Polymermodifizierter Spritzbeton von Wacker Chemie AG
Ulmenbereich mit kleinflächiger Anwendung:... Ob Tunnel-, Berg-, Wasser- oder Straßenbau: In allen Spritzbetonanwendungen kommt es beim Auftragen des Betons zu Rückprall – ein erheblicher Zeit- und auch Kostenfaktor. Aus diesem Grund hat die Wacker Chemie AG eine neue Linie polymerer Bindemittel für Beton-anwendungen entwickelt, die den Rückprall beim Aufspritzen erheblich verringern und gleichzeitig die Betoneigenschaften optimieren.
Ein wesentlicher Faktor zur Beurteilung der Qualität und des Leistungsvermögens von Spritzbeton ist der Rückprall. Denn Rückprall verändert die Eigenschaften des Spritzbetons und das überschüssige Material kann nicht wiederverwendet, sondern muss entsorgt werden. Eine Verringerung des Rück-pralls ist daher sowohl ein technologisches als auch ein wirtschaftliches Ziel.
Die neu entwickelte Produktlinie Etonis® zeichnet sich durch eine Verbesserung des Rückprallverhaltens aus. Zudem weist der polymermodifizierte Spritzbeton interessante Beton-eigenschaften auf und stellt damit eine neue Möglichkeit zur Differenzierung dar: Neben hervorragender Verarbeitbarkeit ohne Separation verfügt er über gute Verdichtungseigenschaf-ten und eine höhere Druckfestigkeit. Der polymermodifizierte Spritzbeton haftet exzellent auch auf kritischen Untergründen wie feuchten Tunnelwänden und weist zudem eine verbesserte CO2-Beständigkeit auf. Die neuen polymeren Bindemittel sind dabei flüssig oder in Pulverform erhältlich.
Anwendung im Tunnelbau
Mit polymermodifiziertem Spritzbeton lässt sich im Tunnelbau effektiv Zeit und Material sparen. Das Material eignet sich dabei sowohl für Nass- als auch für Trockenspritzverfahren. Beide Verfah-ren profitieren vom Einsatz polymerer Bindemittel und weisen dadurch eine ganze Reihe von Vorteilen auf (Tabelle 1).
Entwicklungsversuche
In ersten Entwicklungsver-suchen war das primäre Ziel die Festlegung des Anteils vom Zusatzstoff zu Spritzbetongemischen, bei denen die Rückprallquote reduziert wird und der Beton gleichzeitig die relevanten Betoneigenschaften erfüllt. In den Versuchen mit Nassspritzbeton wurden auf standardisierten Prüfflächen unterschiedliche Betonrezepturen appliziert, um die Effekte auf die Eigenschaften des Spritzbetons herauszuarbeiten. Mittels statistischer Versuchs-planung wurde eine Versuchsreihe untersucht, um aufgrund der gewonnenen Kennwerte Entscheidungen für die weitere Vorgehensweise zu treffen. Je Versuch wurden 2 bis 3 m3 Beton gefertigt, wobei zur Sicherstellung eines homogenen Gemischs nur der „Mittelstrahl“ verwendet wurde.
In den Versuchen konnte bereits aufgezeigt werden, dass die Zugabe des Zusatzstoffs den Rückprall signifikant mindert, egal in welcher Variation. Beide modifizierten Betone zeigen mit wachsendem Zusatzstoffgehalt einen sinkenden Rückprall bis zu einem Mini-mum, um dann wieder zu steigen (Bild 1).
Durch den Rückprall verliert der Spritzbeton Gesteinskörnung und damit erhöht sich der Zementgehalt des applizierten Spritzbetons. Mit wachsendem Zementgehalt des Betons steigt im Allgemeinen auch die Festigkeit. Daher ist in der Regel mit höherem Rückprall bei steigender Endfestigkeit zu rechnen. In Bild 2 sind die Festigkeitsverläufe der zusatzstoffmodifizierten Betone und des Referenzbetons wiedergegeben. Die Referenzmischung zeigt über den gesamten Messzeitraum der Frühfestigkeit einen konstanten Verlauf.
