Comprehensive experimental investigation of the time-dependent thermo-hygral-mechanical behavior of shotcrete

Kurzfassung

In der vorliegenden kumulativen Dissertation werden experimentelle Untersuchungen an einer Nassspritzbetonmischung, welche derzeit auch im Bau des Brenner Basistunnels eingesetzt wird, präsentiert. Die benötigten Probekörper für das Versuchsprogramm wurden dabei direkt auf einer Baustelle des Brenner Basistunnels gewonnen, um möglichst praxisnahe Werte zu ermitteln, da der Spritzvorgang einen entscheidenden Einfluss auf die Qualität des Spritzbetons hat. Ermittelt wurden die Entwicklungen der einaxialen Druckfestigkeit, der Spaltzugfestigkeit und des Elastizitätsmoduls für Spritzbetonalter von 8 Stunden bis zu 365Tagen. Zusätzlich wurden die spezifische Mode I Bruchenergie sowie für die Kalibrierung und Validierung von Multi-Physik-Modellen benötigte Materialparameter ermittelt, wie die Entwicklung der Temperatur zufolge Hydratation, die Desorptionsisotherme und die Entwicklungen der Porosität und des Wassergehaltes. Des Weiteren wurde das Schwind- und Kriechverhalten von Spritzbeton untersucht. Hierfür wurden Versuche an versiegelten und trocknenden Probekörpern durchgeführt mit unterschiedlichen Spritzbetonaltern zu Versuchsbeginn. Die Kriechversuche wurden für verschiedene Spritzbetonalter bei Lastaufbringung und für verschiedene Spannungsniveaus durchgeführt. Dieser umfangreiche Datensatz ermöglicht die Kalibrierung, Validierung und Weiterentwicklung von Materialmodellen für Spritzbeton für die Verwendung in nummerischen Simulationen von Tunnelvortrieben gemäß der neuen österreichischen Tunnelbaumethode im Rahmen der finiten Elemente Methode.

Während der Probekörpergewinnung und der Bestimmung der Bruchenergie an Spritzbeton stellte sich heraus, dass das derzeit übliche Keilspaltverfahren mehrere Schwächen aufweist. Deshalb wurde ein verbesserter Versuchsaufbau für Keilspaltversuche zur Bestimmung der Bruchenergie entwickelt. Ein modifizierter Versuchsaufbau mit klauenförmiger Lasteinleitung ermöglicht eine einfache Belastung des Probekörpers ohne die Notwendigkeit einer eigenen Nut für die Lasteinleitung. Zusätzlich ermöglicht ein spezieller Mechanismus eine leichte Vorspannung des Probekörpers und führt zu einer verbesserten Rissausbreitung.

Abstract

In the present cumulative thesis an experimental investigation on a wet mix shotcrete is presented, which is currently employed in the construction of the Brenner Base Tunnel as a primary lining. The specimens required for the experimental program were gathered at a construction site of the Brenner Base Tunnel in order to obtain realistic results, as the spraying process has a significant impact on the shotcrete quality. The evolution of the uniaxial compressive strength, splitting tensile strength and Young’s modulus for shotcrete ages from 8 hours up to 365 days were determined. Furthermore, the specific mode I fracture energy was determined as well as material parameters especially required for the calibration and validation of multi-phase models, such as the temperature evolution due to hydration, the desorption isotherm, and the evolution of porosity and water content. Another main focus was on the creep and shrinkage behavior of shotcrete. In particular, tests were carried out on sealed and drying specimens starting at different material ages. For the creep tests, also the effect of different loading levels on the creep behavior was investigated. This comprehensive experimental data set allows the calibration, validation and further development of single-phase, multi-field, and multi-phase models for shotcrete used in numerical simulations of tunnel advance by means of the New Austrian Tunneling Method within the framework of the Finite Element Method.

During the sampling of the shotcrete specimens and the determination of the specific mode I fracture energy shortcomings of the classical wedge splitting test became evident. Therefore, a further objective of this thesis was the improvement of the classical wedge splitting method for tests on susceptible materials like shotcrete. A modified wedge splitting test is presented, employing a novel loading device with interlocking claws, allowing a simple load application without the need for a groove. Additionally, a low compressive prestressing can be applied leading to a considerably improved crack propagation. The modified wedge splitting test was validated by a testing program on ordinary concrete considering different material ages.