Untersuchung thermisch-hydraulisch-mechanisch-chemischer Einwirkungen auf zementbasierte Dichtelemente (THyMeCZ)

Abstract

Ziel des Projekts war die systematische Untersuchung gekoppelter thermisch-hydraulisch-mechanisch-chemischer (THMC) Prozesse und ihrer Auswirkungen auf die Integrität geotechnischer Barrieren. Die Untersuchungen konzentrierten sich auf zwei repräsentative Baustofffamilien: Salzbeton (Rezeptur M2) und Sorelbeton (Variante AX, eine Modifikation der A1-Rezeptur mit erhöhter Anfangspermeabilität). Die hierfür durchgeführten Untersuchungen lieferten weitreichende Erkenntnisse zum unterschiedlichen Durchströmungs- und Korrosionsverhalten der beiden Baustofffamilien. Die experimentellen Untersuchungen belegen fundamental unterschiedliche Verhaltensweisen. Sorelbeton AX erwies sich im Kontakt mit NaCl-Lösung (gesättigt) als instabil, was zu starken Gefügeschädigungen und schließlich zum Versagen der Abdichtung durch einen Lösungsdurchbruch führte. Die Temperatur beschleunigte diesen Zersetzungsprozess signifikant: Während bei 60 °C das Versagen bereits nach circa 100 Tagen eintrat, war bei Raumtemperatur zum selben Zeitpunkt noch eine leichte Permeabilitätsreduktion zu beobachten, bevor das Versagen erst nach ca. zwei Jahren erfolgte. Salzbeton M2 hingegen zeigte im Kontakt mit magnesiumreichen Lösungen (z.B. IP21) komplexe Wechselwirkungen mit einer tendenziellen Abnahme der Permeabilität, was u.a. auf die Bildung neuer, voluminöser Mineralphasen zurückgeführt werden kann. Das Projekt erzielte wesentliche methodische Fortschritte, u.a. wurde ein vollgekoppelter THMC-Messstand entwickelt und in Betrieb genommen, der erstmals Permeabilitätsmessungen unter realistischen Endlagerbedingungen (Drücke bis 15 MPa, Temperaturen bis 60 °C) und mit höchster Präzision ermöglicht. Darüber hinaus wurden die experimentellen Daten aus Langzeitkorrosionsversuchen (Kaskadenversuche) erfolgreich zur Validierung geochemischer Modellrechnungen (mit PHREEQC und der THEREDA-Datenbank) genutzt. Diese Verknüpfung von Experiment und Simulation sichert das Prozessverständnis theoretisch ab und stärkt die Aussagekraft von Langzeitprognosen. Zusammenfassend hat das Projekt THyMeCZ durch die gezielte Kombination aus komplexen Experimenten, der Entwicklung fortschrittlicher Untersuchungsmethoden und validierter geochemischer Modellierung das Prozessverständnis für das komplexe Systemverhalten zementbasierter Abdichtelemente entscheidend vertieft. Damit liefert das Vorhaben eine wissenschaftlich untermauerte und belastbarere Grundlage für die Prognose der Langzeitintegrität von Verschlussbauwerken, die für den Nachweis der Langzeitsicherheit eines Endlagers im Salinar von Bedeutung ist.