Bankettmaterialien müssen aus Gründen der Verkehrssicherheit einerseits eine dauerhaft hohe Tragfähigkeit aufweisen, damit von der Fahrbahn abkommende Fahrzeuge nicht einsinken und verunfallen und andererseits ein möglichst hohes Schadstoffrückhaltevermögen besitzen, um Schadstoffe aus dem Straßenoberflächenwasser zurück zu halten. Um zu überprüfen, inwiefern unterschiedliche Bankettmaterialien diese beiden Anforderungen erfüllen, wurden im Rahmen von zwei Forschungsvorhaben an der TU München und der TU Berlin Untersuchungen zur Tragfähigkeit und zum Schadstoffrückhaltevermögen durchgeführt. Während hinsichtlich der Tragfähigkeit zu untersuchen war, welcher maximale Feinkornanteil im Bankettmaterial zugelassen werden kann, so dass noch eine ausreichende Tragfähigkeit gewährleistet werden kann, war hinsichtlich des Schadstoffrückhaltevermögens insbesondere zu prüfen, ob tragfähige Bankette die Vorgaben der Bundes-Bodenschutz- und Altlastenverordnung (BBodSchV) bezüglich Schwermetallkonzentrationen im Sickerwasser einhalten können. Die Ergebnisse der durchgeführten Labor- und Felduntersuchungen zeigen, dass der Feinkornanteil der Bankettmaterialien aus Gründen der Tragfähigkeit einen Wert von 15 M.-% nicht übersteigen sollte und dass für Bankettgemische sowohl natürliche ungebrochene Böden wie auch gebrochene Gesteinskörnungen bzw. Recycling-Baustoffgemische verwendet werden können. Die Untersuchungen zum Schadstoffrückhaltevermögen haben gezeigt, dass tragfähige Bankette die Anforderungen hinsichtlich des Schadstoffrückhaltes erfüllen. Um die Schwermetallfrachten aus dem Bankett signifikant zu reduzieren sollte der Mindestfeinkornanteil von Bankettmaterialien einen Wert von 5 M.-% nicht unterschreiten.

Der Fachvortrag zur Veranstaltung ist im Volltext verfügbar. Das PDF enthält alle Bilder und Formeln.

1 Einleitung

Materialien für die Bankettherstellung müssen zwei Anforderungen erfüllen, die von verschiedenen Bestandteilen der Böden gewährleistet werden. Aus Gründen der Verkehrssicherheit müssen sie einerseits eine dauerhaft hohe Tragfähigkeit aufweisen, damit von der Fahrbahn abkommende Fahrzeuge nicht einsinken und verunfallen. Die Tragfähigkeit und Standfestigkeit der Böden wird hauptsächlich durch den Kiesanteil der Böden erreicht. Andererseits versickert im Bereich des Banketts Straßenoberflächenwasser. Da dieses Wasser straßentypische Schadstoffe enthält, müssen die Materialien ein möglichst hohes Schadstoffrückhalte- und -bindevermögen aufweisen. Dies wird durch die Sand- und Feinanteile der Böden erreicht.

Die aktuellen Anforderungen an Bankette sind in den ZTV E-StB 09 festgelegt. Für standfeste Bankette sind die folgenden Böden oder Baustoffe bzw. Baustoffgemische geeignet:

(1) gemischtkörnige Böden der Bodengruppen GU, GT,

(2) Gemische aus gebrochenen Gesteinskörnungen, die den genannten Bodengruppen entsprechen.

Auf den so hergestellten Banketten ist eine Schicht Oberboden mit einer Dicke von 5 cm aufzubringen.

(3) Schotterrasen mit einem Oberbodenanteil von 15 M.-% und einer Dicke von 20 cm.

Bei den beschriebenen Bauweisen wird nach Auffassung einiger Straßenbauverwaltungen der Länder ein Optimierungsbedarf gesehen. Aufgabe der vorliegenden Forschungsarbeiten war die oben genannten Bauweisen zu prüfen und gegebenenfalls zu optimieren bzw. eine Bauweise für Bankette zu entwickeln, die sowohl den bau-, als auch den umwelttechnischen Ansprüchen gerecht wird.

Es wurden deshalb an unterschiedlichen Materialien Untersuchungen zur Tragfähigkeit und zum Schadstoffrückhaltevermögen durchgeführt. Hinsichtlich der Tragfähigkeit war zu untersuchen, welcher maximale Feinkornanteil im Bankettmaterial zugelassen werden kann, so dass noch eine ausreichende Tragfähigkeit gewährleistet werden kann. Dazu wurden an der TU München verschiedene Gemische von Böden und Baustoffen der Körnung 0/32 mm mit unterschiedlichen Feinkorn- bzw. Oberbodenanteilen in Bezug auf ihre Verdichtungseigenschaften, Tragfähigkeit und Durchlässigkeit untersucht. Im Rahmen der Untersuchungen zum Schadstoffrückhaltevermögen sollte geklärt werden, wie effektiv Schwermetalle aus dem Straßenabflusswasser von tragfähigen Banketten zurückgehalten werden können. Dazu wurden vergleichende Untersuchungen von unterschiedlichen Bankettaufbauten durch die TU Berlin durchgeführt. Dabei sollte auch geklärt werden, ob es bei einer Versickerung von Straßenabflusswasser über tragfähige Bankette zu einer Überschreitung der Prüfwerte der BBodSchV (1999) kommt.

2 Untersuchungen zur Standsicherheit

2.1 Vorgehen

Für die Bestimmung der Bodeneigenschaften wurden Versuche sowohl im Labor als auch im Technikumsmaßstab durchgeführt. Für alle Versuchsböden wurde die Korngrößenverteilung nach DIN 18123 bestimmt, um die Materialien zu klassifizieren und den Feinkornanteil nachzuweisen. Des Weiteren wurden Proctorversuche nach DIN 18127 durchgeführt, um die Verdichtungseigenschaften der Mischungen zu ermitteln. Die gesättigte Durchlässigkeit wurde für zwei Einbaubedingungen bestimmt (DPr = 100 % und DPr = 97 %). Abhängig vom Feinkornanteil der Proben wurden die Versuche in Proctor- bzw. Druckzellen durchgeführt. In Bezug auf die Tragfähigkeit wurden im Labor in Kombination mit den Proctorversuchen CBR-Versuche nach TP BF-StB, Teil B 7.1 vorgenommen.

2.2 Versuchsböden

Es wurden drei Materialien mit einem Größtkorn von 32 mm als Ausgangsmaterial zur Herstellung unterschiedlicher Mischungen verwendet: ­

– eine ungebrochene Gesteinskörnung (RK), die als weit gestufter Kies (GW) klassifiziert ist, ­

– eine gebrochene Gesteinskörnung (BK), die einem weit gestuften Kies (GW) bzw.

– einem schluffigen Kies (GU) zugeordnet werden kann und

– ­ eine rezyklierte Gesteinskörnung (RC), die einem weit gestuften Kies (GW) entspricht.

Diesen Materialien wurden zwei unterschiedliche Böden zugegeben, um Mischungen mit verschiedenen Feinkornanteilen herzustellen. Hierbei handelte es sich zum einen um einen feinkörnigen Boden aus der Kieswäsche (Si), der nach DIN 18196 einem leicht plastischen Ton (TL) zugeordnet werden kann. Zum anderen wurde ein gesiebter Oberboden (Ob) der Körnung 0/0,5 mm herangezogen, der einen organischen Anteil von 8,5 % aufweist und einem mittelplastischen Ton (TM) entspricht. Insgesamt wurden 18 Mischungen untersucht (Tabelle 1).

Die Namensgebung der Mischungen orientiert sich an den Ausgangsmaterialien und dem Feinanteil. Die ersten zwei Buchstaben bezeichnen das 0/32 mm Material (RK, BK, RC), gefolgt von der Ziffernfolge für die feinkörnigen Materialien (Si für Kieswäsche, Ob für Oberboden und SiOb, wenn beide verwendet werden). Die letzten beiden Ziffern und der Buchstabe F bezeichnen den Zielwert für den Feinanteil der jeweiligen Mischung.

2.3 Laboruntersuchungen

Die Ergebnisse der Klassifikations-, Verdichtungs- und Durchlässigkeitsversuche sind in Tabelle 1 zusammengefasst. Die ermittelten CBR-Werte für die Mischungen aus ungebrochenen, gebrochenen und rezyklierten Gesteinskörnungen sind in den Bildern 1, 2 und 3 dargestellt.

Tabelle 1: Untersuchte Materialien und Ergebnisse der Laborversuche

Bild 1: CBR-Ergebnisse für die Mischungen aus RK

Bild 2: CBR-Ergebnisse für die Mischungen aus BK

Bild 3: CBR-Ergebnisse für die Mischungen aus RC

Der Feinkornanteil der hergestellten Mischungen liegt zwischen 6 M.-% und 18 M.-%. Im Hinblick auf das Verdichtungsverhalten führt die Zugabe des leicht plastischen Tons bzw. des Oberbodens (mittelplastischer Ton) bei allen Mischungen im Vergleich zu den Ausgangsmaterialien zu höheren Proctordichten bei gleichzeitig höherem optimalem Wassergehalt. Es zeigt sich aber auch, dass eine Zunahme des Oberbodenanteils über 10 M.-% tendenziell wieder zu abnehmenden Proctordichten führt.

Die Durchführung von CBR-Versuchen auf Böden der Körnung 0/32 mm hat aufgrund des Größenverhältnisses von Größtkorn zum Durchmesser des Druckstempels große Streuungen ergeben. Einige Proben ergeben auch exponentiell gekrümmte Kraft-Eindringtiefe-Diagramme, die auf der Abstützung der Probe am Topf zurückzuführen ist. Die ermittelten Werte können daher nur als Orientierungshilfe für die erzielbare Tragfähigkeit verwendet werden. Die CBR-Werte liegen für die RK-Mischungen zwischen 30 % und 135 %. Die Mischungen mit leicht plastischem Ton (RK.Si.08F, RK.Si.14F) sowie die Mischung RK.SiOb.11F mit 5 M.-% Oberbodenanteil weisen mit Werten zwischen 80 % und 135 % die höchsten Werte auf. Für die BK- und RC-Mischungen schwanken die CBR-Werte etwas geringer und liegen zwischen 45 % und 90 % bzw. zwischen 30 % und 115 %. Trotz der Streuungen ist es für diese Mischungen erkennbar, dass ein größerer Oberbodenanteil zur Verringerung der CBR-Werte führt.

Hinsichtlich der Durchlässigkeit weisen die Materialien eine weite Spanne auf. Die ermittelten k-Werte für einen Verdichtungsgrad DPr = 100 % liegen für die RK-Mischungen zwischen 8,8 · 10-7 m/s und 1,2 · 10-9 m/s, für die BK-Mischungen zwischen 1,9 · 10-4 m/s und 3,8 · 10-9 m/s und für die RC-Mischungen variieren sie von 1,7 · 10-5 m/s bis 3,5 · 10-8 m/s. Bei einem Verdichtungsgrad DPr = 97 % variieren die k-Werte etwas stärker und für die RK-Mischungen liegen sie zwischen 3,2 · 10-4 m/s und 1,2 · 10-9 m/s, für die BK-Mischungen zwischen 4,9 · 10-3 m/s und 2,3 · 10-6 m/s und für die RC-Mischungen zwischen 8,2 · 10-5 m/s und 2,7 · 10-7 m/s. Es ist festzustellen, dass ein höherer Verdichtungsgrad bzw. Feinanteil prinzipiell zu niedrigeren Werten führt. Die ermittelten Werte sind von der Kornform und dem Fein- bzw. Oberbodenanteil abhängig. Die Art der Versuchsmethode (Versuch im Proctortopf bzw. in der Druckzelle) hat auch einen Einfluss auf die ermittelten Werte. Aufgrund der Ergebnisse ist zu empfehlen, die Durchlässigkeit von Mischungen mit einem Feinkornanteil über 10 M.-% in einer Druckzelle zu ermitteln.

2.4 Technikumsversuche

2.4.1 Vorgehen

Da die Laboruntersuchungen zur Tragfähigkeit aufgrund der grobkörnigen Bestandteile in den Mischungen starken Streuungen und Unsicherheiten unterworfen sind, musste mittels Versuchen im Technikumsmaßstab die Verbindung der Laborversuche zu den Praxisbedingungen in-situ hergestellt werden.

Die Untersuchungen im Technikumsmaßstab wurden in der Versuchsgrube am Zentrum Geotechnik der Technischen Universität München durchgeführt. Sie hat eine Länge von 5,0 m und ist 3,3 m breit. Von den 18 Labormischungen wurden Versuche zur Ermittlung des Verformungsmoduls mit insgesamt vier Mischungen durchgeführt. Die Versuchsböden wurden gemäß den Laborergebnissen ausgewählt. Von den Mischungen aus ungebrochenen Gesteinskörnungen wurde die Mischung mit dem höchsten Oberbodenanteil (RK.Ob.14F) ausgewählt, da diese die niedrigsten CBR-Werte aufweist. Es konnte deshalb für die anderen RK-Mischungen davon ausgegangen werden, dass im Technikumsmaßstab mindestens so hohe Tragfähigkeiten wie an den entsprechenden untersuchten Mischungen erreicht werden. Von den RC-Mischungen wurde ebenso die Mischung mit dem höchsten Oberbodenanteil untersucht, da sie auch niedrige CBR-Werte aufweist. Von den Versuchsmaterialien aus gebrochenen Gesteinskörnungen wurden das Material BK.08F, dem kein zusätzlicher Boden zugegeben wurde, und die Mischung BK.Ob.17F mit dem höchsten Oberbodenanteil untersucht, um den Einfluss des Oberbodens auf die Tragfähigkeit zu bestimmen.

Da der Oberboden nur in der Körnung 0/15 verfügbar war und eine Siebung des Oberbodens zum Abtrennen des Anteils größer 0,5 mm im Gegensatz zu den Laboruntersuchungen zu aufwändig gewesen wäre, wurden die Versuchsmischungen aus verschiedenen Kornfraktionen, feinkörnigem Boden aus Kieswäsche und Oberboden der Körnung 0/15 mm so zusammengesetzt, dass die hergestellten Mischungen den entsprechenden Labormischungen hinsichtlich der Kornverteilung ähneln. Die Herstellung der Mischungen wurde in der Versuchsgrube mit Hilfe eines Baggers vorgenommen.

Es wurden einschichtige Bankettaufbauten mit einer Dicke von 35 cm untersucht. Die Materialien wurden in einer Lage verdichtet. Als Unterlage wurde eine Schicht aus ungebrochenem Frostschutzkies verwendet. Die Dicke der Unterlage betrug unter den Versuchsmaterialien BK.08F und BK.Ob.17F 35 cm und unter den Versuchsmischungen RK.Ob.14F und RC.Ob.14F 70 cm.

Sechs statische und sechs dynamische Plattendruckversuche wurden 24 Stunden nach Einbau auf den Bankettmaterialien durchgeführt. Um den Einfluss des Wassergehalts auf die Tragfähigkeit zu bestimmen, wurden Versuche auch nach Bewässerung bis zur nahezu vollständigen Sättigung der Materialien durchgeführt. Die erreichten Feucht- und Trockendichten wurden mit dem Ballonverfahren ermittelt.

2.4.2 Ergebnisse

Die Ergebnisse der Technikumsversuche sind in der Tabelle 2 zusammengefasst. Im Hinblick auf die Korngrößenverteilungen waren die Versuchsmischungen den entsprechenden Labormischungen sehr ähnlich.

Die Gesteinskörnung BK.08F weist bei einem Verdichtungsgrad von 104 % eine sehr hohe Tragfähigkeit auf. Die Ev2-Werte variieren von 225,7 MN/m2 bis 279,5 MN/m2 (Mittelwert von 254,5 MN/m2) und die Evd-Werte liegen oberhalb des Messbereichs des verwendeten Geräts. Da das Material nur einen geringen Feinkornanteil enthält, weist es eine hohe Durchlässigkeit auf. Während der Bewässerung versickerte das Wasser schnell und es wurde ein Sättigungsgrad von nur 32 % erreicht. Die Ev2-Werte nach Bewässerung nahmen sogar deutlich zu und lagen bei 297,3 MN/m2. Da die Bewässerung drei Wochen nach Einbau durchgeführt wurde, ist es möglich, dass die Liegezeit nach Verdichtung zu einer Zunahme der Tragfähigkeit geführt hat.

Die Ev2-Werte von BK.Ob.17F liegen nach Einbau für einen Verdichtungsgrad von 94 % zwischen 53,4 MN/m2 und 73,2 MN/m2 (Mittelwert von 64 MN/m2) und die Evd-Werte zwischen 31,0 MN/m2 und 42,5 MN/m2 (Mittelwert von 35,8 MN/m2). Nach der Wasserzugabe wurden etwas geringere Verformungsmoduln von 54,9 MN/m2 (Abfall von 14 %) bzw. 28,4 MN/m2 (Abfall von 21 %) erreicht (Mittelwerte der statischen bzw. dynamischen Messwerte). Da der nach der Bewässerung erreichte Sättigungsgrad nur 74 % betrug, wurde der Boden noch zweimal mit Wasser bespritzt (erreichte Sättigungsgrade von 77 % bzw. 85 %). Die Plattendruckversuche wurden nach jeder Bewässerung wiederholt. Es zeigten sich etwas verringerte Werte.

Der Verdichtungsgrad der ungebrochenen Mischung RK.Ob.14F beträgt 102 %. Die Verformungsmodule Ev2 liegen nach Einbau zwischen 71,1 MN/m2 und 109,5 MN/m2 (Mittelwert von 87,7 MN/m2) und nach der Wasserzugabe zwischen 76,6 MN/m2 und 85,6 MN/m2 (Mittelwert von 81,0 MN/m2 ­ Abfall von ca. 8 %). Der Einbauwassergehalt von 7,1 % entspricht nahezu dem Sättigungswassergehalt von 7,7 %. Daher zeigt die Bewässerung keinen Einfluss auf die Ergebnisse. Ähnliche Ergebnisse wurden auch mit den dynamischen Plattendruckversuchen ermittelt.

Das Material aus Betonbruch RC.Ob.14F wurde mit einem Verdichtungsgrad von 96 % eingebaut. Es weist eine relativ hohe Tragfähigkeit auf. Die Ev2-Werte reichen bis 108,6 MN/m2 und ihr Mittelwert entspricht 95,8 MN/m2. Nach Bewässerung des Bodens liegt der Mittelwert bei 95,2 MN/m2. Der erreichte Sättigungsgrad betrug 78 %. Deshalb wurde der Boden noch mal bewässert und es wurden anschließend die Plattendruckversuche direkt ohne Wartezeit durchgeführt. Der Verformungsmodul nach der zweiten Bewässerung variiert zwischen 92,3 MN/m2 und 115,4 MN/m2. Die Tragfähigkeit der Mischung aus Betonbruch zeigt keine Abhängigkeit vom Wassergehalt. Ähnliche Ergebnisse wurden auch mit den dynamischen Plattendruckversuchen ermittelt.

Tabelle 2: Ergebnisse der statischen und dynamischen Plattendruckversuche für die verschiedenen Versuchsmaterialien. Werte in Klammern liegen oberhalb des Messbereichs des Geräts

Vergleicht man die Mischung mit der ungebrochenen Gesteinskörnung mit der Mischung aus Betonbruch, die eine sehr ähnliche Korngrößenverteilung aufweist, zeigt sich, dass beim RCMaterial geringfügig höhere Tragfähigkeiten bei geringerem Verdichtungsgrad erreicht werden.

Die Auswertung der Plattendruckversuche hat auch die Wirkung verschiedener Faktoren auf die Tragfähigkeit gezeigt. Die gebrochene Gesteinskörnung BK.08F, die keinen Oberboden enthält, weist wegen der kantigen Körner und des niedrigeren Feinkornanteils eine hohe Tragfähigkeit auf. Der große Einfluss durch die Zugabe von Oberboden bzw. des Feinkornanteils auf die Tragfähigkeit zeigt sich aus einem Vergleich der beiden Versuche mit den gebrochenen Gesteinskörnungen. Eine Erhöhung des Feinanteils von ca. 3,2 M.-% auf 19,7 M.-% (Tabelle 2) verursachte eine Reduzierung des Verformungsmoduls Ev2 von etwa 75 %. Jedoch sind alle Werte trotz des hohen Feinkornanteils und des geringeren Verdichtungsgrades (DPr = 94 %) größer als 53 MN/m2.

Das Verhältnis der Mittelwerte der ermittelten Ev2- und Evd-Werte liegt für alle Böden zwischen 1,8 und 2,4 und hat großteils die in der Literatur beschriebenen Verhältnisse zu den Ev2-Werten (zwischen 1,9 und 2,2) bestätigt.

3 Untersuchungen zum Schadstoffrückhaltevermögen

3.1 Vorgehen

Zur Bestimmung der Schwermetallretention aus dem Straßenabfluss in standfesten Banketten wurden verschiedene Laborversuche sowie ein Feldversuch an einer eigens für diese Fragestellung errichteten Lysimeterstation durchgeführt. An der Lysimeterstation wurden die drei folgenden Varianten hinsichtlich ihres Schwermetallrückhaltevermögens untersucht:

(1) Ein Oberboden (OB), welcher nach der Bodenkundlichen Kartieranleitung KA5 der Bodenart schwach schluffiger Sand (Su2) zugeordnet werden kann und einen organischen Kohlenstoffanteil < 1 % aufweist.

(2) Ein Baustoffgemisch aus natürlicher Gesteinskörnung (BS) welches auch zur Konstruktion der Schottertragschicht (0/32) verwendet wird.

(3) Ein Gemisch aus (1) und (2), mit einem OB-Anteil von 15 M.% (OB15).

Die Varianten 2 und 3 (BS und OB15) entsprechen den Anforderungen tragfähiger Bankette gemäß ZTV E-StB 09. Variante 1 (OB) erfüllt diese Anforderung nicht, wurde aber als nicht standfeste Referenzvariante mit untersucht.

3.2 Versuchsaufbau ­ Lysimeterstation

Die Lysimeteranlage befindet sich an der BAB A 115 zwischen den Ausfahrten PotsdamBabelsberg und Kleinmachnow, am Betriebskilometer 13. Das Verkehrsaufkommen liegt zwischen 63.000 ­ 80.000 Fahrzeugen pro Tag, mit einem Lkw Anteil von ca. 6 bis 7% (Fitschen, Nordmann 2012). Die BAB A 115 ist an diesem Abschnitt 36 m breit (inklusive Bankett und Mittelstreifen). Die Fahrbahn besteht aus Beton und besitzt drei Fahr- und einen Randstreifen je Richtung. Die befestigte Fahrbahn hat je Richtung eine Breite von 14,5 m und wird über das angrenzende Bankett entwässert. In dem ausgewählten Abschnitt gibt es keine Leitplanke neben der Fahrbahn. Es wurden 6 Gruben unmittelbar neben der Fahrbahn ausgehoben, in die die Lysimeterwannen eingesetzt wurden. Die Lysimeterwannen bestehen aus PE und wurden der Neigung des Bankettes entsprechend (ca. 7 %) in den Straßenrand eingebaut.

Drei Lysimeter dienen zur Erfassung des Straßenabflusses (Leerlysimeter), in drei weitere wurden die verschiedenen Bankettmaterialien (siehe 3.1) eingebaut. Sie haben die folgenden Maße: Bankettlysimeter: 3 x 1000 l (l: 150 cm, b: 100 cm, h: 70 cm); Leerlysimeter 3 x 225 l (l: 150 cm, b: 100 cm, h: 15 cm). Die Bankettlysimeter haben an der straßenabgewandten Seite einen 15 cm langen und 15 cm tiefen Vorsprung, an dem Anschlüsse zur Sammlung des Oberflächenabflusses angebracht wurden. Weiterhin besitzen sie Anschlüsse in zwei weiteren Tiefen mit denen Zwischenabfluss und Sickerwasser aufgefangen werden kann (Bild 4).

Zur quantitativen Messung des Abflusses und der Versickerung in verschiedenen Tiefen sowie zur qualitativen Beprobung wurden 12 Kippwaagen (V2A-Kippzähler, UP-Umwelt-analytische Produkte GmbH) installiert. Von Sickerwasser, Oberflächenabfluss und Straßenabfluss wurde jeweils eine Teilprobe (ca. 10 %) in ein Sammelgefäß überführt, der Zwischenabfluss wird vollständig erfasst. Die drei Leerlysimeter (225 l) wurden mit gewaschenem, kalkfreien Drainagekies (Ø 5,6 bis 8 mm) befüllt, die drei Bankettlysimeter (1000 l) wurden bis zur Hälfte mit einer gestaffelten Drainageschicht aus gewaschenem, kalkfreien Kies und Sand befüllt. Über die Drainageschicht wurden die zu untersuchenden Bankettmaterialien eingebaut (vgl. 3.1).

