12. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Januar 2020 285 Der LCPC-Versuch zur Bestimmung der Abrasivität von Boden Dipl.-Ing. Annette Richter Bundesanstalt für Wasserbau, Karlsruhe, Deutschland Zusammenfassung Mit Einführung der Homogenbereiche fordert die VOB/ C für Bohr-, Rohrvortriebs- und Horizontalspülbohrarbeiten die Angabe der Abrasivität von Boden, bestimmt durch den LCPC-Versuch nach der französischen Norm NF P 18-579 [1]. Im nachfolgenden Beitrag werden anhand der für die Abrasivität maßgebenden Bodeneigenschaften und der Versuchstechnik die Anwendungsgrenzen dieses Versuches und die damit gegebene Diskrepanz zur VOB-Forderung aufgezeigt. 1. Einleitung In der Geotechnik ist unter dem Begriff der Abrasivität von Boden die Eigenschaft bzw. die Fähigkeit des Bodens zu verstehen, welche bei vorwiegend abrasiver Einwirkung einen Verschleiß (Oberflächenveränderungen und/ oder Masseverlust) an metallischen Gegenständen wie Geräte und Werkzeuge hervorruft, siehe Bild 1. Die Abrasivität von Boden in Interaktion mit dem Baubetrieb und der Maschinentechnik bestimmt dabei wesentlich die Effektivität der eingesetzten Geräte und Werkzeuge. Bild 1: Werkzeugverschleiß eines Rundschaftmeißels (Grieswald [2]) und einer Bohrschnecke nach Verwendung in stark abrasiven Boden (Beckhaus et al. [3]) 2. Maßgebende Bodeneigenschaften In den letzten Jahren wurden z. B. von der TU Wien (Drucker [4], [5]), der TU München (Thuro et al. [6]) und der RWTH Aachen (Feinendegen et al. [7]) zahlreiche Forschungsarbeiten veröffentlicht, in denen man sich mit der Abrasivität von Boden i. A. und speziell mit der Bestimmung der maßgebenden Bodeneigenschaften sowie deren Einfluss auf die Abrasivität befasst. Dazu wurden folgende hier skizierte Zusammenhänge festgestellt: - Mineralogische Zusammensetzung bzw. äquivalenter Quarzgehalt: - Je höher die Mineralhärte desto größer die abrasive Wirkung - Korngröße: - Je größer das Einzelkorn desto größer die abrasive Wirkung - Kornform und Kornrundung, Gehalt an Bruchkorn: - Je scharfkantiger das Einzelkorn desto größer die abrasive Wirkung - Zudem Einfluss auf Lagerungsdichte, Verzahnungsverhalten und Neigung zum Kornbruch - Kornverteilung: - Weitgestufter Boden i. d. R. abrasiver als eng gestufter Boden - Je nach Kornverteilung unterschiedliche Abhängigkeiten, die den Abrasiv-Verschleiß beeinflussen können, möglich (z. B. gemischtkörniger Boden verstärkt abhängig vom Wassergehalt) - Wassergehalt: - Schmierwirkung: abrasivitäts-mindernd - Scheinbare Kohäsion: bei einem bestimmten Wassergehalt maximale Bindungskraft und damit maximale abrasive Wirkung - Verfestigungen, Lagerungsdichten, Kohäsion und Reibung: - Je größer desto größer die abrasive Wirkung 286 12. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Januar 2020 Der LCPC-Versuch zur Bestimmung der Abrasivität von Boden Eine wichtige Quintessenz der Forschungsarbeiten ist, dass zur Bestimmung der Abrasivität des Bodens die Bodeneigenschaften sowohl des Einzelkorns als auch des Kornverbands in ihrer Gesamtheit zu betrachten sind. Welche Bodeneigenschaft im Zusammenspiel die tatsächlich dominierende Eigenschaft ist und welche Abhängigkeiten überwiegen, kann dabei nur im Einzelfall bestimmt bzw. abgeschätzt werden. Abrasiv-Kennwerte die im Labor ermittelt werden, können diese Gesamtheit nicht abbilden. Sie können allenfalls ein Verschleißpotential angeben, welches in Interaktion mit dem Baubetrieb und der Maschinentechnik einen Verschleiß am Gerät bzw. Werkzeug verursachen kann. 3. Versuchsmethoden zur Bestimmung der Abrasivität von Boden 3.1 Allgemein Für die Bestimmung der Abrasivität von Boden stehen je nach Korngröße und Verschleißart unterschiedliche Verfahren zur Verfügung. Der Anwendungsbereich einiger dieser Verfahren ist am Beispiel eines sandigen Kieses im Diagramm von Drucker [4] in Bild 2 dargestellt. Es