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Um den Verschleiß von Werkzeugen zur Bodenbearbeitung abzuschätzen, werden vor Beginn vieler Bauprojekte so genannte LCPC-Tests durchgeführt. Wie diese Versuche zukünftig zuverlässiger durchgeführt werden können, hat die TH Köln jetzt in einem groß angelegten Ringversuch in Kooperation mit der Deutschen Gesellschaft für Geotechnik e. V. (DGGT) untersucht.
Bei dem in Frankreich vom Laboratoire Central des Ponts et Chaussées (LCPC) entwickelten Test werden 500 Gramm Bodenmaterial mit definierter Korngröße in einen Behälter gefüllt. Darin rotiert ein Prüfflügel – eine fünf Millimeter dicke, rechteckige Stahlplatte mit vorgegebenen Eigenschaften – fünf Minuten lang bei 4.500 Umdrehungen. Aufgrund des Kontakts mit dem Material entsteht dabei Verschleiß. Aus dem Masseverlust des Prüfflügels während des Versuchs kann die Abrasivität des Bodens bestimmt werden, also seine Fähigkeit, andere Oberflächen durch Reibung und mechanischen Kontakt abzunutzen und Verschleiß zu verursachen.
„Diese Tests sind bei Bohr- oder Schlitzwandarbeiten, im Untertagebau oder beim Rohrvortrieb häufig der einzige Weg, um im Vorfeld Verschleiß an den Werkzeugen zu kalkulieren und im Angebot zu bepreisen. Entsprechend hoch ist der Bedarf an zuverlässigen Werten“, beschreibt Projektleiter Prof. Dr. Christoph Budach vom Labor für Geotechnik und Tunnelbau der TH Köln die Ausgangslage.
220 Tests fließen in Ergebnisse ein
Insgesamt 22 Prüflabore aus Deutschland und Österreich nahmen am Ringversuch der TH Köln teil, der in Kooperation mit der DGGT organisiert wurde. Die Teilnehmenden stellten eigene, unbenutzte Prüfflügel zur Verfügung. Diese wurden an der TH Köln unter anderem mikroskopisch untersucht und hinsichtlich ihrer Härte geprüft. Anschließend erhielten die Labore drei ihrer eigenen Prüfflügel zurück, zudem sechs Prüfflügel der TH Köln und insgesamt neun Bodenproben mit zwei unterschiedlichen Korngrößenverteilungen. Sie führten damit drei Versuchsreihen mit gleichen Randbedingungen und je Versuchsreihe drei Versuche durch.
„Wir konnten auf diese Weise über 220 Tests auswerten und verschiedene Varianten testen, also etwa genormte Testflügel auf Geräten der Prüflabore beziehungsweise deren Flügel auf unseren Geräten – und das alles bei identischen Bodenproben. Zudem gab es Fragebögen für die Labore, sodass wir diverse Rückschlüsse ziehen konnten“, so Prof. Dr. Peter Erdmann vom Institut für Bau- und Landmaschinentechnik der TH Köln.
Ungeeignete Prüfflügel führen zu starken Abweichungen
Die zentrale Erkenntnis: Viele verwendete Prüfflügel entsprechen nicht den Vorgaben des LCPC-Tests und verfälschen somit die Ergebnisse. Demnach sollten die Flügel eine Härte zwischen 60 bis 75 HRB haben. „Viele der uns zugesendeten Flügel lagen deutlich über oder unter dem Toleranzbereich, nur etwa die Hälfte war in Ordnung. Dies kann an unterschiedlichen Fertigungsweisen sowie der anschließenden Wärmebehandlung liegen und hat deutliche Auswirkungen auf die Ergebnisse des Tests“, betont Prof. Dr. Danka Katrakova-Krüger, die im Labor für Werkstoffe der TH Köln die Versuche zur Härte und mikroskopische Untersuchungen an den Prüfflügeln umgesetzt hat.
