Bentonitsuspensionen sind für den Spezialtiefbau von besonderer baupraktischer Bedeutung: sie werden als Stütz-, Förder- und Schmiermittel bei Tunnel- und Rohrvortrieben, als Kühl-, Stütz- und Fördermittel bei geotechnischen und geothermischen Bohrungen sowie als Stützmittel bei der Herstellung von Schlitz- und Bohrpfahlwänden eingesetzt. Die Suspensionen bestehen aus im Wasser dispergierten quellfähigen, natürlich vorkommenden Tonmineralen: dem Bentonit.
Die besonderen Eigenschaften von Bentonitsuspensionen basieren auf einer Kombination aus rheologischen, physikalischen und chemischen Phänomenen. Die Rheologie beschäftigt sich mit Untersuchungen zum Deformations- und Fließverhalten unter Berücksichtigung innerer und äußerer Spannungseffekte. Die fundamentalen Eigenschaften einer Bentonitsuspension sind Thixotropie, Viskosität und die Ausbildung einer Fließgrenze. Zu den physikalischen Eigenschaften zählen Dichte, pH-Wert, Leitfähigkeit sowie Stabilität und Qualität des Filterkuchens.
Das TLB-Bentonitlabor ist mit normierten Messgeräten nach DIN 4126, DIN 4127, API 13B und API 13D ausgestattet. Es stehen zusätzliche baupraktische Versuchseinrichtungen zur Verfügung, um das Interaktionsverhalten von Bentonitsuspensionen mit verschiedenen Böden zu untersuchen. Mit speziell entwickelten ??? werden Suspensionen gezielt an die besonderen geologischen Randbedingungen von Baumaßnahmen angepasst, wie z.B. modifiziertes Fließverhalten infolge Zugabe von Additiven (Polymere, inerte Feststoffe), Eindringverhalten mit und ohne Aufladung durch Bohrgut, Übertragung des Stützdrucks bei stark durchlässigem Baugrund mit und ohne Grundwasser, Stützung der Ortsbrust über Druckluft beim Werkzeugwechsel, u.a.
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Die Dichte ρ ist das Verhältnis der Masse eines Stoffes zu seinem Volumen. Diese wird durch Wiegen in einem dafür vorgesehenen Dichtemessglas mit Deckel und bekanntem Gewicht berechnet (Pyknometer Verfahren).
Für die Bestimmung der Dichte der Suspension wird das Dichtglas blasenfrei mit wenig Überstand gefüllt. Mittels einer Waage wird die gesamte Masse gewogen. Mithilfe der Kennwerte des Messglases wird die Dichte der Bentonitsuspension berechnet.
Die Stabilität der Suspension wird nach DIN 4126 und API 13B über die Filtratwasserabgabe f [ml] und die Filterkuchendicke [mm] bestimmt.
Der genormter Druckbehälter wird mit Suspension gefüllt und mit einem Deckel, in welchem das normierte Filterpapier eingelegt wird, verschlossen. Im Deckel befindet sich eine kleine Öffnung, über die das Filtratwasser während des Versuchs nach außen gelangen kann. Beim Versuch wird ein Druck von 7,0 bar ± 0,35 bar auf die sich im Zylinder befindliche Suspension aufgebracht. Das abfiltrierte Wasser wird im Messzylinder aufgefangen. Die nach 7,5 min (DIN 4126) bzw. 30 min (API 13B) angefallene Wassermenge wird als Filtratwasserabgabe f [ml] bezeichnet. Nach dem Öffnen des Zylinders kann die Dicke des Filterkuchens [mm] auf dem Filterpapier gemessen werden.
Die Auslaufzeiten für 1.000 ml (tM) und 1.500 ml (tM1500) der Suspension werden mit Hilfe eines Marsh-Trichters gemessen. Dazu wird ein genormter Trichter nach DIN 4127 bzw. API 13B verwendet. Nach API 13B bzw. DIN 4127 wird die Zeit in Sekunden gemessen, die 940 cm³ (1 US Quart) bzw. 1.000 cm³ Probenflüssigkeit benötigt, um aus dem vollen Marsh-Trichter durch die Auslaufdüse zu fließen. Die Auslaufzeit aus dem Marsh-Trichter wird als Marsh-Zeit bezeichnet und ist eine Funktion der dynamischen Fließgrenze dyn tf, der differentiellen Viskosität η‘ und der Dichte ρF der untersuchten Suspension.
Die Ermittlung der statischen Fließgrenze stat f erfolgt nach von Soos mit einer Kugelharfe nach DIN 4127. An einer Scheibe sind zehn Kugeln über Nylonfaden befestigt. Die Kugeln haben unterschiedliche Durchmesser und Materialdichte (Glas oder Edelstahl). Jede dieser Kugeln wird in Abhängigkeit ihrer Wichte und der Suspensionsdichte einer Fließgrenze zugeordnet. Werden die Kugeln in eine Suspension getaucht, schwimmen alle Kugeln auf der Oberfläche der Suspension, die eine kleinere Fließgrenze haben als die Suspension. Analog gehen alle Kugeln, die eine größere Fließgrenze haben, in dieser unter. Beim Einsinken wirken dem Eigengewicht der Kugel die Auftriebskraft und die Fließgrenze der Suspension entgegen.
