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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
Einführung in die Umweltgeotechnik Mineralische Dichtungen 3
Arten von mineralischen Dichtungen
„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?
Einführung in die Umweltgeotechnik Mineralische Dichtungen 4
Arten von mineralischen Dichtungen
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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Einführung in die Umweltgeotechnik Mineralische Dichtungen 5
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
Einführung in die Umweltgeotechnik Mineralische Dichtungen 6
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
Einführung in die Umweltgeotechnik Mineralische Dichtungen 7
Tonminerale
Zweischichtmineral
Dreischichtmineral
dl
dl
Tetraeder
Oktaeder
Tetraeder
Oktaeder
Tetraeder
Einführung in die Umweltgeotechnik Mineralische Dichtungen 8
Tonminerale
Zweischichtmineral
dl= 0,7 nm
Tetraeder
Oktaeder
Kaolinit-Minerale: z.B. Kaolinit, Halloysit
+ + + + + + ++++++++
+
isomorpher Ersatz sehr gering!
+ : austauschbare Kationen (Ausgleich negativerLadung von Tonplätttchen)
....
3
Einführung in die Umweltgeotechnik Mineralische Dichtungen 9
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+)
++ + +
+ ++ + +
++ + +
+ +....
Einführung in die Umweltgeotechnik Mineralische Dichtungen 10
Tonminerale
dl= 1,0 nm
Glimmerartige (Illit-)Minerale: z.B. Hydromuskovit, Illit, Glaukonit
+ + + + + + +++
+++++
+
Dreischichtmineral
Tetraeder
Oktaeder
Tetraeder
+ ++
+
: Kalium-Ionen+ : austauschbare Kationen
+
++ +
....
Einführung in die Umweltgeotechnik Mineralische Dichtungen 11
Tonminerale
dl= 1,4 nm
Chlorit-Minerale: z.B. Chlorit
+ + + + + + +++
+++++
+
Dreischichtmineral
Tetraeder
Oktaeder
Tetraeder
+
+
: trioktaedrische Hydroxidschicht mit Mg+ : austauschbare Kationen
+
+ ....
Einführung in die Umweltgeotechnik Mineralische Dichtungen 12
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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Einführung in die Umweltgeotechnik Mineralische Dichtungen 14
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
Einführung in die Umweltgeotechnik Mineralische Dichtungen 15
Zuschlagstoffezur Erhöhung der Sorptionskapazität
Klinoptiolith
negativ geladenes Silikatgerüst aus SiO4- und AlO4-Tetraedern
• Zeolithe
Einführung in die Umweltgeotechnik Mineralische Dichtungen 16
Zuschlagstoffezur Erhöhung der Sorptionskapazität
• Zeolithe
• organophilierte Bentonite
Einführung in die Umweltgeotechnik Mineralische Dichtungen 17
Zuschlagstoffezur Erhöhung der Sorptionskapazität
• Zeolithe
• organophilierte Bentonite
• 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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Einführung in die Umweltgeotechnik Mineralische Dichtungen 18
Zuschlagstoffezur Erhöhung der Sorptionskapazität
• Zeolithe
• organophilierte Bentonite
• 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
Einführung in die Umweltgeotechnik Mineralische Dichtungen 19
Zuschlagstoffezum Verschließen der Porenräume
• Wasserglasvergütung
z.B. Chemoton aus:
- kaolinitischem Tonmehl > 12% der Festsubstanz
- Mineralstoffgemisch
- Dynagrout-Gel
• Montanwachs
Einführung in die Umweltgeotechnik Mineralische Dichtungen 20
Mineralische Abdichtungsschicht
Aufgaben:
• Minimierung der Konvektion
• Minimierung der Diffusion
• Sorption von Schadstoffen
• Langzeitkomponente in Kombinationsdichtung
Überprüfung der Eignung des Materials durch Laborversuche!
