Optimierung des Betonsystems der Alptransit-Baustelle Sedrun Optimisation of the concrete production at the Alptransit construction site of Sedrun
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Optimierung des Betonsystems der Alptransit-Baustelle Sedrun
Optimisation of the concrete production at the Alptransit
construction site of Sedrun
Conradin Hürlimann
Einleitung Introduction fuss transportiert, wo sich auch
Um die Zunahme des alpenqueren- In order to cope with the increase die Betonanlage befindet. Hohe
den Verkehrs zu bewältigen, rea- in transalpine traffic, Alptransit Anforderungen an die Dauerhaf-
lisiert die Alptransit Gotthard AG Gotthard AG is constructing a tigkeit prägen das Projekt ebenso
eine Flachbahn. Als Herzstück die- minimum-gradient rail link. As wie grosse Herausforderungen an
ser Transversale wird der 57 km the centrepiece of this transalpi- logistische Lösungen. In diesem
lange Gotthard-Basistunnel in ne link, the 57 km long Gotthard Umfeld gilt es ein Betonsystem zu
fünf Teilabschnitten aufgefahren base tunnel is being driven in five betreiben, das sowohl die Anfor-
(Fig. 1). Das Teilstück Sedrun als partial sections (Fig. 1). The derungen des Bauherrn als auch
mittlerer Abschnitt des Tunnels Sedrun section, as the central sec- jene des Verarbeiters zu erfüllen
wird durch einen 1 km langen Zu- tion of the tunnel, is accessed by vermag. Der Unternehmer konn-
gangsstollen und zwei anschlies- means of a 1 km long access tun- te in Zusammenarbeit mit den
sende, parallele, 800 m tiefe nel and two connecting, parallel, Lieferanten den bereits gut funk-
Schächte erschlossen [1, 2]. Sämtli- 800 m deep shafts [1, 2]. All deli- tionierenden Gewölbebeton opti-
che Materiallieferungen erfolgen veries of materials take place mieren und damit noch besser auf
durch einen dieser Schächte. through one of these shafts. die Bedürfnisse der Baustelle
Die Gesteinskörnung für den Be- The aggregate for the concrete is abstimmen.
ton wird aus dem Ausbruchsma- prepared above ground from the
terial des Vortriebs über Tag auf- material excavated during the Betonanlage und Trans-
bereitet und wieder zum Schacht- driving of the tunnel and trans- portsystem
Die Platzverhältnisse in der Ka-
verne, wo sich die Betonanlage
befindet, sind beschränkt und die
Anforderungen an den maxima-
len Betonausstoss der Anlage
durch das Bauprogramm defi-
niert. Das Verladen des Betons
auf die Transportzüge (Fig. 2) darf
also nur wenig Zeit in Anspruch
nehmen, da sonst die Ausstoss-
menge der Anlage massiv redu-
ziert würde. Mit den RoCon-
Shuttles (Fig. 3) wurde eine spe-
zielle Lösung für diese Baustelle
neu entwickelt. Der tägliche Be-
ton-Ausstoss variierte 2009 um
die 600 bis 800 m3 mit Spitzen von
über 900 m3.
Anforderungen des
Bauherrn an den Festbeton
Bereits vor der Ausschreibung der
Bauarbeiten mussten potenzielle
Anbieterteams – jeweils ein Ze-
ment- und ein Zusatzmittelliefe-
rant – in einem gross angelegten
Präqualifikationsverfahren nach-
weisen, dass sich mit ihren Pro-
dukten die vorgegebenen Beton-
Fig. 1 eigenschaften erreichen liessen.
Übersicht Gotthard Basistunnel (© Alptransit Gotthard AG). Die vorgeschlagenen Betonmi-
Overview of Gotthard base tunnel (© Alptransit Gotthard AG). schungen wurden in einem auf-
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ported again to the foot of the
shaft, where the concrete produc-
tion plant is also located. The pro-
ject involves high requirements in
terms of durability as well as major
challenges in terms of logistical so-
lutions. Against this background,
the aim is to operate a concrete
system that manages to fulfil
both the requirements of the
owner and those of the contrac-
tor. In cooperation with the sup-
pliers, the contractor has been
able to optimise the already well-
functioning lining concrete and
thus tailor it even more closely to
the requirements on the construc- Fig. 2
tion site. Ladevorgang unter beengten Verhältnissen (© Sika Schweiz AG).
