DE2727077A1

DE2727077A1 - Undurchlaessige oekologische sperrschicht und verfahren zu ihrer herstellung aus rekonstituiertem tonschiefer

Info

Publication number: DE2727077A1
Application number: DE19772727077
Authority: DE
Inventors: Armen G Avedisian
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1976-06-14
Filing date: 1977-06-13
Publication date: 1977-12-22
Also published as: FR2354983A1; US4030307A; GB1530441A; CA1044902A; FR2354983B1; DE2727077C2

Description

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Armen G. Aveclisian, Hillside, Illinois 60162, V.St.A.

Undurchlässige Ökologische Sperrschicht und Verfahren zu ihrer Herstellung aus rekonstituiertem Tonschiefer

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erstellung einer äkologisch annehmbaren, flüssigkeitsundurchlässigen Sperrschicht oder Auskleidung zur Anwendung in Gruben, die mit sanitären Abfüllen aufgefüllt werden sollen, wobei die Sperrschicht ausschließlich aus einem häufig vorkommenden, natürlichen geologischen Material, nämöich Tonschiefer, gebildet wird, um Boden und Seitenwände von Erdgruben abzudichten, so daß eine Kontamination der unterirdischen Wasservorkommen verhindert wird.

Ton ist ein feinkörniges, erdiges Material, das sich hauptsächlich aus wasserhaltigen Aluminiumsilikaten zusammensetzt. Die Art dee Tons wird von dem vorherrschend vorhandenen Tonmineral (z. B. Kaolinit, Montmorillonit, Illit, usw.) bestimmt. Eine Tonprobe kann vorherrschend aus einem dieser Mineralien bestehen oder ein Gemisch davon enthalten. Tone sind plastisch, wenn sie genügend Feuchtigkeit enthalten, fest (aber relativ weich im Vergleich zu Gesteinen) im trockenen Zustand und verglasen bei ausreichend hoher Temperatur. Tonmineralien kommen gemäß der Definition in kolloidalen Korngrößen von 2 micron oder darunter vor.

Kaolinit, ein wässriges Aluminiumsilikat, Al₄(Si₄O₁₀) (OH)₈, ist eines der häufigsten Tonmineralien und der wichtigste Rohstoff der keramischen Industrie.

Montmorillonit irt ein wasserhaltiges Silikat von Magnesium

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und der Hauptbestandteil von Bentonit und Fullererde. Bentoni t hat eine Kristallgitteranordnung, die ihm die ungewöhnliche Eigenschaft verleiht, sich auf das Mehrfache seines ursprünglichen Volumens auszudehnen, wenn er mit Wasser versetzt wird, eine Eigenschaft, die für einige der üblichen Anwendungen genutzt wird, z. B. für Dichtungsmassen zum Abdichten von Bissen in Betonfundamenten (unter Ausnutzung seiner Ouelleigenschaften) oder für Tierabfälle (unter Ausnutzung seiner Wasser absorbierenden Fähigkeit).

Pullererde besitzt die Fähigkeit, öle und Fette durch Zurückhalten der Farbstoffe zu entfärben, und wird daher als Filtermittel in der chemischen Industrie verwendet.

Illit, ein relativ kompliziertes Silikat von Kalium, Aluminium, Eisen und Magnesium, hat eine Kristallgitteranordnung, die ihm glimmerartigen Charakter verleiht. Vor dieser Erfindung, gemäß der Tonschiefer mit hohem Illitgehalt angewendet wird, hat Illit, falls überhaupt, nur geringfügig Anwendung gefunden, obgleich er in Tonen und Tonschiefern reichlich vorhanden ist.

Tonschiefer, manchmal auch Schlammstein ("mud rock") genannt, ist definiert worden als sehr feinkörniges Sedimentgestein, welches parallel zur Ablagerung geschichtet ist, und in welchem nach der Anreicherung keine wesentliche Änderung der Mineralstoffzusammensetzung stattgefunden hat mit Ausnahme von

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Veränderungen, die sich aus chemischen Veränderungen am Ort oder durch Verdichtung ergaben (W. H. Twenhofel, Principles of Sedimentation, Second Edition, McGraw Hill Book Company). Tonschiefer unterscheiden sich von Tonen darin, daß sie in Schichten gelagert sind; im allgemeinen enthalten sie Quarz, was ihnen eine gesteinsartige Härte verleiht und die Fähigkeit nimmt, mit Wasser leicht verknetbar zu sein. In einigen Fällen sind nahezu identische Mineralien einmal als Ton und zum anderen als Tonschiefer klassifiziert worden allein aufgrund ihrer unterschiedlichen Härte. Der erste Gesichtspunkt, der für die Erfindung von Bedeutung ist und Tonschiefer und Tone betrifft, ist also, daß Tonschiefer und Tone so, wie sie in der Erde abgelagert sind, chemisch ähnlich sind und sich häufig nur in ihren physikalischen Merkmalen, hauptsächlich hinsichtlich ihrer Härte, unterscheiden.

Ton ist als undurchlässige Auskleidung für Brunnen und Zisternen seit biblischen Zeiten verwendet worden. Der spezielle Ton, von dem man annimmt, daß er für diese Zwecke verwendet worden ist, ist der sogenannte "Blauton", vorwiegend Kaolinit. Er wurde zum Auskleiden von Brunnen und Zisternen sowohl im plastischen Zustand, so wie er abgebaut wird, als auch in Form von im Ofen gebrannten Ziegeln verwendet. Roher, plastischer Ton und Ziegel wurden manchmal auch gemeinsam verwendet, z. B. durch Einfügen einer Schicht von plastischem Ton zwischen der Ausschachtung und der inneren Schutzschicht aus Ziegeln. Weiterhin wurden Dämme oder Wehre aus Ton in unterschiedlichen

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unterirdischen Kohlengruben schon in früheren Zeiten angelegt, um das Grubenwasser von den Arbeitsbereichen fernzuhalten. Ferner wurde Blauton als wasserundurchlässige Schicht auf den Innenflächen von mit Erde gefüllten Dämmen verwendet. Blauton ist somit als geeignetes undurchlässiges Auskleidungsmaterial anerkannt, nach welchem große Nachfrage besteht, das also teuer ist.

Ziel der Erfindung ist eine äkologisch annehmbare, flüssigkeitsundurchlässige Sperrschicht aus rekonsituiertem Tonschiefer sowie ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Schicht, um das Hindurchsickern von kontaminierenden Flüssigkeiten in die wasserhaltigen Schichten der Erde zu verhindern.

Die vorliegende Erfindung schlägt dementsprechend ein Verfahren zum Rekonstituieren von Bonschiefer vor, um eine äkologisch undurchlässige, geologische Sperrschicht entlang einer Wand zu bilden, dadurch gekennzeichnet. daß man

(a) festen Tonschiefer, so wie er abgebaut worden ist, und der aus dem stratigraph!sehen System des oberen Ordovizium direkt unterhalb stratigraphisehen Systeme des Silur stammt, wobei dieser Schiefer einen hohen Gehalt an I11itmineral aufweist, ein erstes Mal grobzerkleinert, um ein leicht verdichtbares Aggregat mit ein«r ansteigenden Korngrößenverteilung zu erhalten;

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(b) diesen Schiefer unter Bildung eines feuchten Aggregates mit Wasser vermiecht;

(c) das feuchte Aggregat entlang der Wand verteilt; und

(d) das feuchte Aggregat an Ort und Stelle an dieser Wand ein zweites Mal zerkleinert und mischt, um es zu einem praktisch festen, undurchlässigen Zustand zu verdichten.

Die Erfindung schlägt ein Verfahren zur Rekonstituierung und Ausnutzung von Tonschiefern als preiswerten Austauschstoff für Ton vor. Millionen Dollar können bereits bei einer einzigen Aufschüttung nit sanitären Abfällen eingespart werden, indem man anstelle einer Auskleidung aus dem üblichen Blauton eine Sperrschicht aus rekonstituiertem Tonschiefer gemäß der Erfindung anwendet.

Im folgenden werden die bevorzugte Ausführungsform und das bevorzugte Verfahren der Erfindung beschrieben.

Wie in "Procedures for Testing Soils", 1964-, angegeben ist, hat die American Society for Testing and Materials Standard-Permeabilitätstests ausgearbeitet, gemäß denen der Permeabilität skoeffizient eines bestimmten Schichtmaterialβ ermittelt werden kann. Ein Merkmal zur Bestimmung der äkologischen Eignung eines abdichtenden Materials besteht darin, daß es einen

■i ent en von nichi 709851/1202

Permeabilitätskoeffixienten von nicht mehr als 5 χ 10 cm/sec,

bestimmt mittels fallender Wassersäule )failing head) gemäß ASTM, besitzt. Eine 3,05 m dicke Auskleidung mit einem Material, das einen solchen niedrigen Permeabilitätskoeffizienten besitzt, würde das Hindurchsickern von Sickerflüssigkeit aus einer Abfalldeponie solange verhindern, bis der Abfall durch Witterungseinflüsse und Alterung harmlos geworden wäre.

Die geologischen und stratigraphischen Folgen, die für die Erfindung zweckdienlich sind, sind folgende: Der geologische Zeitraum, der vor etwa 600 Millionen Jahren beginnt, teilt sich auf in Paläozoikum (Erdaltertum), Mesozoikum (Erdmittelalter) und Känozoikum (Erdneuzeit). Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Tonschiefer aus dem Paläozoikum, welches wiederum in sieben Abschnitte unterteilt ist. Beginnend mit dem frühesten, heißen die Abschnitte des Paläozoikum Kambrium, Ordovizium, Silur, Devon, Mississippium (untere kohlebildende Epoche; lower carboniferous), Pennsylvanium (obere kohlebildende Epoche);(upper carboniferous) und Perm. Unter diesen bezieht sich die Erfindung auf den letzten Bereich des Ordovizium, das vor etwa 500 Millionen Jahren begann und vor etwa 420 bis 440 Millionen lahren endete, als der größte Teil der Erde von weiten Ozeanen bedeckt war. Der letzte Zeitraum, das sogenannte obere Ordovizium, war durch Organismen gekennzeichnet, die entweder durch Anhaften an anderen Organismen (z. B. Graptolithe an schwimmenden Seetangmassen) oder durch Einschlüsse von Gas oder Fett in ihren Strukturen schwammen, sowie durch an der Oberfläche der ozeanischen Wasser schwimmende Organismen. Da-