Die Prüfflügel aus den Laboren lieferten bei drei Einzelversuchen mittlere Abrasivitätswerte zwischen 1.000 Gramm pro Tonne (g/t) und bis zu 1.600 g/t, was einer Spannweite von 600 g/t entspricht. Bei den Versuchen mit den von der TH Köln zur Verfügung gestellten und vorab geprüften Flügeln war diese Spannweite mit Werten zwischen 1.100 g/t und 1.400 g/t wesentlich geringer. „Wenn im Extremfall die Abrasivität um ein Drittel höher gemessen wird, bedeutet das für Bauunternehmungen, dass sie mit deutlich zu hohem Werkzeugverschleiß kalkulieren, zu teure Angebote abgeben und eventuell Aufträge an Konkurrenten verlieren“, sagt Budach.
Auch die weiteren Laborbedingungen können eine wichtige Rolle spielen. Wenn die Testgeräte beispielsweise schon viele Jahre in Gebrauch sind, besteht die Möglichkeit, dass die Drehzahl nicht mehr bei den vorgeschriebenen 4.500 Umdrehungen pro Minute liegt oder die Zeitmessung abweicht. Dies kann ebenfalls Einfluss auf die Versuchsergebnisse haben.
Empfehlungen für Labore
Aktuell bereitet das Projektteam Empfehlungen für die Labore vor. Diese sollen unter anderem sicherstellen, dass die Prüfflügel vor Versuchsdurchführung detailliert geprüft und ungeeignete Exemplare nicht benutzt werden. Auf diese Weise soll die Genauigkeit der Ergebnisse der LCPC-Versuche deutlich verbessert werden. Die Empfehlungen enthalten zudem praktische Hinweise, wie sich die Qualität der Versuchsdurchführung verbessern lässt, zum Beispiel durch regelmäßige Überprüfungen von Drehzahl und Versuchsdauer.
„Unser Ringversuch ermöglicht es nun erstmalig, die Ergebnisse der geforderten Laboruntersuchungen mit dem LCPC-Test im Lockergestein sinnvoll zu bewerten. Die Fragebögen liefern zudem wertvolle Erkenntnisse für die Praxis aber auch für die Forschung und kommende Projekte“, so Budach.
Über das Projekt
Der Ringversuch wurde im Rahmen des Forschungsprojekts „VerA: Verschleißreduzierung an Werkzeugen von mobilen Arbeitsmaschinen“ durchgeführt. An der TH Köln waren Prof. Dr. Christoph Budach vom Labor für Geotechnik und Tunnelbau, Prof. Dr. Peter Erdmann vom Institut für Bau- und Landmaschinentechnik sowie Prof. Dr. Danka Katrakova-Krüger vom Labor für Werkstoffe beteiligt. Das Ministerium für Kultur und Wissenschaft des Landes Nordrhein-Westfalen förderte VerA über das Programm FF HAW-Kooperation.
Die TH Köln zählt zu den innovativsten Hochschulen für Angewandte Wissenschaften. Sie bietet Studierenden sowie Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern aus dem In- und Ausland ein inspirierendes Lern-, Arbeits- und Forschungsumfeld in den Sozial-, Kultur-, Gesellschafts-, Ingenieur- und Naturwissenschaften. Zurzeit sind über 21.000 Studierende in mehr als 90 Bachelor- und Masterstudiengängen eingeschrieben. Die TH Köln gestaltet Soziale Innovation – mit diesem Anspruch begegnen wir den Herausforderungen der Gesellschaft. Unser interdisziplinäres Denken und Handeln, unsere regionalen, nationalen und internationalen Aktivitäten machen uns in vielen Bereichen zur geschätzten Kooperationspartnerin und Wegbereiterin.
Materialien für den LCPC-Test im Labor für Geotechnik und Tunnelbau
Copyright: Foto: TH Köln
Prüfflügel vor (oben) und nach (unten) dem LCPC-Versuch.
Copyright: Foto: TH Köln
Merkmale dieser Pressemitteilung:
Journalisten, Wirtschaftsvertreter, Wissenschaftler
Bauwesen / Architektur, Geowissenschaften, Maschinenbau, Werkstoffwissenschaften
überregional
Forschungsergebnisse, Forschungsprojekte
Deutsch
Materialien für den LCPC-Test im Labor für Geotechnik und Tunnelbau
Copyright: Foto: TH Köln
Prüfflügel vor (oben) und nach (unten) dem LCPC-Versuch.
Copyright: Foto: TH Köln
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