A1 Kapillareffekte in Partikel-Fluid-Systemen: Untersuchung des kapillaren Kollapses teilgesättigter granularer Böden

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Sachbearbeitung:

Nicole Hüsener, M. Sc., Institut für Geotechnik und Baubetrieb (B-5)

Betreuer:

Prof. Dr.-Ing. Jürgen Grabe, Dr.-Ing. Maksym Dosta, Prof. Dr.-Ing. habil. Dr. h. c. Stefan Heinrich

Projektthema und Forschungsfragen:

Im Forschungsprojekt A1 des Themenschwerpunkts A "Trockene und feuchte PFS" werden Kapillareffekte in Böden als natürliche Partikel-Fluid-Systeme untersucht. Der Schwerpunkt liegt dabei auf dem so genannten kapillaren Kollaps, einer durch Wasserzutritt hervorgerrufenen irreversiblen Volumenverringerung teilgesättigter Böden bei im Wesentlichen unveränderter vertikaler totaler Spannung. Trotz umfangreicher Forschung und Untersuchungen sind die dabei ablaufenden Prozesse jedoch noch immer nicht vollständig verstanden und sollen daher im Rahmen des Projektes näher untersucht werden. Darüber hinaus wird der Einfluss ausgewählter Randbedingungen qualitativ und quantitativ untersucht.

Materialien und Methoden:

Um den kapillaren Kollaps zu untersuchen, werden mehrere experimentelle Methoden auf verschiedenen Längenskalen angewandt. Auf der Makroebene werden hauptsächlich bodenmechanische Laborversuche wie Einzel- oder Doppel-Ödometerversuche durchgeführt. Darüber hinaus wurde ein eigener, spezieller makroskopischer Versuchsaufbau für die inkrementelle Bewässerung entwickelt, der realitätsnähere Untersuchungen im Vergleich zur gängigen Aufsättigung in nur einem Schritt ermöglicht.

Zur Untersuchung der auslösenden mikroskopischen Prozesse werden miniaturisierte in situ CT-Experimente durchgeführt. Anhand der gewonnenen hochauflösenden Bilddaten können morphologische Veränderungen innerhalb der Probe (z. B. Position und Größe von Wasser/Luft-Clustern, lokaler Sättigungsgrad usw.) durch Bildanalyse untersucht werden. Darüber hinaus ermöglicht die diskrete Bildkorrelation die räumliche Verfolgung von einzelnen Partikeln.

Untersucht werden drei verschiedene Modellböden mit annähernd gleicher Korngrößenverteilung und zunehmendem Komplexitätsgrad: eine polydisperse Glaskugelpackung, ein Modellboden aus natürlichen, zufällig geformtem Sandpartikeln und ein komplexerer Modellboden, der aus einem Kippenboden gewonnen wurde und zusätzlich zu den Sandpartikeln poröse Braunkohlepartikel als Beispiel für eine besondere Partikelstruktur enthält. Die Mikrostruktur der Braunkohlepartikel wurde außerdem mittels Rasterelektronenmikroskopie (REM) untersucht.

Ausgewählte Ergebnisse:

Mit Hilfe von Ödometerversuchen wurde festgestellt, dass bereits ein geringer Braunkohlengehalt (0,3 Gew.-%) einen signifikanten Einfluss auf das hydraulisch-mechanische Verhalten eines Bodens zu haben scheint. So führt die Anwesenheit von Braunkohlepartikeln im Boden beispielsweise zu größeren Setzungen unter Last, während die Sackungen (Kollapssetzungen) reduziert werden. Darüber hinaus konnten die inkrementellen Bewässerungsversuche bei vernachlässigbarer Belastung zeigen, dass die Braunkohlepartikel zu einem gleichmäßigeren, nahezu linearen Kollapsverhalten über den gesamten Sättigungsbereich zu führen scheinen, während im Falle des reinen Sandbodens die Setzungen bei niedrigem Wassergehalt zunächst geringer ausfielen, bei hohen Sättigungsgraden jedoch zunahmen.

Generell wurde sowohl im Labor als auch mithilfe von CT-Versuchen beobachtet, dass die Regulierung der zugeführten Wassermengen (gleichmäßige kleine Schritte) im Gegensatz zu saugspannungs-gesteuerten Bewässerungsversuchen zu nahezu linearen vertikalen Änderungen der Probenhöhe führt. Bei ausreichend kleinen Bewässerungsschritten ist daher nur mit verhältnismäßig geringen Setzungen zu rechnen, die es erlauben, Kornbewegungen und Veränderungen der mikroskopischen Phasenaufteilung mithilfe von CT-Scans nachzuvollziehen.

Ursprünglich war auch eine numerische Simulation des kapillaren Kollapses geplant. Dabei sollten die CT-Bilddaten idealerweise als Grundlage für die Generierung des numerischen Modells dienen und zugleich für die spätere Validierung der Ergebnisse genutzt werden. Bei der Betrachtung der verschiedenen numerischen Methoden stellte sich jedoch heraus, dass die Modellierung aufgrund der Komplexität des Phänomens sehr schwierig und bislang nur sehr eingeschränkt möglich ist. Aufgrund dessen wurde auf numerische Untersuchungen verzichtet. Stattdessen soll mithilfe der experimentellen Untersuchungen eine Datengrundlage geschaffen werden, die in Zukunft als Basis für die Entwicklung und Validierung eines numerischen Modells für die Simulation dienen kann.

Projektbezogene Publikationen:

  • Hüsener, N. und Grabe, J. (2022): Experimental investigation of capillary collapse of partially saturated granular media. In: Tagungsband zur internationalen Konferenz „Processes in natural and technical Particle-Fluid-Systems (PintPFS)“ 2022 in Hamburg, Veröffentlichungen des Instituts für Geotechnik und Baubetrieb, Heft 53, S. 109-121
  • Hüsener, N., Helfen, L., Milatz, M. und Tengattini, A. (2021): Combined X-ray- and neutron-tomography imaging of capillary collapse in unsaturated granular soils. Institut Laue-Langevin (ILL). DOI: 10.5291/ILL-DATA.1-05-53