DE102008050211A1

DE102008050211A1 - Material zur Verbesserung der Dichtwirkung einer Bitumen- oder Asphaltdichtung im Salzgestein

Info

Publication number: DE102008050211A1
Application number: DE102008050211A
Authority: DE
Inventors: Uwe Glaubach; Matthias Dr. Gruner; Martin Hofmann
Original assignee: Bergakademie Freiberg
Current assignee: Bergakademie Freiberg
Priority date: 2008-10-02
Filing date: 2008-10-02
Publication date: 2010-05-20
Anticipated expiration: 2028-10-03
Also published as: DE102008050211B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Zusammensetzung eines flüssigen bitumenhaltigen Materials, mit dessen Hilfe die Dichtwirkung von Asphaltelementen im Salzgestein entscheidend verbessert wird. Das vorgeschlagene Material wird vor dem Einbau des eigentlichen Dichtelementes aus Asphalt oder Bitumen auf die Gebirgsoberfläche aufgetragen. Die Erfindung schlägt eine Zusammensetzung vor, die frei von Wasser und gefährlichen Lösungsmitteln ist, so dass sie im untertätigen Bergbau, insbesondere im Salz- und Kalibergbau genehmigungsfähig ist. Durch die Anwendung des Materials wird die Adhäsion der Dichtmaterialien Bitumen bzw. Asphalt am umliegenden Salzgebirge so erhöht, dass die Dichtwirkung des Gesamtsystems maßgeblich verbessert wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Material zur Verbesserung der Dichtwirkung einer Bitumen- oder Asphaltdichtung im Salzgestein.
In Bergwerken oder genutzten unterirdischen Hohlräumen werden zum Schutz gegen potentielle Flüssigkeitszutritte aus dem umliegenden Gebirge oder aus benachbarten Bereichen des Grubengebäudes entsprechende Verschlussbauwerke, wie Schachtverschlüsse und Streckenverschlüsse errichtet. Flüssigkeitsdichte Dichtelemente für Schachtverschlüsse sind entweder in Reihe angeordnete Kombinationsdichtungen aus Bitumen/Asphalt und quellfähigen Tonen oder reine Bentonitdichtungen. Gasdichte Dichtelemente für unterirdische Gasspeicher bestehen in der Regel aus einem unter Überdruck eingestellten Dichtfluid, das sich zwischen zwei Kombinationsdichtungen aus Bitumen/Asphalt und quellfähigen Tonen befindet.
Für Streckenverschlüsse wurden neue Materialien und Einbauverfahren vorgeschlagen, die ein Dichtbauwerk im Salzgestein mit wärmeempfindlichen und hygroskopischen Bestandteilen ermöglichen ( DE 10 2006 059 478 B3 ). Eine Vorbehandlung der Gebirgsoberfläche ist in dieser technischen Lösung nicht vorgesehen.
Als allgemein bekannt gilt, dass auf einer trockenen und staubfreien Oberfläche die Adhäsion von Destillationsbitumen am Steinsalz höher ist, als die Kohäsion des Bitumens selbst. Das gute Haftvermögen von Bitumen an der Gesteinsoberfläche gilt als Voraussetzung für ein gutes Dichtverhalten. Allerdings haben praktische Erfahrungen gezeigt, dass das Haftvermögen von Bitumen an Steinsalz – neben der Oberflächenbeschaffenheit des Steinsalzes – von der Bitumensorte und von der Einbautemperatur bzw. der Gebirgstemperatur abhängt. Niedrigviskose Destillationsbitumen haben ein zufriedenstellendes Haftvermögen; als Dichtmaterial ist aber der ausgesprochene Flüssigkeitscharakter nachteilig. Höherviskose Bitumina oder Oxidationsbitumen haben ein besseres Langzeitdichtverhalten, zeigen aber ein schlechteres Haftvermögen. Erschwerend kommt hinzu, dass in der Realität in einer Strecke oder in einem Schacht nicht die ideale Staubfreiheit erreicht werden kann. Auf anderen Salzgesteinen, wie dem oft vorkommenden Carnallitit, ist das Haftvermögen von Bitumen wesentlich eingeschränkter als am Steinsalz. Dies ist dadurch bedingt, dass sich die Oberfläche des Carnallitits durch die umgebende Luftfeuchtigkeit verändert. Durch das hygroskopische Verhalten erhöht sich der Wassergehalt des Carnallitits. Diese auf der Salzoberfläche befindliche Schicht aus gebundenem Wasser und Zersetzungsprodukten erschwert das Haftverhalten von Bitumen. Dieses eingeschränkte Haftverhalten des Bitumens auf der Gesteinsoberfläche ist eine Hauptursache für Undichtheiten von Bitumen- oder Asphaltdichtungen, die in der Regel über den Kontaktbereich zum anliegenden Gebirge beobachtet werden.
