Institut für angewandte Bau- und Reststoff-Forschung, Hirschberg

Transkript

1 F+E-Projekt: Einsatz von Reycling-Baustoffen und Hausmüllverbrennungsschlacken als Material für Flussdeiche Forschungsdeich Dr.-Ing. Jürgen Reichelt 1/3

2 F+E-Projekt: Einsatz von Recycling-Baustoffen und HMV-Schlacken als Material für Flussdeiche Förderung: Projektnehmer: Institut für Straßen- und Eisenbahnwesen Dr.-Ing. Jürgen Reichelt Dipl.-Ing. Joachim Sauter Baustofflieferanten: 2/3 Institut für Wasserbau und Wasserwirtschaft Dr.-Ing. Harald Vogel Dr.-Ing. Peter Mewis Dipl.-Ing. Jesper Steuernagel Hermann Rauen GmbH & Co. Baustoffaufbereitung K&S GmbH Mannheim (MV-Schlacken) Büttelborn (RC-Material)

3 Motivation und Ziel Motivation: In der DIN Flussdeiche werden als Baustoffe für den Deichbau neben natürlichen Mineralstoffen auch künstlich hergestellte Baustoffe als prinzipiell geeignet angesehen. Derzeit erfolgt in der Praxis kein Einsatz von RC-Baustoffen und HMV-Schlacken beim Bau von Flussdeichen! Ziel: Nachweis der bautechnischen und umweltrelevanten Eignung von RC-Baustoffen und HMV-Schlacken als Material für den Bau und die Sanierung von Flussdeichen 3/3

4 Vorgehensweise Im Bereich des Straßenbaus werden seit Jahrzehnten gütegesicherte RC-Baustoffe und HMV-Schlacken Frage: als Baumaterial eingesetzt! Qualitätsanforderungen an Mineralstoffe aus dem Straßenbau prinzipiell auf den Bau und die Sanierung von Flussdeichen übertragbar? Errichtung eines Flussdeiches im Maßstab 1 : 1 mit RC-Baustoffen und HMV-Schlacken als Stützkörper Zweck: Forschungsdeich in Biebesheim 4/3 Simulation von naturähnlichen Hochwasserereignissen Überprüfung der bautechnischen und umweltrelevanten Eigenschaften der eingesetzten Baustoffe Auswirkungen der Sickerwässer auf die Umwelt

5 Aufbau des Forschungsdeiches Landseite Tonschicht Wasserseite Oberboden Messcontainer Messcontainer graben Fußfilter MV-Schlacken HMV-Schlacken RC-Baustoff RC-Baustoffe Stützkörper Tondichtung Kunststoffdichtungsbahn Spundwand Bauart: 3-Zonen-Deich entsprechend DIN Flussdeiche Maße: Länge: 6 m Breite: 17, m Höhe: 3 m Standort: Gelände der Deichmeisterei in Biebesheim/Rhein /3

6 Messeinrichtungen im Forschungsdeich Spundwand W a s s e r s e i t e A- Feuchtemesssystem B+ Feuchtemesssystem B- (fest installiert: Sensoren) A+ Inklinometer A1 A2 RC-Baustoff RCBaustoff MV-Schlacke HMV-Schlacke A3 pegel graben Tondichtung L a n d s e i t e Wasserstandsmessung an pegel Verformungsverhalten Inklinometermessungen sammelschächte Niederschlagsmesser Durchströmungsverhalten (Inklinometerrohre/Sonden) Messcontainer Umweltverträglichkeit Spundwand pegel Dichtung (Ton) RC-Baustoff / HMV-Schlacke MV-Schlacken ( pegel) Oberboden Sickerwässer aus dem Deich KDB Fußdrain Feuchtemesssystem (TDR) 6/3 Sickerwässer im Deich (2 sammelschächte) Inklinometer

7 Verwendete Baustoffe und deren Funktion für den Forschungsdeich Bauphase Fertigstellung und Einstau Spundwand KunststoffDichtungsbahn (KDB) HMV-Schlacke Tondichtung Tondichtung Pegel Inklinometerrohre RC-Baustoff Feuchtemessung Baustoffe: RC-Baustoffe HMV-Schlacke Tondichtung KDB Filterkies Mutterboden 7/3 Stützkörper Stützkörper a) über dem Stützkörper b) zwischen dem RC-Baustoff / HMV-Schlacke Abdichtung des Deiches nach unten Fußfilter (Drainage) Begrünung

