28-37 Online-Qualit−tskontrolle - Bauverlag

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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
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