Untersuchungen zur Pumpförderung von schaumkonditionierten Böden am Beispiel des Rohrvortriebs
Final Report Abstract
In dem Forschungsvorhaben werden die Grundlagen für einen Pumpförderbetrieb von schaumkonditionierten Böden in drei Arbeitsschritten untersucht. Zunächst wird die Konditionierung des Bodens mit Schaum analysiert. Hierauf aufbauend wird in Modellversuchen die Pumpfähigkeit experimentell bestimmt. Die experimentelle Bestimmung der Pumpfähigkeit und die Analyse der Schaumkonditionierung sind die zentralen Forschungsziele des Forschungsvorhabens. Die hieraus gewonnenen Ergebnisse dienen als Grundlage für die theoretische Beschreibung des Strömungsvorgangs bei der Pumpförderung. Das theoretische Modell wird abschließend an den experimentellen Versuchsergebnissen validiert. Die Untersuchung zur Konditionierung teilt sich auf in die Bereiche Analyse des Konditionierungsprozesses und Bestimmung der rheologischen Materialeigenschaften. Die Einflüsse auf den Konditionierungsprozess werden in Versuchsreihen durch Variation der Randbedingungen Mischenergieeintrag, Schaumzugabemenge, Wassergehalt und spezifische Kornoberfläche der Versuchsböden erfasst. Zur Beurteilung des Konditionierungsgrads werden das Setzfließmaß, das Setzmaß und das Scherverhalten der Boden-Schaum-Gemische bestimmt. Neben dem Einfluss der Schaumzugabemenge und der Schaumzusammensetzung wird eine erhebliche Abhängigkeit der Konsistenz der Boden-Schaum-Gemische von der eingebrachten Mischenergie festgestellt. Die Beobachtung eines dreiphasigen Konditionierungsprozesses in Form einer anfänglichen schaumzerstörenden Adsorptionsphase über eine Benetzungsphase hin zu einer Sekundärschaumphase führt zu der Erkenntnis, dass insbesondere die Tensidmenge, der Wassergehalt und die Mischdauer das Konditionierungsergebnis bestimmen. Zudem ergibt sich eine signifikante Abhängigkeit zwischen der zu benetzenden spezifischen Kornoberfläche und der erforderlichen Zugabe von Tensid und Wasser. Im Anschluss an die allgemeine Untersuchung des Konditionierungsprozesses wird die Beständigkeit des Boden-Schaum-Gemischs untersucht. Es zeigt sich, dass die Fließfähigkeit des Materials im betrachteten Zeitraum von bis zu 2 Stunden teilweise deutlich abnimmt, während die Dichte des Boden-Schaum-Gemischs wieder ansteigt. Der Anstieg der Dichte kann dabei durch den Zerfall der Luftblasen erklärt werden und ist als ein Grund für die abnehmende Fließfähigkeit zu sehen. Zusätzlich lässt sich eine leichte Entmischung feststellen. Trotz des Fließfähigkeitsverlusts kann jedoch auch nach 2 Stunden noch eine ausreichend fließfähige Konsistenz bei Wassergehalten, die oberhalb der Porensättigung für Böden mit einem Verdichtungsgrad von Dpr= 1,0 liegen, erreicht werden. Die Pumpfähigkeit wurde auch nach längeren Stillständen in Pumpversuchen bestätigt. Um Materialeigenschaften als Eingangsgrößen für die theoretische Beschreibung der Strömung zu erhalten, werden mit Hilfe eines speziellen Rotationsviskosimeters die rheologischen Materialkenngrößen Fließgrenze und Viskosität für unterschiedlich konditionierte Böden bestimmt. Es kann eine Einordnung des Boden-Schaum-Mediums als Binghamfluid vorgenommen werden. In den Modellpumpversuchen wird der Strömungsprozess unter verschiedenen Randbedingungen auf einer Förderstrecke von 10 m experimentell untersucht. Während der Pumpförderung wird die Druckverteilung über die Pumpstrecke mit Membrandrucksensoren gemessen. Die zu untersuchenden Randbedingungen gliedern sich in geometrisch-verfahrenstechnische Randbedingungen, wie Rohrdurchmesser und Fördergeschwindigkeit sowie materialspezifische Randbedingungen, die über die Konditionierungsparameter des Bodens einfließen. Die Versuche zeigen eine deutliche Abhängigkeit der Förderbarkeit vom Konditionierungsgrad. Störungen in Folge von Leitungsverstopfungen weisen die Grenzen einer Pumpförderung auf und dienen der Bestimmung eines minimal erforderlichen Konditionierungsgrads. Über eine materialspezifische Einordnung als Binghamfluid wird ein theoretischer Ansatz für ein Strömungsmodell aufgestellt. Die Auswertung des Ansatzes führt zu einem mathematisch allgemeingültigen Zusammenhang zwischen dem Druckgradienten und den geometrischen, verfahrenstechnischen sowie material-rheologischen Prozessgrößen. Abschließend wird das Strömungsmodell an den experimentell ermittelten Druckgradienten validiert. Die annähernde Übereinstimmung zwischen den experimentell bestimmten und theoretisch berechneten Werten lässt eine Übertragung der Ergebnisse auf baupraktische Maßstäbe zu. Die Forschungsergebnisse bestätigen die grundsätzliche Umsetzbarkeit einer Pumpförderung schaumkonditionierter Böden im maschinellen Tunnelbau. Die Versuche zur Konditionierung zeigen, dass die erzielte Fließfähigkeit des Boden-Schaum- Gemischs insbesondere von der Mischenergie, der vorliegenden Tensid- und Wassermenge und der spezifischen Oberfläche des Bodens abhängt. Durch weitere Untersuchungen sollte das Zusammenwirken der verschieden Prozessgrößen weiterführend erfasst werden, so dass hieraus die Möglichkeit erwächst, eine optimale Schaumkonditionierung anhand von wissenschaftlich erforschten Grundlagen vorzunehmen. Ziel wäre dabei eine anhand der gegebenen Bodenparameter (spezifische Oberfläche, Sieblinie, natürlicher Wassergehalt) errechenbare erforderliche Zugabemenge an Wasser und Tensid. Dies würde ein gezieltes Vorgehen bei der Schaumkonditionierung ermöglichen, was neben einer erheblichen Kostenersparnis auch große ökologische Vorteile gegenüber den derzeitigen Konditionierungsmethoden bietet, die auf rein empirischen Erfahrungswerten basieren und einer ständigen vortriebsbegleitenden Anpassung unterliegen. Weiterhin zeigen die Versuche des Forschungsvorhabens, dass das Messen des Setzfließmaßes ein geeignetes labor- und baustellentaugliches Verfahren zur Beschreibung des Fließverhaltens ist. Die Pumpfähigkeit kann hiermit jedoch nicht vollständig beschrieben werden. So wird bei Pumpversuchen an Böden mit ähnlichen Setzfließmaßen teilweise ein stark unterschiedliches Pumpverhalten dokumentiert. Auch Entmischungen des Materials können durch das Setzfließmaß nicht direkt erfasst werden. Sie müssen durch den Laboranten selbstständig beurteilt und dokumentiert werden. Daher sollten in der Zukunft weitere evtl. in der Betontechnologie schon vorhandene Analysemethoden zur Beschreibung der Pumpfähigkeit erprobt werden, um das Verhalten von schaumkonditionierten Böden möglichst genau erfassen zu können. Die Validierung des theoretischen Strömungsmodells wurde bisher anhand von experimentell bestimmten Druckgradienten durchgeführt, die in den Modellversuchen an kurzen Förderstrecken bei geringen Materialdurchsätzen ermittelt wurden. Die Übertragbarkeit auf baupraktische Größenordnungen muss zusätzlich durch praxisnahe Versuche mit Versuchsstrecken von über 100 m und einer kontinuierlich fördernden Kolbenpumpe überprüft werden. Trotz der theoretisch grundlegend erfassten Strömungsvorgänge kann erst durch eine Erweiterung der Versuche auf realitätsnahe Verhältnisse eine genaue Bewertung der neuartigen Verfahrenstechnik im Hinblick auf die erforderlichen Misch- und Pumpentechnik durchgeführt werden. Eine durch diesen Prozess auf die Baustellenbedingungen angepasste Gerätetechnik kann dann in ersten Piloteinsätzen wissenschaftlich begleitet optimiert werden. Abschließend lassen sich die Einsatzgrenzen und Anwendungsgebiete sowie die wirtschaftlichen Vorteile nur durch in-situ nahe Einsätze genau definieren.
