Alternativen in der Bodenstabilisierung, Bodenverbesserung, qualifizierte Bodenverbesserung und Bodenverfestigung
Bodenbehandlung und Bodenstabilisierungen mit sonstigen Bindemitteln
Der Ursprung der "Non-Traditional Stabilizer" lag in der Militärtechnologie in den frühen 60iger Jahren um schnell befahrbare Pisten und Ladebahnen herzustellen. In Rahmen einer kontinuierlichen zivilen Weiterentwicklung werden besonders in den USA, Canada, Russland, Süd-Afrika und Asien diese Produkte seit Jahren erfolgreich weiterentwickelt und eingesetzt.
Grundlagen ist eine chemische Stabilisierung des Bodens ohne Zement (nicht LAGA konform)
Calciumchlorid ist hygroskopisch und zerfließend und wird als wasserrückhaltender Zusatzstoff in mechanisch stabilisierten Böden und Fahrbahnoberflächen im Wegebau international verwendet. Der Dampfdruck wird gesenkt, die Oberflächenspannung steigt und die Verdunstungsrate sinkt. Der Gefrierpunkt von reinem Wasser wird herabgesetzt, was zur Verhinderung oder Verringerung von Frosthebungen führt. Durch das Niederdrücken der elektrischen Doppelschicht verringert das Salz die Wasseraufnahme und damit den Festigkeitsverlust feinkörniger Böden. Calciumchlorid wirkt als Bodenflockungsmittel und erleichtert die Verdichtung.Häufiges Aufbringen von Calciumchlorid kann notwendig sein, um den Verlust der Chemikalie durch Auslaugung auszugleichen. Damit das Salz wirksam ist, sollte die relative Feuchtigkeit der Atmosphäre über 30% liegen. Natriumchlorid ist die andere Chemikalie, die für diesen Zweck mit einer stabilisierenden Wirkung ähnlich der von Kalziumchlorid verwendet werden kann.
Natriumsilikat (Wasserglas) ist eine weitere Chemikalien, die zu diesem Zweck in Kombination mit anderen Chemikalien wie Kalziumchlorid, Polymeren, Lignine, Alkylchlorsilanen, Silikoniten, Aminen und quaternären Ammoniumsalzen, Natriumhexametaphosphat, Phosphorsäure in Kombinationen mit einem Netzmittel verwendet wird.
Bekanntheitsgrad der Bodenverfestigungsmittel in der EU
In der EU sind die sogenannten "Non-Traditional Stabilizer" weitgehendsten unbekannt. Wie der Name schon sagt, sind diese Mittel nicht genormt. In der EU müssen diese mit einer Eignungsprüfung, projektspezifisch von einen anerkannten Prüfinstitut im Einzelfall zugelassen werden. Leider lieferten unabhänige Tests, besonders bei der Enzymstabilisierung mit gemischtkörnigen Böden, nicht immer konstante zufriedenstellende Ergebnisse.
Unser eigentliches Problem in der EU sind feinkörnige und bindige Böden, die zudem eine Frostbeständigkeit durch Labortests aufweisen müssen. Eine Verbesserung der Verfestigung sind nicht nur durch erhöhte Druckfestigkeiten (bei F2 Böden) vorgegeben, sondern durch eine Erhöhung der Frostbeständigkeit und einem höheren gewünschten E-Modul. Generell werden Druckfestigkeiten durch Bindemittelzugaben in der Eignungsprüfung eingestellt.
Im Gegensatz wird in den USA der Nachweis der Frostbeständigkeit bereits durch einen Drucktest nach Wasserlagerung erreicht. Eine eigentliche Frostbeständigkeit durch Frost-Tauwechseln nach den Prüfverfahren der American Association of State Highway and Transportation Officials (AASHTO) findet nicht statt. Respektiv sollte bei Tragschichten die ASTM D-560-89 gelten, die leider nur selten angewendet wird. In Österreich bestimmt die Frostsicherheit die RVS 08.17.01, wie in Deutschland (mit Bindemittel stabilisierte Tragschichten), über eine Höhenänderung nach 12 Frost-Tauwechseln.
Additive Und Bodenzusatzstoffe: bauaufsichtliche ZulassungBewertung und auswirkungen auf Boden und Grundwasser
Schriftlich teite Frau Hemme, Leiterin des Referats Mauerwerksbau, Erd- und Grundbauund Mauerwerksabdichtungen beim Deutschen Institut für Bautechnik (DIBt) im Mai 2019 mit:
Die Baugrundverbesserung wird in statischer Hinsicht (Druckfestigkeit und Frostwiderstand) bauaufsichtlich generell nicht geregelt, da der verbesserte Baugrund nach wie vor als Boden betrachtet wird und daher keinen bauaufsichtlichen Produktanforderungen unterliegt.
Maßnahmen der Baugrundverbesserung werden vor Beginn von Baumaßnahmen durchgeführt, um die Tragfähigkeit des Baugrunds punktuell oder flächenhaft zu erhöhen. Die Baugrundverbesserung zielt auf eine Verbesserung der bodenmechanischen Eigenschaften ab, die anschließend durch den Bodengutachter zu verifizieren sind. Die bodenmechanischen Eigenschaften bilden die Grundlage für die weitere Planung und Ausführung der Baumaßnahme.
Eine Bewertung der Auswirkungen von Bodenverbesserungsmaßnahmen auf Boden und Grundwasser erfolgt derzeit noch nicht im Rahmen von Zulassungsverfahren. Entsprechende Prüf- und Bewertungsverfahren für die Erteilung einer bauaufsichtlichen Zulassung befinden sich zwar momentan in der Abstimmung und werden ggf. zukünftig in Anhang 10 (ABuG) der MVV TB (Verwaltungsvorschrift technische Baubestimmungen) aufgenommen. Erst wenn dies erfolgt ist, kann eine Bewertung der Auswirkungen der Bodenverbesserungsmittel auf Boden und Grundwasser im Rahmen von allgemeinen bauaufsichtlichen Zulassungen erfolgen.
Für unsere Produkte geben wir aber schon heute eine wasserwirtschaftliche Verträglichkeit Erklärung ab:
Der Nachweis der wasserwirtschaftlichen Verträglichkeit entfällt bei einer Bodenstabilisierung mit hydraulischen Bindemitteln und Baukalken, da keine Primär.- Sekundärbaustoffe nach ZTV-E StB 2017 verwendet werden. Die genormten Bindemittel nach DIN 197-1, DIN 197-4, DIN 1164-10 und DIN EN459-1 unterliegen einer ständigen internen Qualitätskontrolle des Herstellers.
Bei einer Bodenverbesserung, qualifizierte Bodenverbesserung und Bodenverfestigung mit hydraulischen Bindemitteln, Baukalken und Additiven, gelten die hygienischen Anforderungen an zementgebundene Werkstoffe im Trinkwasserbereich. Diese werden in Deutschland durch das Arbeitsblatt W347 der Deutschen Vereinigung des Gas- und Wasserfaches festgelegt. Entsprechend diesem Arbeitsblatt sind die Trinkwasser beeinflussenden Parameter zu bewerten.
Für zementgebundene Verfestigungen dienen als Bewertungsmaßstab die Gesamtgehalte der Spurenelemente Arsen, Blei, Cadmium, Chrom und Nickel. Werden die im Arbeitsblatt W347 aufgeführten Gehalte unterschritten, sind keine gesonderten Prüfungen notwendig.
Wir bestätigen hiermit, dass unser Additiv die im DVGW Arbeitsblatt W347 aufgeführten Grenzwerte mit Zementen nach DIN 197 nicht negativ beeinflusst und damit nach diesem Regelwerk für den Einsatz auch in Trinkwasserbereichen geeignet ist.
Wirtschaftlichkeit bei Bodenverfestigungen
Die Wirtschaftlichkeit ist das wichtigste Kreterium um ein neues Verfahren zu etablieren. Eine noch so gute Verfestigung ist nicht wirtschftlich, wenn der Preis für dieses Produkt die anerkannten Verfahren der Verfestigung mit Zement und Kalk überbietet. Zudem existieren Prüf.- und Bemessungskreterien für Bodenverfestigungen mit hydraulische Bindemittel, die auf einen Einsatz für "Non-Traditional Stabilizer" nicht anwendbar sind. Eine Änderung der ZTV ist ein langjähriger Prozess.
Unsere Aufgabe bestand darin, mit weniger hydraulischen Bindemitteln im Geltungsberech der gültigen Prüfvorschriften eine kostengünstige und unweltfreundliche Alternative zu entwickeln.
Genormte Zemente und Kalke werden in der gleichen Zusammensetzung wie für den Normalen Beton auch in der Bodenverfestigung von vielen Herstellern angeboten. Bei einer Bodenverfestigung werden aber nicht mineralische Zuschläge verwendet, sondern meist kohäsive, feinkörnige, tonige Bodenbestandteile, meist zudem mit organischen Bestandteilen.
zusammenhang der Wasseraufnahme und den Frosthebungen
Zusammenfassend läst sich sagen, dass ein Zusammenhang zwischen den unerwünschten Frosthebungen und der Wasseraufnahme direkt besteht. Ziel ist es die Wasseraufnahme bei bindigen und gemischtkörnigen Böden dauerhaft zu begrenzen und zu minimieren. Als "Nebenprodukt" werden so hydraulische Bindemittel eingespart.
Bodenverfestigung mit hydraulischen Bindemitteln und Additiven
Leider wird eine Anrechnung in der EU auf die Frostschutzschicht nur selten vorgenommen, obwohl die Vorschiften eine Anrechnung bis 20 cm auf die Frostschutzschicht erlauben. Eine Möglichkeit ist die Zugabe von erdalkalischen Elementen, Silikastaub, Flugaschen, Tensiden, Hüttensand, Puzzolanen und deren Konbinationen untereinander, die die Eigenschaften von Böden verbessern, um so sogar auf eine Frostschutzschicht zu verzichten zu können.
Hierbei wird eine erhöhte Druckfestigkeit, auch nach Feuchtlagerung nachgewiesen, um das Kriterium der in Straßenbau erforderlichen 50% tigen Druckfestigkeit bei F2 Böden der Frostschutzschicht zu erreichen. 12 Frost-Tauwechsel sind im Rahmen einer Eignungsprüfung bei F3 Böden labortechnisch Nachzuweisen. Eine Tragschicht mit hydraulischen Bindemitteln ist genau Anhand von Sieblinien definiert. Eine Nutzung mit Bestandsböden zur Tragschicht ist in den Regelwerken noch nicht vorgegeben.
Nachteilhaft hat sich eine unkontrollierte Rissbildung bei hydraulischen gebundenen Tragschichten (HGT) herausgestellt, die die Asphaltschichten beschädigten. Daher tendieren wir auf eine hydraulisch gebundene obere Tragschicht zu verzichten und die Bodenverfestigung im unteren Teil der Tragschicht (Frostschutzschicht) vorzunehmen. Aber auch hier gibt es Ausnahmen (Sonderbauweisen).
Grundlagen - Enzyme, Harze, Polymere und Tenside bei der Bodenstabilisierung:
Ionische Verbindungen haben die Eigenschaften bindige Böden verbessern. Hier können als Beispiele Enzyme, Tenside und bestimmte Metallsalze genannt werden.
Die negative Ladung der Tonplättchen wird neutralisiert um eine gerichtete Lage der Tonplättchen zu erzeugen.
Verbesserte Verdichtungseigenschaften, Wasserbeständigkeit und damit eine verbundene Erhöhung der Frostsicherheit und Druckbeständigkeit sind auch bei durchfeuchteten Böden zu beobachten.
Als Oberflächenversiegelung oder Fahrbahn eignet sich dieses Verfahren nicht, da durch dynamische Belastungen und Wasser die oberen Schichten durch den mangelhaften Verbund der Bodenpartikel aufgelöst werden. Eine eigentliche Verfestigung findet nicht statt.
Bei der Enzymstabilisierug, bei Böden mit hohen bindigen Bestandteilen, werden Einbringmengen laut Herstellerangaben von nur 35g bis 50 g pro Kubikmeter Bodenmasse benötigt. Dieses führte zu Diskussionen bei Prüfinstitutionen um die Wirkungsweise der erforderlichen Ionität, Dauerhaftigkeit und nachgewiesener Verfestigung durch die Van der Walls Kräfte. Die Basis einer Enzymverfestigung besteht im Wesentlichen aus einer vergorenen Mischung aus Melasse und weiteren organischen Zusätzen, dass jedoch bei einem Preisgefüge von ca. 80 Euro pro Liter als unangemessen erscheint.
