Dipl.-Geol. Dr. Bernd Weiher, Dissertation:

Kennwertprognosen in der Natursteinindustrie als Hilfestellung für Erkundung und Qualitätssicherung

Abschluss der Arbeit: SS 2009
(Prüfungstermin 19. Mai 2009)

Die gesteinstechnische Prüfung von Gesteinskörnungen im Hartgesteinssektor erfolgt i.d.R. hinsichtlich der Festigkeitseigenschaften mittels Schlagversuch oder Los-Angeles-Versuch. Im Zuge dieser Dissertation sollen im Hinblick auf eine angestrebte Vereinfachung von Erkundungsarbeit und Qualitätssicherung eine potentielle Nutzung von Bohrklein für angepasste Tests und der Einsatz der Ultraschalltechnik untersucht werden. Ziel ist eine realistische Prognose der spezifischen gesteinstechnischen Eigenschaften von Hartgesteinskörnungen.
Zu diesem Zweck wird ein umfangreiches Untersuchungsprogramm an Material aus neun Steinbrüchen durchgeführt. Bohrkleinmaterial aus den Sprenglochbohrungen wird direkt mit den produzierten Gesteinskörnungen hinsichtlich Schlagfestigkeit, Los-Angeles-Schlagabriebfestigkeit und Abrasivität sowie Brechbarkeit mittels LCPC-Versuch verglichen. Dabei werden unter Berücksichtigung der Kornform unterschiedliche Korngrößen untersucht. Parallel werden Probezylinder aus dem gesprengten Haufwerk gewonnen. Hieraus werden u.a. Daten zur einaxialen Druckfestigkeit sowie zur Geschwindigkeit der p-Welle gewonnen. Petrographische und geochemische Untersuchungen runden das Testprogramm ab.
Nach Abschluss der Arbeiten wird eine Korrelation der verschiedenen Kennwerte vorgenommen. Der Einfluss von Korngröße, Kornform, Art der Beanspruchung und Petrographie sollen – soweit möglich – eingeschätzt und evtl. quantifiziert werden. Die Ergebnisse können im Idealfall die Erkundungsarbeiten sowie die Qualitätssicherung in der Hartsteinindustrie wesentlich vereinfachen. An Bohrkleinmaterial (aus Erkundungs- oder Sprenglochbohrungen) oder an Prüfzylindern (aus Gesteinsblöcken im Erkundungsgebiet oder aus dem gesprengten Haufwerk) könnten „Schnellversuche“ durchgeführt werden, deren Ergebnisse zu einer realistischen Prognose der Standardkennwerte (Schlagfestigkeit, Los-Angeles-Wert) von Gesteinskörnungen führen.

Betreuer: Prof. Dr. Kurosch Thuro, Dr. G. Lehrberger
Finanzierung: Basalt-Actien-Gesellschaft
Aktueller Arbeitgeber: Basalt AG

Publikationen:

Weiher, B., Lehrberger, G. & Thuro, K. (2007): Prüftechnischer Nachweis von Sonnenbrand an einem Basalt der Oberpfalz. – In: Otto, F. (ed.): Veröffentlichungen von der 16. Tagung für Ingenieurgeologie, 7.-10. März 2007, Bochum. – 492 S., Bochum (Technische Fachhochschule Georg Agricola), 77-85. (0,4 MB)

Dipl.-Geol. Dr. Stephanie Gillhuber, Dissertation:

Anwendungsbezogene gesteinsphysikalische Eigenschaften und Verwitterungsprozesse des Teplá-Trachyts

Abschluss der Arbeit: WS 2007/08
(Prüfungstermin 25. Januar 2008)

