DE102007023736B4

DE102007023736B4 - Schnellabbindende HDI

Info

Publication number: DE102007023736B4
Application number: DE200710023736
Authority: DE
Inventors: Roland Stegbauer; Dominik Hartmann; Karsten Beckhaus; Markus Dipl.-Geol. Astner
Original assignee: Bauer Spezialtiefbau GmbH
Current assignee: Bauer Spezialtiefbau GmbH
Priority date: 2007-05-22
Filing date: 2007-05-22
Publication date: 2011-01-20
Anticipated expiration: 2027-05-23
Also published as: DE102007023736A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung einer Säule im Boden nach dem rotierenden Düsenstrahlverfahren, dadurch gekennzeichnet, dass eine Hydrogencarbonat-Lösung in den Düsenstrahlkörper (10) eingebracht wird und dass nach Herstellung des Düsenstrahlkörpers (10) über die Düse (3) und/oder die Austrittsöffnung (2) und/oder die Verfüllöffnung (4) in einem weiteren Arbeitsgang zumindest ein Teil oder die volle Menge der Hydrogen-Carbonat-Lösung zugegeben wird und dabei der bereits hergestellte Düsenstrahlkörper (10) nochmals rotierend durchfahren wird.

Description

Die Erfindung beschreibt einen Zusatzstoff und ein Herstellverfahren, wodurch der Erhärtungsvorgang bei im Düsenstrahlverfahren hergestellten Körpern im Boden beschleunigt wird.
Bei der Unterfangung von Gebäuden mit dem HDI-Verfahren oder dem Düsenstrahlverfahren ist es von Bedeutung, dass die Säulen einzeln und in einem gewissen größeren Abstand zueinander hergestellt werden. Da der Boden im Augenblick des Düsenvorgangs verflüssigt wird, verliert er seine natürliche, gewachsene Stützfähigkeit und der noch unbearbeitete Nachbarboden muss in diesem Arbeitszustand höhere Kräfte aufnehmen als im Normalfall.
Ist die Länge des zu unterfangenden Gebäudes sehr klein, so kann dies bedeuten, dass der Herstellvorgang der Säulen z. B. schon nach einem halben Tag unterbrochen werden muss, da man abwarten muss, bis die benachbarten Düsenstrahlkörper der neu herzustellenden Säule erhärtet sind bzw. mindestens die Festigkeit des anstehenden Bodens besitzen. Eine Unterbrechung des Herstellvorgangs für einen halben Tag bedeutet eine wesentliche Verteuerung des Verfahrens.
Im Düsenstrahlverfahren wird der anstehende Boden mit einer im Wesentlichen horizontal gerichteten Düse aufgeschnitten, welche im unteren Teil eines vertikalen oder leicht geneigten Gestänges angeordnet ist.
Während des Schneidvorgangs wird das Gestänge langsam gedreht und dabei hochgezogen oder abgesenkt. Zum Lösen und Mischen des anstehenden Bodens werden die Schneiddüsen mit einem Druck von 200–600 bar beschickt. Als Schneidmedium wird dabei bevorzugt Wasser oder Zementsuspension verwendet.
Der dabei entstehende Düsenstrahlkörper im Boden besteht im Wesentlichen aus Boden, Wasser und Bindemittel. Die Bindemittel sind dabei meistens auf Zementbasis.
Bei den Verfahrenstechniken nach dem Stand der Technik, wie sie für das Düsenstrahlverfahren zur Anwendung kommen, liegt der Wasser-Zement-Wert beim Bindemittelschneiden üblicherweise in einem Bereich zwischen 0,8 und 1,2.
Aufgrund des hohen Wasser-Zement-Wertes, der sich im frisch hergestellten Düsenstrahlkörper einstellt, dauert es mindestens 6–8 Stunden, bis das Material in der Säule in einen vergleichbaren Festigkeitsbereich kommt wie ihn der gewachsene Boden hat.
Die Verwendung von Abbindebeschleunigern nach dem Stand der Technik, wie sie z. B. beim normalen Beton zum Einsatz kommen, sind bei der Herstellung von Säulen nach dem Düsenstrahlverfahren nicht zielführend. Damit die Bindemittelsuspension mit hoher Geschwindigkeit, hohem Druck und großer Fördermenge durch die Schneiddüsen gelangen kann, muss der W/Z-Wert relativ hoch sein. Bei dem hohen Wassergehalt wirken jedoch die Erstarrungsbeschleuniger nach dem Stand der Technik nicht mehr. Zudem bewirken sie einen starken Verlust bei der Endfestigkeit, was ebenso nicht erwünscht ist.
Erstarrungsbeschleuniger, wie sie bei Spritzbetonarbeiten verwendet werden, wirken wiederum zu schnell und können zu Schäden in den Pumpen, Leitungen und Düsen führen.
In der DE 40 13 801 A1 ist das Düsenstrahlverfahren beschrieben, mit dem Stahlfasern in einen Düsenstrahlkörper eingebracht werden, um die Biegezugfestigkeit zu erhöhen. Aus der DE 198 54 478 C2 ist die Lehre zu entnehmen, dass durch die Zumahlung von Alkalicarbonaten in den trockenen Zement das Abbindeverhalten einer Zementsuspension beschleunigt wird. So ein Zement ist aber teuer in der Herstellung und nur begrenzt lagerfähig.
Die Erfindung hat die Aufgabe, ein ausreichendes Ansteifen bzw. Erhärten einer nach dem Düsenstrahlverfahren hergestellten Säule im Boden nach kurzer Zeit zu erreichen.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt entsprechend den Merkmalen des Patentanspruches 1. Das erfindungsgemäße Verfahren wird anhand von 1 näher erläutert. Dabei wird in den Prozess der Herstellung eines Düsenstrahlkörpers im Boden nach dem Düsenstrahlverfahren eine Hydrogen-Carbonat-Lösung eingebracht mit der Wirkung, dass der entstandene Düsenstrahlkörper schnell erstarrt oder erhärtet.
Nach dem rotierenden Düsenstrahlverfahren wird eine Säule im Boden hergestellt und nach Herstellung des Düsenstrahlkörpers (10) wird über die Düse (3) und/oder die Austrittsöffnung (2) und/oder die Verfüllöffnung (4) in einem weiteren Arbeitsgang zumindest ein Teil oder die volle Menge der Hydrogencarbonat-Lösung zugegeben und dabei der bereits hergestellte Düsenstrahlkörper (10) nochmals rotierend durchfahren.
Ein Düsenstrahlgestänge 1 ist hier beispielhaft mit mehreren Kanälen zur Zuführung unterschiedlicher Medien ausgestattet, durch welche die Schneid- oder Verfüllmedien zur Düse 3 oder zu Verfüllöffnungen 4 gelangen können. Das Düsenstrahlgestänge ist um eine Achse 11 drehbar und in seinem unteren Bereich befinden sich quer zur Drehachse angeordnete Schneiddüsen 3. In der Bohrspitze 9 sind Verfüllöffnungen 4 angebracht.
Die Schneid- bzw. Verfüllmedien gelangen getrennt voneinander über einen speziellen Spülkopf 5 in die unterschiedlichen Kanäle. Über Kanal 8 kommt das Schneidmedium zur Düse 3. Kanal 6 fördert Spülwasser zur Bohrspitze und erleichtert das Abteufen der Vorrichtung. Beim Zurückziehen können die Verfüllöffnungen 4 zum Einbringen von selbst erhärtenden Verfüllmedien dienen.
Der Kanal 7 kann zur Zuleitung von Druckluft benutzt werden oder zur Zugabe der Hydrogen-Carbonat-Lösung. Die Austrittsöffnung 2 des Kanals 7 sollte möglichst nahe bei der Schneiddüse 3 liegen, damit der Schneidstrahl 12 mit Luft oder der Hydrogen-Carbonat-Lösung angereichert werden kann. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Austrittsöffnung 2 als Ringspalt oder als Umhüllende ausgebildet, welche aus mehreren nebeneinander angeordneten Einzelöffnungen besteht und um die Schneiddüse 3 angeordnet verläuft.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird zumindest eine Teilmenge oder die Gesamtmenge an Hydrogen-Carbonat-Lösung erst zu einem Zeitpunkt zugegeben, bei dem die Säule mit Bindemittel nach dem Düsenstrahlverfahren schon hergestellt ist.
Dabei sind unterschiedliche Varianten nach dem Stand der Technik des Düsenstrahlverfahrens einsetzbar:
Schneiden mit Bindemittel, Schneiden mit Wasser und Bindemittel-Verfüllen über die Verfülldüsen 4 und beides mit oder ohne Druckluftunterstützung.
Nachdem die Säule frisch hergestellt ist, was in der Regel dadurch erfolgt, dass bei Herstellung mit rotierendem Gestänge bei dem tiefsten Säulenniveau begonnen wird und das Gestänge langsam nach oben gezogen wird, wird in einem zusätzlichen Arbeitsgang Hydrogen-Carbonat-Lösung eingespritzt.
Dies erfolgt, so lange die Säule noch aus einem weichen, flüssigen Gemisch aus Boden und Bindemittel besteht.
Das Düsengestänge wird dabei mindestens ein weiteres Mal rotierend durch die Höhe des Säulenkörpers 10 bewegt und dabei wird unter Druck Hydrogen-Carbonat-Lösung eingebracht.
Entweder wird dabei die insgesamt notwendige Menge eingespritzt oder nur eine Teilmenge, da schon der andere Teil der insgesamt erforderlichen Menge an Hydrogen-Carbonat-Lösung während der Herstellung der Säule beigegeben wurde. Das Einbringen der Hydrogen-Carbonat-Lösung erfolgt über die Schneiddüsen 3, die Öffnungen 2 oder die Verfüllöffnungen 4 in der Bohrkrone. Dabei wird mit Drücken von wenigen Bar aber auch mit Hochdruck bis mehrere hundert Bar gearbeitet. Der bereits hergestellte Säulenkörper 10 kann dabei auch mehrmals durchfahren werden, damit die Hydrogen-Carbonat-Lösung gut im Bodenmörtel der Säule verteilt wird.
Zur Herstellung von Düsenstrahlsäulen werden als Bindemittel hauptsächlich Zemente verwendet und dabei meist Portlandzemente.
Versuche haben gezeigt, dass man durch Zugabe einer Hydrogen-Carbonat-Lösung zum Bindemittel erreicht, dass der im Boden entstehende Körper aus Wasser, Bodenbestandteilen und dem Bindemittel verhältnismäßig früh ansteift bzw. zu erhärten beginnt. Je nach Konzentration der Hydrogen-Carbonat-Lösung und abhängig vom Wasser-Bindemittelwert beginnt dieser Vorgang etwa 5 bis 180 Minuten nach dem Einmischen der Hydrogen-Carbonat-Lösung in das Bindemittel.
Das Zugeben der Hydrogen-Carbonat-Lösung kann an unterschiedlichsten Orten des Herstellprozesses erfolgen. Zunächst wird eine Hydrogen-Carbonat-Lösung in einem Chargenmischer hergestellt oder in einem kontinuierlichen Mischvorgang produziert, indem eine konstante Pulvermenge eines Hydrogen-Carbonates einer definierten Flüssigkeitsmenge zugegeben wird. Bevorzugter Weise besteht die Flüssigkeit der Hydrogen-Carbonat-Lösung vorwiegend aus Wasser. Die erfindungsgemäße Wirkung dieser Salze scheint auf dem Hydrogen-Carbonat-Ion HCO₃ ^– zu beruhen.
Geeignete Salze sind z. B. Ammonium-Hydrogen-Carbonat, Natrium-Hydrogen-Carbonat, Kalium-Hydrogen-Carbonat oder Mischungen dieser Hydrogen-Carbonat-Salze.
Je nach Mahlfeinheit und chemischer Zusammensetzung des Zements liegt der für die gewünschte Wirkung notwendige Feststoffanteil der Hydrogen-Carbonat-Lösung in einem Bereich zwischen 1% und einer hochkonzentrierten Lösung, die den Sättigungsgrad des entsprechenden Hydrogen-Carbonat-Salzes erreicht oder auch übersteigt (übersättigte Lösung).
Die erfindungsgemäße Zugabe der Hydrogen-Carbonat-Lösung erfolgt bevorzugter Weise in der Form, dass sie über einen Ringkanal 7 im Gestänge bis zu einer oder mehreren Austrittsöffnungen 2 gepumpt wird, die in der Nähe der Schneiddüse 3 des Schneidstrahles 12 liegen. Besonders wenn der Schneidstrahl 12 aus einer Bindemittelsuspension auf Zementbasis besteht, erreicht man auf diese Weise eine gute Durchmischung des Bindemittels im Strahl mit der Hydrogen-Carbonat-Lösung. Dabei entsteht eine chemische oder physikalische Reaktion, die eine schnell eintretende Senkung der Viskosität bzw. ein schnelles Ansteifen oder Abbinden des Materials bewirkt, aus dem die nach dem Düsenstrahlverfahren entstandene Säule 10 im Boden besteht.
Bevorzugter Weise wird die Zugabe der Hydrogen-Carbonat-Lösung so dosiert, dass dieser gewünschte Vorgang nach etwa 10 bis 90 Minuten, frühestens nach 5 Minuten und spätestens 1,5 bis 3 Stunden nach Herstellung der Säule 10 einsetzt. Somit ist keine direkte Verfahrensbeeinflussung zu erwarten.
Ein schnelleres Absenken der Viskosität wäre nicht zweckmäßig, da sonst der Schneidvorgang negativ beeinträchtigt wird und die Reichweite des Schneidstrahls reduziert würde. Der Säulendurchmesser würde auf diese Weise kleiner als gewünscht werden.
Besonders effektiv ist die Ausbildung der Austrittsöffnung 2 als Ringdüse, welche die Schneiddüse umhüllt. Diese kann eine schlitzförmige Ringdüse sein oder sie kann auch aus mehreren kleinen Bohrungen und Öffnungen bestehen, die um die Schneiddüse 3 herum angeordnet sind. Im Sog des Schneidstrahles 12 entstehenden starke Verwirbelungen, welche die Durchmischung von Bindemittel und Hydrogen-Carbonat-Lösung intensivieren.
