TY - THES A1 - Cheng, Chaojie T1 - Transient permeability in porous and fractured sandstones mediated by fluid-rock interactions T1 - Permeabilitätsveränderungen in porösen und geklüfteten Sandsteinen als Folge von Fluid-Gesteins-Wechselwirkungen N2 - Understanding the fluid transport properties of subsurface rocks is essential for a large number of geotechnical applications, such as hydrocarbon (oil/gas) exploitation, geological storage (CO2/fluids), and geothermal reservoir utilization. To date, the hydromechanically-dependent fluid flow patterns in porous media and single macroscopic rock fractures have received numerous investigations and are relatively well understood. In contrast, fluid-rock interactions, which may permanently affect rock permeability by reshaping the structure and changing connectivity of pore throats or fracture apertures, need to be further elaborated. This is of significant importance for improving the knowledge of the long-term evolution of rock transport properties and evaluating a reservoir’ sustainability. The thesis focuses on geothermal energy utilization, e.g., seasonal heat storage in aquifers and enhanced geothermal systems, where single fluid flow in porous rocks and rock fracture networks under various pressure and temperature conditions dominates. In this experimental study, outcrop samples (i.e., Flechtinger sandstone, an illite-bearing Lower Permian rock, and Fontainebleau sandstone, consisting of pure quartz) were used for flow-through experiments under simulated hydrothermal conditions. The themes of the thesis are (1) the investigation of clay particle migration in intact Flechtinger sandstone and the coincident permeability damage upon cyclic temperature and fluid salinity variations; (2) the determination of hydro-mechanical properties of self-propping fractures in Flechtinger and Fontainebleau sandstones with different fracture features and contrasting mechanical properties; and (3) the investigation of the time-dependent fracture aperture evolution of Fontainebleau sandstone induced by fluid-rock interactions (i.e., predominantly pressure solution). Overall, the thesis aims to unravel the mechanisms of the instantaneous reduction (i.e., direct responses to thermo-hydro-mechanical-chemical (THMC) conditions) and progressively-cumulative changes (i.e., time-dependence) of rock transport properties. Permeability of intact Flechtinger sandstone samples was measured under each constant condition, where temperature (room temperature up to 145 °C) and fluid salinity (NaCl: 0 ~ 2 mol/l) were stepwise changed. Mercury intrusion porosimetry (MIP), electron microprobe analysis (EMPA), and scanning electron microscopy (SEM) were performed to investigate the changes of local porosity, microstructures, and clay element contents before and after the experiments. The results indicate that the permeability of illite-bearing Flechtinger sandstones will be impaired by heating and exposure to low salinity pore fluids. The chemically induced permeability variations prove to be path-dependent concerning the applied succession of fluid salinity changes. The permeability decay induced by a temperature increase and a fluid salinity reduction operates by relatively independent mechanisms, i.e., thermo-mechanical and thermo-chemical effects. Further, the hydro-mechanical investigations of single macroscopic fractures (aligned, mismatched tensile fractures, and smooth saw-cut fractures) illustrate that a relative fracture wall offset could significantly increase fracture aperture and permeability, but the degree of increase depends on fracture surface roughness. X-ray computed tomography (CT) demonstrates that the contact area ratio after the pressure cycles is inversely correlated to the fracture offset. Moreover, rock mechanical properties, determining the strength of contact