Optimierte Polymer-Rohrwerkstoffe für effiziente Drainagesysteme in Tunnelbauwerken – PolyDrain

Versinterungen haben ihren Ursprung in komplexen physikochemischen Gesamtsystemen und etwaige Ursachenbehebungen stellen eine vielschichtige Herausforderung dar. Die Bildung von Karbonatversinterungen beruht zum einen auf der Entgasung oder auch Absorption von CO₂ aus bzw. in die Drainagewässer, andererseits jedoch auch auf der mineralogischen Zusammensetzung und alkalischen Eigenschaft des Betons im Bauwerk, wobei hier im Wesentlichen die Auflösung des Minerals Portlandit (Ca(OH)₂) im Spritzbeton eine wichtige Rolle spielt [1‐4]. Intensiver Kontakt von Wasser mit zementösen Materialien verändert die Eigenschaften und den Chemismus des Wassers wesentlich, wodurch alkalische, zumeist kalziumreiche Wässer generiert werden, welche zu einem erhöhten Versinterungspotential in den Tunneldrainagen führen können [2]. Des Weiteren hat auch die Geologie und die mineralogische Zusammensetzung der Gesteine im Aquifer (Grundwasserleiter) Auswirkungen auf den Grundwasserchemismus und somit auf das mögliche Versinterungspotential im Tunnel [5]. Zusätzlich beeinflusst die Geohydraulik den Weg des Wassers im Untergrund und damit die Kontaktzeit zum Gestein im Aquifer. Je intensiver diese Kontaktzeit (z. B. bei geringer Schüttung), desto größer ist der Einfluss auf den Wasserchemismus. Neben der Geohydraulik spielen in den Drainagen auch die Mischwasserbildungen und Strömungseigenschaften (turbulentes vs. laminares Fließen vs. stagnierende Bedingungen) eine wichtige Rolle [1, 2]. Die Versinterungen selbst können chemisch und petrographisch sehr komplex aufgebaut sein. Kalzit (Kalziumkarbonat CaCO₃) ist zumeist die Hauptkomponente und kommt in einer großen Vielfalt an Erscheinungsformen und mit verschiedener Konsistenz vor. Hinzu kommt noch das Vorhandensein weiterer Minerale als Nebenkomponenten, wie beispielsweise Aragonit (CaCO3 Modifikation), Brucit (Mg(OH)2), Eisenoxide/Hydroxide (z. B. Goethit FeO(OH) und Hämatit Fe₂O₃) oder detritische Minerale (z. B. vielfältige Silikate), wodurch zur chemischen auch noch eine mineralogische Variabilität hinzukommt [1, 2]. Je nach Zusammensetzung und weiteren Randbedingungen der Ablagerung, können dadurch hinsichtlich Materialkonsistenz sehr weiche und schlammartige oder auch sehr harte, plattenartige Versinterungen entstehen (Abb. 1).

Um die Funktionalität des Tunnelbauwerks aufrechterhalten zu können, müssen die Drainagen regelmäßig gereinigt werden. Da eine Reinigung die Sperre des Gleises, der Richtungsfahrbahn oder gar des Tunnels bedeutet, müssen Reinigungsvorgänge möglichst effizient und schnell vonstattengehen. Gemäß der Systematik in der Richtlinie „Tunnelentwässerung“ der Österreichischen Vereinigung für Beton- und Bautechnik [6] gibt es prinzipiell mehrere Arten der Reinigung von Drainagerohren. Je nach Beschaffenheit der Versinterung können entweder hydraulische (Hochdruckspülung), hydromechanische (z. B. Vibrationsdüse), oder mechanische (Kettenschleuder, Fräser, Schlagbohrfräser) Reinigungsverfahren eingesetzt werden.

Bei sehr intensiven Reinigungsprozessen, v. a. wenn diese eine mechanische Komponente beinhalten, kann es dazu kommen, dass die Oberflächen der verbauten Drainagerohre angegriffen oder sogar zerstört werden (Abb. 2). Diese Art der Schädigung ist vor allem bei Rohren eine Gefahr, die vor einer Regulierung durch die Richtlinie Tunnelentwässerung 2003 [7], bzw. 2010 [6] eingebaut wurden [8].

Im Fall von Drainageleitungen in Tunnelbauwerken ist dies als besonders kritisch zu sehen, da diese aufgrund ihrer Situierung im Bauwerk nicht einfach ersetzt werden können. Um beschädigte Wasserleitungen austauschen zu können, müssten Teile der ganzen Tunnelwand inklusive Abdichtung und Sickerpackung entfernt werden, da es derzeit noch keine grabenlosen Sanierungsmethoden gibt, die nachweislich für die speziellen Anforderungen in Tunnelbauwerken (v. a. im Hinblick auf exzessive Reinigungsvorgänge mittels mechanischer Methoden, kontinuierlichen Wasserzutritt während der Sanierungsarbeiten, Drainageschlitze) geeignet sind. Dadurch ergibt sich abseits der Instandhaltungskosten ein weiterer Punkt, aufgrund dessen eine Verminderung von Versinterungen in Drainagerohren dringend angestrebt wird.

Aufgrund der Dringlichkeit der gegenständlichen Thematik wird seit einigen Jahren intensiv nach Möglichkeiten zur Verringerung von Versinterungen in Tunnelbauwerken gesucht [9‐13]. Als Unterstützung zur Reinigung kommen bei verschiedenen Tunnels derzeit „Härtestabilisatoren“ zum Einsatz. Darunter werden gering dosierte Zugaben verschiedener chemischer Wirkstoffe in fester und flüssiger Form zum Drainagewasser verstanden [12‐16], welche entweder vorhandene Versinterungen reduzieren, die Ausfällung von Versinterungen verlangsamen, hemmen oder verhindern sollen. Diese bestehen meist aus verschiedenen Anteilen und molekularen Formen von Polyasparaginsäure oder anderen sogenannten „Grünen Inhibitoren“ (ökologisch unbedenkliche, biologisch gut abbaubare Karbonsäuren) oder auch anorganischen Säuren (konventionelle Inhibitoren; meist Phosphor-haltig). Abhängig vom verwendeten Wirkstoff und dessen Dosierung und zahlreichen – meist schwierig nachvollziehbaren natürlichen und technischen Randbedingungen – zeigen sich unterschiedliche Resultate, die von hoher bis zu praktisch nicht nachweisbarer Wirksamkeit reichen. Im Lainzer Tunnel konnten mittels verdünnter Salzsäure zum Beispiel gute Erfolge erzielt werden [16]. Ein Nachteil dieser Methode ist jedoch, dass die geltenden Umweltbestimmungen einen hohen Aufwand hinsichtlich Kontrolle und Dokumentation der Veränderung des Wasserchemismus bedingen. Zusätzlich wirken flüssige Härtestabilisatoren derzeit nur in der Rohrsohle und nicht im Bereich der Drainageschlitze.

Nach der Entnahme der Kunststoff-Probekörper aus dem Prüfstand bzw. den realen Bauwerken werden diese mittels unterschiedlicher Methoden analysiert. Zum einen wird, wie in Abb. 7 dargestellt, untersucht, wie viele Kristalle (Kalzit, Aragonit) auf den jeweiligen Substraten aufgewachsen sind. Dies dient zur quantitativen Beurteilung der Wechselwirkung der gewählten Füllstoffe. Zusätzlich werden die aufgewachsenen karbonatischen Kristalle mittels Rasterelektronenmikroskop im Detail untersucht. Dies dient primär zur qualitativen Beurteilung der Kristallstruktur und Verwachsung der Versinterung. Bisherige Untersuchungen haben gezeigt, dass auch diese Versinterungseigenschaften von dem als Substrat gewählten Kunststoff selbst wesentlich beeinflusst werden können.

Im Projekt PolyDrain werden derzeit sieben verschiedene Materialmischungen hinsichtlich ihrer Wechselwirkungen und Wirksamkeit gegen Versinterung untersucht. Wie in Abbildung Abb. 7 zu sehen, ist es mittels der Zugabe von Füllstoffen möglich, das Versinterungsverhalten des jeweiligen Matrixwerkstoffes (a) signifikant zu beeinflussen. Je nach gewählten Füllstoffen kann eine starke Verringerung (b), Vermehrung oder gar Änderung der Morphologie (c) der aufwachsenden Kristalle erreicht werden. Diese ersten Ergebnisse lassen darauf schließen, dass der gewählte Ansatz der Modifizierung des Matrixwerkstoffes großes Potential für die Entwicklung von versinterungsoptimierten Drainagerohren aus Kunststoff hat. Bevor diese Wirkstoffe jedoch im großtechnischen Maßstab eingesetzt werden können, benötigt es weiterer Validierungs- und Langzeitversuche, sowohl im Labor, als auch in realen Bauwerken.