The increasing need for watertight underground works, such as tunnel excavations, has sparked an interest in a number of research studies with grout penetrability being the focus. The research has so far contributed to a deeper understanding regarding the assessment of a successful grouting operation from different perspectives such as choice of equipment, material properties, phase planning and performance.  It is well established that several crucial factors influence the penetrability of grouts with pressure type and magnitude being two of them. Researchers have examined this issue from different perspectives and with different instruments. Previous research has shown that the increase of pressure has yielded better grout penetration both in the laboratory and the field. According to studies that dealt with dynamic pressure application, superimposed oscillatory pressure of high frequency resulted in grouts with decreased viscosity and better penetration. However, there is still need for further investigation in terms of lower frequencies, different pressure profiles and magnitudes and possible alternatives regarding the filtration and erosion mechanism. The present study aims to examine the penetrability of grouts under dynamic conditions of predefined peak and rest pressure intervals with frequencies lower than 0.5 Hz. The mechanism of action assumes active decomposition of any partially built plug in the vicinity of a narrowing in a rock fracture caused by the change in flow type before the constriction. The chosen method included the development of a laboratory grout injection system with a pneumatic valve and a pressure control rig. Tests were performed with both constant and varying pressure utilizing different periods of peak and rest intervals. The results showed an overall improvement of penetrability under dynamic conditions compared to the static. The decrease in peak – rest durations from [2 – 2] to [4 – 8] s yielded almost 11 times more material penetrating the 30μm aperture size.  The developed method utilized a pneumatic injection system which culminated in better penetration when tuned at [2 – 2] s of [peak – rest] durations with specific material properties. This study presents an indication that further research towards the direction of dynamic pressure application could be proven beneficial in the grouting industry.

Rock grouting is a commonly used process for sealing rocks in tunnels to reduce water ingress. In order to achieve sufficient sealing level the grout must effectively penetrate into rock fractures while the limiting factor is filtration of cement based grout. Many devices and measuring methods have been developed to study filtration and to measure the penetrability. The filter pump and the penetrability meter are two of the most commonly used instruments for measuring filtration tendency in the field and in the lab, while short slot is used mainly in the lab. The results obtained from these devices have relatively different estimations of the penetrability partly due to the weaknesses in measuring methods and test procedures. Furthermore, there are no clear criteria to find out which of the results are closer to the reality or how much the results differ among these instruments. The aim of this study is comparing, and evaluating the results of these devices in relatively similar conditions while using more accurate methods of weight-time and pressure-time compared to the less reliable total volume method. The filter pump and the penetrability meter were modified In order to fulfill the requirement of testing in similar conditions and to improve their accuracy and versatility. The results show that increasing the pressure improves the penetrability significantly. The modification of the filter pump results in reducing many uncertainties related to the testing procedure. Probably the modified filter pump has higher accuracy in measuring the penetrability compared to regular filter pump. The short slot has the highest accuracy in estimating penetrability of cement based grout especially at higher pressures, furthermore, the short slot provides a more flexible way to measure penetrability with different pressures in the range of 1-15 bars.

Gamla Årstabron i Stockholm uppvisade efter 80 år i drift omfattande skador på de bärande betongkonstruktionerna enligt en utredning som genomfördes 2006 av dåvarande Carl Bro AB på uppdrag av dåvarande Banverket Region Öst. Det konstaterades att omfattande reparationer och förstärkningar av brons betongvalv var nödvändiga för framtida rationell drift av bron. Det beslutades efter vidare utredning att de första tre valven på Södermalm i Stockholm skulle renoveras med injekteringsbetong. Renoveringen av de tre valven på fastlandet på Södermalm var ett prov i full skala för att hitta den optimala metodiken för den fortsatta renoveringen av resterande 17 betongvalv. Det här examensarbetet syftar till att utvärdera metoden med injekteringsbetong med hänsyn till injekteringsbetongens egenskaper, material och produktionsteknik.   Bakgrunden till detta examensarbete är att det finns ett stort behov av att följa upp renoveringsmetoden med injekteringsbetong eftersom den inte har använts i någon större utsträckning i Sverige sedan slutet av 1970-talet. Utvärderingen av injekteringsbetongens egenskaper har utförts genom att analysera resultaten av de provningar som utförts på betongen. Provningen har gått till så att utborrade kärnor och tillverkade provkuber har provats för bland annat tryck- och draghållfasthet (vidhäftning). Utvärderingen av material och produktionsteknik har gjorts genom observationer på arbetsplatsen där rapportförfattaren praktiserade hos NCC under juni och augusti 2008. Utöver praktiken har jag närvarat vid och dokumenterat många av de injekteringar som gjorts under projektets första år.   Huvudsyftet med att använda injekteringsbetong var att få fram en betong som uppvisar tillräckligt hög tryckhållfasthet, en viss draghållfasthet och en fri krympning av högst 0,2 ‰. Tyvärr var inte provtagningen tillräckligt omfattande för att dra statistiskt säkerställda slutsatser gällande betongens egenskaper. Det som dock kan sägas är att provtagningen samt information från nyckelpersoner från beställaren (numera Trafikverket) tenderar att bekräfta det som konstaterats i de förstudier som gjordes innan brorenoveringen startade, nämligen att injekteringsbetongen uppvisar en klart lägre krympning än konventionellt gjuten brobetong. Vad gäller tryck- och draghållfasthet så uppfyller den färdiga betongen de krav som ställdes.   Blandning av ingående material i form av ballast och cementbruk samt de enskilda materialens egenskaper visade sig vara en kritisk punkt, vilket bekräftar det som framgår av litteraturen på området. Att kravet på renhet hos ballasten, stenmaterialet, är uppfyllt är av yttersta vikt för slutresultatet. Dessutom är det mycket viktigt att cementbruket som blandas med vatten precis innan det injekteras i den stenfyllda formen håller mycket hög kvalité och är stabilt. I vissa aspekter ställer också metoden högre krav på yrkesarbetare, platsledning och övrig produktionspersonal som pumpförare jämfört med att gjuta med konventionell betong. Förutom de enskilda gruppernas kompetens är också samordningen och logistiken på arbetsplatsen en mycket viktig faktor. Att använda metoden innebär dessutom att beställare och specialister måste ha kunskap och förståelse för att metoden ur vissa synvinklar skiljer från konventionell betong, särskild med tanke på den begränsade användningen av metoden i Sverige i modern tid.   Baserat på slutresultatet av renoveringen, de provningar som utförts samt omdömen från nyckelpersoner hos beställaren var injekteringsbetong rätt metod att använda för att renovera Gamla Årstabron. / According to an investigation conducted in 2006 by the former Carl Bro AB commissioned by the former Swedish railway authority (Banverket), the old Årsta bridge in Stockholm, Sweden, was  after 80 years in operation showing signs of extensive damage on the load-bearing concrete structures. It was pointed out that the concrete vaults of the bridge needed to be repaired and reinforced in order to keep the bridge in an operational state. After further investigation it was decided that the first three vaults on the north side of the bridge were to be renovated by using pre-placed aggregate concrete. The renovation of the three vaults on the north side served as a full-scale test to find the best possible methodology for the continued renovation of the concrete structures that consists of another seventeen concrete vaults. This thesis aims to evaluate the method of using pre-placed aggregate concrete regarding its properties and materials as well as the construction technology.   The reason for this thesis is that there is a great need to follow up the renovation method using pre-placed aggregate concrete since it hasn’t been used in any great extent in Sweden since late 1970’s.The evaluation of the concrete’s properties has been done by analyzing the results of the testing that has been performed on the concrete. Test specimens consisting of concrete cores and fabricated cubes have been tested for compressive and tensile (bond) strength. The evaluation of materials and construction technology has been done by practical observations on the work site where the author worked as an intern for the contractor NCC during June and August 2008. Apart from my internship I also attended and documented many of the grouting occasions during the first year of the project.   The main intention of using pre-placed aggregate concrete was to produce a concrete with high compressive strength, certain tensile strength and a free shrinkage of at most 0,2 ‰. The testing of the concrete was unfortunately not extensive enough to draw any unambiguous conclusions concerning the properties of the concrete. The results of the tests performed as well as information from key persons from the current Swedish traffic administration (Trafikverket) do however tend to confirm what was found during the pilot studies conducted before the renovation of the bridge started, namely that the pre-placed aggregate concrete has a much lower shrinkage than conventional concrete normally used in bridges. As for compressive and tensile strength, the pre-placed aggregate concrete meets the quality requirements.    The mix of included materials, aggregate and cement-based grout, as well as the properties of the materials themselves turned out to be critical for the result, which the literature in the field confirms. The purity of the aggregate is essential for the result. Moreover, it’s very important that the cement-based grout is of high quality and stable. When comparing with traditional concreting, the method imposes higher requirements on the workforce, management and subcontractors, in some aspects. Two other key factors, apart from the competence of each group, are the coordination and the logistics on the worksite. Using pre-placed aggregate concrete also implies that clients and specialists must have knowledge and understanding concerning the differences compared to traditional concreting, especially since the method hasn’t been used in any greater extent in Sweden the last 40 years.   Based on the result of renovation, tests conducted and reviews from key persons at the Swedish transport administration the decision to use pre-placed aggregate concrete was the right one.

An essential demand in any underground facility is to seal it against the water ingress to reduce the time and cost of the construction and the corresponding environmental hazards. To achieve this, obtaining sufficient grout spread is of great importance. Among the grouts, cement grouts with lower costs and environmental issues have been more reliable, whereas their main problem is filtration that restricts the grout spread. Several investigations have been therefore aimed to develop instruments to measure the grout penetrability as a fundamental means to improve the grout spread. Due to the difference in assumptions, limitations, and test conditions, and the deficiency in design their results are occasionally in contradiction. The question here is how to measure the grout penetrability more realistic? To answer this, two of the most frequently used instruments, Filter pump and Penetrability meter, were adjusted to approach the test conditions in Short slot. The results were discussed with respect to the origins of contradictions to better evaluate the reliability and functionality of the instruments. Among the influencing parameters on grout spread, applied pressure is a key element. The stepwise pressure increment is the method currently used to improve the grout spread in rock. Application of dynamic grouting has been studied as a solution to improve the grout spread for almost three decades. Despite some promising results, the method has not been yet industrialized due to the limited efficiency and issues in the type and frequency of the applied pressure, and the geometry of the test equipment. Therefore, finding a more efficient alternative of the applied pressure was the second goal of this study. A pneumatic pressure control system was consequently employed to examine the efficiency of the method in Short slot. The results conclusively revealed the effectiveness of the method and provided a strong basis for further development of the dynamic grouting. / Ett viktigt krav när man bygger under mark är att konstruktionen blir tillräckligt tät, så att inläckage av grundvatten minimeras. Detta minskar både projektkostnaden och eventuell miljöpåverkan. För att skapa en tät konstruktion måste injekteringsbruket spridas tillräckligt i bergmassan. Kemiska injekteringsmedel har ofta bättre spridning i bergmassan än cementbaserade bruk, men cementbaserade bruk är både billigare och ger mindre miljöpåverkan. Det finns dock en del problem med cementbaserade bruk, nämligen att cementpartiklarna filtreras och att brukets reologiska egenskaper begränsar brukets utbredning. Ett antal studier har därför utförts för att studera dessa egenskaper hos cementbaserade bruk och utveckla metoder och instrument för att mäta brukets inträngningsförmåga. Detta i syfte att förbättra brukets utbredning. Dagens metoder och instrument ger nämligen ibland motsägelsefulla resultat på grund av de olika antaganden, begränsningar och förutsättningar som används i de olika testerna. Huvudfrågan är alltså hur man kan mäta brukets inträngningsförmåga på ett mer realistiskt sätt. För att undersöka detta modifierades två vanliga mätinstrument – filterpumpen och filterpressen – för att passa förhållandena i testanordningen Short slot. Resultaten diskuterades med avseende på olika typer av skillnader mellan metoderna i syfte att utröna dels vad som påverkar inträngningsförmågan, dels instrumentens tillförlitlighet och funktionalitet. Bland de parametrar som påverkar brukets spridning i bergmassan har injekteringstrycket en central roll. I dagsläget används stegvis tryckökning för att förbättra brukets spridning i sprickigt, hårt berg. Hur man kan använda dynamisk injektering för att förbättra brukets spridning har dock undersökts under snart tre decennier. Trots lovande resultat av denna metod ännu inte börjat användas i praktiken. Ett problem är svårigheten att ta försök på labb till fältmässiga förhållanden. Ett exempel är att man använde ett tryck som varierade med hög frekvens i en spricka som modellerades med två parallella skivor utan förträngningar, vilket är mycket annorlunda jämförelse med en riktig bergspricka. I modellen blir nämligen brukets spridning starkt beroende av brukets reologiska egenskaper, medan det snarare är filtrering som är problemet i en naturlig spricka på grund av förträngningarna. Dessutom fokuserade tidigare studier endast på sprickor med en sprickvidd större än 100 μm, trots att god spridning av bruket även i de smala sprickorna med mindre än 70 μm bredd är mycket viktigt när det är höga krav på anläggningens täthet. Ett annat mål med denna licentiatuppsats var därför att hitta nya sätt att förbättra brukets spridning i berget. Därför övervakades trycket med ett pneumatiskt kontrollsystem vid tester i Short slot för att studera hur effektiv denna metod är under mer realistiska förhållanden med förträngningar på mindre än 70 μm. Resultaten visade att metoden är effektiv, vilket utgör en bra bas för att fortsätta utveckla dynamisk injektering. / <p>QC 20160413</p>

In the past centuries, grouting has been one of the most common techniques in geotechnical engineering to strengthen and seal underground structures. Concerning increasing demands for tightness and cost efficiency, cement-based grout has been one the most frequent used materials. One of the first grouting operations is the work done by Charles Bérigny in France back in 1802 in order to repair a sluice by stabilizing the ground with liquid grout. Several studies have been then conducted in grouting, which have contributed into successful improvement of the grouting operations. The investigations have also extended the understanding of the factors such as choice of materials, choice of equipment, and the applied pressure type and magnitude, etc. that influencing the grout spread in rock fracture systems.   Among the factors, the applied pressure is one of the most significant ones influencing the spread of grout during grouting operations. Grouting at static pressure conditions is the most common method used in field, where in practice the injected grout can only penetrate into the rock fractures wider than 100 µm.   Recent investigations conducted on application of static and dynamic pressure conditions, using Short Slot and Varying Aperture Long Slot (VALS) in the lab have yielded an overall improvement of the grout spread under dynamic pressure conditions rather than the conventional static pressure conditions. However, the efforts conducted are just a beginning, especially in very fine micro factures smaller than 70 µm    The main objective of this investigation was therefore to improve the spread of grout by dynamic grouting into fractures smaller than 70 µm effectively, which could not be done with grouting at static pressure conditions.  Furthermore, the aim was to investigate filtration and erosion phenomena/ tendency of grout flow during static and dynamic pressure application using Varying Aperture Long Slot (VALS) in the lab. The durations of peak and rest periods used in the experiments were 2s/2s and 1s/5.5s, which were equivalent to 0.25 Hz and 0.15 Hz, respectively. The results of dynamic grouting showed up to 10 times improvement in the volume of passed grout through fracture apertures smaller than 70 µm. / Injektering är en av de vanligaste metoderna som använts för att förstärka och täta geotekniska konstruktioner. När det gäller ökande krav på täthet och kostnadseffektivitet har cementbaserade bruk varit ett populärt förbrukningsmaterial. Injektering användes förmodligen först av Charles Bérigny i en slussreparation i Frankrike under 1802 där marken stabiliserades med hjälp av flytande injekteringsmaterial. Flera studier har sedan dess utförts inom injekteringsteknik, vilket har bidragit till en framgångsrik förbättring av injekteringsoperationer. Dessa undersökningar har också utvidgat förståelsen av faktorer såsom materialegenskaper, val av utrustning, provprestanda, trycktyp och storhet som i sin tur påverkar brukets spridningsförmåga i bergets spricksystem.   Forskningen inom bergtätning fokuserar bland annat på att utveckla tillämpningen av statisk och dynamisk tryck vid injektering. Tillämpning av statiskt tryck är den vanligaste metoden för injektering ute i arbetsfält, där den injicerade bruket i praktiken endast kan tränga in i bergssprickor som är större än 100 μm.   De senaste undersökningarna med hjälp av Short Slot och Varying Aperture Long Slot (VALS) har visat en övergripande förbättring av inträngningen under dynamisk injektering jämfört med de konventionella statiska. Detta är bara en början och metoden behöver utvecklas mer, särskild för att åstadkomma bruksspridningen i mycket finare mikrosprickor, exempelvis sprickor mindre än 70 µm.   Syftet med detta arbete var att utveckla injekteringsmetoden där bruket kan tränga  i berg med sprickor mindre än 70 µm. Resultaten på de dynamiska tryckförhållanden visade att injekteringsbruket trängde bättre  i de smala sprickor  jämfört med de statiska tryckförhållanden. Upp till 10 gånger mer mängd av injekteringsbruk passerade sprickor med storlek mindre än 70 µm i VALS. Vidare har inloppsflödet och filtrerings- och erosionsfenomenen studerats med hjälp av laboratorieinstrumentet VALS. Varaktigheten av peak- och restperioder som användes i experimenten var 2s/2s och 1s 5.5s, vilka var ekvivalenta med 0.25 Hz respektive 0.15 Hz.

The main goal of the grouting is to seal the fractures in the rock mass,improve the strength properties of the rock mass and decrease deformability. However,the overuse of the grouting should be avoided due mainly to economic reasons,optimizing the project time and sometimes severe environmental issues.Insufficient grout spread can cause worse sealing results and decreasedurability. To control the process of grouting and predict the penetrationlength an analytical solution called Real Time Grouting Control theory (RTGC) hasbeen developed. This thesis aimed to evaluate RTGC theory on the equipmentrepresenting a one-dimensional model of a fracture called Varying Aperture LongSlot - VALS. The evaluation was based on a comparison between the calculated(predicted) penetration length according to RTGC theory and the realpenetration obtained in the experiments. Results of the tests show that the RTGCtheory is a good tool to predict the penetration length of the grout at thejoints with apertures close to the hydraulic apertures. At the apertures,significantly less than the hydraulic aperture, the results of the test andRTGC theory differ a lot.