Im Erd- und Straßenbau ist es in den letzten Jahren bei bindemittelbehandelten sulfathaltigen Böden wiederholt zu teilweise erheblichen Schäden durch Quellhebungen gekommen, die auf eine Mineralreaktion im Boden zurückzuführen sind. Werden Böden mit natürlichem Sulfatgehalt zu bautechnischen Zwecken mit calciumbasierten Bindemitteln behandelt, so kann das Bindemittel unter bestimmten Randbedingungen mit den im Gips enthaltenen Sulfationen zum Mineral Ettringit reagieren. Infolge der mit dieser Mineralneubildung verbundenen Volumenvergrößerung kann es zu erheblichen Hebungsschäden kommen. Die für die Reaktion des Sulfattreibens im Boden maßgebenden Einflussfaktoren sind zwar grundsätzlich bekannt, quantitative Prüfmethoden und standardisierte Strategien zur Gefahrenabwehr lagen bis dato allerdings noch nicht vor. Das Ziel des Forschungsvorhabens, über das in diesem Beitrag berichtet wird, war die Entwicklung eines praxistauglichen Prüfverfahrens als Grundlage für eine hieraus abzuleitende Prüfvorschrift. Hierfür wurden an Proben aus verschiedenen Boden-Bindemittelgemischen mit definierten Sulfatgehalten Quellhebungsversuche geplant, durchgeführt und ausgewertet. Im Ergebnis wurde ein annähernd linearer Zusammenhang zwischen dem Sulfatgehalt im Boden und den eingetretenen Quellhebungen festgestellt. Die Ergebnisse zeigen ferner, dass eine Behandlung sulfathaltiger Böden mit Weißfeinkalk mit größeren Quellhebungen verbunden ist als eine Behandlung mit Zement.

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

1 Einführung

Bei der Behandlung eines Bodens durch die Zugabe von Bindemitteln wird das Ziel verfolgt, den Boden tragfähig, frostbeständig und damit dauerhaft widerstandsfähig gegen die Beanspruchungen durch Verkehr und Umwelteinflüsse zu machen. Trotz der zahlreichen positiven Erfahrungen und vorschriftsmäßiger Ausführung von Maßnahmen zur Bodenbehandlungen mit calciumbasierten Bindemitteln kam es im Straßenbau immer wieder zu Schadensfällen durch Sulfattreiben. Durch die Bindemittelbehandlung wird im Boden der pH-Wert erhöht und dadurch Silikate und Aluminate aus den Tonmineralen und zum Teil aus dem Bindemittel selbst freigesetzt. Die vorhandenen Sulfate im Porenwasser reagieren mit den freigesetzten Aluminaten und dem freien Calcium aus dem Bindemittel, so dass es zur Bildung von Mineralen aus der Gruppe der Ettringite kommt. Durch den hohen Kristallwasseranteil von etwa 46 M.-% ist Ettringit sehr voluminös und leicht und kann bei Neubildung im Boden somit zu schädigenden Quellhebungen führen.

Für die Reaktion des Sulfattreibens im Boden sind die Einflussfaktoren zwar bekannt, allerdings steht der Baupraxis kein standardisiertes Prüfverfahren mit eindeutig definierten Kenngrößen zur Verfügung.

Das Ziel der im Auftrag der Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) ausgeführten Forschungsvorhabens ,,Kenngrößen zur Risikoabschätzung des Ettringittreibens" war die Entwicklung eines praxistauglichen Prüfverfahrens als Grundlage für eine hieraus abzuleitende Prüfvorschrift. Dafür waren Kenngrößen und Richtwerte zur Beurteilung des Risikos von Treiberscheinungen durch Ettringitbildung bei der Bindemittelbehandlung von sulfathaltigen Böden festzulegen.

2 Schadensfälle

Auf Ettringittreiben zurückzuführende Schadensfälle im Straßenbau sind sowohl aus dem deutschsprachigen Raum als auch aus der internationalen Literatur bekannt. Ausführlich werden die in Deutschland aufgetretenen Schadensfälle von Keller, Mosthof et al. (2002) und Schreber (2011) beschrieben. Harris (2005) und Rajasekaran (2005) geben einen ausführlichen Überblick über in den USA aufgetretene Schadensfälle.

2.1 BAB A 81, Autoanschlussstelle Ellhofen, Aufstieg Reisberg

Im Jahre 1992 wurden im Bereich der Anschlussstelle Ellhofen die erste und zweite Fahrspur der BAB A 81 grundhaft erneuert. Die Oberfläche des angewitterten Gipskeupers wurde aufgefräst. Die Frästiefe betrug 30 cm. In Bereichen, in denen die Tragfähigkeit des Baugrunds einen Wert von 100 MPa unterschritt, wurde eine Sanierung des überfeuchteten Erdplanums mit etwa 12 kg/m² Weißfeinkalk (CaO) durchgeführt. Um den optimalen Wassergehalt für den Einbau des Boden-Bindemittelgemischs zu erhalten, wurde Leitungswasser aus dem Netz der Stadt Weinsberg zugesetzt (Bodenseewasser). Nach Aufbringen der Frostschutzschicht wurden die oberen 20 cm mit hydrophobiertem Zement (Pektacrete Cement, 35F) verfestigt (Zementmenge von 15 kg/m²). Abschließend wurde die neue Betonfahrbahn mit einer Dicke von 26 cm aufgebracht. Wenige Jahre nach den durchgeführten Sanierungsmaßnahmen kam es zu Verkippungen der Fahrbahnplatten. Sie wurden durch Hebungen von bis zu 11 cm verursacht. Zusätzlich sind in der Fahrbahn Längsrisse von mehreren zehn Metern Länge und einigen Zentimetern Breite aufgetreten. Zur Untersuchung wurden fünf Bohrungen auf max. fünf Meter Tiefe abgeteuft. Es konnten mit röntgenographischen Untersuchungen Ettringit/ Thaumasit-Mischkristalle von ca. 15 Gew.-% in der kalkverbesserten Schicht nachgewiesen werden. In der zementverfestigten Frostschutzschicht konnten keine Ettringit/Thaumasit-Kristalle gefunden werden (Mosthof 1998).

