BINDEMITTELMISCHUNG ZUR HERSTELLUNG MINERALISCHER HÜTTENSANDFREIER DICHTWANDMASSEN UND VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG DIESER BINDEMITTELMISCHUNG

"Bindemittelmischung zur Herstellung mineralischer hüttensandfreier Dichtwand massen und Verfahren zur Herstellung dieser Bindemittelmischung"

Die Erfindung betrifft eine Bindemittelmischung zur Herstellung mineralischer Dichtwand massen oder dergleichen nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 und ein Verfahren zur Herstellung dieser Bindemittelmischung.

Derartige Bindemittelmischungen werden bei der Herstellung von

Untergrundabdichtungen zur Verminderung der Wasserverluste von Speichern und

Wasserläufen, zur Vergrößerung der Standsicherheit von Wasserbau werken, zur Verminderung des Wasserandranges in Baugruben bzw. weitreichender

Grundwasserabsenkungen, zur Umschließung von Altdeponien und grundwassergefährdeter Produktionsstätten und zur Schaffung von Trinkwasser- und Wärmespeichem verwendet.

Hierzu werden senkrechte Dichtwände, die in der Regel in gering wasserdurchlässige Bodenschichten oder künstlich hergestellte Dichtungssohlen eingebunden sind, in den Boden eingebracht. Derartige Dichtwände werden insbesondere als sogenannte Schlitzwände ausgeführt.

Zum Aushub des Schlitzes werden verschiedene Technologien angewandt, wie beispielsweise das Scrape-, Bohrfräs- oder Bohrschlitzverfahren.

Beim Aufbau der Schlitzwände wird zwischen dem Einphasen- und dem Zweiphasenverfahren unterschieden. Bei beiden Verfahren werden zuerst mit Hilfe von Schlitzwandfräsen, Scrdepplδffel/Hydraulikgreifern oder Schlitzwandgreifern die Bodenöffnungen bis zu Tiefen von 50 m und mehr hergestellt.

Beim Zweiphasenverfahren wird zur Abstützung άer Erdwände durch hydrostatischen Druck eine Stützflüssigkeit, wie zum Beispiel eine reine Bentonit-Suspension, eingefüllt. In einem zweiten Schritt wird das eigentliche Dichtυngsmaterial, zum Beispiel (Erd-)Beton oder bentonithaltiger Beton durch Verdrängung der Stützflüssigkeit eingebracht.

Beim Einphasenverfahren hingegen wird anstelle der Stützflüssigkeit eine Dichlwandmasse, wie zum Beispiel eine Bentonit-Zementsuspension, verwendet, die nach Beendigung des Bodenaushubs im Schlitz verbleibt und langsam aushärtet. Die Dichtwandmasse ist zum Beispiel eine selbsthärtende thixotrope Suspension. Im Zwei phase n verf ahren werden also Stütz- und Dichtflύssigkeit getrennt voneinander Lπ zwei Schritten eingebracht, wohingegen im Einphasen verfahren die Stütz- und Dichtfunktion von einer Suspension erfüllt wird.

Vorteilhaft an dem Einphasenverfahren ist, daß ein durchgehend homogener fugenloser Dichtwandschlitz entsteht. Weiterhin ist das Einphasenverfahren wirtschaftlicher, da die Stützflüssigkeit des Zweiphasenverfahrens nicht in einem gesonderten Verfahrensschritt von dem eigentlichen Dichtungsmaterial verdrängt werden muß.

An die flüssige Dichtwandmasse, das heißt an die Frischsuspension, werden die folgenden Anforderungen gestellt: Bevor sie ausgehärtet ist, muß sie eine geringe Viskosität aufweisen, damit sie pumpfähig ist und beim Aushub möglichst schnell aus dem Schlitzwandgreifer abfließt. Weiterhin muß die Suspension stabil sein, das heißt, sie soll sich im Laufe der Zeit möglichst wenig entmischen. Vor allem müssen das Bindemittel und die mineralischen Füllstoffe weitestgehend in Schwebe gehalten werden. Drittens muß die flüssige Dichtwandmasse, wie zum Beispiel eine Bentonit- Zementsuspension, vergleichbare Eigenschaften wie Bentonit-Suspensionen nach DIN 4126 haben, die in der Schlitzwandtechnik als Stützsuspension verwendet wird. Die Eigenschaften der reinen Bentonit-Suspension dürfen durch die Zementzugabe nicht wesentlich verschlechtert werden. So muß die Suspension eine Fließgrenze aufweisen und an den Erdwänden einen Filterkuchen bilden, damit über dessen Membranwirkung der volle hydrostatische Stützdruck übertragen werden kann. Zur Sicherstellung der Membranwirkυng darf die Suspension nicht oder nur geringe Strecken in den Boden eindringen. Viertens soll das Erstarren des Zementes nicht vor

Beendigung des Aushubs einsetzen, da sonst die Gefahr besteht, daß die Hydratation durch die ständige Bewegung der Schlämme beim Baggerbetrieb gestört wird und es dadurch zu erheblichen Festigkeitsverlusten und einer erhöhten Wasserdurchlässigkeit kommt.

