DE19816701C1 - Verfahren zur Bestimmung physikalischer Behandelbarkeit von Sedimenten und Sedimentsuspensionen - Google Patents

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Bestimmung physikalischer Eigenschaften von Sedimenten und Sedimentsuspensionen unter Verwendung rheometrisch und/oder viskosimetrisch erfaßter Parameter genommener Proben von Sedimenten und Sedimentsuspensionen vorgeschlagen. Dabei wird DOLLAR A a. zunächst mittels eines Rheometers eine Fließgrenze der Proben ermittelt DOLLAR A b. nachfolgend wird ein Kriech-Kriech-Erholungsverhalten der Probe ermittelt und DOLLAR A c. aus der Ermittlung der Fließgrenze und des Kriech-Erholungsverhaltens der Probe ist eine Aussage über die physikalische Behandelbarkeit der Sedimente und Sedimentproben herleitbar.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung physikalischer Behandelbarkeit von Sedimenten und Sedi­ mentsuspensionen unter Verwendung rheometrisch und/oder viskosimetrisch erfaßter Parameter genommener Proben von Sedimenten und Sedimentsuspensionen.

Es ist bekannt, daß sich insbesondere in gezeitenabhän­ gigen Hafenbecken, Hafenanlagen aber auch den Gezeiten ausgesetzten Flüssen und Küstenbereichen Sedimente, Sedimentsuspensionen, Schlicke (oft auch als fluid mud bezeichnet) absetzen und die zur Verfügung stehende mittlere Wassertiefe in den vorgenannten Bereichen vermindern. Dieser Umstand stellt die Betreiber von Häfen, Hafenanlagen aber auch die für die Schiffbarkeit von Flüssen und Küstenbereichen zuständigen Gremien und Behörden vor erhebliche Probleme, denn aus Sicherheits­ erwägungen heraus sind die Betreiber von Häfen, Hafen­ anlagen sowie beispielsweise Schiffahrtsämter für Flüsse und Küstenbereiche gehalten, für die Schiffbarkeit immer eine Mindestwassertiefe zu gewährleisten. Dafür werden die betreffenden Bereiche von Zeit zu Zeit ausgebaggert, um die gewünschten Wassertiefen (Solltiefen) dort gewährleisten zu können.

Untersuchungen haben ergeben, daß die mit hohem appara­ tiven und somit hohem finanziellen Aufwand regelmäßig durchzuführenden Baggerungen der betreffenden Bereiche, um die betreffenden Sedimente, die sich über die Zeit angehäuft haben, zu entfernen, teilweise gar nicht nötig sind, da sich herausgestellt hat, daß diese Sedimente, zumindest im vertikal oberen Schichtungsbereich der Sedimente, eine derart geringe Zähigkeit haben, daß sie ohne weiteres von Wasserfahrzeugen durchfahren werden können, ohne daß eine Beeinträchtigung der Sicherheit und Leichtigkeit des Schiffsverkehrs oder gar Beschädi­ gungen des Wasserfahrzeugs zu erwarten sind.

Diese Erkenntnis ist allerdings bisher bei im Stand der Technik bekannten Verfahren zur Bestimmung physika­ lischer Eigenschaften von Sedimenten und Sedimentsus­ pensionen nicht durchgedrungen, da die bisher dafür verwendeten Verfahren und Anordnungen bzw. Einrichtungen zur Ausführung derartiger Verfahren eine derartige Erkenntnis gar nicht zuließen.

Bisher wurden nämlich für diese Zwecke die für terristi­ sche Böden üblichen Standardverfahren zur Gewinnung bodenmechanischer Kennwerte nach DIN auch auf Gewässer­ sedimente, Gewässersedimentsuspensionen und Schlick (fliud mud) angewendet, wobei nachfolgend der Einfach­ heit halber immer von Sedimenten gesprochen wird, die aber letztlich alle klassifikationsfähigen Sedimente, die normalerweise in Gewässern anzutreffen sind, umfas­ sen. Zu den bisherigen Verfahren gehören z. B. auch Scherfestigkeitsuntersuchungen mit Feld- und Laborflü­ gelsonden, wobei auch zur Bestimmung der Eigenschaften des Materials der Sedimente zusätzlich sedimentologische Parameter herangezogen werden, wie z. B. Korngrößenver­ teilungen.

Verfahren und Vorrichtungen für rheologische Untersuchungen sind aus der DE 195 10 351 C1, der DE 195 15 250 C1, der DE 41 09 696 A1 und der DE 297 07 609 U1 bekannt.

Kohäsive Sedimente in Gewässern erfahren im Gegensatz zu gewachsenen Böden durch die wechselnde hydraulische Belastung, beispielsweise durch die Gezeiten sowie durch Erosion und Sedimentation, Festigkeitszustandsände­ rungen. Dies gilt insbesondere für diejenigen Sediment­ schichten, die im Übergangsbereich zwischen Wasserkörper und fester Sole transportiert oder abgelagert werden.

Mit den bisher bekannten, oben beispielhaft genannten Standardverfahren und den dabei und auch mittels geson­ derter Methoden ggf. zusätzlich ermittelten Sedimentpa­ rametern können die in der Natur auftretenden tatsäch­ lichen physikalischen Eigenschaften von Sedimenten nicht erfaßt und nicht quantifiziert werden, so daß bisweilen die sedimentbeaufschlagten Bereiche nach wie vor in mehr oder weniger regelmäßigen Abständen unter sehr hohem apparativen und kostenintensiven Aufwand gebaggert werden (müssen), wobei dabei wiederum ein gleichfalls gravierendes Problem des gesaugten bzw. gebaggerten Sediments bezüglich der Förderung durch Verbringung auf Deponien oder sonstige Aufschüttbereiche auftritt, wo das Sediment gelagert werden soll.

Für die Bestimmung der Art der Förderung des Sediments zu den Deponiebereichen ist an sich ebenfalls sehr genaue Kenntnis der physikalischen Parameter und somit Eigenschaften der Sedimente erforderlich, denn nur dann, wenn darüber genaue Kenntnis vorherrscht, können die zu verwendenden Fördermittel, wie Pumpen, Förderrohrquer­ schnitte, Geschwindigkeit und somit Dauer der Förderung und die sich daraus ergebenden Kosten realistisch bestimmt werden. Dieses war bisher nicht möglich, vielmehr beschränkte man sich auf Erfahrungswerte, die allerdings dem Ergebnis einer technisch-wissenschaftli­ chen Untersuchung in weiten Bereichen nicht standgehal­ ten haben.

Es ist somit Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, mit dem eine tatsächliche Bestimmung der physikalischen Eigenschaften von Sedimenten, insbesondere von Gewäs­ sersedimenten, möglich ist, wobei das Verfahren derart präzise sein soll, daß damit Aussagen über die Schiff­ barkeit, Transportierbarkeit und Rammbarkeit bereitge­ stellt werden können, wobei daraus Erkenntnisse über die Schiffbarkeit, die Behandelbarkeit und die Förderbarkeit derartiger Sedimente gezogen werden können und wobei das Verfahren einfach und kostengünstig unter wenigstens teilweise Nutzung bisheriger Verfahrensschritte mit fortwährend hochgenau reproduzierbaren Ergebnissen durchführbar sein soll.

Gelöst wird die Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch, daß

• a) zunächst mittels eines Rheometers eine Fließgrenze der Probe ermittelt wird und
• b) daß nachfolgend ein Kriech-Kriech-Erholungs­ verhalten der Probe ermittelt wird.

