Material concepts and procedures for the manufacture and testing of low-elution sprayed concrete

Auslaugungserscheinungen im Spritzbeton können im bergmännischen Tunnelbau zu Versinterungen der Dränageleitungen sowie zu einer Erhöhung des pH-Wertes des abfließenden Bergwassers führen. Die Folge sind hohe Betriebskosten, verursacht durch den Spülungsaufwand zum Entfernen der Versinterungen beziehungsweise aufgrund der erforderlichen Neutralisation zur Reduzierung des pH-Wertes. Das Ausmaß der Versinterungen kann sehr unterschiedlich sein und wird durch eine Reihe verschiedener objektspezifischer Faktoren beeinflusst. Die nationalen und internationalen Regelwerke gehen sehr unterschiedlich auf diese Problematik ein. Die Spritzbetonrichtlinie des Österreichischen Betonvereins fordert als Hauptmaßnahme die Verwendung alkalifreier Erstarrungsbeschleuniger durch Einhaltung eines Na2O-Äquivalents kleiner als 1,0 Masse-Prozent und einem pH-Wert von 3,0 bis 8,0. Auch das Regelwerk der Deutschen Bahn AG, die DS 853, sieht eine konsequente Anwendung alkalifreier Beschleuniger vor, wobei zusätzlich auf eine Minimierung der Beschleunigermenge geachtet werden soll. Auf europäischer Ebene sind bislang keine Bestrebungen im Gange, der angesprochenen Problematik entgegenzuwirken. Obschon in den maßgebenden Regelwerken keine Verfahren zur Prüfung des Auslaugverhaltens gefordert werden, existieren dennoch verschiedene Messverfahren, mit denen der Einfluss der unterschiedlichen betontechnologischen Parameter auf die Auslaugbarkeit quantifiziert werden kann. Sie lassen sich nach Schüttel-, Säulen- und Standverfahren sowie speziellen auf den Tunnelbau abgestimmten Verfahren unterscheiden. Die Analyse der Verfahren zeigt, dass die Schüttelverfahren trotz ihrer einfachen und schnellen Durchführbarkeit zur Beurteilung des Langzeitauslaugungsverhaltens einer Spritzbetonschale eher ungeeignet sind und vielmehr zur Bestimmung der chemischen Charaktereigenschaften eines Stoffes herangezogen werden können. Bei dem FIZ-Durchflussverfahren sowie dem ISE-Verfahren, die zu den Säulenverfahren zu zählen sind und speziell für zementverfestigtes Prüfgut entwickelt wurden, ist durch die festgelegte Größe der Probekörper eine gute Reproduzierbarkeit der Versuche gegeben. Die aufwendige Versuchsdurchführung beim FIZ-Verfahren sowie die hohe Wasserdurchlässigkeit der Proben beim ISE-Verfahren machen allerdings ihren Einsatz zur Untersuchung des Auslaugverhaltens von Spritzbeton unzweckmäßig. Die Standverfahren, zu denen auch das Trogverfahren nach ÖNorm S 2072 zählt, welches die Spritzbeton-Richtlinie des Österreichischen Betonvereins vorgibt, zählen zu den praxisnahen Auslaugtests. Allerdings wird ihr Einsatz durch eine vergleichsweise kurze Versuchsdauer zur Beurteilung des Langzeitauslaugungsverhaltens eingeschränkt. Zu den speziell auf den Tunnelbau abgestimmten Verfahren zählen die Umströmungsplatte (System Philipp Holzmann), die Durchströmungszelle (TU München) sowie die Umströmungsanlage (Ruhr-Universität Bochum). Durch ihre realistische Simulation der natürlichen Gegebenheiten liefern sie aussagekräftige Ergebnisse, die zudem gut reproduzierbar sind. Aufgrund der unterschiedlichen Versuchsprinzipien sind die Ergebnisse der Verfahren quantitativ nicht miteinander vergleichbar. Zudem fehlen Grenzwerte, die eine direkte Beurteilung des Auslaugverhaltens zulassen. Als Hauptverursacher der Auslaugungserscheinungen des Spritzbetons werden die besonders leicht wasserlöslichen Alkalien im Zementstein gesehen, die vor allem über die alkalihaltigen Beschleuniger in den Spritzbeton gelangen. Untersuchungen der Ruhr-Universität Bochum belegen, dass sowohl mit alkalifreien als auch mit alkaliarmen Beschleunigern, ergänzt mit SiO2-Zusatzstoffen, eine erhebliche Reduzierung der Calciumauslaugung gegenüber den alkaliarmen Beschleunigern erreicht werden kann. Dies ist um so bedeutender, da durch die Calciumauslaugung die Versinterungen der Dränageleitungen maßgeblich hervorgerufen werden. Sowohl aus materialtechnologischer als auch aus arbeitshygienischer Sicht empfiehlt es sich daher, zukünftig als Regelfall alkalifreie Beschleuniger einzusetzen. Zudem sollten Zuschlagstoffe mit einem niedrig wirksamen Alkaligehalt zum Einsatz kommen. SiO2-Zusatzstoffe können wesentlich zu einer Reduzierung der