14. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Januar 2024 83 Zwei-Phasen-Weichgelsohlen als nachhaltige Alternative zu Dichtsohlen im Düsenstrahlverfahren Dr.-Ing. Lukas Knittel Keller Grundbau GmbH, Renchen Dr.-Ing. Ivo Kimmig Keller Grundbau GmbH, Renchen Dipl.-Ing. Tobias Adler Keller Grundbau GmbH, Renchen Zusammenfassung Die Entwicklung im Spezialtief bau zeigt, dass, begünstigt durch verschiedene Gegebenheiten, für Abdichtungsaufgaben wieder verstärkt Weichgel als Alternative zum Düsenstrahlverfahren eingesetzt wird. Dies kann darauf zurückgeführt werden, dass ausführende Firmen wie die Keller Grundbau GmbH neue Rezepturen entwickelt haben, welche hinsichtlich Umweltaspekten unbedenklich sind, die geltenden Grenzwerte und Auflagen einhalten und bauaufsichtlich zugelassen wurden. Darüber hinaus lassen sich für die beim Düsenstrahlverfahren unvermeidlich anfallende Rückflusssuspension, auf Grund ihrer Zusammensetzung und chemischen Eigenschaften, immer weniger Entsorgungsmöglichkeiten finden und die Kosten dafür steigen teils drastisch an. Zunehmend geraten bei Nachhaltigkeitsbetrachtungen auch die deutlich geringeren CO 2 -Emissionen in den Fokus, welche bspw. Zwei-Phasen-Weichgelsohlen im Vergleich zu Düsenstrahlsohlen aufweisen. Durch den Vergleich der CO 2 -Bilanz beider Verfahren, basierend auf aktuellen Emissionsfaktoren und gleichen bautechnischen Randbedingungen, wird anhand eines fiktiven Beispielprojektes mit einer tiefliegenden Dichtsohle (Fläche 1000 m 2 , Sohlstärke 1 m) gezeigt, dass beim Einsatz des Düsenstrahlverfahrens, im Vergleich zur Weichgelinjektion, um den Faktor 8 höhere CO 2 -Emissionen freigesetzt werden. Somit stellen Zwei-Phasen-Weichgelsohlen sowohl aktuell als auch zukünftig, bei geeigneten geotechnischen und baugrundspezifischen Randbedingungen, eine äußerst zuverlässige und nachhaltige Alternative dar. 1. Einführung Durch das Einpressen fließfähiger Medien in den Boden kann eine Verfestigung oder Abdichtung des Porensystems erzielt werden, was derzeit in zahlreichen baupraktischen Fragestellungen nach den aktuell gültigen Regelwerken [4,5,17] Anwendung findet. Bereits in den 1960er Jahren wurden umfangreiche Untersuchungen von Müller-Kirchenbauer [9] und Gelbert [6] hinsichtlich der Reichweite und des zeitlichen Verlaufs der Verpressung im Boden durchgeführt. Schulze [11] führte Ende der 1980er Jahre die grundlegenden theoretischen Arbeiten zu Injektionen von Müller-Kirchenbauer und Gelbert fort. Im Rahmen systematischer Untersuchungen hinsichtlich derjenigen Aspekte, die die Zuverlässigkeit von Injektionssohlen mitbestimmen, wurden Feinstzement-suspensionen als Einpressmittel betrachtet. Zeitgleich wurden alleine in Berlin von 1990 bis 1995 zahlreiche Bauvorhaben mit Weichgelinjektionssohlen und ca. 100.000 m 3 Injektionsvolumen ausgeführt. Aufgrund der damit möglicherweise verbundenen Boden- und Grundwassergefährdung hatte die in Berlin zuständige Genehmigungsbehörde 1995 einen Zulassungsstopp für Baumaßnahmen mit Weichgelsohlen erlassen, was zu einem großen Markteinbruch der Injektionssohlen führte. Als notgedrungene Alternative zur Weichgelinjektion kamen Düsenstrahlsohlen zum Einsatz, welche nach Kudella [8] verschiedene Unsicherheiten hinsichtlich deren Dichtigkeit aufwiesen und deren vermeintliche Leckage nur schwer probabilistisch zu erfassen sind. Brauns et al. [2] zeigten 2001, dass eine Veränderung des pH-Wertes stattfindet, jedoch diese mit keiner wesentlichen Beeinflussung der Grundwasserqualität infolge einer Weichgelinjektion einhergeht. Brameshuber und Vollpracht [1] veri-fizierten die Auslaugungsprozesse bei einer Frischbeton und Zementinjektion und führten Modellsimulationen der Schadstoffausbreitung im Grundwasser durch. Nach [10] stellen Gele auf Basis von Natrium-Wasserglas keine dauerhaften Anwendungen dar und eignen sich damit lediglich für den temporären Einsatz. Gele weisen im Regelfall keine Festigkeit im eigentlichen Sinn auf, dennoch kann eine nennenswerte Erhöhung der Kohäsion nach [15] festgestellt werden. Daher sind die auf diese Weise hergestellten Dichtebenen und -körper statisch oder mechanisch nur bedingt belastbar. Die hohe Viskosität verhindert insbesondere eine Erosion durch den anstehenden Wasserdruck. Hauptanwendungsgebiet für Weichgele sind tiefliegende Dichtsohlen, welche dann zur Anwendung kommen, wenn mit der Baugruben-umschließung keine undurchlässige Bodenschicht in einer wirtschaftlich sinnvollen Tiefe erreicht werden kann oder dies aufgrund von Umweltauflagen nicht zugelassen wird. Der Grund dafür liegt häufig darin, dass 84 14. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Januar 2024 Zwei-Phasen-Weichgelsohlen als nachhaltige Alternative zu Dichtsohlen im Düsenstrahlverfahren dies zu einem unerwünschten, dauerhaften Absperren von Grundwasserleitern und den damit verbundenen nachteiligen Begleiterscheinungen führt. Die Tiefenlage der Sohle wird dabei so gewählt, dass die Auftriebssicherheit des unterhalb des Aushubniveaus verbleibenden Bodenkörpers gewährleistet ist und das vorhandene Eigengewicht ausreicht, um den unterhalb der Sohle anstehenden Wasserdruck auszugleichen. Weichgele verdrängen, bei ihrer Injektion in den Boden zur Abdichtung des Baugrunds, das vorhandene Grundwasser im Porenraum der Körner und verschließen diesen nach dem Gelieren. Dadurch wird die Wasserdurchlässigkeit des Bodens stark reduziert und bei Überlappung der einzelnen Injektionskörper entstehen so geringdurchlässige Bereiche oder Körper, die geeignet sind, z. B. den Wasserzutritt in Baugruben auf ein beherrschbares und für die Umweltverträgliches Maß zu reduzieren. Dieser Beitrag beschäftigt sich daher mit den Anwendungsmöglichkeiten von Zwei-Phasen-Weich-gelsohlen als nachhaltige Alternative zu Dichtsohlen, welche im Düsenstrahlverfahren hergestellt werden. Dabei liegt der Fokus auf den umweltrechtlichen Anforderungen sowie den wirtschaftlichen Möglich-keiten. 2. Zwei-Phasen-Weichgelsohlen Die folgenden Zusammenhänge bei Injektionssohlen wurden von Pandrea et al. bereits in [10] zusammen-gefasst. Grundstoff für Weichgele sind wässrige Lösungen von Silikaten. Als Silikat wird dazu meist Natron-Wasserglas und ein Härter als Gelbildner verwendet. Der Gelbildner bestimmt im Wesentlichen die chemischen und damit auch umweltrelevanten Eigenschaften des Weichgels und ist das wesentliche Unterscheidungsmerkmal der unterschiedlichen, am Markt angebotenen Weichgele. Begünstigt durch den hohen pH-Wert des Silikats, wird im unmittelbar von der Injektion beeinflussten Bereich, ein sehr hoher (stark alkalischer) pH-Wert von ca. 12,5 erzeugt, welcher u. a. zu einer sehr hohen elektrischen Leitfähigkeit im Grundwasser führen kann. Durch eine Veränderung des pH-Wertes kann dabei eine negative Beeinflussung von Flora und Fauna im Boden verursacht werden. Daher fordern die aktuellen Zulassungsgrundsätze, dass der pH-Wert in den Wasserproben (Prüffraktionen) den Wert von 10,5 nicht überschreiten darf und innerhalb von 28 Tagen wieder auf den Ausgangswert des Prüfwassers zurückgehen muss. Des Weiteren zeigt eine hohe elektrische Leitfähigkeit als Summenparameter einen hohen Ionengehalt an, mithin also viele gelöste Stoffe, die ggf. im Trinkwasser schädlich sein können. Die Firma Keller Grundbau GmbH hat daher das NEU- TROGEL ® (im Folgenden als Neutrogel bezeichnet) entwickelt [14], welches umweltrechtliche Bedenken ausräumt und bauaufsichtlich zugelassen ist. Der Hauptvorteil von Neutrogel liegt darin, dass der pH-Wert des Injektionsmaterials über die gesamte Reaktionszeit nahezu konstant im leicht sauren Bereich liegt, sodass die Prüfwasserfraktionen im Endeffekt pH-Werte im Bereich um den neutralen Punkt ergeben. Nach einem umfangreichen Monitoring in Verbindung mit labortechnischen Untersuchungen von injizierten Bodenproben [15] sowie großmaßstäbliche in situ Messungen an freigelegten Injektionskörpern, konnte die Grundwasserverträglichkeit und im Allgemeinen die Anwendbarkeit von Neutrogel für den Einsatz in Dichtsohlen bestätigt werden. 