Langzeitverhalten von Kunststofffaserspritzbeton im Untertagbau

• Forschungsstelle: ASTRA SBT
• Projektnummer: FGU2010/005_OBF
• Projekttitel Englisch: Long-term behaviour of plastic fibre reinforced sprayed concrete for tunnels

Schlüsselwörter (Deutsch)

Langzeitverhalten, Kunststofffaserspritzbeton, Chemische Beständigkeit, Dauerlastverhalten, Rückprall, Kunststofffasern, Nachhaltigkeit, CO₂-Reduktion.

Schlüsselwörter (Englisch)

Long term behaviour, plastic fibre reinforced sprayed concrete, chemical resistance, permanent load behaviour rebound, polymer fibre, sustainability, CO₂-reduction

Kurzbeschreibung (Deutsch)

Das Langzeitverhalten von Kunststofffaserspritzbeton mit verschiedenen Faserarten (Fasertypen unterschiedlicher Lieferanten) wird untersucht. Als Referenz zum Stand der Technik wird eine Prüfreihe mit Stahlfaserspritzbeton mitgeführt. Einerseits wird das Verhalten unter andauernder Lasteinwirkung, andererseits die Beständigkeit der Fasern als eigentliche (Zug-)Kräfte tragende Komponente in Faserspritzbeton in aggressiver Umgebung (Chloride, Bergwasser etc.) untersucht. Dabei steht der teilweise gerissene Zustand im Vordergrund, da in diesem Fall die Belastung direkt auf die Fasern einwirken kann und nicht durch diese umhüllenden Spritzbeton abgefedert wird. Bei beiden Einwirkungsarten hängt das Verhalten des Faserspritzbetons wesentlich von der Struktur des Faserspritzbetons und des Faserskeletts ab. Dessen Aufbau wird wesentlich von der Applikation des Spritzbetons und dem dabei auftretenden Faserrückprallverhalten mitbestimmt. Da der Spritzprozess bzw. die Mischungszusammensetzung gezielt gesteuert werden kann, ist die Untersuchung des Rückprallverhaltens der Kunststofffasern als wichtiger Teilaspekt ebenfalls Teil der geplanten Untersuchungen.

Auf dieser Basis werden im Rahmen des geplanten Projekts die Prüfmethoden für Stahl- und Kunststofffaserspritzbeton betreffend dessen Langzeitverhalten gesichtet. Für Kunststofffaserspritzbeton werden Prüfmethoden ggf. angepasst bzw. ergänzt.

Kurzbeschreibung (Englisch)

The long-term performance of plastic fibres of different types of fibres (fibres of different suppliers) will be investigated. As reference for the state of the art one test series with steel fibres will be added. On the one hand side the performance under permanent load and on the other hand side the durability of fibres – which are the main element taken tensile stress- in aggressive surrounding (Chloride, rock water,..) will be investigated. Therefore the sprayed concrete will be investigated in a cracked stage; therefore in this case the stress is directly influencing the fibres and not reduced by the covering sprayed concrete. The performance of the sprayed concrete is mainly influenced by the structure of sprayed concrete and the structure and distribution of fibres. This structure is mainly influenced by the application of sprayed concrete and the rebound of fibres. Therefore the spraying process and the mix design can be controlled, the investigation of the rebound of the fibres will be an important issue of the planed investigations.

On the base of the above mentioned investigations test methods for long term behaviour of steel and plastic fibres will be collected and assessed. Modification will be proposed to take properties of plastic fibres into account of the assessment process.

Projektbeschreibung (Deutsch)

Spritzbetone sind spezielle Betone, welche durch eine spezielle Applikationstechnik (Spritzen) appliziert werden und sich durch ein geringes Grösstkorn und entsprechend erhöhtem Bindemittelanteil, verbunden mit hohem Zusatzmittelbedarf (Fliessmittel, Beschleuniger, Viskositätsmodifizierer, etc.) auszeichnen. Zur Aufnahme von Zugkräften können einerseits konventionell, wie beim Stahlbeton, Netzarmierungen eingesetzt werden. Eine effiziente und ökonomische Variante ist die Verwendung von Fasern anstelle von Netzarmierungen. In den vergangenen Jahren hat sich Faserspritzbeton von einem ursprünglichen Bauhilfssystem zu einem hochwertigen Werkstoff entwickelt.

