Eidgen. Techn. Hochsch., Diss., 2006--Zürich. / Literaturverz. S. 155 - 165.

Die Versorgung von Zahnhartsubstanzdefekten mittels indirekter Restaurationen über Befestigungszemente gehört in Zahnarztpraxen zur alltäglichen Arbeit. Eine stetige Weiterentwicklung der techniksensitiven adhäsiven Befestigungssysteme ergibt eine Bandbreite an unterschiedlichen Befestigungssystemen auf dem Dentalmarkt. Ziel dieser In vitro Studie ist es deshalb, die Haftfestigkeit von adhäsiven, selbstadhäsiven und konventionellen Befestigungssystemen zu indirekten Restaurationsmaterialien sowie Echtzähnen (Dentin), mit und ohne künstliche Alterung, zu überprüfen. Die Haftfestigkeit wurde mithilfe eines Scherfestigkeitstests nach DIN EN ISO 29022:2013 überprüft. Es wurden die Befestigungsmaterialien Panavia™ SA Universal, Visalys® CemCore, G-Cem LinkForce™, Bifix® SE, als Kontrollgruppe Panavia™ V5 und Ketac™ Cem Plus zu den Restaurationsmaterialien Ceramill® zolid ht+ PS (Zirkoniumdioxidkeramik), Enamic® (Hybridkeramik), IPS e.max® CAD (Lithiumdisilikat-Glaskeramik) und Dentin untersucht. Bei den selbstadhäsiven Befestigungszementen Panavia™ SA und Bifix® SE wurden zusätzlich zwei Gruppen zu Dentin mit Konditionierung getestet. Die Befestigungszemente wurden zylinderförmig auf die Restaurationsmaterialien aufgebracht und ausgehärtet. Die Proben mit Alterung wurden zusätzlich für 10.000 Zyklen in einem Thermocycler bei 5°C/55°C gealtert, anschließend wurden alle Proben abgeschert. Die Bruchart wurde in adhäsiver, kohäsiver und gemischter Bruch eingeteilt. Die Ergebnisse belegen zwischen den getesteten Restaurationsmaterialien und Befestigungszementen Unterschiede. Thermocycling hat einen negativen Einfluss auf die Haftfestigkeit. Generell zeigten die Befestigungsmaterialien geringere Haftwerte zu Dentin als zu den Restaurationsmaterialien. Durch zusätzliche Vorbehandlung des Dentins bei Bifix® SE konnten ähnlich hohe Haftfestigkeiten wie zu den Restaurationsmaterialien gemessen werden. Panavia™ V5 zeigte als Kontrollgruppe zu allen Materialien konstante Haftwerte. / The treatment of dental hard tissue defects with indirect restorations is part of the everyday work in dental practices. A continuous further development of adhesive luting systems results in a wide range of different systems on the dental market. Thus the aim of this in vitro study is to test bond strength of adhesive, self-adhesive and conventional systems to CAD/CAM restoration materials and dentin, with and without artificial aging. The adhesive strength was examined using a shear bond strength test. Panavia™ SA Universal,Visalys® CemCore,G-Cem LinkForce™,Bifix® SE, as control group Panavia™ V5 and Ketac™ Cem Plus were luted to CAD/CAM restoration materials Ceramill® zolid ht+ PS (zirconiumdioxide ceramics), Enamic® (hybrid ceramics), IPS e.max® CAD (lithium disilicate glass ceramic) and dentin. In the case of the self-adhesive resin cements Panavia™ SA and Bifix® SE, two extra groups were tested concerning their bond strength to dentin with conditioning. In accordance with DIN EN ISO 29022:2013 cements were applied to the restoration materials and cured. Samples with artificial aging were additionally aged for 10.000 cycles by thermocycling at 5 °C/55 °C, then all samples were subjected by the shear bond strength test. The fracture type was divided into adherent, cohesive and mixed fractures. The results showed differences between tested restoration materials and luting agents. Thermocycling has a negative impact on shear bond strength. Overall, luting agents showed lower adhesion values to dentin than to CAD/CAM restoration materials. Additional pretreatment of the dentin at Bifix® SE presented similarly high bond strengths as for the restoration materials. As a control group, Panavia™ V5 demonstrated constant adhesive bond strength to all restoration materials.

Zugleich: Diss. Nr. 16322 techn. Wiss. ETH Zürich. / Literaturverz.

Gegenstand dieser Arbeit war die Ermittlung der Scherfestigkeit von Kompositreparaturen auf unterschiedlichen Materialien und der Einfluss künstlicher Probenalterung auf den Haftverbund. Ziel war es hierüber ein möglichst einfaches Reparaturprotokoll für die klinische Anwendung zu prüfen. In der Versuchsreihe wurden neun verschiedene Materialien (SR Nexco®, Gradia® Plus, Estenia™ C&B®, Grandio Blocs®, Tetric® CAD, Brilliant Crios®, VITA Enamic®, VITABLOCS® Mark II, IPS e.max® CAD) nach einem festgelegten Konditionierungsprotokoll (Sandstrahlen vs. Flusssäureätzung und Monobond® Plus-Applikation, anschließend 3M™ Scotchbond™ Universal Plus Adhäsiv) mit Kompositzylindern (3M™ Filtek™ Supreme XTE Universal Komposit) verklebt. In einem Scherversuch wurden die Haftwerte des Klebeverbundes ermittelt sowie die vorkommenden Versagensmuster untersucht. Werden alle 216 untersuchten Prüfkörper betrachtet, so ist hervorzuheben, dass alle Prüfzylinder Scherkräften von über 21 MPa standhielten. Dennoch zeigten sich Unterschiede unter den Materialgruppen. In den Kontrollgruppen zeigte Estenia™ C&B® mit ±34,5 MPa die höchste Scherfestigkeit. Die modellierbaren Verblend-komposite erreichten mit ±29,6 MPa höhere Haftwerte als die CAD/CAM Komposite (±24,1 MPa) und die keramischen Werkstoffe (±26,7 MPa). Eine künstliche Probenalterung wirkte sich signifikant auf die Verbundfestigkeit aus. Im gesamten Probenkorpus war zwischen den Kontrollgruppen und den Gruppen mit Temperaturwechselbehandlung vor und nach Verklebung eine Reduktion der Scherkraft um ±10,6 MPa zu beobachten. Insgesamt hatte eine Temperaturwechselbehandlung einzig vor Verklebung der Proben zumeist eine geringere Auswirkung auf den Haftverbund verglichen mit Alterung vor und nach Verklebung. Mit einer Inzidenz von 74,5 % war ein kohäsiver Bruch im Ausgangsmaterial das dominierende Versagensmuster. Daraus lässt sich ableiten, dass ein adäquates Konditionierungsprotokoll gewählt wurde. Auch auf das Versagensmuster hatte die Temperaturwechselbehandlung einen signifikanten Einfluss, wobei kohäsive Brüche zunahmen. Die vorliegende Arbeit konnte zeigen, dass Reparaturen in vitro auch zwischen unterschiedlichen Materialklassen suffiziente Haftverbunde erzielen können, obgleich der Verbund bei Kompositen verlässlicher erscheint. Die ermittelten hohen Scherkräfte verdeutlichen, dass die Möglichkeit einer Reparatur am Patienten in jedem Fall in Erwägung gezogen werden sollte, bevor eine Restauration vollständig ausgetauscht wird. / The aim of this study was to determine the shear bond strength of composite repairs on different materials and the influence of artificial specimen ageing on the adhesive bond. The aim was to test a simple repair protocol for clinical use. In the test series nine different materials (SR Nexco®, Gradia® Plus, Estenia™ C&B®, Grandio Blocs®, Tetric® CAD, Brilliant Crios®, VITA Enamic®, VITABLOCS® Mark II, IPS e. max® CAD) were bonded to composite cylinders (3M™ Filtek™ Supreme XTE Universal Composite) according to a defined conditioning protocol (sandblasting vs. hydrofluoric acid etching and Monobond® Plus application, followed by 3M™ Scotchbond™ Universal Plus Adhesive). The shear bond strength was determined and the occurring failure patterns were examined. If all 216 test specimens examined are considered, it should be emphasized that all test cylinders withstood shear forces of over 21 MPa. Nevertheless there were differences between the material groups. In the control groups, Estenia™ C&B® showed the highest shear strength at ±34.5 MPa. At ±29.6 MPa, the sculptable veneering composites achieved higher bond strengths than the CAD/CAM composites (±24.1 MPa) and the ceramic materials (±26.7 MPa). Artificial specimen ageing had a significant effect on the bond strength. A reduction in shear bond strength of ±10.6 MPa was observed between the control groups and the groups with temperature cycling before and after bonding in the entire sample corpus. Overall a thermal cycling treatment only before bonding of the specimens mostly had a lower effect on the bond strength compared to aging before and after bonding. With an incidence of 74.5 %, a cohesive fracture in the specimen itself was the dominant failure pattern. This indicates that an adequate conditioning protocol was selected. The thermal cycling treatment also had a significant influence on the failure pattern, with cohesive fractures increasing. The present study was able to show that repairs in vitro can achieve sufficient adhesive bonds between different material classes, although the bond appears to be more reliable with composites. The high shear forces determined that the possibility of a repair on the patient should always be considered before a restoration is completely replaced.

Thesis (Ph. D.)--Universität Zürich, 2007. / Added thesis t.p. Vita. Includes bibliographical references (p. 155-167).

Diss. Univ. Zürich, 2007. / Literaturverz.

Two different soils may be generated from open-pit mining: lumpy soils with a granular structure and clay mixtures, depending on the length of the conveyor belt and the strength of the original soils. Lumpy soils may be created for a high strength of the excavated soils. They are dumped as landfills without any compaction, which permits the water and air flows via the inter-lump voids. As a result, a new structure consisting of the lumps and reconstituted soil within the inter-lump voids can be created. However, if the original soil has a low strength or a long transportation takes place, the material may disintegrate into small lumps and thoroughly mix soils from different layers. Landfills consisting of clay mixtures arise in this way. The stability and deformation of landfills are crucial for design of occupied area and landfill slopes. For this reason, three different landfill materials will be investigated in this thesis: (1) the lumpy granular soil from fresh landfills, (2) the lumpy composite soil corresponding to old landfills and (3) clay mixtures. Firstly, an artificial lumpy soil was investigated. It is a transition form between the reconstituted and natural lumpy soils. Compression, permeability and strength of lumpy materials have been evaluated based on oedometer and triaxial tests. The shear strength of the normally consolidated lumpy specimens lies approximately on the Critical State Line of the reconstituted soil. The reconstituted soil, which exists in the inter-lump voids, plays a crucial role in the behaviour of artificial lumpy materials. Similarly to the artificial lumpy soil, inter-lump voids of the natural lumpy soil are mainly closed above a relatively small stress level, which is induced by the rearrangement of the lumps. However, its limit stress state is located above the Critical State Line of the reconstituted soil, which may be caused by the diagenetic soil structure in the natural lumps. The structure transition of the lumpy granular material can be divided into three possible stages related to the stress level. Firstly, the compressibility of a fresh lumpy is relativity high due to the closure of the inter-lump voids within a low stress range. In this stage, the hydraulic conductivity is mainly controlled by the inter-lump skeleton due to the existence of macro drainage paths, while the shear strength is controlled by the reconstituted soil around the lumps. Afterwards, its compressibility decreases with the consolidation stress and the soil behaves similarly to an overconsolidated soil. The clayfill appears to be uniform visually in this stage, but its structure is still highly heterogeneous and the hydraulic conductivity is higher than that of the reconstituted soil with the same overall specific volume. Finally, the loading reaches the preconsolidation stress of the lumps, and the whole soil volume becomes normally consolidated. Isotropically consolidated drained triaxial shear tests were performed on artificially prepared specimens with parallel and series structures. The laboratory tests show that the specimens with the series structure have the same failure mode as the constituent with the lower strength; the specimens with the parallel structure have a failure plane which crosses both constituents. As a result, the shear strength of the series specimens is only slightly higher than that of the constituent with the lower strength and the strength of the parallel specimens lies between those of the constituents. Afterwards, the behaviour of an artificial lumpy material with randomly distributed inclusions is investigated using the Finite Element Method. The computation results show that the stress ratio, defined as the ratio of the volume-average stress between the lumps and the reconstituted soil within the inter-lump voids, is significantly affected by both the volume fraction and the preconsolidation pressure of the lumps under an isotropic compression path, while the volume fraction of the lumps plays a minor role under a triaxial compression path. Based on the simulation results and analysis of the two basic configurations, a homogenization law was proposed utilizing the secant stiffnesses. The compression behavior of the lumpy composite soil was analyzed within the homogenization framework. Firstly, the volume of the composite soil was divided into four individual components. The inter-lump porosity was introduced to account for the evolution of the volume fractions of the constituents, and it was formulated as a function of the overall porosity and those of its constituents. A homogenization law was then proposed based on the analysis of the lumpy structure together with a numerical method, which gives a relationship for tangent stiffnesses of the lumpy soil and its constituents. Finally, a simple compression model was proposed for the composite lumpy material, which incorporates both the influence of the soil structure and the volume fraction change of the reconstituted soil. Furthermore, a general framework for the consolidation behaviour of the lumpy composite soil was proposed based on the double porosity concept and the homogenization theory. To describe the behaviour of lumps with low stress level, a new failure line was proposed with help of the equivalent Hvorslev pressure and critical state concept. The structure effect was incorporated into the nonlinear Hvorslev surface within sensitivity framework and the generalized Cam clay model proposed by McDowell and Hau (2003) was adopted on the wet side of the critical state. A secant stiffness, defined as the ratio between the deviatoric stress and deviatoric strain, was used in the homogenization law. Finally, a simple model for the natural lumpy soil was proposed