Bodenbehandlungen sind Bodenverbesserungen, qualifizierte Bodenverbesserungen (Bodenverbesserung mit erhöhten Anforderungen) und Bodenverfestigungen mit Bindemittel und werden im Erdbau und im Straßenoberbau eingesetzt. Für Bodenbehandlungen werden genormte Bindemittel (Baukalk nach DIN EN 459, Zement nach DIN EN 197 und DIN 1164, hydraulische Boden- und Tragschichtbinder nach DIN 18506) sowie Mischbindemittel gemäß ,,Merkblatt zur Herstellung, Wirkungsweise und Anwendung von Mischbindemitteln" verwendet. Bodenbehandlungen mit Bindemittel sind wirtschaftliche Verfahren und ermöglichen die Wiederverwendung der ansonsten schlecht geeigneten, ausgehobenen Böden und schonen wertvolle Rohstoffressourcen, wie z. B. Kiese und Schotter. Die Anforderungen für Bodenbehandlungen sowie der Einsatzort mit den Schichten im Oberbau sind in den Vertragsbedingungen (ZTV E-StB und ZTV Beton-StB) sowie den Richtlinien (RStO) festgelegt. Für Bodenbehandlungen mit Bindemittel müssen Eignungsprüfungen durchgeführt werden. Für Bodenverbesserungen und qualifizierte Bodenverbesserungen ist die Eignung gemäß TP BF-StB, Teil B 11.3, Eignungsprüfungen für Bodenverbesserungen, Ausgabe 2010 nachzuweisen. Für Bodenverfestigungen im Erdbau ist eine Eignungsprüfung gemäß TP BF-StB, Teil B 11.1, Ausgabe 2012 durchzuführen und für Tragschichten mit hydraulischen Bindemitteln im Straßenoberbau ist die Eignung gemäß TP Beton-StB 10 zu untersuchen. Die neuen Prüfvorschriften TP BF-StB, Teil B 11.1 und TP BF-StB, Teil B 11.3 enthalten Vorgaben und Arbeitsanweisungen für die Untersuchungen des Bodens, des Boden-Bindemittel-Gemisches und der für den jeweiligen Handlungszweck erforderlichen Festigkeits- und Frostprüfungen. In den neuen Prüfvorschriften sind Handlungsempfehlungen für Bodenbehandlungen mit hydraulischen Bindemitteln, Baukalken und Mischbindemitteln aufgestellt. Sie ersetzen die TP BF-StB, Teile B 11.1 ,,Eignungsprüfungen für Bodenverfestigung mit hydraulischen Bindemitteln, Ausgabe 2005" sowie den Teil B 11.5 ,,Eignungsprüfung bei Bodenverbesserung und Bodenverfestigung mit Feinkalk und Kalkhydrat, Ausgabe 1991". In der neuen TP BF-StB, Teil 11.3 sind neben den Verdichtungsprüfungen auch Festigkeitsprüfungen zum Nachweis der erforderlichen Tragfähigkeit auf dem Erdplanum oder bei Hinterfüllungen von Widerlagern mit gemischtkörnigen und feinkörnigen Böden aufgeführt.

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1 Einleitung

Bodenbehandlungen mit Bindemittel haben in Deutschland im Verkehrswegebau eine langjährige Tradition. Bereits vor dem 2. Weltkrieg wurde beim Autobahnbau in einigen Teilabschnitten Zement zur Verfestigung der obersten Tragschicht eingesetzt. Nach dem 2. Weltkrieg wurden neben Zement verstärkt auch Kalke vorzugsweise für Bodenverbesserungen eingesetzt. Die Qualität und Lebensdauer des Straßenoberbaus wurde dadurch entscheidend verbessert. Für Bodenbehandlungen mit Bindemittel muss die Eignung der vorgesehenen Baustoffe und Baustoffgemische durch eine Eignungsprüfung nachgewiesen werden [1]. Folgende Technische Prüfvorschriften sind je nach Verwendungszweck und Einsatzort für die Eignungsprüfungen heranzuziehen:

