Spezialmörtel für Permafrostbedingungen .1 Beschreibung der Spezial-Mörtel

Insgesamt drei Mörtelproduzenten, die MBT (Master Builders Technologies), die SIKA AG und die SAKRET AG entwickelten Spezialmörtel für die Anwendung im Permafrost.

Die ihnen gestellte Bedingung war, dass der Mörtel bis -4° C Permafrosttemperatur die nach der RL 90 (BUWAL, SLF 1990) notwendigen Anforderungen erfüllt. Vor allem die minimale Druckfestigkeit von 35 N/mm² und die Frostbeständigkeit von FS

=

^{1.5 waren}

zu erfüllen. Kritisch wird beim Abbinden des Ankermörtels unter Permafrostbedingungen in erster Linie die Druckfestigkeit.

Die 3 verschiedene Spezialmörtel wiesen folgende Frischmörteleigenschaften auf. Die Produkte der einzelen Firmen werden mit M-1, M-2 und M-3 abgekürzt:

Tab. 13 3 verschiedene Spezialmörtel für Permafrostböden: Frischmörteleigenschaften (EMPA 1999) Namedes Mischungsverhältnis: Rohdichte Abbindebeginn nach:

Produkts Wassernrockenmörtel Luftgehalt

M-1 Wfr= 0.223 1970 kg/m³ 265 Min.

10.1%

M-2 Wfr=0.244 1970 kgtma 75 Min.

9.5%

M-3 Wfr=0.22 1970 kgtma 300 Min.

8.5%

Beim Mörtel M-1 handelt es sich um einen herkömmlichen Ankermörtel, der mit schnellabbindendem Zement modifiziert wurde.

Der Mörtel M-2 enthält einen Zement mit einen hohem Aluminiumgehalt, was den schnellen Abbindebeginn und eine starke Freisetzung der Hydratationswärme bewirkt.

Dieser Mörtel wird seit Jahren in Kanada erfolgreich zur Erstellung von Pfählen in Per-mafrostböden bis -10° C eingesetzt (Biggar 1993). ln der praktischen Anwendung wird er allerdings nicht gepumpt, sondern mit Kleindumpern zum Injektionsort transportiert und mit Trichtern ins Bohrloch gegossen.

Beim Mörtel M-3 handelt es sich um einen sogenannten thixotropen Mörtel. Sobald der Mörtel zur Ruhe kommt, d.h. nicht mehr gemischt wird, steift er an. Wird er aber wieder gestört, z. B. durch das Rührwerk des Mischers, wird die Konsistenz wieder flüssig. Das Grundmaterial ist das gleiche wie beim herkömmlichen AnkermörteL Das Compound, welches zugemischt wird, ist den Bedingungen im Permafrost angepasst worden. Die sogenannte Topfzeit, die Zeit, in welcher der Mörtel verarbeitet werden kann, beträgt ca.

20-30 Min.

Abb. 76 Thixotroper Mörtel (M-3) mit stichfester Konsistenz im ruhigen Zustand (Foto EMPA)

8.3.2 Vorwärmung des Wassers

Bei der Prüfung wurden die Spezialmörtel beim Anmischen auf 20° C vorgewärmt. Mit dieser Massnahme der Vorwärmung des Mörtels wird erreicht, dass unter Permafrostbe-dingungen die Hydratation und die Freisetzung von Hydratationswärme überhaupt in Gang kommt.

Auf der Baustelle geschieht die Vorwärmung am zweckmässigsten, indem allein das Wasser beispielsweise mit Gas vorgewärmt wird. ln Abhängigkeit der Eigentemperaturen des Trockenmörtels, die auf einer Hochgebirgs-Baustelle zwischen 0-20° C schwanken können, muss entsprechend Tab. 14 das Wasser auf folgende Temperaturen vorge-wärmt werden.

Tab. 14 Vorwärmung des Wassers in Funktion der Eigentemperaturdes Trockenmörtels Eigentemperatur des Trocken- Vorwärmung des Wassers

mörtels vor dem Mischen: auf:

0° c 44°C

4° c 39° c

8° c 34° C

12° c 29° c

16° c 24°C

20° c 2ooc

Diese Temperaturangaben beruhen auf einem Mischungsverhältnis von 7 I Wasser auf 40 kg TrockenmörteL Mit der spezifischen Wärmekapazität von Wasser zu 4180 J/kg K und vom Mörtel zu angenommenen 860 J/kg K resultiert im angemischten Frischmörtel eine Temperatur von 20° C.

8.3.3 Druckfestigkeiten

Es wurde dasselbe Versuchsprozedere für die Prüfung der Spezialmörtel angewandt wie in der ersten Phase (Kap. 8.2.2, Abb. 74). ln diesen Versuchsserien wurde allerdings der zentrische Swiss-Gewi-Stahl weggelassen. Die Bestimmung der Druckfestigkeit an den ganzen Prüfkörpern wurde möglich, was zu geringeren Streuungen führte. ln den Vor-versuchen wurde festgestellt, dass dadurch die Temperatur im Mörtel nicht wesentlich beeinflusst wird. ln die Prüfkörper waren wiederum Thermistoren zur Messung des Ab-kühlungsverhaltens eingelegt.

