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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.
The German Federal Institute for Materials Research and Testing (BAM) has established a testing guideline to assess the suitability of geosynthetic or geocomposite drain (GCD) elements for final landfill cover systems. In an earlier paper the uniform procedure according to the BAM guideline for determining long-term water flow capacity was described, and the structural stability of drain cores under creep was investigated. The extrapolation of creep curves is permissible only when it can be shown, over the extrapolated period (at least 100 years), that oxidative aging does not invoke any relevant changes in the polyolefin material. This can be shown by measuring antioxidant depletion and mechanical degradation of the drain cores and filter/protection geotextiles in oven aging and water immersion tests. In this paper the results of such aging studies on three different GCD products are reported. Degradation of the tensile strength of HALS-stabilized polypropylene needle-punched nonwoven geotextiles (PP NWGTs) starts right from the beginning of the oven aging. This has to be taken into account for lifetime predictions based on residual tensile strength. The rate of oxidative degradation of NWGTs decreases significantly with increasing mass per area. Therefore the expected service life sets a limit on acceptable geotextile grammage. Antioxidant depletion in the drain cores, which are made of relatively thick PP strands or HDPE ribs, is about an order of magnitude slower than in filter and protection NWGTs, which are made of thin fibers. Service life values in excess of 100 years may be obtained for the products when the geotextiles and drain cores are properly stabilized and designed.
Funktionsdauer von Kunststoff-Dränelementen für Oberflächenabdichtungen von Deponien und Altlasten
(2007)
Geosynthetics are planar polymeric products, which are used in connection with soil, rock or other soil-like materials to fulfill various functions in geoenvironmental engineering. Geosynthetics are of ever-growing importance in the construction industry. Sealing of waste storage facilities to safely prevent the emission of wastewater, landfill gas and contaminated dust as well as the diffusion of pollutants into the environment and coastal protection against storms and floods and reconstruction after natural disaster are important fields of application. We will give an overview of the various geosynthetic products. Two examples of the material problems related to geosynthetics are discussed in detail: the effect of creep on the long-term performance of geocomposite drains and the numerical simulation of the interaction of soil with geogrids. Both issues are of importance for the use of these products in landfill capping systems. The various functions, which geosynthetics may fulfill in the protection of coastal lines, are illustrated by case studies. The geosynthetic market is evaluated and economical and environmental benefits, as well as environmental side effects related to the use of geosynthetics, are discussed.
Mit PE-HD-Dichtungsbahnen kann eine sehr wirksame, endgültige Oberflächenabdichtung auf einer Deponie gebaut werden. Dies setzt zwei Dinge voraus: die Dichtungsbahnen müssen fehlerfrei eingebaut werden und sie müssen lange genug halten. Die Lebensdauern von PE-HD-Dichtungsbahnen können sich jedoch je nach Werkstoff, Verarbeitung und Installation um Größenordnungen unterscheiden. Für die Auswahl sind daher spezielle Untersuchungen zur Alterung entscheidend und die Herstellungs-, Schweiß- und Verlegetechnik müssen bestimmte technische Standards erfüllen.
The shape memory functionality of a segmented poly(ester urethane) and its hydrolytically aged specimens has been studied by cyclic thermo-mechanical measurements with an imposed strain of 100%. The shape memory effect was triggered by a melting transition in the soft segment phase. Aging was enforced by immersion in hot de-ionized water. In the course of the immersion the tensile properties (secant moduli, stress and strain at yield and break) were impaired by hydrolysis. Advanced specimen embrittlement finally led to rupture during the first thermo-mechanical cycle. This happened after 68 days of aging at 55 °C and correspondingly after 8 days at 80 °C. The residual strain after the first cycle, which was about 25%, increased significantly with aging time. Therefore, the total strain recoverability became ever smaller: aged specimens needed conditioning by at least two cycles for a full development of shape recoverability. Likewise the recovery force decreased continuously. Despite these degradation effects, it was observed that the shape fixity and the cycle-related shape recovery of appropriately conditioned specimens (number of cycles N > 2) remained on a constant high level (at round 100% and between 90% and 100%, respectively) throughout the whole aging period. These observations are discussed within the framework of a simplified model of the behavior of crystallizable shape memory polymers. The amorphous state of the polymer is described by the equation of the linear visco-elastic solid. As for the semi-crystalline state the material is assumed to react elastically with respect to deviations from the configuration, which was frozen up under constraint conditions. The curves of the dependence of the material behavior on aging time at 55 °C match perfectly those at 80 °C when the time axis is adjusted by a factor of 8.5, from which the apparent activation energy for hydrolytic aging in the amorphous state of 82 kJ mol-1 could be deduced.
Hydrolytic degradation and functional stability of a segmented shape memory poly(ester urethane)
(2009)
In order to understand the effects of water and hydrolytic ageing on semi-crystalline poly(ester urethane) and its shape memory functionality, water immersion experiments at elevated temperature have been performed on a model substance and various parameters were monitored: change of the melting/crystallisation temperatures, substantial increase in crystallinity, temperature dependence of the water diffusion coefficient and solubility, hydrogen-bonding index and phase mixing by peak deconvolution of the FT-IR carbonyl region and day-to-day tensile and thermo-mechanical cyclic tensile tests. A rising fraction of freezable water agglomerates in the polymer was found for specimens cooled from the immersion temperature. The degradation process could be divided into three phases: an induction phase, a phase of continuous degradation and a phase of accelerated degradation. Shape recovery remains fairly constant during phase one and decreases slowly during phase two. The increase in crystallinity in phase two is accompanied by an increase in shape fixing ability.
Bereits auf der letzten Leipziger Deponiefachtagung wurde über die Anforderungen an Kunststoff-Dränelemente berichtet. Vor dem Hintergrund unserer Beiträge in Leipzig und Würzburg (Tagung: Die sichere Deponie) zu diesem Thema, entstand eine intensive Fachdiskussion, u. a. im Fachbeirat der BAM. Hier wurde auch über das Qualitätsmanagement beim Einbau der Produkte auf der Deponiebaustelle diskutiert. Diese verhältnismäßig "empfindlichen" Produkte können nur dann ihre volle Wirkung entfalten, wenn sie sachgemäß behandelt und eingebaut werden. Es wurde daher im Fachbeirat beschlossen, dass dieses Thema in einer Musterverlegeanweisung behandelt werden sollten. Diese wurde im Fachbeirat und in seiner Arbeitsgruppe Geotextilien und Kunststoff-Dränelemente erarbeitet und beschlossen. Auf diese Musterverleganweisung wird im Folgenden eingegangen.
Es könnte leicht der Eindruck entstehen, dass Kunststoff-Dränelemente mittlerweile in dem Sinne Stand der Technik sind, dass sie ohne weiteres in allen Bauprojekten eingesetzt werden könnten. Dies ist nicht der Fall. Eine messtechnische Analyse des mechanischen Langzeitverhaltens im Rahmen der Zulassung zeigt die Anwendungsgrenzen jedes Produkts. Das Langzeit-Wasserableitvermögen und die noch zulässigen mechanischen Beanspruchungen müssen bei der Anwendung betrachtet werden. Wir möchten daher unser Konzept zur Beurteilung der Langzeiteigenschaften der Kunststoff-Dränelemente vorstellen und auf die resultierenden Anwendungsgrenzen hinweisen. Der daraus resultierende Umfang der relevanten Produkteigenschaften, die beachtet werden müssen, ist erheblich größer als der bescheidene Umfang, der etwa einer CE-Kennzeichnung zugrunde liegt. Auch auf dieses Thema möchten wir in Kürze eingehen.
In einem von der Firma GSE Lining Technology GmbH geförderten F+E-Vorhaben wurde die Langzeitscherfestigkeit und die Oxidationsstabilität von deren strukturierten PE-HD- Dichtungsbahnen untersucht. Bei diesen strukturierten Dichtungsbahnen wird das Strukturmaterial in einem eigenen Arbeitsgang aufgebracht. Das PE-HD-Material der Grundbahn war in allen Fällen Vestolen A 3512 R. Für das Strukturmaterial wurden die PE- LLD-Werkstoffe Ladene 118 N mit zwei Rußbatches (Proben 229/1 und 229/2) und Dowlex 2045 E mit zwei Rußbatches (Proben 229/3 und 229/4) verwendet. Die Langzeitscherfestigkeit wurde in Zeitstand-Scherversuchen in Wasser bei 80 °C getestet und dabei auch die Veränderung der OIT Werte von Grundbahn und Strukturmaterial gemessen. Die Oxidationsstabilität des Strukturmaterials im Vergleich zur Grundbahn wurde in Autoklavenversuchen an Proben im Wasserbad unter einem Sauerstoffdruck von 20 bar und 80°C geprüft. Nach der Immersion wurde die Veränderung der Reibungsparameter in Scherkastenversuchen ermittelt.
Ein Geokunststoffprodukt muss in einer Deponieabdichtung unter allen relevanten Einwirkungen seine Funktion mindestens 100 Jahre lang erfüllen. Diese Annahme ist nicht schon allein dann gerechtfertigt, wenn Alterungsuntersuchungen gezeigt haben, dass der verwendete Werkstoff voraussichtlich so lange halten wird. Darüber hinaus gehende Fragestellungen zur Funktionserfüllung, die im Zulassungsverfahren bearbeitet werden müssen, werden am Beispiel von Kunststoff-Dränelementen und Bewehrungsgittern diskutiert. Es geht dabei um die Auswirkung von äußeren Kräften, die über diesen sehr langen Zeitraum einwirken.
Die Grenze für noch zulässige Druck- und Scherkräfte bei einem Kunststoff-Dränelement muss ausgelotet und das zugehörige Wasserableitvermögen bestimmt werden. Mögliche Einschränkung für den Herausziehwiderstand eines Bewehrungsgitters müssen abgeschätzt werden. Damit werden auch die Aufgaben zukünftiger Normungstätigkeit Umrissen. Ergänzend werden einige Erläuterungen zu aktuellen Entwicklungen gegeben: Eine neue Ausgabe der Fremdprüferrichtlinie wurde erarbeitet. Zulassungen für Bewehrungsgitter wurden erteilt.
Schließlich wird kurz erklärt, was Befristung einer Zulassung, Erlöschen einer Zulassung und Widerruf einer Zulassung bedeuten.
Long term behaviour of composite liners under exposure to a mixture of concentrated hydrocarbons
(1999)
To properly understand and assess the long-term behaviour of geosynthetic materials it is necessary to investigate the various types of possible degradation mechanims. This includes both chemical and mechanical behaviour, and sometimes even their interactions with one another. Clearly, chemical degradation of geosynthetics depends on the polymer type. For example, polyolefins are vulnerable to oxidation; polyesters are susceptible to hydrolysis; and plasticizers can leach from polyvinyl chloride. This paper describes the concept of these three types of degradation, but focuses on the oxidation of polyolefins since the majority of the geosynthetics is made from this type of polymer. The methods used to predict the lifetime of antioxidants and service life of the geosynthetic material will be illustrated. Furthermore, the influence of temperature, pressure, and ultraviolet light on the service life are also demonstrated. Finally, the current specifications targeting the longevity of different geosynthetics are presented.
Regarding mechanical degradation, the paper mainly focuses upon the creep deformation of geogrids and stress crack resistance (SCR) of polyethylene geomembranes and geopipe. The method to assess stress crack resistance is described, and the microscopic mechanisms that lead to such failure are explained. For creep evaluation, different acceleration tests are presented and their applicability with respect to the different types of polymers is illustrated. In addition, the long-term shear behaviour of geocomposites and geosynthetic clay liners is presented.
Geogrids, which are installed to prevent sliding failure on long and steep slopes, have to be safely anchored. The design and calculation of the anchorage is based on simple design rules. Basically, it is assumed that the pull-out resistance is proportional to the soil shear strength, the vertical load and the anchoring length and that the soil-reinforcement coefficient of proportionality as determined in pull-out tests is typically in the range between 0.5 and 1. Based on an extended version of a model for the soil-geogrid interaction, which was described by Ziegler and Timmers (2004) and Sieira et al. (2009), the physical assumptions and limitations of these rules are discussed. For those geogrids, for which the passive thrust mobilization of earth pressure by the displacement of the transversal or bearing force grid elements substantially contributes to the pull-out resistance, the mechanical strength of the junction between longitudinal and transversal elements is of crucial importance. The relation between mechanical properties of the junction, the flexibility of the longitudinal grid elements, the surface friction and the finally achieved pull-out resistance is exemplarily shown by a model calculation. It is included, that due to aging and creep the short-term junction strength may be significantly lower than the long-term strength. There is a certain critical pull-out resistance and an associated critical anchorage length. Both are determined by the strength of the junction embedded into the soil and are independent from the actually installed anchorage length. For a safe design it is not allowed to go beyond that limit. This requirement restricts the range of application of the common design rules. It follows that not only the long-term strength of the longitudinal elements has to be considered and quantified by reduction factors but also the long-term strength of junctions. These limitations have to be observed to achieve a safe design of the anchorage. Preliminary design rules are discussed.
Geosynthetic clay liners (GCLs) often have a sandwich-like multilayer structure, e.g. bentonite encased between two geotextile layers connected by fibers or yarns, either by needle-punching or stitch-bonding. Therefore, the internal shear strength of the GCL depends on the strength of reinforcing fiber bundles or yarns and their anchoring strength in the cover and carrier geotextiles. When used on long and steep slopes and covered with thick soil layers, the GCL is permanently exposed to a combined action of compressive and shear stress. Such load conditions are characteristic for landfill covers and the slope stability of the overall cover system in the long run strongly depends on the long-term internal shear strength of the GCL. A new test method was developed to study this long-term shear behavior. The focus was not only on creep, as it is normally done, but on aging effects. The shear test devices allow the measurement of creep curves and times-to-failure at elevated temperatures in different media (tap water and de-ionized water). In this publication, the main findings of the experiments on needle-punched GCLs with and without thermal treatment are summarized. Tap water as a test medium was essential to ensure sodium to calcium ion exchange in the bentonite layer. Under this condition extremely long test durations without failure were achieved. Sliding failure occurred when de-ionized water was used. Two failure modes were observed: brittle failure of the GCLs with thermal treatment and slow disentanglement of fiber bundles for untreated GCLs. Short-term shear strength (e.g. peel strength) is unrelated to the actual long-term shear strength, i.e. to the times-to-failure achieved in long-term shear strength test. Hence, short-term shear strength alone will not provide reliable dimensioning data for product design and choice of resins. Therefore, the often suggested approach, namely, restriction to short-term tests only and application of factors of safety, is challenged by these results.