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Grundlagen der Umweltgeotechnik

Mineralische Dichtungen

Ruhr-Universität BochumLehrstuhl für Grundbau, Boden- und FelsmechanikProf. Dr.-Ing. habil. Tom Schanz

Einführung in die Umweltgeotechnik Mineralische Dichtungen 2

Arten von mineralischen Dichtungen

Verwendung örtlicher Bodenvorkommen

natürliche oder aufbereitete feinkörnige, bindige Böden:

Tonmineralanteil > 10 %

Tone, Schluffe, Ton-Schluffgemische

Aufbereitung durch:

• Homogenisieren

• Feinkornzugabe (z.B. Bentonit)

• Einstellen des Wassergehaltes



„künstliche“ gemischtkörnige Erdstoffe:

Sand- und Kiesfraktion mit Steinmehl und Tonmineralien

• gut kornabgestufte mit geringem Feinkornanteil, nass eingebaut:

Bentokies oder Erdbeton

• Mischungen mit hoher Dichte trocken eingebaut

Vorteile:

• witterungsunempfindlicher beim Einbau

• geringere Streuungen der Bodenkennwerte

• weniger austrocknungsempfindlich

Nachteile:

• geringeres Sorptionsvermögen

• empfindlicher gegen verformungsbedingte Risse

• Eigenschaften abhängig von wenigen % Tonmineralien

• Langzeitbeständigkeit?



Vergütete und multimineralische Dichtungen

Zusätze

• zur Verbesserung der Sorptionseigenschaften

• zum Verschließen von Porenräumen

• zur Erhöhung der Zugfestigkeit und Verformbarkeit

- Kunststofffasern

- Vliesstoff

Langzeitverhalten?

Trisoplast: Sand (88%) + Bentonit (12%) + Polymer (<<1%)

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Ton• unverfestigtes, sehr feinkörniges Sediment

• entsteht bei Verwitterungsprozessen von silicatischen Gesteinen

In der Bodenmechanik nach DIN 4022 Teil 1:

Kornfraktion < 0,002 mm

diagenetisch verfestigter Ton -> Tonstein

Charakterisiert durch Zusammensetzung und Art der Tonminerale :

• Quell- und Schrumpfeigenschaften

• chemische Resistenz

• Kationenaustauschkapazität, Sorptionseigenschaften

• Plastizität


Aufbau:

• blättchenförmige Minerale

• OH-haltige Alumosilikate

• schichtförmiger Aufbau

• 5 – 80 Schichtpakete

pro Partikel

• Abmessungen

in der Ebene < 2 μm

• Dicke 2 – 50 nm

Unterscheidung nach:

• Schichttyp

• Zwischenschichtbesetzung

• Höhe der negativen Nettoladung pro Formeleinheit

Tonminerale


Tonminerale

Zweischichtmineral

Dreischichtmineral

dl

dl

Tetraeder

Oktaeder

Tetraeder

Oktaeder

Tetraeder


Tonminerale

Zweischichtmineral

dl= 0,7 nm

Tetraeder

Oktaeder

Kaolinit-Minerale: z.B. Kaolinit, Halloysit

+ + + + + + ++++++++

+

isomorpher Ersatz sehr gering!

+ : austauschbare Kationen (Ausgleich negativerLadung von Tonplätttchen)

....

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Tonminerale

dl= 1,0 – 1,8 nm

Smectit-Minerale: z.B. Montmorillonit, Beidellit, NontronitVermiculltit-Minerale: z.B. Vermikulit

+ + + + + + +++

++

+++

+

Dreischichtmineral

Tetraeder

Oktaeder

Tetraeder

+ ++ +

+ + ++

+ + ++ +

+

+

+ : austauschbare Kationen (Ca+, Na+)

++ + +

+ ++ + +

++ + +

+ +....


