MgO-S3 - MgO-Spritzbeton für Streckenverschlüsse für HAW-Endlager im Steinsalz - Röntgen-CT und Positronen-Emissions-Tomographie

Die Herstellung und Zusammensetzung des MgO-Spritzbetons sind im Bericht des Projektkoordinators, dem Institut für Bergbau und Spezialtiefbau der TU Bergakademie Freiberg (FKZ 02E11769A), beschrieben.
Im Teilprojekt des HZDR wurden bildgebende Methoden angewendet, um die innere Struktur des Materials zu charakterisieren und die Art des Transports von Lösungen anhand prozesstomographischer Bildgebung aufzuklären. Hierfür wurde einerseits Mikrofokus-Röntgen-Computertomographie (µCT), andererseits Positronen-Emissions-Tomographie (PET) eingesetzt. Bei dem Material handelt es sich um Proben aus dem GV2-Bauwerk (Projekt CARLA II, FKZ 02C1204, Dammbauwerk im Carnallitit aus MgO-Spritzbeton mit Kieszuschlag), die nach einer Alterung über etwa 10 Jahre gewonnen wurden, sowie um frisch hergestellte Proben mit veränderter Rezeptur aus den Versuchen GSBV3 und GSBV4 (in-situ Großspritzbetonversuche mit Salzzuschlag). Eine Probe aus der GSBV4 konnte vor und nach der Durchströmung mit Salzlösung untersucht werden.
Die Proben in Bohrkerngröße wurden mit µCT strukturell charakterisiert. Die Tomogramme haben eine Auflösung von 50 µm. Dies erlaubt die Charakterisierung größerer Porenklassen und der Körnung.
Es zeigte sich, dass die Verteilung der Körnung und die Porenradienverteilung mit dem Abstand zur Betonierabschnittsgrenze (BAG) in charakteristischer Weise variieren: Mit Annäherung zur BAG nimmt der Anteil feiner Poren an der Gesamtverteilung zu, große Poren zeigen ein uneinheitliches Muster. Gleichzeitig nimmt der Anteil grober Körnung ab. Dieses Verhalten ist plausibel, weil große Körner nicht die BAG durchdringen können.
Die Zunahme des Anteils feiner Poren bedeutet eine homogenere, feinere Struktur des Materials in der Nähe der BAGs, aber nicht notwendig eine Abnahme der Permeabilität. Wegen der begrenzten Ausdehnung der Zone würde sich eine Veränderung der Permeabilität mittels üblicher Verfahren kaum nachweisen lassen, deshalb wurde das Fortschreiten einer mit ²²Na markierten Lösung mit Hilfe von Langzeit-PET-Aufnahmen dargestellt. Dies lieferte verlässlichere Information über den Prozessverlauf, insbesondere über dessen Homogenität oder präferentielle Wegsamkeiten.
Hierfür wurden spezielle Druckkammern und Injektionsverfahren entwickelt. Einerseits wurde ein Schutzring-Oberflächenpacker angewendet, wobei die Probe sich nicht unter einem Einspanndruck befand, andererseits wurde ein strahlungstransparentes Druckgefäß entwickelt, in dem sich die Probe unter hydrostatischem Einspanndruck befindet, wie dies für Permeabilitätsuntersuchungen gebräuchlich ist.
Es hat sich anhand der µCT-Untersuchungen gezeigt, dass die frischen Proben großräumig verbundene Poren besitzen können, deren maximale Ausdehnung von einigen Zentimetern nicht die Größe der Probe erreicht. Zwischen solchen porösen Bereichen befinden sich kurze Abschnitte, oft unterhalb einer Länge von 1 mm, die als Engstellen die bereits anfänglich geringe Permeabilität bewirken.
PET-Untersuchungen an solchen Proben zeigten den merklichen Einfluss solcher lokalen Wegsamkeiten. Sie konnten aber insofern nicht erfolgreich durchgeführt werden, weil die einsetzende – gemäß µCT-Untersuchungen isotrope – Expansion der Proben im Kontakt mit der Lösung Risse bewirkte.
Dagegen bleiben Proben nach Lösungsinjektion unter Einspanndruck intakt. Nach der Durchströmung mit Salzlösung zeigte es sich anhand der µCT-Bilder, dass auch eine eingespannte Probe merklich expandiert war, aber verbundene poröse Zonen weitgehend verschwunden waren. Vor allem hatte der Anteil von Poren mit Größen unter 1 mm signifikant abgenommen, größere Poren blieben als isolierte Objekte erhalten. PET-Untersuchungen im Anschluss daran zeigten keine präferentiellen Wegsamkeiten, sondern homogene Ausbreitung des Tracers.
Eine gealterte Probe aus dem GV2-Bauwerk wies ebenfalls isolierte Luftporen größer als 1 mm auf. In der PET-Untersuchung bewirkte eine solche angeschnittene und tiefer reichende Pore im Bereich der BAG ein anfängliches lokales Eindringen des Tracers bis in Zentimeter-Tiefe, darüber hinaus geschah die Ausbreitung der Lösung ebenfalls homogen, bei einer Permeabilität von 1e‑20 m².
Dieses Ergebnis weist darauf hin, dass durch den Kontakt mit Salzlösung und generell durch den Alterungsprozess ursprünglich vorhandene flächige Wegsamkeiten verschlossen werden und der anfänglich ablaufende räumlich heterogen verteilte Prozess danach unter signifikanter Reduktion des Porenanteils unterhalb des Millimeterbereichs durch langsamen homogenen Transport ersetzt wird.
Daraus folgt, dass als Untersuchungsmethodik für die strukturelle Analyse eine Kombination von Quecksilber-Kapillardruckmessungen (mercury injection porosimetry MIP), für die Charakterisierung der transportwirksamen Porosität, und µCT, zum Ausschluss verbundener makroskopisch poröser Bereiche, geeignet ist. Sofern solche verbundenen Bereiche ausgeschlossen werden können, lassen sich einfache homogene Rechenmodelle für Transportsimulationen einsetzen. Für die Verifikation, sowohl der Transportmodelle, als auch der räumlichen Homogenität des Prozesses, eignet sich die PET-Methodik.