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Effizienz technischer Sicherungsmaßnahmen im Erdbau

Die Verwendung von Ersatzbaustoffen bei Erdbauwerken und im Straßenoberbau kann eine ökonomisch und ökologisch sinnvolle Alternative sein. Das mit den Ersatzbaustoffen in Kontakt gekommene Sickerwasser darf jedoch keine Gefahr für Boden und Grundwasser darstellen. Die Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) führt deshalb Lysimeteruntersuchungen unter Laborbedingungen sowie Untersuchungen von Bauweisen in Freilandlysimetern durch. Als Ergebnis steht nun eine belastbare Datengrundlage zur Durchsickerung von Straßenböschungen zur Verfügung.

Das Foto zeigt die schematische Darstellung der „Hallen-“ LysimeteranlageSchematische Darstellung der „Hallen-“ Lysimeteranlage (Bild: BASt)

Aufgabenstellung

Kommen bei Straßenbaumaßnahmen Ersatzbaustoffe zum Einsatz, muss der Schutz von Boden und Grundwasser gewährleistet sein. Ersatzbaustoffe müssen deshalb realitätsnah darauf geprüft werden, ob umweltrelevante Inhaltsstoffe mit dem Sickerwasser in relevanten Mengen ausgetragen werden können. Für die hydrogeologische Beurteilung der Durchsickerung im Hinblick auf den Boden- und Grundwasserschutz ist der heutige Wissensstand jedoch noch nicht ausreichend.

Die BASt rief deshalb das mehrteilige Projekt “Effizienz technischer Sicherungsmaßnahmen im Erdbau” ins Leben. Die technischen Sicherungsmaßnahmen sollen die Durchsickerung vermindern, um den Schadstoffaustrag zu minimieren. In diesem Rahmen wurden großmaßstäbliche Lysimeteruntersuchungen unter Laborbedingungen durchgeführt sowie gemeinsam mit der Hochschule Augsburg Untersuchungen an einer Freilandlysimeteranlage betrieben. Um einen Vergleich der Untersuchungen zu ermöglichen, wurden bei beiden Teilprojekten dieselben Böden verwendet.

Ziel der Forschungsarbeiten war es, eine belastbare Datengrundlage zur Sickerwassermenge zu schaffen. Daraus sollen Instrumente entwickelt werden, um die Wirksamkeit unterschiedlicher technischer Sicherungsmaßnahmen zu beurteilen. Durch ökonomisch und ökologisch optimierte Bauweisen soll das Potenzial für den Einsatz von Ersatzbaustoffen im Erdbau des Straßenbaus erhöht werden.

Forschungsprojekt:
Lysimeteruntersuchungen unter Laborbedingungen

Untersuchungsmethode

Zur Beurteilung der Wirksamkeit technischer Sicherungsmaßnahmen wurde sowohl ein Lysimeter als auch eine zugehörige Beregnungseinheit entwickelt. Mit diesem Instrument sollten unter vergleichbaren, kontrollierten und zeitgerafften Bedingungen verschiedene Kombinationen aus technischen Sicherungsmaßnahmen und Ersatzbaustoffen am Ausschnitt einer Böschung im Maßstab 1:1 geprüft werden. Um die reproduzierbaren Laborbedingungen sicherzustellen und klimatische Einflüsse weitestgehend auszuschließen, wurde die Anlage in einer Versuchshalle aufgestellt.

In dieser Versuchsserie wurden ein bindiger und ein kiesiger Boden untersucht. Als technische Sicherungsmaßnahmen wurden eine Dränmatte und eine wasserabweisende Anspritzung mit Bitumen verwendet. Außerdem wurde je eine Vergleichsvariante ohne technische Sicherungsmaßnahmen realisiert. Aus der Kombination von zwei Böden und drei Bauweisen ergaben sich somit insgesamt sechs Versuchsreihen. Über eine Dauer von 15 Wochen wurde werktäglich das Gewicht des Lysimeters, des Sickerwassers und des Oberflächenabflusses ermittelt. Während dieser Zeit wurden in jeder Woche ein bis drei Regenereignisse aufgebracht. Das Sickerwasser wurde zusätzlich zur Mengenerfassung chemisch analysiert.

Ergebnisse

Obwohl die Sicherungsmaßnahme mit Dränmatte eigentlich nur für Baustoffe mit geringer Durchlässigkeit vorgesehen ist, erzielte diese Bauweise beim durchlässigen, kiesigen Boden die beste Wirkung. Trotz mehrfacher Bitumenanspritzung konnte hingegen für beide Böden die Sickerwassermenge nicht wesentlich reduziert werden.

Die Menge an umweltrelevanten Inhaltstoffen wird von den beiden Faktoren Konzentration im Sickerwasser und Menge des Sickerwassers bestimmt. Der entscheidende Faktor ist die Sickerwassermenge, welche von den technischen Sicherungsmaßnahmen beeinflusst wird. Möglich ist somit, mit einer geeigneten technischen Sicherungsmaßnahme den Austrag von umweltrelevanten Inhaltsstoffen aus einer Straßenböschung zu minimieren.