wird verdeutlicht, dass im Gegensatz zu z. B. der Mineralhärte als Abrasivitätsmaß (Anwendungsbereich Grobschluff bis Grobkies) der LCPC-Abrasivitätsversuchs auf einen nur sehr engen Anwendungsbereich (Feinkies ≥ 4mm) beschränkt ist. Bild 2: Sieblinie eines sandigen Kieses (Donauschotter) und Stand der Technik für Aussagen über die Abrasivität des Korngemischs, aus Drucker [4] Aufgrund der unterschiedlichen Versuchsverfahren und der unterschiedlichen Gewichtung der Bodeneigenschaften sowie deren Abhängigkeiten ist es nicht möglich die Einzelversuchsergebnisse der unterschiedlichen Verfahren zu einer auf die gesamte Kornverteilung bezogenen „Gesamtabrasivität“ quantitativ zusammen zu führen. 3.2 LCPC-Verschleißtopfversuch nach NF P 18-579 Bei dem Verschleißtopfverfahren (Bild 3) wird der Prüfkörper (Drehflügel, Bild 3, 3.) an einer Welle befestigt und in einem mit körnigem Bodenmaterial gefüllten Versuchsbehälter (Bild 3, 4.) über den Elektromotor (Bild 3, 1.) mit einer definierten Drehgeschwindigkeit gedreht. Die Beanspruchung im Verschleißtopf soll dabei den mechanischen Bearbeitungsbzw. Abbauprozess in situ abbilden. Für eine regellose Abfolge von Gleit-, Roll- und Schlagkontakten bei ständiger Überwindung der Scherfestigkeit des Bodens ist eine Mindestgröße der Bodenkörner erforderlich, da ansonsten die größeren Körner in der Matrix der kleineren Körner eventuell nur „schwimmen“ und am Probekörper nicht die geforderte Verschleißform verursachen. Andererseits ist die Maximalgröße der Körner über die Größe des Einfülltrichters (Bild 3, 2.) und über die Behältergröße vorgegeben. 12. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Januar 2020 287 Der LCPC-Versuch zur Bestimmung der Abrasivität von Boden Bild 3: Verschleißtopfprüfgerät aus Thuro et al. [8] Ein Verschleißtopfverfahren ist u. a. der, ursprünglich zur Bestimmung von Abrieb und Brechbarkeit künstlich aufbereiteter Gesteinskörnungen im Laboratoire Central des Ponts et Chaussées entwickelte und in der NF P 18- 579 [1] geregelte, LCPC-Verschleißtopf-versuch. Diese Norm definiert den Versuchsbehälter (Bild 4), den Prüfkörper (Drehflügel, Palette: Einsatzstahl C15, HRB 60- 75 mit den Abmessungen 50 x 25mm (±0,5mm) x 5mm (±0,2mm)), das zulässige Probenmaterial (Korndurchmesser von 4,0 - 6,3 mm, 500 g ± 2 g, ofengetrocknet) sowie die Versuchsdurchführung (5 min mit 4500 Umdrehungen pro Minute) und Versuchsauswertung (Bestimmung der Verschleißmasse des Drehflügels wm, Differenz aus Ausgangsmasse und Masse nach 5 min Versuchsdurchführung). Bild 4: LCPC-Verschleißtopf aus der französischen Norm NF P 18-579 [1] Der aus diesem Versuch resultierende Abrasivitätskoeffizient A BR berechnet sich aus dem Quotienten der Verschleißmasse des Drehflügels w m in Gramm zu der Ausgangsmasse der Bodenprobe M nach der aktuellen Norm mit M in Gramm zu: Bild 5 zeigt ein LCPC-Versuchsstand mit den einzelnen Gerätekomponenten, Welle mit Drehflügel (Bild 5, rechts oben) und festgeschraubter Versuchstopf (Bild 5 rechts unten) sowie in Bild 6 dargestellt den Einfülltrichter (Bild 6 links oben), das zulässiges Material mit Korndurchmesser 4 bis 6,3 mm (Bild 6 links unten), die Prüfkörper vor und nach dem Versuch (Bild 6, rechts oben) sowie den Versuchstopfinhalt nach Versuchsende (Bild 6 rechts unten). Zahlreich durchgeführte Untersuchungen, z. B. der TU Wien (Drucker [5]), zeigen eine Abhängigkeit des Versuchs von den folgenden Geräterandbedingungen: - Material des Drehflügels, sowie dessen Größe und Form (Eckausbildungen) - Drehgeschwindigkeit und - Versuchsdauer Um eine sowohl laborinterne als auch laborübergreifende Vergleichbarkeit und Bewertung der Versuchsergebnisse zu erhalten sind die versuchstechnischen Randbedingungen klar zu definieren und einzuhalten. Insbesondere gilt dies für das Material des Drehflügels, welches aktuell, aufgrund der eher ungebräuchlichen Stahlgüte C15, von den Laboren nicht einheitlich verwendet wird. Hier besteht daher die Notwendigkeit einer „neuen Festlegung“. Bild 5: LCPC-Versuchsstand (links) mit den Gerätekomponenten: Welle mit Drehflügel (rechts, oben) und festgeschraubter Versuchstopf (rechts, unten) 288 12. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Januar 2020 Der LCPC-Versuch zur Bestimmung der Abrasivität von Boden Bild 6: LCPC Gerätekomponenten: Einfülltrichter (links, oben), zulässiges Material (links, unten), Prüfkörper vor und nach dem Versuch (rechts, oben) sowie Versuchstopfinhalt nach Versuchsende (rechts, unten) Durch die in der Norm NF P 18-579 festgelegte Versuchsdurchführung und Versuchsauswertung werden die Verformungen des Drehflügels, die letztendlich auch einen Werkzeugverschleiß darstellen, nicht berücksichtigt. Eine Klassifikation des Abrasivitätskoeffizienten ABR, welches eine verbale Beschreibung des Bodens ermöglichen würde, ist ebenfalls nicht gegeben. Betrachtet man die, für die Abrasivität maßgebenden Bodeneigenschaften, so können mittels LCPC-Verschleißtopfverfahren nur die Mineralogische Zusammensetzung und bedingt die Reibungsparameter (Kohäsion und Reibungswinkel) berücksichtigt werden. Nicht bzw. nur sehr bedingt berücksichtigt sind aufgrund des begrenzten Anwendungsbereichs Korngröße und Kornverteilung, Kornform und Kornrundung, sowie Verfestigungen. Wassergehalt und Lagerungsdichte werden nicht berücksichtigt. Es ist daher offensichtlich, dass der LCPC-Versuch allein das Verschleißpotential des Bodens selbst im zulässigen Kornbereich von 4,0 - 6,3 mm nicht vollständig erfassen kann. 4. Diskrepanz zwischen dem Stand der Wissenschaft und der VOB/ C Die VOB/ C fordert zur Bestimmung der Abrasivität von Boden, d. h. von Ton, Schluff, Sand und Kies die Angabe des ABR - Werts ermittelt aus dem LCPC-Versuch. Zusätzlich zu den erwähnten Unzulänglichkeiten des LCPC-Versuchs ist für diesen nur Boden im Korngrößenbereich zwischen 4,0 und 6,3 mm (Feinkies) zulässig. Größeres Korn kann zwar auf den Anwendungsbereich gebrochen werden, inwieweit sich aber die unterschiedlichen Effekte „kleineres Korn“ dafür aber „scharfkantiger“ neutralisieren ist fragwürdig. Die Verwendung von Korngrößen < 4 mm ist auf Basis der Versuchstechnik nicht zulässig. Die Unzulänglichkeit der Abrasivitätsbestimmung von Boden unter Verwendung des LCPC-Versuchs zeigt sich am Beispiel eines i. A. häufig vorkommenden quarzreichen grobsandigen und eines feinsandigen Mittelsands, dessen Kornanteil < 4 mm sehr hoch ist. Während der LCPC-Versuch an diesem Bodenmaterial einen nur sehr geringen A BR -Wert ergibt und damit als eher schwach abrasiv einzustufen ist, deutet der äquivalente Quarzgehalt hingegen auf ein stark abrasives Verhalten hin. Zwei im Ergebnis widersprüchliche Aussagen. 5. Umsetzung der VOB/ C Vorgabe im BAW -Merkblatt Im BAWMerkblatt Einteilung des Baugrunds in Homogenbereiche nach VOB/ C [9] wird die VOB Vorgabe bezüglich der Abrasivitätsbestimmung von Boden, trotz der vielen Unklarheiten und Unzulänglichkeiten, versucht durch eine Variantenbetrachtung bzgl. der Kornverteilung umzusetzen. Je nach Variante (Varianten A, B und C) erfolgt eine unterschiedliche Probenaufbereitung für den LCPC-Versuch. Die Probenaufbereitung hat dabei einen nicht vernachlässigbaren Einfluss auf den zu ermittelnden Abrasivitätsbeiwert ABR, siehe z. B. Feinendegen [7], so dass die Probenvorbereitung der drei Varianten im BAWMerkblatt genau festgelegt ist. Bis zur weiteren Klärung seitens der VOB ist es somit zumindest möglich einheitlich strukturierte Versuche durchzuführen. Die Probenaufbereitung der Variante A (sandige Kiese oder gröber) berücksichtigt nur die Körnung mit Korndurchmesser > 4 mm, so dass hier eine „normkonforme“ Versuchsdurchführung nach der französischen Norm NF P 18-579 [1] möglich ist. Bei Variante B (kiesige Sande) und Variante C (Sande) muss aufgrund des hohen Anteils an Körnung mit Korndurchmesser < 4 mm diese in der Probenaufbereitung, bis zur Grenze zu den bindigen Bodenarten (bis Korndurchmesser 0,063 mm), mit berücksichtigt werden. Eine normkonforme Versuchsdurchführung ist hier nicht möglich. Bindige Bodenarten können in diesem Versuch nicht untersucht werden und sind abzutrennen. 6. Fazit und Ausblick Der tatsächlich auftretende Verschleiß kann nicht ausschließlich durch die Abrasivität des Bodens bewertet werden. Zudem sind für die Bestimmung der Abrasivität von Boden alle maßgebenden Bodeneigenschaften in ihrer Gesamtheit zu berücksichtigen. Sollte die Forderung der VOB/ C, die Abrasivität von Boden mit dem LCPC- Versuch zu bestimmen, weiter bestehen bleiben, ergeben sich die nachfolgenden Fragestellungen bzgl. Probenaufbereitung, die zu klären sind: - Wie ist mit dem Kornanteil > 6,3 mm zu verfahren? Falls dieser Kornanteil zugelassen werden soll, ist 12. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Januar 2020 289 Der LCPC-Versuch zur Bestimmung der Abrasivität von Boden z. B. eine einheitliche Probenzerkleinerung (z. B. Backenbrecher, Hammer) zu definieren und in der Normung festzulegen. - Wie ist mit dem Kornanteil < 4 mm zu verfahren, der aus versuchstechnischen Gründen nicht für den LCPC-Versuch geeignet ist? - Wie setzt sich die 500 g - Probemasse z. B. aus einem Homogenbereich kiesiger Sand zusammen? Muss sich die Probe im gleichen Verhältnis wie die Kornverteilung des Bodens zusammensetzen, oder sind entsprechend viele Bohrmeter zu erbohren, bis 500 g Boden mit Kornanteil 4 bis 6,3 mm erreicht sind? Neben den erforderlichen Festlegungen zur Probenaufbereitung sollten für eine laborinterne aber auch laborübergreifende Vergleichbarkeit und Bewertung des Abrasivitätskoeffizienten ABR zudem die Geräte- und Versuchsbedingungen (z. B. Drehflügel: Material, Form und Reinigung) genau definiert werden. Um die entstandene Lücke zwischen der Forderung der VOB und dem Stand der Wissenschaft zu schließen sowie für die Praxis fachlich fundierte Versuche zu empfehlen bzw. zu entwickeln wurde im Sommer 2019 der DGGT-Arbeitskreis „Verschleiß und Verklebung“ gegründet. Literaturverzeichnis [1] NF P 18-579, 2013: Granulats- Détermination des coefficients d´abrasivité et de broyabilité (P 18-579). [2] Grieswald, Heike, D. (Hg.) (2019): Analyse der Abrasivität an verbrauchten Rundschaftmeißeln. Bohrtechnik/ Spezialtiefbau. bauma bbr (04-2019). [3] Beckhaus, Karsten; Thuro, Kurosch (Hg.) (2008): Abrasivität in der Großbohrtechnik, Versuchstechnik und praktische Erfahrungen. 30. Baugrundtagung. Dortmund, 24. - 27. September. Deutsche Gesellschaft für Geotechnik. [4] Drucker, Petra (Hg.) (2010): Einfluss der Abrasivität von Lockergestein auf den maschinellen Rohrvortrieb. Symposium Grabenlos. Saalfeldern, 19. - 20. Oktober 2010. Symposium Grabenlos. [5] Drucker, Petra (2013): Über die Abrasivität von Lockergestein und den Werkzeugverschleiß im Spezialtiefbau. Technische Universität Wien, Wien. [6] Thuro, Kurosch; Singer, John; Käsling, Heiko; Bauer, Markus (Hg.) (2006): Abrasivitätsuntersuchungen an Lockergestein im Hinblick auf die Gebirgslösung. 29. Baugrundtagung. Bremen, 27. - 29. September. Deutsche Gesellschaft für Geotechnik. Essen. [7] Feinendegen, Martin; Ziegler, Martin (2018): Zur Aussagekraft des LCPC-Versuchs für die Festlegung von Homogenbereichen. In: Geomechanics and Tunnelling 11 (2), S. 113-122. [8] Thuro, Kurosch; Käsling, Heiko (Hg.) (2010): Bestimmung der Gesteinsabrasivität - Versuchstechnik und Anwendung. 31. Baugrundtagung. München, 3. - 6. November. Deutsche Gesellschaft für Geotechnik. Essen. [9] BAW (2017): BAWMerkblatt Einteilung des Baugrunds in Homogenbereiche nach VOB/ C (MEH). Karlsruhe: Bundesanstalt für Wasserbau (BAW-Merkblätter, - Empfehlungen und - Richtlinien).