Funktionsdauer von Bentonitmatten in Oberflächenabdichtungen

Leitung: Prof. Dr.-Ing. Werner Blümel
Bearbeiter: Dr.-Ing. Antje Müller-Kirchenbauer
Laufzeit: Abschluss 2009

Bentonitmatten (GTD) werden weltweit im Deponie- und Wasserbau als Dichtungen eingesetzt. Sie bestehen aus einer Bentonitschicht von rd. einem Zentimeter Dicke, die zwischen zwei miteinander vernähten Geotextilschichten eingelagert ist. Das langfristige Abdichtungsverhalten kann in Lysimetern über längere Zeiträume z.B. unter deponieähnlichen Randbedingungen geprüft werden. Anhand der gemessenen Wasserhaushaltsgrößen wie Niederschlag (N), Dränage (DA), Durchsickerung (DS) etc. können Rückschlüsse auf die langfristige Dichtungswirksamkeit einer Bentonitmatte gezogen werden. Im Jahr 1998 wurden von der NAUE GmbH & Co KG, Espelkamp, in Lemförde im Westen Niedersachsens sechs Lysimeter installiert. Die Messungen werden seitdem vom Institut für Grundbau, Bodenmechanik und Energiewasserbau wissenschaftlich betreut.

Die Lysimeter und ein Raum mit den verschiedenen Messeinrichtungen befinden sich im Inneren eines Erdhügels. Die Wassermengen von Niederschlag, Dränage und Durchsickerung werden mit einer Kippwaagenmesseinrichtung im 10-Minuten-Takt digital erfasst. Über den zu untersuchenden Bentonitmatten wurden sowohl die Einbaudicke als auch die Durchlässigkeit der überdeckenden Rekultivierungsschicht variiert. Die Schichtensysteme der Lysimeter 1 bis 3 wurden in Anlehnung an den Aufbau von Deponie-Oberflächenabdichtungen gewählt (Abb. 1). Die Rekultivierungsschicht der Lysimeter 1 und 2 wurde zwecks Erhöhung der Wasserdurchlässigkeit nach etwa 3,5 Jahren Betriebszeit ausgetauscht, indem sie in Lysimeter 2 unverdichtet wieder eingebaut und in Lysimeter 1 durch einen grobsandigen Mittelsand ersetzt wurde. Die Lysimeter 4 bis 6 wurden erst im August 2001 in Betrieb genommen und oberhalb der Bentonitmatten mit 0,65 bis 0,85 m schluffigem Sand befüllt. Diese geringe Überdeckung wurde im Hinblick auf mögliche Anwendungen zum Grundwasserschutz im Verkehrswegebau und zur Prüfung der Dichtungssysteme unter extremer Beanspruchung gewählt.

Die Dränagewassermengen steigen stets im Winterhalbjahr an und nehmen dann im Sommerhalbjahr wieder ab (Abb. 2). Einhergehend mit einer Erhöhung der Dränagewasserabflüsse hat sich die Durchsickerung in Lysimeter 1 nach dem Umbau deutlich reduziert.

Auf der Basis der Messwerte pro hydrologischem Halbjahr wurden der Wirkungsgrad der Bentonitmatten und die Systemwirksamkeit (Abb. 3) ermittelt. Die Systemwirksamkeit kann auch als Wirkungsgrad des Gesamtsystems bezeichnet werden. Es ergeben sich bei allen Lysimetern über den gesamten Prüfzeitraum sowohl im Winter- als auch im Sommerhalbjahr Werte auf hohem Niveau. Die Rechenwerte der Kenngröße zur Beurteilung des Wirkungsgrads der Bentonitmatte zeigen dagegen ein komplexeres Bild. In den Sommerhalbjahren werden nur sehr geringe Durchsickerungswassermengen verzeichnet. Im darauffolgenden Winterhalbjahr ergaben sich für die Bentonitmatten trotz der trockenen Sommerhalbjahre und somit möglicher Schrumpfrissbildung in der Bentonitschicht stets wieder hohe Wirkungsgrade.

Großmaßstäbliche Versuche in Lysimetern unter in-situ-Bedingungen sind eine effektive und wirtschaftliche Möglichkeit, das Langzeitverhalten von Deponieabdichtungssystemen mit Bentonitmatten zu untersuchen. Für den bisher siebenjährigen Untersuchungszeitraum ergibt sich beispielhaft für Lysimeter 3 eine gesamte Durchsickerungsmenge von rd. 50 mm bei einer Niederschlagsmenge von rd. 5000 mm und somit eine Systemwirksamkeit von 99 %. Die Bentonitmatten zeigen nach einer temporären Verminderung ihrer Effektivität infolge mangelnder Feuchtezufuhr bei ausreichendem Wasserdargebot wieder ihre volle Dichtungswirkung. Eine Abnahme der Dichtungswirkung der Bentonitmatten im Laufe der Zeit konnte bisher nicht festgestellt werden. Der Austausch schluffigen Rekultivierungsmaterials gegen einen Erdstoff mit größerer Wasserdurchlässigkeit (Sand) hat verstärkte Dränagewasserabflüsse und eine Reduzierung der Durchsickerung zur Folge.

Blümel, W., Müller-Kirchenbauer, A. : Nachweise zur Funktionsdauer von Bentonitmatten in Oberflächenabdichtungen für Deponien und Altlasten, 22. Fachtagung Die sichere Deponie, Würzburg (2006)

Blümel, W., Müller-Kirchenbauer, A., Markwardt, N.: Lysimeteruntersuchungen zu Wasserdurchlässigkeit und Haushalt an Deponieabdichtungssystemen mit Bentonitmatten, in: geotechnik 25 (2002) Nr. 4 Seiten 261-270