Penetrasjon i fjell for ulike sementbaserte injeksjonsbruk

Av professor dr.ing Steinar Roald, Institutt for bygg, anlegg og transport, NTNU - Ph.D Arild Saasen, Statoil. (Trykk på bildene ved siden av for større versjon!) Stikkord er forbedret inntrengning, liten/ingen vannseparasjon, økt motstand mot oppblanding med vannfronter som påtreffes, sulfatresistens, volumstabilitet etter herding, økt motstand mot trykkfiltrering, for å nevne de viktigste. For å kunne evaluere injeksjonsmassens egenskaper, vil erfaringer fra praktisk injeksjon være det viktigste utgangspunktet. Labtester vil imidlertid også være av en viss betydning, forutsatt at de gir realistiske resultater. For å kartlegge ulike egenskaper ved kommersielt tilgjengelige injeksjons-sementers, ble det under ledelse av prof dr.ing Steinar Roald, utført en større undersøkelse i Elkem Materials laboratorier i Kristiansand sommeren og høsten 2002. Resultatet av testene, bekrefter sentrale sammenhenger som: * De fineste sementene gir best inntrengning * Høyt vann-sement-tall forbedrer inntrengningen vesentlig. Noen av de eksperimentelle resultatene har imidlertid tilsynelatende avvik fra dette, og påkaller således behov for mer grunnleggende teoretiske forklaringer. Slike kunnskaper finnes normalt ikke innenfor de tradisjonelle miljøer som arbeider med injeksjonsteknologi. Imidlertid er mer grunnleggende kunnskaper innen rheologi og materialteknologi tilgjengelig i miljøer som har måttet fokusere på slike egenskaper, f.eks i petroleumsteknologien. For å forklare avvik som nevnt ovenfor, er det nødvendig å ha med i betraktningen at uheldige forsøksapparater (testmetoder) kan fokusere på materialegenskaper som ikke er relevante for de forhold man søker å løse. Et spesielt uheldig eksempel på dette er den såkalte filterpumpen, som diskriminerer injeksjonsbruk med stor forlengelses-viskositet. Baseres utvelgelse av masse på slike tester, kan man miste muligheten til å benytte de moderne og effektive injeksjonsbrukene. Resultatet er at man kan bli henvist til å benytte ustabile bruk med høyst tvilsomme materialegenskaper sett fra et injeksjonsteknisk synspunkt. INNLEDNING I løpet av de siste årene har Elkem satt sammen et system sementbaserte injeksjonsmaterialer for tunnelinjeksjon. Materialteknisk bygger systemet videre på Elkems mangeårige arbeid med høyfast- og langtids-bestandig betong. Kunnskaper fra dette fagområdet er satt sammen med kunnskaper om prosjektering og bygging av fjellanlegg. Strengere innlekkasjekrav stiller større krav til de injeksjonsmaterialer som skal benyttes. Et injeksjonsmiddel skal kunne trenge inn på vannførende sprekker med svært liten sprekkeåpning, fortrenge vannet og herde slik at ikke vannet kommer tilbake; med andre ord fylle sprekken. En ren, ikke stabilisert sementsuspensjon er i seg selv dårlig egnet for fjellinjeksjon med de krav som stilles til effektivitet og produktivitet, se diskusjonen nedenfor. Moderne sementbasert injeksjonssystemer, som er stabile ved høye vann-sement-tall består derfor av flere viktige og samvirkende komponenter som er: * Portlandsementer med varierende grad av finmaling. * Dispergeringsmiddel * Flytforbedringsmiddel * Stabiliserende tilsetninger Et problem man ofte står ovenfor, er å bestemme injeksjonsmaterialer inntrengningsevne. Gode standardiserte tester finnes knapt, og de tester man har gir åpenbare tolkningsproblemer. Dette er problemer man til stadighet møter når man skal diskutere og spesifisere injeksjonsmaterialer. Man møter også problemet når man skal tolke resultatene av de penetrasjonstester tester som gjøres pr i dag. TRADISJONELLE SEMENTBASERTE INJEKSJONSBRUK. Problemer med tradisjonelle sementbaserte injeksjonsbruk: selv om sement har vært et ønsket injeksjonsmiddel både av pris og miljøhensyn, har dessverre tradisjonelle sementbruk hatt utilstrekkelige egenskaper i forhold til de krav som moderne tetting setter. Det vises spesielt til: * Blokkering av grovkorn: filterkaker som blokkerer for videre inntrengning. * Trykkfiltrering: grove korn medfører at vannet skvises ut av sementsuspensjonen og filterkakene som dannes. * Utvasking: ustabile sementsuspensjoner blir fortynnet. * Vannseparasjon (bleeding)/svinn: vannseparasjon og svinn utvikles i herdeprosessen. * Bestandighet: Kalsiumhydroksyd løses i surt miljø (sulfat, humus), utluting av den injiserte massen. * Ukontrollert herding: anrikninger av C3A kan resultatet være at man får ukontrollert, rask avbinding. For å unngå problemer som beskrevet ovenfor, har ulike kjemiske systemer vært benyttet som alternativ eller supplement til sementinjeksjon. Noen av disse midlene har ønskede penetrasjons- og injeksjonsegenskaper, men har ofte vært beheftet med andre svakheter: for dyre, for kompliserte i bruk, for lite bestandige eller til og med for giftige både i forhold til arbeidsmiljø og i forhold til omgivelser. EGENSKAPER VED MODERNE INJEKSJONSBRUK. Faktorene nevnt ovenfor viser at det er et sterkt behov for miljøvennlige, sementbasert systemer med egenskaper som: * God inntrengning. * Effektiv fylling av alle sprekker ved første gangs injeksjon. * Muliggjør høye injeksjonstrykk. * Bestandig mot separasjon og trykkfiltrering. * Volumstabilt etter herding. * Tilstrekkelig mekanisk styrke. * Kjemisk bestandige, i betydning tungt løselige. De fleste av disse egenskapene finnes ikke, eller kun i liten grad, i rene sementsuspensjoner, da ved lavere vann-sement-tall. Det store gjennombruddet for sementbaserte injeksjonsbruk, kom da Elkem etter mange års utviklingsarbeid lyktes i å framstille en mikrosilika-slurry som var egnet for fjellinjeksjon.- GroutAid®. GroutAid® som benyttes som tilsetning til sementsuspensjonen er framstilt av sfæriske mikrosilika partikler med gjennomsnittlig partikkelstørrelse 10-100 ganger mindre enn partiklene i sement. Partiklene er dispergert i vann og Si-O atomenes overflateegenskaper samvirker med vannmolekylene slik at det bygges opp kohesive krefter mellom mineralpartikler i løsningen. De kohesive kreftene homogeniserer suspensjonen både når den utsettes for trykkgradienter og når den er stillestående før den herder. På tross av de kohesive egenskapene så vil suspensjonen ha gode flyt og inntrengningsegenskaper som gjør den i stand til å trenge inn på selv små sprekker. Det forventes allikevel at en slik tilsetning kan medføre en del spesielle egenskaper. Normalt sett vil en sementsuspensjon strømme inn i en sprekk; kun begrenset av trykket den skal strømme imot og de viskøse spenningene som settes opp mot sprekkveggen under injeksjonen. Dersom sprekkveggen er irregulær i utforming, eventuelt at massen skal strømme inn i et område delvis fylt av grove korn, vil massens forlengelsesviskositet kunne dominere over skjærviskositeten med hensyn til trykktapet ved strømning. Forlengelsesviskositet kan forenklet forklares som et kubisk væskevolums motstand mot å flyte ut til sidene når overflaten påføres en kraft. Se figur 1 Ligningene som beskriver disse relasjonene er gitt nedenfor. Et væskeelement utsettes for trykket p. Elementet deformeres. * Høydedeformasjon * Breddedeformasjon * Deformasjonsrate * Forlengelsesviskositet Figur 1 Vanlig skjærviskositet representerer et kubisk væskevolums motstand mot deformasjon når den øvre flaten forøkes skjøvet ut til en side. Se figur 2. En væskestrøm beveger seg med hastigheten V. Et lite væskeelement A isoleres. Øverste plan av væskeelementet har hastigheten U. Dermed utsettes elementet for skjærspenninger . Væskeelementet får skjærtøyningen . * Skjærrate: * Skjærspenning er gitt ved * Viskositet er gitt ved Figur 2 