Thermisches Berechnungsmodell zur Durchmesserbestimmung von Düsenstrahlsäulen als Qualitätssicherung im Spezialtiefbau

1. Allgemeines – Stand der Technik

Der zuverlässigste Weg zur Abschätzung der Eigenschaften von DSV-Körpern ist bis dato noch immer die Herstellung von Probesäulen, die nach einer Erhärtungsdauer von mindestens zwei Tagen freigelegt werden (siehe Abbildung 1). Diese Methode wird auch in der für das Düsenstrahlverfahren gültigen ÖNORM EN 12716 vorgesehen. Neben dem nicht unbeträchtlichen zeitlichen Aufwendungen für solche qualitätssichernde Messungen erhält man durch Probesäulen aber nur einen punktuellen Aufschluss über die erreichten Eigenschaften der DSV-Körper. Im Fall von DSV-Arbeiten in tieferen Bodenschichten ist ein Freilegen der Probesäulen häufig weder technisch realisierbar noch wirtschaftlich vertretbar.

Messverfahren zur Durchmesserbestimmung, welche derzeit von Spezialtiefbaufirmen eingesetzt werden, sind zB die Verwendung eines Faltschirms bzw einer Tastsonde, die Messung der Erosion an vorher eingebauten Pegelstangen, die Untersuchung des an der Oberfläche austretenden Rücklaufs mittels einer Massenbilanzgleichung sowie Schallpegelmessungen durch den Einsatz von Hydrofonen bzw Ultraschallmessungen. Die unterschiedlichen Anwendungsgrenzen dieser Methoden hängen vor allem vom anstehenden Boden, von den geometrischen Eigenschaften sowie den wirtschaftlichen Gegebenheiten auf der Baustelle ab.

Abbildung 1: Freigelegte Probesäulen

2. Thermisches Berechnungsmodell – theoretischer Hintergrund

2.1. Allgemeines

In einem Ende 2007 abgeschlossenen Forschungsprojekt, welches in Kooperation zwischen der PORR Technobau und Umwelt AG und der S. 77Technischen Universität Wien, Institut für Mechanik der Werkstoffe und Strukturen durchgeführt wurde, konnte ein Verfahren zur Bestimmung des Durchmessers von DSV-Körpern sowie der Materialeigenschaften von DSV-Mörtel entwickelt werden., Dieses Verfahren beruht auf der Kombination eines Materialmodells zur Erfassung der exothermen Abbindereaktion von zementgebundenen Materialien mit In-situ-Temperaturmessungen.

Im Allgemeinen zeigt der auf der Baustelle gemessene Temperaturverlauf eine Erwärmung der Säule zu Beginn, welche auf die exotherme Abbindereaktion der Zementhydratation zurückzuführen ist. Nach etwa 10 bis 60 Stunden wird die Maximaltemperatur erreicht und danach ist der Verlauf der Temperatur in der Abkühlphase vor allem durch die Eigenschaften des anstehenden Bodens und der Säulenabmessung bestimmt.

Anhand numerischer Parameterstudien (FN 4) zeigte sich, dass der Zementgehalt in der DSV-Säule hauptsächlich den Anstieg der Temperatur zu Beginn der Zementhydratation beeinflusst (siehe Abbildung 2a) und eine Zunahme des Durchmessers ein späteres Auftreten der Maximaltemperatur und eine langsamere Abkühlung mit sich bringt (siehe Abbildung 2b). Diese Effekte können auch bei In-situ-Temperaturmessungen beobachtet werden, welche in Abbildung 2c klar erkennbar sind. Aufgrund dieses signifikanten Unterschiedes können durch Vergleich von auf der Baustelle gemessenen Temperaturentwicklungen mit den Ergebnissen einer numerischen Berechnung Rückschlüsse auf den Zementgehalt und den Säulendurchmesser gezogen werden.

Die Qualität der durch Vergleich identifizierten Eigenschaften des DSV-Körpers hängt im hohen Maße von der Beschreibung der Zementhydratation (siehe Punkt 2.2.) sowie von den zugrunde gelegten thermischen Eigenschaften des anstehenden Bodens und der DSV-Zementsuspension ab.

Abbildung 2a: Parameterstudie (FN 4) – Temperaturentwicklung im Zentrum der DSV-Säule bei Veränderung des Zementgehaltes von 100 bis 500 kg/m³ bei einem gleichbleibenden Säulendurchmesser von 150 cm

Abbildung 2b: Parameterstudie (FN 4) – Temperaturentwicklung im Zentrum der DSV-Säule bei Veränderung des Durchmessers von 80 bis 240 cm bei einem gleichbleibenden Zementgehalt von 300 kg/m³

Abbildung 2c: Temperaturentwicklung im Zentrum von DSV-Säulen auf einer Baustelle in Wien – Probesäule 1 bis 3 mit erreichten Durchmessern von 110 bis 230 cm und einem Zementgehalt von 300 bis 435 kg/m³

2.2. Zementhydratation

Der Hydratationsfortschritt wird durch die Masse des in Hydraten gebundenen Wassers (Hydratmasse) m beschrieben. Der sogenannte Hydratationsgrad ξ stellt das Verhältnis zwischen der aktuellen Hydratmasse und der Hydratmasse bei vollständiger Hydratation m_∞ dar:

Die Geschwindigkeit der chemischen Reaktion, ξ=dξ/dt, wird mit Hilfe des Arrheniusgesetzes, welches üblicherweise in der Zementchemie verwendet wird, beschrieben:

In Gleichung [2] spiegelt die normierte chemische Affinität Ã(ξ) die Abhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit von den bereits gebildeten Hydraten wider. Der Exponentialterm berücksichtigt den Einfluss der Temperatur auf die Reaktionsgeschwindigkeit. Hierbei entspricht E_a der Aktivierungsenergie der Reaktion. Sie beträgt für Portlandzemente 33.500 J/mol. R ist die universelle Gaskonstante mit R = 8,315 J/(mol K) und T ist die Temperatur in Kelvin. Die Wärmeentwicklung in der hydrierenden DSV-Säule sowie der Abfluss an Wärme in den umliegenden Boden wird mit der Feldgleichung

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beschrieben, wobei ρ [kg/m³] der Dichte und c [kJ/(kg K)] der spezifischen Wärmekapazität entspricht. l_ξ [kJ/m³] ist die gesamte Wärmemenge, die während der Hydratation freigesetzt wird. Dem Abfluss von Wärme wird durch den Wärmestromvektor q Rechnung getragen, der wiederum mit der Temperatur über das Fouriersche Wärmeleitgesetz verknüpft ist,

wobei λ [kJ/(m h K)] die Wärmeleitzahl ist.

Die in Gleichung [2] aufscheinende chemische Affinität muss für das verwendete Bindemittel bekannt sein. Sie kann experimentell durch Kalorimeterversuche bestimmt werden.

3. Thermisches Berechnungsmodell – Anwendung

3.1. Messtechnische Einrichtung

Für die Messung der Temperaturentwicklung in DSV-Säulen wird eine Messeinrichtung bestehend aus einem Datenlogger und einer Temperatursonde (Hüllrohr mit innen liegenden Temperaturfühlern) verwendet (siehe Abbildung 3).

Abbildung 3: Messeinrichtung bestehend aus Datenlogger inklusive GSM-Modul zur Fernabfrage, Ersatzbatterie sowie angeschlossenen Temperaturfühlern

3.2. Durchführung der Messung

Für die Ermittlung des Säulendurchmessers mittels des thermischen Berechnungsmodells sind keine speziellen Probesäulen mehr herzustellen. Die Temperaturmessungen können in jeder Bauwerkssäule durchgeführt werden. Wesentlich ist aber, dass die Säulenlänge eventuell angepasst werden muss, da jeder Temperaturfühler in Längsrichtung der DSV-Säule eine Überdeckung in der Größe des erzielten Durchmessers haben sollte, damit eine Beeinflussung des Temperaturverlaufes von der Oberkante oder Unterkante der Säule ausgeschlossen werden kann.

Nach Herstellung der DSV-Säule ist beim Einbau der Temperaturfühler darauf zu achten, dass der Fühler genau im Zentrum der Säule unmittelbar nach der Herstellung in der gewünschten Tiefe positioniert wird. Dies erfolgt üblicherweise mit dem Bohrgerät über das Bohrgestänge, wobei der gleichzeitige Einbau mehrerer Fühler in verschiedene Tiefen möglich ist (siehe Abbildung 4). Nach dem Ziehen des Bohrgestänges kann der Datenlogger mit den Temperaturfühlern verbunden werden und die Datenaufzeichnung beginnen. Das Auslesen der Daten ist zwar jederzeit zur Kontrolle möglich, wobei die Anwendung der vorgestellten Methode erst für Temperaturverläufe möglich ist, die die Maximaltemperatur bereits überschritten haben (als Richtwert zB nach 15 Stunden bei zirka 1,0 m Durchmesser bzw 60 Stunden bei zirka 2,5 m Durchmesser).

Nach Auslesen der Datenlogger wird jede einzelne Messkurve aus den aufgezeichneten Messwerten (siehe Abbildung 5) der Einbautiefe des entsprechenden Temperaturfühlers zugeordnet. Die numerische Simulation der Temperaturentwicklung in der Säule erfolgt anschließend getrennt für jede Einbautiefe. Neben den Eingabeparametern für die numerische Berechnung, wie Zuordnung des Bindemittels, Angabe der Bodenparameter (Rohdichten, thermische Parameter) usw wird für die Simulation ein Suchbereich mit Minimal- und Maximalwerten für den möglichen Säulendurchmesser bzw Zementgehalt festgelegt. Im Zuge der Simulation werden anschließend für eine Vielzahl von Wertepaaren (Durchmesser und Zementgehalt) in diesem Bereich die numerisch berechneten Temperaturverläufe mit der Baustellenmesskurve verglichen. Jenes Wertepaar, welches die beste Übereinstimmung mit der In-situ-Messkurve liefert, stellt die prognostizierten Eigenschaften der DSV-Säule in der entsprechenden Tiefe dar (siehe Abbildung 6).

Abbildung 4: Einbau der Temperatursonde in eine „frische“ DSV-Säule

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Abbildung 5: Ausgelesenes Temperaturfile

Abbildung 6: Simulationsergebnis mit übereinstimmenden Temperaturverläufen (oben: In-situ-Messkurve; darunter: numerische Simulation)

3.3. Baustellenergebnisse

In den letzten fünf Jahren wurden im Rahmen des erwährten Forschungsprojektes bzw im Anschluss daran bereits mehr als 100 Einzelmessungen an DSV-Säulen auf Spezialtiefbaubaustellen durchgeführt und die gemessenen Temperaturverläufe mit der vorgestellten Software analysiert. Die Herstellung der Probesäulen erfolgte entweder im Simplex-, Duplex- bzw im Triplexverfahren, in verschiedenen Bodenarten, mit unterschiedlichsten Bindemitteln bei Säulen mit hergestellten Durchmessern im Bereich von 80 bis 270 cm.

Während der ersten drei Jahren wurden weitgehend die DSV-Säulen zur Validierung des thermischen Modells freigelegt, um die prognostizierten Werte mit den tatsächlich festgestellten Säulendurchmessern vergleichen zu können. Bei zwei Drittel der Einzelmessungen in den Jahren 2005, 2006 und 2007 zeigte sich eine Abweichung des prognostizierten zum tatsächlich gemessenen Durchmesser der freigelegten Probesäule kleiner 5 %, bei einem Drittel der Messungen eine Abweichung zwischen 5 und 12 % (siehe Abbildung 7a bis 7c).

Nach Abschluss des Forschungsprojektes konnte dieses Verfahren seit Beginn 2008 in Österreich, Italien, Deutschland und Ungarn bereits auf zirka 50 weiteren Spezialtiefbaubaustellen mit S. 80einer maximalen Einbautiefe von 45 m mit Erfolg im Rahmen der Qualitätssicherung eingesetzt werden.

Abbildung 7a: Validierung thermisches Modell – Gegenüberstellung von gemessenem (vertikale Achse) und prognostizertem Säulendurchmesser (horizontale Achse) für Projekte 2005

Abbildung 7b: Validierung thermisches Modell – Gegenüberstellung von gemessenem (vertikale Achse) und prognostizertem Säulendurchmesser (horizontale Achse) für Projekte 2006

Abbildung 7c: Validierung thermisches Modell – Gegenüberstellung von gemessenem (vertikale Achse) und prognostizertem Säulendurchmesser (horizontale Achse) für Projekte 2007

3.4. Anwendungsgrenzen

Die vorgestellte Methode beruht auf der korrekten Erfassung der Wärmeentwicklung im Zuge der Hydratation und des Abflusses an Wärme in den umliegenden Boden. Für den Fall eines geringen Temperaturanstieges aufgrund einer geringen Hydratationswärme des verwendeten Bindemittels (zB bei einem Bindemittel mit einem Hüttensand- bzw Steinmehlanteil > 80%) kann kein für die Simulation notwendiger, eindeutiger Temperaturanstieg im Zentrum der DSV-Säule festgestellt und somit keine Simulation mit diesem Verfahren durchgeführt werden. Fließendes Grundwasser bzw hydrierende Nachbarsäulen wirken sich ebenfalls negativ auf die erreichbare Genauigkeit der Durchmesserbestimmung mittels des thermischen Berechnungsmodells aus, da dadurch ein gleichmäßiger, rotationssymmetrischer Wärmeabfluss aus der DSV-Säule nicht mehr gegeben ist.

Zusammenfassung

Das thermische Berechnungsmodell zur Durchmesserbestimmung von Düsenstrahlsäulen zeigte bei Anwendung auf einer Vielzahl von Baustellen in den letzten Jahren sehr gute Übereinstimmungen von numerisch prognostizierten und an freigelegten Probesäulen gemessenen Durchmessern. Außerdem wird durch diese Methode eine Bestimmung des Zementgehaltes der DSV-Säule möglich. Die Anwendung zur Qualitätssicherung während der DSV-Arbeiten erwies sich aufgrund der geringen Zusatzkosten als sinnvoll, wobei aber auf die angeführten Anwendungsgrenzen Rücksicht zu nehmen ist.