Bisher wurden meist Stahlfasern eingesetzt, applikationstechnisch sind aber auch Kunststofffasern interessant und finden in jüngster Zeit zunehmend Verbreitung. In neuester Zeit sind dementsprechend auch vermehrt Kunststofffasern entwickelt worden, die statische Funktionen übernehmen können (Strux – Fa. Grace, Barchip – Fa. Elastoplastics, Concrix – Fa. BruggContec etc.) - und diese haben in gewissen Ländern (z.B. Australien, Chile) die Stahlfasern bereits partiell ersetzt. Diese sogenannten makro-synthetischen Fasern, mit Faserdurchmessern von ca. 0.5 bis 1.0 mm, bestehen meist aus Polypropylen (PP), Polyethylen (PE oder HDPE) oder einer Kombination daraus. Andere Fasermaterialien wie Polyvinilalkohol (PVA) werden hingegen aus preislichen Gründen für Anwendungen in Beton kaum eingesetzt (RF4000 – Fa. Kuraray, etc.).

Das statische und mechanische (Kurzzeit-)Verhalten (insbesondere auch das Nachbruchverhalten) von Faserspritzbeton wird ausreichend untersucht und meist als einziges Beurteilungskriterium überprüft [1,2,5,6].

Da im Unterschied zum reinen Spritzbeton (ohne Fasern) die Lasten, insbesondere im gerissenen Zustand, hauptsächlich von den Fasern übernommen werden, beeinflusst die Beständigkeit der Fasern das Langzeittragverhalten wesentlich. Unterschiedliche Fasermaterialien wirken sich unterschiedlich auf das Langzeitverhalten aus. So ist bei Stahl das Korrosionsrisiko bei der üblichen (preiswerteren) Verwendung von unveredelten Stählen wahrscheinlich und wurde deshalb ausgiebig untersucht [3,4,9,18].

Bei Kunststoff sind Kriechen unter Dauerlast, Versprödung oder Verseifung mögliche Risiken. Über das Langzeitverhalten von Kunststofffaserspritzbeton unter Dauerlast und in einer teilweise aggressiven Tunnelumgebung (Chloride, Sulphate, etc.) ist erst wenig bekannt. Zur sicheren Verwendung dieses vielversprechenden Werkstoffs ist aber gerade die Kenntnis dessen Langzeitverhaltens unerlässlich und wird deshalb im Rahmen dieses Projekts untersucht.

Sowohl Korrosion als auch Kriechen werden in massiven Faserspritzbetonschalen vor allem dann (teilweise sogar ausschliesslich) kritische Ausmasse erreichen, wenn die Fasern offen vorliegen, also nicht mehr vom intakten Faserspritzbeton mechanisch entlastet bzw. vor chemischem Angriff geschützt werden. Dies ist im teilweise gerissenen Zustand der Fall. Daher wir dieser Fall im vorgeschlagenen Projekt prioritär untersucht. Die Dauerhaftigkeit des die Fasern umhüllenden reinen Spritzbetons wird unter diesem Gesichtspunkt sekundär und kann (analog zum Verhalten von Ortsbeton und mit den gleichen Methoden) ggf. in einem Anschlussprojekt untersucht werden. Diese Vorgehensweise deckt sich auch mit bestehenden Untersuchungsansätzen an Stahlfaserspritzbeton [3,4].

Es werden daher Langzeitversuche, teilweise in aggressiver Umgebung unter Berücksichtigung möglicher Tunneleinflüsse wie Sulfate, Chloride mit verschiedenen Kunststofffasertypen durchgeführt. Diese Versuche sollen mit handelsüblichen typischen makro-synthetischen Fasern erfolgen.

