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Rheologische Eigenschaften von Bentonitsuspensionen
Der Einfluss von
Misch- und Quellzeiten
Vergleichende Untersuchungen von verschiedenen Dispergiertypen
und variierenden Misch- und Quellzeiten bei der Herstellung von
Bentonitsuspensionen.
Von Britta Schößer,
Markus Thewes,
Christoph Budach,
Björn Zenner
Die Qualität einer Bentonitsuspension hängt
neben den spezifischen Materialeigenschaften
des natürlich vorkommenden Rohbentonits
von der technischen Aufbereitung und Modifizierung durch die Hersteller der Bentonitprodukte und vor allem von der Herstellung auf der
Baustelle ab. Hierbei sind die beim Herstellprozess eingetragene Scherenergie sowie die
Misch- und Quellzeiten von besonderer Bedeutung. Um den Einfluss und das Zusammenwirken verschiedener Parameter bei der Herstellung von Bentonitsuspensionen zu erfassen,
wurde in Zusammenarbeit der S&B Industrial
Minerals GmbH und der Ruhr-Universität Bochum vergleichende Untersuchungen von ver-
schiedenen Dispergiertypen und variierenden
Misch- und Quellzeiten bei der Herstellung von
Bentonitsuspensionen durchgeführt.
Fachgerechte Herstellung von Bentonitsuspensionen auf der Baustelle
Hauptbestandteil des Bentonits ist das
blättchenförmige Tonmineral Montmorillonit (60-80%), das die physikalischen Eigenschaften des Bentonits bestimmt. Ein einzelner Montmorillonitkristall besteht aus 15-20
Elementarschichten. Erst durch den Zerfall der
Schichtstapel in die einzelnen Elemente kommt
es zur Ausprägung der besonderen rheologischen Eigenschaften einer Bentonitsuspension.
Die Herstellung von Bentonitsuspensionen besteht grundsätzlich aus den drei Vorgängen
- Suspendieren,
- Dispergieren und
- Quellen.
Beim Suspendieren wird der pulverförmige
Bentonit im Wasser aufgeschlämmt. Dabei werden die Elementarschichten des Montmorillonits nicht zerstört.
Diese Schichtstapel werden erst beim Dispergieren durch die Einwirkung von Scherkräften
voneinander getrennt und verteilen sich homogen in der Suspension. Zu diesem Zweck muss
eine hohe mechanische Energie (Scherenergie)
eingetragen werden. Diese wird durch hochtourige Rührer oder spezielle Dispergieraggregate
realisiert.
Die Vorgänge des Suspendierens und Dispergierens lassen sich nicht exakt voneinander
trennen und erfolgen i.d.R. in demselben Aggregat. Das Quellen ist der letzte Herstellungsschritt. Dies ist ein zeitabhängiger Vorgang, bei
dem Wassermoleküle in die Kristallstruktur der
einzelnen Elementarschichten des Montmorillonits eingelagert werden.
Die erforderliche Quellzeit hängt von den spezifischen Eigenschaften des verwendeten Bentonitprodukts sowie von der Intensität und Dauer
des Dispergierens ab. Nach einer Quellzeit von
ca. 4 - 6 Stunden erreichen Aktiv-Bentonite ihre
gewünschten Suspensionseigenschaften. Bentonite, die nicht durch technische Produktions-
Roh r vor trieb
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Abbildung 1: Dispergierprinzip mit Umwälzpumpe und Venturi-Düse (Mischtyp A)
prozesse aufbereitet wurden, benötigen i.d.R.
eine längere Quellzeit als technisch hochmodifizierte Produkte.
Wird beim Dispergieren des Bentonits eine
hohe Scherenergie aufgewendet, kann das
Aufblättern der Elementarschichten der Montmorillonitkristalle weitgehend in diesem Stadium erfolgen. Dadurch kann die nachfolgende
Quellzeit der Suspension, die zum Erreichen
der rheologischen Eigenschaften erforderlich
ist, u. U. verkürzt werden.