Auslaugungserscheinungen beitragen. Ihr Einsatz ist daher zu empfehlen. Auf die Prüfung des Auslaugverhaltens sollte trotz fehlender Grenzwerte nicht verzichtet werden. Durch die Festlegung von Mindestanforderungen an das Prüfverfahren lassen sich aussagekräftige und reproduzierbare Ergebnisse erzielen.In tunnel construction in mines leeching in sprayed concrete may lead to the drainage pipes becoming encrusted and to an increase in the pH value of the mine water which is discharged. This results in high operating costs caused by the pipes having to be washed to remove the incrustation and the water neutralised to reduce the pH value. The extent of the incrustation can vary considerably and is influenced by a number of different factors specific to the respective object. The national and international regulations deal with this area in very different manners. A central measure required by the Austrian concrete association's sprayed concrete regulation is the use of non-alkali accelerating agents. DS 853, the regulation of the Deutsche Bahn AG, stipulates a consistent use of non-alkali accelerating agents but also states that the amount of accelerating agents used should be kept to a minimum. There are at present no efforts being made at European level to counteract the problems mentioned. Despite the fact that no procedures for testing leeching behaviour are required in the pertinent regulations there exist different measuring procedures with which the influence of the different concrete parameters on leechablity can be quantified. A differentiation can be made between shake, column and stationary procedures as well as procedures specially adapted for tunnel construction. The analysis of the procedures shows that the shake procedures are not particularly suitable for judging the long-term leeching behaviour of a sprayed concrete shell despite the fact that they are easy and quick to carry out. The FIZ flow procedure and the ISE procedure, both of which are column procedures and developed specifically for samples strengthened with concrete, can be reproduced well due to the specified size of the test specimens. The high cost of conducting the test according to the FIZ procedure and the high waterpermeability of the samples in the ISE procedure mean that it would not be expedient to use these methods to investigate the leeching behaviour of sprayed concrete. The stationary procedures which include the trough procedure in accordance with the Austrian S 2072 Standard are practical leeching tests. However, due to the relatively short length of the test, they are of limited use for the evaluation of long-term leeching behaviour. The procedures specifically adapted to tunnel building include the contact plate (Ph. Holzmann system), the flow cell (TU München) and the contact system (Ruhr University of Bochum). On account of their realistic simulation of the natural conditions they provide meaningful results which can also be reproduced well. Due to the different test principles a quantitative comparison of the results using the different procedures is not possible. There are also no threshold values which would permit a direct evaluation of the leeching behaviour. The main cause of the leeching of the sprayed concrete is thought to be the highly water-soluble alkalis in the cement which enter into the sprayed concrete mainly via the accelerating agents which contain alkalis. Investigations prove that, through the use of both non-alkali and low-alkali accelerating agents supplemented with Si02 substances, a considerable reduction in the calcium leeching compared with the low-alkaline accelerators can be achieved. This is made even more important by the fact that, to a large extent, it is calcium leeching which causes the incrustation of the drainage pipes. From both a material and a hygienic point of view, the standard use of non-alkali accelerating agents is to be recommended. Additional substances with a low effective alkali content should also be used. Si02 substances could help to considerably reduce the leeching. Their use is therefore to be recommended. Despite the lack of threshold values the leeching behaviour should still be tested. The specification of minimum requirements regarding the testing procedure means that meaningful and reproducible results can be achieved

