Bodenbehandlung mit Bindemitteln - Erfahrungen und Fortschreibung des Regelwerkes -

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1 Bodenbehandlung mit Bindemitteln - Erfahrungen und Fortschreibung des Regelwerkes -

2 Themen des Vortrages Grundlagen ZTVE StB 2007 (Entwurf) (Zusätzliche Technische Vertragsbedingungen und Richtlinien für Erdarbeiten im Straßenbau) Überarbeitung von Regelwerken für Erdarbeiten des Straßenbaus (Ausblick)

3 Merkblatt Literaturhinweis: Das neue Merkblatt über Bodenverfestigungen und Bodenverbesserungen mit Bindemittel, Straße und Autobahn 56 (2005) Nr. 7

4 Begriffsbestimmung ZTVE StB 2007 (Entwurf) Bodenverfestigungen sind Verfahren, bei denen die Widerstandsfähigkeit des Bodens gegen Beanspruchung durch Verkehr und Klima durch die Zugabe von Bindemitteln so erhöht wird, dass der Boden dauerhaft tragfähig und frostbeständig wird. Bodenverbesserungen sind Verfahren zur Verbesserung der Einbaufähigkeit und Verdichtbarkeit von Böden und zur Erleichterung der Ausführung von Bauarbeiten.

5 Begriffsbestimmung ZTVE StB 2007 (Entwurf) Qualifizierte Bodenverbesserungen sind Bodenverbesserungen mit Bindemitteln, die erhöhte Anforderungen an bestimmte Eigenschaften erfüllen. Bodenbehandlungen sind Verfahren, bei denen Böden so verändert werden, dass die geforderten Eigenschaften erreicht werden. Sie umfassen Bodenverfestigungen und Bodenverbesserungen.

6 Anforderungen Qualifizierte Bodenverbesserung nach ZTVE StB (Entwurf 2007) Bei der qualifizierten Bodenverbesserung des Planums (Verringerung der Frostempfindlichkeitsklasse von F3 zu F2) ist die Bindemittelmenge so zu bemessen, dass die einaxiale Druckfestigkeit nach 28 Tagen Lagerung und Prüfung gemäß TP BF-StB Teil B 11.5, 0,5 N/mm² beträgt. Alternativ kann der CBR-Wert gemäß TP BF-StB Teil B 7.1, geprüft werden. Dieser muss 40 % an 28 Tage alten Proben sein. Die Bindemittelmenge darf 3 M.-% nicht unterschreiten

7 Anforderungen Qualifizierte Bodenverbesserung nach ZTVE StB (Entwurf 2007) In beiden Fällen darf nach 24 h Wasserlagerung der Festigkeitsabfall nicht größer als 50 % bezogen auf den jeweiligen Wert vor Wasserlagerung sein. In Abhängigkeit von den zeitlichen Vorgaben kann die Prüfung auch nach 7 Tagen und/oder zu anderen Prüfzeitpunkten erfolgen. Bei anderen Anwendungen der qualifizierten Bodenverbesserung (z.b. im Bereich von Dammaufstandsebenen bzw. von Dammschüttungen, Bauwerkshinterfüllungen etc.) werden die Kriterien für die Bestimmung der Bindemittelmenge durch erdstatische Berechnungen vorgegeben.

8 Bindemittelarten nach ZTVE -StB 07 Zement nach DIN EN 197-1: Zement Teil 1: Zusammensetzung, Anforderungen und Konformitätskriterien von Normalzement Zement nach DIN : Zement mit besonderen Eigenschaften - Teil 10: Zusammensetzung, Anforderungen und Übereinstimmungsnachweis von Normalzement mit besonderen Eigenschaften

9 Bindemittelarten nach ZTVE -StB 07 Hydraulische Boden- und Tragschichtbinder nach DIN 18506: Zusammensetzung, Anforderungen und Konformitätskriterien Baukalk nach DIN EN 459-1: Zusammensetzung, Anforderungen und Konformitätskriterien sowie nach BMVBW ARS 7/2002: Anforderungen an Kalke für Bodenverfestigung und - verbesserung

