Versuche zur einaxialen Druckfestigkeit geklebter Gesteinsproben

Das Kleben von Bauteilen ist eine gängige Sanierungsmaßnahmeim konstruktiven Ingenieurbau und im Bergbau, welche weiter-entwickelt wird. Verkleben von Gestein stellt eine potentielle Me-thode der Sicherung von Felsböschungen dar, die jedoch bisherwenig Anwendung erfahren hat. In dem vorliegenden Beitragwird das Kleben von typischen Gesteinsproben im Labor anhandvon einaxialen Druckversuchen untersucht. Neben der Trennflä-chenneigung wurde die Temperatur beim Abbindevorgang vari-iert. Die Gegenüberstellung geklebter und intakter Gesteinspro-ben zeigt die Wirkung der Klebeverbindung.

Tests on the uniaxial strength of adhesive-bonded rock samples.Adhesive bonding of structural parts is a common retrofit mea-sure in structural and mining engineering, which is being furtherdeveloped. Adhesive bonding of rock is a promising method ofslope stabilization that received little attention hitherto. In this pa-per, the adhesive bonding of typical rock samples is investigatedby means of uniaxial compression laboratory tests. Both, the ori-entation of the discontinuity as well as the temperature duringthe hardening process are varied in the tests. The comparison ofbonded and intact rock samples shows the effect of the adhesivebond.

1 Einleitung

Die Klebetechnik wird aufgrund zahlreicher technologi-scher und wirtschaftlicher Vorteile und der Weiterent-wicklung der Klebstoffe im Bauwesen zunehmend einge-setzt. So finden Epoxidharze derzeit bereits Anwendungim Glas- und Stahlbau [1]. Auch im Stahlbetonbau werdenKlebeverbindungen eingesetzt, bei denen bspw. vorgefer-tigte Stahlbetonteile kraftschlüssig miteinander verklebtwerden, oder auch bei dem bereits etablierten Verfahrenzur Ertüchtigung von Stahlbetonteilen, indem hochfesteKohlefaserlamellen (CFK-Lamellen) auf bestehende Bau-teile aufgeklebt werden. Im Bergbau werden seit geraumerZeit Harze zur Abdichtung gegen Wasser oder zur Stabili-sierung von Gesteinspartien eingesetzt, um bspw. aufwän-dige Verankerungen zu vermeiden. Der Felsbau kennt un-terschiedliche Verfahren zur Stabilisierung und Sanierunggleitgefährdeter Trennflächensysteme [2]; Verkleben alsSicherungsmaßnahme fand bisher wenig Anwendung. Imvorliegenden Beitrag wird diese Ertüchtigungsmöglichkeituntersucht. Ihre Wirksamkeit wird anhand von einaxialenDruckversuchen an verschiedenen Gesteinsarten verifi-ziert.

2 Material

Bei der Auswahl der Versuchsgesteine wurden geologisch-petrologische Kriterien herangezogen. Um ein möglichstbreites Spektrum abdecken zu können, wurden als typi-sche Sedimentgesteine Sandstein, Kalkstein sowie Ton-stein aus Rheinland-Pfalz ausgewählt. Als Vertreter kristal-liner Gesteine wurde ein Granit aus der Nähe von St.Salvy, Frankreich, untersucht.

Zum Materialverhalten von Sandstein und Granitliegen bereits umfangreiche Erfahrungen vor. Ein Über-blick über maßgebliche Kenngrößen ist in [3] zusammen-gestellt. Die felsmechanischen Untersuchungen an denKalkstein- und Tonsteinproben beschränkten sich auf diehier vorgestellten Versuche. Im Gegensatz zu den Sand-stein-, Granit- und auch Tonsteinproben wies der Kalk-stein ein ausgeprägtes Trennflächengefüge auf.

Bei dem verwendeten Klebstoff handelt es sich umein spezielles Zweikomponenten-Epoxidharz. In der Ta-belle 1 sind Festigkeitsparameter und Eigenschaften zu-sammengestellt.

Mechanisch wirksame Trennflächen beeinflussenbekanntermaßen die maximal aufnehmbare Scherfestig-keit (σ1–σ3)f, wobei σ1 die größte und σ3 die kleinsteHauptspannung ist. So kann die aufnehmbare Axialspan-nung σ1f in Abhängigkeit der Trennflächenneigung β dras-tisch abfallen (Bild 1) [2].

3 Laboruntersuchungen3.1 Voruntersuchungen

In Voruntersuchungen wurden unterschiedliche Möglich-keiten betrachtet, Klebstoffanteile durch die Zugabe vonSubstituten einzusparen. Neben einer Reduzierung des

Bericht

Versuche zur einaxialen Druckfestigkeit geklebter Gesteinsproben

Andreas BeckerChristos Vrettos

DOI: 10.1002/gete.201200023

113© 2013 Ernst & Sohn Verlag für Architektur und technische Wissenschaften GmbH & Co. KG, Berlin · geotechnik 36 (2013), Heft 2

Tabelle 1. Eigenschaften des verwendeten Zweikomponen-ten-Klebers bei 20 °CTable 1. Properties of the used two-component adhesive at20 °C

Viskosität η [Pa · s] 0,075

Druckfestigkeit σDruck [MPa] 100

Zugfestigkeit σZug [MPa] 45

E-Modul [MPa] 2.850

Kleberanteils standen dabei Fragen zur Verarbeitbarkeit,erreichbaren Härte oder zur Viskosität im Vordergrund.Als Ersatzstoffe wurden neben Salzen Glasmehl, Feinsandund Tonmehl untersucht. Als mechanisch geeignete Ein-sparmaßnahme wurde die Zugabe von ca. 30 % eines tro-ckenen Tonmehls betrachtet. Das Tonmehl wurde als einausgeprägt plastischer Ton (TA) klassifiziert.

3.2 Probenherstellung

Für die Einaxialversuche wurden die Prüfkörper mitDurchmessern von d = 10 cm mit Hilfe eines Kernbohrge-rätes aus Gesteinsblöcken gewonnen.

Sämtliche Granitkerne waren gleich orientiert, dieSandstein-Prüfkörper wurden durchweg senkrecht zurSchichtung gebohrt. Ohne vorgegebene Orientierungwurden die Kalkstein- und Tonsteinproben aus ausrei-chend großen Gesteinsblöcken entnommen. Nach demBohren wurden die Kerne mit einer Gesteinssäge auf eineHöhe von h = 20 cm (Verhältnis h/d = 2) abgelängt unddie Endflächen in einer Würfelschleifmaschine plan ge-schliffen. Die Probenkörper erfüllen somit die Anforde-rungen an die Prüfkörperqualität nach den Empfehlungendes Arbeitskreises „Versuchstechnik Fels“ der DGGT [4].Im nächsten Arbeitsschritt wurden die Prüfkörper – mitAusnahme der Tonsteinproben – unter definierten Trenn-flächenwinkeln β = 0°, 45°, 75° sowie 90° zersägt, anschlie-ßend 24 Stunden in der Trockenkammer gelagert undnach einer Vorkonditionierung der Schnittflächen durcheinen Voranstrich mit dem Epoxidharz wieder zusammen-gefügt. Die Trennflächendicke betrug bei allen Proben et-wa 3 mm. Die Dicke wurde durch Abstandshalter gewähr-leistet. Bild 2 zeigt einen vorbereiteten Prüfsatz von Gra-nitproben.

Insgesamt wurden für Sandstein und Granit jeweilsdrei Prüfsätze mit den Bezeichnungen Sst-β-01, Sst-β-02,Sst-β-03 (Sandstein) und Gst-β-01, Gst-β-02, Gst-β-03 (Gra-nit) hergestellt, wobei 0 ≤ β ≤ 90° die Trennflächennei-gung bezogen auf die Horizontale bezeichnet. Für Kalk-stein wurde ein Prüfsatz Kst-β bestehend aus vier Einzel-

A. Becker/Ch. Vrettos · Versuche zur einaxialen Druckfestigkeit geklebter Gesteinsproben

proben gefertigt. Der zusätzliche Index -01 bis -03 weist beiden Sandstein- und Granitproben auf die Temperaturge-schichte der Proben während des Abbindevorganges hin.Um einen möglichen Einfluss von Temperaturschwankun-gen auf die Güte der Klebeverbindung abschätzen zu kön-nen, wurden zwei Prüfsätze mit unterschiedlichen Tempe-raturzyklen beansprucht.

