Quell- und Schrumpfverhalten

Durch die Trocknung bei unterschiedlichen Temperaturen bzw. der Verwendung des Materials mit natürlichem Wassergehalt vor Beginn der Quellungs-Schrumpfungs-Zyklen wurden unterschiedliche maximale Saugspannungen im Porenraum simuliert.

0 5 10 15 20 25 30 35 40

1,4 1,5 1,6 1,7 1,8 1,9

Trockendichte [g/cm³]

Wassergehalt [%]

natürl. Wassergehalt 1. Quellung 2. Quellung Schrumpfung Abbildung 71 Zusammenhang zwischen Trockendichte und Wassergehalt – Röt-Tonsteine.

Es wird deutlich, dass mit der Änderung des Wassergehaltes auch eine Änderung des Porenvolumens und damit der Trockendichte einhergeht (Abbildung 71). Mit zunehmendem Wassergehalt verringert sich die Trockendichte, d.h. vergrößert sich das Gesamtporenvolumen. Die Streuung der Trockendichte erscheint vor allem bei natürlichem Wassergehalt sehr hoch, was auf die relativ ungenaue Volumenbestimmung zurückzuführen ist. Das nach Messung von Durchmesser und Höhe des Probenzylinders errechnete Volumen gibt nur einen Näherungswert wieder, sofern die Probenendflächen nicht vollkommen plan sind und die Probe nicht gleichmäßig an der Wandung des Ausstechringes anliegt.

Die Ergebnisse der Schrumpfversuche zeigen trotz sehr ähnlicher Wassergehalte beim Erreichen der Volumenkonstanz unterschiedliche Trockendichten und damit Porenvolumina.

Die Wassergehalte nach Beenden des Schrumpfvorganges repräsentieren nicht die Schrumpfgrenze im eigentlichen Sinn, da die Versuche erst beendet wurden, nachdem über mehrere Tage keine Volumenänderungen mehr beobachtet werden konnten. Die Proben

hatten somit Zeit, über die Schrumpfgrenze hinaus noch weiter auszutrocknen. Die unterschiedliche Trockendichte bei vergleichbarer Korndichte zeigt jedoch, dass die Proben unterschiedliche Schrumpfgrenzen (Wassergehalt unterhalb dessen keine Volumenänderung mehr stattfindet) haben. Die Daten der Schrumpfversuche stammen nur von Proben des Typs 3 und 4. Es ist kein eindeutiger Zusammenhang zwischen der Trockendichte und dem Gefügezustand erkennbar. Weniger stark verwitterte Tonaggregate erreichen aufgrund der Gefügestabilität vermutlich eine geringere Trockendichte beim Schrumpfen. Diese Hypothese wäre an Schrumpfversuchen mit Typ 1 und Typ 2 Proben nochmals zu überprüfen.

90 100 110 120

0 20 40 60 80 100 120

Zeit [d]

Probenhöhe [%]

ohne Trocknung Trocknung 40 °C Trocknung 100 °C

Abbildung 72 Hebungs- und Setzungsbeträge eine Quell-Schrumpf-Zyklusses.

Abbildung 72 zeigt die Höhenänderung von seitendehnungsbehinderten Proben des Typs 4 mit unterschiedlichen Einbaubedingungen. Es fällt auf, dass bei der 2. Quellung bei den vor Einbau ofengetrockneten Proben eine noch größere Volumenzunahme als bei der 1.

Quellung erreicht wird. Dagegen pegelt sich das Probenvolumen bei der ursprünglich mit natürlichem Wassergehalt eingebauten Probe auch bei wiederholter Quellung im selben Niveau ein. Leider sind die Proben nach dem 2. Quellversuch nicht mehr in einem Zustand, der es möglich macht, den Quell-Schrumpf-Zyklus fortzusetzen. Die Quellung bzw.

Schrumpfung ist vergleichsweise schnell in wenigen Tagen abgeschlossen. Die Quellraten (Abbildung 73) unterscheiden sich deutlich. Die Quellrate ist die Höhenänderung pro Zeiteinheit in mm/d. Die relative Höhenänderung auf der Abszisse ist die gemessene Höhenänderung eines Intervalls bezogen auf die Gesamthöhenänderung des Versuches.

Die Schrumpfrate ist die Höhenänderung pro Zeiteinheit in mm/d. Die relative Höhenänderung auf der Abszisse ist die gemessene Höhenänderung eines Intervalls bezogen auf die Gesamthöhenänderung des Versuches. Die Probe, die ursprünglich mit natürlichem Wassergehalt eingebaut wurde, beginnt mit einer hohen Schrumpfrate von 30 mm/d, die rasch auf ein Niveau von ca. 1 mm/d abfällt, bis etwa 20 % der Schrumpfung abgeschlossen ist. Bis 60 % erfolgt noch einmal ein leichter Anstieg der Schrumpfrate auf ca. 3 mm/d. Zwischen 60 und 90 % der Schrumpfung verringert sich die Geschwindigkeit, bis sie sich 0 mm/d nähert.

87 0

10 20 30 40 50 60

0 20 40 60 80 100

relative Höhenänderung [%]

Quellgeschwindigkeit [mm/d]

1.Quellung wnat 2.Quellung wnat 1.Quellung w40 2.Quellung w40 1.Quellung w105 2.Quellung w105

Abbildung 73 Quellgeschwindigkeit eines Röt-Tonsteins des Typ 4 bei unterschiedlichen Trocknungsbedingungen vor Versuchsbeginn (wnat = natürlicher Wassergehalt, w40 = Ofentrocknung bei 40 °C vor Quellversuch, w105 = Ofentrocknung bei 105 °C vor Quellversuch).

