16. Tagung fr Ingenieurgeologie und Forum Junge Ingenieurgeologen Bochum 2007

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Abrasivittsuntersuchungen mit dem Cerchar-Test eine Evaluierung der Versuchsbedingungen

Abrasivity investigations with the Cerchar Scratch Test an evaluation of the testing conditions

Dipl.-Geol. Heiko Ksling, Dipl.-Geol. Inke Thiele & Prof. Dr. Kurosch Thuro 1

Zusammenfassung

Der Cerchar-Versuch (CERCHAR, 1986) ist fr die Abrasivittsuntersuchung von Festgesteinen weltweit verbreitet und wird von einem groen Spektrum von Anwendern eingesetzt. Neben einer international durchgefhrten Umfrage zur Anwendung des Cerchartests haben umfangreiche Untersuchungen zu einer Reihe von Faktoren gefhrt, die z.T. einen wesentlichen Einfluss auf das erzielte Untersuchungsergebnis haben. Dabei handelt es sich im Wesentlichen um die fr die Prfstifte verwendete Stahlsorte sowie deren Hrte, die Beschaffenheit der getesteten Gesteinsoberflche und die Ausfhrung des verwendeten Prfgertes. Weitere wichtige Punkte sind zudem die Anzahl und Orientierung der Einzelversuche pro Gesteinsprobe, sowie die Art und Ausfhrung der Ablesung der abgenutzten Prfstifte. Die bereits existierende umfangreiche Literatur fhrt durch z.T. grundlegende Modifikationen des Versuches zu einer weiteren Verwirrung und einer Vielzahl von mglichen Versuchsoptionen. Ziel dieser Arbeit ist es, die wichtigsten Einflussfaktoren zu beschreiben und einen berblick ber die weltweit verbreiteten Versuchsoptionen zu geben, die eine Grundlage fr eine Prfempfehlung zum Cerchar-Abrasivittsversuch im Arbeitskreis 3.3 Versuchstechnik Fels der DGGT darstellen soll.

Schlsselworte: Cerchar-Versuch, CAI, Gesteinsabrasivitt, Verschleiprognose, Versuchstechnik

Abstract

The Cerchar Test (CERCHAR, 1986) is used globally by a broad spectrum of users as an abrasivity test for rock. Worldwide surveys concerning the execution of the test, as well as numerous other tests have led to the identification of factors, which partly have a major influence on the test results. The most essential factors are the kind of steel and the hardness of the steel used for the testing pins, the properties of the tested rock surface and the type of the testing device. Further important factors are the number and orientation of single tests performed per rock sample as well as the type and execution of the readout of the worn out testing pins. The extensive number of existing literature concerning the Cerchar Test, partly in which fundamental changes are made to the testing procedure, leads to further testing options and adds on to the confusion. The goal of this research is to describe the major influencing factors to the Cerchar Test and to give an overview of the existing testing procedures worldwide. This should be the basis for a testing recommendation for the Cerchar Test in the Technical Commitee 3.3 Versuchstechnik Fels of the DGGT (German Geotechnical Society) and a ISRM Suggested Method.

Key words: Cerchar Test, CAI, Rock Abrasivity, Wear Prediction, Testing Equipment

1 Dipl.-Geol. Heiko Ksling, Dipl.-Geol. Inke Thiele & Prof. Dr. Kurosch Thuro, Lehrstuhl fr Ingenieurgeologie, Technische Universitt Mnchen, Arcisstr. 21, 80333 Mnchen, heiko.kaesling@tum.de

1 Einleitung Der Cerchartest und der damit gewonnene Cerchar-Abrasivitts-Index (CAI) wird fr die Beurteilung der Gesteinsabrasivitt von Festgesteinen weltweit eingesetzt. Neben der Orginalliteratur von VALANTIN (1973) und CERCHAR (1986) existiert auch eine franzsische Norm (AFNOR, 2000), die den einfach anmutenden Versuch in groben Zgen beschreibt. Verschiedenste Autoren haben weltweit immer wieder einzelne Aspekte des Versuches untersucht und damit zu einer Flle von z.T. stark differierenden Beschreibungen gefhrt. Aufkommende Unregelmigkeiten bei jngsten Bau-projekten und z.T. stark unterschiedliche CAI-Werte, die weltweit an vergleichbaren Gesteinen bestimmt wurden, lieen den Wunsch nach einer aktualisierten, zusammen-hngenden Prfempfehlung aufkommen. Derzeit wird im

Arbeitskreis 3.3 Versuchstechnik Fels der DGGT eine solche Empfehlung erarbeitet. Um hierfr eine aus-reichend groe Basis zu schaffen, wurden mglichst viele Institute und Prflabore in einer weltweiten Umfrage ber ihre Erfahrungen und Vorgehensweisen bei der Durchfhrung des Cerchar-Versuches befragt (THIELE, 2006). Neben den bestehenden eigenen Erfahrungen und der weiteren Literatur erffneten sich hieraus wesentliche, bei der Versuchsdurchfhrung zu be-achtende Details, die im Folgenden nher erlutert werden sollen. Der Cerchar-Abrasivittstest beruht auf einem Prfstift, der bei konstanter Auflast ber 10mm eines Gesteins-prfkrpers bewegt wird (Abb. 1). Aus der hierdurch entstandenen kegelstumpffrmigen Verschleiphase errechnet sich der Cerchar-Abrasivits-Index (CAI).

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Abb. 1: Beispiel fr die Durchfhrung eines Cerchar-Versuches auf einem Sandstein.

