Von Britt N. Babcock, PE
Zement und chemische Fugenmörtel sind in einer Reihe von Bodenbedingungen wirksam.
Zement- und chemische Fugenmörtel werden bei einer Vielzahl von Neu- und Sanierungsbauprojekten verwendet und haben eine gemeinsame Kategorie und einen gemeinsamen Namen, aber die deutlichen Unterschiede überwiegen bei weitem die gemeinsamen Eigenschaften. Beide Mörtelarten werden in zivilen Anwendungen eingesetzt, die von der Kanalrohrsanierung bis zum Tunnel- oder Schachtneubau reichen, um enge Hohlräume / Risse, Gesteinsrisse oder Böden zur Kontrolle des Grundwassers zu durchdringen, Hohlräume zu füllen oder die strukturelle Unterstützung der Geologie zu erhöhen. Obwohl sich Zement und chemische Fugenmörtel in Zusammensetzung, Anwendung und Kosten unterscheiden können, sind sie letztendlich komplementäre Produkte für dieselben Projekte. In diesem Artikel wird untersucht, wann und warum die verschiedenen Arten von Fugenmörteln und die Kostenspanne jedes Produkts verwendet werden sollen.
Die Praxis der Injektion von Fugenmörtel und die breite Palette von Mörtelprodukten zur Verfügung kann die Wahl der richtigen Fugenmörtel für das Projekt kompliziert machen. Da es schwierig ist, die Komplexität des Themas in einem einzigen Papier zusammenzufassen, wurden einige spezifische Themen in diesem Papier der Einfachheit halber verallgemeinert. Wenn bei Ihrem Projekt eine Situation besteht, in der eine Fugeninjektion erforderlich ist, sollten ein qualifizierter Fugenauftragnehmer und ein erfahrener Fugenberater beauftragt werden, um Empfehlungen für die Verfugung und Installation zu geben, und ein sachkundiger Fugenlieferant wie Avanti International sollte konsultiert werden, um bei der richtigen Auswahl des Fugenmörtels behilflich zu sein.
Fugen und Gele können verwendet werden, um eine effektive, lang anhaltende Wasserbarriere sowie einen Bodenstabilisator zu schaffen.
Fugenmörtelfamilie und Subtypen
Fugenmörtel, die in zivilen Bau- und Sanierungsprojekten verwendet werden, können im Allgemeinen entweder in Zement- oder chemische Fugenmörtel eingeteilt werden. Innerhalb jeder Mörtelfamilie gibt es primäre Mörtelsubtypen: Innerhalb der Zementmörtelfamilie definieren gewöhnlicher Portlandzement und ultrafeine Zemente diese Subtypen. Die chemische Mörtelfamilie umfasst Natriumsilikat, Acrylgele und Polyurethan-Expansionsschäume. Obwohl jeder übergeordnete Mörteltyp primäre Mörtel-Spawns hat, Hier enden die Gemeinsamkeiten und die einzelnen Mörteltypen teilen sich in ihre eigenen einzigartigen Eigenschaften auf.
Zementmörtel gelten als Schwebstoffmörtel, da sie Partikel aufweisen, die ihre Zusammensetzung enthalten, die aus dem Mahlen von Portlandzementklinker stammt. Der auf den Klinker aufgebrachte Mahlaufwand bestimmt die durchschnittliche Partikelgröße. Portlandzementmörtel hat im Allgemeinen Partikelgrößen von durchschnittlich 15 Mikrometern. Mikrofeine Zemente reichen von 6 bis 10 Mikron, während ultrafeine Zemente durchschnittliche Partikelgrößen von 3 bis 5 Mikron haben können. US Grout in Malad, Idaho, kann kundenspezifische gemischte Zementmörtel liefern, die projektspezifische Anforderungen erfüllen.
Die Fähigkeit eines Mörtels, einen Felsspalt zu durchdringen, hängt weitgehend von der Partikelgröße ab, während seine Fähigkeit, einen Boden zu durchdringen, auch von der Oberflächenspannung innerhalb des Mörtels abhängt. Die Rheologie eines Zements, dh die Fließfähigkeit des Mörtels, wird durch die Kontrolle des Wasser / Zement-Verhältnisses erreicht, und fast immer wird ein Fließmittel zugesetzt, um die Viskosität zu verringern. Während Additive hinzugefügt werden können, um die Aushärtezeit zu verlangsamen, beginnen Zementmörtel nach dem Mischen mit Wasser zu härten und eine hohe Druckfestigkeit zu erzeugen. Nach der Injektion gelten Zemente als langfristige Lösungen für die Wasserkontrolle oder die strukturelle Verbesserung mit einer Lebensdauer zwischen 100 und 200 Jahren. Gewöhnliche Portlandzementkosten (gemischt) liegen typischerweise zwischen 1 und 2 Dollar pro gemischter Gallone, während die Kosten für mikrofeine / ultrafeine Zemente (gemischt) typischerweise zwischen 3 und 4 Dollar pro gemischter Gallone liegen. Diese Kosten können sich weiter reduzieren, wenn höhere Wasser / Zement-Verhältnisse verwendet werden.