within the homogenization framework. The physical properties, compression behaviour and remolded undrained shear strength of clay mixtures were investigated by reproducing the soils artificially in the lab. Afterwards, the models for the compression and undrained shear strength of clay mixtures were proposed. The model for the strength of the clay mixture originated from simplifying the structure of a clay mixture, in which the elements of the constituents are randomly distributed in a representative elementary volume. By defining a water content ratio (the ratio of water contents between the constituents), the undrained shear strength of each constituent was estimated separately and then combined together with corresponding volume fractions. A homogenization law was proposed afterwards based on the analysis of the randomly arranged structure. A simple compression model considering $N$ constituents was proposed within the homogenization framework, which was evaluated by a mixture with two constituents. / In einem Tagebau können die feinkörnigen Böden in unterschiedlichen Zustandsformen entstehen. Dies sind zum einen klumpige Böden mit einer granular ähnlichen Struktur (Pseudokornstruktur) und einer hohen Konsistenzzahl und zum anderen Mischungen aus mehreren Tonen oder Schluffen mit niedriger Konsistenzzahl. Der Zustand wird dabei massgebend von dem Transport (z.B. Länge des Förderbandes) und dem Ausgangszustand (z.B. der Anfangsscherfestigkeit) beeinflusst. Klumpige Böden entstehen bei der Abbaggerung des natürlichen Materials auf der Abbauseite, welches eine hohe Festigkeit besitzt. Alle Böden werden normalerweise ohne Verdichtung verkippt, so entstehen bei der Verkippung von klumpigen Böden grosse Makro-Porenräume zwischen den Klumpen, welche sehr luft- bzw. wasserdurchlässig sind. Nach einiger Zeit entsteht eine neue Struktur aus den Klumpen und dem Material des sich von aussen auflösenden Klumpens, welches das Füllmaterial bildet. Wenn die Festigkeit des Ausgangsmaterials niedrig ist oder lange Transportwege stattfinden, zerfallen die Klumpen. Zudem werden die Böden von verschiedenen Schichten der Abbauseite unter einander gemischt, wodurch die Tongemische entstehen. Sowohl für die Dimensionierung und Berechnung der aus den Verkippungen entstehenden Tagebaurandböschungen sowie für eine spätere Nutzung des ehemaligen Tagebaugebietes ist die Kenntnisüber das Deformations- und Verformungsverhalten von Kippenböden notwendig. Daher wurden in dieser Arbeit Tagebauböden und ihr zeitlich veränderliches Verhalten untersucht. Dabei werden diese, bezugnehmend auf den Anfangszustand, in drei typische Materialien unterschieden: (1) der frisch verkippte klumpige Boden, (2) eine Mischung aus Klumpen und Füllmaterial, welche höhere Liegezeiten repräsentiert und (3) Mischungen von feinkörnigen Ausgangsböden. Zunächst wurden künstlich hergestellte klumpige Böden untersucht. Sie bilden eine Übergangsform zwischen aufbereiteten und natürlichen klumpigen Böden. Das Kompressions- und Scherverhalten sowie die Durchlässigkeit wurden an Ödometer und Triaxialversuchen bestimmt. Das Füllmaterial, welches die Makroporen zwischen den Klumpen füllt, spielt eine entscheidende Rolle für das Materialverhalten. Ähnlich wie bei den künstlich hergestellten klumpigen Böden schliessen sich auch bei den Böden im Tagebau die Makroporenschen bei niedrigen Spannungen. Dabei werden die Klumpen umgelagert. Allerdings befindet sich die Grenze des Spannungszustandes oberhalb der Critical State Line des Füllmaterials, was möglicherweise mit den unter Diagenese entstandenen Bodenstrukturen erklärt werden kann. Die Strukturänderung der klumpigen Böden kann aufgrund des Spannungsniveaus in drei mögliche Stufen unterteilt werden. Am Anfang ist die Kompressibilität der frischen verkippten Klumpen hoch, da sich die Makroporen bereits bei geringen Spannungen schliessen. Zu diesem Zeitpunkt sind auch die Durchlässigkeiten in erster Linie von den grossen Porenräumen der Makroporen, welche als Entwässerungspfade dienen, beeinflusst. Die Scherfestigkeit hingegen, wird durch die aufgeweichten Böden an den Oberflächen der Klumpen massgebend beeinflusst. Bei höheren Konsolidationspannungen sinkt die Kompressibilität und der Boden verhält sich wie einüberkonsolidierter Boden. Obwohl die Struktur aufgrund der veränderten Klumpenoberflächen zu diesem Zeitpunkt homogener wirkt, ist die Struktur noch heterogen und die Durchlässigkeit ist höher als bei einem aufbereiteten Boden mit gleichem spezifischem Volumen (Porenzahl). Letztendlich erreicht der aktuelle Spannungszustand den derüberkonsolidierten Klumpen und der gesamte Boden verhält sich wie ein normal konsolidierter Boden. Des Weiteren wurden isotrop konsolidierte drainierte Triaxialversuche an künstlich aus zwei Ausgangsmaterialien hergestellten Proben mit parallelen und seriellen Strukturen durchgeführt. Die Laborversuche zeigten, dass die Proben mit seriellem Aufbau dieselben Gleitflächen haben, wie der Ausgangsboden mit der niedrigeren Scherfestigkeit. Die Gleitfläche der Proben mit parallelen Strukturen verlief durch beide Materialien. Es wurde festgestellt, dass die Scherfestigkeit der seriell aufgebauten Proben geringfügig höher, als die des Bodens mit der niedrigeren Scherfestigkeit ist. Die Scherfestigkeit der parallel aufgebauten Proben liegt zwischen den beiden Ausgangsmaterialien. Danach wurde das Verhalten der künstlich erzeugten klumpigen Böden mit zufällig verteiltem Füllmaterial mit Hilfe der Finiten Elemente Methode verglichen. Die Simulationen zeigten, dass unter einer isotropen Kompressionsbelastung das Spannungsverhältnis, definiert aus dem Verhältnis der Spannung des Volumendurchschnitts zwischen den Klumpen und dem Füllmaterial, deutlich