RUB » Lehrstuhl für Tunnelbau, Leitungsbau und Baubetrieb

TLB-Bentonitlabor

Suspensionen sind für den Spezialtiefbau von besonderer baupraktischer Bedeutung: sie werden als Stütz-, Förder- und Gleitmittel bei Tunnel- und Leitungsvortrieben, als Kühl-, Stütz- und Fördermittel bei geotechnischen und geothermischen Bohrungen sowie als Stützmittel von Schlitz- und Bohrpfahlwänden eingesetzt. Die hierbei verwendeten Suspensionen basieren auf quellfähigen, natürlich vorkommenden Tonmineralen: dem Bentonit.
Die besonderen Eigenschaften von Bentonitsuspensionen basieren auf einer Kombination aus rheologischen, physikalischen und chemischen Phänomenen. Die Rheologie beschäftigt sich mit wissenschaftlichen Untersuchungen zum Deformations- und Fließverhalten unter Berücksichtigung innerer und äußerer Spannungseffekte. Die fundamentalen Suspensionseigenschaften sind Thixotropie, Viskosität und die Ausbildung einer Fließgrenze. Zu den physikalischen Eigenschaften zählen Dichte, Stabilität und Qualität des Filterkuchens.
Das TLB-Bentonitlabor ist mit normierten Messgeräten nach DIN 4126, DIN 4127, API 13B und API 13D ausgestattet. Darüber hinaus stehen zusätzliche Versuchseinrichtungen zur Verfügung, um das Interaktionsverhalten von Bentonitsuspensionen mit verschiedenen Böden praxisnah zu untersuchen und die Suspensionseigenschaften gezielt an die geologischen Randbedingungen von Baumaßnahmen anzupassen (z.B. Eindringverhalten mit und ohne Aufladung, Stützdruckversuche, Druckluftversuche).


DichteDichte Bestimmung

Die Dichte ρ ist das Verhältnis der Masse eines Stoffes zu seinem Volumen. Diese wird durch Wiegen in einem dafür vorgesehenen Dichtemessglas mit Deckel und bekanntem Gewicht berechnet.
Für die Bestimmung der Dichte der Suspension wird das Dichtglas blasenfrei mit wenig Überstand gefüllt. Mittels einer Waage wird die gesamte Masse gewogen. Mithilfe der Kennwerte des Messglases wird die Dichte der Bentonitsuspension berechnet.



Filterpresse

Filter Mithilfe der Filterpresse wird die Stabilität der Suspension (Filtratwasserabgabe f [ml] und die Filterkuchendicke [mm]) nach DIN 4126 und API 13B bestimmt.
 Dazu wird ein genormter Zylinder mit einer vorgegebenen Menge Suspension gefüllt und mit einem Deckel, in welchem das Filterpapier eingelegt wird, verschlossen. Im Deckel befindet sich eine kleine Öffnung, über die das Filtratwasser während des Versuchs nach außen gelangen kann. Beim Versuch wird ein Druck von 7,0 bar ± 0,35 bar auf die sich im Zylinder befindliche Suspension aufgebracht. Das durch die kleine Öffnung nach außen gelangte Wasser wird in einem Messzylinder aufgefangen. Das nach 7,5 min (DIN 4126) bzw. 30 min (API 13B) angefallene Wasser wird als Filtratwasserabgabe f bezeichnet und auf genau 0,5 ml angegeben. Nach dem Öffnen des Zylinders kann mit einem Lineal der sich am Filterpapier gebildete Filterkuchen gemessen werden.


TrichterMarsh-Trichter

Die Auslaufzeiten für 1.000 ml (tM) und 1.500 ml (tM1500) der Suspension werden mit Hilfe eines Marsh-Trichters gemessen. Dazu wird ein genormter Trichter nach DIN 4126 bzw. API 13B verwendet. Nach API 13B wird die Zeit in Sekunden gemessen, die 940 cm³ (1 US Quart) Probenflüssigkeit benötigt, um aus einem vollen Marsh-Trichter durch die Auslaufdüse zu fließen.
Die Auslaufzeit aus dem Marsh-Trichter ist eine Funktion der dynamischen Fließgrenze dyn f, der differentiellen Viskosität η‘ und der Dichte ρF der untersuchten Suspension.



Rotationsviskosimeter
Rotationsv
Zur Bestimmung der scheinbaren Viskosität ηs, der plastischen Viskosität ηp, der Bingham-Fließgrenze τB, der Gelstärke nach 10 sec (t10‘‘) und 10 min (t10) sowie des Thixotropiewerts wird das Rotationsviskosimeter FANN Model 35SA nach API 13B verwendet.
Hierbei befindet sich die Suspension in einem Ringspalt zwischen zwei rotations-symmetrischen und koaxial angeordneten Zylindern. Der äußere Zylinder rotiert mit der Winkelgeschwindigkeit Ω, der innere Zylinder dient als Messaufnehmer. Die Kraft, welche benötigt wird, um den Reibungswiderstand der Suspension im Ringspalt zu überwinden, so dass die Suspension zum Fließen gebracht wird, ermittelt man mit Hilfe der Drehzahl des äußeren Zylinders und des gemessenen Drehmoments am inneren Zylinder.



