Polymeren

Bentonietmengsels zijn al meer dan zestig jaar gebruikt voor de tijdelijke ondersteuning van uitgravingen; geboorde palen, diepwanden, enz. Met tussenpozen over deze tijd zijn alternatieven met op polymeren gebaseerde steunvloeistoffen geprobeerd, maar deze waren niet altijd succesvol waardoor polymeren een slechte naam kregen. In Nederland is er zeer weinig ervaring mee, in het buitenland wordt dit tegenwoordig steeds vaker toegepast. Dit vooral in boorpalen, maar ook op diepwandprojecten worden polymeer suspensies soms toegepast. Recente ontwikkelingen hebben namelijk aangetoond dat polymeer vloeistoffen meerdere voordelen kunnen bieden t.o.v. bentoniet mengsels; minder afvoer reststoffen, eenvoudiger mengproces, snellere ontzanding, minder risico op insluitingen en betere opschoning van de bodem.

Deze voordelen kunnen alleen worden bereikt als gebruikers een goed inzicht hebben in de eigenschappen van de polymeren en hun in situ gedrag. De eigenschappen van de verschillende polymeren die als steunvloeistof werken kunnen nog meer als bentoniet zeer variëren. Elk type polymeer heeft verschillende fysische en chemische eigenschappen.

Ook dient rekening gehouden te worden dat tijdens gebruik de polymeerconcentratie daalt, dit komt doordat polymeren geen cake opbouwen en veelal geen zwichtspanning hebben en dus langzaam, maar continu zand- en grindlagen indringen.

De term polymeer verwijst naar een keten van zichzelf herhalende moleculen. De moleculen die steeds herhaald worden en dus de basis vormen voor zo’n keten, worden monomeren genoemd. Polymeren kunnen zeer lang zijn tot meerdere duizenden monomeren. In het dagelijks leven kennen we polymeren vooral als plastics, maar ook eiwitten en koolhydraten zijn voorbeelden van polymeren.

Een manier om polymeren in te delen in categorieën, is te kijken naar hun herkomst. Er wordt hierbij een onderscheid gemaakt tussen synthetische en natuurlijke polymeren.

Gezien de kosten is de toepassing van polymeerspoeling tot heden slechts voor specifieke projecten interessant gebleken. Bovendien zijn afbreekbare polymeerspoelingen vaak sterk gevoelig voor aantasting door betonspecie. Met name het hoog alkalische milieu leidt tot achteruitgang van de eigenschappen.

Natuurlijke polymeren zijn natuurlijke voorkomende polymeren, ze zijn van plantaardige of dierlijke oorsprong. Voorbeelden hiervan zijn: katoen, zetmeel, rubber. Guar gum en xanthan gum zijn de bekendste polymeren in de toepassing bij steunvloeistoffen. Deze polymeren spelen gewoonlijk een rol als toevoegsel om boorsuspensies te verdikken.

Oorspronkelijk werden ze gebruikt om vloeistofverlies te controleren. Door het verdikken van de suspensie neemt de viscositeit toe, wat weer resulteert in vermindering van het vloeistofverliespercentage. Elk van deze natuurlijke polymeren hebben specifieke kenmerken, maar zijn allen gevoelig voor temperatuur- en pH- variaties.

Natuurlijke polymeren die door bio-reactoren worden verwerkt worden semi-natuurlijke polymeren. Xanthan gum is een natuurlijk polymeer gebaseerd op enzymen van bacteriën en is de voorloper van een reeks interessante polymeren. Sommige van deze polymeren kunnen net als bentoniet met een sterk pseudo-plastisch gedrag, dus Bingham thixotroop gedrag vertonen. Dit leidt tot vermogen om zand te dragen, hierdoor zijn er mogelijkheden om zware polymeermengsels te creëren. Het molecuulgewicht blijft laag waardoor deze goed functioneert met gebruikelijke ontzandingsinstallaties.

Voorbeelden zijn: carboxymethylcellulose (CMC) dat een gemodificeerd zetmeel is en lignosulfonaten. Carboxymethylcellulose (CMC) is het belangrijkste type polymeer dat wordt gebruikt. Sommige CMC’s hebben een goede viscositeit en weinig filterverlies, dit is afhankelijk van de substitutie en het gewicht van de moleculen

Deze polymeren zijn biologisch afbreekbaar, maar met hun lage suikergehalte gaat bacterieafbraak veel langzamer dan bij guar gum. Hierdoor zijn het relatief veilige producten voor steunvloeistoffen.

Semi-natuurlijke polymeren zijn goedkoop (in tegenstelling tot synthetische polymeren) en betreffen niet giftige, in wateroplosbare suikermoleculen die zijn samengebonden. Ze worden voornamelijk gebruikt voor:

Synthetische polymeren zijn afgeleid van aardolie. Voorbeelden van synthetische polymeren zijn: nylon, polyethyleen, polyester, teflon en epoxy. Ze worden samengesteld uit vele herhaalde molecuulketens, bekend als monomeren.

Een groot aantal polymeren die gebruikt worden bij diepe funderingen zijn gebaseerd op ketens van koolstofatomen. Om de eigenschappen van het polymeer aan te passen worden er verschillende monomeren bestaand uit verschillende moleculen aan de hoofdketen verbonden. Het moleculaire verband tussen de verschillende monomeren en de hoofdketen beïnvloedt de eigenschappen van het polymeer en zijn gedrag.

Gedeeltelijk gehydrolyseerd poly-acrylamide (PHPA, Partially Hydrolysed Poly-Acrylamide) polymeren zijn de meest voorkomende type synthetische polymeer die tegenwoordig gebruikt wordt in boorvloeistoffen. Hoewel een breed scala van moleculaire gewichten beschikbaar is, worden de producten met de hoogste molecuulgewicht vaak gekozen doordat deze over de juiste vloeigrens beschikken. Hoe hoger het molecuulgewicht is, hoe beter het flocculeert en het filteren van de vloeistof gemakkelijker maakt.

Het concept van het mengen van bentoniet met polymeer is het realiseren van de voordelen van een polymeer, namelijk het creëren van een dunne filterdikte.

Het is belangrijk om op te merken dat sommige van de bentonietmaterialen die worden aangeboden al mengsels met polymeren zijn. Door het verbeteren van de reologische eigenschappen van sommige bentonieten en om aan de API-specificaties (American Petroleum Institute) te voldoen zijn er toevoegingen aan de bentonietmaterialen toegevoegd. Deze bentonieten bestaan tot 5% van het totale gewicht uit polymeren.

Een polymeer vloeistof wordt meestal gebruikt met een concentratie van 0,5 tot 2 kg per kubieke meter (0,05 tot 0,2 procent). Dit is ook afhankelijk van de kwaliteit van het water (drinkwater, grondwater of oppervlakte water: zoet of zout).

Een grote menginstallatie is voor een polymeer vloeistof niet benodigd. Hoewel het direct uitstrooien van het poeder in water ook kan, zal hier (grote) verspilling plaatsvinden. Het volledig hydrateren van polymeren niet kan worden bereikt door het poeder simpelweg uit te strooien in het water. De hydratatie gaat vrij snel, dit gebeurt in slechts enkele minuten. Hierdoor zijn rijpingstanks niet nodig en kan de vloeistof vrijwel direct worden gebruikt.

Aangezien polymeren worden gebruikt bij concentraties van 20 tot 100 keer minder dan bentoniet, is de opslagplaats minder groot, ook is er een veel minder grote mixinstallatie benodigd in vergelijking met bentoniet.

Over het algemeen zijn de inkoopkosten van een polymeersteunvloeistof duurder dan van een bentonietsteunvloeistof. De bereidingswijze van bentoniet is echter weer een stuk duurder, aangezien voor de bereiding van bentoniet naast tijd, meer materieel en ruimte benodigd is. Voor projecten met een kleine benodigde hoeveelheid steunvloeistof of projecten met geringe ruimte is kan een polymeersteunvloeistof daarom interessant zijn. Daarnaast is het ook aantrekkelijk om voor een polymeervloeistof te kiezen als de steunvloeistof een aantal keer wordt hergebruikt. Een polymeervloeistof hergebruiken gaat veel gemakkelijker. Vaak wordt een polymeerspoeling gebruikt dat de gronddeeltjes makkelijk loslaat, zodat ontzanding niet of nauwelijks nodig is. Daarvoor worden er vaak toevoegstoffen in de steunvloeistof toegepast, deze brengen natuurlijk ook kosten met zich mee.

Het gebruik van polymeren leidt tot een minimale cakedikte, wat gunstig is voor de schuifsterkte op de interface van de te realiseren constructie en de grond. Daarnaast zijn ze over het algemeen biologisch afbreekbaar. De polymeer eigenschappen zijn geheel afhankelijk aan het soort polymeer dat gebruikt wordt. Zo hebben de synthetische PHPA polymeren niet het vermogen om gronddeeltjes te dragen, aangezien ze geen gel-achtige structuur bezitten. Deze gel-achtige structuur kan met een semi-natuurlijke polymeer wel verkregen worden, waardoor de vloeistof wel dat vermogen heeft. Door diverse polymeren te combineren kunnen projectspecifiek gewenste eigenschappen worden verkregen.

Belangrijke nadelen bij het gebruik van polymeren zijn: