DEV-4

Hintergrund

Um geeignete Böden für die Frosthebeversuche zu finden sollen nicht von Beginn an die Proben mit einer Höhe von 300mm und einem Durchmesser von 200mm verwendet werden, da für das Volumen eine große Menge an Material verbraucht werden würde. Für das Ermitteln eines passenden Materials können auch kleinere Proben verwendet werden, da sie für die reine Abschätzung wie Frostempfindlich ein Material ist ausreichen.

Um den Einstieg möglichst einfach zu gestalten werden die Versuchsstände der 2 Klima Kammer am Zentrum Geotechnik verwendet. Diese beinhalten als Probenform mit einem Innendurchmesser von 90mm und einen Außendurchmesser von 100mm. 

Vorgehen

Bei der Probenherstellung der groben Probenmaterialien (fSa und saSi, siehe Task MAT-8) wird sich an der Probenherstellung von Antonia Schweigers MA orientiert, hier wurden Sandproben mit der Air Pluviation Methode eingerieselt und im Anschluss gesättigt.

Die dort verwendeten Proben waren 200mm hoch und hatten einen Durchmesser von 100mm, daher werden die Deckel der Proben nicht in die Probenformen der U5 passen, genauso ist die Einrieselvorrichtung (Zitronenpresse) zu groß für die Probenformen der U5.

Hierraus sind zwei mögliche Ansätze entstanden:

• Probenformen von U5 verwenden und selber Bodenplatte sowie Adapter für Zitronenpresse im 3D Drucker drucken
• Bestehenden Formen von Antonia Schweiger wiederverwenden und Proben mit 100mm Durchmesser herstellen

Desweiter besteht die Frage ob die Zitronenpresse mit den bisher eingebauten Gittern (für die Homogenisierung des Materials) geeignet ist, daher

• Bei der Herstellung auf homogenes aufschütten der Proben achten und optional Zitronenpresse optimieren

Um die passende Probenherstellung für diesen Schritt zu finden wird wie folgt vorgegangen:

es wird überprüft  mit welcher Methode über die Höhe und die Fläche homogene Proben erstellt werden können. Dafür werden die Proben hergestellt und ohne ein räumliches Temperaturgefälle eingefroren. Danach wird die Probe aufgeschnitten und es wird überprüft ob es Dichteschwankungen in der Probe gibt.

Zitronenpresse optimieren

Iteration 0 (06.06.2024)

Beobachtung

Beim ersten Einfüllen der Probenform ist aufgefallen, dass die Probe nicht gleichmäßig aufgebaut wird (siehe Abb. 1a), eine Vermutung ist, dass die Siebe, welche in Fallrichtung liegen zu grob sind um die Probe zu verteilen.

Es wurde eine Probe hergestellt

• DEV-4-001

Maßnahme

Im ersten Schritt sollen zwei weitere Siebe für die Zitronenpresse gedruckt werden. Die aktuelle Maschenweite ist 6mm und funktioniert für den bisher verwendeten Karlsruher Sand gut, dieser ist aber deutlich gröber als der hier verwendete Sand (siehe MAT-8). 

Es sollen immer feinere Siebe verwendet werden um die Verteilung zu homogenisieren.

Begonnen wird mit einer Maschenweite von 3mm, das Modell und die Zeichnungen sind in Sieb_3mm.pdf Sieb_3mm.dwg Sieb_3mm.ipt einsehbar.

Iteration 1 (07.06.2024)

Beobachtung

Der Einbau feinerer Siebe hat keine große Verbesserung gebracht, es sind weiterhin starke Erhöhungen an der Oberfläche zu sehen.

Beim Einbau der Probe hat zusätzlich der feine Sand den Öffnungsmechanismus der Zitronenpresse verstopft.

Es wurde eine Probe hergestellt:

• DEV-4-002

Maßnahme

Wir werden im Folgenden eine weitere Methoden austesten, da ein reproduzierbarer Einbau der Probe essenziell für gute Versuche ist.

Es wird sich folgendes Konzept überlegt:
Da wir eine große Fallhöhe verhindern wollen (um Entmischung und staubentwicklung entgegenzuwirken) wollen wir möglichst ohne Fallhöhe arbeiten. Hierzu bieten sich nach Lade, Poul V.; (01.03.2016) Triaxial Testing of Soils unter anderem die Dry funnel Deposition, sowie die Water Sedimentation an. Nachdem die Water Sedimentation bei den großen Durchmessern unserer zukünftigen Proben unhandlich ist, versuchen wir die groben Böden trocken einzubauen und im Anschluss aufzusättigen, demnach werden wir in Richtung vom Dry Funneling arbeiten.

 In Abb. 1b ist sichtbar, dass bei dem Dry Funneling ein Schüttkegel erzeugt wird, mit dem Ausblick, dass bei einer größeren Probe die in Zukunft gebaut werden soll auch ein größerer Schüttkegel erzeugt wird, welcher von der Probe abgetragen werden muss, wird sich dazu entschieden eine alternative zu konstruieren, welche ähnlich wie Dry Funneling funktioniert, aber keinen Schüttkegel erzeugt.

Die Idee ist Grundsätzlich den Ausgang des Trichters auf die größe der Probe zu vergrößern. An die Öffnung wird ein Sieb eingebaut. Der Ausgang wird dann in die Probenform gesetzt und mit dem Probenmaterial gefüllt, danach wird sie gleichmäßig aus der Form gezogen wodurch die Probe homogen aufgeschüttet wird, ohne dass ein Schüttkegel entsteht (Konzept siehe Abb. 1c).

Iteration 2 (12.06.2024)

Beobachtung

 Der Einbau der Probe hat gut funktioniert, es wurden folgende Schwierigkeiten festgestellt:

1. Wenn die Filterplatte nass ist, dann steigt die Flüssigkeit durch den Kontakt in die Probe. Dadurch entstehen Klumpen welche das Sieb verstopfen.
2. Beim Sättigen der Probe haben sich einzelne Wasserleitungen in der Probe entwickelt, durch welche das Wasser am Ende von aufsättigen geflossen ist
3. Einzeln haben sich beim Sieb ziehen kleine Hohlräume entwickelt

Es wurden zwei Proben hergestellt

• DEV-4-003 (Hergestellt mit einem nassen Filterstein)
• DEV-4-004 (Hergestellt mit einem trockenem Filterstein)

Maßnahme

1. Es wurde noch eine zweite Probe hergestellt, bei der Probe wurde die Filterplatte auf ein Filterpapier gelegt um zu überprüfen ob die feucht ist (sie war nicht feucht). Damit wurde noch eine Probe hergestellt und es haben sich keine Klumpen gebildet. 
   Die Filterplatte wird nach dem Ausbau in den Trockenschrank gelegt um das Restwasser zu verdunsten. Um einen groben Anhaltspunkt zu haben wie lange eine Platte in den Schrank muss um trocken zu sein wird eine gefrorene Filterplatte gewogen, danach wird sie in den Trockenschrank gelegt. Die Platte wird wiederholt gewogen bis zur Massekonstanz (siehe Abb. 1d).
   

   	Platte gefroren
   $//<![CDATA[ \begin{array}{l}m_b\ [g]\end{array} //]]>$	112,42
   $//<![CDATA[ \begin{array}{l}m_{0min}+m_b\ [g]\end{array} //]]>$	481,53
   $//<![CDATA[ \begin{array}{l}m_{40min}+m_b\ [g]\end{array} //]]>$	478,96
   $//<![CDATA[ \begin{array}{l}m_{115min}+m_b\ [g]\end{array} //]]>$	471,62
   $//<![CDATA[ \begin{array}{l}m_{145min}+m_b\ [g]\end{array} //]]>$	468,76
   $//<![CDATA[ \begin{array}{l}m_{175min}+m_b\ [g]\end{array} //]]>$	467,20
   $//<![CDATA[ \begin{array}{l}m_{220min}+m_b\ [g]\end{array} //]]>$	467,18
   $//<![CDATA[ \begin{array}{l}m_{265min}+m_b\ [g]\end{array} //]]>$	467,18
   $//<![CDATA[ \begin{array}{l}m_{400min}+m_b\ [g]\end{array} //]]>$	467,18

   
   Die Filterplatten werden mindestens 3,5 Stunden getrocknet um Klumpenbildung durch aufsteigende Feuchtigkeit zu verhindern.
2. Das Sättigen sollte sehr langsam geschehen, damit das Sättigen immer gleich und wiederholbar stattfindet wird nach dem CO₂ Spühlen eine Schlauch entfernt und tief gehalten. Dadurch fließt das Wasser aus dem einen Schlauch und es kann der Fluss abgeschätzt werden.
3. Das Ziehen des Siebs sollte konstater erfolgen, dafür wird das Sieb im nächsten Schritt nicht mehr per Hand gezogen, sondern mit einer Kurbel, wie es auch bei der Water Setimentation Method von Schweiger (2022) gemacht wird.

• Lennert Husemann Filterplatte nochmal trocknen
• Lennert Husemann Genauere Dimensionen für Punkt 2 geben

Iteration 3 (13.06.2024)

Beobachtung

Das Sieb hat sich mit der Kurbel gut ziehen lassen, das ganze Sieb wurde in 2 Minuten und 30 Sekunden gehoben. Auf die aktuelle Siebhöhe ist es eine Hubgeschwindigkeit $//<![CDATA[ \begin{array}{l}v_{Hub} = 4 \frac{cm}{min}\end{array} //]]>$.

Beim Einfüllen wurde ein Durchfluss $//<![CDATA[ \begin{array}{l}Q_{Füll}=15 \frac{ml}{min}\end{array} //]]>$ verwendet.

Es wurde eine Proben hergestellt

• DEV-4-005

Iteration 4 (17.06.2024)

Beobachtung 

Im oberen Bereich der Probe hat sich im Kern eine Lufttasche gebildet, welche nicht entweichen konnte (siehe Abb. 1e).