Neben der Art des Kunststofffasermaterials hängt bei beiden Einwirkungsarten (Chemischer Angriff, Dauerlast) das Verhalten von Faserspritzbeton von seiner Struktur, seinem Gefüge und der Ausbildung des Faserskeletts (Faservolumen, Faserverteilung, Faser-Matrix Interface) ab. Beides wird massgeblich durch den Applikationsprozess beeinflusst. Bedingt durch die spezielle Applikationstechnik bei welcher der Beton mit hoher Geschwindigkeit auf die Tunnelwand aufgetragen wird ergibt sich generell ein hoher Materialverlust von ca. 25% (Rückprall), was sich auf das Gefüge auswirkt. Beim Faserbeton betrifft der Rückprall überproportional auch die relativ teure Komponente Fasern [5, 11, 12]. Einerseits verringert sich damit generell das zur Aufnahme von Lasten zur Verfügung stehende Faservolumen, andererseits ist eine gewisse Orientierung der Fasern entlang der Tunnelwand zu erwarten, was sich andererseits positiv auf das Tragverhalten auswirken dürfte. Zudem wird der Rückprallmechanismus der Fasern auch das Gefüge im Allgemeinen, insbesondre das Faser-Matrix Interface beeinflussen. Mögliche Transportwege schädlicher Stoffe entlang der Fasern (Faser-Matrix Interface) werden somit ebenfalls beeinflusst.

Aufgrund des zu erwartenden grossen Einflusses der Applikationstechnik und des Faserrückprallverhaltens auf das Langzeitverhalten und die Kunststofffaserbeständigkeit wird als wichtiger Teilaspekt auch das Faserrückprallverhalten und dessen Einfluss auf die Struktur des Faserspritzbetons untersucht. Es interessiert in diesem Zusammenhang insbesondere auch die Frage ob sich das Langzeitverhalten neben der Faserauswahl auch durch entsprechende Applikations- oder Faserparameter steuern lässt. Insbesondere fehlen auch standardisierte Testmethoden und Empfehlungen zur Erfassung bzw. Verringerung des Faserrückpralls. Bezüglich des Faserrückpralls und Faserorientierung im applizierten Spritzbeton werden infolge der unterschiedlichen Steifigkeiten zwischen Stahlfasern und Kunststofffasern signifikante Unterschiede erwartet. Bislang fehlen - nicht nur in der Schweiz - systematische, unabhängige Untersuchungen zur Ermittlung der Einflussfaktoren des Faserrückpralls und dessen Einfluss auf die Struktur des Faserspritzbetons und somit dessen Langzeitverhaltens.

Der Einfluss der verschiedenen Betonparameter (Wasser/Zement-Wert, Grösstkorn), der Spritzparameter (System, Druckluft, Spritzwinkel, etc.) und der Einfluss von Kunststofffasern (Art, Geometrie) auf Menge und Zusammensetzung (Faservolumen, Kornfraktion) des Rückpralls soll untersucht werden und entsprechende Empfehlungen zu dessen Reduzierung erarbeitet werden.

Oft wird Faserspritzbeton nur zur temporären Absicherung verwendet, kann jedoch auch als mechanisch belastete sekundäre Dichtebarriere betrachtet oder dauerhaft als Hangsicherung eingesetzt werden, wo die Fragestellung betreffend des Verhaltens von Kunststofffaserbeton unter Dauerlast (Kriechen) und in korrosiver Umgebung, insbesondere im gerissenen Zustand bedeutsam ist. Die (meist Industrie-) Forschung im Bereich Spritzbeton konzentriert sich zudem vielmehr auf Festigkeitsentwicklung und die Wirkung von Additiven im Zusammenspiel mit den verschiedenen Zementsorten als denn auf die zu erwartenden ökologischen Aspekte (ZB. CO₂ – Ersparnis). Da zumeist die reinen Materialkosten neben den Kosten für Maschinen nicht direkt entscheidend sind wird zudem das Sparpotenzial beim (Kunststofffaser-)Rückprall nicht ausreichend genutzt

Erwartete Erkenntnisse/ Nutzen, Nutzniesser (Deutsch)

Nutzniesser aus dem Projekt sind öffentliche Bauherren von Tunnelneubauten und Sanierungen, die mit den Erkenntnissen aus dieser Forschungsarbeit

- die Eigenschaften des modernen Werkstoffs Kunststofffaserbeton beurteilen können

- die Wirtschaftlichkeit Ihrer Bauarbeiten mit dem Einsatz des modernen Werkstoff Kunststofffaserspritzbeton steigern können

- zur CO₂-Reduktion durch optimierten Ressourceneinsatz beitragen

Als Grundlage für den wirtschaftlichen Einsatz von Kunststofffaserspritzbeton dienen die Erkenntnisse zum Materialverhalten und dem Nachweis der Eigenschaften bzw. der Erreichung der Anforderungen. Dies sind:

· Erkenntnisse über das Langzeitverhalten von Kunststofffaserspritzbeton und Methodiken zu dessen Erfassung. Definition von Anforderungskriterien an Kunststofffaserspritzbeton bei andauernder Lasteinwirkung

· Erkenntnisse über die Langzeitbeständigkeit von Stahl- und Kunststofffasern in Faserspritzbeton in aggressiver Umgebung und dessen Einfluss auf das Langzeittragverhalten von Faserspritzbetonapplikationen.

· Kenntnis des den Faserverlust beim Rückprall beeinflussenden Faktoren, des Zusammenhangs zwischen Faserrückprall und Materialrückprall und Empfehlungen zu dessen Verringerung.

· Evaluierung der Möglichkeiten zur gezielten Optimierung der Orientierung der Fasern entlang der Tunnelwand und dadurch besseren Nutzung des Tragpotenzials der Fasern insbesondere durch Verwendung flexibler Kunststofffasern

Der Einsatz von Kunststofffaserspritzbeton trägt aus folgenden Überlegungen zur Senkung der Kosten von Bauwerken bei:

- Es werden geringere Fasermassen benötigt, die damit geringere Transport- Handlingkosten verursachen und sich positiv auf die Gestehungskosten auswirken

- Dank der Forschungsarbeit müssen beim Einsatz von Kunststofffasern keine kostentreibenden grundlegenden Überlegungen und Prüfungen durchgeführt werden

Immanent mit der Erreichung der genannten Ziele und Nutzen für die Bauherrschaft werden Ziele eines rationelleren, nachhaltigeren Untertagbaus sowie eine Ressourcenschonung und Verringerung der materialbedingten CO₂-Last von Kunststofffaserspritzbetonsicherungen erreicht.

Methoden (Deutsch)

Basierend auf einer Literaturrecherche zum weltweiten Stand der Prüfmethodik werden vorhandene und artverwandte Prüfmethoden analysiert und auf ihre Zweckmässigkeit zur Erfassung aller Eigenschaften von Kunststoff- und Stahlfasern theoretisch analysiert.

Die Untersuchungsmethoden die die grösste Eignung erwarten lassen werden in Feld- (Rückprall) und Labor- (Dauerhaftigkeit)Versuchen geprüft und validiert.

Spezielle Geräte und Installationen (Deutsch)

Anschaffung/Konzeption von Prüfständen für Dauerlastprüfungen

Röntgenthomograph zu Erfassung der Faserorientierung

Allgemeiner Stand der Forschung (Deutsch)

Bei Sicherungsmassnahmen im Untertagbau (teilweise auch Tiefbau) wird dem Faktor Zeit eine wesentliche Rolle beigemessen. Es geht darum, frisch ausgebrochene Felswände rasch möglichst zusichern. Dazu wird häufig Spritzbeton verwendet. Ein Nachteil bei dessen Anwendung ist der grosse Rückprall [12]. Dies betrifft hauptsächlich die Komponente Grösstkorn [5,14]. Der Einfluss der Spritzbetonzusammensetzung und der Applikationstechnik auf das Gefüge sowie der Rückprallmechanismus grosser Körner wurde an verschiedener Stelle eingehend untersucht [5,11,12,13,14]. Die chemische Beständigkeit (Frost-Tausalz, Sulfatangriff, etc.) des reinen Spritzbetons (ohne Fasern) wurde ausgiebig erforscht und es liegen dazu Langzeitbeobachtungen vor [19, 20, 21]. Die Untersuchungen am Feststoff können mit den gleichen beim Mörtel oder Ortsbeton angewandten Methoden erfolgen. Es ergeben sich betreffend die Dauerhaftigkeit analoge Schlussfolgerungen wie beim Ortsbeton, wo die Porosität resp. die Permeabilität des Gefüges als wesentliche Einflussfaktoren gelten. Durch den Verlust des Grösstkornanteils entsteht im Wesentlichen nur ein feinkörnigeres Material, dessen Einfluss auf die Dauerhaftigkeit beispielsweise analog dem Einflusses des Grösstkorns im Ortbeton oder Mörtel ist. Das Dauerlastverhalten ist beim reinen Spritzbeton (ohne Fasern) meist sekundär und analog dem Verhalten von Beton bzw. Mörtel.

