5. Fachtagung. Zementstabilisierte Böden. Chemnitz, 27. Januar 2010

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1 5. Fachtagung Zementstabilisierte Böden Chemnitz, 27. Januar 2010 Erwünschte und unerwünschte Reaktionsmechanismen bei der Bodenstabilisierung mit Bindemitteln Prof. Dr.-Ing. Karl Josef Witt Kontakt: Bauhaus Universität Coudraystrasse 11c Telefon: 03643/ Telefax: 03643/ Mail: BetonMarketing Ost GmbH, Teltower Damm 155, Berlin-Zehlendorf, Fon: 030 / , Fax: 030 / , mailbox@bmo-berlin.de, GBB Gütegemeinschaft Bodenverfestigung und Bodenverbesserung e.v., Karl-Marx-Straße 27, Potsdam, Fon: 0331 / Fax: 0331 / , volkmar.denecke@bauindustrie-bb.de

2 Prof. Dr.-Ing. Karl Josef Witt Studium an der Universität Karlsruhe, Bauingenieurwesens, Abschluss Dipl.-Ing Wissenschaftlicher Angestellter, Institut für Boden- und Felsmechanik, Universität Karlsruhe, Promotion Lehrauftrag Erdbau an der Fachhochschule Karlsruhe Björnsen Beratende Ingenieure GmbH, Koblenz / Gruppenleiter Bodenmechanik und Grundbau Deponiebau 1990 Mitarbeiter Erdbaulaboratorium Hans Kusenbach, Koblenz Kusenbach + Witt, Baugrundlabor Koblenz (GBR) seit SS 1998 Professur Grundbau an der seit Sept Leitung des Fachbereiches Geotechnik, MFPA witt + jehle geotechnik GmbH, Koblenz seit Januar 2007 w&p geoprojekt GmbH u. Hannover, Mitgesellschafter und Berater

3 GBB und BetonMarketing Ost 5. Fachtagung Zementstabilisierte Böden Erwünschte und unerwünschte Reaktionsmechanismen bei der Bodenstabilisierung mit Bindemitteln Karl J. Witt 1 Erwünschte und unerwünschte Reaktionsmechanismen bei der Bodenstabilisierung mit Bindemitteln Allgemeine Ziele der Bodenverbesserung Reaktionsmechanismen Boden-Kalk Reaktionsmechanismen Boden-Zement Modell zur Wirkungsweise von Mischbindern Unerwünschte Reaktion in sulfathaltigem Milieu Bewertungsstrategien 2 1

4 Ziele und Effekte der Bodenverbesserung Kalk Krümelbildung, Aggregatbildung feinkörniger Böden als Folge der Alkalisation (Ca 2+ ) und der Saugspannungen, Ionenaustausch, Anhebung von w p, Reduktion der Plastizität und Verbesserung der Verdichtungseigenschaften, Trocknung; Moderate und langsame Festigkeitsentwicklung Zement Bindeeffekte durch Zementstein, Umhüllung der Aggregate, Vernetzung der Aggregate, Reaktion mit Porenwasser; Rasche und starke Festigkeitsentwicklung durch Zementstein Calcium Überschuss Verbesserung der Aggregatstabilität, Initiation puzzolanischer Reaktionen (Effekt nach ca. 3 Monaten signifikant), Bildung von Calcium-Silikat-Hydrate (CSH) und Calcium-Alumininat-Hydrate (CAH); Expansive Reaktionen mit Sulfat, Anhydrit, Ettringit, Thaumasit (Sekundärminerale) 3 Grundlagen, Reaktionen Ausgangsboden Quarzkörner Kalzit Feinteilmatrix Porenwasser und - luft Witt, 2002: Zement - Kalk - Stabilisierung von Böden Cabane et al., 2005: Mechanism of soils treatment with quicklime and hydraulic binders 4 2

5 Reaktionen Boden + Kalk Krümelbildung, Ionenaustausch Partikelbindung durch Ca 2+ Porenwasser mit Ca 2+ und OH - Kationen-Austausch Austausch-Reaktionen an der Wasserhülle der Tonminerale Witt, 2002: Zement - Kalk - Stabilisierung von Böden Cabane et al., 2005: Mechanism of soils treatment with quicklime and hydraulic binders 5 Reaktionen Boden + Kalk Krümelbildung, Ionenaustausch 100 Σ D [ % ] 0 Ton Schluff U Sand S Kies G B Ausgangsboden verbesserter Boden 0,002 0,006 0,02 0,06 0,2 0, Korndurchmesser d [mm] Kationen-Austausch-Reaktionen an der Wasserhülle der Tonminerale Erhöhung w P, Reduktion I P., Erhöhung I C, Verschiebung w Pr 6 3

