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Technischer Bericht NTB 93-25

Wechselwirkung von abgebundenem Zement mit verdichteten Bentoniten: Quelldruckversuche mit anschliessenden mineralogischen Untersuchungen

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Mischungen der Bentonite MX-80 und Montigel mit bis zu 20 % abgebundenem Zement und synthetischem Portlandit wurden in Quelldruckapparaturen 4 bis 16 Wochen bei Raumtemperatur und 50°C quellen gelassen. Dabei zeigte sich, dass die Beimischung von Zement, sei es Portland-Zement (PC) oder sulfatresistenter Zement (Sulfacem), zum Bentonit eine deutliche Erhöhung der Quelldrücke gegenüber den Quelldrücken von reinen Bentoniten verursachte. Die reinen abgebundenen Zemente haben einen sehr geringen Quelldruck. Die Änderung des Wasser/Zement-Faktors von 0.2 auf 0.4 und die Temperaturerhöhung von Raumtemperatur auf 50°C haben keinen grossen Einfluss auf die Quelldruckwerte. Quelldruckversuche mit anschliessend erlaubter Quelldeformation zeigten, dass dann das Quellvermögen der Zement-Bentonit­Proben gegenüber reinen Bentoniten reduziert war.

Die Proben erschienen nach dem Ausbau relativ hart und wenig quellfähig. Röntgenographische Untersuchungen dieser Materialien zeigten keine Bildung neuer kristalliner Phasen oder starke Veränderungen des Peakspektrums der Tonminerale. Auch aus der Thermoanalyse, gekoppelt mit der Gasanalyse der entstehenden Gase, konnten keine zusätzlich ausgeprägten Thermoreaktionen beobachtet werden. Auffällig in der Thermoanalyse war, dass bei längerer Versuchsdauer in den Quelldruckapparaturen die Zersetzung des Portlandits nicht mehr sichtbar war. Dies wurde auch durch das Verschwinden der Portlandit-Peaks in den Diffraktometerkurven bestätigt. Das Kationenaustauschvermögen war bei den Quelldruckproben leicht erhöht, und bei den austauschbaren Ionen dominierte das Calciumion.

Vermutlich werden die Smektit-Teilchen der Bentonite und die Zementhydrate der abgebundenen Zemente durch Calciumaluminathydrate verkittet, wie dies aus zusätzlichen Untersuchungen mit Transmissions-Elektronenmikroskop­Aufnahmen und mit der analytischen Transmissions-Elektronenmikroskopie (ATEM) beobachtet werden konnte.

Die beobachteten Reaktionen der abgebundenen Zemente mit den Bentoniten könnten sich prinzipiell ungünstig auf ein Versiegelungskonzept auswirken, bei denen Wechselwirkungen zwischen Bentonit und Zementstein/Beton möglich sind. Jedoch wäre es noch zu prüfen, inwieweit die Versuchsergebnisse, die stark durch die gewählten harten Randbedingungen des Zumischens von Zement geprägt sind, auf reale Verhältnisse des Kontaktes von Bentonit-Zementstein/Beton übertragen werden können.

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