28-37 Online-Qualit−tskontrolle - Bauverlag

Online-Qualitätskontrolle
der
Bohrspülung
Dr. M. Schneider, Dr. J. Dück, Prof. Dr. T. Neeße,
Dr. J. Pier, Dr. H. Tiefel, F. Donhauser
Es wird ein Verfahren zur Qualitätskontrolle
der Bohrspülung für Hydroschildvortriebe im
Tunnelbau vorgestellt. Noch werden diese
Kontrollen mit zeit- und arbeitsintensiven Baustellenverfahren
durchgeführt. Zeitgemäßer
ist die Qualitätsüberwachung z. B. mit einem
Online-Viskosimeter, dessen Einsatzmöglichkeit
in Separieranlagen des Tunnelbaus
getestet wurde.
1 Einleitung
Beim Vortriebsverfahren
mit Hydroschilden stellen
sich entsprechend den geologischen
und hydrogeologischen
Randbedingungen
spezielle rheologische Anforderungen
an die Bohrspülung.
Diese besteht in der
Regel aus Wasser und Bento-
Dr.-Ing. Martin Schneider,
Forschungsleiter Bodenreinigung/Dr.
rer. nat. Johann
Dück, Forschungsleiter
Computational Engineering/
Prof. Dr.-Ing. habil. Thomas
Neeße, Lehrstuhlinhaber,
Lehrstuhl für Umweltverfahrenstechnik
& Recycling,
Universität Erlangen-
Nürnberg/D
Dr.-Ing. Jürgen Pier, Projektleiter,
Deutsche Montan
Technologie GmbH, Essen/D
Dr.-Ing. Hilmar Tiefel, Leiter
Projektierung + Vertrieb/Fred
Donhauser, Senior Ingenieur,
AKW Apparate+Verfahren
GmbH u. Co. KG, Hirschau/D
28 Tunnel 5/2003
Forschung + Praxis
Research + Practice
nit, wobei Art und Anteil des
Bentonits Trag- und Transporteigenschaften
der Bohrspülung
bestimmen. Darüber
hinaus ist ein weiterer
mineralischer Feststoffanteil
(z. B. Sand, Schluff) in der
Bohrspülung nicht erwünscht.
Die Eigenschaften der Bohrspülung
werden allgemein
durch ihre besonderen nicht
Newton’schen Fließeigenschaften
geprägt. Während
die Fließeigenschaften her-
Online Quality
Control of Slurry
Dr. M. Schneider, Dr. J. Dück, Prof. T. Neeße,
Dr. J. Pier, Dr. H. Tiefel, F. Donhauser
A method to check the quality of slurries for
hydro-shield drives in tunnelling is presented.
Such controls are still undertaken using time
and labour-intensive on-site methods.
Monitoring the quality e.g. by means of an
Online Viscometer, whose suitability was
tested in separating plants in tunnelling
represents a more contemporary method.
1 Introduction
Special rheological demands
are placed on the suspension
during driving operations
using hydro-shields.
Generally speaking, the suspension
consists of water and
bentonite, with the nature and
proportion of the bentonite
governing the carrying and
transporting properties of the
suspension. Any further share
of mineral substances (e.g.
1 Schematisches Fließverhalten Bingham’scher Fluide
1 Schematic flow behaviour of Bingham fluids
sand, silt) is not desired in the
suspension. The suspension’s
properties are generally governed
by their special Newtonian
flow characteristics.
Whereas the flow characteristics
of conventional Newtonian
fluids can be simply expressed
by a single parameter,
the dynamic viscosity �, the
flow behaviour of suspen-
Dr.-Ing. Martin Schneider,
Leader of Soil Remediation
Research/Dr. rer. nat. Johann
Dück, Head of Computational
Engineering research/Prof.
Thomas Neeße, Head of
Dept. of Environmental
Process Engineering &
Recycling, University
Erlangen-Nuremberg/D
Dr.-Ing. Jürgen Pier, Project
Manager, Deutsche Montan
Technologie GmbH, Essen/D
Dr.-Ing. Hilmar Tiefel, Director
Marketing + Projecting/Fred
Donhauser, Senior Engineer,
AKW Apparate+Verfahren
GmbH u. Co. KG, Hirschau/D

kömmlicher Newton’scher
Fluide einfach mit einer einzigen
Größe, der dynamischen
Viskosität �, beschrieben
werden können, wird
das Fließverhalten von Bohrspülungen,
in diesem Fall
von Bentonit-Suspensionen,
vereinfacht durch Bingham’sches
Verhalten charakterisiert
(Bild 1).
Maßgebliche Größen für
Bingham’sches Verhalten sind
die Fließgrenze �0 und die
Bingham’sche Viskosität �B,
auch Konsistenz genannt.
Fluide, die sich in einem
Übergangszustand zwischen
Feststoff und Flüssigkeit befinden,
verfügen im ruhenden
Zustand oft über typischeFestkörpereigenschaften
wie z. B. eine, wenn auch
kleine, Druckfestigkeit. Das
strömungstechnische Äquivalent
dazu ist die Fließgrenze
�0. Diese ist z. B. verantwortlich
für einen Mindestdruckverlust
in einer Rohrleitung,
der überwunden
werden muss, um die Förderung
in Gang zu bringen.
Außerdem bestimmt sie die
maximale sedimentationsstabile
Korngröße in Suspensionen.
Beim Hydroschildvortrieb
verhindert die Fließgrenze
�0 z. B. das Eindringen
der Bohrspülung in das
Gebirge.
Die scheinbare Viskosität
�s vergleicht die Fließwiderstände
nicht Newton’scher
Fluide mit der dynamischen
Viskosität Newton’scher Fluide.
Im Gegensatz zur dynamischen
Viskosität � ist die
scheinbare Viskosität �s abhängig
vom Schergefälle,
was ihre direkte Berechnung
unmöglich macht. Zur Viskositätsmessung,
d. h. zur
Bestimmung der Fließeigenschaften
nach Bingham mit
� = �0 + �B · � (Strukturexponent
n = 0) werden in der Industrie
verschiedene Messgeräte
wie z. B. Rotations-
und Rohrviskosimeter eingesetzt.
