CO2-Reduktion durch alternative Bindemittel beim Düsenstrahlverfahren - Materialvergleich und Umweltauswirkungen

Abstract

Die vorliegende Arbeit untersucht den Einsatz alternativer, emissionsarmer Bindemittel zur teilweisen Substitution von Zement im Düsenstrahlverfahren (DSV). Ausgangspunkt ist der hoheCO2-Ausstoß der Zementproduktion, der insbesondere im Spezialtiefbau aufgrund des großen Materialeinsatzes ein erhebliches Einsparpotenzial aufweist.Vor diesem Hintergrund wird analysiert, inwieweit sich der Zementanteil durch geeignete Zusatzstoffe reduzieren lässt, ohne die für das Düsenstrahlverfahren maßgeblichen Eigenschaften der Suspension sowie des erhärteten Suspension-Boden-Gemisches zu beeinträchtigen. Den Schwerpunkt der Untersuchungen bilden Feinsteinmehle, die in variierenden Anteilen als Ersatzstoffe eingesetzt werden. Dabei werden Substitutionsgrade zwischen 40 % und 80 % des Zementanteils und unterschiedliche Wasser/Bindemittel-Werte betrachtet. Die Mischungen werden umfassend hinsichtlich ihres rheologischen Verhaltens sowie ihrer ein axialen Druckfestigkeit charakterisiert.Ergänzend werden Weichgel-Feinsteinmehl-Mischungen betrachtet, die aufgrund ihrer Materialeigenschaften insbesondere für abdichtende Anwendungen geeignet erscheinen. Weichgele werden üblicherweise in der Injektionstechnik, beispielsweise zur Herstellung von Dichtungssohlen,eingesetzt. Im Rahmen dieser Arbeit wird untersucht, inwieweit sich solche Mischungen in Kombination mit Feinsteinmehl auch als Suspensionen für das Düsenstrahlverfahren eignen und unter Hochdruckbeanspruchung eine ausreichende Schneidewirkung im Boden erzielen können. In diesem Zusammenhang wird zusätzlich die Durchlässigkeit der erhärteten Mischungen analysiert.Ein weiterer Fokus liegt auf der Zugabe calcinierter Tone zu zementbasierten Mischungen.Diese werden in der Betontechnologie bereits intensiv untersucht und eingesetzt, finden jedoch im Spezialtiefbau bislang kaum Anwendung. Ziel ist es daher, deren Einfluss auf das mechanische und rheologische Verhalten sowie ihr Potenzial zur Emissionsreduktion im Kontext des Düsenstrahlverfahrens zu bewerten.Die gewonnenen Ergebnisse werden abschließend gegenübergestellt und hinsichtlich ihrer Eignung für das Düsenstrahlverfahren beurteilt. Analysiert werden die Frisch- und Feststoffeigenschaften der hergestellten Mischungen sowie deren Bewertung im Hinblick auf die Anforderungendes Düsenstrahlverfahrens. Für ausgewählte Mischungen erfolgt zudem eine quantitative Abschätzung des CO2-Einsparpotenzials, wodurch die Relevanz alternativer Bindemittelmischungen im Spezialtiefbau aufgezeigt wird.

The aim of this thesis is to investigate the use of alternative, low-emission binders for the partialsubstitution of cement in the jet grouting process. This study is motivated by the high CO2 emissions associated with cement production, which present significant potential for reduction —especially in ground engineering, where large quantities of material is used.In this context, this thesis analyzes the extend to wich the amount of cement can be reduced by suitable additives without impairing the suspension and hardened soil-slurry mixture properties relevant for the jet grouting process. The main focus of the investigation is on fine mineral fillers,which are used as replacement materials. Substitution levels between 40 % and 80 % of the cement content and varying water-to-binder ratios are considered. The mixtures are characterized with respect to their rheological behavior as well as their uniaxial compressive strength.In addition, mixtures of soft gel and fine mineral fillers are investigated, as their materialproperties indicate potential suitability for sealing applications. Soft gels are commonly used ininjection techniques, for example for the construction of sealing bases. Within this work, it is examined whether such mixtures, in combination with fine mineral fillers, can also be applied as suspensions in the jet grouting process and achieve sufficient soil cutting performance under high-pressure conditions. In this context, the permeability of the cylindrical specimens is also analyzed.A further focus is placed on the in corporation of calcined clays into cement-based mixtures.While these materials are already widely studied and applied in concrete technology, their usein ground engineering remains limited. The aim is therefore to evaluate their influence on the mechanical and rheological behavior as well as their potential for reducing CO2 emissions in the context of the jet grouting process.Finally, the examined mixtures are compared and assessed with regard to their suitability for the jet grouting process. This study includes the analysis of fresh and hardened properties of the mixtures as well as their evaluation with respect to the requirements of jet grouting applications.Additionally, a quantitative estimation of CO2 reduction potential is carried out, highlighting the relevance of alternative binder systems in special geotechnical engineering.