Einführung in die Umweltgeotechnik Mineralische Dichtungen 21
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Einführung in die Umweltgeotechnik Mineralische Dichtungen 22
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
Einführung in die Umweltgeotechnik Mineralische Dichtungen 23
Q lkA h
⋅=⋅
Anforderungen an Abdichtungssysteme nach DepV
• 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
Einführung in die Umweltgeotechnik Mineralische Dichtungen 24
Anforderungen an Abdichtungssysteme nach DepV
• Verformungsvermögen, um Setzungen aufzunehmen
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
Einführung in die Umweltgeotechnik Mineralische Dichtungen 25
Anforderungen an Abdichtungssysteme nach DepV
• Verformungsvermögen, um Setzungen aufzunehmen
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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Einführung in die Umweltgeotechnik Mineralische Dichtungen 26
Anforderungen an Abdichtungssysteme nach DepV
• Verformungsvermögen, um Setzungen aufzunehmen
Stand der Technik
Nachweis nach GDA, E 2-13 (Verformungsnachweis für mineralische Abdichtungsschichten):
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 ′≥′
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Anforderungen an Abdichtungssysteme nach DepV
• Verformungsvermögen, um Setzungen aufzunehmen
Stand der Technik
Nachweis nach GDA, E 2-13 (Verformungsnachweis für mineralische Abdichtungsschichten):
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
Einführung in die Umweltgeotechnik Mineralische Dichtungen 28
Anforderungen an Abdichtungssysteme nach DepV
• Verformungsvermögen, um Setzungen aufzunehmen
Stand der Technik
Nachweis nach GDA, E 2-13 (Verformungsnachweis für mineralische Abdichtungsschichten):
2. Schritt: Welcher Grenzzustand der Verformung tritt auf ?a) Ohne Berücksichtigung der aufnehmbaren Biegezugspannungen
Einführung in die Umweltgeotechnik Mineralische Dichtungen 29
Anforderungen an Abdichtungssysteme nach DepV
• Verformungsvermögen, um Setzungen aufzunehmen
Stand der Technik
Nachweis nach GDA, E 2-13 (Verformungsnachweis für mineralische Abdichtungsschichten):
2. Schritt: Welcher Grenzzustand der Verformung tritt auf ?b) Berücksichtigung der aufnehmbaren Biegezugspannungen
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Einführung in die Umweltgeotechnik Mineralische Dichtungen 30
Anforderungen an Abdichtungssysteme nach DepV
• Verformungsvermögen, um Setzungen aufzunehmen
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
Einführung in die Umweltgeotechnik Mineralische Dichtungen 31
Anforderungen an Abdichtungssysteme nach DepV
• Verformungsvermögen, um Setzungen aufzunehmen
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
Einführung in die Umweltgeotechnik Mineralische Dichtungen 32
Anforderungen an Abdichtungssysteme nach DepV
• Widerstandsfähigkeit gegen hydraulische Einwirkungen (Suffosion, Erosion)
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
Einführung in die Umweltgeotechnik Mineralische Dichtungen 33
Anforderungen an Abdichtungssysteme nach DepV
• Widerstandsfähigkeit gegen hydraulische Einwirkungen (Suffosion, Erosion)
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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Einführung in die Umweltgeotechnik Mineralische Dichtungen 34
Anforderungen an Abdichtungssysteme nach DepV
• Widerstandsfähigkeit gegen hydraulische Einwirkungen (Suffosion, Erosion)
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
Einführung in die Umweltgeotechnik Mineralische Dichtungen 35
Anforderungen an Abdichtungssysteme nach DepV
• Beständigkeit gegenüber chemischen und biologischen Einwirkungen
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)
Einführung in die Umweltgeotechnik Mineralische Dichtungen 36
Anforderungen an Abdichtungssysteme nach DepV
• Beständigkeit gegenüber chemischen und biologischen Einwirkungen
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
Einführung in die Umweltgeotechnik Mineralische Dichtungen 37
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
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Einführung in die Umweltgeotechnik Mineralische Dichtungen 38
Anforderungen an Abdichtungssysteme nach DepV
• Beständigkeit gegenüber Witterungseinflüssen
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
Einführung in die Umweltgeotechnik Mineralische Dichtungen 39
Anforderungen an Abdichtungssysteme nach DepV
• gesicherte, reproduzierbare und qualitätsüberwachte Vorfertigung von Abdichtungskomponenten
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:
Einführung in die Umweltgeotechnik Mineralische Dichtungen 40
