FESTIGKEITSENTWICKLUNG BINDEMITTELN VON BODENBEHANDLUNGEN MIT INHALT. M.Eng. Aline Kenzler. 1. Begriffsbestimmungen. 2.

Transkript

1 FESTIGKEITSENTWICKLUNG VON BODENBEHANDLUNGEN MIT BINDEMITTELN M.Eng. Aline Kenzler Ingenieurbüro Küchler GmbH Ferdinandstr Rostock INHALT 1. Begriffsbestimmungen 2. Bindemittel 3. Festigkeitsentwicklungen der Boden-Bindemittel-Gemische 4. Störende Faktoren 5. Laboruntersuchungen 6. Zusammenfassung

2 1. BEGRIFFSBESTIMMUNGEN 1. BEGRIFFSBESTIMMUNGEN Bodenbehandlungen mit Bindemitteln Bodenverbesserung Qualifizierte Bodenverbesserung Bodenverfestigung Kurzfristige Verfahren zur Verbesserung der Einbaufähigkeit, Tragfähigkeit und Verdichtbarkeit Erhöhte Anforderungen an bestimmte Eigenschaften wie z.b. Tragfähigkeit, Scherfestigkeit, Erosionswiderstand, Frostbeständigkeit und Verformungsverhalten Verfahren zur Erhöhung der Widerstandsfähigkeit des Bodens gegen Belastungen bzw. Beanspruchungen aus Verkehr, Wasser und Klima 2. BINDEMITTEL 2. BINDEMITTEL Bindemittelgehalte liegen bei Bodenverbesserungen zwischen 1 bis 6 M.-%, bei Bodenverfestigungen zwischen 4 und 12 M.-% KALK Baukalk(Luftkalk, Hydraulischer Kalk) geeignet für fein- und gemischtkörnige Böden Hauptanwendung: Bodenverbesserung, Vorbehandlungen von geplanten Bodenverfestigungen 2.2. ZEMENT Portland-, Portlandölschiefer-, Hochofenzemente hydrophobiert erhältlich geeignet für alle grob-, gemischt- und feinkörnigen Böden 2.3 WEITERE BINDEMITTEL Mischbindemittel Hydraulische Tragschichtbinder Bituminöse Bindemittel Spezialbindemittel

3 3. FESTIGKEITSENTWICKLUNG DER BODEN-BINDEMITTEL-GEMISCHE 3. FESTIGKEITSENTWICKLUNG DER BODEN-BINDEMITTEL-GEMISCHE Bodenverbesserungs-und Verfestigungsverfahren verändern Haftfestigkeit zwischen den einzelnen Körnern und beeinflussen so Kohäsion bei grobkörnigen Böden: Bindemittel verklebt die Körner künstliche Kohäsion, Anstieg der Scherfestigkeit bindigeböden: Tragfähigkeit beruht auf Kohäsion, jedoch stark abhängig vom Wassergehalt 3.1. TONE unverfestigtesedimentgesteine, Partikel <20µm, Verhältnis Oberfläche zu Volumen sehr groß Tonminerale enstehenaus Verwitterung von Silikatgesteinen, weisen Schichtung auf Eigenschaften: großes Ionenaustauschvermögen, Aggregatbildung, puzzolane Eigenschaften, unterschiedlich großes Wasseraufnahmevermögen Auswirkungen auf Plastizität, Quellverhalten 3. FESTIGKEITSENTWICKLUNG DER BODEN-BINDEMITTEL-GEMISCHE 3.2. BODEN-KALK-GEMISCH Kalk ruft Kurzzeiteffekte (Bodenverbesserung) und Langzeiteffekte (Bodenverfestigung) hervor (Witt, Karl-Josef: Zement-Kalk-Stabilisierung von Böden, Bild 5, S.6) Kurzzeiteffekte beruhen auf Veränderung des Wassergehaltes Tonteilchen agglomerieren: Boden wird krümelig

4 3. FESTIGKEITSENTWICKLUNG DER BODEN-BINDEMITTEL-GEMISCHE Langzeiteffekte Aktivierung puzzolanischerreaktionen durch die Tonteilchen: Hydraulische Erhärtung Carbonatisierung Gelartige Füllung im Porenraum (Witt, Karl-Josef: Zement-Kalk-Stabilisierung von Böden, Bild 4, S.6) 3. FESTIGKEITSENTWICKLUNG DER BODEN-BINDEMITTEL-GEMISCHE 3.3. BODEN-ZEMENT-GEMISCH Zementerhärtung ist komplexer Vorgang aus Hydrolyse- und Hydratationsvorgängen gliedert sich in Primäre und Sekundäre Reaktionen Primäre Reaktionen Hydratation der Hauptkomponenten des Zementes (C 3 S, C 2 S, C 3 A, C 4 A) zu Calciumhydrat, Calciumsilikat und Calciumaluminat Skelettartige Struktur (Ton-Zement) mit Ton-Matrix Zementsteinskelett im Porenraum (Witt, Karl-Josef: Zement-Kalk-Stabilisierung von Böden, Bild 2, S.4)

5 3. FESTIGKEITSENTWICKLUNG DER BODEN-BINDEMITTEL-GEMISCHE Sekundäre Reaktionen Calciumhydrataus der Zementhydratation reagiert mit Silikaten und Aluminaten aus den Tonteilchen Verkittung Carbonatisierung des Kalkanteils Erhärtung 4. STÖRENDE FAKTOREN 4. STÖRENDE FAKTOREN Erhärtungsstörende Stoffe können im Boden, Poren-oder Anmachwasser auftreten beeinträchtigen die Verfestigung der Bindemittel oder die Dauerhaftigkeit der Bodenbehandlungen 4.1. SULFATE beeinflussen puzzolanische Reaktionen des Boden-Bindemittel-Gemisches Sulfatträger: Gips, Eisensulfat Bei Sulfatreaktion bilden sich Ettringit und Thaumasit Ettringitnimmt stark an Volumen zu Quelldruck führt zu Hebungen Ettringit-Schadensbild (Tiefbau 2001, Heft 10, Abb. 3, S. 681)

6 4. STÖRENDE FAKTOREN 4.2. ORGANISCHE BEIMENGUNGEN verzögern die Erhärtung des Boden-Bindemittel-Gemisches können Dauerhaftigkeit beeinflussen Unterscheidung in Huminstoffe und Nichthuminstoffe Huminstoffehaben großes Ionenaustauschvermögen können Wasser und Ionen an ihrer Oberfläche anlagern Unterscheidung nicht über chemischen Aufbau sondern über Eigenschaften Nach Wasserlöslichkeit Unterscheidung in: Humine Huminsäuren Fulvosäuren Bei Kalkbehandlung lagern Huminstoffedie Ca-Ionen an Aufhebung der Wirkung Bei Zementbehandlungen Anlagerung der Ca-Ionen aus Zementhydratation Gel umschließt Zementteilchen geringere Anfangsfestigkeit 4. STÖRENDE FAKTOREN 4.3. STOFFE IM WASSER Wasser in der Natur ist im Normalfall für Verfestigungen und Verbesserungen geeignet Gebirgs- und Quellwässer enthalten gelegentlich Kohlensäure und Sulfat Moorwasser kann Huminsäuren, Sulfat und Kohlensäure enthalten Meerwasser enthält hohe Mengen an Magnesium- und Sulfat-Ionen Saure Wässer mit niedrigem ph-wert (Huminsäuren, Schwefelsäuren) Weiche Wässer lösen durch geringen Salzgehalt ebenfalls Calciumhydroxidaus Kalk und Zement

7 5. LABORUNTERSUCHUNGEN 5. LABORUNTERSUCHUNGEN Untersuchungen an zwei verschieden Böden im Hinblick auf die Festigkeitsentwicklung 5.1. UNTERSUCHUNGEN AM BODEN Boden A: OH Boden B: SU* Sieblinienvergleich (eigene Darstellung) 5. LABORUNTERSUCHUNGEN Farbgebung NaOH-Test Boden A (eigene Aufnahme) Farbgebung NaOH-Test Boden B (eigene Aufnahme) gemäß Regelwerk: für eine Bodenbehandlung mit Bindemittel: ungeeignet geeignet 5.2. UNTERSUCHUNGEN AM BINDEMITTEL Bindemittel: Tragschichtbinder 32,5 E (Hersteller: Schwenk Zement KG Werk Bernburg) Normdruckfestigkeit: 7 Tagen: 27,8 N/mm² Soll: 16 N/mm² 28 Tagen: 50,3 N/mm² Soll: 32,5-52,5 N/mm²

8 5. LABORUNTERSUCHUNGEN 5.3. UNTERSUCHUNGEN AM BODEN-BINDEMITTEL-GEMISCH 3 verschiedene Bindemittelgehalte je Boden: 3 %, 5 %, 7 % Proctorversuch zur Ermittlung des opt. Wassergehaltes Herstellung von 36 Probekörpern, 18 je Boden 6 je Bindemittelgehalt jeweils drei 28 d Feuchtraumlagerung, 27 d Feuchtraumlagerung + 24 h Wasserbad Druckfestigkeitsprüfung nach 28 Tagen durch einaxialen Druckversuch Feuchtraumlagerung der Boden-Bindemittel-Gemische (eigene Aufnahme) 5. LABORUNTERSUCHUNGEN 5.3. UNTERSUCHUNGEN AM BODEN-BINDEMITTEL-GEMISCH Vergleich der Druckfestigkeiten Boden A (eigene Aufnahme) Vergleich der Druckfestigkeiten (eigene Darstellung) Boden B (eigene Aufnahme)

9 6. ZUSAMMENFASSUNG 6. ZUSAMMENFASSUNG Boden A wurde zunächst im NaOH-Test für eine Bodenbehandlung mit Bindemittel als ungeeignet eingestuft Scherfestigkeit konnte durch eine Bindemittelzugabe dennoch stark erhöht werden ZTV E StBfordert für eine qualifizierte Bodenverbesserung im Planum einen Mindestbindemittelgehalt von 3 %. Im untersuchten Fall wären diese 3% bei der Bauaufgabe für beide Böden maßgebend Nachweis der Eignung der humos verunreinigten Böden kann nur über Eignungsuntersuchung erfolgen, die ggf. bereits im Rahmen der Planung/Baugrundbegutachtung stattfinden sollte Potenzial der wiederverwendbarenausbaumassen zu erkennen: geringerer Mutterbodenabtrag, Reduzierung der Liefermengen 6. ZUSAMMENFASSUNG 6. ZUSAMMENFASSUNG Auswirkungen für die Praxis Dauer der Eignungsprüfung für Bodenbehandlung gem. ZTV E StB: Bodenverbesserung: 1-2 Wochen Qualifizierte Bodenverbesserung: 4-5 Wochen Bodenverfestigung: >8 Wochen Verkürzung der Prüfdauer führt in der Regel zu hohem Bindemittelgehalt (Wirtschaftlichkeit) liegt eine Voruntersuchung im Umfang der Eignungsprüfung vor, z.b. im Rahmen des Baugrundgutachtens, so kann die Dauer der Eignungsprüfung verkürzt und die optimale Bindemittelart für den Boden vorgegeben werden Danke für Ihre Aufmerksamkeit!