Forlengelsesviskositet er dominant for trykkfallet ved strømning i porøse media, Khan et al. (2004). For enkle væsker er forlengelsesviskositeten lik tre ganger skjærviskositeten. For mer kohesive væsker derimot kan forlengelsesviskositeten være flere tierpotenser større enn skjærviskositeten. PENETRASJONSTESTER FOR INJEKSJONSBRUK Normale antagelser for sammenhengen mellom inntrengning og sprekkeåpning, er at man oppnår inntrengning på sprekker som er 3-4 ganger maksimal kornstørrelse for det sementbruk /suspensjon som man benytter. Det har dog i enkelte miljøer innen fjellinjeksjon vært noen ulike oppfatninger om inntrengningsevnen til sementbaserte injeksjonsbruk. I Norge, og kanskje med enda større autoritet og tyngde i Sverige, har det vært hevdet at man ikke vil ha nytte av finere sementer enn 30 mikron fordi finere sementer ikke gir forbedret inntrengning. Som støtte for slike utsagn, henvises blant annet til Dalmalm (2001), som utrykker at en 12 mikron sement trenger inn på sprekker med sprekkeåpning lik 8 ganger kornstørrelsen, mens en 30 mikron sement trenger inn på sprekker med sprekkeåpning lik 3 ganger kornstørrelsen. Med andre ord, finere sement gir ikke bedre inntrengning. Tilsvarende synspunkter som Dalmalm (2001), kommer delvis også til uttrykk i Heimli og Holm (2002). Den påståtte nedre grense for hvilke kornstørrelser som gir forbedret inntrengningsevne, strider helt klart mot så vel moderne injeksjonserfaringer, se f.eks Roald (2003), som de forsøksresultater som bl.a er frembrakt i forsøkene som refereres fra Elkem Materials laboratorier sommeren og høsten 2002. Dersom man antar at sementer finere enn 30 mikron ikke gir forbedret inntrengning og forbedret tetting, burde dette i tilfelle influere sterkt hvilke materialer som bør spesifiseres for ulike prosjekt: * Den praktiske konsekvens av Dalmalm (2001), ville vært at sementer finere enn 30 mikron, ikke bør benyttes. * Dalmalm (2001) påkaller også en revisjon av de konklusjoner som er trukket på grunnlag av de praktiske erfaringer man har hatt i de senere årene med injeksjon i berg. Det vil med andre ord være svært viktig for alle som arbeider med tetting av tunneler å forsøke å konvergere synspunktene på hvilke injeksjonsbruk som skal og bør anbefales der det er høye krav til penetrasjon. Det er grunn til å anta når det i Dalmalm (2001) hevdes at en sement med kornstørrelse 30 mikron har like god inntrengning som en sement med inntrengning 12 mikron, at Dalmalm ikke har undersøkt tilstrekkelig forlengelsesviskositeten til sine injeksjonssementer. Generelt gjelder det at dess finere en kornforndeling er i en masse i forhold til lengdeskalaene i strømningskanalen, dess mer kontinumslik, dvs. væskelik blir massen. En mulig annen effekt som kan gi resultatene som Dalmalm (2001) har rapportert, er skjærtykning Barnes et al (1989). Skjærtykning skjer normalt ved meget små skjærrater for partikkelsuspensjoner av den typen som diskuteres her. Hvis skjærtykning inntreffer vil viskositeten øke betraktelig og dermed også trykkfallet og injeksjonsraten. Dette burde ikke skje ved normale strømningsforhold ved injeksjon. Dermed antas det heller at man har unngått å se på forlengelsesviskositeten i dette tilfellet. INJEKSJONSSEMENTERS EGENSKAPER. Injeksjonsmidler beskrives med ulike begrep som karakteriserer deres egenskaper både i flytende form, under herding og etter herding. Ulike tester er laget, for å kvantifisere egenskaper ved injeksjonsmidler. Testene er i prinsippet enkle imidlertid må man sette begrensninger for hvilke konklusjoner som skal trekkes av testene. Stabilitet av injeksjonsbruket: Når man omtaler sementbasert injeksjonsmidler, benytter man gjerne begrepet stabile bruk. Begrepet stabile bruk, slik det brukes i anleggsterminologi, er noe uklart fordi begrepet stabile bruk