Bodenbehandlungen mit den genormten Bindemitten Kalk, Zement und hydraulischen Tragschichtbindern sind anerkannte Verfahren im Erdbau und werden im Straßenbau zur Verbesserung des Unterbaus und des Untergrundes eingesetzt. Außerdem werden seit ca. 20 Jahren werden Gemische aus genormten Bindemitteln hergestellt und erfolgreich bei Bodenverbesserungen eingesetzt. Neben diesen Mischbindemitteln werden auch Gemische mit Zusatz von Braunkohleflugasche (BFA) oder auch „reine“ BFA für die Bodenverbesserung im Erdbau eingesetzt.

Es wurden die Anwendungsmöglichkeiten von BFA als Bindemittel oder als Bindemittelersatz (z. B. im Zusammenwirken mit Kalk) bei Bodenverbesserungen im Erdbau untersucht. Hierzu wurde die Wirksamkeit von BFA verschiedener Kohlereviere auf die Wassergehaltsreduzierung, die Festigkeitsentwicklung und die Gebrauchstauglichkeit in Abhängigkeit von unterschiedlichen Bodengruppen (UL, TM, SU*, GU*) sowie BFA-Zugabemengen im Vergleich zu genormten Bindemitteln untersucht. Weiterhin wurde die Umweltverträglichkeit des Boden-BFA-Gemisches abgeklärt.

Die Ergebnisse bestätigen, dass durch die Zugabe von BFA die Verdichtbarkeit leichtplastischer Böden (Bodengruppe UL, TL) verbessert werden kann. Für die Verbesserung von mittelplastischen Tonen der Bodengruppe TM sind BFA dagegen nur bedingt geeignet, ebenso ist bei gemischtkörnigen Böden der Bodengruppen SU* und GU* keine nennenswerte Verbesserung der Verdichtbarkeit nachweisbar. Das Tragfähigkeits- und Verformungsverhalten der feinkörnigen Böden wird durch die Zugabe von kalkreicher BFA erhöht, bei den gemischtkörnigen Böden ist eine geringere Verbesserung erkennbar. Die kieselsäurehaltige BFA zeigt nur ein geringes Verbesserungspotenzial.

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

1 Einleitung

Für die Ausführung der Bodenbehandlungen mit genormten Bindemitteln wie Kalk nach DIN EN 459-1, Zement nach DIN EN 197-1 DIN 1164-10 oder hydraulische Tragschichtbinder nach DIN EN 13282 liegen umfangreiche Erfahrungen vor, die in entsprechenden Regelwerken niedergeschrieben wurden. Auch für die seit ca. 20 Jahren am Markt verfügbaren Mischbindemittel, das sind werkseitig hergestellte Kombinationen aus genormten hydraulischen Bindemitteln oder deren hydraulische Anteile und Baukalk, liegen inzwischen Erfahrungen zur Wirkungsweise und Anwendung bei Bodenbehandlungen vor, die zwischenzeitlich in einem Merkblatt zusammengefasst wurden.

Die Weiterentwicklung dieser Mischbindemittel ist – insbesondere im Hinblick auf die Zumischung hydraulischer Haupt- und Nebenbestandteile – noch nicht abgeschlossen. Seit Jahren werden neben den o. g. Mischbindemitteln aus genormten Komponenten auch Bindemittelgemische mit Zusatz von Braunkohleflugasche (BFA) oder auch „reine“ BFA für die Bodenverbesserung im Erdbau eingesetzt.

BFA fällt bei der Verbrennung von Braunkohle und gegebenenfalls Mitverbrennungsstoffen in Kohlekraftwerken mit Staubfeuerungen (Trockenfeuerungen) an. Sie entsteht aus den mineralischen Beimengungen des Brennstoffs Braunkohle. Die Flugasche wird von den Rauchgasen mitgeführt und in Filteranlagen zur Rauchgasreinigung überwiegend in staubtrockener Form gewonnen. Bei diesem Material handelt es sich um ein Kraftwerksnebenprodukt im Sinne der TL BuB E-StB 20.

BFA enthält u. a. Kieselsäure (SiO2) und freies Calciumoxid (CaO) als hydraulisch wirksame Komponenten. Daneben können die BFA auch latent hydraulische und puzzolane Bestandteile besitzen, die bei Zugabe von Wasser zu einer Selbsterhärtung führen. Weiterhin können auch Inhaltsstoffe enthalten sein, die z. B. bei einer entsprechenden chemischen Reaktion zu einer Volumenvergrößerung führen können (z. B. Sulfate). Grundsätzlich besitzen Braunkohleflugaschen somit die chemischen Voraussetzungen, um allein oder im Zusammenwirken mit genormten Bindemitteln für eine Bodenverbesserung verwendet zu werden.

2 Ziel der Untersuchungen und Vorgehensweise

Gesamtziel des Vorhabens war die grundlegende Untersuchung der Anwendungsmöglichkeiten von BFA als Bindemittel oder als Bindemittelersatz (z. B. im Zusammenwirken mit genormten Bindemittemitteln) bei Bodenverbesserungen im Erdbau. Hierzu war die Wirksamkeit von BFA auf die Wassergehaltsreduzierung (im Vergleich zu Kalk) und die hydraulische Erhärtung (im Vergleich zu Zement oder Tragschichtbinder) zu untersuchen. In diesem Zusammenhang war auch zu prüfen, wie die Gebrauchstauglichkeit von Bodenverbesserungen mit BFA zu beurteilen ist. Weiterhin war die Umweltverträglichkeit des Boden-BFA-Gemisches über entsprechende analytische Untersuchungen abzuklären.

Vordringlich sollte das Reaktionsverhalten der BFA bei der Bodenverbesserung eines feinkörnigen Bodens der Bodengruppe UL/TL und der Bodengruppe TM im Vergleich mit einem genormten Kalk und einem genormten Zement untersucht werden. Böden der Bodengruppen UL/TL stehen lokal oberflächennah in größeren Mengen (z. B. Lösslehm) an und sind im Zusammenhang mit Erdbaumaßnahmen im Verkehrswegebau oft zu bewegen. Die ebenfalls zur Untersuchung vorgesehenen mittelplastischen Tone der Bodengruppe TM stellen hingegen den oberen Grenzbereich der für Bodenverbesserungen geeigneten Böden dar. Diese Böden werden oft für Abdichtungsmaßnahmen im Deponie- und Wasserbau verwendet. Weiterhin war vorgesehen, einzelne ausgewählte Versuchsreihen mit 2 gemischtkörnigen Böden der Bodengruppen SU*/ST* und GU/GU* durchzuführen. Auch diese Böden stehen in ausreichendem Umfang, u. a. auch im rheinischen Braunkohlerevier als sogenannte „Grubenkies“ zur Verfügung.

3 Braunkohleflugasche

In Deutschland sind in den Braunkohlerevieren im Rheinland, in Mitteldeutschland und in der Lausitz Kraftwerke in Betrieb. Bekannt ist, dass die dabei anfallende BFA (im Gegensatz zur Steinkohlenflugasche) je nach Gewinnungsstätte eine unterschiedliche chemische Zusammensetzung aufweist. Weiterhin beeinflusst die (kraftwerksabhängige) Zusammensetzung der Kohle, das Abbrandverhalten, die Verbrennungstemperatur und die Abkühlungsgeschwindigkeit die Wirkungsweise der Aschen. Diese Faktoren beeinflussen die Wassergehaltsreduzierung sowie die folgende Festigkeitsentwicklung der Boden-BFA-Gemische bzw. der Boden-BFA-Bindemittel-Gemische erheblich. Der Zusammenhang zwischen der Zusammensetzung der Gemische einerseits und des Anteils reaktiver Bestandteile andererseits ist aktuell nicht bekannt. In diesem Zusammenhang ist auch die Umweltverträglichkeit von Bodenverbesserungen mit BFA zu klären.

Für die Versuchsdurchführung standen BFA aus folgenden Regionen zur Verfügung:

• Rheinisches Revier,
• Mitteldeutsches Revier,
• Lausitzer Revier.

Nach den Kriterien der DIN EN 14227-4 sind die BFA aus dem Rheinischen und Mitteldeutschen Revier aufgrund ihres reaktiven Kalk-Gehaltes von 2 bis 25 M.-% als kalkhaltige BFA und die BFA aus dem Lausitzer Revier mit einem mittleren Kalk-Gehalt von 0,1 bis 4 M.-% als kieselsäurehaltige BFA zu klassifizieren.

Die BFA wurde zunächst homogenisiert, sodann wurde jeweils eine Korngrößenverteilung (Siebanalyse) bis zur Korngröße 0,02 mm erstellt (Bild 1). Eine Untersuchung des feineren Korns war nicht möglich, da die BFA bei der Schlämmanalyse ausflocken. Die Korngrößenverteilungen liegen gut innerhalb des bekannten Körnungsbands der BFA, also im Sand-Schluffkorn-Bereich. Der Anteil der Körner in Sandkorngröße kann mit 26 bis 38 M.-% angegeben werden, die restlichen 62 bis 74 M.-% liegen im Schluffkornbereich.

Bild 1: Korngrößenverteilung der verwendeten BFA und Körnungsband BFA allgemein

Die chemische Zusammensetzung der BFA hängt von der verwendeten Braunkohle und ggf. von Mitverbrennungsstoffen sowie den Verbrennungsbedingungen ab. Die aus deutschen Kraftwerken anfallende BFA weist entsprechend der Braunkohlereviere die in der Tabelle 1 angegebene Bandbreite der chemischen Zusammensetzung auf.

Tabelle 1: Hauptbestandteile von Braunkohleflugaschen aus verschiedenen Kohlerevieren (Angabe in M.-% der glühfreien Substanz aus M KNP)

Die Bandbreiten sind für BFA aus einem einzelnen Kraftwerk, das Braunkohle aus einem bestimmten Tagebau verfeuert, in der Regel deutlich geringer.

Bei den BFA aus Mitteldeutschland liegt der Gehalt an reaktivem CaO deutlich über 5 M.-%, womit diese als kalkhaltige Flugaschen im Sinne der DIN EN 14227-4 bezeichnen sind. Neben den hydraulisch wirksamen Komponenten sind auch latent hydraulisch und puzzolane Bestandteile vorhanden, die bei Zugabe von Wasser zu einer Selbsterhärtung führen.

Die BFA aus Kraftwerken im Rheinland verfügen zwar über einen geringeren Gehalt an reaktivem CaO, sind aber wie die BFA aus Mitteldeutschland als kalkreiche Flugaschen, die selbständig erhärten, einzustufen.

