Einfluss des Sulfat- und Bindemittelgehalts auf das Ettringittreiben in Zusammenhang mit Bodenbehandlungen

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1 Einfluss des Sulfat- und Bindemittelgehalts auf das Ettringittreiben in Zusammenhang mit Bodenbehandlungen J. Knopp, Universität Stuttgart, Institut für Geotechnik Bei der Behandlung sulfathaltiger Böden mit calciumbasierten Bindemitteln ist es weltweit im Erd- und Straßenbau wiederholt zu Schadensfällen durch Ettringittreiben gekommen. Durch die Bindemittelbehandlung wird im Boden der ph-wert erhöht, wodurch Silikate und Aluminate aus der Tonfraktion freigesetzt werden. Die vorhandenen Sulfate im Porenwasser reagieren mit den freigesetzten Aluminaten und dem freien Calcium aus dem Bindemittel und es kommt zur Bildung von Mineralen aus der Gruppe der Ettringite, die einen hohen Kristallwasseranteil haben, sehr voluminös und leicht sind und somit zu schädigenden Quellhebungen führen können. Für die Reaktion des Sulfattreibens im Boden sind zwar Einflussfaktoren bekannt, quantitative Prüfmethoden und standardisierte Strategien zur Gefahrenabwehr liegen derzeit allerdings noch nicht vor. In dem hier vorgestellten Forschungsvorhaben wurden kritische Einflussgrößen für die Ettringitbildung mit dem Ziel untersucht, Grundlagen für die Entwicklung einer praxistauglichen Prüfvorschrift zu erarbeiten. Im bodenmechanischen Labor des Instituts für Geotechnik der Universität Stuttgart wurden an Proben aus verschiedenen Boden-Bindemittelgemischen und mit definierten Sulfatgehalten Quellhebungsversuche durchgeführt. Im Ergebnis wurde ein Zusammenhang zwischen dem Sulfatgehalt im Boden und den eingetretenen Quellhebungen festgestellt. Des Weiteren wurde ermittelt, dass eine Bodenbehandlung mit Weißfeinkalk mit größeren Quellhebungen verbunden ist als eine Behandlung mit Zement. Auch der Einfluss des Bindemittelgehalts wurde näher untersucht. 1. Einleitung Im Straßenbau kommt es durch die Behandlung sulfathaltiger Böden mit calciumbasierten Bindemitteln immer wieder zu Schadensfällen durch Sulfattreiben. Durch die Bindemittelbehandlung wird im Boden der ph-wert erhöht, wodurch Silikate und Aluminate aus den Tonmineralen und z.t. aus dem Bindemittel selbst freigesetzt werden. Die aus dem Boden gelösten Sulfate im Porenwasser können mit den freigesetzten Aluminaten und dem freien Calcium aus dem Bindemittel reagieren, so dass es zur Bildung von Mineralen aus der Gruppe der Ettringite kommt. Durch den hohen Kristallwasseranteil von etwa 46 M.-% ist Ettringit sehr voluminös und leicht und kann bei Neubildung im Boden somit zu schädigenden Quellhebungen führen. Ein Beispiel für einen Schadensfall infolge von Ettringittreiben ist der im Jahre 1995 hergestellte Autobahnzubringer K1077 der Bundesautobahn A81 bei Gärtringen, Herrenberg. Im ersten von zwei Bauabschnitten traten bereits im Jahr nach der Fertigstellung Schäden auf. Es handelte sich um Hebungen des Baugrunds um bis zu 30 cm und Längsrisse in der Asphaltdecke von einer Länge bis zu 6 m bei einer Breite von ca. 2 cm (Keller et al., 2002). Ein aktuelleres Beispiel ist die Bundesautobahn A71 (nördlich B85 AS Sömmerda-Ost). Nach dem Winter 2013/2014 traten an den im