10 Bindemittelarten nach ZTVE -StB 07 Mischbindemittel: Kombinationen aus genormten hydraulischen Bindemitteln und Baukalken. Die Mengenanteile der Bindemittel sind in der Leistungsbeschreibung anzugeben Die Verwendung anderer Bindemittel kann, wenn ihre Eignung nachgewiesen ist, zwischen Auftraggeber und Auftragnehmer vereinbart werden. Zusammensetzung je nach Hersteller unterschiedlich Eignungsprüfung als Nachweis für den Einzelfall

11 ARS 7/2002 (Anforderungen) Reaktionsfähigkeit 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 Anmerkung: Die Reaktionsfähigkeit der Kalke wird nach DIN EN bestimmt. Kalke der Mahlfeinheitsklasse 2 (Tab. 2) werden vor der Bestimmung der Reaktionsfähigkeit auf eine Korngrößenverteilung mit einem Rückstand = Massenanteilen in % auf dem 0,2 mm Sieb aufgemahlen.

12 Hessisches Landesamt für Straßen- und Verkehrswesen / HMWVL Reaktivität von Baukalken: Nasslöschkurve

13 ARS 7/2002 (Anforderungen) Mahlfeinheit Siebgrößen Mahlfeinheit Rückstand als Massenanteil in % Klasse 1 (fein) Klasse 2 (körnig) 10 mm mm 0 <= 5 2 mm 0-0,2 mm <= 5-0,09 mm <= 15 - Anmerkung: Die Korngrößenverteilung = 2 mm wird durch Trockensiebung und < 2 mm durch Luftstrahlsiebung bestimmt.

14 Grundlagen: Proctorversuch Trockendichte in g/cm 3 1,80 1,75 1,70 ohne 1% 3% 5% Bindemittelmenge 1, Ausgangswassergehalt (M-%) Trockendichte in g/cm 3 1,80 1,75 1,70 ohne 1% 3% 5% Bindemittelmenge 1, Wassergehalt nach dem Mischen (M-%)

15 100 ohne BM Grundlagen: Festigkeitsuntersuchungen CBR-Wert [%] ohne WL mit WL 20 Einaxiale Druckfestigkeit [N/mm 2 ] 0 1,2 1,1 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0, ohne BM ohne WL mit WL Bindemittelmenge [M.-%] Bindemittelmenge [M.-%]

16 Forschungsantrag FE /2002/DGB Untersuchung zum Reaktionsverhalten von Mischbindemittel zur Bodenbehandlung * Mischungen aus CL 90 und CEM I: 100 M.-% CL M.-% Cl 90 und 50 M.-% CEM I 30 M.-% Cl 90 und 70 M.-% CEM I 100 M.-% CL 90 Sonderuntersuchung mit 50 M.-% CEM III Bindemittelgehalte: 1, 3 und 5 M.-% Böden: TM, TL, GU* Reaktionszeiten: 1, 4, 24 Stunden * Ausgeführt vom Institut für Materialprüfung Dr. Schellenberg Leipheim

17 Untersuchung zum Reaktionsverhalten von Mischbindemittel zur Bodenbehandlung CEM I (1, M.-% Bindemittel) WFK (1, M.-% Bindemittel)

18 Untersuchung zum Reaktionsverhalten von Mischbindemittel zur Bodenbehandlung CEM I: 1h Kalk CEM I: 24h

19 Reaktionsverhalten von Mischbindemittel Druckfestigkeiten bei 3 M.-% Bindemittel Variation der Reaktionszeiten zwischen Einmischen des Bindemittel und der Verdichtung: gemischkörniger Kies (GU*) 3 Einaxiale Druckfestigkeit [N/mm²] 2,5 2 1,5 1 0,5 0 CL 90 7 d CL d CEM I 7 d CEM I 28 d MB 30/70 7 d MB 30/70 28 d Bindemittelart/Prüfalter MB 50/50 7 d MB 50/50 28 d 1 h 4 h 28 h

