PRIJS 8,50 ONDERZOEKSRAPPORT M52002

Transcriptie

1 PRIJS 8,50 ONDERZOEKSRAPPORT M52002 GRONDVERBETERINGSTECHNIEI<EN D.M.V. INJECTIE

2 COB - CENTRUM ONDERGRONDS BOUWEN Het Centrum Ondergronds Bouwen wil als kennisnetwerk oog en oor zijn voor alles wat met ondergronds bouwen te maken heelt. Vanuit de visie dan ondergrond ruimtegebruik en essentiele bijdrage levert aan een mooi, leelbaar en slagvaardig Nederland, stimuleert het COB de dialoog tussen aile mogelijke partijen die een rol spelen bij de verkenning van belemmeringen en mogelijkheden van het bouwen onder de grond. Naast het (mede) uitvoeren van onderzoeken, is het COB actiel op het gebied van communicatie, kennismanagement en onderwijs, onder meer door de ondersteuning van een leerstoel ondergronds bouwen aan de TU Dellt en het lectoraat ondergronds ruimtegebruik aan de Hogeschool Zeeland. Meer dan honderd organisaties uit het bedrijlsleven, de overheid alsmede kennisinstituten bundelen in het COB hun krachten en expertise. Het COB maakt deei uit van het CUR.NET en stemt zijn activiteiten al met andere deelnemers aan dat netwerk, zoals CUR, Habilorum en SKB. Daarnaast heelt het COB een Memorandum 01 Understanding met de Japan Tunneling Association (JTA) en stimuleert het internationale uitwisselingen met andere landen. COB is mede initiatielnemer van het nieuwe onderzoeksprogramma ECON en werkt nauw samen met Dellt Cluster. COB NA 2003 In 2003 loopt de tweede onderzoeksperiode van het COB al. In nauw overieg met de participanten is een businessplan opgesteld voor de periode Hierin wordt ook een aangepaste programmeerwijze voorgesteld waarbij een grote nadruk op alstemming tussen vraag en aanbod zal worden gelegd. De in het businessplan genoemde speerpunten, voortgekomen uit een brede consultatie van het COB netwerk, vormen het uitgangspunt voor de programmering van onderzoeksprojecten. De speerpunten bieden een locus voor de programmering en doen recht aan de visie van de komende jaren: 'Samenwerken aan het verantwoord ontwikkelen, bouwen en beheren van ondergrondse ruimte'

3 Titel en sub-titel: Schrijver(s): Literatuurstudie injectievloeistoffen drs. M. Moura ir. D. Pereboom ing. W.H. van der Zon Datum rapport: Type rapport: januari 1998 Definitief Rapportnummer opdrachtnemer: COB/M LIT2-document nummer: CO /8 Projectleider(s) opdrachtnemer: Projectbegeleider opdrachtgever: ing. W.H. van der Zon ing. P. Kole Projectbegeleider ir. D. Pereboom opdrachtnemer: Naam en adres opdrachtnemer: Naam en adres opdrachtgever: Grondmechanica Delft Centrum Ondergronds Bouwen Postbus 69 Postbus AB Delft 2800 AK Gouda Opmerkingen: Samenvatting rapport: Ten behoeve van het onderzoek naar grondveibeteringstechnieken, welke nodig kunnen zijn ter minimalisering van schade als gevolg van zakkingenlzettingen die op kunnen treden tijdens tunnelboring, is een literatuuronderzoek uitgevoerd naar chemische injectievloeistoffen. HieIbij zijn de verschillende injectievloeistoffen gekarakteriseerd. Tevens is een kostenraming gemaakt van de beschikbare injecties. Relationele rapporten: Trefwoorden: Verspreiding: injectievloeistoffen, chemische injectie, COB-commissie M 520 literatuuronderzoek Classificatie: Classificatie deze pagina: Aantal biz: Prijs: Intern COB-rapport nee Versie Datum Namens opdrachtnemer Paraaf Namens opdrachtgever Paraaf concept ing. W.H. van der Zon ing. P. Kole definitief ing. W.H. van der Zon ing. P. Kole

4 Title and sub-title: Author(s): ing. W.H. van der Zon Date report: Type report: januari 1998 Final-report Reportnumber contractor: COB/-report number: CO /8 Project manager(s) contractor: ing. W.H. van der Zon Project attendant principal: ing. P. Kole Project attendant contractor: ir. D. Pereboom Name and address contractor: Name and address principal: Grondmechanica Delft Centrum Ondergronds Bouwen P.O. Box 69 P.O. Box AB Delft 2800 AK Gouda The Netherlands The Netherlands Remarks: Summary of report: A literature survey of soil improvement techniques has been performed. The survey focussed on the use of chemical injection techniques. The techniques can be used to minimise detrimental effects of settlements caused by drilling large diameter traffic (rail, road) tunnels. Chemical injection fluids have been characterized and ranges of costs per mj injectable soil have been determined. Relational reports: Keywords: Distribution: Bored tunnels, COB-committee K 100 Classification: Classification this page: Number of pages: Price: Internal COB-report no Version Date On behalf of contractor Initials On behalf of principal Initials draft ing. W.H. van der Zon ing. P. Kole final ing. W.H. van der Zon ing. P. Kole

5 - 3 - VOORWOORD Kennis en ervaring op het gebied van ondergronds bouwen in zachte grond is belangrijk als Nederland de actualiteit wil volgen en de (inter)nationale positie van de Nederlandse ontwerpers en bouwers wil handhaven. Door een breed forum van partijen uit bedrijfsleven, ovemeid en kennisinstituten is in 1994 het Impulsprogramma Kennisinfrastructuur Ondergronds Bouwen opgesteld. Het doel van dit Impulsprogramma is te komen tot een duurzame versterking van de kennisinfrastructuur. De kern van deze kennisinfrastructuur vonnt het Centrum Ondergronds Bouwen (COB), dat onderzoek en ontwikkelingen op het gebied van ondergronds bouwen initieert en coordineert. COB maakt gebruik van de werkwijze en infrastructuur van het Civieltechnisch Centrum Uitvoering Research en Regelgeving (CUR) te Gouda. De activiteiten van het COB worden uitgevoerd onder de noemer CUR/COB. Een leerstoel "Ondergronds Bouwen" aan de TU Delft is nauw gelieerd aan het COB. In CUR/COB participeert een breed scala aan bedrijven, branche-organisaties, onderzoeksinstellingen, wetenschappelijke instituten en ovemeden. Via een bijdrage van de Interdepartementale Commissie voor het Economisch Structuurbeleid (ICES) in het Impulsprogramma stimuleert de overheid de totstandkoming van deze kennisinfras tructuur. Het onderzoek en ontwikkelingswerk van CUR/COB worden verricht in het kader van een omvattend uitvoeringsprogramma. Dit uitvoeringsprogramma kent in eerste instantie vier thema's, te weten "Boren in zachte grond", "Verkennen, voorspellen en monitoren", "Economische tunnelbouw" en "Construeren, beheren en onderhouden". De thema's worden ingevuld met uit te voeren onderzoeks- en ontwikkelingsprojecten. 'nadere invulling'

6 - 4 - De samenstelling van de commissie, die dit rapport heeft voorbereid, was: 'nadere invulling' januari 1998 Projectbureau Boortunnels,

7 - 5 - INHOUD SAMENVATIING SUMMARY HOOFDSTUK 1 INLEIDING HOOFDSTUK 2 DOELSTELLING HOOFDSTUK 3 OPZETLITERATUURONDERZOEK HOOFDSTUK 4 DOELSTELLING Doelstelling HOOFDSTUK 5 SAMENSTELLING INJECTIEVLOEISTOFFEN Suspensiesop cementbasis Chemischeinjecties HOOFDSTUK 6 EIGENSCHAPPEN Geleringstijd en viscositeit Injecteerbaarheid Sterlcteeigenschappen Duurzaarnheid Milieuhygienischeeigenschappen Invloed van omgeving op de injectie Toepasbaarheid van de injectievloeistoffen, HoudbaarheidIVoorwaardenvoor opslag Gevoeligheid voor mixverl10udingenistabiliteit, HOOFDSTUK 7 KOSTEN

8 - 6 - HOOFDSTUK 8 CONCLUSIES LITERATUUR

9 - 7 - SAM EN V A TTING Ten behoeve van het onderzoek naar grondverbeteringstechnieken, welke nodig kunnen zijn ter minimalisering van schade als gevolg van zakkingenlzettingen die op kunnen treden tijdens tunnelboring, is een literatuuronderzoek uitgevoerd naar chemische injectievloeistoffen. Hierbij zijn de verschillende injectievloeistoffen gekarakteriseerd. Tevens is een kostenraming gemaakt van de beschikbare injecties.

