Wirkmechanismen und Effekte der Bodenstabilisierung mit Bindemitteln

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1 Wirkmechanismen und Effekte der Bodenstabilisierung mit Bindemitteln Karl Josef Witt Einführung Ausgangsmaterial Boden Wirkmechanismen Boden und Kalk Boden und Zement Boden und Mischbinder Was ist zu tun? GBB Fachtagung Bodenstabilisierung im Verkehrswegebau 1

2 Baustoff Boden Verbesserung Verbesserung der Einbaubedingungen und der Verdichtbarkeit Erleichterung der Bauarbeiten Krümelbildung, Wassergehalt, Plastizität, Verdichtungseigenschaften qualifizierte Bodenverbesserung Verfestigung Erhöhung der Widerstandsfähigkeit des Bodens gegen Beanspruchungen aus Verkehr und Klima Volumenbeständigkeit, Tragfähigkeit, Wasser- und Frostempfindlichkeit Stabilisierung = Verfestigung mit Bindemitteln GBB Fachtagung Bodenstabilisierung im Verkehrswegebau 2

3 Bindemittel Kalk (Baukalke DIN ; 1; DIN EN 459) Feinkalk Kalkhydrat Hochhydraulische Kalke Zement (DIN , 1, DIN EN 197) PZ (CEM I), EPZ, TrZ, (CEM II), HOZ (CEM III) Hydrophobierte Zemente Tragschichtbinder Mischbinder auf Kalk-Zement Zement-Basis + Additiv(e), + BFA, + GBB Fachtagung Bodenstabilisierung im Verkehrswegebau 3

4 Empirische Anwendungsgrenzen 100 Ton Schluff U Sand S Kies G B Branntkalk und Kalkhydrat Σ D [ % ] Zement 0 0,002 0,006 0,02 0,06 0,2 0, Korndurchmesser d [mm] GBB Fachtagung Bodenstabilisierung im Verkehrswegebau 4

5 Bauaufgabe? E 1 E 0 h 1 Tragfähigkeit Planum E 2 E0 = 0, 87 3 E 2 1 E 2 h r 1 0 E 2 Steifigkeit und Stärke der Tragschicht GBB Fachtagung Bodenstabilisierung im Verkehrswegebau 5

6 Bauaufgabe? Einwirkung Klima? Frostsicherheit, Erosionssicherheit, Rißsicherheit Beständigkeit des Unterbaus GBB Fachtagung Bodenstabilisierung im Verkehrswegebau 6

7 Bauaufgabe? Setzungen Untergrund, Grundbruchgefahr s u Erhöhung Steifigkeit und Scherparameter gleichmäßige Spannungsverteilung GBB Fachtagung Bodenstabilisierung im Verkehrswegebau 7

8 Eigensetzungen Damm Bauaufgabe? Erhöhung Dammsteifigkeit s E GBB Fachtagung Bodenstabilisierung im Verkehrswegebau 8

9 Bauaufgabe? Böschungsstandsicherheit Erhöhung Scherfestigkeit Damm GBB Fachtagung Bodenstabilisierung im Verkehrswegebau 9

10 ...weitere Bauaufgaben Verwertung des anfallenden Aushubs Quell- und Schrumpfverhalten Erddruck auf Widerlager Widerstand gegen dynamische Einwirkung Überbrückung von Gräben, Steifigkeitsausgleich Verfüllen von Leitungsgräben Verringerung der Wasserdurchlässigkeit Immobilisierung von Schadstoffen...es gibt zwei Betrachtungsebenen: Interaktion und Verhalten GBB Fachtagung Bodenstabilisierung im Verkehrswegebau 10

11 Ausgangsmaterial: Bodenstruktur gasförmig z. B. n flüssig 1-n fest 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 % GBB Fachtagung Bodenstabilisierung im Verkehrswegebau 11

12 Ausgangsmaterial: Mikro - Struktur z. B. 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 % GBB Fachtagung Bodenstabilisierung im Verkehrswegebau 12

13 Ausgangsmaterial: Mikro - Struktur z. B. 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 % GBB Fachtagung Bodenstabilisierung im Verkehrswegebau 13

14 Einflußparameter Bindekräfte Boden Bindekräfte Kapillarspannung Dipol-Dipol-Wechselwirkungen Wasserstoffbrückenbindung Van der Waalskräfte Effekte Wasserbindevermögen Austauschvermögen Quellvermögen Adsorptionsvermögen GBB Fachtagung Bodenstabilisierung im Verkehrswegebau 14

