Abrasivity of granular soil and tool wear in ground engineering

Abstract

Tiefbauarbeiten in Lockergestein verursachen - wie im Festgestein, wenn auch weniger - Verschleiß an den Abbau- und Bearbeitungswerkzeugen der Baumaschinen. Werkzeugverschleiß wird aufgrund der gestiegenen Leistungsanforderungen der vergangenen Dekaden zunehmend zu einem signifikanten Kostenfaktor in der Bauindustrie.<br />Bauprojekt-Auftragnehmer müssen diese Kosten im Zuge ihrer Angebotslegung kalkulieren können, und Auftraggeber müssen die dazu erforderlichen Baugrundinformationen zur Verfügung stellen. Der Stand der Technik zur Beschreibung der Baugrund-eigenschaft "Abrasivität", welche das dem Boden innenwohnende Potential beschreibt, bei Gleitkontakt am Bauwerkzeug Verschleiß zu verursachen, erwies sich jedoch für grobkörniges Lockergestein als nicht ausreichend.<br />In der vorliegenden Arbeit werden die Grundlagen über den Verschleiß durch grobkörnige mineralische Gegenstoffe, mit besonderer Berücksichtigung von Abrasivverschleiß an metallischen Werkstoffen, aufgearbeitet. Auf Basis dieser Grundlagen wurde am Institut für Geotechnik der TU Wien, Forschungsbereich Grundbau, Boden- und Felsmechanik, das sog. "TU Wien Abrasimeter" entwickelt, ein Verschleißtopfversuch zur Bestimmung eines Kennwertes, mit dem sich die Abrasivität von grobkörnigem Lockergestein bis 31,5 mm Korndurchmesser eindeutig quantifizieren lässt. Darüber hinaus ermöglicht das TU Wien Abrasimeter auch die Durchführung von Parameterstudien, wodurch die maßgebenden Einflussfaktoren auf die Abrasivität von grobkörnigem Lockergestein erstmals untersucht werden konnten. Es zeigte sich, dass neben der Korngröße die "Beweglichkeit" des Kornkollektivs, d.h. die Fähigkeit bzw. Möglichkeit der Einzelkörner, sich dem Gleitkontakt mit dem Werkzeug zu entziehen, für dessen Abrasivität maßgeblich ist. Die "Beweglichkeit" wiederum ist von den Korngrößenverteilung und den Kornformen bestimmt, bzw. von der "Einspannung" der Einzelkörner im Kornkollektiv. Letztere wird in der Natur durch die Lagerungsdichte des kohäsionslosen Bodens oder durch die Plastizität des feinkörnigen Bodens beschrieben. Darüber hinaus führt die Anwesenheit von (Grund-) Wasser, bzw. Feuchtigkeit im Boden zu einer starken Abrasivitätssteigerung gegenüber ofentrockenem Boden, jedoch unabhängig vom Wassergehalt. Die mineralogische Zusammensetzung bzw. der Gehalt an schleißscharfen Mineralen ist für die Abrasivität von grobkörnigen Lockergesteinen erst zweitrangig von Bedeutung. Neben der Abrasivität des Baugrundes sind für den Werkzeugverschleiß von Baumaschinen auch werkstoffliche sowie gewerk- und projektspezifische Einflussfaktoren zu berücksichtigen. Darüber hinaus können auch andere Verschleißmechanismen als Abrasion (insbesondere Tribokorrosion und Oberflächenermüdung) bedeutsam werden. Die Einflüsse sind sowohl qualitativ als auch quantitativ komplex, was dazu führt, dass kein universelles Verschleißprognosemodell für den Tiefbau aufgestellt werden kann. Daraus folgend hat aus heutiger Sicht eine Kalkulation der Verschleißkosten auf Basis von Erfahrungswerten kurzfristig die besten Erfolgsaussichten.

Cutting tools wear during ground engineering or tunneling works in soil, however, less than in rock. Due to rising performance requirements in the construction industry, tool wear has become increasingly a significantly economical factor. Contractors have to calculate these costs when submitting a bid, and the owners have to provide the necessary ground information for this. However, state of the art characterization of the ground-property "abrasivity" of coarse-grained soil is still unsatisfactory. "Abrasivity" in this context refers to the soil´s inherent potential to cause wear on tools having sliding contact with it.<br />The work presented here provides background knowledge about wear caused by coarse-grained mineral counterbodies, in special consideration of abrasive wear of metallic materials. On these fundamentals, a device called "TU Wien Abrasimeter" was developed at the Institute of Geotechnics of the Vienna University of Technology. It comprises a wear-pot method to determine an innovative characteristic value for the abrasivity of coarse-grained soils with a maximum grain-size of 31.5 mm.<br />In addition, the device allows to test various parameters in order to investigate the essential influencing factors on abrasivity of coarse-grained soil.<br />Comprehensive test series disclosed that, along with the grain size, the "mobility" of the grain-community is determining for its abrasivity.<br />This "mobility", i.e. the ability of the single grains to avoid sliding contact with the cutting tool, is mainly influenced by grain-size distribution and grain shapes, as well as by the "fixation" of the single grains within the grain-community. The "fixation" is described in situ by the compactness of cohesionless soils or by the plasticity of fine-grained soils. Furthermore, the presence of (ground-) water or soil moisture will substantially increase abrasivity compared with oven-dried soil, yet independent of the water-content. The mineralogical composition, or the amount of abrasive minerals, is only a subordinate influencing factor on abrasivity of coarse-grained soil.<br />Not only ground-abrasivity, but also the properties of tool material, as well as the construction method and site specific aspects have an impact on the tool wear of construction machines that needs to be considered.<br />Other wear mechanisms, such as surface fatigue and tribochemical reactions, may be important as well. According to this complexity, an all-embracing and generally valid civil engineering wear prognosis model cannot be provided. Conclusively, the calculation of wear costs based on operating experience has the best short-term prospects of success, seen from the present perspective.