Modifizierte Bentonitsuspensionen für geotechnische Bauverfahren in Böden hoher Durchlässigkeit

Abstract

Der Einsatz von Bentonitsuspensionen in der Geotechnik, beispielsweisefür Schlitzwandarbeitenoder geschlossene Schildvortriebemit Flüssigkeitsstützung,ist weit verbreitet. Die Suspensionenstützen den Boden währenddes Aushubs. Bei verschiedenen Projekten traten Probleme bei der Stützung hoch durchlässiger Böden (k > 10" m/s) auf. In diese Böden dringt eine Bentonitsuspension weit ein. Damit sind Suspensionsverluste verbunden, und es besteht die Gefahr von einem Verlust der Stützwirkung. Die Stützwirkung kann durch Modifizierungreiner Bentonitsuspensionen mit Zusätzenwie Polymere und Füllstoffe verbessertwerden. Durch die Zugabevon Zusätzenändert sich das Theologische Verhalten der Suspensionen. Es wurde davon ausgegangen,dass zwischender Stützwirkung(dem Eindringverhalten)und den Theologischen Eigenschaften (z. B. Fliessgrenze) der Suspensionen ein Zusammenhang besteht. Im Labor wurdenzunächst reine Bentonitsuspensionen aus Wasser und einem natürlichen Natriumbentonit oder einem sodaaktiviertem Calciumbentonituntersucht. Die Theologischen Eigenschaften wurden unter Berücksichtigung von Bentonitartund -konzentrationsowie Einflussfaktorenwie Temperatur, Elektrolytgehalt und Quellzeitbestimmt. Der grosse Einflussder Strukturdes Bentonits wurde deutlich. Suspensionenmit aktiviertem Bentonit wiesen aufgrundder aggregierten Struktur eine höhere Fliessgrenzeauf als Suspensionenmit dem eher delaminierten Natriumbentonit. Bei einem Vergleich von baustellenüblichen Theologischen Geräten (Marshtrichter, Kugelharfe, Kasumeter) wurde festgestellt, dass zwischen den aus den verschiedenen Geräten resultierenden Messparametern ein linearer Zusammenhang besteht, der für jede Bentonitart unterschiedlich ist. Bei den Suspensionenmit Polymeren konntemit Theologischen Untersuchungen gezeigtwerden, dass die Wirkungder Polymere aufdie Theologischen Kennwerte zum einen von der Ladungsartdes Polymers und zum anderenvon der Struktur und Beschaffenheit des Bentonits abhängt. Zur Reduzierungder Eindringtiefeder Suspensionenin hoch durchlässige Böden waren Füllstoffe erforderlich. Die Wirkungvon Suspensionenmit unterschiedlichen Füllstoffen wurde mit Eindringversuchensowie mikrostrukturellen Untersuchungensichtbar gemacht. Geeignete Füllstoffe müssen flexibel sein, Bodenporen überbrücken können und mit dem Bentonit in physikalische Wechselwirkung treten. Für eine geringe Suspensionseindringung in einen hoch durchlässigen Boden ist die rasche Ausbildung eines dichten Filterkuchens entscheidend. Ausserdemist eine Fliessgrenze der Suspension erforderlich, um die Eindringungder Suspensionin den Boden zu begrenzen, nachdem sich ein Filterkuchen gebildet hat. Zwischen den Theologischen Kennwerten und der Fähigkeit einer Suspensionmit Füllstoffen, einen Filterkuchen zu bilden, konntekein direkter Zusammenhang festgestelltwerden. In der Arbeit wird gezeigt, dass mit einer Suspensionaus nur drei Komponenten, nämlich Bentonit,Wasser und geschreddertem Papier, ein druckdichter Filterkuchen in einem einkörnigen Modellboden mit einem Durchlässigkeitsbeiwert von k ** 2 * 10 m/s gebildetwerden kann. Aufdie Zugabevon Polymeren kann verzichtet werden. Die Suspensionlässt sich sehr einfach herstellen und verarbeiten. Versuchezum Misch- und Pumpverhalten der Suspensionverliefen erfolgreich. Mit der entwickelten Suspensionszusammensetzung wird aufgezeigt, wie der Einsatzbereich für Schlitzwandarbeiten oder geschlossene Schildvortriebemit Flüssigkeitsstützung erweitert wird für schwierige Untergrundverhältnisse (hoch durchlässigeBöden). Die Suspension wurde am 30. Juni 2006 zum Patent angemeldetunter der Nummer 01055/06. Bentonite suspensions are widely used to stabilize soil during excavation in applications such as diaphragm walls and slurry shield tunnelling. Problems have occurred in highly permeablesoils (k > 10 3 m/s) where the penetration depth of a bentonite Suspension was very high resulting in high loss of Suspension and an increased risk of soil collapse. Modification of a pure bentonite Suspension with additives such as polymers and fillers may improve the stabilizing effect. Additives alter the rheological behaviour of the bentonite Suspension. A correlation between the stabilizing effect (penetration behaviour) and the rheological properties(e. g. yield point) ofthe suspensions was assumed. The first phase ofthe laboratory test program considered pure bentonite suspensions consisting of water and either natural sodium bentonite or soda-activated calcium bentonite. Rheological properties were determined, with regard to the bentonite type and concentration,as well as influencing factors such as temperature, electrolyte content and swelling time. The great infiuence of the bentonite strueture became obvious. The yield point ofthe suspensions with activated bentonite and its aggregated strueture was higher than for the suspensions with the delaminated sodium bentonite. Rheological measurements were performed with devices typically used on site (Marsh funnel, "Kugelharfe", "Kasumeter"). A linear relationship existed between the parameters that were measured with the different devices. Separate relationships were found for each bentonite type. Rheological measurements of bentonite suspensions with polymers demonstrated that the effect of the polymerson the rheological parameters depended on the type of charge of the polymer and on the structure and propertie s of the bentonite. To reduce the penetration depth of suspensions into highly permeable soils, fillers are necessary.The effect of suspensions with different fillers was shown with penetration tests and micro structural investigations. Suitable fillers must be flexible, able to bridge soil pores and interact physically with the bentonite. Formation of a tight filter cake is critical to achieve low penetration of the Suspension into highly permeable soils. The Suspension must also have a yield point to reduce the penetration of the Suspension into the soil after the filter cake has formed. A direct correlation between the rheological properties and the ability ofthe Suspension to form a filter cake was not observed. Results showed that with a Suspension of only three components, i.e., bentonite, water and shredded paper, a pressure-tight filter cakewas formed in a uniformly grained model soil with a permeability coefficient of k « 2 * 10"1 m/s. Advantages ofthe shredded-paper mixture include ease of suspension-mixing, satisfactory workability and reduced costs because polymers were not necessary. Mixing and pumping tests ofthe Suspension were successful. The shredded-paper Suspension can be effectively used for common geotechnical construction methods such as diaphragm walls or slurry shield tunnelling in highly permeable soils. A patent has been taken out on 30 June 2006, number 01055/06.