Dagegen haben die BFA aus der Lausitz vergleichsweise geringe Gehalte an freiem CaO und höhere Gehalte an SiO2. Sie sind somit in die Gruppe der kieselsäurehaltigen Flugaschen einzustufen, die vorwiegend puzzolanisch wirksame Bestandteile aufweisen. Für diese BFA ist im Hinblick auf die Festigkeitsentwicklung die Zugabe eines Baukalkes nach DIN EN 459-1 oder Zements nach DIN EN 197-1 forderlich.

Tabelle 2: Messergebnisse der Freikalkgehalte

4 Böden

4.1 Feinkörniger Boden der Bodengruppe UL/TL

Der gewählte Boden ist vom Kornaufbau als schwach feinsandiger, schwach toniger Grobschluff (siehe Bild 2) zu benennen. Er gehört in die Bodengruppe UL nach DIN 18196 und liegt im Grenzbereich zum SU* und zum TL. Entstehungsgeschichtlich handelt sich bei dem gewählten Boden um einen Lösslehm. Diese Windablagerungen stehen häufig im Ruhrgebiet/Rheinland oberflächennah an.

Bodenmechanisch wird der Boden durch das Vorherrschen des Schluffkorns bei Tonkornanteilen zwischen 5 M.-% und 15 M.-% und wechselnden Feinsandanteilen oder Feinsandstreifen geprägt. Im Hinblick auf Erdbaumaßnahmen mit diesen Böden ist auf die geringe Plastizitätszahl Ip (Differenz zwischen Fließgrenze und Ausrollgrenze) hinzuweisen. Im vorliegenden Fall kann Ip mit 3,6 M.-% bis 4,1 M.-% angegeben werden. Durch geringe Niederschlagsereignisse kann daher aus einem feinsandigen Grobschluff mit einer steifen bis halbfesten Konsistenz ein Grobschluff breiiger Konsistenz entstehen. Mit der Veränderung der Konsistenz ist – insbesondere bei zusätzlicher dynamischer Beeinflussung durch Baugeräte – immer auch ein Verlust der Scherfestigkeit und der Tragfähigkeit verbunden. Daher werden für derartige Böden oft Bodenverbesserungsmaßnahmen zur Verbesserung der Einbaubarkeit, aber auch für die Verbesserung der bauzeitlichen Befahrbarkeit gewählt.

Bild 2: Vorgesehenes Körnungsband und gewählter Versuchsboden der Bodengruppe UL

4.2 Feinkörniger Boden der Bodengruppe TM

Die Versuchsreihe 2 wurde mit einem feinsandigen, stark schluffigen Ton durchgeführt. Der Tonkornanteil liegt relativ konstant bei 32,1 M.-%, der Schluffkornanteil schwankt in Grenzen zwischen 44,0 M.-% und 45,1 M.-%, das Sandkorn wurde mit 22,8 M.-% bis 23,9 M.-% ermittelt. Die Fließgrenze WL des homogenisierten Materials liegt annähernd konstant bei 49,6 M.-%, die Ausrollgrenze WP wurde zu 20,6 M.-% ermittelt, womit sich eine Plastizitätszahl Ip von 29,0 M.-% errechnet. Das gewählte Bodenmaterial ist in die Bodengruppe TM einzuordnen.

Der natürliche Wassergehalt Wn lag nach der Homogenisierung zwischen 22,2 M.-% und 22,4 M.-%, die Korndichte рs kann mit 2,69 g/cm³ angegeben werden. Der Glühverlust des Bodenmaterials liegt bei ca. Vgl = 3,73 %. Die  Proctordichte des aufbereiteten Bodenmaterials wurde mit рPr = 1,578 g/cm³ bei einem optimalen Wassergehalt von WPr = 22,8 M.-% ermittelt.

Bild 3: Vorgesehenes Körnungsband und gewählter Versuchsboden der Bodengruppe TM

4.3 Gemischtkörniger Boden der Bodengruppe SU*

Bei dem gewählten Versuchsboden handelt es sich vom Kornaufbau um einen stark sandigen, tonigen, schwach kiesigen Schluff. Der Tonkornanteil schwankt in Grenzen zwischen 16,4 M.-% und 16,7 M.-%, der Schluffkornanteil liegt bei 19,4 M.-% bis 19,9 M.-%, das Sandkorn wurde mit 60,1 M.-% bis 60,4 M.-% ermittelt, während der Kieskornanteil mit 3,3 M.-% bis 3,8 M.-% angegeben werden kann. Im Grobsand- und Feinkiesbereich sind die Kornfraktionen zwischen 1 bis 16 mm stark unterrepräsentiert (Summe der Siebrückstände 4,2 M.-% bis 4,7 M.-%). Hierdurch ist der treppenartige Verlauf der Körnungslinie im oberen Bereich zu erklären (Bild 4). Ein teilweise vorhandener, geringer Überkornanteil > 20,0 mm wurde bei der Homogenisierung des Bodens bereits abgesiebt, um weiterhin mit Proctorproben Ø 100 mm arbeiten zu können. Das Bodenmaterial ist in die Bodengruppe SU* einzuordnen.

Der natürliche Wassergehalt Wn lag zum Zeitpunkt der Probennahme zwischen 6,4 M.-% und 6,6 M.-%, die Korndichte рs schwankt in engen Grenzen von 2,67 g/cm³ bis 2,68 g/cm³. Der Glühverlust des Bodenmaterials liegt  ebenfalls in engen Grenzen und kann mit Vgl = 2,7 % bis 3,1 % angegeben werden. Die Proctordichte des Bodenmaterials wurde mit рPr = 1,837 g/cm³ bei optimalen Wassergehalten von 13,2 M.-% bis 13,5 M.-% ermittelt.

Bild 4: Vorgesehenes Körnungsband und gewählter Versuchsboden der Bodengruppe SU*

4.4 Gemischtkörniger Boden der Bodengruppe GU*

Ausgewählt wurde der Boden mit der Lab.-Nr. 12856 mit einem Größtkorn von 16,0 mm. Das entsprechende Körnungsband sowie die Korngrößenverteilung des Versuchsbodens (blaue Linie) gehen aus dem Bild 5 hervor.

Bild 5: Vorgesehenes Körnungsband und gewählter Versuchsboden Bodengruppe GU*

Vom Kornaufbau handelt es sich bei dem gewählten Boden um einen sandigen, stark kiesigen Schluff. Der Schluffkornanteil schwankt in Grenzen zwischen 34,0 M.-% und 37,0 M.-%, das Sandkorn wurde mit 20,0 M.-% bis 22,0 M.-% ermittelt und der Kieskornanteil liegt zwischen 41,0 M.-% und 46,0 M.-%. Danach ist das Bodenmaterial in die Gruppe GU* einzuordnen. Der natürliche Wassergehalt Wn lag zum Zeitpunkt der Probennahme zwischen 14,0 M.-% und 17,0 M.-%, die Korndichte рs schwankt in engen Grenzen von 2,66 g/cm³ bis 2,67 g/cm³. Der Glühverlust des Bodenmaterials liegt ebenfalls in engen Grenzen und kann mit Vgl = 1,2 % angegeben werden. Die  Proctordichte des Bodenmaterials wurde mit рPr = 1,976 g/cm³ bei optimalen Wassergehalten von 11,6 M.-% ermittelt.

5 Ergebnisse

5.1 Verdichtbarkeit

Wesentliches Anwendungsmerkmal einer Bodenverbesserung ist die Verbesserung der Einbaufähigkeit und Verdichtbarkeit zur Erleichterung der Ausführung von Erdbauarbeiten. Zu nasse feinkörnige oder gemischtkörnige Böden können durch Zugabe von geeigneten Bindemitteln soweit aufbereitet werden, dass sie einbaubar sind. Die Verdichtungseigenschaften der verschiedenen Bodengruppen unterscheiden sich grundsätzlich. Neben der Korngrößenverteilung werden sie durch die Verdichtungsarbeit, die Trockendichte und den Wassergehalt beeinflusst. In Abhängigkeit von der Zusammensetzung und der Zugabemenge des gewählten Bindemittels wird der Wassergehalt eines Bodens mehr oder weniger stark reduziert. Bei Böden, die aufgrund eines zu hohen natürlichen Wassergehaltes nicht oder nicht ausreichend verdichtbar sind, kann durch Zugabe von Bindemitteln der für die Erreichung des geforderten Verdichtungsgrades erforderliche Wassergehalt eingestellt werden.

Die wassergehaltsreduzierenden Eigenschaften von Kalk sind bekannt, hier wurden im Vergleich zu den untersuchten BFA bei einer Zugabemenge von 4 M.-% bei beiden untersuchten feinkörnigen Bodenarten Wassergehaltsreduzierungen zwischen 3,0 M.-%- und 3,2 M.-% Punkte gemessen. Die Vergleichswerte bei den mit 4 M.-% BFA behandelten Böden liegen zwischen 0,3M.-%- und 1,1 M.-%-Punkte. Die Wassergehaltsveränderung durch die Zugabe von Zement fällt erwartungsgemäß niedrig aus, liegt aber bei 4 M.-% Zementzugabe bei 1,2 M.-% bzw. 1,3 M.-% Punkten.

Die Ergebnisse der durchgeführten Proctorversuche an den verschiedenen Boden-BFA-Gemischen zeigen, dass eine Reduzierung des Ausgangswassergehaltes stattfindet. Die Größenordnung der Wassergehaltsreduzierung ist dabei abhängig von

• der Bodenart (feinkörnig im Schluff- oder Tonbereich, oder gemischtkörnig, mit unterschiedlichem Ton- und Schluffanteil),
• der BFA-Zugabemenge und
• der Zusammensetzung der BFA (kalkreich: Rheinland und Mitteldeutschland, kiesel-säurehaltig: Lausitz).

Gute Ergebnisse im Hinblick auf die Wassergehaltsreduktion und damit auf die Verbesserung der Verdichtbarkeit zeigen bei den feinkörnigen Böden der Bodengruppe UL die BFA aus dem Rheinland und Mitteldeutschland, wobei die Größenordnung der Reduzierung mit der Zugabemenge steigt. Die BFA aus der Lausitz führt bei dem Boden UL zu einer geringeren Wassergehaltsreduktion (i. M. 0,5 % Punkte), was auf den geringeren Freikalkanteil zurückgeführt wird (Bild 6). Die Untersuchungen ergaben an dem Boden der Bodengruppe UL ebenfalls eine Erhöhung der optimalen Wassergehalte, aber nur geringe Unterschiede innerhalb der verschiedenen Zugabemengen.

Bild 6: Wassergehaltsreduktion bei Bodengruppe UL in Abhängigkeit von dem Bindemittel und der Zugabemenge

Bei den feinkörnigen Böden der Bodengruppe TM ist grundsätzlich auch eine Reduzierung der Wassergehalte erkennbar, allerdings schwankt die Größenordnung etwas stärker. Die Proctorkurven flachen bei beiden Boden-BFA-Gemischen im Vergleich zu den Ausgangsböden ab. Bei dem Boden der Bodengruppe TM ist zwischen dem Ausgangsboden und den optimalen Wassergehalten der untersuchten Boden-BFA(Lausitz)-Gemischen kein großer Unterschied erkennbar (Bild 7).

Die Kombination von BFA aus der Lausitz und Kalk verbessert die Wassergehaltsreduktion bei etwa gleichgroßen Zugabemengen von BFA und Kalk (4 + 2 M.-%), bei größeren Zugabemengen von BFA im Vergleich zum Kalk wird die Wirkung des Kalkes abgeschwächt. Grundsätzlich ist bei dem untersuchten feinkörnigen Boden der Gruppe UL insgesamt eine größere Beeinflussung beim optimalen Wassergehalt erkennbar als bei dem Boden der Bodengruppe TM.

Bild 7: Wassergehaltsreduktion bei Bodengruppe TM in Abhängigkeit von dem Bindemittel und der Zugabemenge

Bei den gemischtkörnigen Böden ist – unabhängig von der untersuchten Bodenart – eine deutlich geringere Reduzierung der Wassergehalte durch die BFA messbar (Bild 8). Der nasse Ast der Proctorkurven der Boden-BFA-Gemische liegt auf oder rechts des nassen Astes der Proctorkurve des Ausgangsbodens. Eine Veränderung der optimalen Wassergehalte ist gegeben. Die BFA aus der Lausitz zeigt im Vergleich zu den beiden anderen Aschen eine geringe Wirkung, insbesondere bei den Böden der Gruppe GU*.

Bild 8: Wassergehaltsreduktion bei gemischtkörnigen Böden in Abhängigkeit von dem Bindemittel und der Zugabemenge

Zusammenfassend ist feststellbar, dass die Verdichtbarkeit feinkörniger Böden durch kalkreiche BFA positiv verändert wird. Der Umfang der Verbesserung ist bei leichtplastischen Schluffen/Tonen größer als bei mittelplastischen Tonen. Die erforderlichen Zugabemengen an BFA liegen allerdings deutlich über den Zugabemengen von Kalk. Für die Verbesserung der Verdichtbarkeit gemischtkörniger Böden können kalkreiche BFA angewandt werden. Allerdings ist der gewünschte Effekt der Wassergehaltsreduzierung in Abhängigkeit von dem feinkörnigen Anteil des Bodens nur gering. Böden der Bodengruppe SU* zeigen ein etwas besseres Verhalten als Böden der Bodengruppe GU*. Die kieselsäurehaltige BFA ist für die Bodenverbesserung an feinkörnigen Schluffen geeignet. Die Untersuchungen der BFA aus der Lausitz in Kombination mit Kalk zeigen, dass eine wesentliche Verbesserung bzw. Verminderung der Verdichtbarkeit durch die zusätzliche BFA-Zugabe im Vergleich zur reinen Kalkzugabe nicht gegeben ist. Für gemischtkörnige Böden sollte BFA aus der Lausitz wegen der geringen Wirkung nicht verwendet werden.

5.2 Tragfähigkeits- und Verformungsverhalten

Die Tragfähigkeit und das Verformungsverhalten von mit Bindemitteln behandelten Böden werden in Abhängigkeit von der Bindemittelzugabe erhöht bzw. verbessert. Bei Bodenverbesserungen ist eine möglichst schnelle Erhöhung der Tragfähigkeit der eingebauten Schichten durch die Verbesserung der Verdichtbarkeit gewünscht, um z. B. die Befahrbarkeit mit Baufahrzeugen sicherzustellen. Als Langzeitreaktion entsteht durch die fortschreitende Carbonatisierung eine Erhöhung der Scherfestigkeit und damit verbunden eine Erhöhung der Tragfähigkeit und eine Verbesserung des Verformungsverhaltens und damit eine Erhöhung des Verformungsmoduls.

Die an unterschiedlichen Boden-BFA-Gemischen nach 7 und 28 Tagen durchgeführten einaxialen Druckversuche zeigen für die kalkreichen BFA aus Rheinland und Mitteldeutschland eine kontinuierliche Erhöhung der Druckfestigkeiten in Abhängigkeit von der Zugabemenge und dem Probenalter. Für die aus der Bodengruppe UL hergestellten Probekörper wurden nach 7 Tagen Druckfestigkeiten zwischen 200 kN/m² und 600 kN/m² gemessen, die nach 28 Tagen bis etwa 650 kN/m² angestiegen sind. Die an den Probekörpern aus der Bodengruppe TM gemessenen 7 Tage-Festigkeiten liegen mit 270 kN/m² bis 370 kN/m² deutlich darunter, nach 28 Tagen wurden für die BFA aus Mitteldeutschland ähnliche Druckfestigkeiten wie bei der Bodengruppe UL gemessen, bei der BFA aus Rheinland ergab sich praktisch keine Festigkeitszunahme (Bild 9).