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durch waren sie so weit verbreitet, daß die Sedementgesteine, die heute durch dieselben Fossilien gekennzeichnet sind, weit verteilt sind. Im oberen Ordovizium waren Graptolithe weit verbreitet, wobei die sich rasch entwickelnde Artenfolge überall auf der Welt sehr ähnlich erfolgte.

Faktoren, die die Wanderung und Vermischung der vom Ozean getragenen Organismen einschränkten, waren im oberen Ordovizium weitgehend verschwunden. Zu dieser Zeit waren sowohl die schwimmende als auch die benthale Fauna in weiten Bereichen der Erde ähnlich, obgleich die geologischen und stratigraphischen Folgen heutzutage in den verschiedenen Ländern unterschiedliche Bezeichnungen tragen. In Großbritannien, von wo die Bezeichnung nach dem alten Volksstamm der Ordovices ihren Ursprung nahm, wird das obere Ordovizium "Ashgill Slate Age" genannt. In den meisten der Vereinigten Staaten wird es als "Cincinnatian Epoch" bezeichnet, die mit der Ablagerung der Maquoketa Shale Group einschließlich der Brainard Formation, die wie oben beschrieben durch Cornulite gekennzeichnet ist, abschloß. In Nordeuropa wird das obere Ordovizium "Harju Age" genannt. In Südchina ist es das "Chientang-kiang Age". In der UOSSB wird es einfach "Oberes Ordovizium" genannt. In Nordwales ist es "Foely Ddinas Mudstone Peroid". In Australien wird es "Victorian Age" genannt.

In Amerika wird das Ordovizium in drei Epochen unterteilt, in die Canadian Epoch, die Champlainian Epoch und die Cincinna-

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-r-

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tian Epoch, welche die jüngste ist. Die geologische Gesteinsfolge, die während der Cincinnatian Epoch abgelagert wurde, enthält in ihrer untersten Schicht Cape-Kalkstein (Cape Limestone). Darüber und bis zur oberen Grenze der Cincinnatian-Folge befindet sich die "Maquokete Shale Group", aus welcher die bevorzugte Tonschiefer-Formation für die Erfindung stammt.

Der erfindungsgemäß verwendete Tonschiefer stammt daher aus den stratigraphischen System des oberen Ordovizium direkt unterhalb des stratigraphischen Systems des Silur. Als Tonschiefer ist er tonartig, und der spezielle Tonanteil besteht zu einem sehr hohen Anteil aus dem Mineral Illit, einer in der ganzen Welt gebräuchlichen Bezeichnung für "alle feinkörnigen Glimmer in tonartigen Sedimenten".

Obgleich in der vorliegenden Beschreibung der Erfindung die Bezeichnung VMaquokete Shale Group" durchweg verwendet wird, soll sie auch für alle anderen vergleichbaren Tonschiefer aus dem oberen Ordovizium gelten.

Die in Amerika häufig vorkommende Maquoketa Shale Group bildet die erste geologische Schicht unterhalb der wertvollen Ablagerungen des bekannten Niagarian- und Alexandrian-Dolomits und Kalksteins, die beim Straßenbau und im Bauwesen Verwendung finden. Die Maquoketa Shale Group besteht im allgemeinen aus einer unteren Einheit, dem Scales Shale, über der eine mittlere Kalketeinschicht (der Ft. Atkinson Limestone) und eine obe-

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re Tonschieferschicht (der Brainard Shale) liegen. Obgleich dieses Schema im allgemeinen zutrifft, unterliegt es lokalen und regionalen Unterschieden.

Für die vorliegende Erfindung ist die gesamte Maquoketa Shale Group von allgemeinem Interesse, jedoch wird die Brainard Shale Formation, die im allgemeinen die oberste Schicht der Gruppe bildet und direkt unter den kommerziell genutzten Dolomitlagern liegt, speziell bevorzugt. Vor dieser Erfindung war eine Nutzung von Brainard Shale nicht bekannt, erstens, weil er zu spröde und dünnschichtig ist, um als Unterlage für Schüttlasten zu dienen, und zweitens, weil er rasch zu Staub abgebaut wird, wenn er nassen und trockenen Verwitterungsperioden ausgesetzt ist, wie in den speziellen Gegenden, wo dieses der Fall ist, erkennbar ist.

Von großer Bedeutung für die Entdeckung der günstigen Eigenschaften des Brainard Shale ist der geologische Zufall, daß er direkt unterhalb von zahlreichen der handelsmässig abgebauten Dolomit- und Kalkstein-Formationen aus dem Silur liegt. Die Schicht ist 23 bis 30 m dick, falls sie nicht dfc durch die Ungleichförmigkeit der Silur-Unterschichten stark verkürzt wird. Brainard Shale ist gründlich grünlichgrau bis grün, an einigen Stellen selbst teilweise dolomitisch und stellenweise versandet. Brainard Shale ist gewöhnlich fossilienhaltig und läßt sich durch das Vorhandensein von Cornulit-Fossilien in seinen oberen Bereichen identifizieren. Die Cornulit-Fossilien sind

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einzigartig insofern, als sie nur am Ende des Ordovizium abgelagert worden sind, und dienen somit als Merkmal zur Identifizierung der Maquoketa Shale Group, selbst wenn diese in anderen Gegenden als dem zentralen Mittelwesten andere Bezeichnungen trägt. Die wichtigsten Gesichtspunkte sind, daß Brainard Shale eine weiträumige, dicke, aus nahezu reinem Illit-Teilchen zusammengesetzte Schicht bildet. Die veröffentlichten Werte (Illinois State Geologic Survey, Report of Investigations No. 203» 1957) zeigen, daß die Tonfraktion (unter 2 micron) dieses Tonschiefers im allgemeinen zu 90 bis 100 % aus Illit besteht.

Bevor das Verfahren zur Anbringung einer undurchlässigen Sperrschicht oder Auskleidung in einer aufzuschüttenden Grube in naturgetreuen Maßstab, z. B. einem erschöpften Steinbruch, beschrieben wird, sollen zunächst eineiReihe von Arbeitsgängen, diexdie Hauptstufen der Herstellung dieser Sperrschicht erläutern, sowie Labor- und Feldversuche zur Ermittlung ihres Permeabilitätskoeffizienten beschrieben werden.

Die Versuche, welche die bisher nicht erkannten Eigenschaften bestätigten, die Maquoketa Shale als flüssigkeitsundurchlässige, geologische Sperrschicht in idealer Weise geeignet machen, wenn man ihn in angemessener Weise rekonsitlert, wurden im März 1976 in einem Steinbruch im westlichen Cook Country, Illinois, USA, durchgeführt. Dolomit und Kalkstein aus dem Silur, die an dieser Stelle nahezu ein Jahrhundert lang abge-

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baut worden waren, waren bis zum Boden der Formation, etwa 80 m unterhalb Straßenhöhe oder bis zur mittleren Meereshöhe 400, abgetragen worden. Dadurch wurde die obere Schicht der Maquoketa Group freigelegt. Direkt unterhalb des Silur-Dolomits lag eine 0,6 m dicke Ader von rötlichem Tonschiefer. Diese erwies sich als die Neda-Formation, die jüngste Schicht der Maquoketa Group und die Kontaktschicht zwischen dem darüberliegenden (bereits abgebauten) Silur-Dolimit und den Gesteinen des Ordovizium-Systems. Direkt unterhalb dieser. 0,6 m dicken Ader befand sich der grau gefärbte Tonschiefer der Brainard Formation. Ein Bohrprofil an dieser Stelle zeigte eine Dicke von mindestens 30,5 ni für diese Brainard Formation, die sich mindestens bis zur mittleren Meereshöhe 292 erstreckte.

Ein Anteil dieses Brainard Shale wurde durch Bohrung und Sprengung abgebaut und bis zu einer maximalen Korngröße von 38,1 mm grobzerkleinert. Aggregate über 25,4 mm wurden dann abgesiebt und entfernt, und eine Analyse der Korngrößenverteilung mit Hilfe des Standard-Trockensiebverfahrens wurde an einer typischen Probe durchgeführt. Eine Zusammenfassung sämtlicher Werte für die betreffende typische Probe einschließlich der Korngrößenverteilung ist wie folgt:

Beschreibung: Tonschiefer, grau, Mohs'sche Härte 3,5

Geologische Bezeichnung: Brainard Formation, Maquoketa Group,

Richmondain Stage, Cincinnatian Epoch, 709851/1202

Ordovicium, Paläozoikum.

Optimaler Feuchtigkeitsgehalt 7,3 %

Korngrößenverteilung hindurchgehend durch ein (trocken) Sieb von

25,4 mm ( 1 inch) 100 %

19,1 mm ( 3/4 inch) 97 %

12,7 mm ( 1/2 inch) 81 %

4,76 mm (No. 4) 49 %

2,00 mm (No. 10) 30 %

0,42 mm (No. 40) 12 %

0,149 mm (No. 100) 6 %

0,074 mm (No. 200) 3 %

Natürlicher Feuchtigkeitsgehalt (Mittel von

2 Versuchen) 5,7 %

Raumgewicht ohne Wasser (Bulk Specific Gravity) 2,589

Scheinbares spezifisches Gewicht (Apparent Specific Gravity) 2,789 Teilchen von Ton-Größe (unter 2 micron) 33 %

Maximale Trockendichte im verdichteten Zustand 2,25 g/ccm

(Compacted Maximum Dry Density) (140,8 pcf)

pH 8,9

Trockendichte im Feldversuch, im verdichteten Zustand 2,12 g/ccm (Compacted Field Dry Density),(Mittel von 4 Versuchen) (132,1 pcf)

Trockendichte im Feldversuch im verdichteten Zu- 93,8 % stand (Compacted Field Dry Density),(Mittel von

4 Versuchen)

Feuchtigkeitsgehalt im Feldversuch (Mittel von 11,0 % 4 Versuchen)

Permeabilitätskoeffizient im Feldversuch (Mittel

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von 4 Versuchen)

Permeabilitätekoeffizient im Laborversuch 2,2x10 cm/sec Dichte für die Permeabilität (trocken; im 2,21 g/ccm Laborversuch)

(Laboratory Density for Permeability) (137,9 pcf)

Dichte für die Permeabilität (im Laborversuch) 97,9 % Feuchtigkeitsgehalt (Laborversuch) 10,4 % Flüssigkeitsgrenze (Liquid Limit) 23 % Plastische Grenze (Plastic Limit) 16 % Schrumpfungsgrenze (Shrinkage Limit) 15 %

*Eine Probe von 1,36 kg wurde gemäß ASTH-Bestimmungsmethode C 136, Trockensiebmethode, auf ihre Korngrößenverteilung geprüft.

**Die maximale Dichte und der optimale Feuchtigkeitsgehalt des Tonschiefer-Aggregates wurden gemäß ASTH D 1557, Methode A, ermittelt und um das über 25,4 mm liegende Aggregat, das entfernt worden war, korrigiert.

Eine Testfläche angrenzend an den Steinbruch wurde gewählt, um das Verfahren zum Rekonstituieren des Tonschieferaggregates zu einer undurchlässigen Sperrschicht aufzuzeigen, und um die Permeabilität der so erstellten Schicht zu bestimmen. Eine Fläche von etwa 3 ■ x 15 ■ wurde von der darauf befindlichen Erde befreit, und zwar bis hinunter in die obere Oberflächenschicht des Niagarian-Dolomites, der einigermaßen verwittert war, aber einen guten, festen Untergrund bildete, welcher dann

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unter Verwendung eines Wasserwagens und einer Sprühvorrichtung leicht angefeuchtet und dann mittels eines großen, gummibereiften Traktors gleichmäßig glattgewalzt wurde. Das Tonachiefer-Aggregat wurde angeliefert, in Chargen von etwa 2 t in einen schweren Mischer eingebracht, und etwa 5 Gew.-% Wasser wurden zugesetzt. Nachdem das Aggregat durch gründliches Mischen in dem schweren Mischer gleichmäßig durchfeuchtet worden war, wurde es sofort in einer gleichmäßigen Dicke von etwa 15»24 cm lockerem Schüttgut verteilt, und zwar unter Verwendung einer Traktorangetriebenen Miller-Verteilungsbox (tractor-propelled Miller spreader box). Nachdem bis zur fertigen Höhe von 15»24 cm aufgetragen worden war, wurde die lockere Schicht mit einer selbst-getriebenen Raupenwalze vom "Schafsfuß-Typ" mit spitz zulaufenden Füßen (Caterpillar selfpropelled sheeps-foot-type roller with tapered feet) gewalzt, Nach sechs bis zehmaligem Überwalzen lief die Walze ohne nennenswertes Eindrücken der Füße über die oberfläche, was eine praktisch vollständige Verdichtung bewies. Sechs aufeinanderfolgende Schichten wurden in dieser Weise gemacht, und zwar bis zu einer Gesamtdicke im verdichteten Zustand von 61 bis 76 cm; schließlich wurde die Oberfläche mit einem großen, gummibereiften Traktor endgültig abgewalzt.

Innerhalb von 24 Stunden wurden vier Testlöcher gegraben, um Dichte und Permeabilität zu bestimmen. Sämtliche Prüfungen wurden gemäß dem United States Bureau of Reclamation, Specification E-56 durchgeführt. Für Einzelheiten dieser Bestimmungs-

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ns

methoden vgl. "Earth Manual", United States Department of the Interior, Bureau of Reclamation, Designation E 36, 1963· In der folgenden Tabelle sind die wesentlichen Ergebnisse dieser Tests angegeben, wobei der wichtige Permeabilitätskoeffizient in der letzten Zeile zu finden ist, der in jedem Falle weniger

—ft
als 5 x 10 cm/sec (wie oben angegeben) betrug; damit ist die Ergnung als flüssigkeitsundurchlässige Sperrschicht für Abfalldeponien bewiesen.

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Loch »r. 1111

Datum der Grabung 24.5.76 24.3.76 24.3.76 24.3.76 Trockendichte de· Tonschiefers* 2,09 g/ccm 2,08 g/ccm 2,13 g/cem 2,17 g/ccm

_ (130,3 pcf) (130,0 pcf) (133,0 pcf) (135,2 pcf)

Feuchtigkeitsgehalt des Tonschiefers** 11,7 11,8 10,7 12,8

° Durchmesser des Loches 10,8 cm 10,8 cm 10,8 cm 10,8 cm

J£ Tiefe des Loches 30,5 cm 30,5 cm 30,5 cm 30,5 cm ^

^ Wasser zugesetzt zur Quellung 24.3-76, 11³⁰ 24.3.76, 11³⁰ 24.3.76, 11³⁰ 24.3.76, 11³⁰

*> Tee* 1 begonnen 27-3.76, 8⁰⁶ 27.3.76, 8°⁷ 27.3.76, 8°⁹ 27-3-76, 8¹¹

Test 1 beendet 29-3.76, 8¹⁵ 29.3.76, 8¹⁵ 29-3.76, 8¹⁹ 29.3-76, 8

durchschnittliche Wassertemperatur 13,9⁰C 13,9⁰C 13,9⁰C 13,9°C

Gesamt-Füllstarke an Tonschiefer 55,9 cm 63,5 cm 66,0 cm 48,3 cm Wasserstand im Loch 27,9 cm 27,3 cm 25,4 cm 26,0 cm Gesamtfluß aus dem Bohrloch 75 ecm 88 ecm 62 ecm 87 ecm -O Permeabilitätskoeffizient 3,1 x 10~⁸ 4,0 χ 10""⁸ 3,4 χ 10"⁸ 4,2 χ 10~⁸ ^¹

cm./sec. cm./sec. cm./sec. cm./sec. °

* Die Dichteprüfungen im Feld wurden gemäß den American Society For Testing and Materials Current

Standards, ASTH D 2167, durchgeführt ••Der Feuchtigkeitsgehalt wurde gemäß ASTH D 2216 bestirnt*.

to

Bei einer 3,05 m dicken Auskleidung mit einem Material, daß einen Permeabilitätskoeffizienten von 5 x 10 cm/sec besitzt, würde es etwa 200 Jahre dauern, bis Flüssigkeit aus einer mit sanitären Abfällen aufgeschütteten Grube durchsickern würde. Es ist unwahrscheinlich, daß nach einer derart langen Zeit Schadstoffe für die Grundwasservorkommen in normalen Kommunden Abfällen nach vorhanden sind. Blauton hat einen ähnlichen Permeabilität skoeffizi ent en und ist von den zuständigen Behörden als Abdichtung für Aufschüttungen mit sanitären Abfällen für geeignet befunden worden. Blauton ist jedoch in vielen Gegenden, wo er benötigt wird, knapp, und die Transportkosten über weite Entfernungen sind beträchtlich. Ein sehr wesentliches Ergebnis der vier oben beschriebenen Permeabilitätsversuche besteht darin, daß Tonschiefer, welcher demjenigen aus der Maquoketa Group äquivalent ist und durch Zerkleinern und Verdichten an Ort und Stelle gemäß der Erfindung rekonsituiert worden ist, einen so niedrigen Permeabilitätskoeffizienten besitzt, daß er als Austauschstoff für Blauton in sanitären Abfalldeponien geeignet ist.

Die Anwendung der vorliegenden Erfindung im vollen kommerziellen Maßstab zur Abdichtung eines erschöpften Dolomit-Steinbruches, der mit sanitären kommunalen Abfällen aufgeschüttet werden soll, um diese zu deponieren, geht aus der obigen Beschreibung hervor. Angenommen jedoch, daß der Steinbruch über Tonschiefer liegt, welche denjenigen der beschriebenen Maquoketa Group äquivalent sind, und daß sich der Boden des Steinbruches in Höhe der oberen

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Schicht des an Illit reichen, der Brainard Formation entsprechenden Tonschiefer befindet, was anhand von chemischen und geologischen Untersuchungen und insbesondere durch das Vorhandensein von Cornulit-Possilien in der oberen Schicht leicht festgestellt werden kann, dann braucht man nur die vertikalen Wände abzudichten, da der Maquoketa-Tonschiefer selbst undurchlässig ist.

Zu diesem Zweck wird der Tonschiefer durch Bohrung und Sprengung abgebaut, bis zu leicht verdichtbaren, ansteigenden Korngrößen von etwa 19»1 nm bis weniger als 76 micron (200 mesh), welches der zur Verdichtung geeignete Bereich ist, zerkleinert und ausgesiebt. Das Aggregat wird dann mit etwa 5 Gew.-% Wasser in einem der bekannten schweren Mischer vermischt und bis zu einer Tiefe von etwa 15 cm »wischen der Wand des Steinbruches und einer geeigneten, temporären Stützform, die etwa 3_tO5 m von der Wand des Steinbruches zurückgesetzt ist, unter Anwendung der bekannten, Traktor-abgetriebenen Miller-Auftragsboz verteilt. Danach wird das lockere, feuchte Aggregat mittels einer bekannten "Schafsfuß-Walze" verdichtet, bis es praktisch fest ist, was sich darin zeigt, daß die Füße oder Zähne der Walze oben auf der Schicht "laufen". In der gleichen Weise werden wiederholte Schichten hergestellt, um die Wand bis zu einer geeigneten Höhe entsprechend dem Fortschreiten der Aufschüttung abzudichten. Wenn der Steinbruch oder die Grube keine Grundfläche aus Maquoketa-Tonschiefer oder einem anderen auereichend undurchlässigen Material besitzt, sollte zunächst

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der gesamte Boden unter Anwendung dergleichen Technik, wie sie für die vertikalen Wände beschrieben worden ist, mit dem verdichteten Tonschiefer abgedichtet werden.

