Einflussfaktor Wasser

Auf Basis des bisherigen Wissensstands (siehe Abschnitt 4.1.5) war davon auszugehen, dass die Abrasivität von Lockergestein maßgebend davon bestimmt wird, ob bzw. wie viel Feuchtigkeit vorhanden ist. Aus diesem Grund sollen die Untersuchungen über den Einfluss von Wasser auf die Abrasivität der Bodenproben als erstes behandelt werden.

Anhand einer Versuchsreihe mit rezentem Donauschotter aus dem Wiener Prater (Probe C3 gemäß Tabelle 6-2) wurden die Auswirkungen von unterschiedlichen Wassergehalten (w = 5 – 25%) auf den Drehflügelverschleiß im TU Wien Abrasimeter (Ausbaustand III) untersucht. Dabei zeigte sich jedoch kein ausgeprägtes Abrasivitätsmaximum bei einem bestimmten Wassergehalt des Abrasivguts.

Die gemessenen Verschleißmassen der Abrasimeter-Drehflügel belegen vielmehr, dass die Abrasivi-tät des Donauschotters bei Befeuchtung auf ein in etwa dreimal so hohes Niveau wie jene des ofen-trockenen Bodens ansteigt, und zwar unabhängig vom eingestellten Versuchswassergehalt (fW = 2,9 – 3,3). Wie aus Abbildung 6-5 abzuleiten ist, weist die Messung nach der ersten Versuchsstunde

Messungen nach einer halben und nach zwei Stunden Versuchsdurchführung nicht bestätigt. Die Verschleißintensitäten wms des TU Wien Abrasimeter-Drehflügels pendeln, unabhängig vom Wasser-gehalt, während der ersten Versuchsstunde (Messungen n = 1 und 2) zwischen 0,65 – 0,75 mg/m, während wms bei der trockenen Probe während der gesamten Versuchsdauer nur 0,22 mg/m beträgt.

Beim dritten Messzeitpunkt, nach zwei Stunden, stellten sich bei den befeuchteten/nassen Proben deutlich reduzierte Verschleißgeschwindigkeiten ein, was auf die mit der Versuchsdauer zunehmende Freischlagproblematik des Drehflügels zurückzuführen ist, die sich insbesondere bei niedrigen Wassergehalten w < 15% ausgeprägt auswirkte.

Abbildung 6-5: Einfluss des Wassergehalts auf die Drehflügel-Verschleißintensität wms [mg/m] im TU Wien Abrasivitätsversuch mit rezentem Donauschotter, Daten aus [35].

Vergleichsversuche mit der Kornfraktion 8 – 16 mm des quartären Donauschotters aus der Marchfelder Kiesgrube (Probe A2) bestätigen das Fehlen eines ausgeprägten Abrasivitätsmaximums in Abhängigkeit vom Wassergehalt [35]. Der Abrasivitätssteigerungsfaktor infolge Wasserzugabe beträgt für diese gleichkörnige Probe gleichzeitig nur fW = 1,7.

Eine mögliche Erklärung für das Fehlen eines deutlichen Abrasivitätsmaximums bei einem bestimmten Wassergehalt ergibt sich aufgrund der vergleichsweise großen Korndurchmessern der verwendeten Schotterproben: Die in der Literatur dargestellten Verschleißmaxima bei einem Wassergehalt des Abrasivguts von w ~ 10% beruhen auf Verschleißtopfversuchen mit Sanden < 3 mm [95] bzw. Sand-Fein-Mittelkies-Gemischen < 10 mm [50]. Im Gegensatz dazu ist in den intermittierend gestuften Donauschotterproben (Größtkorn 31,5 mm) lediglich ein Sandanteil von rd. 20% enthalten und es erscheint naheliegend, dass die entsprechend großen Poren der Bodenproben – unabhängig vom Wassergehalt – die Ausbildung einer abrasivitätssteigernden „scheinbaren Kohäsion“ verhindern.

Dieser Erklärungshypothese würden jedoch die Ergebnisse der LCPC-Versuche widersprechen, die an Proben mit Korngrößen 4 – 6,3 mm sehr wohl ein Abrasivitätsmaximum (bei w = 15%) belegen (siehe Abbildung 4-16). Auf der anderen Seite wäre es allerdings auch denkbar, dass die enorme Drehflügelgeschwindigkeit des LCPC-Drehflügels (4.500 U/min) und die daraus resultierenden

Flieh-kräfte an den Feststoffpartikel in der Suspension für das wassergehaltsabhängige Verschleißverhalten des Drehflügels verantwortlich sind.

Andere Ursachen für das Fehlen eines Abrasivitätsmaximums in Abhängigkeit vom Wassergehalt der Bodenproben im TU Wien Abrasimeterversuch sind ebenfalls denkbar: So könnte ein allenfalls vorhandenes Abrasivitätsmaximum bei einem sehr geringen Wassergehalt (< 5%), oder in einem sehr engen Bereich zwischen den – mehr oder weniger genau – eingestellten Versuchswassergehalten (z.B. bei genau w = 7,25%) liegen, was mit dem TU Wien Abrasimeter nicht erfasst werden kann.

Darüber hinaus könnte sich der „kritische Wassergehalt“, welcher zu einem Abrasivitätsmaximum führen würde, mit der zunehmenden Kornverfeinerung während der Versuchsdurchführung laufend verschieben. Eine versuchstechnische Ursache ist ebenfalls möglich, da die Flügelrotation während des TU Wien Abrasimeterversuchs zur Entmischung der Probe führt. Es konnte beobachtet werden, dass die Wasser-Feinkorn-Suspension (insbesondere bei Versuchswassergehalten > 15%) nach oben – über den Auflastring – und an den Topfrand gedrückt wird. Im unmittelbaren Bereich um den Drehflügel könnte sich daher innerhalb der Bodenprobe immer mehr oder weniger derselbe Wasser-gehalt einstellen (z.B. der SättigungswasserWasser-gehalt). Dieser Erklärungshypothese widersprechen jedoch die ermittelten Verfeinerungsgrade, welche in Abhängigkeit vom Wassergehalt während der Versuchsdurchführung starke Unterschiede aufwiesen: Obwohl für die Abrasimeterversuche mit den Proben C3 eine gleichbleibende Ausgangskornverteilung hergestellt wurde, variierten die Verfeinerungsgrade nach Versuchsende zwischen G = 26 cm² (bei w = 5%) und G = 71 cm² (bei w = 15%). Bei der trockenen Versuchsdurchführung und bei den Versuchen mit 10%, bzw. 25%

Wassergehalt lagen die Verfeinerungsgrade zwischen diesen Extremwerten. Die Verfeinerungsgrade korrelieren nicht mit den gemessenen Drehflügelverschleißwerten. [35]

Die TU Wien Abrasivitäts-Untersuchungen mit und ohne Wasser bestätigen an verschiedenen Locker-gesteinsproben die grundsätzliche abrasivitätssteigernde und kornverfeinerungsfördernde Wirkung von Wasser, siehe Tabelle 6-8. Das Ausmaß der Einflussnahmen ist jedoch nicht einheitlich: Während die Abrasivitätssteigerungsfaktoren infolge Wasser fW [-] zwischen 1,3 und 2,9 liegen, betragen die Steigerungsfaktoren der Kornverfeinerung zwischen 1,3 und 1,8 (mit einem Ausreißer von 2,7) und korrelieren nicht miteinander.

Aus den Versuchen A2, A4 und A6 ist in Tabelle 6-8 der Trend abzulesen, dass der Einflussfaktor von Wasser auf die Abrasivität fW [-] mit zunehmendem mittleren Korndurchmesser der Bodenprobe abnimmt, was mit den analytischen Überlegungen in Abschnitt 4.1.5 übereinstimmen würde: Je kleiner die Körner sind, umso mehr davon befinden sich im Versuchstopf und umso größer ist auch die Porenanzahl in der Probe, bei gleichzeitig kleineren Porenweiten. Insgesamt sind die möglichen Bindungskräfte des Porenwinkelwassers bei feinkörnigen Proben größer als bei grobkörnigen (vergleiche Kohäsion in feinkörnigen Böden). Höhere Bindungskräfte führen dazu, dass dem Drehflügel bei seiner Bewegung durch die Bodenprobe mehr Widerstand entgegengesetzt wird, was zu einer Zunahme des Abrasivverschleißes führt.

Tabelle 6-8: TU Wien Abrasivitätsindizes AIW [-] und auf die Versuchsdauer bezogene Verfeinerungsgrade

G/D [cm²/h] für trockene und für nasse Versuchsdurchführungen, Daten aus [33-35, 67].

Beschreibung der Materialien

A Quartärer Donauschotter Marchfeld (Niederösterreich) A2 Kornfraktion 8 – 16 mm 11,5

B Rezenter Donauschotter Lobau (Wien) B2 reduzierte Probe 0,063 – 31,5 mm

11,5 Zunder 128 165 1,3 6 16

B3 reduzierte Probe 4 – 31,5 mm 186 309 1,7 10 15

C Rezenter Donauschotter Prater (Wien) C3 reduzierte Probe 0,063 – 31,5 mm

13,5

III 63 183 2,9 20 26

C3 reduzierte Probe 0,063 – 31,5 mm Zunder 208 354 1,7 20 30 C4 Sonderprobe 6,3 – 31,5 mm QUARZ III 81 196 2,4 8 13

D Quartärer Innschotter Unterinntal (Tirol)

D2 reduzierte Probe 4 – 31,5 mm 13,5 III 84 239 2,8 32 53 Flügel III  sandgestrahlte Oberfläche (Abrasimeter-Ausbaustand III) Aufgrund dieser Versuchsergebnisse und unter Berücksichtigung der Grundlagen gemäß Abschnitt 4.1.5 dürfte die Größe der Einflussnahme von Wasser auf die Abrasivität von folgenden Locker-gesteinseigenschaften abhängen:

 Mineralogie der Einzelkörner (bestimmt die Größe der Kontaktwinkel des Porenwinkelwassers und damit die Wirkungsrichtung der Kontaktspannungen zwischen den Bodenpartikeln)

 Korngrößen und Kornverteilung (bestimmen die Porenweiten und Porenzahlen )

 Kornformen (bestimmen ebenfalls die Porenweiten und Porenzahlen)

Darüber hinaus haben folgende TU Wien Abrasimeter-Randbedingungen Einfluss auf den Steigerungsfaktor der Abrasivität durch Wasserzugabe fW [-]:

 Eine sandgestrahlte Drehflügeloberfläche erhöht die Einflussnahme von Wasser auf den Abrasivitätsindex signifikant (auf fW > 2) gegenüber einer Oberfläche mit Zunderschicht.

