FROSTSCHUTZAUSKLEIDUNG FÜR VERKEHRSTUNNEL IN KÄLTEREGIONEN

Frostschutzauskleidung für Verkehrstunnel in Kälteregionen

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft eine Frostschutzauskleidung für einen 5 Verkehrstunnel in Kälteregionen mit einer Schicht aus geschäum¬ tem thermoplastischem Kunststoff und einer Feuerschutzschicht.

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In Kälteregionen, vor allem in skandinavischen Ländern, stellt sich bei VerkehrstunneIn das Problem der Eisbildung, weil die

10 Verkehrstunnel in aller Regel in standfestem Gebirge stehen, welches keines Ausbaus bedarf. Ohne Ausbau kann das aus dem Gebirge austretende Wasser im Winter frieren, da durch die Tun¬ nelein- bzw. Ausfahrten Luft mit Temperaturen unterhalb des Gefrierpunktes in den Tunnel dringt. Zum Teil bilden sich dabei

15 Eiszapfen, die eine extreme Verkehrsgefahr darstellen. Seit langem bestehen Bemühungen, derartige Gefahren zu beseitigen.

Stand der Technik

Aus dem Firmenprospekt "Tunnel- og brusambandet Alesund, 20 Ellingsoy, Valderoy, Vigra, Giske og Godoy; Fa. Selmer-Furuhol- men Anlegg, Oslo" ist die Auskleidung von Tunneln mit Platten aus Polyethylen-Schaumstoff bekannt. Aus dem Felsen austreten¬ des Wasser, das gewöhnlich eine Temperatur von etwa 4 bis 6 °C aufweist, wird von den überlappend verlegten Polyethylen- 25 Schaumstoff latten seitlich in eine Kanalisation geleitet. Der Polyethylen-Schaumstoff dient gleichzeitig als thermische Iso¬ lierung und verhindert so zuverlässig eine Eisbildung. Aller¬ dings ist eine solche Tunnelauskleidung bei einem Brand bei¬ spielsweise eines Fahrzeugs im Tunnel sehr gefährdet, da Poly- ao ethylen-Schaumstoff selbst brennbar ist.

Aus der EP-AI 0 293 381 ist eine Frostschutz-Tunnelauskleidung mit einer der Tunnelwandung zugewandten Dichtungsbahn, einer darauf angebrachten thermischen Isolierung aus Polyurethan- 35 schäum und einer abschließenden FeuerschutzSchicht aus Mörtel bekannt.

Ein solcher Aufbau weist den Nachteil auf, daß die Aufbringung des Mörtels auf die SchaumstoffSchicht problematisch ist. Wei- terhin ist die Feuersicherheit nicht ausreichend, da die Mör¬ telschicht bei einem Brand leicht abplatzt und damit der darun¬ terliegende Schaumstoff selbst in Brand gerät.

Aufgabe der Erfindung

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Frost¬ schutzauskleidung für Verkehrstunnel in Kälteregionen zur Ver¬ fügung zu stellen, die diese Nachteile nicht aufweist. Ein wei¬ teres Anliegen der Erfindung ist es, den Aufwand für die Erstellung gattungsgemäßer Frostschutzauskleidungen zu verrin¬ gern.

Darstellung der Erfindung

Die Erfindung löst diese Aufgabe durch eine Frostschutzausklei- düng für Verkehrstunnel in Kälteregionen mit einer Schicht aus geschäumtem thermoplastischem Kunststoff und einer Feuer¬ schutzschicht, wobei die Feuerschutzschicht aus einem anorgani¬ schen Schaumstoff aus einem Silikoaluminat besteht.

Derartige anorganische Schaumstoffe aus einem Silikoaluminat sind z. B. aus der EP-Bl 0 148 280 (= US-A 4,533,393), der EP- Bl 0 199 941 (= US-A 4,681,631) sowie der EP-AI 0 324 968 (= WO 89/05783) bekannt. Aus der letztgenannten Schrift ist ebenfalls bekannt, eine in situ aushärtende, aufschäumbare Masse auf der Basis von Silikoaluminaten mit bestimmten Reaktionsbeschleuni¬ gern zum Verfüllen von Hohlräumen im Berg- und Tunnelbau einzu¬ setzen.

