DE102009008451B3

DE102009008451B3 - Wasserdurchlässiger Mörtel zur Verfüllung von Hohlräumen

Info

Publication number: DE102009008451B3
Application number: DE200910008451
Authority: DE
Inventors: Matthias Breidenstein; Bodo Tauch; Markus Prof. Dr.-Ing. Thewes; Frank Dr. Könemann
Original assignee: Ele Beratende Ingenieure Erdbaulaboratoriumessen GmbH; Ele Beratende Ingenieure Erdbaulaboratorium Essen GmbH; ELE BERATENDE INGENIEURE GmbH; Ruhr Universitaet Bochum; DB Projektbau GmbH
Current assignee: Ele Beratende Ingenieure Erdbaulaborator De GmbH; DB Netz AG; Ruhr Universitaet Bochum
Priority date: 2009-02-11
Filing date: 2009-02-11
Publication date: 2010-02-04
Anticipated expiration: 2029-02-12

Abstract

Die Erfindung betrifft einen wasserdurchlässigen Mörtel zur Verfüllung von Hohlräumen, insbesondere zur Verwendung im Tunnelbau als Ringspaltmörtel, wobei der Mörtel aus mindestens einem hydraulischen Bindemittel, Zuschlagstoffen und Zusatzmitteln zusammengesetzt ist. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Mörtel für die Verfüllung von Hohlräumen in Tunneln zu entwickeln, der eine sehr hohe Wasserdurchlässigkeit aufweist, eine verformungsarme Bettung sicherstellt, eine gute Verarbeitbarkeit bzw. Pumpfähigkeit auch nach längeren Transportstrecken und eine ausreichende Festigkeit garantiert. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass eine Mörtelmischung, bestehend aus . 10 bis 25 M-% eines Zementes als hydraulischem Bindemittel, . 25 bis 40 M-% Wasser, . 40 bis 60 M-% eines amorphen Granulates als Zuschlagstoffes, . 0,5 bis 5 M-% mindestens eines Stoffes auf Basis synthetischer Tenside als Luft- und/oder Schaumbildner sowie . 0,05 bis 2,0 M-% eines Wirkstoffes auf Basis eines Polyethylenoxides in Kombination mit einem Celluloseether als Stabilisator zur Erreichung einer erhöhten Viskosität zum Einsatz kommt.

Description

Die Erfindung betrifft einen wasserdurchlässigen Mörtel zur Verfüllung von Hohlräumen, insbesondere zur Verwendung im Tunnelbau als Ringspaltmörtel, wobei der Mörtel aus mindestens einem hydraulischen Bindemittel, Zuschlagstoffen und Zusatzmitteln zusammengesetzt ist.
Bei der Herstellung eines Tunnelbauwerkes im Fest- und Lockergestein kommen sehr oft Tunnelvortriebsmaschinen (TVM) zum Einsatz, mit denen vorgefertigte Tübbinge zum Zweck der endgültigen Sicherung eingebaut werden. Beim Auffahren des nötigen Tunnelquerschnitts mit einer TVM entsteht aufgrund des Überschnitts, der Konizität des Schildmantels und der Bauhöhe des Schildschwanzes der TVM mit einer Schildschwanzdichtung ein Hohlraum zwischen Schildmantel und anstehendem Boden. Dieser Hohlraum – auch als Ringspalt bezeichnet – wird während des Vortriebes kontinuierlich verfüllt, um eine Rettung der eingebauten Tübbinge zu gewährleisten und Setzungen zu vermeiden.
Als Material für die Verfüllung des Hohlraumes wird üblicherweise fertig angemischter Mörtel genutzt und entweder mittels Lisenen durch den Schildschwanz oder durch vorgefertigte Öffnungen in den Tübbingen in den Hohlraum gepresst. Der Ringspaltmörtel kann durch die Abdichtung von Fehlstellen der Dichtungen der Tübbingsicherung zur Abdichtung der gesamten Tunnelröhre beitragen. Der Wasserzutritt von Schicht- und Sickerwasser kann mit dem erhärteten und – in der Regel – wasserundurchlässigen Mörtel vermindert oder gar unterbunden werden. Zusätzlich stellt der Ringspaltmörtel eine Isolierung der Tübbinge vor Kontakt mit möglicherweise betonaggressiven Böden dar. Auch würde durch das Auffahren des Querschnittes mit dem Schneidrad ein Eindringen von Boden in den Hohlraum zwischen Tübbingaußenkante und dem umgebenden Gebirge stattfinden, falls kein Ringspaltmörtel dort eingeführt werden würde. Dies würde wiederum zu Setzungen an der Oberfläche führen, die normalerweise nicht akzeptiert werden können.
Üblicherweise werden die Mörtelmischungen an der Geländeoberfläche in der Nähe des Startschachtes angemischt. Der Mörtel muss nach der Anmischung bis zur Einbaustelle transportiert werden. Dies wird durch Pumpen und Förder leitungen, durch gleisgebundene Loren, durch Pumpen und Förderleitungen oder durch nichtgleisgebundene Fahrzeuge sichergestellt. Da mit voranschreitendem Ausbau die Entfernung zum Einbauort steigt und diese Steigungen längere Transportzeiten zur Folge hat, muss die Verarbeitungszeit des Mörtels auf die jeweilige Transportzeit abgestimmt sein. Zum Einbauzeitpunkt muss der Mörtel noch eine gute Verarbeitbarkeit und Pumpbarkeit aufweisen, so dass keine Verstopfungen im Leitungssystem entstehen, die konstenintensive Stillstände zur Folge hätten.
Da sich der Ringspaltmörtel während des Transportes entmischen kann (Qualitätsminderung), ist es nötig, eine gute Transportstabilität zu erreichen.
Um eine ausreichende Rettung zu erreichen, sollte das verpresste Material sofort beim Kontakt mit Boden und Tübbing durch Abgabe des Anmachwassers eine Grundsteifigkeit besitzen. Diese Eigenschaft steht jedoch einer guten Pumpbarkeit entgegen.
Ringspaltmörtel können in drei Kategorien unterteilt werden:

– inaktive Ringspaltmörtel
– bedingt aktive Ringspaltmörtel und
– aktive Ringspaltmörtel.

Inaktive Ringspaltmörtel beinhalten statt des üblichen Portlandzementes Flugasche oder Kalksteinmehl und stellen damit zementfreie Mörtel dar. Durch den fehlenden Zement kann kein hydriertes Bindemittel die Verpresslisenen verstopfen.
Bedingt aktive Ringspaltmörtel sind meist wie die inaktiven Ringspaltmörtel zuzüglich eines geringen Anteiles an Portlandzement aufgebaut. In diesem Fall kann von einem zementarmen Mörtel gesprochen werden. Der Zementanteil liegt dabei unter 100 kg/m³.
In aktiven Systemen hingegen hydriert das Bindemittel vollständig. Dies kann zum Beispiel beim Einsatz eines CEM I vorkommen, wenn dieser innerhalb der Mörtelmischung einen hohen Anteil (300 kg/m³) einnimmt.
Bekannt ist eine Schildschwanzdichtungspaste zum Abdichten des Schildschwanzes bei Schildvortrieben im Tunnelbau, welche als gleitende Dichtmasse zwischen dem Schildmantel und der Ausbruchswandung zum Einsatz kommt ( DE 10 2006 056 263 B4 ). Die Paste in dabei als Mineral-Faser-Matrix ausgebildet und besteht aus einem Schichtmineral, Wasser, Füllstoffen, Compounds und einem pflanzlichen Öl. Als Schichtmineral wird Bentonit verwendet. Als Füllstoffe kommen natürliche Faserprodukte vorzugsweise aus Zellulose zum Einsatz. In den Compounds sind Stabilisatoren (Carboxy-Methyl-Cellulose oder Stärken) oder Alkohole eingebunden.
Aus der DE 10 2006 018 705 A1 ist eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Nachdichtung bei Tunneln mit Tübbingausbau bekannt, wobei die Tübbinge mindestens einen Hohlraum enthalten, der sich vom Fugenraum zwischen benachbarten Tübbingen ins Tübbinginnere erstreckt und dessen Querschnitt groß genug für die Einpressung von Verpressmaterial durch diesen Hohlraum ist. Zur Injektion werden Produkte verwendet, die grundwasserverträglich, sehr gut injizierbar und zusätzlich in ihrer Reaktionszeit steuerbar sind. Hierzu bieten Injektionsharze auf Acrylbasis sowie Polyurethanharze an.
Die DE 10 2005 056 785 A1 beschreibt einen Mörtel, der zum Verfüllen von Hohlräumen und zur nachgiebigen Aufnahme von mechanischen Kräften im erhärteten Zustand des Mörtels verwendet wird. Als hydraulisches Bindemittel kommt ein Zement oder eine hydraulische Flugasche zum Einsatz, dem ein Polymerschaumstoff (geschäumtes Polysterol) zugemischt und ein Schaum auf Tensidbasis und Wasser zugegebenen wird.
Alle vorgenannten bekannten Ringspaltmörtel sind in wasserundurchlässiger Weise ausgeführt.
Bei bestimmten Tunnelbaumaßnahmen ist es in Einzelfällen notwendig, dass eine Rückfallebene auf der Basis eines wasserdurchlässigen Mörtels geschaffen wird, um zwischen Tunnelwandung und Tübbingen eingedrungenes Wasser des Deckgebirges vor den Tübbingen abzuleiten und über die Tunnelsohle abzuführen. Dadurch soll eine zusätzliche Belastung aus Wasserdruck auf den Tunnelausbau abgebaut werden.
Bekannt sind sogenannte Drainbetone und -mörtel, die zumeist über einen hohen Anteil grober Zuschlagstoffe und über einen sehr kleinen Anteil an Feinzuschlagstoffen verfügen ( DE 198 57 564 A1 ; DE 44 21 970 A1 ; DE 693 21 687 T2 ). Ziel ist die Ausbildung einer großen Haufwerksporösität zur Durch- bzw. Ableitung von Wasser.
Allen diesen Drainbetonen oder -mörteln ist gemeinsam, dass sie sich nicht über weite Strecken pumpen und dann problemlos verarbeiten lassen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Mörtel für die Verfüllung von Hohlräumen in Tunneln zu entwickeln, der eine sehr hohe Wasserdurchlässigkeit aufweist, eine verformungsarme Rettung sicherstellt, eine gute Verarbeitbarkeit bzw. Pumpfähigkeit auch nach längeren Transportstrecken und eine ausreichende Festigkeit garantiert.
Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass eine Mörtelmischung bestehend aus

• 10 bis 25 M-% eines Zementes als hydraulischem Bindemittel,
• 25 bis 40 M-% Wasser,
• 40 bis 60 M-% eines amorphen Granulates als Zuschlagstoffes
• 0,5 bis 5 M-% mindestens eines Stoffes auf Basis synthetischer Tenside als Luft- und/oder Schaumbildner sowie
• 0,05 bis 2,0 M-% eines Wirkstoffes auf Basis eines Polyethylenoxides in Kombination mit einem Celluloseether als Stabilisator zur Erreichung einer erhöhten Viskosität zum Einssatz kommt.

Als hydraulisches Bindemittel wird ein Zement verwendet, wobei vorrangig ein Portland- und/oder Hüttenzement hoher Festigkeit, vorzugsweise ein Hüttenzement mit der Artikelbezeichnung „CEM III/A 52,5, 5N-HS/NA” enthalten ist.
Als Zuschlagstoff kommt ein amorphes Granulat in vorzugsweise kugel – oder ovalförmiger Ausführung zum Einsatz, wobei dafür ein Blähglasgranulat mit einer Korngröße von 0,2 bis 3 mm, vorzugsweise 0,5 bis 1,0 mm geeignet ist.
Als Luftporen- und/oder Schaumbildner wird mindestens ein Stoff auf Basis synthetischer Tenside verwendet, wobei diese Bestandteile in einem Produkt mit der Artikelbezeichnung „MC Centrament Air 202 Konzentrat” enthalten sind.
Vorteile der Erfindung:

– Reduzierung bzw. Abbau von zusätzlicher Belastung der Tunnelschale aus Wasserdruck bei gering durchlässigem bzw. quasi undurchlässigem Gebirge, bei dem ggf. vereinzelte kommunizierende wasserführende Klüfte angeschnitten werden.
– nach einer Vielzahl von umfangreichen Versuchen konnte durch die Verwendung eines speziellen Luftporenbildners in einer optimalen Menge eine ausreichende Stabilität der erfindungsgemäßen Mischung erreicht werden, wobei durch die Zusammensetzung eine Verarbeitbarkeit des Mörtels auch bis zu 6 bis 8 Stunden nach Herstellung bei nur geringfügiger Bewegung möglich ist.
– dadurch ist abgesichert, dass die erfindungsgemäße Mischung auch über längere Strecken (> 40 m) gepumpt werden kann, ohne ihre speziellen Eigenschaften zu verlieren,
– durch die Verwendung eines speziell auf den Schaumbildner sowie die Zuschlagstoffe und den Zement angepassten organischen Stabilisators konnte eine erhöhte Viskosität des Mörtels und ein vergrößertes Setzfliesmaß erreicht werden,
– durch Auswahl eines ganz speziellen Hochofenzementes (CEM III/A 52,5, N-HS/NA konnte eine Festigkeitsentwicklung erreicht werden, die bei einem entwässerten und entlüfteten Mörtel nach 24 Stunden bereits eine einaxiale Druckfestigkeit von > 100k N/m² erreicht,
– auf die Verwendung eines Verzögerers konnte gänzlich verzichtet werden,
– der Mörtel zeigt eine sehr gute Wasserdurchlässigkeit von bis zu 4,5·10^–5 m/s bei guter Festigkeit (24 h ≈ 0,5 N/mm²) und längerer Verarbeitbarkeit (Pumpbarkeit) von bis zu 8 Stunden, wobei sich diese Kriterien normalerweise gegenseitig ausschließen,
– die gasförmige Phase in der erfindungsgemäßen Mischung bleibt trotz höhere Drücke beim Pumpen ausreichend stabil zur Erreichung der geforderten Werte, wobei es sich als sehr sinnvoll herausstellte, dass die Einzelkörner des Zuschlagstoffes trotz einer zu erwartenden Kompression des Porenraumes keinen direkten Kontakt aufweisen, was sehr entscheidend für eine Vermeidung von Verstopfern beim Pumpen ist,

Ausführungsbeispiel
Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert werden.

Anforderungen an einen wasserdurchlässigen Ringspaltmörtel im Tunnelbau sind:

– Verarbeitbarkeit/Ausbreitmaß	– Verlaufmaß (t = 0 h)	a_v = 15 cm +/– 5 cm
	– Ausbreitmaß (t = 0 h)	a = 20 cm +/– 5 cm
	– Ausbreitmaß (t = 8 h)	a > 15 cm
– Festigkeit	– Druckfestigkeit (24 h) = 0,5 N/mm 2
– Durchlässigkeit	– Wasserdurchlässigkeit	k_f: 1·10^–4 m/s ≥
		k_f ≥ 1·10^–5m/s

Nach umfangreichen und aufwendigen Versuchen wurde eine Rezeptur für den benötigten Ringspaltmörtel gefunden, die sich aus folgenden Stoffen zusammensetzt:

