Hydroabrasion bei strömungsbeanspruchten Wasserbauwerken aus Beton - Untersuchungen zum zeitabhängigen Verlauf und zu gefügemorphologischen Veränderungen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
In diesem Forschungsprojekt wurden die Abhängigkeiten und Korrelationen zwischen dem makroskopischen Hydroabrasionsverhalten des Betons und der Schädigung im Betongefüge der wasserbaulichen Konstruktionsbetone untersucht. Die Durchführung der Experimente zur Hydroabrasion erfolgte dabei unter Variierung des Abrasionsregimes, der Betonzusammensetzung und des Vorschädigungsgrades des Betons. Die Bestimmung des Masseverlustes und des Oberflächenabtrages erwiesen sich als zuverlässige Methoden, den Abrasionswiderstand zu charakterisieren. Dabei zeigte sich, dass der Verschleißwiderstand eines Betons gegenüber Hydroabrasion stark von der Art und Größe der Gesteinskörnung und dem Energieabsorptionsvermögen beeinflusst wird. Weiterführende Analysen sollen klären, weshalb die Betonzusammensetzungen mit einem maximalen Gesteinskorndurchmesser von 16 mm keine Steigerung im Abrasionswiderstand durch die Verwendung einer gebrochenen Gesteinskörnung erfahren haben. Durch die Anwendung der Ultraschallmessung wurde eine zerstörungsfreie Prüfung des Gefügezustandes nahe der abrasierten Betonoberflächen vorgenommen. Der nichtlineare Zusammenhang zwischen der Ultraschallgeschwindigkeit als Maß der inneren Schädigung und dem Massenverlust ist noch wissenschaftlich zu begründen. Änderungen der Gefügestruktur des Betons in den hydroabrasiv beanspruchten, oberflächennahen Bereichen wurden unter besonderer Berücksichtigung der Rissentwicklung mit verschiedenen Analyseverfahren (z. B. Dünnschliffpräparation) erfasst. Aufgrund der schlagenden Beanspruchung durch Stahlkugeln kam es zur Zerstörung und zum Herauslösen der Gesteinskörnung und zur Abplatzung von Betonfragmenten. Eine quantitative Beurteilung der inneren Gefügeschäden im Beton auch im Hinblick auf den unterschiedlichen Grad der Schädigung in den einzelnen Expositionsregimes und im zeitlichen Verlauf der Versuche war mit diesen Betrachtungsmethoden nicht möglich, sodass zusätzliche, vertiefende Untersuchungen angestrebt werden müssen. Die berücksichtigten Regimes und Energieeinwirkungen unterscheiden sich in ihren Schwere- und Turbulenzverhältnissen sowie in den mittleren Korn- bzw. Kugeldurchmessern. Hierbei steigen erwartungsgemäß mit größerem, regimebedingten Energieeintrag die Schädigungen in der Betonrandzone und folglich die Verschleißraten. Des Weiteren zeigen die Analysen, dass Vorschädigungen durch Frost-Tau-Wechsel ebenfalls zu erhöhten Abrasionsschäden führen. Aus der Nachbildung der realen Verschleißbeanspruchung im Laborversuch ergibt sich unter gleichen Materialbedingungen (= konstante Betoneigenschaften) eine differenzierte hydroabrasive Belastung und in der Folge auch ein unterschiedlicher Verschleiß. Ein vollständiger Vergleich der Hydroabrasionsregime untereinander ist jedoch aufgrund der Differenziertheit der jeweiligen Kernbedingungen noch nicht eindeutig möglich. Die Formeln zeigen anhand der Größen C* und D*, dass zum jetzigen Zeitpunkt der exakte Kraft- bzw. Energieeintrag und somit die definitive Größe der Oberflächenbelastung noch nicht erschöpfend beschrieben werden kann. Eine exakte, allgemeine Aussage zur Abrasionsbelastung unter verschiedenen Strömungssituationen und folglich ein vollständiges Übertragungsgesetz fehlen noch Die gewonnene Ergebnisse wurden in ein erweitertes Abrasionsmodell implementiert, das ausgehend von hydraulischen Randbedingungen und baustofflichen Parametern, quantitative Prognosen des Oberflächenverschleißes bzw. des Abrasionswiderstandes des eingesetzten Betons ermöglicht. Das hier vorgestellte Korrelationsverfahren erlaubt bereits eine Aufstellung von gegenseitigen Beziehungen zwischen den Abrasionsregimes und unter bestimmten Randbedingungen auch eine auf Versuchen mit dem Abrasionprüfverfahren (II) basierende Prognose des Verschleißes im Versuch und in der Natur.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Mechanisms and prediction of hydroabrasion on hydraulic structures, in: Proc. 1st European Congress of the IAHR, Edinburgh, UK, 2010 Abstract Vol. p. 58
Helbig, U., Horlacher, H.-B., Stamm, J.
- Deterioration of concrete subjected to hydro-abrasion, in: Proc. of the 9th fib International PhD Symposium in Civil Engineering, 22-25 July, 2012, Karlsruhe Institute of Technology (KIT), Germany
Bellmann, C.
- Experimental Investigation into the deterioration of ordinary concrete subjected to hydro-abrasion, in: RILEM Proceedings, PRO 83, 2012, 2nd International Conference on Microstructural-related Durability of Cementitious Composites, 11-13 April 2012, Amsterdam, The Netherlands
Bellmann, C.; Mechtcherine, V.
- Hydroabrasiver Verschleiß an Wasserbauwerken – Ursachen, Mechanismen, Prognose, in: Dresdner Wasserbauliche Mitteilungen, Heft 47, 2012, 35. Dresdner Wasserbaukolloquium "Staubauwerke – Planen, Bauen, Betreiben", 08.03. – 09.03.2012, Dresden
Bellmann, C.; Helbig, U.; Mechtcherine, V.; Horlacher, H.-B.; Stamm, J.
- Nachbildung der Hydroabrasionsbeanspruchung im Laborversuch Teil 1 – Experimentelle Untersuchungen zu Schädigungsmechanismen im Beton, in: Bautechnik 89 (2012), Heft 5, S. 309 – 319
Mechtcherine, V.; Bellmann, C.; Helbig, U.; Horlacher, H.-B., Stamm, J.
- Nachbildung der Hydroabrasionsbeanspruchung im Laborversuch Teil 2 – Korrelation mit Verschleißwerten und Prognoseansätze, in: Bautechnik 89 (2012), Heft 5, S. 320 – 330
Helbig, U.; Horlacher, H.-B.; Stamm, J., Bellmann, C.; Butler, M.; Mechtcherine, V.
