Mörtel-Füllung eines Hohlraums

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer drainagefähigen Mörtel-Füllung eines Hohlraums, insbesondere eines Ringspalts zwischen einem Baugrund und Tübbingen eines Tunnelbauwerks .

Ein Verfahren zum Verfüllen eines Ringraums zwischen der Außenfläche eines Tübbingrings und einem ihm umgebenden Baugrund eines Tunnelbauwerks durch Einbringen eines Baustoffgemischs ist aus der EP 3 048 243 Al bekannt. Eine über eine Leitung

herangeführte dünnflüssige Grundkomponente des Baustoffgemischs wird am Ort der Einbringung in den Ringraum mit einer

Aktivatorkomponente vermischt. Die nur feinkörnige Partikel enthaltende Grundkomponente enthält entweder ein Bentonit- Zement-Gemisch oder ein Gemisch von Bentonit mit gemahlenem Hüttensand oder auch eine Kombination von beidem sowie Wasser und kann weitere Füll- und/oder Zusatzstoffe enthalten. Die Grundkomponente bindet entweder überhaupt nicht selbstständig ab oder weist eine auf mehr als 24 Stunden verzögerte Abbindezeit auf. Die vorgeschlagene Aktivatorkomponente enthält vorzugsweise Wasserglas, kann aber auch ein Erdalkalioxid oder -hydroxid oder ein Aluminat enthalten. Zusätzlich wird eine Tensidkomponente der herantransportierten Grundkomponente zugemischt. Das Gemisch aus Grundkomponente, Aktivatorkomponente und Tensidkomponente wird durch eine als Begasungsstrecke ausgebildete rohrförmige Strömungskammer eines Schaumgenerators mit vorzugsweise

zylindrischem Querschnitt geführt. Die Außenwand der

Strömungskammer ist durch ein poröses Material gebildet und umgeben von einer Druckkammer, welcher Druckluft eines

vorgegebenen Drucks zugeführt wird. Der Druck ist so

eingestellt, dass eine vorgegebene Menge pro Zeiteinheit durch die poröse Wandung in die Strömungskammer eindringt und dort Luftbläschen vorgegebener Größe und Verteilung bildet. Das in der Druckschrift beschriebene Verfahren basiert auf dem

Gedanken, dem zum Verfüllen des Ringraums verwendeten

Baustoffgemisch Luft zuzumischen, das heißt einen Baustoffschäum einzubringen, um eine hohe Kompressibilität zu erreichen. Dabei soll die Luft erst am Ort des Einbringens in den Ringspalt zugemischt werden, um die Heranführung zu verbessern, da eine schaumfreie Grundkomponente besser über längere Strecken pumpbar ist .

Aus der WO 2016/179612 Al ist ein Verfahren zum Herstellen eines wasserdurchlässigen Ringspaltmörtels bekannt, bei dem zunächst ein aufgeschäumtes Mörtelzwischenprodukt gebildet wird, wobei das Mörtelzwischenprodukt Zuschlagstoffe, Wasser und

Bindemittel umfasst, wobei die Zuschlagstoffe eine

Zuschlagstoffkörnung mit einem Hohlraumgehalt zwischen 30% und 50% aufweisen, wobei die Zuschlagstoffkörnung, das Wasser und das Bindemittel zusammen einen Hohlraumgehalt von 10% bis 25% aufweisen, dann das aufgeschäumte Mörtelzwischenprodukt durch eine Förderleitung in einen Ringspalt gefördert wird und

unmittelbar nach dem Verlassen der Förderleitung einen

Luftporengehalt aufweist, welcher absolut um 10% bis 25% größer ist als der Hohlraumgehalt der Zuschlagstoffkörnung, des Wassers und des Bindemittels zusammen, dann im Bereich des Endes der Förderleitung aus dem Mörtelzwischenprodukt durch Beimischung eines Entschäumers ein Frischmörtel gebildet wird und

schließlich der Schaum durch den Entschäumer vor dem Erhärten des Frischmörtels zu dem Ringspaltmörtel zumindest teilweise zerstört wird.

Bei dem bekannten Verfahren zum Herstellen eines

wasserdurchlässigen Ringspaltmörtels wird die

Wasserdurchlässigkeit oder Drainagefähigkeit durch die

Eigenschaften der Zuschlagstoffe, insbesondere den

Hohlraumgehalt zwischen den Körnern der Zuschlagstoffe, erzielt. Eine gute Wasserdurchlässigkeit wird durch hohe Hohlraumgehalte zwischen den Zuschlagkörnern aufgrund geeigneter Wahl der

Korngrößen und Kornformen erreicht.

Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, eine Möglichkeit zum Herstellen einer drainagefähigen Mörtel-Füllung eines Ringspalts zu schaffen, die eine gute

Pumpfähigkeit der heranzuführenden Komponenten mit hoher

Wasserdurchlässigkeit und Festigkeit der Ringspaltfüllung im erhärteten Zustand kombiniert.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Herstellen einer drainagefähigen Mörtel-Füllung eines Hohlraums, insbesondere eines Ringspalts zwischen einem Baugrund und

Tübbingen eines Tunnelbauwerks, mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Bei diesem Verfahren wird zunächst im Schritt a) eine Zementsuspension mit einem Wasser-Bindemittel-Wert zwischen 0,40 und 0,60 durch Mischen wenigstens eines Zement-Bindemittels mit Wasser und gegebenenfalls Zuschlägen hergestellt und ein

Zementsuspension-Volumenstrom erzeugt, wobei der

Zementsuspension oder dem Zementsuspension-Volumenstrom ein Tensid zugemischt wird. Dann wird im Schritt b) der

Zementsuspension-Volumenstrom derart durch einen Schaumgenerator zur Bildung eines Schaum-Volumenstroms geleitet, dass Druckluft in einem ersten vorgegebenen Volumenanteil zwischen 150 % und 250 % des Zementsuspension-Volumenstroms und bei einer