Als prominentestes Anwendungsbeispiel für den Teplá-Trachyt ist die in unmittelbarer Nähe des Steinbuchs befindliche Kirche des Klosters Teplá aus dem 12./13. Jh. zu nennen. Die Kirche ist aufgrund ihrer exponierten Lage im Tepler Hochland, der Nähe zur Braunkohle-verarbeitenden Industrie im Egergraben sowie dem teilweise seit mehr als 800 Jahren verbauten Trachyt das ideale Studienobjekt.
Ergänzend zu den Untersuchungen vor Ort wurde ein umfangreiches Laborprogramm durchgeführt, um die gesteinsphysikalischen Parameter bestimmen zu können. Dazu begleitend wurden weitere Verwitterungssimulationen an weitgehend frischen Trachyt-Proben aus dem Steinbruch durchgeführt, um die auftretenden Schadensmechanismen analysieren zu können.
Die Verwitterung des Trachyts wird hauptsächlich durch den Porenraum, die vorhandenen Mikrorisse, die Gesteinsfestigkeit und die hygrischen sowie thermischen Eigenschaften des Trachyts gesteuert. Die Ermittlung dieser Parameter untermauerte die Resultate aus den Verwitterungssimulationen: der Teplá-Trachyt zeigt eine geringe Empfindlichkeit gegenüber Frost, aber eine hohe Anfälligkeit gegenüber Salzsprengung. Die Simulation eines Brandes führte zu ersten farblichen Veränderung ab ~400 °C zu gelb-beige, ab ~700 °C zu rot. Die Färbung konnte bis zu 2 cm tief im Gestein nachgewiesen werden. Verursacht wurde diese durch eine Kombination von Oxidationsprozessen sowie Dehydratationsvorgänge. Auftretende Porositätsänderungen mit steigender Temperatur konnten durch eine Abnahme der Schallgeschwindigkeit um fast ein Drittel nachgewiesen werden.
Die im Teplá-Trachyt vorkommende rhythmische Bänderung durch Fe- und Mn-Oxid wird durch eine Kopplung von Diffusionsvorgängen mit elektroosmotischen und Adsorptions-chromatischen Effekten verursacht. Es handelt sich dabei um Prozesse der Selbstorganisation von geochemischen Strukturen.
Mit der hellen und durch die braune Bänderung lebendigen Erscheinung sowie der sehr guten Verwitterungsstabilität handelt es sich beim Teplá-Trachyt um einen attraktiven Naturwerkstein.

Betreuer: Prof. Dr. Kurosch Thuro, Dr. G. Lehrberger
Finanzierung: Deutsche Bundesstiftung Umwelt & Lehrstuhl für Ingenieurgeologie (Assistenz)
Aktueller Arbeitgeber: Bayerischer Industrieverband Steine und Erden, Abt. Sand & Kies

Forschungsprojekt (Poster):
Ursachen und Beseitigung von Umweltschäden an Trachyt-Objekten im Kloster Teplá (Tschechien)

Preise:
2. Platz beim Forum Junger Ingenieurgeologen, Tagung Ingenieurgeologie, Bochum 2007 (Tagungsbericht; PDF).

Publikationen:

Gillhuber, S. & Lehrberger, G. & Thuro, K. (2008): Verwitterungsverhalten des Teplá-Trachyts in der Klosteranlage von Teplá (Tschechische Republik). – Geotechnik 4: 318 -323.

Gillhuber, St., Lehrberger, G. & Thuro, K. (2007): Untersuchung des Verwitterungsverhaltens des Teplá-Trachyts der Klosteranlage von Teplá in Westböhmen (Tschechische Republik). – In: Otto, F. (ed.): Veröffentlichungen von der 16. Tagung für Ingenieurgeologie, 7.-10. März 2007, Bochum. – 492 S., Bochum (Technische Fachhochschule Georg Agricola), 53-60. (1,7 MB)

Gillhuber, St., Lehrberger, G. & Thuro K. (2006): Teplá trachyte weathering phenomena and physical properties of a rare volcanogenic building stone. - In: Culshaw, M., Reeves, H., Spink, T. & Jefferson, I. (ed.): IAEG Engineering geology for tomorrow´s cities. - Proceedings of the 10th IAEG International Congress, Nottingham, United Kingdom, 6-10 Sept. 2006, 7 p. (Paper number 469, CD-ROM). (1,3 MB)

Dipl.-Ing. Dr. Luciana Patricia Eickhoff-Baumann, Dissertation:

Mineralogische und verfahrenstechnische Untersuchungen zur Mahlbarkeit von Zementklinkern

Abschluss der Arbeit: WS 2007/08
(Prüfungstermin 24. Januar 2008)

Die notwendige Energie, die zur Klinkermahlung aufgewendet werden muss, ist abhängig von der Anlagenart und den materialspezifischen Eigenschaften. Aufgrund der gestiegenen Anforderungen an die Zementgüte mit höherer Leistungsfähigkeit, ist es erforderlich, Zement mit höherer Mahlfeinheit und mit gewissen Korngrößenverteilungen herzustellen. Um diese höhere Mahlfeinheit gewährleisten zu können, muss das Mahlgut bis zu einem intrakristallenen Bruchvorgang beansprucht werden. Dazu sind die mineralogischen Eigenschaften der einzelnen Klinkerphasen zur Erklärung der Zementmahlbarkeit von großer Bedeutung. Die vorliegende Arbeit vergleicht mittels Energiecharakteristik-Konzept die Ergebnisse von unterschiedlichen Mahlbarkeitsverfahren (Zeisel-Test und Druckversuch), quantifiziert die bruchmechanischen Eigenschaften der Klinkergefüge und beschreibt den Kornaufbau der Zerkleinerungsprodukte anhand der Gefügeparameter.

Betreuer: Prof. Dr. Kurosch Thuro
Finanzierung: Verband Deutscher Maschinen Anlagenhersteller VDMA

Publikationen:

Baumann-Eickhoff, L. P., Thuro, K. & Espig, D. (2008): Mechanische Untersuchungen zur Mahlbarkeit von Zementklinkern. - Zement-Kalk-Gips Magazin

Dipl.-Geol. Dr. Florian Rauh, Dissertation:

Untersuchungen zum Quellverhalten von Anhydrit und Tongesteinen im Tunnelbau

Abschluss der Arbeit: SS 2007
(Prüfungstermin 26. Oktober 2007)

In der vorliegenden Arbeit wurde versucht, den aktuellen Kenntnisstand über quellfähige Gesteine und ihr Verhalten im Tunnelbau umfassend darzulegen. Besonderes Augenmerk wurde dabei auf die geologischen Ansatzpunkte bei der Quellproblematik gelegt. Aufgrund von theoretischen Überlegungen wurde der „Tonquellspiegel“ in quellfähigen Tongesteinen eingeführt. Des Weiteren konnten gute Korrelationen zwischen drei üblichen Labor-Quellversuchen gefunden werden. Damit wird erstmals eine Übertragung der relativ rasch vorliegenden Ergebnisse des Pulverquellversuches auf im Labor ermittelte Quelldrücke möglich. Besonders interessant ist der Nachweis, dass verschiedene, reine Anhydrite unterschiedliche Quellpotentiale besitzen. Es zeigt sich, dass Anhydrite, die eine größere ehemalige Überlagerung erlebt haben, weniger stark quellen. Bei metamorphen Anhydriten brauchen deshalb im Tunnelbau keine bedenklichen Quellerscheinungen befürchtet werden.

Betreuer: Prof. Dr. Kurosch Thuro, Prof. Dr. Georg Spaun
Finanzierung: Lehrstuhl für Ingenieurgeologie (Assistenz)
Aktueller Arbeitgeber: Baugeologisches Büro Bauer, München

Publikationen:

Rauh, F. & Thuro, K. (2007): Rasche und optimierte Vorhersage von Quelleigenschaften bei Tonen mithilfe des Pulverquellversuchs. – In: Otto, F. (ed.): Veröffentlichungen von der 16. Tagung für Ingenieurgeologie, 7.-10. März 2007, Bochum. – 492 S., Bochum (Technische Fachhochschule Georg Agricola), 61-68. (0,4 MB)

Rauh, F. & Thuro, K. (2007): Investigations on the swelling behavior of pure anhydrites. – Proceedings of the 1st Canada – U.S. Rock Mechjanics Symposium, 27.-31.05.2007, Vancouver B.C. 7 p. (0,6 MB)

Rauh, F. & Thuro, K. (2006): Why do pure anhydrites differ in their swelling capacity? – 217 S., 3rd Colloquium Rock Mechanics - Theory and Practice, Vienna, Austria, 2.-3. March 2006, Mitteilungen für Ingenieurgeologie und Geomechanik, Band 7, 191-204.