Stahlfaserbeton (1971 erste Anwendung) wird bei der Ausbruchsicherung als Ersatz oder Ergänzung von Spritzbeton mit Bewehrungsnetzen verwendet. Der hauptsächliche Vorteil sind kürzere Unterbrüche beim Vortrieb der Stollen und damit geringere Kosten [5]. Inzwischen wurden Prüfungen entwickelt, mit der die Tragfähigkeit des Stahlfaserspritzbetons beurteilt werden kann. Bei diesen Prüfungen handelt es sich um Plattenbiegeprüfungen und/oder Prismenprüfungen. Weltweit gesehen unterscheiden sich die Prüfanforderungen geringfügig in den Ausführungsvorschriften, betrachten aber grundsätzlich immer das Bruchverhalten den Stahlfaserspritzbeton in der Zeit gleich vor bzw. nach dem Bruch. Dies erklärt sich aus der Tatsache, dass das Kriechverhalten von Stahl in Betonkonstruktionen vernachlässigbar ist [7]

Seit wenigen Jahren werden auch makro-synthetische Fasern aus Kunststoffen erfolgreich zur Aufnahme der Zugkräfte und Verbesserung des Nachbruchverhaltens in Spritzbeton eingesetzt [10]. Gerade die Kategorie makrosynthetische Kunststofffasern dürfte in Zukunft an Bedeutung gewinnen, da materialtechnologische Fortschritte zu höheren Festigkeiten und höheren E-Modulen geführt haben. Zudem werden diese Faserarten als beständig (nicht korrosiv) betrachtet und weisen gegenüber Stahlfasern zudem hinsichtlich Handhabung (Gewicht, Verletzungsgefahr, Maschinenabrieb, Pumpbarkeit, Beschädigung von Abdichtungen etc.) einige potentielle Vorteile auf, so dass sie in Zukunft vermehrt eingesetzt werden dürften. Mit dem Einsatz von Kunststofffasern wird – im Gegensatz zur Einführung von Stahlfasern im Beton – ein neuer Werkstoff wird anderen Eigenschaften eingesetzt. Darüber hinaus ergeben sich allenfalls aus den Wechselwirkungen zwischen den Materialien der Kunststofffasern und dem alkalischen Milieu des Zementsteins weitere Einflussparameter, die berücksichtigt werden müssen. Risiken bestehen daher hinsichtlich Kriechen unter Dauerlast [8], Versprödung und Verseifung.

Im Normenwesen hat das Aufkommen von Kunststofffasern bisher keinen Niederschlag gefunden. Zur Berücksichtigung und Dokumentation der unterschiedlichen Eigenschaften von Stahl- und Kunststofffasern finden sich immer wieder Vorschläge für die Einführung von Prüfungen, die gewisse Eigenschaften einer Faserart dokumentieren. Diese Vorschläge stammen von den Herstellern einzelner Kunststofffasern oder wurden in deren Auftrag von Prüflabors publiziert.

Betreffend das Dauerlastverhalten von Kunststofffasern sind bislang wenige, meist von den entsprechenden Faserproduzenten selbst in Auftrag gegebene Untersuchungen veröffentlicht [16,17]. Insbesondere existieren aber keine allgemeingültigen Prüfvorschriften oder Anforderungen. Eine systematische Evaluation der Anforderungen an das Dauerlastverhalten und daraus abgeleiteter Prüfverfahren existiert heute weltweit nicht. Die Arbeitsgruppe Spritzbeton der ITA (Internatinal Tunneling Association) hat die Notwendigkeit einer Bearbeitung dieses Themas erkannt [8]. Mangels personeller Ressourcen kann das Thema aber nicht von der Arbeitsgruppe inhaltlich bearbeitet werden. Im Rahmen der Sitzungen sind jedoch substantielle Hinweise zu bestehenden Dokumenten zu erwarten[j1] .

Kaum Daten existieren hinsichtlich Beständigkeit von Kunststofffasern in aggressiver Umgebung (Bergwässer, Chloride, Alkalien). Von den Faserherstellern wird meist auf das Verhalten der für die Faserherstellung verwendeten Kunststoffe verwiesen. Insbesondere sind auch Einflüsse der hohen Zusatzmittelkonzentrationen des Spritzbetons (Beschleuniger) denkbar. Betreffend Polymerfasern gibt es dazu einzelne Untersuchungen mit Feinstfasern [22], welche aber weniger zur mechanischen Verstärkung sondern aus anderen Überlegungen (Brandschutz, Schwindrissverminderung) eingesetzt werden. Bei Stahlfasern steht das Korrosionsrisiko im Vordergrund, welches schon untersucht wurde [3, 4, 9, 18].

Die Struktur, das Gefüge und das Faserskelett des Kunststofffaserspritzbetons werden wie beim Stahlfaserspritzbeton neben der Mischzusammensetzung wesentlich durch den Applikationsprozess (das Spritzen) und den dabei auftretenden Rückprall beeinflusst. Der Rückprall von Fasern führt einerseits zu einem geringeren Fasergehalt, andererseits ist eine gewisse bevorzugte Orientierung der Fasern parallel zur Tunnelwand wahrscheinlich. Zudem ist eine Beeinflussung des Faser-Matrix-Interface und somit des Gefüge des Faserspritzbetons zu erwarten. Faserspritzbeton unterscheidet sich daher hinsichtlich Struktur von reinem Faserbeton deutlich [5, 6].

Der Faserrückprall ist zudem bei Stahlfasern gegenüber dem Materialrückprall überproportional, da sich die Fasern wegen ihrer Steifheit beim Aufprall oft wie Federn verhalten und daher von der Felswand wieder zurückspringen [5, 11, 14, 15].

Systematische Untersuchungen zum Einfluss des Rückpralls von Kunststofffasern auf die Faserverteilung, das Faser-Matrix Interface bzw. das Gefüge sowie die den Kunststofffaserrückprall beeinflussenden Faktoren (Faserfaktoren, Betonzusammensetzung) fehlen bislang. Es ist zu erwarten, dass das Rückprallverhalten der Fasern auch dasjenige der anderen Materialkomponenten mit beeinflusst.

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[j1]Die Aussage dieses Satzes ist unklar..

Projektziele (Deutsch)

Das Langzeitverhalten von Kunststofffaserspritzbeton und somit dessen Eignung zur dauerhaften Absicherung von Tunnelauskleidungen soll untersucht werden. Die Untersuchungen konzentrieren sich auf die Verwendung von Kunststofffasern, die immer grössere Verbreitung am Markt finden (Vorteile z. B: Korrosions- und Rückprallverhalten). Als Vergleichsreferenz zum bisherigen Stand der Technik werden zusätzlich einige Untersuchungen mit Stahlfasernspritzbeton durchgeführt.

Im Einzelnen verfolgt das vorgeschlagene Projekt das Ziel der Kenntnis des

a) Langzeitverhaltens von Kunststofffaserspritzbeton unter andauernder Lasteinwirkung

b) Beständigkeit von Kunststofffasern im Spritzbeton in aggressiver Umgebung (Chloride, Bergwasser, tiefe Temperaturen) und deren mögliche Auswirkung auf das Tragverhalten

Bei beiden Einwirkungsarten (Dauerlast, aggressive Umgebung) hängt das Verhalten neben der Art des Kunststofffasermaterials von der Struktur des Kunststofffaserspritzbetons (Faservolumen, Faserorientierung, Faserverteilung, Faser-Matrix-Interface) ab. Diese wird bei allen Faserspritzbetonen wesentlich durch das Rückprallverhalten der Fasern beim Applikationsprozess gesteuert. Die Rückpralleigenschaften von Kunststofffasern werden sich infolge niedrigerer Massen der Fasern aber deutlich von den bekannten Rückpralleigenschaften der Stahlfasern unterschieden. Daraus ergibt sich das Unterziel:

a) Kenntnis der Einflussparameter (Beton, Applikationsparameter, Kunststofffaserparameter) auf den Rückprall von Kunststofffasern und auf die damit verbundene Beeinflussung des Kunststofffaserskeletts und der Gefügestruktur des Spritzbetons.

