Entwicklung eines frühfesten Ankermörtels für den Tunnelbau

Der vorliegende Beitrag beschreibt die Entwicklung eines frühfesten Ankermörtels, der im Tunnelbau zur Sicherung der Tunnelaußenschale eingesetzt werden soll. Derzeitig auf dem Markt erhältliche Ankermörtel weisen eine Erhärtungsdauer von einem bis zu mehreren Tagen auf, während der Anker noch nicht belastet werden darf. Durch eine Beschleunigung des Erhärtungsvorganges könnte eine erheblich schnellere Tragfähigkeit sowie eine bessere Ausnutzung der eingesetzten Anker resultieren. Hierbei spielt die frühzeitige Ausbildung des Gebirgstragringes eine wichtige Rolle, durch die die Außenschalendicke kleiner ausgeführt werden könnte. Der Baufortschritt könnte durch einen frühfesten Ankermörtel beschleunigt und somit ein Beitrag zu einer Kostenreduktion geleistet werden.

1 Einleitung

Im Tunnelbau führt eine Bauzeitreduktion zu deutlichen Kosteneinsparungen, daher ist der Marktbedarf an schnelleren Verfahren groß. Jede Erhärtungsdauer, die über die zur Verarbeitung notwendige Zeit hinausgeht, ist hier von wirtschaftlichem und technischem Nachteil. Auch kann durch baubetriebliche Zwänge das Ankern in bestimmte Zeitfenster (z. B. Nachtschicht) gelegt werden. Diese Vorgehensweise erfordert einen frühfesten Ankermörtel. Weiterhin können in Bereichen, in denen eine kurzfristige Sicherstellung der vollen Ankertragfähigkeit erforderlich ist (z. B. Störungszonen), bislang überwiegend gefaltete Stahlrohranker, die mit Wasserdruck aufgeweitet werden (Reibungsanker) zum Einsatz kommen [1]. Der Einsatz frühfester Ankermörtel würde hier das Spektrum alternativer Ankersysteme erweitern. Bild 1 zeigt die geplante Festigkeitsentwicklung (orange) im Vergleich zur Festigkeitsentwicklung derzeit auf dem Markt befindlichen Produkten, welche in Vorversuchen im Labor ermittelt wurden.

1 | Angestrebte Festigkeitsentwicklung des frühfesten Ankermörtels
Credit/Quelle: FH Münster, IuB

1 | Angestrebte Festigkeitsentwicklung des frühfesten Ankermörtels
Credit/Quelle: FH Münster, IuB

Das Ziel des hier vorgestellten Forschungsprojektes war es, verschiedene Ankermörtelrezepturen zu entwickeln, die eine wesentlich schnellere Festigkeitsentwicklung als alle derzeit auf dem Markt erhältlichen Produkte aufweisen, gleichzeitig jedoch die hohen derzeitigen Anforderungen an Ankermörtel vollends erfüllen.

Diese Entwicklungsarbeiten wurden in Zusammenarbeit der FH Münster und der AVG Mineralische Baustoffe GmbH im Rahmen eines Forschungsvorhabens des „Zentralen Innovationsprogramms Mittelstand“ (ZIM), welches durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWI) gefördert wird, durchgeführt.

2 Tragwirkung von Ankern im Tunnelbau

Im Tunnelbau können Einzelanker zur Sicherung von beispielsweise einzelnen Gesteinsblöcken, Keilen oder Bänken zum Einsatz kommen. Diese Maßnahmen dienen auch zum Schutz des Vortriebspersonals und zur Erhaltung der angestrebten Ausbruchsgeometrie. Hierbei handelt es sich um ein Anheften grobblockiger Gebirgsbereiche gegen Nachfallen. Auch wird durch eine Dübelwirkung der Ankerung eine Erhöhung der Reibung in Schichtfugen des Gebirges erreicht.

Durch eine Systemankerung wird die sich beim Vortrieb des Tunnels einstellende Auflockerungszone verringert. Der Einbau eines regelmäßiges Ankerrasters unterstützt dabei die Bildung eine Gebirgstragrings. Da die sich einstellenden Spannungsumlagerungen erst im Laufe der Zeit ins Innere des Gebirges wachsen, ist eine frühzeitige Verhinderung der Auflockerung durch die Systemankerung anzustreben [2]. In Kombination mit der Spritzbetonschale entsteht durch die Ankerung weiterhin eine Verbundwirkung zum Gebirge. Bild 2 zeigt die verschiedenen Aufgabenbereiche bei der Verwendung einer Ankerung im Tunnelbau.

