Tragschichten mit vegetationstechnischen Eigenschaften

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1 Tragschichten mit vegetationstechnischen Eigenschaften Begriffsdefinition, Bauweisen und technische Voraussetzungen (03) veröffentlicht in: Straßen- und Tiefbau, Heft 12/03, S. 6 10, und Baustoff Recycling und Deponietechnik, Heft 8/03, S , Giesel Verlag, Isernhagen Autoren: Clemens Heidger/Harald Kurkowski Dr. rer. hort. Heidger, Clemens Landschaftsarchitekt, Ö.b.v. Sachverständiger für Gartenund Landschaftsbau, Herstellung und Unterhaltung Schwerpunkte der beruflichen Tätigkeit: Die Lehre an mehreren Hochschulen und die umfangreichen Forschungs- und Entwicklungs tätigkeiten im Bereich der Vegetationstechnik und der Pflanzenverwendung bilden seit 1986 die Schwer punkte der beruflichen Tätigkeit und sind heute die Grundlage als öffentlich bestellter und vereidigter Sachverständiger. Gremienmitarbeit: Leiter des Arbeitskreises Sanierung von Verkehrsflächen mit Baumbestand der Forschungs gesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen (FGSV), Köln, und der Forschungsgesellschaft Landschaftsentwicklung Landschaftsbau e. V. (FLL), Bonn Mitarbeiter im Arbeitsausschuss Landschafts gestaltung und in den Arbeitskreisen Landschaftspflege in bebauten Gebieten, Grünbrücken und Geokunststoffe für Erosions schutz und als Begrünungshilfe der Forschungs gesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen (FGSV) Weiterhin tätig im Bereich der Deutschen Gesell schaft für Geotechnologie (DGGT) in der Fachsektion 6 Deponien und Altlasten sowie in der DWA-Arbeitsgruppe ES-3.6 Bäume, Kanäle und Leitungen der Deutschen Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall e.v. (DWA) Kontakt: Dr. Clemens Heidger Mardalstraße Hannover Tel Fax dr.heidger@pflanzenverwendung.de

2 Kurkowski, Harald Dipl.-Ing. Dipl.-Wirt.-Ing. (FH), Bauingenieur Geschäftsführer der HK straße und grün GmbH, Soest und der Bimolab GmbH, Soest Schwerpunkte der beruflichen Tätigkeit: Seit 1985 im Bereich der Baustoffproduktion und -verwendung, Güteüberwachung sowie Forschung und Entwicklung von Asphalt, Beton, Gestein körnungen und Vegetationssubstraten tätig Gremienmitarbeit: Stellvertretender Obmann des Arbeitsausschusses Technik und Umwelt des Bundesverbandes der Recycling- Baustoffindustrie e. V. (BRB), Duisburg Wissenschaftlicher Beirat Forschungs vereinigung Recycling und Wertstoffverwertung im Bauwesen e. V. (RWB), Bremen Mitarbeit in diversen Arbeitsgruppen und Arbeitsausschüssen der Forschungsgesellschaft für Straßenund Verkehrswesen (FGSV), Köln, zur Anwendung Industrieller Nebenprodukte und Recycling-Baustoffe im Erdund Straßenbau Mitarbeiter in Arbeitskreisen der Forschungs gesellschaft Landschaftsentwicklung Landschaftsbau e. V. (FLL) für Baumstandorte Kontakt: HK straße und grün GmbH Am Kuhfuß Soest Tel. +49 (0) Fax +49 (0)

3 Clemens Heidger, Harald Kurkowski Tragschichten mit vegetationstechnischen Eigenschaften Begriffsdefinition, Bauweisen und technische Voraussetzungen (03)* Mit Einführung und Inkrafttreten der Empfehlungen für die Planung, Ausführung und Unterhaltung von Flächen aus begrünbaren Pflasterdecken und Plattenbelägen, die von der Forschungsgesellschaft Landschaftsentwicklung Landschaftsbau mit der Ausgabe 03 [1] veröffentlicht wurden, ist erstmals die Tragschicht mit vegetationstechnischen Eigenschaften als Begriff und Baustoff definiert worden. Die neuen Empfehlungen gelten als aktueller Stand der Technik für begrünbare Pflasterdecken und Plattenbeläge. Es werden bau- und vegetationstechnische Anforderungen an die Baustoffe gestellt. Damit ergibt sich die Frage, was sich hinter diesem neuen Baustoff und Begriff verbirgt. Auf der Grundlage durchgeführter Untersuchungen sowie anwendungsbezogener Beispiele wird in diesem Beitrag der Beantwortung dieser Frage nachgegangen. Problemstellung Die bauliche Veränderung der Bodenoberfläche, u. a. durch Verkehrsflächen, steht in direktem Zusammen hang mit zunehmender Bodenversiegelung. Beim Bau einer befestigten Fläche wird der natürliche Wasserhaushalt lokal gestört und die Rück führung von Niederschlagswasser in den natürlichen Wasserkreislauf über den Boden be- oder verhindert. Von der Baustoffindustrie wurden wasser durch lässige Baustoffe und Bauweisen entwickelt. Die Betonwarenindustrie bietet heute auch Pflastersysteme an, die als versickerungsfähig bzw. versickerungsaktiv bezeichnet werden. Drän- und Rasenfugen sowie Steine, die aufgrund eines hohen Porenvolumens selbst luft- und wasserdurchlässig sind, sollen den ober flächigen Abfluss weitgehend verringern. Vielfach werden Bauweisen angeboten, die wasserdurchlässig sind und weiterhin eine Eignung für eine Begrünung bieten. In der Praxis stellt sich in vielen Fällen jedoch kein dauerhafter Begrünungserfolg ein. Damit stellt sich die Frage, wie sich bei funktions gerechter Ausführung bei derartigen versickerungs fähigen Bauweisen eine dauerhafte und pflegeleichte Begrünung erreichen lässt. Hauptproblempunkt bei der Lösung dieser komplexen Aufgabe ist vielfach die Dimensionierung der durchwurzelbaren Zone, die zur Begrünung den Pflanzen als Wasser- und Nährstoffreservoir zur Ver fügung gestellt wird. Beschränkt sich diese doch im Regelfall auf nur wenige Zentimeter Dicke, oftmals sind es nur schmale Fugen oder kleine Öffnungen, die mit einem Substrat verfüllt sind und den Pflanzen als Stand- und Entwicklungsraum dargeboten wird. Bei der Zusammensetzung der Substrate, sofern überhaupt von einem Substrat die Rede sein kann, werden bevorzugt bindige, feinteilreiche humose Mineralstoffgemische eingesetzt. Diese bodenartigen Materialien eignen sich zwar zur Herstellung von Rasenflächen, als Verfüllstoff für durchlässige, begrünte Verkehrsflächen sind sie jedoch gänzlich ungeeignet. Zu einem weiteren Problem, nämlich dem des akuten Wassermangels kommt es in folge der Einhaltung bautechnischer Voraussetzungen. Offene, d.h. wasserdurchlässige Bauweisen, müssen eine ausreichende Dränfähigkeit bzw. eine ausreichende Wasserdurchlässigkeit aufweisen. Das für die bauliche Gestaltung des Straßenoberbaus konventionelle Prinzip, das eindringende Wasser schnellstmöglich aus der Konstruktion abzuleiten, kann bei begrünbaren Deckenbauweisen nicht angewendet werden. Das eingeleitete Wasser dient im erheblichen Maße der Begrünung als Lebensgrundlage. Mit dem eindringenden Wasser werden auch feinste Bodenpartikel in die Konstruktion einge schlämmt oder mit dem Sickerwasser abtransportiert und verlagert. Es kommt zu Veränderungen der Korngrößenverteilung und zu Kornverlagerungen, die der Fachmann mit innerer Erosion oder Suffosions vorgängen umschreibt. Um zum einen die Wasser durchlässigkeit zu gewährleisten und zum anderen Kornein- und -umlagerungen zu vermeiden, ist daher die Einhaltung der Filterregeln unbedingte Voraus setzung für eine funktionierende Bauweise. Dabei sollen sich auch Korngrößenverteilungen der Baustoffe und Schichtenfolgen nicht abrupt ändern, um einem kapillaren Bruch vorzubeugen. Gerade auch kapillar aufsteigendes Wasser ist für die Pflanzen begrünung in Trockenperioden von Bedeutung. Aus diesen Gründen wurde bei der Bearbeitung der FLL- Empfehlungen für die Planung, Ausführung und Unterhaltung von Flächen aus begrünbaren Pflasterdecken und Plattenbelägen [1] die Tragschicht mit vegetationstechnischen Eigenschaften definiert, die wie ihr Name es bereits andeutet, zwei Funktionen gleichzeitig erfüllt. Neben der ausreichenden Trag fähigkeit übernimmt diese auch die Aufgabe eines erweiterten Wurzelraums und stellt damit die Lebensgrundlage der Begrünung sicher. Anforderungen an Tragschichten mit vegetationstechnischen Eigenschaften Laut Definition übernimmt eine Tragschicht die Lasten aller anfallenden Kräfte und leitet diese schadlos in den Untergrund ab. Bei einer Tragschicht mit vegetationstechnischen Eigenschaften kommen als weitere Aufgaben die Bereitstellung von Wurzelraum und die Eigenschaft der Speicherfähigkeit von pflanzenverfügbarem Wasser hinzu. Der korrekten Definition zur Folge ist die Tragschicht mit vege tationstechnischen Eigenschaften der untere Teil des Oberbaus, der zwischen der Decke/Deckschicht und dem Untergrund bzw. Unterbau liegt und aufgrund seiner Zusammensetzung und des Porenvolumens durchwurzelt werden kann. * Dr. Clemens Heidger, ö.b.v. Sachverständiger für Garten- und Landschaftsbau Herstellung und Unterhaltung, Hannover Dipl.-Ing. Dipl.-Wirt.-Ing (FH) Harald Kurkowski, Geschäftsführer der HK straße und grün GmbH, Soest, veröffentlicht in: Straßen- und Tiefbau, Heft 12/03, S und Baustoff Recycling und Deponietechnik, Heft 8/03, S , Giesel Verlag, Isernhagen Seite 1 von 4

4 Bautechnische Voraussetzungen Oberstes Ziel eines jeden neuen Bauwerks ist es eine lange Lebensdauer bei voller Funktionalität und geringem Wartungsbedarf anzustreben. Beeinflussende Faktoren für die einzelne Schicht sind u.a.: Bauweise, Baustoff, Mischung, Schichtdicke und Einbau. Eine größtmöglich anzustrebende Dichte ist die Voraussetzung für eine hohe Tragfähigkeit und diese garantiert i.d.r. eine entsprechende Lebensdauer des Bauwerks. Oberbaukonstruktionen von Verkehrs flächen sollen daher grundsätzlich die Anforderungen der Richtlinien für die Standardisierung des Oberbaus von Verkehrsflächen RStO [2] erfüllen. Gemäß der RStO muss ein Oberbau frostsicher und für den Verkehr ausreichend tragfähig sein. Die Beschaffenheit der zu verwendenden Gesteine bzw. Gesteinskörnungen sind in den Technischen Lieferbedingungen für Mineralstoffe im Straßenbau TL-Min- StB [3] geregelt. Anforderungen an die Korngrößenverteilung und den Einbau sind in den Zusätzlichen Technischen Vertragsbedingungen und Richtlinien für Tragschichten im Straßenbau ZTVT-StB [4] aufgeführt. Die Tragfähigkeit einer Tragschicht wird auch von ihrer Wasserdurchlässigkeit beeinflusst. Bei der Fest legung der Korngrößenverteilung im Hinblick auf die Wasserdurchlässigkeit muss dieser Zusammen hang berücksichtigt werden. Das gilt vor allem im vorliegenden Fall, bei dem gezielt Niederschlagswasser in die Konstruktion abgeleitet wird. Ein großer Grobporenraum, der die erforderliche Wasserdurchlässigkeit garantiert, ist für die Tragfähigkeit des Mineralstoffgemisches von Nachteil. Mit zunehmenden Kornanteil < 2 mm nimmt die Tragfähigkeit im betrachteten Bereich zu, dagegen vermindert sich die Wasserdurchlässigkeit. Vegetationstechnische Voraussetzungen Hauptaufgabe