Zur Prüfung der Spezialmörtel war die Temperatur im Solebad neu auf -4° C eingestellt.

Tiefere Temperaturen im Untergrund werden bei zukünftigen Verbauperimetern in alpi-nen Permafrostgebieten nicht erwartet.

Die Festigkeiten wurden nach 14 und 28 Tagen, sowohl im gefrorenen Zustand als auch nach einem Tag Auftauen bei 20° C bestimmt.

Tab. 15 Druckfestigkeiten (Mittel aus 3 Prüfungen) an zylinderförmigen Prüfkörpern nach Frostlagerung bei -4° C, Durchmesser 105 mm, Länge 140 mm (EMPA 1999) Tagen nicht. Die beiden anderen Mörtel M-2 und M-3 erfüllen die geforderte Druckfestig-keit, wobei M-3 eine deutliche Reserve besitzt.

8.3.4 Abkühlungsverhalten

Innen und aussen in den Prüfkörpern eingelegte Thermistoren (Abb. 80) massendie Ab-kühlung der Mörtel, die auf 20° C vorgewärmt wurden. Ein Thermistor überwachte die auf -4° C eingestellte Temperatur im Solebad. Mit den gemessenen Abkühlungsverhalten der Mörtel können die unterschiedlichen Festigkeitsentwicklungen der einzelnen Mörtelsorten erklärt werden:

Abb. 77 Sehr deutlich ist nach 7.5 h der Gefrierpeak infolge der freiwerdenden Erstarrungswärme erkennbar (EMPA 1999).

Nach 7.5 Std. bei einer Mörteltemperatur von -3.0° C gefror Wasser im Mörtel M-1 und führte zu einem Gefrierpeak. Die dabei entstandenen Frostrisse schädigten das Kornge-füge des jungen Mörtels und reduzierten die Druckfestigkeit stark (Tab. 15).

Mörtel M-2:

Die beim Abbinden des Zementes freiwerdende Hydratationswärme führte im Mörtel M-2 nach ca. 1 Std. zu einer markanten Erwärmung der Mörtelproben um 5-8° C. Durch die-se Hydratationswärme wurde sogar die Sole um fast 4° C erwärmt. Erst nach 14-16 Std.

sank die Mörteltemperatur unter die

oo

C. Die freiwerdende Hydratationswärme verhin-derte während dem Abbinden des Zementes das Gefrieren des Mörtels und die Bildung von schädigenden Frostrissen. eigentlicher Gefrier- oder Hydratationspeak ist nicht zu erkennen (EMPA 1999).

Die freiwerdende Hydratationswärme des Mörtels M-3 erwärmte die Sole um ca. 2° C. Im Mörtel selber war nicht wie in Abb. 78 ein deutlicher Erwärmungspeak festzustellen. Der Abkühlungsverlauf wurde aber ca. nach 1 Std. infolge freiwerdender Hydratationswärme

stark verlangsamt und die Abkühlungskurve flachte in der Folge ab. Nach etwa 1.75 Std.

fiel die Temperatur unter die

oo

C, blieb aber anschliessend während einigen Stunden ca.

1 o C wärmer als die Soletemperatur. Ein Gefrierpeak, der zu schädigenden Frostrissen geführt hätte, trat nicht auf.

8.3.5 Frostbeständigkeit

Die Frostbeständigkeiten wurden sowohl an den frostgelagerten Prüfkörpern (Soletemperatur -4° C) als auch an den Normprismen (Luftlagerung 20° C, 70% r.F.) mit der Porositätsprüfung gernäss der SIA 162/1 (1989, Prüfung Nr. 7) bestimmt:

Tab. 16 Frostbeständigkeifen, die Normprismen wurden bei 20° C und bei 70% r.F. gelagert, die Prüfkörper aus dem Frostversuch waren in -4° C Sole gelagert (EMPA 1999)

M-1

M-2

M-3

Ermittelt an: Frostbeständigkeit FS

Normprismen Wurde nicht überprüft, da Druckfestigkeit unge-... .. ... ..

Prüfkörper aus den Frostversuch dito

Normprismen nicht bestimmbar, Prüfung lieferte keinen plausi-blen Resultate

··· ... . Prüfkörper aus den Frostversuch dito

Normprismen 1.6

Prüfköf1Jer aus den Frostversuch 1.5

Gernäss SIA 162/1 ist die Frostbeständigkeit des Mörtels M-3 mit 1.6 bzw. 1.5 wie erfor-derlich hoch. Die Frostbeständigkeit konnte beim M-2 nicht bestimmt werden, da die Prüfung keine plausiblen Resultate ergab.

Im Dokument Thalparpan, P. (2000). Lawinenverbauungen im Permafrost. Schlussbericht und Erläuterungen zu den Kapiteln IV und V der Richtlinien für den Lawinenverbau im Anbruchgebiet. Davos: Eidgenössisches Institut für Schnee- und Lawinenforschung. (Seite 80-84)