2.2 BAB A 81, Autobahnzubringer K1077 bei Gärtringen, Herrenberg

Ein weiteres Beispiel für einen Schadensfall infolge von Ettringittreiben ist der im Jahre 1995 hergestellte Autobahnzubringer K1077 der Bundesautobahn A 81 bei Gärtringen, nahe Herrenberg. Im ersten von zwei Bauabschnitten traten bereits im Jahr nach der Fertigstellung Schäden auf. Es handelt sich um Hebungen des Baugrundes um bis zu 30 cm und Längsrisse in der Asphaltdecke mit einer Länge von bis zu 6 m bei einer Breite von ca. 2 cm (Bild 1). Die Straße wurde auf einer ca. 20 Jahre alten Dammschüttung aus Abraum des Schönbuchtunnels hergestellt. Der Tunnel führt durch die Schichten des Gipskeupers. Durch einen Einsturz während der Bauarbeiten am Tunnel befindet sich möglicherweise auch Betonbruch in der Auffüllung. Zu Beginn der Bauarbeiten des Autobahnzubringers wurde die oberste, ca. 1,5 m dicke verwitterte Schicht abgetragen, zerkleinert und mit 2 bis 3 Gew.-% Kalk stabilisiert. Unter der Fahrbahndecke befindet sich eine 0,5 m dicke Schottertragschicht, die eine bessere Entwässerung gewährleisten soll. Zusätzlich wurde eine Drainage neben der Straße hergestellt. Bei Sichtung der Schäden war auffällig, dass die Hebungen häufig im Bereich von Kanaldeckeln auftraten.

Beim Öffnen einer Schürfgrube direkt an der Spitze einer Verkehrsinsel trat bereits während der Aushubmaßnahmen ab einer Tiefe von 60 bis 70 cm unter dem Planum eine Wasseransammlung zu Tage. Innerhalb weniger Minuten standen 30 cm Wasser im Schurf, welcher neben dem Entwässerungssystem erstellt worden war. Es wurden drei der vier Schürfgruben in einem Abstand von 0,5 m vom Straßenrand angelegt. In den drei Schürfgruben konnte Ettringit/Thaumasit in unterschiedlichen Konzentrationen festgestellt werden. Es trat fein verteilt, in Nestern oder als Kruste um Betonbruchstücke auf. Die vierte Grube wurde etwa 5 m von der Straße entfernt als Vergleichsgrube angelegt, um den Einfluss der Kalkzugabe untersuchen zu können (Keller, Mosthof et al. 2002).

Bild 1: Bundesautobahn A 81, Längsrisse in der Asphaltdecke (Keller, Mosthof et al. 2002)

2.3 BAB A 38 und A 71, Schäden durch treibmineralbildende Böden

An den neu gebauten Bundesautobahnen A 38 und A 71 kam es ebenfalls zu Schadensfällen infolge Hebungen durch Sulfattreiben.

Im Falle der A 38 wurde der östlich der Landesgrenze Niedersachsen/Thüringen anstehende gipshaltige Boden mit einem Mischbindemittel (bestehend aus 35 % Branntkalk (CaO) sowie 60 % Portlandzement (Hecht 2010 sowie Hecht, Krings 2009) über eine wechselnde Dicke von 30 cm bis 90 cm behandelt. Im Zuge der Schadensanalyse wurden im unbehandelten Boden keine Treibminerale, in den behandelten Zonen bis zu 5,1 M.-% Ettringit und bis zu 13,4 M.-% Thaumasit nachgewiesen. Es traten Hebungen von bis zu 12 cm auf.

Als Ursache für die Hebungen an der A 71 nahe des Schmücketunnels (nördlich A 38 südlich B 85) wurde zunächst die Bildung von Ettringit/Thaumasit vermutet. Die durchgeführten Analysen ergaben allerdings nur untergeordnet anstehenden Gips, dafür wurde aber Dolomit in größerem Umfang erkundet. In den dolomithaltigen Proben kam es zu erheblichen Hebungen (5 % der Probenhöhe) einhergehend mit einer Neubildung von Magnesiumsalzen (Magnesiatreiben).

Im Laufe des Winters 2013/2014 traten beim weiteren Streckenbau der BAB 71 (nödlich B 85 ­ AS Sömmerda-Ost) an im Herbst 2013 verbesserten Planien und Dammböschungen Schäden auf (Bild 2). Die Dämme waren fast vollständig im Sommer und Herbst 2013 aus dem Abtrag geschüttet worden. Die Böden sind aus dem Bereich des Mittleren und Unteren Gipskeuper. Der Gipsanteil wurde zu ca. 26 M.-% ermittelt. In der Planung der Baumaßnahme wurden umfangreiche experimentelle Untersuchungen durchgeführt. Es wurde im Ergebnis der Experimente, mit dem eingesetzten Bindemittel nur ein geringes Quellpotenzial vermutet. Die äußere Zone der Dammböschungen und das Planum wurden daraufhin im Herbst 2013 mit einem Hochofenzement mit hohem Sulfatwiderstand verbessert. Das Planum wurde mit einer Schutzlage aus Frostschutzmaterial überschüttet. Im Frühjahr 2014 wurde an fertiggestellten und überschütteten Planien eine Auflockerung mit einem Verlust der Festigkeit und der Tragfähigkeit der Oberflächen der Erdbauwerke festgestellt. Im Laufe des Sommers 2014 verfestigte sich das Planum teilweise wieder (DEGES 2014).

Bild 2: Aufgequollenes Planum durch Treibmineralien BAB A 71 (DEGES 2014)

2.4 Stewart Avenue & Owens Street, Las Vegas, Nevada, USA

Aus der amerikanischen Fachliteratur ist der Schadensfall Stewart Avenue & Owens Street in Las Vegas ein vielzitiertes Beispiel. Die Stewart Avenue ist eine der großen Ost-West-Verbindungen der Stadt. Im Jahre 1976 wurde die Straße von zwei auf vier Fahrspuren erweitert. Der Aufbau der Fahrbahn bestand aus 10 cm Asphalt, 13 cm Auffüllung und 30 cm kalkstabilisiertem Boden. Der Boden war mit 4,5 Gew.-% Branntkalk behandelt und nach mindestens 16 h verdichtet worden. Der Mineralbestand des bindemittelbehandelten Bodens enthielt neben Quarz, Feldspat und Muskovit die Tonminerale Sepiolith, Montmorillonit sowie untergeordnet Kaolinit und Kaolinit-Montmorillonit. Calcit und Gips waren ebenfalls in großer Menge vorhanden. Sechs Monate nach dem Bau traten erste Hebungen aufgetreten, nach zwei Jahren schwere Schäden, wobei der gesamte Straßenkörper um 30 bis 60 cm angehoben wurde. Es traten schwere Schäden direkt neben vollkommen ungeschädigten Bereichen auf. In dem insgesamt 5 km langen Bauabschnitt wurden 32 Schürfgruben in schwer geschädigten, moderat geschädigten und ungeschädigten Bereichen geöffnet. In schwer geschädigten Gebieten war der Boden weich und grau und hatte die mechanischen Eigenschaften eines plastischen Schluffs. In ungeschädigten Gebieten war der Boden extrem hart, zementartig und bräunlich. Zwischen diesen beiden Extremen traten Übergangszustände in jeglicher Ausprägung auf. Die durchgeführten Untersuchungen (Elektronenmikroskop (REM) und Röntgendiffraktometrie (XRD)) ergaben, dass Proben aus geschädigten Bereichen zwischen 20 und 40 Vol.-% an Thaumasit enthielten. Kalk und Gips sowie Polyhalit wurden ebenfalls festgestellt. In einer Sulfatlösung konnte im Labor eine weitere Quellung von bis zu 12 Vol.-% erzeugt werden. Ungeschädigte bzw. unbehandelte Proben wiesen lediglich eine Quellung von 6 Vol.-% auf (Mitchell 1986, Hunter 1988).