20 Reaktionsverhalten von Mischbindemittel Druckfestigkeiten bei 3 M.-% Bindemittel Variation der Reaktionszeiten zwischen Einmischen des Bindemittel und der Verdichtung: mittelplastischer Ton (TM) 3 Einaxiale Druckfestigkeit [N/mm²] 2,5 2 1,5 1 0,5 0 CL 90 7 d CL d CEM I 7 d CEM I 28 d MB 30/70 7 d MB 30/70 28 d Bindemittelart/Prüfalter MB 50/50 7 d MB 50/50 28 d 1 h 4 h 28 h

21 Eignung der Bindemittel

22 Massenanteil [%] Hessisches Landesamt für Straßen- und Verkehrswesen / HMWVL Eignung der Bindemittel Ton A Schlämmkorn 0,002 Mittel- Fein- Schluffkorn 0,006 Grob- B Kalk 0,02 Fein- C 0,06 Mittel- Bereich A ungeeignet, nicht zerkleinerbar Bereich G ungeeignet, zu grob 0,2 Sandkorn Grob- D 0,63 Fein- Mischbindemittel E Siebkorn 2,0 Korndurchmesser d [mm] Bereich B Bereich C Bereich D Bereich E Bereich F Mittel- Zement 6,3 Kieskorn Grob- F Steine G TA: nur Kalk TM, TL, UM: Kalk und MB 50/50 GU*, SU*: MB 30/70 und MB 50/50 GU, SU: MB 30/70 und CEM GW, GI: nur CEM

23 Hinweise für TP Reaktionszeiten Zemente Mischbindemittel Kalke 1 Stunde* 4 Stunden 24 Stunden * Für langsam erstarrende Zemente sind evtl. auch längere Zeiten sinnvoll.

24 Wahl der Bindemittelmenge bei der Eignungsprüfung in M.-% Bodengruppe Feinkalk nach DIN EN Kalkhydrat nach DIN EN Zement nach DIN EN DIN Hydr. Boden- und Tragschichtbinder nach DIN Grobkörnige Böden (GE, GW, GI, SE, SW, SI) Gemischtkörnige Böden (GU, GT, SU, ST, GU*, GT*, SU*, ST*) Feinkörnige Böden (UL, TL, UM, UA, TM, TA) Künstliche Gesteinskörnungen Mischbindemittel Bodenverfestigung Bodenverbesserung (Qz.Vb.) RC-Baustoffe Grobkörnige Böden (GE, GW, GI, SE, SW, SI) Gemischtkörnige Böden (GU, GT, SU, ST, GU*, GT*, SU*, ST*) Feinkörnige Böden (UL, TL, UM, UA, TM, TA) 2(3) 4 2(3) (3) 6 2(3) 4 2(3) (3) 6

25 Anwendung: Qualifizierte Bodenverbesserung Bei der Herstellung einer qualifizierten Bodenverbesserung, bei feinkörnigen und gemischtkörnigen Böden, mit einer Schichtdicke von mindestens 25 cm, kann der Untergrund bzw. Unterbau in die Frostempfindlichkeitsklasse F 2 eingestuft werden. Als Ausgangswerte für die Bemessung der Mindestdicke des frostsicheren Straßenaufbaus können die Angaben für Böden der Frostempfindlichkeitsklasse F 2 verwendet werden (siehe RStO, Tabelle 6), wenn auf dem Planum ein Verformungsmodul E v2 70 MN/m² nachgewiesen wird.

26 Dicke des frostsicheren Oberbaus nach RStO 01 Bauklasse III bis IV Oberbaudicke 50 cm Oberbaudicke 60 cm Oberbaudicke 50 cm E V2 -Wert > 45 MN/m² F2-Boden E V2 -Wert > 45 MN/m² F3-Boden E V2 -Wert > 70 MN/m² F2*-Boden E V2 -Wert > 45 MN/m² F3-Boden

27 Kennwerte der EP Bindemittelgehalt [M.-%] Proctordichte ρ Pr [g/cm³] opt. Wasserghalt w Pr [M.-%] Druckfestigkeit [N/mm²] Druckfestigkeit nach Wasserlagerung [N/mm²] Festigkeitsabfall nach Wasserlagerung [%] ,79 1,73 1,69 1,66 1,65 1,64 17,3 18,5 19,4 21,9 22,7 23,4 0,1 0,2 0,4 0,7 1,0 1, ,46 0,71 0,

28 Ergebnisse der Eigenüberwachungsund Kontrollprüfungen Nachweis der Tragfähigkeit auf dem Planum wurden E V2 -Werte von MN/m² erreicht

29 Dauerhaftigkeit der Verbesserung?! Nachweis der Tragfähigkeit nach einem Jahr es wurde eine Zunahme der Tragfähigkeit von ca. 30% festgestellt

30 Qualifizierte Bodenverbesserung bei der Grunderneuerung einer Bundesstraße Eignungsprüfung: 4 M.-% Mischbindemittel (60/40) Einaxiale Druckfestigkeiten: - 0,79 N/mm² - 0,58 N/mm² (nach Wasserlagerung) - 30 cm Asphaltoberbau - 25 cm Frostschutzschicht - 30 cm qual. Bodenverbesserung

31 Hinterfüllung einer Stützmauer Abmessung der Stützmauer: - Höhe bis 13 m - Länge 160 m Straße liegt im Hinterfüllbereich

32 Bodenkennwerte: Vorgabe der Planung Boden-Bindemittel-Gemisch: Hanglehm mit 3 M.-% Kalk Reibungswinkel: cal.φ 27,5 Kohäsion: cal.c 25,0 kn/m² Feuchtdichte: cal.ρ 1,9 t/m³

33 Eignungsprüfung: Setzungsverhalten 1,4 Bodenverbesserung mit Kalk Druck-Stauchungsdiagramm Druckfestigkeit [N/mm²] 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 M.-% CaO 1 M.-% CaO 3 M.-% CaO 5 M.-% CaO Stauchung [%]

34 Kontrollprüfung Verdichtungsgrad: im Mittel 99%

35 Dauerhaftigkeit der Verbesserung?! Forschungsarbeit: Eignung frostempfindlicher Böden für die Behandlung mit Kalk

36 Regelwerke/Ausblick

37 Stand der Regelwerke RStO Richtlinien für die Standardisierung des Oberbaus von Verkehrsflächen (Ausgabe 2001)

38 RStO 2001 (Verfestigungen nach ZTVE - StB) Bauweisen mit vollgebundenem Oberbau mit auf dem Planum anstehenden F3 - Böden bzw. F2 - Böden und ungünstigen Wasserverhältnissen in einer nach den RStO nicht anrechenbaren Mindestdicke von 15 cm übrige Bauweisen in einer nach den RStO anrechenbaren Dicke von maximal 20 cm Dauerhaft E v2 >= 45 MN/m² auf dem Planmun

39 Stand der Regelwerke RStO Richtlinien für die Standardisierung des Oberbaus von Verkehrsflächen (Ausgabe 2001) ZTVE StB (Ausgabe 1994/97)

40 ZTVE StB 94/97 Überarbeitung der ZTVE-StB ist angelaufen (ein erster Entwurf ist Anfang April 2006 an die Länder gesendet worden); Terminplan 2007 Berücksichtigung und Einarbeitung neuer Regelwerke (z.b. EN 14227) Einarbeitung der Belange des Umweltschutzes

41 Stand der Regelwerke ZTVE StB Erdarbeiten im Straßenbau (Ausgabe 1994/97) RStO Richtlinien für die Standardisierung des Oberbaus von Verkehrsflächen (Ausgabe 2001) TP BF StB, Teil B 11.1 Eignungsprüfung bei Bodenverfestigung mit Zement (Ausgabe 2005) TP BF StB, Teil B 11.5 Eignungsprüfung bei Bodenverbesserung und Bodenverfestigung mit Feinkalk und Kalkhydrat (Ausgabe 1991)

42 TP BF-StB, Teil B Eine Neuausgabe der TP BF - StB Teil B 11.1 liegt vor (Ausgabe 2005) Die Erarbeitung einer TP BF StB Teil B? Arbeitstitel Bodenverbesserung mit Bindemitteln (Kalk, Zement und Mischbindemittel) findet zur Zeit statt (Ein erster Entwurf ist Ende 2006 vorgelegt worden)

43 Stand der Regelwerke RStO Richtlinien für die Standardisierung des Oberbaus von Verkehrsflächen (Ausgabe 2001) ZTVE StB Erdarbeiten im Straßenbau (Ausgabe 1994/97) TP BF StB, Teil B 11.1 Eignungsprüfung bei Bodenverfestigung mit Zement (Ausgabe 1986; Entwurf 2004) TP BF StB, Teil B 11.5 Eignungsprüfung bei Bodenverbesserung und Bodenverfestigung mit Feinkalk und Kalkhydrat (Ausgabe 1991) Merkblatt über Technische Sicherungsmaßnahmen im Erdbau, Teil 1: Behandlung mit Bindemitteln zur Reduzierung der Eluierbarkeit von gefährlichen Stoffen

44 Merkblatt über Technische Sicherungsmaßnahmen im Erdbau, Teil 1: Behandlung mit Bindemitteln zur Reduzierung der Eluierbarkeit von gefährlichen Stoffen (Entwurf 2004) Ein Entwurf (März 2004) liegt vor Abstimmung mit der LAGA und LAWA ist erforderlich und erfolgt zur Zeit Ausgabe ist für 2007 geplant

45 Zweck und Ziel des Merkblattes Durch die Zugabe von Bindemittel sollen die Schadstoffe in einem Baustoff dauerhaft in stabile, schwer lösliche und damit unschädliche Verbindungen (Immobilisierung) umgewandelt bzw. eingekapselt werden. Es können geeignete Baustoffe bis zur Einbauklasse Z 2 behandelt werden.

46 Europäische Normenreihe pren Teil Ungebundene und hydraulisch gebundene Gemische Anforderungen: Teil 10: Bodenverbesserung mit Zement Teil 11: Bodenverbesserung mit Kalk Teil 12: Bodenverbesserung mit Schlacke Teil 13: Bodenverbesserung mit hydraulischemtragschichtbinder Teil 14: Bodenverbesserung mit Flugasche

47 pren Teil Stellungnahmen zu den Normenentwürfen sind 2003 und 2004 beim DIN eingereicht worden Die Normen sind nicht mandatiert (eine Anwendung im staatlichen Bereich ist aber trotzdem vorgegeben) Wie die Umsetzung für den Erdbau erfolgt wird zur Zeit diskutiert (Handelsfähiges Produkt?)

48 pren Teil Die Normen stellen nur Anforderungen an das Boden-Bindemittel-Gemisch (nicht an den Einbau) Die Anforderungen an die Bodenbehandlung werden durch Kategorien beschrieben Bodenverbesserungen im Sinne der ZTVE liegen nicht im Anwendungsbereich der EN 14227

49 Gegenüberstellung von Verfahren und Anforderungen der ZTVE/Merkblatt und EN / - 11 Verfahren/ Begriffe Kriterien ZTVE-StB / Merkblatt (Anforderung) EN ZTVE-StB / Merkblatt (Anforderung) EN Qualifizierte Bodenverbesserung (Cement stabilised soil) Bodenverbesserung (soil stabilised by lime) Proctordichte/W opt Zu bestimmen Zu bestimmen Zu bestimmen Zu bestimmen Druckfestigkeit 0,5 N/mm² Festigkeitsabfall nach Wasserlagerung < 50% C 0,4/0,5 Festigkeitsabfall nach Wasserlagerung < 50% 0,5 N/mm² Festigkeitsabfall nach Wasserlagerung < 50% R C 0,5 Festigkeitsabfall nach Wasserlagerung < 50% Baustoffgemisch oder CBR 0 -Wert 40 % Festigkeitsabfall nach Wasserlagerung < 50% CBR 40 Festigkeitsabfall nach Wasserlagerung < 50% 40 % Festigkeitsabfall nach Wasserlagerung < 50% CBR 40 Festigkeitsabfall nach Wasserlagerung < 50% Bindemittelmenge 3,0 M.-% -- 3,0 M.-% --

50 Danke für die Aufmerksamkeit!