Geotechnisches Labor: Vereisungslabor in Bochum
Was ist ein Vereisungslabor?
Kuhnigk: Streng genommen handelt es sich bei einem Vereisungslabor um ein Geotechnisches Labor. Das Besondere hierbei ist jedoch die Temperatur, bei der wir arbeiten, denn wir arbeiten bei Temperaturen bis zu -25 Grad Celsius. Unser Labor selbst hat verschiedene begehbare Klima- und Kältekammern, in denen wir die Versuche leiten. Die typischen Temperaturen der Klimakammern sind -10 Grad Celsius und -20 Grad Celsius, aber wir haben auch einen sogenannten Kälteraum, der bei +5 Grad Celsius betrieben wird.
Was wird in einem Vereisungslabor untersucht?
Kuhnigk: In einem Vereisungslabor werden Festigkeitsverhalten untersucht, denn mit abnehmenden Temperaturen bzw. im gefrorenen Zustand ändern sich die physikalischen Eigenschaften der Böden je nach Sättigungsgrad und dieser ist mitentscheidend für die Untersuchungsergebnisse. Aus diesem Grund braucht man Wasser im Boden, denn das Gestein selbst gefriert nicht. Das bedeutet, dass Wasser im Boden gefriert, die Festigkeit wird erhöht und die Wasserdurchlässigkeit verringert sich. So kann selbst Sand annähernd eine Festigkeit von Beton erreichen.
In unserem Vereisungslabor haben wir schon Bodenproben aus der ganzen Welt untersucht u. a. aus Australien, Singapur, Kanada, USA, Russland und Belgien. Wir haben auch den Boden rund um den Schiefen Turm in Pisa untersucht. Bei einer Bodenprobeentnahme werden Metall- oder Kunststoffhülsen in den Boden geschlagen. Diese kommen dann zur Untersuchung zu uns ins Vereisungslabor und werden dann in den Klimakammern auf die typischen Temperaturen -10 Grad Celsius und -20 Grad Celsius eingefroren. Der weitere Bauablauf, wie beispielsweise die Berechnung des Frostkörpers, ist von diesen Untersuchungsergebnissen abhängig.
Was wäre ein Beispiel für eine Bodenvereisung?
Kuhnigk: Eine Bodenvereisung kommt beispielsweise im Tunnelbau vor. Um den Boden zu gefrieren, werden sogenannte Gefrierlanzen in den Boden eingetrieben, die mit einer Salzlösung durchspült werden. Das Material gefriert auf -35 Grad Celsius und friert damit zugleich den Boden. Eine weitere Möglichkeit ist mit flüssigem Stickstoff zu arbeiten, der für eine noch höhere Festigkeit sorgt. Mit diesem Verfahren erreicht man Temperaturen um -196 Grad Celsius. Eine höhere Festigkeit wird beispielsweise gefordert, wenn über dem Tunnel beispielsweise noch Gebäude stehen. Mit dem Prinzip der Bodenvereisung kann man somit für eine hohe Festigkeit im Boden sorgen, ganz ohne Beton. Auch schwere Lasten von überliegenden Gebäuden kann der Boden aushalten. Wir berechnen somit beispielsweise die Dicke des Frostkörpers, das heißt, wie stark der Frost ausgeprägt sein muss, um die Last zu tragen.
Welche Ausbildung braucht man, um in einem Vereisungslabor zu arbeiten?
Kuhnigk: Eine spezielle Ausbildung, um in einem Vereisungslabor zu arbeiten gibt es nicht. Unser Team besteht aus Chemisch-Technischen Assistenten, Physikalisch-Technischen-Assistenten, Baustoff- und Werkstoffprüfern.
Eindrücke in unser Geotechnisches Labor
Die Arbeit im Vereisungslabor ist sehr abwechslungsreich, da wir viele internationale Projekte betreuen.
Welche Versuche gibt es in einem Vereisungslabor?
Kuhnigk: Wenn wir einen Vereisungsauftrag haben, dann nehmen wir verschiedene Untersuchungen mit dem Boden vor. Neben Spezialversuchen untersuchen wir die Festigkeit oder die Verformung. Festigkeitsuntersuchungen sind einaxiale und triaxiale Druckversuche. Hier wird die Bodenprobe in eine Prüfpresse gespannt. Die Prüfpresse fährt anschließend die Bodenprobe gegen eine Traverse und zerdrückt diese. Mit diesem Versuch wird die Festigkeit des Bodens ermittelt. Darüber hinaus führen wir sogenannte Kriechversuche durch. Bei Kriechversuchen wird die Bodenprobe ebenfalls eingespannt und dann einer statischen Last ausgesetzt. Bei diesem Versuch bleibt die Bodenprobe dann über mehrere Tage unter dieser Last. Durch den Versuch werden Verformungen des Bodens durch Lasten ermittelt. Neben diesen Versuchen gibt es auch Spezialversuche, sogenannte Frosthebungsversuche, oder auch Frostdruckversuche.
Die Frosthebungsversuche werden nicht bei Minustemperaturen durchgeführt, sondern bei einer Temperatur von +5 Grad Celsius. Die Bodenprobe wird auf einen Sockel gestellt, der auf +5 Grad Celsius gewärmt ist. Auf die Bodenprobe kommt dann eine Kappe in der Größe der Bodenprobe. Diese Probe wird gekühlt. Somit wird der Boden von oben nach unten gefroren. Ein Beispiel hierfür sind Frostschäden in der Straße bzw. im Asphalt. Bei dem Versuch ist somit der obere Teil gefroren und der untere ungefroren. Dies führt dazu, dass sich in der mittleren Schicht sogenannte Frostlinsen bilden. Diese Frostlinsen dehnen sich aus und der Boden hebt sich bzw. bricht auf. Diese Hebung messen wir im Labor. Wenn der Boden sich nicht einfach heben kann, wie in der Simulation, spricht man von Frostdruck. Durch den Versuch wird somit simuliert wie sich der Boden durch Gefrieren ausdehnt und sich verhält, wenn er gegen etwas gedrückt wird. Im Feld könnte das beispielsweise ein Fundament, eine Bodenplatte oder eine Schale von einem Tunnel sein. Dieser Versuch ist sehr wichtig für das weitere Bauvorhaben, denn Frostschäden können große Schäden verursachen.
Was ist das Besondere am Vereisungslabor von CDM Smith?
Kuhnigk: Die Bodenvereisung ist unser Alleinstellungsmerkmal. Seit mehr als drei Jahrzehnten setzen wir Bodenvereisungen ein und untersuchen Bodenproben von der ganzen Welt. Bei uns bekommt der Kunde alles aus einer Hand, wobei unser Know-how auf jahrelanger Erfahrung beruht.