6. Untersuchungen mit dem TU Wien Abrasimeter
6.4 Vergleichbarkeit mit dem LCPC-Versuch
Die Frage nach der Vergleichbarkeit zwischen Ergebnissen aus TU Wien Abrasimeterversuchen und LCPC-Versuchen drängt sich auf, nicht nur weil letztere einen geringeren Versuchsaufwand bedeuten, sondern auch, weil der LCPC-Versuch in jüngster Zeit sehr populär geworden ist und daher mittler-weile viele Vergleichswerte für österreichische und deutsche Locker- und Festgesteine vorliegen.
Obwohl die Werkstoffeigenschaften der verwendeten Drehflügel von TU Wien Abrasimeter- und LCPC-Versuch gleich gewählt wurden, erscheint ein direkter Vergleich der ermittelten Verschleiß-massen problematisch. Wie der Überblick in Tabelle 6-12 deutlich macht, weisen die wesentlichen Systembestandteile der beiden Versuchs-Tribosysteme maßgebliche Unterschiede auf.
Tabelle 6-12: Vergleich der Tribosysteme „LCPC-Versuch“ und „TU Wien Standard-Abrasimeterversuch“.
Systemkomponente LCPC-Versuch TU Wien Abrasimeterversuch Grundkörper: Drehflügel
Erste Überlegungen und Versuche zur Vergleichbarkeit erfolgten bereits in der Orientierungsphase des TU Wien Abrasimeters, mit Material aus der Kiesgrube im Marchfeld (Tabelle 6-2: Material A). Zu diesem Zweck wurde der erste Messzeitpunkt des Drehflügels so gewählt, dass der bis dahin zurück-gelegte Verschleißweg der Drehflügelecke dem der LCPC-Drehflügelecke nach 5 min entsprach.
Weiters wurden die Verschleißmassen des TU Wien Drehflügels auf die jeweilige Gesamtversuchs-masse (Auflast + ProbenGesamtversuchs-masse) bezogen und anschließend der Mittelwert über alle Versuche mit der gleichen Bodenprobe gebildet. Zum Vergleich wurden LCPC-Versuche mit der natürlichen Teilfraktion 4 – 8 mm und mit den auf die LCPC-Versuchskorngröße gebrochenen Proben A2 (8 – 16 mm) und A3 (16 – 31,5 mm) durchgeführt. [35, 67]
Es zeigte sich, dass die LCPC-Abrasivitätskoeffizienten der Bruchkörnungen vergleichbar groß sind (lediglich 6% Unterschied) und nicht den Abrasivitätsunterschied der Ausgangskörnungen A2 und A3 wiederspiegeln, der sich aufgrund der Differenz der äquivalenten Quarzgehalte (rd. 15%) und der mittleren Korngrößen der Ausgangsfraktionen ergeben müsste (siehe Tabelle 6-2). Im Gegensatz dazu weisen die auf die Gesamtmasse bezogenen Verschleißmassen der TU Wien Abrasimeter-drehflügeln, die mit den natürlichen Kornfraktionen 8 – 16 mm und 16 – 31,5 mm ermittelt wurden, eine Differenz von rd. 80% auf, siehe Abbildung 6-13. Dieser qualitative Abrasivitätsunterschied erscheint für die Bodenproben A2 und A3 plausibel.
Die Kiesfraktion 8 – 16 mm (Probe A2, ÄQu = 62) weist sich im TU Wien Abrasimeterversuch um rund 30% abrasiver aus als die Probe A1 (4 – 8 mm, ÄQu = 69), was darauf hinweist, dass sich die größere Korngröße des Materials stärker auf die Abrasivität auswirkt als die Verminderung des äquivalenten Quarzgehalts. Insgesamt scheinen die Ergebnisse der TU Wien Abrasimeterversuche plausibler als die LCPC-Abrasivitätskennwerte, eine Korrelation zwischen den Ergebnissen der beiden Versuche konnte nicht abgeleitet werden. Dies gilt insbesondere für Korngrößen > 8 mm, welche im LCPC-Versuch nur als Bruchkörnungen geprüft werden können.
Abbildung 6-13: Vergleich von LCPC-Abrasivitätskoeffizienten und mittleren, auf die Gesamtversuchsmasse bezogenen Drehflügelverschleißmassen beim TU Wien Abrasimeterversuch.