Bild 9: Vergleich der mittleren einaxialen Druckfestigkeiten in Abhängigkeit vom Bindemittel, von der Bindemittelzugabe und vom Probenalter für feinkörnige Böden der Bodengruppe UL

Auch die Probekörper aus dem Boden UL mit BFA aus der Lausitz ergaben respektable Ergebnisse hinsichtlich der Druckfestigkeiten, diese liegen nur wenig unter denen der kalkreichen BFA. Bei den Probekörpern aus der Bodengruppe TM wurden dagegen über die Lagerungsdauer und die Zugabemengen nur geringe Unterschiede festgestellt. Die zusätzliche Zugabe von 2 M.-% Kalk erhöht die Druckfestigkeit der Probekörper aus dem Boden UL erheblich, hier wurden Druckfestigkeiten zwischen 360 und 860 kN/m² gemessen. Die Druckfestigkeiten der Probekörper aus dem Boden TM liegen überwiegend in der gleichen Größenordnung der Druckfestigkeiten ohne zusätzliche Kalkzugabe, die gemessene Größenordnung kann mit 180 kN/m² bis 380 kN/m² angegeben werden (Bild 10).

Bild 10: Vergleich der mittleren einaxialen Druckfestigkeiten in Abhängigkeit vom Bindemittel, von der Bindemittelzugabe und vom Probenalter für feinkörnige Böden der Bodengruppe TM

Der Vergleich der Druckfestigkeiten der mit Kalk hergestellten Probeköper zeigt, dass die Probekörper aus den feinkörnigen Böden im Bereich der für das Boden-BFA-Gemisch aus der Lausitz gemessenen Größenordnung liegen. Die Probekörper aus Zement liegen jeweils deutlich über (Bodengruppe UL)  oder im Bereich der höheren Druckfestigkeiten der BFA (Bodengruppe TM).

Die an Probekörpern aus den gemischtkörnigen Böden der Bodengruppe SU* und GU* gemessenen Druckfestigkeiten liegen größenordnungsmäßig im Bereich der vergleichbaren Untersuchungen an den feinkörnigen Böden. Die mittleren, gemessenen Druckfestigkeiten an aus der BFA-Lausitz hergestellten Probekörper zeigen nur eine geringe Nacherhärtung zwischen der 7 Tage-Festigkeit und der 28 Tage-Festigkeit, die Druckfestigkeiten liegen unterhalb der an den Probekörpern aus den kalkreichen BFA gemessenen.

Bild 11: Vergleich der mittleren einaxialen Druckfestigkeiten in Abhängigkeit von der BFA und vom Probenalter für gemischtkörnige Böden der Bodengruppen SU* und GU*

Hinsichtlich des Verformungsverhaltens können die beim einaxialen Druckversuch an 28 Tage alten Probekörpern aus feinkörnigen Böden gemessenen Bruchstauchungen in einer Größenordnung zwischen 1,5 % und 3,7 % angegeben werden. Die an den Probekörpern aus der Bodengruppe TM gemessenen Bruchstauchungen sind dabei etwas größer als bei den Probeköpern aus der Bodengruppe UL. Die Untersuchungen an den gemischtkörnigen Böden der Bodengruppe SU* ergaben mittlere Bruchstauchungen zwischen 2,0 % und 2,8 % und sind damit insgesamt etwas geringer als bei der Bodengruppe UL. Die wertemäßig größten Bruchstauchungen wurden bei den gemischtkörnigen Böden der Bodengruppe GU* gemessen, diese können zwischen 2,8 % und 4,0 % angegeben werden.

Die an den Probekörpern aus den Boden-BFA+Kalk-Gemischen gemessenen Bruchstauchungen liegen bei den Versuchsreihen 1.6 und 2.6 deutlich unter allen anderen beprobten BFA-Gemischen und können zwischen 1,2 % und 2,0 % für 28 Tage alte, im Feuchtraum gelagerte Probekörper angegeben werden. Diese Größenordnung wird auch von den aus Zement hergestellten Probekörpern nach 28 Tagen erreicht. Die ebenfalls untersuchten Probekörper aus feinkörnigen Böden und Kalk ergaben Bruchstauchungen in der Größenordnung der o. g. BFA-Gemische, allerdings sind hier Bindemittelzugaben von nur 2 M.-% bis 4 M.-% eingesetzt worden.

Aus den während des einaxialen Druckversuchs aufgezeichneten Druck-Stauchungslinien kann der Elastizitätsmodul bei unbehinderter Seitendehnung ermittelt werden. Danach sind Moduln zwischen i. M. 11 und 30 MN/m² an den verbesserten feinkörnigen Böden gemessen worden, die ermittelten Moduln an den gemischtkörnigen Böden liegen deutlich darunter.

Eine Verbesserung des Verformungsverhaltens der BFA-behandelten feinkörnigen Böden ist grundsätzlich erkennbar, bei den gemischtkörnigen Böden ist dagegen keine Verbesserung im Sinne einer Erhöhung für die untersuchte BFA-Zugabe von 5 M.-% feststellbar.

5.3 Wasserempfindlichkeit

Durch die Zugabe von Bindemitteln kann die Wasserempfindlichkeit geeigneter Böden reduziert werden. Die Veränderlichkeit von Böden in Wasser lässt sich z. B. nach DIN EN ISO 14689-1 durch Wasserlagerung bestimmen. Wird nach 24-stündiger Wasserlagerung keine oder nur eine oberflächliche Veränderung der behandelten Böden festgestellt, ist das Boden-Bindemittel-Gemisch nicht wasserempfindlich.