Konzeption einer einschaligen Versuchsstrecke in einem Zuluftstollen des Rennsteigtunnels

Nach der neuen österreichischen Tunnelbaumethode aufzufahrende Straßentunnel werden in der Regel zweischalig ausgeführt. Die direkt nach dem Ausbruch abschnittsweise als Spritzbeton herzustellende Außenschale dient der vorläufigen Sicherung des Hohlraumes. Die später einzubringende Innenschale ist das langfristig tragende Bauglied. Beide Schalen sind gewöhnlich durch die Abdichtung oder Gleitschichten voneinander getrennt, sodass sie unabhängig voneinander wirken. Die neuerdings erzielbaren Qualitätssteigerungen von Spritzbetonschalen haben aus wirtschaftlichen Gründen zur Entwicklung der einschaligen Bauweise geführt. Hierbei wird die zweite Schale, die dem Endausbau dient, im Verbund mit der ersten, zunächst der Gebirgssicherung dienenden Schale ausgeführt. Beide tragen danach gemeinsam und stellen die Tragsicherheit des Tunnelgewölbes sicher. Die zweite Schale kann entweder auch in Spritzbeton oder als Beton in Schalung hergestellt werden. Wegen des erforderlichen Verbundes zwischen beiden Schalen kann eine Dichtungsschicht nicht eingebaut werden. Die Dichtheit muss daher allein durch den Beton erzielt werden. Zur Klärung offener Fragen im Hinblick auf Dichtheit und Verbundwirkung wird von der Bundesanstalt für Straßenwesen ein Forschungsprojekt im Auftrag des Bundesministeriums für Verkehr, Bau- und Wohnungswesen bearbeitet, welches die Anwendungsmöglichkeiten und -grenzen der einschaligen Bauweise im Straßentunnelbau klären soll. Im Verlauf eines Zuluftstollens zum im Bau befindlichen Rennsteigtunnel in Thüringen werden fünf Abschnitte von je 16 Metern Länge zweischalig in unterschiedlichen Konstruktionsarten ausgeführt. Die verschiedenen Varianten, die Überlegungen hierzu und die Randbedingungen werden dargestellt

Einsatz von geotextilen und mineralischen Filtern in tidebeeinflussten Wasserstraßen bei Verockerungsneigung

Der Tagungsband "Vorträge der Fachsektionstage Geotechnik - Interdisziplinäres Forum 2023, Congress Centrum Würzburg, 12. - 13. September 2023" erscheint im Open Access und ist hier kostenfrei abrufbar: https://www.dggt.de/index.php?option=com_content&view=article&id=397%3Atagungsband-fstg&catid=45%3Apublikationen&Itemid=6

Human behaviour in severe tunnel accidents: Effects of information and behavioural training

Immediate user self-evacuation is crucial in case of fire in road tunnels. This study investigated the effects of information with or without additional virtual reality (VR) behavioural training on self-evacuation during a simulated emergency situation in a road tunnel. Forty-three participants were randomly assigned to three groups with accumulating preventive training: The control group only filled in questionnaires, the informed group additionally read an information brochure on tunnel safety, and the VR training group received an additional behavioural training in a VR tunnel scenario. One week later, during the test session, all participants conducted a drive through a real road tunnel in which they were confronted with a collision of two vehicles and intense smoke. The informed and the behaviourally trained participants evacuated themselves more reliably from the tunnel than participants of the control group. Trained participants showed better and faster behavioural responses than informed only participants. Interestingly, the few participants in the control group who reacted adequately to the scenario were all female. A 1 year follow-up online questionnaire showed a decrease of safety knowledge, but still the trained group had somewhat more safety relevant knowledge than the two other groups. Information and especially VR behavioural training both seem promising to foster adequate self-evacuation during crisis situations in tunnels, although long term beneficial behavioural effects have to be demonstrated. Measures aiming to improve users/ behaviour should take individual difference such as gender into account