Abrasivitäts - Geo TUM - Technische Universität München

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
Verschleiß bei Schneidrollen/Disken
Thuro
Abrasivität und Verschleiß - altes Thema in neuem Licht?
2
Verschleiß bei Rundschaftmeißeln
Abrasivität und Verschleiß - altes Thema in neuem Licht?
Thuro
3
Sind Lockergesteine ebenfalls abrasiv?
!   TBM Schildmaschinen
!   Bohrpfahlherstellung
Schälmesser
Rollenmeißel
Thuro
Abrasivität und Verschleiß - altes Thema in neuem Licht?
Rundschaftmeißel
4
Verschleiß an Bohrwerkzeugen
Abrasivität und Verschleiß - altes Thema in neuem Licht?
Thuro
5
3-162(45"7,
3-%2-45/'*,
1"+23(,%,4
5"'"6%&%')
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Thuro
Abrasivität und Verschleiß - altes Thema in neuem Licht?
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Abrasivität beeinflusst Gebirgslösung
3-162(45"7,
3-%2-45/'*,
1"+23(,%,4
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Thuro
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Abrasivität beeinflusst Löseleistung!
Thuro
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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
Thuro
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Bestimmung der Abrasivität
! CERCHAR-Abrasivitätsversuch hat sich für Untersuchung 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!
Thuro
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Dünnschliff-Modalanalyse
Äquivalenter Quarzgehalt
Thuro
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CERCHAR-Abrasivitäts-Test
Thuro
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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
Thuro
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CAI – Äquivalenter Quarzgehalt
Auswertung in einer geologischen Einheit
THURO & KÄSLING,
Geomechanik & Tunnelbau 2, 2009
Thuro
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CAI – Äquivalenter Quarzgehalt
Auswertung für viele unterschiedliche Gesteine
Extreme Streuung,
wenn beliebige Gesteine
zusammengestellt werden!
CAI ist gegenüber ÄQu
Festigkeits-gesteuert!
PLINNINGER, KÄSLING,
THURO & SPAUN
Geotechnik 02/2002
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Thuro
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CAI – Äquivalenter Quarzgehalt
Auswertung für viele unterschiedliche Gesteine
Keine Übereinstimmung
mit der Arbeit von
WEST 1989!
nach WEST 1989
in PLINNINGER et al. 2002
Thuro
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CAI – Härte des Prüfstiftes
KÄSLING & THURO
Baugrundtagung 2010
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Thuro
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CAI – Härte des Prüfstiftes
KÄSLING & THURO
Baugrundtagung 2010
Keine Daten mit CAI größer 4!
?
Daten aus
Rostami et al. 2005
Thuro
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CERCHAR-Abrasivitäts-Index
Klassifizierung
l
Versch
ential!
eißpot
Thuro
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LCPC Abrasivitäts-Test
„Abroy Versuch FNOR P18-579
THURO & KÄSLING 2009
Thuro
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Massenverlust des Stahlflügels:
LCPC-Abrasivitäts-Koeffizient (LAK) [g/t]
Masse des Feinkorns (<1,6 mm) nach dem Versuch:
Bei Lockergesteinen nicht bestimmbar
LCPC-Brechbarkeits-Koeffizient (LBK) [%]
Thuro
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Kornsummenkurven
vor/nach dem LCPC Test
Probe 36-12-KP07: GU - quarzreicher Kies
Thuro
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LAK = 1540 g/t
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Kornsummenkurven
vor/nach dem LCPC Test
Probe 36-12-KP08: SU - quarzreicher Sand
Thuro
LAK = 100 g/t
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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
Thuro
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Korrelation Abrasivität CAI - LAK
THURO & KÄSLING 2006
Thuro
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Korrelation Abrasivität CAI - LAK
Verschleißpotential!
Geradengleichung ist
abhängig vom Datenbestand!
THURO & KÄSLING 2009
Thuro
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Korrelation Abrasivität CAI - LAK
KÄSLING & THURO 2010
Baugrundtagung
!
Thuro
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LCPC Abrasivitäts Koeffizient LAK
Klassifizierung
l
Versch
ential!
eißpot
Thuro
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Korrelation LAK - Äquivalenter Quarzanteil
KÖHLER, MAIDL & MARTAK 2011
Keine Korrelation
erkennbar?
KÖHLER, MAIDL & MARTAK
Geomechanics & Tunnelling 1/2011
Abrasivität und Verschleiß - altes Thema in neuem Licht?
Thuro
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Korrelation LAK - Äquivalenter Quarzanteil
Thuro & Käsling 2009
Im Gesamtzusammenhang
schon!
THURO & KÄSLING 2009
mit Daten von KÖHLER et al. 2011
Gehalt an abrasiven Komponenten (%)
Thuro
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LCPC Test Ergebnisse
Vergleich mit Komponenten-Analyse
LAK = 1000 g/t
Sandstein
Quarz
GW quarzreicher
Kies
Probe 36-12-KP04:
Feinkies-Fraktion
Abrasivität und Verschleiß - altes Thema in neuem Licht?
Thuro
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LCPC Test Ergebnisse
Vergleich mit Komponenten-Analyse
LAK = 80 g/t
25%
Kalk
Quarz
57%
6%
1%
1%
4%
6%
SU* quarzreicher Sand
Quarzknauern, Gangquarz
quarzreiches Kristallin (z.B. Quarzite, Gneise)
Lydite, Hornsteine
Buntsandstein (rot gefärbter Quarzsandstein)
andere quarzitisch gebundene Sandsteine
karbonatisch gebundene Sandsteine
Karbonate (Kalke)
Thuro
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Klassifikation der Abrasivität
LCPC-Abrasivitäts-Koeffizient - Korngröße
THURO & KÄSLING 2009
Thuro
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Klassifikation der Abrasivität
LCPC-Abrasivitäts-Koeffizient - Korngröße
THURO & KÄSLING 2009
Thuro
Abrasivität und Verschleiß - altes Thema in neuem Licht?
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Klassifikation der Abrasivität
LCPC-Abrasivitäts-Koeffizient - Korngröße
THURO & KÄSLING 2009
Thuro
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Klassifikation der Abrasivität
LCPC-Abrasivitäts-Koeffizient - Korngröße
Projektdaten
Thuro
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Korrelation LAK - Rundungsgrad
KÄSLING 2011
Thuro
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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
Thuro
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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!
Thuro
Abrasivität und Verschleiß - altes Thema in neuem Licht?
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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.
Thuro
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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
Thuro
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Abrasivität " ! Verschleiß
Thuro
Abrasivitätsklassifikation
Verschleißbezeichnung
nicht abrasiv
kein Verschleiß
kaum abrasiv
geringer Verschleiß
schwach abrasiv
normaler Verschleiß
abrasiv
hoher Verschleiß
stark abrasiv
sehr hoher Verschleiß
extrem abrasiv
extrem hoher Verschleiß
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Abrasivitätsuntersuchungen
... wie beim Zahnarzt:
!   nicht „Vorbeugen ist besser als Bohren , aber
!  Fundierte Voruntersuchen sind
allemal besser als Nachträge!
Thuro
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www.geo.tum.de ! Publikationen online
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