15. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Februar 2026 197 Zum Einfluss der Oberflächenbeschaffenheit auf das Ergebnis des CERCHAR-Abrasivitätsversuchs: bruchrau vs. sägerau Akad. Dir. Dipl.-Ing. Martin Feinendegen RWTH Aachen University, Geomechanik und Untergrundtechnik Dr. Ralf J. Plinninger Dr. Plinninger Geotechnik, Bernried Zusammenfassung Der CERCHAR-Versuch ist international als Standardversuch zur Bestimmung der Abrasivität von Festgestein eingeführt. Der Beitrag stellt zunächst die aktuellen nationalen und internationalen Regelwerke vor und gibt einen Überblick über die versuchsrelevanten Randbedingungen. Ein besonderer Fokus liegt hierbei auf die Oberflächenbeschaffenheit der Probe. Neben der Standardprüfung auf einer frischen, bruchrauen Oberfläche erlauben die aktuellen Prüfempfehlungen in Sonderfällen auch die Prüfung auf einer sägerauen Oberfläche. Die dabei vermeintlich zu niedrig bestimmten Messwerte müssen anschließend auf das zu erwartende Ergebnis auf bruchrauer Oberfläche korrigiert werden. Hierfür existieren international mehrere Ansätze auf der Grundlage unterschiedlicher empirischer Datensätze mit insgesamt etwa 80 Messwerten. Basierend auf einer bisher einzigartigen Datenbasis mit über 1.300 Messwerten aus Laborversuchen am Institut für Geomechanik und Untergrundtechnik (GUT) der RWTH Aachen sowie früheren Forschungsarbeiten werden der Einfluss der Oberflächenrauigkeit analysiert und die derzeit angewendeten Korrekturansätze neu bewertet. 1. Einleitung 1.1 Der CERCHAR-Versuch Beim CERCHAR-Versuch handelt es sich um einen Indexversuch zur Bestimmung der Abrasivität von Festgestein, der in den 1980er Jahren am französischen Centre d’Etudes et Recherches de Charbonnages de France (CERCHAR, [4]) für den Steinkohlenbergbau entwickelt wurde. Bei dem Versuch wird ein Prüfstift aus Stahl unter konstanter Auflast über eine Strecke von 10 mm über die Oberfläche eines Gesteinsprobekörpers gezogen wird. Zwei typische Versuchsgeräte sind in Abb. 1 dargestellt. Als Ergebnis erhält man den CERCHAR-Abrasivitäts-Index (CAI), der sich aus der Breite der am Prüfstift entstandenen kegelstumpfförmigen Verschleißfase als Mittelwert einer Serie von meist fünf Einzelversuchen errechnet. Abb. 1: Prüfanordnung beim CERCHAR-Versuch (links: original CERCHAR-Gerät, rechts: Gerät nach WEST). 198 15. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Februar 2026 Zum Einfluss der Oberflächenbeschaffenheit auf das Ergebnis des CERCHAR-Abrasivitätsversuchs: bruchrau vs. sägerau 1.2 Regelwerke In Deutschland ist die Pflicht zur Beschreibung der Abrasivität von Festgesteinen mit dem CAI in den Allgemeinen Technischen Vertragsbestimmungen (ATV) der VOB/ C verankert: Bohrarbeiten (DIN 18301), Untertagebauarbeiten (DIN 18312), Rohrvortriebsarbeiten (DIN- 18319) sowie Horizontalspülbohrarbeiten (DIN-18324). Seit 2019 ist hier die Empfehlung Nr. 23 des AK-3.3 „Versuchstechnik Fels“ der Deutschen Gesellschaft für Geotechnik e.V. als anzuwendende Prüfrichtlinie referenziert [5]. In älteren Fassungen wurde auf die französische AFNOR NF P 94-430-1 [1] Bezug genommen. International wird für CERCHAR-Versuche neben der ISRM Suggested Method [7] auch der ASTM- Standard D7625 [3] angewendet. 