Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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Organisationseinheit der BAM
Die Hauptfunktion von Verschlussbauwerken für End- und Zwischenlager von radioaktiven Abfällen besteht in der Erhaltung der geologischen Barriere. Vor allem soll ein potenzieller Stofftransport durch eine möglichst geringe Permeabilität des Bauwerks verhindert bzw. auf vernachlässigbare Werte herabgesetzt werden. Die in-situ-Permeabilität des Verschlussbauwerks steht dabei in direktem Zusammenhang mit dessen Poren- und Makrostruktur, welche bei Bauwerken auf Basis von Beton insbesondere durch Schwind-verformungen und durch thermisch induzierte Rissbildung infolge der Reaktionswärmeentwicklung des Bindemittels gestört werden kann. Die Betone müssen daher neben einer hohen chemischen Langzeitstabilität auch eine geringe bzw. langsame Wärmeentwicklung während der Erhärtungsreaktionen aufweisen. Als hybride Zemente werden Mischungen aus Portlandzement, Betonzusatzstoffen und einem alkalischen Aktivator bezeichnet. Dabei können u. a. Alkalisulfate, Alkalicarbonate, Alkalisilicate und Alkalihydroxide als Aktivatoren zum Einsatz kommen. Aufgrund ihrer hohen chemischen Stabilität im salinaren Milieu sind Betone aus solchen Zementen potenziell besonders gut als Verfüllmaterial für End- und Zwischenlager im Steinsalz geeignet. In der vorliegenden Studie wurden daher hybride Zemente hinsichtlich ihrer Wärmeentwicklung in einem isothermen Kalorimeter sowie hinsichtlich Phasenbestand und Festigkeiten untersucht. Hybride Zementleime wurden auf Basis von Portlandklinker, Hüttensandmehl, Flugasche und Natriumsulfat hergestellt und die Zusammensetzungen systematisch variiert, um den Einfluss der Komponenten auf Wärmeentwicklung, Phasenbestand und mechanische Eigenschaften der Leime zu untersuchen; zusätzlich wurden zu Vergleichszwecken ein Zementleim auf Basis der Betonrezeptur M2 sowie eine alkalisch aktivierte Flugasche untersucht.
Als umweltschonende Alternative zu portlandzementgebundenen
Betonen werden derzeit in der Betonindustrie und in der
Baustoffforschung Betone mit alkaliaktivierten Bindemitteln,
sog. Geopolymerbetone, intensiv erforscht. Die auf industriellen
Reststoffen wie Flugasche und Hüttensand basierenden anorganischen
Bindemittel weisen bei geeigneter Zusammensetzung
einen hohen Widerstand gegenüber aggressiven Salzlösungen
und Säuren auf. Als Grundlage für den rechnerischen
Nachweis der Tragfähigkeit von brandbeanspruchten Betonbauteilen
auf Basis von alkaliaktivierten Bindemitteln werden
deshalb an der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung
(BAM) die mechanischen Hochtemperatureigenschaften
von flugaschebasierten Geopolymerbetonen systematisch
untersucht.
Die bis zu 750 °C erhitzten Probekörper mit quarzitischer
und leichter Gesteinskörnung zeigen einen Festigkeitsverlust
bis ca. 300 °C, der auf entwässerungsbedingte Mikrorissbildung
zurückgeführt werden kann. Bei weiter zunehmender
Temperatur steigt aufgrund von Sinterungsprozessen ab
ca. 500 °C die Festigkeit der untersuchten Geopolymerbetone
wieder an. Diese im Vergleich zu herkömmlichem Beton günstigere
Materialeigenschaft eröffnet potenziell auch Anwendungsmöglichkeiten
in brandschutztechnisch kritischen Infrastrukturbereichen.
Die Ergebnisse der thermomechanischen
Prüfungen werden für numerische Bauteilberechnungen als
temperaturabhängige Spannungs-Dehnungs-Beziehungen aufbereitet.