Sulphate resistance and phase composition of modern shotcrete

• Research unit: FEDRO RBT
• Project number: AGT2014/009

Key words (German)

Spritzbeton, Sulfatwiderstandsfähigkeit, alkalifreie Beschleunigersysteme, neue Zementsorten, Dauerhaftigkeit, Phasenzusammensetzung

Key words (English)

shotcrete, sulfate resistance, alkali-free accelerator systems, new cement types, durability, phase composition

Short description (German)

Spritzbeton ist im Tunnelbau eine weit verbreitete und kosteneffiziente Betonapplikation. Spritzbeton steht oft in direktem Kontakt mit Tunnelwässern, welche insbesondere sulfatbelastet sein können. Durch die spezielle Applikationstechnik und Materialzusammensetzung (geringes Grösstkorn und hohe Bindemittelanteile) und insbesondere der Zudosierung von hohen Beschleunigermengen unterscheidet sich Spritzbeton hinsichtlich seiner Mikrostruktur und chemischen Zusammensetzung deutlich von Normalbeton. In verschiedenen vom ASTRA finanzierten Projekten wurden verbesserte Verfahren zur Erfassung der Sulfatbeständigkeit von Normalbeton weiterentwickelt und validiert, welche nun auch für Spritzbeton angewendet werden sollen. Im Vordergrund stehen die neuen Zementsorten (CEM II, CEM III) und deren Zusammenspiel mit Beschleunigersystemen und Applikationstechnik. Vor allem alkalifreie, aluminatische Beschleuniger, welche aus umwelttechnischen Aspekten vermehrt eingesetzt werden, sind hinsichtlich deren Einflusses auf den Sulfatwiderstand nicht hinreichend bekannt. Generell ist auch die chemische Zusammensetzung, Porosität und Permeabilität dieser neuen Spritzbetone unzureichend erforscht. Die Ermittlung der Mikrostruktur, Porosität, Permeabilität und chemischen Phasenzusammensetzung von unter Praxisbedingungen applizierten Spritzbeton (ZB im Versuchsstollen Hagerbach) und die  thermodynamische Modellierung (GEMS) der Phasenzusammensetzung soll daher mögliche Dauerhaftigkeitsrisiken in sulfathaltiger Umgebung aufdecken und Folgeschäden durch ungeeignete Spritzbetonkonzepte verhindern.
Die anhand von Untersuchungen an Normalbeton erreichte Verbesserung des Verfahrens zur Beurteilung der Sulfatbeständigkeit mit einer Kurzzeitprüfung (FGU2010/001) wird neu auch bezüglich Spritzbeton angewendet.

Short description (English)

In tunnel applications spraying of concrete is a well-established and economical alternative to conventional casting techniques. Shotcrete often is in direct contact with aggressive tunnel water i.e. sulphate bearing groundwater. The special application technique and material composition (small aggregate size and high binder volumes) as well as the addition of large amounts of set accelerators lead to a significant difference from normal concrete regarding microstructure and chemical phase composition. Within the frame of different ASTRA - funded projects improved testing procedures for the estimation of the sulphate resistance have been developed and validated and shall now be applied to shotcrete. New cement types (CEM II and CEM III) and their interaction with set accelerator systems will be studied. The influence of alkali-free, aluminium-based set-accelerators (which are used for environmental considerations) on the sulphate resistance has not been examined sufficiently yet. Furthermore, the chemical phase composition, the porosity and the permeability of modern shotcrete generally are not well investigated. The analysis of the afore mentioned properties of shotcrete, which will be produced under realistic conditions (i.e. Versuchsstollen Hagerbach), and the thermodynamic modelling (GEMS) of the chemical phase composition will lead to the detection of possible durability risks and help to avoid long-term deterioration caused by the application of non-suitable shotcrete mix-designs.
The achievements regarding the evaluation of the sulphate resistance of normal concrete through an accelerated test procedure (FGU2010/001) now shall be applied to modern shotcrete.

Project aims (German)

Die Widerstandsfähigkeit gegenüber Bergwässern von Spritzbeton ist im Untertagbau in vielen Fällen eine wesentliche Voraussetzung für eine dauerhafte, langlebige Konstruktion. Neue Zementsorten und alkalifreie Beschleunigersysteme, sowie der Einfluss der Applikationstechnik werden mit dem neuen Prüfverfahren zur Ermittlung des Sulfatwiderstands (basierend auf SIA 262/1) untersucht.
Konkrete Ziele sind: 
- Kenntnis des Sulfatwiderstands von Spritzbeton hergestellt mit neuen Zementsorten (CEM II und CEM III) unter Verwendung von
  alkalifreien Beschleunigersystemen und unter Berücksichtigung der Applikationstechnik.
- Kenntnis der chemischen Zusammensetzung und ihrer Modellierung von Spritzbeton mit neuen Zementsorten und Beschleunigersystemen.    
- Abschätzung möglicher Risiken hinsichtlich der zukünftigen Dauerhaftigkeit moderner Spritzbetone.
- Erarbeitung einer Richtlinie betreffend die Zusammensetzung von sulfatbeständigem Spritzbeton.

Project aims (English)

The resistance of shotcrete against aggressive tunnel water is a crucial prerequisite for durable and long-lasting constructions. New cement types and alkali-free set accelerators as well as the influence of the special application technique shall be studied based on the new testing procedure for the sulphate resistance of concrete (according to SIA 262/1). The principal goals of the proposed project are:
- Knowledge of the sulphate resistance of shotcrete produced with new cement types (CEM II and CEM III) under the application of
  alkali-free set accelerator systems taking the special application technique into account.
- Knowledge of the chemical composition and its modelling of shotcrete made with new cement types and set accelerator systems.
- Estimation of possible risks regarding the future durability of modern shotcretes.
- Elaboration of a guideline regarding the composition of sulphate resistant shotcrete.

Berichtsnummer (German)

1652