Stabilisierungseffekte verschiedener Bindemittel bei der Bodenbehandlung

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1 Update Bodenbehandlung mit Bindemitteln Kassel Marketing West Stabilisierungseffekte verschiedener Bindemittel bei der Bodenbehandlung A. Damaschke, K. J. Witt, T. Arndt., F. Wuttke Bauhaus-Universität Weimar 1

2 Update Bodenbehandlung mit Bindemitteln Stabilisierungseffekte verschiedener Bindemittel bei der Bodenbehandlung Gliederung Bodenbehandlung Wirkungsmechanismen von Bindemitteln Experimentelle Untersuchungen BaSt-Projekt FE /2011/FGB Untersuchung der Eignung von Mischbindemitteln für die Bodenverfestigung ZIM-Projekt KF /2012/BMWi Entwicklung von Verfahren zur Verbesserung der bodenmechanischen Eigenschaften von organischen und weichen Böden durch Applikation und Stabilisierung von mineralischen Rest- und Abfallstoffen Danksagung 2

3 Bodenbehandlung Gezielte Verwertung von natürlichen Böden Bindemittelzugabe zur Verbesserung der Eigenschaften & Ressourcenschonung Bindemittelart/-menge abhängig von baustellenspezifischen Gegebenheiten Ermittlung der Rezeptur in anwendungsspezifischen Eignungsprüfungen Technischen Prüfvorschriften für Boden & Fels im Straßenbau TP BF-StB Teil B 11.1 (2012) / B 11.3 (2010) Zusätzliche Technische Vertragsbedingungen und Richtlinien für Erdarbeiten im Straßenbau (ZTV E-StB 09) Merkblatt über Bodenverfestigungen und Bodenverbesserungen mit Bindemitteln (2004) Bodenverbesserung Verbesserung der Einbaufähigkeit und Verdichtbarkeit zur Erleichterung der Bauarbeiten Bodenverfestigung Steigerung der Widerstandsfähigkeit, so dass der Boden dauerhaft tragfähig und frostsicher wird 3

4 Wirkungsmechanismen von Bindemitteln Genormte Bindemittelarten Baukalk Zement Hydraulische Boden- &Tragschichtbinder Norm DIN EN DIN EN DIN DIN EN Langzeit -reaktion Böden Schluff, Ton Sand, Kies Sand, Kies, Recyclingbaustoffe Sofortreaktion Wassergehaltsreduzierung, geringe Steigerung der Festigkeiten Karbonatisierung & Puzzolanreaktion der Tonminerale mit Festigkeitszunahme Hydratation -> große Steigerung der Festigkeiten Hydratation -> große Steigerung der Festigkeiten Mischbindemittel Kombination aus genormten hydraul. Bindemitteln & Baukalk fein- und gemischtkörnige Böden Wassergehaltsreduzierung, Steigerung der Festigkeiten 4

5 Wirkungsmechanismen von Bindemitteln Boden & Baukalk Ionenaustausch, Krümelbildung als Folge der Alkalisation (Aggregate) Verbesserung der Verdichtungseigenschaften: Wasserreduktion ca. 2,0-2,5 % je 1% Bindemittel, Anhebung w P, Reduktion der Plastizität langsame Festigkeitsentwicklung durch Puzzolanreaktionen Ausgangsboden Löß Ausgangsboden Löß + 4% Kalk (Alter 4d) 5

6 Wirkungsmechanismen von Bindemitteln Boden & hydraulische Bindemittel Bindeeffekte durch Zementstein (Zementierung) Umhüllung und Vernetzung von Granulaten und Aggregaten, Reaktion mit Porenwasser, Verfestigung durch Primärhydratation rasche und starke Festigkeitsentwicklung Ausgangsboden Löß Ausgangsboden Löß + 4% CEM I (Alter 4d) 6

7 Wirkungsmechanismen von Bindemitteln Boden & Mischbindemittel Synergetische Kopplung der genannten Wirkmechanismen Verbesserung der Verdichtungseigenschaften: Wasserreduktion ca. 0,5-1,5 % je 1% Bindemittel rasche Festigkeitsentwicklung 1. Anfangsstadium: Skelettsteifigkeit mit unverfestigten Aggregaten 2. Puzzolanische Reaktion mit Silikaten und Aluminaten (Verfestigung der 2. Generation) 3. Stabilisierungsphase: Skelettsteifigkeit mit verfestigten Aggregaten Abb. Partikelbindung durch Ca 2+ // Porenwasser mit Ca 2+ und OH - // Zementierung Witt, 2002: Zement - Kalk - Stabilisierung von Böden Cabane et al., 2005: Mechanism of soils treatment with quicklime and hydraulic binders 7

8 4 Dosierungen: 0 / 4 / 7 / 10 % Experimentelle Untersuchungen Forschungsprojekt 1 BaSt Forschungsprojekt FE /2011/FGB: Untersuchung der Eignung von Mischbindemitteln für die Bodenverfestigung (10/11-09/12) Böden Modellboden A = gemischtkörniger Boden (GU) Modellboden B = feinkörniger Boden (TL) Bindemittel Weißfeinkalk CL 90 Q der Fels-Werke GmbH Mischung 70/30 Mischung 50/50 Mischung 30/70 CL 90 CL 90 CL 90 CEM I CEM I CEM I Portlandzement CEM I 32,5 R Dornburger Zement GmbH & Co. KG 8

9 Experimentelle Untersuchungen Forschungsprojekt 1 Bodenverbesserung Proctorversuch (DIN 18127) Verbesserte Einbaufähigkeit Baukalk & MB zur Bodenverbesserung Erhöhung w opt mit steigender Dosis BaSt Forschungsprojekt FE /2011/FGB Untersuchung der Eignung von Mischbindemitteln für die Bodenverfestigung 9

10 Experimentelle Untersuchungen Forschungsprojekt 1 Bodenverbesserung Proctorversuch (DIN 18127) Verbesserte Einbaufähigkeit Baukalk & MB zur Bodenverbesserung Erhöhung w opt mit steigender Dosis Verringerung Pr mit steigender Dosis BaSt Forschungsprojekt FE /2011/FGB Untersuchung der Eignung von Mischbindemitteln für die Bodenverfestigung 10

11 Experimentelle Untersuchungen Forschungsprojekt 1 GU CEM I TL MB 50/50, 30/70 CEM I CL90, MB 70/30 CL90 MB 70/30, 50/50, 30/70 mit steigender Zementdosis im Bindemittel reduziert sich der bodenverbessernde Effekt steigender Zementanteil im MB ohne Einfluss, Kalk dominiert in seiner Wirkung BaSt Forschungsprojekt FE /2011/FGB Untersuchung der Eignung von Mischbindemitteln für die Bodenverfestigung 11

12 Experimentelle Untersuchungen Forschungsprojekt 1 Bodenverfestigung Einaxialer Druckversuch (DIN 18136) Erhöhte Festigkeit Zement & MB zur Bodenverfestigung GU: mit steigendem Zementanteil im Bindemittel erhöht sich der Effekt TL: steigender Zementanteil im MB geringeren Einfluss, Kalk dominiert BaSt Forschungsprojekt FE /2011/FGB Untersuchung der Eignung von Mischbindemitteln für die Bodenverfestigung 12

13 Experimentelle Untersuchungen Forschungsprojekt 1 Bodenverfestigung Einaxialer Druckversuch (DIN 18136) Erhöhte Festigkeit Zement & MB zur Bodenverfestigung GU: mit steigendem Zementanteil im Bindemittel erhöht sich der Effekt TL: steigender Zementanteil im MB geringeren Einfluss, Kalk dominiert Anforderungen bei Bodenverfestigungen Bindemittelmenge bei hydraulischen Bindemitteln: ZTVE-StB: q u_28d 6 MN/m² BaSt Forschungsprojekt FE /2011/FGB Untersuchung der Eignung von Mischbindemitteln für die Bodenverfestigung 13

14 Experimentelle Untersuchungen Forschungsprojekt 1 Bodenverfestigung Frost-Tau-Wechsel-Beanspruchung Erhöhte Frostsicherheit keine Zerstörung bzw. nur geringe Ausdehnungen durch Zugabe von Zement und den MB 50/50 bzw. 30/70 GU: mit steigendem Zementanteil im Bindemittel erhöht sich der Effekt Anforderungen bei Bodenverfestigungen Bindemittelmenge bei hydraulischen Bindemitteln: ZTVE-StB: ΔL (< 1 ) BaSt Forschungsprojekt FE /2011/FGB Untersuchung der Eignung von Mischbindemitteln für die Bodenverfestigung 14

