13. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Februar 2022 279 Qualifizierte Bodenverbesserung / Bodenverfestigung - Einfluss des Ausgangsbodens und des verwendeten Bindemittels Monika Schad Böden stellen einen großen Anteil an mineralischen Bauabfällen dar. Ihre Verwertung in technischen Bauwerken ist somit anzustreben, auch wenn die vorliegenden bodenmechanischen Eigenschaften einen Wiedereinbau gemäß den technischen Regelwerken zunächst nicht zulassen. Die Behandlung von Böden mit Bindemitteln, wie sie bereits Árpád Kézdi (1971) in seinem Werk „Stabilisierte Erdstraßen“ vorgestellt hat, ist bei der Erstellung eines qualifizierten Erdbauwerkes heute Standard. Bereits bei der Planung für die Herstellung eines Erdbauwerkes müssen die Anforderungen (Tabelle 1) definiert werden. So kann im Rahmen einer Eignungsprüfung deren Einhaltung überprüft werden. In den ZTV E-StB 17 werden folgende Begriffe in Abhängigkeit der Qualität verwendet: Tabelle 1: Unterscheidung der Begrifflichkeit im Erdbau des Straßenbaus nach den ZTV E-StB Grobkörnige Böden Gemischtkörnige Böden Feinkörnige Böden Organische Böden Kiese und Sande tonig / schluffige Kiese und Sande Schluffe und Tone Torf, Humus nichtbindig Schluff-/ Tonanteil ≤ 5 M.-% schwach bindig Schluff-/ Tonanteil 5 - 15 M.-% stark bindig Schluff-/ Tonanteil 15 - 40 M.-% bindig Schluff-/ Tonanteil > 40 M.-% 280 13. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Februar 2022 Qualifizierte Bodenverbesserung / Bodenverfestigung - Einfluss des Ausgangsbodens und des verwendeten Bindemittels Tabelle 2: Zuordnung der Böden zur Verfestigung ZTV Beton-StB 07 und Bodenverfestigung ZTV E-StB 17 Während die Begrifflichkeit der Bodenbehandlung im klassischen Erdbau des Straßenbaus in den ZTV E-StB 17 für gemischt- und feinkörnige Böden klar geregelt ist, wird für die Herstellung einer Verfestigung im Straßenoberbau nach den ZTV Beton-StB und den ZTV LW-StB der Feinkornanteil < 0,063 mm auf ≤ 15 M.-% begrenzt. In der Praxis wird jedoch dieser Grenzwert an den Feinkornanteil, bei der Herstellung einer Verfestigung zur Ertüchtigung untergeordneter Straßen / Wirtschaftswege mit dem Baumischverfahren, häufig überschritten. Hier stellt sich die Frage, inwieweit Ausgangsgemische mit einem höheren Feinkornanteil für eine dauerhafte Tragfähigkeit und Frostsicherheit geeignet sind und wie deren Eignung im Rahmen einer Eignungsprüfung nachgewiesen werden kann. Untersuchungsergebnisse zeigen, dass eine dauerhafte und frostsichere Verfestigung mit einem höheren Feinkornanteil erreicht werden kann. Als maßgebende Kriterien für die Bewertung der Dauerhaftigkeit der Verfestigung, kann das Ergebnis einer verlängerten Frostprüfung sowie der Festigkeitsabfall der Druckfestigkeit nach Ausführung der Frostprüfung zugrunde gelegt werden. Einflussfaktoren sind vor allem der Mineralbestand des Bodens, die Zementart, Additive und der für die Hydratation verfügbare Wasseranteil. Nicht geeignet sind für eine dauerhafte Verfestigung stark organische Böden, da bei diesen Böden die Zementreaktion durch Fulvo-/ Huminssäuren behindert wird. Bei sulfat-/ sulfidhaltigen Böden findet, vor allem bei der Wasseraufnahme während der Frostprüfung, durch die Bildung von Ettringit und/ oder Thaumasit eine Entfestigung des verfestigten Probekörpers statt. Erfahrungen zeigen, dass sich bei Böden mit sehr hohen Al 2 O 3 -Gehalten schon bei geringen Sulfatgehalten eine Entfestigung nach wenigen Frost-Tau-Wechseln einstellt. Für eine Bewertung, ob eine dauerhafte Verfestigung mit einem Feinkornanteil deutlich über 15 M.