Im vorliegenden Fall wurde in Anlehnung an die TP BF-StB, Teil B 11.3 eine 24-stündige Wasserlagerung an 27 Tage alten Probekörpern vor dem Druckversuch durchgeführt. Die mit Kalk als Bindemittel hergestellten Probekörper haben für die Bodengruppe UL die grundsätzliche Eignung bei geringem Festigkeitsabfall (ca. 10 % bis 13 %) nachgewiesen, für die Bodengruppe TM ist der Nachweis nach Wasserlagerung nicht gelungen. Die Boden-Zement-Gemische haben einen Festigkeitsabfall zwischen i. M. 35 % bei der Bodengruppe UL und 66 % bei der Bodengruppe TM nachgewiesen.

Die meisten aus den feinkörnigen Böden UL und TM und BFA hergestellten Probekörper sind unter Wasser zerfallen, nur an den Probeköper der Versuchsreihe 1.4 (Bodengruppe UL und BFA Mitteldeutschland) konnten Druckfestigkeiten ermittelt werden. Der Festigkeitsabfall im Vergleich zu den 28 Tage im Feuchtraum gelagerten Probekörpern lag – je nach BFA(Mitteldeutschland)-Zugabe – zwischen 23 % und 42 %. An den aus Boden-BFA+Kalk-Gemischen hergestellten Probekörpern konnte in der Versuchsreihe 1.6 (Bodengruppe UL) die einaxiale Druckfestigkeit nach Wasserlagerung bestimmt werden, der Festigkeitsabfall lag hier zwischen 42 % und 46 % (Bild 12).

Bild 12: Vergleich der mittleren einaxialen Druckfestigkeiten in Abhängigkeit vom Bindemittel, Bindemittelzugabe für feinkörnige Böden der Bodengruppe UL vor und nach Wasserlagerung

In der Versuchsreihe 2.6 (Bodengruppe TM) konnte nur an jeweils einem Probekörper mit 4 M.-% bzw. 16 M.-% BFA-Zugabe die einaxiale Druckfestigkeit bestimmt werden. Alle anderen Probekörper sind zerfallen, der Festigkeitsabfall liegt mit 86 % bis 88 % allerdings in einer Größenordnung, die auch hier eine hohe Wasserempfindlichkeit kennzeichnet (Bild 13).

Bild 13: Vergleich der mittleren einaxialen Druckfestigkeiten in Abhängigkeit vom Bindemittel, Bindemittelzugabe für feinkörnige Böden der Bodengruppe TM vor und nach Wasserlagerung

Die Untersuchungen an den gemischtkörnigen Böden haben mit Ausnahme der aus der Bodengruppe GU* und der BFA aus der Lausitz hergestellten  Probekörper nach 24-stündiger Wasserlagerung messbare Ergebnisse nachgewiesen, allerdings schwankt der Festigkeitsabfall mit 20 % bis 46 % gegenüber den 28 Tage alten Proben zum Teil erheblich (Bild 14).

Bild 14: Vergleich der mittleren einaxialen Druckfestigkeiten in Abhängigkeit von der BFA für gemischtkörnige Böden der Bodengruppen SU* und GU* vor und nach Wasserlagerung

5.4 Umweltverträglichkeit

Die Zugabe der BFA bewirkt umweltrelevante Veränderungen des Ausgangsbodens. Durch die Zugabe werden – wie auch bei genormten Bindemitteln – der pH-Wert und die elektrische Leitfähigkeit deutlich erhöht. Bei den hier untersuchten Boden-BFA-Gemischen wurden im Eluat pH-Werte zwischen 8,8 bis 9,6 bei den feinkörnigen Böden (Zugabemenge 4 M.-%) und zwischen 9,5 und 10,5 bei den gemischtkörnigen Böden (Zugabemenge 5 M.-%) gemessen. Die elektrische Leitfähigkeit liegt noch in einer tolerierbaren Größenordnung. Weiterhin wurden bei diesen Zugabemengen in geringem Umfang Überschreitungen bei Schwermetallen im Feststoff oder im Eluat gemessen.

Auffällig ist allerdings bei allen untersuchten Boden-BFA-Gemischen der hohe Sulfatgehalt im Eluat, der mit wenigen Ausnahmen oberhalb des Zuordnungswertes Z2 nach LAGA Boden liegt. Berücksichtigt man, dass alle chemischen Untersuchungen an Boden-BFA-Gemische mit nur 4 bis 5 M.-% BFA-Zugabe durchgeführt wurden, ist bei bautechnisch erforderlichen, höheren Zugabemengen ein weiter erhöhter Sulfatgehalt zu erwarten. Hierbei ist allerdings zu beachten, dass gegebenenfalls auch Sulfate im Ausgangsboden vorhanden sein können (z. B. als Pyrit).

5.5 Bewertung der Ergebnisse

Die vorliegenden Untersuchungsergebnisse bestätigen, dass durch die Zugabe von BFA die Verdichtbarkeit leichtplastischer Böden (Bodengruppe UL, TL) verbessert werden kann. Für die Verbesserung von mittelplastischen Tonen der Bodengruppe TM sind BFA dagegen nur bedingt geeignet, ebenso ist bei gemischtkörnigen Böden der Bodengruppen SU* und GU* keine nennenswerte Verbesserung der Verdichtbarkeit nachweisbar. Um eine messbare Reduzierung des Wassergehalts zu erreichen, sind wesentliche höhere BFA-Zugabemengen erforderlich als beispielsweise bei Verwendung von Kalk.