Trotz dieser ersten negativen Erfahrungen wurde ein weiterer Versuch unternommen, Ergebnisse von LCPC-Versuchen und TU Wien Abrasimeterversuchen miteinander zu vergleichen, indem nur Versuche mit natürlichen Körnungen herangezogen wurden. Auf diese Weise sollte der Frage nachge-gangen werden, ob der qualitative Einfluss der natürlichen Korngrößen auf den Drehflügel-verschleiß vergleichbar abgebildet wird. Dazu wurden LCPC-Versuche mit dem natürlichen Material zwischen 2 mm und 8 mm Korndurchmesser aus der Marchfelder Kiesgrube durchgeführt und mit TU Wien Abrasimeterversuchen (Ausbaustand II) an Körnungen und Mischungen zwischen 2 mm und 31,5 mm (Proben A2 und A4 bis A6 gem. Tabelle 6-2) verglichen.
Ein unmittelbarer Vergleich der gemessenen Verschleißmassen zeigt, dass diese bei beiden Versuchen in guter Näherung linear mit der dritten Potenz der arithmetisch gemittelten Korngrößen der Proben korrelieren, siehe Abbildung 6-14 links. Die Bandbreite der äquivalenten Quarzgehalte der verwendeten Probekörnungen (ÄQu von 62 bis 71) wird dabei allerdings nicht abgebildet.
Berücksichtigt man zusätzlich die unterschiedlichen Einflüsse der maßgebenden Tribosystemunter-schiede (siehe Tabelle 6-12) auf die gemessenen Verschleißmassen, indem diese rechnerisch darauf bezogen werden, so erscheint eine unmittelbare Vergleichbarkeit der Versuche jedoch fraglich.
Die in Abbildung 6-14 rechts verwendete Vergleichs-Verschleißrate km,sM errechnet sich wie folgt:
M s km,sM wm
[mg/(m·kg)]
mit: wm [mg] … Verschleißmasse des jeweiligen Drehflügels
s [m] … zurückgelegter Weg der Drehflügelecke bis zum Messzeitpunkt
M [kg] … Gesamtgewicht aus Probemasse und Auflast (nur Probemasse LCPC-Versuch)
Diese Vorgangsweise zur „Angleichung“ der Tribosysteme lässt sich wie folgt begründen:
1. Ermittlung der Verschleißintensität wms [g/m] durch Bezug der Verschleißmassen wm [g] auf den bis zum jeweiligen Messzeitpunkt zurückgelegten Verschleißweg s [m] der jeweiligen Drehflügelecke.
2. Berücksichtigung der unterschiedlichen Beanspruchungen des Drehflügels durch Bezug der Verschleißmassen auf das Gesamtgewicht von Probe und Auflast im TU Wien Abrasimeter-versuch (7 + 11,5 kg) bzw. nur auf die Probemasse im LCPC-Versuch.
3. Eine zusätzliche Berücksichtigung der geometrischen Unterschiede der Grundkörper durch den Bezug der jeweils gemessenen Verschleißmassen auf die Ausgangsmassen der Drehflügel wurde zwar versucht, ergab jedoch keine Verbesserung der Ergebnisse.
LCPC-Versuchsergebnisse TU Wien Abrasimeter-Versuchsergebnisse
Abbildung 6-14: Links: Korrelation von Drehflügel-Verschleißmassen und gewogenem mittlerem Korndurch-messer dgm in 3. Potenz. Rechts: Keine Vergleichbarkeit der Versuche bei Berücksichtigung der unterschiedlichen Gesamtversuchsmassen M [kg] und Verschleißwege s [m].
Aus Abbildung 6-14 rechts zeigt sich, dass der Verschleiß des LCPC-Drehflügels wesentlich stärker vom Korndurchmesser der Probe beeinflusst wird als beim TU Wien Abrasimeter. Dieser Umstand wird auf die hohe Umdrehungsgeschwindigkeit des Flügels beim LCPC-Versuch, bzw. auf die dabei wirkenden Fliehkräfte, zurückgeführt.