 Die Größe der aufgebrachten Auflast hat praktisch keine Bedeutung für die Höhe der Abrasivitätssteigerung durch die Befeuchtung des Abrasivguts (vergleiche Proben A2 in Tabelle 6-8).

 Mit zunehmender Versuchsdauer wird der Abrasivitätssteigerungsfaktor infolge Wasser f_W [-]

größer, was auf die zunehmende Kornverfeinerung (Abnahme des mittleren Korndurch-messers) zurückgeführt wird.

Abbildung 6-6 verschafft einen Überblick über die Höhe der Abrasivitäts-Steigerungsfaktoren infolge Befeuchtung des Abrasivguts, in Abhängigkeit von Versuchsdauer, gewogenem mittleren Korndurch-messer und Auflast bei der Versuchsdurchführung (dmg = 12 mm). Einschränkend muss jedoch eingeräumt werden, dass das vorhandene Datenkollektiv aus den vorliegenden Abrasimeterversuchen relativ klein ist, die daraus abgeleiteten Schlüsse über die Höhe der Einflussnahme einer Befeuchtung des Abrasivguts können daher nicht als vollständig abgesichert gelten.

Abbildung 6-6: Gegenüberstellung von Drehflügel-Verschleißmassen bei Verwendung von trockenem bzw.

nassem Abrasivgut nach einer (links) bzw. zwei (rechts) Stunden Versuchslaufzeit [35].

Bei sämtlichen Abrasimeterversuchen erhöhte sich die erzielte Kornverfeinerung durch die Zugabe von Wasser deutlich gegenüber der trockenen Versuchsdurchführung, wie den Werten für die auf die Gesamtversuchsdauer bezogenen Verfeinerungsgrade G/D [cm²/h] in Tabelle 6-8 zu entnehmen ist.

Das durch die Flügelrotation entstehende Mahlgut verbindet sich mit dem in der Probe enthaltenen Wasser zu einem Brei, der, aufgrund der anwachsenden Mahlgutmenge, mit zunehmender Versuchsdauer fester wird. Die nachfolgende Abbildung 6-7 zeigt anschaulich, dass nach sechs-stündiger Versuchsdurchführung, eine enggestufte, grobkörnige Probekörnung 8 – 16 mm (Material A2) mit einem Wassergehalt von ca. 10% in eine plastische Mahlgutmatrix mit eingelagerten Kiesen und offensichtlich kohäsiven Eigenschaften umgewandelt wurde.

Dies führt im nassen TU Wien Abrasimeterversuch zur sog. „Freischlagproblematik“ des Dreh-flügels: Das Probenmaterial wird im Versuch generell durch die Drehbewegung des Flügels nach außen (an die Topfwandung) gedrängt und wenn es nicht fließfähig (rollig) genug ist, um gravitativ wieder Richtung Behälterzentrum zu gelangen, lagert sich das Probenmaterial außerhalb des Flügel-rotationsbereiches ab. Der Drehflügel „schlägt“ sich auf diese Weise „frei“ und es verbleibt nur mehr ein eingeschränktes mobiles Probenvolumen (häufig auch nur einzelne Grobbestandteile der Probe) im Einflussbereich des Flügels, was zu einer auffälligen Veränderung der Verschleißgeschwindigkeit führt. Das Freischlagen kann üblicherweise während des laufenden Abrasimeterversuchs akustisch wahrgenommen werden (und sollte im Prüfprotokoll vermerkt werden), nach dem Öffnen des

Messungen der Drehflügelverschleißmasse weisen dann i.d.R. deutliche Abweichungen der Verschleißgeschwindigkeiten zum vorhergehenden Messintervall auf. Meist kommt es zu einer Reduktion, es wurde allerdings auch schon ein auffälliger Anstieg der Verschleißgeschwindigkeit infolge Freischlagens festgestellt, was im Einzelfall auf die Art, Größe und Menge der verbleibenden mobilen Probenbestandteile rund um den Drehflügel zurückzuführen ist. [33-35].

Abbildung 6-7: Auflastring und Drehflügel nach Durchführung eines TU Wien Abrasimeterversuchs mit quartärem Donauschotter der Korngröße 8 – 16 mm des aus dem Marchfeld [35].

Die Verschleißmasse eines freigeschlagenen Drehflügels kann nur eingeschränkte Aussagekraft für die Abrasivität der Bodenprobe haben und muss i.d.R. verworfen werden. Dies führt dazu, dass nasse Abrasimeterversuche häufig nach zwei oder drei Versuchsstunden abgebrochen werden können.