Methoden

Das Forschungsvorhaben leistet einen wichtigen Beitrag zur Effizienzsteigerung bei Tunnelbauprojekten. Zunächst müssen die Grenzflächenprozesse zwischen Werkzeug und Tonstein bzw. Tonsuspensionen genauer verstanden werden. Eine Änderung der Struktur durch eine aktive Modifizierung der Mineraloberfläche erlaubt die temporäre oder dauerhafte Beeinflussung der geotechnischen Eigenschaften des Tones.

Laborverfahren zur Ermittlung der Adhäsion von Tonen Die mechanischen Eigenschaften von Ton und Tonsuspensionen sind in erster Linie festgelegt durch die Geochemie an der Oberfläche und die Ladungsverteilung an Grenzflächen, welche wiederum die strukturelle Ausrichtung und Verteilung der Tonminerale beeinflussen. Aufgrund physikalisch-chemischer Effekte hat das Porenwasser einen signifikanten Einfluss auf die geotechnischen Eigenschaften von Ton. Demzufolge kann durch Steuerung des pH-Wertes im Porenwasser die Ladungsverteilung beeinflusst werden. Das hat wiederum Auswirkungen auf die Struktur des Tones und damit auch auf die geotechnischen Eigenschaften wie Adhäsionsverhalten, Porosität, Scherfestigkeit, Konsolidationsverhalten, Viskosität oder Wasseraufnahmekapazität. Alternativ kann auch auf rein physikalischem Weg Einfluss genommen werden, wie etwa durch das Aufbringen eines elektrischen Feldes zwischen Tonsuspension und Werkzeug, welches das Adhäsionsverhalten am Werkzeug beeinflusst. Durch elektrische Ladung wird Wasser durch die Suspension an das Werkzeug transportiert, wo es auf der Oberfläche einen Film bildet und die Adhäsion reduziert. Danach werden anhand der Versuchsresultate die notwendigen aktiven Manipulationen des Tons an den Baustellenmaßstab angepasst. Der interdisziplinäre Aspekt des Forschungsvorhabens garantiert eine weitgefächerte, umfassende Erforschung der Verklebungsproblematik. Die geowissenschaftlichen Erkenntnisse von Grenzflächenprozessen aus dem Mikro- und Nanobereich werden direkt abgeglichen mit den ingenieurwissenschaftlichen Kenntnissen von makroskopischen Vorgängen, wie den Verklebungsproblemen während einer Schildfahrt. In diesem Forschungsvorhaben kooperieren drei Universitätsinstitute und vier Industriepartner.

Der Lehrstuhl für Ingenieurgeologie und Hydrogeologie arbeitet an:

• der Realisierung unterschiedlicher chemischer Manipulationsmethoden (Änderung des pH-Wertes, Variation der Dielektrizität der Suspensionsfluide etc.)
• der Realisierung von elektrokinetischer Manipulation im Bezug auf praktische Erfahrungen im Tunnelbau
• Erkenntnissen zum chemisch-mechanischen Verhalten von Ton

Das Institut für Mineralogie und Lagerstättenlehre wird:

• RFA (Röntgenfluoreszenzanalysen) zur Bestimmung der Tonminerale durchführen
• Untersuchungen zur Charakterisierung der Mineraloberfläche durchführen (Messung des Zeta-Potentials, Messung von Ionenaustauschisothermen, BET-Test)
• Manipulation der Oberflächenladung durch Kationenaustausch vornehmen, z.B. durch Natrium-, Kalium- oder Magnesiumzugabe im Prozesswasser zur Veränderung der Struktur und des Koagulationsverhaltens

Das Institut für Geotechnik im Bauwesen wird:

• Projektdaten aufarbeiten und auswerten
• Boden- und Felsversuche im Labor und in-situ durchführen
• einen Pilotversuch zur Bestimmung der Adhäsion entwickeln
• ein Klassifikationsschema für das Adhäsionspotential entwerfen

Die Fa. Herrenknecht übernimmt:

• die Bereitstellung von Projektdaten
• die Sammlung und Bereitstellung von Materialproben
• die Kooperation bei der Herleitung von Kriterien für ein Klassifikationsschema
• Entwurf, Entwicklung und Betrieb eines Pilotversuchs
• die Herleitung von Kriterien für Manipulationsmethoden mit Rücksicht auf die vortriebsmaschinenspezifischen Anforderungen

Die Fa. Züblin bietet:

• eine internetbasierende Datenbank zur Auswertung der Projektdaten
• die Sammlung und Bereitstellung von Materialproben
• die Herleitung von Kriterien für Manipulationsmethoden mit Rücksicht auf die baupraktischen Anforderungen

Der Beitrag der Fa. Condant umfasst:

• die Bereitstellung von Produktdaten und Testdaten
• die Bereitstellung von Konditionierungsmitteln und –zusätzen
• die Bereitstellung von geeigneter Technik zur Anwendung im Laborversuch
• die Mögliche Modifizierung und Optimierung der verwendeten Substanzen
• die mögliche Kooperation bei der Entwicklung neuer Versuche