durch die Volumenanteile und die Vorkonsoliderungsspannung der Klumpen beeinflusst wird. Während das Volumenverhältnis eine untergeordnete Rolle in den in Triaxialzellen unter Scherung belasteten Proben spielt. Aus den Simulationsergebnissen und den Laborversuchen der beiden Grundkonfigurationen wurde ein Homogenisierungsgesetz abgeleitet, welches die Sekandensteifigkeiten verwendet. Das Kompressionsverhalten der Mischungen aus Klumpen und Füllmaterial wurde mit Blick auf die Homogenisierung analysiert. Zunächst kann das Volumen der Mischungen in 4 individuelle Komponentenanteile zerlegt werden. Die Makroporosität zwischen den Klumpen wurde zur Entwicklung der Volumenanteile des Füllmaterials eingeführt. Sie wurde als eine Funktion der totalen Porosität und der Materialien formuliert. Auf Grundlage einer theoretischen Analyse an klumpigen Böden und unter Zuhilfenahme einer numerischen Methode wird ein Gesetz zur Homogenisierung vorgeschlagen. Dieses enthält eine Beziehung zwischen der Tagentensteifigkeit der Klumpen und seinem Füllmaterial. Abschliessend wird ein einfaches Kompressionsmodel für die Mischung aus Klumpen und Füllmaterial vorgeschlagen, welches den Einfluss der Bodenstruktur und der Änderung des Volumenanteils des Füllmaterials berücksichtigt. Darüber hinaus wurde eine allgemeine Formulierung für das Konsolidationsverhalten der klumpigen Böden mit Füllmaterial vorgeschlagen, welche sich auf das Konzept der doppelten Porosität (Klumpen und Füllmaterial) und eine Homogenisierungstheoerie bezieht. Um das Verhalten der Klumpen bei niedrigen Spannungen zu beschreiben, wird eine neue Grenzbedingung unter Zuhilfenahme der äquivalenten Hvorslev-Spannung und des Criticial State Konzeptes vorgeschlagen. Der Struktureffekt für sensitive Böden wurde in die nichtlineare Hvorslev-Oberfläche eingebaut. Das allgemein gültige Cam-Clay-Model von McDowell und Hau (2003) wurde um die nasse Seite des Critical State Konzeptes erweitert. Eine Sekandensteifigkeit, definiert aus dem Verhältnis zwischen der Deviatorspannung und der Deviatordehnung, wurde für das Homogenisieurungsgesetz ebenfalls verwendet. Abschliessend wird ein Modell für natürliche klumpige Böden vorgestellt, welches auch eine Homogenisierung beinhaltet. Die physikalischen Eigenschaften, das Kompressionsverhalten und die undrainierten Scherfestigkeiten von aufbereiten Tongemischen wurden im Labor unter Herstellung künstlicher Bödengemische untersucht. Anschliessend wurde ein Kompressions- und Schermodell für aufbereitete Tongemische vorgeschlagen. Das Modell der Scherfestigkeit der Tongemische entstand aus der Vereinfachung der Tongemischstruktur, in welcher die Elemente der Ausgangsmaterialien zufällig in dem Einheitsvolumen verteilt sind. Werden Wassergehaltsverhältnisse (das Verhältnis der Wassergehalte der Ausgangsmaterialien) definiert, kann die undrainierte Scherfestigkeit für alle Bestandteile separat geschätzt werden und dannüber die Volumenanteile bestimmt werden. Ein Homogenisierungsgesetz wurde auf Grundlage der theoretischen Analyse von zufällig angeordneten Strukturen entwickelt. Ein einfaches Kompressionsmodell, welches N-Ausgangsmaterielien bzw. Tone und eine Homogenisierung enthält, wird vorgeschlagen, und an einer Mischung aus 2 Bestandteilen im Labor validiert.

The aim of this research work is to deepen the understanding of joint shear behavior under different boundary conditions. For this purpose, joint closure tests under quasi-static and dynamic conditions, direct shear and cyclic shear tests under CNL and DNL boundary conditions of plane joints are performed using GS-1000 big shear box device. The dissertation also presents the procedure to simulate the shear box device and simulating the behavior of plane joints at the micro-scale using FLAC3D. Special attention has been given to understand the influencing factors of the normal stress level, direct shear rate, horizontal cyclic shear frequency, normal impact frequency, horizontal cyclic shear displacement amplitude and vertical impact force amplitude. Lab test and numerical simulation results show that the quasi-static joint stiffness increases with increasing normal force. Dynamic joint stiffness decreases with increasing superimposed normal force amplitudes. Normal impact frequencies have little influence on the joint stiffness. Rotations and stress changes at the plane joint during shearing are proven. Rotations and development of stress gradients can be decreased significantly by increasing the size of the bottom specimen and applying a shear velocity at the upper shear box and normal loading piston. Furthermore, peak shear force increases with increasing normal force. Friction angle of cyclic shear tests is smaller than that of direct shear tests. Moreover, significant time shifts between normal and shear force (shear force delay), normal force and friction coefficient (friction coefficient delay) during direct shear tests under DNL boundary conditions are observed and the reference quantity ‘shear-velocity-normal-impact-frequency’ (SV-NIF) to describe the behavior under DNL boundary conditions is defined. Peak shear force and minimum friction coefficient increase with increasing SV-NIF. Relative time shift between normal force and shear force decreases with increase of SV-NIF. The mechanical behavior of the GS-1000 big shear box device is simulated and the loss of normal force caused by the tilting of the loading plate is quantified. Finally, the novel direct and cyclic shear strength criterions under DNL conditions are put forward. The shear strength criterions are in close agreement with the measured values, which indicates that the novel shear strength criterions are able to predict the shear strength under DNL conditions.