2.1 Bemessung und Herstellung einer Injektionssohle Damit eine Injektionssohle planmäßig hergestellt werden kann, ist es zunächst erforderlich eine gering wasserdurchlässige vertikale Baugrubenumschließung bis mindestens zur Unterkante der späteren Dichtsohle herzustellen. Hierzu werden in der Regel folgende Systeme eingesetzt: • Spundwände, die mit einer Schlossabdichtung eingebaut werden • Schlitzwände als Betonschlitzwände (Zwei-Phasen- Schlitzwand) • Schlitzwände als Dichtungsschlitzwand mit eingestellten Spundwänden, die statisch wirken. • Überschnittene Bohrpfahlwände Als Vorbereitung für die Injektion werden die Injektionsrohre in einem regelmäßigen Raster, vorwiegend in Form von gleichseitigen Dreiecken (siehe Abb. 1), bis in die auftriebssichere Tiefe eingebaut. Abb. 1: Injektionsraster als gleichseitiges Dreieck Als Nachweis der Auftriebssicherheit ist das Spannungsgleichgewicht (GZ UPL, BS-T) g w · (t − d 1 ) · 1,05 < g · d 2 + g r · (d 3 + d 4 ) · 0,95 entsprechend den in Abb. 2 dargestellten geometrischen Bedingungen zu erbringen. Hierbei entspricht g w der Wichte des Wassers, g der Feuchtwichte und g r der Sättigungswichte. Der Wasserdruck unterhalb der Injektionssohle ist dabei mit w definiert. 14. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Januar 2024 85 Zwei-Phasen-Weichgelsohlen als nachhaltige Alternative zu Dichtsohlen im Düsenstrahlverfahren Abb. 2: Nachweis der Auftriebssicherheit einer Injektionssohle Beim Standardverfahren des Einbaus der Injektions-rohre wird in der Regel eine Rammlanze mit einer verlorenen Spitze (sog. Rammschuh) in den Boden einvibriert bzw. gerüttelt und die Injektionsrohre von oben in das offene Gestänge eingestellt (siehe Abb. 3). Dabei werden Injektionsleitungen mit Fußventil oder mehrfach beaufschlagbaren Manschettenrohren eingebracht. Eine genaue Einmessung der Bohransatzpunkte, Bohrvertikalität und Absetzung in der entsprechenden Tiefe ist für den späteren Injektionsvorgang von entscheidender Bedeutung. Die Rammlanze wird dann unter Zugabe der Mantelmischung (Zement-Bentonit-Suspension) gezogen und der Ringraum bei eingestelltem Injektionsrohr verpresst. Durch die Mantelmischung wird erreicht, dass das Injektionsgut nicht nach oben ausbrechen kann, sondern sich tatsächlich in der geplanten Tiefe ausbreitet. Rückstellproben der Mantelmischung werden im Zuge der Qualitätssicherung genommen. Abb. 3: Einbringung der Rammlanzen unter Zugabe einer Mantelmischung bestehend aus einer Zement- Bentonit-Suspension beim Edeka-Center in Offenburg Die Injektionslanzen werden in einem Dreiecksraster eingebracht, das einem gleichseitigen Dreieck entspricht (Abb. 1). Dies gewährleistet einen gleichmäßigen Abstand der Injektionspunkte. Der Abstand der Bohrungen wird an die Bohrtiefe, die Bodenverhältnisse, das Porenvolumen und die Art des Injektionsmittels angepasst und liegt i.d.R. zwischen 1,0 und 2,0 m. Dabei wird nach Abb. 1 ein Verhältnis Fläche/ Punkt = 0,866 · a 2 mit Abstand b-=-0,866 · a angestrebt. Nach dem Abbinden der Mantelmischung (in der Regel nach ca. 2-3 Tagen) können die Injektionsrohre mit Injektionsmittel beaufschlagt werden. Bei der Wahl der Injektionsmittel müssen die Injektionsgrenzen beachtet werden, wie sie in Abb. 4 dargestellt bzw. aus Schulze [12,13] entnommen werden können. Nach Uhlendahl [16] ist beim Einsatz von Silikatgelen (Wasserglas) die Anwendung bis in den Feinsandbereich mit einem Grobschluffanteil von max. 10 % möglich. Abb. 4: Anwendungsgrenzen und Korngrößenbereiche verschiedener Injektionsverfahren. Abb. Keller Grundbau GmbH Die Verteilung des Injektionsgutes auf die einzelnen Injektionsstufen hängt von der Bodenart und der Dicke der Injektionssohle ab. In der Regel werden die Injektionen in zwei Stufen ausgeführt, um kein Aufsprengen oder Verdrängen, wie in [7] beschrieben, zu