Röntgencomputertomographische Untersuchungen zum Einfluß von salzreichen Lösungen und Trockenphasen auf die Aggregat- und Makroporenstruktur verschiedener Bentonite

Diplomarbeit von Gunnar Wenzel

Einleitung:

Bentonite werden aufgrund ihrer Fähigkeit, Wasser in die Zwischenschichten einzubauen und des damit verbundenen großen Quellvermögens häufig als Abdichtungsmaterial eingesetzt.

Diese Arbeit sollte die Risiken untersuchen, die durch Volumenverluste bei Austrocknung oder durch Einflüsse elektrolytreicher Lösungen für die Dichtwirkung der Bentonite entstehen können. Erstmals wurde dabei die Technik der Röntgen-Computertomographie (CT) zur zerstörungsfreien Erfassung der inneren Probenstrukturen angewendet.

Eine für diese Arbeit konstruierte neuartige Probenzelle erlaubte den zyklischen Wechsel von Aufsättigungs- und Austrocknungsphasen und die Erfassung der damit verbundenen Volumenänderungen unter einer in allen Versuchsphasen konstanten Auflast. Durch die CT-Tauglichkeit der Zelle konnten die zeitlichen und räumlichen Veränderungen der Probenstrukturen im Verlauf der Zyklen visualisiert werden, ohne diese Veränderungen zu beeinflussen.

Die einzelnen Versuchsphasen gliederten sich in:

- Aufsättigung mit demineralisiertem Wasser.

- Austrocknung bei 35°C.

- Wiederaufsättigung mit demineralisiertem Wasser / mit 0,1 molarer Calciumchloridlösung.

- Wiederaustrocknung bei 35°C.

Als Probenmaterial wurde ein natürlicher Natrium-Bentonit, ein natürlicher Calcium-Bentonit und ein sodaaktivierter Calcium-Bentonit eingesetzt.

Alle Bentonite erreichten in der Aufsättigungsphase eine volle Dichtwirkung, eine Durchströmung der Proben trat nicht ein. Der Natrium-Bentonit erreichte die erwartet hohen Quelldehnungs- und Wasseraufnahmewerte, gefolgt vom sodaaktivierten Bentonit und vom Calcium-Bentonit.

Durch die CT-Untersuchungen war es möglich, die während der Austrocknungs-phase auftretende radiale Schrumpfung der Proben zu erfassen und zu quantifizie-ren. Alle Proben zeigten dabei eine anfängliche Reduzierung des Durchmessers, bevor es beim sodaaktivierten Bentonit zum Aufreißen eine durchgehenden Zentral-risses kam. Auch der Natrium-Bentonit zeigte diesen Zentralriß sowie ein bis drei kleinere Nebenrisse.

Während der Wiederaufsättigungsphase wurde ein Teil der Proben mit demineralisiertem Wasser, ein anderer Teil der Proben mit 0,1 molarer Calcium-chloridlösung aufgesättigt. Bei allen Proben konnte mit Hilfe der CT-Untersuchungen die anfängliche Bildung eines engständigen durchgehenden Scherbruchgefüges aufgrund ungleichmäßiger Durchfeuchtung und Quellung. Bei der Aufsättigung mit Wasser konnte sowohl dieses sekundäre Scherbruch- als auch das primäre Trocken-rißsystem durch Quellung innerhalb von 24 Stunden wiederverschlossen werden. Die Wiederaufsättigung mit Calciumchlorid zeigte jedoch eine starke Einschränkung des Quellvermögens aller Bentonite durch Reduzierung der intrakristallinen und der osmotischen Quellung. Dieses reduzierte Quellvermögen reichte nicht aus, die primären Trockenrisse zu schließen, so daß eine konstante Durchströmung der Proben eintrat.

Ziel der Wiederaustrocknung war die Beantwortung der Frage, ob während der ersten Phasen aufgetretene Strukturen Schwächezonen im Probengefüge hinterlassen, an denen bei erneuter Austrocknung bevorzugt Risse entstehen können. Der Natrium- und er sodaaktivierte Bentonit zeigten dabei nur die Konservierung der primären Trockenrißstrukturen, der Calcium-Bentonit bildete mehrere kleinere Risse aus, die sehr gut mit dem Scherbengefüge der sekundären Scherbrüche korrelierten.

Ein für die Bewertung der Langzeitbeständigkeit von Bentonitabdichtungen wichtiges Ergebnis war die deutliche Volumenverringerung aller Bentonite im Verlauf der Aufsättigungs-Austrocknungs-Zyklen. Während der Aufsättigungsphase kommt es zu einer Mobilisierung der Tonmineralpartikel, die sich bei Austrocknung unter der Auflast und durch die vorhandene Wasserspannung deutlich besser einregeln. Sie erreichen somit eine höhere Lagerungsdichte und ein geringeres Volumen.

Die CT-Technologie hat sich im Verlauf dieser Arbeit als ein wertvolles Werkzeug für geotechnische Untersuchungen erwiesen. Nur durch ihren Einsatz war es möglich, sowohl die räumlichen als auch die zeitlichen Veränderungen der Probenstrukturen zu erfassen, ohne die randlichen Versuchsbedingungen verändern zu müssen, wie es bei herkömmlichen Strukturanalysen der Fall ist.

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