Braunkohle ist aktuell immer noch ein wichtiger Rohstoff für die Energieversorgung in Deutschland. Ein großes Abbaugebiet befindet sich in Nordrhein-Westfalen. Im sogenannten rheinischen Braunkohlenrevier liegen mächtige Braunkohleflöze, welche seit einigen Jahrzehnten im Tagebaubetrieb abgebaut werden. Allerdings fallen auch große Mengen an Abraum (die Deckschichten über der Braunkohle) an, welche meist auf der, dem Abbauort, gegenüberliegenden Seite, wieder verkippt werden. Dort bilden die verkippten Massen eine Böschung, die im Fall des Tagebaus Hambach ein Böschungssystem mit über 400m Höhe erreicht hat. Diese sich ständig verändernden Böschungen müssen, wie alle hohen Böschungen, durch Fachpersonal auf ihre Standsicherheit überprüft werden. Für diese Standsicherheitsberechnungen bedarf es Kennwerte, u. a. die undrainierte Scherfestigkeit für die Nachweise der kurzfristigen Standsicherheit, für die vorliegenden verkippten Böden. Diese liegen nach der Verkippung meist heterogen vor und verändern durch eine fortschreitende Konsolidation ihren Zustand. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Bestimmung des Kennwertes der undrainierten Scherfestigkeit in fein- und gemischtkörnigen Böden. Dazu werden zunächst die Klassifikations- und Zustandseigenschaften während der Verkippung der Böden für die in den Tagebauen Inden und Hambach verwendeten Materialklassen vorgestellt. Dabei wird auch auf die Besonderheiten der Böden im Tagebau, wie z.B. die Zustandsänderung während des Transportes oder die vorliegende Heterogenität, eingegangen. Es werden analytische und numerische Prognosemodelle zur Bestimmung der undrainierten Scherfestigkeit vorgestellt. Die Grundlage dieser Modelle bilden die Konsolidationstheorien, mit welchen sich die Zustandsvariablen, wie die Porenzahl oder die effektive Spannungen, berechnen lassen. Über verfügbare Stoffmodelle, wie z.B. das hypoplastische Modell nach Mašín können anhand der Zustandsvariablen die undrainierten Scherfestigkeiten abgeleitet werden. Mit den in dieser Arbeit verwendeten Modellen lassen sich undrainierte Scherfestigkeitskennwerte zu verschiedenen Zeitpunkten prognostizieren, mit denen wiederum z.B. Standsicherheitsberechnungen von Böschungen durchgeführt werden können. Die statistischen Auswertungen der Klassifikationseigenschaften und Zustände erlauben eine Beurteilung von im Tagebaubetrieb häufig verwendeten Kennwerten (z.B. Fließgrenze oder Wassergehalt) und deren Streubreiten innerhalb der Materialklassen. / Lignite was and still is an essential source for producing energy in Germany. One huge extraction site is located in North-Rhine-Westphalia (in between Mönchengladbach, Cologne and Aachen). The so called Rhenish lignite district contains very thick lignite deposits, which are mined in open pit mines since a few decades. There are huge overburdens (on top on the lignite) which are transported and dumped on the opposite to the excavation side. The dumped soil masses create slope systems, that can amount to 400m of height (in open pit mine Hambach). These large slopes undergo permanent changes and have to be assessed considering their safety and stability by specialists. Characteristic properties regarding shear strength of the heterogeneous fine- and mixed grained soils are required for such calculations. The main challenge is the description of the state of the soil, as it is permanently changing due to consolidation. One essential characteristic is the undrained shear strength. The main focus of this thesis is the determination of the undrained shear strength. Therefore, the soil properties are determined with classification tests and the state of the soils at the time of dumping is assessed. The results are categorised using the material classes of the open pit mines Inden and Hambach. The particularities of dumped soils in open pit mines are shown, for instance the change of state during transport or the heterogeneity. Moreover, analytical and numerical models are employed to predict the undrained shear strength. The basis of all these models are consolidation theories, which are applied to determine the state variables such as void ratio and effective stresses. The undrained shear strength can then be predicted by using constitutive models such as the hypoplastic model for clays according Mašín. Using the approach presented in this thesis the undrained shear strength can be predicted and employed for example for slope stability analyses. The statistic evaluation of the soil properties allows a review of the soil characteristics that are typically employed in open pit mining. Furthermore, the scattering of properties of the material classes in the open pit mines can be assessed.

Das Ziel dieser Arbeit besteht in der Erforschung des Zusammenhangs zwischen der Struktur der Metalloberfläche und der Verbundfestigkeit von thermisch gefügten Thermoplast-Metall-Verbunden. Dazu wird für die Haftungsmechanismen Stoff-, Kraft- und Formschluss an einem Minimalbeispiel rechnerisch gezeigt, dass verschiedene Oberflächenmerkmale (wahre Oberfläche, Strukturdichte, Aspektverhältnis, Hinterschnitte, Substrukturen) mit der Verbundfestigkeit in Verbindung stehen. Basierend darauf werden Oberflächenkenngrößen (standardisierte Rauheitsparameter, fraktale Dimension) gewählt, die die haftungsfördernden Strukturmerkmale möglichst umfassend einbeziehen. Daraus werden Hypothesen abgeleitet, die die Prognostizierbarkeit der Verbundfestigkeit aus Oberflächenkenngrößen für Thermoplast-Metall-Verbunde postulieren. Die experimentelle Überprüfung erfolgt an Aluminium im Verbund mit Polyamid 6 bzw. Polypropylen in Rohrtorsions-, Rohrzug- sowie Zugscherversuchen. Die Einstellung der Oberflächenstruktur des Aluminiums erfolgt durch mechanisches Strahlen, alkalisches Ätzen, thermisches Spritzen sowie Laserstrukturieren. Die Erfassung der Oberflächenstruktur erfolgt taktil sowie aus Querschliffaufnahmen. Die Höhe der Verbundfestigkeit kann anhand der Oberflächenstruktur erklärt und teilweise mit hoher Korrelation quantitativ in Verbindung gebracht werden. Bei taktiler Messung verhindert jedoch eine unzureichende Erfassung bestimmter Strukturmerkmale eine exakte Abbildung der tatsächlichen Oberflächenstruktur. Bei der Erfassung der Oberflächenstruktur aus Querschliffaufnahmen stellt die erreichbare Bildauflösung und -qualität einen limitierenden Faktor dar. Ebenso können aus der Oberflächenstruktur keine individuellen, strukturspezifischen Versagensmechanismen abgeleitet werden.:Inhaltsverzeichnis 5 Abbildungsverzeichnis 9 Tabellenverzeichnis 14 Abkürzungsverzeichnis 16 Symbolverzeichnis 17 1 Motivation 20 2 Stand der Wissenschaft und Technik 22 2.1 Verwendete Begriffe 22 2.2 Verbundwerkstoffe und Werkstoffverbunde 22 2.2.1 Faser-Kunststoff-Verbunde 24 2.2.2 Polymer-Metall-Verbunde 25 2.3 Fügen von Polymer-Metall-Verbunden 27 2.3.1 In-Mold Assembly 28 2.3.2 Kleben 28 2.3.3 Montage 29 2.3.4 Thermisches Fügen 31 2.4 Prüfung der Verbundfestigkeit 34 2.4.1 Prüfkörpergeometrien 34 2.4.2 Beständigkeit gegen Umwelteinflüsse 36 2.5 Verfahren zur Vorbehandlung der Metalloberfläche 38 2.5.1 Mechanisches Strahlen 39 2.5.2 Laserstrukturieren 40 2.5.3 Chemische und elektrochemische Verfahren 43 2.5.4 Beschichten 43 2.5.5 Weitere Verfahren 44 3 Zusammenhang zwischen Oberflächenstruktur und Verbundfestigkeit 46 3.1 Haftungsmechanismen 47 3.1.1 Stoffschluss 48 3.1.2 Kraftschluss 50 3.1.3 Formschluss 51 3.1.4 Skalenabhängigkeit 53 3.1.5 Eigenspannungen 54 3.1.6 Folgerungen 54 3.2 Charakterisierung der Oberflächenstruktur und Korrelation mit der Verbundfestigkeit 55 3.2.1 Standardisierte Rauheitsparameter 56 3.2.2 Fraktale Dimension 58 3.2.3 Anwendungsbeispiel 59 4 Zielstellung 62 4.1 Folgerungen aus dem Stand der Wissenschaft und Technik 62 4.2 Forschungshypothesen 63 5 Experimentelle Vorgehensweise 64 5.1 Charakterisierung der Ausgangswerkstoffe 64 5.2 Vorbehandlung der Metalloberflächen 67 5.2.1 Mechanisches Strahlen und alkalisches Ätzen 67 5.2.2 Thermisches Spritzen 68 5.2.3 Laserstrukturieren 68 5.3 Charakterisierung der Oberflächenstruktur 69 5.4 Mechanische Verbundprüfung 71 5.5 Verwendeter Fügeprozess 73 5.6 Statistische Betrachtung 75 6 Ergebnisse und Diskussion 77 6.1 Verbundfestigkeit in Abhängigkeit von der Oberflächenvorbehandlung 77 6.1.1 Rohrproben 77 6.1.1.1 Oberflächencharakteristika und Benetzung 77 6.1.1.2 Verbundfestigkeit und Korrelation mit Oberflächenkennwerten 81 6.1.1.3 Bruchflächenanalyse 85 6.1.2 Zugscherproben 90 6.1.2.1 Oberflächencharakteristika und Benetzung 90 6.1.2.2 Verbundfestigkeit und Korrelation mit den Oberflächenkennwerten 91 6.1.2.3 Bruchflächenanalyse 93 6.1.3 Ergebnisdiskussion 95 6.2 Verbundfestigkeit in Abhängigkeit von der Skalierung 97 6.2.1 Oberflächencharakteristika und Benetzung 97 6.2.2 Verbundfestigkeit und Korrelation mit Oberflächenkennwerten 102 6.2.3 Bruchflächenanalyse 102 6.2.4 Ergebnissdiskussion 106 7 Zusammenfassung und Folgerungen 108 8 Ausblick 