Korrosionsanfälligkeit potenzieller Gesteinsanker in belüftetem, multiionischem, simuliertem, konzentriertem Wasser

Abstrakt

Gesteinsanker, die zur Verstärkung von unterirdischen Bergwerken, Tunneln und Atommülldeponien verwendet werden, bestehen aus Stählen mit niedrigem und mittlerem Kohlenstoffgehalt sowie hochfesten niedriglegierten Stählen. Typische Felsankersysteme, die zur Felsverstärkung eingesetzt werden, sind mechanisch verankerte Bolzen, Mörtelanker, Reibungsgesteinsstabilisatoren und Litzenanker. Für Endlagerstätten für nukleare Abfälle wie Yucca Mountain (YM) sowie für Minen und Tunnel sind neben den mechanischen Eigenschaften auch die Korrosionseigenschaften wichtig, da möglicherweise Wasser durch die Risse oder Poren im Gestein eindringen kann.

Während der temporären Felsstützzeit von 50–100 Jahren sollte die Temperatur des Tunnels bei YM auf Umgebungsbedingungen gehalten werden. Wenn die Felsanker dem YM-Wasser und den hohen Temperaturen im Tunnel ausgesetzt sind, besteht aus irgendeinem Grund die Gefahr der Korrosion der Stahl-Felsanker. In dieser Studie wurde versucht, die Korrosionseigenschaften verschiedener potenzieller Gesteinsanker für die YM-Tunnelunterstützung mithilfe elektrochemischer Korrosionstests zu untersuchen. Bei Umgebungstemperatur (25 °C) zeigten alle untersuchten Gesteinsanker in diesen Gewässern eine gute Korrosionsbeständigkeit.

Bei höheren Temperaturen, 60 °C und 90 °C, nahm die Korrosionsbeständigkeit der Felsanker ab, aber aufgrund der speziellen Spannungsentlastungswärmebehandlung eines der Reibungsgesteinsstabilisatoren (Swellex Mn 24) waren die Korrosionsraten niedriger als bei allen anderen getesteten Felsankern. Hinweis: Swellex, Split Set und Williams sind die Markennamen von Atlas Copco, International Roll Forms, Inc. bzw. Williams Form Engineering Corp.

Einführung

Yucca Mountain (YM) wird als Endlagerstandort für die dauerhafte Endlagerung von bis zu 70.000 Tonnen hochradioaktiven Abfalls in Betracht gezogen. Die unterirdischen Baugruben werden mit Felsverstärkungen wie Felsankern und Doppel-T-Trägern gesichert. Das Design der Einlagerungsdrift des Yucca Mountain Nuclear Waste Repository ist in Abb. 1 dargestellt (http://www.ocrwm.doe.gov/ym_repository/studies/engdesign/tunneldesign.shtml). Die Entwicklung interner Felsstützsysteme begann im frühen 20. Jahrhundert. Im Jahr 1936 wurden in der Bleimine St. Joseph in Missouri erstmals Spaltkeil-Felsanker zur Verstärkung des Minendachs eingesetzt (USBM, 1987), und Mitte der 1940er Jahre wurde der Spreizankerbolzen entwickelt.

Im Jahr 1960 wurden harzbasierte Mörtel-Gesteinsanker zur unterirdischen Gesteinsverstärkung verwendet, und Mitte der 1970er Jahre wurden die Reibungsgesteinsstabilisatoren, verformbare Stahlrohre, zur Gesteinsunterstützung verwendet. Heutzutage werden auf der ganzen Welt verschiedene Arten von Gesteinsankern wie mechanisch verankerte, mit Mörtel verankerte Anker, Reibungsstabilisatoranker, Litzenanker und anderes Sekundärgesteinszubehör zur Gesteinsverstärkung im Bergbau, im Tunnelbau und in Kernlagerstätten verwendet (Leedy, 1993). Häufig verwendete Felsankersysteme sind in Abb. 2 dargestellt (http://www.williamsform.com/Ground_Anchors/ground_anchors.html;http://www.splitset.com/rock-bolts.html).

Felsanker sind in erster Linie auf eine gute mechanische Festigkeit und Steifigkeit ausgelegt, um der Felslast standzuhalten (Brady und Brown, 2006; Pariseav, 2007). Die Haltbarkeit des Gesteinsankers kann jedoch auch von anderen Eigenschaften abhängen, wie z. B. Korrosion aufgrund der Temperatur und der Umgebung, denen der Gesteinsanker ausgesetzt ist. YM liegt in einer trockenen Wüstenregion mit einer aktuellen durchschnittlichen jährlichen Niederschlagsmenge plus Schneefall von insgesamt 19 cm. Das Eindringen eines Teils dieses Wassers in die Verwehungen kann möglicherweise die Felsanker angreifen (Gordon, 2002). Aber das Gesamtwasser aufgrund von Regen und Schneefall ist im Vergleich zum Wasser in der gesättigten Gesteinszone von YM, porösem Gestein, trivial (Gordon, 2002). Aufgrund von Verschiebungen in der Gesteinsmasse besteht die Möglichkeit, dass Porenwasser mit den Gesteinsankern in Kontakt kommt. Der mögliche Schaden durch Felsanker am YM-Standort könnte auf Nasskorrosion zurückzuführen sein. Basierend auf der Gesteinschemie und dem Brunnenwasser in YM-Tuffsteinen können verschiedene Arten von Wasserchemie mit unterschiedlichen Gehalten an Anionen wie Chlorid, Nitrat, Sulfat, Silikaten und Bikarbonat und Kationen wie Natrium, Kalzium, Kalium und Magnesium auftreten ( Gordon, 2002). Unter Berücksichtigung aller oben genannten Anionen und Kationen wurde multiionisches Wasser, genannt YM-Wasser, an der University of Nevada, Reno (UNR) simuliert. Dieses YM-Wasser wurde sowohl mit korrosionsfördernden Ionen (z. B. Chloriden) als auch mit korrosionshemmenden Ionen (z. B. Silikaten) entwickelt.

Swellex-Reibungsgesteinsanker gehören zu den Gesteinsankern, die als Gesteinsverstärkungsmaterial in Betracht gezogen werden. Es sind verschiedene Arten von Swellex-Bolzen erhältlich, darunter Standard-Swellex, Super-Swellex, Swellex Mn 24 und Swellex Pm 24. Super Swellex™ wurde im YM-Untergrundlabor Exploratory Studies Facility (ESF) für Gesteinsinformantenstudien installiert (http://www.swellex.com). .noov.com/old-mining/arch/feat/auni.htm). Der Split-Set™-Stabilisator ist ebenfalls ein bekannter Reibungsrohrstabilisator, der in vielen Untertagebergwerken eingesetzt wird (Ranasooriya, 1999). Andere Felsanker wie der Williams-Felsanker (http://www.williamsform.com/Ground_Anchors/ground_anchors.html) werden ebenfalls häufig zur unterirdischen Verstärkung und Unterstützung verwendet. In dieser Studie wurde eine kurze elektrochemische Korrosionsstudie an drei Swellex-Gesteinsankern, einem Swellex-Gesteinsanker, einem Williams-Gesteinsanker mit mittlerem Kohlenstoffgehalt und einem I-Träger aus Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt durchgeführt (Yilmaz, 2003; Deodeshmukh et al., 2004). Die maximale Bruchlast der in dieser Studie verwendeten Felsanker ist in Tabelle 1 angegeben (Stimpson, 1998; http://sg01.atlascopco.com/SGSite/default_prod.asp?redirpage= products/product_group.asp&redirid=Rock%20bolts). Die chemische Zusammensetzung des Gesteinsankers und die Wasserchemie, die in dieser Studie verwendet wurden, sind in den Tabellen 2 bzw. 3 angegeben.

Schlussfolgerungen

Bei Umgebungstemperatur gibt es keinen Unterschied in der Korrosionsbeständigkeit der getesteten Felsanker. Ein Temperaturanstieg auf bis zu 60 °C hat keinen großen Einfluss auf die Korrosionsrate von Gesteinsankern, mit Ausnahme von Split-Set. Die Zersetzung von Gesteinsankern ist bei 90 °C aufgrund des Einflusses von Chloriden und gelöstem Sauerstoff schwerwiegend. Unter allen Felsankern scheint Swellex Mn 24 hinsichtlich der Korrosionsbeständigkeit bei allen Temperaturen zuverlässiger zu sein.

Referenz

Suresh Divi; Dhanesh Chandra; Jaak Daemen (2011).Korrosionsanfälligkeit potenzieller Gesteinsanker in belüftetem, multiionischem, simuliertem, konzentriertem Wasser. , 26(1), 124–129.doi:10.1016/j.tust.2010.07.003