Herbst 2013 verbesserten Planien und Dammböschungen Schäden auf. Die Dämme waren im Sommer und Herbst 2013 fast vollständig aus dem Abtrag geschüttet worden. Die Böden sind aus dem Bereich des Mittleren und Unteren Gipskeupers. In der Planung der Baumaßnahme wurden umfangreiche experimentelle Untersuchungen durchgeführt, da bereits bei früheren Teilabschnitten Schäden aufgetreten waren (Hecht & Krings, 2009), (Hecht, 2010). Die experimentellen Untersuchungen ließen mit dem eingesetzten Bindemittel nur ein geringes Quellpotential vermuten. Die äußere Zone der Dammböschungen und das Planum wurden daraufhin im Herbst 2013 mit einem Hochofenzement mit hohem Sulfatwiderstand behandelt. Das Planum wurde mit einer 15

2 16 Schutzlage aus Frostschutzmaterial überschüttet. Im Frühjahr 2014 wurde an fertiggestellten und überschütteten Planien eine Aufl ockerung mit einem Verlust der Festigkeit und der Tragfähigkeit festgestellt (DEGES, 2014). Für die Reaktion des Sulfattreibens im Boden sind die Einfl ussfaktoren zwar bekannt, allerdings steht der Baupraxis kein standardisiertes Prüfverfahren mit eindeutig defi nierten Kenngrößen zur Verfügung. Das Ziel der im Auftrag der Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) ausgeführten Forschungsvorhabens Kenngrößen zur Risikoabschätzung des Ettringittreibens war die Entwicklung eines praxistauglichen Prüfverfahrens als Grundlage für eine hieraus abzuleitende Prüfvorschrift (Moormann et al., 2014). Im Rahmen dieser Forschungsarbeit wurde vorwiegend der Einfl uss des Sulfatgehalts und der Bindemittelart untersucht. Im Anschluss an das zuvor genannte Forschungsvorhaben werden am Institut für Geotechnik, der Universität Stuttgart weiterführende Untersuchungen u. a. zum Einfl uss des Bindemittelgehalts durchgeführt. 2. Einflüsse auf die Ettringitbildung Aus der Literatur sind unterschiedliche, für eine Ettringitneubildung in bindemittelverbesserten Böden maßgebende Einfl ussfaktoren bekannt: Tonmineralbestand: Die Verfügbarkeit bestimmter Minerale beeinfl usst, ob und in welchem Umfang die Treibreaktion stattfi nden kann. Hierbei ist der für Sulfattreiben bei einer Bodenbehandlung mit calciumbasierten Bindemitteln als kritisch zu bezeichnenden Sulfatgehalt stets vom Anteil, der Art und der Verteilung der im Boden vorhandenen Tonmineralen abhängig. Bindemittel führen im Boden zu einer Erhöhung des ph-werts. Dadurch erhöht sich die Löslichkeit von Silikaten und Aluminaten in der Tonfraktion. Silikatund Aluminiumionen werden freigesetzt und stehen zur Ettringitbildung zur Verfügung. Tendenziell sinkt der kritische Sulfatgehalt eines Bodens mit zunehmendem Tonanteil und kaolinitische (nicht quellfähige) bindige Böden haben gegenüber smectitischen (quellfähige) Böden einen größeren Bestand an Aluminaten und somit unter ansonsten gleichen Bedingungen ein höheres Potential für schädigenden Ettringitaufwuchs (Witt, 2012). Sulfatgehalt: Der deutschsprachigen Literatur (Witt, 2012) ist zu entnehmen, dass Sulfatgehalte im Boden ab ppm potentiell schädigungsrelevant sind. Eine hohe Gefährdung ist aber erst ab einem Sulfatgehalt von größer ppm anzunehmen. Diese Grenzwerte werden auch in der Technischen Vorschrift des Texas Department