Betonsysteme für den Gotthard-Basis- tunnel* Concrete

Materialbewirtschaftung – Betonsysteme
Material Management – Concrete Systems
Betonsysteme für
den Gotthard-Basistunnel*
Concrete Systems
for the Gotthard
Base Tunnel*
H.-Ch. Schmid
H.-Ch. Schmid
Der Begriff „Betonsysteme“ hat sich als
Schlagwort zum „Prüfungssystem für Betonmischungen“ eingebürgert. Man versteht
darunter im Allgemeinen Konzepte für Beton
und Spritzbeton, die für den Einsatz am
Gotthard-Basistunnel zugelassen sind.
The term “concrete systems” has become
established as a catch phrase for “test system
for concrete mixes”. Generally it is understood
to signify concrete and shotcrete concepts
approved for use for the Gotthard Base
Tunnel.
Was sind Betonsysteme?
Die Zulassung von Betonsystemen war das Ergebnis
eines 1996 international ausgeschriebenen Wettbewerbs,
an dem sich Anbieterteams,
bestehend aus Herstellern
von Zement, Betonzusatzmitteln und Betonzusatzstoffen als Lieferanten für den
Gotthard-Basistunnel qualifizieren konnten.
Die Zulassung bezieht sich
auf Anbieterteams und Mischungen, welche die vom
Bauherrn verlangten Anforderungen unter den extremen Bedingungen des Gotthard-Basistunnels erfüllt haben.
Die Anwendung des Prüfungssystems ist auf die Tunnel-Hauptbaulose und auf
die wichtigsten Beton- und
Spritzbetonsorten beschränkt
(Tabelle 1).
What are Concrete
Systems?
The approval of concrete
systems was the outcome of a
competition published internationally in 1966, in which
teams of bidders comprising
cement, concrete additive
and concrete admixture producers were able to qualify as
suppliers for the Gotthard
Base Tunnel.
Approval relates to bidding
teams and mixes, which were
able to fulfil the client’s demands given the extreme
conditions prevailing in the
Gotthard Base Tunnel.
The application of the test
systems is limited to the main
contract sections of the tunnel and the most important
types of concrete and shotcrete (Table 1).
It was the first time that a
test system of this nature was
realized in Switzerland. It
called for considerable outlay
in terms of time and money on
the part of both the client and
the bidders. The client prepared and accompanied the
procedure, made the infrastructure for the main tests
available and supplied concrete aggregates typical of the
Gotthard. The bidders were
Hans Christian Schmid, Dipl.
Bauing. FH/STV, Amberg
Ingenieurbüro AG,
Sargans/CH
* Vortrag auf der 1. AlpTransitFachtagung der FGU,
AlpTransit Gotthard AG und
BLS AlpTransit AG am
13./14. Juni 2002 in Thun/CH
Ein solches Prüfungssystem wurde in der Schweiz
erstmals realisiert. Es erforderte vom Bauherrn und von
den Anbietern einen beträchtlichen zeitlichen und
finanziellen Aufwand. Die
Bauherrschaft hat das Verfahren vorbereitet und begleitet, die Infrastruktur für
die Hauptprüfungen bereitgestellt und Gotthard-typische Betonzuschlagstoffe geliefert. Die Anbieter mussten
die Kosten für alle Versuche
und Prüfungen tragen.
Das Prüfungssystem wurde in 3 Stufen abgewickelt:
■ Eignungsprüfung (fachlicher und produktionstechnischer Nachweis)
■ Vorprüfung (interne Versuche der Anbieterteams)
■ Hauptprüfung (Versuche
unter den extremen Bedingungen des Gotthard-Basistunnels im VersuchsStollen
Hagerbach).
Das Resultat des Prüfungssystems besteht aus
Verzeichnissen von zugelassenen Anbietern und zugelassenen Beton- und Spritzbetonmischungen. Zugelassen wurden Mischungen,
welche die verlangten Anforderungen bei der Hauptprü-
called on to bear the costs for
all trials and tests.
The test system was divided into 3 stages:
■ suitability test (professional
and production-technical verification)
■ advance test (internal tests
on the part of the bidding
teams)
■ main test (tests under the
extreme conditions prevailing
in the Gotthard Base Tunnel at
the Hagerbach Test Gallery –
VSH).
The test system has provided lists of approved bidders and approved concrete
and shotcrete mixes. Mixes
complying with the demanded requirements during the
main test under the given
marginal conditions were approved.
The test system has effects
on construction: Cement and
Hans Christian Schmid,
Dipl.- Bauing. FH/STV, Amberg
Ingenieurbüro AG,
Sargans/CH
* Paper presented at the 1st
Alp-Transit Congress of the
FGU, AlpTransit Gotthard AG
and BLS AlpTransit AG on June
13/14 23002 at Thun/CH
Tunnel 5/2002
35
Schweiz
Switzerland
Tabelle 1: Wichtigste Beton- und Spritzbetonsorten
Sorte
Bez.
Klasse
Besondere Eigenschaften
Beton
OB1
B40/30
Frühfestigkeit und Wasserdichtigkeit
Beton
OB2
B40/30
Frühfestigkeit, Wasserdichtigkeit und chem.
Widerstand
Spritzbeton
SB1
B35/25
Frühfestigkeit und Wasserdichtigkeit
Spritzbeton
SB2
B35/25
Frühfestigkeit, Wasserdichtigkeit und chem.
Widerstand
fung unter den vorgegebenen Randbedingungen erfüllt haben.
Das Prüfungssystem hat
Auswirkungen auf den Bau:
Zement und Betonzusatzmittel dürfen nur von präqualifizierten Anbietern geliefert werden, und es gibt
präqualifizierte Mischungen
(„Betonsysteme“).
Warum ein Prüfungssystem?
In der Vergangenheit sind
zahlreiche Großprojekte ohne
Prüfungssystem für Betonmischungen realisiert worden. Weshalb braucht es ein
solches für den Gotthard-Basistunnel? – Der GotthardBasistunnel weist gewaltige
Dimensionen auf (Bild 1).
Außerdem wird in mehrfacher Hinsicht Neuland betreten, auch betreffend des
Einsatzes von Beton und
Spritzbeton. Es herrschen
teilweise extreme Randbedingungen und es gibt einige
Besonderheiten:
■ Verbreitet hohe Felstemperatur von bis zu 45 °C
■ Verbreitet hohe Lufttemperatur von 27 bis 30 °C
■ Bis 20 km lange Transportwege für den Frischbeton
■ Betonzuschlagstoffe werden durch den Bauherrn geliefert
■ Die Zuschlagstoffe sind
100 % gebrochen und mehrheitlich aus TBM-Ausbruchmaterial aufbereitet
■ Betonangreifendes Bergwasser auf langen Abschnitten
36
Tunnel 5/2002
■ Nutzungsdauer von 100 Jahren (innerhalb dieser Zeitspanne dürfen keine größeren oder systematischen
Schäden auftreten).
Die zuvor erwähnten
Randbedingungen sind in
dieser Kombination weltweit
relativ einzigartig. Zur bestmöglichen Gewährleistung
der vom Bauherrn zu Recht
verlangten hohen Dauerhaftigkeit besteht daher Forschungsbedarf.
Mit dem Prüfungssystem
will die Bauherrschaft sicherstellen, dass möglichst
nur Technologien und Mischungen angeboten und
eingesetzt werden, deren
Eignung nachgewiesen ist.
Dank der Weitsicht des Bauherrn konnte die vorhandene Zeit genutzt werden: Die
Ausschreibung des Verfahrens fand 1996 statt, die
Hauptprüfungen 1997. Alle
Hauptprüfungen fanden im
VersuchsStollen Hagerbach
in einem speziell vorbereiteten, aufgeheizten Stollensys-
Table 1: The most important Types of Concrete and Shotcrete
Type
Description
Class
Special properties
Concrete
OB1
B40/30
early strength and watertightness
Concrete
OB2
B40/30
early strength, watertightness and
chem. resistance
Shotcrete
SB1
B35/25
early strength and watertightness
Shotcrete
SB2
B35/25
early strength, watertightness and
chem. resistance
concrete additives can only be
supplied by pre-qualified bidders, and there are pre-qualified mixes (“concrete systems”).
The Purpose of a Test
System
In the past, numerous major projects have been tackled
without test systems for concrete mixes. So why is such a
system needed for the Gotthard Base Tunnel? The Gotthard Base Tunnel involves
huge dimensions (Fig. 1). Furthermore in a number of respects, new ground is being
broken, also pertaining to the
application of concrete and
shotcrete. In some cases, extreme marginal conditions
prevail and there are a number of special features to be
observed:
■ high rock temperatures of
up to 45° C are prevalent
■ high air temperatures of 27
to 30° C are also prevalent
■ the fresh concrete has to be
transported up to 20 km
1 Gewaltige Dimensionen fallen beim Gotthard-Basistunnel an
1 The Gotthard Base Tunnel involves huge dimensions
■ the concrete aggregates
are supplied by the client
■ the aggregates are 100 %
crushed and mainly supplied
from TBM excavated material
■ over lengthy stretches underground water is present
that reacts against concrete
■ a 100 year-long service life
is required (no major or systematic damage should occur
within this period).
In this combination, the
marginal conditions that have
been cited are relatively
unique worldwide. As a result,
research was imperative to
ensure that the high durability
justifiably called for by the
client was indeed assured as
far as possible.
The client wishes to ensure
as far as possible that with the
test system only technologies
and mixes are offered and applied, whose suitability can be
proved. It was possible to use
the available time wisely
thanks to the farsightedness
of the client: The tendering
stage was back in 1996, the
main tests took place in 1997,
all the main tests were carried
out at the Hagerbach Test
Gallery (VSH) in a specially prepared, heated tunnel system
(Figs. 2 to 4). All the concrete
and shotcrete tests were undertaken under exactly the
same conditions – the extreme conditions prevailing in
the Gotthard Base Tunnel.
Outcome of the
Examinations
11 bidding teams participated in the published test
Materialbewirtschaftung – Betonsysteme
Material Management – Concrete Systems
tem statt (Bild 2 bis 4). Alle
Beton- und Spritzbetonversuche wurden unter den genau gleichen Bedingungen
ausgeführt – den extremen
Verhältnissen des GotthardBasistunnels.
Ergebnis der
Untersuchungen
Am ausgeschriebenen Prüfungssystem haben 11 Anbieterteams teilgenommen.
Insgesamt wurden 59 Betonund 65 Spritzbetonmischungen geprüft. Ungefähr 50 %
der geprüften Mischungen
haben die Anforderungen
erfüllt. Bei Betonsorten mit
der Anforderung an chemischen Widerstand ist die
Ausfallquote mit ca. 60 %
deutlich höher als bei den anderen Mischungen (ca. 40 %).
Aus den Resultaten des Prüfungssystems können die folgenden wichtigen Erkenntnisse festgehalten werden:
■ TBM-Ausbruchmaterial eignet sich zur Herstellung von
Zuschlagstoffen für hochwertigen Beton.
■ Die Anforderungen konnten mit den 100 % gebrochenen Zuschlagstoffen und unter den am Gotthard-Basistunnel herrschenden speziellen Bedingungen erfüllt
werden.
■ Die bekannten betontechnologischen Gesetzmäßigkeiten gelten auch bei den
speziellen Randbedingungen des Gotthard-Basistunnels.
■ Spritzbetonbeschleuniger
haben einen negativen Effekt auf die Widerstandsfähigkeit gegen Sulfatangriff.
■ Bezüglich Widerstandsfähigkeit gegen Sulfatangriff
ergeben Mischungen mit hochgeschlacktem Hochofenzement und solche mit Kombinationen von Portlandzement
mit hohem Sulfatwiderstand
(CEM I HS) und Silicastaub
die besten Resultate.
2 Versuchsanlage VSH bei Sargans/CH
2 VSH test installation near Sargens/CH
Die unterschiedlichen Zuschlagstoffe erfordern eine
sorgfältig darauf abgestimmte Zusammensetzung der
■
system. Altogether, 59 concrete and 65 shotcrete mixes
were tested. Roughly 50 % of
them fulfilled the demands.
3 Unterirdische Komponentensilos der Betonanlage im VSH
3 Underground component silos for the concrete plant in the VSH
The failure quota of around
60 % is substantially higher in
the case of types of concrete
required to be chemically resistant than in the case of other mixes (roughly 40 %). The
following important findings
were derived from the test
system results:
■ TBM excavated material is
suitable for producing aggregates for high-grade concrete.
■ The demands were met
with the 100 % crushed aggregates and under the special
conditions prevailing in the
Gotthard Base Tunnel.
■ The known concrete-technological regularities also apply in conjunction with the
special marginal conditions
found in the Gotthard Base
Tunnel.
■ Shotcrete
accelerators
have a negative effect on resistance to sulphate action.
■ As far as resistance to sulphate action is concerned,
mixes with blast furnace slag
cement and those with combinations of Portland cement
with high sulphate resistance
(CEM I HS) and silica dust produced the best results.
■ The different aggregates require a carefully determined
composition of the concrete
mix. The qualitative difference
measured on the solid concrete is if anything less than
anticipated.
■ Through testing the same
mixes repeatedly it was
proved that the tests are reproducible. This represents an
important prerequisite for the
test system’s validity.
Assuring Durability
The test results facilitate a
comparative assessment of
different mixes and mixing
concepts. As the results were
obtained from tests, which
simulate the ageing process in
quick motion, they do not,
however, allow any proper
conclusions to be drawn
Tunnel 5/2002
37
Schweiz
Switzerland
client made available in 1997.
The 2-year test duration period for proof of resistance to
sulphate represents a further
obstacle for new bidders to
obtain approval. Nowadays in
technical terms, it is possible
to come up with proof within 6
weeks. However, new bidders
are subjected to the 2-year
limitation. This to a certain extent provides protection for
those bidders, who invested a
great deal of time and money
in the test system a number of
years back.
Betonmischung. Der am
Festbeton gemessene qualitative Unterschied ist aber
eher kleiner als erwartet.
■ Durch
die wiederholte
Prüfung von gleichen Mischungen wurde nachgewiesen, dass die Versuche reproduzierbar sind. Dies ist eine
wichtige Voraussetzung für
die Glaubwürdigkeit des
Prüfungssystems.
Sicherstellung der
Dauerhaftigkeit
Die Resultate der Prüfungen ermöglichen eine vergleichende Beurteilung verschiedener Mischungen und
Mischungskonzepte. Weil die
Ergebnisse aus Versuchen
hervorgehen, die den Alterungsprozess im Zeitraffer
abbilden, erlauben die Resultate jedoch keine abschließende Aussage über das
tatsächliche Langzeitverhalten des Betons am Bauwerk,
insbesondere was die Widerstandsfähigkeit gegen Sulfatangriff betrifft. Die strengen
Auflagen bezüglich Dichtigkeit und Vergleiche mit Erfahrungen von bestehenden
Objekten lassen aber vermuten, dass die Anforderungen
(Tabellen 2 und 3) richtig angesetzt sind, und dass von
den für den Einsatz am Basistunnel zugelassenen Mischungen ein gutes Langzeitverhalten erwartet werden kann. Diese Erwartung
wird auch durch neuere Erkenntnisse und Veröffentlichungen von anderen Untersuchungen gestützt.
Prüfungssystem nicht
abgeschlossen
Das Prüfungssystem soll
und darf künftige Entwicklungen nicht behindern, sondern fördern und ist deshalb
nicht abgeschlossen. Die Zulassung von neuen Anbietern, Produkten und Mischungen ist möglich. Vo-
38
Tunnel 5/2002
4 Transport und Lagerung
4 Transportation and storage
raussetzung ist die Erfüllung
der Anforderungen nach den
Bestimmungen des Prüfungssystems und die Genehmigung der Resultate durch die
Bauherrschaft.
Im Gegensatz zu den bereits qualifizierten Teams
können neue Anbieter nicht
von der 1997 kostenlos zur
Verfügung gestellten Versuchsinfrastruktur und den
übrigen bauseits erbrachten
Leistungen profitieren. Eine
gewisse Erschwernis für die
Zulassung von neuen Anbietern ist die 2-jährige Prüfdauer für den Nachweis des
Sulfatwiderstandes. Rein versuchstechnisch ist man heute in der Lage, den Nachweis
innerhalb von 6 Wochen zu
erbringen. Für neue Anbieter gilt gleichwohl die 2-jährige Frist. Dies ist nicht zuletzt ein gewisser Schutz für
jene Anbieter, die schon vor
Jahren viel Geld und Zeit in
das Prüfungssystem investiert haben.
Umsetzung auf der
Baustelle
Besondere Bestimmungen
Das Prüfungssystem hat
Auswirkungen auf die Betonarbeiten und den Werkvertrag zwischen dem Bauherrn
und dem Unternehmer. Die
about the actual long-term
behaviour of the concrete in
the tunnel, especially with respect to its resistance to sulphate action. The strict regulations relating to tightness and
comparisons with findings obtained from existing projects,
however, make it possible to
assume that the demands (Tables 2 + 3) have been properly
applied and that good longterm behaviour can be anticipated from the mixes approved for the Base Tunnel.
Recent recognitions and publications of other investigations substantiate these expectations.
Test System still to be
concluded
As the test system has still
to be concluded, it must on no
account impede – but rather
foster – future developments.
It is possible for new bidders,
products and mixes to be approved. The prior condition is
that demands are fulfilled in
keeping with the conditions
governing the test system and
approval of the results by the
client.
In contrast to the teams
that have already qualified,
new bidders are not able to
benefit from the test infrastructure and the other performances provided by the
Translating the
System into
Practice on Site
Special Regulations
The test system exerts effects on the concrete work
and the works contract between the client and the contractor. The Special Regulations are contained in the
master-builders’ tender documents.
The most important regulation states that only approved
mixes are permitted to be
used from the types of concrete subjected to the test
system. Consequently, the
contractor is restricted in his
choice of suppliers for cement, additives and admixtures. For most contract sections, the contractors can
choose between 4 to 6 bidders and several mixes per
type. Further important regulations apply to technical parameters and financial regulations for
■ changing the recipe for approved mixes
■ approval of mixes for site
use
■ approval of changed or new
products
■ approval of new bidders
and mixes.
The contractor was compelled to provide price analyses for cement, additives and
Materialbewirtschaftung – Betonsysteme
Material Management – Concrete Systems
speziellen Besonderen Bestimmungen wurden in die
Ausschreibungsunterlagen
der Baumeister aufgenommen.
Die wichtigste Bestimmung besagt, dass für die
dem Prüfungssystem unterstellten Betonsorten nur zugelassene Mischungen eingesetzt werden dürfen. Der
Unternehmer ist somit in der
Wahl der Lieferanten für Zement, Zusatzmittel und Zusatzstoffe eingeschränkt. Für
die meisten Baulose konnten
die Unternehmer aus 4 bis 6
Anbietern und pro Sorte aus
mehreren Mischungen auswählen. Weitere wichtige Bestimmungen betreffen technische Vorgaben und finanzielle Regelungen für
■ Änderung der Rezeptur
von zugelassenen Mischungen
■ Freigabe der Mischungen
für den Baustelleneinsatz
■ Zulassung von geänderten
oder neuen Produkten
■ Zulassung von neuen Anbietern und Mischungen.
Der Unternehmer musste
von allen zugelassenen Mischungen Preisanalysen für
Zement, Zusatzmittel und
Zusatzstoffe einreichen und
die von ihm gewählte Kalkulationsmischung bekanntgeben. Die unvermeidlichen
Änderungen der Rezeptur
werden mit der ±10-%-Klausel abgerechnet (Bild 5).
Fachkommission Beton
Für die Einführung und
einheitliche Umsetzung des
Prüfungssystems auf den
Baustellen stellt der Bauherr
den Unternehmungen und
Bauleitungen eine unabhängige „Fachkommission Beton“ zur Seite. Diese wird die
Umsetzung des Prüfungssystems als fachtechnisch
beratendes Organ begleiten.
Jeder Hauptbaustelle des
GBT ist ein Mitglied der FK
Beton zugeteilt.
Baustellen-Vorversuche
Der Beginn der Betonarbeiten auf GBT-Baustellen ist
gleich wie auf Baustellen
ohne Prüfungssystem: Der
Unternehmer muss mit Vorversuchen den Nachweis erbringen, dass für Beton mit
Besonderen Eigenschaften
die Anforderungen unter
Baustellenbedingungen erfüllt werden können. Die
Baustellen-Vorversuche sind
gemäss Norm SIA 162 auszuführen.
Dennoch gelten einige
Besonderheiten:
■ Die Vorversuche der dem
Prüfungssystem unterstellten Betonsorten basieren auf
zugelassenen Mischungen.
Tabelle 2: Anforderungen und Prüfkriterien Ortbeton
Betonsorte
Anforderungen für
Zulassung1/Bau
Festigkeitsklasse
OB1
OB2
Zulassung1
am Bau
Zulassung1
am Bau
B 45/35
B 40/30
B 45/35
B 40/30
Strength class
≥ 8 g/m2h
≥ 10 g/m2h
Keine
Vorgabe
keine
Vorgabe
XA22
XA22
Max. zul. Längenänderung ⌬ L3
Keine
Vorgabe
keine
Vorgabe
0,5 ‰
0,5 ‰
325 kg/m3
330 kg/m3
330 kg/m3
≥ 0.50
≥ 0.50
≥ 0.50
Minimaler Zementgehalt 325 kg/m3
W/Z-Wert
≥ 0.50
Initial Concrete Work with
approved Mixes
In Faido, the contractor has
selected the supplier for cement and additives from
among the qualified bidders
and entrusted it with the production of the concrete.
Advance tests were undertaken. The types OB2, OB2,
SB1 and SB2 that were subjected to the test system have
been approved by the works
management for use on site.
The choice of the type of
concrete is carried out according to the following princi-
Advance Tests on
Construction Sites
The start of concrete work
on GBT construction sites is
the same as on sites without
the test system: The contractor must provide proof
through advance tests that
the demands for Concrete
with Special Properties can be
fulfilled under site conditions.
Site advance tests have to be
carried out in accordance with
Standard SIA 162.
Notwithstanding, a number
of special conditions apply:
Type of concrete
Chemische Widerstandsfähigkeit
Fußnoten siehe Tabelle 3
Expert Commission on
Concrete
The client made an independent “Expert Commission
on Concrete” (ECC) available
to the contractors and works
managements for introducing
and applying the test system
uniformly on the construction
sites. It will continue to accompany the application of
the test system as an specialized advisory body. One ECC
member has been allocated
to each main construction site
for the Gotthard Base Tunnel
(GBT).
Demands for approval1/
construction
≥ 12 g/m2h ≥ 15 g/m2h
The advance tests for the
types of concrete subjected to
the test system are based on
approved mixes.
■ The recipe for the approved
mix serves as the one for the
starting mix. However, the
recipe can or must be adapted
to comply with currently valid
local conditions with respect
to aggregates, climate and
transportation distance.
■ The recipe for approved
mixes is not a standard, unalterable magnitude.
The system is already being applied on the GBT construction sites: Advance tests
have been undertaken at the
Faido, Amsteg and Sedrun
contract sections, while these
are about to be introduced at
the Bodio contract section.
■
Table 2: Demands and Test Criteria for in Situ Concrete
Frühfestigkeit nach 12 h ≥ 5 N/mm2 ≤ 5 N/mm2 ≤ 5 N/mm2 ≤ 5 N/mm2
Wasserleitfähigkeit
admixtures for all approved
mixes and announce his selected calculation mix. Inevitable changes in the recipe
were calculated by means of
the ±10 % clause (Fig. 5).
Early strength after 12 h
OB1
OB2
approval1
for constr
.approval1
for constr.
B 45/35
B 40/30
B 45/35
B 40/30
≥ 5 N/mm2 ≤ 5 N/mm2 ≤ 5 N/mm2 ≤ 5 N/mm2
Water conductivity
≥ 12 g/m2h ≥ 15 g/m2h
≥ 8 g/m2h
≥ 10 g/m2h
Chem. resistance
unspecified unspecified
XA22
XA22
Max. permissible
change in length ⌬ L3
unspecified unspecified
0,5 ‰
0,5 ‰
Minimum cement
content
325 kg/m3
325 kg/m3
330 kg/m3
330 kg/m3
≥ 0.50
≥ 0.50
≥ 0.50
≥ 0.50
W/C value
Foot notes see Table 3
Tunnel 5/2002
39
Schweiz
Switzerland
Als Rezeptur für die Ausgangsmischung dient jene
der zugelassenen Mischung.
Die Rezeptur kann bzw.
muss jedoch auf die aktuell
gültigen lokalen Verhältnisse
bezüglich Zuschlagstoffe, Klima und Transportdistanz
angepasst werden.
■ Die Rezeptur von zugelassenen Mischungen ist keine
feste, unabänderliche Größe.
Die Umsetzung auf den
Baustellen des Gotthard-Basistunnels hat begonnen: Bei
den Baulosen Faido, Amsteg
und Sedrun wurden Vorversuche ausgeführt, beim Los
Bodio stehen diese unmittelbar bevor.
macht. Die dem Prüfungssystem unterstellten Sorten
OB1, OB2, SB1 und SB2 sind
von der Bauleitung für den
Einsatz auf der Baustelle freigegeben worden.
Die Wahl der Betonsorte
erfolgt wie auf Baustellen
ohne Prüfungssystem nach
folgendem Prinzip:
■ Der Projektingenieur legt
die Anforderungen an den
Festbeton fest.
■ Die Bauleitung berücksichtigt die örtlichen Verhältnisse, namentlich die allfällige Betonagressivität des
Bergsickerwassers oder das
mögliche AAR-Potenzial der
Zuschlagstoffe.
■ Die Bauleitung bestellt
beim Unternehmer die entsprechende, für den Baustelleneinsatz freigegebene Mischung.
■
Erste Betonarbeiten mit
zugelassenen Mischungen
In Faido hat die Unternehmung aus den qualifizierten Anbietern das Lieferantenteam für Zement und
Zusatzmittel ausgewählt, und
diesem auch die Herstellung
des Betons anvertraut. Die
Vorversuche wurden ge-
Spezielle Probleme
Einarbeitung nötig
Das Prüfungssystem ist
für Bauleitungen und für Unternehmer neu. Die Umset-
Tabelle 3: Anforderungen und Prüfkriterien Spritzbeton
Betonsorte
Anforderungen für
Zulassung1/Bau
SB1
B 40/30
≥ 3 N/mm2
2-day briefing and training
session for project engineers,
construction managers and
section managers. The various
ECC representatives are responsible for ensuring that
the system is properly applied
on the individual sites.
Failure to comply with
Demands during Advance
Tests
Most of the mixes that
have been tested so far fulfilled the demands. However,
there are also mixes, which
failed to comply with requirements. This is not unusual. It is
then essential to investigate
the causes and repeat the advance tests for the mixes that
failed making appropriate adjustments to the recipe. The
fact that a mix has complied
with the demands during the
main test so that it has been
included in the list of approved mixes, at first merely
signifies that it managed to
clear the high hurdle set by
the test system. It does not
mean that the same mix will
Special Problems
Familiarisation required
The works managements
and contractors are as yet unaccustomed to the test system. Translation into practice
on site requires the rules of
the game to be clear and
known to all those involved.