3 Grundlagen

3.1 Wirkungsmechanismen der Bodenbehandlung

Die unterschiedlichen bodenmechanischen Effekte der Bindemittelbehandlung ergeben sich aus den verschiedenen Reaktionsmechanismen der Bindemittel mit dem Boden. Die Verwendung von Zement kann durch das sich unmittelbar nach dem Einmischen im Porenraum des Bodens ausbildende Zementsteinskelett zu einer schnellen und hohen Verfestigung mit einer starken Zunahme der Druckfestigkeit und der Steifigkeit führen. Soll ein bindiger Boden erdbautechnisch bearbeit- und verdichtbar gemacht werden, so wird bei Böden mit einem zu hohen Wassergehalt in der Regel Weißfeinkalk, andernfalls Zement als Bindemittel benutzt. Durch den Einsatz von Kombinationsbindemitteln lassen sich die Vorteile beider Bindemittelarten im Allgemeinen gezielt kombinieren und zusätzlich wird der Bindemittelbedarf reduziert (Witt 2002).

Die exotherme Reaktion zwischen Zement und dem in den Bodenporen enthaltenen Wasser ­ gegebenenfalls auch mit dem Zugabewasser ­ setzt unmittelbar nach dem Kontakt des Zements mit dem Wasser ein. Die Hydratation erfolgt aufgrund von elektrostatischen Kräften zwischen Kationen und den Wasser-Dipolen. Es kommt zur Ausbildung von Hydrathüllen um die Ionen durch Wasserstoffbrücken. Der Zement erstarrt und beginnt hydraulisch zu erhärten. Es bildet sich eine skelettartige, die Bodenpartikel fixierende Zementmatrix im Porenraum. Als unmittelbare Folge der Hydratation wird der pH-Wert des Porenwassers erhöht und es kommt begünstigt durch das alkalische Milieu zur Ablösung von Puzzolanen aus den Tonmineralen. Puzzolane bestehen hauptsächlich aus reaktionsfähigem Siliziumdioxid (SiO2) und Aluminiumoxid bzw. Tonerde (Al2O3). Weitere Bestandteile sind Eisen(III)oxid (Fe2O3) sowie andere Oxide. Puzzolane erhärten nicht selbständig, sondern reagieren in Gegenwart von Wasser bei normaler Umgebungstemperatur mit gelöstem Calciumhydroxid (Ca(OH)2) unter Entstehung von festigkeitsbildenden, hydratierten Tri- und Dicalciumsilikaten sowie Calciumaluminaten. Diese gelartigen Verbindungen sind denen ähnlich, die auch bei der Erhärtung hydraulischer Stoffe entstehen. Sie verkitten durch die einige Tage nach der Hydratation einsetzende und über sehr lange Zeiträume ablaufende puzzolanische Reaktion miteinander (FGSV 551). Durch die primäre Skelettbildung, welche vor allem durch das Porenwasserdargebot gesteuert wird, sowie durch die sekundäre Verkittung der Partikel in der puzzolanischen Reaktion, die in erster Linie von der Art der Tonminerale abhängig ist, wird die Festigkeit des Bodens gesteigert.

Die Wirkungsweisen von Baukalken beruhen bei der Bodenstabilisierung auf chemischen und auf physikalischen Effekten. Nach ihrem zeitlichen Ablauf werden Sofort- und Langzeitreaktionen unterschieden. In der Sofortreaktion reagiert das in den Boden eingebrachte Calciumoxid CaO mit dem Bodenwasser zu Calciumhydroxid Ca(OH)2. Dem Boden wird dabei Porenwasser durch chemische Bindung entzogen (1 kg CaO bindet etwa 320 cm3 Wasser). Eine weitere Reduzierung des Wassergehalts ergibt sich als Folge der Wärmeentwicklung in der stark exothermen Reaktion durch Verdunstung sowie durch die Belüftung beim Einmischvorgang. Zudem findet durch die Zugabe des Kalks eine Umwandlung in der Bodenstruktur statt. In Abhängigkeit vom Bindemittelgehalt wird der pH-Wert auf > 12 gesteigert. Das alkalische Milieu begünstigt den Austausch der an die Tonminerale ein- und angelagerten Kationen durch Ca2+-Ionen. Die elektrostatischen Oberflächenladungen der Tonminerale werden dabei erniedrigt und es kommt zur Koagulation (Ausflockung) der Tonpartikel. Allgemein hat sich hierfür der Begriff Krümelbildung eingebürgert. Die Wirkungsweisen der Sofortreaktionen haben aus erdbautechnischer Sicht bodenverbessernden Charakter. Verbessert werden insbesondere die Einbaufähigkeit und die Verdichtbarkeit. Die Empfindlichkeit gegenüber Wassergehaltsänderungen nimmt deutlich ab, was aus baupraktischer Sicht die Witterungsabhängigkeit von Erdbaumaßnahmen entscheidend verbessern kann (FGSV 551). Durch den erhöhten pH-Wert lösen sich im Zuge der Langzeitreaktion Silikate und Aluminate aus den Tonmineralen. Im Weiteren kommt es zur Bildung von Calciumaluminathydraten und Calciumsilikathydraten und
schließlich zur Festigkeitsentwicklung im Boden-Bindemittelgemisch durch Verkittung in der puzzolanischen Reaktion.

Die durch Kalkstabilisierung erreichbaren Festigkeiten sind grundsätzlich deutlich kleiner als bei der Stabilisierung mit Zement.

3.2 Sulfattreiben

Die Wirkungsweise des Sulfattreibens beruht auf der Volumenvergrößerung des Hydrogels infolge Mineralreaktionen, die zur Bildung von Mineralen aus der Gruppe der Ettringite führen. Die Ettringitnadeln, die sich in den Poren bilden, zählen zu den sekundären Effekten und sind schädlich. Die primäre Bildung von Ettringit während des Erstarrens von Zement ist dagegen ein gewünschter Effekt, der durch einen planmäßig zugegebenen Anteil an Calciumsulfat als Erstarrungsregler im Zement herbeigefügt wird.

Thaumasit bildet sich im Gegensatz zu Thaumasit vor allem bei Temperaturen kleiner 10 °C. Im Unterschied zu Ettringit entwickelt Thaumasit einen geringen Quelldruck und wirkt daher nur wenig volumenexpansiv. Allerdings vermindert dieses Mineral bei seiner Kristallisation die Festigkeit des behandelten Bodens, insbesondere dann, wenn es sich als Umwandlungs- oder Zerfallsprodukt aus Ettringit bildet (Witt 2012).

Die physikalischen und chemisch-mineralogischen Zusammenhänge des Ettringitaufwuchses wurden für den Bereich der Betontechnologie intensiv erforscht (u. a. Stark, Wicht 2001).

