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Lehrstuhl für Ingenieurgeologie

Technische Universität München

Abrasivität & Verschleiß

Altes Thema in neuem Licht? Kurosch Thuro mit besonderem Dank an Heiko Käsling

Vortrag am Geotechnischen Institut der TU Wien, 11. Mai 2011

Thuro Abrasivität und Verschleiß - altes Thema in neuem Licht? 2

Verschleiß bei Schneidrollen/Disken


Verschleiß bei Rundschaftmeißeln


Sind Lockergesteine ebenfalls abrasiv?

!  TBM Schildmaschinen !  Bohrpfahlherstellung

Schäl- messer

Rollenmeißel

Rundschaftmeißel


Verschleiß an Bohrwerkzeugen

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Abrasivität beeinflusst Gebirgslösung

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Abrasivität beeinflusst Löseleistung!


Verschleiß & Abrasivität

!   Abrasivität !   Eigenschaft des Gesteins (Materials), einen

Werkzeugverschleiß hervorzurufen !   Verschleiß an gesteinsbearbeitenden Werkzeugen

!   Vorgang eines fortschreitenden Materialverlustes !   aus der Bearbeitungsoberfläche des Werkzeuges !   bedingt durch den mechanischen Kontakt und

Relativbewegung !   des Werkzeuges zum Gestein

!   Verschleiß von Werkzeugen !   keine eigene Materialgröße !   gesteuert von einem System sich beeinflussender Faktoren !   Werkzeug - Gestein ! Inhomogenität & Verteilung der

Komponenten, Korngröße, Festigkeit, messbare Abrasivität von Komponenten


Bestimmung der Abrasivität

! CERCHAR-Abrasivitätsversuch hat sich für Unter-suchung von Festgesteinen etabliert

!   LCPC-Abrasivitätsversuch (Abroy-Versuch) wird in Europa vermehrt in Fest- und Lockergesteinen eingesetzt

!   NTNU-Versuche für Fest- und Lockergesteine (Skandinavien, Nordamerika)

!   Zahlreiche weitere Versuche für spezielle Fragestellungen (z. B. Los Angeles-Test, ... )

! Abrasivitätsuntersuchungen können lediglich ein Verschleißpotential ergeben!


Dünnschliff-Modalanalyse Äquivalenter Quarzgehalt


CERCHAR-Abrasivitäts-Test


CERCHAR-Abrasivitäts-Test

! Fränzösische Norm NF P94-430-1 und zahlreiche weitere Veröffentlichungen

! CERCHAR-Abrasivitäts-Index (CAI) wird weltweit als Eingangsparameter in Verschleißprognosen verwendet (Diskenverschleiß nach GEHRING oder CSM)

!   Zahlreiche Versuchsmodifikationen weltweit !   große Abweichungen der Ergebnisse !   Stahlsorte und –härte, Prüfgerät (Stabilität!)

!   Probekörper-Oberfläche (bruchrau oder gesägt)

!   Ablesung, Anzahl der Einzelversuche, Orientierung


CAI – Äquivalenter Quarzgehalt Auswertung in einer geologischen Einheit

THURO & KÄSLING, Geomechanik & Tunnelbau 2, 2009


CAI – Äquivalenter Quarzgehalt Auswertung für viele unterschiedliche Gesteine

Extreme Streuung, wenn beliebige Gesteine zusammengestellt werden!

PLINNINGER, KÄSLING, THURO & SPAUN Geotechnik 02/2002

CAI ist gegenüber ÄQu Festigkeits-gesteuert!


CAI – Äquivalenter Quarzgehalt Auswertung für viele unterschiedliche Gesteine

Keine Übereinstimmung mit der Arbeit von WEST 1989!

nach WEST 1989 in PLINNINGER et al. 2002


CAI – Härte des Prüfstiftes

KÄSLING & THURO Baugrundtagung 2010


CAI – Härte des Prüfstiftes

Keine Daten mit CAI größer 4!

Daten aus Rostami et al. 2005

?

KÄSLING & THURO Baugrundtagung 2010


CERCHAR-Abrasivitäts-Index Klassifizierung

Verschleißpotential!

LCPC Abrasivitäts-Test „Abroy Versuch“ FNOR P18-579


THURO & KÄSLING 2009


Massenverlust des Stahlflügels: LCPC-Abrasivitäts-Koeffizient (LAK) [g/t]

Masse des Feinkorns (<1,6 mm) nach dem Versuch:

LCPC-Brechbarkeits-Koeffizient (LBK) [%]

Bei Lockergesteinen nicht bestimmbar


Probe 36-12-KP07: GU - quarzreicher Kies LAK = 1540 g/t

Kornsummenkurven vor/nach dem LCPC Test


Probe 36-12-KP08: SU - quarzreicher Sand LAK = 100 g/t

Kornsummenkurven vor/nach dem LCPC Test


LCPC-Abrasivitätsversuch

!   Entwickelt am „Laboratoire Centrale des Ponts et des Chaussées“ (Paris)

!   Französische Norm P18-579 (1990) Granulats: Essai d’abrasivité et de broyabilité.

