Baugrunduntersuchungen Geotechnische und umwelttechnische Laboranalysen

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1 Baugrunduntersuchungen Geotechnische und umwelttechnische Laboranalysen Firmenzentrale Plauen Stand: 04/2015

2 Inhalt Seite 1 Felduntersuchungen Kernbohrungen und Kleinrammbohrungen Bestimmung der Bodendichte Lastplattendruckversuch Rammsondierung Untersuchung zur Versickerungsfähigkeit 9 2 Geotechnische Laboranalysen Wassergehalt Glühverlust Korndichte Kalkgehalt Wasseraufnahmefähigkeit Konsistenzgrößen Korngrößenverteilung Kornform Bestimmung der Feldkapazität Bestimmung und Beurteilung von Bodenproben Bestimmung der Dichte nichtbindiger Böden Proctordichte Wasserdurchlässigkeitsbeiwert Scherfestigkeit mit Kleinrahmenschergeräten Scherfestigkeit mit Großrahmenschergerät Flügelscherfestigkeit Bestimmung der einaxialen Druckfestigkeit Seifenmodul und Setzungsverhalten 19 2

3 3 Umwelttechnische Laboranalysen Schneidmühle Vor Ort Analyse von Kohlenwasserstoffen Photoionisations-Messgerät Chemisch-physikalische Prüfungen und Probenvorbereitung Ausgewählte Analysenverfahren von Boden und Wasser Atmungsaktivität Metalle Anionen und Kationen Summenparameter Gas- und Flüssigkeitschromatographie Fließanalytik (FIA und FA) 30 3

4 Baugrunduntersuchung Geotechnische und umwelttechnische Laboranalysen 1 Felduntersuchungen Die Ausführung der Gründung eines Bauwerkes sowie die Gestaltung und Auslegung seiner statischen Konstruktion können zu über 50%, d.h. in entscheidendem Maße, die Baukosten beeinflussen. Durch Optimierung der in diesen Bereichen auszuführenden Arbeiten lässt sich der finanzielle Aufwand beträchtlich verringern und die Standsicherheit des Bauwerkes maßgeblich erhöhen. Vorraussetzung dafür sind möglichst gute Kenntnisse über die Baugrundverhältnisse. In der ersten Phase wird deshalb die Baugrunderkundung anhand von Aufschlüssen und geotechnischen sowie hydrologischen Feldprüfungen (u.a. auch Versickerungsversuche) durchgeführt. 1.1 Kernbohrungen und Kleinrammbohrungen In diesem Fall müssen Kernbohrungen ausgeführt werden (Abb. 1 und 2). Dieses Verfahren erlaubt neben großen Erkundungstiefen durch die mögliche Verrohrung des Bohrlochs auch das Durchbohren von stark wasserführenden Schichten. Durch die höhere Vortriebskraft als bei den Kleinrammbohrungen und dem drehenden Bohrverfahren können die Durchteufung steiniger Bereiche und die Probenahme aus dem Festgestein erfolgen. Weiterhin zeigt das drehende Kernbohren deutlicher die reale Bodenschichtung als das rammende Bohren mit der Kleinrammbohrung und es können aufgrund der größeren Bohrwerkzeuge erheblich größere Probenmengen entnommen werden. Abb. 1: Rammkernsonden nach der Sondierung, gefüllt mit unterschiedlichen Bodenarten aus unterschiedlichen Bodentiefen Unter Berücksichtigung der lt. DIN 4020 notwendigen Erkundungstiefe, ab Fundamentunterkante, sind bei unterkellerten bzw. tiefer gegründeten Bauwerken Bohrtiefen von 5 bis 10 m u. GOK erforderlich. 4

5 Abb. 2: Kernbohrgerät KB13 Die Kleinrammbohrung hat dagegen bei kleineren, flachgründenden Bauwerken oder bei Linienbauwerken wie Leitungstrassen und Straßen deutliche Vorteile. Bei Untersuchungen, die nur Bohrtiefen bis zu 5 m erfordern, bringt der geringere Maschineneinsatz und der Zeitfaktor aufgrund der kleineren, handlichen Geräte einen deutlichen preislichen Vorteil der Kleinrammbohrung (Abb. 3), ohne dass ein Informationsverlust entsteht. Bei Bedarf schließen sich an die Aufschlussarbeiten bodenmechanische Untersuchungen im firmeneigenen Grundbaulabor an. Für besondere Anwendungsfälle müssen auf Basis der Ergebnisse von Baugrunderkundung und Laboruntersuchung erdstatische Berechnungen durchgeführt und Sicherheitsnachweise erstellt werden. Alle Erkundungs-, Labor- und Berechnungsergebnisse werden in einem Baugrundgutachten zusammenfassend dargestellt und ausgewertet, sowie für den Auftraggeber übersichtlich dargestellt. 1.2 Bestimmung der Bodendichte Die Bestimmung der Bodendichte dient der Beurteilung bautechnischer Eigenschaften von Böden und ist eine Hilfsgröße bei der Auswertung von anderen Labor- und Feldversuchen. Die aus der Dichte errechnete Wichte (Gewichtskraft bezogen auf Volumen) des Bodens wird als Grundwert für erdstatische Berechnungen benötigt. Man unterscheidet die Dichte des feuchten Bodens und die Trockendichte. Abb. 3: Baugrunderkundung durch Kleinrammbohrungen Bestimmung der Dichte im Feldversuch (DIN /T2) Ausstechzylinder Ballonverfahren (Densitometer) Bestimmung der Dichte im Labor Tauchwägung (DIN /T1) 5

6 Die Bestimmung der Dichte im Feldversuch beruht auf der Entnahme von Bodenproben und der Bestimmung von Masse und Volumen. Das Verfahren mit den Ausstechzylindern (Abb. 4) eignet sich besonders für bindige, feinkörnige Böden und Sande. zur Materialeignungsprüfung und zur Bestimmung der Dichte von natürlich lagernden Böden angewandt. Abb. 5: Ballonver- Abb. 6: Tauchwägung fahren (Densitometer) nach DIN /T2 nach DIN 18125/T2 F Lastplattendruckversuch Abb. 4: Auspressgerät mit Ausstechzylinder und Bodenprobe nach DIN /T2 Das Ballonverfahren (Abb. 5) eignet sich für nichtbindige und für bindige Böden. Die Anwendung empfiehlt sich vor allem bei feinkörnigen Böden mit eingelagerten Kiesen und Steinen sowie für grobkörnige Böden ohne scharfkantige Steine. Das Verfahren der Tauchwägung (Abb. 6) ist ein Laborversuch und eignet sich für Proben mit festem Zusammenhalt. Es wird Die DIN wird im Zusammenhang mit der Nachprüfung der Verdichtung von Böden sowie zur Ermittlung der Grundlagen zur Bemessung von Straßen- und Flugplatzbefestigungen sowie von Fundamentauflagen angewandt. Zweck des Plattendruckversuches ist es, Drucksetzungslinien zu ermitteln und anhand dieser die Verformbarkeit und die Tragfähigkeit des Bodens zu beurteilen. Aus den Drucksetzungslinien können Verformungsmodul und Bettungsmodul ermittelt werden. Der statische Plattendruckversuch (DIN 18134) ist ein Prüfverfahren, bei dem der Boden durch eine kreisförmige Lastplatte mit Hilfe einer Druckvorrichtung wieder- 6

7 holt stufenweise be- und entlastet wird (Abb. 7). Die so erreichte Messtiefe beträgt 60 cm. Die mittlere Normalspannung unter der Platte und die zugehörigen Setzungen der einzelnen Laststufen werden in einem Diagramm als Drucksetzungslinie dargestellt (Abb. 8). Abb. 7: Statischer Plattendruckversuch nach DIN Abb. 8: Drucksetzungslinie des Statischen Plattendruckversuches Alternativ zum statischen Plattendruckversuch wird der dynamische Plattendruckversuch (Abb. 9) angewandt, um die oberflächennahe Verdichtung preiswert zu prüfen. Der dynamische Plattendruckversuch gemäß TP-BF 8.3 (Technische Prüfvorschrift für Boden und Fels im Straßenbau) dient der Nachprüfung der Tragfähigkeit und Verdichtung von Böden. Die Messtiefe beträgt hier ca. 30 cm. Abb. 9: Dynamischer Plattendruckversuch gemäß TP-BF 8.3 7

8 1.4 Rammsondierung Die Rammsondierung ist das Rammen einer Sonde in den Untergrund durch einen Rammbären bei gleich bleibender Fallhöhe, wobei die Schlagzahl für eine definierte Eindringtiefe registriert wird. Das Ziel der Rammsondierung ist die Bestimmung der schichtenweisen Lagerungsdichten und der Verdichtung des Bodens im Untergrund. Unterteilungen der Rammsondierung: a) mit der leichten Rammsonde b) mit der mittelschweren Rammsonde c) mit der schweren Rammsonde (Abb. 10) Die DIN 4094 gilt für indirekte Aufschlüsse des Bodens (Lockergestein) durch Sondierung im Rahmen der geotechnischen Untersuchungen. Zusätzlich zu den indirekten Aufschlüssen sind grundsätzlich direkte Aufschlüsse, wie z.b.: Rammkernbohrungen, erforderlich. Abb. 10: Schwere Rammsondierung nach DIN

9 1.5 Untersuchung zur Versickerungsfähigkeit Infolge der großflächigen Versiegelung von Flächen durch Wohnbebauung und Parkplätzen einerseits und steigende Abwasserpreisen andererseits, wird immer häufiger auf eine kostengünstigere und ökologisch sinnvollere Variante der Versickerung von Niederschlagswasser zurückgegriffen. Zu diesem Zweck bietet die M&S Umweltprojekt GmbH den Bauherren, Architekten und Planungsbüros, für die Beurteilung der Versickerungsfähigkeit des Untergrundes, folgende Leistungen an: Abb. 11: Kleinrahmbohrung zur Ermittlung des Schichtaufbaus Vorsondierung zur Untersuchung des Baugrundes und das Feststellen versickerungsfähiger Bereiche (Abb. 11) Anlegen der Sickergrube (Abb. 12) Durchführung und Auswertung des Sickerversuches entsprechend dem Stand der Technik (Abb. 12) Abb. 12: Schurf für Versickerungsversuch 9

10 2 Geotechnische Laboranalysen Die M&S Umweltprojekt GmbH verfügt über ein eigenes akkreditiertes Grundbaulabor. Mit der gerätetechnischen Ausrüstung können alle auf dem Gebiet des Erd- und Grundbaus erforderlichen Feld- und Laboruntersuchungen zuverlässig und in hoher Qualität ausgeführt werden. Die dabei erzielten Ergebnisse und Erkenntnisse dienen der Beschreibung der Eigenschaften des Baugrundes und stellen eine Grundlage für die Planung und Ausführung von Bauwerken, beispielsweise im Straßen-, Deponie- und Wasserbau dar. 2.1 Wassergehalt 2.2 Glühverlust Der Glühverlust eines Bodens ist der auf die Trockenmasse bezogene Massenverlust, den der Boden beim Glühen erleidet. Durch den festgelegten Versuch nach DIN wird ein Maß für die Abschätzung der organischen Bestandteile eines Bodens gewonnen. Der Glühverlust (bei 550 C) wird für die bodenmechanische Beurteilung und Klassifizierung von Böden für bautechnische Zwecke benötigt und für Schlussfolgerungen auf ihre Festigkeit und Verformbarkeit herangezogen. 2.3 Korndichte Die Wassergehaltsbestimmung dient der Beurteilung einer wichtigen bautechnischen Eigenschaft des Bodens. Das Versuchsergebnis wird u.a. als Hilfsgröße bei der Auswertung anderer Labor- und Feldversuche benötigt. Als Methodik wird die Ofentrocknung nach DIN verwendet (Abb. 13). Nach der DIN ist die Korndichte die Rohdichte der festen Einzelbestandteile (Körner) des Bodens. Die Korndichte dient als Hilfsgröße z.b. zur Bestimmung von Porenanteil, Wassergehalt und Schrumpfgrenze bei verschiedenen bodenmechanischen Laborversuchen. Das angewandte Verfahren zur Bestimmung der Korndichte mit dem Kapillarpyknometer (Abb. 14) eignet sich als Hilfswert zur Bestimmung des Porenanteils (Verhältnis Porenvolumen zu Gesamtvolumen) und der Porenzahl (Verhältnis Porenvolumen zu Festvolumen) der meisten Böden. Abb. 13: Ofentrockung 10

11 Mittels diesem Versuch kann eine Beurteilung von bodenphysikalischen Eigenschaften fein- und gemischtkörniger Böden und von Drainageschichten, insbesondere im Hinblick auf diagenetische Stabilisierungsvorgänge und Aggregatbildungen, getroffen werden. Einige Bodenarten können erst durch die Festlegung des Kalkgehaltes klassifiziert werden. Abb. 14. Kapillarpyknometer 2.4 Kalkgehalt Die qualitative Bestimmung des Kalkgehalts erfolgt im Labor nach der DIN Dazu wird bei dem Scheiblerversuch der Gehalt an Kalzium- bzw. Magnesiumkarbonat gasvolumetrisch bestimmt (Abb. 15). 2.5 Wasseraufnahmefähigkeit Die Wasseraufnahmefähigkeit kennzeichnet das Verhältnis der von der getrockneten Bodenprobe im Versuchsgerät aufgesaugten Wassermenge zur Trockenmasse der Bodenprobe. Durch das Wasseraufnahmevermögen wird die Eigenschaft gemischt körniger und bindiger Böden beschrieben, Wasser kapillar anzusaugen und zu halten (Abb. 16). Das Wasseraufnahmevermögen ist abhängig von der Gefügestruktur des Bodens und der Art der Tonminerale. Abb. 15: CO 2-Gasometer nach Scheibler 11 Abb. 16: Wasseraufnahmegerät nach Enslin/Neff

12 Die Bestimmung des Wasseraufnahmevermögens nach DIN liefert einen Indexwert zur Beurteilung von Böden, welche für bautechnische Zwecke verwendet werden. Die Ermittlung der Wasseraufnahmefähigkeit dient auch der Beurteilung mineralischer Baustoffe wie z.b. von Bentoniten für Abdichtungszwecke. 2.6 Konsistenzgrenzen nach DIN Die Bestimmung der Zustandsgrenzen über den Ausroll- und Fließgrenzenversuch (Abb. 17) geben Aufschluss über bautechnische und bodenphysikalische Eigenschaften bindiger Böden. Die Zustandgrenzen sind ein Maß für die Bildsamkeit (Plastizität) des Bodens und für seine Empfindlichkeit gegenüber Änderungen des Wassergehalts. In Verbindung mit dem jeweiligen Wassergehalt geben diese einen Anhalt über die Zustandsform (Konsistenz) bindiger Böden und damit über deren Festigkeit. Die Übergänge von einer in die andere Zustandsform werden Zustandsgrenzen genannt. Nach der DIN sind folgende Zustandsgrenzen definiert: Die Ausrollgrenze ist der Wassergehalt am Übergang von der plastischen zur halbfesten Zustandsform. Die Fließgrenze ist der Wassergehalt am Übergang von der flüssigen zur plastischen Zustandsform. Die Plastizitätszahl ist die Differenz zwischen Fließgrenze und Ausrollgrenze. Die Konsistenz hängt vom Wassergehalt des Bodens ab. Die Plastizität ist in Verbindung mit dem Feinstkorn ein Anhalt für die Aktivität der Tonminerale. Durch das Auftragen der Plastizitätszahl über die Fließgrenze lassen sich bindige Böden klassifizieren (Abb. 18). Abb. 17: Ausroll- und Fließgrenzengerät Abb. 18: Zustandsgrenzen 12

13 2.7 Korngrößenverteilung Die Korngrößenverteilung eines Bodens gibt die Massenanteile der vorhandenen Kornfraktionen bezogen auf die Gesamtmasse an. Die Bestimmung der Kornverteilung nach DIN liefert wichtige Informationen zur Kennzeichnung und Klassifizierung von Sedimenten und Böden. Die Verteilung bietet eine wichtige Grundlage für Beurteilungs- und Anwendungskriterien von Böden. Außerdem lassen sich Rückschlüsse auf bestimmte bodenmechanische Eigenschaften ziehen. Die Korngrößenverteilung der Kornanteile < 0,125 mm erfolgt durch Sedimentation oder mit Hilfe moderner Laserpartikelmessgeräte (Abb. 20 und 21). Für die Bestimmung müssen die Korngrößen über 0,063 mm durch Trocken- oder Nasssiebung abgetrennt werden (Abb. 19). Abb. 20: Sedimentation, Aräometer Abb. 19: Vibrationssiebung zur Abtrennung der Korngrößen > 0,063 mm Abb. 21: Laserpartikelmessgerät MSX2000, Mastersizer mit Nassdispergiereinheit, Messbereich 0,2-200 µm, 13

14 2.8 Kornform Das Verfahren nach der DIN dient der Bestimmung der Kornform bei Gesteinskörnungen wie Schotter, Splitt und Kies mit einer Korngröße über 4 mm. Das Verfahren ist auch bei Körnungen aus anderen Stoffen anwendbar. Bei Gesteinskörnungen wird die Kornform durch das mit dem Konform-Messschieber bestimmtes Verhältnis von Länge zu Dicke des Kornes gekennzeichnet (Abb. 22). Es erfolgt somit eine Einteilung in Kornformklassen. Ab. 22: Kornform-Messschieber 2.9 Bestimmung der Feldkapazität Die Feldkapazität ist nach der DIN die Saugspannung des Bodens, d.h. wie viel Wasser ein Boden gegen die Schwerkraft zurückhalten kann. Gemessen wird die Wassermenge, die im Boden bei einer entsprechenden Saugspannung noch zurück gehalten wird. Durch die Ermittlung der nutzbaren Feldkapazität (pflanzenverfügbares Wasser) und der Luftkapazität können Rückschlüsse auf die Porengrößenverteilung gezogen werden. Die Feldkapazität berechnet sich aus der nutzbaren Feldkapazität und dem permanenten Welkepunkt eines Bodens und ist abhängig von der vorliegenden Bodenart Bestimmung und Beurteilung von Bodenproben Die Bodenklassifikation gilt in der Geotechnik für den Erd- und Grundbau. Die DIN gilt nicht für Fels und für Böden mit Steinen und Blöcken über 40 % Massenanteil. Die Benennung und Beschreibung von Bodenarten ist in der DIN 4022 Teil 1 festgeschrieben. In der DIN ist die Einteilung der Bodenarten und Fels nach derer Gewinnbarkeit (Lösen, Laden, Fördern) enthalten. Mit dieser Norm werden die Bodenarten in Gruppen mit annähernd gleichem stofflichem Aufbau und ähnlichen bodenphysikalischen Eigenschaften im Hinblick auf ihre bautechnische Eignung zusammengefasst Bestimmung der Dichte nichtbindiger Böden Die DIN gilt für nichtbindige Böden, deren Korngrößenverteilung sich während der Versuchsdurchführung, z.b. durch Kornzertrümmerung, Entmischung, Feinkornverluste, nicht wesentlich verändern. Durch die Versuche werden Dichten bestimmt, die der möglichen Dichte bei der lockersten und dichtesten Lagerung nicht- 14

15 bindiger Böden nahe kommen. Diese Dichten werden zur Beurteilung der Verdichtungsfähigkeit und als Bezugsgröße der Dichten anstehender oder künstlich verdichteter Böden herangezogen. Für die Bestimmung der dichtesten Lagerung wird der Schlaggabelversuch durchgeführt. Dabei wird die Probe durch Schlagen mit einer Schlaggabel an die Außenwand eines Versuchszylinders verdichtet. Im Proctorversuch wird die durch Verdichtung unter definierten Bedingungen erreichte Trockendichte in Abhängigkeit vom Wassergehalt ermittelt und als Proctorkurve graphisch dargestellt (Abb. 23). Das Aufstellen der Proctorkurve hat den Zweck, die größte Trockendichte (Proctordichte) und den optimalen Wassergehalt als optimale Einbaubedingungen des Bodenmaterials zu bestimmen. Die Proctordichte dient auch dazu, den im Baugrund vorhandenen Lagerungszustand festzustellen bzw. den durch Verdichtung erreichten Verdichtungsgrad zu kontrollieren. Zudem ist es möglich, zu beurteilen, innerhalb welcher Grenzen der natürliche Wassergehalt liegen darf, um eine bestimmte Trockendichte zu erreichen oder welche Trockendichte bei einem bestimmten natürlichen Wassergehalt überhaupt erreichbar ist Proctordichte nach DIN Abb. 23: Proctorkurve Abb. 24: APG2000 Automatisches Proctorgerät 15

16 2.13 Wasserdurchlässigkeitsbeiwert Die Ergebnisse der Wasserdurchlässigkeitsuntersuchungen nach DIN (Abb. 25) sind Grundlage z.b. für die Berechnung von Grundwasserströmungen und zur Beurteilung der Durchlässigkeit von künstlich hergestellten Dichtungs- oder Filterschichten. Für bautechnische Zwecke werden Böden in Durchlässigkeitsbereiche von sehr schwach bis sehr stark durchlässig eingeteilt. einem definierten hydraulischen Gefälle durchströmt. Dieser Wert ist u.a. abhängig von der Bodenart, der Temperatur, der Kornzusammensetzung und der Größe der Einzelporen sowie dem Porenanteil bzw. der Lagerungsdichte. Abb. 26: Triaxialzelle mit Back- Pressure Regel-Einrichtung nach ASTM D Abb. 25: Triaxialzelle nach DIN Der Durchlässigkeitsbeiwert (kf-wert) ist ein Maß für die Durchlässigkeit eines mineralischen Lockergesteins. Der kf-wert beschreibt die Durchflussmenge, die durch eine Probe in einer bestimmten Zeit, mit 2.14 Scherfestigkeit mit Kleinrahmenschergeräten DIN Die Kenntnis der Scherfestigkeit ist für alle erdstatischen Berechnungen, insbesondere für Standsicherungsnachweise von Böschungen, Geländesprüngen und Dämmen, von ausschlaggebender Bedeutung. 16

17 Wird ein Boden einer statischen Belastung ausgesetzt, so unterliegt dieser durch Verschiebung vieler aneinander liegender Körner einer Scherbeanspruchung, die zum Abgleiten von Bodenschichten und schließlich zu örtlichem Grundbruch führen kann. Diese Scherbeanspruchung erfolgt sowohl unter Fundamenten als auch an Geländesprüngen und Böschungen. Scherparameter können an ungestörten und gestörten (z.b. Proctorproben) Proben bestimmt werden. Bei homogenen Mineralstoffen, ohne Kiese und Steine, wird die Scherfestigkeit mit Kleinrahmenschergeräten in drei Teilversuchen ermittelt (Abb. 27). Abb. 28: Regressionsgerade des Scherversuches Abb. 27: Kleinrahmenscherkästen des Scherversuches Die Ermittlung der Scherparameter erfolgt durch das Auftragen von der Scherspannung über die Normalspannung. Über die erhaltende Regressionsgerade werden Kohäsion und Reibungswinkel des Bodens bestimmt (Abb. 28) Scherfestigkeit mit Großrahmenschergerät DIN Das Großrahmenschergerät dient der Bestimmung der Reibung in den Schichtgrenzen zwischen verschiedenen Geokunststoffen und verschiedenen Erdstoffen sowie der Bestimmung der Scherfestigkeit von Mineralstoffen, die Kiese und Steine enthalten können. Bei den Untersuchungen werden jeweils Proben verwendet, wie sie auch bei den 17

18 entsprechenden Baumaßnahmen hinsichtlich Material und Randbedingungen real eingesetzt werden. Der Versuch im Großrahmenschergerät wird mit einer Nennreibungsfläche von 300 mm x 300 mm und einer konstanten Vorschubgeschwindigkeit in drei Einzelprüfungen bei unterschiedlichen Normalspannungen durchgeführt (Abb. 29). Mit dem Scherversuch werden Reibungswinkel und Kohäsion für die Reibungsfestigkeit zwischen den angrenzenden Oberflächen bestimmt. Die Ergebnisse finden u.a. Anwendung beim Entwurf von Ingenieurbauten mit Geokunststoffen und dem dabei erforderlichen erdstatischen Standsicherheitsnachweis. bei denen die Scherfestigkeit des undränierten Bodens (vgl. DIN /Teil 1) mit vereinheitlichtem Gerät festgestellt werden kann (Abb. 30). Bei der Flügelsondierung wird der Widerstand des Bodens beim Abscheren durch eine Felduntersuchung gemessen. Abb. 30:Flügelsonden 2.17 Bestimmung der einaxialen Druckfestigkeit DIN Abb. 29: Großrahmenschergerät SP-300-E 2.16 Flügelscherfestigkeit Die Flügelsondierungen nach DIN 4096 sind für wassergesättigte bindige oder organische Böden bei weicher bis steifer Konsistenz geeignet. Die Norm gilt für Sondierungen im Gelände (Felduntersuchungen), Einaxiale Druckversuche werden an zylindrischen oder prismatischen Probekörpern mit Prüfpressen nach DIN durchgeführt (Abb. 31). Dabei wird die Druckfestigkeit von Bodenproben bei unbehinderter Seitendehnung und konstanter Verformungsgeschwindigkeit ermittelt. Mit dem Versuch wird die einaxiale Druckfestigkeit als Maximalwert der Druckspannung aus dem Druck-Stauchungs- Diagramm bestimmt. Dies ist die Spannung, die der axial gestauchte Probekörper 18

19 aufzunehmen vermag, bevor der Probekörper bricht. der Druck-/Setzungslinie (Abb. 33) der Steifemodul der einzelnen Lastbereiche ermittelt werden. Die Kenntnis des Steifmoduls hat Bedeutung für die Setzungsberechnung und damit für das Verformungsverhalten des Baugrundes. Abb. 31: Prüfpresse UP 60 (Druckprüfgerät) Die einaxiale Druckfestigkeit findet Anwendung bei erdstatischen Berechnungen oder bei der Ermittlung der Festigkeit von Böden mit additiven Zusätzen (z.b. Flüssigboden). Mit der vorhandenen Prüfpresse UP 60 kann neben dem einaxialen Druckversuch nach DIN auch der CBR-Versuch nach TP BF-StB, Teil B 7.1 ausgeführt werden. Abb. 32: Oedometer 2.18 Steifemodul und Setzungsverhalten Im Kompressionsversuch wird die Zusammendrückbarkeit von Böden bei behinderter Seitendehnung untersucht. Dabei kann im Oedometer (Abb. 32) die Setzung bei stufenweiser Laständerung gemessen und aus Abb. 33: Druck-/Setzungslinie 19

20 3 Umwelttechnische Laboranalysen 3.1 Schneidmühle Das chemisch- analytische Labor der M&S Umweltprojekt GmbH in Bad Muskau (Abb. 34) ist akkreditiert nach DIN ISO und wird sowohl den hohen gesetzlichen Anforderungen im Umweltbereich als auch den vielseitigen analytischen Forderungen im Bereich der Silikattechnik gerecht. Das hoch qualifizierte Laborpersonal verfügt über langjährige Erfahrungen in den verschiedensten Bereichen der Umwelt-, Glas- und Silikatanalytik. Gearbeitet wird mit modernster Analysetechnik wie Atomabsorptionsspektroskopie (AAS, einschließlich Hydridtechnik und Graphitrohrofen), Röntgenfluoreszenz- Analyse (RFA), UV/IR-Spektroskopie, Gaschromatographie (GC, GC-MS), ICP, Hochdruckflüssigkeitschromatographie (HPLC), Ionenchromatographie (IC), Fließinjektionsanalyse (FIA) und Geräten zur Bestimmung von Summenparametern. Die hochwertige Zerkleinerung und Homogenisierung der Proben sind eine wesentliche Voraussetzungen für eine repräsentative Analyse von Abfallproben. Die gesteuerte Hochleistungs Schneidmühle (Abb. 35) ist eine leistungsstarke Maschine für die kontinuierliche Zerkleinerung von zähen, mittelharten, weichen und temperaturempfindlichen homogenen Materialien oder heterogenen Materialgemischen. Als Langsam- und Schnellläufer mit verschiedenen Rotoren zerkleinert diese die unterschiedlichsten Stoffe. Hierzu gehören unter anderem auch schwierig zu bearbeitbare organische und anorganische Abfälle und Materialgemische wie zum Beispiel Hausmüll, Kabel, Plaste, Holz, Folien, Knochen und so weiter. Die Zerkleinerung der Stoffe erfolgt auf 2 bis 8 mm. Abb. 34: Labor Bad Muskau Abb. 35: Schneidmühle SM