In diese Gruppe reihen sich auch die Tenside, besonders Sulfonsäuren, kombiniert mit einen wasserabweisenden Wirkstoff der Alkylsulfate mit der allgemeinen Formel R-O-SO3X, auch mit mehrwertigen Metallsalzen optimiert.
Polymere
Ein Polymer ist eine chemische Verbindung, die aus verzweigten Molekülen oder Molekülketten besteht, die wiederum aus gleichartigen wiederholenden Einheiten bestehen. Der Einsatzbereich von Polymeren wird entscheidend durch Zusatzstoffe verbessert. Polymere ohne Zusatzstoffe sind in der Regel nicht einsetzbar und werden erst durch die zu verfestigende/vorhandene Bodenmatrix optimiert. Durch gezielte Auswahl von Zusatzstoffen wird die Möglichkeit gegeben, existierende Anwendungsbereiche zu erweitern, die Materialeigenschaften zu verbessern und eine leichtere Verdichtbarbeit zu erreichen.
Es gibt mehrere unterschiedliche Polymere für den Straßenbau. Auch Biopolymere, wie bestimmte Ligninsulfonate werden auch im Reitsport und im unbefestigten Wegebau als staubbindenes Mittel eingesetzt.
Die eigentliche Wirkung einer Bodenverbesserung ist immer der Ionenaustausch im Boden
Ziel ist es, bei bindigen und gemischkörnigen Böden, das Adsorptionwasser zu minimieren und durch eine Strukturveränderung der Silikatschichten die Oberflächen für die Wasserabsorption zu verringern. Beispiele sind hierfür die Kalke, Zemente und unterschiedliche ionische Substanzen.
Die erfolgreiche Anwendung erfordert die richtige Einschätzung der Wechselwirkungen mit den Bodenwichten und dem Bodenwasser. Bei feinkörnigen tonigen Böden, die hier von Interesse sind, spielt die kolloidale Natur der Fraktion mit großen spezifischen Oberflächen die wichtigste Rolle.
Bekanntlich weisen die meistens blättrig ausgebildeten Tonmineralien an der Oberfläche, vornehmlich infolge isomorphen Ersatzes, eine negative elektrische Ladung an den flachen Seiten auf.
Tone sind Verwitterungsprodukte und bestehen nach dem Herauslösen der Alkali- und Erdalkalianteile aus dem verbliebenen Aluminiumsilikat. Dieses kommt in verschiedenen Formen mit unterschiedlichen SiO2-Gehalten vor. Die wichtigsten Verbindungen sind: Kaolinit: Al2O3 ⋅ 2 SiO2 ⋅ 2 H2O und Montmorillonit: Al2O3 ⋅ 2 SiO2 ⋅ H2O + n H2O in unterschiedlichen Zusammensetzungen der Erdstoffe.
Das eingelagerte Zwischenschichtwasser ist an den festen Oberflächen recht stark gebunden. Die Bindung wird mit zunehmender Dicke des Wasserfilms geringer. Dies ist die Ursache für die sehr unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften von trockenem und feuchtem Ton.
Diese Ladung ist für die Bindung von geordneten Wassermolekülen, die starke Dipole sind, und von im Wasser vorhandenen Ionen, meistens positiv geladenen Kationen verantwortlich. Die Ionen hydratieren mit dem Wasser und stoßen sich voneinander ab. Sie sind im weiteren austauschbar. Die Dicke der am Tonteilchen gebundenen energiereichen Schicht hydratierter Ionen und Wasser ist im wesentlichen von der Art der Ionen und der Flüssigkeit oder der Bodenfeuchte abhängig. Wenn hydraulische Bindemittel oder ionische Additive hinzugegeben werden entsteht ein chaotischer Ionencocktail, zudem wird Wasser durch chemische Reaktionen und Wärme mit Feinweißkalken entzogen, aber Bindungen entstehen
Die zwischen den erwähnten Komponenten - Tonschichtkristalle, Ionen, Wassermoleküle - wirkenden chemisch elektrischen anziehenden und abstossenden Kräfte sind tatsächlich reichlich kompliziert. Die an den Tonteilchen gebundene Schicht verhindert jedenfalls im Gegensatz zu dem relativ inaktiven Tonen, Sand und Kies eine leichte Berührung, d.h. eine entsprechende stabile Gerüstbildung der festen Teilchen untereinander. Je dünner die Schicht ist, desto grösser ist aber die Wahrscheinlichkeit, dass mindestens eine (positiv geladene) Ecke eines Teilchens mit der negativ geladenen Fläche eines anderen Teilchens praktisch Kontakt nimmt. Die anziehenden Kräfte überwiegen in diesem Fall, die dabei auftretende nicht geordnete Struktur wird flockuliert genannt. Ist hingegen die Dicke der angelagerten Schicht gross, so stehen die Teilchen infolge vorwiegend abstossenden Kräften in einigem Abstand parallel zueinander. Sie bilden dann, mindestens in kleinen Bereichen, eine disperse Struktur. Die mechanischen Eigenschaften des Bodens werden massgeblich von ihrer Struktur beeinflusst.