- Eignungsprüfung bei Bodenverbesserungen mit Bindemitteln (TP BF-StB, Teil B 11.3) [2] ­

- Eignungsprüfung bei Bodenverfestigungen mit Bindemitteln (TP BF-StB, Teil B 11.1) [3] ­

- Technische Prüfvorschriften für Tragschichten mit hydraulischen Bindemitteln und Fahrbahndecken aus Beton (TP Beton-StB 10) [4]

Alle drei Prüfvorschriften wurden neu überarbeitet, aktualisiert und auf die neuen Zusätzlichen Technischen Vertragsbedingungen und Richtlinien im Straßenbau abgestimmt.

2 Begriffbestimmungen

Sofern Bindemittel im Erdbau zur Verbesserung der Einbaufähigkeit und zur Erhöhung der Tragfähigkeit eingesetzt werden, ist dieses in den ZTV E-StB [1] geregelt. Hier sind folgende Begriffsbestimmungen festgelegt:

Bodenbehandlungen sind Verfahren, bei denen Böden so verändert werden, dass die geforderten Eigenschaften erreicht werden. Sie umfassen Bodenverfestigungen und Bodenverbesserungen.

Bodenverfestigungen sind Verfahren, bei denen die Widerstandsfähigkeit des Bodens gegen Beanspruchung durch Verkehr und Klima durch die Zugabe von Bindemitteln so erhöht wird, dass der Boden dauerhaft tragfähig und frostsicher wird.

Bodenverbesserungen sind Verfahren zur Verbesserung der Einbaufähigkeit und Verdichtbarkeit von Böden und zur Erleichterung der Ausführung von Bauarbeiten.

Qualifizierte Bodenverbesserungen sind Bodenverbesserungen mit Bindemitteln, die erhöhte Anforderungen an bestimmte Eigenschaften erfüllen.

3 Anforderungen an Bodenbehandlungen

Bodenverbesserungen können im Erdbau auf dem Planum oder als Unterbau von Dammschüttungen eingesetzt werden. Nachzuweisen sind die Verdichtungsanforderungen gemäß ZTV E-StB mit einem Mindestverdichtungsgrad von 100 oder 98 % bei grobkörnigen und schwach bindigen, gemischtkörnigen Bodenarten sowie 97 % bei feinkörnigen und stärker bindigen gemischtkörnigen Bodenarten mit > 15 M.-% Schlämmkornanteilen. Zusätzlich darf der Luftporenanteil maximal 12 % betragen. In Höhe des Erdplanums muss ein Verformungsmodul EV2 45 MN/m² gewährleistet werden.

Qualifizierte Bodenverbesserungen im Erdbau wurden in dem Merkblatt [5] erstmalig eingeführt. Die qualifizierte Bodenverbesserung wurde in der Zwischenzeit auch in die ZTV E-StB mit übernommen. Durch eine qualifizierte Bodenverbesserung kann die Frostgefährdung herabgesetzt werden. Nach Durchführung einer qualifizierten Bodenverbesserung auf dem Erdplanum kann anstelle der Frostempfindlichkeitsklasse F3 die Frostempfindlichkeitsklasse F2 angesetzt werden mit der Folge, dass dadurch die Dicke des frostsicheren Oberbaus bei einer Bemessung des Straßenoberbaus gemäß RStO [6] um 10 cm verringert werden darf. Für eine qualifizierte Bodenverbesserung gelten folgende Anforderungen: ­

- Bindemittelmenge 3 M.-%, ­

- Einaxiale Druckfestigkeit (28 Tage) 0,5 N/mm² oder CBR-Wert 40 %, ­

- Festigkeitsabfall in Folge Wasserlagerung < 50 %,

- E_V2 70 MN/m² auf dem Planum.