Die erhärtete Dichtwand masse muß folgende Anforderungen erfüllen: Sie muß erstens eine Mindestdruckfestigkeit aufweisen. Dabei ist anzustreben, daß die Festigkeit des umgebenden Boden materials erreicht wird. Als MLndestdrυckfestigkeit werden in der

Praxis 0,3 MPa als ausreichend angesehen. Da die Hauptfunktion der Wand eine möglichst geringe Wasserdurchlässigkeit ist, muß auf die Prüfung dieser Eigenschaft und darauf einflußnehmender Faktoren besonderer Wert gelegt werden. Die

Wasserdurchlässigkeit darf sich durch die anstehenden Bodenverhältnisse und dem

Chemismus des Grundwassers nicht negativ verändern. Die Dichtwandmasse soll drittens dauerhaft plastisch bleiben, um sich unter Belastungen möglichst rissεfrei verformen zu können. Außerdem muß die Erosionssicherheit der Wand in zweierlei Hinsicht gewährleistet sein. An der Grenzfläche Wand/Boden muß vermieden werden, daß einzelne Partikel aus der Dichtwand durch vorbeistrδmendes Wasser gelöst werden und es sukzessive bei dieser Erosion zu einer vollständigen Zerstörung der Wand kommt. Außerdem dürfen sich eventuell vorhandene Fehlstellen durch Erosion im Laufe der Zeit nicht aufweiten.

Das Problem bei der Entwicklung geeigneter Dichtwandmassen ist, die genannten sich zum Teil widersprechenden Anforderungen möglichst optimal zu erfüllen. Bei der

Herstellung solcher Dichtwand massen wird zwischen einer einstufigen und einer zweistufigen Herstellung unterschieden. Bei der einstufigen Herstellung werden sämtliche Komponenten der Dichtwandmasse trocken vermischt und als Fertigmischung angeliefert. In der DE-PS 36 33 736 sind beispielsweise solche Trockenmischungen bekannt, die im wesentlichen aus quellfähigen Tonmineralien (Bentonit),

Hochofenschlacke und Anreger für die Hochofenschlacke bestehen und die bis zu

25 Gew. -Anteile inerte Füllstoffe aufweisen können. Bei der Herstellung der

Dichtwandmasse können Zusätze beigegeben werden, die das Fließverhalten während des Mischvorganges, die Konsistenz oder das Abbinden beeinflussen. Der Einfluß der Thixotropie soll bei den dort beschriebenen Trocken mischungen geringer sein als bei herkömmlichen Massen.

Femer wird in der DE-OS 38 00 776 eine optimierte Bindemittelmischung beschrieben, die zu den bereits erwähnten Bestandteilen zusätzlich reaktive Kieselsäure (dispers) verwendet und zusammen mit dem Hüttensand, das heißt der glasig erstarrten Hochofenschlacke und dem Anreger für diesen, insbesondere Portlandzement-Klinker, gemeinsam vermählen wird. Dadurch ist es möglich, eine feststoffreiche Bindemittelmischung zu schaffen, die eine lange Verarbeitbarkeit der Frischmasse bei schwachem bis keinem thixotropen Verhalten, hohe Dichtigkeit und hohe Stabilität der Dichtwand gegen agressive Wässer gewährleistet.

Eine weitere Bindemittelfertigmischung wird in EP 0 239 740 Bl beschrieben, bei der anstelle von Portlandzement-Klinker Kalziumhydroxid als hydroxilionenbildender Anreger für die Hochofenschlacke verwendet wird und insbesondere die Feststoffe vorzugsweise bereits als feingemahlene Trocken- oder Fertigmischung eingesetzt werden. Die beschriebene einstufige Herstellung von Dichtwandmassen als Fertigπüschungen finden vor allem dann Anwendung, wenn die Zusammensetzung der Dichtwandmasse vor der Baumaßnahme bekannt ist und das Bauvorhaben schnell fertiggestellt werden soll.

Desweiteren ist ein zweistufiges Verfahren zur Herstellung geeigneter

Dichtwand massen bekannt. Dabei wird in einer ersten Stufe bauseits aus dem quellfähigen Tonmineral mit Schichtgitterstruktur und Wasser eine Suspension hergestellt. Dieser Mischvorgang wird mittels energiereicher Mischanlagen durchgeführt, um die Schichten der Gitterstruktur mit Hilfe des Wassers voneinander zu trennen und darin möglichst gleichmäßig zu verteilen. Die frisch gemischte Bentonit-Suspension muß in der Regel etwa vier Stunden aufquellen, um die erwünschten thixotropen Eigenschaften zu erhalten. Danach wird in einem zweiten Mischvorgang der Zement zugefügt und die so hergestellte Dichtwandmasse dann in die zu erstellende Schlitzwand gepumpt.

Bei Einsatz von Zementen nach DIN 1164 oder mit bauaufsichtlicher Zulassung lassen sich nicht in allen Fällen die gewünschten Anforderungen an die Verarbeitbarkeit, die Festigkeit und die Wasserdurchlässigkeit erreichen. Dies wird besonders dann beobachtet, wenn die Schlitze sehr tief auszuheben sind und so über lange Zeit das Erstarren des Zements unterdrückt werden muß. In der Praxis wird die Quellfähigkeit der natürlich vorkommenden quellfähigen Tonminerale mit Schichtgitterstruktur, wie zum Beispiel Kalzium-Bentonit, mit Natriumionen, zum Beispiel durch Zugabe von Soda, erhöht. Man spricht in diesem Zusammenhang auch vom Aktivieren des Bentonits. Noch besser geeignet sind hochquellfahige Natrium-Bentonite. Bei der Verwendung üblicher Zemente werden jedoch Kalziumionen freigesetzt, die den bereits angeregten Bentonit wieder schrumpfen lassen.

Es ist daher Stand der Technik, daß hύttensandreiche Zemente, wie zum Beispiel Hochofenzement, zur Herstellung von Dichtwandmassen verwendet werden. Durch den niedrigen sich bildenden Kalziumhydroxidgehalt wird die Quellfähigkeit des angeregten Bentonits nicht negativ beeinflußt, das heißt es erfolgt keine Rückbildung des aktivierten Natrium-Bentonits in Kalzium-Bentonit.

Nachteilig bei der Verwendung von Hύttensand ist, daß er relativ teuer und nicht überall verfügbar ist. Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine hüttensandfreie Bindemittelmischung und ein Verfahren zur Herstellung derselben zu schaffen, mit der Dichtwandmassen hergestellt werden können, die eine lange Verarbeitbarkeit der Frischmasse bei schwachem thixotropen Verhalten, geringe Filtratwasserabgabe, erhöhte Festigkeit und hohe Dichtigkeit gewährleistet.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichnete Bindemittel mischung und die Verfahren der Ansprüche 8 und 9 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der

Mischung werden in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Erfindungsgemaß gelingt die Herstellung von hüttensandfreien Dichtwand massen mit Bindcmittelmischungen die gebrannten Ölschiefer, Zement-Klinker und einem geringen Anteil an sulfoniertem Lignin (Lignin sulfonat) aufweisen.

Vorteilhaft sind folgende Trockenmischungen: a) Gebrannter Ölschiefer nach DIN 1164 Teil 1, Abschnitt 4.5 und ENV 197, 5 bis 95 Gew.-%, insbesondere 60 bis 80 Gew.-% b) Portlandzement-Klinker, 5 bis 90 Gew.-%, insbesondere 20 bis 40 Gew.-% c) Ligninsulfonat 0,2 bis 2,0 Gew.-%, insbesondere 0,6 bis 0,9 Gew.-% Natriumligninsulfonat entzuckert (9% Saccharose).

Bei dem verwendeten Ölschiefer handelt es sich um bitumenarmen Posidonienschiefer mit einem durchschnittlichen Gehalt an organischer Substanz von 10 bis 13%.

Der Ölschiefer wird nach entsprechender Aufbereitung im Wirbelschichtofen gebrannt und anschließend sehr fein vermählen. Vorzugsweise wird der gebrannte Ölschiefer auf eine Mahlfeinheit, bestimmt gemäß DIN EN 196-6 nach dem Luftdurchlässigkeilsverfahren (Blaine), von 6000 bis 10000 cm-fyg gebracht.

Die chemische Zusammensetzung des gebrannten Ölschiefers ist abhängigvon der Geologie der Lagerstätte und dem Brennprozeß. Die Durchschnittsanalyse weist etwa 32% CaO, 36% Siθ2, 11 % AI2O3, 10% SO3, 7% Fe2Ü3 und geringe Mengen von MgO, K2O und Na2θ auf (Werte glühverlustbehaftet).

Der gebrannte Ölschiefer ist selbst hydraulisch erhärtend und kann teilweise durch latent-hydraulische Stoffe ersetzt werden. Ebenso ist es möglich, einen Teil des gebrannten Ölschiefers durch Gesteinsmehle, insbesondere aus Kalkstein oder Kalkmergel, zu ersetzen, sofern dadurch nicht die eingangs erwähnten wichtigen Kennwerte der Dichtwand masse beeinträchtigt werden.

Der verwendete Portlandzement-Klinker besitzt eine praxisübliche Klinkeφhasenzusammensetzung gemäß "VDZ-Zement-Taschenbuch 1984 (Bauverlag)' und ist durch eine wesentlich geringere Mahlfeinheit gekennzeichnet. Vorzugsweise wird er auf eine Mahlfeinheit von 2700 bis 4500 cm^/g nach Blaine gemahlen. Gebrannter Ölschiefer und Portlandzement-Klinker werden erfindungsgemaß gemeinsam oder getrennt vermählen. Bei getrennter Vermahlung werden beide Komponenten in einer geeigneten Bindernittelmischanlage trocken homogen vermischt.

Aus EP 0 239 740 Bl ist die durchschnittliche Zusammensetzung von

Hochofenschlacke bekannt. Sie besteht gewöhnlich aus etwa 35 bis 48% CaO, 30 bis 38% Siθ2, 6 bis 18% AI2O3 und geringen Mengen von MgO, MnO und Eisenoxiden. Diese Zusammensetzung weicht somit wesentlich von der angegebenen Zusammensetzung des gebrannten Ölschiefers ab.

Ferner hat sich die Verwendung des Ligninsulfonats als Natriumsalz, insbesondere wenn dieses entzuckert ist (ca. 9% Saccharose), als vorteilhaft ergeben.

Zur erfmdungsgemäßen Herstellung einer hü tten sandfreien Dichtwandmasse ist die genaue Dosierung des Ligninsulfonats von Bedeutung, denn die eingangs genannten zu erzielenden Eigenschaften der Dichtwand masse werden hierdurch sehr stark beeinflußt.

So führt eine Konzentration von beispielsweise mehr als 2,0% Natriumligninsulfonat zu einer Verschlechterung der erhärteten Dichtwandmasse, weil die Druckfestigkeiten viel zu niedrig sind, während eine Unterdosierung von weniger als

0,2% Natriumligninsulfonat die Frischsuspensionseigenschaften verschlechtert, das heißt zum Beispiel Marsh-Zeit und Filtratwasserabgabe werden sehr stark erhöht.

Der erfindungsgemäßen Bindemittelmischung zur Herstellung mineralischer hüttensandfreier Dichtwand massen können zudem Zusatzmittel beigegeben werden, die zum Beispiel die Oberflächenspannung des Wassers senken und damit das Fließverhalten während des Mischvorgangs und die Konsistenz beeinflußen. Desweiteren können Zusatzmittel eingesetzt werden, die Schutzkolloide bilden. Auch Abbindeverzδgerer auf den Klinkeranteil des Bindemittels können verwendet werden.

Angesichts der erfmdungsgemäßen Wahl der Feststoffkomponenten und ihrer Mengen bzw. der Zusammensetzung der Trockenmischung gelingt es überraschenderweise, mit Bentoniten unterschiedlicher Zusammensetzung eine hüttensandfreie Dichtwandmasse herzustellen, die alle eingangs geforderten Eigenschaften wie lange Verarbeitbarkeit, niedrige Filtratwasserabgabe, hervorragende Pumpfähigkeit und geringe Wasserdurchlässigkeit bei 28 Tage-Festigkeiten in der Größenordnung von 0,8 N/mm ² , herzustellen. Die Qualität der Dichtwand masse läßt sich bei bauseitig angelieferten Bentoniten (zweistufiges Herstellungsverfahren) vor Ort leicht an den Bedarf und den Verbrauch anpassen.

Im folgenden soll ein Ausführungsbeispiel einer Bindemittelmischung zur Herstellung einer hüttensandfreien Dichtwandmasse angegeben werden:

Zur Herstellung der hüttensandfreien D ich twand masse wurde ein Spezialbindemittel gemischt, das aus 79, 1 % gebranntem Ölschiefer, 20% Portlandzement-Klinker und 0,9% Natriumligninsulfonat bestand. Dieses Spezialbindemittel wurde bauseits mit zwei verschiedenen (vorgemischten) Bentonitsuspensionen gemischt. Dazu wurden Bentonit und Spezialbindemittel im Verhältnis 1 : 8,75 Gewichtsteilen gemischt, das heißt zum Beispiel 40 kg Bentonit und 350 kg Spezialbindemittel und 880 1 Wasser zugegeben. Der Wasser/Feststoff- Wert betrug somit 2,26.

An der so hergestellten hüttensandfreien Dichtwand masse wurden folgende Werte im Vergleich zur Null-Probe (ohne Natriumligninsulfonat) gemessen:

Bentonittypen: CR-4 CV-15