Settling behAvior of fine-graIned bLasted and crushed rOck fRagments

Projektbeschreibung

Beim Tunnelbau und bei der Gesteinszerkleinerung entstehen feine Mineralpartikel, die in Flüsse, Küstengewässer und Fjorde gelangen können. Im Rahmen des SAILOR-Projekts wird untersucht, wie Salzgehalt, Partikelgröße und -form, Mineralogie, elektrostatische Wechselwirkungen, Schadstoffe und hydrodynamische Bedingungen deren Flockung und Absetzung beeinflussen. Sedimente, die an norwegischen Tunnelbaustellen entnommen wurden, werden mittels Massensedimentationsexperimenten, Mikroskopie, Flockenvisualisierung und ζ-Potential-Messungen untersucht. Ziel des Projekts ist es, festzustellen, wann sich feine Partikel in der Nähe ihrer Einleitungsstelle absetzen und wann sie in der Suspension verbleiben und sich ausbreiten, um umweltverträgliche Strategien zur Wasseraufbereitung und -einleitung zu unterstützen.

Die Wissenschaft: Ansiedeln oder ausbreiten

Das Problem

Feine Gesteinspartikel, die beim Tunnelbau in Gewässern freigesetzt werden, können über lange Zeiträume in der Schwebe bleiben, wodurch die Trübung zunimmt und Schadstoffe vom Einleitungsort wegtransportiert werden. In norwegischen Küstengebieten hängt ihr Verbleib stark vom Übergang von Süßwasser zu salzhaltigem Fjordwasser ab. Salz kann die Aggregation und das Absetzen der Partikel fördern, doch die Reaktion variiert erheblich zwischen den verschiedenen Sedimenten. Partikelmorphologie, Mineralzusammensetzung, Oberflächenladung, Schadstoffe und Turbulenzen bestimmen gemeinsam, ob Partikel stabile Flocken bilden oder dispergiert bleiben. SAILOR befasst sich daher mit einer praktischen Frage: Unter welchen Umweltbedingungen setzen sich die aus dem Tunnelbau stammenden Feinpartikel lokal ab, und unter welchen Bedingungen breiten sie sich im aufnehmenden Gewässer aus?

Verflechtung vs. elektrostatische Abstoßung im Absetzprozess

Längliche und unregelmäßig geformte Partikel können sich ineinander verhaken oder verflechten und so Flocken bilden, deren Absetzverhalten wiederum von der Partikelgröße und dem Seitenverhältnis abhängt. Umgekehrt erzeugen gleichartig geladene Oberflächen eine elektrostatische Abstoßung, die durch das ζ-Potential quantifiziert wird und die Dispersion aufrechterhalten kann. Koagulation ist die Destabilisierung von Partikeln durch eine verringerte elektrostatische Abstoßung. Die Flockung ist deren anschließender Zusammenschluss zu größeren, absinkenden Aggregaten. Der Salzgehalt überdeckt Oberflächenladungen und kann das Gleichgewicht von einer stabilen Suspension hin zur Koagulation, Flockenbildung und Sedimentation verschieben.

Schematische Darstellung der elektrischen Doppelschicht gemäß der DLVO-Theorie. (a) Zwei negativ geladene Teilchen in deionisiertem Wasser mit einer Stern- und einer erweiterten diffusen Schicht. Die Wassermoleküle veranschaulichen die thermisch induzierte Brownsche Bewegung. Die elektrostatische Abstoßung (VR) überwiegt gegenüber der van-der-Waals-Anziehung (VA); die Gleitfläche (⇣-Potential) ist dargestellt. (b) Die Zugabe von NaCl führt zur Kationenadsorption in der Sternschicht und zur Kompression der diffusen Schicht, wodurch die elektrostatische Abstoßung verringert wird. (c) Die Zugabe von zweiwertigem Ca²⁺ führt zu einer stärkeren Kompression der diffusen Schicht und einer verstärkten Förderinstitution

Unsere Methode

SAILOR kombiniert sich ergänzende Experimente, um die Klärung auf Suspensionsskala mit Mechanismen auf Partikel- und Flockenebene zu verknüpfen.

Massenkonfiguration

Veränderungen im Gegenlicht zeigen, wie schnell Partikel aus der Suspension ausscheiden. Dies liefert einen direkten Maßstab für die Klärung und ermöglicht die Ermittlung der Salzgehaltsbereiche, in denen die Sedimentation verstärkt oder unterdrückt wird.

Aufbau für Schüttgutabscheidung — Aufbau Durchlicht

Visualisierung von Flocken

Mithilfe der mikroskopischen Bildgebung lassen sich Entstehung, Struktur, Wachstum und Zerfall von Partikelaggregaten verfolgen. Dabei werden die Eigenschaften einzelner Partikel und die Morphologie der Flocken mit ihrem effektiven Absetzverhalten in Verbindung gebracht.

Versuchsaufbau zur Flockungsvisualisierung — Aufbau zur Visualisierung von Flockung

Einfluss von Zement und Salzgehalt

Das Diagramm veranschaulicht, wie der Salzgehalt und die Zementverunreinigung die Wechselwirkungen zwischen den Partikeln beeinflussen. Der Salzgehalt verringert im Allgemeinen die elektrostatische Abstoßung und fördert die Aggregation, während Zement die Wasserchemie, die Oberflächenladung und die Flockenstruktur verändert. Ihre kombinierte Wirkung bestimmt, ob sich im Laufe der Zeit kompakte, absinkende Flocken oder beständige Feinsuspensionen bilden.

Repräsentative mikroskopische Aufnahmen einzelner Flocken in Salzwasse — Repräsentative Mikroskopaufnahmen einzelner Flocken in Salzwasser (35 PSU), die zu verschiedenen Zeitpunkten und bei unterschiedlichen Schergeschwindigkeiten G für reines Sediment und Sediment mit einem Anteil von 9 % beobachtet wurden

Projektziele

Ermittlung, ob aus dem Tunnel stammende Feinsedimente lokal absinken oder sich in den salzhaltigen norwegischen Fjorden ausbreiten.
Quantifizierung, inwiefern Salzgehalt, Partikelmorphologie, Oberflächenladung, Schadstoffe und Scherkräfte die Flockung und Sedimentation beeinflussen.
Entwicklung experimentell untermauerter Leitlinien für das Sedimentmanagement, die Wasseraufbereitung und eine umweltverträgliche Einleitung.

Projektteam & Finanzierung

Projektleiter

Prof. Dr.-Ing. Bernhard Vowinckel (TU Dresden)

Leitende wissenschaftliche Mitarbeiter

Dr. Franco Tapia
Dipl.-Ing. Gerit Orzechowski (TU Dresden)

Leitende Forscher, die für die Versuchsreihen, die Umsetzung der Methoden, die quantitative Datenanalyse und die physikalische Interpretation der Flockung und Absetzung von Partikeln verantwortlich sind.

Förderinstitution

Norwegian Public Roads Administration (NPRA)