„Nachhaltigkeit“ entwickelt sich zu einem der bestimmenden Leitbilder der politischen und gesellschaftlichen Diskussion des 21. Jahrhunderts. Eine nachhaltige Entwicklung betrifft alle Wirtschaftszweige und stellt das Bauwesen vor große und komplexe Herausforderungen. So muss das bei jeder Baumaßnahme unausweichliche Eingreifen in die Umwelt hinsichtlich der ökologischen, ökonomischen und sozialen Wirkungen beurteilt werden. Das Ziel einer nachhaltigen Entwicklung ist nur dann erreichbar, wenn diese drei Aspekte in ein Gleichgewicht gebracht werden. Mit dem Leitbild der Nachhaltigkeit ist aber lediglich der Rahmen für die zukünftige Entwicklung abgesteckt. Es bedarf branchen- und fachspezifischer Strategien um diese Entwicklung mit tragfähigen Inhalten zu füllen.

Eine dieser fachspezifischen Strategien entwickelt sich im Erdbau hinsichtlich der Auswahl und Verwendung von Erdbaustoffen. Bedingt durch sich ändernde gesetzliche Randbedingungen und Anforderungen des allgemeinen Umweltschutzes wird es zunehmend notwendig, möglichst alle verfügbaren lokal anstehenden Böden, aber auch Recycling-Baustoffe und industrielle Nebenprodukte im Erdbau zu verwenden. Unter diesen Gesichtspunkten ist eine fachspezifische Strategie zur nachhaltigen Entwicklung im Erdbau unter dem Leitmotiv der „Materialeffizienz und Ressourcenschonung“ zu konkretisieren.

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

1 Materialeffizienz und Ressourcenschonung – Gestaltung der nachhaltigen Materialverwendung im Erdbau

1.1 Ausgangssituation

Dem Ziel der Schonung der Ressourcen ist mit dem Kreislaufwirtschafts- und Abfallgesetz [6] ein gesetzlicher Rahmen gegeben. Für eine nachhaltige Materialverwendung ist insbesondere die darin definierte 3-stufige Hierarchie grundlegend. Demnach sind Abfälle grundsätzlich zu vermeiden. Sofern dies nicht möglich ist, ist eine Verwertung anzustreben und erst als letzte Möglichkeit ist eine Beseitigung im Sinne einer Deponierung vorgesehen. Da bei Erdbauarbeiten häufig Massenüberschüsse anfallen, rückt die im Kreislaufwirtschafts- und Abfallgesetz formulierte Grundpflicht in den Mittelpunkt, die den Besitzer von Stoffen zur Verwertung verpflichtet, solange dies technisch und wirtschaftlich zumutbar ist.

Die Relevanz einer effizienteren Materialnutzung und Ressourcenschonung im Erdbau wird durch die Betrachtung der im Erd- und Grundbau bewegten Stoffströme bei der üblichen Materialverwendung offensichtlich. So weist die statistische Erfassung mineralischer Bauabfälle [1] für 2004 einen Abfallanteil an Bodenaushub von ca. 130 Mio. t. aus, der tatsächliche Anteil dürfte aufgrund einer zu vermutenden hohen Dunkelziffer der nicht erfassten Massen noch weitaus größer sein. Dem Anfall an Abfällen steht eine Menge von ca. 350 Mio. t. an Produkten der Stein- und Erdenindustrie gegenüber, die schätzungsweise jährlich im Tiefbau erforderlich werden. In Summe werden somit ca. 500 Mio. t. Bau- und Baureststoffe mit Bezug zum Erd- und Grundbau in Deutschland jährlich bewegt.

Dieser Massenstrom aus Erdstoffabfällen und der Anlieferungen von mineralischen Erdbaustoffen wird durch die in der Praxis häufig zu beobachtende Materialverwendung maßgeblich bestimmt. Nach wie vor werden so weit möglich qualitativ hochwertige, insbesondere ungebrauchte, mineralische Baustoffe im Erdbau verwendet. Der Einsatz von Sekundärrohstoffen (z. B. Recycling-Baustoffe, industrielle Nebenprodukte) erfolgt nur zögerlich. Auch vor dem Einsatz vor Ort anstehender Böden und Baustoffe, die scheinbar wenig geeignet sind, oder die als unbrauchbar eingeschätzt werden (z. B. organische Böden, veränderlich feste Gesteine), wird vielfach zurückgeschreckt. Natürlich ist bei solchen Baustoffen mit komplexen bodenmechanischen Eigenschaften von höheren bautechnischen Anforderungen auszugehen. Sie lassen sich auch nicht immer pauschal mit Regelwerken abdecken, so dass eventuell im Vorfeld von Maßnahmen ein höherer Aufwand an Untersuchungen erforderlich wird. Grundsätzlich lässt sich aber fast immer eine technische Lösung finden.

Gerade vor dem Hintergrund zukünftiger Entwicklungen wird es erforderlich werden, möglichst alle verfügbaren Baustoffe zu verwenden. Denn es ist absehbar, dass es zu restriktiveren Auflagen bei der Genehmigung von Gewinnungsstätten mineralischer Baustoffe kommen wird, was dann zu einer Verknappung dieser Produkte führt. Auch wird es durch umweltpolitische Vorgaben zu einer Verknappung von Deponieraum kommen. Dies führt dann zwangsläufig zu einer qualifizierten Weiterverwertung zahlreicher Erdbaustoffe, die bisher noch als Abfall behandelt werden. Unabhängig von diesen Zwängen muss es im Interesse aller Baubeteiligten sein, für eine nachhaltige Materialverwendung ökologische und ökonomische Aspekte zu vereinbaren. Denn der in Deutschland häufig praktizierte „Abfalltourismus“, der es mit sich bringt, dass beispielsweise Bodenaushub aus München in Braunkohletagebauten verbracht und damit einer Verwertung zugeführt wird, darf unter Umweltgesichtspunkten nicht sein. Ein entsprechendes Vorgehen ist sicherlich kein Beitrag zur CO₂-Einsparung sowie zum erforderlichen Klimaschutz und wird auch der Zielstellung des Kreislaufwirtschafts- und Abfallgesetzes nicht gerecht.

1.2  Ziele

Resultierend aus diesen Überlegungen sind die Inhalte der für die nachhaltige Materialverwendung im Erdbau erforderlichen Materialeffizienz und Ressourcenschonung wie folgt zu gestalten:

• Materialeffizienz
  • Natürliche Erdbaustoffe sind optimal einzusetzen.
  • Lokal verfügbare bzw. anstehende Baustoffe sind möglichst umfänglich zu verwenden.
  • Sekundärrohstoffe sind zu verwenden und gleichrangig zu natürlichen Erdbaustoffen zu stellen.
  • Deponierung von Erdbaustoffen ist zu vermeiden
  • Bauweisen sind zu optimieren, um möglichst viele Erdbaustoffe zu verwenden.
• Ressourcenschonung
  • Gewinnungsstätten natürlicher mineralischer Erdbaustoffe sind unter Beachtung des Wasser-, Boden-, Natur- und Immissionsschutzes zu betreiben. Eine möglichst hochwertige Anwendung dieser Erdbaustoffe ist vorzusehen.
  • Flächenbedarf für Bautätigkeiten und Materialgewinnung ist zu minimieren.
  • Transportwege von Erdbaustoffen sind zu minimieren und zu optimieren.
  • Dauerhaftigkeit von Bauwerken ist zu optimieren.

Die Umsetzung bautechnischer Aspekte der Materialeffizienz und Ressourcenschonung in der Erdbaupraxis bedarf zunächst einer fachtechnischen Zusammenführung bautechnischer und umweltbezogener Belage. Gerade bei Baustoffen mit umweltrelevanten Inhaltstoffen sind umweltbezogene Anforderungen noch dominierend und behindern daher häufig den bautechnischen Einsatz. Es ist anzustreben, in maßgeblichen Regelwerken die Erfordernisse des Umweltschutzes und die Möglichkeiten einer bautechnischen Anwendung gleichrangig zu behandeln und aufeinander abzustimmen. In gleichem Maße ist es erforderlich, sämtliche Aspekte der Materialeffizienz und Ressourcenschonung in allen Phasen eines Projektes und von allen Projektbeteiligten zu berücksichtigen und umzusetzen.

Neben einer Berücksichtigung in bautechnischen Regelwerken ist für eine Etablierung der nachhaltigen Materialverwendung in der Baupraxis deren Machbarkeit zu belegen. Hierzu sind ausgewählte Referenzvorhaben, in denen bautechnische und umweltbezogene Besonderheiten besonders zu beachten sind, umzusetzen und idealer Weise auch wissenschaftlich zu begleiten.

Eine weitere Voraussetzung zur Umsetzung liegt in der Entwicklung eines Stoffstrommanagements. Die nachhaltige Materialverwendung bedingt eine gezielte Steuerung und Verfolgung der zu transportierenden Erdstoffe unter Berücksichtigung ihrer technischen Eigenschaften.

Allgemein bleibt festzustellen, dass es erklärtes Ziel sein muss, den Baustoffbegriff solange als möglich zu erhalten. Das gilt sowohl für natürliche Böden als auch für Ersatzbaustoffe. Es ist widersprüchlich, wenn es sich beispielsweise bei der Entnahme von Kies aus einer Kiesgrube um die Gewinnung von Baustoffen handelt, die Entnahme des gleichen Materials beim Auffahren eines Straßeneinschnitts oder eines Tunnels aber womöglich als Abfallerzeugung deklariert wird, obwohl dieses Material weiter als Baustoff verwendet wird. Grundsätzlich sollte der Abfallbegriff auch besonders im Sinne der Ressourcenschonung so spät als möglich greifen, und zwar erst dann, wenn der Boden oder der Baustoff bautechnisch nicht mehr verwendbar ist oder eine umweltbezogene Bewertung ihn als gefährlichen Stoff einstuft.

2 Regelwerke

2.1 Bautechnische Regelwerke

Im erdbautechnischen Regelwerk wurde die Notwendigkeit der Verknüpfung bautechnischer und umweltbezogener Anforderungen erkannt und mit der Umsetzung begonnen.

So wurden die ZTV E-StB 94/97 auch mit dem Ziel überarbeitet, die Wiederverwendung nahezu aller Böden zu ermöglichen. In den nun aktuellen ZTV E-StB 09 [13] wurden die im Erdbau des Straßenbaus einsetzbaren Böden und Baustoffe unter anderem um erdbautechnisch relevante rezyklierte sowie industriell hergestellte Gesteinskörnungen erweitert.

Als neuer Bestandteil des erdbautechnischen Regelwerks sind die TL BuB E-StB 09 [9] (Technische Lieferbedingungen für Böden und Baustoffe im Erdbau des Straßenbaus) entstanden.

Als Pendant zu den aus dem ungebundenen Straßenoberbau bekannten TL Gestein-StB 04 [10] werden die TL BuB E-StB 09 [9] zukünftig den Erdbau des Straßenbaus abdecken und bautechnische und umweltbezogene Anforderungen an zu liefernde Böden und Baustoffe definieren. Hinsichtlich umweltrelevanter Anforderungen verweisen die TL BuB E-StB 09 [9] auf den Anhang D der TL Gestein-StB 04 [10]. So werden keine weiteren Anforderungen definiert und stattdessen auf bereits gebräuchliche Regelungen zurückgegriffen. Mit den TL BuB E-StB 09 [9] soll somit auch bauvertraglich eine Klarheit für den Umgang mit Böden und Baustoffen im Erdbau des Straßenbaus geschaffen werden.

Aber auch hinsichtlich der im Erdbau des Straßenbaus einsetzbaren Baustoffe werden mit den TL BuB E-StB 09 [9] Neuerungen eintreten, die der Umsetzung einer nachhaltigen Materialverwendung in der Praxis dienen werden. Neben den bereits in die ZTV E-StB 09 [13] aufgenommenen industriell hergestellten Gesteinskörnungen und rezyklierten Baustoffen werden als neuer Baustoff „Böden mit Fremdbestandteilen“ definiert. Darunter fallen Gemische aus Böden und Fremdbestandteilen mineralischen Ursprung (z. B. hydraulisch gebundene Stoffe, mit Bitumen gebundene Stoffe oder Produktionsrückstände aus thermischen Prozessen). Gewöhnlich fallen mit Fremdbestandteilen versetzte Böden als Bodenaushub bei Bautätigkeiten in ehemals bebauten oder rekultivierten Gebieten an. Als typische Beispiele sind innerstädtischer Bodenaushub oder der Rückbau künstlicher Verfüllungen zu nennen. Weiterhin können Böden mit Fremdbestandteilen auch gezielt hergestellt werden, z. B. im Rahmen einer mechanischen Bodenverbesserung feinkörniger Böden mit grobkörnigen rezyklierten Baustoffen oder ähnlichem. Eine Abgrenzung zu Böden bzw. rezyklierten Baustoffen wird in den TL BuB E-StB 09 [9] anhand des Anteils an Fremdbestandteilen, wie im Bild 1 dargestellt, vorgenommen.

Bild 1: Abgrenzung zwischen Boden, Boden mit Fremdbestandteilen und rezyklierten Baustoffen nach den TL BuB E-StB 09 [9]

Insbesondere die Verwendung von Baustoffen, die nun als Böden mit Fremdbestandteilen zu bezeichnen sind, war in der Erdbaupraxis bisher schwierig. Aufgrund fehlender erdbautechnischer Richtlinien wurden sie häufig nach den LAGA M 20 [8] als Bauschutt deklariert, was der Akzeptanz, selbst bei einer Unbedenklichkeit gegenüber umweltrelevanten Inhaltstoffen, zum Einsatz in einem Erdbauwerk nicht dienlich war. Sie wurden daher häufig deponiert und standen dem Stoffkreislauf und damit einer nachhaltigen Verwendung nicht mehr zur Verfügung.

Weiteres und wesentliches Bindeglied zwischen bautechnischen und umweltbezogenen Anforderungen im Erdbau ist das seit Anfang 2009 vorliegende „Merkblatt über Bauweisen für Technische Sicherungsmaßnahmen beim Einsatz von Böden und Baustoffen mit Umweltrelevanten Inhaltsstoffen im Erdbau“ (M TS E) [7]. Die im M TS E [7] anhand von sechs Bauweisen vorgeschlagenen konstruktiven und bautechnischen Maßnahmen für Dämme und Wälle, die bei Verwendung von Erdbaustoffen mit umweltrelevanten Inhaltstoffen den Schutz von Boden, Grundwasser und Oberflächenwasser gewährleisten, werden zukünftig auch den Einsatz von Böden und Baustoffen ermöglichen, die bisher aufgrund umweltbezogener Probleme deponiert und nicht wiederverwendet wurden.

2.2 Zusammenwirken bautechnischer und umweltbezogener Regelungen

Es zeichnet sich ab, dass das M TS E [7] über den Erdbau des Straßenbaus hinausgehende Bedeutung erlangen wird. In der aktuell als Entwurf aus dem Jahr 2007 vorliegenden Ersatzbaustoffverordnung [12] wurden Bauweisen aus dem M TS E [7] als Beispielbauweisen zur bautechnischen Verwendung von Stoffen mit umweltrelevanten Inhaltstoffen aufgenommen. Als Beispiel ist im Bild 2 die „Bauweise A mit verwitterungsempfindlichen Dichtungselementen ohne Sickerschicht“ dargestellt, die als ein Vorschlag zur Straßendammausbildung unter Verwendung von Boden oder Baustoffen mit umweltrelevanten Inhaltsstoffen aus dem M TS E [7] in die Ersatzbaustoffverordnung übernommen werden soll. Die Ersatzbaustoffverordnung soll die schadlose Verwertung von Abfällen bundeseinheitlich regeln und die aktuelle Situation, wonach umweltbezogene Regelungen zum Umgang mit Abfällen aus dem nicht rechtsverbindlich eingeführten LAGA M 20 [8] sowie diverser länderspezifischer Regelungen abgeleitet werden, ersetzen. Die Ersatzbaustoffverordnung [12] wird für den Einbau gebundener und ungebundener mineralischer Ersatzbaustoffe in technischen Bauwerken gelten, deren umweltbezogenen Anforderungen für Böden aus Baumaßnahmen, der Aufbereitung sowie der Lagerung, für Abfälle aus Bautätigkeiten, für industriell hergestellte Gesteinskörnungen und Recyclingprodukte gelten werden.

Nach Inkrafttreten der Ersatzbaustoffverordnung [12] werden im Erdbau des Straßenbaus die darin definierten umweltbezogenen Regelungen zusammen mit den erdbautechnischen Regelungen der ZTV E-StB 09 [13], den TL BuB E-StB 09 [9] und dem M TS E [7] angewendet werden. So entsteht eine Verflechtung von bautechnischen und umweltbezogenen Regelungen (Bild 3).

Bild 2: Bauweise A mit verwitterungsempfindlichen Dichtungselementen ohne Sickerschicht nach M TS E [7]

Bild 3: Zusammenwirken bautechnischer und umweltbezogener Regelungen bei der Verwendung von Böden und Baustoffen im Erdbau des Straßenbaus

2.3 Anwendungsszenarien im Erdbau des Straßenbaus

Mit dem Zusammenwirken bautechnischer und umweltbezogener Regelungen ist seitens der Aufsteller bautechnischer Regelwerke ein wichtiger Schritt zur Verwirklichung einer nachhaltigen Materialverwendung im Erdbau des Straßenbaus gemacht. Für zwei wesentliche Szenarien des Erdbaus im Straßenbau, Materialabgabe und Materialanlieferung, bei denen Böden und Baustoffe transferiert werden, ist demnach in der Praxis wie folgt zu differenzieren:

• Materialabgabe
  Bei einer Materialabgabe aus Bautätigkeiten im Straßenbau, z. B. aus Massenüberschüssen im Erdbau, und einer vorgesehenen technischen Verwertung, sind die umweltbezogenen Regelungen und somit zukünftig die Anforderungen der Ersatzbaustoffverordnung zu beachten.
• Materialanlieferung
  Werden Böden und Baustoffe für Erdbauarbeiten im Straßenbau benötigt, müssen diese gelieferten Böden und Baustoffe neben den bautechnischen Anforderungen der ZTV E-StB 09 auch die Anforderungen der TL BuB E-StB 09 erfüllen.

Aus den bisherigen Regelwerken geht jedoch noch nicht eindeutig hervor, welche Regelungen bei einem Materialtransfer zwischen verschiedenen Baumaßnahmen innerhalb der Zuständigkeit eines einzelnen Bauherrn einzuhalten sind.

3 Beispiele aus Forschung und Praxis

3.1 Allgemeines

Resultierend aus den Neuerungen im straßenbautechnischen Regelwerk und aus zusammen mit Partnern der Baupraxis bearbeiteten Spezialfragestellungen sowie in innovativen Forschungsprojekten werden Themen mit Bezug zur nachhaltigen Materialverwendung im Erdbau am Zentrum Geotechnik wissenschaftlich bearbeitet. Nachfolgend werden Ergebnisse und Inhalte von kürzlich abgeschlossenen sowie noch laufenden Forschungsprojekten dargelegt, die die Erfordernis und die Möglichkeiten einer nachhaltigen Materialverwendung im Erdbau aufzeigen.

3.2        Einsatz veränderlich fester Gesteine als Erdbaustoff

Veränderlich feste Gesteine bilden in den Mittelgebirgen in Süd- und Mitteldeutschland große Teile der oberflächennah anstehenden Gesteine. Entsprechend häufig werden sie daher bei Straßenbaumaßnahmen in diesen Gegenden angetroffen und stehen prinzipiell als Baustoff zur Verfügung.

Die erdbautechnische Verwendung von veränderlich festen Gesteinen stellt erhöhte Anforderungen an die Erdbautechnik. Aufgrund ihrer Empfindlichkeit gegenüber Witterungseinflüssen zerfallen sie in Abhängigkeit von ihrer Zusammensetzung, der inneren Bindung und dem jeweils angetroffenen Verwitterungsgrad unterschiedlich stark und schnell in kleinere Kornfraktionen mit veränderlicher Kornfestigkeit.

Diese Prozesse können bei ungünstigen Einbaubedingungen auch im verdichteten Zustand auftreten, was häufig negative Festigkeits- und Tragfähigkeitsveränderungen zur Folge hat. Zudem weisen aus veränderlich festen Gesteinen geschüttete Dämme Anteile feinkörniger, bindiger Kornfraktionen auf, deren Konsistenz bei Wassereinwirkung abnimmt, was ebenfalls zu Tragfähigkeitsverminderungen führen kann.

Aufgrund dieser Materialeigenschaften bestehen häufig Vorbehalte gegen die Verwendung veränderlich fester Gesteine in Erdbauwerken. Hinzu kam bisher, dass das straßenbautechnische Regelwerk nur wenige konkrete Vorgaben und Hinweise zur Eignung und Verwendung veränderlich fester Gesteine aufwies. Vor diesem Hintergrund und der Überarbeitung der ZTV E-StB wurde in den Jahren 2002 bis 2004 am Zentrum Geotechnik ein Forschungsvorhaben zu „Aufbereitung und Einbau veränderlich fester Gesteine“ [3] bearbeitet. Ergebnisse dieser Forschungsarbeit fanden Eingang in die ZTV E-StB 09 [13].

So wurde der Siebtrommelversuch nach TP BF-StB Teil C 20 [11] als geeigneter Versuch zum Erkennen einer veränderlichen Festigkeit in die ZTV E-StB 09 [13] aufgenommen. In [3] wurde aufgezeigt, dass die bisher vorgesehene Beurteilung veränderlich fester Gesteine nach DIN 4022 eine veränderliche Festigkeit nicht sicher aufzeigen kann. Das sichere Erkennen veränderlich fester Eigenschaften von Baustoffen bildet jedoch die Grundlage für deren qualifizierte Verwendung im Erdbau.

Als weiteres Ergebnis wurde in [3] die Verschärfung von Verdichtungsanforderungen empfohlen. War bisher für veränderlich feste Gesteine, die bei einer Verwendung im Erdbau häufig als gemischtkörnige Böden vorliegen, ein Verdichtungsgrad D_pr = 95 % und ein Luftporenanteil n_a £ 12 % gefordert, wird nach den ZTV E-StB 09 [13] zumindest ein Verdichtungsgrad D_pr = 97 % erforderlich. Die Anforderungen an die Luftporenanteile bleiben bestehen, jedoch wird darauf hingewiesen, dass bei veränderlich festen Gesteinen auch Luftporenanteile n_a £ 6 % erforderlich werden können, was dann durch gesonderte Untersuchungen festzulegen ist.

Bild 4: Roter Letten Tonstein: Spannungsabhängiges Verformungsverhalten bei Wassersättigung in unterschiedlichen Einbauzuständen; Quellpotenzial (oben) und Setzungen bei Aufsättigung (unten), Grafiken aus [3]

In [3] wurde aufgezeigt, dass in diesen gesonderten erdbautechnischen Untersuchungen das spannungsabhängige Verformungsverhalten bei Wassersättigung in unterschiedlichen Verdichtungszuständen untersucht werden sollte. So lassen sich qualifizierte Einbaubedingungen ableiten, mit denen Verformungen, bedingt durch Aufsättigung des Dammbauwerks während der Nutzungsdauer, minimiert werden und die die Gebrauchstauglichkeit während der Nutzungsdauer gewährleisten. Weitergehende Untersuchungen sollten auch eine Beurteilung der Tragfähigkeit durch Wassersättigung und Verwitterung beinhalten.

Im Bild 4 sind exemplarisch für einen veränderlich festen Roten Letten Tonstein Ergebnisse entsprechender Untersuchungen aus [3] dargestellt. Das obere Diagramm 4 zeigt das Quellpotenzial und die Quelldrücke des verdichteten veränderlich festen Gesteins bei unterschiedlichen Verdichtungsgraden und Luftporenanteilen unter oedometrischer Belastung. Für dieselben Einbaubedingungen zeigt das untere Diagramm im Bild 4 das in Großoedometerversuchen (Probendurchmesser 30 cm) untersuchte Verformungsverhalten bei der Belastung teilgesättigter Proben bis zu einer Vertikalspannung s = 500 kN/m² und anschließender Wassersättigung. Der Vergleich der Untersuchungsergebnisse zeigt exemplarisch, dass insbesondere bei hohen Verdichtungsgraden und geringen Luftporenanteilen (entsprechende Einbauzustände liegen meist im Optimum oder der nassen Seite der Proctorkurve) geringe Veränderungen der geotechnischen Eigenschaften nach Verdichtung und somit während der Nutzungsdauer zu erwarten sind. Hingegen zeigt sich der Boden bei einem höheren Luftporenanteil von n_a = 8 %, trotz hohem Verdichtungsgrad, deutlich verformungsempfindlicher bei Wassereinwirkung.

Mit den neuen Vorgaben in den ZTV E-StB 09 [13] sowie anforderungsgerechten Voruntersuchungen und entsprechender Berücksichtigung der Materialeigenschaften in Planung und Konstruktion können veränderlich feste Gesteine als Erdbaustoff eingesetzt werden.

3.3 Erdbautechnische Eignung von Böden mit Fremdbestandteilen, RC-Baustoffen und industriellen Nebenprodukten

Mit den ZTV E-StB 09 [13] und den TL BuB E-StB 09 [9] ist die Verwendung von Recycling-Baustoffen, industriell hergestellten Gesteinskörnungen und Böden mit Fremdbestandteilen bauvertraglich geregelt. Entsprechende Baustoffe werden daher im Erdbau an Bedeutung gewinnen.

Wie bereits in Abschnitt 2.1 erläutert, stehen mit Böden mit Fremdbestandteilen ein Baustoff zur Verfügung, der bisher keine regelmäßige Verwendung im Erdbau fand. Entsprechend schwierig gestaltete sich die Beurteilung der erdbautechnischen Eigenschaften entsprechender Baustoffe. Daher wurden parallel zur Erarbeitung der TL BuB E-StB 09 [9] im Forschungsvorhaben „Erdbautechnische Eignung und Klassifikation von Böden und Fremdbestandteilen und von Bauschutt“ [2] die erdbautechnischen Eigenschaften entsprechender Baustoffe untersucht.

Im Erdbau des Straßenbaus ist die Erstellung dauerhaft gebrauchstauglicher Erdbauwerke von grundlegender Bedeutung. Wesentlicher Bestandteil ist dabei die Dauerhaftigkeit bzw. der Widerstand gegen Verwitterung der eingesetzten Baustoffe. Da anzunehmen ist, dass zukünftig im Erdbau industrielle Nebenprodukte, RC-Baustoffe und Böden mit Fremdbestandteilen zum Einsatz kommen, die den strengen Anforderungen des Straßenoberbaus nicht genügen, wurde in [2] zunächst die Möglichkeiten der Beurteilung der Dauerhaftigkeit von mineralischen Bestandteilen untersucht.

Als Analogiemodell wurde hierfür das Verwitterungsverhalten veränderlich fester Gesteine herangezogen. Wie zur Untersuchung natürlicher mineralischer Baustoffe wurde eine eventuell vorhandene Verwitterungsneigung durch Siebtrommelversuche in Anlehnung an die TP BF-StB Teil C 20 [11] durchgeführt. Es zeigte sich, dass diese Versuchstechnik prinzipiell auch zur Klassifikation mineralischer Fremdbestandteile geeignet ist. Es ist jedoch erforderlich, das in der Prüfvorschrift vorgegebene Auswerteschema zu erweitern. Hierzu wurde ein Vorschlag in [2] dargelegt. Im Ergebnis zeigte sich, dass die überwiegende Anzahl der untersuchten mineralischen Fremdbestandteile keine für den Erdbau des Straßenbaus relevante veränderliche Festigkeit aufweisen. Lediglich an einigen Proben mineralischer Fremdbestandteile, die den Mörteln und Putzen zuzurechnen waren, konnte eine veränderliche Festigkeit nachgewiesen werden.

Die Untersuchungen zu den erdbautechnischen Eigenschaften zeigten, dass bei den genannten Baustoffen, aufgrund ihrer granularen Eigenschaften und ihrer stofflichen Kennzeichnung, eine Benennung nach DIN EN ISO 14688-1 und eine Klassifikation nach DIN 18196 möglich und sinnvoll ist. Somit ist eine Eingruppierung in das straßenbautechnische Regelwerk möglich. Dennoch sind einige grundsätzliche Unterschiede zu den üblichen erdbautechnischen Eigenschaften natürlicher Böden festzustellen.

Die Untersuchungen zu den Verdichtungs- und Tragfähigkeitseigenschaften zeigten deutliche Unterschiede zwischen Baustoffen, die als grobkörnige Böden sowie gemischtkörnige Böden mit Feinkornanteilen £ 15 M.-% eingruppiert werden und Baustoffen, die als gemischtkörnige Böden mit Feinkornanteilen > 15 M.-% sowie als feinkörnige Böden eingruppiert werden.

Insbesondere bei grob- und gemischtkörnigen (Feinkornanteil ≤ 15 %) Böden (Bild 5) mit hohen Anteilen an Fremdbestandteilen sind die durch Verdichtung erreichbaren Trockendichten nicht immer Funktionen des Wassergehaltes. Hier beeinflussen insbesondere poröse, wassersaugende Fremdbestandteile die Verdichtungseigenschaften. Die Kenntnis entsprechender Materialeigenschaft ist daher vor Verwendung entsprechender Baustoffe für die Festlegung von Verdichtungsanforderungen nach den ZTV E-StB 09 [13] erforderlich. Auch die Tragfähigkeit dieser überwiegend grobkörnigen Böden mit Fremdbestandteilen wird maßgeblich von den Eigenschaften und dem Anteil der Fremdbestandteile bestimmt. Dies heißt jedoch nicht, dass ihre Tragfähigkeit bei ausreichender Verdichtung als ungenügend zu beurteilen wäre, sondern vielmehr, dass ihre geotechnischen Eigenschaften eben nicht immer mit denen natürlicher Böden vergleichbar sind.

Bild 5: Zusammenfassung geotechnischer Eigenschaften grob- und gemischtkörniger (Feinkornanteil ≤ 15 %) Böden mit Fremdbestandteilen, nach [2]

Nach den Ergebnissen in [2] weisen Böden mit Fremdbestandteilen mit einem Feinkornanteil > 15 M.-% (Bild 6) bezüglich ihrer Verdichtungs- und Tragfähigkeitseigenschaften zunehmend die Charakteristik natürlicher Böden vergleichbarer Bodengruppen auf. Das Vorhandensein von Fremdbestandteilen bleibt aber erkennbar, z. B. anhand geringerer erreichbarer Proctordichten bei Fremdbestandteilen geringer Dichte. Andererseits können die Fremdbestandteile auch die Wirkung einer mechanischen Bodenverbesserung haben, wenn z. B. Betonreste in einem feinkörnigen Boden eingebunden sind. Zu beachten sind vor dem Hintergrund der Verdichtungsanforderungen der ZTV E-StB 09 [13] Böden mit hohen Anteilen an porösen Fremdbestandteilen. Diese können teils hohe Luftporenanteile des verdichteten Baustoffs verursachen. Bestehen neben Anforderungen an den Verdichtungsgrad auch Anforderungen an den Luftporenanteil, sind entsprechend Böden nicht immer pauschal nach den Vorgaben der ZTV E-StB 09 [13] zu beurteilen. Die Anforderungen sollten dann vor Einbau gesondert festgelegt werden. In der Regel können die Verdichtungsanforderungen der ZTV E-StB 09 aber auch mit diesen Baustoffen erfüllt werden.

