Festigkeitseigenschaften von Spritzbeton: Einfluss der

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Spritzbeton-Festigkeitseigenschaften
Tunnel 1/2006
Festigkeitseigenschaften
von Spritzbeton:
Einfluss der Klebrigkeit
des Nass-Mischgutes
Strength Properties of
Shotcrete: Influence of
Stickiness of the wet
Mix
Vortrag anlässlich der Tagung
„Spritzbeton Technologie 2006“
in Alpbach/A im Januar 2006
Paper presented at the “Shotcrete
Technology 2006” Conference in
Alpbach/A in January 2006
Dr. Chr. Niederegger, Dr. D. Thomaseth
Dr. Chr. Niederegger, Dr. D. Thomaseth
Die Einhaltung einer definierten Spritzbetonqualität, wie z. B. gesicherte Früh- und Endfestigkeit, muss im Tunnelbau ständig überwacht und durch periodische Prüfungen
laufend kontrolliert werden. Infolge dieser baubegleitenden Untersuchungen kann auf
wechselnde Bedingungen flexibel reagiert und
eine laufende Optimierung der Spritzbetonherstellung durchgeführt werden. Technische
Anforderungen, wie eine definierte Festigkeitsentwicklung, Gleichmäßigkeit, Dichtheit und
Dauerhaftigkeit sowie wirtschaftliche Kriterien
wie Rückprall, Auftragsleistung und Energieverbrauch, sind Schlüsselstellen für Spritzbeton im Vortrieb. Der Beitrag befasst sich mit
der Problematik einer zu hohen Klebrigkeit des
Nass-Mischgutes.
Adherence to a defined shotcrete quality, as
e.g. assured early and final strength must be
constantly monitored in tunnelling on the basis
of periodic checks. As a result of these
examinations undertaken parallel to
construction work, it is possible to react flexibly
to changing conditions and carry out
continuous optimization of the shotcrete
production process. Technical demands such as
defined strength development, uniformity,
impermeability and durability as well as
economic criteria such as rebound, throughput
and energy consumption represent key factors
for shotcrete used for tunnelling. This article
deals with the problems ensuing if the wet mix
is excessively sticky.
Trotz des Erreichens von
Konsistenzklassen größer F59
Even in cases where a consistency class on F59 or higher is
attained by adding superplasticizers on a polycarboxylate basis, the early strength properties
in particular is often severely impaired if it is unduly sticky so
that the outcome can be irregular distribution of the accelerator when the material is
sprayed. As a result, there may
be areas of the tunnel wall
where the concrete has not
Univ.-Ass. Dipl.-Ing. Dr. techn.
Christoph Niederegger
Univ.-Ass. Dipl.-Ing. Dr. techn.
Dietmar Thomaseth
Projektleitung Betontechnologie
am Institut für Betonbau,
Baustoffe und Bauphysik,
Leopold-Franzens-Universität,
Innsbruck/A
durch die Zugabe von Fließmittel auf Polycarboxylatbasis
wird speziell die Frühfestigkeitsentwicklung, bedingt durch
eine starke Klebrigkeit und infolgedessen durch eine nicht
konstante Einmischung des
Beschleunigers in das Spritzgut oft sehr beeinträchtigt,
wobei es stellenweise zu unzureichend beschleunigten Bereichen an der Tunnelwandung
kommen kann.
been accelerated to a sufficient
degree.
Univ.-Ass. Dr. techn. Christoph
Niederegger
Univ.-Ass. Dr. techn. Dietmar
Thomaseth
Project Management Concrete
Technology at the Institute for
Concrete Construction,
Construction Materials and
Construction Physics, Leopold
Franzens University, Innsbruck/A
Es ist festzustellen, dass die
Problematik der Klebrigkeit
nicht nur vom Fließmittel und
seiner Polymerstruktur abhängt,
sondern auch die Kombination
aus Fließmittel, Bindemittel und
Gesteinskörnung einen großen
Einfluss auf die rheologischen
Eigenschaften des Frischbetons
und infolgedessen auf den
Wasseranspruch und die Klebrigkeit hat. Der Einfluss der
Bindemittel in Bezug auf die
Verarbeitbarkeit liegt vor allem
im Wasseranspruch. Eine Senkung des Wasseranspruchs hat
eine Senkung der benötigten
Fließmittelmenge zur Folge.
Es werden Anwendungsbereiche aufgezeigt, die bei Einhaltung eine sichere und wirtschaftliche Lösung für Spritzbeton im Tunnelbau ergeben.
Ziel war es ferner, eine Methode zu entwickeln, mit der man
die Klebrigkeit einfach quantifizieren kann, wobei infolgedessen durch das Ermitteln
von Vergleichswerten eine objektive Beurteilung vorgenommen werden kann.
1 Klebrigkeit des
Mischgutes
Starke Schwankungen in
den Frühfestigkeiten können
Qualitätseinbußen des Spritzbetons hervorrufen und sollten
tunlichst verhindert werden.
Eine konstante Frühfestigkeit
ist dabei von vielen unterschiedlichen Faktoren abhängig. Die Klebrigkeit des Nassspritzgutes etwa ist ein Parameter, welchem bisher wenig
Beachtung geschenkt wurde,
wobei sie einen teilweise erheblichen Einfluss auf die Konstanz der Festigkeitsentwicklung aufweist.
Aussagekräftige Ergebnisse
konnten in Bezug auf die Frühfestigkeitsentwicklung des jungen Spritzbetons bis zu einer
Stunde gewonnen werden,
wobei folgende Parameter zusätzlich untersucht wurden:
15
Properties of Shotcrete
Tunnel 1/2006
1 Unterschiedliche Frühfestigkeitsentwicklungen bis zu einer Stunde bei annähernd konst. BE-Dosierung (6,2 %–6,5 %) und vergleichbaren Randbedingungen
1 Different early strength developments up to 1 h given almost constant accelerator dosage (6.2 - 6.5 %) and comparable general conditions
Beschleunigerdosierung
Anrechenbarer Bindemittelgehalt
■ Gesamtwassergehalt
bzw.
Wasser/Bindemittel-Wert
■ Mischguttemperatur bei Verarbeitung
■ Mischgutalter bei Verarbeitung
■ Gerätschaften und Maschineneinstellungen.
Die Messungen sollten in
erster Linie Grenznutzwerte
deutlich machen und unwirtschaftliche Dosierungen verhindern.
■
■
It may be asserted that the
problems arising from stickiness of the material do not only
depend on the superplasticizer
and its polymer structure but
also on the combination of superplasticizer, binding agent
and aggregate grading, which
exerts a major influence on the
rheological properties of the
fresh concrete and consequently on the required amount of
water and the degree of stickiness. The influence of the binding agent regarding processability of the material depends
2 Unterschiedliche Festigkeitsentwicklungen bis zu einer Stunde bei konst.
BE-Dosierung
2 Different early strength developments up to 1 h given constant accelerator
dosage
first and foremost on the binding agent’s water requirement.If
the water requirement is lowered this results in the amount
of superplasticizer needed being lowered too.
Fields of application are displayed, which provide a safe and
economic solution for shotcrete
in tunnelling.A further aim was to
develop a method by means of
which the stickiness can be
quantified in a simple manner so
that as a result an objective assessment can be undertaken by
determining comparative values.
1 Stickiness of the Mix
Pronounced fluctuations in
the early strength can result in a
loss of shotcrete quality and
must be avoided if possible. Towards this end constant early
strength depends on many different factors. The stickiness of
the wet mix is essentially a parameter, which receive little attention in the past although it
to some extent exerts a substantial influence on the constancy of the early strength development.
Meaningful results relating
to the early strength of the fresh
concrete up to an hour, whereby the following parameters
were additionally investigated:
■ dosage of accelerator
■ relevant binding agent content
■ total water content or water/binding agent value
■ mix temperature during processing
■ mix age during processing
■ equipment and machine settings.
The measurements should primarily make limit values evident
and prevent uneconomic dosing.
The application of superplasticisers is irrevocably linked
to modern concrete construction. The development of SCC
and high-performance concretes since the 1990s facilitated the production of slender
construction parts, architec-
16
Im modernen Betonbau ist
die Verwendung von Hochleistungsverflüssigern nicht mehr
wegzudenken. Die Entwicklung von SCC- und Hochleistungsbetonen ab den 1990erJahren ermöglichte die Herstellung feingliedriger Bauteile, architektonisch komplizierter Formen und Betonoberflächen hoher Qualität. Neben all
den betontechnologischen Vorteilen, die moderne Fließmittel
mit sich bringen, sind in der
Praxis Probleme bezüglich der
Verarbeitbarkeit bekannt, welche sich auch im Bereich des
Spritzbetons bemerkbar machen können. Sowohl die einwandfreie Pumpbarkeit der Betone als auch eine konstante
Festigkeitsentwicklung über den
gesamten Tunnelquerschnitt
kann beim Einsatz solcher Zusatzmittel, trotz Erreichens eines großen Ausbreitmaßes, oft
nicht erreicht werden.
Unter Berücksichtigung der
durchgeführten Untersuchungen ist festzustellen, dass die
Verarbeitbarkeit und die teilweise negativen Einflüsse auf
die Frühfestigkeitsentwicklung
aber nicht nur vom Fließmittel
und seiner Polymerstruktur allein abhängen, sondern dass
viel mehr auch die Kombination aus Fließmittel, Bindemittel, Gesteinskörnungen und
dem dazugehörenden Wasseranspruch einen großen Einfluss auf die rheologischen Eigenschaften des Nassspritzgutes und infolgedessen auf die
Klebrigkeit hat.
Der Grund für eine wechselnd hohe Klebrigkeit des
Nass-Mischgutes und der daraus resultierenden Problematik einer streuenden Festigkeitsentwicklung liegt in einer
„quantitativ unkonstanten Einmischung des Erstarrungsbeschleunigers an der Düse“. Die
Auswirkungen daraus sind:
■ unterschiedliche Festigkeitsentwicklungen (Bereiche mit
Über- und Unterdosierungen)
Spritzbeton-Festigkeitseigenschaften
■ geringere Endfestigkeiten (Reduktion der Endfestigkeit durch
Überdosierungen)
■ Spannungsrisse durch unterschiedliches Schwindverhalten
zurzeit der Frühfestigkeitsentwicklung. Daraus kann wiederum eine geringere Dauerhaftigkeit bei Eindringen von
sulfathaltigen Gebirgswässern
folgen.
3 Aufbau einer Kugelpackung mit
Einlagerungskugeln
maximaler
Größe
2 Frühfestigkeitsentwicklung am
jungen Spritzbeton
3 Set-up of a spheroid package
with embedded spheres of maximum size
Die Messergebnisse in Bild 1
stellen Festigkeitsentwicklungen von jungem Spritzbeton
an 2 Tunnelbaulosen dar, welche durch annähernd gleiche
Spritzbetonrezepturen eine gewisse Vergleichbarkeit der aufgezeichneten Messergebnisse
rechtfertigen. So stellen die Messungen Aufzeichnungen von
Betonrezepturen dar, welche
sich in erster Linie durch eine
unterschiedlich hohe Klebrigkeit des Nassspritzgutes unterscheiden, wobei
■ verwendetes Bindemittel
■ Zusatzstoffe
■ anrechenbarer Bindemittelgehalt
■ Spritzbetonalter bei Verarbeitung
■ Betontemperatur
■ Lufttemperatur
■ BE-Typ bzw. Hersteller
turally complicated forms and
high-grade concrete surfaces.
Apart from all the advantages
provided by modern superplasticizers in terms of concrete
technology, it is no secret that
there are problems regarding
processability in practice, which
can also affect the shotcrete.Often neither the perfect pumpability of concrete nor a constant
strength development over the
entire tunnel cross-section can
be attained when such additives are employed in spite of a
large spread being achieved.
However, it can be established taking the investigations
that were carried out into account that the processability
and the partially negative influences on the early strength development do not solely depend on the superplasticizer
4 Erforderliche Fließmitteldosierungen von Betonen unterschiedlicher Kornzusammensetzung zum Erreichen von 54 cm Ausbreitmaß – Optimierungspotenzial bei Modifikation der Korngrößenverteilung
4 Required plasticiser dosages for concretes of different grain composition
to attain 54 cm spread – optimisation potential given modification of the
grain size distribution
Tunnel 1/2006
and its polymer structure but
that the combination of superplasticizer, binding agent, aggregate grading and the related
amount of water required exert
a major influence on the rheological properties of the wet mix
and in turn, to an even greater
extent on the stickiness.
