der Art der Sulfitablauge und des Oxydationsmittels, von der Wahl des Verhältnisses dieser beiden ausgehen. Bei Verwendung von Oxydationsmitteln, die im sauren Bereich reagieren, wie sechswertigen Chromverbin dungen, hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, den zeitlichen Ablauf der Reaktion durch die vorherige Einstellung des pH-Wertes zu steuern. Zweckmässig setzt man hierzu der Emulsion zu einem bestimmten Zeitpunkt vor ihrer Anwendung das Oxydationsmittel und die erforderliche Menge einer Säure oder eines sauren Salzes zu.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn man der mit Sulfitablauge hergestellten Bitumenemulsion vor ihrer Einbringung in den Boden ausser einem Oxydations mittel auch noch einen Kondensationspartner für die Sulfitablauge zusetzt. Unter Kondensationspartnern für die Sulfitablauge werden solche Substanzen ver standen, mit denen die Sulfitablauge unter alkalischen, neutralen oder sauren Bedingungen eine Konden sationskreation eingeht.
Derartige Substanzen sind Phenol Amine und/oder Amide einerseits und Alde hyde und/oder Ketone andererseits, die als solche oder in Form ihrer Vorkondensate eingesetzt werden können. Durch diese Massnahme gelingt es noch sicherer, den zeitlichen Ablauf der Brechung der Emul sion zu steuern. Setzt man, was zweckmässig ist, aus- serdem noch eine Säure oder ein saures Salz zu, so wird dadurch die Kondensation und, wenn man bei spielsweise als Oxydationsmittel ein Bichromat ver wendet, gleichzeitig dessen oxydierende Wirkung gefördert.
Man kann hierbei den zeitlichen Ablauf der Reaktion gegebenenfalls dadurch steuern, dass man die Emulsion mit Oxydationsmittel und Konden- sationspartner im neutralen oder alkalischen pH- Bereich herstellt und in diesem bis vor der Anwendung hält und dann in einem vorher berechneten Zeitpunkt vor der Anwendung die Säure oder das saure Salz zusetzt. Doch kann man natürlich auch umgekehrt zuerst die Emulsion im sauren pH-Bereich erzeugen und mit der erforderlichen Menge Säure oder sauren Salzes versetzen und vor der Anwendung Oxydations mittel und Kondensationspartner zugeben.
Durch die Erfindung gelingt es, in einfacher und zuverlässiger Weise Böden derart abzudichten, dass der mit einfachen Mitteln eingebrachte Dichtungsstoff eine einwandfreie Verfestigung des Bodens herbei führt und nicht wieder durch Sickerwasser und ähn liche Einflüsse entfernt werden kann.
Sowohl bei der Oberflächenbehandlung von Böden, beispielsweise bei der Anlage von Flugplatz-Rollbah- nen, als auch bei der Herstellung von Strassenunter bauten kann die vor ihrer Anwendung entsprechend eingestellte Bitumenemulsion in einfacher Weise, sei es mittels einer Bodenfräse oder auch einer gesonderten Mischanlage, in den Boden eingebracht werden, ohne dass es erforderlich ist, durch zusätzliche Arbeitsgänge für eine Brechung der Emulsion zu sorgen oder sich gar mit dem späteren Unwirksamwerden des Dich tungsmittels abfinden zu müssen.
Durch das Oxyda tionsmittel tritt in verhältnismässig kurzer, vorher einstellbarer Zeit eine Gelierung der Sulfitablauge ein, wobei diese zum grossen Teil wasserunlöslich wird. Hierdurch verliert sie ihre Dispergierwirkung und das Biturnen haftet an der Stelle im Boden, an die es beim Einbringen der Emulsion gelangte, also in gleichmäs- siger Verteilung. Zudem hat die Erfindung in diesen Fällen den Vorteil, dass beim Walzen der gedichteten Bodenschicht infolge der Brechung der Emulsion das Wasser derselben hinausgepresst wird.
Es kann also schnellstens ablaufen oder entfernt werden, während man bei den bisher bekannten Verfahren warten musste, bis es verdunstet war, was natürlich längere Zeit dauerte. Durch das Verfahren gemäss der Erfin dung kann der Boden so dicht gemacht werden, dass Regenwasser oder Sickerwasser nicht eindringen kann wodurch beispielsweise Frostschäden im Winter ver hindert werden. In vielen Fällen kann man die Bitumen emulsion mit geeigneter Konsistenz durch Sonden in den Boden einpressen. Diese Arbeitsweise ist beispiels weise in Fällen angebracht, wo eine Strasse auf san digem Untergrund verlegt werden soll.
