Aktuelle Infrastruktur im Labor für Gesteins- und Materialprüfung der Lehrstühle für Subsurface Engineering und für Bergbaukunde, Bergtechnik und Bergwirtschaft an der Montanuniversität Leoben
verfasst von:
Dipl.-Ing. Christian Heiss, Jörg Krainz
Die aktuelle Infrastruktur, die dem Lehrstuhl für Subsurface Engineering und dem Lehrstuhl für Bergbaukunde, Bergtechnik und Bergwirtschaft im Impulszentrum für Rohstoffe (IZR) zur Verfügung steht, erlaubt qualitativ hochwertige Untersuchungen an mineralischen Rohstoffen, aber auch gesteinsähnlichen Werkstoffen. Eine Übersicht der wichtigsten Analysegeräte und Prüfanlagen soll das Leistungsvermögen des Labors widerspiegeln und potentiellen Kooperationspartnern aus Industrie und Wirtschaft als Anregungen für die Gestaltung zukünftiger Forschungsprojekte dienen.
1 Einleitung
Am 21. Mai 2011 wurde im Beisein des damaligen Wirtschaftslandesrats Mag. Christian Buchmann und zahlreicher weiterer Gäste aus Politik, Forschung und Wirtschaft das Impulszentrum Rohstoffe (IZR) Leoben feierlich eröffnet. Das Gebäude wurde mitten im Campus der Montanuniversität Leoben in unmittelbarer Nähe zum „Impulszentrum für Werkstoffe“ errichtet und bietet seitdem Wissenschaftlern und Forschern des Departments Mineral Resources Engineering auf einer Gesamtfläche von 3358 m2, wovon 1597 m2 als Laborfläche dienen, die Möglichkeit, mit modernsten Apparaturen und aktuellsten Methoden Untersuchungen an mineralischen Roh- und gesteinsähnlichen Werkstoffen durchzuführen [1].
Neben den Lehrstühlen für Gesteinshüttenkunde und Aufbereitung und Veredlung wird das Zentrum vorwiegend vom Lehrstuhl für Bergbaukunde, Bergtechnik und Bergwirtschaft und dem Lehrstuhl für Subsurface Engineering genutzt, wobei diesen zwei Lehrstühlen für wissenschaftliche Untersuchungen auf zwei unterirdischen Etagen gemeinsam Laborflächen von insgesamt etwa 370 m2 zur Verfügung stehen. Ergänzt werden die Laboreinrichtungen der beiden Lehrstühle durch eine Departmentswerkstätte – ausgerüstet unter anderem mit einer Drehbank, Standbohrmaschine, Bandsäge und einem Schweißplatz – und durch ein Probenlager, das auch vom Lehrstuhl für Aufbereitung und Veredlung genutzt wird.
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Aufgrund der idealen räumlichen Voraussetzungen und der gemeinsamen Nutzung eines Großteils der Laborinfrastruktur konnte so im Impulszentrum Rohstoffe die Kooperation der Lehrstühle für Subsurface Engineering und Bergbaukunde, Bergtechnik und Bergwirtschaft intensiviert und der Wissenstransfer bezüglich Untersuchungs- und Prüfverfahren zwischen den verantwortlichen Mitarbeitern in den letzten Jahren weiter optimiert werden.
Die im Laborbereich neu eingerichteten Arbeitsplätze erforderten natürlich auch behördliche Genehmigungsverfahren. Diese verlangten nicht nur eine gründliche Auseinandersetzung mit den bis dato verwendeten Apparaturen – was einige Neuanschaffungen bzw. Modernisierungen zur Folge hatte – sondern führten auch zur Ausarbeitung von Arbeits- und Prüfanweisungen, die in eine gemeinsame Laborordnung übernommen wurden. Die Laborordnung inklusive diverser Anweisungen und ein neuentwickeltes Probendokumentationssystem stellen derzeit einen wesentlichen Teil der Qualitätskontrolle einzelner Untersuchungsprozesse im Labor dar.
Obwohl derzeit eine Akkreditierung als Prüflabor weder von Seiten des Lehrstuhls für Bergbaukunde, Bergtechnik und Bergwirtschaft noch von Seiten des Lehrstuhls für Subsurface Engineering angedacht wird, ist die Implementierung eines Managementsystems, das den Anforderungen der EN ISO/IEC 17025 „Allgemeine Anforderungen an die Kompetenz von Prüf- und Kalibrierlaboratorien“ [2] entspricht, das mittelfristige Ziel der gemeinsamen Laborleitung. Nur so kann langfristig ein qualitativ hochwertiges und reproduzierbares, aber auch sicheres Arbeiten im Labor gewährleistet werden.
Neben der Unterstützung wissenschaftlicher Lehrstuhlmitarbeiter in den Bereichen Auftrags- und Antragsforschung sowie unterschiedlichen Aufgabenstellungen aus der Industrie- und Wirtschaft liegt eine der Hauptaufgaben der Laboraktivitäten in der studentischen sowie postakademischen Aus- und Weiterbildung. Diese Tatsache unterscheidet die Prüfstätten im IZR wesentlich von gängigen akkreditierten Prüf- und Kalibrierlaboratorien und fordert ein Qualitätsmanagementsystem, das einerseits diesen unterschiedlichen Aufgabenbereichen Rechnung tragen muss, andererseits aber auch Untersuchungsprozesse, die in situ – also direkt in den Betrieben – oder auf externen Prüfanlagen stattfinden, berücksichtigen soll.
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2 Aktuelle Infrastruktur zur Ermittlung von Gesteins- bzw. Materialkennwerten
Derzeit können in den Laborräumlichkeiten des IZR normgerechte Untersuchungen an Fest- und an Lockergestein durchgeführt werden, aber auch gesteinsähnliche Werkstoffe, wie z. B. Beton oder Versatzmaterial sowie Bodenproben können bezüglich definierter Materialkennwerte analysiert werden. Spezialuntersuchungen sind ebenso möglich wie die Entwicklung und Ausarbeitung individueller Prüfverfahren.
2.1 Probentransport
Die untertägigen Laborräumlichkeiten der zwei Lehrstühle sind neben einem Personenlift und zwei Stiegenhäuser auch über einen Schwerlastenlift (Maximallast 6300 kg) aufgeschlossen, sodass auch große Probenkörper bzw. schweres Material problemlos in die Untergeschosse des IZR transportiert werden können.
Zum internen Materialtransport stehen dem Laborpersonal weiters ein deichselgeführter Hubstapler der Marke Jungheinrich EJC 214 mit einer Nenntragfähigkeit von 1400 kg und ein Elektrogabelstapler der Marke Hyster J1.75XL mit einer Nenntragfähigkeit von 1750 kg zur Verfügung. Das Gesteinslabor, in dem vorwiegend Festgesteinsproben für Materialprüfungen vorbereitet werden, ist mit einem Leichtbaukransystem der Marke Konecranes (Traglast 1000 kg) ausgestattet, sodass die maximalen Ausgangsprobengrößen vorwiegend von den Lastkapazitäten der Fördermittel limitiert werden.
2.2 Probenvorbereitung
Die Untersuchung von Festgestein beginnt prinzipiell mit der Probenvorbereitung, deren Ausführung von den weiterführenden Analysemethoden definiert wird. Da die Probenvorbereitung die Grundlage für qualitativ hochwertige Untersuchungsergebnisse darstellt, wird diese mit größter Sorgfalt ausgeführt und dokumentiert.
Als erster Schritt der Probenvorbereitung wird das Eingangsmaterial – egal ob dieses als Bohrkern oder Gesteinsblock vorliegt – in das Probendokumentationssystem aufgenommen, mit einer fortlaufenden Nummer versehen und fotografiert.
Liegt das Eingangsmaterial als Gesteinsblock vor, werden aus diesem Kerne gebohrt. Dies geschieht entweder mit einem Diamant-Kernbohrsystem DD-80 E der Firma Hilti [3] – Bohrbereich von 8 bis 82 mm Durchmesser – oder einem Diamant-Kernbohrsystem DD-750 HY (ebenfalls Hilti), das einen Bohrbereich von 52 bis 750 mm Durchmesser aufweist ([4]; vgl. Abb. 1).
Abb. 1
Kernbohrsystem DD_750 HY
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Bilden Bohrkerne das Ausgangsmaterial für Analysen, wird als erster Untersuchungsschritt – falls erforderlich – der RQD-Wert bestimmt, bevor das Probenmaterial weiter manipuliert wird, sprich die Kerne abgelängt und ihre Stirnseiten planparallel gefräst werden.
Zur Ablängung der Bohrkerne stehen den Labormitarbeitern zwei Steintrennmaschinen der Firma Gölz zur Verfügung. Für die Maschine vom Typ ST 100 A wird vom Hersteller eine maximale Schnitttiefe von 110 mm und eine Schnittlänge von 1000 mm ausgewiesen [5]; für die Maschine vom Typ MS 700 A eine maximale Schnitttiefe von 280 mm und eine maximale Schnittlänge (bei einer Arbeitshöhe von 50 mm) von 800 mm [6].
Mit einer Planschleifmaschine vom Typ 305 der Firma Strassentest Baustoff-Prüfsysteme erfolgt das Planschleifen der Prüfkörper, die von beiden Seiten gleichzeitig geschliffen werden, sodass die Stirnseiten der Proben planparallel hergestellt werden können [7].
Zukünftig wird dem Laborpersonal zur Probenvorbereitung auch ein hausintern entwickeltes und gebautes Gesteinsbearbeitungssystem zur Verfügung stehen, bei dem mittels zentraler CNC-Steuerung von einer Person zwei Prozesse (Kernbohren und Ablängen/Planschleifen) gleichzeitig ausgeführt werden können. Durch das neue System soll einerseits die Qualität der Probenkörper erhöht, andererseits aber auch die Prüfkörperherstellung bezüglich Arbeitssicherheit verbessert werden ([8]; vgl. Abb. 2).
Abb. 2
Gesteinsverarbeitungssystem
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Nach der Probenherstellung wird die Geometrie messtechnisch erfasst und dokumentiert sowie eine Massebestimmung durchgeführt. Die Proben erhalten eine eindeutige Bezeichnung, die auch die fortlaufende Eingangsnummer beinhaltet.
Für Feuchtebestimmungen können die Gesteinsproben einem Trocknungsprozess unterzogen werden. Dafür stehen im Labor ein multifunktionaler Wärme- bzw. Trockenschrank mit forcierter Umluft und Timer vom Typ FED und ein Klimaschrank für konstante Bedingungen mit Programmregelung vom Typ KBF der Firma Binder sowie ein Trockenschrank der Firma Heraeus (Typ T 5042 E) zur Verfügung.
2.3 Zerstörungsfreie Festgesteinsprüfung
Bevor die Probenkörper durch Druck- oder Zugprüfungen zerstört werden, werden diese routinemäßig durchschallt, sodass die Ausbreitungsgeschwindigkeiten von p‑ und s‑Wellen im untersuchten Gestein ermittelt werden und folglich elastische Materialkennwerte – wie z. B. der dynamische E‑Modul – bestimmt werden können.
Hier kommt das PC-gestützte Ultraschall-Messsystem UKS-D der Firma Geotron Elektronik zum Einsatz, das mit einem USG 40 Ultraschall-Generator und dem PC-Oszilloskop PicoScope® ausgestattet ist und mit unterschiedlichen Prüfköpfen versehen werden kann ([9], vgl. Abb. 3).
Abb. 3
Ultraschallmesssystem UKS-D
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2.4 Zerstörende Festgesteinsprüfung
Für Druck- und Zugversuche an Prüfkörpern steht den Wissenschaftlern und Forschern der Lehrstühle für Subsurface Engineering und Bergbau, Bergtechnik und Bergwirtschaft eine Servohydraulische Gesteinsprüfpresse Typ MTS 815 zur Verfügung. Diese Prüfmaschine ist ideal für ein- und triaxiale Druckversuche sowie für direkte und indirekte Zugversuche an Gesteinsproben ausgelegt und erreicht dafür in axialer Richtung Druckkräfte bis zu 2850 kN und Zugkräfte bis 1340 kN ([10]; vgl. Abb. 4).
Abb. 4
Gesteinsprüfpresse Typ MTS 815
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2.5 Untersuchung von Boden- und Versatzmaterial
Untersuchungen an Boden- oder Versatzmaterial können im IZR mit einer statischen und dynamischen Universalprüfmaschine vom Typ UL01-SH0100-S1 des Produzenten Wille Geotechnik in Form von Triaxialprüfungen durchgeführt werden. Die Prüfmaschine ist für die Durchführung von statischen und dynamischen Zug- und Druckbeanspruchungen im Schwell- und Wechselbereich konzipiert, und mit ihr kann eine maximale statische Prüfkraft von 100 kN und eine dynamische Prüflast von 80 kN realisiert werden ([11]; vgl. Abb. 5).
Abb. 5
Statische und dynamische Universalprüfmaschine Typ UL01-SH0100-S1
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2.6 Untersuchung von Langzeiteigenschaften mineralischer Rohstoffe und gesteinsähnlicher Werkstoffe
Um das Langzeitverhalten von mineralischen Rohstoffen und gesteinsähnlichen Werkstoffen untersuchen zu können, wurde vom Lehrstuhl für Subsurface Engineering im IZR eine Klimakammer mit einer Fläche von 18 m2 und einem Volumen von 52,5 m3 installiert. Die möglichen Temperaturbereiche erstrecken sich von −10 bis +80 °C und die relative Luftfeuchtigkeit kann zwischen 10 und 90 % reguliert werden.
Die Kammer ist mit fünf Langzeit-Kriechprüfständen vom Typ UL-300 der Firma Wille Geotechnik ausgestattet, auf denen Proben einaxial belastet werden können. Die Prüfstände sind für eine maximale statische Prüflast von 300 kN ausgelegt und können sowohl kraft- wie auch verformungsgesteuert geregelt werden ([12]; vgl. Abb. 6).
Abb. 6
Klimakammer mit Langzeitprüfständen vom Typ Wille Geotechnik UL-300
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2.7 Bestimmung der Abrasivität von Fest- und Lockergestein
Mit einem Cerchar Rock Abrasiveness Tester der britischen Firma Ergotech Ltd. kann im IZR die Abrasivität von Festgesteinen bestimmt werden, die durch den Cerchar Abrasivitäts Index (CAI) ausgedrückt wird.
Die Bauart des Testers entspricht dem „West-Gerät“, dessen Anwendung sich für Gesteinsarten, die in Mitteleuropa vorherrschen, bewährt hat; als Prüfstifte werden entweder Stifte der Härte HRC 40–43 oder HRC 54–56 verwendet. Die Auswertung der Prüfstifte erfolgt unter einem Mikroskop durch ein computerunterstütztes Bildverarbeitungsprogramm (vgl. Abb. 7).
Abb. 7
Cerchar Rock Abrasiveness Tester
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Mit dem LCPC (Laboratoire Central des Ponts et Chaussées) Test wird im Labor die Abrasivität von Lockermaterial bestimmt. Im IZR wird dieser Test mit einem Abrasimeter der französischen Firma ICM nach dem französischen Standard NF P18-579 durchgeführt [13]. Da für diesen Test die Korngrößenverteilung zwischen 4 und 6,3 mm liegen muss, muss das Prüfmaterial einer Siebung unterzogen werden. Dabei können die Laboranten im Impulszentrum für Rohstoffe auf eine Analyse Siebmaschine AS 300 control von Retsch-Verder zurückgreifen ([14]; vgl. Abb. 8).
Abb. 8
Abrasimeter für LCPC Prüfungen
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2.8 Bestimmung des Widerstands gegen Zertrümmerung von Gesteinskörnungen
Eine Los Angeles Maschine 4320 der Firma Fröwag GmbH dient den Lehrstühlen als Prüfeinrichtung nach EN 1097-2 [15] und EN 13450 [16] zur Bestimmung des Widerstands gegen Zertrümmerung mit dem Los Angeles-Prüfverfahren ([17]; vgl. Abb. 9).
Abb. 9
Los Angeles Maschine 4320
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2.9 Bestimmung der Zerfallsbeständigkeit von Gestein
Mit Hilfe des Siebtrommelversuchs wird Gestein hinsichtlich seiner Resistenz gegen mechanischen Abrieb klassifiziert. Für die Versuchsdurchführung, die nach Empfehlung Nr. 20 des Arbeitskreises 3.3 „Versuchstechnik Fels“ der Deutschen Gesellschaft für Geotechnik e. V.: Zerfallsbeständigkeit von Gestein – Siebtrommelversuch [18] durchgeführt wird, steht als Analysegerät der A130 Slake Durability Apparatus der Firma Matest zur Verfügung ([19]; vgl. Abb. 10).
Abb. 10
A130 Slake Durability Apparatus
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2.10 Viskositätsbestimmung
Für Viskositätsbestimmungen steht den Labormitarbeitern mit dem Viskomat NT der Firma Schleibinger Geräte Teubert u. Greim GmbH ein modernes und leistungsfähiges Analysegerät zur Verfügung (vgl. Abb. 11).
Abb. 11
Viskomat NT
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3 Betrieb der Prüfanlagen und Analysegeräte
Sämtliche Laboranten sind an den Prüfanlagen und Analysegeräten ausgebildet und mit den standardisierten Prüfverfahren vertraut, sodass diesbezüglich Prüfaufträge rasch und qualitativ hochwertig abgewickelt werden können.
Spezialanwendungen und die Ausarbeitung individueller Prüfverfahren werden von wissenschaftlichen Mitarbeitern der Lehrstühle durchgeführt, die dabei vom Laborpersonal bestmöglich unterstützt werden.
Studenten und Auszubildende werden vom Laborpersonal anhand der Arbeits- und Prüfanweisungen in den Prüfprozessen unterwiesen, sodass in jeder Hinsicht ein sicheres Arbeiten im Labor gewährleistet ist.
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Aktuelle Infrastruktur im Labor für Gesteins- und Materialprüfung der Lehrstühle für Subsurface Engineering und für Bergbaukunde, Bergtechnik und Bergwirtschaft an der Montanuniversität Leoben
Die im Laufe eines Jahres in der „adhäsion“ veröffentlichten Marktübersichten helfen Anwendern verschiedenster Branchen, sich einen gezielten Überblick über Lieferantenangebote zu verschaffen.