Zusätzlich wird noch eine Dichtezunahme über die Tiefe beobachtet, wobei die Porenzahlen konstant bleiben über die Höhe und über den Probenradius.

Maßnahmen

Es wird davon ausgegangen, dass das Loch beim $//<![CDATA[ \begin{array}{l}CO_2\end{array} //]]>$ -Spühlen passiert ist. Um der Probe an der Oberseite Gegendruck zu geben, dass keine Lufttaschen aufgedrückt werden können wird nun auf die Oberseite eine Filterplatte gelegt, welche das auftreiben verhindert (siehe Abb. 1f).

Es wurde eine Proben hergestellt

• DEV-4-006

Iteration 5 (20.06.2024)

Beobachtung

Bei der Homogenitätsprüfung wurde festgestellt, dass die Sättigung von DEV-4-004 von unten nach oben stark abnimmt. Die Porenzahl bleibt aber konstant.

Maßnahme

Die Probe wird langsamer und länger gesättigt $//<![CDATA[ \begin{array}{l}Q_{Füll}=5\frac{ml}{min}\end{array} //]]>$.

Es wurde eine Proben hergestellt

• DEV-4-007

Probenform von U5 verwenden

Iteration 0 (06.06.2024)

Beobachtung

Für die Probenform sind aktuell keine passenden Bodenplatten vorliegend, an die eine Wassersättigung aufrecht erhalten werden kann. In der Zukunft wäre es auch von Interesse durch die Platte eine Faser zu siehen um sie direkt in die Probe einbauen zu können

Maßnahme

Für die Probenformen wird eine Bodenplatte und eine Adapter gedruckt werden, in Abb.2a ist eine grundlegende Skizze dargestellt. Adapter_Zitronenpresse.pdf und Adapter_Zitronenpresse.dwg zeigen den Adapter, welcher im 3D Drucker im ersten Versuch gedruckt wurde, um den Aufwand möglichst gering zu halten. Das Modell ist in Adapter_Zitronenpresse.ipt gespeichert. In Anschluss_Wasserleitung.pdf und Anschluss_Wasserleitung.dwg wird die Bodenplatte dargestellt, in Anschluss_Wasserleitung.ipt ist das Model gespeichert.  

In die Bodenplatte wird ein Filterpapier eingelegt um das Eindringen der Sandpartikel in die Öffnungen der Bodenplatte zu verhindern. 

In Abb. 2b ist die Probenform mit dem Adapter zusammengebaut, für den vollständigen Einsatz wird in das Loch der Bodenplatte ein Gewinde für einen Anschluss gedreht werden.

Iteration 1 (07.06.2024)

Beobachtung

Probenform von Antonia Schweiger verwenden

Iteration 1 (06.06.2024)

Homogenität der Probe

Iteration 0 (13.06.2024)

Beobachtung

Zur Prüfung der Homogenität wird die Probe im gefrorenen Zustand zerlegt ausgemessen, gewogen und aufgetaut dadurch sollen Luft, Wasser und Sandgehalt der Probe bestimmt werden. 

Der Plan ist es die Probe der Höhe entlang in drei Teile zu trennen. Desweiter sollen die drei einzelnen Scheiben entkernt werden, somit sind nach der Durchführung insgesamt 6 Proben vorliegend. Damit kann die Homogenität überprüft werden.

In Absprache mit dem Labor wurde angesprochen, dass der Bohrer die ganze Probe zerreißen könnte. 

Maßnahmen

Falls die Probe den Druck nicht standhält wird die Probe weiterhin entlang der Höhe gedrittelt, allerdings wird sie nicht mehr entkern, sondern gerviertelt. Somit würden 12 Teile anfallen, was eine gute Vorbereitung benötigt.

Es wird an einer ersten Probe der Bohrer getestet. Falls das gut geht werden die restlichen Proben auch gebohrt.

Die Protokollmuster sind in N:\Austausch\_Students\S-Husemann\MA\05_Probenmaterialien\Qualitaetskontrolle abgelegt und hier hochgeladen unter Kernbohrung.pdf sowie Viertel.pdf

Iteration 1 (14.06.2024)

Beobachtung

Beim Kernbohren wurde eine Luftspühlung verwendet. Dabei ist die Bohrkrone aber an der Probe festgefroren und hat die aus der Fassung gerissen

Maßnahmen

Die Probe für die Kernbohrung ist aus Iteration 1 der Optimierung der Zitronenpresse, daher haben wir auf die Ergebnisse aus dieser Probe verzichtet und sie mit warmen Wasser von der Bohrkrone gespühlt.

Die Probe DEV-4-004 haben wir der Höhe nach in drei Teile geschnitten und danach jede Scheibe geviertelt.

Iteration 2 (17.06.2024)

Beoboachtung

 Die Probe wurde zuerst gedrittelt, danach wurden sie mit dem Bohrer entkernt. Die Proben konnten gut geschnitten werden und sind kaum angetaut. Dadurch konnten sie auch gut vermessen werden.

Maßnahmen

Mit diesem Verfahren wird nun fortgefahren.