Ettringit kristallisiert nur unter sehr begrenzten chemisch-physikalisch-thermischen Randbedingungen bei einer Reaktion der Zement-Klinkerphase Calciumaluminathydrat mit sulfathaltigen Lösungen und entwickelt dabei meist gut ausgeprägte, prismatische oder nadelige, pseudo-hexagonale Kristalle und faserige Aggregate. Mit einem Anteil von etwa 46 Gew.-% zählt Ettringit zu den Mineralen mit dem höchsten Kristallwassergehalt überhaupt und ist daher relativ voluminös und leicht. Die chemische Summenformel von Ettringit lautet:

Formel siehe PDF.

4 Einflüsse auf die Ettringitbildung

4.1 Einflussfaktoren

Aus der Literatur sind unterschiedliche, für eine Ettringitneubildung in bindemittelverbesserten Böden maßgebende Einflussfaktoren bekannt:

Mineralbestand

Die Verfügbarkeit bestimmter Minerale hat einen elementaren Einfluss darauf, ob und in welchem Umfang die Treibreaktion stattfinden kann. Hierbei ist der für Sulfattreiben bei einer Bodenbehandlung mit calciumbasierten Bindemitteln als kritisch zu bezeichnenden Sulfatgehalt stets vom Anteil, der Art und der Verteilung der im Boden vorhandenen Tonmineralen abhängig. Bindemittel führen im Boden zu einer Erhöhung des pH-Werts. Dadurch erhöht sich die Löslichkeit von Silikaten und Aluminaten in der Tonfraktion. Silikat- und Aluminiumionen werden freigesetzt und stehen zur Ettringitbildung zur Verfügung. Tendenziell sinkt der kritische Sulfatgehalt eines Bodens mit zunehmendem Tonanteil. Tendenziell haben kaolinitische (nicht quellfähige) bindige Böden gegenüber smectitischen (quellfähige) Böden einen größeren Bestand an Aluminaten und somit unter ansonsten gleichen Bedingungen ein höheres Potenzial für schädigenden Ettringitaufwuchs (Witt 2012).

Sulfatgehalt

Der deutschsprachigen Literatur (u. a. Witt 2012) ist zu entnehmen, dass Sulfatgehalte im Boden ab 3.000 ppm potentiell schädigungsrelevant sind. Ihr Gefährdungspotential ist aber gering. Eine hohe Gefährdung ist erst ab einem Sulfatgehalt von größer 8.000 ppm anzunehmen. Diese Grenzwerte werden auch in der Technischen Vorschrift des Texas Department of Transportation (Texas Department of Transportation 2005) und in der UNI EN 1744-1 angegeben. Die untere Grenze von 3.000 ppm wird auch von Dermatas & Mitchell (1992) bestätigt. Little & Nair et al. (2010) und Petry & Little (1992) geben an, dass bereits ein Sulfatgehalt von 2.000 ppm potenziell schädigungsrelevant ist.

Wasserangebot

Voraussetzung für die Treibreaktion ist, dass vorhandene Sulfate in Lösung gehen. Hierfür und für den weiteren Transport des Sulfats muss ausreichend Wasser verfügbar sein (Witt 2012).

Chemisches Milieu/Alkalität

Sulfattreiben findet nur in einem alkalischen Milieu statt. Die Bindemittelzugabe hat im Boden eine starke Erhöhung der Alkalität zur Folge. Bei einem pH-Wert > 10,5 werden Aluminat- und Silikationen aus den Tonmineralen des Bodens freigesetzt und stehen für die Treibreaktion zur Verfügung (Witt 2012). Durch die Bodenbehandlung mit calciumbasierten Bindemitteln ist das für das Sulfattreiben erforderliche alkalische Milieu im Allgemeinen immer realisiert.

Temperatur

Die Bodentemperatur hat starken Einfluss auf den Reaktionsmechanismus. Ettringit bildet sich insbesondere bei Temperaturen zwischen 15 °C und 20 °C. Bei Temperaturen unter 10 °C kristallisiert Thaumasit.

Porenstruktur des Bodens

Ein zusammenhängendes Porensystem begünstigt den konvektiven Transport sulfathaltiger Lösungen durch das Bodengerüst. Da die schädigende Volumenzunahme infolge Ettringitaufwuchs aber in den Bodenporen stattfindet, kann eine gute Verdichtung des Bodens und damit eine Reduzierung der Porengröße die Quellgefährdung erhöhen (Witt 2012).

Bindemittel

Besonders kritisch erscheint nach Keller, Mosthof et al. (2002) die Bodenbehandlung mit Weißfeinkalk von verwitterten, gipshaltigen Böden. Wird stattdessen Zement als Bindemittel verwendet, verringert sich das Schadensrisiko. Die Phasenneubildung erfolgt bei einer Behandlung mit Zement zwar schneller, da im Gegensatz zu einer Behandlung mit Kalk die notwendigen Aluminate aus den reaktiven Calciumaluminaten aus dem Zement sofort zu Verfügung stehen, allerdings entwickeln sich deutlich geringere Ettringitgehalte als bei Weißfeinkalk.

Überlagerungsdruck

Bei einer behinderten Volumendehnung entstehen beim Ettringittreiben sehr hohe Quelldrücke (bis ca. 5 MPa). Bei im Straßenbau üblichen Überlagerungsdrücken können daher die Quellhebungen nicht überdrückt werden (Keller, Mosthof et al. 2002).

4.2 Kritische Gesteine/Böden

Werden sulfat- oder sulfidhaltige Böden oder Gesteine mit Bindemitteln behandelt, besteht das Risiko von Schäden durch Ettringittreiben. Im Vorfeld einer Bodenbehandlung mit Bindemittel sollte daher sicher ausgeschlossen werden, dass der Boden Sulfat oder Sulfid enthält. Ist dies nicht der Fall, sollte der Sulfat-/Sulfidgehalt bestimmt und gegebenenfalls weitere Versuche durchgeführt werden.

Dabei geben die stratigraphische Einordnung der jeweiligen Baugrundschichten und die geotechnische Erkundung bereits deutliche Hinweise auf ein mögliches Risiko.

Sulfatführende Böden oder Gesteine finden sich in Deutschland beispielsweise in den Schichten des Zechsteins, des Oberen Buntsandsteins, des Gipskeupers oder des Mittleren Muschelkalks.

Dagegen sind vor allem Tone und Tonsteine des Tertiärs, der Kreide und des Jura (z. B. Posidonienschiefer) dafür bekannt, dass sie Pyrit (oder Markasit) führen. In den Verwitterungszonen ist das Sulfid oxidiert und zu Sulfat, in Form von Gips umgewandelt.

Ergänzend sind die in Norddeutschland weit verbreiteten Moor- und Marschenböden zu nennen, die oft schwefelhaltige Minerale sowie organische Schwefelverbindungen aufweisen (Langer, Pluquet et al. 2007).