21 3.2 Vor Ort Analyse von Kohlenwasserstoffen Mit dem Gerät OCMA-220 (Abb. 36) lassen sich schnell und zuverlässig Gesamtkohlenwasserstoffgehalte messen. Abb. 36: Gerät OCMA-220 Das Messprinzip basiert auf der Nicht- Dispersiven-Infrarot Analyse. Aufgrund seiner Handlichkeit eignet sich das Gerät gleichermaßen für Labormessungen als auch für den Feldeinsatz, z. B.: - an Regenläufen oder Abwasserkanälen in Raffinerien, Flughafenbetrieben oder Tanklagern; - für die Überwachung von Brunnen oder Wasserreservoirs, zur Trinkwassergewinnung; - für die Überprüfung von Erdproben bei Ölunfällen und der dabei erforderlichen Verlagerung und Vernichtung des mit Öl kontaminierten Erdreiches Mit der OCMA-220 sind folgende Analysen durchführbar: Direktmessung, Messung von Schlämmen, Öl in Gasen, Bodenproben und Extrakten. 3.3 Photoionisations-Messgerät Der Dräger Multi-PID 2 (Abb. 37) ist die modernste Generation von zuverlässigen Photoionosations-Messgeräten für leicht flüchtige organische Verbindungen (VOC). Die innovative PID-Technologie verbindet hohe Empfindlichkeit und Robustheit mit dem vielseitigen Einsatz in verschiedensten Anwendungen wie Arbeitsplatzmessungen, Screening der Ausgasung von Boden-, Wasser- oder Gasproben in Behältern und Messungen in geschlossenen Räumen. Ausgerüstet mit einer UV-Lampe deckt der Dräger Multi-PID 2 einen Messbereich von 0 bis ppm ab. Eine zusätzliche Gas- Verdünnungs-Sonde erweitert den Messbereich auf bis zu ppm. Die im Gerät gespeicherte Gas-Bibliothek umfasst bis zu 70 Stoffe. Abb. 37: Dräger Multi-PID 2 v (links), mit Gas-Verdünnungs-Sonde (rechts) 21

22 3.4 Chemisch-physikalische Prüfungen und Probenvorbereitung Die chemisch-physikalische Prüfung beinhaltet unter anderem Untersuchungen der Farbe, Temperatur, Konsistenz, ph-wert, Säure- und Base-Titration, Glühverlust, Trockenrückstand, elektrische Leitfähigkeit (Abb ). Abb. 40: Reinstwasseranlage Abb. 38: Titrierautomat Titrino 794 Bei der Probenvorbereitung werden Proben unter anderem zerkleinert, homogenisiert zentrifugiert, druckfiltriert, und Eluate angesetzt. Abb. 41: Druckfiltration Eluatherstellung nach DIN S4 Das Probengut wird unter definierten Bedingungen 24 Stunden mit Wasser im Verhältnis 1:10 (Abb. 42) eluiert und anschließend einer Membranfiltration unterzogen. Abb. 39: Rotationsverdampfer, Abb. 42: Überkopfschüttler 22

23 Säulenversuch nach DIN V19736 Die Beurteilung des Austrages von Schadstoffen aus dem Boden in das Grundwasser ist bei Altlastverdachtsflächen für die Gefahrenermittlung von großer Bedeutung und damit für die Entscheidung über Art und Umfang von Sanierungsmaßnahmen. Mit der Elutionseinheit können Stoffkonzentrationen organischer Schadstoffe im Sickerwasser an Bodenproben mit gestörter Lagerung und einem Durchlässigkeitsbeiwert von kf >10-6 m/s ermittelt werden. Dazu werden die Bodenproben in die speziellen Glassäulen eingeschlämmt. Eine Peristaltikpumpe fördert das Elutionsmittel unter definierten Bedingungen (z.b. Druck, Fließgeschwindigkeit, Temperatur) durch die Proben in eine Auffangflasche (Abb. 43). Trogversuch nach LAGA EW 98 Bei dem Trogversuch wird die Eluierbarkeit grobstückiger Materialien (Größtkorn >40 mm) geprüft. Die Elution in Wasser dient zur Bestimmung der Konzentration eluierbarer Inhaltsstoffe dieser Materialien. Anwendung findet dieser Versuch bei gebundenen und verfestigten Materialien, wie z.b. Betonrecyclingbaustoffen, zementstabilisierten Böden, Ziegeln oder Klinker. Die Durchführung des Versuches steht im Zusammenhang mit der Verwertung und Beseitigung von Abfällen oder verunreinigten Böden. Für die Untersuchung wird das Untersuchungsstück auf den Siebeinsatz eines wassergefüllten Troges gegeben. Mittels eines Magnetrührers wird das Wasser ständig in Bewegung gehalten, die Oberfläche vollständig umspült und eine mechanische Beanspruchung der Probe vermieden. Nach Beendigung der Elution wird die flüssige Phase von der festen Phase getrennt (Abb. 44). Abb. 43: Säulenversuchsanlage 23 Abb. 44:Trogversuch nach LAGA EW 98

24 3.5 Ausgewählte Analysenverfahren von Boden und Wasser Atmungsaktivität AT4 nach DepV Anhang 4, Nr Als Atmungsaktivität wird der Sauerstoffverbrauch pro Zeiteinheit (4 Tage) während des aeroben Abbaus von organischer Substanz bezeichnet. Die Atmungsaktivität gibt somit Auskunft über die aktuell vorhandene biologische Aktivität des Materials. Die in der Probe ablaufenden biologischen Prozesse basieren auf der Umsetzung des vorhandenen organischen Kohlenstoffs bei Anwesenheit von Sauerstoff zu Kohlendioxid unter konstanten Temperaturbedingungen: Corg. + O2(Gas) CO Metalle Bestimmung von 33 Elementen durch induktiv gekoppelte Plasma und Atom- Emissionsspektrometrie Die Grundlage des Verfahrens nach DIN EN ISO E22 ist die Messung der Atomemission durch eine optischspektrometrische Einheit. Die Proben werden zerstäubt und das gebildete Aerosol wird mit Hilfe eines Trägergases in ein induktiv gekoppeltes Plasma (ICP) transportiert, in dem die Anregung erfolgt (Abb. 46). Um den Stoffabbau messen zu können, muss das CO2 an einen Adsorber chemisch gebunden und aus dem Gasraum entfernt werden. Aus der gebildeten Druckdifferenz Abb. 45: OxiTop- Control System. WTW GmbH lässt sich dann der Verbrauch an Sauerstoff berechnen (Abb. 45). Abb. 46: ICP Spektrometer Die charakteristisch emittierten Elementlinien werden mit einem Photometer zerlegt und die Linienintensität wird mit Detektoren gemessen. Die Signale der Detektoren werden von einem Rechnersystem aufgenommen. Mit Hilfe einer Untergrundkompensation werden verschiedene Untergrundbeiträge bei der Bestimmung der Spurenelemente kompensiert. 24

25 Bestimmung von Spurenelementen mittels Atomabsorptionsspektrometrie mit dem Graphitrohr-Verfahren ist auch zur Bestimmung geringer Elementkonzentrationen geeignet. Beispielgebend dafür steht die DIN EN ISO E4. Diese enthält Grundlagen und Verfahrensweisen für die Bestimmungen von 17 Elementen in wässrigen Lösungen durch Atomabsorptionsspektrometrie mit elektrothermischer Atomisierung im Graphitrohrofen (Abb. 47). Abb. 47: Atomabsorptionsspektrometrie Die Wasserproben werden entweder mit Säure stabilisiert, filtriert oder aufgeschlossen. Sedimentproben können ebenfalls aufgeschlossen werden. Ein Teilvolumen der Probe wird in den Graphitrohrofen eines Atomabsorptionsspektrometers injiziert. Durch schrittweise Erhöhung der Temperatur wird die Probe getrocknet, pyrolysiert und atomisiert. Die Atomabsorption beruht auf der Fähigkeit freier Atome Licht zu adsorbieren. Die Konzentration eines Elements in einer Probe wird bestimmt, indem die Absorption der Probe mit der Absorption von Bezugslösungen verglichen wird. Das Verfahren Anionen und Kationen Bestimmung gelöster Anionen mittels Ionenchromatographie In der DIN EN ISO wird das Verfahren zur Bestimmung von Fluorid, Chlorid, Nitrit, Orthophosphat, Bromid, Nitrat und Sulfat in wenig belasteten Wässern (wie z.b. Trinkwasser, Niederschlagswasser, Grundwasser und Oberflächenwasser) in den folgenden Massenkonzentrationen beschrieben: Fluorid (F): Chlorid (Cl): Nitrit (NO2): 0,01 mg/l bis 10mg/l 0,1 mg/l bis 50 mg/l 0,05 mg/l bis 20mg/l Orthophosphat (PO4): 0,1 mg/l bis 20 mg/l Bromid (Br): Nitrat (NO3): Sulfat(SO4): 0,05 mg/l bis 20mg/l 0,1 mg/l bis 100 mg/ 0,1 mg/l bis 100 mg/l Abb. 48: Nitrit-Ion 25

26 Die Ionen werden flüssigkeitschromatographisch mit einer Trennsäule getrennt (Abb 49). Abb. 49: Ionenchromatographie Als stationäre Phase dient in der Regel ein Anionenaustauscher niedriger Kapazität. Als mobile Phase kommen grundsätzlich wässrige Lösungen von Salzen schwacher ein- oder zweibasiger Säuren in Frage. Photometrie Beispielgebend ist dafür die Bestimmung von Phosphor gesamt mittels Ammoniummolybdat (Abb. 50). Die DIN EN ISO 6878-D11 legt das Verfahren zur Bestimmung von Phosphor- Verbindungen, die in Grund-, Oberflächenund Abwässern in verschiedenen Konzentrationen in gelöster und ungelöster Form vorliegen können, fest. Abb. 50: Photometer UV mini- 1240, Beispiel: Ammonium- Stickstoff und Phosphor Die Grundlage des Verfahrens ist die Reaktion der Phosphat- Ionen in saurer Lösung mit Molybdat- und Antimon- Ionen unter Bildung eines Antimon- Phosphormolybdat- Komplexes. Die Reduktion des Komplexes mit Ascorbinsäure führt zu einem stark gefärbten Molybdänblau- Komplex, dessen Extinktion zur Konzentrationsbestimmung führt Summenparameter Bestimmung TOC und DOC Der gesamte organische Kohlenstoff (TOC) ist ein Maß für den Kohlenstoffgehalt gelöster (DOC) und ungelöster organischer Stoffe im Wasser. Die Grundlage des Verfahrens nach DIN EN 1484-H3 ist die thermische und chemische Oxidation von kohlenstoffhaltigen Verbindungen zu Kohlendioxid. Das ent- 26

27 standene CO2 wird direkt mittels Infrarot- Spektrometrie erfasst (Abb. 51). durch Waschen der Aktivkohle mit einer angesäuerten Nitratlösung verdrängt. Abb. 51: Gerät zur TOC / DOC- Bestimmung DIMATOC 2000 Bestimmung AOX Adsorbierbare organische gebundene Halogene (AOX) werden als analytischer Konventionsparameter zur Kontrolle der Wasserbeschaffenheit verwendet. Sie sind ein Maß für die äquivalente Masse der Halogene Chlor, Brom und Iod in organischen Verbindungen, die an Aktivkohle unter festgelegten Bedingungen adsorbiert werden können. Die Bestimmung erfolgt nach der DIN EN ISO 9562-H14. Durch das Schüttel-, Rühr- oder Säulenverfahren (Abb. 52) erfolgt in der angesäuerten Wasserprobe die Adsorption der organischen Substanzen an der Aktivkohle. Anorganische Halogenide werden Abb. 52: Analysengerät zur Bestimmung von AOX/ EOX Im Sauerstoffstrom erfolgt die Verbrennung der beladenen Kohle. Die dabei adsorbierten Halogenkohlenwasserstoffe werden nachfolgend argentometrisch mit der Mirocoulometrie als Massenkonzentration von Chlorid bestimmt. Bestimmung EOX Die DIN H8 beschreibt ein Verfahren zur mengenmäßigen Ermittlung an extrahierten organisch gebundenen Halogenen (EOX). Diese können in organischen Verbindungen enthalten sein. Die Grundlage besteht in der Extraktion der Proben z.b. mit Hexan. Der Extrakt wird in einer Sauerstoff- Flamme verbrannt. Die im Kondensat 27