2 | Verwendung von Ankern im Tunnelbau
Credit/Quelle: FH Münster, IuB

2 | Verwendung von Ankern im Tunnelbau
Credit/Quelle: FH Münster, IuB

Je schneller die volle Ankertragwirkung aktiviert wird, desto geringer können die Auflockerungsdrücke sein und der erforderliche Ausbauwiderstand (u. a. Dicke Spritzbetonschale) kann eventuell reduziert werden.

Durch den Vortrieb eines Tunnels ändert sich der Spannungszustand im Gebirge und es tritt eine Umlagerung der Spannungen ein. Der dreidimensionale Spannungszustand geht über in einen zweidimensionalen Spannungszustand. Bild 3 zeigt die tangentialen und radialen Spannungszustände am Ausbruchsrand. Durch den Ausbruch des Tunnels geht die Radialspannung am Ausbruchsrand verloren. Im Firstbereich bildet sich eine Auflockerungszone, die sich mit zunehmender Zeit vergrößert. Der sich einstellende Gebirgstragring bildet sich um die Auflockerungszone herum und wandert mit zunehmender Auflockerung nach außen [2].

3 | Tragprinzip einer Systemankerung
Credit/Quelle: FH Münster, IuB

3 | Tragprinzip einer Systemankerung
Credit/Quelle: FH Münster, IuB

Am Mohrschen Spannungskreis [3] kann entnommen werden, dass mit der eingesetzten Ankerung am Ausbruchsrand eine Erhöhung der Kohäsion („Ankerkohäsion“) einhergeht (siehe Bild 3). Die Einbringung einer Systemankerung in Kombination mit Spritzbeton stellt den dreiaxialen Spannungszustand im Hohlraum wieder her und wirkt der Auflockerung entgegen. Daher ist es anzustreben, diesen dreiaxialen Spannungszustand möglichst schnell nach dem Ausbruch des Tunnels zu schaffen und somit den entstehenden Gebirgsdruck durch den Einbau von einer Spritzbetonschale und einer Systemankerung möglichst gering zu halten [2].

Die auf den Ankerplatten wirkenden Druckspannungen müssen über den Anker, den Mörtel sowie dem im Ankerloch anstehenden Gebirge zurückgehangen werden (siehe Bild 4). Hierbei stellt sich in der betrachteten Haftstrecke jeweils eine Verbundspannung zwischen Ankerstab und Ankermörtel sowie zwischen Ankermörtel und Gebirge ein. Die im Ankermörtel wirkenden Kräfte können vereinfacht über das dargestellte Fachwerk beschrieben werden.

4 | Am Verbundanker wirkende Kräfte
Credit/Quelle: FH Münster, IuB

4 | Am Verbundanker wirkende Kräfte
Credit/Quelle: FH Münster, IuB

Mögliche Versagensarten des Verbundankers können sein:

1. Ankerstabversagen durch Überschreiten der Stahlfestigkeit

2. Verbundversagen im Bereich Anker/Mörtel

3. Mörtelversagen (Querkraftversagen)

4. Verbundversagen im Bereich Mörtel/Gebirge

5. Gebirgsversagen

Um ein frühzeitiges Versagen durch den Mörtel (Fall 2–4) zu vermeiden, muss dieser ausreichend hohe Verbund- und Querkraftspannungen aufnehmen können. Daher war das Ziel dieser Untersuchungen einen Mörtel mit ausreichenden Widerständen zu erstellen, bei dem das Versagen durch das Überschreiten der Zugfestigkeit des Ankerstabes bzw. des Gebirges eintritt.

3 Laborversuche

3.1 Untersuchungsumfang

In Bild 1 sind die Festigkeitsentwicklungen frei auf dem Markt verfügbarer Ankermörtel dargestellt. Es ist festzuhalten, dass es für den Tunnelbau bisher auf dem Markt keine frühfesten Ankermörtel mit Erhärtungszeiten von 6 bis 8 Stunden gibt.

