Verwertung von Baggergut im Deichbau

Transkript

1 Verwertung von Baggergut im Deichbau Hamburg-Rissen, den 13. September 2012 M.Sc. K. Beyer und Dr. J. Gebert

2 Gliederung Teil 1: Untersuchung zur bodenmechanischen Eignung im Labor- und Modellversuchsmaßstab M.Sc. K. Beyer, TUHH Teil 2: Feldversuch zum hydraulischen Verhalten und zum Schadstoffemissionspotenzial Dr. J. Gebert, HPA M.Sc. K. Beyer 2

3 Möglichkeiten der Verwertung im Deichbau Moderne Deiche in Nordwestdeutschland: Ansatz: Verwertung von METHA-Material im unteren Teil der bindigen Deckschicht Klei Sandkern Untersuchung folgender Abdeckprofile: Foto: Landesbetrieb Straßen, Brücken, Gewässer Quelle: bergedorfer-zeitung.de 30 cm mächtige Kleiabdeckung über METHA-Material 50 cm mächtige Kleiabdeckung über METHA-Material M.Sc. K. Beyer 3

4 Eigenschaften (Charge 2) Eigenschaft HH 1 EAK 2 Weißmann Altenwerder Depot Klei METHA Material Glühverlust (%) 4 9 Anteil Sand (%) Anteil Feinstes (%) Fließgrenze (%) Plastizitätszahl (%) Einbauwassergehalt (%) Trockendichte (%) 1,6 1,0 Scherfestigkeit (kpa) Durchlässigkeit (m/s) Zerfallszeit (h) Schrumpfmaß Empfehlungen für den Kleieinbau und die Kleiverdichtung (Jan. 1988) 2 Empfehlungen Arbeitskreis Küste 2002 (korrigierte Ausgabe 2007): Tab. G3 3 Weißmann, R. (2003): Die Widerstandsfähigkeit von Seedeichbinnenböschungen gegenüber ablaufendem Wasser. Dissertation, Universität Duisburg-Essen M.Sc. K. Beyer 4

5 Witterungsbedingte Auswirkungen auf exponierte, kohäsive Böden Verdichtete, kohäsive Böden vollziehen einen Prozess der Reifung Von Bedeutung hierbei: Änderungen der Temperatur und des Wasserdargebots Bei gegebenen Umweltbedingungen (Klima, Flora, Fauna) hängt die sich entwickelnde Struktur von den Bodeneigenschaften ab Rissbildung in Deichen kann zu einer Beeinträchtigung ihrer Sicherheit führen Erhöhung der Gesamtdurchlässigkeit, Vergrößerung der Angriffsfläche für Wasser M.Sc. K. Beyer 5

6 Ausgewählte Untersuchungen an Laborproben Rissbildung: U.a. Untersuchung der Zugfestigkeit: Entwicklung eines Versuchsstands, momentan Optimierung des Aufbaus Untersuchung in Abhängigkeit vom Wassergehalt METHA-Material hat geringere Zugfestigkeiten als der untersuchte Klei Wasserzutritt: U.a. Untersuchung der Scherfestigkeit: Hohe Plastizität des METHA-Materials bewirkt geringere Abhängigkeit der Scherfestigkeit vom Wassergehalt M.Sc. K. Beyer 6

7 Aufbau des Modellversuchsstands M.Sc. K. Beyer 7

8 Klimatisierung und Beregnung HID Strahler mit Tageslichtspektrum (2 pro Abschnitt) Beregnungsanlage (4 Düsen pro Abschnitt) Peltier basierte Temperaturregelung (1 pro Abschnitt) 6 Geräte zur Regulierung der Luftfeuchte (Luftbehandlung in geschlossenem Kreislauf) Thermische Isolierung M.Sc. K. Beyer 8

9 Einrichtung der Profile Siebung der Erdstoffe auf 16mm Einbau mit dem Proctorhammer in 5cm Lagen Installation der Sensoren nach der Verdichtung horizontal im Profil Rissbildung: Temperatur: Wassergehalt: Saugspannungen: 1 Überwachungskamera pro Profil 4 pt100 pro Profil 4 SISOMOPs pro Profil 6 Labortensiometer T5/T5x pro Profil M.Sc. K. Beyer 9

10 Szenarien Aufbau I: Einsatz der Strahler, Tag-Nachtzyklen Aufbau II: konstante Bedingungen Aufbau III: zyklische Beregnung M.Sc. K. Beyer 10

11 Rissbildung (Aufbau I) Riss im Klei nach sehr kurzen Trocknungsphasen, im METHA-Material deutlich später Stagnation der Rissausweitung im Klei, weitere Ausweitung im METHA-Material Rissverhalten der abgedeckten Profile entspricht dem des Klei-Profils (Aufbau II) M.Sc. K. Beyer 11

12 Trocknungsverhalten: Profile im Vergleich (Aufbau II) Im Klei-Profil: die Oberfläche reagiert deutlich sensibler auf Trockenereignisse Im METHA-Material: geringere Saugspannungsentwicklung mit größerer Tiefenwirkung In abgedeckten Profilen: geringere Übertragung von Saugspannungen in das METHA-Material Einflusstiefe geringer als in reinen Profilen M.Sc. K. Beyer 12

13 Abgeleitetes Materialverhalten Eigenschaften von METHA-Material lassen in vielen Punkten ein positives Materialverhalten auf dem Deich erwarten Bewertung nach Richtlinien für Klei nicht ohne Weiteres möglich Insbesondere das Trocknungs- und Rissverhalten bedarf näherer Betrachtung Ein instrumentierter, klimatisierter Modellversuchsstand wurde entwickelt, bisher 3 Aufbauten Früheres Reißen der Kleioberfläche, da sie deutlich sensibler auf Trockenereignisse reagiert Stagnation der Rissausweitung im Klei, weitere Ausweitung im METHA-Material In abgedeckten Profilen oberflächennah ähnlich dem Klei Profil mit geringerer Einflusstiefe Beurteilung der Risssicherheit in Kombination mit Schrumpfmaßen und Zugfestigkeiten M.Sc. K. Beyer 13

14 Ausblick: In-situ Erkundung an Testfeldern 2D-Widerstandstomographie: erlaubt die zerstörungsfreie Beobachtung der Änderungen in Wassergehalt und Makrostruktur unter realen klimatischen Bedingungen Durchführung an Testfeldern unter Verwendung von Klei und METHA-Material M.Sc. K. Beyer 14

15 Eignung von METHA-Material im Deichbau: ein Feldversuch Dr. J. Gebert 15

16 Ziele Aufklärung des hydraulischen Verhaltens von METHA-Material im Vergleich zur Referenz Klei Untersuchung der Mobilisierung und des Austrags von Schadstoffen aus METHA-Material Dr. J. Gebert

17 Aufbau Testfelder - Querschnitt METHA-Material/Klei 70 cm Klei 30 cm NN m NN m 1:3 HDPE-Wanne Sand Dr. J. Gebert

18 Instrumentierung - Aufsicht Sickerschacht Wasserquantität (MID) TF 1- Klei TF 2 Klei + METHA-Material 9 m Porenwässer (Saugkerzen) Wassergehalt (TDR) Porenwässer (Saugkerzen) Wassergehalt (TDR) 15 m Wasserqualität Wasserquantität (Pegellogger) Elbe / Rosshafen Mess-Schacht

19 Testfeldbau August 2004

20 Testfeld 1 Kleischichten Testfeld 2 PEHD-Wanne mit Dränsand

21 Abziehen und Anrauhen der Schichtgrenzen

22 Testfeld 2 Aufbringen METHA-Material

23 Testfeld 2 Klei über METHA-Material Klei 1.37 g/cm 3 k f = 6.3*10-10 m/s METHA Material 0.96 g/cm 3 k f = 1.7*10 9 m/s Mess Schacht

24 Hochwasser Mess-Schacht überspült

25 Eisgang

26 Schrumpfrisse in Kleidecke Sommerliche Austrocknung Risse in der Kleidecke

27 Untersuchungsprogramm Bodenphysikalische und bodenchemische Kennwerte Lokales Klima (Wetterstation) Abflüsse aus Testfeldern Feststoff- und Sickerwasseranalytik nach Länderarbeitsgemeinschaft Abfall (LAGA) M20 Bundesbodenschutzverordnung (BBodSchV), Pfad Boden Grundwasser Deponieverwertungsverordnung (DepVerwV) besonderer Fokus: Organozinnverbindungen Dr. J. Gebert 27

28 Körnung 50 Ton 50 Schluff 50 Sand Anteil (Gew.-%) Klei METHA-Material 0 Klei METHA-Material 0 Klei METHA-Material Dr. J. Gebert

29 Bodenphysikalische Kennwerte Vol.-% Vol.-% Vol.-% Vol.-% Vol.-% 60 GPV 60 Feldkapazität 60 Nutzbare Feldkapazität 60 Luftkapazität 60 Totwasser Klei METHA-Material 0 Klei METHA-Material 0 Klei METHA-Material 0 Klei METHA-Material 0 Klei METHA-Material Dr. J. Gebert

30 Hydraulisches Verhalten Kumulierter Abfluss (1000 m 3 ) Testfeld 1 (Klei) Testfeld 2 (Schlick) Kumulierter Abfluss (l/m 2 ) Dr. J. Gebert

31 Zusammenfassung hydraulisches Verhalten Bis Ende 2005 Aufrechterhaltung hoher hydraulischer Dichtigkeit, keine Abflüsse aus beiden Feldern Infolge von Durchwurzelung, Schrumpfung, Frosteinwirkung (Bodenreifung) starke Erhöhung der Durchlässigkeit in 2006 Summierter Abfluss aus TF 2 beträgt bislang etwa das 2fache des Abflusses aus TF 1 ABER: Seither in TF 2 starke Abnahme der Sickerraten, deutliche Annäherung des Sickerverhaltens an TF 1 Dr. J. Gebert 31

32 Mobilisierung von Schadstoffen aus METHA-Material Zeitraum Dr. J. Gebert

33 Mobilisierung von Schadstoffen aus METHA-Material Zeitraum o Keine OZV o Keine Phenole o Keine PCB o Keine PAK o DOC vergleichbar mit Klei Dr. J. Gebert

34 Zusammenfassung Schadstoffemissionspotenzial Testfeld 1 (Klei) seit Beginn, Testfeld 2 (METHA-Material) seit August 2006 unter oxidierenden Bedingungen Geringfügige Mobilisierung anorganischer Schadstoffe einmalig beim Übergang von reduzierten zu oxidierten und von oxidierten zu reduzierten Bedingungen Keine Unterschiede im Sickerwasser beider Felder bzgl.der langfristig sich einstellenden Konzentration von Spurenmetallen Keine Emission organischer Schadstoffe Sickerwässer überschreiten Werte nach BBodSchV, LAGA M20, Entwürfe der ErsatzbaustoffV und GrundwasserV sowie Deponieverwertungsverordnung nur für Sulfat Nitrat Leitfähigkeit Dr. J. Gebert 34

35 Schlussfolgerungen und Ausblick Emission anorganischer und organischer Schadstoffe bislang unkritisch Dichtwirkung des Baggerguts nach erster Austrocknung eingeschränkt, aber im weiteren Verlauf Annäherung an Eigenschaften des Kleis Fortsetzung der Untersuchungen zum hydraulischen Verhalten über weitere drei Jahre Aufgrabungen zur Analyse der Veränderung der bodenphysikalischen Eigenschaften und zur Überprüfung des Rissbildes Klärung der Gleichwertigkeit von METHA-Material gegenüber Klei hinsichtlich der hydraulischen Eigenschaften Dr. J. Gebert 35

36 Ausblick: Aufgrabung April 2012 Dr. J. Gebert

37 Testfeld 2: Klei über METHA-Material Riss im Klei Riss im METHA- Material Dr. J. Gebert Ziel: Analyse der Veränderung bodenphysikalischer Eigenschaften gegenüber dem Einbauzustand; Ergebnisse 12/12

38 Kontaktdaten M.Sc. Kathinka Beyer Dr. Julia Gebert Technische Universität Hamburg-Harburg Institut für Geotechnik und Baubetrieb HPA Hamburg Port Authority AöR Ingenieurbüro Baggergut Harburger Schloßstraße 20 Neuer Wandrahm Hamburg Hamburg Tel.: Tel.: Fax: Fax: beyer@tuhh.de Julia.Gebert@hpa.hamburg.de 38