Zementstabilisierte Böden

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1 Zementstabilisierte Böden Neutraubling, 26. Januar 2011 Bodenbehandlung in der neuen ZTV E-StB 09 sowie in den neuen Merkblättern Dr.-Ing. Hans-Werner Schade IfM Dr. Schellenberg, Leipheim

2 Dr.-Ing. Hans-Werner Schade, Albrecht-Dürer Str. 13, Leipheim Bauingenieur, 61 Jahre, verheiratet, 2 Kinder Studium des Bauingenieurwesens an der Technischen Hochschule in Darmstadt Grundbaubüro Prof. Breth / Dipl.-Ing. Romberg, Darmstadt Wissenschaftlicher Mitarbeiter am Lehrstuhl für Bodenmechanik und Grundbau an der TH Darmstadt seit Institut für Materialprüfung Dr. Schellenberg Leipheim, GmbH Promotion an der TH Darmstadt über das Gebiet aus dem Staudammbau "Die Sättigungssetzung von Steinschüttungen" Öffentlich bestellter und vereidigter Sachverständiger für Bodenmechanik, Grundbau, Erdbau einschließlich Deponietechnik bei der IHK für Augsburg und Schwaben Eintragung in die Liste der "Verantwortlichen Sachverständigen für Erd- und Grundbau" bei der Bayerischen Ingenieurekammer - Bau Fachgremien und Verbände: FGSV: Mitarbeiter im AA 5.3, Bodenbehandlung Leiter des AK 5.3.1, Immobilisierung von Schadstoffen Leiter der Bearbeitergruppen: Überarbeitung der TP BF-StB, Teil 11.1 (Bodenverfestigung) und 11.3 (Bodenverbesserung) VSVI: Vorstandsmitglied im VSVI Bayern, Bezirksgruppe Schwaben DGGT: Mitglied in den Fachsektionen Erd- und Grundbau und Kunststoffe in der Geotechnik Lebenslauf 3

3 Bodenbehandlungen in der neuen ZTV E-StB 09 sowie in den neuen Merkblättern Dr.-Ing. Hans-Werner Schade IfM Dr. Schellenberg, Leipheim GBB-Fachtagung, , Neutraubling Inhaltsverzeichnis 1. Vorschriften und Merkblätter für Bodenbehandlungen 2. Neuerungen der Bodenbehandlungen in der ZTVE-StB Merkblatt über die Behandlung von Böden und Baustoffen mit Bindemitteln zur Reduzierung der Eluierbarkeit umweltrelevanter Inhaltsstoffe 4. Neue Prüfvorschriften für Bodenverbesserungen und Bodenverfestigungen 2 1

4 1. Vorschriften und Merkblätter Richtlinien, Vertrags- und Lieferbedingungen ZTV Beton-StB 07, FGSV 899, Ausgabe 2007(alt ZTV Beton-StB 01) ZTV SoB-StB StB 04, FGSV 698, Ausgabe 2004 (alt ZTVT- StB 95/02) ZTV E-StB E 09, FGSV 599, Ausgabe 2009, (alt( ZTV E-E StB 94/97) RStO 01, FGSV 499, Ausgabe 2001 TL BuB E-StB 09, Technische Lieferbedingungen für Böden und Baustoffe für den Erdbau im Strassenbau, FGSV 597, Ausgabe Vorschriften und Merkblätter Technische Lieferbedingungen und Merkblätter Merkblatt über Bodenverfestigungen und Bodenverbesserungen mit Bindemittel, FGSV 551, Ausgabe 2004 Merkblatt über die Behandlung von Böden und Baustoffen mit Bindemitteln zur Reduzierung der Eluierbarkeit umweltrelevanter Inhaltsstoffe, FGSV 560, Ausgabe 2009 Merkblatt zur Herstellung, Wirkungsweise und Anwendung von Mischbindemitteln, (Entwurf 2010, Druck in 2011 geplant) 4 2

5 1. Vorschriften und Merkblätter Technische Prüfvorschriften (alt) TP BF-StB, Teil B 11.1, Eignungsprüfungen bei Bodenverfestigungen mit hydraulischen Bindemitteln, FGSV Ausgabe 2005 TP BF-StB, Teil B 11.5, Eignungsprüfungen bei Bodenverbesserung und Bodenverfestigung mit Feinkalk und Kalkhydrat, FGSV Ausgabe Vorschriften und Merkblätter Technische Prüfvorschriften (neu) TP-BF-StB, Teil B 11.1, Eignungsprüfungen für Bodenverfestigungen mit Bindemitteln, FGSV (Entwurf 2010, Druck in 2011 geplant) TP-BF-StB, Teil B 11.3, Eignungsprüfungen für Bodenverbesserungen, FGSV 591/B 11.3, Ausgabe 2010 TP Beton-StB 10, Technische Prüfvorschriften für Tragschichten mit hydraulischen Bindemitteln und Fahrbahndecken aus Beton, FGSV 892, Ausgabe

6 7 ZTVE-StB Einbau und Verdichten Anforderungen an das Verdichten Bereich Bodengruppen D Pr in % n a in % 1 Planum bis 1,0 m Tiefe bei Dämmen und 0,5 m Tiefe bei Einschnitten GW, GI, GE SW, SI, SE GU, GT, SU, ST ,0 m unter Planum bis Dammsohle GW, GI, GE SW, SI, SE GU, GT, SU, ST 98-3 Planum bis Dammsohle und 0,5 m Tiefe bei Einschnitten GU*, GT*, SU*, ST* U, T, OU 3 ), OT 3 ) ) 8 4

7 ZTVE-StB Einbau und Verdichten Anforderungen an das Verdichten Luftporenanteil < 12%: Gemischt- und feinkörnige Böden bei Bodenverfestigungen und Bodenverbesserungen Luftporenanteil < 6%: Gemischt- und feinkörnige Böden aus veränderlichen festen Gesteinen ohne Bindemittelverbesserung Luftporenanteil < 8%: wasserempfindliche gemischt- und feinkörnige Böden ohne Bindemittelverbesserung 9 ZTVE-StB Planum Querneigung bei wasserempfindlichen Böden und Baustoffen > 4 % Querneigung bei Bodenverfestigungen und qualifizierte Bodenverbesserung > 2,5 % Schutz des Planums wird nicht gesondert vergütet, wenn der AN das Planum und den Oberbau einer Baumaßnahme herstellt 10 5

8 ZTVE-StB Verformungsmodul a) frostsicherer Untergrund Bauklasse SV, I-IV: E V2 > 120 MN/m 2 ; (E vd > 65 MN/m 2 ) Bauklasse V-VI: E V2 > 100 MN/m 2 ; (E vd > 50 MN/m 2 ) b) frostempfindlicher Untergrund E V2 > 45 MN/m 2 ; c) frostempfindlicher Untergrund und qualifizierte Bodenverbesserung E V2 > 70 MN/m 2 im LV ist anzugeben, ob der statische oder dynamische Verformungsmodul nachzuweisen ist 11 ZTVE-StB Bodenbehandlung mit Bindemitteln 12.1 Anwendung Bodenverfestigungen werden in der obersten Zone des Untergrundes oder Unterbaus ausgeführt und können auf die frostsichere Dicke des Oberbodens gem. RStO angerechnet werden (max. 20 cm) Qualifizierte Bodenverbesserungen sind Bodenverbesserungen mit erhöhten Anforderungen und können bei der Herstellung von Dämmen, Böschungen, Hinterfüllungen und auf dem Erdplanum angewendet werden, F3-Boden F2-Boden Bodenverbesserungen werden im Erdbau zur Tragfähigkeitssteigerung und zur Verbesserung der Einbaufähigkeit durchgeführt und können als Technische Sicherungsmaßnahmen für Böden der Einbauklasse 2 (LAGA Z2) angewendet werden 12 6

9 Begriffsbestimmungen der Bodenverbesserung und der Bodenverfestigung a) Bodenverfestigung nach ZTV E und ZTV Beton Boden wird durch Zugabe von Bindemittel dauerhaft tragfähig und frostbeständig im Straßenoberbau (Regelfall) Anforderungen nach TV Beton im Erdbau (auf dem Planum) Anforderungen nach ZTV E 13 ZTV Beton, ZTV E-StB 09 und RSTO 01 Bodenverfestigung im Straßenoberbau (Bauklasse IV, Zone II, Straßenoberbau nach RStO) Standardbauweise mit HGT im Oberbau mit HVT im Erdbau 4 cm AD 4 cm AD 4 cm AD 120 MN/m² 14 cm ATS 120 MN/m² 10 cm ATS 120 MN/m² 15 cm HGT HVT 14 cm ATS 27 cm FSS 47 cm FSS 45 MN/m² 45 MN/m² 36 cm FSS 20 cm HVT (ZTVE) F3 - Boden F3 - Boden F3 - Boden 14 7

10 2.Begriffsbestimmungen : b) Bodenverbesserung im Erdbau nach ZTVE Bodenverbesserungen sind Verfahren zur Verbesserung der Einbaufähigkeit und Verdichtbarkeit Verringerung des Wassergehaltes (D pr %) Erhöhung der Tragfähigkeit (E V2 45 MN/m²) Verbesserung der Witterungsempfindlichkeit (Schutz des Erdplanums) Qualifizierte Bodenverbesserungen können zur Reduzierung der Dicke der Frostschutzschicht herangezogen werden 15 ZTV E-StB 09 + RSTO 01 Qualifizierte Bodenverbesserung im Erdbau (Bauklasse IV, Frosteinwirkung Zone II) Oberbau Oberbau Oberbau 45 MN/m² 55 cm 70 MN/m² 55 cm F2 - Boden 45 MN/m² 65 cm F3 - Boden F3-Boden + 3 M.-% BM F2-Boden F3-Boden 80 cm 16 8

11 ZTVE-StB Bodenbehandlung mit Bindemitteln Bindemittel Zement (DIN EN DIN ) Baukalk (DIN EN 459-1) + Anforderungen an die Reaktionsfähigkeit der Kalke und die Mahlfeinheit) Hydraulischer Boden- und Tragschichtbinder (DIN 18506) Mischbindemittel = Kombination aus genormten hydraulischen Bindemitteln und Baukalk 17 ZTVE-StB Bindemittel Anforderungen an die Reaktionsfähigkeit der Kalke Kalktyp CL 90 CL 80 DL 85 DL 80 Reaktionsfähigkeit t 60 C 25 min t 50 C 25 min t 40 C 25 min t 35 C 25 min 18 9

12 Forschungsvorhaben, Mischbindemittel Temperaturmessungen, Boden TL Weißfeinkalk CEM I 32,5 R Temperatur ( C) 40,0 36,0 32,0 28,0 24,0 20, Reaktionszeit (h) 1% 3% 5% Temperatur ( C) 40,0 36,0 32,0 28,0 24,0 20, Reaktionszeit (h) 1% 3% 5% MB 50/50 MB 30/70 Temperatur ( C) 40,0 36,0 32,0 28,0 24,0 20, Reaktionszeit (h) 1% 3% 5% Temperatur ( C) 40,0 36,0 32,0 28,0 24,0 20, Reaktionszeit (h) 1% 3% 5% 19 Forschungsvorhaben,Mischbindemittel Proctorversuche 1,95 TL (1 Stunde Reaktionszeit) Trockendichte [g/cm 3 ] 1,90 1,85 1,80 1,75 1, Ausgangswassergehalt [M-%] x ohne Bindemittel, 1% WFK, 3% WFK, 5% WFK, 1% CEM I, 3% CEM I, 5% CEM I 20 10

13 100 Schlämmkorn Siebkorn Schluffkorn Sandkorn Kieskorn Ton Fein- Mittel- Grob- Fein- Mittel- Grob- Fein- Mittel- Grob- Steine Massenanteil [%] A B Kalk Zement Mischbindemittel C D E F G ,002 0,006 0,02 0,06 0,2 0,63 2,0 6, Korndurchmesser d [mm] Bereich A ungeeignet, nicht zerkleinerbar Bereich B TA: nur Kalk Bereich C TM, TL, UM: Kalk und MB 50/50 Bereich D GU*, SU*: MB 30/70 und MB 50/50 Bereich E GU, SU: MB 30/70 und CEM Bereich F GW, GI: CEM Bereich G ungeeignet, zu grob 21 ZTVE-StB Bodenbehandlung mit Bindemitteln Bodenverfestigung Kriterien für die Bestimmung der Bindemittelmenge bei der Eignungsprüfung für eine Bodenverfestigung nach der ZTV E mit Eignungsprüfung nach TP BF StB, Teil B 11.1 Zeile Bodengruppe Hebung der Probe Druckfestigkeit 1 2 SU-ST-GU-GT SU*-GU*-UL-UM ST*-GT*-TL-TM-TA l l l l 1 0 / / 00 6,0 N/mm 2 im Alter von 28 Tagen - 3 Böden und Baustoffe nach TL BuB l l 1 0 / 00 6,0 N/mm 2 im Alter von 28 Tagen 22 11

14 ZTVE-StB Bodenbehandlung mit Bindemitteln Qualifizierte Bodenverbesserung (Anforderungen) Bindemittelmenge > 3 M.-% Einaxiale Druckfestigkeit (28 Tage) > 0,5 N/mm² oder CBR-Wert > 40 % Festigkeitsabfall infolge Wasserlagerung < 50 % E V2 > 70 MN/m² auf dem Planum

15 3. Merkblatt Immobilisierung Einbauklassen gemäß LAGA M 20 Zuordnungswert (Obergrenze der Einbauklasse) Z 0 Z 1 Z 2 Z 3 Z 4 Z 5 Verwertung Ablagerung in Deponien Einbauklasse 0 Einbauklasse 1 Einbauklasse 2 Deponieklasse I Deponieklasse II Deponieklasse III uneingeschränkter Einbau 1 offener eingeschränkter Einbau 1 Diese Einbauklasse gilt nur für die Verwertung in bodenähnlichen Anwendungen (Verfüllung von Abgrabungen und Abfallverwertung im Landschaftsbau außerhalb von Bauwerken) eingeschränkter (AbfAblV/DepV) Einbau mit definierten technischen Sicherungsmaßnahmen (AbfAblV/DepV) (DepV) Merkblatt Immobilisierung 2. Anwendungsbereich umweltrelevante Inhaltsstoffe in Böden und Baustoffe der Einbauklasse 2 werden durch Zugabe von Bindemittel in stabile, schwer lösliche Verbindungen umgewandelt, so dass diese aufgrund der Eluierbarkeit in die Einbauklasse 1 eingestuft werden können umweltrelevante Inhaltsstoffe liegen in Böden und Baustoffen vor, wenn diese geogen oder anthropogen bedingte hohe Gehalte oder Konzentrationen schädlicher Inhaltsstoffe aufweisen und nicht im offenen Einbau im Erdbau wiederverwendbar sind 26 13

16 3. Merkblatt Immobilisierung 4.4 Bindemittel Zement (DIN EN DIN ) Baukalk (DIN EN 459-1) Hydraulische Böden- und Tragschichtbinder (DIN 18506) Mischbindemittel (Kombination aus genormten hydraulischen Bindemitteln und Baukalken) Merkblatt Immobilisierung 5.1 Wirkmechanismen Verringerung der Wasserlöslichkeit des Schadstoffes (z.b. durch Veränderung des ph-wertes) Verringerung der Flüchtigkeit von Schadstoffen (z.b. durch Adsorption an einen Zusatzstoff wie Aktivkohle) Reduktion der Zutrittsmöglichkeit von Wasser zum Schadstoff Bildung stabiler nicht wasserlöslicher Verbindungen sowie Einbau von Stoffen, z.b. Schwermetallen, in das Kristallgitter 28 14

17 3. Merkblatt Immobilisierung Chemisches Immobilisationspotential Fällung von schwer löslichen Hydroxiden infolge des hohen ph- Wertes Absorption von Ionen in und an den großen Oberflächen der Calciumsilikathydrat-(CSH)- Phasen Einbau von Schadstoffen in Schichten der kristallinen Hydratationsprodukte Zugabe von speziell modifizierter Organo- Tone oder Adsorbentien (z.b. Aktiv- Kohle oder modifizierte Bentonite) für bestimmte organische Schadstoffe Merkblatt Imobilisierung Physikalisches Immobilisationspotential Einkapselung in einem homogenen dichten und langzeitbeständigem Gefüge Voraussetzungen: detaillierte Kenntnis des Chemismus der Inhaltsstoffe Einsatz in Bereichen, in denen keine schädliche Verunreinigung des Grund- und Oberflächenwassers stattfindet und Absprache mit den zuständigen Fachbehörden Eignungsprüfung zur Festlegung des Bindemittels, der Bindemittelmengen und der Arbeitsweise ist zwingend erforderlich Qualität ist durch Eignungsprüfungen, Eigenüberwachungsprüfungen und Kontrollprüfungen sicher zu stellen 30 15

18 3. Merkblatt Imobilisierung 8. Anforderungen Verdichtungsgrad D pr 98 % Bindemittelgehalt 3 M.-% Umweltrelevante Anforderungen 31 Messwert 1 Messwert 2 Grenzwert nach TL Gestein-StB Grenzwert berechnet Messwert 3 Untersuchungsverfahren Mod. DEV S4 Trogverfahren Mod. DEV S4 Trogverfahren Trogverfahren Material Ausgangsmaterial Ausgangsmaterial RC-1 RC-1 Baustoff- Bindemittelgemisch z.b. Chrom (μg/l) * 0,75 * 0,75 22,5 18 P 32 16

19 33 TP BF-StB, Teil B Anwendungsbereich Eignungsprüfung für Bodenverbesserung und qualifizierte Bodenverbesserung im Erdbau 2. Begriffsbestimmungen Bodenverbesserung mit Bindemitteln sind Verfahren zur Verbesserung der Einbaufähigkeit und Verdichtbarkeit von Böden Qualifizierte Bodenverbesserung sind Bodenverbesserung mit Bindemitteln mit erhöhten Anforderungen 34 17

20 TP BF-StB, Teil B Probenahme sachgerechter Probentransport Bodenansprache auf der Baustelle und Bodenklassifikation nach DIN Einzelproben oder repräsentative Sammelprobe Probemenge ca kg Boden, ca kg Bindemittel und ca Liter Wasser 35 TP BF-StB, Teil B Eignungsprüfung rechtzeitig vor Baubeginn Zeitdauer für EP für Bodenverbesserung ca. 5 Tage Zeitdauer für EP für qualifizierte Bodenverbesserung ca. 2 5 Wochen 36 18

21 TP BF-StB, Teil B Eignungsprüfung 37 TP BF-StB, Teil B Eignungsprüfung Tabelle 2: Bodenspezifische Erfahrungswerte für die mittlere Bindemittelmenge bei Bodenverbesserungen und qualifizierten Bodenverbesserungen 38 19

22 TP BF-StB, Teil B Eignungsprüfung Tabelle 3: Reaktionszeiten der Bindemittel Bindemittel Reaktionszeit - Std. Zement (ohne CEM III) 1 Hydraulischer Tragschichtbinder, CEM III 2 Hydraulischer Kalk Mischbindemittel 4 4 Baukalk 6 39 TP BF-StB, Teil B Eignungsprüfungen Festigkeitsbestimmungen durch einaxiale Druckversuche oder CBR-Versuche ( 100 mm bei Größtkorn 16 mm bzw. 150 mm bei Größtkorn 32 mm) Dpr = 100 % Probenlagerung unter kontrollierten Bedingungen (Temperatur, Wassergehalt) 40 20

23 TP BF-StB, Teil B Prüfbericht (Gliederung) 1. Auftrag und Bauvorhaben 2. Angaben zur Probenahme - Boden (die Niederschrift zur Probenahme gemäß Anhang 2 ist als Anlage beizufügen) - Bindemittel (Bezeichnung und Herkunft) - Wasser 3. Bodenuntersuchungen - Bodenansprache - Wassergehalt - Korndichte - Korngrößenverteilung - Zustandsgrenzen - Proctordichte und optimaler Wassergehalt - Glühverlust - Schädliche Bestandteile 41 TP BF-StB, Teil B Prüfbericht (Gliederung) 4. Bindemitteluntersuchungen (ggf. entsprechend den Normen in Anhang 1) 5. Wasseruntersuchungen 6. Untersuchung des Boden-Bindemittel-Gemisches - Angaben zur Probenvorbereitung / -mischung - Proctorversuch - Einaxiale Druckfestigkeit mit Angaben zur Probenherstellung und Probenlagerung sowie Trockendichte und Wassergehalt nach dem Versuch - CBR-Versuch mit Angaben zur Probenherstellung und Probenlagerung sowie Trockendichte und Wasserlagerung nach dem Versuch 7. Berechnung des erforderlichen Bindemittelgehalts 8. Beurteilung 42 21

24 TP BF StB, Teil B 11.3, Anhang 2 43 TP BF StB, Teil B 11.3, Anhang

25 TP BF StB, Teil B 11.3, Anhang