Fig. 1: Example for a Cerchar-Test on a sandstone. 2 Einflufaktoren auf das Versuchsergebnis

2.1 Testgerte

Fr die Durchfhrung des Cerchar-Abrasivittsversuches sind weltweit zwei, in ihrer Bauart unterschiedliche Gerte im Einsatz. Das in der Orginalliteratur (VALANTIN 1973, CERCHAR 1986) beschriebene sogenannte Cerchar-Gert ist weit verbreitet, wurde aber von einigen Prfinstituten zur besseren Handhabung leicht abgewandelt. Daneben existiert das von WEST (1989) beschriebene und u.a. von der Firma ErgoTech (Gro-britannien) vertriebene sog. West-Gert (Abb. 2). Beide Gerte werden weltweit etwa zu gleichen Teilen verwendet. Das sog. Cerchar-Gert besteht aus einem Schraubstock zur Aufnahme der Probe sowie einem langen Prfarm, an dessen Ende der Prfstift befestigt ist. Der mit dem Gewicht belastete Prfstift, wird mit Hilfe des Hebels innerhalb von 1 sec ber 10 mm der Prfkrper-oberflche hinweg bewegt. Die Abwandlung des Gertes einiger Prflabore umfasst lediglich die Platzierung des Gewichtes auf den Prfarm (ursprnglich hngend unter dem Gert) und hat demnach keinen Einfluss auf das Versuchsergebnis. Bei dem sog. West-Gert wird innerhalb von 10 sec die auf einem beweglichen Schlitten eingespannte Probe unter dem statisch belasteten Prfstift hinweg gezogen. Erste vergleichende Untersuchungen beider Testgerte zeigten geringe, jedoch bemerkbare Unterschiede in den erzielten Cerchar-Abrasivittswerten bei manchen Ge-steinsproben. Bei nherer Betrachtung ist ersichtlich, dass auf Grund des weniger stabilen, langen Prfarms beim Cerchar-Gert die Prfspitze in Schlangenlinien um harte Minerale herum gleitet (Abb. 3). Dadurch ver-ringert sich die erzielte Abnutzung des Prfstiftes und somit auch der gewonnene CAI-Wert.

Cerchar-Gert

1+3 Schraubstock fr Probe, 2 Handgriff, 4 Prfstift, 5 Prfstiftaufnahme, 6 Gewicht

West-Gert

1 Schraubstock, 2 Handkurbel, 3 Schlitten 4 Prfstift, 5 Prfstiftfhrung, 6 Gewicht

Abb. 2: Weltweit verbreitete Prfgerte (verndert nach PLINNINGER et al., 2003).

Fig. 2: Worldwide spread testing devices (modified after PLINNINGER et al., 2003).

Abb. 3: Ritzspuren der Prfstifte auf einem Quarzsand-stein (links: Cerchar-Gert; rechts: West-Gert).

Fig. 3: Scratches of the steel pins on a quarzitic sand-stone (left: Cerchar-Apparatus; right: West-Apparatus). Dieses Phnomen hat bei, im Versuchsmastab in-homogenen Gesteinen, wie etwa bei kristallinen Gesteinen (z.B. Granit), einen deutlichen Einfluss auf das Versuchsergebnis. Der mit dem Cerchar-Gert ge-wonnene CAI-Wert ist hierbei geringer als der, mit dem steiferen West-Gert erzielten Ergebnis (Abb. 4). Beim Test von homogenen Gesteinen oder Sandsteinen ist dieser Einfluss nur sehr gering. Um die Testergebnisse jedoch ausreichend genau miteinander vergleichen zu knnen, muss durch eine verbesserte und verstrkte Fhrung des Prfarms diese Ausweichbewegung des Prfstiftes hinreichend unterbunden werden.

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Abb. 4: Vergleich der an den beiden Versuchsgerten (nach Cerchar und West) ermittelten Cerchar-Werte.

Fig. 4: Comparision of Cerchar-values gained with the two different testing devices (Cerchar and West) Zudem hebt die Prfspitze bei der nur 1 sec dauernden, schnellen Bewegung beim Cerchar-Gert immer wieder ab und kratzt nicht kontinuierlich ber die bruch-raue Gesteinsoberflche. Das Ergebnis dieses Einzelver-suches ist dann zu verwerfen, da durch diesen Umstand, je nach Gesteinsart, der gemessene CAI-Wert nach unten oder oben verflscht werden kann. Mechanisch gesehen ist dadurch das Westgert gegen-ber dem originalen Cerchargert eindeutig im Vorteil. 2.2 Prfstifte

Obwohl in den ersten Verffentlichungen zum Cerchar-Abrasivittsversuch (VALANTIN 1973, CERCHAR 1986) eine Stahlhrte von HRC 54-56 fr die Prfstifte angefhrt wird und in Kombination hiermit den Cerchar-Abrasivitts-Index (CAI) und die entsprechende Klassifizierung (Tab. 1) aufbaut, verwenden einige Bearbeiter weniger harte Stifte. So fhrt WEST (1989) Materialbeschaffungsprobleme oder AL-AMEEN & WALLER (1994) bessere Prfergebnisse bei weniger abrasiven Gesteinen an. In Folge dessen werden weltweit nun CAI-Versuche mit variierenden Hrten von HRC 40-43 oder HRC 54-56 durchgefhrt. Die dabei erzielten Ergebnisse sind nicht eindeutig miteinander zu vergleichen. Zehn von 13 an der Umfrage teilnehmende Prfinstitute verwenden Prfstifte der Hrte HRC 54-56, lediglich drei Prfinstitute verwenden ausschlielich Prfstifte mit einer Hrte von HRC 40-43. MICHALAKOPOULOS (2005) hat eine gute Korrelation der Versuchsergebnisse an den verschieden harten Stahlstiften gefunden (Abb. 4). Leider hat er fr seine Untersuchungen aber auch 2 unterschiedliche Stahlsorten verwendet (CALMAX und 3