erzielen. In der ersten Stufe erfolgt die Injektion einer Zement-Bentonit- Suspension zur Abdichtung und Verfüllung der groben Bodenporen. Es entsteht in dieser Injektionsstufe eine Art „Injektionsdeckel“, der ein Ausweichen des Weichgels in höhere Schichten verhindert. Die nachfolgende Injektion mit Weichgel kann dann in die feinen Bodenporen eindringen und so zu einer dichten Sohle führen. Standardmischung: Wasser, Zement und Bentonit, ggf. als Fertigmischung. In der zweiten Stufe wird die Injektion des eigentlichen Dichtmittels Weichgel, dass in die feinen Poren des Bodens eindringt und die endgültige Dichtigkeit herstellt, durchgeführt. Dabei besteht die Standardmischung aus Wasser, Natronwasserglas und Gelbildner bzw. Härter. Zu jedem Injektionszeitpunkt werden dabei die Pumprate und Einpressmenge aufgezeichnet. Im Anschluss an die Injektion erfolgt das Leerpumpen der Baugrube bzw. die Restwasserhaltung. Die Absenkung des Grundwassers im Bereich der Baugrube geschieht dabei am einfachsten mittels Schwerkraftbrunnen, die nach Abschluss der Injektionsarbeiten hergestellt werden. Hierbei ist darauf zu achten, dass die Brunnenunterkante mindestens 1 m über der theoretischen Ober- 86 14. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Januar 2024 Zwei-Phasen-Weichgelsohlen als nachhaltige Alternative zu Dichtsohlen im Düsenstrahlverfahren kante der Injektionssohle angeordnet wird um Beschädigungen an der Injektionssohle zu vermeiden. Beim Beginn des Pumpens wird zunächst das Wasser bis unmittelbar unter die spätere Aushubsohle abgepumpt. Der dann erreichte Beharrungszustand wird als Restwasserhaltung bezeichnet. Die Prüfung der Dichtigkeit des Gesamtsystems der Baugrubenumschließung in Verbindung mit der Injektionssohle durch einen Pumpversuch vor Beginn des Aushubes ist empfehlenswert, um zu zeigen, ob die Dichtigkeitsanforderungen erfüllt sind. 2.2 Projektbeispiele 2.2.1 Konventionelle Weichgelsohle Die Trans-Europa-Naturgas-Pipeline TENP I, welche die Schweiz über Deutschland mit Belgien und den Niederlanden verbindet, soll in verschiedenen Teilab-schnitten durch einen Neubau der TENP III ersetzt werden. Im Zuge dieser Maßnahme wurde im Frühjahr 2023 der Neubau einer Molchschleusenstation sowie von Verbindungsleitungen in Au am Rhein (Baden-Württemberg) von der Open Grid Europe GmbH geplant. Unterhalb der in Betrieb befindlichen Gasleitung wurden vier Spundwandlückenschlüsse im Düsenstrahlverfahren mit 2,20 m Breite und 5 m Länge sowie eine Zwei-Phasen-Weichgelsohle mit 1.400 m 2 und 1 m Dicke hergestellt (siehe Abb. 5). Als Schutz für die bestehende Gasleitung wurden zunächst KG-Rohre händisch eingebaut, durch welche dann die Injektionslanzen eingerammt werden konnten. Abb. 5: Luftbildaufnahme des Bauvorhabens Trans-Europa-Naturgas-Pipeline TENP I der Open Grid Europe GmbH in Au am Rhein (Bild: C. Grosse) Die Baustelleneinrichtung und die Vorgehensweise bei der Einbringung des Injektionsguts erfolgte analog des in Abschnitt 2 beschriebenen Vorgehens. 2.2.2 Weichgelsohle mit Neutrogel Für den Neubau des unterkellerten Gebäudekomplexes „IKA-Inforum“ in Karlsruhe bestand die Notwendigkeit zur Herstellung einer technisch dichten Baugrube bestehend aus Spundwänden und Dichtsohle mit einer Grundfläche von ca. 3.600 m 2 . Aufgrund von hohen Auflagen an den Gewässerschutz wurde im Leistungszeitraum Juni bis August 2020 eine tiefliegende Dichtsohle mit Neutrogel hergestellt (siehe Abb. 6). Nach dem Einbau von ca. 2.000 Injektionslanzen erfolgte eine Zwei- Phasen-Injektion. In der ersten Phase wurde mit einer Zement-Bentonit-Suspension der Porenraum des Sandbodens grob geschlossen. In der zweiten Phase wurden dann mit Neutrogel auch die restlichen Poren geschlossen und abgedichtet. Das Produkt Neutrogel stellte dabei sowohl eine wirtschaftliche als auch wasserrechtlich unbedenkliche Lösung für die geplante Injektionssohle dar, da dabei handelsübliches Natronwasserglas als Silikat und