Bestimmung und Messung physikalischer und technischer Parameter zur Beschreibung von Laufflächen in Milchviehställen

Abstract

Die Problematik der Haltbarkeit von Laufflächenbelägen insbesondere die Gewährleistung einer ausreichenden Rutschfestigkeit aber gleichzeitig nicht zu rauen Oberfläche ist so alt wie der Laufstall selbst. Allerdings fehlen bis heute objektive Kenngrößen und einheitliche Messmethoden zur Beurteilung von Laufflächeneigenschaften. Ein Ziel dieser Arbeit war es, sich bei der Gleitreibungsmessung am bestehenden Standard zur Prüfung der rutschhemmenden Eigenschaften von Industrie- und Werkstattböden zu orientieren und diesen mit entsprechenden Anpassungen hinsichtlich der Stalltauglichkeit, für die Prüfung von Laufflächen in Milchviehställen umzusetzen. Weiterhin sollten die Topografieeigenschaften der Laufflächen mit einem berührungslosen Messsystem erhoben, die bestehenden Kenngrößen zur Beschreibung der Rutschfestigkeit überprüft, bei Bedarf ergänzt sowie Zusammenhänge zwischen Oberflächeneigenschaften und Rutschfestigkeit hergestellt werden. Insgesamt wurden 18 Betriebe mit Laufställen ausgewählt und in die Altersklassen < 3 Jahre und > 9 Jahre eingeteilt. In jeder Altersklasse befanden sich jeweils drei Ställe mit Laufflächen aus Gussasphalt, Beton und Spaltenboden. Pro Stall wurden jeweils 10 Messstellen untersucht, die anhand eines vorher festgelegten Schemas ausgewählt wurden. Bisherige Kenngrößen zur Quantifizierung der Rutschfestigkeit von Laufflächen wie Haft- und Gleitreibungskoeffizient zeigten, verglichen mit den optisch erfassten Kenngrößen zur Charakterisierung von Oberflächeneigenschaften gewisse Schwächen. Daraufhin wurden aus den Verläufen der Gleitreibungskurven der verschiedenen Laufflächen die beiden neuen Messgrößen arithmetischer Spitze-Spitze Wert (müssa) und Anzahl positiver Amplituden (NPA) in Anlehnung an vergleichbare Messgrößen aus der Elektrotechnik bzw. der Oberflächenanalytik abgeleitet. Die Aussagekraft der beiden neuen Kenngrößen, insbesondere die des arithmetischen Spitze-Spitze Wertes, konnte je nach Laufflächenmaterial durch mittlere bis hohe, höchst signifikante Korrelationen mit den optisch erfassten Oberflächenkenngrößen untermauert werden. In Verbindung mit dem bisher genutzten Gleitreibungskoeffizienten bieten die beiden neuen Kenngrößen, die Möglichkeit die Rutschfestigkeit von Laufflächen unter Berücksichtigung der Oberfläche auch mit der Gleitreibungsmessung zu beurteilen. Dies stellt eine deutliche Verbesserung dar, da identische Gleitreibungskoeffizienten nun differenziert werden können. Die Ergebnisse der Topografiemessung lieferten einen Beitrag zum Verständnis der Ursachen von abnehmender Rutschfestigkeit auf Beton- und Spaltenboden sowie zunehmender Rauheit von Gussasphaltlaufflächen. Denn die für die Rutschfestigkeit entscheidenden Reibungseigenschaften sind wie aus der Tribologie bekannt, in hohem Maße von der Oberflächenbeschaffenheit der Reibpartner (Klaue und Lauffläche) abhängig. Die Ergebnisse der eigenen Untersuchung zeigten ebenfalls die Abhängigkeit der Laufflächeneigenschaften von der Oberflächenbeschaffenheit. Anhand der ermittelten Oberflächenmessgrößen ist es nun möglich, die Topografieeigenschaften der verschiedenen Laufflächenmaterial- und -altersklassen qualitativ und quantitativ zu beschreiben, einzuordnen und zu bewerten. Hierzu hat sich die Topografietiefe (St) zur Beschreibung des Merkmals Leere als eine zentrale Kenngröße herausgestellt. Eine weitere wichtige Kenngröße ist die Durchdringung mit dem maximalen geschlossenen Leerflächenanteil (cclm) zur Beschreibung der Abgeschlossenheit. Diese beiden Kenngrößen sind insbesondere bei rauen Laufflächen von großer Bedeutung. Aber auch die Feinheit muss bei diesen Böden berücksichtigt werden. Für besonders glatte Laufflächen hat sich das Oberflächenmerkmal Feinheit als ausschlaggebend herauskristallisiert. Eine aussagekräftige Kenngröße zur Quantifizierung dieses Oberflächenmerkmals ist die maximale Anzahl geschlossener Leerflächen (Nclm). Allerdings bedürfen diese Kenngrößen dringend einer Validierung in weiterführenden Arbeiten. Hauptansatzpunkt in der Diskussion um die Verbesserung von harten Laufflächenbelägen ist eine Sicherstellung der Haltbarkeit der Oberflächentopografie über einen längeren Zeitraum. Dies muss durch den Einsatz von Bindemitteln und Zuschlagsstoffen erfolgen, die eine hohe chemische Resistenz aufweisen. Des weiteren ist eine hohe mechanische Resistenz der Zuschlagstoffe zu fordern. Die verwendeten Mineralien sollten einen hohen Polierwiderstand besitzen. Für die praktische Prüfung auf landwirtschaftlichen Betrieben wird die Gleitreibungsmessung mit den neu definierten Kenngrößen als ausreichende Methode zur differenzierten Beurteilung der Laufflächeneigenschaften Rutschfestigkeit aber auch der Oberflächenbeschaffenheit angesehen. Für eine gezielte Materialprüfung zur Weiterentwicklung und Verbesserung von Laufflächenmaterialien kann die optische Topografiemessung sehr hilfreich sein.