112 Literaturverzeichnis 115 Anhang 129 / The aim of this work is to investigate the relationship between the structure of the metal surface and the compound strength of thermally joined thermoplastic-metal compounds. For this purpose, equations are derived for the adhesion mechanisms of material, force and form closure using a minimal example, which link various surface characteristics (true surface, structure density, aspect ratio, undercuts, substructures) with the compound strength. Based on this, surface parameters (standardized roughness parameters, fractal dimension) are chosen that incorporate the adhesion-promoting structural features as comprehensively as possible. From this, hypotheses are derived that postulate the predictability of compound strength from surface parameters for thermoplastic-metal composites. Experimental verification is carried out on aluminum in compounds with polyamide 6 or polypropylene in hollow cylinder torsion tests, hollow cylinder tensile tests as well as tensile shear tests. The surface of the aluminum is structured by mechanical blasting, alkaline etching, thermal spraying and laser structuring. The surface structure is recorded tactilely and from transverse micrographs. The height of the compound strength can be explained on the basis of surface structure and, in part, quantitatively related with high correlation. However, in the case of tactile measurement, nondetection of certain structural features prevents accurate mapping of the actual surface structure. When recording the surface structure from cross-section images, the achievable image resolution and quality is the limiting factor. Likewise, no individual, structure-specific failure mechanisms can be derived from the surface structure.:Inhaltsverzeichnis 5 Abbildungsverzeichnis 9 Tabellenverzeichnis 14 Abkürzungsverzeichnis 16 Symbolverzeichnis 17 1 Motivation 20 2 Stand der Wissenschaft und Technik 22 2.1 Verwendete Begriffe 22 2.2 Verbundwerkstoffe und Werkstoffverbunde 22 2.2.1 Faser-Kunststoff-Verbunde 24 2.2.2 Polymer-Metall-Verbunde 25 2.3 Fügen von Polymer-Metall-Verbunden 27 2.3.1 In-Mold Assembly 28 2.3.2 Kleben 28 2.3.3 Montage 29 2.3.4 Thermisches Fügen 31 2.4 Prüfung der Verbundfestigkeit 34 2.4.1 Prüfkörpergeometrien 34 2.4.2 Beständigkeit gegen Umwelteinflüsse 36 2.5 Verfahren zur Vorbehandlung der Metalloberfläche 38 2.5.1 Mechanisches Strahlen 39 2.5.2 Laserstrukturieren 40 2.5.3 Chemische und elektrochemische Verfahren 43 2.5.4 Beschichten 43 2.5.5 Weitere Verfahren 44 3 Zusammenhang zwischen Oberflächenstruktur und Verbundfestigkeit 46 3.1 Haftungsmechanismen 47 3.1.1 Stoffschluss 48 3.1.2 Kraftschluss 50 3.1.3 Formschluss 51 3.1.4 Skalenabhängigkeit 53 3.1.5 Eigenspannungen 54 3.1.6 Folgerungen 54 3.2 Charakterisierung der Oberflächenstruktur und Korrelation mit der Verbundfestigkeit 55 3.2.1 Standardisierte Rauheitsparameter 56 3.2.2 Fraktale Dimension 58 3.2.3 Anwendungsbeispiel 59 4 Zielstellung 62 4.1 Folgerungen aus dem Stand der Wissenschaft und Technik 62 4.2 Forschungshypothesen 63 5 Experimentelle Vorgehensweise 64 5.1 Charakterisierung der Ausgangswerkstoffe 64 5.2 Vorbehandlung der Metalloberflächen 67 5.2.1 Mechanisches Strahlen und alkalisches Ätzen 67 5.2.2 Thermisches Spritzen 68 5.2.3 Laserstrukturieren 68 5.3 Charakterisierung der Oberflächenstruktur 69 5.4 Mechanische Verbundprüfung 71 5.5 Verwendeter Fügeprozess 73 5.6 Statistische Betrachtung 75 6 Ergebnisse und Diskussion 77 6.1 Verbundfestigkeit in Abhängigkeit von der Oberflächenvorbehandlung 77 6.1.1 Rohrproben 77 6.1.1.1 Oberflächencharakteristika und Benetzung 77 6.1.1.2 Verbundfestigkeit und Korrelation mit Oberflächenkennwerten 81 6.1.1.3 Bruchflächenanalyse 85 6.1.2 Zugscherproben 90 6.1.2.1 Oberflächencharakteristika und Benetzung 90 6.1.2.2 Verbundfestigkeit und Korrelation mit den Oberflächenkennwerten 91 6.1.2.3 Bruchflächenanalyse 93 6.1.3 Ergebnisdiskussion 95 6.2 Verbundfestigkeit in Abhängigkeit von der Skalierung 97 6.2.1 Oberflächencharakteristika und Benetzung 97 6.2.2 Verbundfestigkeit und Korrelation mit Oberflächenkennwerten 102 6.2.3 Bruchflächenanalyse 102 6.2.4 Ergebnissdiskussion 106 7 Zusammenfassung und Folgerungen 108 8 Ausblick 112 Literaturverzeichnis 115 Anhang 129