Tonminerale

dl= 1,0 nm

Glimmerartige (Illit-)Minerale: z.B. Hydromuskovit, Illit, Glaukonit

+ + + + + + +++

+++++

+

Dreischichtmineral

Tetraeder

Oktaeder

Tetraeder

+ ++

+

: Kalium-Ionen+ : austauschbare Kationen

+

++ +

....


Tonminerale

dl= 1,4 nm

Chlorit-Minerale: z.B. Chlorit

+ + + + + + +++

+++++

+

Dreischichtmineral

Tetraeder

Oktaeder

Tetraeder

+

+

: trioktaedrische Hydroxidschicht mit Mg+ : austauschbare Kationen

+

+ ....


TonmineraleTonmineral Kaolinit Smectit Illit Chlorit

Bautyp 2-Schicht 3-Schicht 3-Schicht 3-Schicht

Dicke der einzelnen Schichtpakete [nm] 0,74 0,91 0,91

Durchmesser der Schichtpakete [nm] 100-5000 30-300 100-5000 bis 20.000

Anzahl Schichtpakete in einem Partikel 25 - 80 5 - 12 5 – 80

Quellfähigkeit - + - -

Kationenaustausch-kapazität [meq/100g] 3 - 15 80 - 120 20 - 50 10 – 40

Spezifische Oberfläche [m²/g] 30 800 100 < 200

Negativer Ladungs-überschuß/(Si,Al)4O10

0,0 0,2 - 0,6 0,6 - 0,9 variabel

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Abschätzung Rückhaltevermögen von TonenAdsorption – Bewertung anhand Kationenaustauschkapazität

KAK; Summe der austauschbaren Kationen, bzw. Anionen in (mmol/z)/ kg

60% Schluff20% Ton20% Sand

→ KAK: 115-160 mmol/z/kg


Zuschlagstoffezur Erhöhung der Sorptionskapazität

Klinoptiolith

negativ geladenes Silikatgerüst aus SiO4- und AlO4-Tetraedern

• Zeolithe



• Zeolithe

• organophilierte Bentonite



• Zeolithe


• Aktivkohle

durch poröse Struktur extrem große spezifische Oberfläche: 500 – 1500 m²/g

Bindung von

- unpolaren Stoffen an die hydrophobe Kohlenstoffoberfläche

- polare Stoffe an „aktive Zentren“ in Form von eingelagerten

Fremdatomen (O, H, N, S) und Gitterfehlstellen

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• Zeolithe


• Aktivkohle

• anorganische Oxide

Oxide und Hydroxide von Aluminium, Eisen und Mangan,

Adsorption von Schwermetallen

sehr kleine Kristalle mit sehr großer spezifischer Oberfläche 300 – 500 m²/g

Protonendissoziation der OH und OH2-Gruppen -> Kationenaustausch


Zuschlagstoffezum Verschließen der Porenräume

• Wasserglasvergütung

z.B. Chemoton aus:

- kaolinitischem Tonmehl > 12% der Festsubstanz

- Mineralstoffgemisch

- Dynagrout-Gel

• Montanwachs


Mineralische Abdichtungsschicht

Aufgaben:

• Minimierung der Konvektion

• Minimierung der Diffusion

• Sorption von Schadstoffen

• Langzeitkomponente in Kombinationsdichtung

Überprüfung der Eignung des Materials durch Laborversuche!


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Anforderungen an Abdichtungssysteme nach DepV

Funktionserfüllung für mindestens 100 Jahre

Kriterien

• Dichtigkeit

• Verformungsvermögen, um Setzungen aufzunehmen

• Widerstandsfähigkeit gegen hydraulische Einwirkungen (Suffosion, Erosion)

• Beständigkeit gegenüber chemischen und biologischen Einwirkungen

• Beständigkeit gegenüber Witterungseinflüssen

• Beständigkeit gegenüber alterungsbedingten, nachteiligen Materialveränderungen

• gesicherte, reproduzierbare und qualitätsüberwachte Vorfertigung von Abdichtungskomponenten

• bei mineralischen Abdichtungskomponenten: Materialzusammensetzung, Einbautechnik und Einbindung im Abdichtungssystem, um eine sehr niedrige Durchlässigkeit zu erreichen und die Gefahr einer Trockenrissbildung zu vermeiden

Stand der Technik


Q lkA h

⋅=⋅


• Dichtigkeit: k < 5 ⋅ 10-9 - 10-10 m/s

Stand der Technik

Prüfung der Durchlässigkeit (DIN 18 130 Teil1):

• Versuchsgerät

• i = 30 (konstantes Druckgefälle)

• Wassersättigung

• Durchströmung von unten nach oben

5 ⋅ 10-9 m/s: Oberflächenabdichtung DK I + II 5 ⋅ 10-10 m/s: Basisabdichtung für DK I-III,

Oberflächenabdichtung DK III




Stand der Technik

Das Material muss in der Lage sein, gleichmäßige und ungleichmäßige Verformungen ohne Beeinträchtigung der Abdichtungswirkung aufzunehmen

Beeinträchtigungen:

Fall a) Zugrissbildung

• Beeinträchtigung der Durchlässigkeit

• bei halbfestem und festem Material

• geringe oder keine Auflast

Ausbildung standfester Rissflanken

Fall b) Scherzonenbildung

• nur geringe Änderungen der Durchlässigkeit

• bei weichen Materialien (kleines ϕ und c)

• hoher Überlagerungsdruck

keine Ausbildung standfester Rissflanken möglich

wenn Auflast > 2-3-fache von c -> keine Rissgefahr




Stand der Technik

Das Material muss in der Lage sein, gleichmäßige und ungleichmäßige Verformungen ohne Beeinträchtigung der Abdichtungswirkung aufzunehmen

Nachweis nach GDA, E 2-13 (Verformungsnachweis für mineralische Abdichtungsschichten):

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Stand der Technik


1. Schritt:

Berücksichtigung von Verformungseinwirkung

und Materialverformbarkeit

2. Schritt:

a) Berücksichtigung der Auflastspannung

b) Überprüfung des Verformungsmechanismus

)0,2(vRF

zq >η≥εε

2 tan(45 '/ 2)o cσ ϕ′≥ ⋅ ⋅ +

c.vorhc.erf ′≥′




Stand der Technik


2 tan(45 '/ 2)o cσ ϕ′≥ ⋅ ⋅ +

lRF

l

dxwx

xwxwx

Δ

Δ

+⋅⋅=′′=

−′′=

εκεκε

max3/2)()(

1))](sin(arctan/)([)(

1. Schritt: Dehnungsnachweis• Bestimmung der Grenzzugdehnung im einaxialen Zugversuch oder Biegezugversuch

Wassergehalt!

• Berechnung der maßgebenden Setzungsmulde

• Berechnung der maximalen Randfaserzugdehnung

Berücksichtigung einer Auflast über auflastinduzierte Querdehnung möglich




Stand der Technik


2. Schritt: Welcher Grenzzustand der Verformung tritt auf ?a) Ohne Berücksichtigung der aufnehmbaren Biegezugspannungen




Stand der Technik


2. Schritt: Welcher Grenzzustand der Verformung tritt auf ?b) Berücksichtigung der aufnehmbaren Biegezugspannungen

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Stand der Technik

Beeinflussung der Risssicherheit durch:

Dichtungsmaterial:• möglichst hoher Einbauwassergehalt

• möglichst geringe Schichtdicke

• kleine Werte der effektiven Scherparameter

Deponiegeometrie und Untergrund

• möglichst gleichmäßige Geometrie

• möglichst homogener steifer Untergrund




Stand der Technik

Risse werden selbsttätiggeschlossen durch:

• eingespülte Feinstbestandteile

• Quellvorgänge

kein Geotextil oberhalb der mineralischen Schicht!