einer Tragschicht ist es, Kräfte die sich aus der Auflast der darüber liegenden Schichten und aus der Verkehrslast ergeben, aufzunehmen und an den Baugrund weiterzuleiten und zu verteilen. Zusätzlich nimmt die Tragschicht eindringendes Sickerwasser auf und führt es schadensfrei dem Baugrund zu. Eine Tragschicht übernimmt im Normalfall keine weiteren Aufgaben mehr, auch keine die auf die Eigenschaften der Begrünung ausgerichtet sind. Dies ist auf das gegenläufige Verhalten zwischen den bautechnischen und den vegetationstechnischen Anforderungen zurückzuführen. Bautechnisch wird eine hohe Tragfähigkeit erwartet, die eine hohe Dichte voraussetzt. Eine große Dichte bedeutet eine Verringerung des Porenraumes und das hat ein schlechtes Pflanzen wachstum zur Folge. Aus vegetationstechnischer Sicht wird aber als Ziel ein gutes Pflanzenwachstum erwartet. Voraussetzung dafür ist ein ausreichend großer Porenraum, der bereitgestellt werden muss. Es gilt die vegetations- und bautechnischen Vor gaben zu optimieren bei gleichzeitiger Betrachtung der Tragfähigkeit und des Porenraums. Die Lösung dieser Aufgabe erfordert eine genaue Abstimmung der Baustoffe/Zusammensetzung der einzelnen Schichten des Oberbaus. Stimmen die Korngrößenverteilungen innerhalb der einzelnen Schichten nicht überein, sind Kornverlagerungen und die damit einhergehende Porenraumverringerung die Folge. Neben der Einhaltung der Aufbau einer Fläche aus begrünbaren Pflasterdecken und Plattenbelägen Begrünte Parkplatzfläche Korngrößen verteilung spielt die Beschaffenheit der Baustoffe eine entscheidende Rolle. Aus vegetationstechnischer Sicht sollten bezüglich des Porenraumes und im Hinblick auf eine hohe Wasserspeicherfähigkeit vorzugsweise offen porige Mineralstoffe eingesetzt werden. Dieses aber steht im Gegensatz zu den Vorgaben der TL- Min-StB [3], die hohe Anforderungen an die Beschaffenheit der Mineralstoffe bezüglich der Kornfestigkeit und Frostbeständigkeit stellt. Offenporige Baustoffe, die aus dem Bereich der Dachbegrünung bekannt sind, mit Ausnahme von Lava und Ziegel- (Recycling-)Baustoffen erfüllen diese Anforderungen nicht. Damit kommen als Ausgangs stoffe zur Verbesserung der vegetationstechnischen Eigenschaften von Tragschichten als mögliche mineralische Komponenten in der Praxis nur offen porige Lava- und/oder RC-Baustoffe aus Ziegel in Betracht, die zur Erhöhung der Wasserspeicherfähigkeit und zur Vergrößerung des Porenvolumens beitragen. Dabei muss eine ausreichende Tragfähigkeit jedoch weiter beachtet werden. Zu einer Verringerung der Tragfähigkeit würde es auch kommen, wenn die Tragschicht ausschließlich aus porösen Mineralstoffen zusammengesetzt würde. Seite 2 von 4

5 Überprüfung der Wirksamkeit einer wasserspeichernden Tragschicht Auszüge der Ergebnisse einer Vergleichsuntersuchung der Eigenschaften zwischen einer konventionell hergestellten Tragschicht ohne Bindemittel (ToB) zu einer Tragschicht mit vegetationstechnischen Eigen schaften sind folgend kurz dargestellt. Als Gesteinskörnungen wurden Basaltlava ( dicht, erfüllt die TL Min) und rezyklierter Ziegel in variierender Kornzusammensetzung als ToB überprüft. Als Referenz und Bezug diente eine Mischung mit ausschließlich Basaltlava. [5] Zur Voruntersuchung wurden 10 Gemischvarianten entwickelt, die wechselnde Anteile an Basaltlava- und Ziegel-RC- Körnungen enthielten. 6 Varianten wurden bei der Vorauswahl verworfen, die verbleibenden 4 Mineralstoffgemische wurden geringfügig modifiziert und für weitere Unter suchungen bereitgestellt. Auswahlkriterium der Voruntersuchung war die Einhaltung des in den Zusätzlichen Technischen Vertragsbedingungen und Richtlinien für Tragschichten im Straßenbau ZTV T-StB [4] vorgegebenen Soll-Sieblinienbereichs für Schottertragschichten. Bei Tragschichten mit vegetationstechnischen Eigenschaften [1] ist der Sieblinienbereich in der Kornfraktion < 0,063 mm gegenüber der ZTV T-StB eingeschränkt worden, da die vegetationstechnischen Eigenschaften einer Tragschicht insbesondere vom Porenvolumen abhängen. Dazu ist der Ton- und Schluffgehalt auf mindestens Stoffgemisch Nr. Referenz 3 M.-% erhöht worden. Dies wirkt sich positiv auf das pflanzenverfügbare Wasser aus. Die Korngrößenverteilungen lagen bei allen vier ausgewählten Gemischen im vorgegebenen Sollsieblinienbereich. Die Variation der Zusammensetzung der Mineral stoffgemische ist in der folgenden Tabelle aufgeführt. Zur Vergleichbarkeit der vegetations technischen Eigenschaften bei Baustoffgemischen für Tragschichten wurde als Beurteilungsmaßstab der Zusammenhang zwischen dem Porenvolumen und der Wasser speicherfähigkeit genutzt. Aus dem gegenläufigen Verhältnis zwischen Verdichtung und Poren volumen sowie der Relation zwischen Porenvolumen und Wasserspeicherfähigkeit, ist die Annahme korrekt, dass eine hohe Wasserspeicherfähigkeit einen großen Porenraum voraussetzt. Die Prüfung der Wasserspeicherfähigkeit bei den vier Tragschichtmaterialvarianten erfolgte nach der FLL-Richtlinie für die Planung, Ausführung und Pflege von Dachbegrünungen [6] im Labor an Stoff proben unter definierter Laborverdichtung nach dem Proctor-Verfahren. Weiterhin wurden die vier Tragschichtvarianten unter geringfügiger Beimengung eines wasserspeichernden Hilfsstoffes analog geprüft. Zur Vergleichbarkeit wurde das Referenzgemisch aus reiner Basaltlava hinzugezogen. Bemessungsgrund lage für die Sieblinienbereiche für eine Schottertragschicht nach ZTVT und für Tragschichten mit vegetationstechnischen Eigenschaften 0/32 [1 und 4] N Basaltlava 0/2 mm Basaltlava 2/8 mm Ausgangsstoffe in M.-% Basaltlava Basaltlava 8/16 mm 16/32 mm Beurteilung der Wasserspeicherfähigkeit sind die Vorgaben der FLL-Empfehlungen für die Planung, Ausführung und Unterhaltung von Flächen aus begrünbaren Pflasterdecken und Plattenbelägen [1]. Danach muss die Wasser speicherfähigkeit einer Tragschicht mit vegetationstechnischen Eigenschaften mindestens Vol.-% betragen und soll 40 Vol.-% nicht überschreiten, um die erforderliche Tragfähigkeit nicht zu gefährden. Wie die Ergebnisse zeigen, erfüllt nur ein einziges Tragschichtgemisch, nämlich die Variante 4 ohne Hilfsstoff die Anforderung von mindestens Vol.-% Wasserkapazität. Die anderen drei Gemische liegen mit 26,6 bis 26,8 Vol.-% in einem eng begrenzten Rahmen, unterschreiten jedoch die Vorgabe. Den geringsten Wert von 21,7 Vol.-% weist das Referenzgemisch aus 100 M.-% Basaltlava auf. Beim Vergleich der Ausgangstoffe wird deutlich, dass die Wasserspeicherfähigkeit maßgeblich durch die Sandfraktion bestimmt wird. Der RC-Ziegelsand ist dem Sand aus Basaltlava im Hinblick auf die Speicherfähigkeit überlegen. Die Vorteile des Recycling-Baustoffes belaufen sich bei gleicher Anwendungs menge auf eine um rund 5 Vol.-% höhere Wasser speicherfähigkeit. Der untersuchte Ziegel-RC-Sand verfügt gegenüber dem Basaltlava-Sand über eine andere Porosität, die in einer höheren Wasser speicherfähigkeit zum Ausdruck kommt. Ziegel-RC 0/ Ziegel-RC 2/8 Zusammensetzung der ausgewählten Bau stoffgemische für Tragschichten mit vegetationstechnischen Eigenschaften Seite 3 von 4

6 Die Behandlung mit dem wasserspeichernden Hilfsstoff führt bei allen Varianten zu einer Erhöhung der Wasserkapazität. Insgesamt ist festzustellen, dass drei von vier Varianten die Vorgabe von mindestens Vol.-% erfüllen. Die Wirkung der Zugabe von Ziegel-RC-Splitt der Körnung 2/8 bei Gemisch 7 lässt sich bei der Untersuchung erklären durch die Ergebnisse der Wasserdurchlässigkeit der verschiedenen Varianten. Gemisch 7 übertrifft mit k f = 3,0 x 10-5 m/s bzw. 1,0 x 10-5 m/s (ohne und mit Hilfsstoff) alle anderen Gemische deutlich. Bezüglich der Wasserdurchlässigkeit konnte festgestellt werden, dass alle Versuchsvarianten die Vorgabe von k f 5,0 x 10-6 m/s erfüllen. Die vom Merkblatt für wasserdurchlässige Befestigungen von Verkehrsflächen [7] gestellte Vorgabe von k f 5,4 x 10-5 m/s kann nur für unbegrünte Decken gelten. Bei begrünten Verkehrsflächen ist diese Forderung dauerhaft nicht einzuhalten. Zusammenfassung und Schlussfolgerung Die Herstellung von Tragschichten mit vege tationstechnischen Eigenschaften ist nach derzeitigem Stand von Wissenschaft und Technik möglich. Eine Anwendung konzentriert sich auf alle begrünbaren Bauweisen. Der für die Begrünung lebensnotwendige Wurzelraum wird vergrößert. Mit konventionellen dichten Mineralstoffen ist eine Eignung allein nicht zu erreichen. Der Einsatz von porösen Mineralstoffen ist dazu erforderlich. Als Komponenten können nur aus reichend kornfeste und witterungsbeständige Mineral stoffe eingesetzt werden. Mit dem Einsatz von rezykliertem Ziegel-Sand lassen sich Ergebnisse erzielen, die hinsichtlich der bau- und vegetationstechnischen Eigenschaften optimiert wurden. Durch die Zugabe wasserspeichernder Hilfsstoffe lässt sich die Wirkung noch weiter erhöhen. Sorgfältig durchgeführte Eignungsprüfungen sind notwendig für den Nachweis der bau- und vegetationstechnischen Eignung der Baustoffe für begrünte Pflasterdecken und Platten beläge. Die Umsetzung der neuen FLL-Empfehlungen für diese Anwendungen werden beitragen heutige Baufehler zu vermeiden. Literatur [1] Empfehlungen für die Planung, Ausführung und Unterhaltung von Flächen aus begrünbaren Pflasterdecken und Plattenbelägen, Forschungsgesellschaft Landschaftsentwicklung Landschaftsbau, Ausgabe 03 [2] Richtlinien für die Standardisierung des Oberbaues von Verkehrsflächen RStO 01, Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen, Köln, Ausgabe 01 [3] Technischen Lieferbedingungen für Mineralstoffe im Straßenbau - TL Min-StB 00, Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen, Köln, Ausgabe 00 [4] Zusätzliche Technische Vertragsbedingungen und Richtlinien für Tragschichten im Straßenbau - ZTVT-StB 95, Forschungsgesellschaft für Straßenund Verkehrswesen, Köln, Ausgabe 01 [5] Heidger, Clemens: Vergleichsuntersuchungen an Tragschichten mit vegetationstechnischen Anforderungen, Hannover 02, unveröffentlicht [6] Richtlinie für die Planung, Ausführung und Pflege von Dachbegrünungen Dachbegrünungsrichtlinie, Forschungsgesellschaft Landschaftsentwicklung Landschaftsbau, Ausgabe 02 [7] Merkblatt für wasserdurchlässige Befestigungen von Verkehrsflächen, Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen, Köln Maximale Wasserkapazität in Vol.-% bei Tragschichten mit vegetationstechnischen Eigenschaften aus Basaltlava und teilweisen Ersatz durch Ziegel-RC Seite 4 von 4