CT- und Multi-Monitoring fertiges Thermo-Gefrier-Hydro-Mechanisches 3D Belastungssystem

• Fachliche Zuordnung: Geophysik und Geodäsie
• Förderung: Förderung in 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 500412763

Die Analyse von gefroren Bodenmaterialien nimmt in dem anstehenden Klimawandel eine grundlegende Bedeutung für die Adaption bzw. Mitigation in urbanen Gebieten als auch zum Verständnis auftretender geologischer Phänomene ein. Wesentlich sind die derzeit existierenden Permafrostböden in der Sicherung der darin gekapselten organischen Kohlenstoffe und als auch in der Stabilisierung der existierenden Bodenstrukturen, wie ständig und saisonal gefrorene Böden (Kryosole) in der Kryosphäre, Böschungen, Fundierungen, durch die hohe Steifigkeit des Untergrunds. Hier muss das grundlegende Verständnis zu Änderung der gekoppelten kryo-hydro-mechanischen Bodeneigenschaften verbessert werden, so das neben den geänderten chemischen, biologischen Prozessen durch das Auftauen bzw. dem Übergang des zyklischen, alternierendes Tauen / Gefrieren von oberen Kryosole, die resultierenden hydraulischen, mechanischen Änderungen, wie Verwitterung, Steifigkeits-, Festigkeitsverlust, frostbedingte Durchmischungen und Erosion, beurteilt und modelliert werden können. Ebenso sind Änderungen der kryopedogenen Prozesse, wie Eissegregation, -akkumulation und Kryometamorphose unter dem alternierenden Tauen / Gefrieren unbekannt.In der Adaption urbanen Lebens sowie der Mitigation von ansteigenden urbane Hitze-Hotspots, wird die Kühlung von Infrastrukturen bedeutsamer. Dazu müssen urbane Eisspeicher im geologischen Maßstab gebaut werden. Erste Forschungen dazu sind bereits im Entstehen. Aus bautechnischer Sicht sind Gefrierverfahren, mit der Tragfähigkeit bzw. Sicherung gegen Versagen bekannt. Zyklische Gefrierprozesse, wie zur Nutzung von Eisspeichern notwendig, sind hinsichtlich der Auswirkungen komplett unbekannt. Die Wirkungen von zyklischen auftretenden Frost-Tau-Hysterese auf die volumetrischen Porenraum- und Strukturänderungen, in den Atterberg Limits bzw. mechanischen Festigkeits- und Kompressibilität-Degradationen sind kaum analysiert und haben für Sedimente mit größerem Feinkornanteil signifikante Auswirkungen. Gesicherte geomechanische Prognosen zu diesen Sedimenten für zyklische Frost-Tau-Wechseln sind bislang nicht möglich.Für die Modellierung des zyklischen kryo-hydro-mechanischen Materialverhaltens gefrorener Böden, sollen eine Vielzahl von unterschiedlichen experimentellen Versuchen durchgeführt werden, für welche ein bislang nicht-existierendes Laborgerät, angeschafft werden soll. Für die experimentellen 3D Analysen der Bodenproben, soll ein 3-dimensionales Drucksystem für zyklische kryo-thermo-hydro-mechanische Belastung angeschafft werden, welches neben dem zyklischen Gefrieren/Tauen, das zusätzliche Installieren von weiteren Monitoringgeräten (Digital-Kameras zur Partikel-Image-Velocity, Thermographie-Kameras, Lasertechnik, μCT’s, Radar u.a.) direkt an der Probe und während des Versuchsablaufs erlaubt, so dass lokale Änderungen der Struktur hochauflösend als Tomographie oder Oberflächenplot aufgezeichnet und in die Modellierung übertragen werden können.

• DFG-Verfahren: Forschungsgroßgeräte
• Großgeräte: CT- und Multi-Monitoring fertiges Thermo-Gefrier-Hydro-Mechanisches 3D Belastungssystem
• Gerätegruppe: 2940 Spezielle Baustoff- und Bodenprüfgeräte, Schergeräte
• Antragstellende Institution: Christian-Albrechts-Universität zu Kiel
• Leiter: Professor Dr.-Ing. Frank Wuttke