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Reactive geomembranes and geotextiles are an innovative approach to control the migration of contaminants in geotechnical applications. Within a joint research project in cooperation with a medium-sized enterprise, the preparation and characterization of “reactive” geomembranes and geotextiles modified by the addition of zero-valent metal nanoparticles was performed. Zero-valent iron (ZVI) nanoparticles were added to polyethylene or to the fillings of geo-containers or geosynthetic clay liners. These geosynthetic products consist of mixtures of sand with clay or bentonite, typically embedded in geotextile nonwovens or geomats. The permeability of these geo-containers can be adjusted by the ratio of clay or bentonite to sand. ZVI nanoparticles were also added as reactive material to geomembranes made of polyethylene with additives like the antioxidant Irganox 1010 or glycerin. These additives prohibit oxidation of the nanoparticle and act as hydrogen donor in the dechlorination of chlorinated hydrocarbons. Contaminates such as chlorinated hydrocarbons and toxic heavy metal compounds are either decomposed or converted to less toxic species (e.g. Cr-(VI) reduction to Cr-(III)). The paper reports the first experimental results from manufacturing of the reactive geomembrane model materials and characterization of the products with microscopic techniques. First breakthrough measurements of the ZVI modified geomembrane compared to a reference sample are presented.
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 results of autoclave tests according to DIN EN ISO 13438 (method C) and conventional oven tests in line with DIN EN 14575 are presented for the evaluation of the resistance to oxidation of geosynthetic barriers GBR-P based on polyethylene. These GBR-P products are used as a barrier layer against water in road and railway tunnels. The residual mechanical stability of the exposed materials was determined by tensile testing. The remaining activity of the stabiliser was investigated using the OIT method. The results of both accelerating test methods are discussed and compared in detail. Based on autoclave tests at three temperatures (e.g. 60, 70 and 80 °C) and 50 bar oxygen pressure, and additionally two more measurements at 80 °C and 10 and 20 bar oxygen pressure, a modified Arrhenius extrapolation is used for an assessment of the expected service time of one of the GBR-P products.
Using cationic polyelectrolytes with different molecular architectures, only hyperbranched poly(ethyleneimine) with maltose shell is suited to tailor the morphological transformation of anionic vesicles into tube-like networks. The interaction features of those materials partly mimic biological features of tubular proteins in nature.
Im Rahmen eines von der Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) initiierten Forschungsvorhabens (15.449/2007/ERB: „Prüfverfahren zur Beurteilung der Lebensdauer von Kunststoffdichtungsbahnen für Straßentunnel“) wurden anhand von Untersuchungen an Kunststoffdichtungsbahnen (KDB) auf Basis von Polyolefinwerkstoffen die Möglichkeiten der Beurteilung der oxidativen Langzeitbeständigkeit sondiert.
Im Mittelpunkt stand die Erprobung des Autoklaventests in Anlehnung an DIN EN ISO 13438 (Methode C1/C2) an ausgewählten, für den Tunnelbau repräsentativen marktüblichen KDB-Produkten. Die Untersuchungen im Autoklaven bei erhöhten Temperaturen (60 °C, 70 °C und 80 °C) und Sauerstoffdrücken (11, 21 und 51 bar) wurden durch vergleichende Versuche im Wärmeschrank (Ofen) bei erhöhter Temperatur (85 °C) in Anlehnung an DIN EN 14575 ergänzt. Die KDBProdukte wurden außerdem einer eingehenden Materialcharakterisierung (Zugprüfung, DMA, DSC) unterzogen.
Weiterhin wurden Bauwerksdaten recherchiert und auf ihre Nutzbarkeit zur Bewertung und Prüfbarkeit der Langzeitbeständigkeit von KDB in Tunneln betrachtet. Ziel war auch, die Anwendbarkeit des bisher vorgeschlagenen Extrapolationsmodells zur Auswertung der Ergebnisse von Autoklaventests an im Tunnelbau marktüblichen Produkten für Nutzungsdauern über 25 Jahre zu überprüfen und zur Entwicklung eines geeigneten Prüfverfahrens beizutragen.
Der Beitrag geht auf Ergebnisse des Vorhabens ein und zeigt erste Schlussfolgerungen und weiteren Untersuchungsbedarf auf. Die Ergebnisse werden in den „Empfehlungen zu Dichtungssystemen im Tunnelbau EAG-EDT“ des Arbeitskreises 5.1 „Kunststoffe in der Geotechnik und im Wasserbau“ berücksichtigt, deren 2. Auflage in Vorbereitung ist. Aspekte des thermischen Verhaltens der eingesetzten Werkstoffe sowie mögliche Anpassungen der Prüfrandbedingungen für die Autoklaventests werden ergänzt und Hinweise zur Interpretation von Prüfergebnissen gegeben. Außerdem wurden inzwischen ausgehend von den Ergebnissen des Forschungsvorhabens erste Autoklaven-Ringversuche in drei Prüfinstitutionen initiiert.