0 5 10 15 20 25 30 35

0 20 40 60 80 100

relative Höhenänderung [%]

Schrumpfgeschwindigkeit [mm/d]

Abbildung 74 Schrumpfgeschwindigkeit eines Röt-Tonsteins des Typs 4.

0 10 20 30 40 50

Typ 4 a Typ 4 b Typ 3 Typ 2 1,6 Typ 2 1,4 Typ 2 1,7

n [%]

wnat 1. Quellung Schrumpfung 2. Quellung

Abbildung 75 Porenanteile verschiedener Röt-Tonsteine bei natürlichem Wassergehalt und nach Quellen und Schrumpfen (Die Zahl hinter Typ 2 gibt jeweils die Trockendichte bei natürlichem Wassergehalt an).

Die Porenanteile mit natürlichem Wassergehalt der untersuchten Typ 4 Proben schwanken zwischen 32 und 38 %. Der vorhandene Porenraum ist auch nach dem Quellen nicht vollständig mit Wasser gefüllt. Nach dem 1. Quellversuch steigt der Porenanteil auf 37 bis 40 % an, der dazugehörige Wassergehalt ist jedoch etwas niedriger.

Unterschiedliches Quellverhalten, das aus den vorangegangenen Lagerungsbedingungen resultiert, ist im ersten Zyklus nicht zu erkennen. Auch nach dem Quellen ist noch ein Luftporenanteil enthalten, da der Porenanteil größer als der Wassergehalt ist. Die Proben wurden nach dem Quellen durch Trocknung an der Luft bei quasi-konstanter Temperatur und relativer Luftfeuchte schrumpfen gelassen. Nach dem Schrumpfversuch wird ein Einfluss der Ofentrocknung vor Zyklusbeginn deutlich. Die vor dem Quellversuch bei 105 °C getrocknete Probe hat nach Abschluss des Schrumpfversuches ein größeres Porenvolumen als im natürlichen Zustand, das heißt, die im Quellversuch erfolgte Aufweitung des Porenraumes ist bei Austrocknung nicht vollständig reversibel. Je intensiver die Austrocknung (höhere Temperatur) umso deutlicher wird die Schädigung des Gefüges (Abbildung 75).

Die bei 40 °C getrockneten und die mit natürlichem Wassergehalt eingebauten Proben des Typs 4 erfahren durch die Austrocknung eine Verringerung des Porenvolumens, die deutlich unterhalb des Porenanteils im natürlichen Zustand bei 33 bis 36 % liegt. Im zweiten Quellversuch erreichen die ofengetrockneten Proben einen noch größeren Porenanteil als im ersten Quellversuch, die beiden unbehandelten Proben jedoch einen etwas geringeren.

Leider waren die Probekörper nach dem zweiten Quellversuch in einem so schlechten Zustand, dass eine Fortsetzung des Zyklusses auf Grund von starken Materialverlusten nicht mehr möglich war.

Die Probe des Typs 3 hatte einen natürlichen Porenanteil von 30 %, der sich bei der ersten Quellung auf ca. 39 % erhöhte, bei der Schrumpfung jedoch nur auf 35 % zurückging. Bei der zweiten Quellung erfolgte eine Zunahme des Porenanteils auf etwa 44 %. Es ist zu überlegen, inwiefern der Salzgehalt im Porenraum einen Einfluss auf diesen Befund hat.

98,5 99,0 99,5 100,0 100,5 101,0 101,5

0 50 100 150 200

Zeit [d]

Probenhöhe [mm]

1,7 g/cm³ 1,6 g/cm³ 1,4 g/cm³

Abbildung 76 Quellversuche an Röt-Tonstein des Typs 2 in unterschiedlich dicht gelagertem Material.

Die Proben des Typs 2 wurden mit unterschiedlichen Trockendichten (zwischen 1,4 und 1,7 g/cm³) in den Quellversuch eingebaut. Dabei kam es bei der Wasseraufnahme zunächst zu einer Verdichtung des Materials auf Grund von Sackungen, eine Quellung setzte erst zeitverzögert ein. Bei der dichtesten Probe war der Setzungsbetrag am geringsten, bei der lockersten Probe am größten. Nach etwa 30 Tagen kommt es zum relativen Stillstand der Quellung, jedoch setzt nach weiteren 60 Tagen eine erneute deutliche Volumenzunahme ein. Der Kurvenverlauf ist sehr unruhig, wahrscheinlich kam es zu Umlagerungen in der Probe, da ein allmählicher Aggregatzerfall durch die Wasserlagerung induziert wurde

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natürlichem Wassergehalt, im Falle der Probe mit nur 1,4 g/cm³ Trockendichte zu Versuchsbeginn sogar geringer. Die Volumenänderung ist mit einer Veränderung der Porenradienverteilung verbunden, durch die anfängliche Setzung wird der Anteil an Makroporen, das heißt der Zwischenräume zwischen den Aggregaten, reduziert, die eigentliche Quellung findet dann innerhalb der Aggregate statt und wird durch deren teilweisen Zerfall gestört.

Die Quellung erfolgte ausschließlich mechanisch und osmotisch, da quellfähige Minerale nicht enthalten waren.