Bild 6: Zusammenfassung geotechnischer Eigenschaften gemischtkörniger (Feinkornanteil > 15 %) und feinkörniger Böden mit Fremdbestandteilen; nach 2

Aufgrund der oben beschriebenen Einflüsse von Fremdbestandteilen in Böden und Baustoffen sollte die stoffliche Zusammensetzung von Böden mit Fremdbestandteilen und RC-Baustoffen vor Einbau bekannt sein, um die erdbautechnischen Eigenschaften beurteilen zu können.

3.4 Gebrauchstauglichkeit von organischen Böden in Geländeaufschüttungen

Am Flughafen München wird aktuell eine dritte Start- und Landebahn geplant. Im projektierten Erweiterungsbereich stehen große Volumina an organischen Oberböden an. Es ist beabsichtigt, eine Deponierung dieser organischen Oberböden zu vermeiden. Stattdessen ist eine Verwendung in erforderlichen, untergeordneten Erdbauwerken, wie Lärmschutzwällen, Sichtschutzwällen und Besucherhügeln, geplant.

Aufgrund wenig vorhandener Erfahrungswerte zur erdbautechnischen Eignung und Verwendung organischer Böden wurde im Jahr 2008 mit fachlicher Begleitung durch das Zentrum Geotechnik eine Versuchsschüttung zum Nachweis der Gebrauchstauglichkeit von Geländeaufschüttungen aus organischen Böden auf einem Testfeld am Flughafen München umgesetzt. Die Versuchsschüttung wurde mit Abmessungen von Länge : Breite : Höhe = 30 m : 25 m : 5 m hergestellt. Die Schüttung wurde hälftig mit „trockenen“ (Einbauwassergehalte ca. w < 60 %) und hälftig mit „nassen“ (Einbauwassergehalte ca. w > 70 %) organischen Böden aufgebaut (Grundriss Bild 7).

Neben der Optimierung der Einbautechnologie ist es Ziel, mit der Versuchsschüttung einen Praxisbeleg für die Eignung und Machbarkeit der vorgesehenen Materialverwendung am Flughafen München zu erbringen. Hierzu wurde die Versuchschüttung umfangreich mit Messinstrumenten, z. B. TDR-Sonden, Tensiometer sowie einer Sickerwasserfassung, bestückt. Die seit 2008 laufende wissenschaftliche Begleitung des Projektes soll auch den Kenntnisstand zu mechanischen und hydraulischen Eigenschaften organischer Böden erweitern und somit einen verallgemeinerbarer Praxisnachweis zur erdbautechnischen Einsetzbarkeit organischer Böden liefern (siehe [4]).

Bild 7: Grundriss der Versuchsschüttung am Flughafen München, Grafik aus [4]

3.5 Entwicklung und Umsetzung eines Stoffstrommanagements

Im Zusammenhang mit der nachhaltigen Materialverwendung im Erdbau werden zukünftig die Planung, Steuerung und Kontrolle von Erdbewegungen wesentliche Aspekte darstellen. Insbesondere vor dem Hintergrund der Verknappung von Deponierungsmöglichkeiten von Restmassen und Bauabfällen werden schon verstärkt in der Planungsphase von Projekten Konzepte zur Materialverwendung entwickelt werden müssen. Idealer Weise münden diese Überlegungen in die gezielte Steuerung und Kontrolle der Erdmassenbewegungen während der Ausführungsphase. Nicht zuletzt erfordern auch die Neuerungen im straßenbautechnischen Regelwerk für den Erdbau verstärkte Nachweis- und Dokumentationspflichten der transportierten und gelieferten Böden und Baustoffe.

Für die erdbautechnische Umsetzung ist hierfür die Entwicklung eines Stoffstrommanagements das Ziel. Am Zentrum Geotechnik haben wir den Inhalt dieses zu entwickelnden Stoffstrommanagements wie folgt definiert:

Entwicklung von ganzheitlichen materialspezifischen Konzepten (qualitativ stoffliche Aspekte) zur Verwendung und Verwertung von Erdbaustoffen und granularen (Bau-) Stoffen im Erd- und Grundbau unter der Maßgabe einer ressourcenschonenden geotechnischen Planung, Konstruktion und Ausführung.

Die Entwicklung und Umsetzung eines Stoffstrommanagements im Erdbau wird aktuell als Teilaspekt im Forschungsverbund „Virtuelle Baustelle – Digitale Werkzeuge für die Bauplanung und -abwicklung“ (ForBAU) [5] umgesetzt. Der Forschungsverbund ForBAU hat das Ziel, komplexe Bauvorhaben, von der Planungs- bis hin zur Ausführungsphase in einem digitalen Baustellenmodell abzubilden.

