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Verhalten von mineralischen Dichtungen bei Frost-Tau-Wechseln



Auf ungefähr einer Strecke von 700 km des bundesdeutschen Wasserstraßennetzes liegt der Wasserspiegel über dem umgebenden Gelände. Somit müssen diese Strecken der Wasserstraßen gegen Verluste von Wasser, aus Gründen der Sicherheit der Dämme und zur Verhinderung des weiträumigen Grundwasseranstiegs gedichtet werden. Der Ausbau bestehender Wasserstraßen auf Querschnitte der Wasserstraßenklasse V muss unter laufendem Schiffsverkehr erfolgen. Hier haben sich in der Vergangenheit mineralische Dichtungen als geeignet, sicher und wirtschaftlich erwiesen. In neuerer Zeit werden auch geosynthetische Ton-Dichtungsbahnen eingesetzt.
Beiden Dichtungsarten ist die nach gängigen Kriterien des Straßen- bzw. Deponiebaus hohe Frostempfindlichkeit gemeinsam, die sich aber bei mineralischen Dichtungen in Wasserstraßen trotz wiederholter Frosteinwirkungen bisher nicht nachteilig bemerkbar macht. Dies war Anlass, eine Untersuchung mineralischer Dichtungen hinsichtlich des Einflusses der Frostbildung auf Durchlässigkeit und Scherfestigkeit zu veranlassen, um zu vermeiden, dass aus Unkenntnis über das langfristige Frost-Tau-Verhalten dieser Dichtungen Leckagen entstehen und damit kritische Situationen hinsichtlich der Standsicherheit.
Die komplexen Vorgänge bei der Frostung von Kanaldichtungen sind Gegenstand der hier vorliegenden Untersuchung. Komplex sind diese Vorgänge deshalb, weil die unterschiedlichen Prozesse von Wärme- und Stofftransport, der Änderungen des Spannungszustandes und Änderungen der Struktur parallel ablaufen. Diese Vorgänge sind dabei nicht unabhängig voneinander zu sehen, sondern beeinflussen sich gegenseitig in unterschiedlich starkem Maße. Während der Frostung bzw. des Tauvorganges ändern sich Dichte, Wasserdurchlässigkeit, Wärmeleitfähigkeit, innere Reibung und Korngefüge. Diese Änderungen sind darüber hinaus nicht homogen, sondern es ergeben sich Bereiche unterschiedlicher Eigenschaften die sog. Aggregate. Anzahl, Ausdehnung, Eigenschaften und Orientierung dieser Aggregate sind wiederum abhängig von einer Vielzahl von Einflussfaktoren, wie z. B. dem Temperaturgradienten und damit der Frostgeschwindigkeit, dem Sättigungsgrad, der Durchlässigkeit, etc.. Zudem ergibt sich für den speziellen Fall der Kanaldichtung schon allein aufgrund der Tatsache, dass Wärme- und Stofftransport nicht richtungsparallel angesetzt werden können die Notwendigkeit, eine zweidimensionale Betrachtung des Problems durchzuführen (Abb 1).
Aufgrund der Zahl der zu berücksichtigen Einflussfaktoren und der sich daraus ergebenden Zahl an Einzelversuchen war es notwendig, geeignete Modellversuche zu konzipieren, mit deren Hilfe eine effektive Bearbeitung der Fragestellungen möglich ist (Abb. 2).



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Abbildung 1: Wasserwechselzone als Teilausschnitt der Kanaldichtung



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Abbildung 2: links: mineralische Dichtung vollständig eingebaut, rechts: Aufstellung des Modells im Klimaraum und Plazierung der Thermistoren zur Erfassung der Temperatur