Der Mechanismus der Festigkeitsentwicklung von chemisch behandeltem Sandboden

Forscher liefern Erkenntnisse darüber, wie chemische Injektionsverfahren die Bodenfestigkeit erhöhen, und ebnen so den Weg für die nächste Generation des Bauens

27.11.2023

Die chemische Injektion ist ein Verfahren, das die Festigkeit des Sandes und seine Wasserabdichtungskapazität erhöht, so dass sich sandiger Boden für verschiedene Anwendungen im Bauwesen eignet. Ein einheitliches Verständnis darüber, wie dieser Prozess zu einer erhöhten Festigkeit führt, ist jedoch nach wie vor schwer zu erlangen. In der Vergangenheit wurde in einigen Studien vermutet, dass die chemische Injektion die Bodenteilchen voneinander trennt, was zu einer Volumenausdehnung führt. Dadurch entstehen Unterdrucktaschen, die die Bodenteilchen zusammenziehen und die Festigkeit des Bodens erhöhen. Es wird angenommen, dass auch eine erhöhte Zugfestigkeit (die die Last bestimmt, die der Boden aushalten kann) dieses Verhalten beeinflusst. In anderen Studien wurde vorgeschlagen, dass das Schrumpfen von Hydrogelen (wasserspeichernde polymere Strukturen) zu einer Komprimierung der Bodenpartikel und zu deren Einschluss führt, was dem Boden Festigkeit verleiht. Der Mechanismus, der der Festigkeitsentwicklung von Sandböden zugrunde liegt, ist jedoch noch immer nicht eindeutig geklärt.

Nun hat ein Team von Wissenschaftlern aus Japan unter der Leitung von Professor Shinya Inazumi vom Fachbereich Bauingenieurwesen am Shibaura Institute of Technology das Verhalten von chemisch injiziertem Sandboden eingehend untersucht. Über die Motivation für diese Studie sagt Prof. Inazumi: "Uns trieb die Leidenschaft für eine nachhaltige Entwicklung und der Wunsch an, zu sichereren und effizienteren Baupraktiken beizutragen, insbesondere im Zusammenhang mit dem Klimawandel und der zunehmenden Verstädterung." Außerdem wollten die Forscher die Geotechnik vorantreiben, in der Hoffnung, dass sie sich auf die öffentliche Sicherheit auswirken kann, indem sie die Entwicklung von Technologien ermöglicht, die das Risiko von Naturkatastrophen mindern.

In dieser Studie haben die Forscher zunächst Sand-Gel- und Hydrogel-Gemische mit einer sauren Lösung chemisch injiziert und verschiedene Tests durchgeführt. Dazu gehörten die Triaxialdrucktests zur Konsolidierungsdrainage, mit denen die Kohäsionsfestigkeit" und der innere Reibungswinkel" in chemisch verbesserten Böden isoliert und gemessen werden. Diese Prüfmethode wurde gewählt, weil sie genaue Erkenntnisse über das Bodenverhalten unter statischen Bedingungen liefert, was für die Sicherheit und Zuverlässigkeit von Baugrund entscheidend ist.

Zu den zusätzlichen Techniken für die mechanistische und strukturelle Analyse gehörten einseitige Druckversuche, Röntgenkleinwinkelstreuung, Volumenschwindungsstudien und theoretische Modellierung. Diese Studie ist die erste unabhängige Untersuchung der Auswirkungen von Dilatanz und Schrumpfung von Hydrogelen auf die Entwicklung der Bodenfestigkeit. Diese Unterscheidung ist für die Praxis von Bedeutung, da sie die Möglichkeit bietet, gezieltere und effizientere Bodenbehandlungsmethoden zu entwickeln.

Die Experimente ergaben, dass die Festigkeitssteigerung in chemisch behandeltem Sandboden auf eine erhöhte Kohäsion und den inneren Reibungswinkel der Bodenpartikel zurückzuführen ist. Interessanterweise kann die anfängliche Schwäche des unbehandelten Sandbodens auf das Hydrogel selbst zurückgeführt werden.

Dieses Verständnis von Hydrogelen auf molekularer Ebene birgt ein immenses Potenzial für das Bauwesen und das Umweltmanagement. Dieser Durchbruch kann beispielsweise in erdbebengefährdeten Regionen genutzt werden, um die Sicherheit von Gebäuden zu erhöhen, die Widerstandsfähigkeit gegen Erdbeben zu erhöhen und die Gefahr der Bodenverflüssigung zu mindern. Auch überschwemmungsgefährdete Gebiete können von diesen neuen Erkenntnissen profitieren, da die wasserabdichtenden Eigenschaften dieser behandelten Böden Überschwemmungen eindämmen und menschliche Siedlungen und die Landwirtschaft schützen können. Langfristig kann diese Technologie auch Küstengemeinden vor dem steigenden Meeresspiegel, Sturmfluten und dem Eindringen von Salzwasser schützen.

Durch die Stabilisierung des Bodens und die Erhöhung seiner Wasserrückhaltekapazität bringt die vorliegende Arbeit auch in anderen Bereichen zahlreiche Vorteile mit sich. Dazu gehören die Landgewinnung, die für die weltweite Ernährungssicherheit von entscheidender Bedeutung ist, und die Verringerung der Umweltverschmutzung, die für die Eindämmung der Auslaugung von Abfalldeponien in Gewässer wichtig ist. Darüber hinaus kann es die strukturelle Haltbarkeit der städtischen Infrastruktur verbessern und die Sicherheit im Bergbau gewährleisten, indem es Erdrutsche verhindert. Prof. Inazumi erklärt: "Unsere Forschung verspricht, kritische Wissenslücken in der Bodenbehandlung zu schließen, die in effizientere und haltbarere Baupraktiken umgesetzt werden können, was letztlich einer Vielzahl von Branchen zugute kommt."

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