kan knyttes til flere ulike tester. Med stabile bruk tenker man normalt på en injeksjonsmasse som skal fortrenge vann fra vannførende sprekker og fylle sprekken i ettertid. Visuelt kan man observere et stabilt bruk i væskefasen kontra et ustabilt bruk som illustrert i figur 3. I herdet fase, vil stabile bruk ha samme volum som i væskefasen. Det vil med andre ord ikke åpne nye vannveier i form av svinnsprekker Penetrasjonstester: skal i utgangspunktet simulere penetrasjon, dvs inntrengning i berget. Det finnes flere typer slike tester tilgjengelig i Skandinavia: NES-apparat: injeksjonsmassen presses under trykk på opptil 20 bar gjennom en spalt som kan varieres ned til 50 μ, se figur 2. Man plotter så vekten av bruket som strømmer gjennom spalten som en funksjon av tiden. Dette skjer via veieceller og en datamaskin, se figur 3. Brukt riktig kan NES tester være nyttig for å klassere ulike injeksjonssementer. NES apparatet kan også gi nyttig informasjon vedrørende inntrengningsevnen til ulike sementtyper. Figur 4. Dette apparatet har kun store forlengelseseffekter i overgangen mellom røret og spalte, samt ved utløpet av spalte. Her vil skjærviskositet dominere. Dette apparatet vil kunne gi en rimelig simulering av stabile sementsuspensjoners inntrengning på sprekker. Resultatene fra NES-tester plottes gjerne i et mengde/tid diagram som vist i figur 3 nedenfor. Forløpet av diagrammet kan gi mange opplysninger om det aktuelle injeksjonsbrukets inntrengningsevne. Figur 5. Sandkolonne: apparatet består av et plexiglass rør som fylles med en maskinsand med standardisert kornfordelingskurve, se figur 4. Injeksjonsbruket presses inn i sandkolonnen under trykk. Hvor langt inn i sandkolonnen man kan presse injeksjonsmassen benyttes som et mål på inntrengning. Figur 6. Sandkolonnens oppbygging er i prinsipp vist på figur 6. Dette apparatet har store forlengelseseffekter i hele apparatet. Her bør skjærviskositet dominere. Dette apparatet favoriserer sementer som ikke blokkerer poreåpningene i sandkolonnen (<3xporestørrelsen) dvs uten mikrosilika eller andre materialer som gir kohesive egenskaper. Filterpumpen: apparatet trekker injeksjonsmasse gjennom et filter med delvis vakuum som drivkraft (derav navnet filterpumpe). Fordelen med vakuumpumpen er at den er enkel å bruke i felt. Apparatet benyttes av enkelte som mål på inntrengning. Apparatet er ikke alminnelig utbredt ettersom mange har opplevd at det diskriminerer kohesive injeksjonsbruk og vil således kunne eliminere de mest effektive injeksjonsbrukene. Figur 7. Dette apparatet har store forlengelseseffekter i filteret. Her bør skjærviskositet dominere. Dette apparatet favoriserer sementer som ikke blokkerer filteråpningene (<3xporestørrelsen) uten mikrosilika eller andre materialer som gir kohesive egenskaper. Tester ved Elkem Materials Laboratorium Sommeren og høsten 2002, ble det utført en omfattende undersøkelse av ulike injeksjonssementer ved Elkem Materials laboratorier i Kristiansand. Hensikten med undersøkelsen var å framskaffe en oversikt over egenskapene til de kommersielt tilgjengelige sementene som tilbys som tunnelinjeksjon. Et særlig fokus under testene var sementenes inntrengningsevne. Årsaken til det er at det innen injeksjonsmiljøet er til dels sprikende oppfatninger om de parametrer som bestemmer sementer inntrengningevne. For undersøkelsen ble det derfor satt opp to hovedhypoteser som skulle testes ut: * Hypotese 1: De fineste sementene gir best inntrengning. * Hypotese 2: Inntrengningsevnen øker med økende vann-sement-forhold. Hypotesene 1 og 2 er hovedsaklig empirisk forankret. Det vil si at disse egenskapene for sementbrukene, har vært drivende for utviklingen av stadig mer finmalte sementer. I tillegg er hypotesene i samsvar med erfaringer fra praktisk injeksjon ved flere ulike