Übersicht

I. Anforderungen an PE-Rohre für den DeponiebauII. Schadensfälle an Dränrohren in DeponienIII. VersuchsmaterialienIV. Untersuchungsprogramm

i. Full-Notch-Creep-Test (FNCT)

ii. Strain Hardening Test

iii. Hochdruck-Autoklavenversuche

V. Zusammenfassung und Ausblick

Dränrohre in Deponien

DIN 19667

Kurt Engelsing, Helmut Zanzinger, Martin Bastian: Untersuchung zum Alterungsverhalten von 20 Jahre alten PE-Rohren in Deponien

29. Fachtagung Die sichere Deponie - Sicherung von Deponien und Altlasten mit Kunststoffen (2013) SKZ ConSem GmbH in Zusammenarbeit mit dem Arbeitskreis Grundwasserschutz e. V. Berlin. www.akgws.de

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Anforderungen an PE-Rohre für den Deponiebau

Nachweis einer Nutzungsdauer von mind. 100 Jahren

1. Statische Bemessung (ATV M 127 / DWA A 127)FestigkeitsnachweisVerformungsnachweis

2. Oxidationsbeständigkeit OIT200°C > 30 min (DIBt)

3. SpannungsrissbeständigkeitDIBt:

für PE 80: tFNCT 100 hfür PE 100: tFNCT 300 h

SKZ/TÜV-LGA Güterichtlinie: tFNCT 1600 h (für Deponiebasis)

Lebensdauer von Kunststoffbauteilen

Lebensdauer ist begrenzt durch Bruchversagen oder unzulässige Verformung

BelastungsdauerBelastungsdauer

Kurt Engelsing, Helmut Zanzinger, Martin Bastian: Untersuchung zum Alterungsverhalten von 20 Jahre alten PE-Rohren in Deponien

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Quelle: Edenberger, W. (2010). Rissbildung in PE-Leitungen. Workshop über „Risse in Deponiesickerwasserleitungen aus PE“, AVL und ICP, 18. Mai 2010 im Landratsamt Ludwigsburg, Seite 17-24.

Verformungen von PE-Leitungen in Deponien

extreme Verformungen aber keine Risse

Risse in PE-Leitungen mit Schlitzen und Löchern

Dränschlitz

Dränloch

Dränloch

Quelle: Edenberger, W. (2010). Rissbildung in PE-Leitungen. Workshop über „Risse in Deponiesickerwasserleitungen aus PE“, AVL und ICP, 18. Mai 2010 im Landratsamt Ludwigsburg, Seite 17-24.

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Scherbenbildung in PE-Leitungen

Quelle: Edenberger, W. (2010). Rissbildung in PE-Leitungen. Workshop über „Risse in Deponiesickerwasserleitungen aus PE“, AVL und ICP, 18. Mai 2010 im Landratsamt Ludwigsburg, Seite 17-24.

Rissbildung in PE-Rohren ohne Lochung bzw. Schlitzung

Quelle: Edenberger, W. (2010). Rissbildung in PE-Leitungen. Workshop über „Risse in Deponiesickerwasserleitungen aus PE“, AVL und ICP, 18. Mai 2010 im Landratsamt Ludwigsburg, Seite 17-24.

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Offener Riss in der Sohle eines PE-Rohrs

Laut Edenberger (2010) sindin Deutschland

15 Deponien mit Rissbildungin PE-Leitungen bekannt.

Quelle: Maier, P. (2010): Risse in Deponiesickerwasserleitungen aus PE – Problemschilderung am Beispiel der Deponie „Burghof“. Workshop über „Risse in Deponiesickerwasserleitungen aus PE“, AVL und ICP, 18. Mai 2010 im Landratsamt Ludwigsburg, Seite 1-10.

Versuchsmaterialien

Material Geometrie Außen-durchmesser Wanddicke Alter Anmerkung

A Vollwandrohr 280 mm 28 mm ca. 20 JahreRiss in Sohle, ca. 5 % verformt, Dauertemperatur 50 - 60 °C

B Dränrohr geschlitzt 250 mm 25 mm 20 - 25 Jahre stark verformt durch

ca. 20 m Müllhöhe

C1 T-Rohrstück 12 mm

C2angeschweißtes

Rohrstück

90 mm 9 mm

ca. 15 Jahre unbeschädigt

D Vollwandrohr 110 mm 10 mm neu PE 80

E Vollwandrohr 110 mm 10 mm neu PE 100

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Vollwandrohr (Material A)

dA = 280 mm, ca. 20 Jahre alt, Riss in Sohle

Dränrohr, geschlitzt (Material B)

dA = 250 mm, 20-25 Jahre alt

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Vollwandrohr mit T-Stück (Material C)

dA = 90 mm,ca. 15 Jahre alt

C1C2

T-Stück

angeschweißtesRohrstück

Zeitstandverhalten von Kunststoffrohren

Phase III: sprödes Versagendurch thermo-oxidativen Abbaudes Polymers

Phase I: duktiles Versagendurch lokales Überschreiten der Streckspannung

Phase II: Bruchversagendurch langsames Risswachstum

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Bruchversagen durch langsames Risswachstum

Full-Notch-Creep-Test(FNCT)

Phase II: Bruchversagendurch langsames Risswachstum

Full-Notch-Creep-Test (FNCT) ISO 16770, DIN EN 12814-3

10 mm

10 mm

Zeitstandprüfung einer vierseitig gekerbten Rechteckprobe mit 4 MPa bei 80°C in 2%-iger Netzmittellösung

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FNCT-Zeiten der Deponierohre

Ergebnisse streuen zwischen100 h und 1.650 h!

Rohr mit Rissen!

FNCT-Zeiten der Deponierohre

Neu

rohr

PE

80 (H

erst

elle

rang

aben

)

Neu

rohr

PE

100

(Her

stel

lera

ngab

en)

>1600 h (SKZ-LGA)

>100 h (DIBt)

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Strain Hardening Methode

Strain Hardening Methode

Phase II: Bruchversagendurch langsames Risswachstum

Strain Hardening Methode

Analogie der mikroskopischen Verstreckung der Fibrillen im Riss und der Verstreckung des Probekörpers im Zugversuch

Rissspitze

Streckgrenze

Kaltverstreckung

Dehnverfestigung

relaxierte Fibrillen nach VersagenRissspitze

Streckgrenze

Kaltverstreckung

Dehnverfestigung

relaxierte Fibrillen nach Versagen

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Zugversuch bei 80°C

• Universalprüfmaschine mit Temperierkammer

• Kraftmessdose 500 N• Optische Dehnungsmessung • T = 80 °C• v = 10 mm/min• Zugstab: ISO 527-2, Typ 5B

verstreckter Zugstabunverstreckter Zugstab

Verstreckverhalten bei 80°CTechnische Spannung

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 18000

2

4

6

8

10

12

14

16

18

Rohr 1 Rohr 2 Rohr 3

tech

nisc

he S

pann

ung

[MP

a]

technische Dehnung [%]

Beispiel

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0 2 4 6 8 10 12 14 16 180

50

100

150

200

Rohr 1: <Gp> = 15,3 MPa Rohr 2: <Gp> = 20,8 MPa Rohr 3: <Gp> = 31,7 MPa

wah

re S

pann

ung

[MP

a]

Verstreckgrad [-]

Verstreckverhalten bei 80°CWahre Spannung

0

)()(ltlt

)()(0

tA

tFT

VerstreckmodulN

i ii

iip N

G1 1

11

Verstreckmodul der Deponierohre

Neu

rohr

PE

80

Neu

rohr

PE

100

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23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34Strain Hardening Modul / MPa

10

100

1000

10000

Stan

dzei

t FN

CT

/ hln(Y) = 0.472 * X - 7.8Y = exp(0.472 * X) * 0.00041Coef of determination, R-squared = 0.768

FNCT vs. Verstreckmodul

100 h (DIBt)

1600 h (SKZ-LGA)

A

B

C2

D

E

C1

Schadensfall

Neurohre

PE100

PE80

Thermo-oxidatives Versagen

Phase III: sprödes Versagendurch thermo-oxidativen Abbaudes Polymers

Hochdruck-Autoklavenversuche

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Oxidations-Induktions-Zeit (OIT)

Anforderung nach DIBt bei Anwendungstemperatur von 20°C:

OIT200°C > 30 min

Material OIT200°C imAnlieferungszustand / min

A 58,8B 86,6C1 48,1C2 81,8D 128,4E 137,8

Hochdruck-Autoklavenversuche DIN EN ISO 13438

• Prüfung in einer wässrigen Lösung mit basischem Milieu (pH = 10)

• bei erhöhter Temperatur(typisch für PE: 60 °C bis 90 °C) hier: 80°C

• und erhöhtem Sauerstoffdrucks(typisch: 10 bar bis 50 bar) hier: 50 bar

Beschleunigung der OxidationLebensdauerabschätzung nachvertretbaren Versuchsdauern

SKZ:• 6 Autoklaven: Volumen je 9 l• 2 Autoklaven: Volumen je 9 l (06/12)• 2 Autoklaven: Volumen je 59 l (07/12)

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Versuchsdurchführung

• Einlagerung von Zugstäben im Autoklav (evtl. bei unterschiedlichen Temperaturen und Sauerstoffdrücken)

• Entnahme von Probekörpern und Durchführung mechanischer Prüfungen in Zeitintervallen von mehreren Tagen bzw. Wochen

• OIT-Messungen in Abhängigkeit der Einlagerungszeit zur Bewertung des Stabilisatorverbrauchs

Zugversuchsprobennach verschiedenen Alterungsdauern

Gealterte Zugstäbe mit sprödem Versagen

Ungealterte Zugstäbe mit duktilem Versagen

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Hochdruck-Autoklavenversuche (80°C/50bar)

(absolute Werte)

OIT Null: Stabilisatoren sind aufgebraucht!

Hochdruck-Autoklavenversuche (80°C/50bar)

(auf Ausgangswerte bezogen)

Prüftemperaturen bei OIT-Messungen sind sehr hoch.

Gewisse Stabilisatoren werden erfasst. Oxidationsbeständigkeit des Polymers bleibt aber außen vor.

Der OIT allein genügt für die Bestimmung der Oxidationsbeständigkeit nicht!

Prüftemperaturen bei OIT-Messungen sind sehr hoch.

Gewisse Stabilisatoren werden erfasst. Oxidationsbeständigkeit des Polymers bleibt aber außen vor.

Der OIT allein genügt für die Bestimmung der Oxidationsbeständigkeit nicht!

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Der Abfall des Sauerstoffdrucks zeigt, dass die Stabilisierung (z. B. Phenol) verbraucht ist und die Oxidation des Polymers beginnt.

duration of immersion [d]

oxyg

en p

ress

ure

[bar

]

Druckanpassung

Toleranz für O2 -Druck

„Abbau des Polymers”„Abbau des Polymers”

Abfall des Sauerstoffdrucks

Beispiel

Bruchdehnung und O2-Druckabfall

Sohl

e

Sche

itel

Vollwandrohr geschlitztes Rohr PE80 PE 100

Scheitelbereich ist stärker gealtert als der Sohlbereich!

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0

25

50

75

100

125

0 50 100 150 200 250 300Incubation time [d]

Res

idua

l-com

pres

sion

stre

ngth

[%] .

80 °C / 50 bar80 °C / 20 bar80 °C / 10 bar70 °C / 50 bar60 °C / 50 bar

Res

tfest

igke

it / %

Einlagerungszeit / d

Kriterium: 50 % Restfestigkeit

Variation der Prüfbedingungen

Beispiel

Lebensdauerabschätzung für PE-Rohr:Variation von Prüftemperatur und von Sauerstoffdruck

Anwendungstemperatur in einer Deponie: 40°C

> 400 Jahre

ca. 100 Jahre

ca. 25 Jahre

ca. 25 Tage

Beispiel

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Zusammenfassung - Zustandsbewertung

1. Spannungsrissbeständigkeit der ausgebauten Rohre entspricht nicht immer den heutigen Anforderungen

• FNCT sehr zeitaufwendig und teilweise große Streuung

• Strain Hardening Test liefert schnelle Aussagen (geringe Streuung)

2. OIT-Messungen allein geben keine Aussage über die Oxidationsbeständigkeit eines PE-Rohrs

3. Hochdruck-Autoklavenversuche erlauben eine beschleunigte Alterung unter anwendungsnahen Temperaturen

• Scheitelbereich im Rohr stärker gealtert als Sohlbereich

• Restlebensdauer von mehreren Jahrzehnten für Anwendungs-temperaturen von ca. 40 °C ist für die ausgebauten Rohre fragwürdig

Ausblick

1. Statischer Festigkeits- und Verformungsnachweis (nach ATV M 127 / DWA A 127) über FEM-Analyse

2. Abschätzung der Restlebensdauer von alten Deponierohren über zeitraffende Prüfmethoden

3. Überprüfung der Materialanforderungen für eine Mindestlebensdauer von 100 Jahren bei 40 °C

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gefördert durch

Bayerisches Landesamt fürUmwelt

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