Berichte und Karten zum Vorkommen von sulfathaltigen Böden und Gesteinen werden von den jeweiligen geologischen Landesämtern herausgegeben.

5 Quellhebungsversuche

Zur Beantwortung der offenen Fragestellungen wurde im Rahmen des am Institut für Geotechnik der Universität Stuttgart durchgeführten Forschungsvorhabens (Moormann, Zweschper et al. 2014) das Quellverhalten in Abhängigkeit vom Sulfatgehalt mit Pulverquellversuchen (Thuro 1993) in Oedometerversuchsständen systematisch untersucht.

5.1 Probenmaterialien

Insgesamt wurden für die Versuchsreihe vier verschiedene Materialien verwendet. Ausgewählt wurden zwei natürlich sulfathaltige und zwei sulfatfreie Böden. Als Versuchsböden wurden geeignete Böden und Halbfestgesteine ausgewählt, die in Süddeutschland häufig bei Straßenbaumaßnahmen angetroffen bzw. eingesetzt werden (Moormann, Zweschper et al. 2014).

Probenmaterial ,,GBET" ist ein gipshaltiger, gemischtkörniger Verwitterungsboden der Bodengruppe SU (nach DIN 18196) aus einem Steinbruch bei Epfendorf-Trichtingen. Das Material hat einen natürlichen Sulfatgehalt, da ca. 8 % Gips nachgewiesen wurden. Zudem enthält das Material vor allem Dolomit (54 %) und Illit (25 %). Daneben wurden Anteile quellfähiger Tonminerale (2 %), Kaolinit (2 %), Quarz (4%), Calcite (2 %) festgestellt.

Das Probenmaterial ,,WTVQII" ist ein Gestein aus dem Wagenburgtunnel bei Stuttgart. Es hat einen natürlichen Sulfatgehalt. Das Material enthält als Hauptbestandteil Gips (43 %), Anhydrit (9,3 %) ist aber noch in geringen Anteilen nachweisbar. Das Probenmaterial enthält weiterhin Illit (17 %), Quarz (10 %), aber auch einen Anteil an quellfähigen Tonmineralen (15 %). Zudem wurden geringe Anteile Kaolinit (2 %), Feldspat (1%), Calcit (2 %) und Dolomit (1 %) nachgewiesen.

Das Probenmaterial ,,WTF3" ist ein Gestein aus dem Wagenburgtunnel in Stuttgart. Es wurde in einem geologischen Fenster oberhalb des Gipshorizontes gewonnen und ist ausgelaugt, enthält also weder Gips noch Anhydrit. Das Material besteht zum Großteil aus Illit (44 %), quellfähigen Tonmineralen (23 %) und Dolomit (18 %). Außerdem wurde Calcit (6 %), Quarz (6 %) und Kaolinit (1 %) festgestellt.

Probenmaterial (LL HN) ist ein Lösslehm aus Talheim bei Heilbronn. Das Material weist keinen natürlichen Sulfatgehalt auf und besteht vor allem aus Illit (58 %), Quarz (23 %) sowie aus geringen Anteilen von Feldspat (10 %), quellfähigen Tonmineralen (6 %), Kaolinit (2 %), und Calcit (1 %).

Für die Durchführung der einzelnen Quellversuche am Institut für Geotechnik der Universität Stuttgart stand nur ein begrenzter Zeitraum zur Verfügung (in der Regel 60 Tage). Um offene Fragen zum Langzeitverhalten der Versuche zu klären, wurden an ausgewählten Proben im Labor der Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) Bergisch Gladbach weitere Versuche durchgeführt. Dafür wurden die beiden natürlich sulfathaltigen Böden (GBET und WTVQII) verwendet.

Es ist festzustellen, dass für das natürlich sulfathaltige Probenmaterial ,,WTVQII" im Rahmen des Forschungsprojektes ein abweichendes Verhalten beobachtet wurde, das weiterer Untersuchungen bedarf. Daher wird im Folgenden v. a. auf die Ergebnisse der Böden ,,GBET" und ,,WTF3" näher eingegangen.

5.2 Probenherstellung und Versuchseinrichtung

Die Versuchsböden wurden schonend bei 60 °C im Ofen getrocknet und anschließend zu einem Pulver aufbereitet.

Die Prüfeinrichtung entspricht einem vereinfachten Oedometergerät (Bild 3). Das Versuchsmaterial wurde homogen mit Bindemittel und bei den Versuchsböden ohne geogenen Sulfatgehalt zusätzlich mit Calciumsulfat-Dihydrat vermengt. Um es homogen vermischen und in den Oedometerring einbauen zu können, wurden alle vier Materialien zu einem Pulver mit einer Korngröße 0,5 mm aufbereitet. Anschließend wurde die Mischung mittels einer hydraulischen Presse in einen Oedometerring gepresst. Die Probe wurde dann in den Versuchsstand eingebaut und durch Zugabe von demineralisiertem Wasser gesättigt und der Quellprozess eingeleitet. Da die Temperatur einen starken Einfluss auf den Reaktionsmechanismus hat, wurde während der Versuche die Temperatur im Labor konstant auf + 18 °C gehalten. Verdunstetes Wasser wurde ausgeglichen.

Bild 3: Prüfeinrichtung

Bei den in der BASt durchgeführten Langzeitversuchen wurde sowohl bei der Herstellung der Proben, als auch bei der Durchführung der Versuche darauf geachtet, die Bedingungen so exakt wie möglich zu wiederholen. Der überwiegende Teil der Proben wurde dabei zunächst bei konstant 18 °C gelagert. Parallel dazu wurden noch Proben bei ca. 5 °C gelagert. Teilweise betrug die Versuchszeit bis zu 20 Monaten.

Nach einer Versuchsdauer von ca. 15 Monaten wurden die Versuche mit den zuvor bei 18 °C gelagerten Proben im Kühlschrank bei konstant 4 °C weitergeführt.

5.3 Versuchsverlauf und Auswertung

Zum Beginn der Versuche kam es wegen der Pulveraufbereitung bei allen Proben infolge von Hydratationseffekten zu initialen Hebungen. Aufgrund der hohen spezifischen Oberfläche des Pulvers kann zunächst eine Wasseranlagerung an Ionen bzw. Körnern erfolgen, sobald die Proben mit demineralisiertem Wasser in Kontakt kommen. Die Folge ist eine starke Quellhebung. Dies kann dazu führen, dass auch nicht quellfähiges Material ein scheinbares Quellen aufweist. Mit kleiner werdender Korngröße nehmen diese Hydratationseffekte zu und überlagern anfangs die Quellvorgänge infolge von Mineralreaktionen. Auch in der Literatur zu Pulverquellversuchen finden sich hierzu Hinweise (u. a. Thuro 1993, Rauh, Thuro 2007). Nach einer Stagnation kam es während der Quellhebungsversuche dann zu weiteren Hebungen, die auf eine Ettringitneubildung zurückgeführt werden konnten. Eine typische zeitabhängige Entwicklung der Hebungen ist im Bild 4 dargestellt.

Zur Auswertung der Quellhebungsversuche wurden sowohl die Hebungen infolge der Hydratation als auch die Hebungen infolge der Ettringitneubildung über Kurvenanpassungen analysiert. Grundlage für die Kurvenanpassung war die Annahme, dass sich beide Prozesse durch eine exponentielle Annäherung beschreiben lassen, so dass sich folgender Zusammenhang ergibt:

Formel siehe PDF.

εhyd entspricht hierbei dem Betrag der Quelldehnung infolge Hydratation, εett dem Betrag der Quelldehnung infolge Ettringitneubildung für t → ∞ . Der Zeitparameter gibt allgemein den Zeitraum an, den ein exponentiell ansteigender Prozess benötigt, um auf 63,2 % seines Endwertes anzusteigen. Anhand von Kurvenanpassungen der Messwerte kann so sowohl der Betrag der initialen Dehnung infolge Hydratation εhyd als auch der Betrag der Dehnungen infolge Ettringitbildung εett ermittelt werden. Ein Beispiel für eine Kurvenanpassung ist im Bild 4 dargestellt.

Bild 4: Zeitabhängige Entwicklung der Volumendehnung am Beispiel einer Probe aus Probenmaterial WTF3 mit 4 % Weißfeinkalk und 5.000 ppm Sulfat. Kurvenanpassung an die Messwerte

5.4 Versuchsergebnisse

Das Versuchsprogramm sah vor, bei den natürlich sulfatfreien Materialien, Sulfatgehalte von 0, 3.000, 5.000, 8.000 und 10.000 ppm zu untersuchen und die Zugabemenge an Portlandzement CEM I 32,5 R (CEM I) und Weißfeinkalk (WFK) sowohl bei den Materialien mit einem natürlichen Sulfatgehalt als auch bei den sulfatfreien Materialien mit 4 M.-% konstant zu halten.

Aus dem Versuchsprogramm ergeben sich hinsichtlich der durch Ettringittreiben verursachten Volumendehnungen folgende Erkenntnisse.

Am Probenmaterial GBET wurden im Rahmen des Projektes zwei Bindemittelgehalte (0 und 4 M.-%) untersucht. Bei einer Versuchstemperatur von 18 °C ergaben sich Volumendehnungen infolge Ettringitbildung bis zu 24 % bei einer Behandlung mit Weißfeinkalk und bis zu 19 % bei einer Behandlung mit Portlandzement. Im Vergleich dazu erbrachte der Versuch mit 4 % Weißfeinkalk und einer Versuchstemperatur von ca. 5 °C Hebungen infolge von Ettringit/ Thaumasitbildung von bis zu 35 %.

Bild 5: Probenmaterial WTF3. Volumendehnungen infolge Ettringitneubildung in Abhängigkeit des Sulfatgehalts. (CEM I 32,5 R: Zementzugabe, WFK: Weißfeinkalkzugabe): deutliche Zunahme der Volumendehnungen in Abhängigkeit des Sulfatgehalts

Für alle Probenmaterialien konnte die Beobachtung von Keller, Mosthof et al. (2002) bestätigt werden, wonach die Behandlung von verwitterten, gipshaltigen Böden mit Weißfeinkalk kritischer als diejenige mit Zement ist, da größere Volumendehnungsbeträge gemessen wurden.

Für Probenmaterial WTF3 wurde ein Zusammenhang zwischen dem Sulfatgehalt und der Volumendehnung infolge Ettringitbildung festgestellt (Bild 5). Umso höher die Sulfatgehalte waren, desto größere Volumendehnungen wurden gemessen.

In allen Probenmaterialien konnte die Kristallisation von Ettringitmineralen über Röntgendiffraktometrie und Elektronenmikroskopaufnahmen (Bild 6) bestätigt werden. Der mineralogische Nachweis wurde an allen Materialien für Proben mit einer Zugabemenge von 4 % Weißfeinkalk bzw. Portlandzement und natürlichem Sulfatgehalt bzw. 10.000 ppm Sulfat exemplarisch mittels Röntgendiffraktometrie erbracht. Es wurden Ettringitgehalte zwischen 2 und 5 M.-% nachgewiesen.

Bild 6: Elektronenmikroskopaufnahme am Probenmaterial WTF3 mit 4 % Portlandzement und 10.000 ppm Sulfat

Nach Abschluss des zuvor beschriebenen Forschungsvorhabens wurde am Institut für Geotechnik, der Universität Stuttgart (IGS) am natürlich sulfatfreien Material WTF3 ergänzend der Einfluss des Bindemittelgehalts untersucht. Verwendet wurde ein Portlandzement (CEM I 32,5 R). Beim Material WTF3 wurden Sulfatgehalte von 0, 3.000, 5.000, 8.000 und 10.000 ppm untersucht. Die Ergebnisse sind im Bild 7 dargestellt.

Bild 7: Probenmaterial WTF3, Zugabe CEM I 32,5 R. Volumendehnungen infolge Ettringitneubildung in Abhängigkeit vom Bindemittelgehalt

Erkennbar ist, dass bei Probenmaterial WTF3 im Bereich kleiner Sulfatgehalte (3.000 und 5.000 ppm) kein Einfluss des Bindemittelgehalts festgestellt wurde. Vermutlich wird hier das zur Verfügung stehende Sulfat bereits bei 4 % Zementzugabe aufgebraucht, so dass größere Zementmengen nicht zu mehr Volumendehnungen führen können.

Erst ab einem Sulfatgehalt von > 5.000 ppm sind Unterschiede erkennbar. Die größten Volumendehnungen werden bei Verwendung von 6 % Zement erreicht, die geringsten bei 4 %. Die Ergebnisse mit 8 % liegen dazwischen. Eine mögliche Erklärung hierfür ist, dass bei 6 % Zement bereits alles für eine Reaktion zur Verfügung stehende Sulfat aufgebraucht wird und höhere Zementzugaben aufgrund einer stabilisierenden Wirkung zu weniger Volumendehnungen führen. Hier müssen aber weitere Versuche mit höheren Sulfatgehalten und weiteren Bindemittelgehalten durchgeführt werden.

6 Grundlagen für eine Prüfvorschrift

In den im Rahmen der Forschungsarbeit durchgeführten Quellhebungsversuchen wurde der Einfluss der Bindemittelart und des Sulfatgehalts näher untersucht.

6.1 Kritische Einflussgrößen

Es konnte die Beobachtung von Keller, Mosthof et al. (2002) bestätigt werden, dass eine Bodenbehandlung mit Weißfeinkalk mit größeren Volumendehnungen verbunden ist als eine Behandlung mit Zement und eine Verwendung von Zement daher das Schadensrisiko verringern kann. Es ist daher zu empfehlen, in Böden mit einem kritischen Sulfatgehalt auf eine Bindemittelbehandlung mit Weißfeinkalk generell zu verzichten.