Als Grundregel gilt: Je besser die Dispergierung, desto kürzer die Quellzeit.
Allerdings gibt es kein Dispergiersystem,
welches die Quellzeit vollkommen ersetzen
kann. Die Dispergierzeit beträgt bei angemessenem Dispergierwerkzeug etwa 10 Minuten.
Die Bentonitsuspension gilt als ausgequollen,
wenn sich die Fließgrenze in einem Zeitraum
von 6 Stunden um nicht mehr als 10 % verändert [a].
Neben der Art und Weise des Herstellens hat
die Temperatur des Anmachwassers einen Einfluss auf die Qualität der Bentonitsuspension.
Durch die Verwendung von warmem Wasser
werden die Vorgänge Dispergieren und Quellen erleichtert. Untersuchungen haben gezeigt, dass sich eine Temperatur von 60°C günstig auf die Suspensionseigenschaften auswirkt [b]. Eine derart hohe Wassertemperatur
kann auf einer Baustelle i.d.R. nur durch aufwendige Zusatzmaßnahmen erreicht werden.
Vermutlich stehen die Kosten, die für eine sol-
Abbildung 2: Dispergierprinzip mit zwei Prozesszonen (Mischtyp B)
che Maßnahme erforderlich wären, in keinem
Verhältnis zum erzielbaren Nutzen. Auf der anderen Seite können besonders niedrige Wassertemperaturen (< 10°C) die Herstellung qualitativ hochwertiger Bentonitsuspensionen erschweren. In diesen Fällen sollte die Dispergierzeit unbedingt verlängert werden.
Untersuchungen verschiedener Dispergiersysteme mit variierenden Misch- und Quellzeiten
Im Rahmen der Untersuchungen an der RuhrUniversität Bochum wurden zwei handelsübliche Chargenmischer mit unterschiedlichen
Dispergiersystemen und Herstellmengen bis
zu 2,5 m³ pro Charge eingesetzt. Beim ersten
Mischer kam eine Umwälzpumpe zum Einsatz,
mit der die erforderliche Scherenergie durch
große Turbulenzen im Mischaggregat realisiert
wurde (Abbildung 1).
Das zweite Dispergieraggregat verwendete
einen Mischer mit zwei unterschiedlichen Dispergierzonen (Abbildung 2). In einer oberen
Vormischzone werden geringere Scherkräfte
eingeleitet, um das Material vorzumischen.
Durch hohe Umfangsgeschwindigkeiten werden in der darunterliegenden Dispergierzone
große Scher- und Kavitationskräfte erzeugt, die
eine homogene Durchmischung ermöglichen.
Ein kontinuierlicher Austausch des Materials
innerhalb der beiden Zonen gewährleistet eine
Durchmischung der gesamten Suspension.
Mit den Mischern A und B wurden Bentonitsuspensionen aus verschiedenen Fertigpro-
dukten von S&B Industrial Minerals in unterschiedlichen Konzentrationen hergestellt. Um
den Einfluss der Misch- und Quellzeiten auf die
Suspensionsqualität zu untersuchen, wurden
diese praxisnah variiert und kombiniert. Die
Mischzeiten wurden auf 90 Sekunden (1,5 Minuten), 120 Sekunden (2 Minuten) und 300 Sekunden (5 Minuten) eingestellt. Die jeweiligen
Quellzeiten betrugen 5 Minuten, 1 Stunde und
24 Stunden (vgl. Tabelle 1).
Tabelle 1
Untersuchungsprogramm der Laborversuche
Bentonit
IBECO B1
Konzen- Mischtration
zeiten
[Gew.-%] [s]
Quellzeiten
4, 5, 6
5
1, 24
5
1, 24
5
1, 24
IBECO HT-X 4, 5, 6
IBECO B2
6, 8
90,
120,
300
90,
120,
300
120,
300
[min] [h]
Beim IBECO B1 handelt es sich, wie beim IBECO
B2, um einen sodaaktivierten bayrischen Bentonit, der IBECO HT-X ist ein sodaaktivierter
griechischer Bentonit.
Zur Beschreibung der erreichten Qualität der
Bentonitsuspensionen wurden die Marsh-Zeit
tM (1), die Fließgrenze τf nach von Soos (2), die
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Rohr vor trie b
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Bingham-Fließgrenze τB (3) und
die Filtratwasserabgabe (4) mittels
der in DIN 4126 [c] und API 13 B [d]
beschriebenen Versuche mit dem
Marsh-Trichter (1), der Kugelharfe
(2), dem Rotationsviskosimeter (3)
und der Filterpresse (4) bestimmt
(vgl. Abbildung 3).
Ergebnisse der
Laboruntersuchungen
Abbildung 3: Marsh-Trichter nach DIN
4126, Kugelharfe nach DIN 4126, Rotationsviskosimeter nach API 13 B, Filterpresse nach DIN 4126 [S&B Industrial
Minerals]
Bei den Untersuchungen im Labor
zeigte sich, dass im Mischer A
(Umwälzpumpe) bei kurzen Mischzeiten keine homogene Suspension hergestellt werden konnte.
In der Suspension waren Klumpen
von Bentonitpartikeln zu finden.
In Abbildung 4 sind die gemessenen Marsh-Zeiten in [s] der verschiedenen Suspensionen unter
Nennung des Produkts, der Bentonitkonzentration sowie der jeweiligen Misch- und Quellzeit aufgetragen. Die Ergebnisse werden
für jeden Mischertyp A (blau) und
B (rot) separat angezeigt. Grundsätzlich ist festzuhalten, dass die
Messergebnisse jeweils nur innerhalb eines Produkts diskutiert
werden können, da sich die Bentonitprodukte von ihrem Ursprung
her unterscheiden.
Erwartungsgemäß zeigt sich die
Tendenz, dass mit zunehmender
Mischzeit und zunehmender
Quellzeit die Werte für die gemessene Marsh-Zeit ansteigen.
Dabei scheint der Einfluss des verwendeten Mischertypen bei ausreichender Mischzeit von untergeordneter Bedeutung zu sein.
Durch die Erhöhung der Bentonitkonzentration wird das Niveau der
gemessenen Marsh-Zeiten ebenfalls erhöht. In Abhängigkeit vom
verwendeten Produkt sind deutliche Steigerungen der MarshZeiten nach einer Quellzeit von 24
Stunden zu erkennen. Ein Einfluss
der gesteigerten Mischzeit auf die
Marsh-Zeit ist hingegen kaum erkennbar.
Abbildung 5 zeigt die mit der Kugelharfe bestimmten Werte der Fließgrenze nach von Soos in [N/mm²]
unter Nennung des Produkts,
Abbildung 4: Marsh-Zeiten für die verschiedenen Bentonitprodukte nach den
Mischzeiten 90 s, 120 s und 300 s kombiniert mit den Quellzeiten 5 min, 1 Std
und 24 Std [e]
Abbildung 5: Werte der Fließgrenze nach von Soos für die verschiedenen Bentonitprodukte nach den Mischzeiten 90 s, 120 s und 300 s kombiniert mit den
Quellzeiten 5 min, 1 Std und 24 Std [5]
der Bentonitkonzentration sowie
der jeweiligen Misch- und Quellzeit getrennt nach verwendetem
Mischertyp. Hier sind in Abhängigkeit vom Bentonitprodukt z.T.
deutliche Steigerungen der Fließgrenze nach einer Quellzeit von 24
Stunden erkennbar. Der Einfluss
des verwendeten Mischertyps ist
eher unspezifisch, da bei einigen
Versuchen die mit dem Mischer
A (blau) hergestellten Suspensionen höhere Fließgrenzen aufweisen und bei einigen Versuchen,
die mit dem Mischer B (rot) hergestellten Suspension. Auffallend
sind die überraschend gleichför-
migen Werte innerhalb des Produkts B2.
Die Werte der mittels Rotationsviskosimeter bestimmten BinghamFließgrenze in [N/m²] sind in Abbildung 6 zusammengefasst. Insgesamt verlaufen die jeweiligen
Steigerungen deutlich gleichförmiger als in Abbildung 5. Auch hier
ist der Einfluss der zunehmenden
Quellzeit auf die Bingham-Fließgrenze deutlich erkennbar. Ähnlich wie in Abbildung 4 hebt eine
höhere Konzentration des Bentonitprodukts die Messwerte auf
ein höheres Niveau. Ein eindeutiger Hinweis auf den Einfluss
Roh r vor tri eb
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Abbildung 6: Werte der Bingham-Fließgrenze für die verschiedenen Bentonitprodukte nach den Mischzeiten 90 s, 120 s und 300 s kombiniert mit den Quellzeiten
5 min, 1 Std und 24 Std [5]
Abbildung 7: Werte der Filtratwasserabgabe für die verschiedenen Bentonitprodukte nach den Mischzeiten 90 s, 120 s und 300 s kombiniert mit den Quellzeiten
5 min, 1 Std und 24 Std [5]
des Mischertypen auf die Bingham-Fließgrenze kann auch aus
diesem Diagramm nicht abgeleitet werden. Tendenziell liegen die
Bingham-Fließgrenzen der mittels
Mischer A und B hergestellten Suspensionen nahe beieinander.
Bei der Betrachtung der Verläufe
für die Filtratwasserabgabe in Abbildung 7 fällt auf, dass die Werte
grundsätzlich mit steigender Konzentration und zunehmender
Misch- und Quellzeit abnehmen.
Dies ist ein Hinweis darauf, dass
eine gut dispergierte und ausgequollene Suspension stabil ist und
sich nicht von selbst entmischt.
Das bedeutet, dass es im Versuch
mit der Filterpresse zunehmend
schwierig wird, die fein verteilten
Bentonitpartikel aus der Suspension zu trennen bzw. das Wasser
herauszupressen. Ein Einfluss des
Mischertypen ist nicht eindeutig
zu bestimmen.
den die Suspensionsparameter z.B. mithilfe des Marsh-Trichters, der Kugelharfe und der Filterpresse nach DIN 4126 bestimmt.
Die Messergebnisse (gelbe Kästchen) sowie die erforderlichen
Grenzwerte (rote Linie) werden in
die Anwendertabelle übertragen.
Anhand des Beispiels in Abbildung
8 wird nachfolgend die Verwendung der Anwendertabelle erläutert. Für eine Baumaßnahme werden folgende Anforderungen an
die Bentonitsuspension gestellt:
- Marsh-Zeit ≥ 32 sec
- Fließgrenze nach von Soos ≥ 22
N/m²
- Filtratwasserabgabe ≤ 15 ml
Die zur Abgrenzung der Felder dienende rote Linie muss für eine
Marsh-Zeit von mindestens 32 Sekunden zwischen der Spalte der
Marsh-Zeit von 30-35 Sekunden
und 35-40 Sekunden liegen, damit
die Anforderung erfüllt wird. Um
die Fließgrenze nach von Soos von
mindestens 22 N/m² zu erhalten,
wird die rote Markierungslinie zwischen den Spalten der Fließgrenzen nach von Soos von 22,34 und
30,25 N/m² eingezeichnet. Dadurch wird sichergestellt, dass
die erreichte Fließgrenze höher ist
als die geforderte. Damit die Filtratwasserabgabe nicht mehr als
15 ml beträgt, muss die Markierung beim Filtratwasser zwischen
Anwendertabellen
für die Baustelle
Die systematisch ermittelten Ergebnisse können für die Baustelle von praktischem Nutzen
sein, indem diese in übersichtliche, projektspezifische Anwendertabellen überführt werden.