8 Verwendete Baustoffe für den Forschungsdeich: Qualitätssicherung Stützkörper: Güteüberwachte Baustoffe (straßenbautechnisches Regelwerk) vor der Lieferung: Deklarationsanalyse (Haldenbeprobung beim Produzenten vor Ort) vor dem Einbau: Einbauanalyse (Beprobung des angelieferten Materials) HMV-Schlacke Nach den Einstauversuchen: 8/3 HMV-Schlackenhalde Analyse des ausgebauten Materials

9 Qualität der Baustoffe: Bautechnik Stoffliche Bestandteile RC-Baustoff /4 mm HMV-Schlacke /32 mm Asphalt Schlacke Beton, Betonwerksteine Glas sonstige hydraulisch gebundene Materialien Naturwerksteine, ungebrochen u.gebrochene Materialien Keramik Metalle Min Max Grenzwerte Kies und Sand Ziegel, Mauerwerk,Steinzeug Anteile [Gew.-%] 9/ Min Max Grenzwerte Sonstiges Unverbranntes Anteile [Gew.-%] 9

10 Qualität der Ausgangsstoffe: Bautechnik φrc = crc? 3 kn/m²,63, 1 2 4,6 8 11, ,4 31, Siebnennöffnungsweite in mm Rohdichte Schüttdichte Proctordichte optimaler Wassergehalt Wassergehalt Widerstand gegen mechanische Beanspruchung Widerstand gegen Frost-Tau-Wechsel (Prüfkörnung 8/ mm) Widerstand gegen Frost-Tau-Wechsel (Gesamtkörnung) Anteil schlecht geformter Körner / φmv = 42 cmv? 1 kn/m² HMV-Schlacke 2 RC-Baustoff Einheit Ist-Wert [g/cm³] [g/cm³] [g/cm³] [%] [M.-%] SZ8/12 [Gew.-%] 1 2 Spannung σ [kn/m² ] Spannung σ [kn/m² ] TL Gestein-StB / TL SoB-StB Parameter RC-Baustoff 2 A 6 AA A Siebdurchgang in M.-% 7 2 AA A 7 A 9 Scherfestigkeit τ [kn/m² ] 8 Scherfestigkeit τ [kn/m² ] 87 Grenzsieblinien TL SoB-StB für FSS /32 Ist-Sieblinie: RC-Baustoff Ist-Sieblinie: HMV-Schlacke 9 2 Scherfestigkeit: Scherversuche 2 HMV-Schlacke TL SoB-StB Ist-Wert TL SoB-StB 2,69 1,23 1,9 9,2 4,1 27,1 28 2,69 1,19 1,72 2, Abspl. < mm Abspl. <,71 mm <,63, 1 3 () 2,,8 9 [M.-%] 7,3 13,2 2

11 /32 mm (Erstprobe): Korngrößenabhängigkeit des Mineralbestandes % Qualität der Ausgangsstoffe: Mineralogie 9% 8% 7% RC /32 mm (Einbauanalyse) : Korngrößenabhängigkeit des Mineralbestandes MV-Schlacke (Einbauanalyse): Korngrößenabhängigkeit des Mineralbestandes % 9% 9% 8% 8% 4% 7% 7% 3% 6% 6% [Vol.-%] % [Vol.-%] % 6% % % 2% 4% 4% % 3% 3% 2% 2% % % <,63,63-,9,9-,2,2-,71 % <,63-,9,63,9,2 Oxide: Quarz Hämatit Magnetit Silikate: Kalifeldspat Plagioklas Diopsid,712, 2,,,8, 8, ,216, 2,-, 16,22,4 Hydroxid: Portlandit SiO2 α-fe2o3 Fe3O4 Carbonat: Calcit KAlSi3O8 (Na,Ca)[Al(Al,Si)-Si2O8] CaMgSi2O6 Tonmineral (Illit) 11/3,2,71,71-2, Sulfat: Anhydrit Zementphasen,-8, 22,431, Ca(OH)2 CaCO3 CaSO4 % % <,63-,9,63,9,2 Oxide: Quarz Hämatit Magnetit Silikate: Gehlenit Åkermanit Kalifeldspat Plagioklas Diopsid,2,71,712, SiO2 α-fe2o3 Fe3O4 Ca2Al2SiO7 Ca2MgSi2O7 KAlSi3O8 (Na,Ca)[(Si,Al)AlSi2O8] CaMgSi2O6 neu gebildete Glasphasen 2,,,8, 8, ,216, 16,22,4 22,431, Phosphate: Apatit Ca(PO4)3(OH) Hydroxide: Portlandit Ca(OH)2 Carbonate: Calcit CaCO3 Sulfate: Anhydrit Gips Ettringit CaSO4 CaSO4x2H2O Ca6Al2[(OH)4ISO4]3x24H2O Salze: Halit NaCl

