Zusammenhang von Chemismus und mechanischen Eigenschaften des MgO-Baustoffs (MgO – Baustoff)

Laufzeit: 2010-2014

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Motivation:

In Deutschland wird das Konzept zur Endlagerung hochradioaktiver Wärme entwickelnder Abfälle (HAW) u.a. in tiefliegenden geologischen Formationen des Salinars verfolgt.

Die langzeitsichere Trennung eines Endlagers von der Biosphäre ist durch die geologische Barriere gegeben. Im Rahmen der Betriebsphase entstehen jedoch Wegsamkeiten, die durch die Errichtung von geotechnischen Barrieren (Dammbauwerke, Schachtverschlüsse, Bohrlochverschlüsse) verschlossen werden müssen. Für den Langzeitsicherheitsnachweis eines Endlagers ist daher die Integrität der geotechnischen Barrieren auch für einen nicht zu erwartenden Lösungszutritt zu führen.

Im Salzgestein Steinsalz, welches außer Halit auch immer geringe Mengen an Kalisalz (Polyhalit, Kieserit, ev. Carnallit, …) enthält, dürfen die für die Er-richtung der geotechnischen Barrieren eingesetzten Baustoffe folglich nicht von NaCl-gesättigten, MgCl2-haltigen Salzlösungen korrodiert werden. Der zu verwendende Baustoff muss daher die verschiedensten Anforderungen erfüllen.

Ansatz des Projektes:

An Baustoffe, die im Salz oder salzhaltigen Untergrund eingesetzt werden, bestehen hinsichtlich der Korrosion besondere Anforderungen. Übliche zementäre Baustoffe werden vom Salz oder salzhaltigen Lösungen im Laufe der Zeit zersetzt.

Aus diesem Grund werden für die Errichtung von geo-technischen Barrieren spezielle Materialien, wie der sogenannte Sorelbeton (MgO-Beton), eingesetzt.

Aufgrund von bislang meist nur empirischen und teilweise widersprüchlichen Kenntnissen und Aussagen zum Baustoff wurde im Rahmen des Projektes „MgO-Baustoff“ auf Basis eines umfangreichen, systematischen und komplexen Untersuchungsprogrammes ein neuer Stand von Wissenschaft und Technik zum Baustoffsystem erlangt.

Ergebnisse:

Die temperaturabhängigen Lösegleichgewichte der Bindemittelphasen wurden bestimmt und bilden die Grund-lage für die Führung eines geochemischen Langzeitsicherheitsnachweises.

Das chemomechanische Eigenschaftsbild des Magnesia-baustoffs variiert in Abhängigkeit von der Rezeptureinstellung, Rezepturverarbeitung, folglicher Temperaturentwicklung, dadurch bedingter Bindemittelphasenbildung, die wiederum die resultierenden geomechanischen Parameter bedingt.

Die kausalen Zusammenhänge liefern im Detail systematische Ergebnisse zu:         

• Molare 3-Komponenten-Rezeptureinstellung

• Charakteristik des Ausgangs-MgO; an den beiden Grundrezepturtypen “3-1-8-Phasen- und 5-1-8-Pha-senrezeptur”

• Temperatur-, Druck- bzw. Volumenentwicklung beim Abbinden im Zusammenhang mit Bindemittelphasen-bildung

• Festigkeitsverhalten

• Kompaktions- und Kriechverhalten

• Verhalten bei sekundärem Lösungszutritt (hydraulisches Verhalten)

Ausblick:

Der Magnesiabaustoff stellt einen Baustoff dar, der Anforderungen an geotechnische Barrieren im Rahmen eines Langzeitsicherheitsnachweises für ein HAW-Endlager im Salinar erfüllen kann.

Je nach Baustoffrezeptur und sich folglich ausbildender Bindemittelphase ist der geochemische Langzeitsicherheitsnachweis anhand des thermodynamischen Löse-gleichgewichts oder eines Integritätsnachweises zu führen.

Die Art der Bindemittelphase entscheidet über die mechanischen Eigenschaften des Baustoffs. Weiterentwicklungen von Rezepturen bezüglich technologischer Verarbeitbarkeit und/oder Modifizierungen von mechanischen Eigenschaftsdetails sind gezielt möglich.

Die erhaltenen Daten zu den Lösegleichgewichten der Bindemittelphasen des MgO-Baustoffs in Salzlösungen können in eine thermodynamische Datenbasis (THERE-DA) implementiert werden, sodass nun auch Modellrechnungen zur geochemischen Beständigkeit des Baustoffs in salinarer Umgebung gesicherte Ergebnisse liefern können.

Projektträger

Projektträger Karlsruhe (PTKA)

Karlsruher Institut für Technologie (KIT)

Hermann-von-Helmholtz-Platz 1
76344 Eggenstein-Leopoldshafen

+49 (0)721 608-25281
info@ptka.kit.edu

Sekretariat Karlsruhe

Susanne Zbornik

+49 (0)721 608-25281
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Sekretariat Standort Dresden

Heike Blumentritt

+49 (0)721 608-31435
heike.blumentritt