Hydroabrasion bei strömungsbeanspruchten Wasserbauwerken aus Beton - Untersuchungen zum zeitabhängigen Verlauf und zu gefügemorphologischen Veränderungen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Hans-Burkhard Horlacher (†); Professor Dr.-Ing. Viktor Mechtcherine
• Fachliche Zuordnung: Geotechnik, Wasserbau
• Förderung: Förderung von 2009 bis 2012
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 117923737

Von feststoffhaltigem Wasser überströmte Betonoberflächen von Wasserbauwerken zeigen nach ent-sprechender Beaufschlagungsdauer einen deutlichen sowohl bauwerksgefährdenden (z. B. Beweh-rungsfreilegung) als auch hydraulisch wirksamen (z. B. ungünstige Erhöhung der Rauheit) Oberflä-chenverschleiß, der bis zu 70 % aller Schäden an Wasserbauwerken ausmachen kann [26]. Durch die bewegten Feststoffe wird in die Betonoberflächen kinetische Energie eingetragen, die zu einer ober-flächennahen Gefügeschädigung in Form von Mikrorissen führt. Bei fortgesetztem Energieeintrag schreitet die Rissbildung voran mit der Folge der Ablösung und Abplatzung von Betonbestandteilen aus der Oberfläche.Die Abhängigkeiten zwischen den makroskopischen Abrasionsvorgängen an der Betonoberfläche und der gleichzeitig und zuvor auf mikroskopischer Ebene stattfindenden Degradation des Betongefüges sind weitgehend unerforscht. Ohne Kenntnis dieser Zusammenhänge ist auf der Makroebene aber keine begründete Prognose zum vorhandenen Abrasionswiderstand bzw. zur Restlebensdauer von abrasionsbelasteten Betonoberflächen oder Verschleißschichten an Wasserbauwerken möglich. Dies ist jedoch für eine gezielte Bemessung von Wasserbauten und für eine effiziente, Ressourcen scho-nende Bauwerksunterhaltung unabdingbar.Im beantragten Projekt sollen daher die Abhängigkeiten zwischen dem makroskopischen Hydroabra-sionsverhalten des Betons und den Mikrorissentwicklungen im Betongefüge der wasserbaulichen Konstruktionsbetone erforscht werden.In Experimenten im Labormaßstab werden die Auswirkungen verschiedener Hydroabrasionsarten auf das Abrasionsverhalten von Betonen unterschiedlicher Zusammensetzung studiert. Bei den Untersu-chungen werden sowohl ungeschädigte als auch mikrostrukturell vorgeschädigte Betone betrachtet. Definierte hydroabrasive Belastungen der Betone werden mit Hilfe einer Abrasionstrommel eingestellt. Nach festgelegten Belastungsintervallen werden durch Oberflächenvermessung und Präzisionswägung der Prüfkörper makroskopische Abrasionskennwerte ermittelt. Die Entwicklung der mikrostrukturellen Materialschädigung im zeitlichen Verlauf der Belastung wird mit bildgebenden Verfahren (Ras-terelektronenmikroskopie, Dünnschliffe), porosimetrischen und Adsorptionsanalysen sowie Ultra-schallmessungen charakterisiert. Die ursprüngliche und verbleibende Beanspruchbarkeit der Betone in der oberflächennahen Schicht wird mit mechanischen bzw. bruchmechanischen Untersuchungen (Zug- und Biegezugversuche) ermittelt.Die Ergebnisse der Experimente bilden die Grundlagen zur Entwicklung eines numerischen Abrasi-onsmodells auf der Basis der Distinct Element Methode (DEM) sowie zur Erweiterung und Ergänzung des Prognosemodells mit dem Ziel der Berechnung bzw. Bemessung hydroabrasiv beanspruchter Wasserbauwerke. Mit der DEM soll zunächst eine grundlegende, beschreibende Modellierung der hydroabrasiven Verschleißvorgänge erfolgen. In späteren, in einem Anschlussprojekt durchzuführen-den Arbeiten sollen unter Nutzung der zu entwickelnden Simulationsmethode numerische Ergebnisse für eine breitgefächerte Parameter-Matrix generiert und experimentell verifiziert werden. In dem bean-tragten Forschungsprojekt werden die in den Experimenten und ersten, noch relativ groben Simulatio-nen erarbeiteten Zusammenhänge abschließend in einem erweiterten Abrasionsmodell dargestellt, das ausgehend von baustofflichen Parametern Prognosen auf den zu erwartenden Abrasionswiderstand bzw. die Restnutzungsdauer wasserbaulicher Konstruktionen ermöglicht.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen