Prognosemodell für die Verwitterung von Sandstein bei kombinierter thermisch-hygrischer Beanspruchung

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Forschungsarbeiten auf dem Gebiet der Natursteinverwitterung konzentrierten sich in der Vergangenheit schwerpunktmäßig auf die Dokumentation des Schädigungsverlaufs bei unterschiedlichen Angriffsbedingungen und die Untersuchung von chemisch-mineralogischen und physikalischen Teilprozessen. Eine festigkeitstheoretische Analyse der sich abspielenden Entfestigungsvorgänge ist bislang nur ansatzweise erfolgt. Das in standardisierten Laborversuchen unter zeitraffenden, extremen Randbedingungen ermittelte Verwitterungsverhalten kann nur qualitativ auf das Gesteinsverhalten bei natürlicher Bewitterung übertragen werden, weil genauere Schädigungs-Zeit-Gesetze bzw. Prognosemodelle fehlen. Ziel des hier angestrebten Forschungsvorhabens ist es, einen entsprechenden Modellansatz für die Verwitterung von Sandstein bei thermisch-hygrischer Beanspruchung zu entwickeln. Hierzu sind an einem Kontinuummodell (Makroebene) zunächst die aus charakteristischen Temperatur- und Feuchtewechseln resultierenden Verformungen und Spannungen in den Randzonen auf numerischem Weg zu analysieren. Die ermittelten Gefügebeanspruchungen werden in Lastspannungen umgerechnet und zu Lastkollektiven zusammengefasst. Unter Verwendung eines stochastisch generierten Strukturmodells (Mesoebene), welches Körner, Kornbrücken und Gefügeporen abbildet, können innere Sprengdrücke der Eisbildung ebenfalls in Lastspannungen transformiert werden. Auf der Grundlage der experimentell gestützten Arbeitshypothese, dass die thermisch-hygrisch induzierte Verwitterung sich in erster Näherung als mechanischer Ermüdungsprozess vollzieht, werden Versagenskriterien in Anlehnung an das PalmgrenMiner-Kriterium zur Modellbildung herangezogen. Die Kalibration der Parameter des Verwitterungsmodells erfolgt anhand durchzuführender Ermüdungsversuche und vorhandener eigener Versuchsergebnisse zur Dauerhaftigkeit von Sandsteinen.