Fließeigenschaften von Sedimenten sind ein Indikator zur Festlegung des Konsolidierungsgrades der entsprechenden Sedimentschichten. Außer dem Fließverhalten der Sedi­ mente sind Festigkeitszustands-Änderungen der Sedimente herleitbar und daraus ableitbar sind weitere rheologi­ sche Indikationsparameter. Durch die erfindungsgemäße Lösung ist es somit möglich, durch genaue und reprodu­ zierbare Bestimmung der physikalischen Eigenschaften von Sedimenten für die Betreiber von Häfen, Hafenanlagen, Wasserstraßen und auch Behörden, die schlechthin für den Wasserbau verantwortlich sind, gezielte und richtige Aussagen über die Sedimente und ihre Handhabbarkeit und Behandelbarkeit machen zu können, womit einerseits eine große Planungssicherheit für diese Bereiche sowie Wasserbau- und Sanierungsmaßnahmen erreichbar sind sowie bei der Gewässerunterhaltung schlechthin, und zwar zur Vermeidung unnötiger Baggerungen beispielsweise bei erkannter "Schiffbarkeit" des Sediments.

Auch wird, wie aufgabengemäß angestrebt, mit dem erfin­ dungsgemäßen Verfahren die Auswahl geeigneter Bagger- und Fördertechniken für das Sediment möglich und auch eine geeignete Auswahl der Mittel möglich, die zur Förderung des Sediments bereitgestellt werden müssen, beispielsweise Pumpen, Förderrohrquerschnitte und Förderrohrlänge und dergleichen.

Daraus ergibt sich insgesamt, daß, wie erfindungsgemäß angestrebt, auch sehr große Vorteile durch Kostenver­ minderung für derartige Techniken möglich sind, was insbesondere für den Fall eintritt, daß mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens beispielsweise genau feststellbar ist, ob überhaupt eine Baggerung des untersuchten Sediments nötig ist, da, wie oben erwähnt, viele Sedimente, die bisher durch Baggerung von Zeit zu Zeit entfernt wurden, was bisher ohne fundierte tech­ nisch-wissenschaftliche Untersuchung in regelmäßigen Abständen durchgeführt wurde, nicht mehr vollständig oder überhaupt entfernt werden müssen.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird unmittelbar nach Ausführung des Verfahrensschrittes b. (zusätzlich) ein zeitabhängiges Verformungsverhalten einer Probe ermittelt.

Dieser zusätzliche Verfahrensschritt dient dazu, daß mittels dieses Verfahrensschrittes Meßwerte ermittelt werden können, die als Berechnungsgrundlage für die Ermittlung der Widerstandskraft dienen, die ein Sediment (Schlick) bzw. aufeinanderfolgende ggf. unterschiedlich feste Sedimentschichten beim Rammen Pfählen, Spunden oder anderen Bauteilen entgegensetzten, so daß eine Aussage darüber möglich ist, mit welcher Apparatur bzw. tech­ nischem Gerät entsprechende Baumaßnahmen durchzuführen sind.

Bei einer weiteren vorteilhaften anderen Ausgestaltung des Verfahrens wird zusätzlich ein geschwindigkeitsab­ hängiges Verformungsverhalten der Probe ermittelt. Damit kann die zeitabhängige Verformung und die Verfor­ mungsgeschwindigkeit von Schlicken und anderem kohäsiven Sediment gemessen werden.

Ganz besonders vorteilhaft ist es, ein zeitabhängiges und/oder geschwindigkeitsabhängiges oszillatives Ver­ formungsverhalten der Probe zu ermitteln, beispielsweise mittels einer sogenannten Oszillationsmessung, bei der im Meßzylinder eines Rheometers sich nicht mehr konti­ nuierlich nur in einer Richtung dreht, sondern nach einer vorgegebenen sinusartigen Zeitfunktion regelmä­ ßige, oszillierende kleine Auslenkungen, die eine Deformation des Sediments bewirken, dreht. Dieser Verfahrensschritt bzw. diese weitere Ausgestaltung des Verfahrens erlaubt die Ermittlung einer substanzspezifi­ schen Eigenschaft des Sediments, und zwar über die Messung der material- und zeitvariablen Gegenkraft (Schubspannung) unmittelbar und mit großer Genauigkeit.

Um schießlich einen weiteren wichtigen Parameter zur Herleitbarkeit der physikalischen Behandelbarkeit der Sedimente zu schaffen, ist es schließlich vorteilhaft, die Ermittlung der physikalischen Eigenschaften bei konstanter ggf. in unterschiedlichen Schrittgrößen vorgebbarer Temperatur erfolgen zu lassen, nun auch den Temperatureinfluß auf die physikalischen Parameter des Sediments erkennen und berücksichtigen zu können.

Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die nach­ folgenden, in den Figuren dargestellten Kurvenverläufe, die bei der Bestimmung der physikalischen Eigenschaften der Sedimente typischerweise ermittelt werden können, im einzelnen beschrieben. Darin zeigen:

Fig. 1 die Darstellung eines für Sediment (Schlick) typischen Kurvenverlaufes zur Darstellung des Zusammenhanges der Schubspannung, der Viskosi­ tät des Sediments, und der Fließgrenzenermitt­ lung,

Fig. 2 eine Darstellung zur Sichtbarmachung der soge­ nannten "Erholungs-Reaktion" des Sediments (Schlick) über den Rückstellungsweg einer zuvor ausgelenkten Sedimentprobe und die vom Sediment ausgehende rückstellende Kraft,

Fig. 3 eine Darstellung wie Fig. 2 bei dem gleichen Sediment, jedoch mit einer aufgebrachten Schubspannung, die oberhalb der Fließgrenze liegt, und

Fig. 4 die Darstellung eines schubspannungsgesteuerten Oszillationsversuches zur Ermittlung des viskosen und elastischen Anteils des Sediment­ materials

Nachfolgend werden zunächst die gemäß den Verfahrens­ schritten a., b. und d. die nötigen Grundschritte anhand apparativ vorzunehmender Maßnahmen im einzelnen be­ schrieben.

a. Rheometer-Messung mit Schubspannungsvorgabe zur Bestimmung der Fließgrenze

Für diese Messung werden dem Rheometer bei konstanter Temperatur ausgewählte Schubspannungs-Zeitprofile vorgegeben. Für jede Einstellung werden die Scherge­ schwindigkeitswerte ermittelt und daraus Viskositäts­ werte errechnet. Gemessen wird die Fließfunktion, d. h. die Schergeschwindigkeit als Funktion der Schubspannung sowie auch die Viskositätsfunktion.

Aus einem für Schlick als Sediment typischen Kurvenver­ lauf, vergleiche Fig. 1, kann man entnehmen, daß mit steigender Schubspannung die Viskosität ebenfalls zunimmt, wobei die Scherrate nur geringfügig ansteigt. Mit dem weiteren Anstieg der Schubspannung verlangsamt sich die Zunahme der Viskosität bis ein Bereich relativ konstanter Viskosität bei steigender Schubspannung erreicht wird. Dieser Bereich nahezu konstanter Visko­ sität bei steigender Schubspannung wird mit zunehmendem Konsolidierungsgrad eines Schlicks (aufeinanderfolgender Schlickschichten) größer und kann sich über mehrere hundert Pascal erstrecken. Die Scherrate ist immer noch sehr gering. Dieser Schubspannungsbereich dient als Merkmal für die elastische Verformbarkeit des jeweiligen Schlickmaterials.

Nach dem Überschreiten eines für die jeweilige Schlick­ probe typischen kritischen Grenzwertes der Schubspannung (definierte Fließgrenze) wird der Wert der Viskosität langsam kleiner. Die Scherrate nimmt geringfügig zu. Dieser Bereich dient als Merkmal für den Übergang zwischen festem und flüssigem Schlick.

Bei weiterer Steigerung der Schubspannung fällt der Viskositätswert deutlich ab und die Scherrate steigt stark an. Sobald dieser Schubspannungswert erreicht wird, also eine deutliche Scherrate gemessen wird, überwiegen die viskosen Eigenschaften des Schlicks und er verhält sich von nun an wie ein Flüssigkeit. Dieser Schubspannungswert markiert den "praktischen Fließbe­ ginn" des Schlicks und kann unter anderem herangezogen werden, um z. B. eine Pumpe und ein Rohrleitungssystem zur Förderung des Schlicks bezüglich ihrer vorauszuset­ zenden technischen Parameter auszulegen.

