NL2003443C2 - Werkwijze voor het verstevigen en/of afdichten van een zandgrondlichaam. - Google Patents

Description

P29912NLOO/JHO

Korte aanduiding: Werkwijze voor het verstevigen en/of afdichten van een zandgrondlichaam.

De uitvinding heeft betrekking op een werkwijze voor het verstevigen of afdichten van een zandgrondlichaam.

Het gebruik van waterglas in bodeminjecties ter versteviging van zandgronden, waarbij een polysilicaatstructuur wordt gevormd door middel van een chemische reactie met 5 een harder is bekend.

Uit US 3,865,600 en US 4,072,019 is het gebruik van een mengsel van acetylesters van glycerol (glycerylmono-, di- en triacetaat) als harder in een bodeminjectie met waterglas voor de versteviging van zanderige, losse of poreuze gronden in het algemeen en zandsteen in het bijzonder bekend. De monoester vormt de grootste fractie en dient om de 10 di- en triester mengbaar te maken met water.

Nu is gebleken dat de waterdichte laag zoals gevormd door een dergelijke bodeminjectie degradeert als het lichaam waarin de waterdichte laag is aangebracht onderhevig is aan uitdroging en herbevochtiging, zoals daling en stijging van het grondwaterpeil.

15 Het is een doel van deze uitvinding om een werkwijze voor het uitvoeren van een bodeminjectie te verschaffen waarbij een waterdichte laag wordt gevormd die zijn sterkte en stabiliteit behoudt, ook op de lange termijn en onder wisselende klimatologische omstandigheden zoals uitdroging en herbevochtiging in de tijd.

Dit doel wordt bereikt met behulp van een werkwijze voor het verstevigen of afsluiten 20 van een zandgrondlichaam, omvattende de stappen van: a) het bereiden van een waterglasmengsel dat waterglas en water omvat; b) het bereiden van een hardermengsel dat een harder en water omvat; c) het injecteren in het zandgrondlichaam van de waterglas- en hardermengsels; d) het laten reageren van het waterglas uit het waterglasmengsel en de harder uit het 25 hardermengsel tot een polysilicaatstructuur onder insluiting van een waterbindend middel, waarin de harder is gekozen uit een ester of een mengsel van esters gekozen uit de groep van ethylacetaat (EA), dimethylsuccinaat (DMS), dimethylgluteraat (DMG), dimethyladipaat (DMA), glycerylmonoacetaat (GMA), glyceryldiacetaat (GDA) en glyceryltriacetaat (GTA) en de glycerylesters van mierenzuur en propaanzuur en/of verwante carbonzuren en/of 30 afgeleiden daarvan; waarin het waterbindend middel bij de bereiding van de waterglas- en -2- hardermengsels aan minstens één van beide mengsels wordt toegevoegd; waarin het zandgrondlichaam zandgrond omvat en waarbij de polysilicaatstructuur blootgesteld wordt aan een in de tijd wisselend vochtgehalte van het zandgrondlichaam.

De uitvinding is gebaseerd op de waarneming dat naar de huidige stand der techniek 5 verstevigende of afsluitende bodeminjecties gebaseerd op de vorming van een waterdichte polysilicaatstructuur aangetast worden door uitdroging en herbevochtiging. Dit betekent dat van een aangebrachte waterdichte laag na verloop van tijd de stabiliteit dusdanig aangetast kan zijn dat herstel van de huidige of een nieuwe bodeminjectie nodig is. Een waterdichte laag die na uitdroging en herbevochtiging zijn afsluitende en/of verstevigende 10 eigenschappen behoudt, betekent een vergroting van de veiligheid en levert een besparing op van kosten en materieel.

Voorbeelden van zandgrondlichamen waarop de werkwijze volgens de uitvinding toegepast kan worden zijn de fundamenten van bouwwerken als bijvoorbeeld woningen, kantoorgebouwen en parkeergarages; de fundamenten van maritieme bouwwerken als 15 bijvoorbeeld dammen, dijken, kaden, pieren en oevers, maar ook de zandgrond onder en naast de wanden van bouwputten of andere graaflocaties. Met een fundament wordt hier de grond onder en naast het betreffende bouwwerk bedoeld. Een voorkeursuitvoeringsvorm betreft de werkwijze volgens de uitvinding toegepast op een waterkerend lichaam als zandgrondlichaam, zoals een (rivier)dijk, dam of duin 20 Een grondlichaam dat als functie het tegenhouden van water heeft, wordt in de context van de uitvinding een waterkerend lichaam genoemd. Voorbeelden van een waterkerend lichaam zijn een dijk of een dam, een damwand in een bouwput of de fundering onder een woning.

Het aanwezig zijn van een waterbindend middel in de polysilicaatstructuur in het 25 zandgrondlichaam heeft als effect dat de polysilicaatstructuur minder wordt aangetast door uitdroging en herbevochtiging dan het geval is als er geen waterbindend middel in het zandgrondlichaam aanwezig is. Verondersteld wordt dat dit komt omdat het waterbindend middel tijdens de reactie tussen het waterglas en de harder ingebouwd wordt in de polysilicaatstructuur, waardoor deze structuur tijdens uitdroging en eventuele 30 herbevochtiging zijn stabiliteit behoudt.

Uit drukproeven met monsters van zandgrond is gebleken dat na 2 maanden van uitdroging de maximale druksterkte is afgenomen. De belastbaarheid van de polysilicaatstructuur is na uitdroging dus minder dan direct na uitharding van het waterglas. Als de monsters opnieuw bevochtigd worden neemt de maximale druksterkte weer toe, maar 35 blijft onder de initiële druksterkte. Uit deze drukproeven is gebleken dat bij afwezigheid van een waterbindend middel de silicaatstructuur na uitdroging en herbevochtiging dusdanig is gedegenereerd dat verpulvering van het monster optreedt tijdens de belasting.

-3-

De breuk die ontstaat bij belasting na uitdroging van een monster met een silicaatstructuur waarin geen waterbindend middel is opgenomen, is een brosse breuk. Onder een brosse breuk wordt hier verstaan een breuk waarbij geen plastische vervorming van het monster optreedt voor het monster breekt. In het onderhavige geval wordt voor 5 monsters met een silicaatstructuur waarin geen waterbindend middel is opgenomen, naast een brosse breuk, ook nog verpulvering van het monster waargenomen. Na herbevochtiging treedt voor dergelijke monsters geen herstel van de silicaatstructuur op. De breuk die bij belasting na herbevochtiging ontstaat, is wederom een brosse breuk waarbij verpulvering van het monster wordt waargenomen. Het waterbindend middel kan direct en indirect 10 worden toegevoegd aan het waterglas- en hardermengsel. Indirect wil zeggen dat het waterbindend middel wordt gevormd bij de reactie tussen de harder en het waterglas. Een voorbeeld hiervan is het gebruik van een ester als harder, waarbij het waterbindend middel wordt gevormd door hydrolyse van die ester.

Volgens de uitvinding wordt het waterbindend middel direct toegevoegd. Dat wil 15 zeggen dat bij de bereiding van het waterglas- en hardermengsel het waterbindend middel aan minstens één van beide mengsels wordt toegevoegd. Het voordeel hiervan is dat de hoeveelheid toegevoegd waterbindend middel op deze manier niet afhankelijk is van het type en de hoeveelheid van de gebruikte harder en dat zodoende de hoeveelheid toegevoegd waterbindend middel nauwkeurig afgestemd kan worden op de vereisten van 20 de te vormen waterdichte laag.

Als waterbindend middel kunnen bijvoorbeeld polyalcoholen of de alkylesters, als voorloper van het waterbindend middel (hydrolyse producten), hiervan gebruikt worden, maar ook verbindingen waarbij één of meer van de hydroxylgroepen zijn vervangen door een amine- of carbonylgroep kunnen gebruikt worden als waterbindend middel.

25 Bij voorkeur is het waterbindend middel een meerwaardige alcohol. Meer bij voorkeur is het waterbindend middel een trialcohol. Meest bij voorkeur is het waterbindend middel glycerol.

Voor de uitharding van het waterglas, dat overigens zowel natrium- als kaliumsilicaat kan zijn, wordt een harder gebruikt. Met de term harder wordt een verbinding of een 30 combinatie van verbindingen bedoeld die, hetzij via verlaging van de pH, hetzij via een directe reactie met het waterglas, de uitharding van het waterglas bewerkstelligt, zodat de gewenste polysilicaatstructuur gevormd wordt.

De harder is een ester of een mengsel van esters gekozen uit de groep van ethylacetaat (EA), dimethylsuccinaat (DMS), dimethylgluteraat (DMG), dimethyladipaat 35 (DMA), glycerylmonoacetaat (GMA), glyceryldiacetaat (GDA) en glyceryltriacetaat (GTA) en de glycerylesters van mierenzuur en propaanzuur en/of verwante carbonzuren en/of -4- afgeleiden daarvan. Van het gebruik van GTA als harder is bekend dat het waterbindend middel dat een reactieproduct is van het hardingsproces de beste resultaten geeft.

De harder is niet altijd even goed mengbaar met water. Voor een optimaal resultaat dient de harder zo homogeen mogelijk in de te injecteren grond verspreid te worden.

5 Daarom wordt met voordeel een in water dispergeerbare of oplosbare harder toegepast. Om de dispergeerbaarheid van de harder met water te vergroten kan volgens een uitvoeringsvorm van deze uitvinding een oppervlakteactief middel worden toegevoegd aan het hardermengsel. Als oppervlakteactief middel kan bijvoorbeeld een polysorbaat zoals Span® 80 (geregistreerd handelsmerk van Croda International PLC) gebruikt worden.

10 De uitvinding wordt verder toegelicht aan de hand van de bijgevoegde tekening waarin:

Fig. 1 een vereenvoudigde weergave is van een zandgrondlichaam en de daarin aangebrachte waterdichte laag; en

Fig. 2 een grafiek van de maximale druksterkte na uitharding, uitdroging en 15 herbevochtiging is.

In fig. 1 is een dwarsdoorsnede van een zandgrondlichaam 10 zoals verkregen door het toepassen van de werkwijze volgens de uitvinding weergegeven. Deze dwarsdoorsnede dient slechts ter illustratie en is geenszins een beperking van de beschermingsomvang. Het zandgrondlichaam 10 omvat een waterkerend dijklichaam 20 en een aangrenzend gebied 20 aan de binnenzijde 40 van het dijklichaam 20, de binnendijkse stabiliteitszone 60. Het dijklichaam 20 is gefundeerd op een grondlaag 21 en is gevormd uit zand, maar kan ook veen en/of klei omvatten. Onder de grondlaag bevindt zich een zandlaag 22 welke tevens de bodem van een oppervlaktewaterlichaam 50 vormt.

In de binnendijkse stabiliteitszone 60 is een ondergronds poldergebied gevormd.

25 Daartoe zijn twee of meer verticale damwanden 61 aangebracht die zich uitstrekken tot onder de oppervlakte van de zandlaag 22. Deze verticale damwanden 61 strekken zich horizontaal gezien evenwijdig aan het dijklichaam 20 uit. Middels de werkwijze volgens de uitvinding wordt een horizontale, nagenoeg waterdichte laag 62 aangebracht, welke de verticale damwanden 61 aan de onderzijde verbindt. Hiertoe zijn in de binnendijkse 30 stabiliteitszone 60, de bodeminjectielocatie, meerdere boorpunten 70, dat zijn punten waar een leiding, zoals een slang, in de grond is gebracht waardoor de injecties plaats vinden, aangebracht met een onderlinge afstand van bijvoorbeeld 80 cm. Vervolgens worden de zich in houders 72 bevindende waterglas- en hardermengsels via bijvoorbeeld een Y-verbinding 71 geïnjecteerd, waarbij de waterglas- en hardermengsels al met elkaar 35 gemengd worden voordat ze daadwerkelijk onder druk in de grond geïnjecteerd worden. Dit heeft als voordeel dat er een homogeen of minstens homogeniserend eindmengsel in de uiteindelijke waterdichte laag wordt geïnjecteerd. In dit voorbeeld bevindt de waterdichte -5- laag 62 zich in de zandlaag. In fig. 1 ligt de waterdichte laag 62 horizontaal op afstand van de kruin 23 van het zandgrondlichaam 10. Deze waterdichte laag 62 kan zich echter ook ten minste gedeeltelijk onder de kruin 23 van het dijklichaam 20 uitstrekken.