-% erreicht werden kann, ist daher zwingend eine Frostprüfung / verlängerte Frostprüfung erforderlich. Das Ziel einer Qualifizierten Bodenverbesserung im Bereich des Planums ist eine dauerhafte Erhöhung der Tragfähigkeit sowie bei feinkörnigen Böden eine Verringerung der Frostempfindlichkeit von F3 (sehr frostempfindlich) nach F2 (gering frostempfindlich). Im Erdbau des Straßenbaus gelten nach den ZTV E-StB 17 folgende Anforderungen an eine Qualifizierte Bodenverbesserung: - Mindestbindemittelmenge von 3 M.-% - Druckfestigkeit nach 28 Tagen: q ≥ 0,5 N/ mm² oder CBR-Wert nach 28 Tagen: ≥ 40 % - Nachweis der Dauerhaftigkeit: Festigkeitsabfall nach 24 h Wasserlager (WL) ≤ 50 % - Verdichtungsgrad: D Pr ≥ 97 % - Luftporengehalt: n a ≤ 12 Vol.-% (bei sehr wasserempfindlichen Böden n a ≤ 8 Vol.-%) Im Folgenden ist die erreichbare Druckfestigkeit in Abhängigkeit des verwendeten Mischbindemittels und in Abhängigkeit der Wasserempfindlichkeit des Ausgangsboden dargestellt. 13. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Februar 2022 281 Qualifizierte Bodenverbesserung / Bodenverfestigung - Einfluss des Ausgangsbodens und des verwendeten Bindemittels Grafik 1: Vergleich der Mischbindemittel MB30/ 70 (30% Kalk / 70 % Zement) und MB 50/ 50 (50% Kalk/ 50 % Zement) Unter Verwendung der Mindestbindemittelmenge von 3 M.-% kann bei einem plastischen feinkörnigen Boden und einer optimalen Verdichtung mit den untersuchten Mischbindemitteln, unabhängig vom Anteil des reaktiven Kalkes die Anforderung an eine Qualifizierte Bodenverbesserung erreicht werden. Wird die Bindemittelmenge auf 6 M.-% erhöht, zeigt vor allem das zementbasierte Mischbindemittel eine dauerhafte Festigkeitszunahme während das Mischbindemittel mit einem Kalkanteil von 50 M.-% bei Wasserlagerung einen deutlichen Festigkeitsabfall aufweist. Grafik 2 zeigt unter Verwendung des Mischbindemittels MB 30/ 70 (30 % Normkalk / 70 % Normzement) den Einfluss der Bodenart auf die Dauerhaftigkeit der Qualifizierten Bodenverbesserung. Unter Verwendung der Mindestbindemittelmenge von 3 M.-% kann unabhängig der Bodenart unter optimaler Verdichtung eine vergleichbare Druckfestigkeit erreicht werden. Eine Erhöhung der Bindemittelmenge führt bei einer Verbesserung des mittelplastischen Tones zu einer deutlichen und dauerhaften Erhöhung der Druckfestigkeit, während sehr wasserempfindliche leichtplastische Ausgangsböden einen Festigkeitsabfall nach 24 Stunden Wasserlagerung von 40 % - 50 % aufzeigen. Der Einfluss des Einbauwassergehaltes in den Grenzbereichen der geforderten Verdichtung von D Pr ≅ 97 % (Grafik 3) wirkt sich ebenfalls deutlich festigkeitsmindern aus. Der Einbau einer Qualifizierten Bodenverbesserung mit einem Wassergehalt w < w opt sollte vermieden werden, da aufgrund der schlechteren Verdichtungsfähigkeit und des daraus resultierenden hohen Luftporenanteil die erreichte Trocken-festigkeit nicht von Dauer ist. Grafik 2: Einfluss der Bodenart auf die Dauerhaftigkeit der Qualifizierten Bodenverbesserung 282 13. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Februar 2022 Qualifizierte Bodenverbesserung / Bodenverfestigung - Einfluss des Ausgangsbodens und des verwendeten Bindemittels Grafik 3: Einfluss des Verdichtungswassergehaltes und der Verdichtungsgrades auf die Druckfestigkeit Als Grundsatz für die Herstellung einer Qualifizierten Bodenverbesserung gilt daher die Verwendung eines Mischbindemittels mit einer reaktiven Komponente von ≤ 30 M.-% sowie der Nachweis, dass die geforderte Druckfestigkeit auch im Grenzbereich der Anforderung an die Verdichtung (D Pr ≥ 97%) erreicht werden kann.