CH694022A5

CH694022A5 - Kalkschutzsteine und Verfahren zur Minimierung der Bildung von Ablagerungen in Bauwerksentwaesserungssystemen.

Info

Publication number: CH694022A5
Application number: CH14822000A
Authority: CH
Inventors: Marcel Christian Wegmueller
Original assignee: Marcel Christian Wegmueller
Priority date: 2000-07-26
Filing date: 2000-07-26
Publication date: 2004-06-15
Also published as: CH694022C1

Description

Die Erfindung betrifft Kalkschutzsteine zur Minimierung der Bildung von Ablagerungen, insbesondere Carbonatablagerungen, in einem Bauwerksentwässerungssystem, Verfahren zu ihrer Herstellung sowie ihre Verwendung in Verfahren zur Minimierung der Bildung von Ablagerungen, insbesondere Carbonatablagerungen, in Bauwerksentwässerungssystemen.

Unter Bauwerksentwässerungssystemen sind hier die Entwässerungssysteme von Bauwerken des Hoch- und Tiefbaus, beispielsweise von Gebäuden, Hochbauten, Bahnhöfen, Flughafenanlagen, Tunnelbauten, Stollen, Kavernen, Staumauern, Talsperren, Wasserkraftbauten, Erddämmen, Stützmauern, Strassenbauten, Quellfassungen oder provisorischen Baugruben sowie Hangentwässerungsanlagen zu verstehen.

Der hier verwendete Ausdruck "Entwässerungssysteme" umfasst sowohl die "primären Entwässerungssysteme" eines Bauwerks, die Elemente beinhalten, die nach Fertigstellung des Bauwerks nicht mehr frei zugänglich sind, wie z.B. Noppenbahnen bzw. -streifen, Drainagematten, Sickerpackungen um die Drainageleitungen herum, Öffnungen der Drainagerohre (aussen) und dgl., als auch die "sekundären Entwässerungssysteme" eines Bauwerks, die frei zugängliche Elemente beinhalten, wie z.B. Drainagerohre (innen), Kontrollschächte, Schlammsammler, Zuleitungen, Entwässerungsleitungen und dgl.

Bei der Entwässerung von Bauwerken des Hoch- und Tiefbaus fallen Grund- und Bergwässer (Sickerwässer) an, die einen unterschiedlich hohen Gehalt an gelösten, überwiegend anorganischen Wasserinhaltsstoffen aufweisen, die häufig harte Ablagerungen verursachen. Die Bildung von harten Ablagerungen aus überwiegend Carbonaten in Drainage- und Entwässerungssystemen wird auch als Versinterung bezeichnet. Unter der Versinterungsstärke ist die Menge an Carbonat-Ablagerungen zu verstehen, die pro m<3 >anfallendem Grund- und Bergwasser in einem Drainage- und Entwässerungssystem in einer definierten Zeiteinheit ausgeschieden wird, und der Versinterungsgrad beurteilt den Zustand eines Drainage- und Entwässerungssystems bezüglich der darin enthaltenen Carbonat-Ablagerungen.

Die Problematik der Versinterung von Bauwerksentwässerungssysteme ist in der Forschungsarbeit Nr. 16/90 des Vereins der Schweizer Strassenfachleute (VSS), die mit einem Schlussbericht im Januar 1996 unter dem Titel "Versinterungen von Entwässerungsleitungen, Ursachen und Gegenmassnahmen", abgeschlossen wurde, dargestellt. Darin werden als Ergebnis der Forschungsarbeit die folgenden Schlussfolgerungen gezogen: - die CO 2 -Konzentration (CO 2 -Partialdruck) der Porenluft im Boden nimmt i.a. mit zunehmender Tiefe zu und damit steigt auch der Anteil des Kohlensäuregehaltes (H+ und HCO 3 - ) im Wasser, sodass zusätzliches CaCO 3 gelöst wird; - beim Kontakt des Grund- und Bergwassers mit atmosphärischer Luft nimmt der CO 2 -Partialdruck i.a. wieder ab, d.h.

CO 2 entweicht aus dem Wasser in die Luft, sodass weniger CaCO 3 in Lösung bleiben kann und ein Teil ausfällt; - im Zusammenhang mit der Versinterung von Entwässerungssystemen spielen die zementgebundenen Baustoffe mit ihrem basischen Charakter und ihrem hohen Gehalt an Ca 2 + eine entscheidende Rolle. Die in dem Wasser gelöste Kohlensäure wird durch die Base Ca(OH) 2 neutralisiert und steht damit nicht mehr zur Lösung von CaCO 3 zur Verfügung. Zudem enthält vor allem junger Beton in den Poren selbst vielleicht lösliches Calciumhydroxid (Ca(OH) 2 ). Beides führt schliesslich zu einer starken Ausfällung von CaCO 3 .

Aus hydrologischer Sicht lassen sich drei grundsätzlich voneinander verschiedene Versinterungsmechanismen unterscheiden:

Typ 1: die Bildung von Ablagerungen durch natürliche Carbonat- bzw. Kalkübersättigung. Carbonat- bzw. kalkgesättigtes Bergwasser verliert einen Teil seines CO 2 -Gehaltes beim Eintritt in ein Bauwerksentwässerungssystem und verursacht als Folge einer Gleichgewichtsreaktion die Bildung von Carbonatablagerungen;

Typ 2: die Bildung von Ablagerungen durch pH-Wert-Erhöhung des Bergwassers, wie sie beispielsweise durch den Kontakt des Grund- und Bergwassers mit alkalischen Baustoffen (Beton) verursacht wird. Dadurch erhöht sich der pH-Wert des Grund- und Bergwassers und führt zu massiven Carbonatausfällungen;

Typ 3: die Bildung von Ablagerungen, insbesondere Carbonatablagerungen, durch kohlensaures Bergwasser im Kontakt mit Betonbauten. Kohlensaures Bergwasser bildet beim Zuströmen auf das Bauwerk als Folge der Druckentlastung Kohlendioxid-Gasblasen. Diese können nicht entweichen und strömen zusammen mit dem Bergwasser dem Hohlraum entgegen. Um die Gasblasen herum bildet sich eine aggressive kalklösende Umgebung. Beim Kontakt dieses Bergwassers mit Beton wird Calciumhydroxid aus der Zementmatrix herausgelöst und beim Eintritt des Bergwassers in das Entwässerungssystem durch Entweichen des überschüssigen CO 2 in Form von Carbonatablagerungen wieder ausgeschieden.

Unabhängig von ihrer Bildungsart verkleinern die bei der Versinterung entstehenden harten, festhaftenden Ablagerungen die Abflussquerschnitte der Entwässerungssysteme oder schliessen sie in Extremfällen sogar ganz. Als Folge davon können die anfallenden Wassermengen nicht mehr frei abfliessen, und es entstehen Rückstaus, die grosse Schäden verursachen können. Die Schäden reichen von unerwünschten Wasserinfiltrationen ins Bauwerksinnere über hohe Wasserdrucke auf die Bauwerksschale bis hin zu Eisbildungen auf Fahrbahnen und Vernässungen in Gewölben, verbunden mit der Gefahr von elektrischen Kurzschlüssen bei Bahntunneln und dergleichen. Zudem setzt der direkte Wasserkontakt die Dauerhaftigkeit (Lebensdauer) der Bauwerke herab.

Insbesondere bei solchen Bauwerken, deren Stabilität von der einwandfreien Funktionstüchtigkeit des Entwässerungssystems abhängig sind, kann die Bildung von Ablagerungen in dem Entwässerungssystem fatale Folgen haben. Diese Ablagerungen vermindern nämlich die Funktionsfähigkeit aller Teile eines Bauwerksentwässerungssystems.

In Teilen des primären Entwässerungssystems, beispielsweise den Sickergräben 10, Sickerschichten 11, Sanddrains 12, Geodrains 13 oder Drainagebohrungen im Fels 20 (vgl. die beiliegenden Zeichnungen Fig. 1 und 2) können Ablagerungen die Leistungsfähigkeit der Entwässerung reduzieren oder ganz zerstören. Im primären Teil eines Entwässerungssystems sind Unterhaltsarbeiten, wenn überhaupt, nur mit sehr hohem Aufwand möglich, wobei aufwändige Sanierungsarbeiten oft die einzige Möglichkeit darstellen, um die Funktionstüchtigkeit des Entwässerungssystems wiederherzustellen. In den Bereichen des sekundären Entwässerungssystems, beispielsweise in den Sickerleitungen 2, Rinnen 5, Gräben 6, Abschlüssen 7, Schlammsammlern 8 und Einlaufschächten 9 (vgl. die beiliegenden Zeichnungen Fig.

1 und 2) sind periodische Unterhaltsarbeiten zum Entfernen entstandener Ablagerungen wegen der besseren Zugänglichkeit zwar möglich, aber auch hier sind die periodischen Unterhaltsarbeiten sehr kostenintensiv und nicht immer erfolgreich. Man ist daher seit langem bestrebt, die Bildung dieser unerwünschten Ablagerungen, insbesondere Carbonatablagerungen, in Bauwerksentwässerungssystemen zu verringern oder zu verhindern. Nach den Angaben der Vereinigung der Schweizer Strassenfachleute (VSS) in dem oben genannten Schlussbericht vom Januar 1996 wird insbesondere durch die zur Herstellung der Entwässerungssysteme verwendeten Werkstoffe sowie deren Oberflächenbeschaffenheit die Wachstumsrate der Ablagerungen an den Wasser führenden Teilen stark beeinflusst.

Nach Meinung dieser Kommission sind nur konstruktive Massnahmen geeignet, die Bildung von harten Ablagerungen zu hemmen. In diesem Zusammenhang empfiehlt sie, den Wasserabfluss möglichst ruhig zu halten und die Wasser führenden Teile mit einer glatten Oberfläche zu versehen, um die Anhaftung von Ablagerungen zu verringern. Derartige Verfahren sind ebenfalls sehr kostspielig und darüber hinaus wenig wirksam. Die zurzeit gebräuchlichsten Verfahren zum Entfernen von Ablagerungen in Entwässerungssystemen sind die elektromechanische Reinigung mit Spezialwerkzeugen, beispielsweise Kanalfernsehen verbunden mit Robotik sowie Hochdruckspülen oder Hochdruckfräsen mit Wasser. Auch diese Verfahren sind ausserordentlich kostspielig und arbeitsintensiv und führen häufig zu unerwünschten Betriebsunterbrechungen.

Sind diese Arbeiten aus bautechnischen Gründen (beispielsweise in primären Entwässerungssystemen) nicht möglich oder führen sie nicht zu den gewünschten Ergebnissen, so kann die Funktionstüchtigkeit des Entwässerungssystems meist nur mit aufwändigen Sanierungsarbeiten wiederhergestellt werden.