12 Qualität der Ausgangsstoffe: Umweltverträglichkeit Feststoffgehalte DEV S4-Eluatgehalte RC-Baustoff RC-Baustoff ph-wert el. Leitfähigkeit Sulfat Chlorid Cyanid Arsen Cadmium Chrom ges. Kupfer Quecksilber Nickel Blei Zink AOX DOC Phenol-Index PAK (EPA) Chrom VI Trockenrückstand Glühverlust EOX TOC PAK (EPA) PCB KW Arsen Blei Cadmium Chrom, ges. Kupfer Nickel Quecksilber Zink µs/cm mg/l mg/l µg/l µg/l µg/l µg/l µg/l µg/l µg/l µg/l µg/l µg/l mg/l µg/l µg/l µg/l M.-% M.-% mg/kg M.-% mg/kg mg/kg mg/kg mg/kg mg/kg mg/kg mg/kg mg/kg mg/kg mg/kg mg/kg Deklarationsanalyse 9, ,2 78, ,6 99,9 3,27, 3,6 2,81, , ,2 69 Einbauanalyse 1 11, , 4,2 11 n.n. n.b n.b.,9, 2,4 n.n. 26 6,8 44,9,3 28, 62,1 19,4,37 86, Einbauanalyse 2 11, ,2 18,2 2 3,2 13 2,6 n.b., 1,9 2,4, , ,2 69 HMV-Schlacke MV-Schlacke Z Z1.1 Z1.2 Z2 7, - 12, 7, - 12, , - 12, , - 12, , , < 2,6 4 4, Deklarations- Einbauanalyse analyse 1,2 9, , ,,1 2 6, ,2, 14 9, ,7 29,42 n.n. 98,1 4 <,,1 2,4,6 n.n. n.n. n.n. n.n , 8, , ,7, Einbauanalyse 2 9, , 1,4 2 4, ,2 <,,37,2 n.n , <,2 2 LAGA 7, ,2 zu best (3) RC-Baustoff: Anforderungen erfüllt gemäß LAGA M2 für Z1.1 /Z1.2 RC-Baustoffe HMV-Schlacke: Anforderungen erfüllt gemäß LAGA M2 HMV-Schlacke 12/3

13 Versuchsdurchführung: 3 Einstauversuche Wasserstand: 2, m über der Kunststoffdichtungsbahn /, m unter Deichkrone Um eine komplett ausgebildete Sickerlinie im Deich zu erzielen, wurde der Wasserstand im Becken durch regelmäßiges Nachfüllen von Wasser konstant gehalten. Einstau erfolgte sehr schnell (2 Tage): Belastungen durch den Wasserdruck auf den Deichkörper höher als bei einem theoretischen Bemessungshochwasser Abbstau mittels Tauchpumpe (1 Tag) Eingestauter Versuchsdeich 13/3 Versuchsdeich nach Abbstau

14 1. Einstauversuch: 7 Tage Extreme Belastung des Versuchsdeiches infolge mangelhafter Bauausführung: - schlechte Funktion der wasserseitigen Tondichtung infolge Fehlstellen - Versagen des Fußfilters wegen zu hoher Feinanteile im Filterkies zu hohe Durchlässigkeit auf der Wasserseite zu geringe Durchlässigkeit des Fußfilters Resultat der Baufehler: Anstau des s im Deichkörper! Austritt von Wasser oberhalb des Fußfilters! Wasseraustritt im Bereich der landseitigen Böschung (RC-Material) 14/3 Hohe mengen! (RC-Baustoff: l/min; HMV-Schlacke 3, l/min)!

15 1. Einstauversuch: Sickerlinien und Feuchteverteilung Verlauf der Sickerlinien: Sickerlinie Wasserstand in m über KDB Sickerlinien RC-Material RC-Baustoff HMV-Schlacke MV-Schlacke 3, 2, 2, 1, 1, RC-Material: horizontale SL HMV-Schlacke: Absenkung der SL, aber Austritt über dem Fußfilter,, 2 4 P1 6 8 P2 P3 12 P4 14 P Abstand von Spundwand in m Austritt von Wasser oberhalb des Fußfilters! Feuchteverteilung RC-Material Feuchteverteilung: (RC-Baustoff) horizontaler Wasserstand wassergesättigter unterer Teil des Stützkörpers Ergebnis: 1/3 Extrem ungünstiger Belastungsfall, aber visuell beobachet: Deich bleibt vollständig stabil! Deichböschung intakt!

16 1. Einstauversuch: Inklinometermessungen Inklinometermessungen: Verformungsmessungen zur Beurteilung der Standsicherheit ~ Querschnitt A 6, 6 S pu ndwa nd 1, 7 ~ 1, Ma st ~ Querschnitt B 1, Me ßq ue rsch ni t B1 B2 B3 A1 A2 A MV-Schlacke V ersu chs de ic h 7, 83 RC-Baustoff 2, Meß qu ers chn it t , 17 S en krec hte To nd ic htun g ~ 1% Grab en Grab en ~ 1, ~1 % ~ ~ ~ , ~,1 6 Si ck erwas sers chä cht e Mes sco ntai ne r Z aun Verschiebung der Hauptachsen Ergebnis: Lage der Inklinometer Vernachlässigbar geringe Verformungen (< 2 mm), trotz kritische Belastung der landseitigen Böschung durch den extrem hohen stand im Deichkörper! Sehr gute Standsicherheit des Deiches 16/3

17 2. und 3. Einstauversuch: 2. Einstauversuch: 23 Tage (Teilsanierung der wasserseitigen Tondichtung) Funktion der Tondichtung in Ordnung Fußfilter zu geringe Durchlässigkeit Sickerlinie über dem Fußfilter! 3. Einstauversuch: 23 Tage Funktion der Tondichtung und des Fußfilters in Ordnung Vernachlässigbar geringe Verformungen (Gesamtverformung < 2 mm) Ergebnis: Ursache: 17/3 Keine Erosionen feststellbar, weder an der landseitigen Böschung noch am wasserseitigen Böschungsfuß Hohe Scherfestigkeit der RC-Baustoffe und HMV-Schlacken: Reibungswinkel ϕ = 42-4 Sekundäre Verfestigungsprozesse während der Liegezeit, die insbesondere innerhalb der HMV-Schlacken verstärkt auftreten.

18 Ergebnis der bautechnischen Untersuchungen RC-Baustoffe und HMV-Schlacken zeichnen sich aus durch: hohe Scherfestigkeit und damit hohe Standsicherheit, auch bei steilen Böschungen hohe Sicherheit gegenüber innerer Erosion und Suffosion erhöhte Sicherheit gegenüber Grabgänge hohe Erosionssicherheit bei Überströmung ist zu erwarten Ergebnis: RC-Baustoffe und HMV-Schlacken eignen sich in bautechnischer Sicht als Material für Stützkörper in Flussdeichen 18/3

19 Ergebnis der mineralogischen Untersuchungen RC-Baustoff: Keine Änderungen des Mineralbestandes, außer: Ca(OH)2 + Luft-CO2 Portlandit HMV-Schlacke: CaCO3 Calcit Bindemittel Nachverfestigung Keine Änderungen des Mineralbestandes, außer: Ca(OH)2 + Luft-CO2 Portlandit CaCO3 Calcit CaSO4 + Wasser/Alumium Anhydrit Bindemittel Nachverfestigung Gips / Lösung / Ettringit CaSO4x2H2O Ca6Al2[(OH)2SO4]3x24H2O Sulfatgehalte 19/3

20 Ergebnis der mineralogischen Untersuchungen Aufgrund des Mineralbestandes der ausgebauten RC-Baustoffe und HMV-Schlacken sind konstante Materialeigenschaften zu erwarten, welche die Funktionsfähigkeit des Deiches gewährleisten. 2/3