KugelhaKugelharfe

Die Ermittlung der statischen Fließgrenze stat f erfolgt nach von Soos mit einer Kugelharfe (DIN 4126).
An einer Scheibe hängen zehn Kugeln, welche mittels Nylonfaden befestigt sind. Die Kugeln haben unterschiedliche Durchmesser und bestehen entweder aus Glas oder Stahl. Jede dieser Kugeln wird in Abhängigkeit ihrer Wichte und der Suspensionsdichte einer Fließgrenze zugeordnet. Werden die Kugeln in eine Suspension getaucht, schwimmen alle Kugeln auf der Oberfläche der Suspension, die eine kleinere Fließgrenze haben als die Suspension. Analog gehen alle Kugeln, die eine größere Fließgrenze haben, in dieser unter. Beim Einsinken wirken dem Eigengewicht der Kugel die Auftriebskraft und die Fließgrenze der Suspension entgegen.


Pendelgerät
Pendel

Die Fließgrenze kann nach DIN 4127 mithilfe des Pendelgeräts gemessen werden. Das Pendelgerät besteht aus einer Kugel aus Metall, die an einem sehr dünnen und annähend gewichtslosen Faden in einem Behälter mit der zu prüfenden Flüssigkeit hängt. Behälter und Aufhängung der Kugel sollen aus ihrer Ausgangstellung innerhalb von 30 s mit einer Geschwindigkeit von 3 cm/s erschütterungsfrei gegeneinander in die Endstellung verschoben werden können. Schließlich wird noch wahlweise entweder eine Skala zum Messung der Auslenkung des Pendels im Bogenmaß oder eine Skala zur Messung der Tangente des Winkels. Anhand der Auslenkung des Pendels bzw. der Tangente des Winkels kann die Fließgrenze bestimmt werden.


KasumeKasumeter

Bei diesem Gerät handelt es sich um einen Zylinder aus handelsüblichem Acrylglasrohr, an dessen unterem Ende sich eine Kapillare mit einer bestimmte Länge und Durchmesser befindet. Die Höhe des Zylinders hat keinen Einfluss auf den Messwert. Die Suspension wird bei zugehaltener Kapillare in den Zylinder eingefüllt und fließt nach Freigabe der Kapillare heraus. Nach einer gewissen Zeit stellt sich –sofern die Suspension eine Fließgrenze besitzt- infolge der Schubspannung entlang der Kapillarenwandung ein Ruhegleichgewichtszustand ein. Die Flüssigkeit bleibt in einer bestimmten, von der Fließgrenze abhängigen Höhe stehen. Auf den Zylinder aufgeklebten Messskala wird die Höhe abgemessen. Der Nullpunkt der Messskala entspricht dem Flüssigkeitsspiegel, der sich einstellt, wenn Wasser als Prüfflüssigkeit verwendet wird. Anhand der gemessenen Höhe, der Geometrie der Kapillare und der Suspensionsdichte kann die Fließgrenze bestimmt werden.


Bestimmung des Druckgefälles fso nach DIN 4126


Die wesentlichen Bestandteile des Versuchsaufbaus sind zwei direkt übereinander angeordnete, miteinander verbundene Plexiglaszylinder. In dem hier verwendeten Versuchsaufbau haben die Zylinder eine Höhe von 50cm. Der obere Plexiglaszylinder hat einen größeren Durchmesser als der untere. Der obere Zylinder dient als Reservoir für Bentonitsuspension. Der untere wird mit wassergesättigtem Boden gefüllt. Um vergleichbare Versuchsergebnisse zu erhalten, ist die dichteste Lagerung des Bodens anzustreben.
Der mit Boden gefüllte Zylinder ist über einen mit einem Absperrhahn verschließbaren Schlauch mit einem Überlaufgefäß verbunden. Wird der Absperrhahn geöffnet, dringt die Bentonitsuspension in den Boden ein und das Wasser in dem Porenraum des Bodens wird durch Suspension ersetzt. Das so verdrängte Wasser fließt über das Überlaufgefäß ab und wird aufgefangen.
Nach der Beendigung des Eindringversuchs werden die Höhendifferenz der Zylindern, Eindringstrecke, verdrängte Wassermenge und die Eindringzeit gemessen. Mit diesen Werten wird das Druckgefälle fso berechnet.

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Injektionsversuche zur Beurteilung der Stützwirkung von Bentonitsuspensionen (Stützdruckversuche)


Die Injektionsversuche dienen zur experimentellen Bestimmung der Stützwirkung bzw. des Eindringverhaltens der ausgewählten Bentonitsuspensionen. Hierzu werden die Suspensionen in definierte, wassergesättigte Bodenproben injiziert und der Injektionsdruck, die Eindringtiefe und das verdrängte Wasser gemessen.
Die Suspension wird von unten in einen Zylinder injiziert. Die Probebehälter aus Plexiglas sind oben und unten mit einem Stahlaufsatz eingefasst und abgedichtet. Der maximal aufnehmbare Druck der Probezylinder beträgt 3,5 bar. Das gesamte System wird durch Ankerstangen vertikal fixiert. Das Ziel der Injektionsversuche ist es, geeignete Stützsuspensionen für die vorhandene Geologie zu wählen. Diese müssen in der Lage sein, in der anstehenden Geologie eine weniger durchlässige Schicht aufzubauen, über die der in der Abbaukammer der Schildmaschine herrschende Stützdruck auf den Boden übertragen werden kann.

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