of Transportation (2005) und in der UNI EN angegeben. Little et al. (2010) und Petry & Little (1992) geben an, dass bereits ein Sulfatgehalt von ppm potentiell schädigungsrelevant ist. Wasserangebot: Voraussetzung für die Treibreaktion ist, dass vorhandene Sulfate in Lösung gehen. Hierfür und für den weiteren Transport des Sulfats muss ausreichend Wasser verfügbar sein (Witt, 2012). Zudem hat Ettringit einen sehr hohen Kristallwasseranteil von etwa 46 M. %. Für die Bildung des Minerals muss ausreichend Wasser vorhanden sein. Chemisches Milieu/Alkalität: Sulfattreiben fi ndet nur in einem alkalischen Milieu statt. Die Bindemittelzugabe hat im Boden eine starke Erhöhung der Alkalität zur Folge. Bei einem ph-wert > 10,5 werden Aluminat- und Silikationen aus den Tonmineralen des Bodens freigesetzt und stehen für die Treibreaktion zur Verfügung (Witt, 2012). Durch die Bodenbehandlung mit calciumbasierten Bindemitteln ist das für das Sulfattreiben erforderliche alkalische Milieu im Allgemeinen immer realisiert. Temperatur: In der Literatur wird vermutet, dass die Bodentemperatur einen starken Einfl uss auf den Reaktionsmechanismus hat. Zur Ettringitbildung ist nach Witt (2012) eine Temperatur kleiner 20 C notwendig.

3 Vor allem Bodentemperaturen zwischen 10 C und 20 C werden von Witt (2012) als günstig für die Ettringitbildung genannt. Porenstruktur des Bodens: Ein zusammenhängendes Porensystem begünstigt den konvektiven Transport sulfathaltiger Lösungen durch das Bodengerüst. Da die schädigende Volumenzunahme infolge Ettringitaufwuchs aber in den Bodenporen stattfi ndet, kann eine gute Verdichtung des Bodens und damit eine Reduzierung der Porengröße die Quellgefährdung erhöhen (Witt, 2012). Bindemittel: Besonders kritisch erscheint nach Keller et al. (2002) die Bodenbehandlung mit Weißfeinkalk von verwitterten, gipshaltigen Böden. Wird stattdessen Zement als Bindemittel verwendet, verringert sich das Schadensrisiko. Die Phasenneubildung erfolgt bei einer Behandlung mit Zement zwar schneller, da im Gegensatz zu einer Behandlung mit Kalk die notwendigen Aluminate aus den reaktiven Calciumaluminaten aus dem Zement sofort zu Verfügung stehen, allerdings entwickeln sich deutlich geringere Ettringitgehalte als bei Weißfeinkalk. Überlagerungsdruck: Bei einer behinderten Volumendehnung entstehen beim Ettringittreiben sehr hohe Quelldrücke (bis ca. 5 MPa). Bei im Straßenbau üblichen Überlagerungsdrücken können daher die Quellhebungen nicht überdrückt werden (Keller et al., 2002). 3. Quellhebungsversuche Am Institut für Geotechnik der Universität Stuttgart wurde das Quellverhalten in Abhängigkeit vom Sulfatgehalt mit Pulverquellversuchen nach Thuro (1993) in Oedometerversuchsständen untersucht. Insgesamt wurden für die Versuchsreihe, sowohl im Rahmen des durch die BASt geförderten Forschungsvorhabens (Moormann et al., 2014), als auch für die weiterführenden Versuche, zwei natürlich sulfathaltige und zwei sulfatfreie Böden verwendet. Als Versuchsböden wurden geeignete Böden und Halbfestgesteine ausgewählt, die in Süddeutschland häufi g angetroffen bzw. bei Straßenbaumaßnahmen eingesetzt werden. Im Folgenden wird exemplarisch auf zwei Probenmaterialien eingegangen. Das