Laboruntersuchungen zur Bodenverbesserung mittels Zugabe von Kalk-Zement-Mischungen

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1 Laboruntersuchungen zur Bodenverbesserung mittels Zugabe von Kalk-Zement-Mischungen Dr.-Ing. Andreas Becker Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. Christos Vrettos Fachgebiet Bodenmechanik und Grundbau, Technische Universität Kaiserslautern, D Kaiserslautern 1 Einleitung Baugrundverbesserung durch das Einmischen von Bindemitteln wird seit längerem eingesetzt, um Böden in ihren Eigenschaften günstig für anstehende Bauaufgaben zu verändern. Die daraus resultierenden Mischböden weisen geringere Setzungen auf und sind weniger anfällig gegen Frost und Aufweichung. Regelungen für diese Art von Bodenvergütung sind unter anderem in den Zusätzlichen Technischen Richtlinien für Erdarbeiten im Straßenbau (ZTVE-StB 09, 2009) und in dem Merkblatt für Bodenverfestigung und Bodenverbesserungen mit Bindemitteln (FGSV, 2004) enthalten. Die Standardbindemittel zur Bodenbehandlung sind Kalk und Zement, deren Eignung zur Bodenbehandlung gemäß den jeweiligen technischen Prüfvorschriften nachzuweisen sind (FGSV, 2005, 2010). Mischbindemittel, als Kombination der beiden, verbinden die spezifischen Vorteile, die Wassergehaltsreduzierung durch den Kalk und die Festigkeitsentwicklung durch die Eigenschaften des Zementes. Dadurch können die Ziele in einem Arbeitsgang zusammengefasst werden. Aufgrund der schnellen Reaktion des Zements beim Kontakt mit dem feuchten Boden wird die Verarbeitungszeit eines Boden-Bindemittel-Gemisches mit Zement in den Regelwerken (ZTVE-StB, 2009) auf maximal 2 Stunden bei einer Temperatur bis 20 C und auf 1,5 Stunden bei einer Temperatur über 20 C festgelegt. Bei der Zugabe von Wasser findet eine rasche Hydratation statt, die eine sofortige Verdichtung des eingemischten Zements im Boden bedingt, da nur so die angestrebte Festigkeit erreicht werden kann. Versuche von BRANDL (1967) zeigen, dass 24 Stunden nach dem Einmischen des Zementes in den Boden ein schwer verdichtbares Korngemisch vorliegt. Die höchste Festigkeit wird demzufolge erreicht, wenn nach dem Einmischen des Zementes eine sofortige Verdichtung des Bodens erfolgt. Die Trockendichte im eingebauten Zustand hat nach einer Reaktionszeit von 24 Stunden deutlich abgenommen und die Festigkeitszunahme ist nur noch gering ausgeprägt. Eine Kombination von Bindemitteln, die zuerst zu einem Mischbinder verarbeitet und danach eingebaut werden, wird in der Literatur bislang in wenigen Werken behandelt. SCHADE (2006) stellt drei Mischbindemittel den Ausgangsbindemitteln Kalk und Zement gegenüber. Er kommt zu dem Ergebnis, dass neben der Art des Bindemittels und dem Bindemittelanteil auch die Reaktionszeit das Tragverhalten eines vergüteten Bodens beeinflusst.

2 In dem vorliegenden Beitrag werden die Verdichtbarkeit und die Festigkeit eines mit einer derartigen Mischung vergüteten bindigen Bodens im Labor untersucht. Variiert werden dabei der Bindemittelgehalt, das Mischungsverhältnis zwischen Kalk und Zement, die Liegezeit vor der Verdichtung des vergüteten Bodens und die Standzeit bis zum Beginn einer einaxialen Druckbeanspruchung. Ergebnisse von Proctorversuchen und einaxialen Druckversuchen werden vorgestellt und interpretiert. 2 Verwendete Materialien Als bindiger Boden wurde ein leichtplastischer Schluff (TL) aus der Region der Westpfalz gewählt. Gemäß Kornverteilungslinie besteht das Versuchsmaterial aus 13% Feinkornanteil mit Korndurchmesser d 0,002 mm, 39,9% mit d 0,06 mm und 98,8% mit d 16 mm. Indexversuche ergaben: Fließgrenze w L = 27,8%, Ausrollgrenze w P = 16,6%. Die Korndichte beträgt ρ s = 2,65 Mg/m 3. Die dazugehörige Körnungslinie liegt im Bereich des für die Verfestigung und Verbesserung von Böden mit Bindemitteln geeigneten Körnungsbandes nach ZTVE- StB 09. Als Bindemittel wurden handelsübliche Produkte gewählt und die folgenden Mischböden hergestellt: A) Mischung aus Boden und Weißfeinkalk CL 90 Q nach DIN EN B) Mischung aus Boden und Bindemittel, bestehend aus 40% Weißfeinkalk CL 90 Q und 60% Portlandzement der Normbezeichnung CEM I 42,5 R nach DIN EN C) Mischung aus Boden und Bindemittel, bestehend aus 70% Weißfeinkalk nach DIN EN und 30% Portlandzement nach DIN EN Abb. 1 zeigt eine Aufnahme der verwendeten Bindemittel. Abb. 1: Bindemittel: Weißfeinkalk (links), Kalk/Zement 40/60 (Mitte), Kalk/Zement 70/30 (rechts).

3 3 Laborversuche 3.1 Probenherstellung und Versuchsdurchführung An unterschiedlichen Mischungen aus den oben genannten Bindemitteln und bindigem Boden wurden Proctorversuche nach DIN sowie einaxiale Druckversuche nach DIN durchgeführt. Variiert wurden, neben der Art des Bindemittels, der Bindemittelgehalt in den Zugabestufen 3%, 5% und 7% Trockenmasseanteil. Des Weiteren wurde der Einfluss der Reaktionszeit untersucht. Als Reaktionszeit wird die Zeitspanne zwischen dem Einmischen des Bindemittels in den Boden und der Verdichtung der Mischung im Proctortopf definiert. Als Reaktionszeiten wurden gewählt: 1 h, 6 h und 24 h. Die Mischung wurde mittels eines Zwangsmischers homogenisiert. Infolge chemischer Reaktionen und Temperaturentwicklung kommt es während der Reaktionszeit zu einer Abnahme des Ausgangswassergehalts. Um diese Verlustwassermenge zu bestimmen, wurde der Wassergehalt nach Abschluss des jeweiligen Einzelproctorversuches an dem Versuchskörper erneut bestimmt. Der einaxiale Druckversuch nach DIN diente der Bestimmung der einaxialen Druckfestigkeit q u sowie der dazugehörigen Bruchstauchung ε u. Gemessen wurde die einaxiale Druckfestigkeit nach 7 bzw. 28 Tagen. Für die Probenherstellung wurde der Standard-Proctortopf mit einem Durchmesser von 100 mm und einer Höhe von 120 mm verwendet. Es wurden jeweils zwei Proben mit gleichem Mischungsverhältnis bei einfacher Proctordichte hergestellt. Anschließend wurden die Versuchskörper in Folie eingepackt, um ein unkontrolliertes Austrocknen bis zum Prüftermin und somit eine Zerstörung der Probe zu vermeiden. Abb. 2 zeigt neben einem verpackten Versuchskörper eine Bodenprobe, die nach der Herstellung ohne weitere Behandlung offen gelagert wurde. Bereits nach einem Tag traten großflächige Risse auf, die den gesamten Körper durchzogen. Dies führte zu einer vorschreitenden Zerstörung der Struktur, aufgrund dessen der Probekörper langsam zerfiel. Es ist offensichtlich, dass diese Proben für die Untersuchung unbrauchbar sind. Abb. 2: Probenkörper mit bzw. ohne Schutzfolie nach einem Tag Standzeit.

