Ermittlung des Abriebs an Eisensilikatgestein unter Wellenbelastung

Uferbereiche an Küsten und Flüssen sind Wellen und Strömungen ausgesetzt, die insbesondere die oberste Deckwerkschicht einer Ufersicherung belasten. Im Küstenbereich werden die Ufer im Wesentlichen durch die zu erwartenden Seegangswellen belastet, während an Binnenwasserstraßen die Wellen durch Schiffsverkehr induziert werden. Die Uferböschungen werden häufig mit Steinschüttungen gesichert, wobei die Lagestabilität des gewählten Steinmaterials ein maßgebliches Bemessungskriterium ist. Entsprechende Untersuchungen wurden auch schon mehrfach am FZK durchgeführt.

Einem Aspekt wurde bisher aber nur geringe oder gar keine Aufmerksamkeit geschenkt: Wie viel Abrieb entsteht durch Wellenbelastung an dem Steinmaterial, welche Partikelgrößen treten dabei auf und wie sind sie verteilt? Diesen Fragen wollte die Aurubis AG nachgehen, die Eisensilikatgestein (ESG) für wasserbauliche Anwendungen herstellt. Sie beauftragte das Ludwig-Franzius-Institut (LuFI) damit Untersuchungen an einer Deckschicht mit ESG-Material im Großen Wellenkanal (GWK) durchzuführen. Die Beantwortung von solchen eher ungewöhnlichen Fragen erforderte ebenso ungewöhnliche Versuchsaufbauten im GWK, zumal die vom Auftraggeber gestellten Bedingungen zunächst unrealisierbar erschienen. Statt des üblichen Wassers aus dem Mittellandkanal sollte sauberes Trinkwasser verwendet werden. Zusätzlich sollte das gesamte Wasservolumen nach einer gewissen Versuchsdauer gefiltert werden, um wirklich alle darin enthaltenen Partikel zu quantifizieren.

Da keinesfalls der gesamte Wellenkanal mit Wasser aus der Trinkwasserleitung gefüllt werden kann, wurde überlegt, nur im Bereich des Deckwerks Trinkwasser zu verwenden, welches durch eine wellendurchlässige - aber wasserundurchlässige - Membran vom restlichen Kanal getrennt wird. Vorversuche mit einer flexiblen und dennoch stabilen Membran aus Gummimaterial zur Bestimmung der Wellenverhältnisse vor und hinter der Membran zeigten, dass die Wellendämpfung durch die Membran vernachlässigbar gering ist. Somit konnte der Versuchsaufbau entwickelt werden. Am Ende des Kanals wurden zwei große „Beutel“ aus dem Folienmaterial eingebracht, denn es sollten gleichzeitig zwei verschiedene Steingrößen untersucht werden. An der „Wellenseite“ der Kammer wurde die Folie beweglich an einer Schiene befestigt, um die Wellenbewegung ungehindert zum Deckwerk durchzulassen. Nach dem Einbau der Wasserbausteine aus Eisensilikat (ESG), welches zur Beschleunigung des Ein- und Ausbaues in großen Netzen angeliefert und direkt mit den Netzen eingebaut wurde, wurde der Wellenkanal simultan außerhalb des Beutels mit Wasser aus dem Mittellandkanal, innerhalb mit Trinkwasser gefüllt. Nach den Deckwerksbelastungen in Form von regelmäßigen und unregelmäßigen Wellen wurde das Wasser abgepumpt und filtriert. Diese Prozedur wurde zwei Mal wiederholt, teils um andere Steingrößen zu untersuchen, teils um dieselben Steine einer längeren Belastung zu unterwerfen und zwischenzeitlich Abriebsmessungendurchzuführen.

Die Filtrationsmaterialien wurden an das durch die Aurubis AG beauftragte Fraunhofer-Institut für Molekularbiologie und Angeeandte Oekologie (IME, Abteilung Ökologische Chemie) übergeben, um die vorkommenden Stoffe sowie das Feinstpartikelvorkommen in Abhängigkeit von der Wellenintensität und der verbauten Gesteinsfraktion zu analysieren.

Mit Hilfe der gemeinschaftlich vom LuFI und GWK entwickelten neuen Versuchsmethodik konnte der Abrieb in einem mit Trinkwasser gefülltem Bereich abgeschirmt und filtriert werden. Die Versuchsmethodik bietet damit Möglichkeiten in einem Bereich des Wellenkanals sowohl spezielle Wasserbedingungen (Klarwasser oder auch Salzwasser) herzustellen, als auch lokal anfallende Schwebstoffe bzw. Partikel im GWK zu untersuchen. Diese Methodik ist auf andere Fragestellungen übertragbar und erweitern daher das Spektrum möglicher großmaßstäblicher Modellversuche im GWK.