5 Voorbeeld 1

Om de stabiliteit van de silicaatstructuur te kwantificeren wordt de maximale druksterkte van geprepareerde grondmonsters bepaald. De experimenten zijn uitgevoerd naar voorbeeld van een instructie zoals opgesteld door de firma GeoDelft (“Samendrukkingsproef”, Instructie van GeoDelft voor het doen van sterktebepalingen d.m.v. 10 drukproeven: http://www.aeodelft.nl/qeolab/files/Productbladen/Samendrukkinqsproef.pdf)

Hierbij dient wel opgemerkt te worden dat de drukproeven zoals uitgevoerd ten behoeve van de uitvinding iets afwijken van de drukproeven volgens bovengenoemde instructie. Volgens de instructie wordt de belasting van het grondmonster zeer geleidelijk (over een periode van 1-2 dagen) in stappen opgebouwd. De proeven die zijn uitgevoerd 15 ten behoeve van de uitvinding hadden een duur van 1 tot 3 minuten en de belasting werd continu opgevoerd. De resultaten van de drukproeven zijn weergegeven in de grafiek volgens figuur 2.

Volgens de uitvinding is bodeminjectie mogelijk voor zowel versterking als afsluiting van zandgronden. De hoeveelheid waterglas (uitgedrukt in volumeprocenten) is afhankelijk 20 van de vereiste specificaties per individueel geval. Bij een typische bodemversterking wordt ongeveer 50% waterglas en ongeveer 8% DMS, DMA of DMG of een mengsel hiervan gebruikt. Een mengsel van DMS, DMA of DMG is bekend onder de naam R100. De rest van het volume (42 %) van de bodeminjectie bestaat uit water en eventuele additieven zoals bijvoorbeeld aanvullende waterbindende middelen, vulmiddelen en oppervlakteactieve 25 stoffen. Bij een typische bodemafdichting bedragen de volumepercentages waterglas, harder en water/overigen respectievelijk 25, 4 en 71%.

In de grafiek volgens figuur 2 is de maximale druksterkte na 10 dagen uitharden, 2 maanden uitdroging en na herbevochtiging weergegeven van verschillende injectiesamenstellingen voor bodemversterking. Bij gebruik van R100 als harder vindt geen 30 inbouw van een waterbindend middel in de polysilicaatstructuur plaats, bij gebruik van GTA als harder is sprake van indirecte inbouw van het waterbindend middel, evenals bij gebruik van de combinatie GTA en R100 als harder, en bij gebruik van de combinatie R100 en glycerol is sprake van directe inbouw van het waterbindend middel in de polysilicaatstructuur.

35 Het blijkt dat de maximale druksterkte de hoogste waarde heeft na het uitharden (ca.

625 kPa), minimaal is na uitdroging (ca. 300 kPa) en na herbevochtiging weer toeneemt tot een waarde onder de initiële waarde (ca 460 kPa). Hierbij wordt opgemerkt dat het monster, -6- met bovenstaande specificaties bereid met de werkwijze volgens de uitvinding, verpulverde tijdens de drukproef na uitdroging en herbevochtiging.

Voorbeeld 2 5 Identiek aan voorbeeld 1, maar nu met glyceryltriacetaat (GTA) als harder. In dit voorbeeld is sprake van indirecte toevoeging van glycerol als waterbindend middel aan het hardermengsel als gevolg van de hydrolyse van GTA.

Uit de grafiek volgens figuur 2 blijkt dat de maximale druksterkte evenals in voorbeeld 1 de hoogste waarde heeft na uitharding (ca. 750 kPa), een minimum kent na 10 uitdroging (ca. 300 kPa), om na herbevochtiging weer toe te nemen tot een waarde onder de initiële waarde (ca 460 kPa). Het verschil met voorbeeld 1 is echter dat het monster na uitdroging en herbevochtiging zijn stabiliteit behoudt en niet verpulvert onder druk.

