DE4434758C1 - Preßling zur Querschnittsabdichtung untertägiger Hohlräume im Salzgestein - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Preßling zur Querschnittsabdich­ tung untertägiger Hohlräumen im Salzgestein nach dem Oberbe­ griff des Patentanspruchs 1.

Querschnittsabdichtungen von untertägigen Hohlräumen gegenüber gasförmigen und flüssigen Medien sind nicht nur wichtige Si­ cherheitselemente für klassische Aufgabenstellungen des un­ tertägigen Bergbaus und der untertägigen Speicherung, sondern gehören auch zum Sicherheitskonzept für die untertägige Endla­ gerung von umweltgefährtenden Abfallstoffen in geologischen Formationen.

Querschnittsabdichtungen sind technische Barrieren in Form von Bohrlochverschlüssen, Streckenverschlüssen, Dämmen und Schachtverschlüssen und gehören zusammen zum Mehrbarrieren­ system für ein Endlager. Sie dienen sowohl der Sicherheit des Grubengebäudes während der Betriebsphase als auch der Nachbe­ triebsphase bis zu einem Zeitraum von etwa 10³ Jahren und müs­ sen die Forderungen nach sehr geringer Permeabilität, einem Sorptionsvermögen für Abfallstoffe, rißfreier Anpassung an Ge­ birgsbewegungen und Langzeitbeständigkeit unter Berücksichti­ gung eventueller Änderung der chemischen und physikalischen Bedingungen, denen diese Materialien ausgesetzt sind, erfül­ len.

Ein Formkörper aus Steinsalzgrus ist aus der DE 41 30 658 be­ kannt. Ein Nachteil dieses Formkörpers ist seine Wasserlös­ lichkeit.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Preßling zur Quer­ schnittsabdichtung untertägigen Hohlräume im Salzgestein der gattungsgemäßen Art zur Verfügung zu stellen, welcher aufgrund seiner mechanischen und chemischen Beständigkeit eine über lange Zeit dichte Querabdichtung untertägiger Hohlräume im Salzgestein ermöglicht und welcher weitgehend wasserunlös­ lich ist.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Patent­ anspruchs 1. Die Unteransprüche beschreiben vorteilhafte Aus­ gestaltungen der Erfindung.

Das wesentliche Neue der entwickelten Querschnittsabdichtung besteht darin, daß erstmals ein Material zur Verfügung steht, welches durch seine hohe Dichte, seine geringe Porösität und seine wasserabweisende Eigenschaft eine hohe Dichtigkeit ge­ genüber Gasen und Flüssigkeiten besitzt. Das Material ist so­ mit gegen alle salinare Lösungen resistent.

Gleichzeitig kann der technische Aufwand für einen Einbau un­ ter Verdichtung vor Ort auf ein Minimum reduziert werden, der für die im Bergbau übliche Versatzeinbringung noch zusätzlich erforderlich wäre.

Mit dem Formkörper lassen sich sowohl einfache Kreuzmauer­ werksverbände als auch andere Verschlußverbände rasch und wirksam realisieren. Dabei werden als Bindemittel Montanwachs­ produkte mit Wachsanteilen, Harzanteilen und Asphaltstoffen verwendet, wobei die Wachsanteile zwischen 25 und 90% und die Harzanteile zwischen 8 und 65% (bzw. zwischen 20 und 60%) liegen. Diese Verbände lassen sich auch nahtlos in bestehende Abdichteinheiten wie Dämme zur Querschnittsabdichtung untertä­ giger Hohlräume im Salzgestein integrieren, die eine mechani­ sche, petrophysikalische, chemische und hydraulische Integri­ tät mit dem umgebenden Salzgestein besitzen. Nach der Erstel­ lung wird eine nahe dem Salzgestein liegende Anfangsdichtig­ keit und langzeitlich eine Erhöhung der Dichtwirkung erzielt.

Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Es wurde festgestellt, daß unter Verwendung von Hydrophobisie­ rungsmitteln feste Steinsalzpreßlinge (Formkörper) hergestellt werden können, die gegenüber gesättigten Salzlösungen bestän­ dig und vollkommen undurchlässig sind. Für die Hydrophobisie­ rung haben sich die Montanwachsprodukte Romonta Normal (RN) sowie Romonta 55 (R55) als geeignet erwiesen. Die Hydrophobi­ sierung gelang sowohl nachträglich durch Tränken der Preßlinge mit verflüssigtem Hydrophobisierungsmittel als auch durch Zugabe der Montanwachsprodukte in feinkörniger Form zum Preß­ gut. Bei der Tränkung entsteht eine hydrophobisierte Zone am Preßlingsrand, durch die das Wasser von gesättigten Salzlösun­ gen nicht eindringen kann. Der Nachteil dieser Verfahrensweise besteht darin, daß die 3 bis 5 mm dicke Schutzzone durch me­ chanische Einwirkung leicht verletzt werden kann. Eine voll­ kommene, durchgehende Hydrophobisierung des gesamten Preßlings mit der gleichen Menge an Montanwachsprodukt wird nach der zweiten Verfahrensweise erreicht. Das bei der Montanwachspro­ duktion anfallende Montanharz RH60 als Hydrophobisierungsmit­ tel wurde ebenfalls eingesetzt.

RH60 besteht aus 60% Harz, 26% Wachs mit einer Kettenlänge bis 52 C-Atome und 14% Asphalt. Im Wachsanteil von R55 sind Kettenlängen bis zu 94 C-Atome enthalten.

Gemische mit ähnlicher Zusammensetzung, bei denen die Kompo­ nenten nicht aus Braunkohle gewonnen werden können ebenfalls mit gleichem Effekt eingesetzt werden.

Die Menge des Hydrophobisierungsmittels liegt zwischen 0,5 und 2%.

Die konditionierten Salzpreßsteine (Formkörper) sind für den geplanten Verwendungszweck geeignet, wenn sie sich zu einem stabilen und undurchlässigen Mauerverband aufschichten lassen. Unter diesem Aspekt werden auch geeignete Mörtel angegeben.

Für die Versuche wurde Steinsalz einer Körnung < 1 mm verwen­ det.

Die Preßversuche wurden mit der hydraulisch betriebenen Stem­ pelpresse mit geschlossener Preßform durchgeführt. Die Montan­ wachsprodukte RN und R55 kamen im Anlieferungszustand mit ei­ ner Körnung von Dd zwischen 0 und 1 mm zum Einsatz. Das in grobstückiger Form angelieferte Montanharz RH60 mußte nachzer­ kleinert werden. Die Nachzerkleinerung auf eine Körnung von Dd zwischen 0 und 1 mm gelang mit Hilfe einer Schlagnasenmühle mit Austragssieb.

Beide Komponenten werden homogen vermischt.

Die Formkörper werden bei einem Preßdruck zwischen 120 und 200 Mpa, vorzugsweise bei 160 Mpa und einer Temperatur zwischen 150 und 200°C erzeugt. Die Haltezeit liegt dabei zwischen 10 und 30 Sekunden.

Bemerkenswert ist die Steigerung der Rohdichte der Preßlinge durch die Hydrophobisierungsmittel. Bei einer Zusatzmenge der Montanwachsprodukte von 1,0% steigt die Rohdichte der Preß­ linge von 1,97 auf über 2,02 g/cm³ an.

Beim Vergleich der Hydrophobisierungsmittel wird der Vorteil des Montanharzes RH60 deutlich. Mit diesem Mittel wird die höchste Preßlingsfestigkeit und Hydrophobisierungswirkung er­ zielt. Bei den mit Montanharz konditionierten Preßlingen ist die Wasseraufnahme am geringsten.

Die Rohdichtecharakteristika weisen bei einem Anteil der Hy­ drophobisierungsmittel von 0,5% ein Maximum auf. Im Zustand höchster Dichte ist eine hohe Undurchlässigkeit der Preßlinge zu erwarten. Allerdings muß dabei nicht gleichzeitig eine vollständige Umhüllung der Salzpartikel mit Hydrophobisie­ rungsmittel vorliegen. Dies ist eher zu erwarten, wenn der Zu­ satz auf 1% erhöht wird, wobei dann die Rohdichte aufgrund der Sperrwirkung des Hydrophobisierungsmittels bereits wieder etwas abfällt. Im Interesse der Hydrophobisierungswirkung sollte daher der Anteil der Hydrophobisierungsmittel auf ca. 1% bemessen werden.

Da durch Kaltverpressung des konditionierten Steinsalzes in keinem Fall eine wesentliche Verbesserung der Preßlingsfestig­ keit erreicht werden kann, empfiehlt sich die Heißverpressung, wenn dabei die Mindestdruckfestigkeit im Bereich von 25 bis 30 MPa gehalten werden kann. Abgesehen von der Preßlingsfestig­ keit hat die Heißverpressung den Vorteil, daß eine wesentlich bessere Verteilung des Hydrophobisierungsmittels erreicht wer­ den kann. Durch gleichzeitiges Erwärmen im Mischer oder Erwär­ men der Mischung in einem Aufwärmapparat können die Montan­ wachsprodukte bei freier Beweglichkeit der Salzpartikel best­ möglich auf deren Oberfläche verteilt werden. Man kann von ei­ ner vollständigen Umhüllung der Salzpartikel ausgehen, was für den Hydrophobisierungseffekt sehr wichtig ist. Des weiteren ist anzunehmen, daß bei der Heißverpressung die perfekte Hydrophobisierung mit einem geringeren Zusatz an Hydrophobi­ sierungsmittel erreicht werden kann.

Im Fall des Montanharzes RH60 liegt die Preßlingsdruckfestig­ keit schon bei der unteren Preßtemperatur von 120°C über 30 MPa. Die Zunahme der Preßlingsfestigkeit mit zunehmender Preßtemperatur hängt mit der deutlichen Erhöhung des Verdichtungsverhältnisses und vermutlich auch mit der stoffli­ chen Veränderung der Montanwachsprodukte bei Erhitzen zusam­ men. Die Erzielung einer höheren Preßlingsrohdichte ist ein bedeutsamer Vorteil der Heißverpressung im Hinblick auf die Undurchlässigkeit der Preßlinge.

Die Hydrophobisierung ist unter den angewandten Testbedingun­ gen auch schon bei der unteren Preßtemperatur von 120°C und ohne die thermische Nachbehandlung der Preßlinge perfekt. Auf die zusätzliche Hydrophobisierungswirkung der thermischen Nachbehandlung, die bei unter Druck anstehender Salzlauge wichtig sein könnte, sollte aber bei der praktischen Anwendung des Verfahrens nicht verzichtet werden. Die thermische Nach­ behandlung ist außerdem von Vorteil, wenn die Salzpreßsteine im heißen Zustand vermauert werden, weil dann die Bedingungen für die Verbindung der Steine zu einem festen Mauerverband so­ wie für die Anbindung des Mauerwerkes an das umgebende Gebirge optimal sind. In den Versuchen erweist sich eine Preßtempera­ tur und Nachbehandlungstemperatur von jeweils 200°C als gün­ stig. Höhere Temperaturen sollten wegen der Verdampfungsgefahr der Montanwachsprodukte nicht angewandt werden.

Aus Messungen der Wasseraufnahme sowie der Druckfestigkeiten geht hervor, daß die Hydrophobisierung bereits bei einem An­ teil der Montanwachsprodukte von 0,5% perfekt ist. Zur siche­ ren Umhüllung der Salzpartikel sollte er jedoch auf jeweils 1% bemessen werden. Dies wäre auch hinsichtlich der Preßlings­ festigkeit zulässig.

Bei Einhaltung folgender Parameter wurde ein optimaler Form­ körper erhalten

Steinsalz: Körnung Dd » 1/0 mm,
Hydrophobisierungsmittel: Montanharz RH60, a_M = 1%,
Vermischung: Zwangsmischer, Mischtemperatur 150-200°C,
Verpressung:
Jp = 150-200°C, p = 140-160 MPa, t_p = 10-30 s,
Thermische Nachbehandlung der Preßlinge:
elektrisch beheizter Ofen oder Mikrowelle, JN = 200°C.

Die Hydrophobisierung der Steinsalzpreßlinge ist mit den Montanwachsprodukten RN und R55 auch gut möglich. Der Vorzug des Montanharzes RH60 resultiert aus der höheren Festigkeit und höheren Dichte der damit hergestellten Preßlinge. Die mit RH60 konditionierten Preßlinge haben somit die höchste Bestän­ digkeit und Undurchlässigkeit gegenüber einer gesättigten Salzlösung.

Für die Vermischung des Steinsalzes mit dem Montanwachsprodukt sind beheizte Zwangsmischer geeignet. Bei der Heißverpressung hat es sich aus preßtechnischen Gründen bewährt, die Tempera­ tur der Preßwerkzeuge (Preßform, Preßstempel) auf ca. 100°C einzustellen. Unter dieser Bedingung ist die Anhaftung des konditionierten, heißen Salzes an Preßform und Stempel nicht so hoch, so daß Preßlinge mit sehr glatten Oberflächen ent­ stehen können.

Die Anwendung einer verlängerten Preßdauer ist für die Vertei­ lung des Hydrophobisierungsmittels im Preßling sowie für die Erzielung einer höchstmöglichen Preßlingsdichte von großer Be­ deutung. Wenn die verlängerte Preßdauer auch nicht im Inte­ resse der Pressenleistung ist, sollte sie doch nicht weniger als 10 sec betragen.

Für die thermische Nachbehandlung der Preßlinge sollte ein Mi­ krowellenofen bevorzugt werden. Durch die gleichmäßige Erwär­ mung der Preßlinge bei Mikrowellenbestrahlung wird eine bes­ sere Nachvergütung der Preßlinge erreicht.

Zur sicheren Versiegelung der für die Endlagerung vorgesehenen Hohlräume im Salzbergwerk ist nicht nur der Einsatz von voll­ kommen dichten Salzpreßlingen erforderlich, sondern es muß auch die Verbindung der Steine im Mauerwerk sowie die Anbin­ dung des Mauerwerkes an das umgebende Gebirge dicht sein. In den Versuchen sollte überprüft werden, inwieweit allein durch Erhitzen eine schmelzhaftungsähnliche feste und undurchlässige Verbindung zwischen den konditionierten Steinen bzw. zwischen konditionierten Steinen und Salzgebirge möglich ist. Zur Simu­ lierung der Anhaftung von konditionierten Steinen an das Ge­ birge wurden nicht konditionierte Preßlinge mit konditionier­ ten Preßlingen in Kontakt gebracht. Es wurden jeweils zwei Rundbriketts mit den Stempeloberflächen deckungsgleich über­ einander gelegt und mit einem Gewicht von 1 kg belastet. Die Erhitzung erfolgte sowohl im elektrischen Brennofen bei 200°C als auch im Mikrowellenofen bei ca. 150°C über jeweils 1 Stunde. Es wurde erhofft, daß bei der Erwärmung ein Teil des verflüssigten Hydrophobisierungsmittels infolge von Stofftransportvorgängen an die Oberfläche und zum Teil in den Oberflächenbereich des jeweils anderen Preßlings eindringt, so daß auf diese Weise nach Abkühlung eine feste und undurchläs­ sige Verbindung entsteht. Die Testversuche zeigten jedoch in keinem Fall, unabhängig von der Art und dem Anteil (bis 1,5%) des Montanwachsproduktes eine wirksame Anhaftung. Offensicht­ lich ist das auf die Oberfläche der Salzpartikel verteilte Hy­ drophobisierungsmittel in den konditionierten Preßlingen durch Adsorptionskräfte so stark an den Feststoff gebunden, daß es auch bei erneuter Erwärmung weitgehend unbeweglich bleibt. Der Einsatz eines "Mörtels" ist deshalb notwendig.

Eine ausreichend stabile und dichte Verbindung der konditio­ nierten Salzpreßlinge untereinander und zum Gebirge ist nur durch Anwendung eines geeigneten Mörtels bzw. Bindemittels zu erreichen.

Die Nachteile von Salzmörtel mit einem Anteil von Montanwachs­ produkten sind prinzipiell nicht vermeidbar durch Erhöhen des Anteils des Montanwachsproduktes. Bei der für die Verschmel­ zung erforderlichen Erwärmung würde überschüssiges Montanwachsprodukt in jedem Fall aus der Fuge auslaufen, und es verbliebe ein entsprechend der Aufnahmekapazität mit Hydro­ phobisierungsmittel gesättigter Salzmörtel mit relativ hoher Porosität. Eine Lösung des Problems besteht in der Verwendung der reinen Montanwachsprodukte als Haftmittel.

Die effektive Verbindung der konditionierten Salzpreßlinge ge­ lingt auf folgende Weise:

• - Auftragen des pulverförmigen Montanwachsproduktes auf die Verbindungsfläche des Preßlings. Erforderliche Menge: ca. 0,05 g/cm²,
• - Auflegen des zweiten Steines auf die Verbindungsfläche und Belastung des Verbundes mit einem zusätzlichen Gewicht von ca. 50 g/cm²,
• - Erwärmen des Verbundes vorzugsweise durch Mikrowellenbe­ strahlung auf ca. 120°C.

In den Testversuchen wurde die zur Verschmelzung notwendige Erwärmung des Verbundes sowohl im elektrischen Ofen bei 200°C als auch im Mikrowellenofen bei 120°C realisiert. Unter den angewandten Versuchsbedingungen trat keine nennenswerte Menge des verflüssigten Bindemittels aus der Verbindungsfuge aus.

Bei der Verschließung der im Salzbergwerk zur Endlagerung vor­ gesehenen Hohlräume läßt sich nicht vermeiden, daß zwischen Mauerwerk und Gebirge mehr oder weniger große Restspalte ver­ bleiben. Zur Versiegelung dieser Restspalte wird vorgeschla­ gen, ebenfalls die bewährten Montanwachsprodukte, vorzugsweise das RH60, zu verwenden. In Testversuchen wurden durch Erhitzen einer Mischung aus 50% Steinsalz und 50% RH60 in Keramik­ schalen Formkörper hergestellt, die nach dem Auskühlen voll­ kommen porenfrei und auch in reinem Wasser beständig waren. Eine solche Mischung wäre im heißflüssigen Zustand zum Aus­ gießen der Spalträume geeignet. Voraussetzung ist jedoch, daß die Mischung im flüssigen Zustand im Heißmischer ständig in Bewegung gehalten wird, damit sich die Salzpartikel nicht ab­ setzen können. Zur Feststellung der für das Vergießen optima­ len Viskosität der heißflüssigen Mischung wären noch Versuche unter Variation des Salzanteiles erforderlich.

Claims (5)

1. Preßling zur Querschnittsabdichtung untertägiger Hohlräume im Salzgestein, bestehend aus mindestens Steinsalzgrus mit einer Körnung zwischen 0 und 1 mm, dadurch gekennzeichnet, daß dem Steinsalzgrus oder der Preßling 0,5 bis 2% Montan­ wachsprodukte als Hydrophobisierungsmittel in Form von Wachsanteilen, Harzanteilen und Asphaltstoffen enthält.

2. Preßling nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wachsanteile zwischen 25 und 90% und die Harzanteile zwischen 8 und 65% liegen.

3. Preßling nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Hydrophobisierungsmittel das Montanwachs Romonta Normal (RN) ist.

4. Preßling nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Hydrophobisierungsmittel das Montanwachs R55 ist.

5. Preßling nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Hydrophobisierungsmittel das Montanharz RH60 ist.