Weiterhin allgemein bekannt sind Bitumenanstriche und Fluxbitumen. Bitumenanstriche werden entweder auf Lösungsmittelbasis oder als Emulsionen üblicherweise im Bautenschutz eingesetzt. Im untertägigen Bergbau sind lösungsmittelhaltige Anstriche aufgrund des Benzolgehaltes der Lösungsmittel und aufgrund des niedrigen Flammpunktes nicht genehmigungsfähig. Emulsionsanstriche sind im Salzgestein aufgrund ihrer wässrigen Bestandteile nicht einsetzbar.
Ein Sonderfall für die Verbesserung des Haftvermögens ist das Verfahren der Wärmeanwendung auf der Salzoberfläche ( DD 295 893 ). Dabei wird die Oberfläche des hygroskopischen Carnallitits so erwärmt, dass dessen Zersetzung erfolgt. Die sich bildende magnesiumoxidhaltige Deckschicht soll das Haftvermögen von Bitumen bzw. Asphalt verbessern. Ein Nachteil dieser vorgeschlagenen technischen Lösung ist, dass der durch die Erwärmung und nachfolgende Zersetzung des Carnallitits freigesetzte Chlorwasserstoff (HCl) eine Gefährdung der Gesundheit und der Umwelt darstellt.
Ein spezielles Verfahren zum Abdichten von Strecken im Bergbau bzw. von Baukörpern ( DE 10 2005 009 036 B3 ) verwendet ein Zweikomponentenbitumen. Dieses Material besteht aus aufgemahlenem Hartbitumen und einem entaromatisierten Kohlenwasserstoff und ist als Injektionsmaterial zur nachträglichen Abdichtung von Wegsamkeiten in der Kontaktzone zwischen dem Salzgestein und einem Baukörper entwickelt worden. Die vorgeschlagene technische Lösung beinhaltet nicht den Einsatz des Zweikomponentenbitumens als Material zur Oberflächenbeschichtung. Aufgrund der für den Einsatz als Injektionsmaterial gewünschten zeitabhängigen Viskositätserhöhung und der nachfolgenden Verfestigung ist dieses Material so nicht für eine Beschichtung verwendbar.
Ungeachtet dem Umstand, dass einerseits die Verwendung von Bitumen und Asphalt im Bergbau lange gängige Praxis ist und andererseits im übertägigen Bereich auch die Verwendung von Bautenschutzanstrichen aus Bitumen seit langem praktiziert wird, existiert aber bisher keine bekannte technische Lösung für die Verwendung einer im untertägigen Bergbau, insbesondere im Salzbergbau, praktikablen Bitumenoberflächen beschichtung, die die Flüssigkeitsdichtheit einer Bitumen- bzw. Asphaltdichtung im Steinsalz über lange Zeit garantiert. Erschwerend ist der Umstand, dass die Haftfestigkeit von Bitumen am Salzgestein a priori als gegeben angesehen wurde und dabei als rein qualitative Größe betrachtet wurde. Tatsächlich ist bisher keine technische Lösung bekannt, die quantitative Kennwerte der Haftfestigkeit von Bitumen an der Oberfläche von Salzgesteinen angibt.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Material zu entwickeln, durch das die Kontaktzone zwischen einer Bitumen- oder Asphaltdichtung und dem Salzgebirge flüssigkeitsdicht abgedichtet wird. Da die Dichtheit dieser Kontaktzone durch die Haftfestigkeit des Bitumens am Salzgestein erreicht wird, muss dieses neue Material die Haftfestigkeit zwischen Bitumen und dem Salzgestein erhöhen. Dazu ist es zuerst einmal erforderlich, ein entsprechendes Maß des Haftvermögens von Bitumen an der Salzoberfläche zu quantifizieren. Das Material muss in seinen Eigenschaften so eingestellt sein, dass die sich widersprechenden Anforderungen – hohe Viskosität für eine dauerhafte Dichtfunktion – niedrige Viskosität für ein gutes Haftvermögen am Gebirge – gleichzeitig erfüllt werden können.
Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass aus dem Bindemittel des Asphaltes des Hauptdichtelementes (dies kann ein Destillationsbitumen oder ein Oxidationsbitumen sein) und/oder einem Bitumen gleicher Klassifikation (Erweichungspunkt, Nadelpenetration, Penetrationsindex) und einem flüssigen Kohlenwasserstoff eine Lösung hergestellt wird und mit dieser Lösung die Gebirgsoberfläche beschichtet wird. Als flüssige Komponente wird ein entaromatisierter aliphatischer Kohlenwasserstoff verwendet, dessen Flammenpunkt so hoch ist, dass er im Salzbergbau zugelassen werden kann. Die Viskosität dieser speziellen Bitumen-Kohlenwasserstofflösung wird so eingestellt, dass sie geringer als die Viskosität des verwendeten Ausgangsbitumens bei einer Bezugstemperatur, die der 1,7-fachen Erweichungstemperatur des Ausgangsbitumens entspricht, ist.
Nach dem Aufbringen der Beschichtung auf der Gebirgsoberfläche wird gewartet, bis das Material vom Gebirge aufgesaugt wurde bzw. sich die Viskosität wieder dem Ausgangswert der Viskosität des Bitumens bei Umgebungstemperatur angeglichen hat. Danach wird die Hauptdichtung in dem vorgesehenen Gebirgsabschnitt eingebaut. Dies kann bei Schachtverschlüssen im Steinsalz durch den konventionellen Heißeinbau erfolgen. Bei Streckenverschlüssen soll zweckmäßigerweise das Verfahren nach DE 10 2006 059 478 bevorzugt werden.
Ein besonderer Vorteil der vorgeschlagenen Lösung ist die Verwendung des gleichen Bitumens für das neue Beschichtungsmaterial, wie es als Bindemittel im Asphalt eingesetzt wird. Dadurch wird eine Beschichtung des Gebirges mit einem arteigenen Bitumen erreicht. Einsetzbar ist auch ein Bitumen gleicher Klassifikation (Erweichungspunkt, Nadelpenetration, Penetrationsindex) oder ein Gemisch dieses Bitumens mit dem Bitumen, wie es als Bindemittel im Asphalt eingesetzt wird. Bei der Auswahl des Bitumens für den Anstrich sind gewisse Variationen möglich. Beispielsweise kann auch ein etwas höherviskoses Bitumen als Bestandteil des Anstriches (z. B. STELOX 110/30 im Anstrich, 85/25 in der Asphaltdichtung), oder aber auch ein etwas niedrigviskoseres Bitumen im Anstrich verwendet werden, wenn die Viskosität nur wenig niedriger als des in der Asphaltdichtung verwendeten Bitumens (z. B. STELOX 85/25 im Anstrich, 95/35 oder 110/30 in der Asphaltdichtung) ist. Allerdings wird bei diesen Variationen nicht die erfindungsgemäß vorteilhafte Wirkung der Dichtung erreicht, wie es im Fall der Verwendung des gleichen Bitumens in Dichtung und Anstrich erreicht wird.
Es hat sich herausgestellt, dass bei Verwendung unterschiedlicher Bitumensorten, z. B. die Verwendung eines generell niedrigviskoseren Destillationsbitumens für das Beschichtungsmaterial, der Effekt der Verbesserung des Haftvermögens nicht erreicht werden kann. Ebenso wird kein positives Ergebnis erreicht, wenn die Gebirgsoberfläche nur mit dem flüssigen Kohlenwasserstoff benetzt wird und das Dichtmaterial danach eingebaut wird. In diesen beiden Fällen verbleibt die Kontaktzone zwischen Gebirge und Asphalt bzw. Bitumen als Schwächezone. Gleichzeitig wurde in diesen Fällen ein geringeres Haftvermögen bestimmt.
Ausführungsbeispiel:
Das Haftvermögen eines Dichtmaterials am Gebirge kann bei Zugbeanspruchung ermittelt werden. Im vorliegenden Beispiel wird das zu prüfende Dichtmaterial in einem Spalt (1 cm) mit definierten Abmaßen (4 cm·4 cm) zwischen zwei hintereinander angeordneten Steinssalz-Prismen eingebracht. Dabei wird zwischen den beiden Steinsalzprismen eine Zugkraft aufgegeben, die während der Versuchsdauer und bei allen Prüfkörpern konstant gehalten wird. Während des Versuches wird der Dehnungsweg über die Versuchszeit gemessen und das Versagensbild festgestellt. Für die Untersuchung der Dauerhaftfestigkeit von Bitumen an Steinsalz soll eine Zugspannung von mindestens 10 kPa aufgebracht werden.
Zur Herstellung des Anstriches wird das Oxidationsbitumen STELOX 85/25 in einem entaromatisierten Kohlenwasserstoff (Hydroseal von TotalFinaElf Deutschland GmbH) im Masseverhältnis 1:1 aufgelöst. Das Oxidationsbitumen hat seinen Erweichungspunkt zwischen 80 und 90°C. Die Viskosität des Bitumens beträgt bei 30°C mehr als 1,1·10⁸ Pas und bei 145°C ca. 9 Pas. Es entsteht eine Mischung, die bei Umgebungstemperatur (bei 30°C) die gewünschte streichbare Konsistenz aufweist. Diese Lösung wird auf die unbehandelte Steinsalzoberfläche deckend aufgetragen. Die Viskosität der Mischung bei 30°C beträgt weniger als 0,5 Pas.
Nach Einfüllen des auf 170°C vorgeheizten, fließfähigen Bitumens STELOX 85/25 zwischen den, mit dem Anstrich beschichteten, Steinsalzprismen wird der Prüfkörper drei Stunden bei 70°C temperiert. Dies entspricht im übertragenen Sinne den realen Bedingungen im Kontaktbereich bei der Erstellung eines Bitumen- oder Asphaltdichtungssystems im Steinsalz beim Heißeinbau. Die Haftzugprüfung zeigt, dass das Bitumen vollständig am Steinsalz haften bleibt.
Im Vergleich dazu tritt bei einer unbehandelten Oberfläche ein Versagen an der Steinsalzoberfläche (Adhäsionsversagen) auf.
Wird die Steinsalzoberfläche nur mit dem Lösungsmittel (z. B. Hydroseal) eingestrichen und dann der Bitumenprüfkörper eingebaut, erfolgt nur ein Anlösen der Oberfläche des nachfolgend eingebauten Dichtmaterials. Dabei beobachtet man bei Zugbeanspruchung ein Versagen im Kontaktbereich, weil die Viskosität in der Grenzfläche sich von der Viskosität des Bindemittels unterscheidet.
Ist die Viskosität im Bereich der Oberfläche zu gering (bei niedrigviskoseren Anstrichen aus Destillationsbitumen) erfolgt ein Versagen zwischen dem Anstrich und dem Dichtmaterial.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102006059478 B3 [0003]
- DD 295893 [0006]
- DE 102005009036 B3 [0007]
- DE 102006059478 [0011]

Claims

Material zur Verbesserung der Dichtwirkung einer Bitumen- oder Asphaltdichtung im Salzgestein, gekennzeichnet dadurch, dass es aus einem Gemisch von entaromatisierten aliphatischen Kohlenwasserstoffen und dem Bitumen, dass in der Querschnittsabdichtung in Form von Asphalt oder Bitumen zum Einsatz kommt, und/oder einem Bitumen gleicher Klassifikation besteht.
Material nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass es aus einem Gemisch von entaromatisierten aliphatischen Kohlenwasserstoffen und dem Bitumen, dass in der Querschnittsabdichtung in Form von Asphalt oder Bitumen zum Einsatz kommt, besteht.
Material nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass seine Viskosität bei 30°C geringer ist, als die Viskosität des entsprechenden Bitumens bei einer Bezugstemperatur, die mindestens der 1,7-fachen Erweichungstemperatur des Ausgangsbitumens entspricht.