Eine ausführliche
Betrachtung des Stands der
Technik findet sich in [1].
2 Aufgaben der
Bohrspülung im
Tunnelbau
Die Bohrspülung hat in
der Tunnelbautechnik mit
Flüssigkeitsschild mehrere
Aufgaben (1–7) zu erfüllen,
welche im Folgenden näher
erläutert werden.
1. Dispergierung des
Bohrkleins
Da die Bohrspülung unter
sehr hohem Druck in den
Raum zwischen Druckwand
und offenem Schneidrad
eingebracht wird, weicht das
anstehende Erdmaterial zunächst
auf. Das Bohrklein
lässt sich so leichter abbauen
und dispergiert in der Bohrspülung.
2. Transport des
Bohrkleins aus dem
Bohrloch
Die wichtigste Aufgabe
der Bohrspülung ist der
Qualitätskontrolle
Quality Control
2 Prinzipskizze und Foto des Marsh-Trichters [11] zur Bestimmung
der Auslaufzeit, einer der dynamischen Viskosität ähnlichen Größe
im Tunnelbau
2 Drawing of the principle and photo of the Marsh funnel [11] for
determining the outflow time, one of the parameters similar to the
dynamic viscosity in tunnelling
sions, in this case, bentonite
suspensions, is characterized
in simplified form through
Bingham behaviour (Fig. 1).
The determining parameters
for Bingham are the flow
limit �0 and the Bingham viscosity
�B, also known as consistency.
Fluids that find themselves
in a transition stage between
solid material and fluid
often possess typical solid
matter properties in quiescent
state such as compressive
strength albeit small. The flow
technical equivalent to this is
the flow limit �0.This is e.g. responsible
for a minimal pressure
loss in a pipeline, which
has to be overcome in order to
start delivery. In addition, it
governs the maximum grain
size in suspensions that is stable
in sedimentations. In the
case of the hydro-shield drive,
the flow limit �0 e.g. prevents
the suspension penetrating
the rock.
The apparent viscosity �s
compares the flow resistances
of non-Newtonian fluids
with the dynamic viscosity
of Newtonian fluids. In con-
trast to the dynamic viscosity
�, the apparent viscosity �s
depends on the shear rate,
which makes it impossible to
work it out directly. To measure
viscosity, i.e. to establish
the flow properties according
to Bingham with � = �0 + �B · �
(structure exponent n = 0) various
measurement units are
employed in industry such as
e.g. rotation and tube viscometers.
A lengthy appraisal
of the state of the art is to be
found in [1].
2 Tasks of Slurry in
Tunnelling
The slurry has a number of
tasks to fulfil in tunnelling
technology involving fluid
shields (1–7), which are more
closely examined in the following.
1. Dispersing the
Cuttings
As the slurry is subjected
to extremely high pressure in
the space between the pressure
wall and the open cutting
wheel, the in situ earth material
initially softens. The cuttings
can be more easily excavated
in this way and are dispersed
in the slurry.
2. Transporting the
Cuttings from the Hole
The slurry’s most important
task is to transport the
cuttings from the hole. After
dispersion, the cuttings are
pumpable. Solid matter contents
of up to 40 Vol.-% can be
transported with the slurry.
This value depends on the carrying
capacity and flow speed
of the slurry. A flow speed of
0.5 m/s prevents the cuttings
becoming deposited on the
hole wall or in the pipeline.
Any substantially lower return
flow of the cuttings indicates a
borehole collapse, in other
words that the face has caved
in.
Tunnel 5/2003 29

Transport des Bohrkleins aus
dem Bohrloch. Nach der Dispergierung
ist das Bohrklein
pumpfähig. Mit der Bohrspülung
können Feststoffgehalte
bis zu 40 Vol.-% ausgetragen
werden. Dieser Wert
hängt von der Tragfähigkeit
und Strömungsgeschwindigkeit
der Bohrspülung ab.
Eine Strömungsgeschwindigkeit
von 0,5 m/s verhindert
ein Absetzen des Bohrkleins
an der Bohrlochwand
bzw. in der Rohrleitung. Ein
wesentlich geringerer Bohrgutrückfluss
lässt auf einen
Bohrlochzusammenbruch, also
einen Einbruch an der
Ortsbrust, schließen.
3. Schmierung der
Bohrwerkzeuge
Durch die Rotationsbewegung
des Bohrkopfes entstehen
hohe Reibungskräfte.
Diese führen an den Bohrwerkzeugen
am anstehenden
Gebirge zu starker Abrasion.
Die in der Bohrspülung
enthaltenen Tonpartikel reduzieren
durch ihre Schmierwirkung
diesen negativen Effekt.
Darüber hinaus wird die
Abrasion durch Zugabe von
Additiven minimiert.
4. Kühlung des
Bohrkopfes
Die in Punkt 3 genannten
Reibungskräfte setzen große
Wärmemengen frei, was eine
Kühlung des Bohrkopfes
und des gesamten Bohrgestänges
erforderlich macht.
Als Kühlmittel wird frische
Bohrflüssigkeit eingesetzt.
Die entstehende Wärmemenge
hängt von der jeweiligen
Bodenbeschaffenheit
und vom verwendeten Bohrkopf
ab.
Reicht der Wärmeabtransport
durch den Bohrspülkreislauf
nicht aus, wird
die Temperatur der Bohrspülung
in der Separieranlage
durch Kühltürme gesenkt,
30 Tunnel 5/2003
Forschung + Praxis
Research + Practice
3 Prinzipskizze und Foto der Kugelharfe [11] zur Bestimmung der
Fließgrenze im Tunnelbau
3 Drawing of the principle and photo of the ball harp [11] for determining
the flow limit in tunnelling
was wiederum die Kühlleistung
am Bohrkopf erhöht.