Probenmaterial WTF3 ist ein Gestein aus dem Wagenburgtunnel in Stuttgart. Es wurde in einem geologischen Fenster oberhalb des Gipshorizontes gewonnen und ist ausgelaugt, enthält also weder Gips noch Anhydrit. Das Material besteht zum Großteil aus Illit (44 %), quellfähigen Tonmineralen (23 %) und Dolomit (18 %). Außerdem wurde Calcit (6 %), Quarz (6 %) und Kaolinit (1 %) festgestellt. Das Probenmaterial GBET ist ein gipshaltiger, gemischtkörniger Verwitterungsboden der Bodengruppe SU (nach DIN 18196) aus einem Steinbruch bei Epfendorf-Trichtingen. Das Material hat einen natürlichen Sulfatgehalt; es wurden ca. 8 % Gips nachgewiesen. Zudem enthält das Material vor allem Dolomit (54 %) und Illit (25 %). Daneben wurden Anteile quellfähiger Tonminerale (2 %), Kaolinit (2 %), Quarz (4 %) und Calcite (2 %) festgestellt. Zur Untersuchung des Einfl uss des Sulfatgehalts wurde den beiden Probenmaterialien ohne natürlichen Sulfatgehalt Sulfat in vier Stufen zwischen 0 und ppm hinzugegeben und die Bindemittelzugabemenge mit 4 M.-% konstant gehalten. Bei den beiden Probenmaterialien mit natürlichem Sulfatgehalt wurden Versuche mit 4 M.-% Bindemittel und ohne Bindemittelzugabe als Referenzversuche durchgeführt (Moormann et al., 2014). Zur Untersuchung des Einfl usses des Bindemittelgehalts wurden Untersuchungen mit einer variierten Bindemittelzugabe zwischen 2 und 8 M.-% bei gleichzeitig variierten Sulfatgehalt am natürlich sulfatfreien Probenmaterial und natürlichem Sulfatgehalt am natürlich sulfathaltigen Probenmaterial durchgeführt. Durchgeführt wurden Pulverquellhebungsversuche, da es so zum einen möglich war, das Bodenmaterial mit den Zugabestoffen homogenisiert einzubauen und zum anderen die Versuchszeit bei Pulverquellversuchen aufgrund der hohen spezifi schen Oberfl ächen deutlich geringer ist. Die Versuchsböden wurden dafür schonend bei 60 C im Ofen 17

4 18 getrocknet und anschließend zu einem Pulver mit einer Korngröße < 0,5 mm aufbereitet. Das pulverisierte Versuchsmaterial wurde dann homogen mit Bindemittel und bei den Versuchsböden ohne geogenen Sulfatgehalt zusätzlich mit Calciumsulfat- Dihydrat vermengt. Anschließend wurde die Mischung mittels einer hydraulischen Presse in einen Oedometerring gepresst. Die Probe wurde dann in den Versuchsstand eingebaut und durch Zugabe von demineralisiertem Wasser der Quellprozess eingeleitet (Moormann et al., 2014). Während der Versuche wurde die Temperatur im Labor konstant auf +18 C gehalten. Verdunstetes Wasser wurde ausgeglichen. Sobald die Prüfkörper mit dem Wasser in Berührung kommen, setzen bei Pulverquellhebungsversuchen starke Volumendehnungen ein, die auf eine Wasseranlagerung an Ionen bzw. Körnern zurückzuführen sind (Thuro, 1993), (Rauh & Thuro, 2007) Diese in der Literatur als Hydratationseffekte bezeichneten Volumendehnungen überlagern anfangs die Quellvorgänge infolge von Mineralreaktionen. Nachdem dieser initiale Hebungsprozess abgeschlossen ist, tritt bei den Versuchen mit Bindemittel- bzw. Sulfatzugabe nach einer Stagnation von einigen Stunden eine weitere Volumenzunahme ein, die auf die Kristallisation von Ettringitmineralien zurückgeführt werden kann. Bei den Referenzproben sind diese sekundären Volumendehnungen