Die Probennahmen erfolgten während des gesamten Untersuchungszeitraumes alle zwei bzw. vier Wochen. Für die Analyse wurden die Proben im Labor filtriert (0,45 m) und mit 5 M HNO3 Lösung angesäuert (auf pH < 2). Um die Gesamtkonzentration der Schwermetalle (gelöst und partikulär) in den Proben zu bestimmen, wurden Teilproben gemäß DIN EN ISO 15587-2 in der Mikrowelle aufgeschlossen. Die Bestimmung der Schwermetallkonzentrationen (Cd, Cu, Cr, Ni, Pb, Zn) in den Lösungen erfolgte mittels ICP-OES. Falls eine sofortige Analyse nicht möglich war, wurden die Proben bis zur Analyse bei 4 °C im Kühlschrank aufbewahrt.

Bild 4: Schematische Darstellung eines befüllten Bankettlysimeters mit Kippwaagen und Probenahmegefäß (links). Foto der begrünten Lysimeteranlage (rechts)

3.3 Ergebnisse

3.3.1 Schwermetallkonzentrationen im Straßenabfluss

Die Konzentrationen der Schwermetalle im Straßenabfluss sind neben der Verkehrsstärke unter anderem auch von der umgebenden Vegetation, Windrichtung, Niederschlagsereignissen und deren Intensität, Fahrbahnkonstruktion und Material abhängig (Pagotto, Remy et al. 2001; Lee, Kim et al. 2011).

Die Lösungskonzentrationen der Schwermetalle im Straßenabfluss an der Lysimeterstation liegen insgesamt auf einem relativ niedrigen Niveau (Tabelle 3). Im Mittel liegen sie sogar unterhalb der Geringfügigkeitsschwellenwerte nach LAWA (ausgenommen Cu). Ein Grund dafür ist, dass ein Teil der durch den Straßenverkehr emittierten Schwermetalle in partikulärer gebundener Form vorliegt (Thorpe und Harrison 2008). Darüber hinaus kann es bereits während eines Niederschlagsereignisses im Straßenabfluss zu Reaktionen gelöster Schwermetalle kommen. Diese können beispielsweise an Partikel und Sedimente im Straßenabfluss adsorbieren, es können Fällungsreaktionen auftreten (z. B. mit CaCO3) oder es kann zu einer Komplexierung durch organische Substanzen und Fe bzw. Mn Oxiden und Hydroxiden kommen (Folkeson, Bækken et al. 2009). Die Gesamtkonzentrationen der Schwermetalle im Straßenabfluss sind folglich deutlich höher als die Lösungskonzentrationen (Tabelle 3).

Tabelle 3: Gelöste und ungelöste Metallkonzentrationen im Straßenabfluss von stark befahrenen Straßen

3.3.2 Schwermetallkonzentrationen im Sickerwasser

Im Bild 5 sind die Mediane der partikulären und gelösten Schwermetallkonzentrationen im Sickerwasser der drei Bankettlysimeter sowie die mittlere Konzentration des Straßenabflusses (LL) über den gesamten Untersuchungszeitraum abgebildet.

Die Sickerwasserkonzentrationen im Bankett werden durch eine Gleichgewichtseinstellung der Schwermetalle aus dem Straßenabfluss und der Bodenmatrix bestimmt. Bei relativ geringen Lösungskonzentrationen im Straßenabfluss kann es daher zu Rücklösungen aus der Bodenmatrix kommen was wiederum zu erhöhten Konzentrationen im Sickerwasser führt. Dieser Effekt war insbesondere bei dem OB zu beobachten, welcher im Vergleich zu den anderen Materialien erhöhte Pb und Cu Konzentrationen in der Bodenmatrix aufweist.

Die Schwermetalle, die mit dem Straßenabfluss in das Bankett eingetragen werden, sind überwiegend an Partikel/Sedimente gebunden (teilweise deutlich über 50 %). Die eingetragenen Sedimente/Partikel erhöhen in erster Linie die Festphasenkonzentrationen der Schwermetalle in den Bankettböden, was mit der Zeit zu ansteigenden Gleichgewichtskonzentrationen in der Bodenlösung führen könnte.

Bild 5: Mediane der gelösten und partikulär gebundenen Schwermetallkonzentrationen im Sickerwasser der Bankettlysimeter und im Straßenablauf (LL). Die gestrichelte Linie zeigt den momentan gültigen Prüfwert der BBodSchV (1999), die Strichpunktlinie zeigt den Geringfügigkeitsschwellenwert (LAWA 2004)

Die Lösungskonzentrationen der Schwermetalle liegen bei allen Varianten im Mittel unterhalb der Prüfwerte der BBodSchV, ausgenommen Cu bei OB. Für partikuläre Schwermetalle im Sickerwasser gibt es in der BBodSchV keine Prüf- oder Grenzwerte. Verglichen mit den von der LAWA empfohlenen Geringfügigkeitswerten (LAWA 2004), welche ebenfalls nur für gelöste Schwermetalle gelten, lassen sich Überschreitungen für Cu und Pb im Sickerwasser bei der OB Variante feststellen. Die Geringfügigkeitswerte nach LAWA sind bislang jedoch lediglich für die Bewertung von Grundwasserschäden gedacht.

Vergleicht man die Lösungskonzentrationen im Sickerwasser der drei Bankettlysimeter untereinander so zeigt sich, dass die OB Variante für Cr, Cu, Pb und Zn die höchsten Konzentrationen aufweist. Auch die Gesamtkonzentrationen von Cr, Cu, Pb und Zn sind im Sickerwasser des OB Lysimeters am höchsten. Die höchsten Gesamtkonzentrationen für Ni wurden im Sickerwasser der BS Variante gemessen, die höchste Cd Konzentration (gesamt) im Sickerwasser der OB15 Variante. Die Lösungskonzentrationen von Cd, Cr und Ni sind bei allen drei Varianten eher gering. Es zeigen sich insgesamt keine großen Unterschiede zwischen den drei Varianten.

Während des Beprobungszeitraumes kam es teilweise zu signifikanten Schwankungen der Schwermetallkonzentrationen im Sickerwasser. Dabei wurden die Grenzwerte der BBodSchV an einzelnen Beprobungsterminen auch Überschritten. Die Lösungskonzentrationen im Sickerwasser waren dabei wiederholt höher als die Konzentrationen im Straßenabfluss, was auf Rücklösungen aus der Bodenmatrix hindeutet. Insbesondere nach dem Einsatz von Streusalz konnte ein Anstieg der Schwermetallkonzentrationen im Sickerwasser beobachtet werden. Erhöhte Cu und Pb Konzentrationen im 2. und 3. Quartal 2013/14 sind auf einen verstärkten Umsatz von organischen Bestandteilen durch Mikroorganismen zurückzuführen, was wiederum eine Mobilisierung der Schwermetalle zur Folge hat.

3.3.3 Schwermetallfrachten im Bankett

Um eine Bilanzierung der ein- und ausgetragenen Schwermetalle für die Bankettlysimeter zu erstellen, wurden die ein- und ausgetragenen Schwermetallfrachten berechnet. Diese wurden aus den mittleren jährlichen Konzentrationen und den mittleren jährlichen Zufluss- bzw. Abflussmengen berechnet (Bild 6). Der höchste Eintrag wurde für Zn berechnet gefolgt von Cu, Cr, Pb, Ni und Cd. Der mittlere jährliche Schwermetallaustrag war bei allen Lysimetern geringer als der Eintrag, es fand demnach bei allen Varianten ein Rückhalt der eingetragenen Schwermetalle statt.

Es gibt jedoch erhebliche Unterschiede zwischen den verschiedenen Bankettlysimetern und Schwermetallen. Am effektivsten wurden Cu und Zn im OB15 zurückgehalten (96 %). Cr wurde im OB und OB15 Lysimeter ebenfalls zu einem sehr hohen Anteil zurückgehalten (92 %). Cd, Ni und Pb wurden in allen Bankettvarianten weniger gut retardiert. Den geringsten Rückhalt hatte jeweils der BS (40 %, 27 % und 24 %), welcher auch für Cr einen deutlich geringeren Rückhalt (53 %) aufweist als die anderen Varianten. Insgesamt weist der OB15 den höchsten Frachtrückhalt auf.

Der Rückhalt der einzelnen Schwermetalle in den Banketten folgt nicht der üblichen Retentionsreihenfolge von Schwermetallen im Boden. Er unterscheidet sich auch von der in den Laborversuchen ermittelten Retentionsreihenfolge. Dies verdeutlicht, dass der partikuläre Schwermetalltransport und die Komplexierung durch gelöste organische Stoffe den Schwermetalltransport im Bankett entscheidend beeinflussen. Somit sind geringe Sickerwasserraten und ein hohes Rückhaltevermögen für partikulär gebundene Schwermetalle die entscheidenden Faktoren für einen hohen Frachtrückhalt.

4 Empfehlungen für die Baupraxis

Für den Aufbau von Banketten sind aus Herstellungsgründen einschichtige Bauweisen zu bevorzugen. Bankette werden direkt auf der Frostschutzzunge gebaut, die eine hohe Tragfähigkeit aufweist. Eine tragfähige Unterlage fördert eine bessere Verdichtung des Materials und somit ist eine ausreichende Tragfähigkeit der oberen Schicht leichter zu erreichen. Wie in den ZTV E-StB 09 beschrieben, werden die Bankettmaterialien gleichmäßig in Lagen von höchstens 30 cm Dicke eingebaut und verdichtet. Ein Verdichtungsgrad DPr von 100 % sollte unter diesen Baubedingungen erreichbar sein und wird deshalb vorgeschlagen.

Für die Herstellung werden Gemische aus Boden (Kies) bzw. Gesteinskörnungen und Feinkorn bzw. Oberboden mit einem Größtkorn von 32 mm verwendet. Auf Kompostmischungen als Ersatz des Oberbodens sollte aufgrund des hohen organischen Anteils verzichtet werden. Es wird empfohlen, als bautechnisches Kriterium für die Zusammensetzung der Bankettmaterialien unabhängig vom Oberbodenanteil einen maximalen Feinkornanteil der Bankettmaterialien vorzugeben.

Bild 6: Mittlere jährliche Schwermetallfrachten der Bankettlysimeter (output) und der Leerlysimeter (input) [mg · m-2], berechnet aus den mittleren jährlichen Sickerwasserkonzentrationen und -raten. Der Radius der Kreise ist proportional zu der gesamten Schwermetallfracht

Basierend auf den Versuchsergebnissen dieser Forschungsarbeit sollte der Feinkornanteil der Bankettmaterialien einen Wert von 15 M.-% nicht übersteigen. Höhere Werte könnten, insbesondere nach Bewässerung des Materials, zu einer Unterschreitung der erforderlichen Tragfähigkeit zur Vermeidung des Abkommens von Lastwagen führen. Mit Bankettmaterialien, deren Feinkornanteil maximal 15 M.-% beträgt, sollte ein Verformungsmodul Ev2 60 MN/m2 bzw. Evd 30 MN/m2 bei einem Verdichtungsgrad von DPr = 100 % sicher erreichbar sein. Falls eine höhere Tragfähigkeit für Bankette erforderlich ist, sollte der Feinkornanteil der Materialien gegebenenfalls weiter beschränkt werden. Auf Basis der Ergebnisse der Technikumsversuche kann angenommen werden, dass Verformungsmoduln von Ev2 = 80 MN/m2 bzw. Evd = 40 MN/m2 für Kies-Schluff-Gemische mit einem Feinkornanteil von maximal ca. 13 M.-% bei DPr = 100 % erreicht werden sollten.

Wie die Technikumsversuche gezeigt haben, könnten für Bankettgemische sowohl natürliche ungebrochene Böden wie auch gebrochene Gesteinskörnungen bzw. Recycling-Baustoffgemische verwendet werden. Bei ungebrochenen Gesteinskörnungen sind in der Regel etwas niedrigere Tragfähigkeitswerte zu erwarten.

Gemäß den RAS-Ew (FGSV, 2005) sollte das Bankett zum Schutz des Bodens und Grundwassers schwach durchlässig, das heißt k < 10-6 m/s, sein. Bei den durchgeführten Untersuchungen wurde dieses Kriterium bei allen Mischungen mit einem Feinkornanteil > 15 M.-% durchgehend sichergestellt, unabhängig von der Art des Feinkorns. Bei allen Mischungen mit Oberboden wurden diese k-Werte bereits bei Feinkornanteilen von ca. 10 M.-% erreicht.

Die Untersuchungen an der Lysimeterstation haben gezeigt, dass Mischungen aus gebrochenen Gesteinskörnungen, industriell hergestellten Gesteinskörnungen und Oberboden (sogenannter Schotterrasen) über einen ausreichenden Schwermetallrückhalt verfügen. Standfeste, nach den Anforderungen der ZTV E-StB 09 errichtete Bankette können die Vorgaben der BBodSchV bezüglich Schwermetallkonzentrationen im Sickerwasser einhalten. Die Aufbringung einer separaten Oberbodenschicht auf standfesten Banketten ist daher aus Gründen des Boden- bzw. Grundwasserschutzes nicht erforderlich. Weiterhin sollte der Begriff Schotterrasen genauer definiert oder aus der ZTV E-StB 09 gestrichen werden, um einen ausreichenden Schwermetallrückhalt standfester Bankette sicher zu gewährleisten.

Auf Grundlage der durchgeführten Untersuchungen wird empfohlen, einen Mindestfeinkornanteil für die im Bankettbau verwendeten Mischungen zu definieren, um die Schwermetallfrachten im Bankettbereich möglichst gering zu halten. In Verbindung mit den Untersuchungen zur Standfestigkeit von Banketten wird daher empfohlen, einen Mindestfeinkornanteil von 5 M.-% für Bankettmaterialien festzulegen.

Geeignete Gemische für Bankette stellen demnach Baustoffgemische 0/32 mm der Bodengruppen GU bzw. GT nach DIN 18196 dar. Solche Gemische könnten aus 0/32 mm Gesteinskörnungen für Kies- und Schottertragschichten nach TL SoB-StB (FGSV, 2004) mit Oberboden- bzw. Feinkornanreicherung hergestellt werden.

Auf die bisher in den ZTV E-StB verwendeten Begriffe "Schotterrasen" und "Oberboden" kann dementsprechend zukünftig aus bau- und umwelttechnischer Sicht verzichtet werden und stattdessen ein Material der Bodengruppe GU bzw. GT gefordert werden. Im Hinblick auf die erforderliche Tragfähigkeit ist ggf. der Feinkornanteil zu begrenzen. Die Angaben im Standardleistungskatalog STLK LB 112 (2014) sollten dementsprechend angepasst werden.

Danksagung und Hinweise

Diesem Beitrag liegen Teile der im Auftrag des Bundesministeriums für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung, vertreten durch die Bundesanstalt für Straßenwesen, unter FE-Nr. 5.0177 und 5.0160 durchgeführten Forschungsarbeiten zugrunde. Die Verantwortung für den Inhalt liegt allein bei den Autoren.

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