Die Berechnung der Druckverluste bei nicht-newtonschen Rohrströmungen erfolgt anhand der für jeden Schlick charakteristischen Fließkurve. Der Verlauf der Fließ­ kurve bestimmt auch das Berechnungsverfahren und die in den Formeln zu verwendenden Parameter. Die Berechnungs­ ergebnisse lassen unmittelbar die Auswahl und Dimensio­ nierung einer zur Förderung des betreffenden Schlicks geeigneten Pumpe zu.

b. Rheometer-Meßverfahren (Kriech-Erholungsversuch)

Diese Messung wird mit festen Schubspannungseinstel­ lungen durchgeführt. Es wird aufgezeichnet, in welchem Maße und wie stark das Sediment (Schlick) innerhalb eines bestimmten Zeitintervalles auf diese vorgegebenen Schubspannungen durch Verformung (Scherdeformation) reagiert. In einem direkt anschließenden zweiten Zeitin­ tervall wird die Krafteinwirkung gestoppt (die Schub­ spannung ist 0 Pascal) und die "Erholungs-Reaktion" des Sediments ermittelt und aufgezeichnet, d. h. das Rheome­ ter mißt über den Rückstellungsweg der zuvor ausgelenk­ ten Meßeinrichtung die vom Sediment ausgehende rückstel­ lende Kraft, vergleiche Fig. 2.

Dieser Verfahrensschritt ermöglicht eine Quantifizierung der viskoelastischen Eigenschaften des Sediments, d. h. es wird bestimmt, mit welchen viskosen und elastischen Anteilen das Sediment auf einwirkende Kräfte reagiert. Darüber hinaus wird ermittelt, welche Zeit für die Rückstellung des Ausgangszustandes (Entspannungszustan­ des) des Schlickmaterials erforderlich ist.

d. Rheometer-Meßverfahren (Oszillationsmessungen)

Bei diesem Verfahrensschritt dreht sich der Meßzylinder des Rheometers nicht mehr kontinuierlich nur in eine Richtung, sondern er erfährt nach einer vorgegebenen sinusartigen Zeitfunktion regelmäßige (oszillierende) kleine Auslenkungen, die eine Deformation des Sediments bewirken. Die Deformation kann gerätetechnisch vorgege­ ben werden, so daß das Sediment einer sinusförmig definierten Schubspannung ausgesetzt werden kann. Deformationen, die zur bleibenden Zerstörung der ur­ sprünglichen Partikelnetzwerk-Struktur (überschreiten des linear-viskoelastischen Bereiches) führen, werden bei dieser Versuchsvariante vermieden.

Im schubspannungsgesteuerten Oszillations-Versuch wird so die Reaktion des Schlicks auf kurzzeitige Schubspan­ nungsbelastungen aufgezeichnet, wie sie z. B. auch beim Rammen von Pfählen auftritt. Bei Belastungen unterhalb der Fließgeräte (G' oberhalb G") tritt elastische Verformungen ein. Dies bewirkt u. a., daß ein Pfahl trotz Rammen nicht tiefer in den Boden (Schlick) einsinkt - er federt nur. Wenn G" größer G' wird, senkt sich der Pfahl dagegen bleibend ab. Mit diesem Versuch wird somit die zeitabhängige Verformung und die Verformungsge­ schwindigkeit von Schlicken und anderen kohäsiven Sedimentmaterialien gemessen werden. Mit steigender sinusförmiger Schubspannung werden die Abstände des elastischen Materialanteils (G') und des Viskosenanteils (G") immer geringer, bis sich beide Kurven in einem Punkt schneiden, vergleiche Fig. 4. Dieser Punkt liegt oberhalb der Schubspannung, die die definiert Fließgren­ ze markiert also den Übergang der viskoelastischen Verformung in das viskoelastische Fließen und somit dort, wo auch das Fließen des Sediments in der Praxis beginnt.

Diese Verfahrensvariante liefert somit weitere Parame­ ter, um die Fließgrenze, siehe oben Meßvariante bzw. Verfahrensschritt a., und darüber hinaus das zeitabhän­ gige Fließverhalten quantitativ zu beschreiben.