Die Zugabe zusätzlicher Luft über die Austrittsöffnung 2 kann sowohl die Vermischung als auch die Reichweite des Schneidstrahls positiv beeinflussen.
In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsvariante wird zumindest ein Teil der Gesamtmenge an Hydrogen-Carbonat-Lösung bereits bei der Aufbereitung der Bindemittelsuspension zugegeben, was an der Erdoberfläche und vor dem Spülkopf erfolgt. Dabei kann es zweckmäßig sein, erst nur einen geringeren Teil der zur Wirkung erforderlichen Menge an Hydrogen-Carbonat-Lösung zuzugeben, damit sich keine Erschwernisse bei der Verarbeitung der Bindemittel- bzw. Zementsuspension ergeben. Vorzeitige Ablagerungen durch Abbinden, Ansteifen oder Erhärten in Vorratsbehältern, Pumpen, Schläuchen, Ringkanälen oder Düsen sollen in jedem Fall vermieden werden.
Die Zugabe der Hydrogen-Carbonat-Lösung kann im Bindemittelmischer oder im Vorratsbehälter für die Bindemittelsuspension geschehen. Weiter kann die Hydrogen-Carbonat-Lösung direkt in die Förderleitungen der Bindemittelsuspension eingebracht werden. Das kann vor oder nach der Hochdruckpumpe sein oder vor oder nach der Förderpumpe erfolgen, wie sie im Verfahren Wasserschneiden + Bindemittelverfüllen verwendet wird. Die direkte Zuführung der Hydrogen-Carbonat-Lösung in Schlauchleitungen erfolgt über T-Stücke oder Injektoren nach dem Stand der Technik.
Um die Wirkung und den Zeitpunkt des Ansteifens, Erstarrens oder Erhärtens auf das gewünschte Zeitmaß zu beschleunigen, kann es sinnvoll sein, zusätzlich einen weiteren Teil der insgesamt notwendigen Menge an Hydrogen-Carbonat-Lösung über die Öffnungen 2 oder die Verfüllöffnungen 4 in der Bohrkrone zuzugeben, d. h. der Kontakt mit der Bindemittelsuspension erfolgt außerhalb von Schläuchen, Gestängen und Düsen.
Dabei können auch unterschiedliche Konzentrationen der Hydrogen-Carbonat-Lösung zur Anwendung kommen oder Lösungen, die aus unterschiedlichen Hydrogen-Carbonat-Salzen hergestellt oder kombiniert werden.
Nachdem die Säulen im Boden nach dem Düsenstrahlverfahren mit dem erfindungsgemäßen Zusatzmittel und der erfindungsgemäßen Verfahrenstechnik hergestellt worden sind, erreicht das Material des Düsenstrahlkörpers schnell eine so hohe Eigenstandfestigkeit, dass die Säulen die erforderlichen Unterfangungskräfte des Gebäudes aufnehmen können. Ohne zeitliche Unterbrechung können auch die restlichen Säulen zwischen den bereits hergestellten Düsenstrahlkörpern hergestellt werden.

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Säule im Boden nach dem rotierenden Düsenstrahlverfahren, dadurch gekennzeichnet, dass eine Hydrogencarbonat-Lösung in den Düsenstrahlkörper (10) eingebracht wird und dass nach Herstellung des Düsenstrahlkörpers (10) über die Düse (3) und/oder die Austrittsöffnung (2) und/oder die Verfüllöffnung (4) in einem weiteren Arbeitsgang zumindest ein Teil oder die volle Menge der Hydrogen-Carbonat-Lösung zugegeben wird und dabei der bereits hergestellte Düsenstrahlkörper (10) nochmals rotierend durchfahren wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Hydrogen-Carbonat-Lösung in unmittelbarer Nähe der Düse (3) dem Schneidstrahl (12) zugeführt wird und dass der Schneidstrahl (12) im Wesentlichen aus einer Bindemittelsuspension besteht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der insgesamt eingebrachten Menge an Hydrogen-Carbonat-Lösung in die Bindemittelsuspension eingemischt wird, ehe sie in den Spülkopf (5) gelangt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Hydrogen-Carbonat-Lösung zusammen mit einer Bindemittelsuspension in den Verfüllkanal (6) eingeleitet wird, der zu der Verfüllöffnung (4) führt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Hydrogen-Carbonat-Lösung im Wesentlichen eine Lösung aus einem Ammonium-Hydrogen-Carbonat und/oder einem Natrium-Hydrogen-Carbonat und/oder einem Kalium-Hydrogen-Carbonat in Wasser ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der bevorzugte Feststoffgehalt der Hydrogen-Carbonat-Lösung zwischen 1% und dem maximalen Sättigungsgrad der jeweiligen Hydrogen-Carbonat-Lösung liegt.