Der Einfluss einer Befeuchtung des Abrasivguts auf den Drehflügelverschleiß könnte durch jeden der beiden betrachteten Verschleißtopfversuche im jeweils geeigneten Korngrößenbereich richtig abgebildet werden: Während die Verschleißsteigerung durch Zugabe von Wasser bei den LCPC-Abrasivitätskoeffizienten (w = 15%) für die natürlichen Kornformen das 2- bis 3-fache ausmachte (für die Bruchkörnungen zwischen 1,4 bis 1,8), wiesen die Proben im TU Wien Abrasimeterversuch Steigerungsfaktoren von 1,3 bis 1,7 auf (Proben A in Tabelle 6-8). Dies entspricht den Erfahrungen und den in Abschnitt 4.1.5 angestellten Überlegungen, dass bei gleichbleibender Mineralogie und vergleichbaren Kornformen der abrasivitätssteigernde Einfluss von Wasser mit zunehmender Korn-größe abnimmt. Die Auswirkungen von Wasser auf die Menge des in den jeweiligen Verschleißtopf-versuchen entstehenden Mahlguts sind jedoch gegenläufig: Während der LCPC-Brechbarkeitsindex
mit zunehmender Befeuchtung der Probe abnimmt (siehe Abbildung 4-16), ist der Verfeinerungsgrad bei nassen TU Wien Abrasimeterversuchen größer als bei trockenen (siehe Abschnitt 6.2.1).
Auf Grundlage der vorliegenden Untersuchungsergebnisse zeigt sich, dass die Eignung des LCPC-Versuchs zwar möglicherweise geringfügig über den in NF P 18-579 bedungenen Korngrößenbereich (4 – 6,3 mm) des Prüfguts hinausgeht (Versuche am Institut für Geotechnik der TU Wien wurden an Kornfraktionen von 2 mm bis 8 mm durchgeführt), darüber hinaus jedoch keine zutreffenden Aus-sagen über größere Proben-Korndurchmesser getroffen werden können. Bei Verwendung von Bruchkörnungen im LCPC-Versuch besteht keine Vergleichbarkeit zwischen LCPC-Drehflügel-verschleiß und dem DrehflügelLCPC-Drehflügel-verschleiß im TU Wien Abrasimeterversuch mit den natürlichen (Ausgangs-) Kornfraktionen. Die für grobkörniges Lockergestein vorliegenden Erfahrungswerte der LCPC-Abrasivitätskoeffizienten müssen vor diesem Hintergrund in Zweifel gezogen werden.
Abschließend sei auf die Gefahr eines direkten Vergleiches unterschiedlicher Abrasivitätskennwerte, ohne zusätzliche geotechnische Interpretationen der Ergebnisse hingewiesen. Wie aus Tabelle 6-13 hervorgeht, weist Material C einen deutlich niedrigeren TU Wien Abrasivitätsindex AIWtr auf als Material D, obwohl die LCPC-Abrasivitätskoeffizienten ABr wesentlich höher sind. Die Unterschiede lassen sich erst verstehen, wenn die jeweiligen Versuchskorngrößen und das Brechbarkeitsverhalten der Materialien einbezogen werden.
Tabelle 6-13: Vergleich der Ergebnisse von LCPC-Versuchen und TU Wien Standard-Abrasimeterversuchen anhand zweier Probenmaterialien, Daten aus [34, 35].
Kennwert Material C3 Material D2 Abrasivität AIWtr (fW) [-] 63 (2,9) 84 (2,8)
LCPC-ABr [g/t] 810 / 1.366 406 / 574
Brechbarkeit G/D [cm²/h] 20 32
LCPC-BR [%] 35 / 35 41 / 40
Mineralogie ÄQu [-] 70 29
Während die Probe C3 ein für den rezenten Donauschotter aus dem Wiener Prater repräsentatives Korngemisch (0,063 – 31,5 mm) darstellt, handelt es sich bei der Probe D2 um eine stark reduzierte Innschotterprobe (4 – 31,5 mm), bei der alle Feinanteile fehlen. Die Ergebnisse der TU Wien Abrasimeterversuche erfassen u.a. auch die Einflüsse der natürlichen Kornformen, die Korngrößen sowie das Materialbruchverhalten auf die Abrasivität. Im Gegensatz dazu spiegeln die Ergebnisse der LCPC-Versuche lediglich die Unterschiede der mineralogischen Zusammensetzungen der beiden Proben wider, alle anderen Eigenschaften der Bodenproben werden im Versuch nicht berücksichtigt.
Die gute Brechbarkeit von Material D hat darüber hinaus reduzierenden Einfluss auf den Drehflügel-verschleiß im LCPC-Versuch, während sich das entstehende Mahlgut beim TU Wien Abrasimeter, aufgrund des größeren Probevolumens, nicht so stark auswirkt.