Wird der Rheometer-Einstellung die Frequenz bei konstan­ ter Scherdeformation vorgegeben, so können darüber hinaus als substanzspezifische Eigenschaft die material- und zeitvariable Gegenkraft (Schubspannung) und die viskoelastischen Eigenschaften unmittelbar und sehr genau gemessen werden.

Der Meßwert für diese Schubspannung dient unter anderem als Berechnungsgrundlage für die Ermittlung der Wider­ standskraft, die ein Sediment bzw. aufeinanderfolgende (unterschiedlich feste) Sedimentschichten, wie bereits erwähnt, u. a. beim Rammen Pfählen, Spundwänden oder anderen Bauteilen entgegensetzen, so daß dann festgelegt werden kann, mit welcher technischen Apparatur bzw. technischem Gerät entsprechend Baumaßnahmen durchzufüh­ ren wären.

Anhand eines real durchgeführten Beispieles können die Nachteile bisheriger Verfahren zur Bestimmung physika­ lischer Eigenschaften von Sedimenten und ihre bisherige konventionelle Behandlung dem erfindungsgemäßen Verfah­ ren und der damit ermittelten physikalischen Behandel­ barkeit der Sedimente dargestellt werden. Es bestand die Aufgabe, im Rahmen einer Neubaumaßnahme Sediment aus einem Hafenbecken zu entnehmen und hydraulisch in eine nahegelegene Kiesgrube zu fördern. Als besondere Bedin­ gung war im Rahmen einer Ausschreibung für eine derar­ tige Naßbaggerarbeiten festgelegt, daß bei der Sedi­ mententnahme und Förderung der Wasseranteil einen Wert von 5% des Gesamtvolumens nicht überschritten werden durfte, d. h. die Förderung sollte aufgabengemäß ohne Wasserzugabe erfolgen. Ein kommerzielles, auf Naßbagge­ rung spezialisiertes Unternehmen setzte folgende kon­ ventionelle (im Stand der Technik bekannte) Arbeits­ schritte ein:

• 1. α. Sedimententnahme aus einer Schute und Befüllung eines hochgestellten Vorlagetrichters,
• 2. β. Absaugen des Sediments aus dem Vorlagetrichter einer Kreiselpumpe und hydraulischer Transport zu der nahege­ legenen (ca. 250 m) Kiesgrube über eine Rohrleitung mit einem Rohrdurchmesser von 0,3 m.

Während der Arbeiten stellte sich heraus, daß der Schritt β. nur dann durchführbar war, wenn auf der Druckseite der Pumpe Zusatzwasser mit einem Volumenan­ teil von mehr als 5% des Gesamtvolumenstroms zugeführt wird.

Über diesen Sachverhalt kam es zu einer Auseinander­ setzung zwischen dem Auftraggeber und dem die Naßbagge­ rung durchführenden Unternehmen. Dabei behauptet das Unternehmen, daß es sich bei dem zu fördernden Sediment (Schlick) um vollkommen untypisches Sedimentmaterial handelte.

In der dem Auftrag vorgelagerten Auftragsbeschreibung wird das Sediment (Schlick) nach den Kriterien der sogenannten PIANK (Permanent International Association of Navigation Congresses, Brüssel, Belgien) und der DIN 18311 als sehr weiches bis flüssiges bindiges Schlick­ material bezeichnet. Es stellte sich heraus, daß die Eignung des bei diesem Beispiel angetroffenen Sediments (Schlicks) für die Förderung mit Hilfe einer Kreisel­ pumpe durch die diese in der Naßbaggerei bisher allge­ mein üblichen Klassifikationskriterien nicht beurteilt werden kann.

Unter Verwendung der erfindungsgemäßen Verfahrens­ schritte a., b. und c., sowie ggf. auch d. kann aus der Fließkurve des Sediments hingegen hergeleitet werden, welcher Anfangsdruck für die Überwindung des Anfangswi­ derstandes erforderlich ist, dem das mit Sedimente gefüllte Rohr der Pumpe entgegensetzt. Der Anfangsdruck ergibt sich aus der Annahme, daß die Anfangsschubspann­ ung an der Innenrohrfläche überwunden werden muß.

mit
Fließgrenze (γo) = 280 Pa
Rohrlänge (l) = 250 m
Durchmesser (dr) = 0,3 m

Der somit gemäß diesem Beispiel ermittelte Druck von 9,33 bar wird mit dem von der Pumpe bei maximaler Drehzahl erreichbaren Druck verglichen. In diesem Anwendungsbeispiel erreicht die eingesetzte Kreiselpumpe lediglich einen Druckwert von 4,7 bar.

Allein durch die Anwendung des erfindungsgemäßen Ver­ fahrensschrittes a. kann beurteilt werden, daß im hier beschriebenen Anwendungsfall die zu bewerkstelligende Förderaufgabe mit der hier real eingesetzten Pumpe nicht durchführbar ist. Wären entsprechende, gemäß dem erfin­ dungsgemäßen Verfahren ausgeführte, rheologische Mes­ sungen im Vorwege durchgeführt worden, so hätten ein geeigneter Pumpentyp und die erforderliche Pumpengröße leicht ermittelt werden können. Es hätten demzufolge die kostenintensiven Baustellenstillstandszeiten und Ge­ räteausfallzeiten vermieden werden können einschließlich juristischer und wirtschaftlicher Auseinandersetzungen zwischen Auftraggeber und Auftragnehmer.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wurden ebenfalls Untersuchungen über die Durchfahrbarkeit (Schiffbarkeit) von Sedimenten bzw. Sedimentsuspensionen durchgeführt, d. h. eine Bestimmung der sogenannten nautischen Tiefe. Real durchgeführte Untersuchungen der Anmelder haben im Emdener Hafen (Bundesrepublik Deutschland) gezeigt, daß zur Beurteilung der Durchfahrbarkeit (Schiffbarkeit) der dort lagernden Sedimentschichten allein die Fließeigen­ schaften ein eindeutiges und meßtechnisch reproduzier­ bares Materialunterscheidungskriterium liefern.

Im Emdener Hafen haben sich nach Echolot-Peilungen bis zu 4 mächtige Sedimente bzw. Sedimentsuspensionen nachweisen lassen. In früheren Jahren wurde dieses Sediment regelmäßig mit einem hohen Kostenaufwand gebaggert und auf Spülfeldern an Land deponiert. Es ist jedoch beobachtet worden, daß auch nach längeren Bag­ gerpausen die Manövrierfähigkeit der diesen Hafen anlaufenden Schiffe nicht beeinträchtigt wurde. Für diese empirisch gewonnenen Erkenntnis gab es vor Durch­ führung einer Untersuchung unter Anwendung des erfin­ dungsgemäßen Verfahrens keine Sedimentseigenschaftskri­ terien, die einen ursächlichen Beweis und quantitativ faßbare Durchfahrbarkeits-Parameter lieferten.

Durch die Anmelder durchgeführte Sedimentprobenanalysen ergaben, daß im Emdener Außenhafen Sedimentschichten vorhanden sind, deren Konsolidierungsgrad mit zunehmen­ der Sedimenttiefe deutlich zunimmt. Die obere Sediment­ schicht zeigte sich als Sedimentsuspension, die um den Faktor 50 bis 600 geringer verfestigt war als die darunterliegenden Sedimentschichten. Die Dichte dieser Suspension ist etwas geringer als die Dichte der unmit­ telbar angrenzenden Sedimentschicht. Zwischen den konsolidierten Sedimentschichten am jeweiligen Probeort ergaben sich keine signifikanten Dichtenunterschiede. Es ergaben sich ebenfalls keine signifikanten Unterschiede in der Mineralkorn-Größenverteilung und im Anteil organischer Feststoffsubstanzen (gemessen als Glühver­ lust). Dagegen unterscheiden sich die Sedimentschichten teilweise sehr stark in ihren Fließgrenzen. Die mittels der erfindungsgemäßen Verfahrensschritte durchgeführten Untersuchungen ließen folgendes deutlich werden:

Die im Hafen Emden beprobten konsolidierten Sediment­ schichten (Schlickschichten und fluid mud) werden nach dem Überschreiten eines Schubspannungsgrenzwertes unter Scherkraftwirkung dünnflüssiger. Sie besitzen eine Fließgrenze. Steigert man kontinuierlich die Kraftein­ wirkung, so nimmt parallel ihr Verflüssigungsgrad bzw. die Zähigkeit (Viskosität) weiter ab (Strukturviskose­ verhalten). Endet die Krafteinwirkung, dann nehmen diese Sedimente mit einer gewissen Zeitverzögerung ihren ursprünglichen Zustand (Zähigkeitswert) wieder an (thixotropes Verhalten). Der Verflüssigungs- und Wieder­ verfestigungsprozeß sind somit reversibel und beliebig oft reproduzierbar.

Die praktische Anwendung, die sich aus der Erkenntnis ergibt, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren gewonnen wird, bedeutet z. B., daß die Dichte wegen der vielen möglichen Festigkeitszuständen des gleichen Sediments kein geeigneter Indikator für die Durchfahrbarkeit von Sedimentsuspensionen ist. Zur genauen Charakterisierung der Eigenschaften muß das Fließverhalten bestimmt werden. Allein die vollständige Beschreibung der Fließ­ eigenschaften ist ein verläßlicher Indikator zur Fest­ stellung des Konsolidierungsgrades von Schlick und allgemein von kohäsiven Sedimenten.

Die mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens hergelei­ teten Ergebnisse bezüglich des Fließverhaltens zeigen, daß die im Emdener Hafen vorgefundenen Sedimente, wenn sie einmal in Bewegung gebracht sind, Schiffen oder Baggergutentnahmegeräten einen geringeren Widerstand entgegensetzen als im unberührten Zustand.

Diese Erkenntnis könnte zur Optimierung von Baggerein­ sätzen für die Gewässerunterhaltung (Entnahmestrategien und Techniken) umgesetzt werden und sie liefert, da in Emden für zahlreiche Schiffe der Nachweis der Durch­ fahrbarkeit der Sedimentssuspensionsschicht erbracht wurde, erste Indikatorwerte für die Schiffbarkeit von Sedimentsuspensionen.

Wenn sich ein Sediment schon bei kleinen Schubspannungen wie eine Flüssigkeit verhält, dann ist es schiffbar. Im vorliegenden Beispiel bzw. Anwendungsfall Hafen Emden bedeutet "klein", Werte unterhalb von 2 Pascal. Wo die obere Grenze für die Schiffbarkeit liegt, müssen weitere Naturmessungen zeigen. Nach den bisherigen eigenen Untersuchungsergebnissen zum rheologischen Verhalten von Schlicken, liegt diese Grenze vermutlich im Bereich von 10 Pascal.

Claims (5)

1. Verfahren zur Bestimmung physikalischer Behandelbarkeit von Sedimenten und Sedimentsuspensionen unter Verwendung rheometrischer und/oder viskosimetrisch erfasster Parameter gewonnener Proben von Sedimenten und Sedimentsuspensionen, dadurch gekennzeichnet, daß

• a) mittels eines Rheometers die Fließgrenze der Probe ermittelt wird und
• b) daß nachfolgend ein Kriech-Kriech-Erholungs­ verhalten der Probe ermittelt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß unmittelbar nach Ausführung des Verfahrensschrittes b. ein zeitabhängiges Verformungsverhalten der Probe ermittelt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein geschwindigkeitsabhängiges Verformungsverhalten der Probe ermittelt wird.

4. Verfahren nach einem oder beiden der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein zeitabhängiges und/oder geschwindigkeitsabhängiges oszillatives Verformungsverhalten der Probe ermittelt wird.

5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ermittlung der physikalischen Eigenschaften bei konstanter Temperatur erfolgt.