Auch die bereits vorgeschlagene Konditionierung des Berg- oder Grundwassers mit handelsüblichen Wasserkonditionierungsmitteln, um die Bildung von Ablagerungen nach dem Eintritt in ein Bauwerksentwässerungssystem mittels mechanischer und elektronisch gesteuerter Dosierungsanlagen zu vermindern, hat sich als technisch ausserordentlich aufwändig erwiesen und ist mit hohen Investitions- und Unterhaltskosten verbunden. Darüber hinaus ist sie nicht anwendbar auf die primären Bauwerksentwässerungssysteme und führt auch dann nicht zu den gewünschten Ergebnissen, wenn die anfallenden Wassermengen starken Schwankungen unterworfen sind und die Entwässerungsanlage nur periodisch Wasser führt bzw. zeitweise trocken liegt.

Bei grossen Bauwerken wie Tunnelbauten können solche Schwankungen auch in einem einzelnen Bauwerk, über mehrere Stellen verteilt, auftreten und die Bergwasser-Austrittsstellen können sich innerhalb des einzelnen Bauwerks auch örtlich verlagern. Die in solchen Fällen erforderlichen Bauwerksentwässerungssysteme sind äusserst feingliedrig und verfügen über eine Vielzahl von Verästelungen und Nebenarmen, sodass dann eine gezielte Konditionierung des Bergwassers mittels Dosierungsanlagen in solchen Systemen technisch und finanziell sehr aufwändig ist.

Aufgabe der Erfindung war es daher, eine Methode zur Verminderung bzw. Verhinderung der Entstehung von Ablagerungen, insbesondere Carbonatablagerungen, in Bauwerksentwässerungssystemen zu finden, die der oben genannten vielfältigen Problemstellung gerecht wird und sich nicht nur auf primäre und sekundäre Entwässerungssysteme anwenden lässt, sondern auch technisch einfach und wirtschaftlich durchführbar ist in den Fällen, in denen die anfallende Wassermenge nicht konstant ist, sondern starken Schwankungen unterworfen ist, und bei der keinerlei korrosive Wechselwirkungen mit den eingesetzten Bauwerksmaterialien, beispielsweise den Bauwerksabdichtungen, die in der Regel aus Polyvinylchlorid (PVC), Polyethylen (PE) oder Polypropylen (PP) bestehen, dem Beton, der Stahlarmierung, den Glasfaserankern oder dergleichen, eintreten.

Es wurde nun überraschend gefunden, dass die oben genannte Aufgabe gelöst werden kann mittels Kalkschutzsteinen zur Minimierung der Bildung von Ablagerungen, insbesondere Carbonatablagerungen, in einem Bauwerksentwässerungssystem und deren Verwendung in einem Verfahren zur Minimierung der Bildung von Ablagerungen, insbesondere Carbonatablagerungen, in einem Bauwerksentwässerungssystem.

Gegenstand der Erfindung sind gemäss einem ersten Aspekt Kalkschutzsteine zur Minimierung der Bildung von Ablagerungen, insbesondere Carbonatablagerungen, in einem Bauwerksentwässerungssystem, die gekennzeichnet sind durch einen Gehalt an mindestens einem Wasser-Konditionierungsmittel, gegebenenfalls im Gemisch mit mindestens einer Trägersubstanz und/oder Bindemittel, sowie gegebenenfalls weiteren üblichen Zusätzen, wie z.B. Fliessreguliermittel, Gleitmittel und/oder Konservierungsmittel.

Die erfindungsgemässen Kalkschutzsteine haben vorzugsweise einen homogenen oder strukturierten, insbesondere schichtenförmigen, Aufbau und sind vorzugsweise von beliebiger Grösse und Gestalt. Sie liegen vorzugsweise in gegossener oder gepresster Form, insbesondere in Form von Blöcken oder Tabletten, vor.

Die erfindungsgemässen Kalkschutzsteine enthalten mindestens 10 Gew.-%, vorzugsweise mindestens 25 Gew.-%, besonders bevorzugt 50 bis 100 Gew.-% Wasser-Konditionierungsmittel und als Rest Trägermaterial und/oder Bindemittel sowie gegebenenfalls weitere übliche Zusätze, wie z.B. Fliessreguliermittel, Gleitmittel und/oder Konservierungsmittel.

Letztere schützen die Kalkschutzsteine vor vorzeitigem Abbau (Zersetzung) durch Mikroorganismen, insbesondere sulfatreduzierende Mikroorganismen, wie sie in Grund- und Bergwässern enthalten sein können.

Die erfindungsgemässen Kalkschutzsteine können sowohl in dem primären als auch in dem sekundären Bauwerksentwässerungssystem eingesetzt werden. Bei Kontakt des anfallenden Grund- und Bergwassers (Sickerwassers) mit den Kalkschutzsteinen geben diese das in ihnen enthaltene Konditionierungsmittel ab und schützen so auf dem nachfolgenden Fliessweg das Entwässerungssystem vor der Entstehung von harten Ablagerungen (Versinterungen). Durch die spezifische Zusammensetzung und die Menge an Trägersubstanz in den Depotsteinen kann die Abgabemenge an Konditionierungsmittel in beliebiger Weise gesteuert werden.

Die erfindungsgemässen Kalkschutzsteine enthalten als Wasser-Konditionierungsmittel vorzugsweise Homopolymere, Copolymere oder Terpolymere von gesättigten oder ungesättigten, ein oder mehrere Hyd-roxy-, Oxo- oder Aminogruppen enthaltenden Mono-, Di-und Polycarbonsäuren und ihren Salzen, Estern, Amiden und Anhydriden, oxidierte Kohlen-hydrate, Proteine und Mischungen davon.