6 Reaktionen Boden + Kalk Krümelbildung, Ionenaustausch, Puzzolanreaktion Sofortreaktion, Anfangsstadium Gelstadium Neolithstadium Karbonat Zeit [ Tage ] 7 Grundlagen, Blick in den Boden Ausgangsboden, Löß V A = 7% V W = 26,4% V S = 66% ρ d = 1,76 g/cm³ w = 15% = w Pr S R = 79% n = 34 % 8 4

7 Reaktionen Boden + Kalk Löß + 4% Kalkhydrat, 4 Tage ρ d = 1,71 g/cm³ w = 18 % = w Pr S R = 87 % n = 34,3 % 9 Reaktionen Boden + Kalk Einfluss der Bindemittelgabe 1,76 g/cm³ 1,68 g/cm³ 1,63 g/cm³ Trockendichte 0 % 1 % 3 % Weißfeinkalk 15 % 17,3 % 20,1 % Wassergehalt Saugspannung kpa kpa kpa Saugspannung Erhöhung Ausrollgrenze Reduzierung I P, Erhöhung I C 10 5

8 Reaktionen Boden + Kalk Einfluss der Bindemittelgabe 11 Reaktionen Boden + Kalk Festigkeitsentwicklung q ( t ) = q ( t ) + A u 2 u 1 * m Ca t2 ln( ) t 1 Lößlehm + Kalkhydrat: A* = 0,037 MPa Erfahrungswerte q u = 0,2 bis 0,5 MPa Aktivitätskonstante A* = f (X 1,. X i,) X i : Bindemittel, Mineralbestand Boden, Mischbedingungen, ph-wert, Temperatur Lagerung, Wasserdargebot, Wasserdurchlässigkeit, Verdichtung, Porosität.. Witt, 2002: Zement - Kalk - Stabilisierung von Böden 12 6

9 Reaktionen Boden + Kalk Langzeit-Festigkeitsentwicklung Puzzolanreaktionen mit Quarz und Tonerde bei ph > 11, Beginn > 28d Steigerung der Festigkeit Ca (OH) - + SiO 2 CSH Calcium-Silikat Silikat-Hydrate Ca (OH) - + Al 2 O 3 CAH Calcium-Aluminat Aluminat-Hydrate 13 Reaktionen Boden + Zement Umhüllung und Vernetzung Verfestigung durch Primärhydratation Zementierung Cabane et al., 2005: Mechanism of soils treatment with quicklime and hydraulic binders Witt, 2002: Zement - Kalk - Stabilisierung von Böden 14 7

10 Reaktionen Boden + Zement Löß + 4% CEM I, 4 Tage ρ d = 1,76 g/cm³ w = 17,3 % S R = 90 % n = 33,6 % 15 Reaktionen Boden + Zement Verfestigung durch Sekundär-Hydratation in Aggregaten Quarzkörner Porenwasser Sekundärhydratation in Aggregaten Primärhydratation Tonpartikel, ungebunden 16 8

11 Reaktionen Boden + Zement Einfluss der Bindemittelgabe 10 Verfestigung mit Zement 28 Tage Wasserlagerung Zylinderdruckfestigkeit β 28 d [ N/mm 2 ] Kies, schluffig Keuper Granit Porphyr Sand, schluffig Löß Bindemittel [%] ZEMENT Reaktionen Boden + Zement Festigkeitsentwicklung und deren Prognose q u, t * V = B n V m z,m = m Z /m B zement Boden * mz, m ρd = B n ρ z Festigkeitskonstante B* = f (t, X 1 X i ) X i : Zementqualität, Granulathärte Boden, Mischbedingungen, ph-wert, Temperatur, Lagerungsart, Alter hier für t = 14 d: B* = 12 bis 14 MPa; Erfahrungswerte q u = 0,5 bis 5 MPa Consoli, N., C. et al., 2007: Key Parameters for Strength Control of Artificially Cemented Soils. ASCE J. Geotechn., Geoenviron Engrg, Feb. 2007, pp

12 Reaktionen Boden + Zement Skelettsteifigkeit und- Aggregatsteifigkeit zementvergütet Porosität e ICL unvergütet Konsolidationsspannung σ 19 Der synergetische Effekt von Mischbindern Puzzolanische Reaktion mit Silikaten und Aluminaten Verfestigung der 2. Generation Cabane et al., 2005: Mechanism of soils treatment with quicklime and hydraulic binders Witt, 2002: Zement Kalk - Stabilisierung von Böden 20 10

13 Modell der Reaktionsmechanismen Boden + Kalk + Zement Anfangsstadium Skelettsteifigkeit mit unverfestigten Aggregaten Zementleim und Gel im Porensystem beginnende Aggregatbildung, Boden noch unverfestigt Stabilisierungsphase Skelettsteifigkeit mit Verfestigung Aggregaten rasche Erstarrung, Tragskelett aus Zementstein, Primärhydratation Verfestigung der Aggregate durch Sekundär-Hydratation und Puzzolanreaktion des dissoziirten Kalkhydrats, 21 Sulfateinfluss auf Kalk und Zement Quellhebung infolge Ettringitaufwuchs 3 CaO Al 2 O CaSO 4 2 H 2 O +26H2O 3 CaO Al 2 O 3 3 CaSO 4 32 H 2 O Tricalciumaluminat-Tricalciumsulfathydrat Reaktion der Sulfate und Sulfide (Pyrit) mit freiem Calcium Ettringit-Strukturen im Boden Michaelis, W., 1896: Der Zement-Bazillus, Tonindustrie-Zeitung, No.16,1896, S

14 Sulfateinfluss auf Kalk und Zement Quellhebung infolge Ettringitaufwuchs 3 CaO Al 2 O 3 3 CaSO 4 32 H 2 O Reaktion der Sulfate und Sulfide (Pyrit) mit freiem Calcium Volumendehnungen 10 bis 30%, Quelldrücke bis zu 5 MPa Sulfatreaktion mit Al(OH) 3 Guerpillon et al., 2005: La prise en compte de la mineralogie les etudes de traitement des sols 23 Sulfateinfluss auf Kalk und Zement Quellhebung infolge Ettringitaufwuchs Einflussfaktoren 3 CaO Al 2 O 3 3 CaSO 4 32 H 2 O ph > 10,5 freies Ca 2+,Al 2 O 3, lösliche Sulfate (SO 4 ) und Karbonate molares Verhältnis Al 2 O 3 /SO 4: >1 Monosulfate; < 1 Trisulfate Mineralogie, smektitisch, kaolinitisch, Tongehalt > 10% Typ und Löslichkeit der Sulfate Temperatur > 15 C Verdichtung und Porengröße, Trocken-Naß-Zyklen 24 12

15 Sulfateinfluss auf Kalk und Zement Ettringitaufwuchs Kritisch sind prinzipiell: Sulfathaltige Böden oder Wässer, Pyrit, Gips, Anhydrit + Lösliche Sulfate, freies Ca 2+ + ph-werte > 10,5 + Durchsickerung mit Wasser Little, D. and Herbert, B., 2005: Use of thermodynamic phase stability models to assess stabilisation risk and rehabilitation strategy for sulfate bearing clay soils 25 Sulfateinfluss auf Kalk und Zement Ettringitaufwuchs Bewertungskriterien für die Praxis Elektrische Leitfähigkeit des Bodensättigungsextraktes < 200 μs/cm Unproblematisch, darüber genauere Untersuchung Sulfatgehalt bis ppm geringe Gefährdung Sulfatgehalt bis ppm mittlere bis hohe Gefährdung Quelldruck- und Quellhebungsversuche Vorbehandlung, ph-wertkorrektur, Sulphatkompensation Sulfatgehalt > ppm Boden für f r Stabilisierung ungeeignet Harris, P. et al., 2005: Sulfate heave on Texas Highways: Reducing the odds of pavement failure normalisation francaise: XP P , 10/1997: Granulats, Dosage rapide des sulfates solubles dans l eau 26 13

16 Thesen und Resumee Die Bindemittel Kalk und Zement zeigen unterschiedliche Reaktionsmechanismen mit Boden und erzeugen daher unterschiedliche Effekte. Der synergetische Effekt von Mischbinder wird noch zu wenig genutzt Kriterium der Beurteilung ist meist nur die einaxiale Druckfestigkeit. Scherfestigkeit und die Steifigkeit werden nicht optimiert. Die Mineralogie wird zu wenig betrachtet. Die Herstellungstechnik ist weit entwickelt. Die Verdichtungs- und Abbindebedingungen in Labor und Feld weichen stark voneinander ab. In der Lagerung liegt die Stellschraube. Die Baugrunderkundung und die Eignungsprüfung müssen eine Beurteilung der Sulfat- und Sulfid Gefährdung einschließen. Hierzu müssen noch eindeutige Kriterien sowie geeignete Feld- und Labortest entwickelt werden. 27 Erwünschte und unerwünschte Reaktionsmechanismen bei der Bodenstabilisierung mit Bindemitteln Danke für die Aufmerksamkeit Karl J. Witt