Dynamic crack patterns, crack interactions, and resulting blast fragmentation: Experimental investigation on blast-induced fines and underlying mechanisms in small-scale blasting of mortar and granite cylinders

Publikationen: Thesis / Studienabschlussarbeiten und HabilitationsschriftenDissertation

Autoren

Abstract

Die industrielle Gewinnung von Rohstoffen beruht in den meisten Fällen auf der Zerkleinerung von Gestein. In der gängigen Bergbau- und Abbaupraxis wird die Erstzerkleinerung aufgrund der wirtschaftlichen Vorteile meist durch Sprengen durchgeführt. Die sprengungsinduzierten Feinanteile im Gestein wirkt sich auf mehrere Aspekte der rohstofflichen Nachhaltigkeit negativ aus. Der österreichische Wissenschaftsfonds (FWF) unterstützte Projekt P27594-N29 zur Untersuchung der Ursache der Feinanteile durch die Untersuchung der Sprengzerkleinerung mittels kleinmaßstäblicher Sprengversuche und numerischer Simulationen. Die vorliegende Arbeit deckt den experimentellen Teil dieses Projekts ab. Verschiedene theoretische Modelle beschreiben die Sprengzerkleinerung und den Feinanteil. Der Schwerpunkt liegt dabei auf der Quetsch-Scherung, um das Sprengloch herum, und/oder auf der dynamischen Verzweigung/Verschmelzung von rissen als die wichtigsten zugrundeliegenden Mechanismen. Die veröffentlichten Studien umfassen jedoch keine experimentellen Untersuchungen über den Zusammenhang zwischen den sprengungsinduzierten Rissbildern mit der daraus resultierenden Zerkleinerung im Gestein. Diese Arbeit konzentriert sich auf die entsprechenden Mechanismen bei der Entstehung und im Endzustand von sprengungsinduzierten Rissbildern und der daraus resultierenden Zerkleinerung unter dem Fokus der beiden Hauptmechanismen. Die Sprengversuche wurden durch Sprengung von eingeschlossenen Mörtel- und Granitzylindern mit Sprengschnüren (6, 12 und 20 g/m PETN) durchgeführt. Die durch die Sprengung hervorgerufene dynamische Rissbildung an der Stirnfläche des Zylinders wurde mit einer Hochgeschwindigkeitskamera gefilmt. Die postmortalen äußeren Rissbilder wurden mit Digitalfotografie erfasst. Die inneren Rissbilder und Bruchflächen wurden mit Computertomografie (CT), optischer Mikroskopie und Rasterelektronenmikroskopie (REM) erfasst. Die erfassten Rissbilder wurden verwendet, um die Mechanismen zu identifizieren und topologische Merkmale (d.h. Rissspitzen und Risskreuzungen) zu zählen. Die gesprengten Zylinder wurden durch Sieben und Laserbeugungsspektroskopie untersucht. Die Ergebnisse der Zerkleinerung wurden mit den quantifizierten Mechanismen aus den Rissbilder und den identifizierten mikroskopischen Mechanismen korreliert. Die Rissentwicklung an der Stirnfläche erfolgt in drei Bruchphasen: 1) initiale Rissentstehung und -ausbreitung, 2) zunehmend komplexere Verzweigung und Verschmelzung von rissen und 3) Abplatzen und Einströmen der Sprengdämpfe. Die topologischen Verzweigungs-/Verschmelzungsmerkmale sind hoch korreliert mit der verwendeten spezifischen Sprengladung (q) und den daraus resultierenden Feinanteilen. Die Verzweigung-/Verschmelzung in den Hochgeschwindigkeitsaufnahmen (HSI) nehmen mit der Zeit zu und folgen in der Regel einer bilinearen Funktion. Die CT Rissbilder werden mit der Zunahme von q gleichmäßiger. Die Sprengladung bildet nur um das Sprengloch herum eine Quetschzone, mit einer Verdichtungszone in den Mörtelzylindern. Die Dicke der Quetschzone hängt von der Belastung und den Randbedingungen ab. Die Quetschzone wird nicht nur durch Quetsch-Scherung gebildet, wie die rezensierte Literatur vermuten lässt, sondern auch durch mikroskopische Variationen der Rissverzweigung und -verschmelzung. Alle beobachteten Mechanismen sind mit den Hauptmechanismen in beiden gesprengten Materialien verwandt. Außerdem stellen sie Variationen dieser Hauptmechanismen auf verschiedenen Größenskalen dar, die von den Belastungsbedingungen und der Mikrostruktur des gesprengten Materials beeinflusst werden. Eine s-n(s)-Beschreibung der Zerkleinerungsdaten zeigt, dass die Hauptmechanismen in verschiedenen Fragmentgrößenbereichen dominieren, was nicht direkt von q oder vom gesprengten Material beeinflusst wird.

Details

Titel in ÜbersetzungDynamische Rissbilder, Rissinteraktionen und resultierende Fragmentierung durch Sprengen: Experimentelle Untersuchung der sprengungsinduzierten Feinanteile und der zugrundeliegenden Mechanismen bei der Sprengung im kleinen Maßstab von Mörtel- und Granitzylindern
OriginalspracheEnglisch
QualifikationDr.mont.
Gradverleihende Hochschule
Betreuer/-in / Berater/-in
StatusVeröffentlicht - 2021