Sandsteinproben der Bezeichnung Sst-β-02 wurdennach der Herstellung zehn Frost-Tau-Wechseln mit einerDauer von jeweils 24 Stunden zwischen –40 °C undRaumtemperatur unterzogen, während die Prüfkörper Sst-β-03 in gleichem Zeitrhythmus im Trockenschrank bis+50 °C beansprucht wurden. Die Prüfkörper Sst-β-01 la-gerten bei Raumtemperatur. Als Referenzgröße zu den ge-klebten Prüfkörpern wurden Untersuchungsergebnisse in-takter Kerne mit den Bezeichnungen Sst-01, Sst-02 undSst-03 herangezogen.

Die gleichen Probenbezeichnungen gelten für dieGranit-Prüfkörper. So bezeichnet bspw. Gst-β-02 den Prüf-satz der Granitproben, die Frost-Tau-Wechseln unterzogenwurden.

Bei den Kalksteinproben beschränkten sich die Un-tersuchungen auf einen Prüfsatz bei Raumtemperatur.

Mit den Versuchen an der Tonsteinprobe wurde eineandere Zielsetzung verfolgt. Hier wurde nicht der Einflussder Verklebung bereits bestehender Trennflächen unter-sucht, sondern die Möglichkeit der Ertüchtigung währendder Belastung des Probenkörpers.

3.3 Versuchsdurchführung

Die Versuche zur Ermittlung der einaxialen Druckfestig-keit wurden in einem als Groß-Triaxialzelle konzipiertenVersuchsstand durchgeführt (Bild 3). Dieser ist in [3] ein-gehend beschrieben.

Die Versuche wurden 28 Tage nach Herstellung derPrüfkörper weggesteuert gefahren. Als Vorschubgeschwin-digkeit wurde für alle Gesteinsarten ein Wert von0,10 mm/min gewählt. Neben der Messung der axialen Be-lastung σ1 erfolgte eine kontinuierliche Aufzeichnung der

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Bild 1. Abhängigkeit der Scherfestigkeit (σ1–σ3)f von derOrientierung der Trennfläche. Der Kurvenverlauf im Bereichβ1 ≤ β ≤ β2 wird durch die Scherfestigkeit der Trennflächebestimmt, außerhalb dieses Bereiches ist die Gesteinsfestig-keit maßgebend, nach [2]Fig. 1. Dependency of shear strength (σ1–σ3)f on the orienta-tion of the discontinuity. For β1 ≤ β ≤ β2 the curve is control-led by the shear strength of the discontinuity; outside thisdomain the shear strength of rock controls the sample beha-vior, from [2]

Bild 2. Granitproben h/d = 20/10 cm mit geklebten Trenn-flächen in Neigungen von β = 0°, 45°, 75° sowie 90°Fig. 2. Granite samples h/d = 20/10 cm with bonded dis-continuities at inclinations of β = 0°, 45°, 75°, and 90°

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vertikalen Dehnung ε1 mittels eines konduktiven Wegauf-nehmers. Die Radialverformungsmessung wurde nur beiden Sandsteinproben realisiert und erfolgte mit Hilfe ei-ner Messspange mit eingebautem LVDT (Bild 4).

Die intakten Tonsteinproben wurden zunächst biszum Erreichen der Grenztragfähigkeit axial belastet. DieVorschubgeschwindigkeit wurde anschließend auf Null re-duziert und in diesem Zustand die Proben durch Injektionvon Klebemittel in die durch die Belastung entstandeneBruchfuge ertüchtigt. Nach Erhärtung wurden die Probenweiter beansprucht bis zum erneuten Erreichen derGrenztragfähigkeit. Anschließend wurde eine weitere Er-tüchtigung in gleicher Weise vorgenommen. Eine Aufnah-me der Injektionsmaßnahme zeigt Bild 5.

4 Versuchsergebnisse4.1 Einaxiale Druckfestigkeit

SandsteinIn den Bildern 6 und 7 sind die Versuchsergebnisse desSandstein-Prüfsatzes Sst-β-01 zusammengestellt. Nebenden Arbeitslinien der geklebten Proben ist als Referenzver-such die intakte Probe Sst-01 dargestellt.

Die Ergebnisse zeigen, dass das Festigkeitsniveau derintakten Referenzprobe annähernd wieder erreicht wird,vgl. Ergebnis von Sst-00-01 mit Sst-01, bzw. deutlich über-schritten wird, vgl. Sst-90-01. Die geklebten Proben ver-halten sich im Vergleich zur Probe Sst-01 duktiler, wasdurch eine Zunahme der Dehnungen im Bruchzustand ε1ferkennbar ist.

Bild 3. Versuchsstand mit eingebauter SandsteinprobeFig. 3. Testing apparatus with sandstone sample

Bild 4. Sandsteinprobe Sst-45-01 mit Einrichtung zur Mes-sung der RadialverformungFig. 4. Sandstone sample Sst-45-01 with device for the mea-surement of radial deformation

Bild 5. Tonsteinprobe: Injektionsvorgang unter BelastungFig. 5. Claystone sample: injection process under loading

Bild 6. Spannungs-Dehnungslinien des Sandstein-Prüf -satzes Sst-β-01Fig. 6. Stress-strain curves of the sandstone testing setSst-β-01

GranitDas Zusammenkleben der getrennten Probekörper führtwie bei den Sandsteinproben dazu, dass über die künstlicherzeugten Trennflächen durch den Kleber Spannungenübertragen werden können. Die ermittelten einaxialenDruckfestigkeiten der geklebten Proben liegen im Gegen-satz zu den Sandsteinproben nahezu durchweg unterhalbder Festigkeitswerte der intakten Referenzproben Gst-i.Exemplarisch für die Untersuchungsergebnisse an Granitsind die Arbeitslinien des Prüfsatzes Gst-β-02 im Bild 8dargestellt. In Bild 9 sind alle Ergebnisse als Wertepaare(ε1f, σ1f) zusammengestellt. Die erreichten Druckfestigkei-ten σ1f betragen mindestens etwa 50 % derjenigen der in-

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takten Proben. Aus Bild 9 ist erkennbar, dass – im Gegen-satz zu den Sandsteinproben – die intakten Granitprobenein duktileres Verhalten im Vergleich zu den geklebtenProben aufweisen.

KalksteinBild 10 zeigt die ermittelten Druckfestigkeiten aller Kalk-steinproben. Man erkennt, dass bei den geklebten Probendurchweg höhere Werte σ1f im Vergleich zu den intaktenProben erreicht werden.

TonsteinDie Arbeitslinie mit den beiden Ertüchtigungsphasen istin Bild 11 abgebildet. Man erkennt, dass nach der Ertüch-tigung ein nennenswert höheres Festigkeitsniveau erreichtwird, wobei beide Ertüchtigungen zu gleich großen ein-axialen Druckfestigkeiten führen.

Bild 7. Ergebnisse aller Druckversuche an Sandstein,i = 01, 02, 03Fig. 7. Results from all compression tests on sandstone,i = 01, 02, 03

Bild 8. Spannungs-Dehnungslinien des Granit-PrüfsatzesGst-β-02Fig. 8. Stress-strain curves of the granite testing set Gst-β-02

Bild 9. Ergebnisse aller Druckversuche an Granit,i = 01, 02, 03Fig. 9. Results from all compression tests on granite,i = 01, 02, 03

Bild 10. Ergebnisse aller Druckversuche an KalksteinFig. 10. Results from all compression tests on limestone

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4.2 Bruchfiguren

Die geklebten Trennflächen beeinflussen maßgeblich dasBruchverhalten. Je nach Festigkeitsverhältnis von Kleb-stoff zu Festgestein kann die Probe sich wie ein festver-bundener Körper oder wie ein Zusammenschluss zweierKörper verhalten. Diese Differenzierung wird insbesonde-re bei den Bruchfiguren der Proben Granit Gst-00-01 undKalkstein Kst-00 deutlich (Bild 12).

4.3 Einfluss der Temperatur während des Abbindevorgangs

SandsteinDer Einfluss der Temperaturbeanspruchung während desAbbindevorganges ist exemplarisch für die Prüfsätze Sst-00-i und Sst-45-i in Bild 13 dargestellt.

Ein eindeutiger Einfluss der Lagerungstemperaturauf die Festigkeit der Klebeverbindung ist anhand der Versuchsergebnisse nicht ableitbar. Bei den höheren Tem-peraturzyklen ergaben sich im Vergleich zu den durchFrost-Tau-Zyklen vorbeanspruchten Proben sowohl höhe-re Festigkeiten, vgl. Sst-00-03, als auch geringere Werte,vgl. Sst-45-03. Auch im Vergleich zu den Raumtemperatur-Proben (Sst-β-01) ist unter Einbeziehung aller Versuchser-gebnisse keine Tendenz bez. eines Temperatureinflusseserkennbar. Dies ist ein Indiz für die Temperaturbeständig-keit des Klebstoffes.

GranitEin Einfluss der Temperatur war ebenso wie bei den Sand-steinproben nicht erkennbar. Die Streuung der Ergebnisselässt auf keinen erkennbaren Zusammenhang schließen.

5 Schlussfolgerungen

Die Versuchsergebnisse zeigen, dass über die geklebtenTrennflächen Spannungen übertragen werden können.

Bild 11. Spannungs-Dehnungslinien der Tonsteinprobe mitKennzeichnung der beiden ErtüchtigungenFig. 11. Stress-strain curves of the claystone with indicationof the two retrofits

Bild 12. Bruchfiguren zu den Proben: Granit Gst-00-01(links) und Kalkstein Kst-00 (rechts)Fig. 12. Fracture forms for the samples: Granite Gst-00-01(left), and limestone Kst-00 (right)

Bild 13. Spannungs-Dehnungslinien der Sandstein-Prüfsät-ze Sst-00-i (oben) und Sst-45-i (unten), i = 01, 02, 03 bei un-terschiedlichen TemperaturhistorienFig. 13. Stress-strain curves for the sandstone testing setsSst-00-i (top) und Sst-45-i (bottom), i = 01, 02, 03 at diffe-rent temperature histories

Die Verklebung der Trennflächen führt bei den Sandstein-proben dazu, dass die Druckfestigkeit Werte erreicht, diedenen der intakten Proben entsprechen. Granitproben er-reichen lediglich eine Festigkeit von etwa 50 bis 80 % derintakten Referenzprobe. Bei Kalksteinproben war die Festigkeitserhöhung viel ausgeprägter und beträgt ca. dasDrei- bis Vierfache des Wertes der unbehandelten Proben.Der Einfluss der thermischen Belastung während des Ab-bindevorgangs zeigte keine eindeutige Tendenz. Die vor-genommene Verklebung von Tonsteinproben unter Belas-tung zeigt die Anwendungsmöglichkeit der Methode unterin situ-Spannungsbeanspruchung.

Literatur

[1] Feldmann, M., Völling, B., Geßler, A., Wellershoff, F., Geiß, P.-L., Wagner, A.: Kleben im Stahlbau. Stahlbau 75 (2006), H. 10, S. 834–846.

[2] Hudson, J. A., Harrison, J. P.: Engineering Rock Mechanics –An Introduction to the Principles. Oxford: Elsevier Science,1997.

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[3] Adam, E.: Untersuchungen zum temperaturabhängigen Ma-terialverhalten kristalliner und sedimentärer Gesteine. Veröf-fentlichungen des Fachgebietes Bodenmechanik und Grund-bau der Technischen Universität Kaiserslautern, H. 4, 2001.

[4] Mutschler, T.: Neufassung der Empfehlung Nr. 1 des Arbeits-kreises „Versuchstechnik Fels“ der Deutschen Gesellschaft fürGeotechnik e.V.: Einaxiale Druckversuche an zylindrischenGesteinsprüfkörpern. Bautechnik 81 (2004), H. 10, S. 825–834.

AutorenDr.-Ing. Andreas BeckerFachgebiet Bodenmechanik und GrundbauTechnische Universität KaiserslauternD-67663 [email protected]

Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. Christos VrettosFachgebiet Bodenmechanik und GrundbauTechnische Universität KaiserslauternD-67663 [email protected]

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