Besonders bevorzugte Wasser-Konditionierungsmittel sind Homopolymere, Copolymere oder Terpolymere von gesättigten oder einfach oder mehrfach ungesättigten Monocarbonsäuren, Dicarbonsäuren oder Polycarbonsäuren, die eine oder mehrere Hyd-roxy-, Oxo- oder Aminogruppen aufweisen, von deren Estern, Salzen, insbesondere Ammonium- und Alkalimetallsalzen, Amiden, Imiden und Anhydriden, insbesondere diejenigen von Acrylsäure, Methacrylsäure, Acrylamid, Methacrylamid, Maleinsäure, Maleinsäureamid oder -imid, Maleinsäureanhydrid, alpha -Aminobernsteinsäure, alpha -Aminobernsteinsäureamid oder -imid, alpha -Aminobernsteinsäureanhydrid, Itaconsäure (Methylenbernsteinsäure), Itaconsäureamid oder -imid, Itaconsäureanhydrid, alpha -Aminoglutarsäure, alpha -Aminoglutarsäureamid oder -imid, alpha -Aminoglutarsäureanhydrid, Aconitsäure (Propen-1,2,

3-tricarbonsäure), Mesaconsäure, Fumarsäure und sulfomethylieren oder sulfoethylierten Derivaten davon, die einzeln oder in Form einer Mischung eingesetzt werden können.

Als Wasser-Konditionierungsmittel besonders geeignet sind Bernsteinsäureamid, Polysaccharide, Polyoxycarbonsäuren und deren Copolymer, Proteine, insbesondere Polysuccinimid, Polyacrylate, Polymethacrylate, Polyacrylamide, Copolymere von Acrylsäure bzw. Methacrylsäure und Acrylamid, sulfomethylierte oder sulfoethylierte Polyacrylamide, Copolymere und Terpolyacrylamide, Copolymere von Acrylsäure bzw. Methacrylsäure und Acrylamid, sulfomethylierte oder sulfoethylierte Polyacrylamide, Copolymere und Terpolymere mit Acrylsäure und Maleinsäureester, Maleinsäureanhydrid-Polymere und Copolymere oder oxidierte Kohlenhydrate, wobei diese Produkte einzeln oder im Gemisch zur Herstellung von Kalkschutzsteinen eingesetzt werden können.

Als Trägersubstanz und/oder Bindemittel für die erfindungsgemässen Depotsteine besonders gut geeignet sind Gelatine, hydrophobe Fette, Wachse oder Harze, Hydrokolloidbildner wie Metolose, Hydroxypropylmethylcellulose und -ethylcellulose oder Fettsäuren, insbesondere Laurinsäure, gehärtetes Ricinusöl, Carnaubawachs, mikrokristalline Cellulose oder Gemische davon, die gegebenenfalls mit einem Fliessregulierungsmittel wie kolloidalem Siliciumdioxid einem Gleitmittel wie Saccharosestearat und/oder einem Konservierungsmittel wie Methylparaben oder Buthylparaben versetzt sind.

Besonders gut geeignete Kalkschutzsteine für die Behandlung von Grund- und Bergwässern mit einem pH-Wert von vorzugsweise 5 bis 9 sind solche, die 10 bis 100 Gew.-%, vorzugsweise 55 bis 95 Gew.-% Polycarbonsäure (vorzugsweise Polymere auf Acrylat- und Methacrylat-Basis) und 90 bis 0 Gew.-%, vorzugsweise 45 bis 5 Gew.-% Trägersubstanz, vorzugsweise Laurinsäure, enthalten.

Für die Konditionierung von Grund- und Bergwässern mit einem pH-Wert von vorzugsweise 7 bis 13 eignen sich besonders gut Kalkschutzsteine, die 10 bis 100 Gew.-%, vorzugsweise 50 bis 100 Gew.-% Polysuccinimid mit einem Molekulargewicht von 3000 bis 6000 Dalton, insbesondere von 4000 bis 5000 Dalton, als Wasser-Konditionierungsmittel enthalten.

Die erfindungsgemässen Kalkschutzsteine können hergestellt werden unter Anwendung von Giessverfahren oder Pressverfahren.

Das Giessverfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass man das Wasser-Konditionierungsmittel mit der Trägersubstanz und/oder einem Bindemittel mit einem niedrigen Schmelzpunkt von vorzugsweise unter 60 DEG C in dem gewünschten Mengenverhältnis unter Erwärmen mischt und die dabei erhaltene Schmelze aus der Trägersubstanz und/oder dem Bindemittel mit den darin dispergierten Wasser-Konditionierungsmittel-Teilchen abkühlt und formt unter Bildung von homogenen Kalkschutzsteinen. Bei diesem Verfahren verwendet man als Trägersubstanz vorzugsweise Gelatine, hydrophobe Fette, Wachse oder Harze oder Mischungen davon.

Das Pressverfahren zur Herstellung der erfindungsgemässen Kalkschutzsteine ist dadurch gekennzeichnet, dass man das Wasser-Konditionierungsmittel mit pulverförmigen Trägersubstanzen und/oder Bindemitteln in dem gewünschten Mengenverhältnis trocken mischt und die dabei erhaltene trockene Mischung anschliessend zu Formkörpern verpresst. Als Trägersubstanz für dieses Verfahren besonders geeignet sind Hydrokolloidbildner wie Metolose, Hydroxypropylmethylcellulose und -ethylcellulose, Fettsäuren, insbesondere Laurinsäure, gehärtetes Ricinusöl, Carnaubawachs oder mikrokristalline Cellulose oder Mischungen davon.

Vor oder während der Herstellung der Kalkschutzsteine werden der Trägersubstanz vorzugsweise Fliessreguliermittel, beispielsweise kolloidales Siliciumdioxid, Gleitmittel, beispielsweise Saccharosestearat, und/oder Konservierungsmittel, beispielsweise Methylparaben oder Butylparaben, zugemischt. Die Konservierungsmittel schützen die Kalkschutzsteine vor vorzeitigem biologischem Abbau (Zersetzung) durch Mikroorganismen, beispielsweise sulfatreduzierende Mikroorganismen, wie sie überall in Grund- und Bergwässern vorkommen können. Den erfindungsgemässen Kalkschutzsteinen können zusätzlich auch herkömmliche Härtestabilisatoren, Dispergatoren oder Sequestriermittel zugesetzt werden, sodass sie auch gegen Neubildung von Ablagerungen, die durch natürliches kalkübersättigtes Bergwasser entstehen, geschützt sind.

Kalkschutzsteine, die Polysuccinimid als Wasser-Konditionierungsmittel enthalten, lassen sich besonders gut bei zementbedingten Ablagerungen einsetzen und für die Konditionierung von Bergwässern mit einem hohen pH-Wert, vorzugsweise in dem Bereich von 7 bis 13. Dagegen eignen sich Polycarbonsäure-Konditionierungsmittel besonders gut für die Konditionierung von Bergwässern mit niedrigeren pH-Werten, vorzugsweise in dem Bereich von 5 bis 10.

Gemäss einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Minimierung der Bildung von Ablagerungen, insbesondere Carbonatablagerungen, in einem Bauwerksentwässerungssystem, das dadurch gekennzeichnet ist, dass man dem abzuführenden Berg- oder Grundwasser Wasser-Konditionierungsmittel in Form von Kalkschutzsteinen, wie sie vorstehend beschrieben worden sind, zugibt, die unter Berücksichtigung des Gefälles in das Bauwerksentwässerungssystem eingebracht werden.

Bei Neubauten werden die erfindungsgemässen Kalkschutzsteine in das primäre und/oder sekundäre Entwässerungssystem eingebracht, während sie bei bereits bestehenden Bauwerken dem sekundären Entwässerungssystem zugesetzt werden.

Bei der Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens werden die Depotsteine in solchen Mengen in dem Bauwerksentwässerungssystem angeordnet, dass sie an der Wasserzulauf-Stelle bei kleinen Wasserzulaufmengen vorzugsweise 0,5 bis 50 000 ppm, bei mittleren Wasserzulaufmengen vorzugsweise 0,5 bis 5000 ppm und bei konstanten hohen Wasserzulaufmengen vorzugsweise 0,5 bis 100 ppm Wasser-Konditionierungsmittel an das sie überströmende Grund- oder Bergwasser abgeben.

Bei der Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens werden die Kalkschutzsteine vorzugsweise in solcher Menge und solcher Anordnung in das Bauwerksentwässerungssystem eingebracht, dass am Ende des Entwässerungssystems der Wasser-Konditionierungsmittel-Gehalt in dem Berg- oder Grundwasser nicht weniger als 0,1 ppm beträgt. Besonders bevorzugt werden Kalkschutzsteine der vorstehend beschriebenen Art verwendet, die mit Drainagevliesen, Noppenfolien, Kunststoffdichtungsbahnen oder Halbschalen zur Wasserableitung verbunden sind und in das Bauwerk eingebracht werden.

Die Zugabemenge des Wasser-Konditionierungsmittels wird bei Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens durch die Anzahl und Anordnung sowie die Art und Zusammensetzung der Kalkschutzsteine in Abhängigkeit von der am Ende des Entwässerungssystems anfallenden Wassermenge in der gewünschten Weise gesteuert.

Als besonders geeignet hat sich erwiesen die Verwendung von Kalkschutzsteinen, die als Wasser-Konditionierungsmittel Polysuccinimid mit einem Molekulargewicht von 3000 bis 6000 Dalton, enthalten.

Bei genauer Kenntnis der anfallenden Wassermenge und des zugehörigen Wasserchemismus lässt sich die geeignete Menge an Konditionierungsmittel vom Fachmann leicht bestimmen, die erforderlich ist, um eine ausgeprägte Verminderung bzw. eine vollständige Verhinderung der Bildung von Ablagerungen, insbesondere Carbonatablagerungen, in einem Entwässerungssystem zu bewirken. In der Regel genügen 2 ppm, d.h. 2 g Konditionierungsmittel zur erfolgreichen Behandlung von 1 m<3> anfallendem Grund- und Bergwasser. Die Konzentration an Konditionierungsmittel in dem Grund- und Bergwasser ist in unmittelbarer Nähe der Kalkschutzsteine natürlich viel höher und kann über 50 000, besonders bevorzugt über 5000 mg/l betragen. Sie nimmt aber auf dem nachfolgenden Fliessweg ab und sollte am Ende des Entwässerungssystems nicht weniger als 0,1 mg/l betragen.

Die Erfindung eignet sich zur Konditionierung der anfallenden Grund- und Bergwässer mit pH-Werten von 4,0 (gemessen 1998 im Sicherheitssstollen des Gotthard-Strassentunnels) bis zu 13 (gemessen 1980 während der Bauphase des Tunnels durch die Beeinflussung alkalischer Baustoffe). Nach der erfindungsgemässen Konditionierung wird das anfallende Grund- und Bergwasser in der Regel am Ende des Entwässerungssystems direkt in einen Vorfluter geleitet, da es den entsprechenden ökologischen Anforderungen genügt. Die erfindungsgemässe Wasser-Konditionierung ist auch geeignet für Entwässerungssysteme, in deren Bereich eine sehr hohe Luftfeuchtigkeit herrscht und deren Temperatur in tief liegenden Tunnelbauwerken bis zu 40 DEG C betragen kann.

