Potentiale wasserlöslicher Polymere bei der Modifikation von Bodeneigenschaften

Potentiale wasserlöslicher Polymere bei der Modifikation von
Bodeneigenschaften
Wolfgang Lieske, M. Sc.
Rowena Verst, M. Sc.
Prof. Dr.-Ing. Matthias Pulsfort
Prof. Dr.-Ing. habil. Torsten Wichtmann

Fachsektionstage Geotechnik – 3. Bodenmechanik-Tagung
„Mechanisches Verhalten bei der Bodenverbesserung“

Wasserlösliche Polymere 2

 Definition: lange flexible (hydrophile) Molekülketten mit
 vielen Wiederholeinheiten („Grundbausteinen“)

 Typische Effekte von Polymerzugabe zu Wasser
 • Zunahme der Viskosität
 • Zunahme des chemischen Potentials

Physikochemische Polymer-Charakteristika
Randbedingungen • „Grundbausteine“ Hier sollte
• pH-Wert • Ladung und -verteilung die Angabe
• Salzgehalt • Mikroarchitektur

 P2VP aus Roiter/ Minko, 2005
• … • Molekülgewicht
 • …

 Fluideigenschaften
 • Fließverhalten
 • Beschaffenheit
 • Biologische und/oder chemische Abbaubarkeit
  Nutzbarkeit und Umweltverträglichkeit
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Typische Vertreter wasserlöslicher Polymere 3

 [1] [2]

 Ursprung Rohmaterial Allg. Verwendung Geotechnische Verwendung Literatur

Xanthan (XAN) Natürlich EPS (Biofilm) Lebensmittelindustrie Bindemittel, Stützflüssigkeiten Muguda et al. (2017), Verst (2021)

Polyacrylamid Synthetisch Mineralöl Landwirtschaft, Tonabdichtungen, Haase & Schanz (2016), Lieske et
(PHPA / PAM / AN) Abwasserreinigung Stützflüssigkeiten al. (2020a), Verst et al (2021),
 Verst (2021)
Carboxymethyl- Natürlich, Holz Papierherstellung Tonabdichtungen, Di Emdio (2015), Verst (2021)
cellulose (CMC) modifiziert Stützflüssigkeiten
Polyethylenglycol Synthetisch Mineralöl Kosmetik, Medizin Experimentelle Bodenmechanik, Lieske et al (2020b),
(PEG) Modifikation von Ton

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Wechselwirkung Polymere in Lösung mit mineralischen Feststoffen 4

Interaktions-Skalen – Wirkungsebenen
• Adsorption
 Veränderung der Oberflächeneigenschaften

• Verbrückung
 Verbindungen zwischen Feststoffen
 (a.)
• Rheologie und Filtration
 Bewegung Fluid um und zwischen Feststoffen
 (b.)
Relevante Parameter
 Polymer in Lösung
 o Konformation, Flexibilität
 o Konzentration in Lösung
 o Ladungseigenschaften (c.)

 Bodenoberfläche (a.) Polymer-Smektit-Interaktion (Lieske et al. 2020a)
 (b.) Mikrostruktur eines nicht-ionisch modifizierten
 o Verfügbarkeit, Geometrie Bentonits
 o Ladungseigenschaften (c.) Einfluss Mischreihenfolge Polymer/Bentonit
 (d.) Bewegung in Wasser gelöster Polymere im
 Kontaktzeitpunkt & Kontaktumstände (d.) Porenraum

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Modifikation mechanischer und hydro-mechanischer Eigenschaften 5

• Erhöhung der mechanischen Festigkeit als umweltfreundlicher Ersatz von Zement
• Erhöhung der Erosionsstabilität von Böschungen
• Verbesserung der Abbaubarkeit bindiger Böden im maschinellen Tunnelbau
• Verbesserung der Widerstandfähigkeit von Tondichtungen gegen Austrocknen und salzhaltige Sickerwässer

 (b.) (c.) (d.)

 (a.) Hostun-Sand modifiziert mit Polyacrylamid (b.) Einfluss von Biopolymer auf die
 Zugfestigkeit von Böden (Muguda et al. 2017) (c.) Polymer-stabilisierte Böschung mit
 (a.) aufgesprühter Sukzession (Nikolovska et al. 2019) (d.) Scherversuch an modifiziertem
 Kaolinit (Zumsteg et al. 2013)
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Polymerlösungen als Stützflüssigkeiten 6

 • Geringe Eindringgeschwindigkeiten (Viskosität!) Eindringverhalten in Sand
 • Stagnation möglich mit granularer Aufladung ( 50 0.45 mm, 0,15 bar),

 Eindringtiefe s [cm]
 empirische Ansätze CMC 5 g/l
 • Keine Fließgrenze! Sehr dünne Filterkuchen!
 s. Verst (2021)

 Mechanismen XAN 2,5 g/l

 • Rheologie: Strukturviskosität
 • Mikrofiltration, Adsorption, Verbrückung Kolmation mit Feinkorn
 • Kolmationseffekte durch Aufladung mit Feinkorn
 Zeit t [h]
 Viskosimeter: „Bulk“-Rheologie
 Kolmation mit

 0, [kN/m3]
 = . 600 Feinkorn
 1

 [Pa∙s]
 400
 [Pa]

 = ሶ
 1 XAN 2,5 g/l
 200 CMC 5 g/l
Verst, 2021

 1
 = . 0
 0 20 40 60
 ሶ [1/s] ሶ [1/s] Eindringtiefe [cm]
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Polymermodifizierung von Bentonitsuspensionen zur Flüssigkeitsstützung 7

 • Erhöhung der Stabilität einer Tonsuspension gegen chemischen Angriff
 • Verbesserung rheologischer Größen (Viskosität, Fließgrenze)
 • Filtratreduzierung
 • Reduzierung der erforderlichen Bentonitkonzentration

 [Pa]
 Mechanismen
 • Adsorption zur sterischen Stabilisierung
 • Verbrückung, Flockung
 • Viskositätsmodifizierung

 Einfluss Polymertyp
 und Mischmethode ሶ [1/s]
Verst, 2021

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Status quo und Ausblick 8

Offene Fragen und Probleme
• Bisher keine einheitliche (anwendungsübergreifende) Methode zur Charakterisierung von Polymeren in der Geotechnik
• Der Begriff „Polymer“ ist in vielen Fällen noch immer eine Blackbox
• Unsicherheiten bezüglich
 – Umweltverträglichkeit
 – (Langzeit-)Stabilität
 – Verbleib von Polymeren sowie deren Abbauprodukten im Boden

Potential
• Umweltverträglichere Bauweise  CO2-Fußabdruck
 – Material-Alternativen
 – Ressourceneinsparung
 – Potential vermehrt Polymere aus natürlichen Rohstoffen einzusetzen
• Neue innovative Bauweisen durch Einsatz von Polymeren 2,5 g CMC 50 g Bentonit
• Erhöhung der Resilienz gegen Auswirkungen von Extremwetterereignissen

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Referenzen 9

Di Emidio, G., Mazzieri, F., Verastegui-Flores, R. D., Van Impe, W., & Bezuijen, A. (2015). Polymer-treated bentonite clay Bildquellen
for chemical-resistant geosynthetic clay liners. Geosynthetics International, 22(1), 125-137.
 [1] https://www.tagesspiegel.de/themen/freie-
Haase, H., & Schanz, T. (2016). Compressibility and saturated hydraulic permeability of clay-polymer composites— universitaet-berlin/plastikmuell-in-meer-das-grosse-
experimental and theoretical analysis. Applied Clay Science, 130, 62-75. reinemachen/12437900.html

Lieske, W.,. Steudel, A., Di Emidio, G., Baille, W. (2020a): Influence of constitution and mixture treatment of cationic [2] https://de.wikipedia.org/wiki/Mayonnaise
polymers on modified bentonite. Environmental Geotechnics 40, 1-9.

Lieske, W., Tripathy, S., Baille, W., & Schanz, T. (2020b). An alternative approach for determining suction of polyethylene
glycols for soil testing. Géotechnique Letters, 10(1), 45-49.

Muguda, S., Booth, S. J., Hughes, P. N., Augarde, C. E., Perlot, C., Bruno, A. W., & Gallipoli, D. (2017). Mechanical
properties of biopolymer-stabilised soil-based construction materials. Géotechnique letters, 7(4), 309-314.

Nikolovska, A., Josifovski, J., Susinov, B., (2019): Stabilization of surface erosion on slopes using polymers and
vegetation. WMHE 2019 - 16th International Symposium on Water Management and Hydraulic Engineering.

Roiter, Y. und Minko, S. (2005): Journal of the American Chemical Society, 127 (45), 15688-15689, DOI:
10.1021/ja0558239

Verst, R. (2021). Stability analysis of earth walls supported by polymer solutions. Dissertation. In: Berichte des Lehr- und
Forschungsgebietes Geotechnik. Nr. 39, Bergische Universität Wuppertal (in Veröffentlichung).

Verst, R., Lieske, W., Baille, W., Pulsfort, M., Wichtmann, T. (2021) . On the applicability of viscosity-based capillary
bundle concepts to predict the penetration behaviour of polymer solutions into sand. ACTA Geotechnica (accepted).

Zumsteg, R., Plötze, M., & Puzrin, A. M. (2013). Effects of dispersing foams and polymers on the mechanical behaviour of
clay pastes. Géotechnique, 63(11), 920-933.

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