nicht aufgetreten. Für die weiteren Auswertungen wurde anhand von Kurvenanpassungen an die Messwerte der einzelnen Versuche die Voluemndehnung infolge der Ettringitbildung ermittelt. Hierfür wurde sowohl der Hydratationseffekt als auch die Ettringitbildung durch eine exponentielle Annäherung wie folgt beschrieben Gl. 1 vol,hyd entspricht hierbei dem Betrag der Quelldehnung infolge Hydratation, vol,ett dem Betrag der Quelldehnung infolge Ettringitneubildung für t. Der Zeitparameter gibt allgemein den Zeitraum an, den ein exponentiell ansteigender Prozess benötigt, um auf 63,2 % seines Endwertes anzusteigen (Moormann et al., 2014). Eine typische zeitabhängige Entwicklung der Volumendehnungen mit Kurvenanpassung an die Messwerte ist in Bild 1 dargestellt. Bild 1. Zeitabhängige Entwicklung der Volumendeh-nungen am Beispiel einer Probe aus Probenmaterial WTF3 mit 4 % Weißfeinkalk und ppm Sulfat. Kurvenanpassung an Gleichung 1 (Moormann et al., 2014). 4. Versuchsergebnisse 4.1. Einfl uss des Sulfatgehalts Unabhängig von der Bodenart wurde sowohl bei den Materialien mit natürlichem Sulfatgehalt als auch bei den Materialien mit künstlich hinzugegeben Sulfatgehalt ein Zusammenhang zwischen dem Sulfatgehalt und der Volumendehnung infolge Ettringitbildung festgestellt. Umso höher die Sulfatgehalte waren, desto größere Volumendehnungen wurden gemessen (Bild 2) (Moormann et al., 2014). Zunächst wurde vermutet, dass die Dehnungen linear vom Sulfatgehalt abhängen. In Anschluss an das BASt-Forschungsvorhaben wurden Versuche mit geringen Sulfatgehalten von und ppm durchgeführt, um den vermuteten linearen Zusammenhang näher zu untersuchen. Im Ergebnis wurde festgestellt, dass sich die Abhängigkeit der Dehnungen vom Sulfatgehalt nicht durch ein lineares Wachstum beschreiben lässt (Bild 3) (Knopp & Moormann, 2016).

5 4.3. Einfl uss der Bindemittelgehalts Nach Abschluss des BASt-Forschungsvorhabens wurde am Institut für Geotechnik, der Universität Stuttgart (IGS) ergänzend der Einfl uss des Bindemittelgehalts am Beispiel des natürlich sulfatfreien Materials WTF3 mit Zugabe eines Portlandzements CEM I 32,5 R in Mengen von 4 M.-%, 6 M.-% und 8 M.-% untersucht. Zugegeben wurden Sulfatgehalte von 0 bis ppm. Die Ergebnisse sind in Bild 4 dargestellt. Bild 2. Material WTF3. Dehnungen infolge Ettringitbildung in Abhängigkeit des Sulfatgehalts. (WFK: Weißfeinkalk) (Moormann et al., 2014). Bild 4. Probenmaterial WTF3, Zugabe CEM I 32,5 R. Volumendehnungen infolge Ettringitneubildung in Abhängigkeit vom Bindemittelgehalt (Moormann et al., 2016). Bild 3. Probenmaterial WTF3, zementbehandelt (4 % CEM I 32,5 R). Dehnungen infolge Ettringitbildung in Abhängigkeit vom Sulfatgehalt (Knopp & Moormann, 2016) Einfl uss der Bindemittelart Für alle Probenmaterialien konnten im Rahmen des BASt-Forschungsprojektes (Moormann et al., 2014) die Beobachtung von Keller et al. (2002) bestätigt werden, wonach die Behandlung von verwitterten, gipshaltigen Böden mit Weißfeinkalk kritischer als diejenige mit Zement ist, da größere Volumendehnungsbeträge gemessen wurden (Bild 2). Für einen Sulfatgehalt von ppm wurden bei Verwendung von Portlandzement Volumendehnungen bis maximal 2 % (Bild 2) festgestellt. Bei