!   wenige Publikationen vor 2006 (z. B. BÜCHI et al. 1995) !   Normung beschreibt nur das Versuchsgerät

!   Erarbeitung einer Empfehlung durch den AK 3.3 Versuchstechnik Fels der DGGT ! Rahmenbedingungen

!   Einheitliches Klassifikationsschema für CAI und LAK erforderlich

!   Anwendung des Versuches in Boden und Fels möglich


Korrelation Abrasivität CAI - LAK






Geradengleichung ist abhängig vom Datenbestand!

!Thuro Abrasivität und Verschleiß - altes Thema in neuem Licht? 27


KÄSLING & THURO 2010 Baugrundtagung


LCPC Abrasivitäts Koeffizient LAK Klassifizierung



Korrelation LAK - Äquivalenter Quarzanteil KÖHLER, MAIDL & MARTAK 2011

KÖHLER, MAIDL & MARTAK Geomechanics & Tunnelling 1/2011

Keine Korrelation erkennbar?


Korrelation LAK - Äquivalenter Quarzanteil Thuro & Käsling 2009

THURO & KÄSLING 2009 mit Daten von KÖHLER et al. 2011

Gehalt an abrasiven Komponenten (%)

Im Gesamt- zusammenhang schon!


Probe 36-12-KP04: Feinkies-Fraktion GW quarzreicher Kies

LAK = 1000 g/t

Quarz Sandstein

LCPC Test Ergebnisse Vergleich mit Komponenten-Analyse


57%

6%4%

1%1%6%

25%

Quarzknauern, Gangquarz quarzreiches Kristallin (z.B. Quarzite, Gneise)Lydite, Hornsteine Buntsandstein (rot gefärbter Quarzsandstein)andere quarzitisch gebundene Sandsteine karbonatisch gebundene SandsteineKarbonate (Kalke)

SU* quarzreicher Sand

LAK = 80 g/t

LCPC Test Ergebnisse Vergleich mit Komponenten-Analyse

Quarz Kalk


Klassifikation der Abrasivität LCPC-Abrasivitäts-Koeffizient - Korngröße










Projektdaten


Korrelation LAK - Rundungsgrad

KÄSLING 2011


Untersuchung der Abrasivität

!  Abrasivität mit dem LCPC Test !  1:1 Versuch wünschenswert, aber nicht

wirtschaftlich !  neue Ansätze: Adam & Drucker, TU Wien

!  Korngrößenverteilung !  Komponentenanalyse

!  vor allem Quarz, Kristallin (Amphibolite, Eklogite ...) !  Gesteinszusammensetzung qualitativ - quantitativ

!  Rundungsgrad der Komponenten !  Lagerungsdichte & Gesamtporosität !   „Geologische Entstehung“


Geologische Einflussfaktoren auf die Abrasivität bzw. den Verschleiß

!  Material der Komponenten !  Quarz hat hohe Abrasivität, Karbonat niedrige

!  Korngrößenverteilung !  Abrasivität nimmt mit der Korngröße

überproportional zu ! Einfluss der Steine !  Kornrundung

!  Abrasivität nimmt mit dem Rundungsgrad ab !  Lagerungsdichte

!   Verschleiß nimmt mit der Lagerungsdichte zu !  Verfestigte Lagen

!   Verschleiß steigt in solchen Lagen extrem an!


Schlussfolgerungen

!  Quarzreiche Kiese !  sehr hohe bis extrem hohe Abrasivität

!  Massenanteil entscheidend !  hoch abrasive Gesteine (Quarz, Amphibolite etc.) !  grobe Komponenten (Kies - Steine - Blöcke)

!  Besonders problematisch !  verfestigte Lagen (! z.B. Konglomerate)

!  untergeordnete Rolle !  Sande, Tone und Schluffe

!  Korn-Gemische !  hoher Ton-Schluff-Anteil „dämpft“, d.h. geringere A.


Zusammenfassung

!   Versuchsempfehlung für den CERCHAR-Versuch des DGGT AK3.3 Versuchstechnik Fels ist fertig gestellt

!   Empfehlung für LCPC-Versuch und petrografische Untersuchungen sind in Vorbereitung

!   Die richtige Probennahme nimmt eine zentrale Stellung ein

!   Verlassen Sie sich nie auf reine Zahlenwerte und einzelne Parameter

!   Kombinieren Sie vorhandenes Wissen und bewerten Sie die erhaltenen Ergebnisse hinsichtlich ihrer Plausibilität


extrem hoher Verschleiß

sehr hoher Verschleiß

hoher Verschleiß

normaler Verschleiß

geringer Verschleiß

kein Verschleiß

Verschleiß- bezeichnung

extrem abrasiv

stark abrasiv

abrasiv

schwach abrasiv

kaum abrasiv

nicht abrasiv

Abrasivitäts-klassifikation

Abrasivität " ! Verschleiß


Abrasivitätsuntersuchungen

... wie beim Zahnarzt: !  nicht „Vorbeugen ist besser als Bohren“, aber !  Fundierte Voruntersuchen sind

allemal besser als Nachträge!


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