1.3 Relevante Versuchsbedingungen Bei der Analyse der einschlägigen Regelwerke hinsichtlich der relevanten versuchstechnischen Randbedingungen lässt sich für die praktische Durchführung des Versuchs und die Interpretation der Ergebnisse vereinfachend zwischen „Versuchskonstanten“ und „Versuchsvariablen“ unterscheiden. Als Versuchskonstanten im nationalen wie internationalen Kontext können angesehen werden: • Auflast: 70N, • Prüfstrecke: 10 mm, • Stiftgeometrie: Zylinder mit 90° Konuswinkel. Als Versuchsvariablen sind anzusehen: • Prüfstifthärte, • Oberflächenbeschaffenheit der Probekörper. Hinsichtlich der Prüftstifthärte ist anzumerken, dass gemäß der deutschen DGGT-Empfehlung Nr. 23 [5] ausschließlich Prüfstifte mit einer nachgewiesenen Härte von HRC 55±1 verwendet werden dürfen und die Stifthärte damit als Versuchskonstante anzusehen ist. International werden allerdings teilweise auch andere (meist weichere) Stiftqualitäten verwendet (Versuchsvariable). In welcher Größenordnung der ermittelte CAI variieren kann, wenn Versuche mit verschiedenen Stifthärten auf unterschiedlichen Probekörperoberflächen durchgeführt werden, ist in Abb. 2 veranschaulicht. Dieser Darstellung liegen die entsprechenden Korrekturvorschläge der ISRM Suggested Method [7] zugrunde. Abb. 2: Variation des CAI in Abhängigkeit von Prüfstifthärte und Oberflächenrauigkeit. Da der Effekt variierender Prüfstifthärte in Deutschland keine Relevanz hat, wird im Folgenden nur auf den Effekt der Oberflächenbeschaffenheit eingegangen. 2. Oberflächenrauigkeit 2.1 Historie Nach der ursprünglichen Verfahrensbeschreibung [4] wurden CERCHAR-Versuche zunächst ausschließlich auf „frischen“ und „bruchrauen“ Oberflächen durchgeführt. Eine derartige Probenoberfläche wird üblicherweise durch Aufspalten einer größeren Ausgangsprobe hergestellt und stellt auch heute noch den international referenzierten Standardfall dar ([1], [3], [5], [7]). Da sich bei zahlreichen ausgeprägt anisotropen oder inhomogenen Gesteinen (z.- B. Konglomerate, grobkörnige Granite, Glimmerschiefer oder feingeschichtete Kalk- oder Sandsteine) durch Aufspalten keine prüffähige Oberfläche herstellen ließ (siehe Beispiel in Abb.-3), wurden Ende der 1990er Jahre an der TU München Versuche mit alternativen Bearbeitungsverfahren, wie z.-B. Sägen mit Diamantsäge oder Anschleifen mit Schleifpulver, durchgeführt. Die Auswirkungen auf das Prüfergebnis wurden mittels Vergleichsuntersuchungen quantifiziert [9]. Ausgehend von diesen Erfahrungen wurde die Möglichkeit, in Ausnahmefällen auch sägeraue Oberflächen zu prüfen, 2003 in einer ISRM Technical Note vorgestellt [14]. Der damals zur Verfügung stehende Datensatz empirischer Messwerte umfasste 77 Proben (Abb. 4). 15. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Februar 2026 199 Zum Einfluss der Oberflächenbeschaffenheit auf das Ergebnis des CERCHAR-Abrasivitätsversuchs: bruchrau vs. sägerau Abb. 3: Probenoberflächen bei einem flaserigen Kalkstein (oben: durch Aufspalten hergestellte, nicht zur Prüfung geeignete, „bruchraue“ Oberfläche, unten: durch trockenes Sägen hergestellte „sägeraue“ Probe). Abb. 4: Vergleich CAI an sägerauen und bruchrauen Oberflächen aus 2003 [14]. Bei der Betrachtung