Charakterisierung der Brucheigenschaften von Gestein

Das Bruchverhalten von Gestein spielt in vielen Bereichen der Technik eine wichtige Rolle. Gestein muss zunächst abgebaut, dann zerkleinert und schließlich in die richtige Form gebracht werden. Für diese Prozesse ist die Kenntnis einiger Größen, welche die Brucheigenschaften charakterisieren, notwendig. Die Anwendung bruchmechanischer Prinzipien bietet eine Möglichkeit, wobei aber bisher viele Aspekte des Gesteinsbruchs auf diese Weise nicht befriedigend charakterisiert werden konnten. Hauptziel dieses Projektes war es daher, Experimentier- und Auswertetechniken zu entwickeln, welche das Bruchverhalten von Gestein besser charakterisieren und quantifizieren, indem spezielle Gesteinseigenschaften in die bruchmechanischen Betrachtungen einbezogen werden. Frühere Untersuchungen an anderen inhomogenen, nichtmetallischen Werkstoffen, wie Holz, Beton, Asphalt etc. haben gezeigt, dass die sogenannte "spezifische Bruchenergie" ein Größe ist, die sehr gut dazu geeignet ist, solche Werkstoffe zu charakterisieren. Es ist allerdings sehr aufwendig, diese Größe mit herkömmlichen Experimentiertechniken zu ermitteln (Verwendung langer und schwerer Balken als Probenmaterial, etc). Eine von Tschegg (1986) patentierte Keilspalteinrichtung umgeht diese Schwierigkeiten, indem kompakte, relativ kleine Proben (Würfel oder Zylinder mit Kantenlängen zwischen einigen Zentimetern bis Dezimetern) verwendet werden. Die Versuchsanordnung ist so konzipiert, dass komplette "Last-Verschiebungskurven" aufgezeichnet werden können, welche die Grunddaten für die Berechnung der spezifischen Bruchenergie liefern. Ziel des vorliegenden Projektes war es, diese Methodik für den Werkstoff Gestein zu adaptieren, was auch gelungen ist. Damit konnten die spezifischen Bruchenergien verschiedener Gesteinssorten, insbesondere verschiedener Granite, ebenso wie jene von Kunst- und Natursteinplatten unterschiedlichen Aufbaues bestimmt werden. Zusätzlich wurde auch das sogenannte "Entfestigungsverhalten" , d.h. eine Größe, die die Ausbreitung eines bereits vorhandenen Risses quantifiziert, abgeleitet. Weitere physikalische Experimentier- und Auswertetechniken (Rasterelektronen-mikroskopie, Schallemission etc.) dienten dazu, die Natur und die Mechanismen der Verformung, der Risseinleitung und der Rissausbreitung zu charakterisieren. Besonders die "geschädigte" Zone vor der Rissspitze und der "geschwächte" Bereich rund um die entstandene Bruchfläche wurden genauer untersucht. Die Ergebnisse des Projektes erlauben nun, dass das Bruchverhalten verschiedener Gesteinssorten und Gesteinskombinationen (wie Plattenverbunde, faserverstärkte Kunststeinplatten etc) auf relativ einfache Weise, bestimmt werden kann, d.h. mit einer Mess- und Auswertetechnik, die auch von Industrieunternehmen mit relativ einfacher experimenteller Ausrüstung möglich ist.