einer Stabilisierung mit Weißfeinkalk zeigten sich hingegen bereits bei einem Sulfatgehalt von ppm Volumendehnungen infolge Ettringittreibens von 5 % bis 7 % (Bild 2). Im Bereich kleiner Sulfatgehalte (bis ppm) ist kein Einfl uss des Bindemittelgehalts erkennbar. Vermutlich wird hier das zur Verfügung stehende Sulfat bereits bei 4 % Zementzugabe aufgebraucht, so dass größere Zementmengen nicht zu mehr Volumendehnungen führen können. Erst ab einem Sulfatgehalt von > ppm wurden Unterschiede festgestellt. Die größten Volumendehnungen werden bei Verwendung von 6 % Zement erreicht, die geringsten bei 4 %. Die Ergebnisse mit 8 % liegen dazwischen. Eine mögliche Erklärung hierfür ist, dass bei 6 % Zement bereits alles für eine Reaktion zur Verfügung stehende Sulfat aufgebraucht wird und höhere Zementzugaben aufgrund einer stabilisierenden Wirkung zu weniger Volumendehnungen führen. Hier müssen aber weitere Versuche mit höheren Sulfatgehalten und weiteren Bindemittelgehalten durchgeführt werden (Moormann et al., 2016). 19

6 20 5. Grundlagen für eine Prüfvorschrift Ziel der Forschungsarbeit ist die Entwicklung eines praxistauglichen Prüfverfahrens als Grundlage für eine hieraus abzuleitende Prüfvorschrift. Untersucht wurde bislang neben dem Einfl uss des Sulfatgehalts, der Einfl uss des Bindemittelgehalts und der Bindemittelart Kritische Einfl ussgrößen Es konnte die Beobachtung von Keller et al. (2002) bestätigt werden, dass eine Bodenbehandlung mit Weißfeinkalk mit größeren Volumendehnungen verbunden ist als eine Behandlung mit Zement und eine Verwendung von Zement daher das Schadensrisiko verringern kann. Es ist daher zu empfehlen, in Böden mit einem kritischen Sulfatgehalt auf eine Bindemittelbehandlung mit Weißfeinkalk generell zu verzichten. Aus den Ergebnissen der Versuche an den beiden natürlich sulfatfreien Materialien wurden für eine erste Abschätzung der infolge Ettringitbildung zu erwartenden Dehnungen in Abhängigkeit des Sulfatgehalts des behandelten Bodens die in den Bildern 5 und 6 angegebenen Bandbreiten ermittelt. Bild 6. gemittelte Volumendehnungen in Abhängigkeit des Sulfatgehalts zur Risikobewertung für kalkbehandelte Böden (4 % Weißfeinkalk) (Moormann et al., 2014). Zur Ermittlung der Bandbreiten wurden die in den Versuchen gemessenen Volumendehnungen für die untersuchten Materialien in Abhängigkeit der Bindemittelart gemittelt. Zu beachten ist, dass der kritische Sulfatgehalt stark materialabhängig ist, wodurch die teilweise recht hohen Bandbreiten in den Bildern 5 und 6 entstehen. Ob ein geringes, mittleres oder hohes Risiko besteht, muss in Abhängigkeit der Anwendung jeweils entschieden werden. Die hier angegebenen Grenzen wurden als Vorschlag angegeben, für den Fall, dass ab 5 % Volumendehnungen ein mittleres bis hohes Risiko für Schäden an Bauwerken besteht Prüfverfahren zur Risikoabschätzung Bild 5. gemittelte Volumendehnungen in Abhängigkeit des Sulfatgehalts zur Risikobewertung für zementbehandelte Böden (4 % CEM I 32,5 R) (Moormann et al., 2014). Zur Abschätzung des Schadensrisikos wurde ein Ablaufplan (Bild 7) ermittelt. Für eine erste grobe Abschätzung der Quellgefährdung kann mittels Feldversuchen qualitativ bestimmt werden, ob ein Boden sulfathaltig ist. Eine Zusammenfassung möglicher Feldversuche fi ndet sich in einer Studie aus den USA (Harris, 2002). Vorgeschlagen wird hier u. a., die elektrische Leitfähigkeit des Bodensättigungsextraktes zu messen, einen Aceton- oder Bariumchlorid-Test durchzuführen oder den Sulfi dgehalt zu bestimmen. Zudem geben die stratigraphische Einordnung der jeweiligen Baugrundschichten und die geotechnische Erkundung bereits deutliche

7 Hinweise auf einen möglichen Sulfatgehalt. Die Versuche wurden im Rahmen des beschriebenen Forschungsvorhabens nicht untersucht und können daher nicht bewertet werden. Mittels mineralogischer Untersuchungen (z. B. röntgendiffraktometrische Messung) ist es möglich, den Sulfatträger und den Mengenanteil im Boden zu bestimmen. Für Reihenuntersuchungen von Baugrundproben sind mineralogische Verfahren allerdings nicht geeignet, da sie sehr aufwändig sind. Hier empfehlen sich chemische Analysen. Anhand der Bilder 5 und 6 kann in Abhängigkeit der Anwendung eine erste Risikobeurteilung durchgeführt werden. Muss von einer mittleren bis hohen Gefährdung ausgegangen werden, so empfehlen sich für eine fundierte Prognose Pulverquellhebungsversuche an Proben des Boden-Bindemittelgemischs. Bild 7. Ablaufplan zur Abschätzung des Schadensrisikos (Moormann et al., 2014). 6. Zusammenfassung Es wurden Einfl ussgrößen für die Ettringitbildung mit dem Ziel untersucht, Grundlagen für die Entwicklung einer praxistauglichen Prüfvorschrift zu erarbeiten. Als Einfl ussfaktoren die eine Ettringitneubildung begünstigen sind insbesondere der Mineralbestand, das Wasserangebot, das chemische Milieu, die Temperatur, die Porenstruktur, die Bindemittelart und der Überlagerungsdruck als wesentliche Einfl ussfaktoren aus der Literatur bekannt. Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurde das Quellverhalten an Materialien mit natürlichem Sulfatgehalt (hier beispielhaft das Probenmaterial GBET) und ohne einen natürlichen Sulfatgehalt (hier beispielhaft das Probenmaterial WTF3) untersucht. Es wurde festgestellt, dass ein Zusammenhang zwischen dem Sulfatgehalt und der Dehnung infolge Ettringitbildung besteht. Für eine Abschätzung der in Abhängigkeit vom Sulfatgehalt und eingesetzten Bindemittel zu erwartenden Hebungen wurden die in den Bildern 5 und 6 dargestellten Kenngrößen als Richtwerte abgeleitet. Der kritische Sulfatgehalt ist zum einen stark materialabhängig und wird zum anderen durch die Wahl des Bindemittels beeinfl usst. Es konnte validiert werden, dass eine Bindemittelbehandlung mit Weißfeinkalk ungünstiger ist als eine Behandlung mit Portlandzement, da sowohl bei den natürlich sulfatfreien, als auch bei den natürlich sulfathaltigen Materialien bei Verwendung von Weißfeinkalk größere Volumendehnung eintraten. Im Bereich geringer Sulfatgehalte (3.000 und ppm) wurde kein Einfl uss des Bindemittelgehalts festgestellt. Erst ab Sulfatgehalten > ppm konnten Unterschiede festgestellt werden. Als Prüfverfahren zur Ermittlung des Quellpotentials und zur Abschätzung des Schadensrisikos wurde ein Ablaufplan (Bild 7) vorgeschlagen. Im Rahmen des vorgestellten Forschungsvorhabens konnten bisher nur einige wesentliche der vielen Randbedingungen, die die Kristallisation von Ettringitmineralen begünstigen, untersucht werden. Hinsichtlich des Einfl usses bestimmender Faktoren wie z. B. der Porenstruktur, des Verdichtungsgrades, der Umgebungstemperatur, des Bindemittelgehalts, des Dolomit-Gehalts, des Einfl usses von Frost-Tau-Wechseln und auch hinsichtlich der Anwendbarkeit der Indexversuche zur qualitativen Sulfatbestimmung im Feld, besteht weiterer Forschungsbedarf. 21

8 22 7. Literatur DEGES (2014). A71 AS Sömmerda Ost, provisorische Anbindung B85, Verformung und Risse im Erdkörper. Präsentation der DEGES bei der Pressekonferenz zur A71 im Thüringer Ministerium für Infrastruktur und Landwirtschaft. Guidelines for Treatment of Sulfate Rich Soils and Bases in pavement Structures (2005). Harris, P. (2002). Laboratory and fi eld procedures for measuring the sulfate content of texas soil. Develop guidelines an procedures for stabilisation of sulfate soils. Texas Ttransportation Institut. Hecht, T. (2010). Fahrbahnanhebungen infolge von Treibmineralbildungen in bindemittelverbesserten Böden. 41. Erfahrungsaustausch über Erdarbeiten im Straßenbau. Hecht, T. & Krings, M. (2009). Besondere Erfahrungen beim Erdbau mit treibmineralbildenden Böden. 16. Brandenburgischer Bauingenieurtag, Cottbus. Keller, P., Mosthof, A., Laptev, V. & Gilde, S. (2002). Gipskeuper: Baugrundrisiken durch die Bildung von Ettringit/Thaumsait. 3. Kolloquium Bauen in Boden und Fels, S Esslingen. Knopp, J. & Moormann, C. (2016). Einfl ussfaktoren auf die Ettringitbildung bei Bodenbehandlungen. Zur Veröffentlichung in der Zeitschrift Geotechnik eingereicht. Little, D., Nair, S. & Herbert, B. (2010). Addressing Sulfate-Induced Heave in Lime Treated Soils. J. Geotech. Geoenviron. Eng., S Moormann, C., Zweschper, B. & Knopp, J. (2014). Kenngrößen zur Risikoabschätzung des Ettringittreibens von sulfathaltigen Böden. Bisher unveröffentlichter Forschungsbericht. Bundesministeriums für Verkehr und digitale Infrastruktur (BMVI), vertreten durch die Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt). Petry, T. M. & Little, D. N. (1992). Update on sulfate-induced heave in treated clays: Problematic sulfate levels. Transportation Research Record, 1362(51-55). Rauh, F. & Thuro, K. (2007). Rasche und optimierte Vorhersage von Quelleigenschaften bei Tonen mithilfe des Pulverquellversuchs. 16. Tagung für Ingenieurgeologie und Forum "Junge Ingenieurgeologen", Bochum. Thuro, K. (1993). Der Pulver-Quellversuch ein neuer Quellhebungsversuch. Geotechnik (16), S Witt, K. (2012). Wirkungsmechanismen und Effekte bei der Bodenstabilisierung mit Bindemitteln. 8. Erdbaufachtagung. Danksagung Die diesem Bericht zum Teil zugrundeliegenden Forschungsarbeiten wurden im Auftrag des Bundesministeriums für Verkehr und digitale Infrastruktur, vertreten durch die Bundesanstalt für Straßenwesen, unter FE Nr /2012/BGB sowie KLAP Nr durchgeführt. Die Verantwortung für den Inhalt liegt allein bei den Autoren. Unser besonderer Dank gilt der fachlichen Unterstützung der Betreuergruppe, i.e. den Herren Dr. Kuhl, Dr. Schade und Prof. Witt. Moormann, C., Knopp, J. & Krysta, M. (2016). Treiberscheinungen bei bindemittelbehandelten, sulfathaltigen Böden. Erd- und Grundbautagung, Worms.