Aggregatbildende Mittel
Solche Chemikalien bewirken eine flockulierte Struktur. Dies wird erreicht durch Reduktion der Dicke der an den Tonpartikeln angelagerten Schicht, d.h. durch eine Erhöhung der Anziehungskräfte zwischen den Teilchen, meistens durch den Austausch der im Boden vorhandenen einwertigen Kationen der Alkalimetalle mit den hinzugegebenen mehrwertigen Kationen der Erdalkali- oder Erdmetalle des chemischen Mittels. Die Schicht wird allgemein durch kleinere hydratisierte Kationen, mehrwertige Kationen (es braucht dann weniger um die Ladung der Tonpartikeln zu neutralisieren), eine Erhöhung der Konzentration im Elektrolyt und eine sauere Umgebung reduziert. Einzelne dieser Erscheinungen treten beispielsweise als Sofortreaktion durch eine Zugabe von Feinweißkalk ein. Bindemittel, die flockulierend durch die Dissoziierung von metallischen Kationen wirken, sind anorganische Salze.
Gewisse grosse organische Kationen und Kettenmakromoleküle und andere Flockungsmittel können ebenfalls als aggregatbildende Mittel verwendet werden. Das Trockenraumgewicht und der Plastizitätsindex nehmen bei einer solchen Bodenbehandlung meistens ab, der optimale Wassergehalt und die Durchlässigkeit werden grösser. Die Verarbeitbarkeit der nassen Böden wird verbessert.
Dispergierende Mittel
Entgegengesetzte Voraussetzungen zu den im vorangehenden Abschnitt besprochenen führen zu einer Verflüsssigung der Bodenteilchen. Wirkungsvoll ist vor allem die Zugabe von einwertigen Anionen, die von Nichtmetallen geliefert werden, insbesondere von Sulphaten und Phosphaten. Die abstossenden Kräfte werden durch die Absorption von Anionen oder den Kationenaustausch grösser. Die Verdichtung und der Frostwiderstand werden begünstigt, das Raumgewicht und der Plastizitätsindex wird grösser, der optimale Wassergehalt wird reduziert, die Durchlässigkeit ebenfalls. Dispergierend wirkt auch Lignin, das in der Sulphitablauge aus der Papierherstellung enthalten ist.
Wasserabweisende Mittel
Durch die Zugabe von wasserabstossenden Mitteln wird eine Hydrophobierung der ansonst wasseraffinen Tonteilchen, meistens durch absorptive Umhüllung derselben, erreicht. Die Wasseraufnahme des Bodens wird durch diese oberflächenaktiven Stoffe reduziert. In dieser Richtung einwirkend sind einige organische kationische Chemikalien, welche die anorganischen Kationen ersetzen. Hydrophobierende Zusätze können oft in Richtung der aggregatbildenden Mittel wirken. Wasserabweisende Mittel werden auch als Haftverbesserer mit andern, vornehmlich bituminösen Bindemitteln als Wachse, aber auch als Zusatz zu Zementen als Silikone verwendet.
Hydraulische Bindemittel, Feinweißkalke, Mischbindemittel oder....
Dies sind die eigentlichen erwünschten Stabilisierungsmittel. Chemikalien hingegen üben nur indirekt einen Einfluss auf die Festigkeit aus, der nicht unbedingt zu bleibenden stabilen Zuständen führt.
Etabliert sind hydraulische Bindemittel und Kalke, die fest in unseren Regelwerken fest verankert sind. Einen funktionierenden Standart, der in unseren Straßenbaunormen festgelegt wurde, zu ändern, bedarf es Jahrzehnte. Das Mittel der Wahl der Bindungen sind und bleiben somit hydraulische Bindemittel und Kalke, die aber mit Additiven verbessert werden können.
Mit zunehmendem Anteil an reinem Kalk als Bindemittel verringert sich die erzielbare Proctordichte, wobei der Maximalwert d bei einer Bindemittelzugabe von 65Kg/m3 und einer Reaktionszeit von einer Stunde auftrat. Die Zugabe von reinem Weißfeinkalk führt zu kaum einer Erhöhung der Druckfestigkeit, im Gegensatz zu einer Anwendung von Zement, wo bei schon bei einer kurzern Reaktionszeit eine Erhöhung der Druckfestigkeiten beobachtet wurde. Das heißt, das Weißfeinkalk nur für Böden mit hohen Wassergehalten verwendetwerden sollten. Zement macht frostsicher. - Nicht der Weißfeinkalk.
Weiterhin gibt es eine Anzahl von etablierten hydrophobierenden Spezialbindemittel, wie z.B. Multicrete von Heidelbergzement,Dorosol von Holcim und Varilith von der Firma Dyckerhoff, die im Vergleich zu "normalen Bindemitteln" eine verbesserte Einarbeitung in das Erdreich aufweisen, ohne sich direkt mit der Problematik der Frostbeständigkeit und Wasseraufnahme bei bindigen Böden zu befassen. Mischbinder sind leider unverhältnismäßig teuer. Eigntlich sind es nur Mischingen aus Kalk und Zement.
Bei einer chemischen Bodenbehandlung ist für unsere Verhältnisse in erster Linie eine dauernde bindende Wirkung in den fast immer nassen Böden anzustreben. Chemische Mittel, die keine Gewähr für Wasser- und Froststabilität und die Aufrechterhaltung der eventuell vorhandenen natürlichen Festigkeit geben, sollten auf keinen Fall eingesetzt werden. Es ist zudem bei vielen Chemikalien auf die vorhandene Gefahr der Auslaugung durch Wasser, auf ihre Gefährdung durch Bodenbakterien (bei manchen organischen Verbindungen), sowie auf ihre Giftigkeit zu achten. Viele Patente beinhalten Sulfonsäuren als Bodenverfestigunsmittel. Sicher wirkt diese Verfestigend, Bodenbakterien und Grundwasser mögen sie leider nicht.
Genormte Zemente
| CEM I | Portlandzement |
| CEM II/S | Portlandhüttenzement |
| CEM II/P | Portlandpuzzolanzement |
| CEM II/V | Portlandflugaschezement |
| CEM II/T | Portlandschieferzement |
| CEM II/LL | Portlandkalksteinzement |
| CEM II/M | Portlandkompositzement |
| CEM III | Hochofenzement |
| CEM IV | Puzzolanzement |
| CEM V | Kompositzement |
| Sonstige | sonstige bauaufsichtlich zugelassene Zemente, Boden- und Tragschichtbinder (Festigkeit >= 32,5 N/mm2) |
Das neue gesuchte Optimum
- Etabliertes standartisiertes Verfahren mit Einhaltung der Regelwerke und deren der Prüfkriterien
- Regelkonform nach RSTO, ZTV E-StB, ZTV Beton-StB und BF-StB nach Eignungsprüfung
- Frostsicherheit bei allen Böden
- Toninhibierung Wirkung durch Unterdrückung des Quellens
- Weniger Verdichtungsenergie, Erhöhung der Einbaustärke
- Aufbrechen des Absorbsionswassers
- Unterdrückung der Kapillarität bindiger Böden
- Hohe organischen Huminsäuren zulässig
- Zusätzliche Verfestigung durch Bildung wasserunlöslicher Verbindungen
- Mit und ohne Bindemittel eine Verbesserung der Einbaufähigkeit
- Wiederverwertung sonst nicht einbaufähigen Böden
- Umweltfreundliche spätere Einstufung nach LAGA
- Eine Bodenverfestigung mit weniger Zement (jeder weiß, Zement ist nicht der umweltfreundlichste Baustoff)
- Das Wichtigste zum Schluß: günstiger als eine vergleichbare Bodenverfestigung mit "nur Zement"