der linearen Regression über alle Proben (Linie „all samples“) erkennt man einen mehr oder weniger 1: 1-Zusammenhang zwischen den an sägerauen und den -standardmäßigan bruchrauen Oberflächen ermittelten CAI, mit einem „offset“ der Ausgleichsgeraden um einen Betrag von etwa 0,5 nach oben. 2.2 Berücksichtigung in Regelwerken Ausgehend von den beschriebenen Vergleichsuntersuchungen wurden im Laufe der Jahre in verschiedenen Regelwerken verschiedene Korrekturvorgaben bei einer Prüfung auf sägerauen Oberflächen gemacht. Während die AFNOR NF P94-430-1 [1] aus dem Jahr 2000 noch keine Unterscheidung hinsichtlich der Oberflächenbeschaffenheit macht, müssen nach der ASTM D7625 aus 2010 [2] die auf sägerauer Oberfläche ermittelten Messergebnisse korrigiert, d. h. auf das zu vermutende Ergebnis auf bruchrauer Oberfläche umgerechnet werden. Hierbei wird die in der ISRM Technical Note [14] vorgeschlagene und in Tabelle 1 angegebene Korrekturgleichung verwendet. Tab. 1: Korrekturansätze Norm / Empfehlung sägeraue Oberfläche zulässig Korrektur erforderlich Korrekturgleichung CERCHAR (1986) nein - - AFNOR NFP94-430-1 (2000) ja nein - ISRM Tech. Note (2003), ASTM D7625 (2010) ja ja CAI = 0,99 x CAI S + 0,48 ISRM (2014) ja ja CAI S < 4,0: CAI = 1,14 x CAI S CAI S ≥ 4,0: n.a. DGGT E23 (2016) ja ja CAI = 1,1 x CAI S ASTM D7625 (2022) ja ja CAI S < 4,0: CAI = 1,14 x CAI S CAI S ≥ 4,0: CAI = 0,99 x CAI S + 0,48 200 15. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Februar 2026 Zum Einfluss der Oberflächenbeschaffenheit auf das Ergebnis des CERCHAR-Abrasivitätsversuchs: bruchrau vs. sägerau In der ISRM Suggested Method aus 2014 [7] wird eine Unterscheidung getroffen: für CAI S < 4,0 ist eine Umrechnungsgleichung angegeben (vgl. Tab. 1), die aber für CAI S ≥ 4,0 nicht zu verwenden ist. Für diesen Bereich werden keine weiteren Angaben gemacht. In der DGGT- Empfehlung Nr. 23 [5] aus 2016 wird eine ähnliche Umrechnung, allerdings über den gesamten Wertebereich, empfohlen. Der ASTM Standard D7625 aus 2022 [3] kombiniert schließlich die Vorgabe der ISRM [7] für den Bereich CAI S < 4,0 mit der Umrechnung aus der „alten“ ASTM D7625 [2] für CAI S ≥ 4,0. Die verschiedenen Korrekturgleichungen sind in Tabelle-1 zusammengestellt und in Abb. 5 grafisch aufgetragen. Es sei darauf hingewiesen, dass sie sämtlich auf dem gleichen, zuletzt 2010 veröffentlichten [10], empirischen Datensatz mit rd. 80 Werten beruhen! Abb. 5: Grafische Darstellung der in den verschiedenen Prüfempfehlungen enthaltenen Korrekturgleichungen. 2.3 Neue Datengrundlage Seit der Einführung als Standardverfahren der Baugrunderkundung in der VOB/ C ist in den letzten zehn Jahren die Anzahl durchgeführter CERCHAR-Versuche deutlich angestiegen. Für eine Analyse und Neubewertung des Einflusses der Oberflächenrauigkeit kann daher erstmals auf eine Basis von über 1.300 Datensätzen zurückgegriffen werden, die vorrangig auf den Untersuchungen am Institut für Geomechanik und Untergrundtechnik (GUT) der RWTH Aachen University basiert. Hierbei wurden vielfach auch wenig abrasive Sedimentgesteine untersucht, an denen früher nur in seltenen Ausnahmefällen CERCHAR- Versuche durchgeführt worden wären [8]. Ergänzend wurden ältere Daten, die u. a. anderem