In ForBAU wird die Entwicklung eines Stoffstrommanagements in Kooperation vom Zentrum Geotechnik der TU München und dem Lehrstuhl für Betriebswirtschaftlehre, insbesondere Logistik der Universität Erlangen-Nürnberg umgesetzt. Im Rahmen von ForBAU fließen in das Stoffstrommanagementkonzept Kompetenzen der

• Geotechnik, zur Beurteilung und Vorgabe der bautechnischen Verwendbarkeit von Aushubmassen,
• Betriebswirtschaftslehre, zur Erarbeitung und vergleichenden Bewertung von Verwendungsalternativen und
• IuK-Technologien, zur Gestaltung, Planung und Kontrolle von Ausführungsprozessen

ein. Im Rahmen der Projektlaufzeit von ForBAU (bis Ende 2010) sollen die entwickelten Konzepte in einem Beispielprojekt umgesetzt werden.

4 Zusammenfassung

Die nachhaltige Materialverwendung im Erdbau wird durch die Verknüpfung von Materialeffizienz und Ressourcenschonung gestaltet. Wesentliche Ziele sind die optimale Nutzung natürlicher Erdbaustoffe, was den möglichst umfänglichen Einsatz lokal verfügbarer Böden bedingt. Gleichzeitig ist die Deponierung von Erdbaustoffen weitest möglich zu vermeiden und die Verwendung von Sekundärrohstoffen (Ersatzbaustoffen) zu etablieren.

Diese Verwendung möglichst aller verfügbarer Böden und Baustoffe bedingt aber auch eine Berücksichtigung in den Regelwerken, die sowohl die bautechnischen als auch die umweltbezogenen Anforderungen aufeinander abgestimmt enthalten. Die aktuell erfolgten Neuerungen des straßenbautechnischen Regelwerks bilden hierfür erstmals einen Ansatz. Mit den überarbeiteten ZTV E-StB 09, den neu entstandenen TL BuB E-StB 09 und dem vorliegenden M TS E wurden hierzu wesentliche Voraussetzungen geschaffen.

Die Erfordernis und die Möglichkeiten einer nachhaltigen Materialverwendung im Erdbau werden am Zentrum Geotechnik in Forschungsarbeiten und Bauprojekten untersucht und umgesetzt. Aktuell wird die erdbautechnische Verwendung von organischen Böden in einer Versuchsschüttung beurteilt sowie ein Stoffstrommanagement zur Planung, Steuerung und Kontrolle von Erdbewegungen entwickelt.

5 Literaturverzeichnis

1. Arbeitsgemeinschaft Kreislaufwirtschaftsträger Bau: 5. Monitoring-Bericht Bauabfälle (Erhebung 2004), Berlin, 28. 2. 2007, arge-kwtb.de
2. Baumgärtel, T; Heyer, D.: Erdbautechnische Eignung und Klassifikation von Böden mit Fremdbestandteilen und von Bauschutt, Schlussbericht zum Forschungsvorhaben FE 5.145 des BMVBS, September 2008
3. Baumgärtel, T; Heyer, D.; Stiegeler, R.: Aufbereitung und Einbau veränderlich fester Gesteine, In: Forschung, Straßenbau und Straßenverkehrstechnik (FGSV), Heft Nr. 931, Februar 2006/Forschungsbericht
4. Birle, E.; Heyer, D.; Boso, M.: Earth Works with Contaminated Soils and Recycled Materials of Low Permeability: Principles of Construction and Large Scale Field Test, Sardinia 2009, Twelfth International Waste Management and Landfill Symposium, 5 bis 9 October 2009, S. Margherita di Pula (Cagliari), Sardinia, Italy
5. Forschungsverbund ForBAU: Virtuelle Baustelle – Digitale Werkzeuge für die Bauplanung und -abwicklung, forbau.de
6. Gesetz zur Förderung der Kreislaufwirtschaft und zur Sicherung der umweltverträglichen Beseitigung von Abfällen (Kreislaufwirtschafts- und Abfallgesetz [KrW-/AbfG]), vom 27. September 1994, Zuletzt geändert durch Art.2 G vom 21. 6. 2005
7. Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen: Merkblatt über Bauweisen für technische Sicherungsmaßnahmen beim Einsatz von Böden und Baustoffen mit umweltrelevanten Inhaltsstoffen im Erdbau (M TS E), Ausgabe 2008, Köln, FGSV 559
8. Mitteilungen der Länderarbeitsgemeinschaft Abfall (LAGA) 20, Anforderungen an die stoffliche Verwertung von mineralischen Reststoffen/Abfällen – Technische Regeln – Stand: 5. September 1995, Erich Schmidt Verlag
9. Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen: Technische Lieferbedingungen für Böden und Baustoffe im Erdbau des Straßenbaus (TL BuB E-StB 09), Ausgabe 2009, Köln, FGSV 597
10. Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen: Technische Lieferbedingungen für Gesteinskörnungen im Straßenbau (TL Gestein-StB 04), Ausgabe 2004/Fassung 2007, Köln, FGSV 613
11. Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen: Technische Prüfvorschriften für Boden und Fels im Straßenbau (TP BF-StB), Teil C 20 Zerfallsbeständigkeit von Gestein – Siebtrommelversuch –, Ausgabe 2002, Köln, FGSV 591/C 20
12. Verordnung über den Einbau von mineralischen Ersatzbaustoffen in technischen Bauwerken (Ersatzbaustoffverordnung – ErsatzbausoffV), Entwurf vom 13. November 2007
13. Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen: Zusätzliche Technische Vertragsbedingungen und Richtlinien für Erdarbeiten im Straßenbau (ZTV E-StB 09), Ausgabe 2009, Köln, FGSV 599