Wissenschaftliche Studien zur Wirkung von URETEK-Kunstharz

Die Methode Deep Injections® für die Konsolidation und die Erhöhung der Tragfähigkeit von Fundamentuntergrund mit Injektion von Expansionsharz wurde von der URETEK entwickelt. Das Injektionsmaterial URETEK Geoplus® wird seit Jahren in zahlreichen europäischen Ländern erfolgreich eingesetzt. Die Austrian Institute of Technology GmbH wurde durch die URETEK Injektionstechnik GmbH in Wien beauftragt, einen technischen Vergleich zwischen der bestehenden Dokumentation und den Resultaten einer Feldstudie anzustellen.

2009/2010 erfolgten grossmassstäbliche Injektionsversuche mit Injektionsharzen der Firma URETEK am Gelände der Austrian Institute of Technology GmbH, kurz AIT. Ziel der Versuche war, die Wirksamkeit von Injektionsmitteln der Firma URETEK mit Hilfe von konventionellen geotechnischen Untersuchungsmethoden nachzuweisen. Der gewählte Untersuchungsumfang umfasste Sondierungen mit der leichten Rammsonde DPL, Messungen der Dichte und des Wassergehaltes mittels Isotopensonde, Bestimmung des dynamischen Verformungsmoduls mit der dynamischen Lastplatte sowie Durchführung von Belastungsversuchen mit kreisförmiger Lastplatte (DN 600 mm).

Belastungszylinder und Lastplatte mit Messuhren

Versuchsaufbau und -ablauf

Die Untersuchungen erfolgten an drei unterschiedlichen natürlichen Böden ohne Injektion (Nullboden) und mit Injektion. Aus dem Vergleich der gewonnenen Ergebnisse mit und ohne Injektion soll die Wirksamkeit bzw. bodenverbessernde Wirkung des Injektionsmittels dargestellt werden. Alle Versuche wurden unter klar definierten und reproduzierbaren Bedingungen (Einbaudichte, Wassergehalt, Verdichtungsgrad) durchgeführt, sodass eine Vergleichbarkeit der Ergebnisse gewährleistet ist. Als natürliches Bodenmaterial wurden dabei ein nichtbindiger, rolliger Boden (Leithaschotter) und zwei bindige Böden (Tegel und Löss) verwendet. Die Injektionsversuche erfolgten in drei zylindrischen Betonbehältern (Brunnenringen), die mit natürlichem Boden gefüllt waren.

In jeden Behälter wurde ein Materialvolumen von ca. 2.40 m3 eingefüllt; die einzelnen Böden wurden für jeden Injektionsversuch als auch für den Nullversuch unter annähernd gleichen Bedingungen (Einbaudichte und Wassergehalt) eingebaut. Im Zuge der Belastungsversuche wurde abwechselnd an jedem Behälter ein Belastungswiderlager, bestehend aus zwei Stahlträgern, die mit Stabstählen miteinander verschraubt wurden, aufgebaut. Die Belastung des eingebauten Bodens erfolgte über eine Lastplatte von 60 cm Durchmesser mit zugehörigem hydraulischem Druckzylinder und einer Handpresse. Die Registrierung der Plattensetzungen unter der Belastung erfolgte durch vier Wegmessuhren.

Vorteile

• Klar definierte Randbedingungen
• HomogenerBodenmit klar ­erfassbaren Parametern (Einbaudichte, Wassergehalt)
• Begutachtung des gesamten verpressten Bereiches möglich
• Parallele Untersuchung unterschiedlicher Bodenarten an einem einzigen Standort (drei Behälter nebeneinander mit unterschiedlichen Bodentypen)

Zielsetzung der Versuche

• Ermittlung der grundlegenden geotechnischen Parameter von injizierten mineralischen Böden mit Hilfe konventioneller Untersuchungsmethoden (Sondierungen, Dichtebestimmung)
• Untersuchung des Zeit-Setzungsverhaltens bei unterschiedlichen Belastungen
• Vergleich des Verformungsverhaltens von injizierten und nicht injizierten Böden bei definierten Randbedingungen und gleichem Belastungsverlauf
• Ermittlung und Vergleich des Verformungs-Moduls (Ev) von injizierten und nicht injizierten Böden

Ergebnisse

Aus den Ergebnissen der Belastungsversuche ist deutlich eine positive Wirkung des expandierten und ausgehärteten Injektionsmittels Geoplus® auf das Verformungsverhalten sowie die Tragfähigkeit der untersuchten Bodenarten feststellbar.

Nicht-bindiger Boden

Bei dem untersuchten nichtbindigen, rolligen Boden (Leithaschotter) konnten durch die Injektion die Setzungen aufgrund der simulierten Fundamentbelastung deutlich verringert werden. Die Last-Setzungskurve ist deutlich flacher geneigt. Die Entlastungsschleife zeigt einen annähernd waagrechten Verlauf, es handelt sich daher um plastische Verformungen. Ein elastisches Zusammendrücken und Entspannen des expandierten Harzes ist daher nicht gegeben. Der freigelegte Injektionsbereich zeigt ein vollständiges Durchdringen der Hohlräume mit Injektionsmittel, was zur Bildung einer konglomeratartigen Bodenstruktur führte. Die Ausbreitung des Harzes war sehr grossflächig und gleichmässig.

Bindiger Boden – Löss:
Belastungsprobe
Last-Verschiebungs-Kurve – Löss

Bindiger Boden

Bei den untersuchten bindigen Böden (Tegel, Löss) konnten durch die Injektion ebenfalls die Setzungen aufgrund der Versuchsbelastung sehr deutlich reduziert werden. Darüber hinaus wird jedoch auch die Tragfähigkeit deutlich verbessert. Sehr deutlich erkennbar ist dies bei Betrachtung der Last-Setzungslinien des Tegels. Der nicht injizierte Tegel erreicht seine Grenztragfähigkeit bereits bei etwa 200 kN/m2 , der mit Geoplus® injizierte Boden hingegen kann bis zum Maximum von 400 kN/m2 belastet werden. Das Harz bildete im Tegel ein Netz feiner Lamellen aus, durch diese Lamellenstruktur kommt es einerseits zu einer lokalen Verdichtung des Bodens im Nahbereich der Lamellen und andererseits zu einer Armierung des Bodens aufgrund der Lammelenstruktur.

Auswertung der Sondierung mit leichtem Penetrometer im Löss

Lössboden

Der untersuchte Lössboden stellte aufgrund der sehr lockeren Lagerung einen Sonderfall dar. Beim nicht injizierten Boden ist bereits bei den ersten Laststufen die Grenztragfähigkeit erreicht. Mit Injektion kann jedoch eine Belastung bis 100 kN/m2 bei noch vertretbaren Setzungen aufgebracht werden, was eine deutliche Erhöhung der Tragfähigkeit bei gleichzeitiger starker Reduktion der auftretenden Setzungen bedeutet.

Weitere Studien

Structure and properties of expanding polyurethane foam in the context of foundation remediation in expansive soil
Mechanics of Materials 40 / 2008

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Centre for Geotechnical and Materials Modelling, School of Engineering, University of Newcastle, NSW 2308, Australia / 2008

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Can. Geotech. J. 47: 623-634 (2010)

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Stabilisation of the concrete road using expanding geoplolymer resins. A case-study from the UK
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Sécheresse et Constructions / Drought and Constructions, 2008