Sie ist insbesondere geeignet für äusserst feingliedrige Bauwerksentwässerungssysteme, die über eine Vielzahl von Verästelungen und Nebenarmen verfügen, deren konventionelle Konditionierung sehr aufwändig und kostspielig wäre. Bei der erfindungsgemässen Konditionierung treten auch keinerlei korrosive Wechselwirkungen mit den eingesetzten Bauwerksmaterialien, wie beispielsweise den Bauwerksabdichtungen, die in der Regel aus PVC, PE oder PP bestehen, dem Beton, der Stahlarmierung, den Glasfaserankern oder dgl. auf, sodass die Dauerhaftigkeit des Bauwerks dadurch nicht beeinträchtigt wird. Die erfindungsgemässe Wasser-Konditionierung ist nicht nur technisch einfacher, sondern auch wirtschaftlicher als die konventionellen Reinigungsmethoden und die Konditionierung mittels mechanischer und elektronisch gesteuerter Dosieranlagen.

Nachfolgend soll die Erfindung anhand von Zeichnungen für zwei Beispiele und einen Vergleichsversuch näher erläutert werden.

Fig. 1 zeigt die schematische Darstellung der zurzeit gebräuchlichsten Elemente von Entwässerungssystemen.

Fig. 2 zeigt die schematische Darstellung der zurzeit gebräuchlichsten Elemente von Entwässerungssystemen anhand eines Schnittes auf Höhe der Linie A-A der Fig. 1. Diese Darstellung gehört zum Beispiel 1.

Fig. 3 enthält zusammen mit der Fig. 2 alle wesentlichen Elemente, die ein Entwässerungssystem beinhalten kann. Die Elemente der Oberflächenentwässerung, dem so genannten sekundären Entwässerungssystem, sind: Rinnen 5, Gräben 6, Abschlüsse 7, Schlammsammler 8, und Einlaufschächte 9. Die Elemente der Drainagen, dem so genannten primären Entwässerungsystern, sind Sickergräben 10, Sickerleitungen 2 mit durchlässiger Wandung, z.B. unverfugte, gelochte oder geschlitzte Rohre, Rigolen, Sickerschichten 11, Sanddrains 12, z.B. Sickeranlagen aus Sandlagen, Geodrains 13, z.B. Sickeranlagen aus Kunststoff wie Drainagevliese, Noppenfolien oder Geotextilien, sowie Drainagebohrungen im Fels 20.

Die Elemente der Kanalisation (sekundäres Entwässerungssystem) sind Sammelleitungen 3, die das gesamte, ihnen durch Sekundärleitungen zugeführte Grund- und Bergwasser eines Abschnitts des Entwässerungssystems aufnehmen und ableiten, zudem Kontrollschächte 1 und Einlaufbauwerke 14. Die Elemente der Rückgabebauwerke sind Auslaufbauwerke 15, Rückhaltebecken 16, Versickerungsanlagen 17, Regenüberlauf 18 und Ölabscheider 19.

Fig. 3 gehört zu Beispiel 2 und 3 und zeigt einen Schnitt durch den Nationalstrassentunnel Crapteig der A 13 in der Schweiz im Bereich der Gehwegkonsole. Die Darstellung zeigt den Aufbau der verschiedenen Entwässerungsleitungen in diesem Strassentunnel. Die Darstellung enthält die Fahrbahnplatte 4, die Isolationssickerleitung 21, die Transportleitung 22 und die Drainageleitung 23, Kalkschutzsteine in Tablettenform in den Sickerpackungen der Drainageleitungen 24, sowie Kalkschutzsteine in Blockform in den Sickerpackungen der Drainageleitungen sowie in Drainagerohr 25. Beispiel 1: Verfahren zur Konditionierung des Grund- und Bergwassers

Im ersten Beispiel nach Fig. 1 und Fig. 2 erfolgt die Zugabe des Konditionierungsmittels über Kalkschutzsteine in die Elemente des Entwässerungssystems. Bei bestehenden Bauwerken lassen sich die Kalkschutzsteine ohne grösseren Aufwand nur im sekundären, d.h. dem zugänglichen Entwässerungssystem auslegen. Ein umfassender Schutz des Entwässerungssystems ist bei bestehenden Bauwerken also nur bedingt möglich. Bei Neubauten können die Kalkschutzsteine auch in das primäre Entwässerungssystem eingebaut werden. Wie lange ihre Wirksamkeit anhält, hängt von der Wasserführung an der jeweiligen Stelle und der Menge an eingebauten Kalkschutzsteinen ab. Bei Bedarf können Öffnungen eingebaut werden, die ein Nachfüllen der Kalkschutzsteine ermöglichen.

Bei einem durchschnittlichen Wasseranfall von 50 m<3> pro Laufmeter Drainagerohr und Jahr bedarf es rund 1 kg Kalkschutzsteine pro Laufmeter Drainagerohr, wenn eine Wirkzeit von 5 Jahren erreicht werden soll. Dabei sollte der Anteil der Trägersubstanzen zweckmässig < 50% betragen. Beispiel 2: Vergleichsversuch mit dem Versinterungstyp 2; pH-Werterhöhung des Grund- und Bergwassers

Im Nationalstrassentunnel Crapteig der A 13 wurde im Laufe des Jahres 1998 ein Vergleichsversuch zur Reduktion von Carbonatablagerungen in den Drainagerohren mit Kalkschutzsteinen unterschiedlicher Zusammensetzung durchgeführt. Die Fig. 3 zeigt den Strassentunnel im Bereich der Gehwegkonsole. Die Ausführungen der linken und rechten Seite des Tunnels sind identisch.

Der Bergwasseranfall, der Wasserchemismus sowie die Versinterungsstärke in beiden Drainagerohren 23 des Tunnels unterscheiden sich nur unwesentlich. Während achtzehn Monaten wurden in beiden Drainagerohren 23, unterhalb der rechten und linken Gehwegkonsole des Strassentunnels Kalkschutzsteine mit unterschiedlicher Zusammensetzung ausgelegt und deren Wirksamkeit für Bergwasser beurteilt. Die Kalkschutzsteine im Drainagerohr 23 unterhalb der Fahrspur nach Chur bestanden zu 80% aus pulverförmiger Polycarbonsäure (Polymer auf Acrylat/Methacrylat-Basis) mit 20% Laurinsäure als Trägersubstanz und wurden im Tablettierverfahren hergestellt. Demgegenüber bestanden die Kalkschutzsteine im Drainagerohr 23 unterhalb der Fahrspur San Bernardino zu 100% aus Polysuccinimid.

Im Verlauf des Versuchs hat sich gezeigt, dass bei Versinterungen, die durch den Versinterungstyp 2 entstehen, d.h. also durch eine pH-Werterhöhung des Bergwassers auf pH 13, Kalkschutzsteine mit Polysuccinimid eine doppelt so hohe Wirksamkeit besitzen wie Kalkschutzsteine aus Polycarbonsäuren.

Nachfolgende Untersuchungen haben ergeben, dass sich Polysuccinimid mit einem Molekulargewicht zwischen 3000 und 6000 Dalton als Konditionierungsmittel besonders gut eignet. Einerseits ist die Wirksamkeit dieses Polysuccinimids als Konditionierungsmittel in Kalkschutzsteinen bei hohen pH-Werten über 9 viel besser als bei allen übrigen Konditionierungsmitteln, und zudem wird dieses Polysuccinimid in die Wassergefährdungsklasse 1 (schwach wassergefährdend) eingeteilt, was ökologische Vorteile bietet.

Die unterschiedliche Härtestabilisations-Wirkung wird deutlich sichtbar, wenn man die an den verschiedenen Bergwasserproben gemessenen Ca-Härten betrachtet. Bergwasserproben mit Polycarbonsäuren als Konditionierungsmittel erreichen eine maximale Carbonathärte (Ca-Härte) von 13 DEG dH, während Bergwasserproben mit Polysuccinimid bis zu 16 DEG dH erreichen. Die Carbonathärte (Ca-Härte) des unbehandelten Bergwassers beträgt dagegen etwa 11 DEG dH. Grundsätzlich gilt, je höher die Ca-Härte des Grund- und Bergwassers, desto geringer die Neubildung von Kalkablagerungen im Entwässerungssystem. Die Dosiermengen an Konditionierungsmittel betrugen auf beiden Seiten des Entwässerungssystems rund 2 ppm (2 g pro m<3> anfallendem Grund- und Bergwasser), wobei diese Konzentrationen am Ende des Entwässerungssystem, beim Tunnelportal, ermittelt wurden.

Beispiel 3: Anwendung der Kalkschutzsteine

In der Fig. 3 ist der Nationalstrassentunnel Crap-teig der A 13 im Schnitt dargestellt. Zum Schutz der Isolationssickerleitung 21 vor der Bildung von harten Ablagerungen könnte beispielsweise ein Konditionierungsmittel über eine Dosieranlage in konstanten Mengen in flüssiger Form zugegeben werden. Bei sachgerechter Handhabung erfordert dieses Verfahren eine zuverlässige Dosieranlage mit entsprechender Ausrüstung. Bei der Vielzahl der Isolationssickerleitungen in einem Nationalstrassentunnel, im Schnitt > 200 Stück, wird der Aufwand für die Installation der Anlagen zu gross und finanziell unrentabel, weshalb hier diese Lösung nicht in Frage kommt. Alternativ dazu können Kalkschutzsteine 25 eingesetzt werden.

Kalkschutzsteine 25 eignen sich besonders an den Stellen, wo die anfallende Wassermenge nicht sehr gross ist, d.h. unter 2 l/s liegt in einem Entwässerungsabschnitt oder das Entwässerungssystem zeitweise trocken liegt. Ein Entwässerungssystem besteht in der Regel aus einer Vielzahl identischer Abschnitte wie z.B. einer einzelnen Isolationssickerleitung. Während dieser Trockenperiode bleibt der Kalkschutzstein an Ort und behält sein Wirkungspotenzial über Monate oder Jahr bei, ohne dabei an Substanz zu verlieren.

Enthalten die Kalkschutzsteine zusätzlich herkömmliche Härtestabilisatoren, Dispergatoren oder Sequestiermittel, so sind sie auch sehr gut geschützt gegen die Neubildung von Ablagerungen, die durch natürliches kalkübersättigtes Bergwasser entstehen. Enthalten die Kalkschutzsteine Polysuccinimid lassen sie sich besonders gut bei zementbedingten Ablagerungen einsetzen. Gerade in der Bauphase, der Periode mit den stärksten Versinterungen, tragen Kalkschutzsteine mit Polysuccinimid dazu bei, die Neu-bildung von Ablagerungen zu verhindern. Die Kalk-schutzsteine können auch vorgängig mit anderen Baumaterialien verbunden und in das Bauwerk eingebaut werden. Für diese Kombination eignen sich Drainagevliese, Noppenfolien, Sickerpackungen, Kunststoffhalbschalen zur direkten Wasserableitung, Kunststoffdichtungsbahnen und dergleichen.