5. Schutz vor mineralischen
Ablagerungen
Während der Bohr-Ruhephase
ist die Bohrsuspension
im Ruhezustand, sodass
das Bohrklein aussedimentieren
könnte. Dies wird auf
Grund der thixotropen Eigenschaft
der Bohrspülung
(erhöhte statische Fließgrenze
im Ruhezustand) verhindert.
Diese Maßnahme verhindert
im Falle eines Anlagenstillstands
das Verstopfen
der Rohrleitungen und
des Bohrlochs.
6. Schutz vor
Wassereinbruch
Durch die Auffüllung des
Raums zwischen Druckwand
und Schneidrad mit
unter Druck stehender Bohrsuspension
wird ein hydraulischer
Gegendruck aufgebaut,
der ein Eindringen von
Wasser in den bereits gebohrten
Teil des Tunnels verhindert.
7. Filterkuchenbildung
Durch das unter Druck
stehende Hydroschild stützt
die Bohrspülung das Bohrloch
am Bohrkopf und bildet
auf Grund ihrer thixotropen
Eigenschaften eine Art „ab-
3. Lubricating the Cutting
Tools
High frictional forces are
produced through the rotating
movement of the cutterhead.
These lead to pronounced
abrasion on the
cutting tools against the in
situ rock. The clay particles
contained in the slurry reduce
this negative effect
through their lubricating action.
In addition, abrasion is
minimized through adding
additives.
4. Cooling the Cutterhead
The frictional forces mentioned
under 3. release major
quantities of heat, thus necessitating
the cutterhead and
the entire bore rod to be
cooled. Fresh suspension is
employed as the cooling
medium. The amount of heat
that is produced always depends
on the nature of the soil
and the type of cutterhead
used.
Should the slurry circuit be
unable to remove a sufficient
amount of heat, the temperature
of the slurry in the separation
plant is lowered by
means of cooling towers, so
that the cooling performance
at the cutterhead is again increased.
5. Protection against
mineral Deposits
When the drive is discontinued,
the slurry is in quiescent
state so that the cuttings
could become sedimented
from it. This is prevented on
account of the thixotropic
property of the slurry (increased
static flow limit in quiescent
state). This measure
prevents the pipelines and
hole becoming clogged in the
event of a plant breaking
down.
6. Protection against
ingressing Water
A hydraulic counter-pressure
is established through
filling the space between the
pressure wall and the cutting
wheel with the slurry that is
subjected to pressure, which
prevents water penetrating
the part of the tunnel already
driven.
7. Filter Cake Formation
The slurry supports the
hole at the cutterhead thanks
to the hydro-shield that is subjected
to pressure and forms a
kind of “sealing filter cake”
thanks to its thixotropic properties.
In this way, any further
infiltration is prevented,
something that is decisive for
the stability of the hole and is
also economically important
on account of the potentially
high slurry losses.
3 Measuring the
Quality of the
Suspension
A slurry must fulfil certain
quality criteria prior to it being
used in tunnelling for a hydroshield
drive. Areas are laid
down within which the values
of the slurry must lie for each
soil formation during tunnelling
for the following physical/chemical
material properties.
The slurry quality is moni-

dichtenden Filterkuchen“. Dadurch
wird eine weitere Infiltration
verhindert, was für
die Stabilität des Bohrlochs
entscheidend und wegen der
sonst drohenden hohen Bohrspülungsverluste
auch ökonomisch
wichtig ist.
3 Messung der
Qualität der
Bohrspülung
Um eine Bohrspülung im
Tunnelbau mit Hydroschildvortrieb
verwenden zu können,
muss diese bestimmte
Qualitätskriterien erfüllen.
Für die folgenden physikalisch-chemischenStoffeigenschaften
werden für jede Bodenformation
während der
Tunnelbohrung Bereiche festgelegt,
innerhalb derer die
Werte der Bohrspülung liegen
müssen. Die Qualität der
Bohrspülung wird anhand
folgender Parameter überwacht:
■ Temperatur,
■ pH-Wert,
■ Trübedichte,
■ Viskosität,
■ Fließgrenze,
■ Filtratwassermenge.
Die Stoffeigenschaften der
von der Separieranlage regenerierten
Bohrspülung werden
direkt vor Ort vom Betriebspersonal
geprüft. Die
von Hand durchgeführten
Messungen sind aufwändig
und werden im Folgenden
kurz erläutert:
a) Messung der
Temperatur und des
pH-Wertes
Um eine ausreichende
Kühlung des Bohrkopfes zu
gewährleisten, wird die Temperatur
der Bohrspülung mithilfe
eines Temperatursensors
bestimmt.
Der pH-Wert hat Einfluss
auf das Fließverhalten der
Bohrspülung. Bei niedrigen
pH-Werten treten an den
Kanten und Seitenflächen
der Schichtsilikate positive
Ladungen auf.
Da die Verknüpfungsstellen
sich leicht verschieben
lassen, sind derartige Gefüge
mit guten plastischen Eigenschaften
und hohen Fließgrenzen
verbunden.
Eine Erhöhung des pH-
Wertes bewirkt eine Abnahme
der positiven Seitenladungen
an den Silikaten bis
hin zu einer Ladungsumkehrung
und einer damit verbundenen
Zerstörung dieser
Gefüge. Die Abstoßung der
Komponenten führt zu einer
Erhöhung ihrer Beweglichkeit
und der Erniedrigung
der Fließgrenzen [2]. Der
pH-Wert wird mit handelsüblichen
Messstreifen bestimmt
und sollte im neutralen
Bereich liegen.
b) Messung der
Fließparameter
Für die Bestimmung einer
der dynamischen Viskosität
ähnlichen Eigenschaft wird
ein Marsh-Trichter verwendet.
Das entsprechende Messverfahren
wurde in der DIN
ISO 2431 Rev. 5/96 standardisiert.
Nach 5-minütiger
Rührzeit wird die Suspension
in einen Trichter (Bild 2)
gefüllt. Dieser hat ein Fas-
Qualitätskontrolle
Quality Control
tored on the basis of the following
parameters:
■ temperature,
■ pH-value,
■ pulp density,
■ viscosity,
■ flow limit,
■ filtrate water quantity.
The material characteristics
of the slurry regenerated
by the separation plant are
checked directly on the spot
by the responsible personnel.
The measurements carried
out by hand are complex –
and are briefly explained in
the following:
a) Measuring the
Temperature and the
pH-Value
In order to make sure that
the cutterhead has cooled
sufficiently, the slurry temperature
is determined by means
of a temperature sensor.
The PH-value influences
the flow behaviour of the slurry.
Positive charges occur on
the edges and side areas of
the phyllosilicates.
As the cross linking points
can easily be displaced, such
structures possess good plastic
properties and high flow
limits.
An increase in the pH-value
results in a reduction in the
positive side charges for the
4 Prinzipskizze und Foto einer Filterpresse zur Bestimmung der Filtratwassermenge
einer Bohrspülung im Tunnelbau [11]
4 Drawing of the principle and photo of a filter press for determining
the filtrate water amount of a slurry in tunnelling [11]
silicates extending as far as a
reversal of the charges and in
turn, destruction of these
structures. The repulsion of
the components leads to an
increase in their mobility and
lowering of the flow limits [2].
The pH-value is determined by
means of standard measuring
tapes and should be located in
the neutral area.
b) Measuring the Flow
Parameters
A Marsh funnel is used to
determine a property similar
to the dynamic viscosity. The
corresponding measuring method
was standardized in the
DIN ISO 2431 Rev. 5/96. after
being at rest for five minutes,
the suspension is filled into a
funnel (Fig. 2) with a capacity
of 1.5 l. The time tM, during
which a litre of suspension
flows out, depends on its density
�Sus, flow limit �F and viscosity
� and represents a relative
measure for the dynamic
viscosity.The flow out time depends
on the applied types of
bentonite [3, 4].
Von Soos’s ball harp (Fig. 3)
is applied to determine the
static flow limit �F, stat.The measuring
method is contained in
the DIN 4126 Appendix B.
The ball harp comprises a
total of 10 glass or steel balls
each with different diameters,
which are suspended on a
plate with thin perlon threads.
The silicate layer structures
are destroyed through a five
minute long rest period prior
to measuring so that it is possible
to measure the dynamic
flow limit. The balls are lowered
into the suspension by
means of a special device.
Specifically heavier balls sink
below the fluid surface,
whereas specifically lighted
balls float in the suspension.
Each of the 10 balls is accorded
a specific static flow
limit �Sus – given a known suspension
density �F, stat. The
Tunnel 5/2003 31

sungsvermögen von 1,5 l.
Die Zeit tM, in der ein Liter
Suspension ausfließt, hängt
von deren Dichte �Sus, Fließgrenze
�F und Viskosität � ab
und ist ein relatives Maß für
die dynamische Viskosität.
Es besteht eine Abhängigkeit
der Ausflusszeit von der verwendeten
Bentonitsorte [3, 4].
Zur Bestimmung der statischen
Fließgrenze �F, stat
wird die Kugelharfe nach von
Soos (Bild 3) verwendet. Das
Messverfahren ist in der DIN
4126 Anhang B festgelegt.
Die Kugelharfe besteht
aus insgesamt 10 Glas- bzw.
Stahlkugeln von jeweils unterschiedlichemDurchmesser,
die mit dünnen Perlonfäden
an einer Platte aufgehängt
sind. Vor der Messung
werden durch 5-minütiges
Rühren die Silikatschichtstrukturen
zerstört, sodass
die Messung der dynamischen
Fließgrenze ermöglicht
wird. Mittels einer Absenkvorrichtung
werden die
Kugeln in die Suspension gesenkt.
Spezifisch schwerere
Kugeln sinken unter die Fluidoberfläche,
während spezifisch
leichtere Kugeln in der
Suspension schweben.
Jeder der 10 Kugeln ist bei
bekannter Suspensionsdichte
�Sus eine spezifisch statische
Fließgrenze �F, stat zugeordnet.
Der leichtesten Kugel,
deren Faden gerade
noch gespannt bleibt, kann
anhand von Auswertetabellen
ein Absolutwert für die
statische Fließgrenze zugeordnet
werden.
c) Messung der Filtratwassermenge
[5, 6]
Ein weiteres Kriterium für
die Qualität einer Bohrspülung
ist ihr Filtratwassergehalt.
Diese Größe wird in einer
Filterpresse (Bild 4) bestimmt
und ist ein Maß für
die Stabilität der Suspension.
Generell nimmt die Fil-
32 Tunnel 5/2003
Forschung + Praxis
Research + Practice
tratwassermenge mit steigenderBentonitkonzentration
ab [7]. Hintergrund dieser
Anforderung ist, dass die
Bohrspülung nicht ins Gebirge
eindringen soll. Daher
sind niedrige Filtratwassermengen
erwünscht.
In der Praxis des Tunnelbaus
hat sich der Versuch mit
einer Filterpresse nach DIN
4127, wie in Bild 4 dargestellt,
bewährt. Das dabei
ausgepresste Wasser ist das
Wasser, welches sich zwischen
den einzelnen Bentonitschichten
befindet. Die Abstände
zwischen den Schichten
innerhalb der Bentonitschichtstruktur
werden durch
die Druckbeaufschlagung in
der Filterpresse reduziert.
Der Versuchsaufbau der
Filterpresse (Bild 4) besteht
aus einem Behälter für die
Bohrspülung, der mit einem
definierten Druck beaufschlagt
wird. In dem Behälter
befindet sich ein Sieb mit
aufgelegtem Filterpapier, am
Boden des Behälters ist ein
Auslaufröhrchen für das Filtratwasser
angebracht. Der
Behälter wird mit einem
Deckel verschlossen und in
ein Stativ eingespannt.
Unter diesen genormten
Bedingungen wird die Filtratwassermenge
als Messwert
erhalten. Daneben wird
der entstehende Filterku-
lightest ball, whose threads
still remain tensioned, can be
accorded an absolute value
for the static flow limit on the
basis of evaluation tables.
c) Measuring the Filtrate
Water Amount [5, 6]
A further criterion for the
quality of the slurry is its filtrate
water amount. This parameter
is determined in a filter
press (Fig. 4) and represents a
measure for the suspension’s
stability. Generally, the amount
of filtrate water decreases as
the bentonite concentration
increases [7]. The reason for
this demand is that the slurry
must not penetrate the rock.
As a consequence, low filtrate
water amounts are desired.
In tunnelling practice, the
test with a filter press according
to DIN 4127, as shown in
Fig. 4, has proved itself. The
water that is pressed out in
this case is the water, which is
to be found between the individual
bentonite layers. The
gaps between the layers within
the bentonite structure are
reduced by exerting pressure
in the filter press.
The filter press (Fig. 4) test
set-up consists of a container
for the slurry, which is subjected
to a defined pressure. In
the container, there is a sieve
lined with filter paper with an
outlet tube for the filtrate wa-
5 Foto der Laborversion des Online-Viskosimeters
5 Photo showing the lab version of the Online Viscometer
ter on the floor of the container.
The container is closed by
means of a lid and clamped in
a stand.
The filtrate water amount is
obtained as a measurement
value under these standardized
conditions. In addition,
the filter cakes that ensue are
appraised qualitatively in terms
of thickness and strength.
4 Measuring
Principle and Online
Viscometer Set-Up
[8]
The DMT, Essen’s Online
Viscometer is especially designed
to determine the flow
properties of substances,
which possess a distinctive
non-Newtonian behaviour. It
includes the following components:
■ delivery pump with diverse
pipelines
■ mass flow measuring unit
■ pressure loss measuring
section with a differential
pressure sensor
■ electronic evaluation unit
PC (not in Fig. 5)
These components can be
set up in different ways depending
on requirements.
Fig. 5 displays a lab version of
the Online Viscometer. The cyclone
overflow was connected
directly to the worm pump
for the technical school tests.
For measuring purposes
the suspension is passed
through the pressure loss
measuring section (pipeline or
hose) given laminar flow. In
the process, the parameters
flow speed, differential pressure
and density are continuously
processed and regularly
stored. In order to determine
the non-Newtonian flow properties,
the measurements are
repeated one after another at
different flow speeds. In this
connection, the individual
flow speeds and measuring

chen bezüglich Dicke und
Festigkeit qualitativ beurteilt.
4 Messprinzip und
Aufbau des Online-
Viskosimeters [8]
Das Online-Viskosimeter
der DMT, Essen, dient insbesondere
zur Ermittlung der
Fließeigenschaften von Stoffen,
die ein ausgeprägtes
nicht Newton’sches Verhalten
aufweisen. Es besteht
u. a. aus den Komponenten:
■ Förderpumpe mit diversen
Rohrleitungen
■ Massenstrommessgerät
■ Druckverlustmessstrecke
mit einem Differenzdruckaufnehmer
■ Elektronische Auswerteeinheit
PC (nicht in Bild 5)
Diese Komponenten können
bedarfsabhängig unterschiedlich
aufgebaut werden.
Bild 5 zeigt eine Laborversion
des Online-Viskosimeters.
Für die Technikumsversuche
wurde der Zyklonüberlauf
direkt an die Schneckenpumpe
angeschlossen.
Zur Messung wird die
Suspension bei laminarer
Strömung durch die Druckverlustmessstrecke(Rohrleitung
oder Schlauch) gefördert.
Dabei werden die ParameterStrömungsgeschwindigkeit,
Differenzdruck und
Dichte kontinuierlich erfasst
und regelmäßig abgespeichert.
Um die nicht Newton’schen
Fließeigenschaften zu
ermitteln, wird diese Messung
nacheinander bei verschiedenenStrömungsgeschwindigkeiten
wiederholt.
Die einzelnen Strömungsgeschwindigkeiten
und Messzeiten
sind dabei frei parametrierbar.
Bild 6 zeigt die Bedienungsoberfläche
des Online-
Viskosimeters. Im linken
Fenster ist der berechnete
Druckverlust in der Förder-
leitung (bar/100 m), im rechten
Fenster sind mehrere
Schaltfunktionen zur Bedienung
des Online-Viskosimeters
installiert. Im oberen
Fenster (Bildmitte) befindet
sich eine Auswahl (Schaltzeichen)
mehrerer Fenster zur
Darstellung der Messdaten
und der Ergebnisse, die im
mittleren Fenster eingeblendet
werden. Als Beispiel dazu
zeigt Bild 6 ein Fenster mit
aktuellen Messwerten einschließlich
der Prinzipskizze
Qualitätskontrolle
Quality Control
6 Bedienungsoberfläche mit aktuellen Messwerten
6 Operating panel with updated measurement values
periods can be freely parameterized.
Fig. 6 shows the operating
panel of the Online Viscometer.
The calculated pressure
loss in the delivery line
(bar/100 m) can be seen in the
left window, the right one contains
a number of switching
functions for operating the
Online Viscometer. In the upper
panel (centre of picture)
there is a selection (switch diagrams)
of several windows
for presenting the measure-
7 Bedienungsoberfläche mit zeitlichem Verlauf von Geschwindigkeit
und Differenzdruck
7 Operating panel with time history of speed and differential pressure
ment data and the results,
which are displayed in the
middle window. As an example
Fig. 6 shows a window
with the latest measurement
values including the drawing
showing the principle of the
mechanical set-up of the Online
Viscometer.
Fig. 7 displays the result of
such a measurement. In the
middle window, one can identify
parallel values rising in the
form of a stepped curve for
the flow speed (red) and the
resultant differential pressure
(green) during a time interval
of approx. 50 to 250 s. From
the stepped curve presented
in Fig. 7 with the help of a special
computing programme a
random non-Newtonian flow
law is obtained through pressure
loss integrals and the parameters
of the flow law approximately
worked out with
the aid of numerical error
square sum minimisations.
The outcome of this approximate
calculation for instance,
provides presentations of the
flow curve (shear stress � as
function of the shear rate �,
the viscosity curve (apparent
viscosity �s as function of the
shear rate) and the flow law
parameters (here the Herschel-Bulkley
flow law with
the parameters flow limit �0,
consistency/dynamic viscosity
k or �B and the structure exponent
n) in Fig. 8. The defining
measurement BM in this
case quantifies the approximation
quality and thus the
suitability of the flow law in order
to describe the investigated
material behaviour.
5 Description of
Test
All measurements for the
Online Viscometer test were
carried out at the technical
school test stand at the Chair
for Environmental Process Engineering
& Recycling [9]. A
Tunnel 5/2003 33

des mechanischen Aufbaus
des Online-Viskosimeters.
Das Ergebnis einer solchen
Messung zeigt Bild 7.
Im mittleren Fenster erkennt
man parallele, in Form einer
Treppenkurve ansteigende
Messwerte für die Strömungsgeschwindigkeit
(rot)
und den dabei gemessenen
Differenzdruck (grün) in einem
Zeitintervall von ca. 50 s
bis 250 s. Aus der in Bild 7
dargestellten Treppenkurve
werden dann mithilfe eines
speziellen Rechenprogramms
durch Druckverlustintegrale
eines beliebigen nicht Newton’schen
Fließgesetzes und
mithilfe numerischer Fehlerquadratsummenminimierungen
die Parameter des
Fließgesetzes approximativ
berechnet. Das Ergebnis dieser
Approximationsrechnung
sind u. a. die Darstellungen
der Fließkurve (Schubspannung
� als Funktion des
Schergefälles �), die Viskositätskurve
(scheinbare Viskosität
�s als Funktion des
Schergefälles) und die Fließgesetzparameter
(hier Herschel-Bulkley-Fließgesetz
mit
den Parametern Fließgrenze
�0, Konsistenz/dynamische
Viskosität k oder �B und
der Strukturexponent n) in
Bild 8. Das Bestimmtheitsmaß
BM quantifiziert dabei
die Approximationsqualität
und somit die Brauchbarkeit
des Fließgesetzes, um das
untersuchte Materialverhalten
zu beschreiben.
5 Versuchsbeschreibung
Alle Messungen zum Online-Viskosimetertestwurden
am Technikums-Versuchsstand
des Lehrstuhls
für Umweltverfahrenstechnik
& Recycling durchgeführt
[9]. Als Aufgabematerial
diente eine Bentonitsuspension
(5 %), die zusätzlich
34 Tunnel 5/2003
Forschung + Praxis
Research + Practice
mit Kaolin (0–5 %) und Sand
(0–5 %) angereichert wurde,
um die Viskosität der Bohrspülung
auf verschiedene
Arten zu erhöhen. Aufgenommen
wurden einerseits
die Primärdaten spezifischer
Druckverlust ∆p
∆l und Volumenstrom
v˙ in der Messleitung
und andererseits die
von der Auswertesoftware
ausgegebene dynamische Viskosität
� und Fließgrenze �0.
Es musste ein eigenes grafisches
Auswerteverfahren entwickelt
werden, um die
DMT-Ausgabewerte zu überprüfen.
Dieses Verfahren
wird im Folgenden kurz vorgestellt:
Buckingham [10] berechnete
aus dem Kräftegleichgewicht
an einem Fluidelement
in einer Rohrleitung
die resultierende Differenzialgleichung
für Bingham’sche
Fluide. Die Lösung dieser
Differenzialgleichung ist
die bekannte Buckingham-
Gleichung (Gl. 1):
[ ( ) ]
�R4 ∆p 4 �0 1 �0 4
v˙ = 1– +
8� ∆l 3�w3�w Die Buckingham-Gleichung
enthält sowohl die Primärmessdaten
spezifischer Druckverlust
∆p
∆lund Volumenstrom v˙,
als auch die Ausgabewerte
Fließgrenze �0, Wandschubspannung
�w und Viskosität
�.
Problematisch ist, dass
die Messdaten zur Ermittlung
der Viskosität und Fließgrenze
�w nicht grafisch aufgetragen
werden können, da
diese Größen unbekannt sind.
Eine grafische Auswertung
von Gleichung (2) wird
durch Umformung von Gleichung
(1) und unter Beachtung
spezieller Randbedingungen
[9] möglich. Wird
Gleichung (1) durch den spezifischen
Druckverlust dividiert,
so erhält man Gl. 2:
8 Bedienungsoberfläche mit Fließkurve, Viskositätskurve und
Fließgesetzparametern
8 Operating panel with flow curve, viscosity curve and flow law
parameters
bentonite suspension (5 %),
which was additionally enriched
with kaolin (0–5 %) and
sand (0–5 %) in order to increase
the viscosity of the
slurry in various ways, served
as the feed material. Recorded
on the one hand were primary
data such as specific
pressure loss ∆p
∆l and volumetric
flow v˙ in the measurement
line and on the other the dynamic
viscosity � and flow
limit �0 obtained from the evaluating
software. A special
evaluation method had to be
developed to check the DMT
output values. This method is
briefly described in the following:
Buckingham [10] worked
out the resultant differential
equation for Bingham fluids
from the force equilibrium for
a fluid element in a pipeline.
The solution of this equation is
the known Buckingham equation
(Equ. 1).
[ ( ) ]
�R4 ∆p 4 �0 1 �0 4
v˙ = 1– +
8� ∆l 3�w3�w The Buckingham equation
contains both the primary
measurement data – specific
pressure loss ∆p
∆l and volumetric
flow v˙ as well as the output
values – flow limit �0, wall
shear stress �w and viscosity �.
It is problematic that the
measurement data for determining
the viscosity and the
flow limit �w cannot be displayed
graphically as these
parameters are unknown.
A graphic evaluation of
Equation (2) becomes possible
through transforming
Equation (1) and taking special
marginal conditions into account
[9]. If Equation (1) is divided
by the specific pressure
loss, one obtains Equ. 2:
u R 2 4 �0 1 �0 4
= 1– +
∆p 8� 3 �w 3 �w
∆l
is valid for
∆p � ∞ (Equ. 3)
∆l
is valid for
�w � ∞ (Equ. 4)
This signifies that
u R 2
�
∆p 8�
∆l
[ ( ) ]
(Equ. 5)
is �0 = �w, so that the term
within the square brackets
vanishes, i.e. at the point,
where the function intersects
the abscise, �0 = �w.

[ ( ) ]
u R 2 4 �0 1 �0 4
= 1– +
∆p 8� 3 �w 3 �w
∆l
Für
∆p
� ∞ (Gl. 3)
∆l
gilt:
�w � ∞ (Gl. 4)
Das bedeutet, dass
u R
(Gl. 5)
2
�
∆p 8�
∆l
Ist �0 = �w, so wird der Ausdruck
innerhalb der eckigen
Klammern zu null, d. h., in
dem Punkt, in dem die Funktion
die Abszisse schneidet,
ist �0 = �w.
In Bild 9 ist zur Überprüfung
der Ausgabedaten das
Verfahren zur grafischen Ermittlung
von Vikosität und
Fließgrenze mithilfe der
Messwerte aus dem Online-
Viskosimeter dargestellt.
Die Primärdaten wurden
mittels nicht linearer Regression
durch ein inverses
Polynom vierter Ordnung
approximiert und sind als
Punkte eingetragen. Durch
Extrapolation erhält man
den Schnittpunkt mit der
Abszisse.
Qualitätskontrolle
Quality Control
9 Grafische Ermittlung der dynamischen Viskosität � und der Fließgrenze
�0 aus den Primärmessdaten Druckverlust und Volumenstrom
des Online-Viskosimeters und Überprüfung der Ausgabewerte
des Online-Viskosimeters (gestrichelte Asymptoten)
9 Graphic presentation of the dynamic viscosity � and the flow limit
�0 from the primary measurement data – pressure loss and volumetric
flow – of the Online Viscometer and checking of the output values
of the Online Viscometer (broken asymptotes)
Fig. 9 presents the method
for determining viscosity and
flow limit with the aid of measurement
values from the Online
Viscometer to check the
output data.
The primary data were approximated
by means of nonlinear
regression through an
inverse polynomial of the
fourth degree and are entered
in the form of dots. The intersection
with the abscise is obtained
through extrapolation.
It is now possible to check
the additional recorded output
values from the Online Viscometer
by graphic means.
This example shows that
the Online Viscometer in comparison
with the applied basis
of calculation provides slightly
too low values for the flow limit
and too high ones for the
plastic viscosity.
6 Results of the
Online Measurement
Method
This evaluation method is
based on a non-linear regression,
as a result of which various
uncertainties result in the
case of small measurement
values. Measurements were
Tunnel 5/2003 35

11 Grafische Überprüfung der Ausgabewerte des Online-Viskosimeters.
Korrelation zwischen gemessener dynamischer Viskosität
(gemessen) und grafisch ermittelter Viskosität
11 Graphic examination of the output values of the Online Viscometer.
Correlation between measured dynamic viscosity
(measured) and graphically determined viscosity
Nun lassen sich die zusätzlich
eingezeichneten Ausgabewerte
des Online-Viskosimeters
grafisch überprüfen.
In diesem Beispiel zeigt
sich, dass das Online-Viskosimeter
im Vergleich zum angewendetenBerechnungsansatz
für die Fließgrenze etwas
zu niedrige und für die
plastische Viskosität zu hohe
Werte angibt.
6 Ergebnisse des
Online-Messverfahrens
Dieses Auswerteverfahren
beruht auf einer nicht linearen
Regression, wodurch
sich bei kleinen Messwerten
gewisse Unsicherheiten ergeben.
Um die Leistungsfähigkeit
auch im unteren
Messbereich einschätzen zu
können, wurden die Messungen
vorzugsweise im Bereich
geringer Fließgrenzen
von 0,5 bis 2 Pa durchgeführt
(Bild 10). Wie man sieht, liefert
das Verfahren auch in
diesem Bereich geringerer
36 Tunnel 5/2003
Forschung + Praxis
Research + Practice
Fließgrenzen bzw. dynamischer
Viskositäten (Bild 11)
brauchbare Werte. Bei Wer-
Tabelle 1: Symbolverzeichnis
Table 1: List of Symbols
Symbol Bedeutung Einheit
Symbol Meaning Unit
n Strukturexponent in der Herschel-Bulkley-Gleichung
structure exponent in the Herschel-Bulkley equation
[–]
p Druck im Hydrozyklon/pressure in hydro-cyclone [bar]
R Radius der Rohrleitung/radius of pipeline [m]
t Zeit/time [s]
tM Auslaufzeit des Marsh-Trichters
outflow time for the Marsh funnel
[–]
u Geschwindigkeit/speed [m/s]
V˙ Volumenstrom/volumetric flow [m 3 /h]
�˙ Schergefälle/shear rate [m/s]
� Dynamische Viskosität/dynamic viscosity [Ns/m 2 ]
�Sus Suspensionsdichte/suspension density [kg/m 2 ]
�0 Fließgrenze/flow limit [Pa]
�w Wandschubspannung/wall shear stress [Pa]
Indizes/Indicia::
B Bingham/Bingham
dyn. Dynamisch/dynamic
E, in Einlauf/inflow
F Fluid/fluid
s scheinbar/apparent
stat statisch/static
w Wand/wall
10 Grafische Überprüfung der Ausgabewerte des Online-Viskosimeters.
Korrelation zwischen dem Ausgabewert Fließgrenze (gemessen)
und der grafisch ermittelten Fließgrenze
10 Graphic examination of the output values of the Online Viscometer.
Correlation between the output value – flow limit (measured)
and the graphically determined flow limit
preferably undertaken in the
area with lower flow limits
from 0.5 to 2 Pa (Fig. 10) so
that its capability could also
be estimated in the lower
measurement range. As one
sees, the method supplies acceptable
values in this area
with lower flow limits and
dynamic viscosities as well
(Fig. 11).
More favourable measurement
conditions exist, which
can be easily mastered in
measurement technical terms,
in the case of values, which
are relevant for separation
plants, with a flow limit � >> Pa
and a viscosity � > 25 mPa.
7 Conclusions
The flow behaviour of the
regenerated bentonite suspension
represents the decisive
quality feature that can
be used to regulate the plant
in conjunction with separation
plants for tunnel drives involving
the hydro-shield method.
The behaviour of such non-
Newtonian fluids must be
characterized by at least two
parameters. The flow limit of
the fluid characterized as a
Bingham medium and the dy-

ten, die für Separieranlagen
relevant sind, mit einer Fließgrenze
� >> 1 Pa und einer
Viskosität � > 25 mPa liegen
günstigere Messbedingungen
vor, die sich betriebsmesstechnisch
gut beherrschen
lassen.
7 Schlussfolgerungen
Für Separieranlagen im
Tunnelvortrieb nach dem
Hydroschildverfahren stellt
das Fließverhalten der regeneriertenBentonitsuspension
das entscheidende Qualitätsmerkmal
dar, das für die
Regelung der Anlage genutzt
werden kann. Das Verhalten
solcher nicht Newton’scher
Fluide muss mit mindestens
zwei Größen charakterisiert
werden: der Fließgrenze des
als Bingham-Medium aufgefassten
Fluides und der dynamischen
Viskosität. Bisher
werden diese Werte halbquantitativ
auf den Baustellen
mithilfe der so genannten
Kugelharfe und des Auslaufversuches
mit dem Marsh-
Trichter bestimmt. Mit dem
DMT-Online-Viskosimeter
steht ein Messgerät zur Verfügung,
das für Betriebsmessungen
geeignet ist und online
in einem Bypass die
rheologischen Parameter der
Bentonitsuspension bestimmen
kann. Mit diesem Gerät
liegen praktische Erfahrungen,
besonders aus dem
Steinkohlebergbau, vor. Versuche
mit Bentonitsuspensionen,
denen zur Simulation
des Hydroschildbetriebes
unterschiedliche Kaolinund
Sandgehalte zugemischt
wurden, zeigen, dass dieses
Gerät durchaus auch geeignet
ist für den Einsatz in Separieranlagen.
Gewisse Messprobleme
treten bei geringeren
Feststoffgehalten auf, die
aber für Separieranlagen weniger
relevant sind. Der Ein-
Qualitätskontrolle
Quality Control
satz des DMT-Online-Viskosimeters
kann künftig als Variante
der Messwertermittlung
bei der Regelung von
Hydrozyklonen in Separieranlagen
eingesetzt werden.
Literatur
[1] J. Tyrach: Rheologische Charakterisierung
von zementären Baustoffsystemen,
Dissertation am Lehrstuhl
für Strömungsmechanik, Universität
Erlangen-Nürnberg, 2000.
[2] K. Jasmund, G. Lagaly: Tonminerale
und Tone, Steinkopf Verlag,
Darmstadt, 1993.
[3] R. Tanner: Engineering Rheology,
Oxford University Press, New York,
2000.
[4] F. Kleist: Die Fließgrenze von
Dichtsuspensionen und die Auslaufzeit
aus dem Marsh-Trichter, „Bauingenieur“,
Band 74, 1999.
[5] G. Lotzwick: Die Bohrspülung –
Ein Leitfaden für Studierende und
Praktiker, Verlag Wissenschaftliche
Skripten, Zwickau, 1997.
[6] K. Maini: Testing of Bentonite
Suspensions, Lehrstuhl und Prüfungsamt
für Grundbau, Bodenmechanik
und Felsmechanik, Technische
Universität München, 1987.
[7] M. Pulsfort, B. Walz: Spezialgrundbau
Teil A – Schlitzwandbauweise,
Skript zur Vorlesung, Bergische
Universität/Gesamthochschule Wuppertal,
2000.
[8] Deutsche Montan Technologie
GmbH: Bedienungsanleitung zum
DMT-Online-Viskosimeter DN 15.
[9] M. Schneider: Entwicklung einer
Regelung für kleine Hydrozyklone in
Multischaltungen, Dissertation am
Lehrstuhl für Umweltverfahrenstechnik
& Recycling, Universität Erlangen-Nürnberg,
ISBN: 3-8325-0205-X,
2003.
[10] E. Buckingham: Plastic Flow
Through Capillary Tubes, Proc ASTM,
Vol. 21, p. 1154.
[11] Landesamt für Umweltschutz
Baden-Württemberg: Sicherung von
Altlasten mit Schlitz- oder Schmalwänden,www.uvm.baden-wuerttemberg.de/alfaweb/mza23/teilb/hd48.
htm, Stand Dezember 2001.
namic viscosity. So
far these values
have been determinedsemi-quantitatively
on construction
sites with
the aid of the socalled
ball harp and
the outflow test
with the March funnel.
The DMT Online
Viscometer is a
measurement unit
that is suitable for
field measurements
that can determine
the rheological parameters
of the
bentonite suspension
online in a bypass.
Practical experience,
especially
in coal mining, is
already available.
Tests with bentonite
suspensions, to
which various kaolin
and sand contents
have been added
to simulate hydroshield
operation, indicate
that this unit
is also highly suitable
for use in separation
plants. Certain
measurement
problems occur when
lower solid matter
contents are involved,
which, however,
are less relevant
for separation
plants. The application
of the DMT Online
Viscometer can
in future be used as
a variant for obtaining
measurement
values for regulating
hydro-cyclones
in separation plants.
Bibliography: see German
original
Tunnel 5/2003 37