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Die Renaissance der Weichgelsohle - der lange Weg vom Umweltkontaminanten zu
Ökosohle
10. Tiroler Geotechnik- und Tunnelbautag Universität Innsbruck
November 2012 Dr.-Ing.Wolfgang Schwarz
BAUER Spezialtiefbau GmbH Schrobenhausen
1
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Wofür brauche ich eine Weichgelsohle?
Weichgel- Dichtsohle
Außen- Wasserspiegel
Innen- WasserspiegelBaugrubensohle
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Was ist Weichgel?
Wie und womit stellen wir die Weichgelsohle her?
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Was ist Weichgel?
Am Anfang waren die
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Was ist Weichgel?
Dann kam der Herbst, die
Da gab es nur noch wenige
kamen in die Mauser
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Was ist Weichgel?
Man brauchte etwas, um die Eier, die vor der Mauser gelegt wurden, frisch zu halten!
Den Kühlschrank gab es noch nicht.
Man dichtete die Eierschalen ab , mit einer wässrigen
Wasserglaslösung
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Was ist Weichgel?
Inzwischen war der Kühlschrank erfunden und in jedem Haushalt vorhanden.
Jetzt war das Wasserglas übrig, keiner konnte es mehr verwenden.
Was Eier abdichtet kann auch Baugruben abdichten
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Herstellung der Sohle
Abbohren/Rütteln des Gestänges auf die erforderliche Tiefe
Ziehen des Gestänges/Rohres und Verfüllen des Bohrloches
Einbau der Injektionslanzen mit Ventilkörper
Injektion mittels Kolbenmembranpumpen
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Herstellung der Sohle
Abbohren/Rütteln des Gestänges auf die erforderliche Tiefe
Ziehen des Gestänges/Rohres und Verfüllen des Bohrloches
Einbau der Injektionslanzen mit Ventilkörper
Injektion mittels Kolbenmembranpumpen
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Aus der Geschichte der Weichgelsohlen
10
:
dungbis Juni 1995 ca. 100.000 m³ Weichgelsohlen waren allein in Berlin
hergestellt
20.06.1995 Genehmigungsstopp für Weichgelsohlen durch SenStadtUm
BegründungMitte 1995
durch den massierten Einsatz von Weichgel in Berlin gäbe es eine hohe Belastungen mit Aluminaten, Natrium, Silikaten und DOC bei Pegelbeprobungen im Zusammenhang mit Weichgelsohlen
Begründung: Ende 1996
Bei der Reaktion von Natron-Wasserglas mit dem Härter Natriumaluminat entsteht Natronlauge
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Ausgegrabene Probekörperdes Feldversuchs in Abu Dhabi
Gelbildung: Polymerisation von Monomeren zur Al-Si-Polymeren - dreidimensionale Gitterstruktur- Freisetzung von Na+ und OH-
Wasser-glas
Natriumalu- minat
Alumo-Silikat-Gel
Natriumhydroxid
Das Weichgel aus Sicht des Chemikers
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Weniger Natronlauge – aber wie?
