Wurzelhemmende Flüssigböden für den Leitungsgraben

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1 Wurzelhemmende Flüssigböden für den Leitungsgraben Simon J. 1, Felde V.J.M.N.L. 2, Kimm-Friedenberg S. 3, Peth S. 2, Middendorf B. 1 1 Fachgebiet Werkstoffe des Bauwesens und Bauchemie, FB 14, Universität Kassel, Mönchebergstr. 7, Kassel 2 Fachgebiet Bodenkunde, FB 11, Universität Kassel, Nordbahnhofstr. 1a, Witzenhausen 3 KIMM Sand-Kies-Betonerzeugnisse Fertigbeton GmbH & Co KG, Stegerwaldstraße 26-28, Kassel

2 Natürliche und urbane Bäume Der Wunsch nach immer mehr Grün in unseren Städten steigt an, weil ein ausgewachsener Baum Schatten spendet täglich bis zu 20 kg Staub und Schadstoffe aus der Luft filtert Eine Stadt ist so reich, wie ihre Bäume zahlreich sind! [alte Volksweisheit] 6700 l O 2 produziert und 9400 l CO 2 speichert 400 l H 2 O verdunsten lässt und dadurch die Umgebungstemperatur um bis zu 3 C senkt ein Biodiversitäts-Hotspot in urbanen Ökosystemen ist als architektonisches und stadtplanerisches Stilmittel dient [Doppler 2009] Resultat: Mehr Lebensqualität durch urbanes Grün, insbesondere vor dem Hintergrund zunehmender Urbanisierung!

3 Natürliche und urbane Bäume

4 Wurzelwachstum in urbanen Böden Wurzelwachstum [IKT 2004] : Wurzel nehmen den Weg des geringsten Widerstands (locker gelagerte Bereiche) Wachstum hin zu Wasser und Sauerstoff Wuzeln bevorzugen konnektive Porensysteme (gute H 2 O und O 2 -Nachlieferung) [TerraTextura 2010] Städtisches Ökosystem [Scheffer, Schachtschabel]: Antropogene und technogene Bodensubstrate Belastet durch Schadstoffe Böden mit sehr hohen Verdichtungsgraden Stadtklima 1 3 C wärmer als im Umland Überbaute und versiegelte Flächen (bis zu 75%) Trotz höherer Niederschlagsmengen trockenere Böden als im Umland (Versiegelung und Entwässerung)

5 Poren und Bodenwasser Saugspannung [hpa] < bis < bis < pf-wert ("Bodenfeuchtegrad") < 1,8 1,8 bis < 2,5 2,5 bis < 4,2 4,2 Porendurchmesser [µm] > bis > bis > 0,2 0,2 Porenbezeichnung Bodenwasser Kennwerte weite enge Grobporen Grobporen Mittelporen Feinporen schnell langsam nicht pflanzenverfügbar beweglich beweglich pflanzenverfügbar Sickerwasser Haftwasser Luftkapazität nutzbare Feldkapazität Totwasser Gesamtporenvolumen

6 Herausforderungen und Grenzen Vibrationsstampfer Homogene Verdichtung unterhalb der Leitungen und Rohre?? oder zwischen und seitlich der Leitungen und Rohre??

7 Problemstellung Wurzeleinwuchs in den Leitungsgraben Wurzeleinwuchs in ein Abwasserrohr [IKT 2004] [IKT 2007] Umwurzelung ggf. mit Lastabtrag (Zugschlingen, Druckstempel) Bei der Verlegung oder Änderung von Leitungen soll auf vorhandene Bäume Rücksicht genommen werden [DIN 1998] Welche Schutzmaßnahmen verhindern den Wurzeleinwuchs in den Leitungsgraben? [DWA-M 162] -Mindestabstände (mindestens 2,5 m von der Stammachse) kein 100%iger Schutz, da Wurzelwachstum nicht am Mindestabstand endet -Einbau von Spundwänden, Folien etc. Umwurzelung? -Wurzelkappung führt zu verstärktem Wurzelwachstum oder tötet den Baum -Wurzelhemmende Verfüllbaustoffe in Komb. mit vegetationstechnisch günstigen Pflanzgruben

8 Lösung: Flüssigboden Ein zeitweise fließfähiger, selbstverdichtender Verfüllbaustoff (Erdbau) Gesteinskörnung -Bodenaushub -aufbereiteter Bauschutt -Sand und Kies > 70 M.-% ZFSV Bindemittel Stabilisierer Wasser Einsatzgebiet [H ZFSV]: - schwer zugängliche oder schwer verdichtbaren Bereiche insbesondere im Kanal- und Leitungsbau Fließfähige Eigenschaften selbstverdichtende und hohlraumfreie Verfüllung ohne mechanische Verdichtung Jederzeit Wiederaushubfähig Homogene Eigenschaften gewährleistet eine gleichbleibende Qualität

9 Projektziel Eine ausgewogene Koexistenz von unterirdischer Infrastruktur und Bäumen in urbanen Räumen Homogene, hohlraumfreie Einbettung mit hohem Durchwurzelungswiderstand Klar definierte durchwurzelbare Bodenbereiche aus wurzelfreundlichem Substrat Keine Wurzeln im Rohr- bzw. Leitungsgraben! Weniger Schäden an Rohren und Kabeln durch Wurzelumschlingungen, Wurzeleinwuchs Weniger Wurzelkappungen, Verletzungen und Fällungen Höhere Lebensdauer des Rohr-Graben-Systems, gesünderes Wurzelwachstum, geringe Instandsetzungskosten, sowie Staub- und Lärmbelastung für Anwohner und Passanten!

10 Bautechnisches Konzept Wurzelhemmender Verfüllbaustoff Packungsdichteoptimierung zu fein zu grob Hoher Durchwurzelungswiderstand -dichtes Gefüge / geringe Porosität -geringere Gas- und Wasserpermeabilität -geringer Gehalt an Grob- und Mittelporen -hoher Gehalt an Feinporen (Totwasser) Trotzdem: Fließfähig und leichte bis mittlere Wideraushubfähigkeit (< 0,8 N mm - ²)

11 Porositäten und Porengrößenverteilung Dichte [g cm - ³] Porosität [Vol.-%] Grobporen [Vol.-%] Mittelporen [Vol.-%] schluffiger Boden * 1,17-1,63 sandiger Boden* 1,16-1,70 verdichteter Sand 0/4 FB I aus Sand und Kies FB II aus Sand und Kies (optimiert) FB III aus 38% BDA I (optimiert)** 2,31 1,67 1,93 1,66 47 (±9) 46 (±10) (±10) 30 (±10) (±7) 7 (±5) Feinporen [Vol.-%] 15 (±5) 5 (±3) * [Scheffer, F.; Schachtschabel, P] ** aktueller Stand

12 Nährstoffbindung Die Kationenaustauschkapazität (KAK) stellt die Menge der austauschbar gebundenen Kationen (Ca, Mg, K, Na ) eines Bodens dar Die Nährstoffversorgung der Wurzeln hängt dabei hauptsächlich von der Höhe der Ionenaufnahme ab. 11,5 11,6 9,9 viele Tonminerale, Huminstoffe und Feinanteile erhöhen die KAK Wenige Feinanteile, wenige Tonmineralien und Huminstoffe reduzieren die KAK Hoher ph-wert erhöht, hohe Packungsdichte verringert die KAK

13 Ausblick Trogversuche: Charakterisierung und Dokumentation der Wurzelmorphologie Analyse des Wurzelwachstums Erste Tastversuche an Kaffeepflanzen

14 Ausblick 3D CT-Analyse: Konnektivität von Poren (Porensystem) Porengrößenverteilung Porengeometrie Wurzeleinwuchs [Peth et al. 2010] IKT Versuchsanlage Osnabrück: Einbau des Flüssigbodens in der unterirdische Versuchsanlage mit Großbäumen Leitungsgraben neben Baumstandort [IKT 2013] [IKT 2013]

15 Referenzen Doppler, Wilfried (2009): StadtundLand: zwei Lebenswelten und ihre Bewohner. Grüne Reihe, Band 20. Böhlau Verlag: Wien DIN 1998 (1978): Unterbringung von Leitungen und Anlagen in öffentlichen Flächen Richtlinien für die Planung. Deutsche Norm DWA-M 162 (2014): Bäume, unterirdische Leitungen und Kanäle. DWA-Regelwerk H ZFSV (2012): Hinweise für die Herstellung und Verwendung von zeitweise fließfähigen, selbstverdichtenden Verfüllbaustoffen (ZFSV) im Erdbau. FGSV Hinweisblatt Nr. 563 Henn, Ulrike (2013): Kühne Helden - Stadtbäume in Hamburg. Ulrike Cameron Henn (Hrsg.) IKT (2004): Wurzeleinwuchs in Abwasserleitungen und Kanäle. Kurzbericht. Auftraggeber: Ministerium für Umwelt, Naturschutz, Landwirtschaft und Verbraucherschutz des Landes NRW IKT (2007): Wurzeleinwuchs in Abwasserleitungen und Kanäle - ergänzende Feldversuche. Endbericht AZ IV Ministerium für Umwelt, Naturschutz, Landwirtschaft und Verbraucherschutz des Landes NRW IKT (2013): Umweltsicherer Kanalbau durch wurzelfeste Bettung der Rohre Teil 1: Bau der unterirdischen Versuchsanlage (Wurzelgräben) mit Großbäumen am Standort Osnabrück. Abschlussbericht für die Deutsche Bundesstiftung Umwelt (DBU). Peth et al. (2010): Non-invasive 3D analysis of local soil deformation under mechanical and hydraulic stresses by µct and digital image correlation. Soil Til Res 111, 3-18 Scheffer, Friedrich und Schachtschabel, Paul (2010): Lehrbuch der Bodenkunde. 16. Auflage. Spektrum Akademischer Verlag: Heidelberg TerraTextura: TecTon Wurzelblockstoff. Informationsbroschüre TerraTextura

16 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Ulrike C. Henn Blut-Buche Kühne Helden (2013)