Die erfindungsgemäß eingesetzte Schicht aus geschäumtem thermo- plastischem Kunststoff dient in erster Linie der thermischen Isolierung, um die Temperatur des aus dem standfesten Gebirge austretenden Wassers oberhalb des Gefrierpunktes zu halten. Soweit in den Zwischenraum zwischen dem standfesten Gebirge und der Schicht aus geschäumtem thermoplastischem Kunststoff Wasser aus dem Gebirge eindringt, kann es innerhalb dieser Schicht abgeleitet werden, z. B. in eine Kanalisation.

Als geschäumter thermoplastischer Kunststoff wird bevorzugt vernetzter geschlossenzelliger Polyethylen-Schaumstoff (z. B. TROCELLEN ^R , Firma Hüls Troisdorf AG) eingesetzt. Soweit ein geschlossenzelliger Schaumstoff verwendet wird, kann bei über¬ lappender Verlegung oder stumpfgeschweißten Bahnen oder Platten ggf. auf eine zusätzliche Abdichtung verzichtet werden. Es kann aber zusätzlich eine an sich bekannte Dichtungsbahn zwischen dem standfesten Gebirge und der Schicht aus geschäumtem thermo¬ plastischem Kunststoff eingesetzt werden.

Die Feuerschutzschicht aus einem anorganischen Schaumstoff wird nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung aus einer anorganischen, steinbildenden Komponente, einer wasserhaltigen zweiten Komponente, die die Härtungsreaktion der steinbildenden Komponente im alkalischen Bereich bewirkt, sowie einer schaum¬ bildenden Komponente hergestellt. Zusätzlich können Füllstoffe und Verstärkungsfasern eingesetzt werden.

Die steinbildende Komponente und der Härter reagieren miteinan¬ der in einer Art Polykondensation unter Wasserabspaltung, wobei die exotherme chemische Reaktion im alkalischen Bereich statt- findet. Je nach Zusammensetzung des für die Reaktion erforder¬ lichen Härters entstehen dreidimensionale Netzwerke von Siliko- aluminaten, die Zeolith-ähnlich oder FeldsDat-ähn_ ' "h und amorph bis teilkristallin sind. Der Schäumst f hat J nach Porengröße ein Raumgewicht von 200 bis 800 kg/m ^J , bevorzugt von 300 bis 600 kg/m ³ .

Die erfindungsgemäße Feuerschutzschicht hat primär die Aufgabe, die darunterliegende Schicht aus geschäumtem thermoplastischem Kunststoff vor den Auswirkungen eines Brandes im Tunnel zu schützen. Durch die relativ guten thermischen Isolationseigen¬ schaften der als anorganischer Schaumstoff ausgebildeten Fen°r- schutzschicht werden die bei einem Brand entstehenden <_._ιen Temperaturen zumindest für eine gewisse Zeit von etwa 20 bis 40 min, je nach Dicke der Feuerschutzschicht, abgehalten. Darüber- hinaus übt die erfindungsgemäße Feuerschutzschicht auch eine tragende Funktion aus, da das verwendete Material genügende Festigkeit und Eigensteifigkeit aufweist, um eine weitgehend selbsttragende Innenschale zu bilden. Schl ⁱ eßlich weist die erfindungsgemäß eingesetzte Feuerschutzschic eine so geringe Wärmeleitfähigkeit auf, daß die nachfolgende Schicht aus ther¬ moplastischem Schaumstoff entsprechend dünner ausfallen kann.