Dementsprechend bildet Maquoketa Shale oder ein äquivalenter Tonschiefer unter einer anderen Bezeichnung, wenn er gemäß dem Verfahren der Erfindung an Ort und Stelle rekonstituiert wird, eine geeignete Alternative für Blauton als undurchlässige Sperrschicht. Weiterhin ist er reichlich verfügbar. Nach dem Illinois State Geologie Survey, "Handbook of Illinois Stratigraphy", Bulletin 95» 1975» kommt Maquoketa Shale an verschiedenen Orten unter unterschiedlichen Bezeichnungen vor; beispielsweise wird er als äquivalent den Collingwood- und Queenston-Schichten in Ontario und New York, dem Sylvan-Shale im Südwesten, sowie dem Reedsville Shale und der Sequatchie Formation im Süden und Südosten von Illinois beschrieben. Unabhängig von seiner jeweiligen Bezeichnung gibt es ein Merkmal zur Identifizierung, welches allein die Tonschiefer der Maquoketa Group besitzen, wie immer sie bezeichnet werden mögen. Dieses Merkmal ist das Vorhandensein von Cornulit-Fossilien im oberen Bereich, der die Brainard Formation ausmacht, wie sie im mittleren Westen der Vereinigten Staaten bekannt ist.

Ein außerordentlich nützlicher geologischer Zufall besteht darin, daß die Maquoketa Group unmittelbar unter zahlreichen Dolomit- und Kalksteinlagern aus dem Silur liegt, welche handelsmässig abgebaut werden. Da weiterhin die Maquoketa Group, ins-

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die Brainard Formation, die ganz oben liegt, ie natürlichen Zustand einen Permeabilitätskoeffizienten aufweist, der weit unter den 5 x 10" cm/sec liegt, die gegenwärtig zur Erfüllung der UnweitSchutzbedingungen für undurchlässige Sperrschichten bei Grubenaufschüttungen gefordert werden, bildet sie eine sehr geeignete, im natürlichen Zustand undurchlässige Bodenwandung, wodurch die Kosten zur Abdichtung des Bodens entfallen und nur die Seitenwände mit der Sperrschicht versehen werden müssen. Beispielsweise würde das Abdichten eines Steinbruches, der eine Tiefe von 6t m und eine Fläche von 20,2 ha aufweist, mit einer 3,05 m dicken Schicht aus Blauton bei einem Preis von 4 Dollar pro 0,91 m allein für das Material annährend 5 Millionen Dollar kosten. Das Abdichten nur der Seitenwände mit Maquoketa Shale, der gemäß der Erfindung vom Boden des Steinbruches abgebaut und rekonstituiert worden ist, würde bei einem geschätzten Maximum von 1,50 Dollar pro 0,91 m Materialkosten unter 700 000 Dollar verursachen.

Obgleich es nicht vollständig geklärt ist, warum das erfindungsgemäße Verfahren in so erfolgreicher Weise eine undurchlässige Auskleidungsschicht erzeugt, wird angenommen, daß es an der Tatsache liegt, daß die angewendeten Tonschiefer eine Verdichtbarkeit ungefähr zwischen derjenigen von Ton und von zerkleinertem Kalkstein aufweisen. Es ist bekannt, daß angefeuchteter Ton plastisch ist und mittels einer "Schafsfuß"-Valze leicht sum praktisch undurchlässigen Zustand verdichtet werden kann. Zerkleinerter Kalkstein hingegen läßt sich niemals in einem solchen

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Maße verdichten. Er bleibt selbst bei Bearbeitung mit einer Schüttelwalze (vibration roller) porös und eignet sich daher als tragende, trockmungsfähige Unterlage für Betonfundanente und - platten.

Tonschiefer oder Schlammstein "mud stone", wie er manchmal genannt wird, besteht vorherrschend aus Tonteilchen in Wasser dispergierbare, kolloidale Teilchen (unter 2 micron), die von einer festen Quarzmatrix in ihrer Position festgehalten werden, was dem Tonschiefer eine gesteinsartige Konfiguration verleiht. Anders als Ton läßt er sich im angefeuchteten Zustand nicht leicht verkneten. Er muß zerkleinert werden, um einen Teil des Tongehaltes freizusetzen. Daher findet bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ein zweiter Zerkleinerungs- und Mischungsvorgang statt, wenn das grobzerkleinerte und angefeuchtete Aggregat an Ort und Stelle mittels der "Schafsfuß"-Waise verdichtet wird. Dieses sekundäre Zerkleinern und Vermischen unterteilt die grobzerkleinerten Tonschieferteilchen fortschreitend in kleinere und kleinere Teilchen, wodurch ständig neue Oberflächen freigelegt und Tonanteile in einer breiten Vielfalt von Korngrößen freigesetzt werden, und zwar durch Schmieren, Reiben und Abtreiben ihrer achiammartigen Oberflächen gegeneinander. Ferner enthält der erfindungsgemäße bevorzugte Tonschiefer aus der Maquoketa Shale Group einen hohen prozentualen Anteil an Illit, welcher glimmerartig ist, was sich durch zahlreiche, dicht angeordnete, schieferige Basisflächen zeigt, wodurch das angefeuchtete Illitmineral während der endgültigen

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Verdichtung unter der "Schafsfuß"-Walze leicht zerfällt. Auf diese Weise wird durch das primiäre Vermischen im Grobzerkleinerer und schweren Mischer sowie durch den sekundären Zerkleinerungs- und Vemischungsvorgang unter der "Schafsfuß"-Walze ein weiter Bereich von Klumpen- und Teilchengrößen erzeugt; dadurch können die winzigsten, glimmerartigen Illit-Teilchen in den Zwischenräumen zwischen den größeren, diese wiederum in die Zwischenräume zwischen den noch größeren usw. gedruckt werden. Die "Schafsfuß"-Walze läuft, wie beschrieben, bereits nach wenigen Durchgängen oben auf der Höhe der Schicht, was den erreichten hohen Grad der Verdichtung beweist. Es wird angenommen, daß die Kombination der Sprödigkeit des Tonschiefers mit der Neigung der kleinen Teilchen, abzubrechen, sich abzulösen und einen Halbschlamm zu bilden, nahezu eine ebensolche Degradation unter der "Schafsfuß"-Walze verursacht wie sie in dem schweren Mischer beim Zusatz von Wasser erfolgt. Unabhängig von der genauen wissenschaftlichen Erklärung ermöglicht es das erfindungsgemäße Verfahren, Tonschiefer, insbesondere die Brainard Shale Formation aus der Maquoketa Group, von seinem natürlichen, undurchlässigen Standort abzutragen und zu einer ökologisch annehmbaren, flüssigkeitsundurchlässigen Sperrschicht zu rekonstituieren, die als Auskleidung von Gruben, die mit sanitären Abfällen aufgeschüttet werden sollen, geeignet ist.

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Claims

Patentansprüche

1.J Verfahren zum Rekonstituieren von Tonschiefer zur Erstellung einer ökologisch undurchlässigen, geologischen Sperrschicht entlang einer Wand, dadurch gekennzeichnet, daß man

(a) festen Tonschiefer, so wie er abgebaut worden ist, und der aus dem stratigraph!sehen System des Oberen Ordovizium direkt unterhalb des stratigraph!sehen Systems des Silur stammt, wobei dieser Tonschiefer einen hohen Gehalt an Illitmineral aufweist, ein erstes Mal zerkleinert, um ein leicht verdichtbares Aggregat mit einer steigenden Korngrößenverteilung zu erhalten;

(b) diesen Tonschiefer zur Bildung eines feuchten Aggregates mit Wasser vermischt;

(c) das feuchte Aggregat entlang der Wand verteilt; und

(d) das feuchte Aggregat an Ort und Stelle an dieser Wand ein zweites Mal zerkleinert, um es zu einem im wesentlichen festen, undurchlässigen Zustand zu verdichten.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sperrschicht bis zu einem Permeabilitätskoeffizienten von

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weniger als 5 χ 1O~ cm/sec verdichtet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Tonschiefer aus der als Harju Age bekannten Formation stammt.

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NACHGEREICHT

4. Verfahren nach Anspruch 1,2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Tonschiefer in seinem oberen Bereich Coraulit-Fossi-Iien enthält.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn zeichnet _% daß das Aggregat eine steigende Korngrößenverteilung aufweist, die von über 19,1 mm bis unter 76 micron variiert.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet« daß die größten Körner des Aggregates durch ein Sieb von 25,4 mm hindurchgehen.

7. ökologisch undurchlässige, geologische Sperrschicht, dadurch gekennzeichnet. daß sie nach einem der Ansprüche 1 bis 6 hergestellt worden ist.

8. ökologisch undurchlässige, geologische Sperrschicht für ein« Grube im Erdboden, dadurch gekennzeichnet, daß man eine nach dem Verfahren von Anspruch 1 erstellte Sperrschicht in einer Dicke von mindestens 3,05 m auf jede der durchlässigen Wände der Grube aufträgt.

9. ökologisch undurchlässige, geologische Sperrschicht nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Bodenfläche der Erdgrube aus dem Tonschiefer in seinem natürlichen, festen Zustand besteht.

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