referanseprosjekter. Det er allikevel slik at man innen enkelte deler av injeksjonsmiljøet arbeider etter andre læresetninger. Dette vil bli kommentert nedenfor. Praktisk gjennomføring av testprogrammet. Det ble spesielt for testprogrammet skaffet til veie sementer fra mer en 20 forskjellige fabrikanter. De aktuelle sementene ble klassifisert og testet med ulike blandeforhold, tilsetningstoffer og med ulike blandeprosedyrer. For de ulike blandingene, ble det målt inntrengningsevne i NES-apparatet og i sandkolonne. For noen av blandingene, hadde det fra tidligere forsøk blitt etablert referanseverdier basert på den såkalte Filterpumpen. Foruten penetrasjonstester, ble det gjort undersøkelser av de mer vanlige bruks-parametrene som: * Kornfordeling, målt i Micro-trac. * Bleeding, målt i prøvesylinder. * Spesifikk vekt. * Geling, visuell observasjon. * Herding, vicat needle. * Svinn, visuell observasjon, måling i vannkar. * Marsh-kon, tid for gjennomløping av marsh-kon. * Filtertest, trykklokke med filter. Penetrasjonstester. For såkalte penetrasjonstester, er det viktig at testoppsettet er av en slik karakter at det kan sannsynliggjøres en sammenheng mellom resultatene man får i testene og de resultater som oppnås med fullskala injeksjon i berget. Eller motsatt, testapparatet må ikke være slik at resultatene man får i testen, ikke kan overføres til de resultater man kan forvente å oppnå med praktisk injeksjon i berget. En fullstendig diskusjon av de forhold som må ivaretas ved penetrasjonstester og anvendelse av resultatene fra slik, vil føre svært langt. Vi vil isteden konsentrere oppmerksomhet omkring de tre testmetodene som er nevnt ovenfor, og forklare de eksperimentelle resultatene som disse testene gir. Vi vil deretter diskutere overførbarheten til sannsynlig sprekkesituasjoner i berg. Testdesign. For å begrense testprogrammet noe ble penetrasjonstestene utført i tre hovedfaser: * De ulike sementene først delt i grupper etter de spesifikasjoner som ble gitt av de ulike leverandørene. * Det ble gjennomført penetrasjonstester i NES-apparatet. Forsøkssekvensene ble lagt opp etter en første grov-scanning i fase 1. * De mest aktuelle sementene ble testet i sandkolonne med sand av ulik finhetsgrad. For testene i NES apparatet, benyttet man tre ulike spalteåpninger. Henholdsvis 50, 75 og 100 mikron. For hver sement begynte man med den fineste spalten, dersom det ikke var åpenbart at man ut fra materialspesifikasjonen ikke ville få penetrasjon ved denne spalteåpningen. Videre begynte man testserien med det høyeste vann-sement-tallet som ble benyttet i testen, nemlig 2.0. Dersom man fikk passering i NES-apparatet med et gitt vann-sement-tall, ble vann-sement-tallet redusert som følger 2.0-1.3-1.0-0.7. Dersom man ikke fikk passering ved et lavere vann-sement-tall, økte man spalteåpningen og gjentok samme prosedyre med større spalteåpning. Før testing i NES apparatet ble det også gjort forsøk med ulike superplastiserende stoffer og med ulike blandeprosedyrer. OBSERVASJONER OG PRESENTASJON AV RESULTATER. Forløp av penetrasjonsforsøkene: generelt kan man si at penetrasjonsforsøkene har tre typiske forløp: * Full gjennomløping: alt materiale som ble plassert i trykktanken evakueres gjennom spalten. Det er ikke noe materiale som sitter igjen verken i tanken, eller ved innløpet til spalten. * Delvis gjennomløping: materialet starter gjennomløping som i tilfelle ovenfor, men gjennomstrømningen avtar gradvis. Etter hvert stopper gjennomløpingen opp. Forløpet er illustrert på figur 3 ovenfor. I slike tilfeller vil det ved innløpet til spalten ligge igjen en filterkake, som tilslutt stenger for videre gjennomløping, se figur 8, nedenfor. * Full blokkering: For alle praktiske formål, kommer det ingen masse ut av spalten, blokkeringen inntreffer så godt