Die mineralische Dichtung stellt eine unverzichtbare Komponente einer Kombinationsdichtung gemäß TA Siedlungsabfall oder gemäß der bauaufsichtlichen Zulassung des Deutschen Instituts für Bautechnik mit Asphaltbeton dar. Ihr Karbonatgehalt ist nach TA Siedlungsabfall auf 15 Prozent beschränkt. Dahinter steht die Befürchtung, dass saure Sickerwässer die Karbonate lösen und sich daraus unzulässige Setzungen und eine Beeinträchtigung der Dichtewirkung ergeben. Vorversuche zeigen, dass bei einer Auflast von 40 kN/m2 auch nach signifikanter Karbonatlösung und Setzungen über 20 Monate hinweg die Durchlässigkeit eines mineralischen Dichtungsmaterials mit ehemals ca. 35 Gewichtsprozent Karbonat im Bereich von 10 10m/s bleibt, was im Widerspruch zu anderen Vorversuchen ohne Auflast steht. Ziel des Forschungsvorhabens ist es, dieses Phänomen unter Variation des Versuchsmaterials, der Auflast und des Perkolates sowohl unter geochemischen als auch unter bodenmechanischen Gesichtspunkten zu untersuchen, um die Berechtigung der Vorschrift in der TA Siedlungsabfall zu überprüfen und gegebenenfalls eine wissenschaftlich abgesicherte Änderung vorzuschlagen.
Die Deponieverordnung des Bundes sieht zur Oberflächenabdichtung von Deponien eine spezifische Kombinationsdichtung als in der Regel aufzubringendes Abdichtungssystem vor. Diese Regel-Abdichtung, im wesentlichen bestehend aus einer über dem Abfall befindlichen, verdichteten Tonlage mit aufgelegter Kunststoffdichtungsbahn, Entwässerungsschicht und einer darüber befindlichen Rekultivierungsschicht, ist aus vielfältigen Gründen für den gedachten Zweck nur bedingt geeignet. Kritisch zu sehen sind insbesondere folgende Aspekte: Die Tonschicht unterhalb der Kunststoffdichtungsbahn neigt zum Austrocknen und damit zur Bildung von Trockenrissen, welche nach dem Versagen der Kunststoffdichtungsbahn nicht mehr zuquellen: Langfristig gesehen neigt somit das Gesamtsystem zur Nichterfüllung der konstruktiv vorgesehenen Aufgabe; Die aufgelegte Kunststoffdichtungsbahn ist nur zeitlich begrenzt haltbar. Dies bedeutet, dass langfristig allein die Tonlage mit ihren spezifischen Nachteilen wirksam wird; Eine großflächige Deponieentgasung mit dem Ziel der Methanoxidation in der Rekultivierungsschicht wird durch den gewählten Oberflächendichtungsaufbau verhindert. Methanaustritte konzentrieren sich auf Schadstellen, wodurch die Methanoxidationskapazität in diesen Bereichen überfordert wird. Diese Probleme sollen mit der Konstruktion einer rein mineralischen Dichtungsschicht gelöst werden. Das Dichtungssystem ist mit einer definiert wasser- und gasdurchlässigen Schicht versehen. Die Durchlässigkeit kann über den Abstand zu verlegender keramischer Dichtungselemente reguliert werden. Es soll insbesondere gewährleistet werden, dass ein definiert geringer Teil des in der Entwässerungsschicht abfließenden Niederschlagswassers in die darunter liegende mineralische Dichtungsschicht eindiffundieren kann. Diese kann daher nicht vom Müllkörper her austrocknen und bleibt dadurch feucht, aufgequollen und dicht.