			Masse	Masse
			[g]	[%]
Bindemittel: Hochofenzement CEM III/A 52,5N-HS/NA			33,3	16,2
Zuschlagstoff: Blähglasgranulat Poraver 0,5–1 mm			100,0	48,5
Zusatzmittel:	• Luft- und Schaumporenbildner
	MC Centrament Air 202 Konzentrat	2,5	1,21
	• Stabilisator
	SIKA Unterwasser-Compound 11	0,3	0,15
Wasser:			70,0	34,0

Die Abwägung aller zuvor benannten Aspekte bzgl. Wasserdurchlässigkeit, Druckfestigkeit, Sedimentationsstabilität, Konsistenz und Verarbeitungsdauer führte zu der o. g. Rezeptur, wozu im Ringraum infolge Entlüftung und Entwässerung des Materials mit einem Volumenverlust con ca. 20% zu rechnen ist, so dass mit der angegebenen Menge lediglich 0,8 m³ Ringraum verfüllt werden können. Die aufgeführte Rezeptur bezieht sich jeweils auf die Trockenmasse der einzelnen Inhaltsstoffe pro m³ fertigem Frischmörtel mit einer Rohdichte von ca. 400 kg/m³.
Für die Herstellung des wasserdurchlässigen Mörtels werden zunächst die flüssigen Medien Wasser und Luft- und Schaumporenbildner miteinander vermischt. Anschließend wird dem Liquid die gesamte Menge Zuschlag untergemengt, so dass sich ein Mörtel mit „sämiger” Konsistenz einstellt. Der Zement wird in einzelnen Chargen beigemischt, wobei darauf zu achten ist, dass der Zement einer Charge stets durchmischt ist, bevor die neue Charge zugegeben wird. Zum Abschluss wird der Stabilisator hinzugegeben.
Bei bisherigen Versuchen wurden die Mörtelmischungen mit einem Betonmischer angemischt. Für größere Mengen ist entsprechendes Equipment zu wählen. Die Herstellungszeit betrug während der Versuche ca. 20 Minuten für eine Charge für ein Volumen von ca. 100 l.
Weitere Anwendungsfälle zur Nutzung des Mörtels können sein:

– Verfüllen eines Hohlraums mit wasserdurchlässigem Material aus dem Schildheraus, ohne den Verlauf des Grundwassers wesentlich zu beeinträchtigen (z. B. Karsträume)

Claims

Wasserdurchlässiger Mörtel hergestellt aus einer Mischung, bestehend aus, • 10 bis 25 M-% eines Zementes als hydraulischem Bindemittel, • 25 bis 40 M-% Wasser, • 40 bis 60 M-% eines amorphen Granulates als Zuschlagstoffes • 0,5 bis 5 M-% mindestens eines Stoffes auf Basis synthetischer Tenside als Luft- und/oder Schaumbildner sowie • 0,05 bis 2,0 M-% eines Wirkstoffes auf Basis eines Polyethylenoxides in Kombination mit einem Celluloseether als Stabilisator zur Erreichung einer erhöhten Viskosität.
Wasserdurchlässiger Mörtel nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass ein Portland- und/oder Hüttenzement hoher Festigkeit, vorzugsweise ein Hüttenzement, enthalten ist.
Wasserdurchlässiger Mörtel nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass als Zuschlagstoff ein amorphes Granulat in vorzugsweise kugel – oder ovalförmiger Ausführung enthalten ist.
Wasserdurchlässiger Mörtel nach Anspruch 1 und 3, gekennzeichnet dadurch, dass als amorphes Granulat ein Blähglasgranulat enthalten ist.
Wasserdurchlässiger Mörtel nach Anspruch 1, 3 und 4, gekennzeichnet dadurch, dass das Blähglasgranulat eine Korngröße von 0,2 bis 3 mm, vorzugsweise 0,5 bis 1,0 mm, aufweist.