Bindemittelbehandelte Böden als alternativer Baustoff für den Hinterfüllbereich von Bauwerken

Aus ökologischen und ökonomischen Gründen wird ein Wiedereinbau von bei Erdbauarbeiten anfallendem Bodenaushub angestrebt. Unbehandelt ist Bodenaushub mit hohem Feinkornanteil jedoch nicht als Baustoff für den Hinterfüllbereich verwendbar. Im Auftrag der Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) wurde nun untersucht, inwiefern die Beimischung von Bindemitteln zu einer hinreichenden Verbesserung der mechanischen Eigenschaften führt. Durch den Nachweis der Gleichwertigkeit bindemittelbehandelter Böden und herkömmlicher Hinterfüllbaustoffe ergibt sich ein großes Potenzial bei der Ressourcenschonung ohne Qualitätseinbußen.

Schematische Darstellung des Übergangsbereiches vom Ingenieurbauwerk zum Erdbauwerk (Bild: Szczyrba, 2013)

Aufgabenstellung

Bei Erdbauarbeiten anfallender Bodenaushub mit hohem Feinkornanteil wird regulär nicht im Hinterfüllbereich eingebaut, sondern beispielsweise als mineralische Restmasse deponiert. Aus ökonomischen und ökologischen Gründen ist ein Wiedereinbau anzustreben. Um einen dauerhaften und setzungsarmen Übergang vom Ingenieurbauwerk zum Erdbauwerk zu gewährleisten, muss das einzubauende Material jedoch besonderen Anforderungen gerecht werden. Im Auftrag der BASt wurde nun erforscht, inwiefern durch das Einmischen von Bindemitteln die mechanischen Eigenschaften feinkornreicher Böden soweit verbessert werden, dass sie als Materialien im Hinterfüllbereich infrage kommen und wie deren Langzeitverhalten ist. Die Baugrund Dresden Ingenieurgesellschaft mbH untersuchte dazu die Möglichkeiten qualifiziert bindemittelverbesserter fein- und gemischtkörniger Böden mit einem Feinkornanteil von über 15 Prozent Massenanteil. Geleistet werden soll damit ein Beitrag zur Herstellung nachhaltiger Bauweisen sowie zur Resourcenschonung.

Untersuchungsmethode

Zur Untersuchung im Labor wurden sowohl ein feinkörniger Boden (TL) als auch ein gemischtkörniger Boden (ST*) ausgewählt. Beide Böden wurden unter Verwendung von je zwei Bindemittelarten erforscht.

Die Untersuchungen an Boden TL erfolgten mit einem Weißkalkhydrat (CL 90 S) sowie einem Mischbindemittel aus Weißkalkhydrat und Zement mit gleich hohen Anteilen. Boden ST* wurde mit den Mischbindemitteln im Verhältnis 50/50 und 30/70 untersucht. Die Bindemittelgehalte wurden jeweils mit drei, fünf und sieben Prozent gewählt. Damit wird die Bandbreite der üblicherweise verwendeten Bindemittelmengen erfasst.

Das Untersuchungsprogramm bestand aus insgesamt etwa 360 Laborversuchen. Zur Bestimmung der Festigkeit und Verformbarkeit wurden einaxiale Druckversuche, CBR-Versuche, Triaxialversuche und Ödometerversuche an den Boden-Bindemittel-Gemischen durchgeführt. An den jeweiligen Ausgangsböden erfolgten diese Versuche ebenfalls. Dies diente sowohl zur Ermittlung der erreichbaren mechanischen Eigenschaften als auch zu einer Quantifizierung der Veränderung der mechanischen Eigenschaften durch die Bindemittelzugabe. Zusätzlich erfolgte eine Beobachtung der Langzeitentwicklung. In mehreren Schritten wurden die Proben der Boden-Bindemittel-Gemische nach Lagerungszeiten zwischen einem und 29 Tagen untersucht.

Ergebnisse

Mit den Laborergebnissen und über Setzungsberechnungen konnte bei allen untersuchten Boden-Bindemittel-Gemischen die Gleichwertigkeit zu herkömmlichen Hinterfüllmaterialien nachgewiesen werden. Für alle Gemische konnte der Nachweis geringerer Frostempfindlichkeit sowie eines gleichwertigen Setzungsverhaltens erbracht werden. Die Scherparameter aller untersuchten Boden-Bindemittel-Gemische übertreffen die des als Höchstanforderung angenommenen Kieses (GW/GI) deutlich.

Folglich kann bei Anwendung einer qualifizierten Bodenverbesserung mit den hier angewendeten Bindemitteln von einer Gleichwertigkeit zu den für den Hinterfüllbereich von Bauwerken zugelassenen Böden ausgegangen werden. Die Verbesserung des Materialverhaltens bei maßgeblich kalkbasierten Bindemitteln hängt allerdings wesentlich vom Vorhandensein reaktionsfähiger Tonminerale im Boden ab.

Folgerungen

Durch die in den Untersuchungen nachgewiesene Gleichwertigkeit bindemittelbehandelter Böden ergibt sich ein großes Potenzial ohne Einbußen an die Herstellungsqualität. Die erarbeiteten Handlungsempfehlungen für die Praxis ermöglichen die Ableitung der Scherparameter und des Steifemoduls auf Basis der einaxialen Druckversuche. Dadurch kann in der Regel auf aufwendige Versuchsreihen verzichtet werden. Diese Handlungsempfehlungen sollen in die Technischen Prüfvorschriften für Boden und Fels im Straßenbau aufgenommen werden.