Qualifizierte Bodenverbesserungen im Erdbau werden im Regelfall auf dem Erdplanum eingesetzt. Weiterhin können qualifizierte Bodenverbesserungen auch bei Hinterfüllungen und Überschüttungen von Bauwerken eingesetzt werden, wenn anstelle von grobkörnigen und gemischtkörnigen Böden feinkörnige Böden verwendet werden. Zusätzlich kann eine qualifizierte Bodenverbesserung auch zur Immobilisierung von Schadenstoffen [7] eingesetzt werden.

Bild 1: Anforderungen für Bodenverfestigungen mit hydraulischen Bindemitteln im Erdbau

Bodenverfestigungen im Erdbau nach ZTV E-StB werden im Regelfall in der obersten Zone eines frostempfindlichen Untergrundes bzw. Unterbaus durchgeführt und können bis zu maximal 20 cm auf die Dicke des frostsicheren Oberbaus angerechnet werden [6]. Für Bodenverfestigungen mit hydraulischen Bindemitteln sind die Anforderungen in der ZTV E-StB festgelegt:

Für Mischbindemittel gibt es derzeit noch keine verbindlichen Anforderungen und Richtlinien. In einer Forschungsarbeit [8] wurde in der Zwischenzeit nachgewiesen, dass auch Mischbindemittel für Bodenverfestigungen eingesetzt werden können. Die Anforderungen für Bodenverfestigungen mit Mischbindemittel sind in den Technischen Vertragsbedingungen bisher noch nicht geregelt. Nach derzeitigem Kenntnisstand sollten Bodenverfestigungen mit Mischbindemittel analog den Verfestigungen mit hydraulischen Bindemitteln gleich gesetzt werden, so dass die Anforderungen gemäß dem Bild 1 auch für Bodenverfestigungen mit Mischbindemitteln anzusetzen sind.

Für Bodenverfestigungen mit Baukalken im Erdbau sind die folgenden Anforderungen einzuhalten: ­

- Bindemittelmenge 4 M.-%, ­

- Druckfestigkeit > 0,2 N/mm² (nach Frostbeanspruchung).

Der Mindestverdichtungsgrad der verfestigten Schicht beträgt bei Bodenverfestigungen 98 %. Bei Bodenverfestigungen mit hydraulischen Bindemitteln wird die Druckfestigkeit an 28 Tage alten Proben ermittelt. Bei Bodenverfestigung mit Baukalken wird auf die Überprüfung der Längenänderung der Proben verzichtet. Die Anforderungen sind erfüllt, wenn die Probekörper 12 Frost-Tau-Wechsel nach 28 Tagen überstehen und noch eine Druckfestigkeit > 0,2 N/mm² aufweisen.

Bei Verfestigungen im Straßenoberbau wird unterschieden zwischen ­

- Verfestigungen(HVT) im Baumischverfahren oder Zentralmischverfahren ­

- hydraulisch gebundene Tragschichten(HGT)

Im Straßenoberbau muss gemäß ZTV Beton-StB [9] eine Erstprüfung durchgeführt werden, hier ist als Technische Prüfvorschrift die TP Beton-StB [4] heranzuziehen. Folgende Anforderungen sind dabei einzuhalten: ­

- Verdichtungsgrad vor Bindemittelzugabe = 100 %,

- Verdichtungsgrad der verfestigten Schicht = 98 %, ­

- Längenänderung der Probe ≤ 1 %₀,

- Druckfestigkeit (Erstprüfung) > 7 N/mm² (unter Asphalt), ­

- Druckfestigkeit (Erstprüfung) > 15 N/mm² (unter Beton).

4 Bindemittel für Bodenbehandlung

Für Bodenbehandlungen mit Bindemittel können folgende Bindemittel eingesetzt werden:

- Zemente nach DIN EN 197-1 und 4 sowie DIN 1164-10, ­

- Hydraulische Boden- und Tragschichtbinder nach DIN 18506, ­

- Baukalke nach DIN EN 459-1, ­

- Mischbindemittel als Kombination aus genormten hydraulischen Bindemitteln oder deren hydraulischen Hauptbestandteilen und Baukalk.