Loading procedure in confined conditions (© Sika Schweiz AG).
Concrete production plant
and transport system
The space situation in the cavern wändigen Prüfverfahren getestet – reliable mechanical properties
in which the concrete production [3]. (compressive strength, modu-
plant is located is restricted and Die Anforderungen an den Fest- lus of elasticity)
the requirements in terms of the beton im Gotthard-Basistunnel – controlled shrinkage behaviour
maximum output of concrete sind ausgelegt, um eine Dauer- – increased resistance to sulphates
from the plant are defined by the haftigkeit von mindestens 100 – high impermeability to water
construction schedule. Thus the Jahren zu gewährleisten. Dies – high resistance to alkali-aggre-
loading of the concrete onto the heisst konkret: gate reaction.
transport trains (Fig. 2) may only – zuverlässige mechanische Ei- The consortium decided on the
take up a small amount of time, genschaften (Druckfestigkeit, use of a CEM III/B 32.5 N for all
otherwise the output quantity of E-Modul) concrete types. This means that
the plant would be massively re- – kontrolliertes Schwindverhalten the high durability of the concre-
duced. A special solution has been – erhöhte Sulfatbeständigkeit te for the tunnel lining is reliably
developed for this construction – hohe Wasserundurchlässigkeit achieved and that the temperatu-
site with the RoCon shuttles (Fig. – hoher Widerstand gegen Al- res remain low on hydration. For
3). The daily output of concrete kali-Aggregat-Reaktion logistical reasons, no second ce-
varied in 2009 between 600 and Die Arbeitsgemeinschaft entschied ment can be used in large quanti-
800 m3, reaching sometimes even sich für den Einsatz eines CEM III/B ties at the concrete production
more than 900 m3. 32,5 N für alle Betonsorten. Damit plant.
Owner’s requirements
with regard to the harde-
ned concrete
Even before the request for ten-
ders for the construction work,
potential teams of bidders – con-
sisting in each case of a cement
supplier and an additives supplier
– had to prove, in a large-scale
pre-qualification procedure, that
the specified concrete properties
are achieved using their products.
The proposed concrete mixes
were tested thoroughly in an
extensive testing process [3].
The requirements for the harde-
ned concrete in the Gotthard
base tunnel are intended to gua- Fig. 3
rantee a durability of at least 100 RoCon-Shuttle beim Ladevorgang unter Tag (© Arge Transco).
years. Specifically, this means: RoCon shuttle during loading underground (© consortium Transco).
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lässt sich die hohe Dauerhaftig-
keit des Gewölbebetons sicher
erreichen, und die Temperaturen
bei der Hydratation bleiben ge-
ring. Aus logistischen Gründen
kann auf der Betonanlage kein
zweiter Zement in grossen Men-
gen verwendet werden.
Anforderungen des Unter-
nehmers an den Gewölbe-
beton
Für die Herstellung des Betons,
Beladung des Zugs, Transport zur
Schalung und Einbringen müssen
2,5 bis 3 Stunden eingerechnet
werden. Um mögliche Störungen
zu berücksichtigen und um eine
Fig. 4 problemlose Reinigung des
Gewölbeschalwagen. Montage der Stirnschalung (© Arge Transco). Betonzugs vor jedem Befüllen zu
Lining formwork car. Installation of the bulkhead formwork (© consortium erreichen, wird eine Offenzeit
Transco). von vier Stunden verlangt.
Der Beton soll beim Einbringen
noch ein Ausbreitmass von min-
destens 500 mm aufweisen. Da-
mit er stabil bleibt, wird er mit
Betonmischungen Bestehend Optimiert
einem Ausbreitmass von 600 bis
Concrete design mixes Existing Optimised
650 mm hergestellt und in den
Zement CEM III/B 32,5 N [kg/m3] 375 275 Zug verladen.
Cement CEM I 42,5 N [kg/m3] 100 Das ambitionierte Bauprogramm
Flugasche des Unternehmers verlangt, dass
Hydrolent [kg/m3] 70 70
Fly ash in den Bereichen der Einspurröh-
Zusatzmittel Sika ViscoCrete-AT 304 [%] 1,2 1,5 ren jede Schalung (Fig. 4) innert
Additives SikaPump-AT 31 [%] 0,3 24 Stunden einmal umgesetzt
SikaTard-AT 11 [%] 0,0– 0,2 werden kann. Um zeitgerecht
Gesteinskörnung Total [kg/m3] 1750 1750 ausschalen zu können, fordert
Aggregate Sand 0/4 [%] 22 22 der Unternehmer 10 Stunden
Kies/Gravel 4/8 [%] 10 10 nach Ende des Einbringens des
Kies/Gravel 8/16 [%] 41 41 Betons eine Festigkeit von minde-
Kies/Gravel 16/32 [%] 27 27 stens 5 N/mm2.
w/z w/c [–] ~ 0,53 ~ 0,52 Der Wasserzementwert (w/z) und
w/b [–] ~ 0,45 ~ 0,44 die Betontemperatur beeinflussen
Ausbreitmass bei Herstellung [mm] den Konsistenzverlauf und die
580– 630 600 – 650
Flow consistency on mixing [mm] Entwicklung der Frühfestigkeit
Verarbeitbarkeit Ausbreitmass > 500 mm [h] gegenläufig. Eine Senkung des
3,5 4,0
Workability flow consistency > 500 mm [h] w/z oder eine Erhöhung der Aus-
Ausschalfrist Ab Betonherstellung [h] gangstemperatur vermindert die
~ 16 ~ 12,5
Stripping time from mixing [h] Offenzeit und beschleunigt die
Festigkeitsentwicklung und um-
Fig. 5
gekehrt. Die Gegebenheiten auf
Betonmischungen mit Anforderungen nach SIA 162 (1989): B40/30, w/b ≤ 0,50,
der Baustelle verursachen Schwan-
dmax = 32 mm, Wasserleitfähigkeit ≤ 10g/m2h bei d = 20 cm, Widerstands-
kungen der Frischbetontempera-
fähigkeit gegen chemischen Angriff XA2 (mit Sulfat).
Concrete design mixes with requirements according to SIA 162 (1989): B40/30,
tur zwischen 18 und 24 °C bei
w/b ≤ 0.50, dmax = 32 mm, permeability ≤ 10g/m2h at d = 20 cm, resistance gleichzeitig ändernder Sieblinie,
against chemical attack XA2 (with sulphates). Petrografie (insbesondere Glim-
mergehalt) und Feuchtegehalt
der Gesteinskörnung. Die Beton-
rezeptur muss deshalb insbeson-
dere eine Robustheit gegenüber
diesen Schwankungen aufweisen,
um sowohl die Anforderungen an
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Contractor’s requirements Verarbeitbarkeit als auch jene an (in particular the mica content)
with regard to the tunnel die Frühfestigkeiten zu erfüllen. and moisture content of the
lining concrete Die ursprüngliche Rezeptur (Fig. aggregate. Therefore, the concre-
Between 2.5 to 3 hours must be 5) bewährte sich eigentlich sehr te mix design must, in particular,
allowed for the production of the gut. Die Frühfestigkeitsentwick- display robustness with respect to
concrete, loading of the train, lung ist jedoch für die kommen- these fluctuations in order to ful-
transport to the formwork and den Etappen in den Einspurröh- fil both the requirements in terms
placement. In order to take into ren zu langsam. of both workability and early
account possible interruptions strength.
and to achieve a problem-free Feldversuche auf der The mix design (Fig. 5) has actual-
cleaning of the concrete train Baustelle ly proved to be very successful.
before each filling, an open time Um aussagekräftige Versuchsre- However, the development of
of four hours is required. sultate zu erhalten, wurde der early strength is too slow for the
The concrete should still display a Beton auf der Anlage unter Tag subsequent stages in the single-
flow consistency of ≥ 500 mm on produziert und im RoCon gela- track tunnel tubes.
placement. In order that the con- gert. Mit fortschreitender Anzahl
crete should remain stable, it is von Feldversuchen erwies sich die Field testing at the con-
mixed and loaded into the train Aussagekraft der vorgängigen struction site
with a flow consistency of 600 – Laborversuche in diesem speziel- In order to obtain meaningful
650 mm. len Fall als sehr gering. So zeigten test results, the concrete was pro-
The contractor’s ambitious con- zum Beispiel Beschleuniger, die duced underground at the plant
struction schedule demands that im Labor keinen Einfluss auf die and stored in the RoCon. As the
each formwork (Fig. 4) can be Offenzeit hatten, beim Baustel- number of field tests increased,
relocated once within 24 hours in lenversuch mit derselben Beton- the importance of the precedent
the area of the single-track tun- mischung ein markant schnelleres laboratory tests was shown to be
nels. In order to allow the form- Ansteifen des Betons [4]. surprisingly low in this particular
work to be struck on schedule, the case. For example, accelerators
contractor demands a strength of Lösungsvarianten für die which had no influence on the
at least 5 N/mm2 ten hours follow- Optimierung open time in the laboratory led to
ing the end of placement of the Zuerst wurde der Wechsel auf a strikingly faster loss of workabi-
concrete. einen CEM III/B 42,5 N untersucht. lity of the concrete in tests on site
The water/cement ratio and con- Die Frühfestigkeiten verbesserten using the same concrete mix [4].
crete temperature have a contrary sich markant. Die gleichbleibende
influence on the consistency and Offenzeit musste jedoch mit Solution variants for opti-
the development of early strength. einem stärker verzögernden Fliess- misation
A reduction in the water/cement mittel erkauft werden, was den First, the change to a CEM III/B
ratio or an increase in the initial Gewinn an Festigkeiten etwas 42.5 N was investigated. The early
temperature reduces the open schmälerte. strengths improved markedly.
time and accelerates the develop- Der Wechsel des Zements barg However, keeping the open time
ment of strength and vice versa. jedoch zu grosse Risiken: Obschon the same required the use of a
The conditions on the constructi- die Optimierung nur für eine ein- more strongly retardant superplas-
on site cause fluctuations in the zige Rezeptur notwendig war, ticizer, which somewhat reduced
fresh concrete temperature bet- hätten sämtliche Betonrezepturen the increase in strength.
ween 18 and 24 °C, with simulta- der Anlage auf einen Schlag um- However, changing the cement
neous changes in the particle size gestellt werden müssen. Daher involved excessively high risks. All
distribution curve, petrography wurde versucht, die erwünschte the concrete mix designs at the
plant would immediately have to
be changed, even though the op-
Owner Bauherrschaft timisation is only necessary for a
Alptransit Gotthard AG Alptransit Gotthard AG single formulation. For this reason
Project authors Projektverfasser
Ingenieurgemeinschaft Gotthard- Ingenieurgemeinschaft Gotthard- the attempt was made to achieve
Basistunnel Süd c/o Lombardi AG, Basistunnel Süd c/o Lombardi AG, the desired increase in strength
Minusio; Amberg Engineering AG, Minusio; Amberg Engineering AG, using the existing CEM III/B 32.5 N
Regensdorf; Pöyry AG Zurich Regensdorf; Pöyry AG Zürich
Execution Ausführung with different additives. The ori-
Consortium Transco - Sedrun: Arge Transco - Sedrun: Implenia Bau ginal superplasticizer proved
Implenia Bau AG, Aarau; Frutiger AG, AG, Aarau; Frutiger AG, Thun; throughout the trials to be the
Thun; Bilfinger Berger AG, Reichen- Bilfinger Berger AG, Reichenburg und
burg and Munich (D); Pizzarotti SA, München (D); Pizzarotti SA, Bellinzo- optimal one for the combination
Bellinzona and Parma (I) na und Parma (I) of the cement with the problema-
Concrete system Betonsystem tic aggregate.
Holcim (Schweiz) AG, Zurich; Holcim (Schweiz) AG, Zürich;
Sika Schweiz AG, Zurich Sika Schweiz AG, Zürich A further variant was added dur-
ing the trial phase: The partial
119
fc [N/mm2]
14
optimiert, Bauteil
12 optimised, structure
10
optimiert, Würfel
8 optimised, cube
6 bestehend, Bauteil
existing, structure
4
bestehend, Würfel
2
existing, cube
0
8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 [h]
Fig. 6 Fig. 7
Frühfestigkeitsentwicklung optimierter und bestehender Rezepturen mit Fertig betonierte Gewölbeblöcke
Anforderungen des Unternehmers (> 5 N/mm2 nach 14 h, roter Bereich). (Vorläufer) (© Arge Transco).
Development of early strength of existing and optimised mix design with Finished concreted lining sections
contractor’s requirements (> 5 N/mm2 after 14 h, red zone). (front carriage) (© consortium
Transco).
Festigkeitssteigerung mit dem substitution of the CEM III/B 32.5 N bereits auf der Betonanlage
bestehenden CEM III/B 32,5 N mit with a CEM I 42.5 N. The aim here vorhanden sind und die sich
anderen Zusatzmitteln zu errei- was to increase early strength. auf der Baustelle bewährt
chen. Das ursprünglich eingesetz- Different mixes were tested follo- haben.
te Fliessmittel erwies sich über die wing this basic idea. This variant – Die Mischung bietet eine ge-
ganze Dauer der Versuche als has the following advantages: wisse Flexibilität, auf Tempera-
optimal für die Kombination des – Addition of the CEM I 42.5 N is tureinflüsse zu reagieren. So
Zements mit der problematischen only necessary with this con- kann bei tiefen Temperaturen,
Gesteinkörnung. crete type. All other mix de- sollten die Frühfestigkeiten
Während der Versuchsphase kam signs can be retained without nicht erreicht werden, mehr
eine weitere Variante hinzu: Der any change. CEM I 42,5 N zugegeben wer-
teilweise Ersatz des CEM III/B 32,5 – The quantity of CEM I 42.5 N den.
N durch einen CEM I 42,5 N, um required is so low that only – Die hervorragenden Eigen-
u.a. die Frühfestigkeiten zu stei- one silo at the concrete pro- schaften des Festbetons bezüg-
gern. Verschiedene Mischungen duction plant would be neces- lich Dauerhaftigkeit, die mit
mit dieser Grundidee wurden sary for this. dem reinen CEM III/B 32,5 N
geprüft. Diese Variante weist fol- – Only additives which are alrea- erreicht wurden, reduzieren
gende Vorteile auf: dy available at the concrete sich nur minimal.
– Dosierung des CEM I 42,5 N nur production plant and which Mit dieser Lösungsidee können
bei dieser Betonsorte notwen- have been tried and tested on die Anforderungen an die Verar-
dig. Alle andern Rezepturen site are used for the mix. beitbarkeit und die Festigkeits-
können unverändert beibehal- – The mix offers some flexibility entwicklung erfüllt werden (Fig.
ten werden. in reacting to temperature in- 6). Die Entscheidung fiel daher
– Bedarf an CEM I 42,5 N ist so fluences. For example, at low zugunsten dieser letzten Variante
gering, dass nur ein Silo der temperatures, if the early und erhielt die Bewilligung der
Betonanlage damit bestückt strengths are not achieved, Bauleitung. Seither wird diese
werden muss. more CEM I 42.5 N can be Mischung mit Erfolg eingesetzt
– Für die Mischung werden nur added. (Fig. 7).
Zusatzmittel verwendet, die – The outstanding properties of
the hardened concretes in
terms of durability, which were
Referenzen/References achieved using the pure CEM
[1] P. Teuscher, P. Zbinden; Die Alp- III/B 32.5 N, are only minimally
transit-Projekte am Lötschberg und
am Gotthard, Betonbau in der reduced.
Schweiz, SIA für fib-CH, 2002. This solution fulfils all the requi-
[2] D. Marti, R. Meier, A. Theiler; rements in terms of workability
Gotthard-Basistunnel – Teilabschnitt
Sedrun, tunnel 4/2004, S. 22 ff. and strength development (Fig. 6). Autor/Author
[3] B. Gugelmann; Optimierung der The decision was therefore made Conradin Hürlimann
Betonproduktion auf der AlpTransit- in favour of this last variant. Since dipl. Bauing ETH
Baustelle Bodio, SIA für fib-CH, 2006. Produktingenieur Tunnelbau
[4] J. Schlumpf; Beschleunigter Kon- the construction management Sika Schweiz AG
struktionsbeton, Betonbau in der team approved this mix, it is CH-8048 Zürich
Schweiz, SIA für fib-CH, 2006. being used successfully (Fig. 7). huerlimann.conradin@ch.sika.com
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