Stabilität und Dauerhaftigkeit von Polymeren und Ton-Polymer Kompositen in geotechnischen Anwendungen

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Dr.-Ing. Wiebke Baille; Professor Dr.-Ing. Marc Wichern; Professor Dr.-Ing. Torsten Wichtmann
• Fachliche Zuordnung: Geotechnik, Wasserbau
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 279823280

Polymere werden in zahlreichen geotechnischen und umweltgeotechnischen Anwendungen zur Verbesserung oder als Ersatz von Bentonit eingesetzt. Beispiele dafür sind die Anwendung in Stützflüssigkeiten, modifizierten Tonabdichtungen, sowie als Schmiermittel und Konditionierer im maschinellen Tunnelbau. Polymere unterliegen dabei einer Veränderung ihrer Eigenschaften (Degradation), welche durch verschiedene Einwirkungen im Boden hervorgerufen wird. Es verändern sich grundlegende Polymereigenschaften wie Molmasse, Ladung und Ladungsverteilung sowie chemische Zusammensetzung, was eine Beeinflussung der Bodeneigenschaften wie Durchlässigkeit, Festigkeit oder Steifigkeit, und somit eine Verminderung der geotechnischen Funktionalität zur Folge haben kann. Ebenso können toxischer Abbauprodukte im Boden freigesetzt werden. Dies führt zu Unsicherheiten hinsichtlich der Stabilität und Dauerhaftigkeit von Polymeren bei geotechnischen Anwendungen.Dieser Antrag beschäftigt sich mit der Degradation von Polymeren infolge geotechnisch relevanter Beanspruchung. Hierbei werden sowohl synthetische als auch natürliche Polymere betrachtet. Das geplante Vorhaben ist in drei Hauptteile gegliedert: 1) Entwicklung einer vereinfachten Versuchsmethodik, welche die Charakterisierung von Polymeren für geotechnische Anwendungen ermöglicht, 2) experimentelle Untersuchung der Degradation infolge Scherung, äußerer mechanischer Beanspruchung und biologischer Aktivität, 3) numerische Modellierung zur Untersuchung der Mobilität von Polymeren und ihrer Abbauprodukte im Boden.Im ersten Teil werden basierend auf einem umfangreichen Versuchsprogramm Korrelationen zwischen der Molmasse und der Viskosität sowie zwischen der durch Variation der Salzkonzentration induzierten Ladungsänderung und der Änderung der Viskosität hergestellt. Ein einfacher Durchflussversuch (gemäß Hagen-Poiseuille Gleichung) wird kalibriert, und soll zukünftig als Schnellversuch zur Polymercharakterisierung dienen. Im zweiten Teil wird die Degradation mithilfe adäquater Versuche quantifiziert. Es werden anionische Polymere bei strömungsinduzierter Scherung, kationische Polymere bei mechanischer Belastung in trockenen (spröde) und feuchten (duktil) polymermodifizierten Böden als auch kationisch und anionisch polymermodifizierte Böden bei biologischer Aktivität betrachtet. Die Degradation wird anhand Plastizität, Durchlässigkeit, Viskosität, Bruchfestigkeit, Spannungsdehnungsverlauf, undrainierter Scherfestigkeit und Schwellindex quantifiziert, durch direkten Vergleich der gemessenen Parameter vor und nach der Beanspruchung oder durch indirekte Methoden. Der dritte Teil des Vorhabens beinhaltet eine numerische Untersuchung (Software PLAXIS 3D PlaxFlow) zur Mobilität von Polymeren und deren mögliche Abbauprodukte im Untergrund, wobei die Viskosität und ihre zeit- und ortsabhängige Änderung der bestimmende Parameter sind. Ein bereits entwickelter Ansatz soll für die Simulation der Polymerausbreitung modifiziert werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen