Feinmaterial aus dynamische Rissausbreitung, wie beim Sprengen von Gestein

Feinmaterial, das durch dynamische Rissausbreitung entsteht verursacht Umweltbelastungen und stellt eine Vergeudung von Ressourcen dar. Gängige Modelle der Entstehung von Feinmaterial wurden durch im Vorfeld sorgfältig durchgeführte Experimente widerlegt. Das allgemeine Ziel des gegenständlichen Projektes ist die Entwicklung eines besseren Verständnisses über die Entstehung von Fein- und Feinstmaterial unter dynamischen Sprengbedingungen. Ein möglicher Mechanismus für das Entstehen des Großteils von Feinmaterial besteht in der Ausbreitung der makroskopischen Zerkleinerungsrisse selbst. Einige Sprödbruchmodelle sagen Korngrößenverteilungen (KGV) für das zerkleinerte Material voraus. Das unterstützt die zu Grunde liegende Idee, dass Instabilitäten sich schnell ausbreitender Risse eine wesentliche Rolle bei der KGV von Feinmaterial spielen. Entlang der Ausbreitungslinien der Risse bleibt eine Spur feinster Partikel zurück, die durch materialbedingte und maßstabsunabhängige Verzweigungs- und Vereinigungsmechanismen entstehen. Die wissenschaftlichen Ziele des gegenständlichen Projektes sollen diesen vermuteten Mechanismus der Entstehung von Feinmaterial verifizieren oder verwerfen. Dies soll durch Bildaufnahmen der Verzweigung von Rissen an ihrer Spitze erfolgen. Insgesamt gilt es herauszufinden ob es eine kritische Rissausbreitungsgeschwindigkeit gibt unter der der Mechanismus der Entstehung feiner Partikel nicht mehr besteht. Zusätzlich soll die KGV der entstehenden Partikel mit gängigen Modellen verglichen werden und auch l eine wissenschaftliche Erklärung dafür gefunden werden wie und in welcher Menge feine Partikel entlang von Rissen entstehen. Im Rahmen der Versuche sollen hauptsächlich Hochgeschwindigkeitsaufnahmen zylindrischer Proben, die in geschlossenen Containern mit weicher Auskleidung gesprengt werden. Diese Konfiguration erlaubt eine begrenzte Ausdehnung der Proben beim Sprengen, verhindert jedoch ein vollständiges Auseinanderfliegen der Bruchstücke was die Sekundärzerkleinerung minimiert. Der Container wird mit einem Fenster ausgestattet. Dies erlaubt eine Beleuchtung der Proben und ein Beobachten der Bruchvorgänge. Das Absieben der Bruchstücke bis 2 m erfordert spezielle Siebtechniken. Drei verschiedene Arten feinkörniger Materialien werden getestet: ein magnetischer Mörtel welcher in Vorversuchen getestet wurde, ein Kalkstein/ Marmor und Granit. Die mechanischen Eigenschaften dieser Materialien werden getestet, ebenso wie die Rauhigkeit der Bruchflächen und ihre Natürliche Bruchcharakteristik (NBC). Diese Parameter werden Bestimmung der Korrelationen mit den Modellparametern herangezogen. Im Rahmen des Projektes werden 2 Doktorats Studierende eingesetzt. Ein Student wird sich mehr um die praktisch, experimentellen Aspekte des Projektes kümmern, der andere um die theoretischen Untersuchungen. Das Projekt sieht Kooperationen mit Forschern in Kanada, Finnland, Spanien und Schweden vor. Die Ergebnisse des Projektes werden zukünftig auch für die Entwicklung folgender Modelle herangezogen: a) Modell für das nachhaltige und wirtschaftliche Zerkleinern von Gestein um zum Beispiel die Staub Entwicklung in Bergwerken und Steinbrüchen handzuhaben; b) Modell für die Emission von Ton Aerosolen

Feinmaterial, das durch dynamische Rissausbreitung entsteht verursacht Umwelt- belastungen und stellt eine Vergeudung von Ressourcen dar. Das allgemeine Ziel des Projektes ist die Entwicklung eines besseren Verständnisses über die Entstehung von Fein- und Feinstmaterial unter dynamischen Sprengbedingungen gewesen. Im Zuge dieses Projekts wurde ein neues Labortestverfahren entwickelt. Die dynamische Rissentwicklung wurde dabei gefilmt, während ein spezielle Einspannungsvorrichtung den vorzeitigen Bruch der Probe, sowie Verteilung der Feinstanteile verhinderte. Dabei wurden zylindrische Proben aus Beton und Granodiort verwendet. Die dynamischen Bilder erlauben es, in Verbindung mit u.a. Computer-tomographiebildern (CT) und Mikroskopie, ein besseres Verständnis davon zu erlangen, wie Feinstmaterial beim Sprengen entsteht. Diese Metoden zeigen mehrere Mechanismen für Verzweigung-Vereinigung von Rissen, sowie andere Möglichkeiten Feinstmaterial in der Größenordnung der Korngröße des Materials und darunter zu produzieren. Die Mechanismen resultieren meist aus der polykristallinen Struktur des Materials und weniger in der Geschwindigkeit der Rissbildung. Verglichen mit Beton wird beim Granodiorit mehr Material in der primären Zermalmungszone rund um ein Bohrloch entfernt. Berücksichtigt man aber auch die Kompaktion sowie Verluste halten sich die Feinstanteile, die durch Verzweigung-Vereinigung entstehen mit den Druckzerkleinerungs-Partikeln die Waage. Im Ganoditorit gibt es keine Kompaktion. Daher dominieren hier die Verzweigung-Vereinigungsrisse. Leider können unsere numerischen Resultate zur Zeit aber noch nicht mit ausreichender Sicherheit auf realen / industriellen Maßstab extrapoliert werden. Die Bruch- und Zerkleinerungsverhalten aus diesen experimentellen Ergebnisse können auch sehr gut mit DEM-Modellierung nachgebildet werden. Die Simulationen zeigen ob Feinstmaterial durch Verzweigung-Vereinigung oder Druckzerkleinerung produziert werden und haben einen hohen Übereinstimmungsgrad mit den experimentellen Ergebnissen. In Summe unterstützen die Ergebnisse dieses Projekts die Hypothese, dass Verzweigung- Vereinigung einen ganz wesentlichen Anteil an der Bildung von sehr feinen bis mittelfeinen Korngrößen hat. Es bedeutet auch, dass eine Extrapolation der Kornanzahl hin zu schädlichen Feinstpartikeln mit geringerer Neigung gemacht werden kann, als wenn alle Feinspartikeln durch Druckzerkleinerung entstehen würden.