1. Ersetze das Natriumaluminat !
2. Verringere den pH-Wert der Wasserglaslösung!
12
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Aluminat- Weichgel Silikatgel LWS
Komponenten:
Wasser
Wasserglas
Natriumaluminat
Lösung: pH 13
Komponenten:
Wasser
Wasserglas
Kieselsol
Natriumhydrogencarbonat
Lösung: pH < 10
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Aluminat- Weichgel Silikatgel LWS
Komponenten:
Wasser
Wasserglas
Natriumaluminat
Lösung: pH 13
Komponenten:
Wasser
Wasserglas
Kieselsol
Natriumhydrogencarbonat
Lösung: pH < 10
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Vertikale Säule h=50 cm, Ø 28 cmWassereinlauf untenWasserauslauf oben
Vorratsbehälter Wasser 200 l
Schlauchpumpestufenlos regelbar4,5 l/h Durchfluss
Messung AuslaufpH-Wert (alle 5 Minuten)Temperatur (alle 5 Minuten)Leitfähigkeit alle 5 Minuten) Kontrolle Durchfluss
Versuche zum Nachweis der Grundwasser- verträglichkeit: Versuchsstand
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Seitliche InjektionA: 0,3 l WeichgelB: 1,0 l Weichgel
Umströmung mit Leitungswassernach Gelzeitnach ca. 18 h
Entnahme von Proben zur Analysebei pH-Maximum
Analyse auf SiO2 , Na, OH-,pH, LF, H+-Kapazität
Versuche zum Nachweis der Grundwasser- verträglichkeit: Injektionskörper
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0,3 l seitl. injiziert, Umströmung nach ca. 18 hZusammenstellung der pH - Wertmessungen
7,00
7,50
8,00
8,50
9,00
9,50
10,00
10,50
11,00
11,5000
:00
00:3
5
01:1
0
01:4
5
02:2
0
02:5
5
04:0
0
05:4
5
07:3
0
09:1
5
11:0
0
12:4
5
14:3
0
16:1
5
18:0
0
19:4
5
21:3
0
23:1
5
01:0
0
02:4
5
04:3
0
06:1
5
08:0
0
09:4
5
11:3
0
13:1
5
15:0
0
16:4
5
18:3
0
20:1
5
22:0
0
Versuchsdauer
pH
-Wer
t 0,33 Liter 18.10.2002
0,33 Liter 23.10.2002
0,33 Liter 30.10.2002
Ausgangswerte-LeitungswasserpH-Wert 7,76Leitfähigkeit 0,49 mS/cm
Zylindervolumen
Versuchsergebnisse ph-Wert
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0,40
0,50
0,60
0,70
0,80
0,90
1,00
1,10
1,20
1,30
1,40
1,50
1,60
1,70
1,80
1,90
2,0000
:00
00:3
0
01:0
0
01:3
0
02:0
0
02:3
0
03:0
0
04:0
0
05:3
0
07:0
0
08:3
0
10:0
0
11:3
0
13:0
0
14:3
0
16:0
0
17:3
0
19:0
0
20:3
0
22:0
0
23:3
0
01:0
0
02:3
0
04:0
0
05:3
0
07:0
0
08:3
0
10:0
0
11:3
0
13:0
0
14:3
0
16:0
0
17:3
0
19:0
0
20:3
0
22:0
0
Versuchsdauer in h
LF in
mS/
cm 0,33 Liter 18.10.2002
0,33 Liter 23.10.2002
0,33 Liter 30.10.2002
Ausgangswerte-LeitungswasserpH-Wert 7,76Leitfähigkeit 0,49 mS/cm
0,3 l seitl. injiziert, Umströmung nach ca. 18 h
Zylindervolumen
Versuchsergebnisse Leitfähigkeit
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Im Labor ist das Problem gelöst. Die ph-Wert-Reduktion ist gelungen.
19
Schon gibt es erste Versuche im Feld!
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Erkenntnisse aus Feldversuchen Die Formen ähneln Pilzen und Baukuchen
20
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max. Durchmesser
Erkenntnisse aus Feldversuchen Hier sieht man schon fast eine Kugel
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Erkenntnisse aus Feldversuchen Kugel oder Zylinder, beides gibt es.
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Injektionsvolumen: 1900 l
Durchmesser: 1,50 m
Höhe: ca. 2,30 m
max. Durchmesser nicht immer auf Ventilhöhe
Höhe / Durchmesser ~ 1,5
Problem:
ungünstigeres H/D-Verhältnis erfordert Sicherheitszuschläge (Raster, Injektionsvolumen, Nachverpressung)
höhere Kosten, Unsicherheit bei der Rasterauslegung
Erkenntnisse aus Feldversuchen
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Forschungsarbeiten mit:
•TU Cottbus: großer Versuchskasten•TU BA Freiberg: umfangreiche Erfahrungen im Bereich der Injektionstechnik und mit Silikatgelen auf Kieselsol- Basis und großer Versuchskasten•UniBW München: Erfahrungen zu theoretische Modellierungen zum Ausbreitverhaltens und zum Grundwasserchemismus
Das pH-Wert Problem ist gelöst, aber wie bekommen wir auch die Produktionsqualität in den Griff?
