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Plastic products used in geotechnical engineering, so-called geosynthetics, are often made of polyolefins (polyethylene or polypropylene) and stabilized against oxidative degradation by antioxidants (AO). Three types of AO “packages” are used: (P1) phenols and phosphites/sulfides, (P2) hindered amines (HAS) with a marginal stabilization P1 of the basic resin, (P3) a combination of packages P1 and P2 with comparable amounts of phenol and HAS. We report about long-lasting oven aging and water immersion tests at 80 °C of 29 different polyolefin based products (geomembranes, geonets and geotextiles). Pronounced differences in the degradation behavior were found depending solely on the type of AO package. In case of P1, the oxidative degradation is prevented by the AO. Autocatalytic oxidation only begins after depletion of AO and may lead to catastrophic failure depending on the environmental conditions. In case of P2, degradation starts right from the beginning. However, it is decelerated and proceeds gradually. In case of P3, the degradation behavior seems to be a superposition of the characteristics obtained for P1 and P2. Plotting the fractional loss of the AO in P1 and P2 as function of the square root of aging time, we identified two regimes of AO depletion. We suggest to attribute this observation to the different mechanisms of AO depletion.
Testing of the oxidative resistance of polyolefin based geosynthetics in
autoclaves at high oxygen pressure has been suggested as an alternative method to
conventional forced-air oven aging. The intention is to shorten considerably the testing
time and to ensure that aging is performed under the condition of rate-controlled
and not diffusion-limited oxidation. We compare data from high pressure autoclave
tests (HPAT) with data from oven aging and water immersion tests at 80 °C. For this,
the stabilization of the samples has to be taken into account. Polyolefin based geosynthetics
are usually stabilized by two types of “packages” of antioxidants (AO), designated
here as P1 and P2. P1 consists of phenols and phosphites, P2 of hindered amine
stabilizers (HAS) in addition to a marginal stabilization P1 of the resin for the manufacturing
process. Phenolic and phosphite AO are quickly consumed in the HPAT.
Failure time is tremendously reduced compared to forced-air oven aging or water
immersion. The results are discussed within the framework of a basic autoxidation
scheme (Wise et al., 1997). The reduction is much greater than expected from theoretical
considerations. Therefore, a direct and degrading reaction of oxygen with the AO
has to be assumed. In case of HAS, the time dependence of the degradation of tensile
properties in the HPAT is significantly different from the dependence observed in
conventional forced-air oven aging and their effectiveness is likewise strongly reduced.
A conclusive interpretation of HPAT results needs a better understanding of
what happens to the AO at high oxygen pressure.
Bereits vor der vergangenen Leipziger Deponiefachtagung waren eine Reihe von Zulassungsrichtlinien für Geokunststoffprodukte verabschiedet worden. Dokumente wurden nun überarbeitet und weitere sind hinzugekommen. Die Zulassungsscheine für bereits bestehende und auch neue Zulassungen werden auf dieser Basis für die Produkte erneuert oder erstellt.
Auch Kunststoffdränelemente sind wie alle Kunststoffprodukte für Kriechen und Stabilitätsversagen anfällig. Ein Kunststoffdränelement verformt sich unter langanhaltender Druck- und Scherbelastung allmählich. Dabei werden die Dicke und damit auch das Wasserableitvermögen reduziert. Wenn die Verformung parallel zur Ebene im Laufe der Zeit einen kritischen Wert überschreitet, kann es zum Scherversagen kommen. Das Kunststoffdränelement kann auch Zusammenbrechen, wenn die Dicke des Produktes einen kritischen Wert unterschreitet. Diese Effekte werden an Hand von Daten von Herstellern von vier verschiedenen Produkten beschrieben. Das Langzeit-Wasserableitvermögen und die akzeptable Grenzen für die Scher- und Normalspannung vor dem Hintergrund von Scherversagen und Dränkemstabilität und die Lebensdauer in Bezug auf diese Versagensmechanismen werden durch Zuhilfenahme standardisierter Prüfverfahren bestimmt. Diese Eigenschaften von Kunststoffdränelementen müssen bei der Planung dauerhafter geotechnischer Bauwerke berücksichtigt werden. Zudem wird kurz auf das Qualitätsmanagement bei dem Einbau und der Lagerung der Produkte auf der Deponiebaustelle eingegangen.
Die neue Deponieverordnung regelt im Anhang 1 auch den Einsatz von Geokunststoffen im Deponiebau. Deren Eignung muss der zuständigen Behörde gegenüber nachgewiesen werden. Auf die entsprechenden Regelungen wurde im ersten Teil dieses Aufsatzes eingegangen. Zumindest in den nächsten Jahren kommt nur ein Nachweis durch Vorlage einer Zulassung der BAM Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung in Betracht. Das Zulassungsverfahren wird in der Deponieverordnung geregelt. Die Zulassungsbehörde soll u.a. nicht nur ein bestimmtes Produkt auf der Grundlage von Zulassungsrichtlinien überprüfen, sondern auch in Zusammenarbeit mit einem Fachbeirat Anforderungen an den fachgerechten Einbau und das Qualitätsmanagement festlegen. Das Zulassungsverfahren und einige wesentliche technische Zulassungsanforderung, die für Kunststoffdichtungsbahnen, Schutzschichten, Geotextilien, Kunststoff-Dränelement, Bewehrungsgitter aus Kunststoff und Dichtungskontrollsysteme inzwischen erarbeitet und in Zulassungsrichtlinien beschrieben wurden, werden erläutert.
Der Zugversuch ist ein wichtiges Prüfverfahren für die Qualitätssicherung von Kunststoffdichtungsbahnen, die in der Geotechnik (Deponiebau, Tunnelbau usw.) verwendet werden. Für die Vergleichbarkeit und Beurteilung der Ergebnisse ist ein standardisiertes Verfahren erforderlich. Da sich Kunststoffe durch ihr ausgeprägtes viskoelastisches Verformungsverhalten von anderen Baumaterialien unterscheiden, werden die ermittelten Kennwerte sowie deren Bedeutung und Verwendbarkeit für die Praxis diskutiert. Die Einsatzmöglichkeiten und -grenzen von Extensometern werden erläutert. Am Beispiel des Zugversuchs werden zudem die Schwierigkeiten bei der Normungsarbeit aufgezeigt: Angefangen vom Einfluss unterschiedlicher Normungsorganisationen und -komitees sowie der Hersteller auf den Entstehungsprozess der Normen bis hin zu Übersetzungsfehlern. Dabei zeigt sich, dass es durchaus sinnvoll sein kann, für bestimmte Arten von Produkten, wie z. B. PEHD-Dichtungsbahnen, eine eigene Norm zu erarbeiten.
Geokunststoffe aus Polyethylen (PE) oder Polypropylen (PP) müssen mit Antioxidantien (AO) stabilisiert werden, damit sie die für die Anwendung in der Geotechnik erforderliche Lebensdauer erreichen. Die Lebensdauer ist dann aber nicht durch die Empfindlichkeit des Polymers gegen Oxidation, sondern durch den Verlust der AO im Laufe der Zeit bedingt. AO können durch den Verbrauch bei Oxidationsreaktionen, durch den Abbau im Polymer, durch die Wanderung an dessen Oberfläche, durch den Abbau auf der Oberfläche, schließlich durch Abdampfen von der Oberfläche oder durch sich Lösen in einem umgebenden flüssigen Medium verloren gehen. Bei den Geokunststoffen aus PP und PE wie auch bei anderen polyolefinen Kunststoffprodukten findet man häufig zwei bestimmte „Pakete“ aus Antioxidantien: (1) eine Kombination von Substanzen aus bestimmten Klassen von sterisch gehinderten Phenolen und Phosphiten und (2) eine Substanz aus der Klasse der sterisch gehinderten Amine (HAS) in Verbindung mit einer geringfügigen phenolischen und phosphitischen Verarbeitungsstabilisierung der Formmasse. Der Verlust der AO wie auch der oxidative Abbau der mechanischen Eigenschaften des Geokunststoffs verläuft ganz unterschiedlich, je nachdem mit welchem Paket stabilisiert wurde. Diese Unterschiede werden im Rahmen eines „3-Stadien-Modells“ diskutiert. Stadium A: die Antioxidantien gehen verloren. Stadium B: die Oxidation läuft langsam an. Stadium C: die Oxidation wirkt sich mehr oder weniger drastisch auf die Produkteigenschaften aus. Dabei zeigt sich, dass das Modell nur auf das Paket 1 anwendbar ist. Im Falle des Pakets 2 findet in gewissem Umfang schon im Stadium A ein oxidativer Abbau statt, ln beiden Fällen ist es aber die AO-Verlustzeit die eigentlich die Lebensdauer bestimmt. Es werden dann Abschätzungen der Lebensdauer von PEHDDichtungsbahnen und von PP-Vliesstoffen gegeben. Die Prüfung und Bewertung der oxidativen Beständigkeit muss die Eigenart der Wirkung und des Verlusts unterschiedlicher Stabilisierungen berücksichtigen. Vor diesem Hintergrund wird die Hochdruck-Autoklav-Prüfung beurteilt. Es werden die Besonderheiten dieser Prüfmethode aufgezeigt, die sich jeweils bei der Anwendung auf Produkte ergeben, die entweder mit dem Paket 1 oder dem Paket 2 stabilisiert wurden. Eine Vorhersage der Lebensdauer unter Anwendungsbedingungen aus den Ergebnissen der Autoklav-Prüfung ist sehr schwierig und vermutlich nur in bestimmten Fällen überhaupt möglich. Ähnliches gilt auch für die vergleichende Bewertung der oxidativen Beständigkeit von Produkten.