In diesem Zusammenhang wird deutlich, dass die mit Fest- und Flüssigzusatzstoff modifizierten Mischungen mit höchstem Zusatzstoffanteil und reinem Fließmittel den geringsten Rückprall und damit auch erwartungsgemäß die geringste Festigkeit aufweisen. In den Entwicklungsversuchen zeigte sich ausgehend vom Festigkeitsverlauf die Mischung mit 5 % festem Zusatzstoff am günstigsten. Diese Mischung ließ sich am längsten verarbeiten und wies ein ähnliches oder besseres Anfangsausbreitmaß als die Referenzmischung auf. Bei den Rückprallwerten erfüllte diese Mischung das Ziel, den Rückprall gegenüber der Referenzmischung zu halbieren. Die mit flüssigem Zusatzstoff modifizierten Betone waren am besten zu verarbeiten.
Modifizierter Spritzbeton im Salzbergwerk Stetten
Teilbereiche wie die Spritzbetonrezeptur des Nass-Mischgutes können im Labor formuliert werden. Das komplexe Zusammenspiel von Dosier-, Misch-, Förder- und Düsensystemen mit der Applikationstechnik kann aber nur in einem großmaßstäblichen Versuch beurteilt werden.
Die Gelegenheit dazu ergab sich beim Bau eines neuen Zugangsstollens im Salzbergwerk Stetten (Baden-Württemberg), das der Wacker Chemie AG seit über 150 Jahren zur Gewinnung von Steinsalz im Untertageabbau dient. 2007 wurde im Bergwerk eine 905 m lange Zufahrt mit einem Gefälle von 10 % gebaut, die mit regulären Lkw befahren werden kann.
Im Rahmen des Tunnelbaus konnten die Eigenschaften bzw. Verbesserungen des modifizierten Spritzbetons ideal in der Praxis untersucht werden. Als Vorbereitung für die praktische Verwendung dieser Spritzbetontechnologie wurden in Laborversuchen die Grundlagen getestet. Anschließend wurde der neu entwickelte modifizierte Spritzbeton unter realen Bedingungen eingesetzt. Diese Versuche zeigten neben der Reduzierung des Rückpralls besonders gute Eigenschaften in Bezug auf Haftung und Dichtigkeit.
Nachdem in den ersten Monaten der Vortrieb im Salzbergwerk Stetten reibungslos verlief, stieß man nach ca. 45 m Tunnellänge auf Grund-wasser. Die ursprünglich für das Bauvorhaben vorgesehene Nassspritzbetonrezeptur erfüllte bei trockenen Verhältnissen ihre Funktion, bei nassem Untergrund zeigten sich jedoch Schwächen bei der Haftung. Da die vorangegangenen Laborversuche bessere Haftung und Dichtigkeit gezeigt hatten, wurde nun an dieser Stelle der polymermodifizierte Spritzbeton eingesetzt.
Für den großflächigen Einsatz wurden die Additive als wässriger Bestandteil im Betonmischwerk zugegeben. Insge-samt wurden 15 m3 Additiv mit einer Dosierung von 40 l/m3 Beton verarbeitet. Bei der Besichtigung der Versuchsflächen im Ulmenbereich zeigte der Standard-Spritzbeton (Bild 3, rechts) viele Durchfeuchtungsstellen. Der modifizierte Spritzbeton (Bild 3, links) hingegen haftet deutlich besser auf feuchtem Untergrund, ist zudem dichter und neigt insgesamt zu geringerer Rissbildung.
Der Einsatz von modifiziertem Spritzbeton unter Baustellenbedingungen hat sich im Fall der Anwendung des Zugangsstollens bewährt. Durch die Umstellung auf modifizierten Spritzbeton konnte die neue Zufahrt problemlos rechtzeitig fertig gestellt werden.
Fazit und Ausblick
Die modifizierten Betone besitzen ein interessantes technisches und wirtschaftliches Potenzial. Im Rahmen der Entwicklung wurden grundsätzliche Überlegungen zur Wirtschaftlichkeit von polymermodifiziertem Spritzbetonanwendungen auf der Basis der Versuchsergebnisse angestellt. Hierbei kommt dem verringerten Rückprall durch den neuen Zusatzstoff eine entscheidende Bedeutung zu, denn der monetäre Mehraufwand des modifizierten Spritzbetons kann durch die Zeit- und Materialersparnis in einen nennenswerten Gewinn gewandelt werden (Tabelle 2).
Der neue polymermodifizierter Spritzbeton ist einfach anzuwenden und vielseitig: Ob in vertikaler Anwendung oder an der Decke, im Tunnel- oder Bergbau, an Hängen oder in Wasserkanälen – in all diesen Anwendungen verringert er die Systemkosten und verbessert gleichzeitig die Betoneigenschaften.
K. Bonin, Dr. J. Bezler; Wacker Chemie AG