Das Tragfähigkeits- und Verformungsverhalten der feinkörnigen Böden wird durch die Zugabe von kalkreichen BFA erhöht, bei den gemischtkörnigen Böden ist eine geringere Verbesserung erkennbar. Die BFA aus der Lausitz zeigt auch bei diesem Kriterium nur ein geringes Verbesserungspotential.

Die aus der BFA und den feinkörnigen Bodengruppen UL bzw. TM hergestellten Probekörper zerfallen überwiegend nach 27 Tagen Feuchtraumlagerung und einem Tag Wasserlagerung.Die Probeköper aus den gemischtkörnigen Böden können dagegen nach Wasserlagerung geprüft werden, zeigen allerdings einen Festigkeitsabfall im Vergleich zu gleichalten, nicht unter Wasser gelagerten Proben. Damit ist das Boden-BFA-Gemisch wasserempfindlich und erfahrungsgemäß auch frostempfindlich. Diese Eigenschaft schränkt die Anwendung von BFA bei Bodenverbesserungen ein, da entsprechende Maßnahmen zum Schutz gegen Oberflächenwasser bei der Herstellung erforderlich sind. Die aus den gemischtkörnigen Böden und BFA hergestellten Gemische sind überwiegend nicht wasserempfindlich, zeigen allerdings auch einen Festigkeitsabfall im Vergleich zu den nicht unter Wasser gelagerten Probekörpern.

Problematisch ist die umweltrelevante Veränderung der Ausgangsböden durch die Zugabe von BFA. Hier ist neben der bekannten Erhöhung des pH-Wertes und einiger Schwermetalle insbesondere der Parameter Sulfat zu nennen, der selbst bei geringen Zugabemengen von 4 M.-% bis 5 M.-% zu  Überschreitungen der Zuordnungswerte Z2 der LAGA für Sulfat führen kann. Die vorliegenden Untersuchungen zeigen, dass für eine messbare Reduzierung der Wassergehalte und damit einer Verbesserung der Einbaubar- und Verdichtbarkeit größere Zugabemengen erforderlich sind, womit sich das Problem bezüglich Sulfat noch verschärft.

Literaturverzeichnis

DIN 1164-10:2013-03: Zement mit besonderen Eigenschaften – Teil 10: Zusammensetzung, Anforderungen und Übereinstimmungsnachweis von Zement mit niedrigem wirksamen Alkaligehalt

DIN 18196:2011-05: Erd- und Grundbau, Klassifikation für bautechnische Zwecke

DIN EN 197-1:2011-11: Zement-Teil 1: Zusammensetzung, Anforderungen und Konformitätskriterien von Normalzement

DIN EN 459-1:2015-07: Baukalk – Teil 1: Begriffe, Anforderungen und Konformitätskriterien

DIN EN 13282-1:2013-06: Hydraulische Tragschichtbinder – Teil 1: Schnell erhärtende hydraulische Tragschichtbinder – Zusammensetzung, Anforderungen und Konformitätskriterien

DIN EN 13282-2:2015-07: Hydraulische Tragschichtbinder – Teil 2: Normal erhärtende hydraulische Tragschichtbinder – Zusammensetzung, Anforderungen und Konformitätskriterien

DIN EN 14227-4:2013-08: Hydraulisch gebundene Gemische – Anforderungen – Teil 4: Flugasche für hydraulisch gebundene Gemische

DIN EN ISO 14689:2018-05: Geotechnische Erkundung und Untersuchung – Benennung, Beschreibung und Klassifizierung von Fels

Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen: Merkblatt über die Verwendung von Kraftwerksnebenprodukten im Straßenbau (M KNP), Ausgabe 2009, Köln (FGSV 624))

Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen: Zusätzliche Technische Vertragsbedingungen und Richtlinien für Erdarbeiten im Straßenbau (ZTV E-StB 17), Ausgabe 2017, Köln (FGSV 599)

Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen: Technische Lieferbedingungen für Bodenmaterialien und Baustoffe für den Erdbau im Straßenbau (TL BuB E-StB 20), Ausgabe 2020, Köln
(FGSV 597)

Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen: Technische Prüfbestimmungen für Boden und Fels im Straßenbau, Teil 11.1: Eignungsprüfung bei Bodenverfestigungen mit Bindemitteln (TP BF-StB,
Teil B 11.1), Ausgabe 2012, Köln (FGSV 591/B 11.1)

Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen: Technische Prüfbestimmungen für Boden und Fels im Straßenbau, Teil 11.3: Eignungsprüfung bei Bodenverbesserungen mit Bindemitteln
(TP BF-StB, Teil B 11.3), Ausgabe 201, Köln (FGSV 591/B 11.3)

FGSV-Arbeitspaper: Verwendung von Braunkohleflugasche aus Kraftwerken mit Kohlenstaubfeuerung (Schlussentwurf, Stand 2. 11. 2001), Köln

Mitteilung der Länderarbeitsgemeinschaft Abfall (LAGA) 20 (6. 11. 2003): Anforderungen an die stoffliche Verwertung von mineralischen Abfällen – Technische Regeln