Hier lässt sich der Kies oder Sand ohne komplizierte und teure Ausschachtungsarbeiten durch das Verfahren gemäss der Erfindung abdichten und verfestigen, wodurch gleichzeitig die erforderliche Höhe für den eigentlichen Strassenunterbau verringert wird.
Eine besonders wichtige und vorteilhafte Anwen dung findet die Erfindung beim Bau von Talsperren durch Schüttung. Ein Hauptproblem war hierbei bis her stets die erforderliche Abdichtung der Bauten, und zwar sowohl des Talsperrendammes selbst als auch des Untergrundes. Ein Vorteil geschütteter Tal- sperren gegenüber massiven Sperrmauern besteht darin, dass man nicht bis auf gewachsenen Fels zu gründen braucht.
Dieser Vorteil ging bisher bei den bekannten Verfahren zum wesentlichen Teil dadurch wieder verloren, dass man, um ein Durchsickern des unter Druck stehenden Sperrenwassers unter dem Sperrdamm zu verhindern, in den Grund einen bis auf den gewachsenen Fels reichenden Graben aus schachten musste, der mit Ton oder ähnlichem dichtem Material gefüllt wurde und der so breit sein musste, dass er dem hydrostatischen Druck des Staues stand hielt und überdies auch durch das Arbeiten des Bodens unter dem Sperrdamm nicht beeinträchtigt wurde. Durch die Erfindung lässt sich nun die Abdichtung des Untergrundes in viel einfacherer Weise vornehmen.
Es genügt, einen verhältnismässig schmalen Graben auszuheben, von dem aus die Bitumenemulsion in den Boden einegebracht wird, wo sie durch Brechung der Emulsion erhärtet und hierbei den Boden zugleich abdichtet und verfestigt. Am einfachsten geschieht dies, indem man den Graben mit einem Gemisch von Sand und Emulsion füllt. In manchen Fällen ist es jedoch auch möglich, die Emulsion mit Hilfe von Sonden in den Boden einzubringen. In ähnlicher ein facher Weise kann auch der Sperrdamm selbst abge dichtet werden. Hierbei erzielt man durch die Erfin dung zugleich den Vorteil, dass die Abdichtung in einer elastischen Weise erfolgt und infolgedessen durch das Arbeiten des Bodens keinen Schaden erleidet.
<I>Beispiel</I> A. - 2040 kg Calciumligninsulfonats, hergestellt durch Eindampfen der entzuckerten und mit Ca (0H)2 neutralisierten Ablauge, in 55 %iger wässriger Lösung werden mit 218 kg Harnstoff gemischt, der sich darin innerhalb von 2 Stunden löst. Sodann werden 855 kg 30%igen Formaldehyds zugesetzt und 30 Min lang eingemischt. Schliesslich werden 13,5 kg 50%ige Natronlauge zugesetzt. Sodann wird nochmals 10 Min gemischt. Schliesslich wird der pH-Wert genau auf 7,5 eingestellt.
B. - In 514,8 kg der vorstehenden Mischung werden 466,4 kg Kaolin während 11/Z Stunden ein gerührt, wobei die Temperatur auf unter 500 C gehal ten wird. Sodann werden 352,0 Bitumen auf 105,6 kg Cumaronharz in geschmolzenem Zustand langsam zugemischt. Anschliessend wird noch 30 Min gerührt bis eine glatte Emulsion entstanden ist. Sodann werden weitere 655,6 kg der erstgenannten Mischung zuge führt, worauf gut durchgemischt wird. Schliesslich werden 50,0 kg Wasser und 1,5 kg 50%iger Natron lauge beigemischt.
C. - Getrennt wird eine Mischung von 58 kg Natriumbichromat, 40 kg Aluminiumsulfat, 2 kg Kaliumbisulfat, 1 kg Kieselsäuregel und 1 kg eines Netzmittels hergestellt.
Um beim Anlegen eines Staudammes um einen Wasserbehälter in flachem Gelände den Erdboden um den Damm herum gegen Wasserabsickerung abzudichten, wird am äusseren Rande des Dammes in einer Länge von 10 Metern ein 80 cm breiter Graben ausgehoben und gegen das Einbrechen des sandigen Bodens mit thixotroper Flüssigkeit (Bentonit) gefüllt.
Sodann werden, beispielsweise in einem Zementmi scher, 1 Teil mittelfeinen Sandes mit 2 Teilen der Emulsion nach B und mit 0,1 Teil der Mischung unter C vermischt. Die flüssige Mischung wird dann durch ein Rohr unten in den Graben eingefüllt, während die thixotrope Flüssigkeit im gleichen Masse oben abge zogen wird. Nach 24 Stunden ist ein wasserdichtes elastisches Gel entstanden. Die weitere Abdichtung des Bodens erfolgt dann jeweils in Abständen von 10 Metern um den Damm herum.