ein in der Lebensmittelindustrie weit verbreiteter, natürlicher, organischer Stoff als Gelbildner verwendet wird. Vorteil dieses Gelbildners ist, dass dieser sowohl als Granulat als auch in gelöster Form ohne besondere Maßnahmen des Arbeitsschutzes über einen längeren Zeitraum gelagert werden kann [10]. Abb. 6: IKA-Inforum der Klaus Tschira Stiftung gGmbH im Karlsruher Institut für Technologie (KIT) 3. Nachhaltigkeit im Fokus Mit dem Ziel Treibhausgasemissionen als Beitrag zum Klimaschutz zu reduzieren, wurde seitens der EU ein europäisches Emissionshandelssystem für CO 2 e-Zertifikate sowie umfangreiche Berichts- und Kennzeichnungspflichten zu Emissionen infolge von Herstellung und Gewinnung von Produkten eingeführt. Zukünftig werden energieintensive Produkte daher einerseits zu höheren Kosten und andererseits zu einer geringeren gesellschaftlichen Akzeptanz führen. Im Spezialtief bau betrifft dies vor allem Baustoffe wie Zement und Stahl und energieintensive Verfahren mit hochmotorisierten Maschinen. Für einen detaillierten Einblick in die Entwicklung und Vorgehensweise bei der CO 2 e-Bilanzierung im Spezialtief bau sei u. a. auf die Arbeit von Buddenberg et al. [3] verwiesen. Vor dem Hintergrund zukünftig verstärkt ressourcenschonende Lösungen im Spezialtief bau anbieten zu können, sollen im vorliegenden Beitrag, anhand eines fiktiven Beispielprojekts, die CO 2 e-Emissionen für eine Dichtsohle mit Weichgel/ Neutrogel (Unterschied nicht signifikant) und für eine Dichtsohle im Düsenstrahlverfahren vorgestellt und verglichen werden. 14. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Januar 2024 87 Zwei-Phasen-Weichgelsohlen als nachhaltige Alternative zu Dichtsohlen im Düsenstrahlverfahren 3.1 Randbedingungen Beispielprojekt Um die Vergleichbarkeit der Verfahren zu gewährleisten, werden im Folgenden zunächst einheitliche Randbedingungen festgelegt. Bei dem Beispielprojekt handelt es sich um eine rechteckförmige Baugrube mit Abmessungen von 50 m × 20 m, Sohlfläche entsprechend 1000-m 2 , welche mit einer Baugrubenumschließung aus einfach rückverankerten Stahl-Spundwänden (Anker u. Spunddielen bleiben in der Bilanz unberücksichtigt) erstellt wurde. Die Baugrubensohle kommt 5 m unter GOK zum Liegen. Der anstehende Baugrund besteht bis ca. 3 m unter GOK aus gering mächtigen gemischtkörnigen Auffüllungen und Aueablagerungen, welche bis in größere Tiefe von mitteldicht bis dicht gelagerten Sand-Kies-Gemischen unterlagert sind. Der Grundwasserstand wurde temporär bei 1 m u. GOK festgestellt. Zur Gewährleistung der Auftriebssicherheit ist die Erstellung einer tiefliegenden Dichtsohle mit einer Stärke von 1,0 m bei einer Unterkante von 10 m u. GOK vorgesehen. Das fiktive Bauvorhaben befindet sich in einer Entfernung von 50 km zum nächstgelegenen Bauhof, was den Transport von Geräten und Material betrifft. Ein (Trink-) Wasseranschluss und ein Baustromanschluss sind vor Ort vorhanden. 3.2 Vergleich der CO 2 -Bilanz Die Grundlage für die Bilanzierung von Emissionen stellen die sog. Emissionsfaktoren (EF) dar. EF geben an, wie viel Kilogramm oder Tonnen Treibhausgase beim Einsatz einer definierten Menge eines Energieträgers oder zur Erzeugung bzw. Nutzung von Produkten freigesetzt werden. Emissionsfaktoren werden zumeist in Masseneinheiten (z. B. kg) CO 2 pro Menge eines Energieträgers angegeben, die entweder in Massen- oder Volumeneinheiten angegeben werden. Die im Folgenden verwendeten Emissionsfaktoren beruhen auf Angaben aus dem EFFC DFI Carbon Calculator sowie öffentlichen Datenbanken wie Ökobaudat und sind in der Tabelle 1 aufgeführt. Tab. 1: Verwendete Emissionsfaktoren Bezeichnung Bezugseinheit Emissionsfaktor in kgCO 2 e/ Einheit Zement CEM I t 860 Bentonit t 475 Wasserglas t 412 Härter t 454 Wasser t 0,13 HDPE-Rohre t 1920 LKW (> 33 t, Straße) km 0,94 Elektrizität kWh 0,401 Diesel l 3,24 Maschinen t 3667 PKW km 0,21 Für den Vergleich der beiden Produkte Weichgel/ Düsenstrahl zur Herstellung einer Dichtsohle (siehe Tab. 2) wird die sog. „Cradle to gate“-(Wiege zu Werkstor/ Baustelle-) Methodik angewandt. D. h. es werden die Emissionen der Herstellungsphase (Rohstoffgewinnung, -verarbeitung, Transport) und der Transport zur Baustelle mit Einbau berücksichtigt. Dies entspricht den Modulen A1-A3 gem. DIN EN 15804 (vgl. [3]) und ist für die meisten Maßnahmen im Spezialtief bau ausreichend. Im Detail werden in Tabelle 2 die folgenden Abschnitte verglichen: 1. Herstellung der Materialien 2. Transport der Materialien 3. Transport von Baumaschinen und Material 4. Energie durch Verarbeitung und Einbau 5. Transport durch Entsorgung (Erdaushub, etc.) 6. Herstellung der Geräte Der Vergleich der beiden Verfahren hinsichtlich der CO 2 - Emissionen zeigt für das fiktive Beispielprojekt, dass zur Herstellung einer Dichtsohle im Düsenstrahlverfahren etwa mit einem Faktor 8 höheren Treibhausgasemissionen im Vergleich zur Weichgelinjektion gerechnet werden muss. Maßgeblich dafür ist die erforderliche Masse an Zement, weshalb beim Düsenstrahlverfahren der Materialanteil für 95 % der Gesamtemissionen verantwortlich ist. Dies hängt verfahrensbedingt u. a. damit zusammen, dass zur Herstellung von 1 m 3 DSV-Körper nahezu das gleiche Volumen an Rückfluss erzeugt wird. 88 14. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Januar 2024 Zwei-Phasen-Weichgelsohlen als nachhaltige Alternative zu Dichtsohlen im Düsenstrahlverfahren Tab. 2: Vergleich der CO 2 -Emissionen für die Herstellung einer tiefliegenden Dichtsohle mit 1000 m 2 und 1 m Stärke mittels Weichgelinjektion und im Düsenstrahlverfahren Verfahren Weichgelinjektion Düsenstrahlverfahren 1) Material Zement-Bentonit-Mischung für Mantelmischung und zur Porenraumverfüllung: Zementsuspension (CEM I; w/ z = 1,0) zum Bohren und Düsen. Pro m 3 Suspension ergibt sich für die Mischung ein Emissionsfaktor von 636 kgCO 2 e. Material Masse EF tCO 2 e Material Masse EF tCO 2 e Zement CEM I 115 t 860 98,90 Zementsuspension 1.750 m 3 636 1.113,0 Bentonit 11 t 475 5,23 Wasserglas-Mischung bestehend aus Wasser, Wasserglas und Härter zur Porenraumverfüllung. Pro t Suspensionsgut ergibt sich für die Mischung ein Emissionsfaktor von 115 kgCO 2 e. Injektion 60 t 115 6,90 Injektionsrohre und Rammschuhe: HDPE-Rohre 1,1 t 1920 2,11 Stahlteile 1,1 t 565 0,62 2) Materialtransport 3 LKW zur Silo-Befüllung mit Wasserglas und Härter (hin u. zurück, 100 km einfache Strecke). 1 LKW zur Lieferung von Injektionsrohren und Rammschuhen (hin u. zurück, 100 km einfache Strecke). 50 Sattel-LKW zur Befüllung des Zementsilos (hin u. zurück, 60 km einfache Strecke). LKW-Transport 800 km 0,94 0,75 LKW-Transport 6.000 km 0,94 5,64 3) Produktion Betankung eines Radladers und eines Rammgeräts mit Diesel. Annahme: 15 AT jeweils 300 Liter. Betankung eines Minibaggers, eines Bohrgeräts und einer Hochdruckpumpe mit Diesel. Annahme: 20 AT jeweils 400 Liter. Diesel 4.500 l 3,24 14,58 Diesel 8.000 l 3,24 25,92 Versorgung von Pumpencontainern, Mischanlage, Aufenthaltsu. Magazincontainer sowie Sonstiges über 150 kW Baustromanschluss. Annahme: 15 AT jeweils 10 Stunden. Versorgung von Mischanlage, Schlammpumpe, Aufenthaltsu. Magazincontainer sowie Sonstiges über 150 kW Baustromanschluss. Annahme: 20 AT jeweils 10 Stunden. Elektrizität 22.500 kWh 0,401 9,02 Elektrizität 30.000 kWh 0,401 12,03 4) Geräte/ Personal- Transporte An- und Abtransport der Baustelleneinrichtung: 2 LKW mit Aufenthaltsu. Magazincontainer (2 × hin u. zurück, einfache Strecke 50 km) 2 LKW mit Pumpencontainern, Mischanlage, Zubehör, etc. (2 × hin u. zurück, einfache Strecke 50 km) 1 LKW mit Tankauflieger (2 × hin u. zurück, einfache Strecke 100 km) 2 LKW mit Silo (2 × hin u. zurück, einfache Strecke 100 km) 1 LKW mit Rammgerät (2 × hin u. zurück, einfache Strecke 50 km) An- und Abtransport der Baustelleneinrichtung: 2 LKW mit Aufenthaltsu. Magazincontainer (2 x hin u. zurück, einfache Strecke 50 km) 1 LKW mit Hochdruckpumpe u. Mischplattform (2 x hin u. zurück, einfache Strecke 50 km) 1 LKW mit Bohrgerät und Zubehör (2 x hin u. zurück, einfache Strecke 50 km) LKW-Transport 2.200 km 0,94 2,07 LKW-Transport 800 km 0,94 0,75 An- und Abfahrt zur Baustelle des Personals (5 Personen) mit eigenem PKW über 3 Wochen. Annahme: einfache Strecke im Mittel 300 km. An- und Abfahrt zur Baustelle des Personals (5 Personen) mit eigenem PKW über 4 Wochen. Annahme: einfache Strecke im Mittel 300 km. PKW 9.000 km 0,21 1,89 PKW 12.000 km 0,21 2,52 5) Entsorgung Abtransport Injektionsrohre nach dem Aushub der Baugrube. 1 LKW hin u. zurück mit einfacher Strecke 50 km. Abtransport des verfestigten DSV-Rückfluss (ca. 1.500 t) im Zuge der Aushubarbeiten zur Verwertung. 75 LKW hin u. zurück mit einfacher Strecke 50 km. LKW-Transport 100 km 0,94 0,09 LKW-Transport 7500 km 0,94 7,05 6) Herstellung Geräte Das Gesamtgewicht der Geräte (Radlader 10 t, Ramme 30 t, Mischanlage 7 t, Pumpencontainer 2 × 12 t) beträgt 71 t. Annahme: Einsatzdauer der Geräte pro Jahr über 10 Jahre beträgt ca. 150 AT/ Jahr. Anteilig: 15 AT/ (10 × 150) = 0,01. Das Gesamtgewicht der Geräte (Minibagger 10 t, Bohrgerät 36 t, Mischplattform 7 t, Hochdruckpumpe 18 t) beträgt 65 t. Annahme: Einsatzdauer der Geräte pro Jahr über 10 Jahre beträgt ca. 150 AT/ Jahr. Anteilig: 20 AT/ (10 × 150) = 0,013. Maschinen 0,71 t 3667 2,60 Maschinen 0,85 t 3667 3,12 Summe 144,76 tCO 2 e 1.170,03 tCO 2 e 14. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Januar 2024 89 Zwei-Phasen-Weichgelsohlen als nachhaltige Alternative zu Dichtsohlen im Düsenstrahlverfahren Beispielhaft muss bei der Herstellung einer DSV-Sohle die Düsmenge, welche in der Tiefe unten eingebracht wird, oben als Rückfluss entsorgt werden. Dabei fällt bei einer Durchflussmenge von etwa 400 l/ min und 10 min Ziehzeit ein Rückfluss von 4000 l an. Da seit August 2023 eine neue Mantelverordnung des Bundesministeriums für Umwelt, Naturschutz, nukleare Sicherheit und Verbraucherschutz (BMUV) in Deutschland Gültigkeit hat, welche den Eintrag von Schadstoffen durch Sickerwasser in den Boden und das Grundwasser begrenzt und Verunreinigungen ausschließt, ist die Rückflussentsorgung zunehmend mit Schwierigkeiten bzw. insbesondere gestiegenen Kosten verbunden. 4. Zusammenfassung und Ausblick Im vorliegenden Beitrag wird aufzeigt, dass der Einsatz von Weichgel für Injektionssohlen eine nachhaltige Alternative zum Düsenstrahlverfahren darstellt. Dazu werden zunächst die historische Entwicklung von Porenrauminjektionen, die Wirkungsweise und Anwendungsmöglichkeiten und die Untersuchung des Einflusses von Injektionen auf die Grundwasserqualität vorgestellt. Weiter wird das von der Firma Keller Grundbau GmbH entwickelte NEUTROGEL ® vorgestellt, welches gegenüber anderen Injektionsmaterialien den Vorteil hat, dass der pH-Wert während der gesamten Reaktionszeit im leicht sauren Bereich liegt, sodass nach dem Gelieren, in Prüfwasserfraktionen, pH-Werte im Bereich um den neutralen Punkt gemessen werden. Die Bemessung und die Herstellung von Zwei-Phasen-Weichgelsohlen wird detailliert beschrieben und anhand von zwei Beispielprojekten in Au am Rhein und Karlsruhe vorgestellt. Mit dem Fokus darauf, dass die Bilanzierung von Treibhausgasemissionen zukünftig auch im Spezialtief bau eine wesentliche Rolle spielen wird, wird anhand eines fiktiven Beispielprojekts untersucht, welche äquivalenten CO 2 -Emissionen sich für eine tiefliegende Dichtsohle im Düsenstrahlverfahren und alternativ mit Weichgelinjektion ergeben. Beim Vergleich der CO 2 -Bilanzen beider Verfahren, basierend auf aktuellen Emissionsfaktoren und gleichen bautechnischen Randbedingungen, werden mit dem Düsenstrahlverfahren um den Faktor 8 höhere CO 2 -Emissionen, im Vergleich zur Injektionssohle mit Weichgel erhalten. Demnach stellen Zwei-Phasen-Weichgelsohlen zum einen bewährte Mittel zur Sohlabdichtung von Baugruben dar und sind zum anderen als nachhaltige Alternative zur Düsenstrahlsohle zu betrachten. Auch für zukünftige Bauvorhaben, mit zunehmender Fokussierung auf Nachhaltigkeit und entsprechenden Erfordernissen aus Gebäudezertifizierungen und Fördermaßnahmen, werden heute bereits geeignete Produkte und Verfahren im Spezialtief bau angeboten. Die Verfahrenswahl sollte dabei ergebnisoffen und hinsichtlich Umweltaspekten unter einer ganzheitlichen Betrachtung erfolgen. Am Beispiel der Weichgelinjektion können so wasserrechtliche Bedenken ausgeräumt und Emissionen vermindert werden. Da auch in Zukunft das Düsenstrahlverfahren für Abdichtungs- und Unterfangungsmaßnahmen vielfach das geeignete und oft alternativlose Verfahren sein wird, ist die Reduktion von materialbedingten Emissionen ein zentrales Thema. Seitens Forschung und Bauindustrie sind daher innovative Lösungen zur Materialeinsparung allgemein sowie zum Einsatz alternativer oder recycelter Bindemittel gefragt. Danksagung Für die baupraktischen Hinweise, Kalkulations-grundlagen und kritische Durchsicht bedanken wir uns bei Herrn Dipl.-Ing. J. Uhlendahl, Herrn L Semmler, M. Sc., Dipl.-Ing. P. Pandrea und Herrn Dipl.-Ing. S. Binde. Gleichermaßen Herrn Dr.-Ing. S. Buddenberg für die Bereitstellung von Informationen und Hilfestellung bei der CO 2 -Bilanzierung. Literatur [1] Brameshuber, W., Vollpracht, A. (2007). Beeinflussung der Grundwasserqualität durch Frisch-beton und Zementinjektion. Bautechnik 84, Heft 2. [2] Brauns, J., Eiswirth, M., Hötzl, H., Kast, K., Ohlenbusch, R., Schnell, K. (2001). Nachweis der Umweltverträglichkeit von Weichgelinjektionssohlen. Bautechnik 78, Heft 7. [3] Buddenberg, S., Böhle B., Pandrea, P. (2023) Vollständige CO2-Bilanz im Spezialtiefbau - Systematik und Beispiele. 19. Geotechnik-Tag in München, Deutschland. [4] DIN EN 12715 (2021). Ausführung von Arbeiten im Spezialtiefbau - Injektionen. [5] DIN 4093 (2015). Bemessung von verfestigten Bodenkörpern - Hergestellt mit Düsenstrahl, Deep- Mixing oder InjektionsVerfahren. [6] Gelbert, K. (1971). Filtergesetze plastischer Injektionsmassen bei der Durchströmung von Lockergesteinen. Institut für Boden- und Felsmechanik, Universität Karlsruhe, Heft 49. [7] Kudella, P. (1994). Mechanismen der Bodenverdrängung beim Einpressen von Fluiden zur Baugrundverfestigung. Institut für Boden- und Felsmechanik, Universität Karlsruhe, Heft 132. [8] Kudella, P. (2001). Wie sicher sind Düsenstrahl-Injektionssohlen? Bautechnik 78, Heft 12. [9] Müller-Kirchenbauer (1964). Zur Mechanik der Fließsandbildung und des hydraulischen Grundbruches. Institut für Boden- und Felsmechanik, Universität Karlsruhe, Heft 17. [10] Pandrea, P., Bohn, C., Reitzig, J. (2019). Umweltneutrale Weichgele zur Abdichtung im Untergrund - Stand der Technik. 15. Hans Lorenz Symposium, Berlin. [11] Schulze, B. (1992). Injektionssohlen - Theoretische und experimentelle Untersuchungen zur Erhöhung der Zuverlässigkeit. Institut für Boden- und Felsmechanik, Universität Karlsruhe, Heft 126. 90 14. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Januar 2024 Zwei-Phasen-Weichgelsohlen als nachhaltige Alternative zu Dichtsohlen im Düsenstrahlverfahren [12] Schulze, B. (2002). Merkblatt für Einpressarbeiten mit Feinstbindemitteln in Lockergestein (Teil 1) Bautechnik 79, Heft 8. [13] Schulze, B. (2002). Merkblatt für Einpressarbeiten mit Feinstbindemitteln in Lockergestein (Teil 2) Bautechnik 79, Heft 9. [14] Silikatgel „Neutrogel“ zum Einpressen in den Untergrund (2019). Allgemeine bauaufsichtliche Zulassung, Deutsches Institut für Bautechnik (DIBt). [15] Trunk, U., Braun, J., Rüdlin, Ch., Pandrea, P. (2023). Bestimmung der Scherfestigkeit und Steifigkeit von Gel-Sand-Injektionsprobekörpern. Bautechnik 100, Heft 3. [16] Uhlendahl, J. (2018). Injektions- und Düsenstrahltechnik im Spezialtiefbau. Buchbeitrag in Spezialtiefbau, Herausgeber: K. Eichler, TAE. [17] VOB/ C DIN 18309 (2019). Teil C: Allgemeine Technische Vertragsbedingungen für Bauleistungen (ATV). Einpressarbeiten.