Betonpumpe von C. A. Cornell und M. Kee

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1 Spritzbeton Nass- und Trockenspritzverfahren Vor- und Nachteile Wolfgang Kusterle Hochschule Regensburg Progress AG - Brixen Inhalt Geschichte ht Spritzverfahren Einsatzgebiete Anforderungskatalog Randbedingungen Vor- und Nachteile Fachgerechte Ausführung Neuentwicklungen 1

2 Definition Spritzbeton (SpC) Beton aus einer Grundmischung, die aus einer Spritzdüse pneumatisch aufgetragen und durch ihre Aufprallenergie verdichtet wird. (UNI EN ) 1) Beton, der durch Spritzen von Mischgut und gegebenenfalls Wasser und/oder Erstarrungsbeschleuniger mit hoher Auftreffgeschwindigkeit aufgetragen und bei diesem Vorgang verdichtet wird. (ÖVBB, 2009) Carl Akely Plastergun Patentanmeldung Patenterteilung 2

3 Geschichte Betonpumpe Bild Schwing Stetter Vortrag Pitmann 1913 Voll mechanisch angetriebenes System, das über Versuchsphase nicht hinaus kam, da Praxistauglichkeit nicht erzielt werden konnte. Betonpumpe von C. A. Cornell und M. Kee 3

4 Geschichte SCHWING Bild Schwing Stetter Vortrag Pitmann 1965 Die erste Autobetonpumpe ohne Mast Spritzverfahren Trockenspritzverfahren Nassspritzverfahren Trocken-Mischgut Feucht- Mischgut Nass- Mischgut (Dünnstrom) Nass- Mischgut (Dichtstrom) 4

5 Trocken- und Nassspritz- Verfahren nach Brux, Linder, Ruffert Typische Zustände bei horizontaler pneumatischer Förderung fester, kornförmiger Stoffe nach Brux, Linder; Ruffert 5

6 Übersicht Trockenspritzverfahren Zweikammer-Spritzmaschine Schnecken - Spritzmaschine Rotor-Spritzmaschine 6

7 7

8 8

9 Trockenspritzverfahren: Baustelleneinsatz Melk 9

10 10

11 Dosierblasschnecke für das Trockenspritzverfahren Förderschlauch Silo mit Trockenmischgut Schieber Konus Schnecke Hohlwelle Druckluft 11

12 Nassspritzen Im Dichtstrom 12

13 13

14 Nassspritzverfahren hier kleine Schneckenpumpe für Betoninstandsetzung 14

15 Nassspritzverfahren: Baustellenfahrzeug 15

16 16 Düse Düse Düse Düse Spritzarm Spritzarm Spritzarm Spritzarm Beschleuniger Beschleuniger Beschleuniger Beschleuniger Nassspritzmaschine mit Nassspritzmaschine mit Spritzarm Spritzarm Nass Nass- Mischgut Mischgut Nass Nass- Mischgut Mischgut BE BE-Pumpe BE Pumpe BE-Pumpe Pumpe Steuerung Steuerung Steuerung Steuerung Beton Betonpumpe pumpe Beton Betonpumpe pumpe Druckluft Druckluft Druckluft Druckluft Beschleuniger Beschleuniger Beschleuniger Beschleuniger Förder Förder-Schlauch Schlauch Förder Förder-Schlauch Schlauch

17 17

18 18

19 Einsatzgebiete t Tunnelbau: Tiefbau: Erstsicherung Baugrubensicherung, Hangsicherung Betoninstandsetzung: Verstärkung und Korrosionsschutz Neubau: Freie Formen 19

20 20

21 21

22 22

23 23

24 Natural History Museum London 24

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26 26

27 27

28 Europäische Spritzbeton-Normen EN Spritzbeton Begriffe, Festlegungen, Konformität EN Spritzbeton Ausführung EN Zusatzmittel für Spritzbeton EN Prüfung Spritzbeton Probennahme EN EN EN EN EN EN Druckfestigkeit Junger Spritzbeton - Biegefestigkeiten Balken - Haftfestigkeit - Energieabsorption Platte - Schichtdicke - Fasergehalt EN und 3 Produkte und Systeme für die Instandsetzung Lokale Vorschriften ÖVBB Richtlinie i Spritzbeton t ÖVBB Richtlinie Erhaltung und Instandsetzung von Bauten aus Beton und Stahlbeton DIN Spritzbeton Nationale Anwendungsregeln DAfStb- Richtlinie Schutz und Instandsetzung von Betonbauteilen ZTV-ING UNI (Ausgabe 1999) verlor Ende 2009 Gültigkeit 28

29 Spritzbetonklassen Rili Spritzbeton Konsistenz Frühfestigkeit Festigkeit Besondere Eigenschaften Wasserundurchlässigkeit Frostbeständigkeit Widerstand gegen chemische Angriffe Haftzugfestigkeit Faserbetonklassen (E, EV, G, T, D/S, BBG, FS ) Rili Erhaltung und Instandsetzung Anforderung gemäß statisch relevant R4 (konstruktiv tragend) statisch relevant R3 (konstruktiv ergänzend) statisch nicht relevant R2 ( sonstige Anwendung) Erster Grundsatz der NÖT: Wesentlich tragender Bauteil eines Tunnels ist das Gebirge 29

30 Neunter Grundsatz der NÖT: Sicherung kraftschlüssig (deshalb Spritzbeton) Eindringen von Spritzbeton aus STABILATOR Firmenveröffentlichung 30

31 Frühfestigkeitsklassen des Jungen Spritzbetons 100 mm 2 ) uckfestigkeit f c (N/m Dru ,5 0,2 0,1 J 3 J 2 J 1 C B A Minuten Stunden Scherbrüche infolge zu großer Verformungen 31

32 Einflussfaktoren auf Haftzugfestigkeit 1) Qualität des Untergrundes (Festigkeit, Porosität) 2) Eigenschaften der Oberfläche (Nachbehand- lung, Reinheit, Vornässung, Rauigkeit) 3) Auftragsmethode 4) Qualität der neuen Schicht 5) Auftragsverfahren und Alter 6) Prüfdurchführung 32

33 5. Andere Aspekte: Traditionen Entwicklungsstand Personal Verfügbarkeit Menge 33

34 EFNARC: Checklist for Specifiers and Contractors Trocken- oder Nassspritzen Matten oder Faserbeton Trockenbeton oder Mischwerk Lieferung zur Spritzmaschine Pumplänge Pumpentype Handspritzen oder Spritzarm Spritzleistung in m³ Auftragsdicke der Schicht Gesamtschichtdicke Nachbehandlungsmethode Informationen zum Auftrag und Wahl des Verfahrens und der Geräte: Orientierung der Auftragsflächen und Querschnittsabmessungen des Tunnels Auftragsflächen und Schichtdicke Untergrundbeschaffenheit (Reinigung, Wasserempfindlichkeit) Temperaturbereiche Bewehrung oder Fasern Erwünschte Spritzleistung Allzeitige Verfügbarkeit (Kleinstmengen) Anzahl von Einsatzstellen (mehrere Röhren, Kalotte, Strosse ), Ersatzgeräte? Erforderliche Verarbeitungszeit Größtkorn Erforderliche Oberflächenbeschaffenheit (Ebenflächigkeit und Rauigkeit) Anforderungen aus Arbeitssicherheit 34

35 Informationen zum Auftrag und Wahl des Verfahrens und der Geräte: Geologie, erwartete Deformationen Wasserandrang Bauverfahren Vortriebsgeschwindigkeit Frühfestigkeitsentwicklung Spritzbetonklasse und Anforderungen an Spritzbeton aus Vertrag Informationen zum Auftrag und Wahl des Verfahrens und der Geräte: Mischanlage, Entfernung, Verfügbarkeit Örtlich verfügbare Ausgangsmaterialien Transportzeit, Transportmittel, Standzeiten Pumplänge Verfügbare Spritzverfahren, Pumpentypen Dokumentationserfordernisse Düsenführung mit Hand oder Manipulator Erfahrungen und Kenntnisse des Personals Spritzmaschine Mögliche Spritzleistung der Maschine Luft- und Stromversorgung Reinigungsmöglichkeit, Nachbehandlung 35

36 Traditionen Norwegen Österreich Vor 30 Jahren: 100 % Nassspritzen ohne Innenschale Vor 30 Jahren: 100 % Trockenspritzen Heute: Erste Innenschalen Heute: 80 % Nassspritzbeton Schweiz vor 25 Jahren 36

37 Italien vor 25 Jahren Entwicklung in den Anforderungen an die Spritzbetonkonsistenz nach ÖVBB RILI Spritzbeton Jahr AM W/Z Zement Gehalt 1989 Pumpbar Pumpbar Pumpbar < 0, < 0, < 0,

38 Nassspritzen im Dichtstrom für Instandsetzung + gute Durchmischung + wenig Rückprall und Staub - geringe Flexibilität - Reinigungsaufwand? Grünstandfestigkeit pumpbaren Betons Trockenspritzen in Instandsetzung + Flexibilität + Reichweite + Rüstzeiten + unkomplizierte, robuste Geräte + Arbeitsunterbrechungen möglich + geringer Reinigungsaufwand + große Schichtdicken möglich? W/Z-WertWert - Luftbedarf - Verschleiß - Staub und Rückprall 38

39 Spritzverfahren Tunnelbau standfestes Gebirge große Spritzbetonmengen geringe Auftragsstärke trockene Auftragflächen gute Zugänglichkeit Trockenspritz- verfahren Nassspritz- verfahren schlechtes Gebirge geringe Mengen große Auftragsstärke Wasserandrang schlechte Zugänglichkeit Nassspritzen Trockenspritzen - Flexibilität + Flexibilität + Leistung + Reichweite - Reinigungsaufwand + geringer - Rüstzeiten Reinigungsaufwand + Durchmischung + Arbeitsunterbrechung + Verschleiß möglich + Rückprall + unkomplizierte Geräte + Staub - Verschleiß? W/Z-Wert Wert - Rückprall? Pumpbaren Beton - Staub beschleunigen? W/Z-Wert Wert - Luftverbrauch 39

40 und die Kompromisslösung: Nassspritzen im Dünnstrom? 40

41 Einflussfaktoren auf Rückprall 1) Schichtstärke 2) Spritzverfahren 3) Zusammensetzung des Mischgutes (Feinteile) 4) Größtkorn 4) Frühfestigkeit 5) Auftragsgeschwindigkeit 6) Orientierung der Auftragsfläche 7) Winkel des Spritzstrahls 8) Untergrundbeschaffenheit 9) Einbauten und Bewehrung 10) Bei Instandsetzungsarbeiten oft zusätzliche große Materialverluste beim Einstellen einer gleichmäßigen Schichtdicke Änderungen im Rückprallanteil mit steigender Schichtstärke Rückprall [%] Dicke der Spritzbetonschicht [mm] von Dieken: Möglichkeiten zur Reduzierung des Rückpralls aus verfahrenstechnischer Sicht; Dissertation Ruhr Uni Bochum;

42 geringer Rückprall hoher Rückprall 42

43 Betontechnologie Verfahrenstechnik Ausgangsstoffe Mischung Mischtechnik Zufuhr/Dosierung Förderung Zeit Auftragstechnik Nachbehandlung Prüfdurchführung Qualität Untergrundvorbereitung Umweltbedingungen Belastungen und Einwirkungen 43

44 44

45 Rückprall: Düsenabstand und Spritzwinkel nach Drögsler Richtige Düsenführung nach Crom 45

46 Einfluss: Düsenwinkel nach Guthoff Druckfestigkeit Dr ruckfestigkeit [N/mm m²] ,7 7 41,5 43, Düsenwinkel [ ] Einfluss: Düsenwinkel Rückprall nach Guthoff 30 27,3 3 Rückprall [%] ,8 17, Düsenwinkel [ ] 46

47 Zusammenhang zwischen Austrittsgeschwindigkeit, Düsenabstand und Rückprall nach Linder, Resse 40 Rückprall [%] a1 a2 a Abstand Düse zu Spritzfläche [cm] Einfluss: Düseneigenbewegung nach Guthoff Druckfestigkeit Dru uckfestigkeit [N/mm m²] ,7 7 44,1 44,3 STARR PENDEL KREIS Form der Düseneigenbewegung 47

48 Spritzbetonauftrag Überkopf nach Blümel, Lutsch 48

49 49

50 Richtiges und falsches Methode der Einbettung von Bewehrungsstäben mit Spritzbeton nach Crom Vlies + Dichtbahn Vlies + Dichtbahn Spritzisolierung WU Zweischalig Einschalig? Skandinavien Kluftinjektion Optional: Drainmatten an Luftseite Permanente Tunnelschalen TUNNELSCHALEN AUS SPRITZBETON Bild: Neumann, Spritzbeton-Tagung 09 50

51 Zykluszeitvergleich SpB+BSTG / Faserspritzbeton Minuten BSTG FASER Spritzbetontagung 2009 Tunnel Roppen Sonstiges Bohren/Schieße n Ankern Spritzen Gittern Schuttern Gesamt: Minuten / Abschlag G.Brugger Hoch Duktil Hohe Festigkeit ECC Engineered Cementitious Composite Hervorragende Rissverteilung und dadurch sehr wasserundurchlässig Professor Victor Li 51

52 Biegeversuch mit Drittelpunktbelastung und 600 mm Spannweite Bild Hilgart/Schmitt 52

53 Beeinflussung des Nachrissverhaltens durch Verwendung von textiler Bewehrung und einem Cocktail aus Textiler- und Faserbewehrung Kraft in kn Kraft in kn Dehnung in mm Mischung 23 5 Lagen Glasfasermatte 2 Risse Dehnung in mm Mischung 24 5 Lagen Glasfasermatte 2 Vol % Kunststofffaser 7 sichtbare Risse Bild Hilgart/Schmitt Mögliche Rissbilder an Zugseite von Biegebalken Bild: Kusterle/Hilgart Hilgart/Schmitt 53

54 Textilbewehrter Spritzbeton besteht aus einer mineralischen Matrix (Feinbeton), die im Nassspritzverfahren aufgetragen und in die eine mehrlagige Bewehrung aus Endlosfasergelegen eingebettet wird. Bild: Hankers, Torkret, Spritzbeton-Tagung 09 Alkalifreie Beschleuniger Die wesentlichen Beschleunigerkomponenten: Al 3+ - Ionen Sulfat Stabilisator Bild: B. Lindlar, Sika Technology, Spritzbeton-Tagung 09 54

55 Alkalifreie Beschleuniger Beschleuniger- produktion Baustelle / Spritzbeton ausgehärteter Spritzbeton Beton wall BE Lagerstabilität [Monate] Beschleunigung [Minuten] Hydratation [Stunden - Tage] Bild: B. Lindlar, Sika Technology, Spritzbeton-Tagung 09 55

56 Löslichkeitsdiagramm von Al 3+ in Wasser 1 alkalifrei 0 alkalihaltig Log [Al] -1-2 Instabiles Produkt ph Bild: B. Lindlar, Sika Technology, Spritzbeton-Tagung 09 Alkalifreie Beschleuniger Anforderungen an den Stabilisator: Stabilisierung hochkonzentrierter Al-Lösungen keine neg. Beeinflussung der Spritzeigenschaften keine neg. Auswirkungen auf die Zementhydratation wird auf Grund der geringen Mengen dieser Komponente u.u. nicht bzw. wenig beachtet Bild: B. Lindlar, Sika Technology, Spritzbeton-Tagung 09 56

57 Neue Entwicklung: Baustellenversuche Druckfestigkeit [N/mm²] ,5 J3 J2 J1 Holcim 400 kg Holcim 360 kg 20 kg AAA 0,2 0, 2 6 min h 3 h 6 h 9 h12 24 h Spritzbetonalter [Minuten / Stunden] Bild: Reinstadler, Mapei, Spritzbeton-Tagung 12 Tunnelauskleidung aus geschliffenem weißen Spritzmörtel Problemstellung Dauerhaftigkeit Ablösen der Anstrichsysteme Quelle: ASFINAG; H. Junger r Jänner 2012 KRISPEL Spritzbeton-Tagung

58 Tunnelauskleidung aus geschliffenem weißen Spritzmörtel Erstanwendung Jänner 2012 KRISPEL Spritzbeton-Tagung 2012 Versinterungsproblematik Pichler/Saxer/Kusterle Spritzbeton-Tagung

59 ÖVBB-Richtlinie Spritzbeton SpC20/25(56)/II/J2/XC4/RV?? kein Grenzwert angegeben baustellenspezifisch festzulegen Pichler / Saxer / Kusterle Spritzbeton-Tagung 2012 Danke für Ihre Aufmerksamkeit! 59

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