10 - 8 - SUMMARY A literature survey of soil improvement techniques has been perfonned. The survey focussed on the use of chemical injection techniques. The techniques can be used to minimise detrimental effects of settlements caused by drilling large diameter traffic (rail, road) tunnels. Chemical injection fluids have been characterized and ranges of costs per m3 injectable soil have been detennined.

11 - 9 - HOOFDSTUK 1 IN LEIDING Door CUR/COB is aan Grondmechanica Delft op 22 juli 1997 (opdrachtnummer C 445) opdracht verleend tot het uitvoeren van een literatuurstudie naar injectievloeistoffen, deelonderzoek LIT2 Onderzoekscommissie M-520. Deze literatuurstudie wordt uitgevoerd voor in het kader van het Projectplan: Onderzoek naar grondverbetering middels injectie (R D2) ten behoeve van de Noord/Zuidlijn. In het voorliggend rapport wordt ingegaan op de beschikbare injectievloeistoffen en de karakterisering daarvan.

12 HOOFDSTUK 2 DOELSTELLING De doelstelling van het in deze literatuurstudie is het inventariseren van de beschikbare injectievloeistoffen. Daarnaast zijn van de injectievloeistoffen een karakterisering gemaakt op basis van een indeling naar prioritaire eigenschappen, secundaire eigenschappen en bijkomende eigenschappen. Bij het vaststellen van deze eigenschappen is het gebmik als grondverbetering centraal gesteld.

13 HOOFDSTUK 3 OPZETLITERATUURONDERZOEK De literatuurstudie is als voigt opgezet: 1. Inventarisatie van beschikbare injectievloeistoffen en systemen, hierbij zijn de volgende injectievloeistoffen onderzocht: grout systemen op basis van waterglas micro cement systemen op basis van kunstharsen. overige systemen 2. Karakterisering van de volgende eigenschappen voor elk van de nit de inventarisatie gevonden systemen: Per injectievloeistof is getracht de volgende eigenschappen te beschrijven. Prioritaire eigenschappen: * geleringstijd * viscositeit * injecteerbaarheid in grond,gerelateerd aan de doorlatendheidlkorreldiagram * kosten * sterlcte en duurzaamheid van uitgehard materiaal * milieuhygienische aspecten tijdens en na veiwerlcing en de invloed op en van het milieu Secundaire eigenschappen * waterdoorlatendheid na uitharding * mogelijkheden van oplosbaarheid in water Bijkomende eigenschappen * houdbaarheidlvoolwaarden opslag * gevoeligheid voor mixverhoudingen * beschikbaarheid Ten behoeve van het literatuur onderzoek is gebmikgemaakt internet productspecificatie bladen van de diverse leveranciers bibliotheek TUD literatnurverslag (A. van der Stoel) eigen bibliotheek Grondmechanica Delft van de volgende bronnen:

14 HOOFDSTUK 4 DOELSTELLING 4.1 Doelstelling Verschillende materialen worden toegepast als injectiemiddel, afhankelijk van de doelstelling van de injectie en de eigenschappen van de grond. Cementmengsels (grouts) zijn de eerste toegepaste materialen voor injectie geweest. In de jaren 60 is het beschikbare aantal verschillende soorten injectievloeistoffen sterk toegenomen. Voocal in de organische chemie zijn nieuwe typen injectievloeistoffen ontwikkeld zoals bijvoorbeeld de harde gels en de organische harsen. Deze nieuwe stoffen hebben een lage viscositeit, die dat van water benadert, zodat de toepassing van injectie in grond met fijnere textuur sterk is uitgebreid. In hoofdlijn kunnen de injectievloeistoffen worden ingedeeld in stabiele en niet-stabiele suspensies (type I), wel of niet gestabiliseerde emulsies (type II) en oplossingen (type Ill) [I ]. In niet-stabiele suspensies kunnen de componenten van elkaar worden gescheiden door sedimentatie. De vaste delen zullen zich afzetten, indien de suspensie onvoldoende in beweging wordt gehouden. In kleine porien in de grond, waar het gei"njecteerde middel te langzaam beweegt, worden derhalve vaste delen afgezet en raken deze pori en gauw verstopt. In gestabiliseerde emulsies zullen de componenten zich niet van elkaar scheiden, maar door toepassing van mechanische middelen kunnen deze componenten van elkaar gescheiden worden. Voorbeeld van een instabiele suspensie is een mengsel van water en cement v66r de hydratie plaatsvinden. Cementsuspensies kunnen worden gestabiliseerd door toeslagstoffen, door een intensiever of een speciaal mengproces en door het verwannen van het mengsel. Emulsies breken zodra zij met gronddeeltjes in aanraking komen, tenzij zij zijn gestabiliseerd of overgestabiliseerd door toevoeging van stabilisatiemiddelen.v oorbeelden van. emulsies die worden toegepast in de grouting-technieken zijn emulsies van bitumen en water en emulsies van harsen. In oplossingen worden de componenten volledig in een vloeistof (vaak water) opgelost. De componenten van de oplossingen kunnen mechanisch niet worden afgescheiden. Voorbeelden van oplossingen zijn silikaat-grouten, harsen en andere synthetische producten. Oplossingen kunnen verharden door: direct in aanraking te komen met een reactievloeistof (Joosten procedure) na een bepaalde tijd door een vertraagde reactie met een reeds reactievloeistof of door werking van een katalysator. een bepaalde tijd na contact met het grondwater. toegevoegde Voorbeelden van oplossingen zijn de volgende groepen: waterglas + verschillende reactievloeistoffen. Hierbij hoort onder meer SIROC (Silicagel), MONODUR, MONOSOL en waterglas + calcium chloride (Joosten procedure). oplossingen van lignosulfiet + bichromaat of lignosulfiet en aluminiumchloride.

15 organische harsen; hierbij horen Acrylamide (AM9), phenoplasten (resorcine-foonol, Rocagil, Geoseal), gepredeconseerde polymeren (aminoplasten) en gepredeconseerde polymeren (TACSS en DECI). Suspensies op basis van cement zijn tot nog toe de meest toegepaste materialen voor grouting. De eerste chemische grout die met succes is toegepast was een sterke gel samengesteld uit natriumsilikaat en calciumchloride volgens de Joosten-procedure. Later werden silicagels van natriumsilikaat en een vemarder toegepast. Deze componenten werden eerst gemengd, voorafgaand aan het groutingproces. Deze zogenaamde one-shot gels worden het meest toegepast in hoofdzakelijk zand en zandige grind. De andere gels zijn op een basis van acrylamide en lignosulfonaat ontwikkeld. Omdat deze gels een extreem lage viscositeit bezitten, zijn ze geschikt voor toepassing in fijnere siltige bodems. Helaas worden deze gels vanwege de hoge kosten en mogelijke milieubezwaren (acrylamide is giftig) in beperkte mate toegepast. In het algemeen, geven de gels t.o.v. cementhoudende materialen een lagere sterkte. Maar injecties met gels geven een meer homogeen resultaat en leiden daardoor tot een massief met hogere sterkte en lagere doorlatendheid. Harsen en schuimende materialen zijn ook beschikbaar en worden toegepast voor bijzondere doelen. De toepassing van deze materialen wordt eveneens beperkt door de hoge kosten en mogelijke milieubezwaren. Verder worden emulsies van bitumen ook toegepast. Om praktische redenen is de toepassing van deze materialen zeer beperkt. In de literatuur wordt eveneens toepassing gemeld van gas-vloeistof injecties. De combinatie van natriumsilikaat met CO2-gas, Carbo Rock genaamd, zou een makkelijk toepasbaar en milieuvriendelijker injectie leveren [2]. De suspensies, emulsies en oplossingen kunnen worden gecombineerd met klei en bentoniet, waardoor bijvoorbeeld cementsuspensies vloeibaarder worden of de toepassing van organische harsen goedkoper wordt. In het algemeen neemt de sterkte van de product dan af.

16 HOOFDSTUK 5 SAMENSTELLING INJECTIEVLOEISTOFFEN 5.1 Suspensies op cementbasis De injectievloeistoffen op basis van cement (grouts) ontlenen hun eigenschappen aan de eigenschappen van de gebruikte cementsoort en de eventueel toegevoegde hulpstoffen. De belangrijkste eigenschap is dekorreldiameter die afhankelijk is van de cementsoort. De korreldiameter is tevens de oorzaak van de beperlcte toepassing van deze suspensies die is beperlct tot bodems met grove textuur en grote porien. Deze grouts gedragen zich als een Binghamse vloeistof en hebben, na uitharding, een hoge sterlcte. am de veiwerlcbaarheid van cementsuspensies te vergroten worden hulpstoffen in de vonn van plastificeerders toegevoegd. Veelal worden super-plastificeerders (gesulfoneerde naftalenen, gesulfoneerde melamines, lignine sulfonaten) toegepast, waardoor het gedrag van de suspensie meer dat van een Newtonse vloeistof benadert. Door toevoeging van stabilisators aan de plastificeerder wordt bleeding van het cement tegengegaan. Microcement Microcement is een cementsoort waarbij door de cementkorrels opnieuw te verlcleinen (malen) de blaine waarde wordt daardoor vemoogd tot circa a m2/gram. De suspensie gedraagt zich als een Newtonse vloeistof. De grens voor micro cement wordt gelegd bij een d95 van 0,016 mm, fijnere malingen zijn op verzoek ook verlcrijgbaar, de prijsstelling zai echter hoger zijn. Dit mede in verband met maaitechnische en logistieke omstandigheden. Microcement dient met veel zorg worden behandeld; door de extreem fijnheid van het materiaai in droge vonn is het zeer gevoelig voor verlcitting door vocht en voor elektrostatische verschijnselen wat het moeilijk maakt te transporteren en op te slaan. In de natte vonn vertoont microcement de tendens om te flocculeren met als gevolg een grotere korrelstructuur. Met de toepassing van hulpstoffen worden deze nadelige effecten tegengegaan. Microcementen zijn in het algemeen een factor vijf tot zes duurder dan gewone cementen. Voorbeelden van het maken van micro cement uit oorspronkelijk grof cement zijn het CEMILL-proces en het MISTRA-proces [3]. Door toevoeging van bentoniet aan het cement wordt een stabiel mengsel bereikt die als een Newtonse vloeistof zich gedraagt. In het algemeen kan worden aangehouden dat de d95 voor een micro cement circa 5 tot 10 maai kleiner zai zijn dan die voor een nonnale cementsoort. De voordelen van micro cement t.o.v. cement zijn:

17 betere inzetbaarheid door fijnere samenstelling lagere benodigde pompdrukken kortere verwerldngs- en hardingstijd. In enkele gevailen zou micro cement beter toepasbaar zijn dan bepaalde chemische injectie-oplossingen [3]. Dit omdat de cementdeeltjes in wat fijnere zandgronden minder kans hebben om weggespoeld te worden dan chemische (opgeloste) injectie middelen. 5.2 Chemische injecties Silicagel De basiscomponent voor silicagels bestaat uit natriumsilikaat (waterglas) opgelost in water. Ben geschikte natriumsilikaat wordt met een anorganische of een organische vemarder gemengd teneinde een silicagel te vonnen. In het aigemeen worden natriumaiuminaat (anorganisch) en verschillende esters (organisch) ais vemarders toegepast. De meeste bekende procedure voor het bereiden van silicagel is de Joosten-procedure. Volgens deze procedure worden natriumsilikaat en caiciumchloride na elkaar ge'injecteerd. Na in contact met elkaar te zijn gebracht reageren deze stoffen onderling en met water. De reactie produceert silicagel, caiciumchloride en natriumchloride (keukenzout). Hierdoor wordt het chloridegehaite in de grond plaatselijk vemoogd. Hoe hoger het silikaatgehaite van het toegepaste natriumsilikaat hoe sterker de gevonnde gel is en de ge'injecteerde grond. Tijdens het hardingsproces treedt volumeverlies van de gel op door synerese-effecten (water uitdrijving). Bij een oorspronkelijk natriumsilikaatgehaite van 60% tot 80% blijken de effecten van synerese dusdanig beperkt dat een redelijk sterk eindproduct, grond met injectiemiddel, (1,5-5 MPa) wordt overgehouden. Bij lage concentraties natriumsilikaat blijft de eindsterkte zeer beperkt. De two shot methode is in het algemeen bewerkelijk, omdat het een zeer dicht net van injectielansen en hoge injectiedrukken vereist om een goede kwaiiteit injectielichaam te verkrijgen. Daarom is reeds in 1957 door Soletanche een single shot methode ontwikkeld. Hierbij vindt harding plaats op basis van een reactie met een ester. Deze ester verandert langzaam in ethylaichohol en azijnznur, welk reageert met het natriumsilikaat. Deze reactie verloopt geleidelijk aan en levert redelijk hoge dmksterkten (2-3 MPa) [4]. Silicagel op zich vonnt geen harde of ondoorlatende verbinding met de grondkorrels. Omdit te bereiken moeten een of meer stoffen worden bijgemengd die met het silicagel een polymeer vonnen dat zich aan de korrels bindt of de porien vult. Hiervoor komen verschillende stoffen in aanmerking, die aile hun voor- en nadelen hebben, te weten: natriumaluminaat: hiennee wordt een gel (Monosol) gevonnd die sterk afdichtende eigenschappen bevat, doch een geringe sterkte (soft-gel); Durcisseur: deze harder bestaat uit een mengsel van drie organische znren, t.w. bamsteenznur, glutarzuur en adipineznur (hard-gel). De toepasbaarheid van deze gels is zeer uitgebreid, doordat silicagel goed te injecteren is in verschillende zandgronden (fijn tot middelgrot).