Die mineralische Dichtung stellt eine unverzichtbare Komponente einer Kombinationsabdichtung gemaess TA Siedlungsabfall oder gemaess der bauaufsichtlichen Zulassung des Deutschen Instituts fuer Bautechnik mit Asphaltbeton dar. Ihr Karbonatgehalt ist nach TA Siedlungsabfall auf 15 Prozent beschraenkt. Dahinter steht die Befuerchtung, dass saure Sickerwaesser die Karbonate loesen und sich daraus unzulaessige Setzungen und eine Beeintraechtigung der Dichtwirkung ergeben. Vorversuche zeigen, dass bei einer Auflast von 40 kN/m2 auch nach signifikanter Karbonatloesung und Setzungen ueber 20 Monate hinweg die Durchlaessigkeit eines mineralischen Dichtungsmaterials mit ehemals ca. 35 Gewichtsprozent Karbonat im Bereich von 10-10 m/s bleibt, was im Widerspruch zu anderen Vorversuchen ohne Auflast steht. Ziel des Forschungsvorhabens ist es, dieses Phaenomen unter Variation des Versuchsmaterials, der Auflast und des Perkolates sowohl unter geochemischen als auch unter bodenmechanischen Gesichtspunkten zu untersuchen, um die Berechtigung der Vorschrift in der TA Siedlungsabfall zu ueberpruefen und gegebenenfalls eine wissenschaftlich abgesicherte Aenderung vorzuschlagen.
Die im Rahmen der bisherigen Arbeiten beschriebenen physikalischen Phänomene umfassen das gekoppelte hydraulische und mechanische Verhalten von Bentonit-Sand-Gemischen, die zur Erstellung von Dichtelementen für untertägige Deponien und Verschlüsse verwendet werden. Darüber hinaus besteht jedoch eine signifikante Evidenz für die notwendige Berücksichtigung zusätzlicher physikalischer und chemischer Effekte (Temperatureinfluss, Zeiteffekte wie Kriechen und Alterung, mineralische Phasenübergänge, Gasfreisetzung und Migration, Wechselwirkungen mit freigesetzten Schadstoffen), die sich durch teilweise vorhandene experimentelle Beobachtungen unterlegen lässt. Die Forschungsschwerpunkte der zweiten Projektphase sind nicht-isotherme Effekte, transiente Deformationsprozesse, Veränderungen von Permeabilitäten infolge von THMC Prozessen. Dabei geht es insbesondere um Fragen der Langzeitstabilität von Dichtelementen. Die wissenschaftlichen Ergebnisse werden wie in dem bisherigen Projekt in wissenschaftlichen Fachzeitschriften und auf internationalen Fachtagungen publiziert. Daneben werden eigenständige wissenschaftliche Veranstaltungen in Form von Workshops durchgeführt.
Deponien müssen in gestuften Übergangsfristen bis zum 15. Juli 2009 an den deponietechnischen Standard der Deponieverordnung herangeführt oder ansonsten stillgelegt werden. Als Folge wird es in Zukunft verstärkt zu einer Schließung von Deponien kommen. Dann ist die Oberfläche der Deponien nach der Deponieverordnung mit einem spezifischen Schichten-Regelaufbau (oder einem gleichwertigem Aufbau) niederschlagsschützend abzudichten. Der Schichten-Regelaufbau (u.a. bestehend aus einer Tonschicht und einer Folienabdichtung) wird von Fachleuten kritisch beurteilt (u.a. wegen einer langfristig möglichen Austrocknung der Tonschicht und Rissbildungen in der Folienabdichtung). Zu diesem Problemaspekt wurde gemeinsam mit dem Hessischen Umweltministerium dieses FuE-Verbundvorhaben initiiert, in welchem (in Kooperation mit hessischen Deponiebetreibern) nach Lösungen für eine nachhaltig wirksame Oberflächenabdichtung hessischer Deponien gesucht werden sollte. Projektziel war es auch, die finanziell von den Deponiebetreibern getätigten Nachsorgerücklagen (mehrere 10 Mio. € je Deponie) einer aus Nachhaltigkeitsaspekten möglichst sinnvollen und effizienten Verwendung zuzuführen. In dem Projekt wurden die 19 Siedlungsabfalldeponien in Hessen von dem Wissenschaftlerteam des HFvA (s. unten) sowie in Kooperation mit den Deponiebetreibern systematisch bezüglich ihrer klimatisch und standorttypischen Verhältnisse erfasst und begangen, um die notwendigen Planungsgrundlagen zu gewinnen. Die für sinnvoll zu erachtenden Deponieoberflächenabdichtungsvarianten konnten anschließend, in einem interdisziplinären Projektteam, sowohl aus rechtlicher als auch aus technischer und naturwissenschaftlicher Sicht hergeleitet werden. Im Ergebnis liegt ein ca. 300 S. umfassendes Gutachten vor, das eine Entscheidungsmatrix und Handlungsempfehlungen für Hessen enthält, die in Kooperation zwischen verschiedenen Wissenschaftsdisziplinen hessischer Universitäten (Univ. Frankfurt, Kassel, Gießen und FH Darmstadt) und der Praxis (Deponiebetreiber) entstanden sind. Zum Projektabschluss wird am 04.03.2004 ein Workshop mit den Entscheidungsträgern (Deponiebetreiber, Vertreter der Fachbehörden und des Umweltministeriums sowie den Wissenschaftlern des HFvA) stattfinden. Dieser zielt auf die Konsensfindung zur Offenlegung der für sinnvoll und rechtskonform anzusehenden Strategien der Stilllegung und Oberflächenabdichtung hessischer Deponien.
