Kontrolle von Barrieren: Bestimmung der hydraulischen Leitfähigkeit an Hand des Bodenwassergehaltes [online]

Kurzfassung Mülldeponien und sonstige Anlagen zur Langzeitlagerung von umweltrelevanten Stoffen sind mit Abdichtungen gegen die Umgebung abzukapseln. Diese Barrieren sollen verhindern, dass Niederschlagswasser in den Müllkörper einsickert und Sickerwasser und Deponiegas den Müllkörper unkontrolliert verlassen. Die Funktion der Barriere muss über eine lange Zeit aufrecht erhalten bleiben. Die Wirksamkeit der Barriere wird über den gesetzlich festgelegten Überwachungswert, die hydraulische Leitfähigkeit (kf-Wert), kontrolliert. Verfahren, die den aktuellen kf-Wert direkt bestimmen, sind sehr aufwändig und destruktiv, d.h. sie zerstören die Barriere an der Stelle der Probenahme. Ein geeignetes Verfahren soll in der Lage sein, zu jedem gewünschten Zeitpunkt und flächendeckend, dazu in hoher vertikaler Auflösung, den kf-Wert darzustellen. Indirekte Verfahren haben bisher über die Messung der Wasserspannung im Boden, die dem Potenzial gleichgesetzt wird, den aktuellen Bodenwassergehalt und den kf-Wert berechnet. Diese bodenspezifische Beziehung ist mit einer starken Hysterese behaftet, d.h. je nach dem bodenhydraulischen Zustand (Be- oder Entwässerung) weichen die daraus berechneten kf-Werte um den Faktor 200 voneinander ab. Berechnet man den kf-Wert aus dem gemessenen Bodenwassergehalt, so wird dieser Faktor um das 500-fache auf 0,4 reduziert. Somit ist der Weg vorgegeben, den kf-Wert aus dem gemessenen Bodenwassergehalt zu berechnen. Dazu ist der Bodenwassergehalt mit hoher Genauigkeit zu bestimmen. Aus einem Vergleich der möglichen Verfahren wurde ein elektromagnetisches Verfahren gewählt. Es bestimmt die Dielektrizitätszahl (DZ) des Bodengemisches (Boden, Wasser, Luft). Diese DZ wird von der DZ des Wassers dominiert, ist also über eine Kalibrierung direkt mit dem Wassergehalt des Bodengemisches verknüpfbar. Das Verfahren benötigt Sensoren, die in einer Bodenschicht mit definiertem Material unter dem Abdichtungssystem eingebaut werden. Das Verfahren wurde an einem Lysimeter verifiziert. Dieser wurde in Analogie zu einem entwickelten bodenhydraulischen Modell dimensioniert, das die Durchsickerung von Bodenschichten in ihre Grundmechanismen zerlegt. Dabei ist durch den Ausschluss der Verdunstung aus der Bodenschicht der Hauptstrom des vertikalen Aufstiegs des Wassers ausgeschlossen. Der Fortgang der Feuchtefront, d.i. die vertikale Darstellung der Bodenwassergehalte, konnte qualitativ und quantitativ belegt werden. Die ungesättigte hydraulische Leitfähigkeit ist somit zu jedem Messzeitpunkt eindeutig berechenbar. Das wird auch über die Bilanzierung der Modellregenereignisse bestätigt. Mit diesem Verfahren ist es möglich, Verfahren zur numerischen Simulation des Wasserhaushaltes von Deponien zu kalibrieren. Unsicherheiten der Größe der Evapotranspiration und der "Alterung" des Bodenmaterials können mit gemessenen Bodenwassergehalten und berechneten aktuellen hydraulischen Leitfähigkeiten zumindest gemindert werden. Mit den berechneten hydraulischen Leitfähigkeiten kann der gesetzliche Überwachungsparameter verifiziert werden. Abstract Waste disposal sites and other landfills for long-term storage of hazardous materials must be encapsulated to protect the environment. Technical barriers are to prevent precipitation from migrating into the landfill as well as to avoid an uncontrolled escape of seepage water and landfill gas into the surroundings. The efficiency of the barrier must be sustained over a long time period. It is controlled by the hydraulic conductivity (kf-value), a measurement parameter defined and established in law. Methods that directly determine the hydraulic conductivity are very time-consuming and destructive, i.e. they destroy the barrier at the sampling spot. A suitable technique should be capable to display the kf-value comprehensively and with a high temporal and spatial resolution. Indirect methods used to determine the hydraulic conductivity and the volumetric soil water content by measuring the pressure head of the soil water, which is set equal to the potential. This soil specific relationship shows a high hysteresis, i.e. the water content at a particular pressure head depends upon the previous wetting and drying history of the sample and deviations of kf-values by a factor of 200 can occur. If the hydraulic conductivity is determined by the measured soil water content, the deviations are reduced by factor 500 to 0,4. Therefore, it is obvious to determine the kf-value from the measured soil water content. It is necessary to determine the soil water content with a very high accuracy. From several possible methods, an electromagnetic measurement technique was selected. This technique determines the dielectric constant of the soil mixture (soil matrix, water, and air), which is mainly a function of the water content of the soil and thus it is possible to quantify the water content with a suitable calibration. The method requires sensors that are installed in a soil layer with a defined material below the barrier system. The technique was verified with a lysimeter. The lay out of the lysimeter was designed according to a soil hydraulic model that describes the principal mechanisms of water migration in the unsaturated zone. In the model, the evaporation from the soil layer is ignored, thus eliminating the main flow of the vertical rise of the water. The movement of the water front, i.e. the vertical projection of the soil water contents, could be demonstrated both qualitatively and quantitatively, that way allowing a precise determination of the unsaturated hydraulic conductivity at any time. This is also confirmed by the balancing of several model precipitation events. With this technique it is possible to calibrate methods for the numerical simulation of the water economy. With the measured soil water contents and the calculated current hydraulic conductivities, uncertainties such as the size of the evapotranspiration and the "aging" of the soil material can at least be minimized. With the calculated hydraulic conductivities the legal control parameter can be verified

Solubility of Calcined Kaolinite, Montmorillonite, and Illite in High Molar NaOH and Suitability as Precursors for Geopolymers

Clays and clay minerals dissolve over a broad pH range, such as during sediment diagenesis and in a variety of applications, including nuclear waste storage, landfills, and geopolymer binders in the construction industry. The solubility depends on process parameters (pH, temperature, pressure, etc.) and material properties (phase content, clay mineral composition, particle size, etc.). Pretreatments such as calcination or severe grinding change the material properties and could enhance solubility, which is called activation. The aim of the current study was to determine the solubility of three different clay minerals after calcination (metakaolinite, metamontmorillonite, and metaillite) in high molar alkaline solutions (NaOH) up to 10.79 mol/L and pH = 14.73. Furthermore, the solubility of an Al(OH)3 powder in alkaline solution (NaOH) was analyzed, as it can be used to adjust the Si:Al ratio of geopolymer precursors. The residues of the clay minerals after the alkaline treatment were investigated to disclose potential alterations in their phase contents. Based on the results of the thermal and alkaline activation, conclusions about the suitability as geopolymer precursors were made. All clay minerals showed an increase in solubility proportional to the concentration of the alkaline solution. The solubility decreased in the order metakaolinite > metamontmorillonite > metaillite. Thereby, dissolution was incomplete for all three clay minerals (<90%) after 7 days and congruent for metakaolinite and metaillite but incongruent for metamontmorillonite

A minisandwich experiment with blended ca-bentonite and pearson water—Hydration, swelling, solute transport and cation exchange

