Tobias Dürig

• Understanding the mechanisms of fragmentation within silicate melts is of great interest not only for material science, but also for volcanology, particularly regarding molten fuel coolant-interactions (MFCIs). Therefore edge-on hammer impact experiments (HIEs) have been carried out in order to analyze the fracture dynamics in well defined targets by applying a Cranz-Schardin highspeed camera technique. This thesis presents the corresponding results and provides a thorough insight into the dynamics of fragmentation, particularly focussing onUnderstanding the mechanisms of fragmentation within silicate melts is of great interest not only for material science, but also for volcanology, particularly regarding molten fuel coolant-interactions (MFCIs). Therefore edge-on hammer impact experiments (HIEs) have been carried out in order to analyze the fracture dynamics in well defined targets by applying a Cranz-Schardin highspeed camera technique. This thesis presents the corresponding results and provides a thorough insight into the dynamics of fragmentation, particularly focussing on the processes of energy dissipation. In HIEs two main classes of cracks can be identified, characterized by completely different fracture mechanisms: Shock wave induced “damage cracks” and “normal cracks”, which are exclusively caused by shear-stresses. This dual fracture situation is taken into account by introducing a new concept, according to which the crack class-specific fracture energies are linearly correlated with the corresponding fracture areas. The respective proportionality constants - denoted “fracture surface energy densities” (FSEDs) - have been quantified for all studied targets under various constraints. By analyzing the corresponding high speed image sequences and introducing useful dynamic parameters it has been possible to specify and describe in detail the evolution of fractures and, moreover, to quantify the energy dissipation rates during the fragmentation. Additionally, comprehensive multivariate statistical analyses have been carried out which have revealed general dependencies of all relevant fracture parameters as well as characteristics of the resulting particles. As a result, an important principle of fracture dynamics has been found, referred to as the “local anisotropy effect”: According to this principle, the fracture dynamics in a material is significantly affected by the location of directed stresses. High local stress gradients cause a more stable crack propagation and consequently a reduction of the energy dissipation rates. As a final step, this thesis focusses on the volcanological conclusions which can be drawn on the basis of the presented HIE results. Therefore fragments stemming from HIEs have been compared with natural and experimental volcanic ash particles of basaltic Grimsvötn and rhyolitic Tepexitl melts. The results of these comparative particle analyses substantiate HIEs to be a very suitable method for reproducing the MFCI loading conditions in silicate melts and prove the FSED concept to be a model which is well transferable to volcanic fragmentation processes.…
• Forschungen mit dem Ziel die Abhängigkeiten und Mechanismen von Bruchprozessen in amorphen silikatischen Materialien exakt verstehen zu lernen, sind nicht nur in den Materialwissenschaften, sondern darüber hinaus auch in der Vulkanologie von größter Bedeutung, vor allem auch im Hinblick auf thermohydraulische Schmelze-Wasser-Wechselwirkungen (sog. "molten fuel coolant-interactions", MFCIs). Aus diesem Grund wurden Hammerschlagexperimente (HIEs) durchgeführt, um unter Verwendung einer Cranz-Schardin Funkenzeitlupe die Bruchdynamiken in exaktForschungen mit dem Ziel die Abhängigkeiten und Mechanismen von Bruchprozessen in amorphen silikatischen Materialien exakt verstehen zu lernen, sind nicht nur in den Materialwissenschaften, sondern darüber hinaus auch in der Vulkanologie von größter Bedeutung, vor allem auch im Hinblick auf thermohydraulische Schmelze-Wasser-Wechselwirkungen (sog. "molten fuel coolant-interactions", MFCIs). Aus diesem Grund wurden Hammerschlagexperimente (HIEs) durchgeführt, um unter Verwendung einer Cranz-Schardin Funkenzeitlupe die Bruchdynamiken in exakt definierten Versuchsmaterialien zu analysieren. Die vorliegende Arbeit stellt die Ergebnisse dieser Versuchsreihen vor und beleuchtet detailliert die zeitlichen Abläufe während der Fragmentation, wobei sie ihr Hauptaugenmerk besonders auf die energetischen Dissipationsprozesse beim Rissfortschritt richtet. In den HIEs können zwei Hauptklassen von Rissen identifiziert werden, welche durch vollkommen unterschiedliche Rissmechanismen gekennzeichnet sind: Stoßwelleninduzierte "Schadensrisse" ("damage cracks") und "Normalrisse" ("normal cracks"), welche ihre Ursachen ausschließlich in Scherspannungen haben. Diesem parallelen Vorhandensein beider Rissklassen wurde mit einem neu entwickelten Konzept Rechnung getragen: Ihm zufolge sind die rissklassenspezifischen Bruchenergien direkt proportional zur jeweiligen Bruchfläche, wobei die entsprechenden Proportionalitätskonstanten als Bruchflächenenergiedichten ("fracture surface energy densities", FSEDs) bezeichnet werden. Ihre Werte wurden für alle untersuchten Targets unter verschiedenen, genau definierten Randbedingungen ermittelt. Die Auswertungen der Zeitlupenaufnahmen und die Einführung neuer bruchdynamischer Parameter ermöglichten nicht nur eine detaillierte Beschreibung der Rissentwicklung im Target, sondern darüber hinaus auch quantitative Aussagen zur Dynamik der Bruchenergiedissipationsraten. Mit Hilfe umfassender multivariater statistischer Analysen war es zudem möglich, die allgemeinen Abhängigkeiten aller relevanten Bruchparameter sowie die Einflüsse auf die kennzeichnenden Merkmale der bei der Fragmentation erzeugten Partikel herauszufinden. Auf diese Weise konnte ein wichtiges Prinzip der Bruchdynamik nachgewiesen werden, das in dieser Arbeit als "lokaler Anisotropieeffekt" (“local anisotropy effect”) bezeichnet wird. Diesem Prinzip zufolge wird die Bruchdynamik in einem Material signifikant durch die Lage von gerichteten Spannungen beeinflusst: Hohe örtliche Spannungsgradienten senkrecht zur Bewegungsrichtung des Risses bewirken eine stabilere Rissausbreitung und damit eine Verringerung der Energiedissipationsraten. In einem letzten Schritt beschäftigt sich die vorliegende Arbeit mit der Frage, welche vulkanologischen Schlussfolgerungen man aus den vorgestellten Versuchsergebnissen ziehen kann. Dazu wurden die erzeugten HIE-Fragmente mit natürlichen und experimentellen vulkanischen Aschen verglichen, welche von rhyolitischen Tepexitl- und basaltischen Grimsvötn-Schmelzen entstammten. Auf Grundlage dieser Partikelvergleiche konnte gezeigt werden, dass die Hammerschlagsversuche eine geeignete Methode darstellen, um genau jene Belastungsbedingungen zu reproduzieren, welchen Magmen während eines MFCI ausgesetzt sind. Zudem wurde damit der Nachweis erbracht, dass das in dieser Arbeit vorgestellte FSED-Konzept sich adäquat auf vulkanische Fragmentationsprozesse übertragen lässt.…