Thermochemical model for quality assurance of jet-grouting work : from multiphase hydration model and microstructure-related thermal properties towards site applications

Abstract

Die Herstellung von zementvermörtelten Bodensäulen mit dem Düsenstrahlverfahren (DSV) im Untergrund erfolgt verfahrensbedingt ohne visuelle Kontrolle. Eventuelle Abweichungen im Bodengefüge bzw. während der Herstellung können die Qualität (Abmessung und mechanische Eigenschaften des verbesserten Bodens) dieser Bodenverbesserung wesentlich beeinflussen. Nach geltender Norm EN 12716 sind Probesäulen vor Beginn der eigentlichen DSV-Arbeiten vorzusehen, um die Herstellparameter an den anstehenden Boden anzupassen. Dies ist mit einem großen zeitlichen und somit auch wirtschaftlichen Aufwand verbunden.<br />Derzeit werden von den verschiedenen Spezialtiefbaufirmen auch andere Methoden zur Bestimmung der Abmessung des verbesserten Bodens eingesetzt, wobei während der Herstellung der Säule mittels Hydrophonmessungen, Pegelstangen, Analyse des verfahrensbedingten Rücklaufs usw. auf den Durchmesser der DSV-Säule geschlossen wird.<br />Das in dieser Arbeit beschriebene Verfahren basiert auf Temperaturmessungen im Zentrum der DSV-Säule und ermöglicht durch Vergleich numerisch ermittelter und auf der Baustelle gemessener Temperaturverläufe die Bestimmung des Säulendurchmessers sowie des Zementgehaltes des verbesserten Bodens.<br />Ausgehend von einer am Institut für Mechanik der Werkstoffe und Strukturen der Technischen Universität Wien verfassten Diplomarbeit (Brandstätter, 2001), in der das zugrunde liegende thermische Berechnungsmodell zur Reichweitenermittlung vorgestellt wurde, wird in dieser Arbeit diese Methode hinsichtlich ihrer Praxistauglichkeit und ihres Anwendungsspektrums weiterentwickelt. So ist der Effekt des eingesetzten Bindemittels durch die Verwendung eines Mehrphasenhydratationsmodells berücksichtigt, welches der chemischen Zusammensetzung des eingesetzten Zements Rechnung trägt. Weiters wird der Einfluss von Hochofenschlacke, basierend auf durchgeführten Kalorimeterversuchen im erwähnten Hydratationsmodell berücksichtigt.<br />Der Temperaturverlauf in der DSV-Säule während der Abkühlphase wird vor allem durch die thermischen Eigenschaften des anstehenden Bodens bestimmt, welche durch die Wärmeleitfähigkeit und die Wärmespeicherkapazität beschrieben werden. Die Bestimmung der effektiven Wärmespeicherkapazität erfolgt durch Mittelwertbildung der im betrachteten Material (Boden, DSV-Körper) enthaltenen Volumsfraktionen.<br />Auf der anderen Seite wird für die Ermittlung der effektiven Wärmeleitfähigkeit der Wärmetransport in den Kontaktflächen der Bodenpartikel, die Trockendichte, der Sättigungsgrad, die Mineralogie, die mittlere Korngröße sowie die thermische Leitfähigkeit der Einzelphasen berücksichtigt.<br />Eine Benutzeroberfläche, in welche das thermische Berechnungsmodell implementiert ist, dient der interaktiven Bestimmung von Säulendurchmesser und Zementgehalt. Die im Rahmen der praktischen Anwendung des Berechnungsmodells gewonnen Ergebnisse und Erfahrungen sind am Ende dieser Arbeit zusammengefasst.<br />

Soil improvement by means of jet grouting is performed without possible visual inspection during the entire installation process.<br />Changes within the geological situation and of grouting parameters influence the quality of jet-grouted columns (geometrical properties and mechanical behavior of jet-grouted soil mass). According to Eurocode EN 12716, grouting of so-called test columns and subsequent excavation are required for determination of grouting parameters. This method is time consuming and expensive.<br />Alternatively, methods based on geophysics, mechanical sensoring, measuring the erosion of pre-installed pipes, and waste-slurry investigation have been presented to estimate/determine the diameter of jet-grouted columns. In this thesis, a thermochemical parameter-identification scheme, considering the exothermal nature of hydrating jet-grouted soil mass, is presented. Hereby, diameter and cement content of jet-grouted columns are determined by numerical back-calculation of temperature histories measured on site at the center of jet-grouted columns. Departing from the work presented in (Brandst¨atter, 2001), the thermochemical parameter-identification scheme of properties of jet-grouted columns is extended as regards the simulation of the hydration process in early-age cement-based materials and the identification of thermal properties of the in-situ soil and the jet-grouted soil mass. As regards the simulation of the hydration process, the properties (mineralogy, blaine value, ...) of the employed binder are considered within a multiphase hydration model for ordinary Portland cement (OPC), which is extended towards blended cements (OPC mixed with blastfurnace slag, lime stone) and validated by means of differential calorimetry tests.<br />The temperature history measured on site, especially after having reached the maximum value, is strongly influenced by the thermal properties of the in-situ soil, i.e., the heat capacity and thermal conductivity. Whereas volume averaging is applied for determination of the effective heat capacity, determination of the effective thermal conductivity requires consideration of the material microstructure, represented by the number of contacts per particle, dry density, degree of saturation, mineralogy, particle size, and thermal properties of the material phases.<br />Finally, a user-friendly software tool for the presented thermochemical parameteridentification scheme is developed, allowing the interactive determination of the column diameter and cement content. The results obtained from application of this tool at several construction sites are summarized at the end of this thesis.<br />