auch den Datensatz aus 2003 enthalten [15], die Ergebnisse bislang unveröffentlichter Masterarbeiten an der TU Darmstadt [6], [13] sowie Messdaten aus einem aktuellen TBM-Projekt einbezogen. Im Einzelnen standen für die Bewertung zur Verfügung: • 198 Proben aus magmatischen Gesteinen, • 84 Proben aus metamorphen Gesteinen, • 563 Proben aus Sedimentgesteinen sowie • 524 Proben, die mangels ausreichender Angaben nicht zugeordnet werden konnten. Abb. 6 zeigt die Ergebnisse sämtlicher Versuche; jeder Datenpunkt entspricht dabei dem Mittelwert aus jeweils fünf Einzelversuchen an einer bruchrauen und fünf an einer sägerauen Oberfläche. In dem Diagramm sind zusätzlich zwei lineare Regressionen eingetragen, einmal rein aus den Messdaten (blaue Linie) und einmal durch den Nullpunkt gezwungen (rote Linie). Abb. 6: Auftragung aller Versuchsergebnisse. Es zeigt sich, dass über die Gesamtheit der untersuchten Proben ein Korrekturfaktor von 1,1, wie er in der DGGT- Empfehlung Nr. 23 [5] empfohlen wird, in einer plausiblen Größenordnung liegt. Gleichzeitig wird aber auch deutlich, dass es große Abweichungen, sowohl nach oben als auch nach unten, gibt. Bei Anwendung einer einfachen Umrechnungsformel kann also die aus dem Ergebnis eines auf sägerauer Oberfläche durchgeführten CER- CHAR-Versuchs abgeleitete Angabe des -normgerecht an bruchrauer Oberfläche ermittelten- CAI sowohl signifikant zu hoch als auch signifikant zu niedrig ausfallen. Besonders augenfällig wird dies bei der Betrachtung der Versuchsergebnisse an den magmatischen Gesteinen (Abb. 7). Während die auf einer sägerauen Oberfläche ermittelten CAI S überwiegend zwischen 3,0 und 4,0 liegen, betragen die auf der bruchrauen Oberfläche ermittelten Werte meist zwischen CAI = 4,5 und 5,5. Für die durch 15. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Februar 2026 201 Zum Einfluss der Oberflächenbeschaffenheit auf das Ergebnis des CERCHAR-Abrasivitätsversuchs: bruchrau vs. sägerau den Nullpunkt gehende Regressionsgerade ergibt sich ein Faktor von 1,27. Insgesamt bedeutet dies, dass die auf sägerauer Oberfläche bestimmte Abrasivität in den meisten Fällen deutlich kleiner ist, als die normgerecht auf bruchrauer Oberfläche ermittelte. Abb. 7: Versuchsergebnisse für magmatische Gesteine. Bei den untersuchten metamorphen Gesteinen ist dieser Effekt nicht so ausgeprägt, hier ergibt sich wiederum ein Faktor von etwa 1,1 (Abb. 8). Abb. 8: Versuchsergebnisse für metamorphe Gesteine. Abb. 9: Versuchsergebnisse für Sedimentgesteine. Abb. 10: Versuchsergebnisse der nicht zugeordneten Gesteine. Bemerkenswert sind auch die Ergebnisse für die untersuchten Sedimentgesteine (Abb. 9) sowie die Proben, die keiner Gesteinskategorie zugeordnet werden konnten (Abb. 10). Für diese Daten ergeben sich für die Ausgleichsgeraden Verhältniswerte kleiner als 1,0, d. h. die auf bruchrauen Oberflächen ermittelten CAI-Werte fallen häufig niedriger aus, als die Messwerte auf sägerauer Oberfläche. 202 15. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Februar 2026 Zum Einfluss der Oberflächenbeschaffenheit auf das Ergebnis des CERCHAR-Abrasivitätsversuchs: bruchrau vs. sägerau Dieser Umstand ist zunächst verwunderlich, kann aber mit den Eigenschaften dieser Gesteine plausibel erklärt werden. Da bei diesen Datensätzen überwiegend extrem niedrig bis niedrig abrasive Gesteine (CAI < 2,0) dominieren, welche meist auch nur eine (sehr) geringe Gesteinsfestigkeit aufweisen, kann vermutet werden, dass durch das höhere Relief der bruchrauen Oberfläche das in derartigen Gesteinen häufig zu beobachtende „Einpflügen“ der Prüfstifte in die Probenoberfläche forciert wird. Unter solchen Bedingungen verteilt sich die Prüflast (70-N) auf eine größere Fläche des Prüfstifts und es findet eine zusätzliche Abnutzung an den Prüfstiftflanken statt, die bei der Ermittlung der Abnutzung an der Prüfstiftspitze nicht erfasst wird. 3. Bewertung Der CERCHAR-Versuch hat sich in den vergangenen Jahrzehnten als Standardverfahren zur Abrasivitätsbewertung im Fels durchgesetzt. So enthalten beispielsweise zahlreiche Prognosemodelle für den Werkzeugverschleiß bei maschinellen Tunnelvortrieben den CAI als maßgeblichen Einflussparameter [17]. Für die Versuchsdurchführung liegen international [3], [7] und national [5] sinnvoll anwendbare Prüfempfehlungen vor. Dass mit dem Verfahren von verschiedenen Prüfinstituten unter vergleichbaren Ausführungsbedingungen auch vergleichbare Messergebnisse ermittelt werden, hat ein 2018 durchgeführter Ringversuch nachgewiesen [11], [12]. Die in allen aktuellen Versuchsempfehlungen enthaltene Möglichkeit, CERCHAR-Versuche nicht nur auf durch Aufspalten hergestellten bruchrauen Oberflächen durchzuführen, sondern ggf. auf die Prüfung gesägter d. h. sägerauer Oberflächen zurückzugreifen, erlaubt eine definierte Versuchsdurchführung auch für ausgeprägt anisotrope oder inhomogene Proben, bei denen sich durch Spalten keine prüffähige Oberfläche herstellen lässt. Bei der Anwendung dieser „Sonderfall-Regelung“ ist jedoch zu beachten, dass damit eine zusätzliche Variable in den Versuchsrahmenbedingungen eingeführt wird, für deren Berücksichtigung bzw. Korrektur international keine einheitliche Vorgehensweise vorliegt. Aus sägerauen Oberflächen abgeleitete CAI-Werte bergen daher stets die Gefahr einer signifikanten Unter- oder auch Überschätzung des Abrasivitäts-Messwerts. Die Prüfung sägerauer Oberflächen sollte daher stets nur einen Ausnahmefall bzw. eine „Rückfallebene“ für die Standardprüfung auf bruchrauer Oberfläche darstellen. Die Analyse und Neubewertung des Einflusses der Oberflächenrauigkeit auf das Messergebnis auf Basis eines bis dato einzigartigen Datenpools mit über 1.300 Messwerten zeigt, dass sich der Zusammenhang zwischen den Messergebnissen auf bruch- und sägerauen Oberflächen bei Weitem nicht so eindeutig darstellt, wie es die teilweise komplexen Korrekturformeln im internationalen Kontext suggerieren [16]. Die für alle Gesteine und über alle Messwerte abgeleitete lineare Regression zeigt, dass der in der DGGT-Empfehlung Nr. 23 [5] vorgeschlagene Korrekturfaktor von 1,1 global betrachtet in einer plausiblen Größenordnung liegt. Bei genauerer Bewertung der verschiedenen Lithologien zeigen sich allerdings auch deutliche Unterschiede: • bei magmatischen Gesteinen wird die an bruchrauer Oberfläche ermittelte sehr hohe (CAI > 4,0) bis extrem hohe (CAI > 5,0) Abrasivität in den Versuchen auf sägerauer Oberfläche zum Teil deutlich unterschätzt; • bei den gering abrasiven (CAI < 2,0) Sedimentgesteinen und Proben, die keiner Gesteinsart zugeordnet werden konnten, fallen die Ergebnisse auf sägerauer Oberfläche tendenziell sogar höher aus, als auf bruchrauer. Literatur [1] AFNOR - Association Française de Normalisation (2000): NF P 94-430-1: Roches - Détermination du pouvoir abrasif d‘une roche, Partie 1: Essai de rayure avec une pointe, 9 Seiten, Paris. [2] ASTM - American Society for Testing and Materials Standard (2010): ASTM D7625-10: Test Method for Laboratory Determination of Abrasiveness of Rock Using the CERCHAR Method, 6 Seiten, West Conshohocken. [3] ASTM - American Society for Testing and Materials Standard (2022): ASTM D7625-22: Test Method for Laboratory Determination of Abrasiveness of Rock Using the CERCHAR Method, 6 Seiten, West Conshohocken. [4] CERCHAR - Centre d’Etudes et Recherches de Charbonnages de France (1986): The Cerchar Abrasiveness Index, 12-Seiten, Verneuil. [5] DGGT - Deutsche Gesellschaft für Geotechnik e.V: (2016): Empfehlung Nr. 23 des Arbeitskreises 3.3 „Versuchstechnik Fels“ der Deutschen Gesellschaft für Geotechnik e.V: Bestimmung der Abrasivität von Gesteinen mit dem CERCHAR-Versuch, Bautechnik 93 (2016), Heft 6, S. 409-415, Ernst und Sohn. [6] Fehre, D. (2019): Bestimmung der Abrasivität ausgewählter Festgesteine des Odenwalds mit dem CERCHAR-Versuch, XIII + 93 Seiten, Masterarbeit am Institut für Angewandte Geowissenschaften der TU Darmstadt (unveröffentlicht). [7] ISRM - International Society for Rock Mechanics (2014): ISRM Suggested Method for Determining the Abrasivity of Rock by the CERCHAR Abrasivity Test, Rock Mechanics and Rock Engineering 47 (2014), S. 261-266. [8] Jennen, N. (2023): Die Auswirkungen bruchrauher oder sägerauher Oberflächen auf die Ergebnisse von CAI-Versuchen, XII + 77 Seiten, Bachelorarbeit am Lehrstuhl für Geotechnik im Bauwesen der RWTH Aachen University (unveröffentlicht). [9] Käsling, H. (2000): Der Cerchar-Abrasivitätstest: Aussagekraft und Verbesserungsmöglichkeiten eines Indextests zur Bestimmung der Gesteinsabrasivität, 47 Seiten + 9 Anlagen, Diplomarbeit am Lehrstuhl für Allgemeine, Angewandte und Ingenieurgeologie, TU München (unveröffentlicht). 15. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Februar 2026 203 Zum Einfluss der Oberflächenbeschaffenheit auf das Ergebnis des CERCHAR-Abrasivitätsversuchs: bruchrau vs. sägerau [10] Käsling, H.; Thuro, K. (2010): Determining rock abrasivity in the laboratory, in: Proceedings of the European Rock Mechanics Symposium EURO- CK 2010, Lausanne, Schweiz, 15.-18. Juni 2010, S.-425-428. [11] Lange, T. (2018): Durchführung und Auswertung eines CERCHAR-Ringversuchs zur Validierung der Empfehlung Nr. 23 der Deutschen Gesellschaft für Geotechnik (DGGT) e.V., LI + 79 Seiten, Masterarbeit am Institut für Angewandte Geowissenschaften der TU Darmstadt (unveröffentlicht). [12] Lange, T., Plinninger, R.J. & Henk, A. (2019): Ergebnisse eines Ringversuchs zur DGGT-Empfehlung Nr. 23 CERCHAR-Versuch, in: DGGT e.V. (Hrsg.): Tagungsband zu den Fachsektionstagen Geotechnik, Würzburg, 29./ 30. Oktober 2019, S.-286-291, Essen. [13] Ören, E. 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