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TU BA Freiberg
laborative Untersuchungen - zum Filtrationsverhalten - zum Gelierungsverhalten - zu Wechselwirkungen mit Baugrund und - zum Einsatz von Zusätzen / alt. Härtern
Variation der Wasserhärte, Mineralogie des Bodens, Organiganteil…
Beobachtung während der Versuche: „Fehlbildungen“ sind je nach Boden und Anmachwasser unterschiedlich stark
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UniBW München
Verifikation der Untersuchungen durch - theoretische Modellierungen der Reaktionsabläufe im LWS
mit WinWASI Reaktionsgleichgewichte mit PHREEQ Reaktionsgleichgewichte, Strömungsverhalten
- Sondierung von Einflussparametern auf die Reaktionsabläufe- Kontrolle der Wirkung der Zusatzmittel / neuen Härter von TU Freiberg
Anpassung der Versuche an der TU Freiberg
TU BA Freiberg
Das pH-Wert Problem ist gelöst, aber wie bekommen wir auch die Produktionsqualität in den Griff?
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Versuchsaufbau
Versuchsapparatur ohne Sand
Einbau des Versuchssands
Versuche zum Ausbreitverhalten zweidimensionale Injektionsversuch
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Zylinder - Versuch 2D - VersuchVergleich Injektionsversuche
Injektionsvolumen 505 mlInjektionsvolumen 505 ml
A0
A0
V1
V2
V3
V1
V2
V3
10 cm6 cm
4 cm20 cm
20 cm
20 cm
Gleiche Injektionsvolumen, aber:Reichweite bei Zylinder 3 x 20 cm
bei 2D-Versuch 10 + 6 + 4 = 20 cm
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BAUER Silikatgel LWS Ausbreitverhalten im Versuchskasten
29
Versuchsfeld: Draufsicht und Schnitt
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Versuche zum Ausbreitverhalten im Versuchskasten
30
PVC-Lanzen und Verpressschlauch
Mitarbeiter beim Mischen von BAUER
Silikatgel LWS
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Freilegen der Injektionskörper
Versuche zum Ausbreitverhalten im Versuchskasten
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Endlich der Durchbruch
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Lauter Kugeln, so haben wir das schon immer gewollt
33
Freigelegte Oberflächen der Injektionskörper
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Freigelegte Oberflächen und angeschnittene Injektionskörper
Lauter Kugeln, so haben wir das schon immer gewollt
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Freigelegte Oberflächen und angeschnittene Injektionskörper
Deutlich zu erkennen ist die Injektionsreihen- folge anhand der Geometrie der Körper
1.
2.
3.
4.
5.6.
7.
8.
Lauter Kugeln, so haben wir das schon immer gewollt
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Angeschnittene Injektionskörper
Deutlich zu erkennen sind die gerundeten, unteren Bereiche der Injektions- körper
Lauter Kugeln, so haben wir das schon immer gewollt
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Geschnittene Injektionskörper
Regelmäßige Formen
Lauter Kugeln, so haben wir das schon immer gewollt
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Freigelegte Injektionskörper
Lauter Kugeln, so haben wir das schon immer gewollt
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Schöne Kugeln müssen sein, aber ist das Material auch dicht?
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kf-Zellen für die Durchlässigkeitsversuche an den Proben
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Wie stecht es mit dem „Carbon Footprint“? Ein Vergleich LWS-Sohle mit einer Düsenstrahlsohle
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Jetzt sind wir auf den Baustellen und produzieren Weichgelsohlen
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BerlinUmspannwerk
Einbringen der Injektionslanzen im Rüttelverfahren
Deutlich erkennbar ist das sehr saubere, trockene Baufeld
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Die Baugrube ist trocken
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BerlinUmspannwerk
Danke für Ihre Aufmerksamkeit