Mischbindemittel werden vorzugsweise für gemischtkörnige Böden eingesetzt. Das Reaktionsverhalten von Mischbindemitteln im Vergleich zu Kalk und Zement wurde von Schade [11] überprüft.

Da Mischbindemitteln nicht genormt sind, wurde ein neues Merkblatt aufgestellt [10], welches die bisherigen Erfahrungen mit Mischbindemittel beschreibt. In diesem Merkblatt wurden beispielhafte Zusammensetzungen von Mischbindemitteln aus genormten hydraulischen Bindemitteln und Baukalken sowie aus Gemischen aus Kalk und hydraulischen Bestandteilen aufgeführt. Mischbindemittel haben in der Zwischenzeit eine hohe Bedeutung bei Bodenbehandlungen. Eine Marktübersicht der Mischbindemittel ist in [12] enthalten.

5 Eignungsprüfung für Bodenverbesserung mit Bindemittel

In den TP BF-StB, Teil B 11.3 [2] ist festgelegt, wie eine Eignungsprüfung für Bodenverbesserungen und qualifizierte Bodenverbesserungen durchzuführen sind. Nach einer repräsentativen Probenahme sind im Labor die Grundkennwerte der Böden zu bestimmen. Sofern es erforderlich ist, werden dabei auch organische Bestandteile, schädliche Bestandteile (z. B. Sulfat) und umweltrelevante Inhaltsstoffe ermittelt. Anschließend sind Proctorprobekörper herzustellen und die Wassergehaltsänderungen zu ermitteln. In Abhängigkeit von den Anforderungen werden anschließend Festigkeitsversuche als einaxiale Druckversuche oder alternativ als CBR-Versuche durchgeführt und ausgewertet. Das Bild 2 enthält den Umfang der Prüfungen.

Bild 2: Umfang der Prüfungen gemäß TP BF-StB, Teil B 11.3

Im Proctorversuch wird nach dem Einmischen des Bindemittels die Reaktionszeit des Bindemittels (Bild 3) abgewartet, anschließend wird das Boden-Bindemittel-Gemisch verdichtet und die Probekörper bis zur Prüfung der Festigkeit unter kontrollierten Bedingungen gelagert. Die Dauer der Lagerung bis zur Festigkeitsprüfung wird von der Prüfstelle in Abhängigkeit von der Baumaßnahme festgelegt und beträgt im Regelfall 2 bis 3 Tage bei Bodenverbesserungen, 5 bis 7 Tage bei qualifizierten Bodenverbesserungen und 28 Tage bei Bodenverfestigungen. Die Ergebnisse der Eignungsprüfungen werden in einem Prüfbericht zusammen mit einer grafischen Auswertung der Versuche dargestellt (Bild 4).

Bild 3: Reaktionszeiten der Bindemittel [2]

Bild 4: Proctorkurven für Bodenbehandlungen mit Bindemittel [2]

6 Eignungsprüfung für Bodenverfestigungen

Im Erdbau sind Eignungsprüfungen gemäß TP BF-StB, Teil B 11.1 [3] durchzuführen. Grundvoraussetzung für die Eignungsprüfung ist eine sachgerechte und qualifizierte Probenahme mit Entnahme eines repräsentativen Bodens. Der Zeitaufwand für Eignungsprüfungen für Bodenverfestigungen ist gegenüber Bodenverbesserungen deutlich höher und beträgt ca. 5 bis 8 Wochen.

Bild 5: Zeitaufwand für Eignungsprüfungen für Bodenverfestigungen [3]

In der Eignungsprüfung für Bodenverfestigungen wird vom Boden zunächst die Grundkennwerte sowie organische und schädliche Bestandteile und gegebenenfalls umweltrelevante Inhaltsstoffe bestimmt, wenn diese erforderlich sind. Von organischen Bestandteilen ist bekannt, dass bereits geringe Anteile das Festigkeitsverhalten von Boden-Bindemittel-Gemischen empfindlich beeinträchtigen. Organische Anteile > 3 M.-% haben im jeden Fall Auswirkungen auf die Festigkeiten und müssen untersucht werden. Schädliche Bestandteile sind im wesentlichen sulfat- und gipshaltige Böden. Von sulfathaltigen Böden ist bekannt, dass durch Ettringit- und Thaumasitbildungen eine erhebliche Volumenexpansion bei Bodenbehandlungen mit Bindemittel eintreten kann. Dieses Phänomen ist noch nicht hinreichend geklärt, hier wird in einer Forschungsarbeit zur Zeit das Risiko von Ettringittreiben untersucht.