Nach Betrachtung der derzeit eingesetzten Systeme, wurde eine Mörtelrezeptur entwickelt, die folgende Einflussfaktoren berücksichtigt:

unterschiedliche Boden- bzw. Gebirgsbeschaffenheiten

unterschiedliche zeitliche Erstarrungsanforderungen (Verarbeitungsdauer)

unterschiedliche hydrologische Einflüsse

unterschiedliche Einsatzbereiche (Firstbereich, Strossenbereich)

unterschiedliche Injektionsmethoden (über Ankerkopf, Mörtelpumpe)

Zunächst wurde in Kleinversuchen die Rezeptur des frühfesten Mörtels iterativ entwickelt. Mithilfe der daraus ermittelten Rezeptur wurden im Anschluss großmaßstäbliche Laborversuche durchgeführt. Dabei lag der Fokus darauf, die Versuche möglichst realitäts- und praxisnah zu gestalten.

3.2 Kleinversuche

3.2.1 Untersuchungsumfang

Bei den Mörteluntersuchungen wurden sowohl die Konsistenz- und Verarbeitungseigenschaften als auch die Früh- und Endfestigkeiten ermittelt, wobei insbesondere eine hohe Frühfestigkeit und eine gute Verarbeitbarkeit des Mörtels im Vordergrund standen. Weiter wurde die ermittelte Mörtelrezeptur auf hydrologische Einflüsse und die Beeinflussung durch verschiedene Temperaturen untersucht.

3.2.2 Verarbeitbarkeit

Der frühfeste Ankermörtel wurde für eine Verarbeitungsdauer von bis zu 45 Minuten konzipiert, um die Aufrechterhaltung des Baustellenablaufs auch bei einem verzögerten Einbau zu gewährleisten. Die Verarbeitungs- und Konsistenzeigenschaften wurden mithilfe des Ausbreittisches gemäß DIN EN 1015-3 [4] und DIN EN 12350-5 [5] ermittelt. Diese Vorgehensweise ermöglichte die Vergleichbarkeit der iterativ entwickelten Mörtelrezepturen.

Tabelle 1 | Ausbreitmaßermittlung gemäß DIN EN 12350-5 [5]

Tabelle 1 | Ausbreitmaßermittlung gemäß DIN EN 12350-5 [5]
Aufgrund von möglichen Abweichungen bei der Wasserzugabe auf der Baustelle, wurde ein w/z-Wert Bereich untersucht, in dem der Mörtel eine praxistaugliche Verarbeitung und ausreichende Festigkeitsentwicklung gewährleistet. Dabei muss der untere w/z-Wert bei der Mörtelherstellung mindestens erzielt werden, um eine Pumpfähigkeit zu ermöglichen. Der obere w/z-Wert wird durch die angestrebte Festigkeitsentwicklung begrenzt. Es ergab sich eine Spannweite, deren oberer und unterer w/z-Wert 10 % auseinander liegen. In Tabelle 1 sind die Ausbreitmaße des Ankermörtels nach dem Anmischen, sowie nach 30 und nach 45 Minuten angegeben.

Der Ankermörtel zeigt im unterem w/z-Wert Bereich, mit Konsistenzbereichen von F4 (nach dem Anmischen und nach 30 min) und F3 (nach 45 min), eine konstante Verarbeitbarkeit. Bei einer Erhöhung von 10 % des w/z-Wertes erzielt der Ankermörtel Konsistenzbereiche im fließfähigen Bereich. Durch Pumpversuche mittels einer Schneckenpumpe konnte die Pumpfähigkeit des entwickelten Mörtels festgestellt werden.

3.2.3 Festigkeiten

Wie zuvor erläutert, ist die maßgebende Spannung für den Ankermörtel dessen Verbundspannung, welche im Rahmen der großmaßstäblichen Laborversuche untersucht wurde. Da diese Prüfung mit einem hohen Aufwand verbunden ist, wurde zunächst die Druckfestigkeit fck des Ankermörtels als Indikator für die Verbundfestigkeit festgelegt. Dabei wurde angenommen, dass mit steigender Druckfestigkeit eine allgemeine Steigerung der Verbundkraft einhergeht. Die Ermittlung der Druckfestigkeit erfolgte gemäß DIN EN 196-1 [6] mittels Mörtelprismen (160 x 40 x 40 mm).

Die Festigkeitsermittlungen beruhen auf der Mörtelherstellung mit dem erhöhten w/z-Wert von 10 % und liegen somit auf der sicheren Seite. In Bild 5 ist die Festigkeitsentwicklung des entwickelten Ankermörtels und die auf dem Markt erhältlichen Ankermörtel gegenübergestellt.

5 | Festigkeitsentwicklungen im Vergleich
Credit/Quelle: FH Münster, IuB

5 | Festigkeitsentwicklungen im Vergleich
Credit/Quelle: FH Münster, IuB

Der entwickelte Ankermörtel erreicht nach der Prüfung DIN EN 196-1 [6] bei der vorgeschriebenen Lagerungstemperatur von 20 °C bereits nach 6 Stunden eine mittlere Druckfestigkeit von über 14 N/mm² und nach 8 Stunden eine mittlere Druckfestigkeit von mehr als 33 N/mm². Herkömmliche Ankermörtel erreichen diese Festigkeiten bei 20 °C erst 14 bis 20 Stunden später.

Um der Anwendung in der Praxis gerecht zu werden, wurden die Festigkeitsentwicklungen bei unterschiedlichen Temperatureinflüssen getestet, da die Außen- und/oder Umgebungstemperatur einen wesentlichen Einfluss auf die Hydration des Mörtels und somit auch auf die Festigkeitsentwicklung aufweist [7]. Im Tunnelbau könnte der Effekt des Wärmeentzuges beispielweise durch ein kälteres Gebirge zustande kommen, wobei sich der Effekt bei zunehmender Differenz zwischen Frischmörteltemperatur und Gebirgstemperatur verstärken würde. Um dem Auskühlen des Frischmörtels bei kalten Temperaturen entgegenzuwirken, könnte die Trockenmischung erwärmt bzw. warm gelagert werden oder beim Mischvorgang warmes Anmachwasser hinzugefügt werden. Neben den Anforderungen der DIN EN 196-1 [6] wurden im Rahmen des Forschungsprojektes Druckfestigkeitsprüfungen bei Lagerungstemperaturen von 15, 10 und 5 °C durchgeführt.

Für die Versuchsreihen bei 10 und 5 °C wurde warmes Anmachwasser mit einer Temperatur von 25 °C verwendet. Um bei den Versuchen möglichst praxisnahe Ergebnisse zu erzielen, wurden neben den unterschiedlichen Temperaturen auch zwei verschiedene Schalungen verwendet, Stahlschalungen (Stahlsorte: C45 und C60, s. Bild 6 min.-Wert) mit einem Wärmeleitkoeffizienten λ von ca. 48 W/(m*K) und Kunststoffschalungen (PE-UHM, s. Bild 6 max.-Wert) mit einem Wärmeleitkoeffizienten λ von ca. 0,42 W/(m*K). Die Wärmeleitfähigkeit des Gebirges wird sich zwischen diesen beiden Grenzwerten befinden. In Bild 6 ist die Festigkeitsentwicklung bei den Lagerungstemperaturen 20, 15, 10 und 5 °C dargestellt.

6 | Festigkeitsentwicklung bei unterschiedlichen Lagerungstemperaturen
Credit/Quelle: FH Münster, IuB

6 | Festigkeitsentwicklung bei unterschiedlichen Lagerungstemperaturen
Credit/Quelle: FH Münster, IuB

Für die erforderliche Erstsicherung und Stabilisierung des Gebirges galt im Rahmen der Entwicklungsarbeit als erste Zielsetzung eine Druckfestigkeit nach 6 bis 8 Stunden zu erzielen, die äquivalent zu den Druckfestigkeiten der auf dem Markt erhältlichen Ankermörtel nach 24 Stunden ist (siehe Bild 1). Der angestrebte Zielwert von ~15 bis 20 N/mm² (rot markierter Bereich in Bild 6) wird je nach Abhängigkeit der Außen- und Bodentemperatur nach ~ 6 Stunden (20 °C), ~ 9 Stunden (15 °C), ~ 12 Stunden (10 °C) und ~ 20 Stunden (5 °C) erreicht.

3.2.4 Hydrologischer Einfluss

Da in der Praxis auch eine Hydratation des Mörtels unter bestehendem Grundwasser bzw. anfallenden Bergwasser stattfinden kann, wurden Untersuchungen zum hydrologischen Einfluss durchgeführt. Diese umfassten das Einbringen von Frischmörtel in Wasser gelagerten Schalungen und dem Verdrängen des Wassers. Dabei zeigte sich, dass die Erhärtungsdauer des Mörtels unter andauerndem hydrologischem Einfluss zunimmt. Der Mörtel war in der Lage anstehendes Wasser zu verdrängen, ohne sich dabei zu entmischen. Allerdings konnten keine 6- oder 8-Stunden-Festigkeiten erreicht werden. Demnach ist zu beachten, dass die Frühfestigkeit des Mörtels unter hydrologischen Einfluss maßgeblich von mehreren Parametern beeinflusst, wird: Wassertemperatur, drückendes Wasser, Fallhöhe, Wasserverdrängung und Entmischung des Mörtels beim Einbringen.

3.3 Großmaßstäbliche Laborversuche

3.3.1 Vorgehensweise

Nach den Untersuchungen an kleinen Versuchskörpern wurde der Mörtel auf seine realitätsnahe Praxistauglichkeit geprüft. Hierfür wurde ein Gebirgsbohrloch mithilfe eines Betonkörpers (40 x 40 x 100 cm) mit einer mittigen Bohrung (Durchmesser von 55 mm) im Labor simuliert. Getestet wurde die Verfahrenstechnik des SN-Ankers, bei welcher der Anker in das zuvor mit Mörtel gefüllte Bohrloch gedrückt wird. Die Verfüllung des Bohrloches erfolgt mithilfe einer Schneckenpumpe. Die Verarbeitbarkeit des Ankermörtels wurde an vertikal, horizontalen und überkopf platzierten Betonkörpern getestet. Die Verbundfestigkeit des Mörtels wurde anschließend mittels des in Bild 7 gezeigten Versuchsaufbaus des Ausziehversuches getestet.

7 | Versuchsaufbau Ausziehversuch
Credit/Quelle: FH Münster, IuB

7 | Versuchsaufbau Ausziehversuch
Credit/Quelle: FH Münster, IuB

3.3.2 Ergebnisse der großmaßstäblichen Laborversuche

Verarbeitbarkeit: Der neu konzipierte Ankermörtel erwies sich in allen drei genannten Positionen als pumpfähig und der Ankermörtel konnte erfolgreich eingebracht werden. Bei der Mörteleinbringung vertikal überkopf, konnte das Bohrloch mit dem angestrebten w/z-Wert nicht völlig verfüllt werden, da der Mörtel teils vor Verschluss des Bohrloches zurücklief.

Versagensfälle und Festigkeiten: Bei den Ausziehversuchen stellten sich abhängig von den Festigkeiten, die separat mittels Mörtelprismen ermittelt wurden, verschiedene Versagensfälle ein. Dabei konnte ermittelt werden, dass die Bruchlast des Ankerstabes (d = 28 mm, B500) von ca. 307 kN erreicht wird, wenn die Druckfestigkeit des Mörtels ≥ 10 N/mm² übersteigt. Bei Mörtelfestigkeiten fck < 10 N/mm² trat hingegen als Versagensfall immer das Verbundversagen zwischen Ankerstab und Mörtel auf, welches schlagartig erfolgte. Eine Übersicht der gesamten Versuchsergebnisse ist in Tabelle 2 dargestellt. Die genannten Festigkeiten beziehen sich auf eine Mörtelverbundlänge von 1 m.

Tabelle 2 | Ergebnisse Ausziehversuche

Tabelle 2 | Ergebnisse Ausziehversuche

Basierend auf den Ergebnissen der Ausziehversuche, kann die zuvor angenommene Mindestdruckfestigkeit von ca. 15 bis 20 N/mm² auf 10 N/mm² abgemindert werden. Diese Annahme beruht auf den Ausziehversuchen an den 1m langen Betonkörpern mit SN-Ankern. Die benötigte Mindestdruckfestigkeit kann je nach verwendetem Ankersystem, Bohrlochdurchmesser, Gebirgsuntergrund und Verbundlänge variieren. Die Verankerungslänge im Tunnelbau beträgt mehrere Meter, wodurch im Allgemeinen von einer verminderten Mindestdruckfestigkeit ausgegangen werden kann.

Aus der Annahme einer Mindestdruckfestigkeit von 10 N/mm²
resultieren geringere Erhärtungsdauern für den Mörtel, in Abhängigkeit der Außentemperatur (siehe Bild 8). Der angestrebte Zielwert von ca. 10 N/mm² (rot markierter Bereich in Bild 8) wird je nach Abhängigkeit der Außen- und Bodentemperatur nach ~ 5,5 Stunden (20 °C), ~ 8 Stunden (15 °C), ~ 10 Stunden (10 °C) und ~ 18 Stunden (5 °C) erreicht.

8 | Festigkeitsentwicklung bei unterschiedlichen Lagerungstemperaturen
Credit/Quelle: FH Münster, IuB

8 | Festigkeitsentwicklung bei unterschiedlichen Lagerungstemperaturen
Credit/Quelle: FH Münster, IuB

4 Baupraktische Erprobung

Nach der Entwicklung und den Laborversuchen wurde für eine realitätsnahe Beurteilung der Mörtel baupraktisch erprobt. Für eine erste Erprobung wurde der Mörtel bei einer Hangsicherung in zusätzliche Bohrlöcher mit einer Bohrung von 100 mm unter 20 ° abfallender Neigung eingebracht. In diese Bohrlöcher wurden Selbstbohranker d = 32 mm und SN-Anker d = 28 mm auf einer Länge von 4 m eingebracht und mit einer baustellenüblichen Schneckenpumpe verfüllt. Bei der Ankerprüfung nach 24 Stunden bei 5 °C Außentemperatur erwiesen sich die Anker als tragfähig. Bei Einhaltung des w/z-Wertes und in Abhängigkeit der Umgebungstemperatur können die Ergebnisse aus Bild 8 abgeschätzt werden. Somit konnte ein frühfester Verbundanker auf zementärer Basis hergestellt werden.

5 Fazit und Ausblick

Der entwickelte Ankermörtel erfüllt die geforderten technischen Ansprüche an einen frühfesten Ankermörtel. Durch die Versuche am IuB wurden die einzelnen Parameter des Ankermörtels betrachtet, ausgewertet und optimiert. Experimentelle Großversuche beweisen, dass der Ankermörtel unter Laborbedingungen praxistauglich anwendbar ist. Da der Fokus hier auf Laborversuchen lag, sind noch mehr baupraktische Erprobungen mit verschiedenen Randbedingungen notwendig, bevor fundierte Aussagen über den Einsatz in der Praxis getroffen werden können. Dabei müssen für einen allgemeinen Einsatz die Randbedingungen, unter der der Ankermörtel frühfeste Ergebnisse erzielen soll, berücksichtigt werden.

Die Verfasser bedanken sich bei F. Basler M.Sc. und P. Voitenko M.Sc. für die Mitarbeit und die Unterstützung.
References/Literatur
[1] Müller, L.: Der Felsbau, Dritter Band: Tunnelbau, 1978, Enke Verlag, Stuttgart.
[2] Maidl, B.: Handbuch des Tunnel- und Stollenbaus, Band I, 3. Auflage 2004, Verlag Glückauf, Essen.
[3] Schnell, W., Gross, D., Hauger, W.: Technische Mechanik 2, 1992, Springer-Lehrbuch, Berlin.
[4] DIN EN 1015 Prüfverfahren für Mörtel für Mauerwerk – Teil 3: Bestimmung der Konsistenz von Frischmörtel (mit Ausbreittisch); Deutsche Fassung EN 1015-3: 1999 + A1 2004 + A2, 2006, Beuth Verlag, Berlin.
[5] DIN EN 12350-5: Prüfung von Frischbeton – Teil 5: Ausbreitmaß, Deutsche Fassung EN 12350-5, September 2019, Beuth Verlag, Berlin.
[6] DIN EN 196-1: Prüfverfahren für Zement – Teil 1: Bestimmung der Festigkeit; Deutsche Fassung EN 196-1, November 2016, Beuth Verlag, Berlin.
[7] Bendix, R.: Bauchemie - Einführung in die Chemie für Bauingenieure und Architekten, 7. Auflage 2020, Springer Vieweg Verlag, Wiesbaden.
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