Einfluss des Einbauwassergehaltes auf das Langzeitverhalten von MBA-Deponien

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1 Einfluss des Einbauwassergehaltes auf das Langzeitverhalten von MBA-Deponien K. Münnich, J. Bauer & K. Fricke Technische Universität Carolo-Wilhelmina zu Braunschweig 1

2 Veränderungen durch eine mechanisch-biologische Behandlung Abfallstruktur: geringere Stückgrößen, größere Homogenität höhere Einbaudichte hydraulisches Verhalten Setzungsverhalten Festigkeitsverhalten MBA Material ist visuell bodenähnlicher, deshalb Nutzung bodenmechanischer Versuchsgeräte aber: Unterschiede im physikalischen Verhalten bodenmechanische Grundsätze für MBA nicht uneingeschränkt gültig 2

3 Wie soll der Abfall eingebaut werden? Deponieverordnung ( ) Anhang 5 Nr. 4 Ziffer 7 Der Deponiekörper muss in sich selber und in Bezug zu seiner Umgebung in allen Verfüllzuständen standsicher sein. [ ] Die Richtigkeit der Planungsannahmen insbesondere der Abfallkenndaten für den Standsicherheitsnachweis ist regelmäßig zu überprüfen. Anhang 5 Nr. 4 Ziffer 6 Die Abfälle [ ] sind in der Deponie hohlraumarm einzubauen. [ ] Anhang 5 Nr. 6 Der Deponiebetreiber hat den Anfall von Sickerwasser so gering zu halten, wie dies nach dem Stand der Technik möglich ist. [ ] Mit Inkrafttreten der Verordnung treten AbfAblV und DepV (alt) außer Kraft 3

4 Abfallablagerungsverordnung ( ) Anhang 2 1 Festigkeit Die Festigkeit ist nach Anhang 4 Nr zu ermitteln Anhang 3 Abfall im Dünnschichtverfahren verdichtet einzubauen. Einstellung eines optimalen Wassergehaltes der Abfälle ist eine höchstmögliche Verdichtbarkeit zu gewährleisten. Versuchsfeld die höchstmögliche Einbaudichte (Trockendichte) in Abhängigkeit von Wassergehalt (möglichst nicht mehr als 55 Masse% bezogen auf die Trockenmasse) zu bestimmen. Anhang 4 AbfAblV Festigkeit (Anhang 2 Nr. 1) Die Festigkeit ist in Anlehnung an DIN und GDA- Empfehlung E 3-8 als Scherfestigkeit im direkten Scherversuch zu bestimmen. [ ] Keine Zuordnungswerte für Festigkeitsparameter 4

5 Höchstmögliche Einbaudichte: zu ermitteln auf Testfelder bzw. im Proctorversuch 90 Wassergehalt [Masse-% TS] ,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,2 1,3 Proctordichte [t/m 3 ] Bidlingmaier et al (1999) Kühle-Weidemeier (2004) Rettenberger (2005) Entenmann/Wendt (2007) Heyer et al (2008) Entenmann (2009) LWI (anaerob-aerob) LWI (aerob) 5

6 Proctorkurven für MBA-Materialien gleicher maximaler Stückgröße Trockendichte [t/m 3 ] 1,20 1,10 1,00 0,90 0,80 0,70 0,60 0,50 MH <60 WHV <60 NH <60 Bu < Wassergehalt [% FS] 6

7 Einbaudichte Proctorkurven von MBA-Materialien weisen vielfach einen flachen Verlauf auf Auswirkungen auf Einbaudichte bei geringfügigen Abweichungen vom optimalen Einbauwassergehalt sind gering [g/cm³] (FS) [ % ] ρ Pr / w Pr 0,910 34,9 ρ d0.95 / w ,865 30,5/39,7 Einbau auf trockenem Ast der Proctorkurve höheres Speichervolumen Trockendichte [g/cm³] na = 0.10 ρ = g/cm 3 s S r = % 22,1% (TS) 9,2% (FS) Wassergehalt [% ] 7

8 Wasserspeichervermögen und Sickerwasserbildung MBA-Materialien weisen eine hohe Porosität auf, Porosität [%] ,40 0,50 0,60 0,70 0,80 0,90 1,00 1,10 1,20 Trockendichte [t/m 3 ] n (0%) 60mm n (10%) 60mm n (20%) 60mm n (30%) 60mm n (40%) 60mm n (0%) 30mm n (05%) 30mm n (10%) 30mm n (20%) 30mm n (30%) 30mm n (40%) 30mm n (0%) 8mm n (10%) 8mm n (20%) 8mm n (30%) 8mm n (40%) 8mm 8

9 aber die Porenraumsättigung bei hohen Einbaudichten ist ebenfalls hoch geringes noch verfügbares Speichervolumen! Wassersättigung [%] ,40 0,50 0,60 0,70 0,80 0,90 1,00 1,10 1,20 Trockendichte [t/m 3 ] S (05%) 30mm S (10%) 30mm S (20%) 30mm S (30%) 30mm S (40%) 30mm S (10%) 8mm S (20%) 8mm S (30%) 8mm S (40%) 8mm S (10%) 60mm S (20%) 60mm S (30%) 60mm S (40%) 60mm 9

10 Übersättigung des Porenraumes unter Auflast. Höchstmögliche Verdichtbarkeit nicht erzielbar! 10

11 Entscheidend für Sickerwasserbildung: - Oberflächenabfluss - Verdunstung von der Oberfläche (kapillarer Aufstieg) - Speichervermögen des Abfalls (Wasserhaltekapazität) WK [Vol.%] Trockendichte [t/m 3 ] MBA < 25 mm MBA < 30 mm MBA < 60 mm Frischmüll* Alter Abfall* Alter Abfall < 60 mm * Daten aus Beaven

12 Einfluß auf Festigkeitsverhalten Direkte Scherversuche (DIN ) Verwendung von konventionellen bodenmechanischen Geräten Einfluss der faserigen Bestandteile Scherspannung [kn/m²] Basismaterial (<8mm) Faseranteil 20% (<40mm) Faseranteil 10% (<40mm) Horizontalverschiebung [mm] Nennreibungsfläche: 900 cm² < 8 mm < 40 mm 12

13 Keine Scherversuche, nur Werte der GDA-Empfehlung (E2-35)? Setzung Kohäsion [kn/m 2 ] Scherwinkel [ ] 10% 11-17, % Kohäsion [kn/m²] Landva et al., 1984 Ziehmann, 1999 Heiss et al Kühle-Weidemeier, 2004 Gallenkemper, Rohring, 2007 Hupe et al., 2008 Engel et al., 2007 Eigene Untersuchungen LWI Kölsch, 2009 (1996) DGGT, GDA E 2-35, 2000 ε=10 ε= Reibungswinkel [ ] Scherversuche sollten für das jeweilige MBA-Material durchgeführt werden! 13

14 Einfluß des Wassergehaltes auf Scherfestigkeit Scherspannung τ [kn/m²] Triaxialversuche (CD) MBA1 <60mm; Fasergehalt: original; WG: natürlich MBA1 <60mm; Fasergehalt: hoch; WG: natürlich MBA1 <40mm; Fasergehalt: hoch, WG: natürlich MBA1 <40mm; Fasergehalt: hoch, WG: hoch MBA2 <60mm; Fasergehalt: original; WG: vgl. hoch MBA3 <60mm; Fasergehalt gering; WG: natürlich MBA3 <60mm; Fasergehalt gering; WG: hoch ϕ = 32.3 ϕ = Normalspannung σ [kn/m²] ϕ=39.8 ϕ = 30 ϕ = 29 Erhöhte Einbau- Wassergehalte Reduktion der Materialfestigkeit! Änderung der Dränagerandbedingungen, d.h. zunehmende Sättigung Reduktion der Materialfestigkeit! 14