Bewehrung

Infiltrationsmaterial aus Feinsand, Löß mitinaktiven Tonmineralien, im groben Gesteinsgerüst

Selbstheilungsvermögen

Aktive Risssicherung




Stand der Technik

Erosion: Umlagerung und Transport fast aller Kornfraktionen eines Bodens infolge Wasserströmung

Suffosion: Materialtransport (Feinmaterial) im Boden unter Aufrechterhaltung des Stützgerüstes

Auftreten abhängig von:

• geometrischen

• hydraulischen

Randbedingungen




Stand der Technik

• äußere Erosion: Abdeckung

• innere Erosion: vernachlässigbar bei niedrigem Gradienten und Auflast

• Kontakterosion:

4dD

85

15 ≤ 4dD

15

15 ≥

Kriterium nach Davidenkoff:

berücksichtigt Bindungskraft der TonteilchenFilterkriterium nach Terzaghi, Cistin/Ziems:

rein geometrisch (D Korn Filter, grober Boden))

)i(Dc15

W

0

⋅γ+γ′⋅

=η

D = D50 der grobkörnigen Schicht

c0 = Zugfestigkeit des bindigen Bodens

(für U<2))

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Stand der Technik

• Kontaktsuffosion:

insbesondere bei künstlichen Gemischen von Bedeutung

min,

0,16717

1,5 0,6

1,5 0,6 0,455 ( )

zuk Pd d

U e d

≥ ⋅ ⋅

≥ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅

- Kriterium nach Reuter

dP = ideeller mittlerer Porenkanaldurchmesser

U = Ungleichförmigkeit d60/d10

d17 = Korndurchmesser bei 17% des Siebdurchgangs

e = Porenzahl

• kleinster zulässiger Korndurchmesser

• Suffosionssicherheit




Stand der Technik

Chemische Einwirkungen:

• Niederschlag

• Sickerwasser, möglichst genaue Charakterisierung der organischen Komponenten

• Deponiegas

-> Einfluss auf - Durchlässigkeit- Plastizität,- Wasseraufnahmefähigkeit- Kornverteilung

Prüfflüssigkeiten:

• 5 %-ige anorganische Säure, pH = 1,0(zu je 1/3 Volumenanteil Salz-, Schwefel- und Salpetersäure)

• 5 %-ige organische Säure, pH = 2,2(zu je 1/2 Volumenanteil Essig- und Propionsäure)

• Metallsalzlösung, pH = 2,9(je 1 g Nickel-, Kupfer,- Chrom- und Zinkchlorid)

• Synthetisches Sickerwasser, pH = 4,5(0,15 ml Natriumacetat, 0,15 ml Essigsäure, 0,05 ml Glycin, 0,007 ml Salicylsäure)




Stand der Technik

Biologische Einwirkungen:

• Beanspruchung durch höhere pflanzliche Organismen

→ Durchwurzelung

→ ausreichende Dicke Rekultivierungsschicht

• Beanspruchung durch höhere tierische Organismen

→ z.B. Wühl- und Nagetiere

→ Ausreichende Überdeckungen, ggf. Sperrschichten

• Beanspruchung durch Mikroorganismen

→ Veränderung der physikalischen Eigenschaften durch biochemische Reaktionsprozesse



Funktionserfüllung für mindestens 100 Jahre

Kriterien

• Dichtigkeit





• Beständigkeit gegenüber alterungsbedingten, nachteiligen Materialveränderungen



Stand der Technik

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Stand der Technik

Witterungseinflüsse:

• Verdunstung

→ Schrumpfung des Abdichtungsmaterials

→ Schrumpfrisse

→ abdecken

• Frost

→ Zerstörung der Materialstruktur: Dichtigkeits- und Festigkeitsverlust des Materials

→ keine Herstellung während Frostperiode

→ fertige Bereiche frostsicher abdeckenFrosteindringtiefen:•Flachland: ca. 65 cm•Mittelgebirge: ca. 95 cm




Stand der Technik

• Qualitätsmanagement

→ Qualitätsmanagementplan gemäß Kapitel E 5-1 der GDA-Empfehlungen:

• Art und Umfang der Qualitätsüberwachungen• Aufgaben und Verantwortlichkeiten der Eigen- und Fremdprüfer bei der Qualitätsüberwachung der Verarbeitung

von Bauprodukten• Die aus den Ergebnissen der Eignungsprüfungen abgeleiteten Qualitätsforderungen an das Bauprodukt sowie das

fertige Bauteil• Herstellungsbeschreibung des Bauteils (z.B. des Abdichtungssystems) und ggf. Verarbeitungsanleitung für die

Bauprodukte• Umfang der Qualitätsüberwachung bei der Herstellung des Bauteils mit Angaben zur Art und Anzahl der

Qualitätsprüfungen an den auf der Baustelle angelieferten Bauprodukten (Eingangsprüfung), bei ihrer Verarbeitung (Verarbeitungsprüfung) und am fertigem Bauteil (Endprüfung, Abnahmeprüfung), ggf. unter Verweis auf entsprechende Angaben in einer Zulassung sowie Angaben zur Qualitätslenkung

• Dokumentation der Herstellung und der Qualitätsüberwachung des Bauteils

Inhalt:




Stand der Technik


→ Qualitätsmanagementplan gemäß Kapitel E 5-1 der GDA-Empfehlungen:

• Eigenprüfung durch den Verarbeiter oder ein von ihm beauftragtes Institut oder Ingenieurbüro (• Fremdprüfung durch ein unabhängiges Institut oder Ingenieurbüro • Überwachung durch die zuständige Behörde

Qualitätsüberwachung bei der Verarbeitung:

Die Eigen- und Fremdprüfung umfasst:

• Eingangsprüfung der zu verarbeitenden Bauprodukte• Überprüfung aller qualitätsbestimmenden Vorgänge und wesentlicher Qualitätsmerkmale bei der Verarbeitung der

Bauprodukte• Qualitätsprüfung am fertigen Bauteil




Stand der Technik


→ Qualitätsüberwachung bei mineralischen Oberflächen- und Basisabdichtungsschichten

gemäß Kapitel E 5-2 der GDA-Empfehlungen:

Elemente des Abdichtungssystems:

• Auflager des Abdichtungssystems• Abdichtung (Basis und Oberfläche)• Schutzschicht/ Trennschicht• Entwässerungsschicht• Entgasungsschicht• ggf. Kontrollschicht

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Stand der Technik


→ Qualitätsüberwachung

Je 500 m²:

Schichtdicke, Ebenflächigkeit, Soll-Höhenlagen

Je 1000 m²:

• Kornverteilung, Zustandsgrenzen, Wasseraufnahme, -gehalt

• Wassergehalt beim Einbau, Homogenität, Anzahl der Walzenübergänge, Wasserzugabe

• Kleinstückigkeit, Frästiefe, Zusätze und Dosierung

• Verdichtung und Homogenität je Lage eingebauter Dichtung, ρ, w, Kornverteilung, Plastizität, optische Beurteilung

Je 2000 m²

• Wasserdurchlässigkeit

Mindestumfang




Stand der Technik

Materialzusammensetzung:• Anforderungen:

• Tonmineralgehalt ≥ 10 Masse - %

• bei feinkörnigen Böden• Plastizität: mindestens mittelplastisch (wl ≥ 35 %)

• Konsistenz steifer Bereich (0,75 ≤ IC ≤ 1)

• Aggregatgröße ≤ 32 mm

• bei gemischtkörnigen Böden mit und ohne Zusatzstoffe• Korndurchmesser d < 32 mm

• drainierte Kohäsion c > 10 kN/m²

• Nachweis der Verwitterungsbeständigkeit der Einzelkörner der Grobsand und Kiesfraktion nach DIN 52104 (Frost-Tau-Wechsel) und DIN 52111 (Kristallisationsversuch)

