Projekt 00999/01

Laborversuch zur Entwicklung eines Prüfverfahrens für die Beurteilung der Langzeit-Dichtungseigenschaften von Deponieoberflächenabdichtsystemen

Projektdurchführung

Westfälische Wilhelms-Universität Münster
Corrensstr. 24
48149 Münster

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Für das Langzeitdichtungsverhalten einer Kombinationsoberflächenabdichtung ist der Wassergehalt der mineralischen Komponente von großer Bedeutung. Mittels eines Modellversuchs im Labormaßstab sollte der Mechanismus des Austrocknungsprozesses dieser mineralischen Komponente untersucht werden. Die dabei gewonnenen Erkenntnisse sollten dazu dienen, ein Verfahren zu entwickeln, mit dem sich zukünftige Dichtungsvarianten (neue Materialien und/oder neue konstruktive Maßnahmen) vergleichen lassen, um eine optimale Lösung für die Deponieoberflächenabdichtung zu finden.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenFür die Analyse des Austrocknungsverhaltens wurde ein vereinfachtes Modell einer Siedlungsabfalldeponie entwickelt, bei dem nur die Kernbestandteile des Oberflächenabdichtungssystems (Kombinationsabdichtung) sowie ein vertikaler Gasbrunnen berücksichtigt wurden. Das Modell sollte es ermöglichen, unterschiedliche Abdichtungsmaterialien in einem Versuchsdurchgang unter identischen Versuchsbedingungen zu messen. Außerdem sollte festgestellt werden, ob durch das Absaugen von Deponiegas ein negativer Einfluß auf den Wasserhaushalt der mineralischen Dichtung auftritt. Während der mehrmonatigen Laufzeit der drei Versuche (A bis C) wurden die Parameter Temperatur, Wasserspannung (mit Tensiometern) und Wassergehalt (mit TDR-Sonden) in der mineralischen Dichtungsschicht sowie Lufttemperatur und Luftfeuchtigkeit unterhalb der Dichtung bzw. in der abgesaugten Deponieluft kontinuierlich aufgezeichnet. Die Untersuchungen wurden an vier unterschiedlichen Abdichtungsmaterialien durchgeführt. Neben zwei Unterkreidetonen aus dem nordwestlichen Münsterland wurde ein bentonitisches Industrieprodukt sowie eine Mischung aus einem der Unterkreidetone mit einer 15%igen Zugabe von Bentonit verwendet. Zur Erprobung der Meßanlage wurde bei dem ersten Versuchsdurchgang ein nach oben hin offener Einbau des Abdichtungsmaterials gewählt. Dies ermöglichte eine maximale Verdunstung, die dann aber bei den beiden nachfolgenden Versuchen durch eine aufgebrachte Kunststoffdichtungsbahn unterbunden wurde. Durch eine elektrische Heizungsvorrichtung wurden im Verlauf der drei Versuche Bodentemperaturen im Bereich zwischen 30 und 60 °C erzeugt.


Ergebnisse und Diskussion

Die Auswertung der Meßdaten hat gezeigt, daß Tensiometer zur Erfassung des Austrocknungsprozesses nur eingeschränkt verwendbar sind. Auch wenn nachgewiesen werden kann, daß bei optimaler Handhabung und einwandfreiem technischen Zustand der Meßgeräte eine zuverlässige Messung der Wasserspannung über den bisher als Meßbereichsgrenze angesehenen Wert von ca. 850 hPa hinaus möglich ist, reicht auch der erweiterte Meßbereich von bis zu 2500 hPa nicht aus, um die im tonig-schluffigen Dichtungsmaterial bei der Entwässerung entstehenden Wasserspannungen vollständig zu erfassen. Die für die Beurteilung der Funktionstüchtigkeit einer mineralischen Deponieabdichtung wichtigen Prozesse spielen sich jedoch in den Wasserspannungsbereichen ab, die durch die Tensiometer erfaßt werden können. Darüberhinaus können durch den Einsatz der Mini-Tensiometer wertvolle Aussagen zu kleinräumig stattfindenden Transportvorgängen gemacht werden, indem die hydraulischen Gradienten zwischen ihnen bestimmt werden. Die Technik der TDR-Sonden ist unter den im Modellversuch gegebenen Bedingungen auch nicht problemfrei anzuwenden. Abgesehen von häufigen Meßwertausfällen ist das erfaßte Meßvolumen der eingesetzten Geräte mit ca. 200 cm3 im Vergleich zu dem der Mini-Tensiometer (ca. 5-15 cm3) relativ groß. Daher können kleinräumige Veränderungen, die mit den Tensiometern beobachtet werden können, mit den TDR- Sonden nur gemittelt wiedergegeben werden. Eine Kunststoffdichtungsbahn (KDB) über einer mineralischen Dichtungsschicht einer Kombinations-Oberflächenabdichtung erhöht zwar die Austrocknungsgefährdung der mineralischen Komponente nicht zwangsläufig. Trotzdem kam es im Versuchsverlauf zu starken Wasserverlusten und zur Bildung von Trockenrissen in der mineralischen Dichtungsschicht, sobald die Parameter Temperatur bzw. Luftdruck variiert wurden. Die durchgeführten Messungen belegen, daß bereits minimale Änderungen der Bodentemperatur Feuchtigkeitsverlagerungen auslösen, in deren Folge schon nach sehr kurzer Zeit (einige Tage bzw. Wochen) der Wassergehalt der mineralischen Dichtungsschichten unter der KDB lokal unter die Schrumpfgrenze absinkt. Spätestens ab diesem Stadium, möglicherweise auch schon früher, setzen Rißbildungen ein, die zum Verlust der Dichtungsfunktion der mineralischen Komponente führen.
Auf einer Deponie ist schon allein aufgrund tages- und jahreszeitlicher Variationen des Mikroklimas mit dem Auftreten geringer Schwankungen der Bodentemperaturen zu rechnen; dazu kommen die Auswirkungen der in der Deponie ablaufenden chemischen Umsetzungsprozesse, bei denen Wärme freigesetzt wird. Deshalb kommt es zu thermisch induzierten Wasserbewegungen, die schließlich zur Rißbildung in der mineralischen Dichtung führen. Die Simulation einer aktiven Deponiegasförderung hat im Modellver-such eindeutig Auswirkungen auf den Wasserhaushalt der mineralischen Dichtung gezeigt, was auch durch die kreisförmige Anordnung der Trockenrisse dokumentiert wird. Die durch das Absaugen von Luft unterhalb der mineralischen Dichtung bewirkten Veränderungen des Bodenluftdrucks lösten ebenfalls kleinräumige Wasserbewegungen aus. Die Rißanfälligkeit ist zwar in Grenzen materialabhängig, den-noch ist dies nur von untergeordneter Bedeutung, da alle untersuchten Erdstoffe innerhalb kurzer Zeit starken Schrumpfungsprozessen unterliegen, die ihre Tauglichkeit als Abdichtungsmaterial negativ beeinflussen.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Geotechnika 1993 und Entsorga 1994.


Fazit

Die Tauglichkeit der meßtechnischen Seite der Modelluntersuchungen zur Beantwortung der Frage nach der langfristigen Haltbarkeit einer Oberflächenabdichtung ist hinreichend belegt. Sicherlich muß die Übertragbarkeit der Modellversuche auf die Verhältnisse einer Siedlungsabfalldeponie geprüft werden, insbesondere in Hinblick auf die im Versuchsverlauf herrschenden Bodentemperaturen. Der grundlegende Mechanismus, mit dem die zur Rißbildung führenden, sehr kleinräumig wirksamen Feuchteverlagerungen ausgelöst werden, bleibt auch bei niedrigen Bodentemperaturen wirksam und sogar dann, wenn wasserdampfgesättigte Verhältnisse unterhalb des Dichtungssystems herrschen. In jedem Fall wird es innerhalb der mineralischen Dichtungsschicht zur Entstehung heterogener Fließvorgänge kommen, weil erstens durch die Schwerkraft abwärts gerichtete Wasserbewegungen zur Einstellung eines Gleichgewichtszustandes ausgelöst werden sowie zweitens durch äußere (tages- und jahreszeitlich bedingte Temperaturschwankungen) und innere (chemische Umsetzung in der Deponie) Einflüsse thermisch induzierte Feuchtetransporte stattfinden. Die Richtung dieser Wasserverlagerungen wechselt ständig und zu einem bestimmten Zeitpunkt wird an einer beliebigen Stelle die Zugkraft des verbliebenen Kapillarwassers auf das Korngerüst des mineralischen Dichtungsmaterials so groß, daß Gefügeveränderungen auftreten, durch die es zur Bildung von Schrumpfungsrissen kommt. Damit verliert die mineralische Komponente einer Kombinationsoberflächenabdichtung aber ihre Schutzwirkung. Eine Lösung des Problems bietet sich durch die Fortentwicklung alternativer Dichtungskonzepte an, deren Langzeittauglichkeit in ähnlicher Weise wie nach dem hier entwickelten Verfahren überprüft werden muß.