som umiddelbart. Figur 8. Ved full gjennomløping plottes total mengde som var i trykktanken. Det forsøkes deretter med et lavere vann-sement-tall. Får man hel eller delvis gjennomgang, reduseres vann-sement-tallet ytterligere til man eventuelt har nådd det laveste nivået i testen. Får man blokkering, forsøkes eventuell neste spalteåpning (75-100 mikron), da med høyeste vannsementtall, lik 2.0. Tilsvarende prosedyre benyttes også ved delvis gjennomløping. Ved blokkering økes automatisk spalteåpningen. For hver blanding (bruk), plottes resultatene som funksjon av gjennomløpt mengde (evt volum) på y-aksen, og vann-sement-tall (evt vann-pulver-tall for blandinger med mikrosilika) på x aksen. Eksempel på serie er vist i figur 9 nedenfor. Figur 9. Den stiplede linjen er en omhyllingskurve som interpoleres mellom verdiene som framkommer ved hvert vct-tall. (Formålet ved denne artikkelen er ikke å gi produktspesifikke data). For hver spalteåpning vil derfor området mellom beste og dårligste omhyllingskurve for de sementene som hadde hel eller delvis penetrasjon bli presentert. RESULTATER FRA NES-TESTENE. Resultatene fra NES-testene ligger stort sett innenfor forventningsområdet, men med noen overraskelser som påkaller oppmerksomhet samt grundigere tolkning for at testresultatene skal kunne overføres til injeksjon i berget. Dette vil bli nærmere omtalt nedenfor under tolkning av resultatene. Spalteåpning 50 mikron. Av de sementene som ble prøvd, var det bare kun 4 som hadde en viss penetrasjon ved denne spalteåpningen. I forhold til hovedhypotesen, nemlig at det er de fineste sementene som gir best inntrengning, ble denne for så vidt bekreftet i dette forsøket. Av de sementer som hadde en viss penetrasjon, var det kun sementer som hadde en d95 mellom 10 og 15 mikron i henhold til fabrikantens anvisning. Omhyllingskurven for de sementer som passerte 50 mikron spalten er vist i figur 10. Figur 10. Den beste av de testede sementene hadde full gjennomløpning ved vct=2.0. Av de testede sementene var det kun en som oppnådde dette resultatet. Et annet interessant resultat, er at sammenligner man den beste og sementen ved vct =0,7 og vct = 2.0, finner man at ved det høyeste vct, vil det være en gjennomløpning av et volum som er tilnærmet 5 ganger så stort. Dersom man har stabile bruk, vil dette være en åpenbar gevinst i forhold til brukets evne til å trenge inn på å forsegle sprekker. Det er også verd å merke seg at kurven endrer vinkelkoeffesient i området vct= 1.2-1.3. Det vil si at man får en markert forbedring av penetrasjonsevnen i dette området. Dette er interessant også fordi tilsvarende effekter har vært entydig observert i felt. Spalteåpning 75 mikron. Observasjonen fra spalteåpning 75 mikron, fulgte også langt på vei forventningsområdet. Av de testede sementene var det 7-8 stykker som hadde mer eller mindre penetrasjon ved 75 mikron, se figur 11. Av disse var det noen som sementer som hadde oppgitt d95 mindre enn 16 mikron, som ikke hadde hatt penetrasjon ved spalteåpning 50 mikron. Det var også andre resultater som overrasket noe, og som krever videre analyse og tolkning: Den sementen som hadde beste penetrasjon ved 75 mikron, er av produsenten oppgitt til å ha en d95 lik 30 mikron. Denne sementen hadde imidlertid ingen penetrasjon ved 50 mikron. Til sammenligning hadde en sement med d95 lik 12 mikron, penetrasjon ved 50 mikron men dårligere enn 30-mikron-sementen omtalt ovenfor ved spalteåpning 75 mikron. (Forsøket ble gjentatt flere ganger med samme resultat) Tilsynelatende er disse resultatene ulogiske, og det vil derfor kreves nærmere forklaringer. I injeksjonsmiljøene har ulike tolkninger vært forsøkt gitt med ulikt utgangspunkt. En vanlig oppfatning i mange miljøer har vært at man for mikrosementene har en tendens til kornvekst forårsaktet av en tidlig sementreaksjon i mikroområdet. Dette ble ikke bekreftet ved forsøkene som ble utført med inert (sterkt retarderte) injeksjonsbruk for de to aktuelle sementene. Den bærende forklaringen vil derfor knyttes til brukenes rheologiske egenskaper. Spalteåpning 100 mikron. Observasjonene fra spalteåpning 100 mikron, bød ikke på store overraskelser. Av ikke regulære funn, kan nevnes sementer som av fabrikanten var oppgitt med forholdsvis høye blain-verdier fikk dårlig penetrasjon selv ved denne spalteåpningen. Forklaringen åpenbarte seg imidlertid ved kornfordelingsanalysene, der disse sementene viste seg å ha en svært markert grovhale, dvs overkorn i forhold til forventet finhet basert på blaintallet. Figur 12. Et punkt som også er verd å merke seg er at den såkalte industrisementen hadde meget dårlig inntrengningsevne. Dette er i og for seg ikke overraskende sett hen til kornfordelingskurven det som kanskje overrasker mer er hvordan slike resultater tas enkelte ganger neglisjeres ved praktisk injeksjonsarbeider. Det er også viktig å merke seg at i det området der man fikk inntrengning med industrisement, er den komplett ustabil uten tilsetting av mikrosilika slurry (GroutAid®). RESULTATER FRA SANDKOLONNETESTENE. Forsøkene med sandkolonnen ble utført for å verifisere de resultatene som ble oppnådd i NES-apparatet. Motivasjonen for å gjøre sammenlignbare forsøk i sandkolonne, var å kunne sammenligne de to forsøksinnretningene. Fordelen ved å benytte sandkolonne, er at forsøkene krever mindre utstyr og tilrigging. Ulempen med sandkolonne er at resultatene lett kan påvirkes at tilriggingsprosedyrene; f.eks vil pakkingen av sand være en kritisk faktor. Overførbarheten til resultatene blir derfor mer usikker. Forsøkene i sandkolonnen ble gjort med to forskjellige sandtyper, en fin sand (betegnet sand 18) og en grovere (betegnet sand 50). Av spesiell interesse for denne forsøksserien, var å få bekreftet sammenhengen mellom kornstørrelse på sementene og inntrengningsevne, her uttrykt som penetrasjon i centimeter inn i sandkolonnen. Sand 18: resultatene fra sand 18, gir en delvis bekreftelse på hovedhypotesen, nemlig at det er de fineste sementene som gir best inntrengning, resultatene fra testen med sand 18, er vist i figur 13, nedenfor. Figur 13. Det er verd å merke seg at ingen av de såkalte mikrosementene, dvs med kornstørrelse på ca 30 mikron, hadde inntrengning i den fineste sanden. Den ultrafine sementen som ga best inntrengning hadde til dels dårlig stabilitet. Dette er ifølge forventningen, da den også vil ha lavere forlengelsesviskositet. Sand 50: Resultatene fra den grovere sanden bød heller ikke på store overraskelser. I denne sanden fikk man god inntrengning av de ultrafine sementene og mindre god inntrengning med de mikrosementer som ble prøvd, se fig 14. Figur 14. Fenomenet med bedre penetrasjon av en grovere sement (30 μ versus 12 μ), som beskrevet under NES-testen, spalteåpning 75 mikron, kunne delvis også observeres i denne testen, men var her mindre tydelig. FILTERPUMPETESTER. Det har bl.a i Elkems laboratorier i Kristiansand, Norge, vært utført filterpumpetester i forbindelse med testing og utvikling av såkalt moderne injeksjonsbruk. Resultater fra slike tester med filterpumpe er vist i tabell 1-5 nedenfor. Testene er gjort med sementer fra samme fabrikant. Tabell 1: Forsøk filterpumpetest med 12 µ sement. Tabell 2: Forsøk filterpumpetest med 12 µ sement. Tabell 3: Forsøk filterpumpetest for 30 µ sement. Tabell 4: Forsøk filterpumpetest for 30 µ sement. Tabell 5: GroutAid, spesiell mikrosilika slurry for injeksjon. Sammenholdes tabell 1 - 5, kan de se ut som om det er de ustabile suspensjonene som har best karakteristikker i filterpumpetesten, samtidig som de f.eks gir de dårligste resultatene i bleeding-tester. Det er også verd å merke seg vilkårligheten som er i prøveresultatene. En oppsummering av disse testene sier imidlertid: * Det er kun de fineste sementene som passerer Filterpumpen når man benytter 45μ filteråpning. * Ustabile sementer har tilsynelatende bedre inntrengning gjennom Filterpumpen. * Filterpumpen diskriminerer klart kohesive masser og injeksjonsbruk som er stabilisert med mikrosilika. Resultatene av filterpumpen er delvis motsatte av resultatene av NES-apparatet og resultatene fra sandkolonnen. Tester i filterpumpen har i tillegg lav reproduserbarhet. Sammenlignes tester i filterpumpen med andre tester er det klare indikasjoner på at filterpumpetesten gir feilaktige resultat i forhold til å simulere inntrengningsevne på bergsprekker. Det er imidlertid store feilkilder da Filterpumpen viser lav reproduserbarhet i testene. Et annet viktig poeng å merke seg er at resultater fra tester i Filterpumpen også er svært personavhengige. Som en kuriositet nevnes at en av laborantene var for liten av vekst og hadde for liten armstyrke til å kunne utføre testene. Mye av forklaringen på de uventede resultatene fra Filterpumpetestene kan være at alt trykktap tas over filteret slik at her er det hovedsaklig forlengelsesviskositet som dominerer forsøksresultatene. Dette vil også kunne gi stor spredning i prøveresultatene. Sammenlignet med f.eks NES-apparatet: Her er geometrien konstant over hele strømings-kanalen; dermed er det mer den skjæravhengig viskositeten som blir dominant. KONKLUSJONER. De omfattende forsøkene har gitt mange lærdommer. Ut fra de gjennomførte forsøkene og evaluering av resultatene gis følgende hovedkonklusjoner: * De ultrafine sementene (d95<12 µ) gir bedre inntrengning enn mikrosementer (d95<30 µ). * Den typiske industrisementen er uegnet til fintetting. Ved åpne sprekker kan den imidlertid fungere forutsatt at den er stabilisert. * Mange av de testede sementene ga betydelig dårligere inntrengning enn hva fabrikantenes spesifikasjoner skulle indikere. Dette skyldes en betydelig grovhale som medførte blokkering. * Økning av vannsementtallet gir vesentlig bidrag til forbedret inntrengningsevne. Dette blir særlig merkbart når vannsementtallet overstiger 1.2. * Suspensjoner av fine masser er mer kohesive og stabile enn suspensjoner som er bygd opp av grovere korn. Kohesive masser har høyere skjærviskositet og forlengelsesviskositet enn mindre kohesive masser. * Det er viktig å benytte forsøksutrustning som gir god sprekkesimulering. I denne forsøksserien er NES apparatet best egnet, sandkolonnen middels til dårlig egnet og filterpumpen definitivt uegnet. Årsaken er at kohesive masser diskrimineres delvis av sandkolonnen og definitivt av filterpumpen fordi forlengelsesviskositeten blir dominerende. Resultatet blir dermed et mål for forlengelsesviskositet, snarere enn et mål for inntrengningsevne. Referanser: * Khan et al 2004 , Khan, R., Kuru, E., Tremblay, B. and Saasen, A., An Investigation of the Extensional Viscosity of Polymer Based Fluids as a Possible Mechanism of Internal Cake Formation, paper SPE 86499 presented at the SPE International Symposium and Exhibition on Formation Damage Control, Lafayette, Louisiana, 18-20 February, 2004.). * Dalmalm 2001, Grouting Prediction Systems for Hard Rock, -based on active design, Licenciate Thesis Division of Soil And Rock, Stockholm, Sweden, 2001 * Holm, J.V. & Heimli, P. 2002. Laboratorietesting av Injeksjonssementer ved T-Baneringen. Rapport nr. 6, Miljø og Samfunnstjenelige Tunneler, Statens Vegvesen, Oslo, 2002. * Barnes, H.A., Hutton, J.F., and Walters, K.: An Introduction to Rheology, Rheology Series 3, Elsevier, Amsterdam. 1989 * Roald 2003, Roald, S, Sammenhengen mellom injeksjons- og stabilitetsforhold + fjellets mekaniske egenskpaer vs sikring, NFF Bergmekanikkdagen Oslo, 2003.