TREAmin - eine alternative Deponieoberflächenabdichtung unter Einsatz von HMV-Schlacke

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1 TREAmin - alternative Deponieoberflächenabdichtung mit HMV-Schlacke 1 TREAmin - eine alternative Deponieoberflächenabdichtung unter Einsatz von HMV-Schlacke Birte Pfeiffer 1 und Bernd Fremgen 2 Ecowin GmbH / Wettenberg 1, Schlackeverwertung Breisgau (SVB) / Eschbach 2 Inhaltsangabe Auf der Deponie Eichelbuck/Freiburg wird die herkömmliche tonmineralische Abdichtung durch TREAmin ersetzt, ein alternatives mineralisches Dichtungsmaterial aus aufbereiteter Hausmüllverbrennungsschlacke (HMV-Schlacke) mit definierten Anteilen natürlicher Tonmineralien. Umfassende Eignungsuntersuchungen zeigten die Vorteile der gemischt-körnigen Dichtung und stellten die Grundlage für die Genehmigung durch das Regierungspräsidium Freiburg dar. Hervorzuheben ist die geringe Schrumpfneigung von TREAmin und das gute Regenerationsvermögen nach erfolgter Austrocknung. Für die Deponie Eichelbuck mit Hangneigungen bis 1:2,3 haben sich insbesondere die bautechnischen Vorteile von TREAmin bewährt, die für einen stabilen Untergrund für eine Asphaltdichtung sorgen. Zusätzlich wird mit dem Einsatz von HMV-Schlacke in einer mineralischen Dichtung ein neuer Verwertungsweg im Sinne der Kreislaufwirtschaft beschritten. TREAmin trägt somit als Ersatzbaustoff, mit dem auch wirtschaftliche Vorteile erzielt werden können, zur Schonung von natürlichen Ressourcen bei. Stichworte Deponie, Oberflächenabdichtung, Ersatzbaustoff, HMV-Schlacke, Recycling, Ressourcenschonung, Nachsorge, landfill, surface sealing, alternative building material, waste incineration slag, recycling, resource protection, landfill aftercare 1 Das Dichtungsmaterial TREAmin HMV-Schlacken sind ein häufig eingesetzter Baustoff im Straßenbau und auch im Deponiebau. Auf Deponien werden Schlacken insbesondere als Profilierungsmaterial bzw. als Material für Ausgleichs- und Gasdrainageschichten eingesetzt. Mit dem Einsatz von HMV-Schlacke als Deponieersatzbaustoff muss die stoffliche Unbedenklichkeit gegenüber der im KRW-/ABFG (1994) dargelegten Schutzgüter gewährleistet sein. Demnach muss es sich um eine schadlose Verwertung handeln, die das Wohl der Allgemeinheit nicht beeinträchtigt. Anhand der rechtlichen Anforderunen der DEPONIEVERORDNUNG (DEPV, 2009) konnte für die HMV-Schlacke der SVB die Umweltverträglichkeit für den Einsatz in einer mineralischen Dichtung nachgewiesen werden.

2 2 Beitragstitel (bitte ergänzen, ggf. kürzen, wenn länger als eine Zeile) Neben der Schlacke wurde Ton als weitere Mischungskomponente für die Herstellung des Dichtungsmaterials eingesetzt. Mit ersten Untersuchungen der Durchlässigkeiten konnten die geeigneten Mischungsanteile der beiden Komponenten festgelegt werden und es entstand ein alternatives mineralisches Dichtungsmaterial mit dem Namen TREAmin. Unterstützt wurde dieses Vorhaben dadurch, dass zur gleichen Zeit für die Deponie Eichelbuck in Freiburg ein geeigneter Untergrund für eine Asphaltdichtung als geplante Dichtungskomponente gefunden werden musste. Dabei kann eine gemischtkörnige Dichtung wie TREAmin zu bezeichnen ist Vorteile durch eine gute Stabilität aufweisen. TREAmin stellt ein hohlraumarmes Korngemisch dar, wobei die HMVSchlacke als Korngerüst dient und der Ton als Füllmittel (Abb. 1). Abbildung 1 2 Einbau von TREAmin auf der Deponie Eichelbuck, Freiburg Der Eignungsnachweis Die Eignungsuntersuchungen orientierten sich an den Grundsätzen für die Eignungsbeurteilung unter Verwendung von Abfällen hergestellter mineralischer Dichtungen in Oberflächenabdichtungssystemen von Deponien der LAGA (2005). Die folgenden Ausführungen stellen einen Auszug der maßgeblichen Parameter des Untersuchungskatalogs dar.

3 2.1 Dichtigkeit TREAmin - alternative Deponieoberflächenabdichtung mit HMV-Schlacke 3 Gemäß der Deponieverordnung wird an die mineralische Abdichtung in erster Linie die Anforderung gestellt, dass sie bei 0,5 m Mächtigkeit einen Durchlässigkeitsbeiwert von kf 5 x 10-9 m/s aufweist (DEPV, 2009). Damit soll sichergestellt sein, dass nahezu kein Wasser durch die Dichtung in den Deponiekörper gelangt. Wird die rechnerische Permeationsrate, die sich aus diesen Randbedingungen ergibt, auch bei einer geringer mächtigen mineralischen Dichtung eingehalten, kann die Mächtigkeit der Dichtungskomponente verringert werden. Damit steigen jedoch die Anforderungen an den Durchlässigkeitsbeiwert. TREAmin wies im Rahmen der Voruntersuchungen im geometrischen Mittel einen Durchlässigkeitsbeiwert von kf = 6,5*10-10 m/s. Ergänzt wurden diese Ergebnisse mit Langzeitdurchlässigkeitsversuchen. Die Durchlässigkeit von TREAmin wurde über einen Zeitraum von fünf Monaten untersucht. Dabei konnten die kf-werte der Voruntersuchungen bestätigt werden. Die Vorgaben der Deponieverordnung bezüglich der Dichtigkeit einer mineralischen Dichtung für die Deponieklassen 1 und 2 werden somit gut erfüllt. 2.2 Beständigkeit In Bezug auf die Beständigkeit von TREAmin wurden umfangreiche Untersuchungen durchgeführt. An dieser Stelle werden insbesondere die Ergebnisse der Beständigkeit gegenüber reaktiven Flüssigkeiten und Wassergehaltsveränderungen dargestellt Beständigkeit gegenüber reaktiven Flüssigkeiten Die Beständigkeit gegenüber reaktiven Flüssigkeiten, wie z. B. infiltriertem Niederschlagswasser, das von unterschiedlicher Beschaffenheit sein kann, wurde an Probekörpern in der Wasserdurchlässigkeitsprüfanlage gemäß DIN untersucht. Die Proben wurden mit zwei reaktiven Flüssigkeiten durchströmt. Dabei handelte es sich um Salpetersäure (HNO3) mit einem ph-wert von 4 und ein aus der HMV-Schlacke hergestelltes basisches Eluat. Für jede der reaktiven Flüssigkeiten wurden vier Probekörper aus dem Dichtungsmaterial TREAmin und zwei Probekörper aus dem Tonmaterial, das auch für die TREAmin -Mischung zur Verfügung stand, untersucht. Während der 29-tägigen Versuchsdauer konnten keine signifikanten Veränderungen der Durchlässigkeiten und somit Beeinflussungen der Flüssigkeiten auf das Material festgestellt werden. Abbildung 2 verdeutlicht, dass der Ton unter den Versuchsbedingungen als Referenzmaterial eine höhere Dichtigkeit besitzt als TREAmin. Dennoch wurden auch unter der

4 4 Beitragstitel (bitte ergänzen, ggf. kürzen, wenn länger als eine Zeile) Beaufschlagung mit den oben genannten reaktiven Flüssigkeiten von TREAmin kf- Werte gemessen, die die Anforderungen der DepV von kf 5*10-9 m/s deutlich unterschreiten. 1,0E-08 k f = 5*10-9 m/s TREAmin Referenz 1,0E-09 1,0E-10 1,0E-11 TREAmin Referenz HNO3 TREAmin HNO3 Referenz Eluat TREAmin Eluat Referenz kf [m/s] Abbildung 2 Gegenüberstellung der geometrischen Mittelwerte, der Minimum- und Maximumwerte sowie der Standardabweichung der kf -Untersuchungen ohne Beaufschlagung von reaktiven Flüssigkeiten und mit Beaufschlagung von HNO3 bzw. Eluat der MVA-Schlacke Darstellung des Dichtungsmaterials TREAmin und dem Referenzmaterial aus Ton Beim Vergleich der Reaktion von TREAmin bzw. des Referenzmaterials auf die Säure und die basische Flüssigkeit zeigt sich, dass der Ton eine deutlich negativere Beeinflussung auf den niedrigen ph-wert von 4 zeigt. Bei der Beaufschlagung der basischen Flüssigkeit ist bei TREAmin im Mittel eine leichte Verschlechterung des kf-wertes zu registrieren Beständigkeit gegenüber Wassergehaltsänderungen Die Austrocknungsgefahr einer mineralischen Dichtung ist insbesondere im Bezug auf die Langzeitbeständigkeit, die für jedes Oberflächenabdichtungselement nachzuweisen ist, von großer Wichtigkeit. Deshalb wurde den Untersuchungen zur Beständigkeit gegenüber Temperaturen und Wassergehaltsänderungen besondere Aufmerksamkeit gewidmet. Dies ist auch unabhängig davon erforderlich, dass auf der Deponie Eichelbuch die mineralische Abdichtung von einer Asphaltdichtung überbaut wird.

5 TREAmin - alternative Deponieoberflächenabdichtung mit HMV-Schlacke 5 Die Ursache der Trockenrisse sehen WITT ET AL. (2004) in der Unterschreitung einer kritischen Wasserspannung in der mineralischen Dichtung. Erfahrungswerte für das kritische Potenzial in Dichtungen liegen in Abhängigkeit von Mineralbestand, Struktur, Dichte und Belastungsgeschichte des Materials zwischen 250 bis 500 hpa (WITT, 2005). In Bentoniten und speziellen Böden werden auch höhere Grenzspannungen gemessen (GRÖNGRÖFT ET AL., 2003). Im Vergleich entspricht eine relative Luftfeuchtigkeit von beispielsweise 50 % einer Wasserspannung von ca hpa. Auch muss berücksichtigt werden, dass Pflanzen dem Boden Wasser entziehen können, welches mit einer Spannung von hpa gebunden ist. Gemäß den o. g. Erfahrungswerten einer Belastung von mineralischen Dichtungen durch Wasserspannungen wurden die Probekörper des Dichtungsmaterials TREAmin und des Referenzmaterials voll aufgesättigt, um später Wasserspannungen in der Höhe von 300 hpa und hpa anzulegen. Durch eine Langzeittrocknung des Dichtungsmaterials TREAmin über 29 Tage konnte eine Belastung simuliert werden, die einer Austrocknung knapp unter (Wassergehalt = 28,2 Vol.%) und sogar knapp über (Wassergehalt = 27,1 Vol.%) dem permanenten Welkepunkt von hpa entspricht. Ein Teil der Probekörper wurde bei einer Luftfeuchtigkeit von 35 % und ein anderer Teil bei einer Luftfeuchtigkeit von ca. 60 % getrocknet. Die Trocknung erfolgte bei 20 C in einem Sandbad. Die Probekörper wurden zusätzlich durch Gewichte mechanisch mit 15 kn/m² belastet. Diese Versuchsanordnung orientiert sich an realen Bedingungen und vermeidet eine direkte, oberflächige Austrocknung. Die anschließend ermittelten kf-werte der Proben geben Aufschluss über die Beständigkeit gegenüber diesen definierten Wassergehaltsänderungen bei 300 hpa, hpa und ca hpa (Tab. 1). Tabelle 1: Durchlässigkeitsbeiwerte kf in m/s für das Material TREAmin bzw. für das Referenzmaterial nach der Belastung einer Wasserspannung von 300 hpa, hpa bzw hpa (i=30 cm, DIN 18130) kf (m/s) hpa kf (m/s) hpa kf (m/s) hpa Probe TREAmin Referenz TREAmin Referenz TREAmin LF 35% TREAmin LF 60 % Mittelwert (geom.) 8,4* ,8* ,4*10-9 2,8* ,4*10-9 2,2*10-9 Min 6,8* ,6* ,2*10-9 2,6* *10-9 1*10-9 Max 1,1*10-9 3,0* ,5*10-9 3,0* ,3*10-9 4,7*10-9

