Statusseminar EnEff:Wärme 2014
„Forschung für energieeffiziente
Wärme- und Kältenetze“Statusseminar am 7. Mai 2014 in Köln
Einsatz fließfähiger Verfüllbaustoffe zur
KMR-VerlegungProfessor Dr.-Ing. Thomas Neidhart, Lehrgebiete Geotechnik + Bahnbau
Dipl.-Ing. (FH), Dipl.-Wirtschaftsing. (FH) Bernd Wagner
Statusseminar EnEff:Wärme 2014
I. Was sind ZFSV?
II. Warum ZFSV im Fernwärmeleitungsbau?
III. Voruntersuchungen
IV. Boden- und kontakt-mechanische Laborversuche
V. Ausblick
VI. Zusammenfassung
Gliederung
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I. Was sind ZFSV?
Quelle: Wegner: DIN 4124 „Baugruben und Gräben –Böschungen, Verbau, Arbeitsraumbreiten“ BauPortal 2/2012
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I. Was sind ZFSV?
2-ter Arbeitsschritt
2-ter und 3-ter Arbeitsschritt
Teilverfüllung ohne Auftriebssicherung
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I. Was sind ZFSV?
Zeitweise fließfähige, selbstverdichtende Verfüllbaustoffe(H ZFSV, FGSV)
Gewinnungsbetriebe(TL Gestein StB)
Böden und Baustoffe zur Herstellung von zeitweise fließfähigen, selbstverdichten Verfüllbaustoffen
Böden von der Baustelle
(ZTV-E StB)
Aufbereitungsanlagen (TL BuB-E StB)
Mitarbeit des AGFW und der OTH.R an der Überarbeitung des Merkblatts
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II. Warum ZFSV im Fernwärmeleitungsbau?
Einsatz fließfähiger Verfüllbaustoffe zur KMR-VerlegungArbeitspaket: Bodenmechanik
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II. Warum ZFSV im Fernwäremleitungsbau?
ZFSV bieten baubetriebliche Vorteile: Verwendung von Böden, die im konventionellen Infrastrukturbau wegen
mangelnder Wiederverwendungseignung normalerweise aussortiert werden - insbesondere bindige Böden.
Schonung natürlicher Ressourcen, da der zu deponierende Aushub minimiert und keine Ersatzstoffe zur Verfüllung verwendet werden müssen.
Reduzierung der Bauzeit durch schnelleres Verfüllen, geringe Personalkosten durch personalreduziertes Verfüllen
Verringerung von Emissionen durch minimierten Maschineneinsatz Keine Erschütterungsimmissionen, da der Verdichtungsvorgang entfällt Weniger Staub, etc.
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II. Warum ZFSV im Fernwärmeleitungsbau?
ZFSV bieten auslegungstechnisches Potential: Gegenüber Sandbettung sind höhere axiale
Kontaktkräfte zu erwarten; dies auch bei zyklischer Belastung.Aber jeder ZFSV verhält sich anders, da die Herstellung nicht, wie z. B. Beton, genormt ist.Für die Einsatz in der Leitungszone von Fernwärmerohren sind spezielle ZFSV - Rezepturen erforderlich, die durch Eignungsuntersuchungen vorab ermittelt werden sollten.
Forschungsbedarf
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II. Warum ZFSV im Fernwärmeleitungsbau?
Aktuelles FuE-Projekt zur Thematik Fernwärme:
Einsatz fließfähiger Verfüllstoffe zur Kunststoffmantelrohr-Verlegung in Gräben und Haubenkanälen Arbeitspaket: Bodenmechanik
gefördert durch das BMWi für 36 Monate über PT Jülich
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Einsatz fließfähiger Verfüllbaustoffe zur KMR-VerlegungArbeitspaket: Bodenmechanik
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III. Voruntersuchungen
III. Voruntersuchungen
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Beispiele für ZFSV-Produkte:
Weimarer Bodenmörtel Dämmer und Blitzdämmer
Füma und Füma-Boden Erdbeton
RSS-Flüssigboden Porenleichtbeton Füllmix
PARCOFLEX TerraFlow
III. Voruntersuchungen
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Hersteller ProduktHeidelbergCement Baustoffe für Geotechnik, Ennigerloh
Fernwärme‐Dämmer®
Cemex Deutschland AG, Düsseldorf
füma® Boden
PROV ‐ Produktions‐ undVertriebsges., Eilenburg
RSS Flüssigboden®
WBM‐Flüssigboden, Unna
Weimarer Boden‐Mörtel®
III. Voruntersuchungen
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ZSFV aus Gewinnungsbetrieben ZFSV aus Boden als
Ausgangsmaterial
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III. Voruntersuchungen
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Voruntersuchungen (z. T. bis 112 d nach Probenherstellung)• Fließfähigkeit• Wasserabsonderung• Volumenstabilität (Kurzzeit und Langzeit)• Festigkeit / Verfestigung (Einaxiale Druckfestigkeit)• Tragfähigkeit (CBR)• Dichte und Wassergehalt
Baugrundverhältnisse / LagerungsbedingungenUmgebender Baugrund• lässt keine Wasseraufnahme bzw. -abgabe zu geschlossenes System• ermöglicht kapillare Wasseraufnahme und –abgabe erdfeuchtes System• stellt Wasser im Überschuss zur Verfügung gesättigtes System
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III. Voruntersuchungen
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III. Voruntersuchungen
aus H ZFSV, FGSV
Diagramm aus H ZFSV, FGSV
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Beispiele: Serien einaxiale Druckversuche: Links – ZFSV aus Gewinnungsbetrieben Rechts – ZFSV mit Boden als Ausgangsmaterial.
III. Voruntersuchungen
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Ergebnisse der Voruntersuchungen• Die 4 ZFSV haben die in den Voruntersuchungen gestellten
Anforderungen hinsichtlich Fließfähigkeit erfüllt. • Bei der Volumenstabilität und Wasserabsonderung traten bei einem
ZFSV Probleme auf. - • Alle 4 untersuchten ZFSV zeigen einen Verfestigungsverlauf, mit dem
sie als leicht wiederaushebbar einzustufen sind. Für die vertiefenden Laboruntersuchungen wurden auf Basis der
Ergebnisse der Voruntersuchungen 2 ZFSV ausgewählt:• 1 ZSFV aus Gewinnungsbetrieben und • 1 ZSFV mit Böden von der Baustelle als Ausgangsmaterial
III. Voruntersuchungen
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IV. Boden- und kontakt-mechanische Laborversuche
Einsatz fließfähiger Verfüllbaustoffe zur KMR-VerlegungArbeitspaket: Bodenmechanik
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IV. Boden- und kontakt-mechanische Laborversuche
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IV. Boden- und kontakt-mechanische Laborversuche
Für Sande und Kies sind die Bodenparameter , gut bekannt und z. B. in der Tab. 1 des Teils 10 der FW 401 zusammengestellt.
Bei den ZFSV müssen die Bodenparameter ermittelt werden: Dichte [t/m³] bzw. Wichte = · 9,81 m/s² [kN/m³] Scherfestigkeitsparameter [°], c [kPa] Steifigkeit ES [MPa] (Verformungsmodul EV) Durchlässigkeitsbeiwert k [m/s] etc. u. U. auch Lösbarkeit von eingemischten Schadstoffen
Hinzu kommt, dass viele der Bodenparameter der ZFSV zeitabhängig sind.
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IV. Boden- und kontakt-mechanische Laborversuche
Aufwand für jeden Versuchstyp: ZFSV aus Gewinnungsbetrieben Laboruntersuchungen nach 3, 7, 14, 28, 56, 112 d
ZFSV aus Boden als Ausgangsmaterial Laboruntersuchungen nach 3, 7, 14, 28, 56, 112 d 3 repräsentative Bodenarten
Schluffiger, toniger Kies gemischtkörnig, GU/GT nach DIN 18.196 Stark schluffiger, toniger Sand gemischtkörnig, SU*/ST* nach DIN
18.196 Lösslehm mit Feinkornanteil > 40% (feinkörnig), TL/TM nach DIN
18.196
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IV. Boden- und kontakt-mechanische Laborversuche
F‘R = · (F‘N + F‘G) AGFW FW 401 Teil 10 Abs. 4.3
F‘R := Reibkraft pro Rohrmeter [kN/m] := Reibbeiwert/ -koeffizient [ - ]
Sand: = tan () = tan (2/3) Anfahren = 0,4 Abfahren = 0,2
F‘N := res. Erddruckkraft senkrecht zum Rohrmantel [kN/m]F‘N = · H · U · (1 + K0)/2mit K0 = 1 – sin
F‘G := Gewichtskraft des wassergefüllten KMR [kN/m]
Warum werden die Scherfestigkeitsparameter und c ermittelt?
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IV. Boden- und kontakt-mechanische Laborversuche
Triaxialversuche zur Ermittlung der Scherfestigkeitsparameter , c
1,f = F1,f/A
2 = 3
Innere ScherfestigkeitBruch auf einer Scherfuge
Kontaktfläche Boden/Boden
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Z. B. Ergebnisse an Triaxialversuchen Typ D nach 30 d:Ausgangsboden GU/GT: = 41°, c = 6 kPaZFSV aus GU/GT: = 28°, c = 75 kPa
tan tan
c
c
IV. Boden- und kontakt-mechanische Laborversuche
Qualitative Aussagen zu ZFSV mit Boden als Ausgangsmaterial:
Deutliche Vergrößerung der Kohäsion c gegenüber Ausgangsboden
Auswirkung auf den Reibungswinkel Abnahme von
Mohr-CoulombscheBruchbedingungf = · tan + c
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Tangentiale Scherversuche im Labor / Kontaktmechanik
Rahmenscherversuch mit HDPE-Platte (HDPE wie Außenrohr KMR)
Kreisringschergerät
Stabscherversuch(Rod-Shear-Tester)
N > 0
FN
FTGroßversuche an KMR im Versuchskasten M 1 :1
IV. Boden- und kontakt-mechanische Laborversuche
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Tangentiale Scherversuche im Labor:
• geringes Spannungsniveau bei kleiner Scherfläche
• vorgegebene Scherfläche (Scherspalteinstellung)
• Scherflächenverringerung während des Versuches.
• Kein Materialumsetzen in das Versuchsgerät möglich, d.h. große
Versuchsgeräteanzahl erforderlich.
Rahmenscherversuche mit ZFSV
Arbeitslinien ZFSV aus ST* – PEHD-Kontakt mit Auflastspannung
Vorversuche Rahmenschergerät unbefriedigend
IV. Boden- und kontakt-mechanische Laborversuche
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Tangentiale Scherversuche im Labor:
Rahmenscherversuch
Kreisringschergerät
Stabscherversuch(Rod-Shear-Tester) N 0
FT
Prinzip Stabscherversuch
Großversuche an KMR im Versuchskasten M 1 :1
IV. Boden- und kontakt-mechanische Laborversuche
HDPE-Röhrchen(wie Außenrohr KMR)
27„Forschung für energieeffiziente Wärme- und Kältenetze“ Statusseminar am 7 Mai 2014 in Köln
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III. Voruntersuchungen
Stabscherversuche OTH mit ZFSV• Radialdruck als klar definierter Spannungszustand am Rohr
• Radialdruck gut kontrollierbar, auch bei geringem Spannungsniveau
• keine Scherflächenverringerung während des Versuches
• Scherfläche innerhalb gewisser Grenzen nicht vorgegeben
• größere Kontaktfläche ZFSV-PEHD Reduzierung von Streuungen
• Probebehälter = Versuchsgerät , der als eine Einheit in den Belastungsrahmen eingebaut wird Kein Umsetzen erforderlich
• große Anzahl von Proben leichter untersuchbar
• zeitabhängiges Kontaktverhalten leichter untersuchbar
• Zyklik leichter untersuchbar
• Versuche sind näher an Großversuchen im Versuchskasten. Ggf. Skalierbarkeit?
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Statusseminar EnEff:Wärme 2014
Ergebnisse Stabscherversuche mit ZSFV
ohne Seitendruck N = 0 mit Seitendruck N = 50 kPa
Arbeitslinie ST* und ZFSV aus ST* – PEHD-Kontakt Arbeitslinie ZFSV aus ST* – PEHD-Kontakt
IV. Boden- und kontakt-mechanische Laborversuche
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IV. Boden- und kontakt-mechanische Laborversuche
Stabscherversuche - Erste qualitative Tendenzen
sWeg
FT Durchschiebekraft
Zeit
Jeweils 1-ter Durchschub Variation Refixierungszeitz. B. 7 d, 14 d und 28 d
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IV. Boden- und kontakt-mechanische Laborversuche
Stabscherversuche - Erste qualitative Tendenzen
sWeg
FT Durchschiebekraft1-ter Durchschub Druck2-ter Durchschub Zug
…n-ter Durchschub ( /)
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IV. Boden- und kontakt-mechanische Laborversuche
Mit Weiterverwendung des Winkels der inneren Reibung als Bezugsgröße:a := Adhäsion [kPa]
:= Normalspannung [kPa] auf die Kontaktscherfläche
x := Anpassungsfaktor Kontaktverhalten [ - ]; üblicherweise x < 1
:= Reibungswinkel der Materialpaarung mit = tan (‘ · x) [ - ]
:= An die Materialpaarung angepasster Reibbeiwert mit = tan [ - ]
f,B/M = a + · tan ( · x) oder f,B/M = a+ · tan
Grenzzustandsgleichung Kontaktfläche Boden/Material
verantwortlich für den Zusammenhalt der Materialpaarung ohne Auflast „Klebstreifeneffekt“
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Sand ZFSVf,B/M = · tan (+ a)
Die Adhäsion a wird in der Geotechnik üblicherweise nicht angesetzt; a ist an Baumaschinen und im Tunnelbau sogar unerwünscht (Verklebungen)
f, Z/M = a + · tan
Die von uns untersuchten ZFSV haben Adhäsionen a von beachtlicher Größe: a wird wirksam vor bzw. parallel
mit Reibung Nach jetzigem Kenntnisstand
bei ersten Warmgehen dominant.
In der rohrstatischen Berechnung nicht vernachlässigbar.
z.B. DIN 1054 - Baugrund –Sicherheitsnachweise im Erd und Grundbau –Ergänzende Regelungen zu DIN EN 1997-1 [5]: Adhäsion darf nur in Ausnahmefällen angesetzt werden; die Ausnahme muss begründet werden.
IV. Boden- und kontakt-mechanische Laborversuche
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IV. Boden- und kontakt-mechanische Laborversuche
Äußerer Verbund HDPE‐Mantel / Bettungsmaterial
Innerer Verbund PUR‐Schaum / Stahlrohr
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V. Ausblick
Einsatz fließfähiger Verfüllbaustoffe zur KMR-VerlegungArbeitspaket: Bodenmechanik
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V. Ausblick
Fortführung der Laborversuche (u. a. Triaxial- und Stabscher-Versuche) mit unterschiedlichen Seitendrücken und Aushärtezeiten.
Großversuche im Maßstab M 1:1 (sog. Technikumsversuche). Auswertung von Messstrecken (Frankfurt, Ulm, Rosenheim) Entwicklung und Kalibrierung von Ansätzen zur Berücksichtigung ZFSV
in den gängigen Berechnungsprogrammen.
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VI. Zusammenfassung
Einsatz fließfähiger Verfüllbaustoffe zur KMR-VerlegungArbeitspaket: Bodenmechanik
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VI. Zusammenfassung
(1) Zeitweise fließfähige Verfüllbaustoffe (ZFSV) bieten grundsätzlich technologische und wirtschaftliche Vorteile sowie Potential hinsichtlich der Bemessung von Fernwärmeleitungen
(2) Die boden- und kontakt-mechanischen Eigenschaften der ZFSV sind sehr stark vom eingesetzten ZFSV-Typ, dessen Rezeptur und von der Aushärtezeit abhängig.
(3) Stabscherversuche haben sich als geeignet erwiesen, auch bei der großen Anzahl der erforderlichen Laboruntersuchungen, die kontaktmechanischen Parameter unter klar definierten Spannungszuständen zu ermitteln.
(4) Im Unterschied zu Sand weisen die untersuchten ZFSV eine ausgeprägte „Adhäsionspitze“ auf, die einen wesentlichen Einfluss auf das Verformungsverhalten der KMR hat.
(5) Beim Einsatz von ZFSV ist aufgrund von (4) dem „inneren Verbund“ zwischen PU-Schaum und Stahlrohr Beachtung zu schenken.
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Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!
Prof. Dr.-Ing. Thomas NeidhartEmail: [email protected]