Die Haupttypen chemischer Fugenmörtel (Silikate, Acrylate und Polyurethane) sind jeweils einzigartig in ihrer Zusammensetzung. Obwohl es sich wirklich um einen Schwebstoffmörtel handelt, haben Natriumsilikate, da die Partikel so klein sind, ein hohes Maß an Durchdringbarkeit in Böden und Gestein, sehr ähnlich den echten Lösungsmörteln, die keine Schwebstoffe enthalten.
Natriumsilikat ist ein Zweikomponenten-Mörtel, der typischerweise eine sehr niedrige Viskosität aufweist, aber nach dem Gelieren häufig Wasser durch einen Prozess namens Synerese ausstößt. Natriumsilikate können empfindlich und instabil sein, wenn sie in jeden Grundwasserzustand injiziert werden. Mit relativ kurzen Gelzeiten von einigen Minuten bis zu einigen Stunden werden Natriumsilikate üblicherweise als temporäre Lösung für die Wasserkontrolle oder strukturelle Unterstützung mit einer geschätzten Lebensdauer von einigen Jahren verwendet. Je nach Bodenchemie können Silikate eine längere Lebensdauer aufweisen. Natriumsilikate liegen typischerweise zwischen 2 und 3 Dollar pro gemischter Gallone.
Kolloidaler Siliziumdioxid-Mörtel wurde entwickelt, um das Problem der Synergie mit Natriumsilikaten zu reduzieren, eine bessere Kontrolle der Gelzeiten zu ermöglichen und eine niedrigere Viskosität zu erreichen. Kolloidaler Kieselsäuremörtel wird in einem mehrstufigen Verfahren hergestellt, bei dem eine Silikatlösung teilweise neutralisiert wird, was zur Bildung von Kieselsäurekernen führt. Kolloidales Siliciumdioxid hat die gleiche erwartete Lebensdauer wie Natriumsilikat, aber aufgrund des mehrstufigen Prozesses für die Entwicklung sind die Preise erheblich höher und reichen von 13 bis 15 Dollar pro gemischte Gallone.
Acrylate sind definiert als „echte Lösungsmörtel“, die frei von Schwebstoffen sind und eine extrem niedrige Viskosität aufweisen – ähnlich wie Wasser. Die Acrylfamilie besteht aus Acrylamid und Acrylaten. Jeder Typ erfordert ein Basisharz, das mit einem Katalysator gemischt wird, um eine Gelmatrix innerhalb eines Bodens oder Gesteins mit einer kontrollierbaren Gelzeit zu erzeugen. Acrylamid wechselt von einer Flüssigkeit zu einem Feststoff in einer kontrollierbaren Gelzeit von 3 Sekunden bis zu 10 Stunden. Acrylatgelzeiten reichen von ungefähr einer Minute bis zu einer Stunde. Die Lebensdauer eines Acrylamids wird auf mehr als 300 Jahre geschätzt, während ein Acrylat auf ungefähr 50 Jahre geschätzt wird. Die Kosten für Acrylamidgel liegen typischerweise zwischen 6 und 8 Dollar pro gemischter Gallone, während Acrylate etwas teurer sind und zwischen 8 und 10 Dollar pro Gallone liegen.