6 6 Beitragstitel (bitte ergänzen, ggf. kürzen, wenn länger als eine Zeile) TREAmin weist bei einer Belastung mit einer Wasserspannung von 300 hpa eine leichte Erhöhung des kf -Wertes auf - von 6,5*10-10 m/s aus den Voruntersuchungen auf 8,4*10-10 m/s (geom. Mittel). Eine Wasserspannung von hpa verursacht eine deutlichere Veränderung des Durchlässigkeitsbeiwertes. Mit 2,2*10-9 m/s als maximaler Wert erfüllt das Dichtungsmaterial TREAmin allerdings auch nach dieser Belastung immer noch die Vorgaben der Deponieverordnung. Dies gilt gleichermaßen für die TREAmin -Probekörper, die der Langzeittrocknung ausgesetzt waren. Im geometrischen Mittel zeigt sich eine Zunahme der Durchlässigkeit auf 3,4*10-9 und 2,2*10-9 m/s. Den kf-werten zufolge ist beim Referenzmaterial keine Beeinträchtigung durch die steigende Wasserspannung zu beobachten. Die tatsächliche Schrumpfempfindlichkeit wird erst durch eine Fotodokumentation deutlich. In der Abbildung 3 sind beispielhaft Fotos von Probekörpern nach der Druckstufe hpa gegenübergestellt. Das Referenzmaterial Ton zeigt eine offensichtliche Ablösung des Probekörpers von der Stechzylinderwand, die bereits bei einer Wasserspannung von 60 hpa begann. Die Schrumpfung steigert sich weiter mit der Zunahme der Wasserspannung. Auf der Oberfläche des Referenzmaterials bilden sich keine mit dem Auge sichtbaren Risse. Dadurch, dass die Durchlässigkeitsbeiwertbestimmung der Probekörper in Latexhüllen vorgenommen wird, kann diese Beeinträchtigung durch die Schrumpfung nicht wiedergegeben werden. Abbildung 3: Probekörper des Referenzmaterials (links) und des Dichtungsmaterials (rechts) TREAmin nach Entwässerung bei 1000 hpa Wasserspannung Das Dichtungsmaterial TREAmin ist im Vergleich deutlich weniger schrumpfanfällig als das Referenzmaterial. Durch die unregelmäßige Oberfläche kann nur schwer beurteilt werden, ob sich auf dem Probekörper verteilt Risse gebildet haben. Nur die Erhöhung des kf-wertes weist daraufhin, dass zwischen den Aggregaten Haarrisse entstanden sein müssen. Diese Haarrisse können jedoch durch eine homogenere Befeuchtung

7 TREAmin - alternative Deponieoberflächenabdichtung mit HMV-Schlacke 7 wesentlich besser verquellen, als dies große Schrumpfrisse vermögen (QUANDT ET AL., 2003) Herstellbarkeit In umfangreichen Praxistests wurde anhand mehrerer Versuchsfelder die Herstellbarkeit einer mineralischen Dichtung aus TREAmin -Material untersucht. In diesem Zusammenhang konnte die optimale Misch- bzw. Fräs- und Verdichtungstechnik ermittelt werden. Gemäß der LAGA AD-HOC-AG DEPONIETECHNISCHE VOLLZUGSFRAGEN wurde die Herstellbarkeit nachgewiesen durch Dokumentation der Herstellungsvoraussetzungen, des Herstellungsverfahrens, der Empfindlichkeit gegenüber Einbaubeanspruchungen sowie der Prüfung der Qualitätsmerkmale. Deutlich wurde, dass durch eine geeignete Frästechnik eine gute Vermischung der beiden Mischungskomponenten erreicht wird. Für den Bauablauf ist zu berücksichtigen, dass der optimale Wassergehalt für die Verdichtung in einem schmalen Bereich liegt. Die Herstellbarkeit zeigte sich ebenfalls in den Ergebnissen der kf-untersuchungen. Die geforderten Durchlässigkeitsbeiwerte konnten auch in den Probefeldern nachgewiesen werden. 3 Ausblick: Der Einsatz von TREAmin Erstmals wird TREAmin als mineralische Deponieoberflächenabdichtung auf der Deponie Eichelbuck bei Freiburg eingesetzt. Bei diesem Einsatz handelt es sich um eine Einzelfallgenehmigung. TREAmin soll zukünftig aber auch auf andere Deponien übertragbar sein. Nach der chemischen Beurteilung gemäß der Zuordnungswerte der DEPV (2009) ist TREAmin als umweltverträglicher Ersatzbaustoff in mineralischen Dichtungen von DK II Deponien geeignet. Bei einem Einsatz von TREAmin ist die mineralische Dichtung mit einer darüber liegenden zweiten Dichtung zu kombinieren. Hervorzuheben ist die geringe Schrumpfneigung von TREAmin und das gute Regenerationsvermögen nach erfolgter Austrocknung (Tabelle 2).

8 8 Beitragstitel (bitte ergänzen, ggf. kürzen, wenn länger als eine Zeile) Tabelle 2: Eignungbeschreibung des Dichtungsmaterials TREAmin Positive Eigenschaften Ökologische und ökonomische Vorteile durch Ressourcenschonung Geringe Schrumpfneigung Gutes Regenerationsvermögen nach Austrocknung Bautechnische Vorteile als Untergrund für eine Asphaltdichtung Zu beachten Enge Einbaukriterien bezüglich des Wassergehalts Deponie spezifische Prüfung der Umweltverträglichkeit der einzusetzenden Schlacke Für die Deponie Eichelbuck mit Hangneigungen bis 1:2,3 haben sich insbesondere die bautechnischen Vorteile von TREAmin bewährt, die für einen stabilen Untergrund für eine Asphaltdichtung sorgen. Zusätzlich wird mit dem Einsatz von HMV-Schlacke in einer mineralischen Dichtung ein neuer Verwertungsweg im Sinne der Kreislaufwirtschaft beschritten. TREAmin trägt somit als Ersatzbaustoff, mit dem auch wirtschaftliche Vorteile erzielt werden können, zur Schonung von natürlichen Ressourcen bei. 4 Literatur Deponieverordnung LAGA Ad-hoc-AG Deponietechnische Vollzugsfragen Kreislaufwirtschafts- und Abfallgesetz Witt, K. J. & Zeh, R. M. Witt, K.J Verordnung über Deponien und Langzeitlager vom Bundesgesetzblatt G 5702 vom Grundsätze für die Eignungsbeurteilung unter Verwendung von Abfällen hergestellter mineralischer Dichtungen in Oberflächenabdichtungssystemen von Deponien 1994 Gesetz zur Förderung der Kreislaufwirtschaft und Sicherung der umweltverträglichen Beseitigung von Abfällen vom Bundesgesetzblatt I S 2705 vom Maßnahmen gegen Trockenrisse in mineralischen Abdichtungen. In Kranert (Hrsg.): Stuttgarter Berichte zur Abfallwirtschaft, Band 81, März 2004, S Unorthodoxe Gedanken zur Eignungsfeststellung

9 TREAmin - alternative Deponieoberflächenabdichtung mit HMV-Schlacke 9 von mineralischen Abdichtungskomponenten für Oberflächenabdichtungen von Deponien. Die sichere Deponie, SKZ Fachtagung Göngröft, A., Berger, W., Tresselt, K. & Miehlich, G. Quandt, T., Berndt, S. & Didik, H Abdichtung von Deponien mit aufbereitetem Baggergut: Ergebnisse eines mehrjährigen Feldveruches. In: Katzenbach u. Witt (Hrsg.): 1. Symposium Umwelttechnologie der DGGT, Weimar, 2003, Schriftenreihe Geotechnik, Heft 10, Universitätsverlag Bauhaus-Universität Weimar, S Deponieoberflächenabdichtungen aus tonvergüteten mineralischen Reststoffen eine Alternative mit Langzeitwirkung? Ergebnisse einer vergleichenden Untersuchung. Müll und Abfall, Ausgabe 09/2003 Anschrift der Verfasser(innen) Dr. Birte Pfeiffer Ecowin GmbH Prof. Dr. Gäth & Partner Im Ostpark 7 D Wettenberg Telefon mail@ecowin.de Website: Bernd Fremgen Schlackeverwertung Breisgau GmbH Heitersheimer Straße 2 D Eschbach info@schlacke-breisgau.de Website: