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Technischer Bericht NTB 92-11

Hochpermeable, zementgebundene Verfüllmörtel für SMA-Endlager

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In einem Endlager für schwach- und mittelaktive Abfälle entsteht u. a. durch Korrosion Gas. Dieses Gas muss aus dem Endlager entweichen können, um zu verhindern, dass ein Druckaufbau Schäden im Endlager verursacht. Ein zementgebundenes Verfüllmaterial soll u. a. diese Aufgabe erfüllen. Zu diesem Zweck wurde die Zusammensetzung zementgebundener Werkstoffe variiert, um deren Einfluss auf Porosität und Permeabilität zu bestimmen. Begleitend wurden Frischbetoneigenschaften (Ausbreitmass, Luftporengehalt, Dichte), die Freisetzung der Hydratationswärme und die Festbetoneigenschaften (Schwinden und Kriechen, Feuchtigkeit, Elastizitätsmodul) untersucht. Bei der Charakterisierung der Permeabilität zementgebundener Werkstoffe erwiesen sich folgende Parameter als wichtig:

  1. Probenzusammensetzung (Porengefüge)
  2. Probenkonditionierung (Sättigung der Proben)
  3. Hydratationsgrad der Proben (Alter)
  4. Messfluid

Durch eine Änderung der Zusammensetzung zementgebundener Werkstoffe kann die Permeabilität um zehn Zehnerpotenzen variiert werden. Bei Proben mit dichten Zuschlägen findet der Fluidtransport in der Matrix und in der Grenzfläche zwischen Matrix und Zuschlag statt. Die Verwendung poröser Zuschläge kann die Permeabilität um mehr als zwei Zehnerpotenzen erhöhen. Ist die Matrix jedoch sehr dicht, hat die Zuschlagsporosität keine Auswirkung auf die Permeabilität. Eine Erhöhung des Matrixvolumens und der Grenzfläche erhöht die Permeabilität. Folglich bieten sich Leichtmörtel als hochpermeable Verfüllmörtel an. Einkornmischungen weisen jedoch noch höhere Permeabilitäten bei gleichzeitig besseren mechanischen Kennwerten auf. Im Vergleich zu herkömmlichen Mischungen haben sie schlechtere Fliesseigenschaften (Ausbreitmass ~ 40 cm). Die Einkornmischung 2/3 erweist sich mit der Zusammensetzung Zement- : Wasser- : Zuschlagsmenge 1.00 : 0.40 : 5.33 als ein geeignetes Verfüllmaterial. Wird diese Mischung gering verdichtet, besitzt sie nach 28 Tagen eine Permeabilität von 4 × 10-12 m2 und eine einaxiale Zylinderdruckfestigkeit von 16 N/mm2.

Die Probenkonditionierung beeinflusst die Permeabilität massgeblich. In Abhängigkeit von der Umgebungsfeuchte ändert sich das Gefüge zementgebundener Werkstoffe. Bei hohen Sättigungen sind keine durch die Probe durchgehenden Porenkanäle mehr frei, durch die Gas strömen könnte. Zum Einsetzen eines Gasflusses muss der Gasdruck mindestens so hoch wie der Schwelldruck sein. Je tiefer der Schwelldruck ist, umso grösser ist der Wasseraustrag aus den Proben durch das Einsetzen eines Gasflusses. Der Schwelldruck sowie die Permeabilität hängen von der Porenstruktur ab. Proben mit hohen Permeabilitäten haben tiefe Schwelldrücke. Mit abnehmender Sättigung steigt die Permeabilität stark an. Setzt beim Schwelldruck ein Gasfluss ein, so bewirkt eine weitere Änderung der Sättigung bei geringporösen Proben eine grössere Permeabilitätsänderung als bei hochporösen Proben. Eine feuchte Lagerung bewirkt neben einer hohen Sättigung auch eine Verdichtung im Gefüge. Hochporöse Proben zeigen eine geringere Reduktion der Permeabilität mit dem Alter als dichte Proben. Die Permeabilität nimmt hyperbolisch mit dem Alter ab.

Die Wasserpermeabilität ist im Bereich < 10-13 m2 kleiner oder gleich der Gaspermeabilität. Der Unterschied wächst mit abnehmender Permeabilität.

Anhand dreidimensionaler Netzwerksimulationen wurde der Einfluss der Porengrössenverteilung auf die Transportparameter zementgebundener Werkstoffe untersucht. Die Gaspermeabilität, der Schwelldruck und der Wasseraustrag können in guter Übereinstimmung mit den Experimenten simuliert werden.

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