Reduktion av injekteringstid : cementbruks reologiska egenskaper och dess effekt vid injektering

Sammanfattning: Tunneldrivning är tidskrävande med varierande komplexitet från projekt till projekt, där en betydande del av sprängcykeln innefattar att låta injektering härda. Detta är tid där tunneldrivandet står stilla. Ifall denna tid skulle kunna reduceras skulle entreprenörer kunna spara in resurser genom att kunna spränga tidigare. Huvudsyftet med det här examensarbetet är att bidra med förståelse för hur utomstående krafter påverkar injektering. Detta för att man på ett korrekt sätt ska kunna dimensionera och reducera injekteringens härdningstid vid en tunneldrivning. Innan examensarbetets start hade tre olika kravställningar för cementbaserad injektering tagits fram. En del av examensarbetet inkluderade att formulera injekteringsrecept uppfyllande dessa krav, genom att få ökad förståelse för cementbruks reologi.  Genomförandet av arbetet delades upp i tre studier, där cementbruks reologi studerades på olika sätt. Arbetet började med att se hur viskositet och flytgräns ändrades med vattencementtal (VCT) med hjälp av en rheometer (roterande tester). Dessa undersökningar utgjorde studie 1. De vattencementtal som testades var 0,6; 0,8; 1,0 och 1,2. Från denna studie blev värdena höga och ansågs orimliga. Då cement är ett av de reologiskt mest komplicerade materialen rör det sig över stora delar av det viskoelastiska spektret. Det kunde konstateras att vidare studier bör utföras för att öka förståelsen för dels rheometern som mätredskap, dels cementets reologi. I studie 2 mättes samma parametrar som i den första studien, samt inträngningsförmåga, separation och densitet. Dessa tester genomfördes med hjälp av redskapen PenetraCone, Mud Balance, Marshkon, fallkon, muggprover och Yield Stick i laboratoriemiljö. Testerna genomfördes med samma vattencementtal som tidigare, men med två olika sorters cement: Injektering-30 och UltraFine 20. Från dessa tester kunde det konstateras att två av tre krav inte gick att uppfylla med UltraFine 20. Injektering-30 uppfyllde två av kraven med ett vattencementtal på 0,8 och det tredje kravet med ett vattencementtal på 0,6. Dessa resultat försöktes sedan återupprepas i ett fälttest vid Haga station (Västlänken) med blandning i en injekteringsrigg. Två blandningar som skilde sig lite från varandra gjordes under fältstudien. Den ena blandningen gav liknande värden som laboratorietesterna med en något högre flytgräns. Den andra blandningen var något mer lågviskös. Skillnaden mellan dessa två resultat misstänktes bero på skillnaden i tid de fick vara i injekteringsriggen. Det var från början planerat att utföra en ytterligare fältstudie, där Injektering-30 skulle injekteras med vattencementtalet 0,8 i två bergsskärmar. En sprängning skulle därefter ske efter tre timmar, men på grund av förseningar i produktionen har denna fältstudie skjutits upp till våren 2022. Studie 3 bestod av ytterligare rheometer-undersökningar, där oscillerande tester utfördes under en längre tid. Dessa tester gjordes för att se hur cementbrukets viskösa och elastiska skjuvmodul ändrar sig över tid. Genom att göra muggprov parallellt gick det att observera att när cementbruket övergick från att vara dominerat visköst till att vara dominerande elastiskt så ändrades brottsmekanismen i bruket. Cementbruket gick från att flyta fritt till att det uppstod ett cirkulärt skjuvbrott (okulärt observerat). Med resultatet från de oscillerande testerna delades cementets härdningsprocess in i fyra olika steg. Det första steget är när cementpartiklarna flyter vid ett muggprov (egentyngden är större än materialets flytgräns). Det andra steget är när bruket övergår från dominerande visköst till dominerande elastiskt och brottet som nu uppstår är ett cirkulärt skjuvbrott. Det tredje steget är när cementet härdat tillräckligt så att cirkulära skjuvbrott inte uppstår i ett muggprov. I detta stadie går det att peta ett hål i cementet utan att det läker sig själv. Det fjärde och sista steget är när cementen härdat så pass mycket att materialet börjat bete sig mycket sprödare och är som starkast.  För att kunna sätta en preliminär plan för dimensionering av härdningstid på cementbruket, så beräknades kraften som cementbruket upplever som en funktion av töjningarna i berget vid detonation. Detta gjordes med hjälp av Hookes lag och de oscillerande testerna som utfördes under längre tid för att mäta skjuvmodulen. Med detta så togs följande preliminära plan fram, för beräkning av härdningstiden på cementbaserad injektering:  Mät maximala deformationen i berget Mät den komplexa skjuvmodulen på bruket över tid   Ta reda på förväntad maximal sprickvidd Beräkna skjuvtöjning   Beräkna last     Gör fallkontest för att ta reda på hållfastheten i bruket Jämför teoretisk last och hållfasthet för bruket och se när hållfastheten blir större än teoretisk last Spräng efter den beräknade tiden. Planen har inte testats i praktiken och vidare studier behöver utföras. Sammanfattningsvis lägger examensarbetet grunden för vidare studier inom detta ämne. Indikationer från arbetet visar att härdningstiden teoretiskt bör gå att förkorta. Det spekuleras ifall det skulle gå att förkorta härdningstiden ytterligare ifall något sorts mikrofibrer eller likande används som armering i cementen, för att motverka det cirkulära skjuvbrottet som verkar uppstå. Det är självklart av yttersta vikt att denna armering inte påverkar inträngningsförmågan i någon större utsträckning