15 Experimentelle Untersuchungen Forschungsprojekt 1 Bruchspannung (MN/m2) Bodenverfestigung Abhängigkeit von Schallgeschwindigkeit und Druckfestigkeit 039 GU + 7% MB 50/ TL + 7% MB 50/50 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 y = 0,0033x - 3,3209 R 2 = 0,9704 y = 0,0024x - 2,9028 R 2 = 0,9728 1,5 1,0 Prognose der Langzeitfestigkeit Ultraschallmessungen als zerstörungsfreie Prüfmethode während der Abbindezeit Korrelation der Schallgeschwindigkeiten mit einaxialen Druckfestigkeiten zur Vorhersage der Festigkeitsentwicklung 0,5 0, Schallgeschwindigkeit (m/s) GU + 7% MB 50/50 TL + 7% MB 50/50 BaSt Forschungsprojekt FE /2011/FGB Untersuchung der Eignung von Mischbindemitteln für die Bodenverfestigung 15

16 Experimentelle Untersuchungen Forschungsprojekt 1 Erkenntnisse aus der Arbeit Die Bodenstruktur ist ausschlaggebend für Wirkung der Bindemittel. Während im GU verstärkt der Zementanteil im Bindemittel wirkt, dominiert im TL der Kalk. Eine Bodenverbesserung wird bereits durch Zugabe von 4 M.-% Baukalk bzw. den Mischbindemitteln 70/30, 50/50, 30/70 erzielt. Eine erfolgreiche Bodenverfestigung nach ZTVE-StB (q u_28d 6 MN/m²) wird im GU durch Zugabe von 7 M.-% Zement bzw. 10 M.-% MB 70/30 erreicht. Der Festigkeitszuwachs ist in den Böden proportional zur Zementdosis. Kalibrierte Ultraschallmessungen ermöglichen eine Prognose der Festigkeitsentwicklung bereits nach wenigen Tagen. BaSt Forschungsprojekt FE /2011/FGB Untersuchung der Eignung von Mischbindemitteln für die Bodenverfestigung 16

17 Experimentelle Untersuchungen Forschungsprojekt 2 ZIM-Projekt KF /2012/BMWi Entwicklung von Verfahren zur Verbesserung der bodenmechanischen Eigenschaften von organischen und weichen Böden durch Applikation und Stabilisierung von mineralischen Rest- und Abfallstoffen Bodenbehandlung Herkömmliche Bindemittel Rest- und Abfallstoffe nicht hydraulisch hydraulisch nicht hydraulisch hydraulisch (Kies, Schotter) (Zement) (RC-Beton, Stäube) (Aschen, Schlacken) ZIM Forschungsprojekt KF /2012/BMWi Sustainable design of earth works / Nachhaltiger Erdbau 17

18 Experimentelle Untersuchungen Forschungsprojekt 2 Ziel des Forschungsprojektes = Nachhaltiger Erdbau Organische und weiche Böden Randbedingungen Nachhaltigkeit (Nutzung von Rest- und Abfallstoffen) Ziel des Projektes Erhöhung der Tragfähigkeit, Festigkeit und Dauerhaftigkeit ZIM Forschungsprojekt KF /2012/BMWi Sustainable design of earth works / Nachhaltiger Erdbau 18

19 Experimentelle Untersuchungen Forschungsprojekt 2 Forschungsmaterial Böden (org. und weicher Boden) Boden TM (Thüringer Becken, Kreis Unstrut-Hainich) (2 von 5 unterschiedlichen Böden wurden getestet) Nicht hydraulische Zuschläge (20 40 M.-%) Gesteinsmehl (Diabas/Basalt/Kalk) Steinmehl (Diabas-Steinbruch) Mauerwerksklinkerbruch RC-Beton Müllverbrennungsanlagenschlacke (MVAS) Hydraulische Zuschläge (4 12 M.%) Braunkohlenflugasche Zementstaub Zusätzliche Zuschläge (4 M.-%) Dolomitkalk (ohne / mit Zementstaubgemisch) ZIM Forschungsprojekt KF /2012/BMWi Sustainable design of earth works / Nachhaltiger Erdbau 19

20 Trockendichte d [g/cm3] Experimentelle Untersuchungen Forschungsprojekt 2 Proctorversuch: Gemische aus Boden + Rest-/Abfallstoff nicht hydraulische Zuschläge: Proctordichte steigt & opt. Wassergehalt sinkt hydraulische Zuschläge: Proctordichte sinkt & opt. Wassergehalt steigt 1,80 1,75 1,70 S r = 1,0 1,65 1,60 1,55 1,50 1,45 1,40 16,0 18,0 20,0 22,0 24,0 26,0 28,0 30,0 Wassergehalt w [%] Boden TM RC-Beton 80:20 RC-Beton 70:30 RC-Beton 60:40 S-Mehl 80:20 S-Mehl 70:30 S-Mehl 60:40 BFA 96:4 BFA 92:8 BFA 88:12 ZS 96:4 ZS 92:8 ZS 88:12 ZIM Forschungsprojekt KF /2012/BMWi Sustainable design of earth works / Nachhaltiger Erdbau 20

21 Einaxiale Druckspannung [N/mm2] Experimentelle Untersuchungen Forschungsprojekt 2 Einaxialer Druckversuch: 7-Tage-Festigkeit der Bodengemische nicht hydraulische Zuschläge: geringe Verfestigung hydraulische Zuschläge: steigende Dosis = Festigkeitszunahme 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,0 Boden TM RC-Beton Steinmehl BFA Zementstaub Boden TM 80:20 Mischung 70:30 60:40 96:4 92:8 88:12 ZIM Forschungsprojekt KF /2012/BMWi Sustainable design of earth works / Nachhaltiger Erdbau 21

22 Einaxiale Druckfestigkeit qu [N/mm2] CBR-Versuch [%] Experimentelle Untersuchungen Forschungsprojekt 2 Einaxialer Druckversuch zu CBR-Versuch: 7-Tage-Festigkeit hydraulische Zuschläge: steigende Dosis = Festigkeitszunahme Korrelation: einaxiale Druckversuch = CBR-Versuch 0,7 80,0 0,6 70,0 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 60,0 50,0 40,0 30,0 20,0 10,0 Boden TM BFA ж Zementstaub 0,0 Boden TM Mischung 96:4 92:8 88:12 0,0 ZIM Forschungsprojekt KF /2012/BMWi Sustainable design of earth works / Nachhaltiger Erdbau 22

23 Trockendichte [g/cm3] Experimentelle Untersuchungen Forschungsprojekt 2 Proctorversuch: unterschiedliche Zuschlagstoffmischungen Herkömmlich Nachhaltig Mischung aus Beiden 1,53 1,51 1,49 S r = 1,0 Boden TM 1,47 1,45 Kalk 4% Zementstaub 3% - Kalk 1% BFA 8% 1,43 Zementstaub 8% 1,41 20,0 22,5 25,0 27,5 30,0 32,5 Wassergehalt [%] ZIM Forschungsprojekt KF /2012/BMWi Sustainable design of earth works / Nachhaltiger Erdbau 23

24 Einaxiale Druckfestigkeit qu [N/mm2] Experimentelle Untersuchungen Forschungsprojekt 2 Einaxialer Druckversuch: 7- und 28-Tage-Festigkeit der Bodengemische Herkömmlich Nachhaltig Mischung aus Beiden 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 Festigkeiten 7 Tage 28 Tage 0,1 0,0 Boden TM Kalk 4% Zementstaub 3% + Kalk 1% BKFA 8% Zementstaub 8% ZIM Forschungsprojekt KF /2012/BMWi Sustainable design of earth works / Nachhaltiger Erdbau 24

25 Zuordnungswert Z0 - Z2 in Grenzen zulässig Experimentelle Untersuchungen Forschungsprojekt 2 Rechtliche Seite Eluatanalyse: Hydraulische Zuschläge pur Anforderungen an die stoffliche Verwertung von mineralischen Abfällen LAGA M20 = Anforderungen der Mitteilung 20 der Länderarbeitsgemeinschaft Abfall Ziel = Schadlosigkeit der Verwertung mineralischer Abfälle zu bewerten Legende: n.b. - nicht bestimmt Probenbezeichung Wasserlösliche Salze SO 3 2- Rest- und Abfallstoffe Braunkohle- Flugasche Zementstaub LAGA M 20 / Zuordnungswerte LAGA Z 0 Z 1 (1.1) Z 1.2 Z 2 mg/l Cl - mg/l 0, ph-wert - 12,1 / 22,7 C 12,9 / 23,0 C 6,5-9,0 6,5-9, ,5-12 Leitfähigkeit ms/cm Wasserlösliche Schwermetalle Arsen As mg/l 1,32 0, Bei Pb mg/l < Cadmium Cd mg/l n.b. n.b. 2,0 2, Chrom Cr mg/l < Kupfer Cu mg/l < Nickel Ni mg/l < 38 < Quecksilber Hg mg/l < 0,02 < 0,02 0,2 0,2 1 2 Thallium Tl mg/l n.b. n.b. < Zink Zn mg/l Cyanid (ges.) mg/l < 5 < 5 < ) Phenolindex mg/l < 10 < 10 < ZIM Forschungsprojekt KF /2012/BMWi Sustainable design of earth works / Nachhaltiger Erdbau 25

26 Experimentelle Untersuchungen Forschungsprojekt 2 Rechtliche Seite Eluatanalyse: Bodengemische mit hydraulischen Zuschlägen Wasserlösliche Salze SO 3 2- Mischungen Boden TM Ka 4% Zementstaub 3% - Kalk 1% BFA 8% Zementstaub 8% LAGA M 20 / Zuordnungswerte LAGA Z 0 Z 1 (1.1) Z 1.2 Z 2 mg/l 16 2,8 5,3 36 5, Cl - mg/l ph-wert - 7,7 / 21,7 C 8,7 / 20,9 C 8,1 / 21,2 C 7,0 / 21,1 C 8,8 / 21,4 C 6,5-9,0 6,5-9, ,5-12 Leitfähigkeit ms/cm Wasserlösliche Schwermetalle Arsen As mg/l < 2 < 2 < 2 < 2 < Bei Pb mg/l < 5 < 5 < 5 < 5 < Cadmium Cd mg/l < 0,5 < 0,5 < 0,5 < 0,5 < 0,5 2,0 2, Chrom Cr mg/l < 3 < 3 3 < Kupfer Cu mg/l < Nickel Ni mg/l < Quecksilber Hg mg/l < 1 < 0,4 < 0,4 < 0,4 < 0,4 0,2 0,2 1 2 Thallium Tl mg/l n.b. n.b. n.b. n.b. n.b. < Zink Zn mg/l < 5 < 5 < 5 < 5 < Cyanid (ges.) mg/l < 5 < < 5 < ) Phenolindex 4) mg/l < ZIM Forschungsprojekt KF /2012/BMWi Sustainable design of earth works / Nachhaltiger Erdbau 26

27 Zusammenfassung Forschungsprojekt 2 Erkenntnisse aus der Arbeit Der Einsatz von Rest- und Abfallstoffen ist eine Alternative und innovative Art zu den herkömmlichen Bindemitteln. Nicht hydraulische Zuschläge (20 40 M.-%) führen zu einer Strukturveränderung (Verringerung w opt und Erhöhung Pr ) aber nur zu einer geringen Verfestigung. Hydraulische Zuschläge (4 12 M.-%) führen zu einer Strukturveränderung (Erhöhung w opt und Verringerung Pr ) und erhöhten Festigkeitszunahme mit steigender Dosis. Auch Kombinationen aus herkömmlichen Bindemitteln und nachhaltigen Zuschlagstoffen zeigen Verfestigungseffekte. Eignungsprüfungen können nach geltenden Regelwerken durchgeführt werden. Bei Einsatz von Rest- und Abfallstoffen ist die Schadlosigkeit der Verwertung in einer Einzelfallprüfung nachzuweisen (LAGA-M20-Grenzwerte). ZIM Forschungsprojekt KF /2012/BMWi Sustainable design of earth works / Nachhaltiger Erdbau 27

28 Bodenbehandlung mit Bindemitteln Stabilisierungseffekte verschiedener Bindemittel bei der Bodenbehandlung Besonderer Dank an Bundesanstalt für Straßenwesen für die finanzielle Förderung des Forschungsprojektes FE /2011/FGB durch das Bundesministerium für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung Zentrale Innovationsprogramm Mittelstand (ZIM) des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie für die finanzielle Förderung des Kooperationsprojektes KF /2012/BMWi Kontakt Dr. rer. nat. Anja Damaschke, Materialforschungs- und -prüfanstalt Weimar, Coudraystraße 9, Weimar, Prof. Dr.-Ing. Karl Josef Witt, Bauhaus-Universität Weimar, Coudraystraße 11c, Weimar, Tobias Arndt M. Sc., Dr. Hutschenreuther Ingenieurgesellschaft für bautechnische Prüfung mbh, Lindenweg 13, Isseroda, Prof. Dr.-Ing. habil. Frank Wuttke (vormals Bauhaus-Universität Weimar), CAU Kiel, Ludewig-Meyn-Strasse 10, Kiel, Bauhaus-Universität Weimar 28