Möglichkeiten der Verbesserung von natürlichen mineralischen Dichtungsstoffen hinsichtlich Standsicherheit, Erosionsstabilität und Verdichtbarkeit (FE 05.116)

Projektnummer: FE-Nr. 05.116/1998/EGB

 

Für Abdichtungen von Verkehrsflächen werden in überwiegendem Maße natürlich anstehende, fein- oder gemischtkörnige Böden eingesetzt. Häufig weisen derartige Böden aber zu hohe Wassergehalte oder eine zu geringe Kohäsion auf, so dass sie nicht mehr hinreichend verdichtbar bzw. in Böschungen mit Regelneigungen h:b=1:1,5 nicht mehr standsicher einbaubar sind. Eine Bodenverbesserung mit Kalk, die bei Böden mit zu hohen Wassergehalten häufig eingesetzt wird, führt zwar zu einer Verbesserung der Verdichtbarkeit bzw. Scherfestigkeit, jedoch auch zu einer bei mineralischen Dichtungen unerwünschten Erhöhung der Durchlässigkeit.

Im Rahmen des Forschungs- und Entwicklungsvorhabens wurde untersucht, inwieweit durch Zugabe von Kalk, Kalk + Tonmehl oder einem Gemisch aus Diabas-Mehl und Zement eine Verbesserung mineralischer Dichtungsmaterialen in dem Sinne erzielt wird, dass die Anforderungen hinsichtlich Verdichtbarkeit, Tragfähigkeit und Durchlässigkeit in gleichwertiger Hinsicht erreicht werden. Dazu wurden Proctor-, Durchlässigkeits-, CBR-, und Triaxialversuche durchgeführt.

Vergleichsuntersuchungen zwischen dem Triaxial- und CBR-Versuch zeigten, dass der Triaxialversuch zur Ermittlung von Scherparametern beispielsweise für Standsicherheitsberechnungen nicht durch den CBR-Versuch ersetzt werden kann. Der CBR-Versuch ist jedoch geeignet, um grundsätzliche Aussagen über die Wirksamkeit bzw. über die Auswirkungen bezüglich der Tragfähigkeit von Zugabestoffen zur Bodenverbesserung machen zu können. Der wesentliche Vorteil des CBR-Versuches ist die schnellere und einfachere Versuchsdurchführung.

Durch die Laboruntersuchungen konnten die aus der Literatur bekannten Sofortreaktionen infolge der Kalkzugabe bestätigt werden. Sie lassen sich folgendermaßen zusammenfassen:

• Erhöhung des Proctorwassergehaltes bei Reduzierung der Proctordichte
• Erhöhung der Tragfähigkeit infolge eines erhöhten Wasserbindevermögens und einer Aggregatstrukturausbildung
• Erhöhung der Durchlässigkeit bei Wassergehalten unterhalb des Proctorwassergehaltes als Folge einer Strukturumwandlung von der homogenen Einzelkornstruktur zur Aggregatstruktur des Gemisches
• Nach Kalkzugabe Reduzierung der Wasseraufnahme bei Wasserzutritt

Allgemein ist die Durchlässigkeit bindiger Böden entscheidend vom Einbauwassergehalt abhängig. Bei Wassergehalten unterhalb des Proctorwassergehaltes liegen die Böden in Aggregatstruktur (Krümel) vor und besitzen aufgrund der großen Poren zwischen den Aggregaten eine vergleichsweise hohe Durchlässigkeit. Bei Wassergehalten oberhalb des Proctor­wasser­gehaltes besitzen die Böden homogene Einzelkornstruktur, wesentlich kleinere Poren und damit eine sehr viel geringere Durchlässigkeit. Die Strukturänderung des Bodens in Abhängigkeit vom Einbauwassergehalt ist unabhängig vom Zugabestoff festgestellt worden, wenngleich sie durch Kalk in besonderem Maße gefördert wird. Neben der Strukturänderung bewirkt auch eine geringere Trockendichte eine Erhöhung der Durchlässigkeit des Bodens bzw. Boden-Zugabestoff-Gemisches. Daher sollte entsprechend den Anforderungen im Deponiebau gefordert werden, dass der Einbauwassergehalt des Boden-Zusatzstoff-Gemisches höher ist, als der Proctorwassergehalt.

Werden z.B. beim Einbau in steilen Böschungen oder unterhalb des Straßenaufbaus hohe Tragfähigkeits- und Scherfestigkeitsanforderungen an den Boden gestellt, könnte dies im Extremfall dazu führen, dass der bezüglich der Verdichtung und Tragfähigkeit mit zu hohem Wassergehalt vorliegende Boden zusätzlich zur Zugabe von Kalk noch gewässert werden muss, um auch die Durchlässigkeitsanforderungen zu erfüllen. Aufgrund der in situ meist vorliegenden Inhomogenitäten des anstehenden Bodens sowie der Probleme bei einer genauen Einstellung des Einbauwassergehaltes bei laufendem Erdbaubetrieb, ist in einem solchen Extremfall abzuwägen, ob eine Bodenverbesserung mit Kalk überhaupt geeignet ist.

Bezüglich der Kalkzugabemenge ist zu berücksichtigen, dass bei konstantem Wassergehalt die Durchlässigkeit mit zunehmendem Kalkanteil ansteigt. Andererseits ergibt sich aus der Forderung nach einer möglichst hohen Tragfähigkeit auch eine Mindestzugabemenge von Kalk. Es handelt sich hierbei also um einen Optimierungsprozess, der im praktischen Anwendungsfall - z.B. im Rahmen der Eignungsprüfung - zu führen ist.

Bei den hier durchgeführten Untersuchungen stiegen die Durchlässigkeitsbeiwerte zum Teil über k=1*10‑8m/s an, auch wenn der Einbauwassergehalt größer als der Proctorwassergehalt des Boden-Zugabestoffgemisches war. Es wurde daher untersucht, ob die Zugabe von Tonmehl zum Kalk-Boden-Gemisch wieder zu einer Reduzierung der Durchlässigkeit führt. Ein Vergleich der untersuchten Boden-Kalk-Gemische mit den Boden-Kalk-Tonmehl-Gemischen zeigt dabei, dass durch Tonmehl eine geringe Reduzierung der Durchlässigkeit erreicht wird, was durch die Erhöhung des Feinkornanteils begründet werden kann. Die Durchlässigkeit lag jedoch immer deutlich über der des natürlichen Bodens. Dies kann damit begründet werden, dass mit Tonmehl die Aggregatstrukturbildung nicht verhindert wird. Die Tragfähigkeit des Boden-Kalk-Gemisches wurde durch die Zugabe von Tonmehl nur unwesentlich beeinflusst. Insgesamt gesehen ist somit die Zugabe von Tonmehl zum Boden-Kalk-Gemisch zur Verbesserung mineralischer Dichtungsmaterialien nur bedingt geeignet.

Alternativ zur Verwendung von Kalk wäre eine Verbesserung der Tragfähigkeit mit Zement oder dem hier untersuchten DZ-Gemisch möglich. Wie die hier durchgeführten Untersuchungen sowie die mit Zement bereits vorliegenden Erfahrungen zeigen, erhöht sich durch diese Zugabestoffe die Durchlässigkeit nicht in dem Ausmaß wie durch die Zugabe von Kalk. Bei bindigen Böden mit hohem Wassergehalt kann es eventuell jedoch schwierig sein, den Zugabestoff homogen einzumischen.

Eine wesentliche Erkenntnis aus den Feldversuchen ist, dass die hierbei ermittelten Versuchsergebnisse sehr viel stärker streuen, als die Versuchsergebnisse der im Labor aufbereiteten Böden. Der Grund hierfür ist darin zu sehen, dass einerseits durch die Aufbereitung im Labor das Ausgangsmaterial sehr viel homogener als im Feld vorliegt. Weiterhin können im Labor die Randbedingungen der Versuche wie z.B. der Einbauwassergehalt und die Einbaudichte oder der Zugabestoffanteil präziser eingestellt und kontrolliert werden. Dem hingegen liegt der Boden in der Praxis, wie auch beim Versuchsfeld, meist nicht so homogen vor. Beispielsweise sind bei einer mehreren hundert Meter langen Straßenbaumaßnahme Inhomogenitäten beim Wassergehalt, der Korngrößenverteilung und der Plastizität in der Regel immer gegeben. Auch beim Einbau und der Verdichtung des Bodens sowie beim Einmischen der Zugabestoffe ergeben sich in situ deutlich größere Streuungen als unter den genau definierten Bedingungen im Labor. Aufgrund dessen wird empfohlen, im Rahmen von vorab durchzuführenden Eignungsprüfungen eine Durchlässigkeit k<1*10‑8m/s zu fordern, damit die Anforderung nach RiStWag von k<1*10‑7m/s sicher eingehalten ist. Diese Anforderung liegt noch unter derjenigen beim Deponiebau (k=5*10-9m/s bei Oberflächenabdichtungen bzw. 5*10-10m/s bei Basisabdichtungen). Dies ist gerechtfertigt, wenn man das geringere Gefährdungspotential, die geringere Einwirkdauer des wassergefährdenden Stoffes (z.B. bei einem Unfall beim Transport mit wassergefährdenden Stoffen) und die Möglichkeit einer gewissen Aufnahmekapazität an wasser­gefähr­den­den Stoffen in die Dichtung mit einem späteren Austausch der kontaminierten Bereiche berücksichtigt.

Zur Bodenverbesserung werden neben den bekannten Zugabestoffen Kalk und Zement derzeit noch verschiedene chemische Produkte angeboten. Im Rahmen von weiterführenden grundlegenden Untersuchungen wäre zu klären, ob auch diese chemischen Produkte zur Verbesserung mineralischer Dichtungen geeignet sind.