Unabhängig von der Gesteins- bzw. Bodenart und der Art des Bindemittels wurde ein Zusammenhang zwischen dem Sulfatgehalt und der Volumendehnung durch eine Ettringitneubildung festgestellt. Basierend auf dem durchgeführten Versuchsprogramm können für eine erste Abschätzung der infolge Ettringitbildung zu erwartenden Dehnungen in Abhängigkeit des Sulfatgehalts des behandelten Bodens die in den Bildern 8 und 9 angegebenen Bandbreiten verwendet werden. Zur Ermittlung der Bandbreiten wurden die in den Versuchen gemessenen Volumendehnungen für alle untersuchten Materialien in Abhängigkeit der Bindemittelart gemittelt. Zu beachten ist, dass der kritische Sulfatgehalt zum einen stark materialabhängig und zum anderen durch die Wahl des Bindemittels beeinflusst wird.

Bild 8: Gemittelte Volumendehnungen in Abhängigkeit des Sulfatgehalts zur Risikobewertung für zementbehandelte Böden (4 % CEM I 32,5 R)

Bild 9: Gemittelte Volumendehnungen in Abhängigkeit des Sulfatgehalts zur Risikobewertung für kalkbehandelte Böden (4 % Weißfeinkalk)

Ein geringes Gefährdungspotenzial für einen Sulfatgehalt von 3.000 ppm konnte nur bei Verwendung von Portlandzement bestätigt werden. Bei einem Sulfatgehalt von 3.000 ppm wurden Volumendehnungen bis maximal 2 % (Bild 8) festgestellt. Bei einer Stabilisierung mit Weißfeinkalk zeigten sich hingegen bereits bei einem Sulfatgehalt von 3.000 ppm Volumendehnungen von 5 % bis 7 % infolge Ettringittreibens (Bild 9). Je nach Anwendungsfall besteht daher bereits bei relativ geringen Sulfatgehalten ein Schadensrisiko.

6.2 Prüfverfahren zur Ermittlung des Quellpotenzials

Grundsätzlich kann zur Abschätzung des Schadensrisikos nach dem Ablaufplan im Bild 10 vorgegangen werden.

Für eine erste grobe Abschätzung der Quellgefährdung kann mittels Feldversuchen qualitativ bestimmt werden, ob ein Boden sulfathaltig ist. Eine Zusammenfassung möglicher Feldversuche findet sich in einer Studie aus den USA (Harris 2002). Vorgeschlagen wird hier u. a., die elektrische Leitfähigkeit des Bodensättigungsextraktes zu messen, einen Aceton- oder Bariumchlorid-Test durchzuführen oder den Sulfidgehalt zu bestimmen. Zudem geben die stratigraphische Einordnung der jeweiligen Baugrundschichten und die geotechnische Erkundung bereits deutliche Hinweise auf einen möglichen Sulfatgehalt. Die Versuche wurden im Rahmen des beschriebenen Forschungsvorhabens nicht untersucht und können daher nicht bewertet werden. Mittels mineralogischer Untersuchungen (z. B. röntgendiffraktometrische Messung) ist es möglich, den Sulfatträger und den Mengenanteil im Boden zu bestimmen.

Für Reihenuntersuchungen von Baugrundproben sind mineralogische Verfahren allerdings nicht geeignet, da sie sehr aufwändig sind. Hier empfehlen sich chemische Analysen. Anhand der Bilder 8 und 9 kann in Abhängigkeit der Anwendung eine erste Risikobeurteilung durchgeführt werden. Muss von einer mittleren bis hohen Gefährdung ausgegangen werden, so empfehlen sich für eine fundierte Prognose Quellhebungsversuche an Proben des BodenBindemittelgemischs. Im Folgenden wird ein Vorgehen zur qualifizierten Durchführung solcher Quellhebungsversuche vorgeschlagen.

Die Quellhebungsversuche sind mit dem geplanten Bindemittelgehalt durchzuführen, gegebenenfalls kann eine Variation des Bindemittelgehalts sinnvoll sein.

Zudem ist es ratsam, Referenzproben ohne Bindemittelzugabe herzustellen, um später eindeutig beurteilen zu können, welche Dehnungen infolge der Ettringitbildung entstanden sind.

Bild 10: Ablaufplan zur Abschätzung des Schadensrisikos

Um versuchsimmanente Streuungen erkennen und bewerten zu können, sollte jeder Versuch an mindestens zwei Proben (Doppelproben) durchgeführt werden.

Für die Prüfeinrichtung kann die Empfehlung Nr. 11 des Arbeitskreises 19 –­ Versuchstechnik Fels (Paul, 1986) für Quellversuche an Gesteinsproben genutzt werden.

Es ist zu empfehlen Pulverquellversuche durchzuführen, da zum einen so punktuelle Untersuchungen bzw. Untersuchungen von sehr dünnen Lagen möglich sind. Zum anderen sind Pulverquellversuche wesentlich schneller durchführbar, da chemische Reaktionen aufgrund der hohen spezifischen Oberfläche des Pulvers schneller ablaufen können als in festen Prüfkörpern.

Folgende Punkte sind bei der Prüfkörperherstellung zu beachten:

–­ ­ Das Probenmaterial wird bei einer Temperatur von maximal 60 °C im Trockenofen vorgetrocknet.

– Das getrocknete Material wird anschließend zermahlen und auf eine Korngröße 0,5 mm gesiebt. Dabei ist zu beachten, dass die Mineralogie der Proben möglichst nicht verändert wird (z. B. Absieben bestimmter Minerale). Ist es mit einem Mörser händisch nicht möglich alle Gesteinskörner zu zermahlen, ist ein Backenbrecher zu nutzen.

– Das pulverisierte Material wird homogen mit den Zugabestoffen vermengt.

– Das Material ist anschließend mittels einer Presse in den Oedometerring einzubauen. Eine Presskraft von 100 kN hat sich im Rahmen der Forschungsarbeit bewährt, der Pressdruck sollte aber grundsätzlich in Abhängigkeit von der gewünschten Dichte gewählt werden.

­ ­Der Oedometerring mit Probe wird in den Versuchsstand eingebaut. Die Messuhr wird ausgerichtet. Durch Zugabe von demineralisiertem Wasser wird der Quellprozess eingeleitet. Die Versuche müssen anfangs alle paar Sekunden, dann alle Stunde abgelesen werden. Nach ca. 24 Stunden ist es ausreichend, die Hebungen täglich zu erfassen.

Während der Versuche ist die Temperatur im Labor konstant auf + 15 °C bis + 20 °C zu halten, um die Ettringitbildung zu ermöglichen. Die Temperatur ist im Protokoll bei jeder Messung festzuhalten. Da eine Beurteilung einer möglichen Thaumasitbildung auf der Basis von Versuchen zur Ettringitbildung nach derzeitigem Kenntnisstand nicht abschließend möglich ist, wird auch unter Berücksichtigung der Ergebnisse aus Keller, Mosthof et al. (2002) grundsätzlich empfohlen, zusätzliche Versuche mit gleichem Material aber einer Temperatur von kleiner + 10 °C (z. B. + 5 °C) durchzuführen.