The reason for the changing
high stickiness of the wet mix
and the problems relating to
scattered strength development
resulting from it is due to “quantitatively inconstant mixing of the
accelerator at the nozzle”. This
has the following effects:
■ different strength developments (areas with over and underdosing)
■ lower final strengths (reduction of the final strength as a result of overdosing)
■ stress cracks resulting from
varying shrinkage behaviour at
the time of the early strength development.This can for its part,result in lower durability on account
of penetration of underground
water containing sulphates.
2 Early Strength
Development of young
Concrete
The measurement results
shown in Fig. 1 present strength
developments of young shotcrete at 2 tunnelling contract
sections, which justify a certain
comparability of the recorded
measurement results on the basis of highly similar shotcrete
recipes.The measurements thus
present concrete recipes, which
differ from one another first and
foremost through varyingly high
stickiness of the wet mix, with
■ applied binding agent
■ aggregates
■ relevant binding agent content
■ age of shotcrete when processed
■ concrete temperature
■ air temperature
■ accelerator type or manufacturer
■ accelerator temperature
■ accelerator dosing
Tunnel 1/2006
BE-Temperatur
BE-Dosierung
■ Maschineneinstellungen
(Pumpenfüllgrad, BE-Dichte,
Bindemitteleinstellungen)
annähernd konstant blieben.
Bild 2 zeigt repräsentative
Messungen, welche deutlich
unterschiedliche Festigkeitsentwicklungen innerhalb einer
Betoncharge (Charge A) aufweisen. Die Charge A wurde
optisch als sehr klebrig bewertet. Über den Tunnelquerschnitt wurden pro Charge insgesamt 10 Frühfestigkeitsaufzeichnungen durchgeführt, wobei innerhalb der Charge A Bereiche gemessen wurden, welche von Anfang an im J3-Bereich lagen (Charge A, Messung „High“), benachbarte
Bereiche aber unterhalb der
J2-Grenze starteten (Charge
A, Messung „Low“). Der Mittelwert der 10 Frühfestigkeitsentwicklungen der klebrigen
Charge A (Charge A, Messung
„Middle“) liegt dabei deutlich
unter dem Mittelwert der
Frühfestigkeitsentwicklung einer Charge B (Charge B, Messung „Middle“), welche optisch als nicht klebrig befunden wurde. Die Festigkeitsentwicklung der Charge B, welche
am selben Tag verarbeitet wurde und durch eine unterschiedliche Mischungskomposition hinsichtlich Zusatzmittelchemie und
Sieblinie eine geringe Klebrigkeit aufwies, zeigt eine konstante Frühfestigkeitsentwicklung innerhalb der 10 Messreihen über den gesamten Tunnelquerschnitt (Charge B, Messung
„Middle“). Die angeführten relevanten Parameter waren bei
beiden Chargen annähernd
konstant. Die Chargen unterschieden sich also lediglich
durch die Art der Zusatzmittelchemie, deren Dosierung und
in der Sieblinienzusammensetzung im Feinteilbereich.
Es scheint also einen Zusammenhang zwischen Festigkeitsentwicklung des jungen
■
■
Properties of Shotcrete
Spritzbetons und der Klebrigkeit des Nassspritzgutes zu geben. Prinzipiell deuten die Aufzeichnungen darauf hin, dass
eine zu hohe Klebrigkeit des
Nassmischgutes eine konstante Einmischung des BEs an der
Spritzdüse beeinträchtigt. Infolgedessen kommt es zu
unterbeschleunigten Bereichen
an der Tunnelwandung, welche auf Grund einer zu niedrigen Festigkeitsentwicklung in
den ersten Minuten zu Rückfall
des Spritzbetons in den Tunnelinnenraum neigen. Gleichzeitig wurden überbeschleunigte Bereiche beobachtet, was
wiederum eine mengenmäßig
unkonstante Einmischung des
BEs auf Grund einer sehr hohen Klebrigkeit bestätigt.
3 Einflussfaktoren auf
die Klebrigkeit und
das Fließverhalten
Die unterschiedliche Klebrigkeit wird also in erster Linie
durch Zusatzmittelchemie (Art
■ machine settings (pump fill
factor, accelerator impermeability, binding agent settings)
remaining practically constant.
Fig. 2 shows representative
measurements, which display
clearly different strength developments within a single batch
of concrete (batch A). Batch A
was assessed as being very
sticky through optic appraisal.
Altogether, 10 early strength
recordings were executed per
batch over the tunnel cross-section,with areas being measured
within batch A, which were located in the J 3 area from the
very start (batch A, measurement “high”), although neighbouring areas began below the
J 2 limit (batch A, measurement
“low”). In this connection, the
average value for the 10 early
strength developments of sticky
batch A (batch A, measurement
“middle”) lies considerably below the average value of the
early strength development of
batch B (batch B, measurement
“middle”), which optically was
5 Darstellung des Trichterdurchlaufsystems
5 Presentation of the funnel throughout system
17
not considered to be sticky. The
strength development of batch
B, which was processed the
same day and revealed slight
stickiness as a result of a different mix composition pertaining
to the chemistry of the additives
and grading curve,displays constant early strength development within the 10 series of
measurements over the entire
tunnel cross-section (batch B,
measurement “middle”).The applied relevant parameters were
practically constant for both
batches. In other words, the
batches only varied in the form
of the chemistry of the additives,whose dosing and grading
curve composition lay in the
fine particle zone.
It thus appears there is a link
between strength development
of the fresh shotcrete and the
stickiness of the wet mix. Essentially these recordings indicate
that excessively high stickiness
of the wet mix influences constant mixing of the accelerator
at the nozzle.As a consequence,
18
Spritzbeton-Festigkeitseigenschaften
und Dosierung), das Wechselspiel Zusatzmittelchemie – Bindemittel sowie den Wasseranspruch des Bindemittels und der
Gesteinskörnung beeinflusst.
Eine Bewertung der Klebrigkeit im Vorfeld sollte über
■ die Quantität und die Qualität des Fließmittels sowie über
■ die Bewertung des Wasseranspruchs des Bindemittels
und der Gesteinskörnung erfolgen.
3.1 Bindemittel
Mit zunehmender Zementleimmenge sinkt die Fließgrenze der Mörtel und Betone. Diesen Effekt kann man sich folgendermaßen erklären: Der
Zementleim füllt die Hohlräume zwischen den Zuschlagkörnern und drückt diese bei weiterer Erhöhung auseinander.
Diese Schicht erleichtert das
Gleiten der Zuschlagpartikel
und erhöht die Fließfähigkeit.
Allerdings kann durch eine
größere Zementleimmenge der
Wasseranspruch erhöht werden, was eine Anhebung der
Fließgrenze zur Folge hat.
Wird gleichzeitig die Fließmittelmenge erhöht, um das Ausbreitmaß konstant zu halten,
erhöht sich in gleichem Maße
die Klebrigkeit. Eine optimierte
Korngrößenverteilung des Bindemittels senkt den Wasseranspruch und die Klebrigkeit.
3.2 Gesteinskörnung
Je feiner die Gesteinskörnung zusammengesetzt ist,
desto größer ist seine spezifische Oberfläche. Damit steigen
auch die Anziehungskräfte
zwischen den Feststoffpartikeln im Nass-Mischgut. Die
Folge ist eine Vergrößerung
der Fließgrenze. Des weiteren
muss eine größere Fläche vom
Zementleim benetzt werden,
was zu einer Erhöhung des
Wasseranspruches führt.
Die Sieblinie der Korngruppe 0/4 und ihr mengenmäßiger Anteil bei einer Betonre-
6 Klebrigkeitsbewertung – Trichterdurchlaufsystem (Schematische Bewertungsdarstellung)
6 Stickiness evaluation – funnel throughout system (schematic assessment
presentation)
zeptur hat einen wesentlichen
Einfluss auf die Wirkungsweise
der Fließmittel bzw. Verflüssiger. Insbesondere der Mehlkornanteil (Korngrößen < 0,125 mm)
ist nicht unwesentlich verantwortlich für den Wasseranspruch und somit auch für den
Fließmittelbedarf von Mörteln
bzw. Betonen.
3.3 Korngrößenverteilung
(KGV) von Bindemittel und
Gesteinskörnung
In der Bindemittel- bzw. Betontechnologie ist für die Erreichung technologischer Werte der W/B-Wert eine wesentliche Komponente. Der im Gemisch Gesteinskörnung – Bindemittel vorhandene Wassergehalt beeinflusst darüber
auch die Verarbeitungseigenschaften des Produktes.
Derzeit werden zur Absenkung des Wasseranteils chemische Zusatzmittel (Hochleistungsverflüssiger) dem Gemisch beigegeben. Dadurch
lassen sich Reduktionen – bei
gleicher Konsistenz – von 5 bis
25 % erreichen. Der Einsatz
der hochwirksamen Fließmittel kann aber neben zusätzlichen Kosten technisch den
the outcome is under-accelerated areas on the tunnel walls,
which tend during the first few
minutes to cause the shotcrete
to fall into the tunnel interior on
account of too low strength development. At the same time,
over-accelerated areas were observed, which in turn, confirms
an inconstant mixing of the
quantity of accelerator owing to
very high stickiness.
3 Factors of Influence
on the Stickiness and
the Flow Behaviour
The varying stickiness is primarily influenced by the chemistry of the additives (nature and
dosage), the interplay between
the chemistry of the additives binding agent as well as the water requirement of the binding
agent and the rock granulation.
Advance assessment of the
stickiness should be undertaken to determine
■ the quantity and quality of
the superplasticizer as well as
■ the water requirement of the
binding agent and the granulation.
3.1 Binding Agent
The flow limit of mortars and
concretes drops as the amount
Tunnel 1/2006
of cement paste increases. This
effect can be explained in the
following manner. The cement
paste fills the voids between the
aggregate particles and in the
event of a further increase,
drives them further apart. This
layer makes it easier for the aggregate particles to glide and
increases the flowability. It must
be said, however, that a larger
amount of cement paste increases the water requirement,
which in turn, results in an increase in the flow limit. If the
amount of superplasticizer is increased in order to retain a constant amount of spread, the
stickiness increases to the same
degree. The water requirement
and the stickiness are decreased
by optimized grain size distribution of the binding agent.
3.2 Rock Granulation
The finer the composition of
the rock granulation is the
greater is its specific surface
area. In this way, the forces of attraction between the solid particles in the wet mix also increase.
Furthermore, a larger area has to
be moistened with cement
paste, something which leads to
a higher water requirement.
The grading curve of grain
group 0/4 and its percentage
amount for a concrete recipe
has a considerable influence on
the method of working of the
plasticisers or superplasticizers.
The flour particle share (grain
sizes < 0.125 mm) plays a relatively important role in terms of
the water requirement and in
turn for the plasticizer requirement for mortars and concretes.
3.3 Grain Size Distribution of
Binding Agents and Rock
Granulation
The water/binding agent
value represents an essential
component for attaining technological values in binding
agent or concrete technology.
The water content contained in
the rock granulation – binding
Tunnel 1/2006
Nachteil haben, dass der Beton
eine erhöhte Klebrigkeit aufweist.
Ein anderer Weg ist, über
die Kornzusammensetzung des
Zement/Bindemittels den Wasseranspruch zu senken, sodass
im gleichen Maße die FM-Dosierung reduziert werden kann.
Durch definierte Mahlung des
Klinkers bzw. durch die Zugabe von Feinststoffen kann
die Kornzusammensetzung im
Feinstbereich verändert bzw.
gesteuert werden.
Eine solche Optimierung beruht auf einer möglichst geringen Abweichung der Summenfunktion der verwendeten Bindemittel im Bereich bis 192 µm,
bezogen auf eine optimale
Summenfunktion in Anlehnung
an die Fuller-Kurve. Die FullerKurve ist als empirisches Instrument zum Aufbau dichter
Schüttungen kugeliger Körper
zu verstehen.
Außerdem muss die Korngrößenverteilung derart sein,
dass Körner von gleicher Größe nicht zusammenliegen, sondern jedes Korn ohne jede Ordnung reichlich von kleineren
Körnern umgeben ist. Dadurch
wird die Haufwerksporosität
minimiert (Bild 3). In diesem
Hohlraumvolumen kann im
Zuge des Betonmischvorganges Wasser „eingeschlossen“
7 Kraft-Widerstandssystem
7 Force-resistance system
Properties of Shotcrete
agent mix also influences the
product’s processing properties.
Currently chemical additives
(high-performance plasticizers)
are added to the mix to reduce
the share of water.In this way,reductions of 5 to 25 % can be
achieved – given the same consistency. The application of
highly effective plasticizers can,
however, have the disadvantage that the concrete becomes
stickier quite apart from the additional costs involved.
Another method is to reduce the water requirement via
the granular composition of the
cement/binding agent so that
the plasticizer dose can be reduced to the same extent. The
granular composition in the ultra-fine zone can be changed or
controlled through defined
grinding of the clinker or by
adding extremely fine particles.
Such optimization depends
on an as small as possible deviation of the sum function of the
applied binding agent up to
192 µm relating to an optimal
sum function with respect to
the filling curve.The filling curve
is to be understood as an empirical instrument to establish
dense fills of speroid bodies.
Furthermore, the grain size
distribution must be of such a
nature that particles of the
20
werden, welches einerseits
nicht mehr zur Konsistenzsteigerung zur Verfügung steht
und andererseits beim Verbleiben im Gemisch zu erhöhter
Porenbildung und erhöhter
Schwindneigung führen kann.
Bild 4 zeigt das Optimierungspotenzial hinsichtlich FM-Reduktion bei Modifikation der
Korngrößenverteilung.
Dem Ausgangsbindemittel
(0-Beton) wurden Aschen,
Schlacken bzw. Steinmehle
nach einer mathematischen
Modellannahme
zugegeben
(BK1 – BK4) und somit sukzessive die Korngrößenverteilung optimiert. Dadurch lässt
sich der Wasseranspruch, die
Fließmitteldosierung um bis zu
70 % und infolgedessen auch
die Klebrigkeit deutlich reduzieren. Die Senkung des Wasseranspruches ist dabei nahezu unabhängig von der Menge
der zugegebenen Zusatzstoffe, sondern hängt nur von der
Verteilung der Feinteile, speziell unter 192 µm, ab.
3.4 Zusatzmittel
Zurzeit werden hauptsächlich Hochleistungsverflüssiger
auf Polycarboxylatbasis zur
Herstellung einer breiten Palette von Betonprodukten verwendet. Weiter ist der Trend
zu Niedrigdosierungen der FM
zu beobachten, was eine stark
verflüssigende Wirkung dieser
Fließmittel voraussetzt. Diese
Fließmittelarten können jedoch eine starke Klebrigkeit
des Frischbetons hervorrufen.
3.5 Zusammenwirken von
Fließmittel und Bindemittel
Das Fließmittel ist in seiner
Wirkung auch von der Art und
Menge der restlichen Betonkomponenten abhängig. Die
Wahl des Bindemittels ist dabei
von primärer Bedeutung. Die
Zementarten unterscheiden sich
vor allem in der Geschwindigkeit und Intensität ihrer hydrothermalen Reaktion. Das Potenzial der Bindemittel in Be-
Spritzbeton-Festigkeitseigenschaften
8 Klebrigkeitsbewertung – Kraft-Widerstandssystem (Schematische Bewertungsdarstellung)
8 Stickiness evaluation – force-resistance system (schematic assessment presentation)
zug auf die Verarbeitbarkeit
liegt vor allem in ihrem Wasseranspruch. Eine Senkung
des Wasseranspruchs hat eine
Senkung der benötigten Fließmittelmenge zur Folge. Dadurch wird eine geringere Klebrigkeit erreicht.
4 Bewertungsmöglichkeiten
Diverse Untersuchungen zur
Klebrigkeit werden größtenteils anhand von Mörtelmischungen mittels Rheometer
durchgeführt. Die bei solchen
Messungen erhaltenen Ergebnisse können zwar tendenzielle
same size do not lie together
but that each grain is surrounded by many smaller ones in no
particular order. In this way, the
porosity of the material is minimised (Fig. 3). During the concrete mixing process water can
be “enclosed” in this cavity volume, which on the one hand, is
no longer available for increasing the consistency and on the
other, can lead to enhanced
pore formation and increased
proclivity to shrinkage by remaining in the mix.
Fig.4 shows the optimisation
potential regarding reduction of
the plasticizer given modification
of the grain size distribution.
9 Rasterelektronenmikroskop-Aufnahme eines CEM I
9 Scanning electron microscope recording of a CEM I
Tunnel 1/2006
The initial binding agent
(0-concrete) had ashes, slag or
rock flour added to it in accordance with a mathematical
model assumption (BK1 – BK4)
and in this way, the grain size
distribution was successively
optimized. As a result, the water
requirement and the plasticizer
dosage can be reduced by up to
70 % and in turn,the stickiness is
substantially reduced. In this
connection, lowering the water
requirement is practically independent of the amount of
the added additives – only depends on the distribution of the
fine particles, especially below
192 µm.
3.4 Admixtures
Currently mainly high-performance plasticizers on a polycarboxylate basis are used to
produce a wide range of concrete products. The trend to
continue applying low dosages
of plasticizers can still be observed, something which requires a strong plasticizing effect on the part of such agents.
At the same time, they are capable of causing the fresh concrete to become very sticky.
3.5 Interaction of Plasticizer
and Binding Agent
The effect of the plasticizer
also depends on the nature and
amount of the other concrete
components.
Thus the choice of binding
agent is of primary importance.
Types of cement vary first and
foremost in the speed and intensity of their hydrothermal reaction.
The binding agent’s potential with regard to its processability mainly relates to its water
requirement. If the water requirement is lowered this in
turn causes the required
amount of plasticizer to be reduced. In this way, a lower stickiness factor is attained.
Tunnel 1/2006
Entwicklungen aufzeigen, jedoch eindeutige Erkenntnisse
lassen sich lediglich durch Betonmischungen ermitteln.
Die bisherige Bewertungsgröße hinsichtlich der Verarbeitbarkeit von Betonen stellte
das Ausbreitmaß dar. Allerdings ist die unangefochtene
Aussagekraft durch eine alleinige Messgröße „Ausbreitmaß“
durch den Einsatz von Hochleistungsverflüssigern und der
damit verbundenen Problematik nicht mehr gegeben, da man
keine lückenlose Aussage mit
dieser Messgröße zur Verarbeitbarkeit, zur Pumpbarkeit und
vor allem zur Klebrigkeit erhält.
Zur Bewertung der Verarbeitbarkeit von solchen Betonen weicher Konsistenz, die
auch für die Bewertung der
Properties of Shotcrete
Klebrigkeit geeignet sind, bieten sich beispielsweise folgende Versuchseinrichtungen an:
■ L-Box
■ Blockierring.
Diese Versuchseinrichtungen sind aber nur, wie bereits
angeführt, für Betone mit einer sehr weichen bis selbstverdichtenden Konsistenz geeignet. Um jedoch auch eine Bewertung der Betone mit steifer
bzw. mit mittlerer Konsistenz
zu ermöglichen, bedarf es neuer Versuchseinrichtungen.
Die Entwicklung solcher
Vorrichtungen gestaltet sich
als sehr schwierig, da eine klare Definition der Klebrigkeit
derzeit noch nicht vorliegt.
Nach diversen durchgeführten
Untersuchungen erscheinen
zum derzeitigen Stand folgen-
4 Evaluation
Possibilities
Various examinations on
stickiness were largely undertaken on mortar mixes by means of
rheometers.The results obtained
by such measurements can admittedly show tendential developments, however, clear recognitions can only be achieved
through using concrete mixes.
Previously, the assessment
parameter relating to the
processability of concretes was
the “spread”.
However, the undisputed
validity of a sole parameter
„spread“ no longer applies
through the application of highperformance plasticizers and
the related problems as it is not
possible to obtain any proper
21
conclusions with this parameter
pertaining to the processability,
pumpability and above all, the
stickiness.
The following test facilities
are for instance available to assess the processability of such
concretes with soft consistency,
which are also suitable for evaluating the stickiness:
■ L-box
■ blocking ring.
These test appliances are,
however, only, as already mentioned, for concretes with an extremely soft to self-compacting
consistency.
New test appliances are required to be able to assess concretes with stiff or average consistency.
The development of such
appliances has turned out to be
22
Spritzbeton-Festigkeitseigenschaften
Tunnel 1/2006
de neu entwickelte Versuchseinrichtungen als durchaus
aussagekräftig:
■ das Trichterdurchlaufsystem
■ die Kraft-Widerstandsmethode.
4.1 Das Trichterdurchlaufsystem
Die Messvorrichtung besteht
aus einem 5-stufigen, übereinander stehenden Trichtersystem,
wobei sich die einzelnen Trichteröffnungen nach unten verjüngen (Bild 5). Zur Bewertung herangezogen wird die Durchlaufgeschwindigkeit des Frischbetons durch die einzelnen Trichter,
welche Aufschluss über die Klebrigkeit bzw. die Verarbeitbarkeit
des Betons geben kann.
Zur Bewertung von steiferen Betone werden Oberflächenrüttler mit definierter Leistung an die Trichter angebracht, welche ein gleichmäßiges Durchlaufen des Betons
ermöglichen (Bild 6). Nach Abschluss von durchgeführten Voruntersuchungen hat sich herausgestellt, dass dieses neu entwickelte System als durchaus aussagekräftig zu betrachten ist.
4.2 Kraft-Widerstandssystem
Ein weiteres Bewertungssystem stellt das Kraft-Widerstandssystem dar (Bild 7). Der
Grundgedanke des Messsystems basiert auf der Wechselwirkung zwischen Kraft und Widerstand. Es gilt, die Kraft bzw. den
Widerstand zu messen, welche
notwendig ist, um einen Körper
in die Suspension einzutauchen
bzw. aus der Suspension herauszuziehen. Je höher die Klebrigkeit der Suspension ist, desto
höher ist der Kraftaufwand, um
den Körper aus der Masse herauszuziehen (Bild 8).
Das neu entwickelte System
zeigt anhand der durchgeführten Untersuchungen, dass mit
dieser Methode zur Klebrigkeitsbewertung genaue Werte
erreicht werden. Als Ergänzung zur entwickelten Klebrigkeitsmessmethode sollte eine
10 Mathematische Bewertungsgröße – Summe der Fehlerquadrate zur optimalen Summenfunktion
10 Mathematical assessment parameter – sum of the square errors for optimal sum function
Luftporenmessung an den Proben durchgeführt werden. Die
Entstehung von Luftporen im
Gemisch hängt mit der Kombination bestimmter Fließmittel
und Bindemittel zusammen.
Diese Lufteinschlüsse haben
eine Senkung der Klebrigkeit
(siehe Literatur: Luftporen beeinflussen die Viskosität) zur
Folge und verzerren somit die
Messergebnisse.
extremely difficult as there is no
clear definition of stickiness
available at present.After undertaking various investigations the
following newly developed test
appliances appear to be capable
of providing valid conclusions:
■ the funnel throughput system
■ the force-resistance method.
4.1 The Funnel Throughput
System
The measuring appliance
consists of a 5-stage funnel system, placed one on top of the
other with the individual funnel
apertures becoming narrower
towards the bottom (Fig. 5). The
throughput speed of the fresh
concrete through the individual
funnels is assessed, which can
provide conclusions on the
stickiness and processability of
the concrete.
To assess stiffer concretes,
surface vibrators with defined
performance are attached to the
funnels, something which enables the concrete to pass
through uniformly (Fig. 6). After
completion of preliminary tests,
it emerged that this newly developed system can be considered
to provide valid conclusions.
4.2 Force-Resistance
System
The force-resistance system
represents a further method of
evaluation (Fig.7).This measurement system essentially is
based on the interaction be-
Tabelle: Mischungszusammensetzung
Table: Mix Composition
Bindemittel/Binding agent
Anrechenbarer Bindemittelgehalt/
Relevant binding agent content [kg]
Zuschlag/Aggregate
70 %
30 %
Wasser/Water
[l]
Summe der Fehlerquadrate
(Bewertung des Wasseranspruches)/
Sum of the square errors
water requirement)
[–]
Fließmittel /Plasticiser
[%]
Ausbreitmaß/Spread
[cm]
Frischbetontemperatur/
Fresh concrete temperature
[° C]
LP-Gehalt im Festbeton/
Air pore content in solid concrete [%]
Optische Bewertung der Klebrigkeit/
Optical appraisal of the stickiness
Mischng 1
Mix 1
Mischung 2
Mix 2
Mischung 3
Mix 3
Mischung 4
Mix 4
440 kg/m3
CEM II A-S 42,5 R
Hersteller A/
Manufacturer A
0 kg/m3
AHWZ
440 kg/m3
CEM II A-S 42,5 R
Hersteller B/
Manufacturer B
0 kg/m3
AHWZ
400 kg/m3
CEM II A-S 42,5 R
Hersteller A/
Manufacturer A
50 kg/m3
AHWZ
400 kg/m3
CEM II A-S 42,5 R
Hersteller B/
Manufacturer B
50 kg/m3
AHWZ
440
440
440
440
0/4
4/8
200
0/4
4/8
200
0/4
4/8
200
0/4
4/8
200
65
140
50
120
0,43
53
0,78
54
0,38
54
0,63
54
19,5
19
19
19
2,0
2,2
2,2
2,2
gering klebrig/
slightly
klebrig/
sticky
gering klebrig/
slightly
klebrig/
sticky
Tunnel 1/2006
4.3 Mathematische
Ansätze zur Voraussage
des Wasseranspruches
Packungen und deren geometrische Eigenschaften spielen unter anderem eine Rolle
im Zusammenhang mit der
Untersuchung gewisser physikalischer Eigenschaften von
festen Materialien, Flüssigkeiten oder granularen Stoffen,
wie dies auch Bindemittel/Zemente darstellen. Zur Simulation derartiger Packungen wurden theoretische Rechenmodelle entwickelt und verwendet. Allerdings war es bisher
notwendig, diese Modelle durch
geometrisch idealisierte Annahmen stark zu vereinfachen,
um überhaupt zu verwertbaren Aussagen zu gelangen
oder um einem allzu hohen
Bedarf an Rechenleistung und
Properties of Shotcrete
Speicherkapazität vorzubeugen.
So liegt beispielsweise der
bekannten Fullerkurve zur Ermittlung einer optimalen Korngrößenverteilung für möglichst
dichte Packungen ein Modell
zu Grunde, in dem die einzelnen Partikel als regelmäßig angeordnete Kugeln angenommen werden. Diese Annahme
ist jedoch keineswegs immer
gerechtfertigt. Die Partikelform kann beträchtlich von der
Kugelform abweichen. Außerdem ordnen sich Partikel unter
natürlichen Bedingungen nicht
immer regelmäßig an.
Es kann aber auf dem
gegenwärtigen Entwicklungsstand beschrieben werden,
wie die theoretischen Ergebnisse und numerischen Algorithmen zur Optimierung von
Bindemitteln eingesetzt wer-
tween force and resistance. The
force and resistance have to be
measured, which are necessary
to submerge a body in the suspension and to remove it from
the suspension. The higher the
suspension’s stickiness is, the
greater amount of force is needed to remove the body from the
mass (Fig. 8).
The newly developed system reveals on the basis of the
investigations undertaken that
exact values are attained with
this method for assessing stickiness. An air pore measurement
should be carried out on the
samples to round off the developed stickiness measurement
method. The existence of air
pores in the mix depends
on the combination of certain
plasticizers and binding agents.
These air inclusions result in
23
lowering the stickiness (please
see reference: Air Pores influence the Viscosity) and thus distort the measurement results.
4.3 Mathematical
Applications to predict the
Water Requirement
Packages and their geometrical characteristics for instance,
play a role in conjunction with
examining certain physical
properties of solid materials, liquids or granular substances
such as are represented by
binding agents/cements. In order to simulate such packages
theoretical analytical models
were devised and applied.However, up till now it has been necessary to greatly simplify these
models by means of geometrically idealised assumptions so
that utilisable conclusions
24
den können, um auf Grundlage
der Ergebnisse korngrößenoptimierte Zemente zu entwickeln, welche durch eine deutliche Reduktion des Wasseranspruches die Problematik einer
zu hohen Klebrigkeit kompensieren können. Für eine gegebene Partikelform (Klinker
Bild 9, Flugasche, Schlacke) und
eine gegebene Korngrößenverteilung der Einzelkomponenten (Ausgangszemente und
AHWZs) können anschließend
auf numerischem Weg geeignete Packungen im Rahmen
des Verwendungszweckes simuliert werden, welche sich
durch einen deutlich reduzierten Wasseranspruch auszeichnen. Im Zuge dessen kann eine
Reduktion der Zusatzmittelchemie (FM) vorgenommen
werden, was zu einer deutlichen Reduktion der Klebrigkeit führen kann.
In Bild 10 wurde mit der
Summe der Fehlerquadrate die
Abweichung von 5 untersuchten Betonen von der dichtesten Packung dargestellt. Im
Bild ist eine Optimierungsroutine der Bindemittel(kombinationen) für 5 Betone dargestellt. Der 0-Beton wird durch
Zugabe von abgestimmten
AHWZs optimiert, sodass infolgedessen durch eine deutliche Reduktion des Wasseranspruches eine Minimierung des
Fließmittels durchgeführt werden kann. Als Endergebnis
sinkt die Klebrigkeit deutlich.
5 Laboruntersuchungen
In der Tabelle und in Bild 10
werden Ergebnisse dargestellt,
welche anhand von Labormischungen mit unterschiedlicher Klebrigkeit erreicht wurden. In den durchgeführten
Spritzversuchen wurden Ausgangsbindemittel verschiedener
Hersteller (CEM II A-S 42,5R)
verwendet, welche einen un-
Spritzbeton-Festigkeitseigenschaften
11 Frühfestigkeitsentwicklungen der Mischungen 1 bis 4
11 Early strength developments for mixes 1 to 4
terschiedlichen Wasseranspruch
aufweisen und infolgedessen
unterschiedliche FM-Gehalte zur
Einstellung einer konstanten
Konsistenz benötigen. Durch
den erhöhten FM-Gehalt wird
die Klebrigkeit gesteigert (Mischung 1, Mischung 2).
Durch Zugabe von 50 kg
AHWZ wird die KGV nach einem mathematischen Modell
positiv modifiziert und die Klebrigkeit infolge einer FM-Reduktion gesenkt (Mischung 3,
Mischung 4). Es wurde je Mischung eine Spritzkiste hergestellt, welche bei einer Temperatur von 20 °C gelagert wurde.
In Bild 11 ist der unterschiedliche Festigkeitsverlauf auf Grund
verschiedener Klebrigkeit der
untersuchten Mischungen 1 bis
4 (optische und anhand der
Versuchseinrichtungen erhaltenen Bewertungen) ersichtlich.
Anhand der aus diesen
Untersuchungen erhaltenen Ergebnisse lässt sich ableiten,
dass die im Labor erhaltenen
Feststellungen durchaus mit
den Ergebnissen aus der Praxis
korrelieren. Eine zu hohe Klebrigkeit des Nass-Mischgutes
kann eine reduzierte Frühfestigkeitsentwicklung durch
quantitativ unkonstante Einmischung des BEs bewirken.
could be obtained in the first
place or to prevent an excessively high requirement of computer performance and storage
capacity.
Thus for instance the known
filling curve for establishing optimal grain size distribution for
as impermeable packages as
possible is based on a model, in
which the individual particles
are regarded as regularly arranged spheres. However, this assumption is not always justified.
The particle form can deviate
considerably from the spheroid
shape. In addition, particles do
not always assume a regular
pattern under natural conditions.
At the same time with regard to the current state of development, it can be described
how the theoretical results and
the numerical algorithms can
be applied to optimize binding
agents in order to develop grain
size optimized cements on the
basis of the results, which can
compensate for the problems
caused by excessively high
stickiness through a clear reduction of the water requirement. For a given particle form
(clinker Fig. 9, fly ash, slag) and a
given grain size distribution of
the individual components (initial cements and prepared hy-
Tunnel 1/2006
draulically effective additives)
suitable packages can be simulated by numerical means within the scope of the purpose of
application, which are characterized by a clearly reduced water requirement. Consequently,
a reduction in the chemistry of
the additives (plasticizers) can
be undertaken, which can lead
to a clear reduction in stickiness.
Fig. 10 shows the deviation of
5 investigated concretes from the
most impermeable package with
the sum of the square errors.The
figure contains an optimization
routine for the binding agent
(combinations) for 5 concretes.
The O-concrete is optimized by
adding certain prepared hydraulically effective additives so that as
a result the plasticizer can be minimized through a clear reduction in the water requirement.
The outcome is that the stickiness substantially decreases.
5 Laboratory Tests
Results are contained in the
Table and in Fig .10 that were attained on the basis of lab mixes
of varying stickiness. In the
spraying tests that were carried
out, initial binding agents from
various manufacturers were
used (CEM II A-S 42.5R), which
reveal a different water requirement and as a consequence
need different plasticizer contents to establish a constant
consistency. The stickiness is increased by the rize in the plasticizer content (mix 1, mix 2).
Through the addition of
50 kg of prepared hydraulically
effective additives,the grain size
distribution is positively modified in accordance with a mathematical model and the stickiness lowered as a result of a reduction of plastiziser (mix 3,
mix 4). A spraying box was produced per mix, which was
stored at a temperature of 20° C.
Fig. 11 displays the varying
strength curve owing to the different stickiness of the exam-
Tunnel 1/2006
6 Lösungsansätze
Auf Grund der vorliegenden
Untersuchungen können zusammenfassend folgende Empfehlungen zur Verringerung der
Klebrigkeit des Nass-Mischgutes gegeben werden:
■ Verwendung von Bindemittel
bzw. Bindemittelkombinationen, die durch Korngrößenoptimierung einen geringen Wasseranspruch und eine bessere
Wirkung der Fließmittel bei geringerer Dosierung ermöglichen
■ Miteinbeziehung von Bindemittel, AHWZs und Feinteilen der
Sieblinie in Wasseranspruchsberechnungen, wobei nicht die
Quantität der vorliegenden Feinteile, sondern die Qualität (Verteilung) maßgeblichen Einfluss hat
■ Optimierung von Fließmittel im
Bereich der Verarbeitbarkeit (Klebrigkeit) durch Entwicklung von
Properties of Shotcrete
Methoden zur objektiven Quantifizierbarkeit der Klebrigkeit.
Literatur
[1] Ding, Y.; Thomaseth, D.; Niederegger, Ch.; Lukas, W.: The investigation on
the workability and flexural toughness
of fibre cocktail reinforced self compacting high performance concrete. 6th RILEM Symposium on Fibre-Reinforced
Concrete. Varenna. Italy. Sept. 2004.
[2] Niederegger, Ch.: Dissertation. Technologische Eigenschaften von Betonen
aus neuentwickelten Bindemitteln mit
optimierten Bestandteilen. Dissertation,
Universität Innsbruck. Oktober 2004.
[3] Niederegger, Ch.; Thomaseth, D.:
Erhöhung der Dauerhaftigkeit durch
optimierte Bindemittel. Sonderdruck
Architektur & Bau Forum. Österreichische Bauzeitung. Sept. 2005.
[4] Thomaseth, D; Niederegger, Ch.: Bewertung der Klebrigkeit. Beton, Nov. 2005.
[5] Niederegger, Ch.; Thomaseth, D.:
Zur Senkung des Wasseranspruches
durch korngrößenoptimierte Bindemittel. Concrete Precast and Technology – CPI/BWI Springer Verlag, 6/2005.
[6] Sigloh, H.: Technische Fluidmechanik.
VDI Verlag, 3. Auflage, Düsseldorf 1996.
[7] Gehm, L.; Schelske-Gehm, J.:
http://www.rheologie.de, Mai 2005.
ined mixes 1 to 4 (optically and
on the basis of the assessments
obtained by the test appliances).
Thanks to the results obtained from these tests,it can be
deduced that the conclusions
arrived at in the lab indubitably
correlate with the results
achieved in practice.Excessively
high stickiness of the wet mix
can cause reduced early
strength development owing
to quantitatively inconstant
mixing of the accelerator.
6 Approaches for
Solutions
On the basis of the available
tests the following recommendations can be presented in order to reduce the stickiness of
the wet mix:
25
■ application
of
binding
agents or binding agent combinations, which facilitate a lower
water requirement and an improved effect of the plasticizers
given lower dosage through
grain size optimization.
■ Inclusion of binding agents,
prepared hydraulically effective
additives and fine particles from
the grading curve in water requirement calculations, with
the quality (distribution) exerting a decisive influence rather
than the quantity of the prevailing fine particles.
■ Optimization of plasticizers in
conjunction with processability
(stickiness) through developing
methods aimed at the objective
quantifiability of stickiness.