4 Die Vorschubgeschwindigkeit bei den einaxialen Druckversuchen betrug 1% der Probenhöhe pro Minute. Gemessen wurden die aufgebrachte Vertikalkraft durch die Werkstoffprüfmaschine, sowie die dazugehörige vertikale Verschiebung mittels eines Wegeaufnehmers. Der Versuch wurde bis zu einer Vertikalverschiebung von 15 mm durchgeführt. Bei allen Versuchen wurde das Maximum der Axialkraft (Bruchkraft) jedoch schon weitaus früher überschritten. Nach Abschluss der Prüfung fand eine abschließende Bestimmung des Wassergehaltes statt. 3.2 Versuchsergebnisse Nach Zugabe des Weißfeinkalks fand ein starker Temperaturanstieg der Proben statt. Die beobachtete Temperaturentwicklung verdeutlicht die Sofortreaktion des Kalkes mit dem freien Wasser. Mit abnehmendem Kalkgehalt nahm auch der Temperaturanstieg ab. Diese Reaktion war innerhalb der ersten ein bis zwei Stunden stark ausgeprägt, nahm danach rasch ab. Diese Beobachtungen decken sich mit Angaben in der Fachliteratur (SCHADE, 2006). Durch das Einmischen der Bindemittel findet eine Reduzierung des Wassergehaltes und Bildung einer krümeligen Struktur des Bodengemisches statt. Die vom Kalk gebundene Menge Wasser vergrößert sich bei steigendem Bindemittelgehalt und zunehmender Reaktionszeit. Pro 1% Massenanteil Bindemittel ergab sich zwischen 0,5% und 1% Massenanteil gebundenen Wassers. Proctorversuche Für die nachfolgenden Betrachtungen werden die Ergebnisse der Mischböden (A) und (B), wie oben definiert, herangezogen. Ergebnisse der Mischung (C) lassen sich zwischen denen aus (A) und (B) einordnen und sind hier nicht dargestellt. Die Abb. 3 zeigt die Proctorkurve der unvergüteten Bodenprobe sowie von vergüteten Mischproben für zwei Werte der Reaktionszeit, nämlich nach einer Stunde und nach 24 Stunden. Der aufgetragene Wassergehalt ist der ermittelte Wert nach Ende der Reaktionszeit. Unabhängig von der Art des Bindemittels ist mit zunehmendem Bindemittelanteil eine deutliche Abnahme der maximalen Trockendichte ρ Pr bei gleichzeitig steigendem optimalen Wassergehalt w Pr zu erkennen. Dies ist bei der Mischung (A) und bei längerer Reaktionszeit (24 Stunden) ausgeprägter. Der Einfluss der Reaktionszeit wird auch in Abb. 4 deutlich: Mit zunehmender Reaktionszeit nimmt die Trockendichte in Abhängigkeit des Bindemittelanteils ab, wobei die Verringerung bei dem Mischboden (B) und bei einer Reaktionszeit von einer Stunde am geringsten in Erscheinung tritt. Praxisrelevant ist die Betrachtung zum Wassergehalt: Mit zunehmender Reaktionszeit (innerhalb des betrachteten Zeitintervalls) kann Bindemittel eingespart werden, bei Beibehaltung des erreichbaren Verdichtungsniveaus. Mit zunehmendem Zementanteil im Bindemittel wird zur Reduzierung des Wassergehaltes mehr Bindemittel erforderlich.

5 Die Zugabe von reinem Weißfeinkalk führt im Vergleich zu den Mischbindern zu einer größeren Abnahme der Proctordichte. Der optimale Wassergehalt verschiebt sich in Richtung der nassen Seite der Proctorkurve. Abb. 3: Proctorkurven von unvergüteten und vergüteten Bodenproben bei unterschiedlichen Bindemittelanteilen und Reaktionszeiten. Einaxiale Druckfestigkeit Mit zunehmendem Zementanteil ist die einaxiale Druckfestigkeit abhängig von der Reaktionszeit und der Standzeit der Mischprobe sowie vom Bindemittelgehalt. Abb. 5 zeigt die ermittelten Werte nach einer Standzeit von 28 Tagen für unterschiedliche Bindemittelarten und zwei Reaktionszeiten. Die größten Druckfestigkeiten werden bei dem Mischboden (B) nach einer Reaktionszeit von einer Stunde ermittelt. Mit zunehmender Reaktionszeit nimmt die erreichbare Festigkeit wieder ab. Auffällig ist ebenso, dass bei reinem Kalk als Bindemittel die Festigkeit nur unwesentlich über der des unvergüteten Bodens liegt.

6 Abb. 4: Proctordichte und optimaler Wassergehalt für unvergütete und vergütete Bodenproben bei unterschiedlichen Bindemittelanteilen und Reaktionszeiten. Abb. 5: Einaxiale Druckfestigkeit nach 28 Tagen für unvergütete und vergütete Bodenproben bei unterschiedlichen Bindemittelanteilen und Reaktionszeiten.

7 Steifigkeit Zur Ermittlung einer repräsentativen Steifigkeit für den jeweiligen Mischboden wird die Steigung der Arbeitslinien bis zum Eintreten einer nennenswerten Krümmung (annähernd linearer Bereich) ausgewertet. Der unvergütete Boden zeigt einen E-Modul von ca. 14 MPa. Die Zugabe von Weißfeinkalk führt tendenziell zu einer Abnahme der Steifigkeit (9 MPa bis 15 MPa). Mit zunehmendem Zementgehalt ergibt sich auch eine Zunahme der Steifigkeit. Bei Mischung (B) ergaben sich nach 28 Tagen Werte zwischen 44 MPa und 73 MPa. Eine eindeutige Zuordnung der Steifigkeitszunahme auf die Reaktionszeit und auf den Zementgehalt war jedoch nicht feststellbar. 4 Schlussfolgerungen Folgende Erkenntnisse konnten gewonnen werden: Mit zunehmendem Anteil an reinem Kalk als Bindemittel verringert sich die erzielbare Proctordichte, wobei der Maximalwert der vergüteten Proben bei einer Bindemittelzugabe von 3% und einer Reaktionszeit von einer Stunde auftrat. Bei dem Mischboden (B) wurde die größte Streubreite der Proctordichten festgestellt. Die Zugabe von reinem Weißfeinkalk führt zu keiner Erhöhung der Druckfestigkeit, im Gegensatz zu einer Beimischung von Zement, wo bei kurzer Reaktionszeit eine Erhöhung auf das 5-fache der unvergüteten Probe beobachtet wurde. 5 LITERATUR BRANDL, H.: Der Einfluss des Frostes auf kalk- und zementstabilisierte feinkörnige Böden, Dissertation, Wien, 1967 BUNDESMINISTERIUM FÜR VERKEHR, ABTEILUNG STRAßENBAU: Zusätzliche Technische Vertragsbedingungen und Richtlinien für Erdarbeiten im Straßenbau: ZTVE-StB 09, 2009 FORSCHUNGSGESELLSCHAFT FÜR STRAßEN- UND VERKEHRSWESEN: Merkblatt für Bodenverfestigung und Bodenverbesserungen mit Bindemitteln, FGSV 551, 2004 FORSCHUNGSGEMEINSCHAFT FÜR STRAßEN- UND VERKEHRSWESEN: Technische Prüfvorschriften für Boden und Fels im Straßenbau TP BF-StB, Teil B 11.1, Eignungsprüfung für Bodenverfestigung mit hydraulischen Bindemitteln, Köln, 2005 FORSCHUNGSGEMEINSCHAFT FÜR STRAßEN- UND VERKEHRSWESEN: Technische Prüfvorschriften für Boden und Fels im Straßenbau TP BF-StB, Teil B 11.3, Eignungsprüfung für Bodenverbesserung mit Bindemitteln, Köln, 2010 SCHADE, H.-W.: Untersuchungen zum Reaktionsverhalten von Mischbindemitteln zur Bodenbehandlung, Forschung Straßenbau und Straßenverkehrstechnik, Heft 939, 2006

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