Für granulare Materialien, die einer Oberflächenströmung ausgesetzt sind, spielt die Kohäsion eine Schlüsselrolle für den Erosionswiderstand.
Quelle: BAM, Fachbereich Ingenieurbau
Die Erosion von kohäsiven Materialien durch eine oberflächliche Strömung ist ein allgegenwärtiges Phänomen, das normalerweise in vielen natürlichen Situationen (z.B. durch Niederschlagsabfluss, Winderosion, Flussläufe, ...) und in einer Vielzahl von industriellen Anwendungen auftritt. Erosion kann aber auch ernsthafte Risiken für die Gesellschaft darstellen und für katastrophale Ausfälle ziviler Infrastrukturen verantwortlich sein (z.B. Erosion von Erddämmen und Hochwasserschutzdeichen). Im allgemeinen Sinne bedeutet Erosion das allmähliche Abtragen von Feststoffen von der Oberfläche eines Materials unter der Einwirkung eines erodierenden Agens, z.B. einer Flüssigkeitsströmung.
Trotz ihrer Relevanz sind einige der wichtigsten Erosionsprozesse auf ihrer fundamentalen Ebene (d.h. auf der Kornebene) noch relativ unerforscht, insbesondere was den Einfluss der materiellen Kohäsion auf Schlüsselfragen wie WANN (die kritischen Strömungsbedingungen für den Beginn der Erosion) oder WIE SCHNELL (die Entwicklung des Bodenmassenverlustes) betrifft.
Basierend auf realen Experimenten untersucht dieses Papier den Beitrag der Kohäsion für den Erosionswiderstand von gebundenen granularen Materialien, die einer Strahlströmung ausgesetzt sind. Die Labortests werden an granularen Proben durchgeführt, die künstlich durch feste Bindungen oder durch flüssige Kapillarbrücken gebunden sind. Um die Kohäsion zu quantifizieren, werden hier die intergranularen Kapillarkräfte optisch abgeschätzt und die Festigkeit der soliden Brücken mit spezifischen, ad hoc entwickelten Zugversuchen gemessen. Die eigentlichen Erosionstests werden dann in einem optisch angepassten Gerät durchgeführt, das eine direkte Visualisierung des Erosionsprozesses ermöglicht.
Auf dieser Grundlage untersucht die vorliegende Studie qualitativ die Entwicklung des Auskolkungsvorgangs und quantifiziert die kritischen Zustände für den Erosionsbeginn. In dieser Hinsicht schlagen die Autoren hier eine neue verallgemeinerte Form des Onset-Kriteriums vor (das sogenannte Shields-Kriterium), das auf einer generalisierten Definition der Kohäsion basiert. Der Artikel zeigt schließlich, dass die vorgeschlagene Formulierung es schafft, gleichzeitig die experimentellen Daten sowohl für kohäsive als auch für kohäsionslose Materialien zu erklären, letzteres in Form der sogenannten Shields-Kurve zusammen mit einigen früheren Ergebnissen der Autoren, die entsprechend überarbeitet wurden.
Generalized Shields criterion for weakly cohesive granular materials
Florian Brunier-Coulin, Pablo Cuéllar, and Pierre Philippe
veröffentlicht in Physical Review Fluids, Band 5, Seite 034308 ff., 2020
BAM Abteilung Bauwerkssicherheit