Handbuch zur Erkundung des Untergrundes von Deponien und Altlasten: Band 5: Tonmineralogie und Bodenphysik

316 Pages·1998·13.19 MB·German

by  Dr. Werner Hiltmann

BGR
-~-
Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe
Handbuch zur Erkundung
des Untergrundes von Deponien
und Altlasten
BandS
Dieses Methodenhandbuch "Deponieuntergrund" ist im Rahmen des vom Bun
desministerium für Bildung, Wissenschaft und Technologie (BMBF) geförderten
Forschungverbundvorhabens "Methoden zur Erkundung und Beschreibung des
Untergrundes von Deponien und Altlasten" (Projektträger "Abfallwirtschaft und
Altlastensanierung" im Umweltbundesamt; Förderkennzeichen 1460605, 1460605
A, 1460605 B) entstanden.
Die Verantwortung für den Inhalt der Beiträge liegt bei den jeweiligen Autoren.
Springer-Verlag Berlin Heidelberg GmbH
W erner Hiltmann Bernhard Stribrny
Tonmineralogie
und Bodenphysik
Mit Beiträgen von
Axel Baermann, Kurt Czurda, Eberhard Dahms,
Hans-Georg Dietrich, Lothar Fritz, Peer-L. Gehlken,
W erner Hiltmann, Harald Heimerl, Ewald Erwin Kohl er t,
Bernhard Mattiat, Heinrich Rösch, Wilfried Schneider,
Nariman Tadjerpisheh, Jean-Frank Wagner
und Reinhard Wienberg
Mit 68 Abbildungen und 33 Tabellen
Springer
DR. WERNER HILTMANN
PROF. DR. BERNHARD STRIBRNY
Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe
Stilleweg 2, D-30655 Hannover
Titelbild: Pipettapparatur zur Bestimmung der Korngrößenverteilung
ISBN 978-3-642-63761-2 ISBN 978-3-642-58852-5 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-642-58852-5
Die Deutsche Bibliothek-CIP-Einheitsaufnahme
Handbuch zur Erkundung des Untergrundes von Deponien und Altlasten I BGR, Bundesanstalt für
Geowissenschaften und Rohstoffe. -Berlin; Heidelberg; New York; Barcelona; Budapest; Hong Kong;
London; Mailand; Paris; Santa Clara; Singapur; Tokio: Springer
Bd. 5. Hiltmann, Werner: Tonmineralogie und Bodenphysik -1998
Hiltmann, Werner: Tonmineralogie und Bodenphysik I Werner Hiltmann; Bernhard Stribrny. -Berlin;
Heidelberg; New York; Barcelona; Budapest; Hong Kong; London; Mailand; Paris; Santa Clara; Singa
pur; Tokio: Springer, 1998
(Handbuch zur Erkundung des Untergrundes von Deponien und Altlasten; Bd. 5)
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© Springer-Verlag Berlin Heideiberg 1998
Ursprünglich erschienen bei Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York 1998
Softcover reprint of the hardcover Ist edition 1998
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jedermann benutzt werden dürften.
Herstellung: B. Schmidt-Löffler
Satz: Reproduktionsfertige Vorlage vom Autor
Einbandgestaltung: E. Kirchner, Heidelberg
SPIN: 10495883 3013136-54 3 2 1 0-Gedruckt auf säurefreiem Papier
In memoriam Pofessor Dr. E. E. Kohler
Vorwort
Im Rahmen eines vom Bundesministerium für Bildung, Wissenschaft, For
schung und Technologie (BMBF) in der Projektträgerschaft des Umweltbun
desamtes (UBA) geförderten Forschungverbundvorhabens wurde ein Hand
buch erarbeitet, in dem die heute verfügbaren und relevanten Methoden zur
Erkundung des Untergrundes von Deponien und Altlasten zusammengestellt
sind.
Dieses Methodenhandbuch besteht aus 7 Bänden:
1 Geofernerkundung
2 Strömungs-und Transportmodeliierung
3 Geophysik
4 Geotechnik/Hydrogeologie
5 Tonmineralogie und Bodenphysik
6 Geochemie
7 Handlungsempfehlungen
Hiermit wird Band 5 "Tonmineralogie und Bodenphysik" vorgelegt.
In Deutschland fallen zur Zeit jährlich über 300 Mio Tonnen Haus- und Ge
werbemüll an. Abfalldeponien sind daher unverzichtbare Infrastruktureinrich
tungen unserer Industriegesellschaft Auch in Zukunft bleibt -trotz des in den
letzten Jahren stetig zurückgehenden Müllaufkommens-die Ausweisung von
geeigneten Deponieflächen eine wichtige Aufgabe des vorsorgenden Umwelt
schutzes.
Neben den Deponien muß in Deutschland mit weit über 200 000 altlastver
dächtigen Flächen (A ltablagerungen und Altstandorte) gerechnet werden, von
denen erst ein Teil katastermäßig erfaßt ist. Die Untersuchung des Untergrun
des von Altablagerungen und Altstandorten ist eine wichtige Voraussetzung,
um das Gefährdungspotential durch schädliche Bodenveränderungen für den
einzelnen oder die Allgemeinheit bewerten zu können. Der Schutz des Bodens
vor schädlichen Veränderungen und die Sanierung von Altlasten sollen im
Bundesbodenschutzgesetz (BBodSchG) geregelt werden.
VIII Vorwort
Die gesetzliche Grundlage für die Abfallagerung bilden die zweite und
dritte Verwaltungsvorschrift zum Abfallgesetz (AbfG), die Technischen An
leitungen (TA) Abfall und SiedlungsabfalL Für den tieferen Untergrund und
das unmittelbare Auflager von Deponien werden von der TA Abfall folgende
Forderungen genannt: Natürlicher Untergrund mit einer Mindestmächtigkeit
und flächiger Verbreitung, Mindestabstand zur Grundwasseroberfläche, ho
hes Adsorptionsvermögen, Tonmineralhaltigkeit, geringe Gebirgsdurchlässig
keit und hohe Bodendichte.
Die Methoden zur Beschreibung und Quantifizierung dieser Eignungskri
terien sind Gegenstand des Methodenhandbuchs.
Allein vier der genannten acht Kriterien - Durchlässigkeit, Adsorptions
vermögen, Tonmineralhaltigkeit und Bodendichte - stellen Stoffeigenschaften
des Untergrundes dar. Diese werden maßgeblich durch dessen tonmineralogi
sche und bodenphysikalische Beschaffenheit bestimmt. Die bodenmechani
sche Stabilität bildet neben den Barriereeigenschaften ein weiteres Kriterium
für die Eignungsprüfung des Deponieuntergrundes. Die in dem vorliegenden
Band des Methodenhandbuchs dargestellten Verfahren gehören damit zum
zentralen und unabdingbaren Instrumentarium bei Untersuchungen des Unter
grundes von Deponien. Darüber hinaus kommen sie auch bei der Erkundung
und Bewertung von Altlasten zum Einsatz.
Der vorliegende Band ist in vier Kapitel gegliedert:
Kapitel 1: Grundlagen
Kapitel 2: Einsatzmöglichkeiten, Aussagen und Grenzen mineralogischer,
bodenphysikalischer und physikalisch-chemischer Methoden zur
Erkundung und Beschreibung der geologischen Barriere
Kapitel 3: Barriereeigenschaften von Tonen und Tongesteinen
Kapitel 4: Untersuchungsverfahren
Die Kap. 1 - 3 geben eine Einführung in die Thematik des Deponieunter
grundes (eine gesamtheitliehe Betrachtung dieses Themas enthält der Band
Handlungsempfehlungen). Die Kap. 1 -3 bilden den Vorspann für die in Kap.
4 als Schwerpunkt dieses Bandes dargestellten Untersuchungsmethoden. Im
Vordergrund steht dabei die Funktion des Deponieuntergrundes als "Geologi
sche Barriere" und damit dessen stoffliche Zusammensetzung und Aufbau
sowie dessen chemische und physikalische Eigenschaften.
Kapitel 1 vermittelt grundlegende Informationen über Tone, Tongesteine
und Tonminerale im Hinblick auf ihre Funktion als Schadstoffbarriere im
Deponieuntergrund.
Kapitel 2 gibt einen knapp gefaßten Überblick über die heute eingesetzten
tonmineralogischen und bodenphysikalischen Verfahren und deren Aussage
und Anwendungsmöglichkeiten. Dabei wird verdeutlicht, daß einzelne Ziel
größen oft nicht mit einer Methode allein ausreichend erlaßt werden können.
Häufig ist es deshalb notwendig, mehrere Verfahren einzusetzen, die sich in
ihren Aussagen ergänzen oder kontrollieren.
In Kapitel 3 folgt eine Darstellung der tonmineralogischen und bodenphy
sikalischen Aspekte des Deponieuntergrundes und der Schadstoffbarriere. Die
spezifischen Bewertungskriterien für Barrieregesteine werden abgehandelt
und die entsprechenden Untersuchungsverfahren genannt.
Methodenhandbuch Deponieuntergrund,
Tonmineralogie und Bodenphysik IX
Kapitel4 umfaßt die Darstellung der Untersuchungsverfahren.
Der erste Teil dieses Kapitels behandelt die bodenphysikalischen Verfah
ren. Dazu zählen die Ermittlung der Durchlässigkeit und damit die Dichtig
keit der Deponiebasis gegenüber migrierenden Schadstoffen sowie die
Komgrößenverteilung und das Wasseraufnahmevermögen. Hieraus lassen
sich Aussagen zum Tonmineralgehalt als einer der maßgeblichen Kenngrö
ßen für das Schadstoffbindevermögen ableiten. Darüber hinaus werden
Prüfverfahren für die bodenmechanische Stabilität des Untergrundes be
schrieben, die auch indirekte Aussagen zur Durchlässigkeit und zum Ton
mineralgehalt erlauben.
Im zweiten Teil von Kap. 4 werden die mineralogischen Untersuchungs
methoden vorgestellt. Die qualitative und soweit möglich auch die quantitative
Bestimmung der Tonmineralzusammensetzung der Barriere spielen dabei eine
wichtige Rolle. Dies liegt in den unterschiedlichen physikalischen und chemi
schen Eigenschaften der Tonminerale begründet, die direkt deren Schadstoff
rückhaltevermögen beeinflussen. Diese Verfahren geben auch über die ande
ren in Tonen und Tongesteinen vorkommenden mineralischen Phasen Aus
kunft, die für die Barrierewirkung des Deponieuntergrundes ebenfalls von
Bedeutung sind.
Der dritte Teil von Kap. 4 beinhaltet die physikalisch-chemischen Verfah
ren, die der Erfassung und Quantifizierung von Schadstofftransport- und
Rückhaltevermögen dienen. Mit diesen Methoden werden Kationenaustausch
vermögen, spezifische Oberfläche, Adsorption, Desorption und Diffusion
untersucht.
Der vierte und letzte Teil des Kap. 4 umfaßt chemische Verfahren. Sie
werden die meist zur Ergänzung der mineralogischen Analytik bei der stoffli
chen Charakterisierung von Barrieregesteinen herangezogen.
Bei der Darstellung aller Untersuchungsmethoden wird auf folgende
Punkte eingegangen: Verfahrensbeschreibung, wissenschaftlich-technische
Grundlagen, Meßprinzip, Meßgeräte, Durchführung, Auswertung und Inter
pretation der Analysen, Aussage und Anwendungsmöglichkeiten, Quali
tätssicherung, technischer und zeitlich-finanzieller Aufwand sowie zitierte
und weiterführende Literatur.
Abschließend noch einige Anmerkungen zur Konzeption dieses Bandes.
Die beschriebenen Methoden stammen aus vielen verschiedenen Fachbe
reichen (Mineralogie, Chemie, Physik, Bodenphysik und -mechanik, Sedimen
tologie). Dieses weite Spektrum von Disziplinen läßt sich nur schwer unter
einem gemeinsamen Begriff fassen. Der Titel "Tonmineralogie und Boden
physik" verdeutlicht die Heterogenität der Thematik. Wenn die angesproche
nen Sachgebiete hier zusammen behandelt werden, so erscheint dies insofern
angemessen, als alle beschriebenen Untersuchungsverfahren Materialeigen
schaften des Deponieuntergrundes betreffen, die mehr oder weniger direkt
durch Tonminerale bestimmt werden ..
Für das eine oder andere Thema mag die Zuordnung zur "Tonmineralogie
und Bodenphysik" nicht zwingend erscheinen, und nicht ohne Berechtigung
hätte es seinen Platz auch in einem anderen Band dieses Handbuches. Derarti
ge nicht eindeutig zuordenbare oder fachübergreifende Themen werden des-
X Vorwort
halb auch in anderen Bänden des Methodenhandbuches angesprochen und
sind über Querverweise zu finden.
Dieses Handbuch wendet sich an einen Benutzerkreis, der sich über Methoden
und deren Anwendung bei der Untersuchung des Untergrundes von Deponien
und Altlasten informieren möchte. Die Wiedergabe detaillierter Versuchs-und
Analysenvorschriften hätte den Rahmen dieser Gesamtschau weit überschrit
ten. Bei Bedarf findet der Benutzer aber ausreichende Hinweise auf die ent
sprechende Literatur.
Die einzelnen Verfahren unterscheiden sich deutlich im Umfang und der
Breite der Darstellung. Dies hat mehrere Gründe. Neben ihrer unterschiedli
chen Bedeutung für die Deponietechnik erfordern die theoretischen Grundla
gen oder der technische Aufwand etlicher Verfahren eine eingehendere Be
handlung. Manches alteingeführte und durch Normen festgelegte Verfahren
kann dagegen knapper dargestellt werden. Ein größerer Raum steht auch
Themen und Bereichen von relativ komplexer Natur zur Verfügung. Ein Bei
spiel hierfür sind Adsorption und Diffusion im Deponieuntergrund, die in
dieser zusammenfassenden Darstellung sonst kaum zu finden sind.
Nicht zuletzt ist es bei der Vielzahl der beteiligten Autoren nicht anders zu
erwarten, daß trotz eines vorgegebenen Rahmens die individuellen Darstel
lungsweisen erheblich variieren. Dies haben die Herausgeber bewußt akzep
tiert und hoffen, daß es den Nutzen des Buches nicht schmälert.
Die Herausgeber danken dem Bundesministerium für Bildung, Wissenschaft,
Forschung und Technologie (BMBF) und dem Projektträger Abfallwirtschaft
und Altlastensanierung im Umweltbundesamt (UBA) für die Förderung, die
im Rahmen des Forschungverbundvorhabens "Methoden zur Erkundung und
Beschreibung des Untergrundes von Deponien und Altlasten", Kurztitel "De
ponieuntergrund" erfolgte.
Dank gebührt den Autoren für ihre Beiträge zu diesem Band sowie den
Gutachtern für die kritische Durchsicht der Manuskripte sowie ihre zahlrei
chen konstruktiven Vorschläge, mit denen sie einen wesentlichen Anteil an
der Realisierung dieses Buches haben.
Zu danken ist ferner zahlreichen Fachkollegen, die mit vielfältigen Ideen
und Hinweisen das Gelingen des Werkes förderten.
Dank gilt Herrn Dr. Dumke, der maßgeblich an der Konzipierung dieses
Bandes beteiligt war sowie Herrn Dr. Tadjerpisheh, der in der Anfangsphase
mit der redaktionellen Arbeit betraut war.
Gedankt sei schließlich Frau Susanne Dreyer, Frau Angelika Nothvogel
und Herrn Axel Vormeister, welche die Erstellung und Bearbeitung der Ab-
bildungen in sachkundiger Weise durchführten. ·