asperities, are crucial so that relatively harder rock (i.e., Fontainebleau sandstone) would have a higher self-propping potential for sustainable permeability during pressurization. This implies that self-propping rough fractures with a sufficient displacement are efficient pathways for fluid flow if the rock matrix is mechanically strong. Finally, two long-term flow-through experiments with Fontainebleau sandstone samples containing single fractures were conducted with an intermittent flow (~140 days) and continuous flow (~120 days), respectively. Permeability and fluid element concentrations were measured throughout the experiments. Permeability reduction occurred at the beginning stage when the stress was applied, while it converged at later stages, even under stressed conditions. Fluid chemistry and microstructure observations demonstrate that pressure solution governs the long-term fracture aperture deformation, with remarkable effects of the pore fluid (Si) concentration and the structure of contact grain boundaries. The retardation and the cessation of rock fracture deformation are mainly induced by the contact stress decrease due to contact area enlargement and a dissolved mass accumulation within the contact boundaries. This work implies that fracture closure under constant (pressure/stress and temperature) conditions is likely a spontaneous process, especially at the beginning stage after pressurization when the contact area is relatively small. In contrast, a contact area growth yields changes of fracture closure behavior due to the evolution of contact boundaries and concurrent changes in their diffusive properties. Fracture aperture and thus permeability will likely be sustainable in the long term if no other processes (e.g., mineral precipitations in the open void space) occur. N2 - Die Kenntnis von Gesteinstransporteigenschaften und das Verständnis ihrer zeitlichen Veränderungen sind für eine Vielzahl von geotechnischen Anwendungen von herausragender Bedeutung. Als Beispiele seien genannt: die Gewinnung von Kohlenwasserstoffen (Öl/Gas), die stoffliche geologische Speicherung (CO2/Fluide) und die geothermische Energiegewinnung. Die hydromechanischen Strömungseigenschaften von Fluiden in porösen Gesteinen und solchen mit einzelnen, makroskopischen Rissen sind mittlerweile vergleichsweise gut verstanden. Im Gegensatz dazu besteht im Hinblick auf Fluid-Gesteins-Wechselwirkungen, welche durch eine Veränderung der Struktur und Verbundenheit des Porenraums bzw. der Rissöffnungsweiten die Gesteinspermeabilität permanent beeinflussen können, entscheidender Forschungsbedarf. Dies ist insbesondere für eine verbesserte Kenntnis der langzeitlichen Entwicklung der (hydraulischen) Gesteinstransporteigenschaften sowie eine Evaluierung der Nachhaltigkeit einer Nutzung geologischer Reservoire von großer Bedeutung und Gegenstand der vorliegenden Dissertation. Anwendungsaspekt dieser Arbeit ist insbesondere die geothermische Technologieentwicklung, d.h. die saisonale Wärmespeicherung in Aquiferen sowie sogenannte „Enhanced Geothermal Systems“, in der die Nutzung einphasiger Fluide in porösen Gesteinen bzw. Rissnetzwerken im Vordergrund steht. In dieser experimentellen Arbeit wurden mit Gesteinsproben aus Aufschlüssen (unterpermischer, illitreicher Flechtinger Sandstein sowie quarzreicher Fontainebleau Sandstein) Durchflussexperimente bei simulierten hydrothermalen Reservoirbedingungen durchgeführt. Themenschwerpunkte der Dissertation sind hierbei (1) die Untersuchung einer Tonpartikelmigration in intakten Proben des Flechtinger Sandsteins und eine damit verbundene Permeabilitätsschädigung durch zyklische Temperaturveränderungen sowie Variationen der Fluidsalinität, (2) die Bestimmung der hydromechanischen Eigenschaften selbststützender Risse in Flechtinger und Fontainbleau Sandsteinen mit unterschiedlichen Rissmorphologien und mechanischen Kennwerten und (3) die Untersuchung einer zeitlichen Veränderung der Rissöffnungsweiten in Fontainebleau Sandstein, welche durch Fluid-Gesteins-Wechselwirkungen (insbesondere Drucklösung) induziert wird. Zusammenfassend hat diese Dissertation zum Ziel, die Mechanismen sowohl unmittelbarer als auch zeitabhängiger, durch veränderte thermisch-hydraulisch-mechanisch-chemische Bedingungen hervorgerufene, Veränderungen von Gesteinstransporteigenschaften herauszuarbeiten. Die Permeabilität intakter Proben Flechtinger Sandsteins wurde systematisch bei stufenweise veränderten Temperaturen (von Raumtemperatur bis 145 °C) und Fluidsalinitäten (NaCl: 0 ~ 2 mol/l) gemessen. Quecksilberporosimetrie, Elektronenstrahlmikroanalyse und Rasterelektronenmikroskopie wurden angewandt, um Veränderungen der lokalen Porosität, der Gesteinsmikrostruktur sowie des Tongehalts nach Abschluss des Experiments im Vergleich zum Ausgangszustand zu bestimmen. Es zeigte sich, dass die Permeabilität des illitreichen Flechtinger Sandsteins durch eine Temperaturerhöhung sowie eine Verringerung der Salinität des Porenfluids geschädigt wird. Die chemisch induzierten Permeabilitätsveränderungen sind pfadabhängig von der Abfolge der Salinitätsveränderungen. Die Mechanismen einer durch Temperaturerhöhung oder Salinitätsreduktion induzierten Permeabilitätsschädigung arbeiten hierbei weitestgehend unabhängig voneinander, als thermo-mechanische bzw. thermo-chemische Prozesse. Die hydromechanischen Untersuchungen an makroskopischen Einzelrissen (Scherrisse ohne und mit Versatz sowie gesägte Proben) zeigen, dass ein relativer Versatz der beiden Rissflächen eine erhebliche Erhöhung der Rissöffnungsweite und damit der Gesteinspermeabilität bewirken kann, deren Grad aber stark von der Oberflächenrauigkeit abhängt. Computertomographische Aufnahmen des Gesteins zeigen, dass das Kontaktflächenverhältnis nach den erfolgten Druckzyklen invers mit dem Scherversatz korreliert. Darüber hinaus haben die mechanischen Eigenschaften des jeweiligen Gesteins, welche die Festigkeit der Kontaktpunkte innerhalb des Risses bestimmen, einen entscheidenden Einfluss auf die Selbststützungsfähigkeit des Risses bei einer Druckerhöhung. Diese ist damit (höhere Festigkeit) bei Fontainebleau Sandstein gegenüber Flechtinger Sandstein verbessert. Insgesamt stellen selbststützende raue Risse mit ausreichendem Scherversatz in einem Gestein hoher Festigkeit effiziente Fließwege für Geofluide dar. Die zwei Langzeitexperimente an geklüftetem Fontainebleau Sandstein wurden mit intermittierender (~140 Tage) bzw. kontinuierlicher (~120 Tage) Durchströmung durchgeführt und die Permeabilität des Gesteins sowie der Fluidchemismus über die Dauer des jeweiligen Experiments bestimmt. Eine Permeabilitätsreduktion war insbesondere am Anfang der Messung zu beobachten, nachdem die Spannung erstmalig auf das Gestein aufgebracht wurde, und nahm dann im weiteren Verlauf des Experiments progressiv ab. Fluidchemische und mikrostrukturelle Beobachtungen zeigen, dass Drucklösung die langzeitliche Deformation des Risses kontrolliert, wobei die Porenfluidkonzentration (Si) und die Mikrostruktur der Kontaktpunkte eine herausragende Rolle spielen. Die Verlangsamung bzw. das Abklingen der Rissdeformation werden insbesondere durch die Verringerung der Kontaktspannung aufgrund einer Kontaktflächenvergrößerung sowie die Anreicherung gelöster Spezies in den Kontakten bestimmt. Ergebnis dieser Arbeit ist auch die Erkenntnis, dass eine Rissschließung bei konstanten Druck/Spannungs- und Temperaturbedingungen sehr wahrscheinlich ein spontan ablaufender Prozess ist, insbesondere zu Beginn einer Druckbeaufschlagung, wenn die Kontaktfläche noch relativ klein ist. Eine Vergrößerung der Kontaktfläche führt zu einem veränderten Rissschließungsverhalten, da die Kontaktpunkte