This calls for all those involved
to be thoroughly familiarized.
The client established a solid
foundation by providing a
Table 3: Demands and Test Criteria for Shotcrete
SB2
Type of concrete
Zulassung1
Festigkeitsklasse
Frühfestigkeit nach 4 h
ple just as on construction
sites without a test system:
■ The project engineer determines the demands on the
solid concrete.
■ The works management
takes the local conditions into
consideration, namely the
possible concrete aggressiveness of the underground
seepage water or the possible
AAR potential of the aggregates.
■ The works management orders the appropriate mix approved for site use from the
supplier.
am Bau
Zulassung1
am Bau
B 35/25
B 40/30
B 35/25
≤ 3 N/mm2
≤ 3 N/mm2
≤ 3 N/mm2
Demands for approval1/
construction
Strength class
Early strength after 4 h
SB1
SB2
approval1
for constr.
approval1
for constr.
B 40/30
B 35/25
B 40/30
B 35/25
≥ 3 N/mm2 ≤ 3 N/mm2 ≤ 3 N/mm2 ≤ 3 N/mm2
Wasserdichtigkeit DIN:
Eindringtiefe
≥ 25 mm
≥ 30 mm
≥ 20 mm
≥ 25 mm
Chemische Widerstandsfähigkeit
Keine
Vorgabe
keine
Vorgabe
≥ 20 mm
≥ 25 mm
XA22
XA22
Chem. resistance
unspecified unspecified
XA22
XA22
Max. zul. Längenänderung ⌬ L3
Keine
Vorgabe
keine
Vorgabe
0,5 ‰
0,5 ‰
Max. permissible
change in length ⌬ L3
unspecified unspecified
0,5 ‰
0,5 ‰
375 kg/m3
375 kg/m3
375 kg/m3
≥ 0.50
≥ 0.50
≥ 0.50
Minimum cement
content
375 kg/m3
375 kg/m3
375 kg/m3
375 kg/m3
≥ 0.50
≥ 0.50
≥ 0.50
≥ 0.50
Minimaler Zementgehalt 375 kg/m3
W/Z-Wert
≥ 0.50
Die chemische Widerstandsfähigkeit wurde mit einer genau definierten
angepassten Sulfatprüfung2 bis zum Prüfalter von 720 Tagen ermittelt.
1 Die Anforderungen für die Zulassung mussten im Rahmen der Haupt-
prüfung nachgewiesen werden.
2 Belastung XA2 gemäß prEN 206, 1997. Der Nachweis erfolgt mit der
Prüfung des Sulfatwiderstandes am verarbeiteten Beton. Als Beurteilungskriterien gelten die messbaren Größen Längenänderung (Differenz ⌬ L
zwischen Sulfat- und Wasserlagerung) und Abfall des dynamischen
E-Moduls.
3 ⌬ L zwischen Lagerung der Bohrkerne in 5,1%iger Sulfatlösung und in
deionisiertem Wasser.
40
Tunnel 5/2002
Watertightness DIN:
penetration depth
W/C value
≥ 25 mm
≥ 30 mm
The chemical resistance was determined through an exactly defined adapted
sulphate test2 up until a test age of 720 days.
1 The demands governing approval had to be proved within the scope of the
main test.
2 Load XA2 according to prEN 206, 1997. Verification follows through testing
the sulphate resistance in the processed concrete. The measurable
magnitudes change in length (difference ⌬ L between sulphate and water
storage) and decrease of the dynamic E-module act as assessment criteria.
3 ⌬ L between storage of the core samples in 5.1 % sulphate solution and
in deionized water.
Materialbewirtschaftung – Betonsysteme
Material Management – Concrete Systems
zung auf der Baustelle setzt
voraus, dass die Spielregeln
klar und allen Beteiligten bekannt sind. Das erfordert eine
gründliche Einarbeitung aller
Beteiligten. Die Bauherrschaft
hat für Projektingenieure,
Bauleiter und Abschnittbauleiter mit einer 2-tägigen Informations- und Schulungsveranstaltung ein solides Fundament gelegt. Die korrekte
Abwicklung auf den Baustellen wird durch je einen Vertreter der FK Beton unterstützt.
Nicht-Erreichen der
Anforderungen bei
Vorversuchen
Die meisten bisher geprüften Mischungen haben
die Anforderungen erfüllt. Es
gibt aber auch Mischungen,
welche die Anforderungen
nicht erfüllt haben. Das ist
nichts Außergewöhnliches.
Es gilt, den Ursachen nachzugehen und die Vorversuche für die nicht erfüllten
Mischungen mit geeigneten
Anpassungen zur Rezeptur
zu wiederholen. Die Tatsache, dass eine Mischung
die Anforderungen bei der
Hauptprüfung erfüllt hat
und dadurch in die Liste der
zugelassenen Mischungen
aufgenommen wurde, bedeutet vorerst nur, dass sie
die im Rahmen des Prüfungssystems gesetzte, hohe
Hürde übersprungen hat. Es
bedeutet nicht, dass die gleiche Mischung die Anforderungen auch beim Vorversuch auf der Baustelle auf
Anhieb erfüllen wird. Allerdings hat eine zugelassene
gegenüber einer vorher
nicht geprüften Mischung sicher einen Vorteil, wenn es
um den Einsatz unter den extremen Bedingungen geht.
Qualität der
Zuschlagstoffe
Der Bauherr übernimmt
als Lieferant der Zuschlag-
stoffe Mitverantwortung für
die Qualität des Betons. Diesem Umstand wird durch
modernste Aufbereitungstechnik und durch rigorose
Kontrolle und lückenlose
Dokumentation der Qualität
der abgegebenen Zuschlagstoffe Rechnung getragen.
AAR-Problematik
Die Alkali-Aggregat-Reaktion (AAR-Reaktion) ist eine
chemische Reaktion zwischen reaktiven Zuschlagstoffen und freien Alkalien
des Porenwassers im Beton.
Das Produkt ist ein expansives Gel, das zu Rissen und im
schlimmsten Fall zur Zerstörung des Betons führen
kann. Die Auslösung der
AAR-Reaktion ist an drei Voraussetzungen gebunden:
■ Genügend lösliche Alkalien im Beton (mehrheitlich
aus Zement).
■ Genügend lösliches SiO2
im Beton (mehrheitlich aus
den Zuschlägen).
■ Genügend hohe Feuchtigkeit im Beton.
Die AAR wird durch Wasserzirkulation und hohe
Temperaturen begünstigt.
In der Schweiz war die
AAR-Problematik bis vor 5 Jahren kein Thema. Es gab vermutlich schon Schäden,
aber keine publizierten Erfahrungsberichte. Während
der Erstellung der Vorgaben
für das Prüfungssystem wurden 1996 15 Gesteinsproben
aus dem Gotthard-Gebiet
auf AAR untersucht. Alle Untersuchungen ergaben negative Befunde, d.h. es wurden
keine reaktiven Gesteine gefunden. Auf Vorgaben bezüglich AAR wurde deshalb
verzichtet.
Spätere Untersuchungen,
vor allem aus den Zugangsstollen Amsteg und Sedrun,
haben allerdings potenziell
reaktive Gesteine zu Tage gefördert. In der Folge wurden
also immediately fulfil requirements during the advance test
on the construction site. It
must be said, however, that an
approved mix has the advantage over one that has not
been tested where application under extreme conditions
is concerned.
Quality of the Aggregates
As supplier of the aggregates, the client takes over coresponsibility for the concrete
quality. This takes into account
ultra-modern
preparation
technology and rigorous inspection and complete documentation of the quality of the
produced aggregates.
Problems involving AAR
The Alkali Aggregate Reaction (AAR) is a chemical reaction between reactive aggregates and free alkalis in the
concrete pore water. The
product is a gel that expands
that can cause cracks and at
the worst leads to the destruction of the concrete.
Three prior conditions trigger
activation of the AAR:
■ Sufficient soluble alkalis in
the concrete (mainly from cement).
■ Sufficient soluble SiO2 in the
concrete (mainly from the aggregates).
■ Sufficiently high moisture in
the concrete.
The AAR benefits from water circulation and high temperatures. In Switzerland,
problems associated with
AAR were not generally discussed up until 5 years ago.
There was probably damage
but no appropriate reports
had been published. When the
parameters were being compiled for the test system, 15
rock samples from the Gotthard area were tested for
AAR in 1996. All of them were
negative, i.e. no reactive rocks
were found. As a conse-
Tunnel 5/2002
41
Schweiz
Switzerland
that the determined effects on
the structures are minimal.
The AAR problem complex
at the GBT is to be countered
through various measures.
Parameters for dealing with
the AAR were worked out and
included in the test system. A
sufficient number of the approved mixes are highly resistant to AAR.
die Gesteine entlang dem
GBT systematisch beprobt.
Der heutige Stand der
Kenntnisse ist wie folgt:
■ Von 59 Gesteinsmustern
sind deren 19 moderat reaktiv und eine Probe ist stark
reaktiv (34 % der Proben
sind potenziell reaktiv).
■ In den Abschnitten Faido
und Bodio wurden keine reaktiven Gesteine gefunden.
■ Im Baulos Amsteg muss
man annehmen, dass ca.
70 % der für Betonzuschlag
geeigneten Gesteine potenziell reaktiv sind.
■ Im Baulos Sedrun ist zu
ewarten, dass ca. 30 % der
für Betonzuschlag geeigneten Gesteine potenziell reaktiv sind.
Die FK Beton hat sich eingehend mit diesem Thema
beschäftigt und Empfehlungen zum Umgang mit der
AAR-Problematik herausgegeben. Zustandsaufnahmen
und Laboruntersuchungen
in 12 bestehenden Tunneln
bestätigen das Auftreten der
AAR-Reaktivität. Die festgestellten Auswirkungen auf
die Bauwerke sind aber gering.
Der AAR-Problematik wird
am GBT durch verschiedene
Maßnahmen begegnet. Es
wurden Vorgaben für den
Umgang mit der AAR und
mit der Einbindung in das
Prüfungssystem erarbeitet.
Unter den zugelassenen Mischungen gibt es genügend
solche mit hohem Widerstand gegen AAR.
■ die wechselnde Geologie
führt zu Veränderungen der
Zuschlagstoffe. Das kann
Auswirkungen auf die Betonrezepturen haben.
■ mit zunehmender Überdeckung steigen die Felsund Lufttemperatur. Die Dosierung des Abbindebeschleunigers kann reduziert
werden.
■ die zunehmende Transportdistanz erfordert eine
immer längere Offenzeit des
Betons. Es muss stärker verzögert werden.
Die obigen Auswirkungen
kann man qualitativ abschätzen, aber quantitativ
nicht genau beziffern. Es war
deshalb nötig, ein faires Verfahren für die Abrechnung
von Mehr- und Minderkosten im Zusammenhang mit
den Änderungen der Rezeptur zu entwickeln.