Rauh, F., Spaun, G. & Thuro, K. (2006): The powder swelling test - advantages and limitations. - In: Culshaw, M., Reeves, H., Spink, T. & Jefferson, I. (ed.): IAEG Engineering geology for tomorrow´s cities. - Proceedings of the 10th IAEG International Congress, Nottingham, United Kingdom, 6-10 Sept. 2006, 7 p. (Paper number 472, CD-ROM). (1,0 MB)

Rauh, F., Spaun, G. & Thuro, K. (2006): Assessment of the swelling potential of anhydrite in tunnelling projects. - In: Culshaw, M., Reeves, H., Spink, T. & Jefferson, I. (ed.): IAEG Engineering geology for tomorrow´s cities. Proceedings of the 10th IAEG International Congress, Nottingham, United Kingdom, 6-10 Sept. 2006, 7 p. (Paper number 473, CD-ROM). (1,9 MB)

Dipl.-Geol. Dr. Marion Nickmann, Dissertation:

Abgrenzung und Klassifizierung veränderlich fester Gesteine unter ingenieurgeologischen Aspekten

Abschluss der Arbeit: SS 2007
(Prüfungstermin: 03.07.2007)

Die Identifikation veränderlich fester Gesteine sowie die Klassifizierung der Veränderlichkeit sind für die Prognose des geotechnischen Verhaltens dieser Gesteine bei ihrer Exposition im Zuge von Bauarbeiten unumgänglich. Dennoch zeigte sich, dass die bisher gebräuchlichen und genormten Untersuchungen nicht in vollem Umfang geeignet sind, das sehr unterschiedliche unmittelbare und längerfristige Zerfallsverhalten in der Praxis zu erfassen.
Die vorliegende Arbeit stellt mit dem modifizierten Trocknungs-Befeuchtungs-Versuch eine neue Methodik zur Klassifizierung sämtlicher Festgesteine und zahlreicher Lockergesteine hinsichtlich ihres Zerfallsverhaltens (Mechanismus, Geschwindigkeit der Desintegration) vor. Hierbei ermöglicht der neu definierte Veränderlichkeitsindex IV eine quantitative Abgrenzung von fünf Veränderlichkeitsklassen.
Die Abgrenzung der veränderlich festen Gesteine von den Lockergesteinen einerseits und den Festgesteinen andererseits wird durch den neu definierten Parameter „Gefügefestigkeit G“ ermöglicht, der die zerfallsrelevanten Eigenschaften eines Gesteins (Druckfestigkeit, Korngrößenverteilung, Porenvolumen, Quellpotential, nat. Wassergehalt) beschreibt.
Ausgehend vom Veränderlichkeitsgrad werden weitere praxisrelevante Eigenschaften veränderlich fester Gesteine, z.B. ihre wassergehaltsabhängige Druckfestigkeit, ihr Verwitterungsverhalten und ihre Rutschanfälligkeit diskutiert

Betreuer: Prof. Dr. Georg Spaun, Prof. Dr. Kurosch Thuro
Finanzierung: Lehrstuhl für Ingenieurgeologie (Assistenz)
Aktueller Arbeitgeber: Lehrstuhl für Ingenieurgeologie, TUM (Wissenschaftliche Mitarbeiterin)

Publikationen:

Nickmann, M., Sailer, S., Ljubesic, J. & Thuro, K. (2010): Engineering geological investigations into the border between hard and weak rocks. – 11th IAEG Congress, Auckland, New Zealand, 5.-10. Sept. 2010, Geologically Active (paper accepted).

Nickmann, M., Spaun, G. & Thuro, K. (2006): Engineering geological classification of weak rocks. - In: Culshaw, M., Reeves, H., Spink, T. & Jefferson, I. (ed.): IAEG Engineering geology for tomorrow´s cities. - Proceedings of the 10th IAEG International Congress, Nottingham, United Kingdom, 6-10 Sept. 2006, 8 p. (Paper number 492, CD-ROM). (0,6 MB)

Nickmann, M., Spaun, G. & Thuro, K. (2005): Untersuchungen zur Klassifizierung veränderlich fester Gesteine unter ingenieurgeologischen Aspekten. – In: Moser, M. (ed.): Veröffentlichungen von der 15. Tagung Ingenieurgeologie, 6.-9. April 2005, Erlangen. - 482 S., Erlangen (Friedrich-Alexander-Universität), 157-164. (2,0 MB)