Tunneldrivning är tidskrävande med varierande komplexitet från projekt till projekt, där en betydande del av sprängcykeln innefattar att låta injektering härda. Detta är tid där tunneldrivandet står stilla. Ifall denna tid skulle kunna reduceras skulle entreprenörer kunna spara in resurser genom att kunna spränga tidigare. Huvudsyftet med det här examensarbetet är att bidra med förståelse för hur utomstående krafter påverkar injektering. Detta för att man på ett korrekt sätt ska kunna dimensionera och reducera injekteringens härdningstid vid en tunneldrivning. Innan examensarbetets start hade tre olika kravställningar för cementbaserad injektering tagits fram. En del av examensarbetet inkluderade att formulera injekteringsrecept uppfyllande dessa krav, genom att få ökad förståelse för cementbruks reologi. Genomförandet av arbetet delades upp i tre studier, där cementbruks reologi studerades på olika sätt. Arbetet började med att se hur viskositet och flytgräns ändrades med vattencementtal (VCT) med hjälp av en rheometer (roterande tester). Dessa undersökningar utgjorde studie 1. De vattencementtal som testades var 0,6; 0,8; 1,0 och 1,2. Från denna studie blev värdena höga och ansågs orimliga. Då cement är ett av de reologiskt mest komplicerade materialen rör det sig över stora delar av det viskoelastiska spektret. Det kunde konstateras att vidare studier bör utföras för att öka förståelsen för dels rheometern som mätredskap, dels cementets reologi. I studie 2 mättes samma parametrar som i den första studien, samt inträngningsförmåga, separation och densitet. Dessa tester genomfördes med hjälp av redskapen PenetraCone, Mud Balance, Marshkon, fallkon, muggprover och Yield Stick i laboratoriemiljö. Testerna genomfördes med samma vattencementtal som tidigare, men med två olika sorters cement: Injektering-30 och UltraFine 20. Från dessa tester kunde det konstateras att två av tre krav inte gick att uppfylla med UltraFine 20. Injektering-30 uppfyllde två av kraven med ett vattencementtal på 0,8 och det tredje kravet med ett vattencementtal på 0,6. Dessa resultat försöktes sedan återupprepas i ett fälttest vid Haga station (Västlänken) med blandning i en injekteringsrigg. Två blandningar som skilde sig lite från varandra gjordes under fältstudien. Den ena blandningen gav liknande värden som laboratorietesterna med en något högre flytgräns. Den andra blandningen var något mer lågviskös. Skillnaden mellan dessa två resultat misstänktes bero på skillnaden i tid de fick vara i injekteringsriggen. Det var från början planerat att utföra en ytterligare fältstudie, där Injektering-30 skulle injekteras med vattencementtalet 0,8 i två bergsskärmar. En sprängning skulle därefter ske efter tre timmar, men på grund av förseningar i produktionen har denna fältstudie skjutits upp till våren 2022. Studie 3 bestod av ytterligare rheometer-undersökningar, där oscillerande tester utfördes under en längre tid. Dessa tester gjordes för att se hur cementbrukets viskösa och elastiska skjuvmodul ändrar sig över tid. Genom att göra muggprov parallellt gick det att observera att när cementbruket övergick från att vara dominerat visköst till att vara dominerande elastiskt så ändrades brottsmekanismen i bruket. Cementbruket gick från att flyta fritt till att det uppstod ett cirkulärt skjuvbrott (okulärt observerat). Med resultatet från de oscillerande testerna delades cementets härdningsprocess in i fyra olika steg. Det första steget är när cementpartiklarna flyter vid ett muggprov (egentyngden är större än materialets flytgräns). Det andra steget är när bruket övergår från dominerande visköst till dominerande elastiskt och brottet som nu uppstår är ett cirkulärt skjuvbrott. Det tredje steget är när cementet härdat tillräckligt så att cirkulära skjuvbrott inte uppstår i ett muggprov. I detta stadie går det att peta ett hål i cementet utan att det läker sig själv. Det fjärde och sista steget är när cementen härdat så pass mycket att materialet börjat bete sig mycket sprödare och är som starkast. För att kunna sätta en preliminär plan för dimensionering av härdningstid på cementbruket, så beräknades kraften som cementbruket upplever som en funktion av töjningarna i berget vid detonation. Detta gjordes med hjälp av Hookes lag och de oscillerande testerna som utfördes under längre tid för att mäta skjuvmodulen. Med detta så togs följande preliminära plan fram, för beräkning av härdningstiden på cementbaserad injektering: Mät maximala deformationen i berget Mät den komplexa skjuvmodulen på bruket över tid Ta reda på förväntad maximal sprickvidd Beräkna skjuvtöjning Beräkna last Gör fallkontest för att ta reda på hållfastheten i bruket Jämför teoretisk last och hållfasthet för bruket och se när hållfastheten blir större än teoretisk last Spräng efter den beräknade tiden. Planen har inte testats i praktiken och vidare studier behöver utföras. Sammanfattningsvis lägger examensarbetet grunden för vidare studier inom detta ämne. Indikationer från arbetet visar att härdningstiden teoretiskt bör gå att förkorta. Det spekuleras ifall det skulle gå att förkorta härdningstiden ytterligare ifall något sorts mikrofibrer eller likande används som armering i cementen, för att motverka det cirkulära skjuvbrottet som verkar uppstå. Det är självklart av yttersta vikt att denna armering inte påverkar inträngningsförmågan i någon större utsträckning / Tunnel excavation is time demanding with varying complexity. A significant part of the tunnel excavation cycle consists of letting grout harden. This is time where the excavation basically is put on hold. If this part of the excavation cycle could be reduced, the contractor would be able to save resources by conducting blasting earlier. The main purpose with this master thesis is to contribute with knowledge regarding how external forces affects grout. This is of significance to be able to design and to reduce the grout’s hardening time correctly. Before this master’s thesis began three different requirements for cement grout had been developed. One part of this master’s thesis included formulating grout recipes to fulfill these requirements, by gaining further knowledge regarding cement grout rheology. The execution of this work was divided into three part-studies where cement rheology was studied in different ways. The work started by investigating the water cement ratios influence on cements viscosity and yield point by performing rotating tests with a rheometer. This investigation was a part of study 1. The water cement ratios which were studied was 0.6, 0.8, 1.0 and 1.2. It was concluded that the results were way to high and was deemed unreasonable. Cement is rheologically one of the most complex materials, because it spans over great parts of the viscoelastic spectrum. It was concluded that further studies should be performed to further understand both how the rheometer works and cements rheology. In study 2, the same parameters were measured as in the previous study with the addition of penetrability, separation, and density. These tests were performed with PenetraCone, Mud Balance, Marsh funnel, fall cone, mug tests and Yield Stick tests in a laboratory environment. The tests were conducted with the same water cement ratios as in study 1, but with two different brands of cement: Injektering-30 and UltraFine 20. From these tests the conclusion was that it was not possibly to fulfill two out of the three requirements with UltraFine20 whereas Injektering could fulfill all three requirements. Two out of the three requirements were fulfilled with a water cement ratio of 0.8. These results were then further investigated in a field environment at station Haga in Gothenburg. Two batches were produced, where one of the batches became slightly less viscous than the other and the lab results. It is believed that this was because the less viscous batch spent a longer amount of time in the mixer. From the start, another field study planned to be conducted where Injektering-30 would be used as grout with a water cement ratio of 0.8. A blast would then be detonated after three hours. Due to delays in the excavation of Haga Station this study was postponed to spring 2022. Study 3 consisted of further rheometer-investigations where oscillating tests were performed during a longer period of time, to see how the shear modulus changed over time. These tests measured the viscous and elastic shear modulus of the cement. By doing parallel mug tests it was observed that when the cement went from dominant viscous to dominant elastic the failure mechanism of the cement changed. The cement went from flowing freely to what looks like a circular shear failure (ocularly observed). With the results from the oscillating test, the cement’s hardening process was divided into four different stages. In the first stage, the particles flow freely (weight of particles are greater than the materials yield point). In the second stage the cement will be more elastic than viscous, and a circular shear failure occurs. In the third stage, the grout has hardened enough so a circular shear failure won’t occur in a mug test. It is now possible to point a hole in the cement without it flowing, and it will heal itself. In the fourth and final stage the cement has hardened enough that the cement has a high strength and behaves brittle. To estimate a preliminary plan to design the hardening time on cement the forces on the grout has been calculated as a function of the deformations in the surrounding rock. This was done using Hookes law and the oscillating tests which was performed during a longer period of time to measure the shear modulus. With this logic the following plan was introduced, to design the grouts hardening time: Measure deformations in the rock Measure the complex shear modulus of the grout over time Find the maximum joint width Calculate shear strain Calculate load Do fall cone tests to determine the strength of the grout Compare theoretical load with strength of the grout and see when the strength becomes greater than the load Perform blasting after calculated time. This plan has not yet been tested and need further studies to determine its validity. In conclusion this master’s thesis is the groundwork to further studies regarding this subject. Indications from this work shows that the hardening time could theoreticality be reduced. One could speculate if it would be possible to shorten the hardening time even further by introducing some kind of reinforcement to the grout, which would prevent the observed circular shear failure. It is obviously important that the reinforcement does not interfere with the penetrability of the grout.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:UPSALLA1/oai:DiVA.org:ltu-90076 |
| Date | January 2022 |
| Creators | Åberg, Wilhelm |
| Publisher | Luleå tekniska universitet, Institutionen för samhällsbyggnad och naturresurser |
| Source Sets | DiVA Archive at Upsalla University |
| Language | Swedish |
| Detected Language | Swedish |
| Type | Student thesis, info:eu-repo/semantics/bachelorThesis, text |
| Format | application/pdf |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
Page generated in 0.0046 seconds