18 Acrylamide harsen Deze harsen worden gekenmerkt door een zeer lage viscositeit (2-8 mpa.s), het ontbreken van deeltjes in de vloeistof en gedrag confonn een Newtonse vloeistof, met een zeer geringe toename van de viscositeit. Het vonnt een witte poeder, bestaand uit het mengsel van twee organische monomeren. Ammoniumpersulfaat wordt hierbij als katalysator toegepast. Het gel bevat ovelwegend water (80-97%) en het is stabiel in een vochtig milieu en onder water. Het kan krlmpen tot 10% van zijn originele volume wanneer het wordt gedroogd maar het kan weer zwellen wanneer onder water gehouden. Door zijn eigenschappen zijn acrylamide harsen injecteerbaar tot in (niet cohesiet) silt met korrelafmetingen van minimaal een 015 waarde van 10 Ilm. In de literatuur worden korrelverdeling diagram men getoond van met acrylamide harsen (AM9) ge'injecteerde siltige zanden, met 015 waarden van 3 Ilm en 7 Ilm [4]. De sterkte van geynjecteerde poreuze grond kan een waarde tussen 0,35 en 1,45 MPa bereiken, echter kruipverschijnselen zijn al waameembaar wanneer de spanning 1/4 tot 1/2 van deze waarden bereikt. Acryamdie harsen, waaronder AM9, zijn sterk neurotoxisch en zijn productie is reeds in 1979 gestopt [5]. Ben nieuw product (AC 400) is in de markt gebracht als vervanger van het AM9-mengsel. AC 400 is een mengsel van acrylmonomeren, het heeft een viscositeit van circa 2 mpa.s en de doorlatendheid van het gel is circa 5 x mls. Dit product is niet toxisch. Acrylgels zijn duurder dan natriumsilikaatgels en ze worden daarom toegepast wanneer een zeer lage viscositeit is vereist. Lignosulfonaat Lignosulfonaat is een restproduct bij celluloseproductie in de papierindustrie. De samenstelling varieert met het toegepaste houttype en het fabricageproces. Dit restproduct is geconcentreerd en het is beschikbaar in de vonn van een dikke (siroopachtig) vloeistof of in als poeder. Lignosulfonaat wordt voor injectie toegepast, zowel in de oorspronkelijke vloeibare vonn als ook in poedervonn. Door menging van dit product met natriumdichromaat wordt de lignosulfonaat geoxideerd en er ontstaat een geleiachtige waaraan geen sterkte ontleend kan worden. dergelijke systemen worden gebmikt bij het ondoorlatendmaken van grond. Echter het gebmik hiervan is af te raden in verband met het in de bodem brengen van het zware metaal chroom. Lignochroom bevat een zeer lage viscositeit (2-8 mpa.s), het vertoont het gedrag van een Newtonse vloeistof en de sterkte vanhet gel is vergelijkbaar met de sterkte van acrylamide injectiemengsels. Lignochroom wordtniet meer gebmikt in verband met het relatief hoge chroom gehalte (7,5 %). Het gel is stabiel maar de toxische dichromaat kan uitlogen en dat kan leiden tot aantasting van het milieu. Bij de chroom-vrije lignosulfonaten is het chroom vervangen door ijzer, deze zijn niet toxisch. Polymeer harsen.

19 Polymeer harsen zijn op basis van hun samenstelling onder te verdelen in een aantal types. Hieronder wordt onderscheid gemaakt in: phenoplasten en aminoplasten epoxy harsen schuimmaterialen (polyurethaan harsen) organische minerale harsen PMA harsen. Phenoplasten en aminoplasten Deze harsen worden gekenmeikt door hoge steikte-eigenschappen. In geinjecteerd zand bezitten ze betere steikte-eigenschappen en gunstiger kruipgedrag dan silicagels (Joostenprocedure ). Harsen op basis van foonaldehyde en fenol, de zogenaamde phenoplasten, bezitten veel betere steikte eigenschappen en gunstiger kruipgedrag dan silicagels, terwijl de viscositeit nagenoeg gelijk (laag) is. De toepassing van deze harsen wordt wel bepeikt door de milieu-omstandigheden omdat een enigszins zuur (ph < 7) milieu is vereist om de chemische reactie te laten verlopen. Wanneer aan deze voorwaarden is voldaan kan silt houdende lagen geinjecteerd worden. Epoxy harsen Epoxyharsen worden bereid uit een mengsel van bifenol A of F-hars met een alifatische of cycloalifatsche amine. Epoxyharsen vinden over het algemeen weinig toepassing in de geotechniek. Slechts daar waar extreem goede mechanische eigenschappen van het injectielichaam vereist zijn worden ze toegepast. Ze worden vaak toegepast bij betonconstmcties. Schuimmaterialen (polyurethaan harsen) Schuimmaterialen zijn emulsies van gasbelletjes in polyurethaan (polyurethaan harsen). Polyurethanen bestaan uit twee componenten harsen die reageren volgens: Polyol + isocyanaat => polyurethaan. (1) Door de aanwezigheid van water treedt tevens de volgende reactie op: Isocyanaat + H2O => polycarbamide + CO2 (g). (2) Het kooldioxide wordt opgesloten in het polyurethaan waardoor een schuimachtige (foam) substantie ontstaat. Het proces gaat gepaard met een toename van volume. De grootte en de stmctuur van de belletjes worden bepaald door het toegepaste oppervlakte-actief reagens. Een kenmeik van de schuimmaterialen is dat de diameter van de gasbelletjes klein is (circa 0,9 d tot 1,1 d). De schuimmaterialen worden toegepast in niet cohesieve grond ter verbetering van de cohesie (verhoging tot 5 MPa) en vanwege de hoge graad van penetratie die optreedt door de

20 . expansie Mede door de expansiedrnk (3 tot 10 bar) kunnen bij een relatief lage injectiedrnk porien tot 0,2 mm worden gevuld. De uiteindelijke drnksterkte ligt, afbankelijk van de expansie, tussen de 5 en 30 MPa. Schuimmaterialen zijn zeer geschikt voor het vullen van wijde rnimten, holten en wijde spleten met een lage consumptie van de injectiemassa. Het schuimmateriaal wordt direct stijf na verlaten van de injectiepijp, het wordt niet uitgeloogd in water en het kan worden toegepast in combinatie met injectie van cementsuspensies of mortel. Organiscbe minerale barsen Deze harsen hebben dezelfde chemische basis als de polyurethaan harsen. De reacties treden op volgens het volgende schema: HzO + isocyanaat => polycarbamide + COz (g) (1) natriumsilikaat + COz => silikaat + soda + Hz) (2) Er zijn twee typen beschikbaar: niet expanderende harsen met een zeer hoge drnksterkte van circa 50 MPa (bijv. SikaFix-H) sterk expanderende harsen (factor 20) met een lage drnksterkte van circa 1 MPa (bijv. SikaFix-HS) De sterk expanderende minerale harsen hebben een broos karakter en dus een lage taaiheid [5]. Deze harsen worden toegepast als waterdichting in bouwkundige constrncties. De injecteerbaarheid in grond is niet bekend. PMA harsen PMA harsen zijn sinds kort beschikbaar.. De viscositeit van deze harsen is nagenoeg gelijk aan die van water (5 tot 20 mpa.s) en ze hebben daardoor eenzeer hoog penetratievennogen. Porien met een diameter veel kleiner dan 0,2 mm kunnen zonder problemen worden gelnjecteerd. Qua chemische samenstelling verschillen PMA harsen van andere polymeerharsen. In tegenstelling tot de andere harsen, is de reactie van PMA katalytisch van aard, dat wi! zeggen dat als de verharding eenmaal op gang is deze steeds sneller verloopt. Andere kenmerkende en gunstige eigenschappen van PMA harsen zijn: het volledig behouden van de viscositeit tot het moment van harden, waarbij vrijwel onmiddellijk de eindsterkte optreedt de verschillende mogelijkheden om het hardingsproces te initieren, zoals wannte, straling (b.v. UV- of gammastraling) of een initiator. PMA is een hars op basis van acrylamide. Desgevraagd meldt de leverancier dat deze producten recent (begin oktober 1997) uit de handel genomen zijn, naar aanleiding van berichten uit Zweden en Noorwegen in verband met de toxiciteit tijdens en na verwerking. Dit geldt overigens voor alle injectiemiddelen die op basis van acryamides in de handel zijn. Bitumen