Luftporengrößenverteilung mit einer geringen Streuung der

Luftporengrößen, bei der die Luftporengrößen von mindestens 70 % des Druckluft-Volumenanteils von einer mittleren Luftporengröße um nicht mehr als etwa 50 % abweichen, zugemischt wird. Im

Schritt c) wird dem Schaum-Volumenstrom bei seiner Einbringung in den Hohlraum ein Erstarrungsbeschleuniger zugemischt. Der Erstarrungsbeschleuniger ist vorzugsweise ein

Spritzbetonbeschleuniger. „Druckluft" soll hier jegliche Luft oder ähnliche Gasgemische oder Gase, wie beispielsweise

Stickstoff, bezeichnen, die in die Zementmischung „gedrückt" werden, um Schaumblasen oder -poren zu erzeugen, ungeachtet des dabei aufgewendeten Drucks und der genauen Zusammensetzung des Gasgemischs .

Die Erfindung basiert auf dem Grundgedanken, die

Wasserdurchlässigkeit nicht - wie bei dem bekannten Verfahren - durch hohe Hohlraumgehalte zwischen Zuschlagkörnern, sondern durch Herstellen eines überwiegend offenporig erstarrten Schaums zu erzielen. Dies wird erfindungsgemäß durch die Einbringung eines bestimmten Luftporenanteils bei einer möglichst homogenen Luftporenverteilung erreicht. Diese Vorgehensweise basiert auf der Erkenntnis, dass einerseits bei einer zu geringen

Lufteinbringung, bei der der gebildete Schaum eine hohe Dichte aufweist, ein zu hoher Anteil der Luftporen in der

Zementsuspension derart eingebettet wird (insbesondere in Form eines Kugelschaums mit kugelförmigen Luftbläschen bis hin zu einem Polyederschaum, bei dem aneinanderliegende verformte

Luftbläschen durch im Wesentlichen ebenflächige

Flüssigkeitswände getrennt sind) , dass er beim Abbinden zu geschlossenen Poren, d.h. zu einem geschlossenzelligen Schaum erstarrt. Andererseits führt ein zu hoher Luftporenanteil, bei der der gebildete Schaum eine geringe Dichte aufweist, dazu, dass der Schaum kollabiert. Anzustreben ist aber ein Schaum, bei dem die Dichte und Verteilung der Luftporen bereits zu einem Abfließen der Flüssigkeit ( Zementsuspension mit Tensid) aus den zwischen sich berührenden Luftbläschen befindlichen Lamellen und deren Aufreißen und einem Einsetzen eines Verbindens der

Luftbläschen (Koaleszenz) geführt hat, aber die Schaumstege und Schaumknotenpunkte zwischen den Luftporen noch zu einem großen Teil erhalten sind. In diesem anzustrebenden metastabilen

Zustand, in dem für kurze Zeit ein zum großen Teil offenporiger Schaum existiert, soll der Schaum durch einsetzende Erstarrung stabilisiert („eingefroren") werden und danach vollständig aushärten. Es zeigte sich, dass bei Einbringung eines Luftporen- Volumenanteils zwischen 150 % und 250 %, vorzugsweise etwa 200 %, bezogen auf das Zementsuspension-Volumen, und bei einer Luftporengrößenverteilung mit einer geringen Streuung der

Luftporengrößen ein solcher gewünschter offenporiger Schaum entsteht. Eine ausreichend geringe Streuung liegt

erfindungsgemäß vor, wenn die Luftporengrößen von mindestens 70 % des Druckluft-Volumenanteils von einer mittleren

Luftporengröße um nicht mehr als etwa 50 % abweichen.

Vorzugsweise sollten die Luftporengrößen von mindestens 85 % des Druckluft-Volumenanteils von einer mittleren Luftporengröße um nicht mehr als etwa 30 % abweichen. Es wird angenommen, dass die hier anzustrebende geringe Streuung der Luftporengrößen den in Schäumen zu beobachtenden Effekt minimiert, dass große

Schaumblasen auf Kosten benachbarter kleinerer Schaumblasen wachsen. Die geringere Streuung der Luftporengrößen führt zu einem gleichmäßigeren Zerfall des Schaumes und einer besseren Einsteilbarkeit der optimalen Zusammensetzung (insbesondere der optimalen Luft-Zementsuspension-Relation) für den gewünschten metastabilen Schaumzustand zum Zeitpunkt des „Einfrierens" aufgrund einsetzender Erstarrung.

Die bei ausreichender Wasserdurchlässigkeit außerdem zu erzielende hohe Festigkeit des erstarrten, abgebundenen

Schaummörtels von mindestens 0,4 N/mm ² (im Alter von 3 Tagen) wird insbesondere durch einen Wasser-Bindemittel-Wert (Wasser- Zement-Wert) von unter 0,60 erreicht; die erforderliche

Fließfähigkeit, Pumpbarkeit und Aufschäumbarkeit der

Zementsuspension durch einen Wasser-Bindemittel-Wert (Wasser- Zement-Wert) von über 0,40.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird im Schritt a) ein Zementsuspension-Volumenstrom mit einer Dichte zwischen 1500 kg/m ³ und 2000 kg/m ³ , vorzugsweise zwischen 1700 kg/m ³ und 1900 kg/m ³ , erzeugt. Im Schritt b) wird dann die Druckluft in dem ersten vorgegebenen Volumenanteil derart zugemischt, dass ein Schaum-Volumenstrom mit einer Dichte zwischen 600 kg/m ³ und 800 kg/m ³ , vorzugsweise zwischen 650 kg/m ³ und 750 kg/m ³ , gebildet wird. Versuche mit Zementsuspensionen in diesem Dichtebereich, vorzugsweise mit Dichten um 1800 kg/m ³ , haben gezeigt, dass sich eine ausreichende Wasserdurchlässigkeit in dem genannten

Dichteintervall ergibt. Bei einer Zementsuspension mit einer Dichte von etwa 1800 kg/m ³ und einer Luftzugabemenge von etwa 200 % ergab sich eine mit Blick auf die erzielte

Wasserdurchlässigkeit optimale Schaumdichte von ca. 700 kg/m ³ , wobei hier zu berücksichtigen ist, dass in der Praxis nicht die gesamte dem Schaumgenerator zugeführte Druckluft auch in den Schaum eingebracht wird, d.h. ein Teil der Druckluft in die Umgebung entweicht oder zu lokalen Fehlstellen in der

Ringspaltfüllung führt. Dieser Anteil der nicht in den Schaum eingebundenen Luft kann unter anderem durch eine ausreichende Tensid-Zugabe minimiert werden und ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren geringer als etwa 20 %.

Vorzugsweise wird im Schritt b) die Druckluft bei einer Luftporengrößenverteilung zugemischt, bei der die mittlere

Luftporengröße im Bereich zwischen 200 mih und 1300 mih,

vorzugsweise zwischen 250 mih und 800 mih, insbesondere zwischen 300 mih und 500 mih, liegt. Eine optimale Luftporengröße ist insbesondere mit Blick auf das Erreichen des oben genannten metabilen Zustands zu wählen. Darüber hinaus erhöhen kleinere Luftporen die Gefahr des Zusetzens der Porenkanäle und

vermindern größere Luftporen die Festigkeit.

Bei einem bevorzugten Verfahren zum Herstellen einer

drainagefähigen Mörtel-Füllung eines Hohlraums wird im Schritt b) der Zementsuspension-Volumenstrom durch eine eine poröse Wandung aufweisende rohrförmige Begasungsstrecke des

Schaumgenerators geleitet, wobei Druckluft aus einer

Druckluftkammer durch die poröse Wandung der Begasungsstrecke hindurch in einen den Zementsuspension-Volumenstrom führenden Innenraum gepresst wird, wobei die Porengröße der porösen

Wandung so gewählt wird, dass die gewünschte

Luftporengrößenverteilung im Schaum-Volumenstrom erreicht wird. Ein bevorzugte Porengröße der porösen Wandung liegt hierbei zwischen 30 mih und 100 mih, vorzugsweise zwischen 50 mih und 60 mih.

Vorzugsweise wird bei dem Verfahren zum Herstellen einer drainagefähigen Mörtel-Füllung die Zementsuspension im Schritt a) durch Mischen wenigstens eines Zements der Zementart CEM III oder CEM IV, vorzugsweise der Zementart CEM III, mit Wasser hergestellt. Bevorzugt ist ein Hüttensandzement, insbesondere ein Hüttensandzement mit einer hohen Festigkeitsklasse, mit hohem Sulfatwiderstand und niedrigem Alkalianteil. Dabei werden der Zementsuspension vorzugsweise geringe Mengen eines Tonerde- Schichtsilikats , vorzugsweise eines Bentonits, als Stabilisierer und/oder geringe Mengen eines Dispergiermittels zugemischt, wobei die geringen Mengen jeweils weniger als 2 Gew-% der

Zementsuspension betragen. Die Verwendung eines Zements, der nur geringe Anteile von Klinker bzw. Calciumverbindungen aufweist, vermeidet ein Zusetzen (oder Zuwachsen) der Poren der

Ringspaltmörtelfüllung durch Versinterung bei Einwirken des zu drainierenden Wassers auf die Calciumverbindungen.

Bei einer bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens wird im Schritt a) zunächst der Zementsuspension-Volumenstrom erzeugt und dann dem Zementsuspension-Volumenstrom das Tensid in Form einer Tensidlösung in einem zweiten vorgegebenen Volumenanteil von maximal 20 %, vorzugsweise zwischen 5 und 15 %, des

Zementsuspension-Volumenstroms zugemischt. Die volumengesteuerte Zugabe des Tensids nach dem Anmischen der Zementsuspension vermeidet ein unkontrolliertes Vorschäumen der Zementsuspension . Die Menge des eingesetzten Tensids hängt von der Art und

Wirksamkeit des Tensids und von wirtschaftlichen Erwägungen ab. Das eingesetzte Tensid und dessen Menge sind so zu wählen, dass mindestens 80 % der eingesetzten Luftmenge in den Schaum

eingebunden werden.

Vorzugsweise wird eine wenigstens ein anionisches Tensid und/oder wenigstens einen Proteinschäumer enthaltende

Tensidlösung zugemischt. Einsetzbar sind hier beispielsweise die als Schaumbildner bezeichneten Betonzusatzmittel, die anionische Tenside oder Proteinschäumer enthalten. Bevorzugt sind

synthetische Tenside auf der Basis von Alkalisalzen von

Alkylethersulfaten, Alkylsulfonaten und/oder

Alkylbenzolsulfonaten .

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen einer drainagefähigen Mörtel-Füllung eines Hohlraums wird vorzugsweise im Schritt c) dem Schaum-Volumenstrom ein alkali- und

erdalkalifreier Erstarrungsbeschleuniger in einem dritten vorgegebenen Volumenanteil zwischen 4 % und 16 %, vorzugsweise zwischen 7 % und 10 %, des Zementsuspension-Volumenstroms zugemischt. Die Menge des zugemischten Erstarrungsbeschleunigers hängt von der Art des Beschleunigers und der Homogenität der Einmischung in den Schaum-Volumenstrom sowie von

wirtschaftlichen Erwägungen ab. Die Homogenität der Einmischung in den Schaum-Volumenstrom hängt von der Art der

Mischvorrichtung und von der Länge und dem Querschnitt der sich an die Mischvorrichtung anschließenden Förderleitung ab. Sofern eine Ringdüse eingesetzt wird, liegt der dritte Volumenanteil bei vorzugsweise 7 % bis 10 %. Sofern beispielsweise ein

sogenannter Injektionsdeckel an Ende einer Lisene eingesetzt wird, kann aufgrund der schlechteren Materialdurchmischung eine Erhöhung des Beschleunigeranteils auf bis zu 16 % erforderlich sein. Die Art des Beschleunigers wiederum ist in Abhängigkeit vom verwendeten Zement zu wählen. Darüber hinaus ist die Art des Erstarrungsbeschleunigers auch auf das verwendete Tensid und die weiteren Komponenten des Schaums abzustimmen, um ein Zerfallen des Schaums und eine verringerte Druckfestigkeit im erstarrten Zustand zu vermeiden. Bei einer einen Zement der Zementarten CEM III oder CEM IV enthaltenden Zementsuspension wird vorzugsweise ein alkali- und erdalkalifreier Erstarrungsbeschleuniger, beispielsweise ein Aluminiumhydroxid und/oder Aluminiumsulfat enthaltender Erstarrungsbeschleuniger eingesetzt. Vorzugsweise wird im Schritt c) dem Schaum-Volumenstrom als Erstarrungsbeschleuniger eine wässrige Lösung von mindestens 50 Gew-% Aluminiumhydroxid und/oder Aluminiumsulfat zugemischt.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens zum Herstellen einer drainagefähigen Mörtel-Füllung eines Hohlraums wird im Schritt c) der Erstarrungsbeschleuniger dem Schaum- Volumenstrom maximal 20 Sekunden, vorzugsweise maximal 15

Sekunden, vor seiner Einbringung in den Hohlraum zugemischt. Die Zeitdauer sollte nicht überschritten werden, um das Risiko eines vorzeitigen Abbindens des Schaums in der Transportleitung, insbesondere in der Lisene, zu verringern.

Die oben genannte Aufgabe der Erfindung, eine Möglichkeit zum Herstellen einer drainagefähigen Mörtel-Füllung eines

Ringspalts zu schaffen, die eine gute Pumpfähigkeit der

heranzuführenden Komponenten mit hoher Wasserdurchlässigkeit und Festigkeit der Ringspaltfüllung im erhärteten Zustand

kombiniert, wird erfindungsgemäß auch durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 11 gelöst.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Herstellen einer

Mörtel-Füllung eines Hohlraums dient insbesondere zur

Durchführung des oben genannten Verfahrens und weist eine

Vorrichtung zum Erzeugen eines Zementsuspension-Volumenstroms , eine Vorrichtung zum Zumischen eines Tensids zu dem

Zementsuspension-Volumenstrom und einen Schaumgenerator auf. Der Schaumgenerator hat eine eine poröse Wandung aufweisende

rohrförmige Begasungsstrecke, durch die der Zementsuspension- Volumenstrom hindurchgeführt wird, wobei an der Außenseite der porösen Wandung eine Druckluftkammer derart angeordnet ist, dass Druckluft aus der Druckluftkammer durch die poröse Wandung der Begasungsstrecke hindurch in den Zementsuspension-Volumenstrom gepresst wird, so dass ein Schaum-Volumenstrom erzeugt wird, wobei die poröse Wandung derart ausgebildet ist, dass die

Druckluft bei einer Luftporengrößenverteilung mit einer geringen Streuung der Luftporengrößen, bei der die Luftporengrößen von mindestens 70 % des Druckluft-Volumenanteils von einer mittleren Luftporengröße um nicht mehr als etwa 50 % abweichen, dem

Schaum-Volumenstrom zugemischt ist. Die Vorrichtung umfasst ferner einen mit einem Drucklufteinlass der Druckluftkammer verbundenen Volumenstrom-Regler zum Einstellen eines Druckluft- Volumenstroms, eine mit dem Volumenstrom-Regler gekoppelte

Steuereinrichtung, die derart konfiguriert ist, dass ein

Druckluft-Volumenstrom einstellt wird, der etwa dem 1,5-fachen bis 2,5-fachen des Zementsuspension-Volumenstroms entspricht, und eine dem Schaumgenerator nachgeschaltete Vorrichtung zum Zumischen eines Erstarrungsbeschleunigers zu dem Schaum- Volumenstrom, die mit einer Leitung zum Einbringen der in der Vorrichtung zum Zumischen des Erstarrungsbeschleunigers

gebildeten Mischung in den Hohlraum verbunden ist. Insbesondere aufgrund der volumen-gesteuerten Zufuhr von Druckluft in einem vorgegebenen Verhältnis zum Zementsuspension-Volumen mittels des Schaumgenerators und aufgrund der Ausbildung des

Schaumgenerators, der eine geringe Streuung der Luftporengrößen, d.h. eine hohe Luftporenhomogenität ermöglicht, gestattet die Vorrichtung eine Verfahrensführung, die zu einem

wasserdurchlässigen, weil zu einem großen Teil offenporigen Schaummörtel führt.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist die Vorrichtung zum Erzeugen eines Zementsuspension-Volumenstroms eine erste Pumpvorrichtung und eine mit der Steuereinrichtung gekoppelte erste Durchflussmessvorrichtung zum Erfassen des

Zementsuspension-Volumenstroms auf. Dies ermöglicht einen variierenden Zementsuspension-Volumenstrom (ohne

Durchflussmessvorrichtung müsste stets ein konstanter,

vorgegebener Volumenstrom eingestellt werden) .

Vorzugsweise weist die Vorrichtung zum Zumischen eines

Tensids eine Leitung zum Weiterleiten des Zementsuspension- Volumenstroms, einen in die Leitung eingebundenen Mischer und einen stromauf des Mischers in die Leitung einmündenden

Leitungszweig zum Heranführen eines Tensid-Volumenstroms auf, wobei der Leitungszweig zum Heranführen des Tensid-Volumenstroms eine zweite Pumpvorrichtung und eine zweite

Durchflussmessvorrichtung zum Erfassen des Tensid-Volumenstroms aufweist, wobei die zweite Pumpvorrichtung und die zweite

Durchflussmessvorrichtung mit der Steuereinrichtung gekoppelt sind. Dies ermöglicht zusätzlich eine volumengesteuerte

regelbare Tensid-Zugabe.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel des

Schaumgenerators ist die rohrförmige Begasungsstrecke ein von der porösen Wandung umgebener zylindrischer Rohrabschnitt mit einem Innendurchmesser zwischen 10 mm und 20 mmm und einer Länge zwischen 100 mm und 300 mm, wobei die Poren der porösen Wandung einen näherungsweise gleichen Durchmesser aufweisen.

Vorzugsweise liegt der Durchmesser der Poren der porösen Wandung zwischen 30 mih und 100 mih, vorzugsweise zwischen 50 mih und 60 mih.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist vorzugsweise dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zum Zumischen eines

Erstarrungsbeschleunigers eine Leitung zum Weiterleiten des Schaum-Volumenstroms, einen in diese Leitung einmündenden

Leitungszweig zum Heranführen eines Erstarrungsbeschleuniger- Volumenstroms aufweist, wobei der Leitungszweig zum Heranführen des Erstarrungsbeschleuniger-Volumenstroms eine dritte

Pumpvorrichtung und eine dritte Durchflussmessvorrichtung aufweist, wobei die dritte Pumpvorrichtung und die dritte

Durchflussmessvorrichtung mit der Steuereinrichtung gekoppelt sind. Dies ermöglicht zusätzlich eine volumengesteuerte

regelbare Zuführung des Erstarrungsbeschleunigers.

Dabei weist die Vorrichtung zum Zumischen des

Erstarrungsbeschleunigers vorzugsweise eine die Leitung zum Weiterleiten des Schaum-Volumenstroms umgebende Ringdüse auf, wobei der Leitungszweig zum Heranführen des

Erstarrungsbeschleuniger-Volumenstroms in die Ringdüse

einmündet. Die Ringdüse ermöglicht eine gute Durchmischung von Erstarrungsbeschleuniger und Zementschaum und dadurch einen reduzierten und somit wirtschaftlicheren Einsatz des

Beschleunigers. Außerdem wird aufgrund der guten Durchmischung ein gleichmäßigeres Erstarren des Schaumes ermöglicht.

Eine bevorzugte Vorrichtung dient zum Herstellen einer

Mörtel-Füllung eines Ringspalts zwischen einem Baugrund und Tübbingen eines Tunnelbauwerks und ist dadurch gekennzeichnet, dass die Leitung zum Einbringen der in der Mischvorrichtung gebildeten Mischung in den Hohlraum eine Lisene zum Einbringen der Mischung in den Ringspalt ist.

Vorteilhafte und/oder bevorzugte Weiterbildungen der

Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines in der

Zeichnung dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiels näher beschrieben. In der Zeichnung zeigen:

Figur 1 eine schematische Darstellung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur

Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und

Figur 2 eine schematische Querschnittansicht eines in der Vorrichtung gemäß Figur 1 verwendeten Schaumgenerators.

Das erfindungsgemäße Verfahren dient der Herstellung einer wasserdurchlässigen und somit drainagefähigen Mörtelfüllung eines Hohlraums, insbesondere eines Ringspalts zwischen einem Baugrund und Tübbingen eines Tunnelbauwerks. Die Herstellung des in den Ringspalt einzubringenden Drainagemörtels umfasst mehrere aufeinander abgestimmte Schritte des Herstellens und Mischens von Komponenten, die anhand der in Figur 1 dargestellten

Vorrichtung erläutert werden sollen. Figur 1 zeigt eine

Vorrichtung mit einer Reihe von Behältern, in denen pumpfähige Komponenten der Baustoffmischung bereitgestellt werden, sich an diese Behälter anschließenden Leitungssystemen mit

Pumpvorrichtungen und Durchflussmesseinrichtungen sowie

Mischeinrichtungen, die zu einem stufenweise durchgeführten Mischen der Komponenten dienen. Die Vorrichtung weist ferner eine Vorrichtung zum Einbringen der Baustoffmischung, d. h.

eines Mörtelschaums, in den Ringspalt eines Tunnelbauwerks auf.

Zur Herstellung der in den Ringspalt einzubringenden

Baustoffmischung wird zunächst in einem Behälter 10 eine

Zementsuspension bereitgestellt. Die Zementsuspension besteht aus einem Zement der Zementart CEM III oder CEM IV, vorzugsweise einem Zementart CEM III/A, insbesondere einem Zement der

Zementart CEM III/A mit der Festigkeitsklasse 52,5 und Wasser. Vorzugsweise wird als stabilisierender Zusatzstoff ein Bentonit in geringer Menge (weniger als 2 Gew.-%, insbesondere weniger als 1 Gew.-%) zugegeben. Ferner ist vorzugsweise ein

Dispergiermittel in geringer Menge (weniger als 2 Gew.-%) enthalten. Es können auch Zuschlagstoffe, z.B. in Form von

Gesteinsmehlen, zugegeben werden, wobei deren Anteil aus Gründen der zu erzielenden Festigkeit unter 20 Gew.-%, vorzugsweise unter 10 Gew.-%, liegen sollte. Bei einem bevorzugten

Ausführungsbeispiel werden zur Herstellung eines Kubikmeters Zementsuspension 1190 kg Zement CEM III/A 52,2, beispielsweise „Dyckerhoff Variodur 40 (CEM III/A 52,5 R) " der Dyckerhoff GmbH, 595 kg Wasser, 4 kg aktiviertes Natriumbentonit „IBECO CT" der Imerys Industrial Minerals Greece S.A. und 8 kg Dispergiermittel „MC Montan Drive CA 02" der MC-Bauchemie Müller GmbH & Co. KG Chemische Fabriken gemischt. Das Anmischen der in dem Behälter 10 bereitgestellten Zementsuspension erfolgt vorzugsweise mittels eines Kolloid- oder auch Umwälzmischer. Der Wasser- Bindemittel-Wert oder Wasser-Zement-Wert (w/z-Wert) liegt im Bereich von 0,4 bis 0,6, so dass einerseits eine pumpfähige Konsistenz gewährleistet ist und andererseits keine übermäßigen Sedimentationserscheinungen auftreten .

Mit Hilfe eines Pumpsystems, das bei dem in Figur 1

dargestellten Ausführungsbeispiel eine mit Druckluft 12

beaufschlagte Transferpumpe 11 und eine Suspensionspumpe 13 umfasst, wird die Zementsuspension aus dem Behälter 10 über einen Durchflussmesser 14 und die Leitung 15 zu einer ersten Eintrittsöffnung eines Y-Stücks 16 herangeführt. Der andere Eintrittsöffnung des Y-Stücks 16 ist mit einer Leitung 23 verbunden, über die eine Tensidlösung aus einem Behälter 20 herangeführt wird. In die Tensid-Transportleitung 23 sind eine Pumpe 21 und ein zweiter Durchflussmesser 22 eingebunden. Die in dem Y-Stück 16 vereinten Volumenströme der Zementsuspension und der Tensidlösung werden durch einen Statikmischer oder Mischtopf 17 hindurchgeführt, um eine intensive Durchmischung zu

gewährleisten. Um ein unkontrolliertes Vorschäumen der

Zementsuspension zu verhindern, erfolgt eine volumengesteuerte Zugabe der Tensid-Lösung erst nach dem Anmischen der

Zementsuspension . Hierbei erfolgt die volumengesteuerte Zugabe in den Förderstrom der Zementsuspension vorzugsweise mittels einer pulsationsarmen Pumpe unter Verwendung eines Düse und Rückschlagventil aufweisenden Y-Stücks 16.

Die Tensidlösung wird in einer Menge von vorzugsweise 10 Vol.-% bis 16 Vol.-%, bezogen auf die Zementsuspension,

zugegeben. Bevorzugt ist die Zugabe von 100 1 Tensidlösung pro Kubikmeter Zementsuspension, wobei beispielsweise die

Tensidlösung „Centripor SK 150 Konzentrat" der MC-Bauchemie Müller GmbH & Co. KG Chemische Fabriken eingesetzt werden kann.

Nach dem Vermischen von Tensidlösung und Zementsuspension gelangt die Mischung über die Leitung 18 zu der Eintrittsöffnung einer Begasungsstrecke eines Schaumgenerators 33. Über die

Leitung 32 wird dem Schaumgenerator 33 Druckluft zugeführt. Der Volumenstrom der über den Anschluss 30 zugeführten Druckluft wird durch den Druckluftregler 31 eingestellt. Eine mit dem Durchflussmesser 14 und dem Durchflussmesser 22 sowie mit dem Druckluftregler 31 verbundene Steuereinrichtung sorgt dafür, dass ein vorgegebenes Volumenverhältnis von Zementsuspension, Tensidlösung und Druckluft eingehalten wird. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel verhalten sich die Volumenanteile der

Zementsuspension Z zu den Volumenanteilen der Tensid-Lösung T und den Volumen der zugeführten Druckluft L wie Z:T:L = 10:1:20. Während die Tensid-Lösung mit einem Volumenanteil von 10% der Zementsuspension zugeführt wird, beträgt der Druckluftanteil etwa das Doppelte des Anteils der Zementsuspension . Zum

Einstellen der Volumenströme dient eine Steuereinrichtung, die mit den Durchflusmessern 14 und 22 und mit den Pumpen 11, 13 und 21, der Druckmesseinrichtung 34 und dem Druckluft-Regler 31 gekoppelt ist, um die Pumpleistung und Druckluftzufuhr in

Abhängigkeit von den gemessenen Durchflusswerten bzw. des

Druckniveaus zu steuern.

Figur 2 zeigt schematisch einige Details des

Schaumgenerators 33. Der Schaumgenerator 33 enthält eine

Begasungsstrecke in Form eines Hohlzylinders mit einer porösen Wandung 55, durch dessen Innenraum 56 die Zementsuspension hindurchgeleitet wird. Bei dem in Figur 2 veranschaulichten Ausführungsbeispiel ist der Hohlzylinder zwischen zwei

Gehäusehälften 50A und 50B eingespannt. Die beiden

Gehäusehälften 50A und 50B weisen an den Gehäuseenden dichtende Aufnahmen auf, die gegen die Stirnflächen des Hohlzylinders gepresst werden. An der Verbindungsfläche der beiden

Gehäusehälften 50A und 50B ist eine Dichtung 51 vorgesehen.

Durch Verbinden der beiden Gehäusehälften 50A und 50B mit den Schraubverbindungen 52 werden die Verbindungsfläche der beiden Gehäusehälften und zugleich die Stirnflächen des Hohlzylinders gegenüber den Gehäusehälften abgedichtet. Die Gehäusehälfte 50B weist eine mit dem zylindrischen Innenraum 56 des Hohlzylinders korrespondierende Eintrittsöffnung 58 und die Gehäusehälfte 50A eine mit dem zylindrischen Innenraum 56 korrespondierende

Austrittsöffnung 59 auf. Im Inneren des Gehäuses ist der

Hohlzylinder mit der porösen Wandung 55 von einer

Druckluftkammer 53 umgeben, wobei die Druckluft durch eine in Figur 2 durch eine gestrichelte Linie angedeutete, in dieser Ansicht hinter dem Hohlzylinder angeordnete Einlassöffnung 54 zugeführt wird. Die Zementsuspension tritt durch die

Eintrittsöffnung 58 in den Schaumgenerator und den Innenraum 56 des Hohlzylinders ein. Während sie durch den Innenraum 56 zur Austrittsöffnung 59 strömt, tritt die in die Druckluftkammer 53 eingebrachte Druckluft durch die Poren der porösen Wandung 55 hindurch in den Innenraum 56 ein. Dies ist durch die Pfeile 57 angedeutet. Die dabei an der Innenwand des Hohlzylinders

kontinuierlich entstehenden Druckluftbläschen werden von der Strömung der Zementsuspension abgerissen und durchmischen sich mit der Zementsuspension, so dass einen Schaum-Volumenstrom gebildet wird, der dann durch die Austrittsöffnung 59 austritt. Die poröse Wandung 55 weist über die gesamte Länge des

Hohlzylinders eine gleichförmige Porenstruktur auf und wird über die gesamte Länge der Begasungsstrecke mit näherungsweise dem gleichen Druck beaufschlagt, so dass an der Innenwand des

Hohlzylinders im Innenraum 56 eine Vielzahl gleichförmiger

Luftbläschen erzeugt werden. Dies führt zu einem Schaum mit einer gleichmäßigen Luftporenverteilung mit einer geringen

Streuung der Luftporengröße. Zum Einbringen der Luft in den Strom der Zementsuspension innerhalb des Schaumgenerator 33 ist eine ausreichende Begasungsstrecke erforderlich, so dass sich eine gleichmäßige Porenstruktur aufbauen kann. Bei einer

bevorzugten Ausführungsform weist der Hohlzylinder einen

Außendurchmesser von 40 Millimeter und einen Innendurchmesser von 15 Millimeter sowie eine Länge von 159 Millimeter auf und besitzt er eine Porengröße von 50 bis 60 ym.

Es wird wieder auf Figur 1 Bezug genommen. Nach dem

Einbringen der über die Leitung 32 dem Schaumgenerator 33 zugeführten Druckluft in die über die Leitung 18 zugeführte Mischung aus Zementsuspension und Tensidlösung verlässt ein Schaum-Volumenstrom die Austrittsöffnung 59 des Schaumgenerators 33 und gelangt über eine Druckmesseinrichtung 34 und eine

Leitung 35 zu einer als Mischvorrichtung dienenden Spritzbeton- Ringdüse 36. Dieser Ringdüse 36 wird aus einem Vorratsbehälter 40 über eine Pumpe 41, einen Durchflussmesser 42 und eine

Leitung 43 ein Erstarrungsbeschleuniger zugeführt. Der Durchflussmesser 42 und die Pumpe 41 sind mit derjenigen

Steuereinrichtung gekoppelt, die mit der Pumpe 13 und dem

Durchflussmesser 14 für die Zementsuspension, der Pumpe 21 und den Durchflussmesser 22 für die Tensid-Lösung und dem

Druckluftregler 31 mit Druckmesseinrichtung gekoppelt ist. Dies gestattet eine volumengesteuerte Dosierung des

Erstarrungsbeschleunigers. Als Erstarrungsbeschleuniger wird vorzugsweise ein Spritzbetonbeschleuniger auf der Basis einer Aluminiumhydroxid/Aluminiumsulfat-Lösung eingesetzt,

beispielsweise der Spritzbetonbeschleuniger „Centrament Rapid 640" der MC-Bauchemie Müller GmbH & Co. KG Chemische Fabriken. Bei der bevorzugten Ausführungsform wird der

Erstarrungsbeschleuniger in einer Menge zwischen 4 Vol.-% und 12 Vol.-%, vorzugsweise zwischen 7 Vol.-% und 9 Vol.-%,

insbesondere in einer Menge von 8 Vol.-%, bezogen auf die

Zementsuspension, zugegeben. Somit werden etwa 80 Liter

Erstarrungsbeschleuniger pro Kubikmeter Zementsuspension

zudosiert. Anstelle der zum Zumischen verwendeten Ringdüsen kann alternativ auch ein sogenannter Injektionsdeckel verwendet werden, welcher bei Zwei-Komponenten-Systemen zur

Ringspaltverpressung verbreitet zum Einsatz kommt. Aufgrund der bei dieser Mischeinrichtung schlechteren Materialdurchmischung sollte der Beschleunigeranteil auf bis zu 16 Vol.-% erhöht werden. Die Mischung aus Zementsuspensionsschaum und

Beschleuniger wird dann über eine Rohrleitung, insbesondere eine Lisene oder mehreren Lisenen dem Hohlraum, insbesondere dem Ringspalt, zugeführt.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der in Figur 1

dargestellten Vorrichtung sind die Pumpen 13, 21 und 41

pulsationsarme Pumpen, beispielsweise Exzenterschneckenpumpen, Schlauchpumpen oder Rotorpumpen. Die Durchflussmesser 14, 22 und 42 sind vorzugsweise elektronische Durchflussmesser zur

Erfassung der jeweiligen Volumenströme. Die Dosierung der

Druckluft im Druckluftregler 31 erfolgt zweckmäßiger Weise mittels eines elektronisches Massendurchflussreglers. Hierbei ist darauf zu achten, dass sich die oben genannten

Mischungsverhältnisse (Volumenverhältnisse) auf

Standardbedingungen (Temperatur T = 20 °C, Druck p = 1013 mbar) beziehen. Da insbesondere der Verpressdruck im Ringspalt in der Regel größer ist als der Druck der Standardbedingungen, ist es gegebenenfalls erforderlich, die Druckluftmenge aufgrund der Kompressibilität der gasförmigen Phase entsprechend anzupassen. Deshalb wird mit Hilfe des Sensors 34 der Druck möglichst nah am Einbringungsort, nämlich vorzugsweise in der Leitung 35, gemessen, da Rohrreibungsverluste aufgrund von Fließgrenze und Viskosität innerhalb der Förderstrecke sowie der Druck im zu verfüllenden Hohlraum Einfluss auf das Druckniveau haben.

Durch Zugabe des Erstarrungsbeschleunigers soll, wie bereits ausgeführt, ein „Einfrieren" eines überwiegend offenporigen Schaumzustands erreicht werden. Um dies zu erreichen, ist neben der im Schaumgenerator 33 erzeugten Schaumstruktur (Verhältnis des Luftvolumens zum Volumen der Zementsuspension,

Luftporengröße und geringe Streuung der Luftporengrößen) auch der zeitliche Verlauf des Schaumzerfalls zu berücksichtigen. Nachdem der Schaum den Schaumgenerator 33 verlassen hat, gelangt er innerhalb weniger Sekunden zu der Mischeinrichtung in Form einer Ringdüse. Dort wird der Erstarrungsbeschleuniger

zugemischt. Anschließend durchwandert die Mischung aus

Erstarrungsbeschleuniger und Schaum die Rohrleitung (die

Lisene) , welche beispielsweise eine Länge von 3 m und einen Querschnitt von 20 cm ² aufweist, bis zum Einbringungsort. Dafür benötigt der Schaum einen Zeitraum zwischen 10 und 20,

beispielsweise 15 Sekunden. Während des Durchlaufens dieser Strecke erfolgt eine weitere Durchmischung von

Erstarrungsbeschleuniger und Schaum. Zugleich werden die

Erstarrungsreaktionen initiiert. Diese noch in den Rohrleitungen stattfindenden Prozesse sind bei der Verfahrensführung zu berücksichtigen. Nachdem der Baustoffschäum in den Hohlraum, d.h. den Ringspalt, eingebracht worden ist, setzt bei fortgesetztem Zerfall des Schaums einschließlich des zunehmenden Aufbrechens der Wände zwischen den Luftporen zugleich die

Erstarrung ein. Bei den oben genannten Voraussetzungen der Verfahrensführung führt dies im Ergebnis zur einem erstarrten Schaum, der überwiegend offenporig und somit wasserdurchlässig bzw. drainagefähig ist.

Es wurden beispielsweise folgende Komponenten bereitgestellt und gemischt:

Dabei wurde ein Schaumgenerator mit einer Begasungsstrecke mit einer Länge von 159 mm, einem Außendurchmesser von 40 mm, einem Innendurchmesser von 15 mm und einer Porengröße von 50-60 mih verwendet. Der gebildete Schaum hatte eine Rohdichte von ca. 700 kg/m ³ . Am erhärteten Mörtel wurde ein Wasserdurchlässigkeitsbeiwert gemäß DIN 18130 von kF = ca. 4 * 10 ⁴ m/s, eine Festigkeit nach 3 Tagen von f_3d = ca. 0,4 MN/m ² und eine Festigkeit nach 28 Tagen von f_28d = ca. 2 MN/m ² gemessen.

Im Rahmen des Erfindungsgedankens sind zahlreiche

alternative Ausführungsformen denkbar. Beispielsweise kann die Zementsuspension mehrere verschiedene Zemente oder Bindemittel enthalten und zusätzlich Zuschläge, soweit diese nicht die

Festigkeit des erstarten Baustoffs, die Pumpbarkeit der

Zementsuspension oder den gewünschten Teilzerfall des Schaums in unerwünschter Weise beeinträchtigen. Der Begriff der „Druckluft" soll selbstverständlich jegliche Luft oder ähnliche Gasgemische oder Gase, wie beispielsweise Stickstoff, bezeichnen, die in die Zementmischung „gedrückt" wird, um Schaumblasen oder -poren zu erzeugen, unabhängig vom konkreten Druck, der dabei aufgewendet wird und unabhängig von der genauen Zusammensetzung der Luft.

Das Tensid ist vorzugsweise eine wässrige Lösung, die der fertigen Zementsuspension zugemischt wird. Selbstverständlich liegt es auch im Rahmen der Erfindung, wenn die Wasseranteile lediglich dadurch verändert werden, dass die Menge des Wassers der Zementsuspension um einen Anteil reduziert wird, der dann sogleich der Tensidlösung beigemischt wird, bevor dann die auf diese Weise verdünnte Tensidlösung der auf diese Weise

verdickten Zementsuspension beigemischt wird und allein dadurch der Wasser-Bindemittel-Wert der noch tensidfreien

Zementsuspension verringert wäre. Ähnliches gilt für den Fall, dass der Zementsuspension überdurchschnittlich schwere oder leichte Zuschlagstoffe in Mengen zugemischt würden, die zwar noch keinen wesentlichen Einfluss auf die Festigkeit der

erhärteten Mörtelmischung und auch nicht auf das Schaumverhalten haben, aber zu erheblich abweichenden Dichten der

Zementsuspension und somit auch des Schaumes führen würden.

Anstelle der Zugabe einer Tensidlösung wäre es auch denkbar, dass Tensid in fester Form (Pulver, Granulat, o.ä.) der Zementsuspension zuzugeben, wobei in diesem Fall anstelle einer Steuerung der zugeführten Tensidmenge über deren Volumenstrom eine Dosierung über deren Masse oder Stoffmenge denkbar wäre. Anstelle der Zugabe eines Tensids können auch mehrere Tenside oder auch Tensidkomponenten, die erst nach ihrer Vermischung ein Tensid bilden, zugegeben werden, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Das Gleiche gilt für die Zugabe des

Erstarrungsbeschleunigers .