Anforderungen an Abdichtungssysteme nach DepV
• gesicherte, reproduzierbare und qualitätsüberwachte Vorfertigung von Abdichtungskomponenten
Stand der Technik
• Qualitätsmanagement
→ 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
Einführung in die Umweltgeotechnik Mineralische Dichtungen 41
Anforderungen an Abdichtungssysteme nach DepV
• gesicherte, reproduzierbare und qualitätsüberwachte Vorfertigung von Abdichtungskomponenten
Stand der Technik
• Qualitätsmanagement
→ 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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Einführung in die Umweltgeotechnik Mineralische Dichtungen 42
Anforderungen an Abdichtungssysteme nach DepV
• gesicherte, reproduzierbare und qualitätsüberwachte Vorfertigung von Abdichtungskomponenten
Stand der Technik
• Qualitätsmanagement
→ 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
Einführung in die Umweltgeotechnik Mineralische Dichtungen 43
Anforderungen an Abdichtungssysteme nach DepV
• 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
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
Einführung in die Umweltgeotechnik Mineralische Dichtungen 44
Anforderungen an Abdichtungssysteme nach DepV
• 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
Materialzusammensetzung:• Anforderungen:
• Homogenität
• Verdichtung• mindestens 95 % der Proctordichte
• maximaler Luftporengehalt na ≤ 5 %
• n < 25 % bei gemischtkörnigen Böden
→ Proctorversuch DIN 18127
Einführung in die Umweltgeotechnik Mineralische Dichtungen 45
Anforderungen an Abdichtungssysteme nach DepV
• 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
Materialzusammensetzung:• Anforderungen:
• Homogenität
• Verdichtung• mindestens 95 % der Proctordichte
• maximaler Luftporengehalt na ≤ 5 %
• n < 25 % bei gemischtkörnigen Böden
→ Proctorversuch DIN 18127
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Einführung in die Umweltgeotechnik Mineralische Dichtungen 46
Anforderungen an Abdichtungssysteme nach DepV
• 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
Materialzusammensetzung:• Anforderungen:
• Homogenität
• Verdichtung• mindestens 95 % der Proctordichte
• maximaler Luftporengehalt na ≤ 5 %
• n < 25 % bei gemischtkörnigen Böden
→ Proctorversuch DIN 18127Erwünscht
Unerwünscht
Einführung in die Umweltgeotechnik Mineralische Dichtungen 47
Anforderungen an Abdichtungssysteme nach DepV
• 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
Materialzusammensetzung:• Anforderungen:
• 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
Einführung in die Umweltgeotechnik Mineralische Dichtungen 48
Anforderungen an Abdichtungssysteme nach DepV
• 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
Materialzusammensetzung:• Anforderungen:
• Probeverdichtung im Versuchsfeld
Einführung in die Umweltgeotechnik Mineralische Dichtungen 49
Anforderungen an Abdichtungssysteme nach DepV
• 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
Materialzusammensetzung:• Anforderungen:
• 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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Einführung in die Umweltgeotechnik Mineralische Dichtungen 50
Anforderungen an Abdichtungssysteme nach DepV
• 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
Materialzusammensetzung:• Anforderungen:
• 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-%
Einführung in die Umweltgeotechnik Mineralische Dichtungen 51
Anforderungen an Abdichtungssysteme nach DepV
• 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
Einbautechnik:Anforderungen:• Material lagenweise einbringen (Böschungsparallel)
• fehlerfreien Verbund der einzelnen Lagen untereinander sicherstellen
• Verdichten
• Glätten der Oberfläche
Einführung in die Umweltgeotechnik Mineralische Dichtungen 52
Anforderungen an Abdichtungssysteme nach DepV
• 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
Einbautechnik:Neigungen von bis zu 1 : 2,5 sind möglich
Einführung in die Umweltgeotechnik Mineralische Dichtungen 53
Anforderungen an Abdichtungssysteme nach DepV
• 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
Einbautechnik:Sicherungsmaßnahmen gegen Witterungseinflüsse:• mit Beginn der Frostperiode Herstellung einstellen
• Oberfläche schützen gegen• Staunässe (abdecken, glätten)
• Austrocknung (abdecken)
• Erosion (abdecken)
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Einführung in die Umweltgeotechnik Mineralische Dichtungen 54
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
Einführung in die Umweltgeotechnik Mineralische Dichtungen 55
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