Entwicklung und mechanische Charakterisierung von umweltschonenden, zeitweise fließfähigen Erdbaustoffen aus mineralischen Restmassen
Projektdurchführung
Technische Universität München (TUM)
Ingenieurfakultät Bau Geo Umwelt
Lehrstuhl und Prüfamt für Grundbau, Bodenmechanik,
Felsmechanik und Tunnelbau
Franz-Langinger-Str. 10
81245 München
Zielsetzung
Zeitweise fließfähige Erdbaustoffe (ZFE) bestehen aus einem mineralischen Basismaterial, Bindemittel (i. d. R. Zement), Tonmehl und Wasser. Als Basismaterial können natürliche sowie rezyklierte Gesteinskörnungen eingesetzt werden. Durch ausreichende Wasserzugabe sind ZFE im frischen Zustand fließfähig, sodass der Baustoff allein unter der Einwirkung der Schwerkraft fließen und Hohl- und Zwischenräume ohne externe Verdichtung ausfüllen kann. Mit der Zeit wird das Wasser durch das im Gemisch enthaltene Bindemittel und Tonmehl wieder gebunden und der Baustoff gewinnt an Festigkeit. Die Eigenschaften von ZFE im frischen und festen Zustand sind von der Art des Basismaterials und des Bindemittels sowie von den Mischungsverhältnissen abhängig und können projektspezifisch angepasst werden. Darüber hinaus bietet der einfache und schnelle Einbau von ZFE technische und wirtschaftliche Vorteile gegenüber traditionellen Einbaumethoden wie z. B. der herkömmlichen lagenweise Verdichtung von Gesteinskörnungen für die Bettung und Rückverfüllung von Gräben und Kanälen. Der Einsatz von ZFE ist aufgrund der lückenhaften Kenntnisse bezüglich der mechanischen Eigenschaften von ZFE und ihre zeitliche Entwicklung jedoch immer noch begrenzt.
Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens wurden die Frisch- und Endprodukteigenschaften von ZFE aus unterschiedlichen Basismaterialien, Bindemitteln und Tonmehlen systematisch untersucht. Als Basismaterialien wurden mit dem Ziel der Ressourcenschonung und einer nachhaltigen Materialverwendung natürliche und rezyklierte Baurestmassen ausgewählt, die aufgrund ihrer ungünstigsten erdbautechnischen Eigenschaften ansonsten deponiert bzw. verfüllt werden würden, wie beispielsweise Bodenaushub, der in erheblichen Mengen bei Baumaßnahmen anfällt. Bei der Wahl des Bindemittels wurde auf den CO2-Fußabdruck geachtet, weshalb nur Bindemittel mit geringem Klinkeranteil verwendet wurden. Für die gewählten Basismaterialien sollten Rezepturen für ZFE entwickelt werden, die die Anforderungen der geltenden Regelwerke erfüllen. Darüber hinaus sollten die mechanischen Eigenschaften der entwickelten ZFE in Abhängigkeit vom Probealter untersucht und beschrieben werden, um eine allgemeine Grundlage zur Charakterisierung von ZFE in Abhängigkeit von den verwendeten Ausgangsstoffen zu entwickeln. Die Projektergebnisse sollen Transparenz und Vertrauen in ZFE schaffen und damit zur systematischen und anforderungsgerechten Verwertung von Baurestmassen beitragen.
Arbeitsschritte
Als Erstes wurden gemeinsam mit den Projektpartnern die für die Herstellung von ZFE potentiell relevanten Stoffströme identifiziert. Als Basismaterialien wurden Bodenaushub, Waschschlämme aus der Kieswäsche sowie die Feinfraktion einer rezyklierten Gesteinskörnung verwendet. Alle drei Materialien finden bisher keine hochwertige Verwertung im Erdbau und könnten in Form von ZFE grundsätzlich nachhaltig weiterverwendet werden. Nach Abstimmung mit den Projektpartnern wurden klinkerarme Bindemittel und geeignete Tonmehle ausgewählt. Anschließend wurden mit den ausgewählten Basismaterialien, Bindemitteln und Tonmehlen mehreren Rezepturen entwickelt. An diesen ZFE wurden zunächst die Frischprodukteigenschaften (Fließfähigkeit und Sedimentationsstabilität) überprüft und falls die ZFE die zugehörigen Anforderungen erfüllten, wurde ihre Festigkeit nach 7 Tagen geprüft. Weiterführende Reihenuntersuchungen wurden an den Mischungen durchgeführt, die die Anforderungen an die Festigkeitsentwicklung erfüllten. An den so entwickelten Rezepturen wurden zunächst einaxiale Druckversuche und Spaltzugversuche durchgeführt. Dabei wurden der Einfluss des Probenalters, der Mischungsverhältnisse und der Art des Bindemittels auf die Festigkeit von ZFE und deren zeitlichen Entwicklung untersucht. Parallel dazu wurden an denselben ZFE Durchlässigkeitsversuche nach unterschiedlichen Probenaltern durchgeführt. Um den Einfluss der Mischungsverhältnisse auf die Scherfestigkeit und deren zeitliche Entwicklung zu ermitteln, wurden an verschiedenen Rezepturen mit dem Bodenaushub Triaxialversuche durchgeführt. Im Detail erfolgten die Versuche an unterschiedlich alten Probekörpern unter undränierten und dränierten Bedingungen, um das zeitabhängige Verhalten zu erfassen. An den ZFE bei denen ein Verdacht auf Kriechbruch bestand, wurde zunächst eine mögliche Ratenabhängigkeit der einaxialen Druckfestigkeit untersucht und anschließend wurden einaxiale Kriechversuche durchgeführt. Anhand der Ergebnisse der Laborversuche wurde ein Modell für die Rezepturentwicklung und die Prognose der Festigkeit von ZFE aus unterschiedlichen Basismaterialien entwickelt. Schließlich wurden zwei ZFE in zwei Probefeldern in enger Zusammenarbeit mit den Projektpartnern eingebaut, um die Festigkeitsentwicklung von ZFE in situ sowie eine mögliche Verwitterung der eingebauten ZFE zu beobachten. An den Probefeldern wurden regelmäßig Feldversuche und Messungen durchgeführt.
Ergebnisse
Die Ergebnisse der Laborversuche zeigen, dass Baurestmassen für die Herstellung von ZFE geeignet sind. Um die Anforderungen an die Frisch- (Fließfähigkeit und Sedimentationsstabilität) sowie Endprodukteigenschaften (Festigkeit bzw. Wiederaushubfähigkeit) zu erfüllen, müssen jedoch der Bindemittel-, Tonmehl- sowie Wassergehalt bei jedem Basismaterial angepasst werden. Die Reihenuntersuchungen belegen, dass die einaxiale Druckfestigkeit sowie die Zugfestigkeit vom w/z-Wert bestimmt sind. Außerdem nehmen die einaxiale Druckfestigkeit, die Zugfestigkeit und der Elastizitätsmodul mit dem Probenalter zu, wobei die zeitliche Entwicklung der Festigkeit nur von der Bindemittelart abhängig ist. Es wurde beobachtet, dass alle entwickelten ZFE schwach bis sehr schwach durchlässig sind und die Wasserdurchlässigkeit mit der Zeit abnimmt. Weiter ist die Wasserdurchlässigkeit von der Bindemittelart abhängig und diese nimmt mit zunehmendem w/z zu. Bei der Durchführung einaxialer Druckversuche mit verschiedenen Verformungsraten an diversen ZFE wurde keine Ratenabhängigkeit festgestellt. Ebenso wurde bei den einaxialen Kriechversuchen an denselben ZFE kein Kriechbruch beobachtet. Die Ergebnisse der Triaxialversuche an ZFE aus dem Bodenaushub zeigen, dass das Scherverhalten von ZFE unter dränierten und undränierten Bedingungen unterschiedlich ist. Im Allgemeinen wurde eine Zunahme der Scherfestigkeit über die Zeit festgestellt, wobei das Scherverhalten vom w/z und Probenalter abhängt. Eine Ableitung der Scherparameter (Reibungswinkel und Kohäsion) war nur aus den Ergebnissen der dränierten Triaxialversuche möglich.
Da der w/z-Wert einen maßgeblichen Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften von ZFE hat, wurde anhand dieses Verhältnis ein Modell für die Rezepturentwicklung und Prognose der Festigkeit von ZFE aus natürlichen und rezyklierten Basismaterialien entwickelt. Dies ermöglicht es, den Zeitaufwand bei der Entwicklung eines ZFE mit einem neuen Basismaterial im Rahmen von Eignungsprüfungen deutlich zu reduzieren und die langfristige Festigkeit vorherzusagen. Außerdem können aus der einaxialen Druckfestigkeit der Elastizitätsmodul und die Zugfestigkeit abgeleitet werden. Die Ergebnisse der Feldversuche belegen, dass die zeitliche Entwicklung der Tragfähigkeit von den klimatischen Bedingungen stark beeinflusst wird. Außerdem konnte gezeigt werden, dass die zuverlässige Bestimmung der Dichte und des Wassergehaltes von ZFE im Feld mit radiometrischen Verfahren möglich ist.
Öffentlichkeitsarbeit
Die Ergebnisse dieses Forschungsvorhabens und die daraus gewonnenen Erkenntnisse werden zunächst in dem DBU-Schlussbericht zusammengefasst. Hierbei liegt der Fokus auf der Auswahl der Basismaterialien aus Baurestmassen und der Überprüfung deren Eignung für die Herstellung anforderungsgerechter ZFE. Zusätzlich werden die Ergebnisse einzelner Arbeitspakete bzw. Versuchsreihen auf Fachtagungen vorgestellt und in Fachzeitschriften veröffentlicht. Diese werden aufgrund ihrer Relevanz in der Geotechnik sorgfältig ausgewählt. Eine detaillierte Beschreibung der durchgeführten Versuche an ZFE und deren Ergebnisse wird in eine Dissertation an der TU München erfolgen. Dabei wird der Fokus auf den mechanischen Eigenschaften von ZFE aus unterschiedlichen Basismaterialien und Bindemittel sowie ihrer zeitlichen Entwicklung liegen. Außerdem werden die Ergebnisse dank der Mitwirkung der Mitarbeiter des Zentrum Geotechnik in verschiedenen Arbeitsausschüssen und Arbeitskreisen den Fachgremien der FGSV, die für die Erstellung des erdbautechnischen Regelwerks zuständig sind, vorgestellt. Dies ermöglicht es, Vertrauen in die Anwendung von ZFE zu gewinnen und damit den ressourcenschonenden Einsatz von Baustoffen in Form von ZFE zu fördern.
Fazit
Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens wurde nachgewiesen, dass ZFE auch aus Baurestmassen und klinkerarmen Bindemitteln hergestellt werden können. Die Rezeptur muss jedoch auf die eingesetzten Basismaterialien und an die projektspezifischen Anforderungen bezüglich der Frisch- und Endprodukteigenschaften angepasst werden. Dank dem umfangreichen Laborprogramm wurde der Einfluss der Zusammensetzung von ZFE auf die mechanischen Eigenschaften sowie ihre zeitliche Entwicklung analysiert und wurde festgestellt, dass die Ableitung verschiedener Parameter aus den Ergebnissen einfacher Laboruntersuchungen erfolgen kann. Auf Grundlage dieser Erkenntnisse konnte ein einfaches Modell für die Praxis entwickelt werden, das die Rezepturentwicklung und die Prognose der Festigkeitsentwicklung ermöglicht und damit einen anforderungsgerechten Einsatz von ZFE leichter macht. Schließlich wurden wertvolle Erkenntnisse zum Einbau und zum Verhalten von zwei ZFE aus einem natürlichen und einem rezyklierten Basismaterial unter realen klimatischen Bedingungen im Rahmen eines Probefeldes gewonnen.