Zu diesem FuE-Vorhaben erfolgte eine Auswertung der bundesweit auf Deponien durchgeführten Testfelduntersuchungen. Dazu wurde umfassend im Internet und in der Fachliteratur recherchiert. Im Anschluss daran wurde eine gezielte schriftliche Befragung bei den für die Testfelder verantwortlichen Gebietskörperschaften und Gutachter vorgenommen. Die sich darauf stützende Datenauswertung bezieht sich im wesentlichen auf folgende Aspekte: Sickerwasservermeidungspotenzial von Rekultivierungsschichten; Wasseranfall in Drainschichten; Durchflüsse durch mineralische Dichtungsschichten; Drain- und Dichtwirkung von Kapillarschichten. Die Erkenntnisse fließen in eine kritische Analyse des Regel-Deponieoberflächenabdichtungssystems nach Deponieverordnung sowie der dazu alternativ vorgesehenen Oberflächenabdichtungssysteme ein. Die Veröffentlichung der Erkenntnisse ist für Herbst 2004 geplant.
An der BAM wurden fuer Permeationsuntersuchungen grossvolumige Messzellen mit Kombinationsdichtungen und Kombinations-Dichtwaenden aufgebaut und der integrale Stofftransport von Kohlenwasserstoffen und chlorierten Kohlenwasserstoffen seit ca. zehn Jahren untersucht. Es stehen jetzt in den Zellen unterschiedlichste Dichtungsmaterialien zur Verfuegung, die ueber viele Jahre unter definierten Bedingungen durch die Migration von Kohlenwasserstoffen belastet waren. Im Rahmen des vorgelegten Forschungsvorhabens sollen die Messzellen zerlegt und die Materialien detailliert analysiert werden. Ermittelt bzw. ueberprueft werden dabei langfristige sorptions- und permeabilitaetsveraendernde Mineralreaktionen in Erdstoffen bei Belastung mit Kohlenwasserstoffen sowie die fuer die Modellierung des Schadstofftransportes erforderlichen Stofftransportparameter. Das Vorhaben wird gemeinsam mit der Universitaet Regensburg (Prof.Dr. Range, Dr. Breu) realisiert.
Zum Schutz der Umwelt vor der Ausbreitung von Schadstoffen, die gegebenenfalls aus abgelagerten Stoffen freigesetzt werden koennen, wird nach heutigem Stand der Deponietechnik in der Regel ein Multibarrierenkonzept angestrebt. Es stellte sich die Frage, ob feinkoernige Stahlwerksschlacken den Anforderungen an Deponieabdichtungen genuegen koennen. Grundsaetzliche Ueberlegung des initiierten Forschungsprogramms war es, die Wasserdurchlaessigkeit feinkoerniger Stahlwerksschlacken durch die Zugabe geeigneter Stoffe weiter zu verringern. Die im Rahmen des Forschungsvorhabens durchgefuehrten Untersuchungen haben gezeigt, dass sich mit dem Einsatz feinkoerniger Stahlwerksschlacken fuer den Bau mineralischer Dichtungsschichten Wasserdurchlaessigkeitsbeiwerte in einer Groessenordnung von 10-7 bis 10-8 m/s erreichen lassen. Diese Werte lassen einen Einsatz fuer eine breite Palette von Abdichtungsmassnahmen zu. Nicht moeglich scheint nach den erzielten Ergebnissen allerdings der Bau von Deponiebasisabdichtungen zu sein. Gleichzeitig hat sich jedoch auch gezeigt, dass eine Zugabe feinkoerniger Zusatzstoffe nicht - wie eigentlich erwartet - zu einer deutlichen weiteren Verbesserung des Wasserdurchlasswiderstandes fuehrt. Ueber dies wurde nachgewiesen, dass die Zugabe von Steinkohlenflugasche oder gemahlenem Huettensand die Festigkeit der Schichten in einem Masse erhoeht, welches bei eintretenden Setzungsvorgaengen das Auftreten von Rissen befuerchten laesst. Eine moegliche Verbesserung der Abdichtungswirkung waere damit wieder zunichte gemacht.
