Bentonit

In der Praxis beginnt die Verarbeitung oft mit der Herstellung einer Bentonitsuspension, wobei das Pulver intensiv mit Wasser zu einer homogenen Flüssigkeit vermischt wird. Bei der Herstellung von Schlitzwänden oder Gründungspfählen wird diese Suspension direkt in den Aushub gepumpt. Die Flüssigkeit übt einen hydrostatischen Druck auf die Wände des Schlitzes aus. Dadurch bleibt die Baugrube ohne mechanische Stützung stabil. Während dieses Prozesses bildet sich an den Kontaktflächen zum umgebenden Boden ein sogenannter Filterkuchen; eine dünne, dichte Schicht, die das Eindringen der Flüssigkeit in den Untergrund minimiert. In der Bohrtechnik dient das Gemisch als Spülmedium, das gelöstes Bohrklein an die Oberfläche transportiert, während es gleichzeitig den Bohrkopf kühlt.

Filteranlagen trennen über Tage das Bohrklein von der Flüssigkeit. Eine Wiederverwendung ist hierbei üblich. Bei Abdichtungsarbeiten, etwa bei Kellern oder Tunnelkonstruktionen, wird das Material häufig in Form von Bentonitmatten oder Quellbändern eingesetzt. Diese werden trocken gegen die Bauteile angebracht. Wenn das Mineral anschließend mit Grundwasser in Kontakt kommt, erfolgt die Expansion innerhalb des eingeschlossenen Raums. Der aufgebaute Druck sorgt für eine vollständige Abdichtung von Fugen und Rissen. Im Tiefbau wird es auch zur Injektion von Bodenschichten eingesetzt, um Wasserströme zu lenken oder Gründungen zu konsolidieren.

Natürlicher Natriumbentonit versus Calciumbentonit

Nicht alle Bentonite sind gleich. In der Natur unterscheidet man grundlegend zwischen der Natrium- und der Calciumvariante, wobei das gegenseitige Verhältnis der Kationen im Kristallgitter das Quellvermögen bestimmt. Natriumbentonit ist die leistungsfähigste Sorte. Er besitzt die einzigartige Fähigkeit, enorme Wassermengen zu absorbieren und bis zu zehnmal sein eigenes Volumen anzunehmen. Man findet diesen Typ hauptsächlich in spezifischen Lagerstätten in den Vereinigten Staaten, wie in Wyoming. Calciumbentonit hingegen zeigt einen deutlich geringeren Quellgrad und bildet weniger stabile Suspensionen. Für bautechnische Anwendungen wird diese Variante häufig industriell 'aktiviert'. Durch Zugabe von Natriumcarbonat (Soda) findet ein Ionenaustausch statt, wodurch der Ton die gewünschten thixotropen Eigenschaften erhält, die für Schlitzwände und Bohrspülungen erforderlich sind.

Vom losen Pulver zu vorgefertigten Matten

In der Praxis wird Bentonit selten als reiner Rohstoff verarbeitet. Das Angebot variiert je nach Anwendung. Für die Herstellung von Bohrspülungen und Stützflüssigkeiten verwendet man fein gemahlenes Pulver, das in Silos oder Big Bags geliefert wird. Bentonitmatten, im Tiefbau als Geosynthetic Clay Liners (GCL) bekannt, bilden eine industrielle Alternative zu dicken Tonschichten. Diese Matten bestehen aus einer Bentonitschicht, die zwischen zwei Geotextillagen eingeschlossen und mechanisch vernadelt ist. Sie bieten eine konstante Dicke. Ihre größte Stärke ist die Selbstheilungskraft; kleine Beschädigungen durchdringen die Barriere nicht dauerhaft, da der Ton die Löcher einfach 'dichtquillt'. Für konstruktive Fugen im Betonwerk verwendet man Quellbänder. Dies sind Hybridprofile aus Gummi oder Kunststoff, die mit Bentonit vermischt und speziell dafür ausgelegt sind, Arbeitsfugen unter hydrostatischem Druck wasserdicht zu machen.

Bentonit versus Baryt und gewöhnlicher Ton

Häufig wird Bentonit mit Baryt verwechselt, einem anderen weit verbreiteten Zusatzstoff in der Bohrtechnik. Der Unterschied ist entscheidend. Baryt ist ein schweres Mineral, das ausschließlich dazu dient, die Dichte der Flüssigkeit zu erhöhen, während Bentonit für die strukturelle Stabilität und Viskosität sorgt. Auch der Unterschied zu regulärem Baulehm oder Ton ist groß. Gewöhnliche Tonsorten enthalten zwar feine Partikel, aber ihnen fehlt die spezifische geschichtete Montmorillonit-Struktur, die die extreme Expansion ermöglicht. Ohne diese mikroskopische Architektur kann ein Material niemals ein thixotropes Gel bilden, das die Wände eines metersiefen Schlitzes gegen den Erddruck aufrecht hält.

Ein Bohrtrupp führt eine horizontale gesteuerte Bohrung unter einer vielbefahrenen Bahnstrecke durch. Der anstehende Boden besteht aus lockerem, instabilem Sand. Ohne die konstante Injektion einer Bentonitsuspension würde das Bohrloch unter dem Gewicht der darüberliegenden Infrastruktur sofort einstürzen, mit einer katastrophalen Setzung der Gleise als Folge. Hier fungiert die Flüssigkeit als unsichtbare, hydraulische temporäre Schalung, die die Stabilität gewährleistet, während die Leitung eingezogen wird.

Im Kellerbau offenbart sich die Kraft des Minerals bei einer undichten Arbeitsfuge. Wasser sickert durch einen kritischen Anschluss zwischen Boden und Wand. Ist hier ein Bentonit-Quellband eingebaut, reagiert es sofort auf das Eindringen. Das Material absorbiert die Feuchtigkeit und quillt kräftig auf. Der Ton presst sich in die kleinsten Poren und Unregelmäßigkeiten des Betons. Das Leck stoppt nicht durch eine Klebeverbindung, sondern durch den reinen physikalischen Gegendruck des expandierenden Minerals.

Bei der Anlage eines großen Wasserreservoirs auf durchlässigem Sandboden wird oft Bentonitmatten gewählt. Während des Ausrollens wirken sie wie eine steife Decke. Sobald das Becken gefüllt wird, sättigt sich der Tonkern. Es bildet sich eine gelartige Schicht, die sich selbst heilt; sollte ein scharfer Gegenstand die Matte während der Bauphase durchbohrt haben, fließt der quellende Ton einfach in das Loch, um den Defekt zu schließen. Diese Selbstheilungsfähigkeit macht ihn unter rauen Baubedingungen herkömmlichen Kunststofffolien überlegen.

In Deutschland unterliegt die Verwendung von Bentonit im Boden dem Bodenschutzrecht, insbesondere dem Bundes-Bodenschutzgesetz (BBodSchG) und der Bundes-Bodenschutz- und Altlastenverordnung (BBodSchV). Da Bentonit als mineralischer Stoff gilt, der dem Boden zugeführt wird, muss er strengen umwelt-hygienischen Anforderungen entsprechen. Eine Verunreinigung des Grundwassers ist ausgeschlossen. Bei Großprojekten wie Schlitzwänden oder Horizontalbohrungen ist häufig eine Anzeige bei der zuständigen Behörde erforderlich. Das Material darf die chemische Qualität des aufnehmenden Bodens nicht verschlechtern.

Normen für die geotechnische Ausführung

Die technischen Vorschriften für die Arbeit mit Bentonitsuspensionen sind in spezifischen europäischen Normen festgelegt. DIN EN 1538 beschreibt die Ausführung von Schlitzwänden. Darin sind die Parameter für die Stützflüssigkeit genau definiert; man denke an Viskosität, Sandgehalt und Filtrationseigenschaften. Für Gründungspfähle gilt DIN EN 1536. Diese Normen gewährleisten, dass die Flüssigkeit die Wände während des Aushubs ausreichend stützt. Keine Schätzung, sondern gemessene Werte. Bei der Verwendung von Bentonitmatten als Bodenschutzvorrichtung wird häufig auf die BAM-Zulassung verwiesen, die die Qualitätssicherung dieser Geosynthetic Clay Liners regelt. In der Bohrwelt sind zudem lokale wasserrechtliche Vorschriften relevant. Besonders bei Bohrungen in der Nähe von Deichen gelten strenge Regeln, um sogenannte 'Blow-outs', das ungewollte Austreten von Bohrspülung, zu verhindern.