Burbaum, Ulrich (2009)
Adhäsion bindiger Böden an Werkstoffoberflächen von Tunnelbohrmaschinen.
Technische Universität Darmstadt
Dissertation, Erstveröffentlichung

Kurzbeschreibung (Abstract)

Die adhäsiven Eigenschaften von bindigen Böden können bei Bearbeitung zu deren Anhaften an den Oberflächen der Bearbeitungswerkzeuge führen. Bei maschinellen Schildvortrieben führen solche Anhaftungen häufig zum Verkleben z.B. von Werkzeugen am Schneidrad oder zum Verstopfen von Transportwegen. Die Vortriebsgeschwindigkeit wird dadurch erheblich reduziert, in manchen Fällen kommt es zum Stillstand der Maschine. Verklebungen stellen daher ein erhebliches technisches und wirtschaftliches Risiko für Tunnelprojekte dar. Als Eigenschaft des Baustoffes Boden sind dessen adhäsive Eigenschaften durch den Bauherrn zu erkunden und als Grundlage für Ausschreibung, Vergabe, Kalkulation und Risikobewertung von maschinellen Tunnelbauvorhaben zu beschreiben. Im Rahmen dieser Arbeit wurde auf der Grundlage des Standes der Forschung ein Adhäsionsversuch weiter entwickelt, mit dem nunmehr ein geeignetes Verfahren zur Untersuchung der Adhäsionseigenschaften zur Verfügung steht. Dem Versuch liegt ein ziehendes Trennprinzip zugrunde. Dazu wird ein Adhäsionstestzylinder als Werkstoff auf eine Bodenoberfläche mit einer definierten Andruckspannung und –dauer gedrückt und wieder abgezogen. Die Oberfläche des Bodens wird vor dem Aufdrücken des Adhäsionstestzylinders mit einer Flüssigkeit benetzt. Mit diesem Versuch können Adhäsionsspannungen im Rahmen einer für bodenmechanische Versuche akzeptablen Reproduzierbarkeit bestimmt und schließlich Kennwerte der Adhäsionseigenschaften quantifiziert werden. Für Adhäsionsversuche werden ein leichtplastischer Ton, der aus einem Tonstein gewonnen wurde, ein mittelplastischer und zwei ausgeprägt plastische Tone verwendet. Die Versuche offenbaren den erheblichen Einfluss der Flüssigkeit in der Grenzfläche zwischen Boden und Werkstoff. Weiterhin belegen sie, dass Rauhigkeit und Material der Oberfläche der Werkstoffe einen untergeordneten Einfluss auf die Adhäsionsspannungen haben. Außerdem zeigen die Versuche, dass auch leichtplastische Tone und Tone ohne quellfähige Tonminerale Adhäsionseigenschaften zeigen können, die mit denen von Tonen mit erheblichem Anteil an quellfähigen Tonmineralen vergleichbar sind. Physikalisch wird das Anhaften von Böden durch den Kapillardruck einer Flüssigkeit in der Grenzfläche zwischen Boden und Werkstoffoberfläche erklärt. Es handelt sich dabei um einen Grenzflächeneffekt. Der Kapillardruck wird im Rahmen dieser Arbeit als Adhäsionsspannung definiert. Diese steigt, je kleiner der Abstand zwischen Boden und Werkstoff wird, bzw. je geringer die Dicke der Flüssigkeit bzw. je geringer das Volumen der Flüssigkeit in der Grenzfläche ist. Das Volumen der Flüssigkeit in der Grenzfläche wird durch die Eigenschaften des Bodens über einen Transport der Flüssigkeit aus der Grenzfläche heraus bzw. in sie hinein gesteuert. Dabei bestimmen das Matrixpotenzial und die Durchlässigkeit des Bodens diesen Flüssigkeitstransport maßgebend. Der für den Flüssigkeitstransport erforderliche hydraulische Gradient wird mit Messungen des Porenwasserdrucks im Boden während eines Adhäsionsversuches nachgewiesen. Bei dem vorliegenden Fall handelt sich um eine nichtstationäre, eindimensionale Wasserbewegung in senkrechter Richtung im ungesättigten Bereich. Mit einer vereinfachten Betrachtung nach dem Gesetz von Darcy können die gemessenen Adhäsionsspannungen aus den Ergebnissen der Porenwasserdruckmessungen theoretisch nachvollzogen werden. Es zeigt sich, dass das Konsolidationsverhalten von Böden dabei einen erheblichen Einfluss haben kann und bei leichtplastischen Böden, die ihr Porenwasser vergleichsweise leicht abgeben, nicht vernachlässigt werden kann. Bei der Adhäsion handelt es sich um ein System mit komplexen Wechselwirkungen von Bodeneigenschaften einerseits und äußeren Einwirkungen andererseits. Hierfür wird ein bodenphysikalisches Modell entwickelt. Anhand dieses Modells werden die verschiedenen Einflussgrößen dargestellt und alle Ergebnisse der eigenen Adhäsionsversuche als auch die Ergebnisse früherer Forschungsarbeiten qualitativ erklärt. Mit Hilfe des Adhäsionsversuches kann nunmehr das Verklebungspotenzial eines Bodens quantifiziert werden. Dazu muss das Adhäsionsverhalten eines Bodens über einen Konsistenzbereich bewertet werden. Weiterhin ist es möglich, aus dem Adhäsionsverhalten des Bodens Grundlagen für die Planung des Vortriebes zur Vermeidung von Verklebungen abzuleiten.

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