Dynamische Felsprüfmaschine mit Triaxialzelle
Final Report Abstract
Der Forschungsschwerpunkt Tiefenlagerung radioaktiver Reststoffe im Salzgestein wird im Rahmen zweier Forschungsprogramme: „Entsorgungsoptionen für radioaktive Reststoffe“ (ENTRIA) und „Vergleich aktueller Stoffgesetze und Vorgehensweisen anhand von Modellberechnungen zum thermo-mechanischen Verhalten und zur Verheilung von Steinsalz; Teilvorhaben 6“, bearbeitet. In diesem Zusammenhang wurden und werden Salzproben aus der WIPP-Site, New Mexico, USA, (WIPP: Waste Isolation Pilot Plant) hinsichtlich ihrer mechanischen Eigenschaften untersucht. Dabei liegt der Schwerpunkt auf der Untersuchung von zwei verschiedene Salzgesteinen in der Triaxialzelle, reines Steinsalz und tondurchsetztes Steinsalz, die im Gegensatz zu den in Deutschland bisher betrachteten Salzformationen aus einer flachen Lagerung stammen und deutlich höhere Wassergehalte, höhere Kriechraten und vermutlich geringere Festigkeiten aufweisen. Da in den bisherigen Betrachtungen zu einem Endlager vornehmlich das tektonische beanspruchte Salz in steiler Lagerung untersucht wurde, liegen kaum wissenschaftliche Erkenntnisse über das Stoffverhalten des nicht tektonisch beanspruchten Salzgesteins in flacher Lagerung vor. Vor dem Hintergrund der erneuten ergebnisoffenen Standortsuche nach dem Standortauswahlgesetz vom 23.07.2013, Geltung ab 01.01.2014, sind jetzt auch Standorte im flach gelagerten Salzgestein mit zu bewerten. Um hierfür die wissenschaftlichen Grundlagen zu legen, wurden weggesteuerte Festigkeitsversuche mit Variation der Spannungsniveaus und zukünftig der Versuchsgeschwindigkeiten durchgeführt. Die Ergebnisse dieser Versuche und deren wissenschaftliche Interpretation bilden die Grundlage für die Entwicklung von Stoffmodellen, mit denen in numerischen Berechnungen die Eignung eines Tiefenlagers in Salzgestein in flacher Lagerung bewertet werden kann. Sie sind in der deutschsprachigen „geotechnik“ und auf dem internationalen Geomechanics-Symposium in Minneapolis veröffentlicht. Ebenfalls im Rahmen der Endlagerforschung wurden vergleichende Vorversuche an Kalksand- und Sandsteinproben, deren Einsatz in Barriereversuchsbauwerken diskutiert wird, unter dynamischer Belastung durchgeführt. Derzeit werden Tonsteinproben vorbereitet, um im Vergleich mit Ergebnissen für den Opalinuston aus dem internationalen Felslabor Mont Terri in der Schweiz Grundlagen für u.a. einen Forschungsantrag zur Beurteilung verschiedener Wirtsgesteine zu liefern. Die technische Erweiterung der Anlage um eine hydraulische Beanspruchung der Proben in der Triaxialzelle ist dafür notwendig und geplant. Mit dem Ziel der Ermittlung des Schädigungs- und Verheilungsverhaltens von Salzgestein wurden Versuche an Salzproben aus einem bestehenden deutschen Endlagerstandort durchgeführt. In Vorversuchen außerhalb der Felsprüfmaschine wurde für isotrope Randbedingungen bestätigt, dass das üblicherweise verwendete Fluiddruckkriterium zur Beurteilung einer potentiellen Schädigung der Salzbarriere nur für Sonderfälle Gültigkeit besitzt. Versuche unter anisotropen Verhältnissen in der Triaxialzelle der Felsprüfmaschine sind in Planung. Dazu wurde auf der Grundlage der bisher gewonnenen Erkenntnisse ein Forschungsvorhaben beim Projektträger Karlsruhe, Wassertechnologie und Entsorgung (PTKA-WTE) beantragt, in dem umfangreiche Versuchsreihen und ebenfalls eine bauliche Erweiterung der Felsprüfmaschine enthalten sind. Im Rahmen der Dissertation „Prefailure Behaviour of Rock at Rockburst Hazard Areas – Laboratory Investigations on Microacoustic Emissions“ von Frau Dr.-Ing. Kimme wurde im IGB-TUBS das Vor- und Nachbruchverhalten auf der Grundlage der mikroakustischen Ereignisse und ihrer Veränderungen in den einzelnen Stadien exemplarisch an Kalksandsteinproben untersucht. Der wissenschaftliche Hintergrund liegt in den messtechnisch zwar erfassbaren mikroakustischen Ereignissen und ihren Veränderungen vor allem in der Vorbruchphase aber nicht interpretierbaren Beziehung zum Bruchzustand. Die gewonnenen Erkenntnisse wurden in den letzten Monaten durch die Untersuchung anderer Materialien (z.B. Sandstein, Gabbro, Kalkstein) in der Felsprüfmaschine erweitert. Wesentliche Aspekte sind hierbei das wesentlich breitere Spektrum der untersuchbaren Versuchsparameter und die erst mit dieser Maschine möglichen Spannungspfade. Ein wichtiger Aspekt sind auch die Maschinenemissionen, die sich konstruktionsbedingt von denen der alten sehr einfachen Versuchsanlage, die Frau Dr.-Ing. Kimme zur Verfügung stand, unterscheiden. Die Beachtung der Maschinenemissionen war schon seinerzeit von den Gutachtern eingefordert worden und konnte jetzt umgesetzt werden. Einige Versuchsserien wurden bereits durchgeführt und ausgewertet, eine Veröffentlichung hierzu befindet sich im Freigabeverfahren des Institutes. Die Versuchsserien werden hinsichtlich einer Optimierung des präzisen Anfahrens des Bruchdehnungsbereichs weiter fortgeführt. Forschungen und anwendungsbezogene Arbeiten zur Wellenausbreitung in Pfählen gehören seit Jahrzehnten zu den Schwerpunkten des Instituts. Durch Untersuchungen zur Geschwindigkeitsänderung der Wellenausbreitung verursacht durch minderwertige Betone oder den Bewehrungsgrad werden Prüfmöglichkeiten an Ortbetonpfählen mit der dynamischen Low-Strain Prüfung verbessert. Bei der Anwendung der Felsprüfmaschine werden E-Moduln und Festigkeiten verschiedener Betonrezepturen zu verschiedenen Prüfzeitpunkten bestimmt und der Zusammenhang mit Änderungen der Wellengeschwindigkeit sowie weiterer dynamischer Kennwerte untersucht. Von wissenschaftlich großer Bedeutung ist der Nachweis der Abhängigkeit der spezifischen Wellengeschwindigkeit, die bisher als Materialkennwert unterstellt wurde, vom räumlichen Spannungszustand bzw. der Behinderung der Querdehnung.
Publications
- Charakteristische Pfahlwiderstände aus dynamischen Probebelastungen. Pfahl-Symposium 2013, Fachseminar am 21 ./22.02.13 in Braunschweig, Mitteilung des Instituts für Grundbau und Bodenmechanik, Technische Universität Braunschweig, ISBN 3-927-610-88-7, Heft 96, S. 57-75, 2013
Stahlmann J.; Fischer, J.; Zahlmann, J.
- Monitoring of Sealing Dams - Experiences from a Test Set-up at the Repository ERAM, Germany. Monitoring in Geological Disposal of Radioactive Waste: 'Objectives, Strategies, Technologies and Public Involvement', International Conference and Workshop 19-21 March 2013, Luxembourg, 2013
Stahlmann, J.; Mauke, R.; Mohlfeld, M.; Missal, C.
- Comparison of Triaxial Strength Tests of Clean Halite and Argillaceous Halite from the WIPP. 48th US Rock Mechanics / Geomechanics Symposium held in Minneapolis, MN, USA, 1-4 June 2014, 2014
Missal, C.; Döring, I.; Stahlmann, J.
- Geotechnische Bedingungen in der Schachtanlage Konrad -Auffahrung von Strecken und Kammern in druckhaftem Gebirge. geotechnik, 37. Jahrgang, Heft 2, S. 129-137, Berlin, 2014 und Mining Report Glückauf, 150. Jahrgang, Heft 5, S. 277-288, Berlin, 2014
Stahlmann, J.; Missal, C.; Hahn, P.; Edel, T.
(See online at https://doi.org/10.1002/gete.201400006) - Messdaten versus Modellvorstellungen - Erfahrungen am in situ Versuchsbauwerk im Endlager für radioaktive Abfälle Morsleben. Messen in der Geotechnik 2014, 20.-21.02.2014 in Braunschweig, Mitteilungen des Instituts für Grundbau und Bodenmechanik,Technische Universität Braunschweig, Heft 98, S. 243-259, 2014
Stahlmann, J.; Missal, C.; Pruter, J.
- Spannungs-Dehnungs-Verhalten von Steinsalz aus der flachen und steilen Lagerung. geotechnik, 37. Jahrgang, Heft 3, S. 177-184, Berlin, 2014
Missal, C.; Döring, I.; Stahlmann, J.
(See online at https://doi.org/10.1002/gete.201400007)