Als anorganische steinbildende Komponente wird bevorzugt ein mit einer Alkalisilikatlösung in exothermer, anorganischer Reaktion aushärtender Feststoff eingesetzt, bevorzugt ein reak¬ tiver Feststoff oder ein Feststoffgemisch aus der Gruppe

I feinteiliges, wenigstens teilweise amorphes Alumosilikat mit Gehalten von amorphem Siliziumdioxid und Aluminiumo¬ xid, z. B. der Filterstaub aus der Elektrokorundherstel- lung,

II glasartige, amorphe Elektrofilterasche aus Hochtemperatur- Steinkohlekraftwerken, III gemahlener, kalzinierter Bauxit

IV Elektrofilterasche aus Braunkohlekraftwerken,

V ungelöstes, amorphes Siθ2, insbesondere aus einer amor¬ phen, dispers-pulverförmigen, entwässerten oder wasserhal¬ tigen Kieselsäure oder aus Hochtemperaturprozessen (Silica Fume) ,

VI Metakaolin.

Derartige reaktive Feststoffgemische werden von der Firma Hüls T Trrooiisdorf AG unter der Bezeichnung TROLIT ^R Feststoff vertrie- ben.

Als wasserhaltige zweite Komponente (Härter), der die Reaktion mit der steinbildenden ersten Komponente im alkalischen Bereich bewirkt, wird bevorzugt eine Alkalisilikatlösung mit 1,2 bis 2,5 Mol SiÜ2 je Mol K2O und/oder Na2Ü eingesetzt. In den Alka¬ lisilikatlösungen ist K2O gegenüber Na2θ bevorzugt. Die Alkali¬ silikatlösungen sollen Alkali im Überschuß enthalten ("alkali¬ sche Alkalisilikatlösung" ) . Solche Alkalisilikatlösungen können durch Auflösen von amorpher, dispers-pulverförmiger, wasserhal- tiger Kieselsäure, der sogenannten gefällten Kieselsäure, er¬ zeugt werden. Dabei wird bevorzugt eine Lösung der Alkalihydro¬ xide oder festes Alkalihydroxid unter Zusatz von Wasser mit der gefällten Kieselsäure zur Reaktion gebracht. Anstelle der ge- fällten Kieselsäure kann auch amorphes SiÜ2 aus Hochtemperatur¬ prozessen (Silica Fume) verwendet werden.

Besonders bevorzugt wird eine Mischung aus einer Kali- oder Natronwasserglaslösung und ca. 50 Gew.-%-iger Kalilauge, wobei wasserarme Mischungen anzustreben sind. Ein solcher Härter wird von der Firma Hüls Troisdorf AG unter der Bezeichnung TROLIT ^R Härter vertrieben.

Die erfindungsgemäße Formmasse enthält bevorzugt zusätzlich Füllstoffe wie Flugasche, Blähton, Perlit, Glimmer, Quarzmehl, Basaltmehl, Talkum, Foamglas oder dergleichen, bzw. deren Mischungen, bevorzugt in Mengen von bis zu 400 Gew.-%, insbe¬ sondere von 100 bis 300 Gew.-%, jeweils bezogen auf die stein- bildende Komponente. Blähton in Granulatform mit mittleren Abmessungen von 1 bis 4 mm in Anteilen von 50 bis 200 Gew.-%, bezogen auf die steinbildende Komponente, sowie Quarzsand in etwa gleicher Menge, werden insbesondere dann bevorzugt, wenn die Masse in situ aufgeschäumt und ausgehärtet wird.

Die steinbildende Komponente wird bevorzugt in einer Menge von 0,4 bis 4 Gew.-Teile je Gew.-Teil der Alkalisilikatlösung ein¬ gesetzt.