→ Korngrößenverteilung DIN 18123

→ Zustandsgrenzen DIN 18122

→ Organikanteile DIN 18128

→ Korndichte DIN 18124

→ Kalkgehalt DIN 18129

→ Wasseraufnahme DIN 18132

→ Wassergehalt DIN 18121

→ Dichte DIN 18125




Stand der Technik


• Homogenität

• Verdichtung• mindestens 95 % der Proctordichte

• maximaler Luftporengehalt na ≤ 5 %

• n < 25 % bei gemischtkörnigen Böden

→ Proctorversuch DIN 18127




Stand der Technik


• Homogenität




→ Proctorversuch DIN 18127

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Stand der Technik


• Homogenität




→ Proctorversuch DIN 18127Erwünscht

Unerwünscht




Stand der Technik


• Probeverdichtung im Versuchsfeld

• Vor Beginn der Einbauarbeiten auf eigentlichem Baufeld anzulegen

• Abdichtung wird genau wie später geplant aufgebracht

→ Ziel: geeignete Verdichtungsgeräte und Gerätekombinationen festlegen, um ideale Homogenität und Verdichtung zu erreichen

• Es werden Bodenphysikalische Eigenschaften des Materials ermittelt und mit den bereits im Labor ermittelten verglichen




Stand der Technik


• Probeverdichtung im Versuchsfeld




Stand der Technik


• Festigkeit und Zusammendrückbarkeit

• Kompressionsversuch DIN 18135

• Quellversuch Empf. Nr. 11 DGEG, AK 19

• Triaxialversuch oder direkter Scherversuch DIN 18137 (Teil 1& 2)

• Einaxialer Druckversuch DIN 18136

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Stand der Technik


• Mineralogische und chemische Eigenschaften

→ müssen so beschaffen sein, dass durch Deponieeinfluss keine nachteiligen Änderungen in Mineralbestand, chemischer Zusammensetzung und physikalischer Eigenschaften auftreten

• wie reagiert das Bindemittel auf Sickerwasser?

• sind die Tonminerale quellfähig und besitzen hohe Ionenaustauschkapazität?

• Arten von Kationen in den Zwischenschichten; Sättigungsgrad

• Menge und Art der redoxabhängigen Bestandteile des Tons

• Schwefelgehalt (Anteil der Sulfide und Sulfate < 5 %)

• Anteil an organischen Beimengungen < 10 Gew-%




Stand der Technik

Einbautechnik:Anforderungen:• Material lagenweise einbringen (Böschungsparallel)

• fehlerfreien Verbund der einzelnen Lagen untereinander sicherstellen

• Verdichten

• Glätten der Oberfläche




Stand der Technik

Einbautechnik:Neigungen von bis zu 1 : 2,5 sind möglich




Stand der Technik

Einbautechnik:Sicherungsmaßnahmen gegen Witterungseinflüsse:• mit Beginn der Frostperiode Herstellung einstellen

• Oberfläche schützen gegen• Staunässe (abdecken, glätten)

• Austrocknung (abdecken)

• Erosion (abdecken)

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Lastfall Austrocknung

Wassertransportvorgänge infolge:

• volumetrische Wassergehaltsunterschiede (Matrixpotential)

• Temperaturgradient

• Gravitationspotential

• Eisbildung

Randbedingungen

• Auflast

• Grundwasserabstand

• Kapillares Saugvermögen des Untergrundes

• ungesättigte Wasserleitfähigkeit des Untergrundes

• Verbund mit KDB

keine Rissbildung, wenn Auflast > 2-fache Saugspannung


Lastfall Chemikalien

anorganische Substanzen:Säuren: Auslösen von Karbonaten, Eisenoxid

Basen: Tonmineralkanten werden negativ ab pH 8 -> Dispergierung

organische Substanzen:erst ab Konzentrationen von 75 % spürbarer Einfluss

Empfindlichkeit abhängig von Tonmineralart!

Resistenz nimmt mit zunehmender Auflast zu

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