Anpassung der
Rezepturen auf die
Baustellenverhältnisse
Es liegt im Wesen von langen Baustellen, dass die Rezeptur an die aktuellen Verhältnisse angepasst werden
muss. Beim Gotthard-Basistunnel gilt dies ganz besonders, wie folgende Beispiele
illustrieren:
Abrechnung von
Änderungen der Rezeptur
Die wichtigsten Regeln
bei der Abrechnung von veränderten Rezepturen (Bild 5)
sind:
■ Mehr- und Minderkosten
des Gesamtwertes der Materialien Zement, Zusatzmittel
und Zusatzstoffe bis zu
±10 % liegen im Risikobe-
42
Tunnel 5/2002
5 Abrechnung von Änderungen zur Rezeptur
5 Reimbursing changes in recipe
quence, parameters relating
to AAR were discarded.
However, subsequent investigations, first and foremost in the Amsteg and Sedrun access tunnels have revealed potentially reactive
rocks. Thereupon, the rocks
along the GBT were systematically tested. The current level
of knowledge is as follows:
■ 19 of 59 rock samples are
moderately reactive and one
sample is highly reactive (35 %
of the samples are potentially
reactive).
■ No reactive rocks were discovered in the Faido and Bodio sections.
■ It must be assumed that
around 70 % of the rocks suitable for concrete aggregate
are potentially reactive in the
Amsteg contract section.
■ It can be anticipated that
roughly 30 % of the rocks suitable for the concrete aggregate are potentially reactive in
the Sedrun contract section.
The ECC has dealt with this
topic at length and published
recommendations relating to
how to tackle the AAR problem complex. Registration of
the state and lab tests in 12
existing tunnels confirm the
occurrence of the AAR reactivity. It must be said though
Adapting the Mixes to
Site Conditions
Where long tunnels are
concerned, it is essential that
the recipe is adapted to the
prevailing conditions. This applies particularly to the Gotthard Base Tunnel as the following examples illustrate:
■ The changing geology leads
to alterations in the aggregates. This can exert an effect
on the concrete recipes.
■ The rock and air temperatures rise given increasing
overburden. It is possible to
reduce the amount of accelerator.
■ As the transportation distance grows, an ever-greater
processing time for the concrete is required. It has to be
increasingly retarded.
Although the above effects
can be estimated in qualitative terms, they cannot be exactly worked out quantitatively. As a result, it was necessary
to develop a fair method for
calculating extra and reduced
costs in conjunction with
changes in the recipe.
Reimbursing Changes in
Recipe
The most important rules
for accounting for changed
recipes (Fig. 5) are:
■ Extra and reduced costs for
the total value of the materials
cement, additives and admixtures up to ±10 % have to be
accepted as the contractor’s
risk. Extra or reduced costs
are calculated in excess of the
cited limit value.
Materialbewirtschaftung – Betonsysteme
Material Management – Concrete Systems
reich des Unternehmers.
Mehr- oder Minderkosten
über dem genannten Grenzwert werden abgerechnet.
■ Wenn der Bauherr eine andere (bessere) Mischung bestellt, bezahlt er die allfällige
Differenz der Materialkosten.
■ Entwicklungen, die bei
gleicher Qualität zu Einsparungen führen, werden belohnt: Minderkosten gehen
je zur Hälfte zu Gunsten des
Bauherrn und des Unternehmers.
Schlussbemerkungen
Im Rückblick auf die seit
1996 laufenden Aktivitäten
für die Betonsysteme kann
man folgende Bilanz ziehen:
■ Beton und Spritzbeton
sind neben dem Gebirge die
wichtigsten Baumaterialien
für die Erstellung des GBT. Es
werden 2,5 Mio. m3 Beton
und Spritzbeton im Gesamtwert von 1 Mrd. sFr verbaut.
■ Die Dimension des Objektes, das Nutzungsziel und die
potenziellen Risiken rechtfertigen das außergewöhnliche Vorgehen für den Umgang mit Beton und Spritzbeton.
■ Das Prüfungssystem für
Betonmischungen hat zu einer in der Geschichte des
schweizerischen Betonbaus
einmaligen Forschungstätigkeit geführt. Das Resultat trägt
dazu bei, die Risiken bezüglich Qualität und Dauerhaftigkeit zu vermindern.
■ Das gewählte Vorgehen
schließt künftige Entwicklungen nicht aus. Es bietet
einen geeigneten Rahmen
für die Einführung solcher
Entwicklungen unter bestmöglicher Wahrung der Interessen des Bauherrn, der
Unternehmer und der Lieferanten.
Should the client order a
different (better) mix, he must
pay the possible difference for
the material costs.
■ Developments, which lead
to savings without harming
the quality, are rewarded: The
reduced costs are split equally
between the client and the
contractor.
■
Conclusion
The following balance can
be drawn based on the activities concerning the concrete
systems that have taken place
since 1996:
■ Alongside the rock, concrete and shotcrete are the
most important construction
materials for building the GBT.
Some 2.5 million m3 of concrete and shotcrete with a total value of 1 billion CHF will be
installed.
■ The dimensions of the project, its foreseen purpose and
the potential risks justify the
unusual procedure adopted
for dealing with concrete and
shotcrete.
■ The test system for concrete mixes has led to previously unparalleled research
activity in the history of Swiss
concrete construction. The
outcome contributes towards
ensuring that the risks pertaining to quality and longevity
are diminished.
■ The
chosen procedure
does not preclude future developments. It affords a suitable framework for introducing such developments while
still ensuring that the interests
of the client, contractors and
suppliers are observed to the
greatest possible extent.
Tunnel 5/2002
43