Es gibt zwei Haupttypen von Polyurethan-Fugenmörteln, die als hydrophil und hydrophob definiert sind. Hydrophile Fugenmörtel sind typischerweise Einkomponentensysteme, die mit Wasser reagieren und zu einem expansiven Weichschaum oder nicht expansiven Gel aushärten, das nach dem Aushärten eine feuchte Umgebung erfordert. Hydrophobe Expansionsschäume benötigen wenig Wasser, um zu reagieren, etwa 4%, und halten leicht Nass / Trocken-Zyklen stand. Echte hydrophobe Schäume, die kein Wasser zum Reagieren benötigen, sind ebenfalls erhältlich. Hydrophile Schäume dehnen sich um das 4- bis 6-fache ihres ursprünglichen Volumens aus, während hydrophobe Schäume sich um das 20-fache ihres ursprünglichen Volumens ausdehnen und flexibel oder starr aushärten können. Die meisten Hersteller führen Polyurethanharze mit NSF- oder UL-Zertifizierungen, die den Einsatz in Trinkwasseranwendungen genehmigen. Die Lebensdauer von Polyurethanschaum wird auf etwa 75 Jahre geschätzt. Die Kosten für Polyurethanharze (vor der Expansion) liegen typischerweise zwischen 60 und 80 Dollar pro Gallone, ungehärtet. Es ist zu beachten, dass die Kosten von Polyurethanschäumen drastisch sinken, wenn man die expansive Komponente des Materials in die Gesamtkosten einbezieht.
Anwendungen – Wann & Warum
Zement- und Chemikalienmörtel werden in einer Vielzahl von Bauprojekten eingesetzt, die vom Neubau bis zur Sanierung reichen. Beispielsweise werden Portland- und ultrafeine Zementmörtel überwiegend zur Stabilisierung des Bodens und / oder zur Kontrolle des Wassers in zivilen Projekten verwendet, einschließlich Erddämmen, Deichen, Minen, Tunneln, U-Bahnen, vertikalen Schächten, unterirdischen Strukturen oder Abfallverkapselungen. Diese Arten von Großprojekten erfordern oft erhebliche Mengen an Mörtel injiziert werden. Chemische Fugenmörtel ergänzen häufig die Zementmörtel und sind in einigen Fällen der vorherrschende Fugenmörtel, der für eine bestimmte Situation verwendet wird.
Bei vielen zivilen Projekten, bei denen eine Verfugung erwartet wird, hat der Ingenieur oder der Verfugungsberater ein Verfugungsprogramm vorbereitet, in dem festgelegt wird, welche Art von Verfugung geplant ist. In einigen Fällen wird jedoch die Notwendigkeit einer Wasserkontrolle oder Bodenstabilisierung nicht erwartet und ein Verfug-Programm wird schnell entwickelt. Die Art des Mörtelmaterials, das für die Injektion für einen unmittelbaren Bedarf verwendet wird, durchläuft im Allgemeinen einen Versuch-und-Irrtum-Prozess. Wegen des wirtschaftlichen Vorteils wird Portlandzementmörtel oft der erste Versuch sein. Wenn die geologischen Bedingungen den Portlandzementmörtel nicht akzeptieren, wird ein ultrafeiner Zementmörtel verwendet. Wenn Portland- oder ultrafeine Zemente erfolgreich sind, wird ein Acrylharz wie Acrylamid oft nicht eingesetzt.
Fugenmörtel werden auch in großem Umfang bei der Sanierung von sich verschlechternden sanitären Abwasserinfrastrukturen, Betondämmen oder unterirdischen Strukturen verwendet. Im Allgemeinen werden für diese Art von Projekten Acrylgele und Polyurethanschäume verwendet. Beide werden verwendet, um undichte Risse und Fugen abzudichten. Acrylamidgel wird jedoch überwiegend im Rohrleitungssystem verwendet, während die Polyurethanschäume in und um Schächte und Gewölbe verwendet werden. Wo Hohlräume hinter Untergradstrukturen aufgetreten sind, werden häufig die hochexpansiven hydrophoben Polyurethanschäume verwendet, um den Hohlraum zu füllen. Etwas besonders entworfener Polyurethanschaum wird auch für das Anheben von Betonplatten benutzt, die strukturelle Unterstützung liefert, indem sie eine leichte Lösung verwendet, die nicht zusätzliche Plattensiedlung fördert. Gehärteter Strukturschaum wiegt ungefähr 4 Pfund Pfund pro Kubikfuß im Vergleich zu viel schwererem Mudjacking-Material.
Bei der Notwendigkeit, Leckagen zu stoppen, den Boden zu stabilisieren oder das Wasser zu kontrollieren, wird empfohlen, einen qualifizierten Fugenmörtelberater und einen Fugenmörtelinjektionspartner zu beauftragen, um Installationsempfehlungen zu geben, und einen sachkundigen Fugenmörtellieferanten zu konsultieren, um bei der richtigen Auswahl des Fugenmörtels zu helfen.
Britt N. Babcock, P.E., ist Direktorin der Geotechnischen Abteilung bei Avanti International. Avanti International ist ein Full-Service-Anbieter und erfahrener Lieferant von hochwertigem Zement und chemischen Fugenmörteln in den USA.