Das Foto zeigt die Gesamtansicht der zwei Lysimeter mit Wasservorratsbehältern und Arbeitsplatz Gesamtansicht der zwei Lysimeter mit Wasservorratsbehältern und Arbeitsplatz (Bild: BASt)

Forschungsprojekt:
Untersuchungen von Bauweisen in Freilandlysimetern

Untersuchungsmethode

Untersuchungen unter Freilandbedingungen bieten die Möglichkeit, auch klimatische Einflüsse oder den Einfluss des Straßenabflusses einzubeziehen. Daher wurde in einer bereits bestehenden Lysimeteranlage in Augsburg in acht Lysimetern der Ausschnitt einer Straßenböschung einschließlich eines etwa einen Meter breiten Bankettstreifens eingebaut. Auf den Böschungen wurden unterschiedliche technische Sicherungsmaßnahmen eingesetzt. Zusätzlich wurden zum Vergleich auch Varianten ohne technische Sicherungsmaßnahme realisiert. Für den Aufbau der Böschungskerne wurde für vier Lysimeter feinkörniges und somit schwach durchlässiges und für die anderen vier grobkörniges, durchlässiges Bodenmaterial ausgewählt. Die Böden wurden mit den Schadstoffen Cadmiumacetat, Kaliumferrocyanid und Kupfersulfat dotiert.

An der Versuchsanlage wurden die Sickerwasser- und Oberflächenabflussmengen sowie die Menge des Straßenabflusses und der Niederschlag alle fünf Minuten gemessen. Darüber hinaus wurde in jedem Lysimeter an jeweils zwei Punkten der eingebauten Böschungskörper kontinuierlich die volumetrische Feuchte, Temperatur und Salinität ermittelt. Ergänzend wurden die Konzentrationen der zudotierten Schadstoffe und weiterer Parameter im Sickerwasser der Lysimeter und im Straßenabfluss bestimmt, die für den Einsatz von Ersatzbaustoffen und für die Straßenentwässerungsplanung relevant sein können. Das Sickerwasser und der Straßenabfluss wurden als Zwei-Wochen-Mischprobe gesammelt und analysiert.

Ergebnisse

Die Auswahl des Dammbaustoffes hat einen wesentlichen Einfluss auf den Anteil des Sickerwassers. Beim kiesigen Boden versickerte ein hoher Anteil des Wassers bereits im Bankett. Eine Bitumenanspritzung als technische Sicherungsmaßnahme bewirkte bei beiden Bodenarten keine Verminderung des Sickerwasseranteils. Die Möglichkeit einer gut wasserleitenden Schicht (Dränmatte oder Kies-Sickerschicht) zeigte die größte Reduzierung der Sickerwassermengen. Sie wurde auf den Böschungen mit bindigem Boden im Böschungskern eingesetzt.

Die Analyse der chemischen Parameter ergab, dass die aus jedem Lysimeter ausgetragenen Stoffmengen relativ gering sind. Dies gilt sowohl für gut lösbare Stoffe wie Cyanid als auch für mehrere Schwermetalle, obwohl hohe Chloridkonzentrationen im Sickerwasser eine mobilisierende Wirkung auf diese haben. Die mittleren Konzentrationen im Sickerwasser der Lysimeter ähneln sich bei gleichem eingebautem Boden sehr stark. Da sich die Menge und Qualität des Zulaufes direkt auf die Frachtberechnung auswirkt und der Zulauf zu den einzelnen Lysimetern variiert, können keine direkten Schlüsse auf die Wirkung der technischen Sicherungsmaßnahmen getroffen werden. Die Verringerung der die Böschung durchsickernden Wassermenge bewirkt jedoch eine fast lineare Verringerung der ausgetragenen Stoffmenge.

Das Foto zeigt die schematische Darstellung der „Freiland-“ LysimeteranlageSchematische Darstellung der „Freiland-“ Lysimeteranlage (Bild BASt)

Folgerungen

Die Ergebnisse der Forschungsprojekte bilden eine Grundlage, gezielt wirksame und realisierbare technische Sicherungsmaßnah-men auf Erdbauwerken umzusetzen. Als wichtige Erweiterung der Datenbasis können die gewonnenen Qualitätsinformationen zu den Schadstoffgehalten in Straßenabflüssen und deren Rückhaltung in Böschungen unterschiedlichen Aufbaus angesehen werden.

Das Foto zeigt eine Lysimeteranlage und BöschungseinbauÜbersicht Lysimeteranlage und Böschungseinbau (Bild BASt)

Bibliographische Angaben

Lysimeteruntersuchungen unter Laborbedingungen

Autoren des Berichts:
Christine Kellermann-Kinner
Michael Bürger
Tanja Marks

Untersuchungen von Bauweisen in Freilandlysimetern

Autoren des Berichts:
Markus Brand
Astrid Tiffert
Michael Endres
Manfred Schnell
Hochschule für angewandte
Wissenschaften Augsburg
Fakultät für Architektur und
Bauwesen

Tanja Marks
Birgit Kocher

Autor dieses Textes:
Christine Kellermann-Kinner
Tanja Marks

Efficiency of technical safeguards within earthwork

The protection of soil and groundwater must be guaranteed where alternative building materials are used in road construction. Alternative building materials therefore need to be tested under realistic conditions to determine whether environmentally relevant constituents can be released in seepage in relevant quantities. However, the current level of knowledge is not yet sufficient to make a hydrogeological assessment of percolation in terms of soil and groundwater protection.

The Federal Highway Research Institute (BASt) therefore launched the multi-part project “Efficiency of technical safeguards within earthwork”. The technical safeguards are intended to reduce percolation so as to minimise pollutant export. Large-scale lysimeter investigations were performed under laboratory conditions in this context and tests conducted with an outdoor lysimeter facility in cooperation with the University of Augsburg. The same soil was used in the two subprojects to make the tests comparable. The aim of research work was to create a sound foundation of data on the quantity of seepage. Following on from this, instruments are then to be developed to assess the efficacy of different technical safeguards. Economically and ecologically optimised construction methods are to enhance the potential for using alternative building materials in the earthwork for road construction.

The results of the research projects create a foundation for selectively implementing effective and feasible technical safeguards for earthwork. The quality information obtained on the pollutant content in road run-off and its retention in embankments of different structures can be seen as an important extension of the database.

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