einer strukturellen Entwicklung unterworfen sind und sich damit ihre diffusiven Eigenschaften ändern. Über längere Zeiträume werden die Rissöffnungsweite und damit die Gesteinspermeabilität in einem geologischen Reservoir insbesondere dann nachhaltig sein, wenn keine zusätzlichen, entgegenwirkenden Prozesse (z.B. Mineralfällung innerhalb des Risses) in dem Gestein ablaufen. KW - permeability KW - rock fracture KW - fluid-rock interactions KW - pressure solution KW - sandstones KW - fluid flow KW - Fluidströmung KW - Fluid-Gesteinswechselwirkungen KW - Permeabilität KW - Riss KW - Sandstein KW - Drucklösungsprozesse Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-510124 ER - TY - THES A1 - Wolf, Julia T1 - Schadenserkennung in Beton durch Überwachung mit eingebetteten Ultraschallprüfköpfen T1 - Monitoring with embedded ultrasound sensors to detect damage in concrete N2 - Die zerstörungsfreien Prüfungen von Bauwerken mit Hilfe von Ultraschallmessverfahren haben in den letzten Jahren an Bedeutung gewonnen. Durch Ultraschallmessungen können die Geometrien von Bauteilen bestimmt sowie von außen nicht sichtbare Fehler wie Delaminationen und Kiesnester erkannt werden. Mit neuartigen, in das Betonbauteil eingebetteten Ultraschallprüfköpfen sollen nun Bauwerke dauerhaft auf Veränderungen überprüft werden. Dazu werden Ultraschallsignale direkt im Inneren eines Bauteils erzeugt, was die Möglichkeiten der herkömmlichen Methoden der Bauwerksüberwachung wesentlich erweitert. Ein Ultraschallverfahren könnte mit eingebetteten Prüfköpfen ein Betonbauteil kontinuierlich integral überwachen und damit auch stetig fortschreitende Gefügeänderungen, wie beispielsweise Mikrorisse, registrieren. Sicherheitsrelevante Bauteile, die nach dem Einbau für Messungen unzugänglich oder mittels Ultraschall, beispielsweise durch zusätzliche Beschichtungen der Oberfläche, nicht prüfbar sind, lassen sich mit eingebetteten Prüfköpfen überwachen. An bereits vorhandenen Bauwerken können die Ultraschallprüfköpfe mithilfe von Bohrlöchern und speziellem Verpressmörtel auch nachträglich in das Bauteil integriert werden. Für Fertigbauteile bieten sich eingebettete Prüfköpfe zur Herstellungskontrolle sowie zur Überwachung der Baudurchführung als Werkzeug der Qualitätssicherung an. Auch die schnelle Schadensanalyse eines Bauwerks nach Naturkatastrophen, wie beispielsweise einem Erdbeben oder einer Flut, ist denkbar. Durch die gute Ankopplung ermöglichen diese neuartigen Prüfköpfe den Einsatz von empfindlichen Auswertungsmethoden, wie die Kreuzkorrelation, die Coda-Wellen-Interferometrie oder die Amplitudenauswertung, für die Signalanalyse. Bei regelmäßigen Messungen können somit sich anbahnende Schäden eines Bauwerks frühzeitig erkannt werden. Da die Schädigung eines Bauwerks keine direkt messbare Größe darstellt, erfordert eine eindeutige Schadenserkennung in der Regel die Messung mehrerer physikalischer Größen die geeignet verknüpft werden. Physikalische Größen können sein: Ultraschalllaufzeit, Amplitude des Ultraschallsignals und Umgebungstemperatur. Dazu müssen Korrelationen zwischen dem Zustand des Bauwerks, den Umgebungsbedingungen und den Parametern des gemessenen Ultraschallsignals untersucht werden. In dieser Arbeit werden die neuartigen Prüfköpfe vorgestellt. Es wird beschrieben, dass sie sich, sowohl in bereits errichtete Betonbauwerke als auch in der Konstruktion befindliche, einbauen lassen. Experimentell wird gezeigt, dass die Prüfköpfe in mehreren Ebenen eingebettet sein können da ihre Abstrahlcharakteristik im Beton nahezu ungerichtet ist. Die Mittenfrequenz von rund 62 kHz ermöglicht Abstände, je nach Betonart und SRV, von mindestens 3 m zwischen Prüfköpfen die als Sender und Empfänger arbeiten. Die Empfindlichkeit der eingebetteten Prüfköpfe gegenüber Veränderungen im Beton wird an Hand von zwei Laborexperimenten gezeigt, einem Drei-Punkt-Biegeversuch und einem Versuch zur Erzeugung von Frost-Tau-Wechsel Schäden. Die Ergebnisse werden mit anderen zerstörungsfreien Prüfverfahren verglichen. Es zeigt sich, dass die Prüfköpfe durch die Anwendung empfindlicher Auswertemethoden, auftretende Risse im Beton detektieren, bevor diese eine Gefahr für das Bauwerk darstellen. Abschließend werden Beispiele von Installation der neuartigen Ultraschallprüfköpfe in realen Bauteilen, zwei Brücken und einem Fundament, gezeigt und basierend auf dort gewonnenen ersten Erfahrungen ein Konzept für die Umsetzung einer Langzeitüberwachung aufgestellt. N2 - The non-destructive testing of concrete structures with the ultrasound method has become increasingly important in recent years. With the ultrasound technique the geometry of concrete elements can be determined and defects can be detected which are not visible on the surface, such as delaminations and honeycombs. New ultrasound sensors were developed to monitor changes in concrete structures continuously and permanently. Those ultrasound sensors will be embedded into the concrete to transmit and receive ultrasound waves within the structure. This allows a new interpretation of the condition of a structure. The use of the embedded sensors expands the options of the traditional monitoring methods. The ultrasonic technique could monitor a voluminous part of a concrete structure continuously and integral with just a few strategically placed embedded ultrasound sensors and thus register small changes in the concretes texture. Vital parts of concrete structures which are inaccessible for the ultrasonic method after construction can be monitored with embedded sensors. Inaccessibility could be caused by a surface layered with a medium reflecting or absorbing the ultrasonic wave or by to much steel obstruct"-ing the waves path. The sensors can be embedded into existing structures using boreholes and grouting mortar or installed during construction and can thus serve as a tool for quality control. The quick damage evaluation of a construction after a natural disaster such as an earthquake or a flood, is conceivable as well. As the contact between the embedded sensors and the surrounding concrete is assumed as constant over a long time, highly sensitive signal evaluation tools, such as the cross correlation between signals, the Coda Wave Interferometry and the amplitude evaluation, can be used. Therefore, with regular measurements, damage in a construction can be detected at an early stage. But, the damage of a structure can not be measured directly. A distinct damage detection needs a quantity of measured parameters, such as time of flight and amplitude of the ultrasonic wave as well as temperature, which need to be linked to each other. To achieve this, correlations between the state of the concrete construction and those parameters of the measured ultrasonic signal must be investigated. In this work the newly developed ultrasound sensors are introduced. Their installation into a concrete structure is described. The sensors sensitivity to small changes in the concrete is investigated and compared to other Non Destructive Testing (NDT) methods. The highly sensitive signal evaluation tools proof to be particularly advantageous when using embedded sensors. Installations of embedded ultrasound sensors for long time monitoring of real constructions are presented. Based on the gained experience with those installations a concept is presented for the set up of a long time monitoring system. KW - Ultraschall KW - Beton KW - Überwachung KW - Prüfköpfe KW - Temperatur KW - Frost-Tau-Wechsel KW - Schaden KW - Riss KW - ultrasound KW - concrete KW - monitoring KW - sensors KW - temperature KW - Freeze-Thaw-Cycles KW - damage KW - crack Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-397363 ER -