The problem of durable flooring materials in dairy barns is as old as the loose housing system itself. To provide sufficient slip-resistance for a long period of time and at the same time surfaces that are not too rough is very difficult. However objective measuring parameters as well as a uniform measuring method to assess walking surfaces by their characteristics are lacking until today. One objective of this work was to translate the standard for measuring sliding friction in human floors with corresponding adaptions regarding the use in stables into examination of floors for dairy cattle. Furthermore, topography characteristics of the flooring materials should be examined with a touchless measuring system, existing measuring parameters for describing slip-resistance should be checked and completed if necessary and connections between surface characteristics and slip-resistance should be established. Hard flooring materials like mastic asphalt, concrete and slatted floor in dairy barns of 18 farms were investigated. Besides flooring material their age was also a criterion for the selection of the stables. In each case each material could be examined in 6 stables. In addition these stables were classified in two different groups of age, the first group under or equal 3 years and the second over or equal 9 years. A total of 10 measuring points per barn was selected on the basis of a defined scheme and examined. Existing measuring parameters for describing slip-resistance such as coefficient of static or sliding friction showed certain disadvantages compared with the optical seized parameters. As a result there were two new measuring parameters derived from the recordings of the sliding friction measurements on the different floors. One of the new parameters is called arithmetical peak-peak value (müssa) and the other number of positive peaks (NPA) similar to measuring parameters in electronically engineering and surface analytics. The expressiveness of the newly defined parameters, in particular the one of the arithmetical peak-peak value had been underpinned by high correlation coefficients with the surface parameters and were of highest significance. In addition to the known coefficient of sliding friction these two newly defined parameters allow to judge the slip-resistance of floors in relation to surface roughness by using the sliding friction measurement. This is a clear improvement, because identical coefficients of sliding friction could now be differentiated. The results of the topography measurements contributed to understand the causes of de-creasing slip-resistance on concrete and slatted floors on the one hand and the increasing roughness of mastic asphalt floors on the other. As we know from tribology, the frictional properties highly dependent on the surface features of the friction partners (claws and walking floor). The results of the own investigation also showed the dependency of the anti-slip properties of the walking floor on surface characteristics. By means of the newly established surface parameters it is now possible to describe the surface properties of different flooring materials and ages qualitatively and quantitatively. Furthermore they could be ranked and judged. To do so, the parameter depth of topography (St) for description of the surface feature emptiness has proven to be a central parameter. A further important parameter is the penetration with the maximum closed void area ratio (cclm) for the quantification of the feature insularity. Both parameters are of great importance, especially on coarse walking floors. The surface feature fineness is crucial for very smooth floors but needs also to be considered on coarse floors. A significant parameter for this feature is the maximum number of closed void areas (Nclm). But all these parameters need to be validated in further works. The main approach for improving hard flooring materials is to secure the durability of the surface topography for a long period of time. This could only be reached by using binders and aggregates with a high mechanical and chemical resistance. The used mineral aggregates must have a high resistance against polishing. For practical examinations on farms the sliding friction measurement and the new defined parameters are regarded as a sufficient method to give a differentiated judgement on the floor characteristics slip-resistance and surface topography. To examine the material in order to develop improved flooring materials the optical topography measurement could be very useful .