28 anfallenden Mineralisierungsprodukte werden als Chlorid argentometrisch bestimmt Gas- und Flüssigkeitschromatographie Dazu wird die Probe mit dem Extraktionsmittel Hexan extrahiert. Der clean-up- Schritt über Florisil entfernt die polaren Substanzen. Bestimmung des Kohlenwasserstoff- Index mittels Gaschromatographie In der DIN EN ISO 9377 wird das Verfahren zur Bestimmung des Kohlenwasserstoff (KW)-Index in Wasser mittels Gaschromatographie beschrieben. Das Verfahren ist für Wässer geeignet und erlaubt die Bestimmung des Kohlenwasserstoff-Index in Konzentration oberhalb 0,1 mg/l (Abb. 53). Abb. 54: Chromatogramm - KW-Standard Ein Aliquot der gereinigten Probe wird durch Kapillargaschromatographie über eine unpolare Säule und Detektion mit Flammenionisation (FID) analysiert. Abb. 53: Gas- Chromatograph GC 17 A zur Bestimmung des KW-Index Der Kohlenwasserstoff-Index ist die Summe der Konzentrationen, der mit einem KW-Lösungsmittel (36 C<SP>69 C) extrahierbahren Stoffe, die mit Retentionszeiten zwischen denen von n-dekan (C10H24) und n-tetracontan (C40H82) chromatographisch bestimmt werden können (Abb. 54). Abb. 55: Gas-Chromatograph GC-MS QP2010, mit Autosampler für Headspeace- und Flüssigeinspritzung Mittels Gaschromatographie (Abb. 55) können weitere Stoffgruppen u.a. Monoaromaten, Naphthaline, leichtflüchtige halogenierte Kohlenwasserstoffe (z.b. Vinylchlorid), Chlorphenole, Polychlorierte 28

29 Biphenyle und Pestizide, in flüssigen und festen Proben bestimmt werden. Abb. 56: Vinylchlorid als typischer Vertreter leichtflüchtiger Verbindungen Die internationale Norm DIN EN ISO F18 beschreibt das Verfahren zur Bestimmung von 15 ausgewählten PAK s mit Hilfe der Hochleistungs- Flüssigkeitschromatographie nach Flüssig- Flüssig-Extraktion und Fluoreszenzdetektion (Abb. 58). Die Auswertung mittels Detektion von spezifischen Massen bietet dabei sowohl eine hohe analytische Sicherheit als auch eine hohe Empfindlichkeit beim Nachweis kleinster Substanzmengen. Durch den komfortablen Probengeber sind Analysen in der Gasphase (Headspace) und auch Analysen mit flüssiger Probenaufgabe möglich. Bestimmung von polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffen (PAK) in Wasser durch HPLC mit Fluoreszenzdetektion nach Extraktion Polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK) kommen in nahezu allen Wässern vor. Diese Verbindungen werden an Feststoffe (Sedimente, suspendierte Stoffe) adsorbiert und liegen auch gelöst in der flüssigen Phase vor. Einige PAK werden als cancerogen oder cancerogenverdächtig angesehen (Abb. 57). Abb. 58: Summit-Chromeleon-HPLC-System mit Fluoreszenz- und Diodenarray-Detektor Mittels HPLC lassen sich neben den PAK weitere umweltrelevante Stoffgruppen wie Phenole, Aldehyde, Ketone und organische Säuren analysieren (Abb. 59). Abb. 57: Benz(a)pyren, besonders cancerogen 29

30 1.400 mfu Naphthalin 10,67 Acenaphthen 14,72 Fluoren 15,20 Phenanthren 16,35 Anthracen 17,66 Fluoranthen 18,57 Std613_100 Pyren 19,39 Benz(a)anthracen 21,64 Chrysen 22,27 Emission EM:350 nm -100 min 9,0 12,5 15,0 17,5 20,0 22,5 25,0 27,5 31, s #8 Std613_100 3DFIELD nm Benzo(b)fluoranthen 23,78 Benzo(k)fluoranthen 24,74 Benz(a)pyren 25,82 Dibenzo(a,h)anthracen 26,99 Benzo(ghi)perylen 28,57 Indeno(c,d)pyren 29,71 Fließsystem, in dem die Probeninhaltsstoffe mit den Reagenzlösungen während des Durchflusses reagieren. Die Probenaufbereitung wird in das Fließsystem integriert. Die Messung des Reaktionsproduktes erfolgt in einem Durchflussdetektor. Ein Beispiel für diese spezielle Analysentechnik ist die Bestimmung des Phenolindex ohne Destillation mit Farbstoffreaktion nach DIN EN ISO H min 400 9,0 12,5 15,0 17,5 20,0 22,5 25,0 27,5 31,0 Abb. 59: Fluoreszenz- und DAD-Chromatogramm eines PAK-Standards Fließanalytik (FIA und CFA) Fließanalyseverfahren automatisieren nasschemische Bestimmungsverfahren und sind somit zur Bearbeitung großer Probenserien mit hoher Analysenfrequenz geeignet (Abb. 60). Dieses Verfahren besitzt die Funktion der automatischen Dosierung der Probe in ein Das Analysenprinzip beruht darauf, dass Verbindungen mit phenolischen Gruppen im Schlauchreaktor mit 4-Aminoantipyrin und Kaliumperoxodisulfat oxidativ zu einem Polymethinfarbstoff umgesetzt werden. In einem weiteren Schlauchreaktor werden die gebildeten Farbstoffe mit Chloroform extrahiert. Die Chloroformphase wird über einer hydrophoben Membran abgetrennt und der Gehalt an Verbindungen mit phenolischen Gruppen durch Extinktionsmessung bei 470 nm bestimmt. Abb. 60: Geräte für die Fließinjektionsanalyse von Phenolindex, Cyanid, Sulfid mit automatischem Sampler 30