21 Ergebnis der umweltrelevanten Untersuchungen T T T Grenzwert TrinkwV: µg/l Blei ß]` ` +` Ñ W w ý Beispiel: 2. Einstauversuch T T T Sickerwässer aus Messpegeln im Deichkörper Sickerwässer aus Sammelbecken Messpunkt 2 Messpunkt 3 Messpunkt 4 Messpunkt T T 1 T 1. Einstauversuch: 7 Tage 2. Einstauversuch: 23 Tage 3. Einstauversuch: 23 Tage Bewertung: Grenzwerten der TrinkwV 21/3 Messpunkt 1 UVP bestimmt an: (getrennt für RC-Baustoffe und HMV-Schlacke) im Becken Sickerwässer aus Messpegeln im Deichkörper Sickerwässer im sammelbecken bis zu Einzelmessungen der Sickerwässer je Messpunkt

22 2. Einstauversuch o] o S ] o S ] o ] o S S ] o S ] S ƒ g ƒ g Messpunkt 1 Messpunkt 2 Messpunkt 4 Blei 1 2. Tag Messpunkt Blei 1 2. Tag Messpunkt 1 Messpunkt 2 Messpunkt 3 Messpunkt 4 Messpunkt Grenzwert TrinkwV: µg/l 22/3 Messpunkt 3 Messpunkt 4 Messpunkt 2 2 Messpunkt 1 Messpunkt 2 Grenzwert TrinkwV: µg/l kein anfall HMV-Schlacke 4 Messpunkt 3 Messpunkt 1 Messpunkt 2 Messpunkt 3 Messpunkt 4 Messpunkt kein anfall 4 Grenzwert TrinkwV: µg/l S ] o Blei ÜM]E Ü ]E Ü ]E Üè]Y ÜYE Pegel trocken RC-Baustoff o S o S Grenzwert TrinkwV: µg/l Blei ý]f]j ]ý]z]j ý] ]j ] ý]á] ý] > 3. Einstauversuch Blei

23 2. Einstauversuch kein Grenzwert nach TrinkwV RC-Baustoff 1 Zink Tag Messpunkt 1 Messpunkt 2 Messpunkt 3 Messpunkt 4 Messpunkt Zink 14 kein Grenzwert nach TrinkwV /3 Messpunkt 1 Messpunkt 2 Messpunkt 3 Messpunkt 4 Messpunkt Zink kein Grenzwert nach TrinkwV Tag Messpunkt 1 Messpunkt 2 Messpunkt 3 Messpunkt 4 Messpunkt 7 kein anfall HMV-Schlacke 1 kein Grenzwert nach TrinkwV Zink Tag 3 2 Messpunkt 1 Messpunkt 2 Messpunkt 3 Messpunkt 4 Messpunkt kein anfall Tag Pegel trocken Einstauversuch Zink

24 2. Einstauversuch 22 Kupfer 22 Grenzwert nach TrinkwV: 2 µg/l Tag Messpunkt 1 Messpunkt 2 Messpunkt 3 Messpunkt 4 Messpunkt Kupfer Grenzwert nach TrinkwV: 2 µg/l 12 Grenzwert nach TrinkwV: 2 µg/l 1 2. Tag 12 8 kein anfall /3 HMV-Schlacke Messpunkt 1 Messpunkt 2 Messpunkt 3 Messpunkt 4 Messpunkt Kupfer 2 14 Grenzwert nach TrinkwV: 2 µg/l 16 Kupfer Tag Messpunkt 1 Messpunkt 2 Messpunkt 3 Messpunkt 4 Messpunkt Messpunkt 1 Messpunkt 2 Messpunkt 3 Messpunkt 4 Messpunkt kein anfall RC-Baustoff Tag Pegel trocken 2 3. Einstauversuch Kupfer

25 2. Einstauversuch e] z M M ] ] z M ] z ] z M M ] M z ] z M M ] b Ž ïv]d V \ ]X Mes v]+ Mes 9 I]þ Mes ]Ò Mes Chrom 1 2. Tag ð] Mes \1 Ç ) ]P Sick Grenzwert TrinkwV: µg/l /3 Messpunkt 1 Messpunkt 2 Messpunkt 3 Messpunkt 4 Messpunkt 1 2. Tag l\ Mes 8\è Mes \ Mes Ð\ Mes Chrom \L Mes /\ç Sick Grenzwert TrinkwV: µg/l 4 kein anfall HMV-Schlacke 8 Grenzwert TrinkwV: µg/l M z Chrom ÒS]: Òˆ]: Ò½]: Òò]O Ò'OR 2 Messpunkt 1 Messpunkt 2 Messpunkt 3 Messpunkt 4 Messpunkt kein Sickerw asseran fall z 9 Grenzwert TrinkwV: µg/l Pegel trocken z RC-Baustoff Chrom?]p ]u]p ª]p à] ] A 3. Einstauversuch Chrom

26 2. Einstauversuch Grenzwert TrinkwV: 24 mg/l () [ mg/l ] Chlorid [ mg/l ] Tag Chlorid Grenzwert TrinkwV: 2 mg/l Messpunkt 1 Messpunkt 2 Messpunkt 3 Messpunkt 4 Messpunkt 2 2 Messpunkt 1 Messpunkt 2 Messpunkt 3 Messpunkt 4 Messpunkt Grenzwert TrinkwV: 2 mg/l kein anfall [ mg/l ] HMV-Schlacke 1 2. Tag Messpunkt 1 Messpunkt 2 Messpunkt 3 Messpunkt 4 Messpunkt 26/3 Grenzwert TrinkwV: 24 mg/l () 4 Chlorid Tag Messpunkt 1 Messpunkt 2 Messpunkt 3 Messpunkt 4 Messpunkt kein anfall [ mg/l ] RC-Baustoff 4 Chlorid Pegel trocken Tag 3. Einstauversuch Chlorid

27 2. Einstauversuch Tag Grenzwert TrinkwV: 24 mg/l () [ mg/l ] Sulfat 8 Grenzwert TrinkwV: 24 mg/l () [ mg/l ] Messpunkt 1 Messpunkt 2 Messpunkt 3 Messpunkt 4 Messpunkt Sulfat Grenzwert TrinkwV: 24 mg/l () Tag Messpunkt 1 Messpunkt 2 Messpunkt 3 Messpunkt 4 Messpunkt 4 3 kein anfall [ mg/l ] Tag Messpunkt 1 Messpunkt 2 Messpunkt 3 Messpunkt 4 Messpunkt 2 1 Messpunkt 1 Messpunkt 2 Messpunkt 3 Messpunkt 4 Messpunkt kein anfall HMV-Schlacke Grenzwert TrinkwV: 24 mg/l () /3 Sulfat Tag Pegel [ mg/l ] RC-Baustoff 6 Sulfat 3. Einstauversuch Sulfat

28 Ergebnis der umweltrelevanten Untersuchungen Ein Einsatz der RC-Baustoffe ist hinsichtlich der Umweltverträglichkeit unbedenklich. Ein Einsatz der HMV-Schlacken ist hinsichtlich der Umweltverträglichkeit unbedenklich, unter Berücksichtigung, dass sich die Chloride und Sulfate sehr schnell auswaschen und somit kein dauerhafter Austrag erfolgt, die Chloride und Sulfate bei der vorgeschlagener Bauweise nur zeitlich begrenzt bei langanhaltenden Hochwässern freigesetzt würden, und die bei Hochwässern tatsächlich freigesetzten Chloride und Sulfate in Relation zu den Stofffrachten der Vorfluter zu sehen sind, in denen der überwiegende Teil der Sickerwässer nach den Hochwässern wieder zugeführt wird. Die sehr guten bautechnischen Eigenschaften sowie die Schonung natürlicher Ressourcen durch die Verwendung von HMV-Schlacken anstelle von natürlichen Mineralstoffen könnte die zeitlich begrenzt auftretende erhöhte Stofffracht an Chloriden und Sulfaten wieder aufwiegen. 28/3

29 Ergebnis der bautechnischen, mineralogischen und umweltrelevanten Untersuchungen Ein Einsatz von güteüberwachten RC-Baustoffen und HMV-Schlacken als Material für Flussdeiche ist möglich Aus Vorsorgegründen sollten nur Baustoffe verwendet werden, die einer spezifischen Qualitätssicherung unterliegen, die im Rahmen eines Leitfadens geregelt sein könnten. 29/3

30 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! 3/3