Grundsätzlich sollte man versuchen, das anfallende Grund- und Bergwasser unmittelbar beim Austritt aus dem Fels zu konditionieren. Wegen der Vielzahl der Wassereintrittsstellen ist dies aus finanziellen Gründen mit Dosieranlagen nicht immer möglich und zudem bewegen sich häufig die Wassereintrittsstellen im Laufe der Zeit, sodass fest installierte Dosieranlagen ihre Wirkung verlieren würden. Deshalb sind flächendeckende Massnahmen durch Einbringen von Kalkschutzsteinen zum Schutze des primären und auch des sekundären Entwässerungssystems wirksamer und wirtschaftlicher.

Claims

1. Kalkschutzstein zur Minimierung der Bildung von Ablagerungen, insbesondere Carbonatablagerungen, in einem Bauwerksentwässerungssystem, gekennzeichnet durch einen Gehalt an mindestens einem Wasser-Konditionierungsmittel, gegebenenfalls im Gemisch mit mindestens einer Trägersubstanz und/oder Bindemittel, sowie gegebenenfalls Fliessreguliermittel, Gleitmittel und/oder Konservierungsmittel.

2. Kalkschutzstein nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er einen homogenen oder strukturierten, vorzugsweise schichtenförmigen, Aufbau hat.

3. Kalkschutzstein nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass er in gegossener oder gepresster Form, vorzugsweise als Block oder Tablette, vorliegt.

4.

Kalkschutzstein nach einem der Patentansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass er mindestens 10 Gew.-%, vorzugsweise mindestens 25 Gew.-%, besonders bevorzugt 50 bis 100 Gew.-%, Wasser-Konditionierungsmittel und als Rest Trägermaterial und/oder Bindemittel sowie gegebenenfalls Fliessreguliermittel, Gleitmittel und/oder Konservierungsstoffe enthält.

5. Kalkschutzstein nach einem der Patentansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass er als Wasser-Konditionierungsmittel Homopolymere, Copolymere oder Terpolymere von gesättigten oder ungesättigten, eine oder mehrere Hydroxy-, Oxo- oder Aminogruppen enthaltenden Mono-, Di- und Polycarbonsäuren und ihren Salzen, Estern, Amiden und Anhydriden, oxidierte Kohlenhydrate, Proteine oder Mischungen davon enthält.

6.

Kalkschutzstein nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass er als Wasser- Konditionierungsmittel Homopolymere, Copolymere oder Terpolymere von gesättigten oder einfach oder mehrfach ungesättigten Monocarbonsäuren, Dicarbonsäuren oder Polycarbonsäuren, die eine oder mehrere Hydroxy-, Oxo- oder Aminogruppen aufweisen, deren Estern, Salzen, insbesondere Ammonium- und Alkalimetallsalzen, Amiden, Imiden und Anhydriden, insbesondere von Acrylsäure, Methacrylsäure, Acryiamid, Methacrylamid, Maleinsäure, Maleinsäureamid oder -imid, Maleinsäureanhydrid, Polysuccinimid, alpha -Aminobernsteinsäureamid oder -imid, Itaconsäure, Itaconsäureamid oder -imid, Itaconsäureanhydrid, alpha -Aminoglutarsäure, alpha -Aminoglutarsäureamid oder -imid, alpha - Aminoglutarsäureanhydrid, Aconitsäure, Mesaconsäure,

Fumarsäure und sulfomethylieren oder sulfoethylierten Derivaten davon enthält.

7. Kalkschutzstein nach einem der Patentansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass er als Trägersubstanz und/oder Bindemittel Gelatine, hydrophobe Fette, Wachse oder Harze, Hydrokolloidbildner wie Metolose, Hydroxypropylmethylcellulose und -ethylcellulose oder Fettsäuren, insbesondere Laurinsäure, gehärtetes Ricinusöl, Carnaubawachs, mikrokristalline Cellulose oder Gemische davon enthält, die gegebenenfalls mit einem Fliessregulierungsmittel wie kolloidalem Siliciumdioxid, einem Gleitmittel wie Saccharosestearat und/oder einem Konservierungsmittel wie Methlyparaben oder Buthylparaben versetzt sind.

8.

Kalkschutzstein nach einem der Patentansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass er 10 bis 100 Gew.-%, vorzugsweise 50 bis 100 Gew.-% Polysuccinimid mit einem Molekulargewicht von 3000 bis 6000 Dalton, vorzugsweise von 4000 bis 5000 Dalton enthält, für Grund- und Bergwässer mit einem pH-Wert von vorzugsweise 7 bis 13.

9. Verfahren zur Herstellung des Kalkschutzsteins nach einem der Patentansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass man das Wasser-Konditionierungsmittel mit pulverförmigen Trägersubstanzen und/oder Bindemitteln in dem gewünschten Mengenverhältnis trocken mischt und die dabei erhaltene trockene Mischung anschliessend zu Formkörpern verpresst.

10.

Verfahren zur Minimierung der Bildung von Ablagerungen, insbesondere Carbonatablagerungen, in einem Bauwerksentwässerungssystem, dadurch gekennzeichnet, dass man dem abzuführenden Berg- oder Grundwasser Wasser-Konditionierungsmittel in Form von Kalkschutzsteinen gemäss einer der Ansprüche 1 bis 8, zugibt, die unter Berücksichtigung des Gefälles in das Bauwerksentwässerungssystem eingebracht werden.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Kalkschutzsteine in solcher Menge und solcher Anordnung in das Bauwerksentwässerungssystem eingebracht werden, dass am Ende des Entwässerungssystems der Wasser-Konditionierungsmittel-Gehalt in dem Berg- oder Grundwasser nicht weniger als 0,1 ppm beträgt.