Shaft seals are geotechnical barriers in nuclear waste deposits and underground mines. The Sandwich sealing system consists of alternating sealing segments (DS) of bentonite and equipotential segments (ES). MiniSandwich experiments were performed with blended Ca-bentonite (90 mm diameter and 125 mm height) to study hydration, swelling, solute transport and cation exchange during hydration with A3 Pearson water, which resembles pore water of Opalinus Clay Formation at sandy facies. Two experiments were run in parallel with DS installed either in one-layer hydrate state (1W) or in air-dry two-layer hydrate (2W) state. Breakthrough at 0.3 MPa injection pressure occurred after 20 days and the fluid inlet was closed after 543 days, where 4289 mL and 2984 mL, respectively, passed both cells. Final hydraulic permeability was 2.0–2.7 × 10$^{-17}$ m$^{2}$. Cells were kept for another 142 days before dismantling. Swelling of DS resulted in slight compaction of ES. No changes in the mineralogy of the DS and ES material despite precipitated halite and sulfates occurred. Overall cation exchange capacity of the DS does not change, maintaining an overall value of 72 ± 2 cmol(+)/kg. Exchangeable Na$^{+}$ strongly increased while exchangeable Ca$^{2+}$ decreased. Exchangeable Mg$^{2+}$ and K$^{+}$ remained nearly constant. Sodium concentration in the outflow indicated two different exchange processes while the concentration of calcium and magnesium decreased potentially. Concentration of sulfate increased in the outflow, until it reached a constant value and chloride concentration decreased to a minimum before it slightly increased to a constant value. The available data set will be used to adapt numerical models for a mechanism-based description of the observed physical and geochemical processes

Comprehensive examination of dehydroxylation of kaolinite, disordered kaolinite, and dickite: Experimental studies and density functional theory

Kaolins and clays are important rawmaterials for production of supplementary cementitious materials and geopolymer precursors through thermal activation by calcination beyond dehydroxylation (DHX). Both types of clay contain different polytypes and disordered structures of kaolinite but little is known about the impact of the layer stacking of dioctahedral 1:1 layer silicates on optimum thermal activation conditions and following reactivity with alkaline solutions. The objective of the present study was to improve understanding of the impact of layer stacking in dioctahedral 1:1 layer silicates on the thermal activation by investigating the atomic structure after dehydroxylation. Heating experiments by simultaneous thermal analysis (STA) followed by characterization of the dehydroxylated materials by nuclear magnetic resonance spectroscopy (NMR) and scanning electron microscopy (SEM) together with first-principles calculations were performed. Density functional theory (DFT) was utilized for correlation of geometry-optimized structures to thermodynamic stability. The resulting volumes of unit cells were compared with data from dilatometry studies. The local structure changes were correlated with experimental results of increasing DHX temperature in the following order: disordered kaolinite, kaolinite, and dickite, whereupon dickite showed two dehydroxylation steps. Intermediate structures were found that were thermodynamically stable and partially dehydroxylated to a degree of DHX of 75% for kaolinite, 25% for disordered kaolinite, and 50% for dickite. These thermodynamically stable, partially dehydroxylated intermediates contained AlV while metakaolinite and metadickite contained only AlIV with a strongly distorted coordination shell. These results indicate strongly the necessity for characterization of the structure of dioctahedral 1:1 layer silicates in kaolins and clays as a key parameter to predict optimized calcination conditions and resulting reactivity

Characterization of a Fine-Grained Interstratification of Turbostratic Talc and Saponite

Interstratifications of talc and trioctahedral smectites from different provenances are used as indicators for geological environments and for geotechnical and technical applications. However, comprehensive layer characterization of these interstratifications is rare. Sample EX M 1694, a clay with red-beige appearance from the Madrid basin was studied by X-ray diffraction analysis, X-ray fluorescence analysis, Fourier transformation infrared spectroscopy, simultaneous thermal analysis, gas adsorption measurements, cation exchange capacity, and environmental scanning electron microscopy. More than 95% of particles in EX M 1964 belong to the clay fraction &lt;2 µm. It contains 75% interstratification of 30% turbostratic talc, and 70% saponite type III and 25% turbostratic talc. The turbostratic talc(0.3)/saponite interstratification is characterized by a low number of layers per stack (3), small lateral dimension of layers (60–80 nm) and, accordingly, a high specific surface area (283 m2/g) with nearly equal surface area of micro- and mesopores. Thus, the studied material can be used as mined for adsorption, in contrast to acid-treated clays that produce hazardous waste during production. Low particle size of the interstratification drastically reduced thermal stability and dehydroxylation was superimposed by recrystallization of high temperature phases already at 816 °C, which is low for trioctahedral 2:1 layer minerals

Stakeholder-specific assessment of environmental, economic and social effects of resource-efficiency measures in urban districts - first results

There is a great interest in society in making urban districts more sustainable. Sustainable and resource-efficient urban development (SDG 11) is a process that, based on the analysis of the initial situation, leads to the formulation of specific goals and must be planned, accompanied, assessed and managed. Thus, this contribution presents a fundamental, multi-perspective concept to assess and manage the use of (natural) resources (stocks and flows), in particular (1) water (rain, potable and waste water), (2) land use (settlements, traffic area, open/green areas, ecosystems), (3) raw materials (material in- and outputs, recycling and disposal, C&D waste, and fossil fuels) in a defined urban district

Ergebnisbericht zu den Arbeitspaketen 7, 8 und 10 des Forschungsprojekts NaMaRes

Vor dem Hintergrund einer nachhaltigen Stadtentwicklung haben sich die Ziele und Gewichtungen in der Entwicklung und Bewertung von Bestandsquartieren verändert. Mit den formellen Instrumenten der Stadtplanung und -entwicklung können im Neubau viele Ansatzpunkte des Klimaschutzes und der Klimaanpassung adressiert werden. Im Bestand hingegen sinkt die Effektivität dieser Instrumente, da ad hoc Veränderungen nicht durchgeführt oder vorgeschrieben werden können. Daher wird derzeit die Entwicklung im Bestand über langfristig angelegte Quartierssanierungen und Sanierungsprogramme angeregt. Im Forschungsprojekt NaMaRes („Ressourcenmanagement im Quartier im Kontext nachhaltiger Stadtentwicklung“) wurden zwischen 2019 und 2022 Grundlagen und Werkzeuge zur Unterstützung einer nachhaltigen Stadtentwicklung erforscht und entwickelt. Die Erkenntnisse ermöglichen eine verbesserte prozessbegleitende Nachhaltigkeitsbewertung auf Quartiersebene. Die Werkzeuge umfassen EDV-technische Lösungen, Erhebungsmethoden und quantitative Bewertungsmethoden. Die Erprobung der Werkzeuge erfolgte in einem Bestandsquartier in der Stadt Karlsruhe in Baden-Württemberg. Dieser Bericht fasst ausgewählte Ergebnisse der Arbeitspakete 7, 8, und 10 des Forschungsprojekts NaMaRes und aus der Erprobungsphase in dem Quartier Innenstadt-Ost in Karlsruhe zusammen. Für das Arbeitspaket 7 wurden Szenarien aus den gesamtgesellschaftlichen, lokalen und planerischen Anforderungen abgeleitet oder anhand von Experten/-innen entwickelt. Im Arbeitspaket 8 wurden für die im Arbeitspaket 7 festgelegten Szenarien quantitative und qualitative Analysen durchgeführt und ausgewertet. Aufbauend auf den projektinternen Abstimmungen und der Softwareentwicklung im Forschungsprojekt wurden Potenzialausschöpfungsszenarien berechnet, präsentiert und diskutiert. Ebenso wurden die gewonnenen qualitativen Erkenntnisse neben den Berechnungen für Handlungsempfehlungen herangezogen und im Arbeitspaket 10 dokumentiert. Hierbei fokussieren sich die Handlungsempfehlungen auf die Nachhaltigkeitsdimensionen im Allgemeinen, aber auch auf die urbane Klimaanpassung im Besonderen. Der Bericht ist wie folgt aufgebaut: Zunächst werden die wichtigsten Rahmenbedingungen des Forschungsprojekts wiedergegeben und das Untersuchungsgebiet wird detailliert beschrieben. Hierbei werden die Datenlage, durchgeführte Erhebungen und verschiedene Übersichten gezeigt. Danach werden ausgewählte Ergebnisse vorgestellt