Schriftenreihe der Zement- und Betonindustrie Zementstabilisierte Böden Anwendung, Planung, Ausführung
Zementstabilisierte Böden Anwendung, Planung, Ausführung Dipl.-Ing. Otmar Hersel Beton Marketing Süd GmbH, Wiesbaden Dipl.-Ing. Rudolf Dürrwang Sachverständiger für Erd- und Grundbau, Boden- und Felsmechanik Arcadis Consult GmbH, Darmstadt Dipl.-Ing. Christian Hotz Arcadis Consult GmbH, Stuttgart Herausgeber: BetonMarketing Deutschland GmbH, Erkrath, 2007
Herausgeber: BetonMarketing Deutschland GmbH, Erkrath, 2007 www.beton.org Gesamtproduktion: Verlag Bau+Technik GmbH Postfach 12 01 10, 40601 Düsseldorf www.verlagbt.de
Vorwort Zement im Boden ist allen am Bau Beteiligten als Maßnahme zur Bodenverbesserung oder Bodenverfestigung bekannt. Die Anwendung zielt darauf ab, die Eignung von Böden für den Erdbau zu verbessern, ihnen eine höhere Tragfähigkeit zu verleihen oder ihre Frostbeständigkeit zu erhöhen. Zement im Boden erhöht im Wesentlichen dessen Kohäsion. Damit werden die Gesamtscherfestigkeit und die Tragfähigkeit des Bodens günstig beeinflusst und ggfs. eine Verringerung des Erddruckes auf Bauteile ermöglicht. Bisherige Überlegungen im Bauwesen zielten eher darauf ab, wie man mit Bauteilen Erddruck aufnehmen kann und weniger, wie man Erddruck auf sie vermeidet oder vermindert. Erst die Überlegungen zur Bauweise Bewehrte Erde brachten Ideen in diese Richtung. Mit einer Bewehrung des Bodens sollen Zugspannungen aufgenommen werden. Diese Denkweise entspricht dem Prinzip des Verbundbaustoffes Stahlbeton. Bei Erdbauwerken treten aber keine reinen Zugkräfte, sondern überwiegend Scherkräfte auf, die jedoch aufgenommen werden können, wenn nach Zugabe von Zement eine Erhöhung der Bodenkennwerte erreicht wird. Auf den Einbau von Geotextilien kann daher vielfach verzichtet werden. Bei der Einarbeitung des Zements durch Fräsen wird der Boden zusätzlich homogenisiert. Damit entsteht ein definierter, qualitativ hochwertiger und auch kontrollierter Baustoff, dessen günstige Eigenschaften verlässlich genutzt werden können. Dies führt zu vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten, die in dieser Broschüre dargestellt werden. Nach derzeitigem Stand der Regelwerke sind lediglich Verdichtungsanforderungen und Tragfähigkeitsbeiwerte im Erdbau einzuhalten. Es wird jedoch dabei in Querprofilen gedacht, sodass man im Verlauf eines Verkehrsweges theoretisch jeden beliebigen Boden hintereinander einsetzen könnte. Wird so verfahren, führt dies zu den bekannten Verformungen von Verkehrswegen mit unruhigem, welligen Längsverlauf und mit Einsenkungen, z.b. an den Brückenwiderlagern. Die Verwendung von Zement im Erdbau erzeugt dagegen über die verbesserte Eigensteifigkeit ein hoch tragfähiges Linienbauwerk mit hoher Formstabilität und ist damit die wichtigste Grundlage für hochwertige Verkehrswege im Straßen- und Eisenbahnbau wie auch bei großen Flächen für Hallenböden und Abstellflächen. Die Überlegungen, Böden mit hydraulischen Bindemitteln zu stabilisieren, wurden besonders durch den Bau der Festen Fahrbahn bei der Deutschen Bahn angeregt. Es galt Setzungen und Setzungsunterschiede zu minimieren,
Vorwort da die Feste Fahrbahn nur geringe Nachstellmöglichkeiten im Gleisbau zulässt. Gleichzeitig sollten möglichst alle Bodenarten, die innerhalb einer Trasse zur Verfügung stehen, zur Entlastung der Umwelt und aus Gründen der Wirtschaftlichkeit eingesetzt werden. Die erste größere Anwendung, Böden bei einer Festen Fahrbahn mit Zement zu stabilisieren, erfolgte für die Neubaustrecke Köln-Rhein/Main und dort insbesondere im mittleren Bauabschnitt, in dem für den Erdbau wenig geeignete Böden vorherrschten. Die Bauweise Böden mit Zement zu stabilisieren hat Eingang in das Regelwerk der Forschungsgesellschaft für Straßen und Verkehrswesen (FGSV) gefunden. Das von ihr herausgegebene Merkblatt über Bodenverfestigungen und Bodenverbesserungen mit Bindemitteln spricht allerdings bei Anwendungen im Sinne dieser Broschüre von Qualifizierter Bodenverbesserung, d.h., der Baustoff Boden muss bestimmte Anforderungen bei den Bodenkennwerten erfüllen. Der Begriff Qualifizierte Bodenverbesserung gilt für den Straßen- und Verkehrswegebau. Diese Broschüre beschreibt aber auch andere Anwendungen im Erdbau, sodass im Folgenden hierfür der Begriff Zementstabilisierte Böden verwendet wird. Diese Broschüre soll zeigen, dass der Einsatz zementstabilisierter Böden eine wirtschaftliche Alternative zu anderen Bauweisen darstellt und, z.b. im Verkehrswegebau, zu wartungsarmen und langlebigen Fahrbahnen und zu weniger Baustellen führt. Sie soll aber auch zur Entwicklung neuer Ideen und Anwendungsgebiete anregen. Darmstadt / Wiesbaden, Juni 2007 Rudolf Dürrwang / Otmar Hersel
Inhaltsverzeichnis Vorwort 1 Geschichtlicher Abriss 7 2 Anwendungen 8 2.1 Erhöhung der Standsicherheit bei Brücken/Dämmen 10 2.2 Erhöhung der Tragfähigkeit von Verkehrsflächen und Hallenböden 10 2.3 Setzungsausgleich im Trassenbau 10 2.4 Verminderung des Erddruckes bei Stützwänden 11 2.5 Erhöhung der Erosionsbeständigkeit im Wasserbau und Hochwasserschutz 11 3 Eignung der Böden 12 4 Hydraulische Bindemittel 15 5 Bemessung, Wirkungsweise, bodenmechanische Handhabung 17 6 Bauausführung und Einbaugeräte 21 7 Wirtschaftlichkeit 25 Anhang A: Regelwerk 26 Anhang B: Schrifttum 28 Anhang C: Leistungsbeschreibung für zementstabilisierte Böden (Beispieltext) 29
Geschichtlicher Abriss 1 Zu Beginn des 20. Jahrhunderts erfolgte mit der steigenden Mobilisierung der Ausbau des Verkehrswegenetzes. Bei den aufgeschütteten Dämmen für Schienen und Straßen wurden große Setzungen beobachtet und man erkannte die Bedeutung von erdbautechnischen Anforderungen für die Schaffung eines dauerhaften und wartungsarmen Unterbaues für die Fahrbahn. Erstmals beim Bau der Reichsautobahnen ab 1933 wurden diese Erkenntnisse umgesetzt und eine maschinelle Verdichtung der Erddämme vorgeschrieben. Die ersten Technischen Vorschriften für die Ausführung von Erdarbeiten im Straßenbau (TVE) erschienen 1939 bzw. 1940. Erste Anwendungen zur Verbesserung der bodenmechanischen Eigenschaften des Baustoffes Boden durch Zugabe von Zement sind aus den Vereinigten Staaten von Amerika bekannt. Bereits 1908 ist dort ein Patent für die Zumischung von Zement zur Verfestigung von Böden erteilt worden. Eine breite Anwendung erfolgte dort allerdings erst in den dreißiger Jahren mit dem zunehmenden Ausbau des Straßennetzes. In dieser Zeit wurden auch erste Prüfverfahren über die Eignung der Boden-Bindemittelgemische für die Verwendung im Straßenbau entwickelt. Die Anfänge der Bodenverfestigung in Deutschland gehen auf die Zeit vor dem 2. Weltkrieg zurück. Bereits 1937 entwickelte die Luftwaffenbauverwaltung Verfahren zur raschen Befestigung von Start- und Landebahnen für schwere Flugzeuge, die auf einer weitgehenden Verwendung von anstehenden, zementverfestigten Böden als Tragschicht beruhten. Obwohl die technologischen Grundlagen für eine Verbesserung oder Verfestigung von Böden noch nicht geklärt waren, wurden bis 1945 auf rund 147 Flughäfen ca. 100 Millionen m 2 zementverfestigte Start- und Landebahnen mit Hilfe von sogenannten Bodenvermörtelungsmaschinen gebaut. Ab Mitte der 50er Jahre wurden hydraulische Bindemittel in größerem Umfang zur Verbesserung der bodenmechanischen Eigenschaften von Böden im Straßenbau eingesetzt. Diese Bauweise fand durch die Herausgabe des Vorläufigen Merkblattes, Ausgabe 1956 durch den Ausschuss Bodenverfestigung der damaligen Forschungsgesellschaft für das Straßenwesen sowohl im Straßen- und Wegebau, als auch in anderen Bereichen des Erdund Grundbaues eine große Verbreitung. Das maßgebende Regelwerk für den Erdbau, die damaligen Zusätzlichen Technischen Vertragsbedingungen und Richtlinien für Erdarbeiten im Straßenbau (ZTV E-StB) wurde erstmals 1976 veröffentlicht und mittlerweile mehrfach aktualisiert. Die letzte Aktualisierung von 1997 wird derzeit von den Ausschüssen der FGSV überarbeitet und an das europäische Regelwerk angepasst.