15 Hohe Wassersättigung = Porenwasserdruck bzw. Porenwasserüberdruck? Teilsättigung des Porenraumes, schwebender (oder lokaler) Sickerwassereinstau, Sickerwassereinstau an der Basis, Sickerwassereinstau an der Basis mit Gaseinschlüssen, Porenwasserüberdruck als Folge von Injektionen oder vertikalen Auflasten. 15

16 Ödometerversuche zur Ermittlung d. Porenwasserüberdruckbildung Druckanstieg [kpa] Einbaudichte [Mg/m 3 FS] Zeit [s] Vertikale Auflast: 140 kpa 16

17 (σ1' - σ3') / 2 [kn/m²] Triaxialversuche (CU) 520 α' = 35.0 b' = 10.5 kn/m² r = MBA (A) (hoher Anteil faseriger Komponenten) ϕ = (σ 1 ' + σ 3 ') / 2 [kn/m²] (σ1' - σ3') / 2 [kn/m²] MBA (B) MBA (< 60 mm) α' = 25.7 b' = 22.8 kn/m² r = (geringer Anteil faseriger Komponenten) Porenwasserüberdruck (PWD) entsteht PWD überschreitet Maximum bevor Probenversagen eintritt Festigkeitsreserven ϕ = (σ 1 ' + σ 3 ') / 2 [kn/m²] Probenversagen tritt ein bevor PWD Maximum erreichen kann 17

18 Porenwasserüberdrücke entstehen bei gesättigten und teilweise gesättigten Abfällen: - Die maximale Druckhöhe hängt von den Deponierandbedingungen ab. - Porenwasserüberdrücke sollten bei der Standsicherheitsberechnung berücksichtigt werden, da die Standsicherheit reduziert wird. Weitere Hinweise: Bräcker, W: AbfallwirtschaftsFakten 4.3 Lassen sich Schichten mit erhöhten Wassergehalten im Deponiekörper und damit die Porenwasserproblematik verhindern? - Einbau der Abfälle mit geringen Wassergehalten (trockene Ast Proctorkurve) - Aufbringen einer undurchlässigen Schicht (Folie) während des Betriebes? Aufwendig, Kondenswasserbildung unter der Folie Bildung von freiem Wasser unter Auflast - Aufbringen einer semipermeablen Folie während des Betriebes? Aufwendig,teurer. Kondenswasserbildung wird reduziert aber nicht vollständig verhindert. Wasserdampftransport durch Folie wird mit zunehmender Verschmutzung (Anhaftungen) reduziert 18

19 - Einbringen von Dränschichten im Deponiekörper zum Ableiten des Sickerwassers? Offene Fragen: - Ausbildung einer Kapillarsperre? - Ab welchem Gradienten tritt Wasser an der Unterseite aus? - Sehr geringe Wasservolumen in der Dränschicht: kommt es zu einem Abfluss in der Dränschicht oder versickert das Wasser in die darunter liegende MBA-Schicht? - Lokale Setzungsunterschiede in Dränschicht lokaler Einstau erhöhte Wasservolumen infiltrieren in nächste Schicht MBA-Material Dränschicht 19

20 Zusammenfassung - Einbau mit höchstmöglicher Dichte und optimalen Wassergehalt trotz hohem Porenvolumen sehr hoher Wassersättigungsgrad kaum Speichervermögen Wasserabgabe an tiefere Schichten bis Wasserhaltekapazität erreicht ist Hohe Wassergehalte reduzieren die Standsicherheit des Deponiekörpers weitere Reduktion durch Abtrennung der bewehrenden Fraktion (heizwertreiche Fraktion) Porenwasserdrücke werden lokal immer wieder auftreten Porenwasserdrücke müssen bei Standsicherheitsberechnung berücksichtigt werden Porenwasserüberdrücke können entstehen und können zu Standsicherheitsversagen vor Erreichen des Maximalwertes führen Einbau der Abfälle mit einem geringen Wassergehalt, aber trotzdem hoher Einbaudichte! 20

21 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Thank you for your attention! K. Münnich, J. Bauer & K. Fricke Technische Universität Carolo-Wilhelmina zu Braunschweig 21