8 Zusammenfassung und Ausblick

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8 Zusammenfassung

und

Ausblick

Die Auslaugung des Spritzbetons einer Tunnelaußenschale durch den Kontakt mit Berg-wasser stellt heutzutage ein großes sowohl ökologisches, als auch wirtschaftliches Problem dar. Dabei kommt es durch die Lösung von Calcium, Natrium und Kalium aus der Zement-steinmatrix des Spritzbetons zu Versinterungen in den Tunneldrainagen. Diese verursa-chen immense Wartungs- und Instandhaltungskosten der Entwässerungssysteme von Tunnelbauwerken. Aus diesem Grund müssen die Auslaugungen minimiert werden. Bis heute gibt es in den Regelwerken jedoch kaum Angaben zur Minimierung der Auslaugun-gen. So fehlen sowohl Grenzwerte für die ausgelaugten Stoffe als auch Vorgaben von Verfahren, die zur Prüfung, Beurteilung und Bewertung des Auslaugverhaltens angewendet werden könnten.

Heutzutage wird hauptsächlich versucht, durch eine Begrenzung der auslaugbaren Bestandteile der Spritzbetoninhaltsstoffe die Auslaugungen zu minimieren. Dies geschieht durch die Begrenzung des Gesamt-Na2-O-Äquivalentes auf < 1,5 M.-%, bezogen auf den

Zementgehalt. Das Gesamt-Na2-O-Äquivalent stellt dabei den Anteil an alkalischen

Bestandteilen der Betoninhaltsstoffe dar. Zudem ist heute eine Verwendung von alkalifreien Erstarrungsbeschleunigern vorgeschrieben. Diese gelten erst ab einem Na2-O-Äquivalent <

1,0 M.-%, bezogen auf den Zementgehalt, als alkalifrei. Die Begrenzung des Na2

-O-Äquivalentes lässt allerdings keine Aussagen zu, wie viel an versinterungsrelevanten Stoffen tatsächlich aus dem Spritzbeton ausgelaugt wird. Es begrenzt lediglich das Potential der Auslaugung.

Eine Erhöhung des pH-Wertes hin ins alkalische Milieu, wie dies bei dräniertem Bergwas-ser zu beobachten ist, führt zu einer Störung des Kalk-Kohlensäure-Gleichgewichts und damit zu einer Reduzierung der Löslichkeit des im Wasser enthaltenen Calciums. Wird der Gleichgewichts-pH-Wert, d.h. der pH-Wert, bei dem das meiste Calcium in Lösung gehalten werden kann überschritten, dann kommt es zur Abscheidung von Calciumcarbonat, welches sich dann im Entwässerungssystem absetzt.

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Zur Vermeidung bzw. Reduzierung von Kalkausfällungen ist es deshalb anzustreben, den pH-Wert im abgeführten Dränagewasser möglichst niedrig zu halten und dessen Erhöhung durch den Kontakt mit dem Spritzbeton zu vermeiden. Dies gelingt am besten, wenn der Anteil der leicht löslichen Alkalien im Spritzbeton deutlich reduziert wird.

Aus diesen Gründen müssen heutzutage weitere Möglichkeiten gefunden werden Auslau-gungen durch optimierte Spritzbetonkonzepte zu minimieren, sowie durch ein geeignetes Verfahren zur Prüfung, Beurteilung und Bewertung des Auslaugverhaltens von Spritzbeton Aussagen über die tatsächlich vorhandenen Auslaugungen zu treffen.

Dazu wurden zunächst die bestehenden baustofftechnischen und umweltrelevanten Anforderungen an den Spritzbeton herausgearbeitet.

Im nächsten Schritt wurden die komplexen Zusammenhänge zum Auslaugverhalten versinterungsrelevanter Stoffe aus zementgebundenen Baustoffen wissenschaftlich analysiert und die Versinterungsmechanismen und -ursachen herausgearbeitet. Dabei wurde auch auf die betontechnologische Faktoren eingegangen, die das Auslaugverhalten maßgeblich beeinflussen.

Mit der Darstellung und Beurteilung von allgemeinen Prüfverfahren zur Bestimmung des Auslaugverhaltens wurden die Grundlagen für die weiteren wissenschaftlichen Untersu-chungen geschaffen. Hierbei wurden die verschiedenen Elutionsprüfverfahren anhand von hergeleiteten Bewertungskriterien auf ihre Praxistauglichkeit und Aussagekraft für Auslaug-untersuchungen bei Spritzbetonen hin beurteilt. Es konnte festgestellt werden, dass kein Verfahren hinsichtlich der Realitätsnähe und Praxistauglichkeit überzeugte. Die Untersu-chungs- und Bewertungsmöglichkeiten der Auslaugung zeigten jedoch, dass sich je nach Fragestellung auch unterschiedliche Zielsetzungen für die Auslaugprüfung ergeben. Daher ist es sinnvoll und auch notwendig unterschiedliche Auslaugtests und Bewertungskriterien einzusetzen.

Um das Auslaugverhalten eines Materials möglichst umfangreich zu charakterisieren (Grundlagenuntersuchungen, Materialcharakterisierung) ist beispielsweise der Einsatz der speziellen Verfahren (Auslaugzelle, Durchströmungszelle und Umströmungsanlage) sinnvoll, da sie sehr genaue und auch innerhalb des Verfahrens vergleichbare Ergebnisse hinsichtlich der Auslaugbarkeit liefern. Somit eignen sich diese Verfahren am Besten für wissenschaftliche Untersuchungen, um z.B. unter Laborbedingungen Parameterstudien über den Einfluss unterschiedlicher Materialien auf das Auslaugverhalten von Spritzbeton durchzuführen.

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Eine Optimierung der Spritzbetonkonzepte hinsichtlich ihrer Auslaugbarkeit wurden in Kapitel 5 mit Hilfe der oben genannten speziellen Verfahren untersucht. Die materialtechno-logische Seite des Spritzbetons ist maßgeblich für das Auslaugverhalten verantwortlich. Zwar sind heutzutage alkalifreie Erstarrungsbeschleuniger sowie kalkfreie Zuschläge vorgeschrieben und alkaliarme Zemente die Regel, jedoch sind die Möglichkeiten zur Minimierung der Auslaugung auf diesem Gebiet noch nicht erschöpft. Damit ein möglichst auslaugarmer Spritzbeton entwickelt werden konnte, mussten erst noch offene material-technologische Fragestellungen beantwortet werden. Aus diesem Grund wurden die Erkenntnisse von bisher durchgeführten experimentellen Untersuchungen zur Verbesse-rung des Auslaugverhaltens von Spritzbetonen dargestellt und analysiert. Anhand der gewonnenen Erkenntnisse wurden Ansätze zur Verbesserung zukünftiger Materialkonzepte von Spritzbetonen hinsichtlich der Auslaugbarkeit versinterungsrelevanter Stoffe hergeleitet und abschließend in einer experimentellen Untersuchung mit der Umströmungsanlage der Ruhr-Universität Bochum wissenschaftlich überprüft. Die Untersuchungen unterschiedlicher Spritzbetonkonzepte zeigten, dass es wesentliche Unterschiede in der Qualität der hergestellten Spritzbetone sowohl hinsichtlich der Auslaugungsneigung als auch hinsicht-lich der übrigen Qualitätseigenschaften wie z.B. Festigkeit oder Rückprall gibt. Es konnte nachgewiesen werden, dass die Rezepturen mit alkalifreien BE-Mitteln gegenüber denen mit alkaliarmen BE-Mitteln bei den maßgebenden Eigenschaften Vorteile bieten. Neben den weitaus höheren Festigkeiten und geringeren Rückprallmengen konnte auch ein verbessertes Auslaugverhalten erzielt werden. Mit der Verwendung von einem SiO2

Zusatzstoff ließ sich allerdings auch bei dem Einsatz von alkaliarmen Beschleunigern das Auslaugverhalten auf ein Maß reduzieren, das in etwa dem der Betone mit alkalifreien Beschleunigern entsprach und teilweise sogar günstiger lag.

Weiteres Verbesserungspotential besteht noch in der Anwendung von Spritzbetonen mit alkalifreiem Beschleuniger unter Hinzugabe des amorphen Siliciums. Falls dadurch noch-mals eine so deutliche Reduzierung des Auslagverhaltens erreicht werden könnte, wäre diese Rezeptur sicherlich das Optimum, was hinsichtlich der Auslaugbarkeit zur Zeit zu erreichen wäre.

Da der Versuchsaufwand bei den bisher speziell für den Spritzbeton vorhandenen Aus-laugprüfverfahren enorm und nur schwer reproduzierbar ist, soll die Optimierung eines Prüfverfahrens zur Beurteilung des Auslaugverhaltens von Spritzbetonen in der Praxis Gegenstand der experimentellen Untersuchung in Kapitel 6 sein. Dazu wurde aufbauen auf den Erkenntnissen von Kapitel 4 ein bestehendes Prüfverfahren modifiziert und unter Praxisbedingungen angewendet. Das Trogverfahren nach ÖNorm eignet sich hierzu am Besten. Seine Vorteile liegen vor allem in seiner Praxistauglichkeit, da es eine einfache Versuchsdurchführung ermöglicht, zudem sind hinsichtlich einer Simulation der realisti-schen Randbedingungen an einem Tunnelbauwerk Modifikationen möglich.

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Versuchsdurchführung lassen sich einfach in der Praxis anwenden. Allerdings bestehen immer noch Probleme bei der Ermittlung von einheitlichen Grenzwerten für die Auslaugung, die bislang nicht vorhanden sind. Die Ansätze der mittlerweile zurückgezogenen ÖNorm S2072, in der bereits Grenzwerte für die Auslaugung festgesetzt wurden, sind nach Meinung des Verfassers nicht geeignet, da sie auf Grundlage eines 24 Stunden-Versuchs beruhen. Nach Kapitel 4 herrscht in dieser Zeit der „wash off“-Effekt vor, so dass durch unterschiedliche Lagerung und Säuberung der Spritzbetonproben im Vorfeld der Versuche, die Ergebnisse sehr unterschiedlich ausfallen können und daher keine praxistauglichen Aussagen zulassen.

Ein Punkt, der dabei in der Praxis wenig erprobt ist, ist der Einsatz des modifizierten Auslaugverfahrens der Ruhr-Universität Bochum. Die Prüfmethodik, die hier vorgeschlagen wird, ist schlüssig, die Anwendung unter Praxisbedingungen wird aber eventuell noch Verbesserungsmöglichkeiten hervorbringen.

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