Vom Boden-Bindemittel-Gemisch werden anschließend Proctorversuche durchgeführt und an Proctor-Probekörpern Festigkeitsprüfungen bestimmt sowie Hebungen in Folge Frostbeanspruchung gemessen. Bei hydraulischen Bindemitteln und Mischbindemittel wird die Festigkeit ohne Frostbeanspruchung und bei Baukalk nach Frostbeanspruchung gemessen. Der Umfang der Prüfungen ist dem Bild 6 zu entnehmen.

Die Druckfestigkeiten werden im Regelfall an Probekörpern mit H/D = 120/100 mm bestimmt. Bei der Verwendung von Probekörpern mit H/D = 125/150 mm ist die ermittelte Druckfestigkeit mit dem Faktor 0,8 zu multiplizieren. In den TP Beton-StB 10 werden generell Probekörper mit Abmessungen H/D = 125/150 mm verwendet.

Bild 6: Prüfungen nach TP BF-StB, Teil B 11.1 [3]

7 Literaturverzeichnis

1 Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen: Zusätzliche Technische Vertragsbedingungen und Richtlinien für Erdarbeiten im Straßenbau (ZTV E-StB 09), Ausgabe 2009, Köln, FGSV 599

2 Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen: Technische Prüfvorschriften für Boden und Fels im Straßenbau, Teil B 11.3 Eignungsprüfung bei Bodenverbesserungen mit Bindemitteln (TP BF-StB, Teil B 11.3), Ausgabe 2010, Köln, FGSV 591/B 11.3

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

4 Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen: Technische Prüfvorschriften für Tragschichten mit hydraulischen Bindemitteln und Fahrbahndecken aus Beton (TP BetonStB 10), Ausgabe 2010, Köln, FGSV 892

5 Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen: Merkblatt über Bodenverfestigungen und Bodenverbesserungen mit Bindemitteln, Ausgabe 2004, Köln, FGSV 551

6 Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen: Richtlinien für die Standardisierung des Oberbaus von Verkehrsflächen (RStO 12), Ausgabe 2012, Köln, FGSV 499

7 Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen: Merkblatt über die Behandlung von Böden und Baustoffen mit Bindemitteln zur Reduzierung der Eluierbarkeit umweltrelevanter Inhaltsstoffe, Ausgabe 2009, Köln, FGSV 560

8 K ö d i t z, J; D a m a s c h k e A; (2013): Untersuchungen der Eignungen von Mischbindemittel für Bodenverfestigungen, Abschlussbericht des Forschungsprojektes FE-Nr.: 05.0146/2007/DGB

9 Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen: Zusätzliche Technische Vertragsbedingungen und Richtlinien für den Bau von Tragschichten mit hydraulischen Bindemitteln und Fahrbahndecken aus Beton (ZTV Beton-StB 07), Ausgabe 2007, Köln, FGSV 899

10 Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen: Merkblatt zu Herstellung, Wirkungsweise und Anwendung von Mischbindemitteln, Ausgabe 2012, Köln, FGSV 564

11 S c h a d e, H.W. (2006): Untersuchungen zum Reaktionsverhalten von Mischbindemittel zur Bodenbehandlung, Bericht zum Forschungsvorhaben 05.130/2002/DGB, Bundesministerium für Verkehr, Bau- und Stadtentwicklung, Heft 939, 2006

12 S c h a d e, H.W.: Das Reaktionsverhalten von Mischbindemittel im Vergleich zu Kalk und Zement, Straße und Autobahn 9/2006