15 Einflußparameter Mineralogie Tonminerale Schichtsilikate, Partikelgröße < 20 μm Blättchen 2-50 nm Zweischichtsilikate - Kaolingruppe 1:1 nicht quellfähig, keine Schichtladung, keine Zwischenschichtkationen. Dreischichtsilikate 2:1 Glimmer-Illit-Gruppe nicht quellfähig Smectitgruppe quellfähig (z.b Mont.) Oberfläche meist negativ geladen, Zwischenschichtkationen GBB Fachtagung Bodenstabilisierung im Verkehrswegebau 15

16 Streubreite der Eigenschaften Kaolinit Montmorillonit Fließgrenze w L [%] Ausrollgrenze w P [%] Plastizität I P [%] Wasseraufnahme w b [%] Reibungswinkel ϕ [ ] Kohäsion c [kn/m²] Schichtabstand [nm] 0,7 1-2 spez. Oberfläche [m²/g] KAK [mmol(eq)/100 g] GBB Fachtagung Bodenstabilisierung im Verkehrswegebau 16

17 Einflußparameter Mineralbestand SiO 2 Quarz Siliziumoxid Al 2 O 3 Korund, Tonerde Aluminiumoxid Fe 2 O 3 Hämatit Eisen (III) Oxid MgO; MgCO 3 CaO; CaCO Magnesiumoxid, Magnesiumkarbonat Calciumoxid, Calciumkarbonat Sulfatträger...SO 4 Sulfidische Minerale Magnesiumsulfat, Gips, Anhydrit, Baryt, FeS 2 Pyrit, Markasit, Kupferkies. Organsche Anteile GBB Fachtagung Bodenstabilisierung im Verkehrswegebau 17

18 Bodenreaktion mit Kalk Kurzzeitreaktion des Weißkalkes CaO + H 2 O Ca (OH) 2 + Wärme Branntkalk + Wasser Kalkhydrat + 15,3 kcal Langzeitreaktion des Kalkhydrates = Verkittung Ca (OH) 2 Ca (OH) - Tonminerale + gelöschter Kalk Mineralumbildung Kationenaustausch Brückenbildung Puzzolanische Reaktionen (SiO 2 + Ca(OH) 2 ) Karbonat (mit CO 2 ) GBB Fachtagung Bodenstabilisierung im Verkehrswegebau 18

19 Bodenreaktion mit Kalk Sofortreaktion, Anfangsstadium Gelstadium Neolithstadium Karbonat Zeit [ Tage ] GBB Fachtagung Bodenstabilisierung im Verkehrswegebau 19

20 Bodenreaktion mit Kalk ρ d = 1,71 g/cm³ w = 18 % = w Pr S R = 87 % n = 34,3 % 4 % Kalkhydrat nach 4 Tagen GBB Fachtagung Bodenstabilisierung im Verkehrswegebau 20

21 Bodenreaktion mit Kalk ρ d = 1,71 g/cm³ w = 18 % = w Pr S R = 87 % n = 34,3 % 4 % Kalkhydrat nach 4 Tagen GBB Fachtagung Bodenstabilisierung im Verkehrswegebau 21

22 Ausgangsmaterial: Mikro - Struktur z. B. 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 % unvergütet GBB Fachtagung Bodenstabilisierung im Verkehrswegebau 22

23 Effekte mit Kalk Krümelbildung Schluff Sand/Kies Aggregate 100 Σ D [ % ] 0 Ton Schluff U Sand S Kies G B Ausgangsboden Verbesserter Boden Cabane et al ,002 0,006 0,02 0,06 0,2 0, Korndurchmesser d [mm] GBB Fachtagung Bodenstabilisierung im Verkehrswegebau 23

24 Effekte mit Kalk Verdichtungseigenschaften, Sofortreaktion 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 GBB Fachtagung Bodenstabilisierung im Verkehrswegebau 24

25 Effekte mit Kalk 1,76 g/cm³ 1,68 g/cm³ 1,63 g/cm³ Trockendichte 0 % 1 % 3 % Weitere Sofortreaktionen Verringerung des Wassergehaltes Strukturänderung 15 % 17,3 % 20,1 % Wassergehalt Erhöhung Ausrollgrenze Reduzierung I P Erhöhung I C GBB Fachtagung Bodenstabilisierung im Verkehrswegebau 25

26 Effekte mit Kalk cm WS 10 7 pf 7 soil water clay soil water tension , ,2 2,5 1,8 nfk (sand) silt sand nfk (silt) nfk (clay) < 0,2 μm pore size > 50 μm leachate capillary water quick slow field capacity useable field capacity water content [vol %] GBB Fachtagung Bodenstabilisierung im Verkehrswegebau 26

27 Effekte mit Kalk proctor and drop test silt 1,8 1,6 proctor silt drop test silt proctor silt + 1 M% lime proctor silt + 3 M% lime proctor silt + 5 M% lime drop test silt + 1 M% lime drop test silt + 3 M% lime drop test silt + 5 M% lime dry density [g/cm³] 1,4 1,2 1,0 0,8 0, water content (silt + lime) [M%] GBB Fachtagung Bodenstabilisierung im Verkehrswegebau 27

28 Langzeitreaktion mit Kalk Puzzolanreaktionen mit Quarz und Tonerde bei ph 13-14, Beginn > 28d moderate Festigkeit Ca (OH) - + SiO 2 CSH Ca (OH) - + Al 2 O 3 CAH Vorsicht! Ettringitaufwuchs mit Sulfaten und Sulfiden bei ph Quellen, Zerstörung GBB Fachtagung Bodenstabilisierung im Verkehrswegebau 28

29 Bodenreaktion mit Kalk Feinteilgehalt, Wassergehalt, Mineralbestand, Plastizität, KAK, w b Definition der benötigten Parameter Zylinderdruckfestigkeit q u, Kohäsion c, Steifigkeit E S, E V, Quellen Reaktionszeit? Faustformel Feinkalk bei fein- und gemischtkörnigen Böden w > w Pr Kalkhydrat bei fein- und gemischtkörnigen Böden w w Pr Hochhydraulische Kalke bei grob- gemischtkörnigen Böden Verbesserung 2 bis 4 % Feinkalk Verfestigung 4 bis 8 % Feinkalk oder Kalkhydrat 4 bis 12 % Hochhydraulischer Kalk Eignungsprüfung nach FGSV: TP BF-StB, Teil B 11.5 Eignungsprüfungen bei Bodenverbesserungen und Bodenverfestigungen mit Feinkalk und Kalkhydrat, Technische Prüfvorschriften GBB Fachtagung Bodenstabilisierung im Verkehrswegebau 29

30 Einfluß auf die Druckfestigkeit 0.5 Verfestigung mit Kalkhydrat 28 Tage Wasserlagerung Zylinderdruckfestigkeit β 28 d [ N/mm 2 ] KALK Buntsandstein Keuperlehm Hanglehm Porphyr q q Bindemittel [%] GBB Fachtagung Bodenstabilisierung im Verkehrswegebau 30 u = 0 K * V Ca

31 Dosis - Zeit - Effekt bei Kalk q ( t ) q ( t ) A * u 2 = u 1 + MCa ln( t2 t1 ) GBB Fachtagung Bodenstabilisierung im Verkehrswegebau 31

32 Dosis - Zeit - Effekt bei Kalk q u ( t ) q ( t ) A * 2 = u 1 + MCa ln( t t 2 1 ) hier, Lößlehm + Kalkhydrat: A* = 0,037 Aktivitätskonstante A* = f (X 1, X 2, X 3,.) X i : Bindemittel, Mineralbestand Boden, Mischbedingungen, ph-wert, Temperatur, Lagerung, Wasserdargebot, Wasserdurchlässigkeit, Verdichtung.. GBB Fachtagung Bodenstabilisierung im Verkehrswegebau 32

33 Einfluß auf die Scherfestigkeit GBB Fachtagung Bodenstabilisierung im Verkehrswegebau 33

34 Bodenreaktion mit Zement Wirkungsweise = Fixierung und Strukturbildung Umhüllen der Körner mit Zementleim Verteilung? Hydratation - Kristallisation starke Verfestigung! Verarbeitungsdauer, Wasserdargebot Zemente, auch hydrophobiert Faustformel GE -SE-GW-SW-GU-SU-GU*-SU*-UL-TL-UM-TM 3% 5% 8% 12% 15% Eignungsprüfung nach FGSV: TP BF-StB, Teil B 11.1 Eignungsprüfungen bei Bodenverfestigungen mit Zement, Technische Prüfvorschriften.. GBB Fachtagung Bodenstabilisierung im Verkehrswegebau 34

35 Bodenreaktion mit Zement ρ d = 1,76 g/cm³ w = 17,3 % S R = 90 % n = 33,6 % 4 % CEM I nach 4 Tagen GBB Fachtagung Bodenstabilisierung im Verkehrswegebau 35

36 Bodenreaktion mit Zement Quarzkörner Porenwasser Sekundärhydratation in Aggregaten Primärhydratation Tonpartikel, ungebunden GBB Fachtagung Bodenstabilisierung im Verkehrswegebau 36

37 Bodenverhalten mit Zement 10 Verfestigung mit Zement 28 Tage Wasserlagerung Zylinderdruckfestigkeit β 28 d [ N/mm 2 ] Kies, schluffig Keuper Granit Porphyr Sand, schluffig Löß Bindemittel [%] ZEMENT GBB Fachtagung Bodenstabilisierung im Verkehrswegebau 37

38 Bodenverhalten mit Zement wassergesättigte bindige Böden zementvergütet Porosität e ICL unvergütet Konsolidationsspannung σ GBB Fachtagung Bodenstabilisierung im Verkehrswegebau 38

39 nicht entweder - oder sondern sowohl - als auch 100 Σ D [ % ] 0 Ton Schluff U Sand S Kies G B Ausgangsboden verbesserter Boden Cabane et al ,002 0,006 0,02 0,06 0,2 0, Korndurchmesser d [mm] GBB Fachtagung Bodenstabilisierung im Verkehrswegebau 39

40 Bodenreaktion mit Mischbindern Wirkungsweise Weißfeinkalk Sofortreaktion, Aggregatbildung Kalkhydrat plastische Eigenschaften, Mineralogie Zement Verfestigung Mischbinder stellen den Kompromiss zwischen Verfestigung und Verbesserung dar Plastizität leicht....mittel....ausgeprägt Kalk / Zement 30/ / /20 Menge 2% - 6 % je nach Ziel GBB Fachtagung Bodenstabilisierung im Verkehrswegebau 40

41 Modell zur synergetischen Wirkungsweise von Kalk und Zement Anfangsstadium Zementleim und Gel im Porensystem beginnende Aggregatbildung, Boden noch unverfestigt Stabilisierungsphase rasche Erstarrung, Tragskelett aus Zementstein, Primärhydratation Verfestigung der Aggregate durch Sekundärhydratation und Puzzolanreaktion des dissoziirten Kalkhydrats, GBB Fachtagung Bodenstabilisierung im Verkehrswegebau 41

42 synergetische Wirkungsweise von Kalk und Zement Porenwasser mit Ca ++ und OH - Quarzkörner Calcitkörner Primärhydratation Tonpartikel,verbunden mit Calcit nach Cabane 2004 Sekundärhydratation und Puzzolanreaktion GBB Fachtagung Bodenstabilisierung im Verkehrswegebau 42

43 synergetische Wirkungsweise von Kalk und Zement Krümelbildung durch Kalk Packung der Aggregate Gerüst aus Zementstein tertiärer, toniger Schluff, Orly Cabane et al GBB Fachtagung Bodenstabilisierung im Verkehrswegebau 43

44 Bodenreaktion im Vergleich, ϕ, c ϕ = 28 c = 23 kn/m² GBB Fachtagung Bodenstabilisierung im Verkehrswegebau 44

45 Auswahl des Bindemittels, Fazit Beschaffenheit des Bodens Korngrößenverteilung, Schluff u. Tongehalt plastische Eigenschaften Wassergehalt Mineralbestand, Sulfatträger Verdichtungseigenschaften Ziel der Bodenbehandlung Verarbeitbarkeit, Verwendbarkeit Steifigkeit, Verformbarkeit Tragfähigkeit, Scherfestigkeit Reaktionsdauer, Langzeiterwartung GBB Fachtagung Bodenstabilisierung im Verkehrswegebau 45

46 Wirkmechanismen und Effekte der Bodenstabilisierung mit Bindemitteln Es kommt nicht nur auf die richtigen Zutaten an Weitere Kriterien des Erfolges Baugrunderkundung Kenntnis der Böden Zieldefinition Erfahrung Eignungsuntersuchung Ausschreibung Ausführung Qualitätssicherung GBB Fachtagung Bodenstabilisierung im Verkehrswegebau 46

47 Wirkmechanismen und Effekte der Bodenstabilisierung mit Bindemitteln mechanisches Verhalten Makro Ende 5 m chem.- physikalische Interaktion Mikro, Nano GBB Fachtagung Bodenstabilisierung im Verkehrswegebau 47