Die Anwendertabelle (vgl. Abbildung 8) zeigt exemplarisch die mit
einem bestimmten Bentonitprodukt unter Verwendung eines Dispergieraggregats bei variierenden
Misch- und Quellzeiten erzielbaren Suspensionseigenschaften
(gelbe Markierung). Die für die
Baumaßnahme erforderlichen Eigenschaften der Bentonitsuspension sind hingegen in rot eingetragen. Somit zeigt die Anwendertabelle deutlich an, welche Bentonitkonzentration, Mischzeit und
Quellzeit notwendig sind, um die
geforderte Suspensionsqualität
tatsächlich zu erreichen. Da bei
einer Baumaßnahme i.d.R. nur
ein Mischertyp und ein Bentonitprodukt zum Einsatz kommen, ist
der Aufwand zur Entwicklung einer
solchen Anwendertabelle überschaubar. Gleichzeitig kann diese
Übersicht dazu beitragen, eine
gleichbleibende Suspensionsqualität während der Baumaßnahme
durch eine fachgerechte Herstellung zu gewährleisten.
Das Prinzip bei der Erarbeitung
einer solchen Anwendertabelle
sollte es sein, mit dem vorhandenen Mischaggregat verschiedene Suspensionen auf der Basis
unterschiedlicher
Bentonitkonzentrationen herzustellen. Dabei
sind Mischzeiten sinnvoll festzulegen und mit variierenden Quellzeiten zu kombinieren. Nach Ablauf der jeweiligen Quellzeit wer-
den Spalten von >15 und 15-12,5ml
liegen. Anschließend werden zeilenweise die Suspensionen, wie
zuvor beschrieben, auf ihre Eignung überprüft. Bei allen Feldern,
in denen sich die gelb markierten
Felder rechts von der roten Grenzmarkierung befinden, wird in der
Spalte „Kriterium“ ein „X“ für „Kriterium erfüllt“ oder ein „O“ für „Kriterium nicht erfüllt“ gesetzt. Wenn
die Zeilen innerhalb der Spalte
„Kriterium“, die die drei gesetzten
Kriterien erfüllen, farblich unterlegt werden, ist die erforderliche
Misch- und Quellzeit bei einer bestimmten Bentonitkonzentration
schnell zu erkennen.
Bezogen auf das Beispiel in Abbildung 8 können folgende Ergebnisse abgelesen werden: Die definierten Anforderungen hinsichtlich
Marsh-Zeit, Fließgrenze und Filtratwasserabgabe erfüllt das Bentonitprodukt IBECO B1 bei einer
Feststoffkonzentration von 5%
mit Mischzeiten von 90, 120 und
300 Sekunden und einer Quellzeit
von jeweils 24 Stunden. Prinzipiell könnte dem Anwender bei dieser Konzentration eine Mischzeit
von 90 Sekunden und der zugehörigen Quellzeit von 24 Stunden
genügen, um die gewünschte Suspensionsqualität zu erreichen.
Wird das Bentonitprodukt IBECO
B1 mit einer 6% Feststoffkonzen-
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Rohr vor trie b
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Abbildung 8: Beispiel für eine Anwendertabelle auf Basis der Laboruntersuchungen [5]
tration verwendet, so werden die definierten
Suspensionseigenschaften bei Mischzeiten von
120 und 300 Sekunden und einer zugehörigen
Quellzeit von nur 1 Stunde erreicht. Eine Mischzeit von nur 90 Sekunden verlangt wiederum
die höhere Quellzeit von 24 Stunden, damit die
Suspension den Anforderungen genügt. Ziel
dieser Anwendertabellen ist es, die Mischzeit
und die Bentonitkonzentration unter Beachtung
ökonomischer Aspekte so anzupassen, dass die
benötigte Quellzeit zur Realisierung der geforderten Suspensionseigenschaften möglichst
gering ist. Auf dieser Grundlage besteht für die
Baustelle die Möglichkeit, die benötigten Kapazitäten hinsichtlich Bentonitmenge, Energieeintrag und erforderlichem Quellvolumen
(Zusatztank) unter baubetrieblichen und wirtschaftlichen Gesichtspunkten zu optimieren.
Zusammenfassung
Grundsätzlich ist festzuhalten, dass die Mischzeiten in den Laborversuchen mit 90 und 120
Sekunden extrem kurz angesetzt wurden; in
Einzelfällen jedoch sicherlich der Verfahrensweise in der Baupraxis entsprechen. Generell
wird eine Mischzeit von mindestens 10 Minuten
empfohlen - jeweils in Abhängigkeit von der in
einem Dispergiervorgang hergestellten Suspensionsmenge.
Ein guter Dispergiervorgang wird durch ein
Mischaggregat erreicht, das eine hohe Schere-
nergie in die Suspension einträgt. Wird das pulverförmige Bentonitprodukt durch einfaches
Umrühren mit dem Frischwasser vermengt,
führt das immer zu einer Klumpenbildung.
Eine qualitativ hochwertige Bentonitsuspension wird hingegen durch das Aufteilen der aus
15-20 Lagen bestehenden Elementarplättchen
und deren homogener Verteilung im Frischwasser erreicht. Dazu muss die Scherenergie über
einen angemessenen Zeitraum in die Suspension eingetragen werden. Die endgültigen Suspensionseigenschaften werden erst nach Abschluss der Quellzeit erreicht, in der zusätzlich
Wassermoleküle in die Zwischenschichten der
Elementarplättchen eingelagert werden.
Die Vorteile eines guten Dispergiervorganges
lassen sich wie folgt zusammenfassen:
- Die Bentonitsuspension erreicht gute rheologische Eigenschaften. Es handelt sich um
eine stabile Suspension, die sich nicht von
selbst entmischt.
- Bei ausreichend hoher Scherenergie und angemessener Dispergierzeit kann die Quellzeit u.U. deutlich verkürzt werden.
- Eine gute Dispergierung kann zu einer Einsparung der erforderlichen Bentonitmenge
führen. Nach den Erfahrungen von S&B Industrial Minerals kann der Mehrverbrauch
des Bentonits bei mangelhafter Dispergierung oder zu geringer Quellzeit nach praktischen Erfahrungen bis zu 50% betragen.
Die aus den gemessenen rheologischen Eigen-
schaften der hergestellten Bentontitsuspensionen entwickelten Anwenderdiagramme sind
als Vorschlag für die Baupraxis gedacht, die
Herstellung und den Einsatz von Bentonitsuspensionen effizient und ökonomisch vorteilhaft
zu realisieren.
Literatur
[a] DIN 4127: Erd- und Grundbau: Schlitzwandtone für
stützende Flüssigkeiten – Anforderungen, Prüfverfahren, Lieferung, Güteüberwachung. 1986.
[b] Möbius, C.H.: Bentonit-Suspension – Eigenschaften, Herstellung und Prüfung. In: Österreichische Ingenieur Zeitschrift 20,Nr. 2, S. 73-82,
1977
[c] DIN 4126: Nachweis der Standsicherheit von
Schlitzwänden. Entwurf 2004.
[d] API 13B: Recommended Practice Standard Procedure for Field Testing Water-Based Drilling Fluids.
American Petroleum Institute, 1997.
[e] Labda, Th.: Vergleichende Untersuchungen von
verschiedenen Dispergiertypen bei unterschiedlichen Misch- und Quellzeiten unter Verwendung ausgewählter Bentonite. Diplomarbeit am
Lehrstuhl für Tunnelbau, Leitungsbau und Baubetrieb, Fakultät für Bau- und Umweltingenieurwissenschaften, Ruhr-Universität Bochum, 2007,
unveröffentlicht.
* Zu den Autoren
Britta Schößer, Markus Thewes,
Ruhr-Universität Bochum, Lehrstuhl für Tunnelbau, Leitungsbau und Baubetrieb
Christoph Budach, HOCHTIEF Solutions AG,
Civil Engineering and Tunneling, Ess
Björn Zenner, S & B Industrial Minerals GmbH,
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