Durch die Erarbeitung von Empfehlungen zur Verbesserung des Langzeitverhaltens und zur Verringerung des Rückpralls von Kunststofffasern wird ein Beitrag zu den folgenden übergeordneten Zielen angestrebt:

d₁) Rationellerer, nachhaltiger Untertagbau und Ressourcenschonung bei Neuerstellung oder Sanierung bestehender Tunnel

d₂) Verringerung der materialbedingten CO₂-Last von Spritzbetonsicherungen

Projektziele (Englisch)

The long-term behaviour of plastic fibre reinforced sprayed concrete and his ability for tunnel linings will investigated. Investigations will be concentrating on plastic fibres, which gain a growing market (Advantages concerning rebound and corrosion). As a reference to the state of the art some investigations on steel fibre reinforced concrete will be conducted.

The proposed project is aiming at the following topics:

- Long-term behaviour of plastic fibre reinforced sprayed concrete under constant loads

- Resistance of plastic fibres in sprayed concrete under aggressive boundary conditions (Chloride, rock water, low temperature) and influences on the load bearing capacity

The behaviour of plastic fibre reinforced sprayed concrete is depending (in both cases: permanent load and aggressive surrounding) on the structure of the sprayed concrete (volume of fibres, orientation of fibres, distribution of fibres, fibre-concrete-interface). This structure will be controlled by the rebound of fibres. The rebound behaviour of plastic fibres will differ due to the difference of mass from those of steel fibres which are quite well known. This leads to the sub-aim:

- Knowledge of parameters (concrete, fibres, application) influencing the rebound of plastic fibres and structure of fibres and concrete matrix in sprayed concrete.

While elaborating recommendations to improve the long term behaviour and reduction of rebound of plastic fibres, also the following overall aims will be achieved:

d₁) Rational and sustainable underground construction and protection of resources’ for construction or refurbishment of tunnels

d₂) Reduction of material related CO₂-emission of sprayed concrete

Forschungsplan (Deutsch)

Die Themenbereiche Kunststofffaserrückprall, Dauertragverhalten und chem. Beständigkeit von Kunststofffaser-Spritzbeton beeinflussen sich teilweise gegenseitig und sollen daher im folgenden gemeinsam bzw. in logischer Abfolge betrachtet werden:

1. Untersuchung Faser-Rückprallverhalten

a. Erfassung des Rückprallanteils der verschiedenen Bestandteile (Fasern, Grösstkorn) in Funktion des Kunststofffasertyps, der Spritzbetonzusammensetzung und der Applikationsparameter. Die unterschiedliche Beschaffenheit der Tunnelwand wird durch Verwendung von Kunststeinvorlagen (siehe Beilage) simuliert. Die Messmethoden werden unter Berücksichtigung der Messverfahren bei Stahlfasern und der Randbedingungen im Tunnelbau evaluiert.

b. Untersuchung der Einflüsse auf die Verteilung von Kunststofffasern im Spritzbeton. Die Beurteilung der Verteilung erfolgt auf Basis von Fasern, die eine Referenzebene durchdringen. Die Verwendung von Tomographien zur räumlichen Beurteilung der Faserverteilung an jeweils identischen Positionen auf der Kunststeinplatte (siehe Beilage) ist vorgesehen.

c. Mikroskopische Untersuchung des Faser-Matrix Interfaces.

2. Dauerlastverhalten von Kunststofffaserspritzbeton

Es werden Untersuchungen zum Dauertragverhalten an teilweise gerissenem (definiert vorgebrochenem) Kunststofffaserspritzbeton ausgeführt.

Im ersten Schritt werden Prüfanordnungen evaluiert mit denen das Dauertragverhalten von Faserarmierungen geprüft werden kann. Etablierte und normierte Verfahren dienen heute allein zur Bestimmung der maximalen Bruchfestigkeit bzw. des Arbeitsvermögens bei maximaler Last und hohen Deformationen. Vielfach erfolgen jedoch in der Praxis Belastung mit relativ kleinen Lasten und geringen Deformationen. Das Kriech- und Relaxationsverhalten des Faserspritzbetons wird untersucht.

3. Beständigkeit von Kunststofffasern in Faserspritzbeton

a Langzeitversuche an ungerissenen und an teilweise gerissenen (definiert vorgebrochene) Faserspritzbetonen in verschiedenen aggressiven Umgebungen werden durchgeführt. Das residuelle Tragverhalten wird nach einer Beanspruchungsperiode ermittelt.

b Mikroskopische Untersuchung der Fasern im Faserspritzbeton nach dessen chemischen Beanspruchung (Probenahme aus a)

Die Detaillierte Darstellung des Arbeitsprogramms findet sich in der Beilage.

Umsetzung und Anwendungen (Deutsch)

Auf Basis fundierter Untersuchungen werden Publikation/Richtlinien erstellt. Da bereits während der Erarbeitung weite Kreise der Fachwelt einbezogen werden, ist eine hohe Akzeptanz der Arbeit zu erwarten

Berichtsnummer (Deutsch)

1546

Berichtsnummer (Englisch)

1546

Literatur (Deutsch)

[1] EFNARC, Guidelines to the Sprayed Concrete Specifications, 2000.

[2] SIA162/6, Stahlfaserbeton, 1999.

[3] R. Weyert, Korrosion von Stahlfasern in gerissenem und ungerissenem Stahlfaserbeton, Bauforschung, 1998.

[4] J.-L. Granju, S. U. Balouch, Corrosion of steel fibre reinforced concrete from the cracks, 2004.

[5] B. Maidl, Handbuch für Spritzbeton, Berlin 1992.

[6] B. Maidl, Stahlfaserbeton, Berlin 1991.

[7] G. Nitsiotas, Kriechen und Schwinden bei satisch unbestimmten Betonkonstruktionen aus mit Tragteilen aus Stahl, Berlin 2005.

[8] ITA- WG-12 (Spritzbeton) Meeting Notes, Budapest, 2009.

[9] E. Nordström “Durability of Sprayed Concrete”, doctoral thesis. Llea university of technology, 2005:02/ISSN: 1402-1544.

[10] M.Clements, E.Bernard “The use of macro-synthetic fiber reinforced shocrete in Australia”, shotcrete, pp.20-22 (2004).

[11] S. Austin, P. Robinson “Material and fiber losses with fiber reinforced prayed concrete”, construction and building materials, Vol.11, pp.291-298 (1997).

[12] N.Banthia, V.Bindiganavile “Process dependence of fiber reinforced shotcrete”, RILEM Proceedings-36 (Spring Meeting) Advances in Concrete through Science & Engineering, Evanston, IL Mar 21-26, pp. 31-42 (2004).

[13] H.Armelin, N.Banthia “Mechanics of aggregate rebound in shotcrete”, Materials and structures, Vol.31, pp. 91-98 (1998).

[14] V.Bindiganavile, N.Banthia “Effect of particle density on its rebound in dry-mix shotcrete”, J. of materials in civil eng. 21, pp.58-64 (2009).

[15] N.Banthia, J.-F.Trottier “Influence of fiber geometry in steel fiber reinforced wet-mix shotcrete”, Concrete international, 16(6), pp.27-32 (1994).

[16] E.Bernard “Creep of cracked fiber reinforced shotcrete panels”, Shotcrete:More Engineering Developments, Taylor and Francis, London, pp. 47-57 (2004).

[17] U.Gossla, K.-A. Rieder “Zeitabhängiges Verhalten von Makrokuntstofffaserbeton und dessen Einfluss auf die Bemessung von Industriefussböden” Beton- und Stahlbetonbau Heft2 S.76-87 (2009).

[18] E.Bernard ”Durability of cracked fibre reinforced shotcrete“, Shotcrete: More Engineering Developments, Taylor and Francis, London, pp. 59-66 (2004).

[19] S.Lee, D.Kim, J. Ryu, S.Lee, J.Kim, H. Kim, M.Chi “An experimental study on the durability of hogh performance shotcrete for permanent tunnel support”, Tunneling and underground space technology, volume 21, Issue 3-4, (2006).

[20] D. Kim, H.Jung, K.Park, S.Kim “Long-term characteristics of shotcrete lining in test tunnel”, geotechnical Engineering for Disaster Mitigation and Rehabilitation - Proceedings of the 2nd International Conference GEDMAR08 2008, pp. 853-859.

[21] N.Banthia, S.Mindess “Bringing science to an art: A decade of shotcrete research at the University of British Columbia”, Shotcrete for Underground Support X - Proceedings of the Tenth International Conference on Shotcrete for Underground Support 215, pp. 30-45 (2006).

[22] D.Hannant “Durability of polypropylene fibers in Portland cement-based composites:Eightteen years of data”, Cement and concrete research, Vol. 28,No12, pp.1809-1817 (1998).