21 Het gebruik van bitumen als injectiemiddel in de geotechniek is zeer beperkt. Het meest worden bitumenemulsies toegepast [6]. De bitumenemulsies worden bereid volgens verschillende procedures, de meest bekende zijn het Shellpenn A en B en de Caron procedure. Toepassing vind plaats door persing onder druk van de emulsie in spleten en porien van het te injecteren materiaal. Door toevoeging van een speciale initiator gaat de emulsie stollen en de spleten raken dan verstopt met het injectiemiddel. In de Shellpenn-procedure wordt de stolling van de emulsie chemisch geactiveerd. In de Caron-procedure wordt de stolling gei'nitieerd dooreen agent die het overtollige water van de emulsie extraheert. Het stollingsproces is moeilijk te reguleren en dat is de reden dat de bitumenemulsies in de geotechniek weinig worden toegepast.

22 11 ) 0/ HOOFDSTUK 6 EIGENSCHAPPEN 6.1 Geleringstijd en viscositeit De geleringstijd en de viscositeit zijn grotendeels afhankelijk van de mengverhouding en de concentratie van de verschillende toegepaste componenten. De geleringstijd wordt gedefinieerd als zijnde de tijd tussen het begin van het mengen of toevoeging van een katalysator en de vonning van het gel. Het kan varieren van enkele minuten tot uren, maar het is in ieder geval temperatuurgevoelig en bijvoorbeeld bij een toe name van 10 C wordt de geleringstijd gehalveerd. Bij normale omstandigheden wordt een geleringstijd van 45 tot 90 minuten toegepast. Let wet deze tijd is benodigd voor het totale proces van mengen, pompen en injecteren van het gel. De keuze van de geleringstijd wordt in eerste instantie bepaald door het volume van de te injecteren componenten, de penneabiliteit van de grond, de grondwatercondities en de temperatuur. Afhankelijk van de mengverhouding en de concentratie van de reagenten kan de viscositeit eerst langzaam toenemen en daarna heel snel toenemen tot de eindsterkte van het gel, zodat de beschikbare tijd voor pompen nagenoeg gelijk is aan de geleringstijd. In andere gevallen neemt de viscositeit geleidelijk toe, zodat een deel van de geleringstijd is beschikbaar voor het pompen. Uit resultaten van laboratoriumtesten blijkt dat de viscositeit van silikaatoplossingen verdubbelt ten opzichte van de oorspronkelijke waarde totdat het geleren start, terwijl de viscositeit van harsen nauwelijks hoger wordt. Op het moment dat de geleringcq. kristallisatie start neemt de viscositeit in een keer scherp toe [7]. Figuur I geeft de resultaten van deze laboratoriumtesten weer. t VI c. 32 w >- -- Vi 24 0 u VI - > 16 I + B I I I ) +""1 1 3 ), "'"...ti time min- Figuur I. Change of viscosity of chemical grouts during time, 1 silicate solution, 50% silicate, 5% formamide, 5o/cethyl acetate, 2 10% acrylamide solution, 3 AC400