Zur Bestimmung der scheinbaren Viskosität ηs, der plastischen Viskosität ηp, der Bingham-Fließgrenze τB, der Gelstärke nach 10 sec (t10‘‘) und 10 min (t10) sowie des Thixotropiewerts wird das Rotationsviskosimeter RheoVADR der Firma FANN verwendet. Es ist das Nachfolge-Model des FANN 35SA nach API 13B.
Hierbei befindet sich die Suspension in einem Ringspalt zwischen zwei rotations-symmetrischen und koaxial angeordneten Zylindern. Der äußere Zylinder rotiert mit der Winkelgeschwindigkeit Ω, der innere Zylinder dient als Messaufnehmer. Die Kraft, welche benötigt wird, um den Reibungswiderstand der Suspension im Ringspalt zu überwinden, so dass die Suspension zum Fließen gebracht wird, ermittelt man mit Hilfe der Drehzahl des äußeren Zylinders und des gemessenen Drehmoments am inneren Zylinder.
Für vertiefte rheologische Untersuchungen steht ein Rotationsrheometer RheolabQC der Firma ANTON PAAR zur Verfügung. Hiermit sind weiterführende Betrachtungen der Fließeigenschaften (Fließgrenze, Viskosität, Thixotropie, u.a.) mögliche. Für die jeweiligen Anforderungen an die zu untersuchende rheologische „Zielgröße“ der Suspension werden individuelle Messprogramme entwickelt.
Die Fließgrenze kann nach DIN 4127 mithilfe des Pendelgeräts gemessen werden. Das Pendelgerät besteht aus einer Kugel aus Metall, die an einem sehr dünnen und annähend gewichtslosen Faden in einem Behälter mit der zu prüfenden Flüssigkeit hängt. Behälter und Aufhängung der Kugel sollen aus ihrer Ausgangstellung innerhalb von 30 s mit einer Geschwindigkeit von 3 cm/s erschütterungsfrei gegeneinander in die Endstellung verschoben werden können. Schließlich wird noch wahlweise entweder eine Skala zum Messung der Auslenkung des Pendels im Bogenmaß oder eine Skala zur Messung der Tangente des Winkelsverwendet. Anhand der Auslenkung des Pendels bzw. der Tangente des Winkels kann die Fließgrenze bestimmt werden.
Die wesentlichen Bestandteile des Versuchsaufbaus sind zwei direkt übereinander angeordnete, miteinander verbundene Plexiglaszylinder. In dem hier verwendeten Versuchsaufbau haben die Zylinder eine Höhe von 50cm. Der obere Plexiglaszylinder hat einen größeren Durchmesser als der untere. Der obere Zylinder dient als Reservoir für Bentonitsuspension. Der untere wird mit wassergesättigtem Boden gefüllt. Um vergleichbare Versuchsergebnisse zu erhalten, ist die dichteste Lagerung des Bodens anzustreben.
Der mit Boden gefüllte Zylinder ist über einen mit einem Absperrhahn verschließbaren Schlauch mit einem Überlaufgefäß verbunden. Wird der Absperrhahn geöffnet, dringt die Bentonitsuspension in den Boden ein und das Wasser in dem Porenraum des Bodens wird durch Suspension ersetzt. Das so verdrängte Wasser fließt über das Überlaufgefäß ab und wird aufgefangen.
Nach der Beendigung des Eindringversuchs werden die Höhendifferenz der Zylindern, Eindringstrecke, verdrängte Wassermenge und die Eindringzeit gemessen und das Druckgefälle fso berechnet. Dieser Wert wird als Eingangsparameter für Stützdruckberechnungen verwendet.
Die Injektionsversuche dienen zur experimentellen Bestimmung der Stützwirkung bzw. des Eindringverhaltens der ausgewählten Bentonitsuspensionen. Hierzu werden die Suspensionen in definierte, wassergesättigte Bodenproben injiziert und der Injektionsdruck, die Eindringtiefe und das verdrängte Wasser gemessen.
Die Suspension wird von unten in einen Zylinder injiziert. Die Probebehälter aus Plexiglas sind oben und unten mit einem Stahlaufsatz eingefasst und abgedichtet. Der maximal aufnehmbare Druck der Probezylinder beträgt bis zu 10 bar. Das gesamte System wird durch Ankerstangen vertikal fixiert. Das Ziel der Injektionsversuche ist es, geeignete Stützsuspensionen für die vorhandene Geologie zu wählen. Diese müssen in der Lage sein, in der anstehenden Geologie eine weniger durchlässige Schicht aufzubauen, über die der in der Abbaukammer der Schildmaschine herrschende Stützdruck auf den Boden übertragen werden kann.
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Last update: Oct 30, 2024