Die Verschäumungsmittel und deren Mengen sind aus dem Stand der Technik bekannt, wobei einerseits Peroxide, vorzugsweise Was¬ serstoffperoxid in wäßriger Lösung, Natriumperborat und ggf. weitere Peroxide bzw. bei Zersetzung Sauerstoff oder andere Gase abgebende Mittel in vergleichsweise großen Mengen möglich sind und andererseits durch Alkali zersetzbares Metallpulver, wie insbesondere Aluminium, in vergleichsweise kleinen Mengen zugesetzt werden kann. Wasserstoffperoxid wird bevorzugt als etwa 10 Gew.-%-ige wäßrige Lösung in Mengen bis ca. 7 Gew.-%, bezogen auf die Formmasse, eingesetzt. Die zur Erzielung eines gewünschten Raumgewichtes benötigten Mengen an Verschäumungs¬ mittel können durch einfache Versuche ermittelt werden, wobei zu beachten ist, daß der Schaum nicht kollabiert. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird . die Schicht aus anorganischem Schaumstoff in situ unmittelbar auf die mit dem thermoplastischem Schaumstoff verkleidete Tunnel¬ wandung bzw. einer daran angrenzenden ArmierungsSchicht, insbe- sondere einem Drahtgitter, aufgebracht. In diesem Fall wird be¬ vorzugt ein Feststoff als Verschäumungsmittel eingesetzt, ins¬ besondere Natriumperborat, das im trockenen Zustand unter den reaktionsfähigen Feststoff gemischt wird.

Beim Einsatz von H2O2 als Verschäumungsmittel wird dieses jedoch erst als letzte Komponente zugegeben.

Nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung wird zum An¬ bringen der erfindungsgemäßen FrostSchutzauskleidung zunächst, ggf _' nach Anbringen einer zusätzlichen Dichtungsbahn, eine Schicht von 1 bis 4 cm eines vernetzten, geschlossenzelligen Polyethylen-Schaumstoffs einer Rohdichte bis 40 kg/m ³ mit Hilfe handelsüblicher Befestigungsmittel (Gebirgsanker mit Rondellen) an dem standfesten Gebirge befestigt. Die Gebirgsanker durch- stoßen dabei die Schicht aus dem Polyethylen-Schaumstoff, wobei die Durchdringungsstellen bevorzugt abgedichtet werden.

Die Platten oder Bahnen aus PE-Schaumstoff werden bevorzugt so überlappend verlegt, daß aus dem Gebirge austretendes Wasser seitlich in eine Kanalisation abgeleitet wird. Da das Wasser keinen Druck aufbauen kann, ist hierfür eine zusätzliche Abdichtung nicht notwendig.

An den Ankern wird anschließend ein Drahtgewebe, z. B. aus 0,5 mm dickem Draht mit einer Maschenweite von 30 mm ange¬ bracht. An diesem Drahtgitter haftet die anschließend aufge¬ spritzte Formmasse aus reaktivem Feststoff (steinbildende Kom¬ ponente), Füllstoff und Härter, schäumt innerhalb weniger Minu¬ ten auf und härtet innerhalb von ca. 20 bis 60 Minuten aus.

Die Dicke der so in situ aufgebrachten Feuerschutzschicht beträgt bevorzugt mehr als 50 mm bei einem Raumgewicht von 200 bis 800 kg/m ³ . Soweit zusätzlich zu dem thermoplastischen Schaumstoff eine Abdichtungsbahn, z. B. aus PVC-Weich oder modifiziertem PE, vorgesehen ist, können die Abdichtungsbahnen in verschiedener Weise montiert werden. Eine Montagemöglichkeit besteht darin, daß die Abdichtungsbahnen gegen die Anker gedrückt werden, so daß die Anker die Abdichtungsbahnen durchdringen. Als Halter sind dann Platten vorgesehen, welche schließend auf dem Anker sitzen bzw. eine dichte Einspannung der Abdichtungsbahnen zwi¬ schen sich ermöglichen.

Besonders vorteilhaft ist eine Konstruktion, bei der zunächst Gebirgsanker eingebracht werden, die mit einem plattenartigen Kunststoffhalter (z. B. in der Form einer Rondelle) versehen sind. Die Abdichtungsbahnen werden dann an diesem ersten Halter verschweißt. Anschließend wird an der dem ersten Halter gegen¬ überliegenden Seite der Abdichtungsbahn ein Gegenstück, z. B. in der Form einer Gegenrondelle, verschweißt, welche mit einem Stab versehen ist, so daß der Gebirgsanker bis zum Draht¬ gewebe verlängert wird.

