Granulometrische Charakterisierung von Mörtelrezepturen für die. Ringspaltverpressung beim maschinellen Tunnelbau

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Siegfried Kopp
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Granulometrische Charakterisierung von Mörtelrezepturen für die Ringspaltverpressung beim maschinellen Tunnelbau Rheologie Workshop Sonderforschungsbereich 837 Interaktionsmodelle für den

1 Granulometrische Charakterisierung von Mörtelrezepturen für die Ringspaltverpressung beim maschinellen Tunnelbau Rheologie Workshop Sonderforschungsbereich 837 Interaktionsmodelle für den maschinellen Tunnelbau Dipl.-Ing. Bou-Young Youn Ruhr-Universität Bochum Lehrstuhl für Baustofftechnik Rheologie Workshop 04. Juni Wesentliche Anforderungen an Ringspaltmörtel (RSM) Verarbeitbarkeit über mehrere Stunden Hohe Fließfähigkeit und gleichzeitig ausreichende Stabilität Vollständiges Verpressen des Ringspalts Rasche Entwicklung der notwendigen Scherfestigkeit unmittelbar nach dem Verpressen Stabilisierung der Tunnelröhre Minimierung der Setzungen an der Geländeoberfläche 2 1

Motivation und Zielsetzung Zwei nahezu einander entgegenlaufende Anforderungen Optimale Fließeigenschaften Lange Verarbeitbarkeitszeit Rasche Entwicklung der erforderlichen Scherfestigkeit Bislang:

2 Motivation und Zielsetzung Zwei nahezu einander entgegenlaufende Anforderungen Optimale Fließeigenschaften Lange Verarbeitbarkeitszeit Rasche Entwicklung der erforderlichen Scherfestigkeit Bislang: Festlegung von RSM fast ausschließlich auf empirischer Basis Zusammenhang zwischen den einzelnen Ausgangskomponenten/ der Mörtelzusammensetzung und den maßgebenden Eigenschaften 3 Notwendigkeit der Ringspaltverpressung Schadensbilder an Tübbings Versatz in einer Tübbingfuge bedingt durch fehlerhafter Ringspaltverpressung Biegerisse bedingt durch unvollständiger Ringspaltverpressung 4 2

3 Klassifizierung von Ringspaltmörteln Bindemittelanteil Anteil an stabilisierenden Komponenten (ein- oder mehrkomponentig) Größtkorn der Gesteinskörnung Ringspaltmörtel Zementanteil Aktiv > 0 kg/m³ Festigkeitsentwicklung primär durch Hydratation des Zements Bedingt aktiv (semi-inert) Inaktiv (inert) 50 0 kg/m³ Schnelles Ansteifen, anschließend sehr langsame Festigkeitsentwicklung 50 kg/m³ Zementersatz, z.b. hydraulischer Kalk oder Flugasche 5 Praxisübliche Kenngrößen Zementhaltige Ringspaltmörtel Anforderungen Verarbeitbarkeit/ Konsistenz Festigkeitsentwicklung Parameter Setzfließmaß SF Ausbreitmaß a Ausbreitmaß a Scherfestigkeit τ y Steifemodul E s (t = 0h) (t = 0h) (t = 8h) Druckfestigkeit f c (t = h) 15 ± 5 cm ± 5 cm 15 ± 5 cm kpa, i.d.r kn/m² (bei aktiver Ortsbruststützung und vollständig verfülltem Ringspalt zur Vermeidung von Verformungen aus Auftriebskräften) 5 10 MPa (entsprechend den Kenngrößen eines typischen Bodens im maschinellen Tunnelvortrieb mit Tübbingausbau) MPa (für aktive RSM) [Thewes & Budach 09] 6 3

4 Mörtelrezepturen Basisrezepturen Ausgangsstoffe Einheit Aktiv Bedingt aktiv Zement CEM I 4 R Bedingt aktiv Inaktiv [kg/m³] Quarzsand 0-1 mm [kg/m³] Quarzsand 0-2 mm [kg/m³] Quarzkies 2-8 mm [kg/m³] Sieblinie [-] B8 B8 B8 B8 Bentonitsuspension [kg/m³] (6 % Konzentration) Flugasche [kg/m³] Wasser [kg/m³] [Thewes & Budach 09] 7 Untersuchungsvarianten Basisrezepturen (aktiv, bedingt aktiv, inaktiv) Variationsparameter: 1. Sieblinie/ Feinstanteil (63 0,25 mm) 2. Feinheit der Feinstoffe (Flugasche, Kalksteinmehl, Quarzmehl, Hüttensandmehl) 3. Art der Gesteinskörnung (Quarz, Basalt) 4. Wassergehalt W 5. Entwässerungsdruck p 6. Schichtdicke d RSM 7. Filterpermeabilität k 8 4

zeitlicher Änderungen Ausbreitmaß nach EN 1015-3

Untersuchungsprogramm Entwässerungsverhalten

5 Untersuchungsprogramm Konsistenz/ Verarbeitbarkeit, einschl. zeitlicher Änderungen Ausbreitmaß nach EN Trichterauslaufzeit nach EN Untersuchungsprogramm Entwässerungsverhalten (Filtratwasserabgabe, einschl. zeitlicher Effekte) Filterpresse nach DIN 4127 Modifizierte Filterpresse 10 5

Feinheitsparameter der Feinstoffe Zement

6 Untersuchungsprogramm Entwicklung der Scherfestigkeit Flügelsonde nach DIN Rahmenschergerät in Anlehnung an DIN Untersuchungsergebnisse Feinheitsparameter der Feinstoffe Zement Flugasche Kalksteinmehl Quarzmehl Hüttensandmehl Dichte ρ [g/cm³] 2,3 2,7 2,9 Feinheit nach Blaine O m [cm²/g] Lageparameter x [µm],0 2 7,1 8,5 1 Steigungsmaß n [-] 8 1,10 1, 1, 1,15 Spez. Oberfläche S m [cm²/g] Kornform kantig kugelig kantig kantig kantig Oberflächenrauigkeit rau glatt, porös rau glatt glatt 12 6

7 Untersuchungsergebnisse Granulometrische Charakterisierung der Basisrezepturen A-194 B-1 B-60 I-0 Zement [kg] Flugasche [kg] Wasser [kg] S m,bindemittel [cm²/g] S m,bindemittel [cm²] 1,177,677,000 1,276,581,8 1,608,356,454 2,344,00 W/S m [g/cm²] 1,76E-04 1,39E-04 2E-04 5,76E Zeitabhängige Ermittlung der Konsistenz (t = 0 und 6 h) RSM A 194 W/S m [g/cm²] 1,76E 04 (t = 0 h) t = 360 min nach Herstellung (t = 8h) 7

8 Zeitabhängige Ermittlung der Konsistenz (t = 0 und 6 h) RSM A 194 B 1 W/S m [g/cm²] 1,76E 04 1,39E 04 (t = 0 h) (erweitert) (t = 8 h) 15 Zeitabhängige Ermittlung der Konsistenz (t = 0 und 6 h) 32 RSM A 194 B 1 B 60 W/S m [g/cm²] 1,76E 04 1,39E 04 2E 04 (erweitert) (t = 0 h) (erweitert) (t = 8 h) 8

9 Zeitabhängige Ermittlung der Konsistenz (t = 0 und 6 h) 32 RSM A 194 B 1 B 60 I 0 W/S m [g/cm²] 1,76E 04 1,39E 04 2E 04 5,76E 05 (erweitert) (t = 0 h) (erweitert) (t = 8 h) 17 Zeitabh. Ermittlung der Trichterauslaufzeit (t = 0 und 6 h) RSM A 194 W/S m [g/cm²] 1,76E 04 (t = 0h) (t = 8h) 9

10 Zeitabh. Ermittlung der Trichterauslaufzeit (t = 0 und 6 h) RSM A 194 B 1 W/S m [g/cm²] 1,76E 04 1,39E 04 (t = 0h) (t = 8h) 19 Zeitabh. Ermittlung der Trichterauslaufzeit (t = 0 und 6 h) RSM A 194 B 1 B 60 W/S m [g/cm²] 1,76E 04 1,39E 04 2E 04 (t = 0h) (t =8h) 10

11 Zeitabh. Ermittlung der Trichterauslaufzeit (t = 0 und 6 h) RSM A 194 B 1 B 60 I 0 W/S m [g/cm²] 1,76E 04 1,39E 04 2E 04 5,76E 05 (t = 0h) (erweitert) (t = 8h) (erweitert) 21 Untersuchungsergebnisse Zusammenhang zwischen Oberflächenwerte S m (berechnet) und O m (Blaine) spezifische Oberfläche S m [cm²/g] 9000 Korrelationskoeffizient = 0,990 [ ] Z0:FA100 Z8:FA92 Z15:FA85 Z23:FA77 y = 1,801x 760,34 Z:FA70 Z48:FA52 Z15:FA76:KSM8 Z15:FA45:KSM40 Z:FA8:KSM78 Z:FA79:HSM7 Z15:FA75:HSM10 Z:FA39:HSM47 Z15:FA82:QM3 Z:FA75:QM11 Z12:FA67:QM spezifische Oberfläche nach Blaine O m [cm²/g] 11

12 Untersuchungsergebnisse Feinstoffe Wasseranspruch nach Puntke in Abhängigkeit von der Feinheit spezifische Oberfläche S m [cm²/g] B 60 (z = 60 kg/m³) S m, Basis = 5.7 [cm²/g] Z48:FA52 Z:FA8:KSM78 Z:FA39:HSM47 Z12:FA67:QM Wasseranspruch W [Vol. %] 23 Untersuchungsergebnisse Feinstoffe Zeitabhängige Ermittlung der Konsistenz (t = 0 und 6 h) B 60 (z = 60 kg/m³) S m, Basis = 5.7 [cm²/g] 15 t = 0 h t = 6 h Z48:FA Z:FA8:KSM Z:FA39:HSM Z12:FA67:QM21 12

13 Untersuchungsergebnisse Feinstoffe Zeitabhängige Ermittlung der Trichterauslaufzeit (t = 0 und 6 h) 4,5 4,0 B 60 (z = 60 kg/m³) S m, Basis = 5.7 [cm²/g] t = 6 h t = 0 h Z48:FA52 Z:FA8:KSM78 Z:FA39:HSM47 Z12:FA67:QM21 25 Untersuchungsergebnisse Feinstoffe Gesamtfiltratwasserabgabe in Abhängigkeit von der Feinheit Gesamtfiltratwasserabgabe f min [M. %] 8,5 8,0 7,5 7,0 6,5 6,0 5,5 5,0 4,5 4,0 B 60 (z = 60 kg/m³) S m, Basis = 5.7 [cm²/g] Entwässerungsdruck p = [bar] Entwässerungsdauer d = [min] t = 6 h t = 0 h spezifische Oberfläche S m [cm²/g] Z48:FA Z:FA8:KSM Z:FA39:HSM Z12:FA67:QM21 13

14 Untersuchungsergebnisse Feinstoffe Scherfestigkeitsentwicklung in Abhängigkeit von der Feinheit Scherfestigkeit τ [kpa] B 60 (z = 60 kg/m³) S m, Basis = 5.7 [cm²/g] Entwässerungsdruck p = [bar] Entwässerungsdauer d = [min] t = 6 h t = 0 h spezifische Oberfläche S m [cm²/g] Z48:FA52 Z:FA8:KSM78 Z:FA39:HSM47 Z12:FA67:QM21 27 Zusammenfassung Hohe Fließfähigkeit/ ausreichende Verarbeitbarkeit über mehrere Stunden (~6 h) Unabhängig von der Zugabemenge des Feinstoffes Signifikanter Einfluss der Granulometrie der Feinstoffe Abnehmende Filtratwassermenge mit zunehmender Feinheit der Feinstoffe (S m,ksm > S m,fa ) Liegedauer Reduzierung um 25 % im Alter von 6 h Höhere Scherfestigkeiten (>> 2 kpa) Mit zunehmender Oberfläche der Feinstoffe Füllereffekt

Ausblick Phase II Alternative Mörtel ohne Auspressen von Wasser Entwicklung von Mehrkomponentenmörteln mit neuartigen/ modifizierten Bindemittelsystemen Einsatzgebiete sowohl in nicht-bindigen als

15 Ausblick Phase II Alternative Mörtel ohne Auspressen von Wasser Entwicklung von Mehrkomponentenmörteln mit neuartigen/ modifizierten Bindemittelsystemen Einsatzgebiete sowohl in nicht-bindigen als auch in bindigen Böden Entwicklung von RSM mit dem Gebirgsdruck angepasster Steifigkeit/ Stauchungsfähigkeit Optimierung des Verformungsverhaltens, insbesondere der Steifigkeit im Endzustand Überprüfung der Umsetzbarkeit in die Praxis Entwicklung adäquater Mischtechnik (Statikmischer) Förderung und Verpressung geeigneter RSM in halb-technischem Maßstab 29 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Rheologie Workshop 04. Juni 15

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