Das Vorhaben besteht aus 4 Teilvorhaben. Im Teilvorhaben I sollen Kombinationsdichtungen (KD), bestehend aus einer Erdstoffdichtung und einer darauf direkt verlegten Kunststoffdichtungsbahn (KDB) auf ihre Barrierenwirkung gegenueber KW/CKW-Gemischen und schwermetallhaltigen KW/Wasser-Gemischen untersucht werden. Dabei sind die KDB mit verschiedenen Erdstoffdichtungen (Tone, Betonit-Erdstoff-Mischung) kombiniert und die Permeationsraten werden gemessen. Das Ziel wird sein, Aussagen fuer den Aufbau einer KD mit optimaler Sperrzeit zu machen. Fuer die KDB wurden Werkstoffe verwendet, die gegenueber Permeenten chemisch bestaendig sind. Eventuelle chemische Wechselwirkungen der Permeenten mit den Erddichtungsstoffen werden in Teivorhaben II studiert. Dabei sollen kristallchemische Untersuchungen ergaenzt durch REM-Aufnahmen durchgefuehrt werden. Im Teilvorhaben III soll der Nachweis erbracht werden, dass eine nur 60 bis 100 cm dicke Erdstoffdichtung unter einer KDB durch moegliche unguenstige hydrogeologische oder technisch bedingte Verhaeltnisse nicht austrocknen kann und somit durch Rissbildung an Dichtigkeit verliert. Wesentliches Ziel dieses Teilvorhabens ist die Ermittlung von Einflussfaktoren fuer den Grad einer moeglichen Austrocknung, um ggf. fuer die Praxis der Deponieplanung technisch vertretbare Grenzen festlegen zu koennen. Im Teilvorhaben IV sollen grundbautechnische Fragen in Zusammenhang mit der prinzipiellen 'Machbarkeit' von KD bearbeitet werden, wie z.B. -Klaerung der Anforderungen an die Oberflaeche als Unterlagen der KDB, -Einbau und Pruefung der Dichtung, -Wahl der Reibungsbeiwerte mineralische Dichtung.
Mineralische Dichtungsschichten sind zentrale Komponenten von Kombinationsdichtungen, die in der TA Abfall (1991) und TA Siedlungsabfall (1993) beschrieben werden und in Deutschland die gesetzliche Grundlage für den Deponiebau darstellen. Sie können ihre Dichtungsfunktionen nur erfüllen, sofern der Dichtungskörper Strukturen ohne oder mit nur geringem Interaggregatporenanteil aufweist. Interaggregatporen sind Grobporen und infolgedessen potenziell hydraulisch aktiv. Die Dichtungsfunktion mineralischer Dichtungsschichten wird durch Strukturbildungsprozesse - die Bildung und Schließung grober Interaggregatporen im Substratkörper - bestimmt. Insbesondere zwei Prozesse sind für quantitative Ausprägung von Interaggregatporen und damit für die Güte und Qualität mineralischer Dichtungsschichten verantwortlich: Die mechanische Verdichtung beim Bau der Dichtung (primärer Strukturbildungsprozess) führt zur Schließung primärer Interaggregatporen; und die hydraulische Weiterverdichtung (sekundärer Strukturbildungsprozess) führt zur Bildung sekundärer Interaggregatporen (Schrumpfrisse). Im Rahmen dieses Projektes wurden beide Strukturbildungsprozesse mit einem gegenüber der DIN 18127 veränderten Proctorversuch simuliert.
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