Die Abdichtungsbahnen werden im einen wie im anderen Fall über¬ lappend verlegt, so daß die Abdichtungsbahnen im Überlappungs¬ bereich miteinander verschweißt werden können.

Nach einer alternativen Ausführungsform der Erfindunσ werden zunächst eigensteife Paneele mit einer ersten Schicht aus ge¬ schäumtem thermoplastischem Kunststoff, insbesondere aus ver¬ netzten., geschlossenzelligem PE-Schaumstoff und einer z. B. darauf aufgeschäumten Schicht aus dem anorganiF hen Schaumstoff hergestellt. Die Schicht aus geschäumtem thermoplast-.schem Kunststoff weist bevorzugt eine Dicke von 20 bis 40 mm und die Schicht aus anorganischem Schaumstoff eine Dicke von 30 bis 50 mm auf.

Die Paneele werden mit an sich bekannten Befestigungsπr ttel an der Tunnelwandung befestigt, wobei die Fugen zwischen den Paneelen abgedichtet werden können, so daß aus dem Felsen aus¬ tretendes Wasser seitlich abfließen kann. Ggf. kann zusätzlich eine herkömmliche Abdichtung zwischen, dem standfesten Gebirge und den Paneelen angeordnet werden.

Die Feuerschutzschicht aus anorganischem Schaumstoff kann ggf. zusätzlich mit einem Drahtgewebe versehen werden, z. B. aus 0,5 mm dickem Draht mit einer Maschenweite von 30 mm.

Zur Tunnelinnenseite hin kann die Feuerschutzschicht auch zu¬ sätzlich mit einer Dichtschlämme oder mit Spritzbeton versie- gelt werden. Besonders geeignet ist ein Spritzbeton mit Stahl¬ fasern.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand eines Ausführungsbei- spiels sowie der Zeichnung näher dargestellt. Es zeigt dabei

Figur 1 eine Frostschutzauskleidung in einem Verkehrstunnel

Wege zur Ausführung der Erfindung Beispiel 1

In einem standfesten Gebirge 1 ist ein Verkehrstunnel einge¬ bracht worden. Im Gebirge 1 sind in regelmäßigen Abständen Gebirgsanker 2 gesetzt. Die Gebirgsanker bestehen wahlweise aus Gewindestangen, die im Gebirge 1 z. B. mit Kunststoffharz ge- halten sind. Die Gebirgsanker 2 besitzen tunnelseitig Rondellen 3. Die Rondellen 3 sind aufgeschraubt. Wahlweise sind die Ron¬ dellen 3 auch zwischen Schraubenmuttern gehalten. In jedem Fall liegen die Köpfe der Anker 2 in den Rondellen 3 soweit zurück, daß eine Verletzung einer aus Abdichtungsbahnen bestehenden Feuchtigkeitsisolierung 4 ausgeschlossen ist. Die Rondellen 3 werden mit den Abdichtungsbahnen verschweißt. Die Gegenrondel¬ len 5 tragen Verlängerungsstangen 10, so daß daran die Schicht aus geschäumtem thermoplastischem Kunststoff 6 sowie ein Draht¬ gewebe 7 zum Aufbringen der Feuerschutzschicht befestigt werden können. Als Schicht aus geschäumtem thermoplastischem Kunst¬ stoff 6 wird im Ausführungsbeispiel vernetzter, geschlossenzel- liger Polyethylen-Schaumstoff einer Rohdichte von 30 kg/m ³ und einer Dicke von 3 cm verwendet. Der PE-Schaumstoff wird dabei in Form von Platten mit Außenabmessungen von 1,5 x 4 m einge- setzt, wobei die Platten entweder stumpf miteinander verbunden werden können, oder überlappend verlegt werden. Auf das engma¬ schige Drahtgewebe 7, das einen Abstand von etwa 2 cm zu der Schicht aus PE-Schaumstoff aufweist, wird anschließend die Schicht aus anorganischem Schaumstoff aufgespritzt.

Hierzu wird zunächst eine Feststoffmischung wie folgt gemischt:

I 27 Gew.-Teile anorganische, steinbildende Komponente: feinteiliges, teilweise amorphes Alumosili- kat mit Gehalten von amorphem Siliziumdioxid und Aluminiumoxid, wie es als Ofenfilter- staub bei der Herstellung von Elektrokorund anfällt (TROLIT ^R Feststoff); II 26 Gew.-Teile Füllstoff: Blähton in Granulatform mit mitt¬ leren Abmessungen von 1 bis 4 mm (Liapor ^R )

III 15 Gew.-Teile Talkum (Füllstoff)

IV 26 Gew.-Teile Quarzsand (Füllstoff)

V 1,8 Gew.-Teile Verstärkungsfasern: E-Glasfasern mit ca. 6 mm Länge

VI 4,2 Gew.-Teile Natriumperborat (Treibmittel)

Ggf. können noch Reaktionsbeschleuniger gemäß der WO 89/05783 zugesetzt werden.

Der Härter (TROLIT ^R Spritzhärter) besteht aus

VII 61,1 Gew.-Teile Wasser

VIII 20,5 Gew.-Teile Si0 ₂

IX 18,4 Gew.-Teile M ₂ 0 (M=Na oder K)

Auf 100 Gew.-Teile FestStoffmischung werden 20 Gew.-Teile Här¬ ter benötigt. Zum Applizieren der Formmasse für die anorgani¬ sche Schaumstoffschicht 8 werden der Feststoff mit Druckluft und der Härter mit einer Kolbenpumpe kontinuierlich in eine Mischkammer gefördert, dort innig gemischt und mit einem Hoch¬ druckschlauch unmittelbar auf das Drahtgewebe 7 bzw. die PE- Schaumschicht 6 verspritzt. Dort schäumt die Mischung vollstän¬ dig auf und härtet innerhalb von ca. 30 min zu einer festen anorganischen Schaumstoffschicht 8 einer Dicke von 60 mm und einer Dichte von 350 kg/ auf. Anschließend kann noch .eine Dichtschlämme 9 aufgetragen werden.

Beispiel 2 Wie in Beispiel 1 wird zunächst die Schicht aus thermoplasti¬ schem Schaumstoff 6 an Ankern 2 befestigt, wobei aber auf die Dichtungsbahn 4 verzichtet wird. Die 3 mx 0,75 m großen PE- Schaumstoffplatten einer Dicke von 3 cm werden überlappend ver¬ legt. Die Seitenkanten der Schaumstoffplatten weisen dabei Abschrägungen auf, um eine glattere Oberfläche zu erreichen. Anschließend wird wie in Beispiel 1 die Schicht 8 aus anorgani¬ schem Schaum aufgespritzt.

Beispiel 3 In eine Form mit den Abmessungen 3 mx 0,75 mx 70 mm wird ein passend geschnittener Abschnitt aus geschlossenzelligem PE- Schaumstoff mit einer Rohdichte von 30 kg/m ³ und einer Dicke von 30 mm eingelegt. Die Oberfläche des PE-Schaumstoffs ist aufgerauht bzw. mit Einfräsungen von 5 mm Tiefe versehen, um eine bessere Haftung des anorganischen Schaumstoffs zu gewähr¬ leisten. Auf die Schicht aus PE-Schaumstoff wird eine Mischung aus Feststoff und Härter wie in Beispiel 1 aufgegossen und in der Form zu einer 40 mm dicken Schicht aufgeschäumt und ausge¬ härtet. Die so hergestellten eigensteifen Paneele werden anschließend in an sich bekannter Weise an der Tunnelwandung befestigt. Die Zwischenräume zwischen den Paneelen werden so abgedichtet, daß aus dem Fels austretendes Wasser hinter den Paneelen abgeleitet wird. Ggf. können die Paneele einen äußeren Rahmen aus Metall o. dgl. als Verstärkung aufweisen.