In plaats van GTA kunnen ook glyceryldiacetaat (GDA) en/of glycerylmonoacetaat (GMA) en/of een mengsel van GDA en/of GMA en GTA als harder gebruikt worden. Het is 15 tevens mogelijk om glycerylesters in het algemeen als harder te gebruiken

Voorbeeld 3

Identiek aan voorbeeld 1, maar nu onder directe toevoeging van glycerol als waterbindend middel en gebruik van R100 als harder. In de grafiek volgens figuur 2 is te 20 zien dat wanneer glycerol direct wordt toegevoegd, de maximale druksterkte na uitdroging een minder sterke afname laat zien dan in voorbeelden 1 en 2. De druksterkte neemt af tot een zekere waarde en blijft nagenoeg constant na herbevochtiging. Tijdens de drukproeven is gebleken dat het monster na uitdroging en herbevochtiging zijn stabiliteit behoudt en niet verpulverd onder druk.

25

Voorbeeld 4

Identiek aan voorbeeld 3, maar nu onder indirecte toevoeging van glycerol als waterbindend middel door gebruik van de combinatie R100 en GTA als harder. In de grafiek volgens figuur 2 is te zien dat wanneer glycerol direct wordt toegevoegd, de maximale druksterkte na 30 uitdroging een minder sterke afname laat zien dan in voorbeelden 1 en 2. De druksterkte neemt af tot een zekere waarde en blijft nagenoeg constant na herbevochtiging. Tijdens de drukproeven is gebleken dat het monster na uitdroging en herbevochtiging zijn stabiliteit behoudt en niet verpulverd onder druk.

35

Claims (10)

1. Werkwijze voor het verstevigen en/of afsluiten van een zandgrondlichaam, omvattende de stappen van: a) het bereiden van een waterglasmengsel dat waterglas en water omvat; b) het bereiden van een hardermengsel dat een harder en water omvat; 5 c) het injecteren in het zandgrondlichaam van het waterglas- en hardermengsel; d) het laten reageren van het waterglas uit het waterglasmengsel en de harder uit het hardermengsel tot een polysilicaatstructuur onder insluiting van een waterbindend middel, waarin de harder is gekozen uit de groep bestaande uit een ester of een mengsel van esters gekozen uit de groep van ethylacetaat (EA), dimethylsuccinaat (DMS), dimethylgluteraat 10 (DMG), dimethyladipaat (DMA), glycerylmonoacetaat (GMA), glyceryldiacetaat (GDA) en glyceryltriacetaat (GTA); en de glycerylesters van mierenzuur en propaanzuur of verwante carbonzuren of afgeleiden daarvan; waarin het waterbindend middel bij de bereiding van de waterglas- en hardermengsels aan minstens één van beide mengsels wordt toegevoegd; waarin het zandgrondlichaam zandgrond omvat; en waarin de polysilicaatstructuur 15 blootgesteld wordt aan een in de tijd wisselend vochtgehalte van het zandgrondlichaam.

2. Werkwijze volgens conclusie 1, waarin het zandgrondlichaam een waterkerend lichaam (20) is.

3. Werkwijze volgen conclusie 1 of 2, waarin het waterbindend middel gekozen wordt uit de groep bestaande uit polyalcoholen of de alkylesters, als voorloper van het waterbindend middel (hydrolyse producten), hiervan of derivaten hiervan waarbij één of meer van de hydroxylgroepen wordt vervangen door een amine- of carbonylgroep.

4. Werkwijze volgens een van de voorgaande conclusies, waarin het waterbindend middel een meerwaardige alcohol is.

5. Werkwijze volgens een van de voorgaande conclusies, waarin het waterbindend middel een trialcohol is.

6. Werkwijze volgens een van de voorgaande conclusies, waarin het waterbindend middel glycerol is.

7. Werkwijze volgens een van de voorgaande conclusies, waarin het waterbindend middel een meerwaardige alcohol is, verkregen door hydrolyse van de harder.

8. Werkwijze volgens een van de voorgaande conclusies, waarin de harder een ester is. 10

9. Werkwijze volgens een van de voorgaande conclusies, waarin het waterglasmengsel en het hardermengsel samengevoegd worden voorafgaande aan de injectie in het zandgrondlichaam.

10. Werkwijze volgens een van de voorgaande conclusies, waarin het hardermengsel een oppervlakteactief middel omvat.