Der Probekörper im Oedometerversuchsstand ist stets unter Wasser zu halten, um das Sulfat zu lösen und zu transportieren. Gegebenenfalls verdunstetes Wasser ist zu ersetzen.

Die Versuchsdauer ist stark materialabhängig und muss projektbezogen festgelegt werden. Die minimale Versuchsdauer sollte 60 Tage betragen, da nach allen Erfahrungswerten eine Ettringitbildung innerhalb dieses Zeitraumes bei baupraktisch üblichen Bindemittelgehalten in der Regel weitgehend abgeschlossen ist. Anzumerken ist, dass sowohl in der Literatur (Witt, 2011, Keller, Mosthof et al. 2002) als auch in unseren Versuchen die sekundären Hebungsprozesse nach spätestens 4 Tagen begonnen haben. Die im Rahmen des vorgestellten Forschungsprojektes durchgeführten Versuche haben dabei gezeigt, dass der überwiegende Teil der sekundären Hebungen nach 10 bis 40 Tagen abgeschlossen ist. In den Langzeitversuchen in der BASt setzten sich die Quellhebungen oft noch über Monate, zum Teil bis zum Versuchsende fort. Die Hebungen fielen dabei aber sehr schwach aus und lagen maximal im einstelligen Prozentbereich. Eine Versuchsdauer von mehr als 90 Tagen erscheint daher nicht zielführend. Weiter haben die Langzeitversuche auch keinen Hinweis darauf gebracht, dass eine Umlagerung der Proben aus dem warmen (18 °C) in das kalte (4 °C) Milieu eine erneute Quellhebung auslöst.

Zur Auswertung der Versuche sind für alle Messungen die Dehnungen zu errechnen und in Abhängigkeit der Zeit t darzustellen. Beim Pulverquellversuch sind die Quelldehnungen einerseits auf die Quelleigenschaften der Probe, andererseits aber auch auf die Hydratation des gemahlenen Korns zurückzuführen. Die Anfangshebungen, die auf die Hydratation zurückzuführen sind, müssen aus den Versuchsergebnissen herausgerechnet werden. Die errechneten Dehnungen infolge Ettringitbildung können dann in Abhängigkeit des Bindemittelgehalts dargestellt werden.

Zur qualitativen und quantitativen Bestimmung des Mineralbestandes wird nach Versuchsende eine Röntgendiffraktometrie empfohlen. Mit Hilfe von rasterelektronenmikroskopischen Aufnahmen kann zudem auch die Verteilung und Ausbildung von Ettringitkristallen aufgenommen werden.

Nach dem derzeitigen Wissensstand muss allerdings angemerkt werden, dass Quellhebungsversuche nicht zwangsläufig den späteren Zustand auf der Baustelle abbilden. Trotz negativ verlaufender Quellhebungsversuche sind aus der Praxis Schadensfälle bei der Bindemittelbehandlung zuvor untersuchter Böden belegt. Auch die im Rahmen des vorliegenden Forschungsvorhabens durchgeführten Versuche am Probenmaterial ,,WTVQII" zeigen, dass Sulfattreiben trotz eines sehr hohen Sulfatgehaltes im Boden ausbleiben kann. Die Ursachen für dieses Phänomen sind bislang noch nicht erforscht.

7 Zusammenfassung

In dem hier dokumentierten Forschungsprojekt wurden Einflussgrößen für die Ettringitbildung mit dem Ziel untersucht, Grundlagen für die Entwicklung einer praxistauglichen Prüfvorschrift zu erarbeiten.

Als Einflussfaktoren die eine Ettringitneubildung begünstigen sind insbesondere der Mineralbestand, das Wasserangebot, das chemische Milieu, die Temperatur, die Porenstruktur, die Bindemittelart und der Überlagerungsdruck als wesentliche Einflussfaktoren aus der Literatur bekannt.

Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurde das Quellverhalten an Materialien mit natürlichem Sulfatgehalt (hier beispielhaft das Probenmaterial GBET) und ohne einen natürlichen Sulfatgehalt (hier beispielhaft das Probenmaterial WTF3) untersucht. Es wurde festgestellt, dass ein nahezu linearer Zusammenhang zwischen dem Sulfatgehalt und der Dehnung infolge Ettringitbildung besteht. Für eine Abschätzung der in Abhängigkeit vom Sulfatgehalt und eingesetzten Bindemittel zu erwartenden Hebungen wurden die in den Bildern 8 und 9 dargestellten Kenngrößen als Richtwerte abgeleitet. Der ,kritische Sulfatgehalt` ist zum einen stark materialabhängig und wird zum anderen durch die Wahl des Bindemittels beeinflusst. Es konnte validiert werden, dass eine Bindemittelbehandlung mit Weißfeinkalk ungünstiger ist als eine Behandlung mit Portlandzement, da sowohl bei den natürlich sulfatfreien, als auch bei den natürlich sulfathaltigen Materialien bei Verwendung von Weißfeinkalk größere Volumendehnung eintraten.

Im Bereich geringer Sulfatgehalte (3.000 und 5.000 ppm) wurde kein Einfluss des Bindemittelgehalts festgestellt. Erst ab Sulfatgehalten > 5.000 ppm konnten Unterschiede festgestellt werden.

Als Prüfverfahren zur Ermittlung des Quellpotenzials und zur Abschätzung des Schadensrisikos wurde ein Ablaufplan (Bild 10) vorgeschlagen.

Im Rahmen des vorgestellten Forschungsvorhabens konnten bisher nur einige wesentliche der vielen Randbedingungen, die die Kristallisation von Ettringitmineralen begünstigen, untersucht werden. Hinsichtlich des Einflusses bestimmender Faktoren wie z. B. der Porenstruktur, des Verdichtungsgrades, der Umgebungstemperatur, des Bindemittelgehalts, des DolomitGehalts, des Einflusses von Frost-Tau-Wechseln und auch hinsichtlich der Anwendbarkeit der Indexversuche zur qualitativen Sulfatbestimmung im Feld, besteht weiterer Forschungsbedarf.

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Danksagung

Die diesem Bericht zum Teil zugrundeliegenden Forschungsarbeiten wurden im Auftrag des Bundesministeriums für Verkehr und digitale Infrastruktur, vertreten durch die Bundesanstalt für Straßenwesen, unter FE Nr. 05.0171/ 2012/BGB sowie KLAP Nr. 3214200 durchgeführt. Die Verantwortung für den Inhalt liegt allein bei den Autoren.

Unser besonderer Dank gilt der fachlichen Unterstützung der Betreuergruppe, i.e. den Herren Dr. Kuhl, Dr. Schade und Prof. Witt.