Der Gefriersog und die Eislinsenbildung bei der Bodenfrostung
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Bei feinkörnigen Böden werden Frosthebungen je nach Randbedingung zu einem großen Anteil durch die Bildung von Eislinsen hervorgerufen. Diese entstehen durch den frostinduzierten Gefriersog, infolgedessen Wasser aus ungefrorenen Bodenbereichen an die Frostgrenze transportiert wird. Die dort gebildeten Eislinsen spalten den Boden und führen somit zu einer Veränderung der bodenmechanischen Eigenschaften im aufgetauten Zustand. Die Mechanismen und die Einflussparameter des Gefriersogs sind bisher nur ungenügend geklärt und waren Gegenstand des Forschungsprojekts. Aufbauend auf vorangegangene Forschungs- und Versuchsergebnisse wurde ein neuer Versuchsstand für eindimensionale Frostversuche konzipiert, bei dem die Einstellung eines stationären Temperaturzustands und die vergleichende Untersuchung von Eislinsenbildung am offenen System und Gefriersog am geschlossenen System ermöglicht wurde. Neben den Frostversuchen lag der Fokus zudem auf der Analyse der Eigenschaften der verwendeten feinkörnigen Materialien. So wurden neben den Standardparametern auch die Mineralogie, die spezifische Oberfläche, die Kationenaustauschkapazität und die Eigenschaften des Porenwassers bestimmt, da sich Materialien auch bei ähnlicher Kornverteilung sehr unterschiedlich verhalten können. Versuche mit Glaskugelpulver wurden eingestellt, da das Material aufgrund seiner großen Oberfläche von Wasser angelöst wird und damit die Ergebnisse verfälscht werden. Anhand der Frostversuche konnte gezeigt werden, dass sowohl die Eislinsenbildung als auch der maximale Gefriersog stark von der Auflast und dem Material beeinflusst werden. Auffällig war, dass für einige Materialien Gefriersog gemessen werden konnte, obwohl bei vergleichbaren Versuchen am offenen System keine sichtbare Eislinsenbildung erfolgte und das Material keine Tonminerale enthält (z.B. bei Kalksteinmehl). Es wird deutlich, dass auch bei diesem Material dieselben Mechanismen vorliegen und es bleibt zu vermuten, dass unter anderen Versuchsrandbedingungen Eislinsenbildung ebenfalls möglich wäre. Über die Bestimmung des Wassergehalts über die Probenhöhe konnten die Lage und das Ausmaß der Eislinsenbildung beim offenen System bestimmt werden. Am geschlossenen System konnte eine Umverteilung des in der Probe vorhandenen Wassers infolge des Gefriersogs nachgewiesen werden, was bei einigen Materialien zur Bildung von sichtbaren Eislinsen führte. Folglich kann auch ohne zusätzlich zufließendes Wasser die Materialstruktur durch die Wirkung des Gefriersogs verändert werden. Neben den geplanten Versuchen wurde eine weitere Versuchsreihe mit modifiziertem Ablauf erfolgreich durchgeführt, um die teilweise aufgetretenen Überdrücke zu verhindern und eine zuverlässige Sogmessung zu ermöglichen. Die erstmalig durchgeführten Eisdruckversuche konnten entscheidend belegen, dass bei behinderter Hebung im stationären Temperaturzustand trotz des offenen Systems messbare Spannungen zwischen Partikeloberfläche und Eis auf Basis des osmotischen Drucks entstehen, welche bei geschlossenem System für den Gefriersog verantwortlich sind. Die erzielten Versuchsergebnisse belegen weiterhin den Einfluss der Spannungsgeschichte auf Gefriersog und Eislinsenbildung aufgrund der veränderten Porenstruktur, sowie den Einfluss der Oberfläche der Materialien und der Kationenaustauschkapazität. Es zeigte sich, dass der Einfluss der Oberfläche im bisherigen Modell nicht angemessen berücksichtig wurde. Wichtige Erkenntnisse über Partikelabstand und Porengeometrie konnten anhand der REM-Aufnahmen von Materialschnitten gewonnen werden und dabei die bisherigen Annahmen des theoretischen Modells verifiziert werden. Weitere Folgeanalysen hinsichtlich der Materialeigenschaften und der physikalisch-chemischen Wechselwirkungen könnten zur Optimierung der Modellvorstellung beitragen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- (2012): Gefriersog und Eislinsenbildung bei der Bodenvereisung. 2. Symposium Baugrundverbesserung in der Geotechnik 13.-14.09.2012 in Wien, S. 323-337
Herzog, F., Zou, Y., Boley, C.
- (2012): Untersuchungen zum Gefriersog und der Eislinsenbildung bei der Bodenfrostung. 32. Baugrundtagung, Forum für junge Geotechnik-Ingenieure, Beiträge der Spezialsitzung 26.09.2012 in Mainz, Deutsche Gesellschaft für Geotechnik (DGGT), S. 37-44
- (2013): Experimentelle Untersuchungen zu Frosthebungen durch Eislinsenbildung im Untergrund von Eisenbahnfahrwegen, 9. Tiefbaufachtagung der VDEI-Akademie, 07.- 08.02.2013, 18 Seiten
Boley, C., Herzog, F.
- (2013): Mechanisms during formation of ice lenses and suction in freezing soils. 18th International Conference on Soil Mechanics and Geotechnical Engineering 2.-5.09.2013 in Paris, S. 337-340
Herzog, F., Boley, C.
