Bei der Prüfung mineralischer Sekundärbaustoffe im Labor und im Feld treten häufig Schwierigkeiten auf. Im Rahmen des BASt-Forschungsvorhabens FE 5.0203/2018/CGB: „Eignung konventioneller Prüfverfahren für Recycling-Baustoffe und industrielle Nebenprodukte im Erdbau“ sollte unter Einbeziehung der Erkenntnisse aus vorangegangenen Forschungsvorhaben überprüft werden, inwieweit die Schwierigkeiten bei der Ausführung konventioneller Prüfverfahren spezifisch für mineralische Sekundärbaustoffe sind oder nicht doch auch bei natürlichen Primärbaustoffen auftreten und auf allgemeinere Ursachen zurückzuführen sind. Zudem sollte geklärt werden, inwieweit die Schwierigkeiten bei der Prüfung eine Einschränkung der bautechnischen Gleichwertigkeit von mineralischen Sekundärbaustoffen gegenüber natürlichen Primärbaustoffen darstellen. Dieser Beitrag zeigt auf der Basis der gewonnenen Erkenntnisse auf, dass sowohl zwischen verschiedenen mineralischen Sekundärbaustoffen als auch natürlichen Baustoffen Unterschiede im Hinblick auf ihre granulometrischen Eigenschaften bestehen. Diese sind dabei ursächlich für die aus der Praxis bekannten Schwierigkeiten, die bei der Prüfung mineralischer Sekundärbaustoffe im Labor und Feld auftreten können. Umfangreiche Untersuchungen zum Last-Verformungsverhalten unter ödometrischer und triaxialer Kompression wie auch weiterführende Feldmessungen, die an natürlichen Primärbaustoffen und mineralischen Sekundärbaustoffen durchgeführt wurden, zeigen, dass die Schwierigkeiten bei der Prüfung mineralischer Sekundärbaustoffe keine grundsätzliche Minderung ihrer erdbautechnischen Eignung darstellen. Die Schwierigkeiten, die bei der Prüfung mineralischer Sekundärbaustoffe im Labor und Feld auftreten können, müssen im Hinblick auf ihre vertragskonforme Verwendung als Baustoffe im Erdbau allerdings berücksichtigt werden. Hierfür werden abschließend Vorschläge für die Erdbaupraxis erbracht.

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1 Ausgangssituation

1.1 Hintergrund

Mineralische Baurestmassen sowie Nebenprodukte aus industriellen Prozessen und der thermischen Verwertung von Siedlungsabfällen stellen deutschlandweit einen erheblichen Massenstrom dar. Durch ihre Verwendung als mineralische Sekundärbaustoffe für den Erdbau wird bereits heute ein bedeutender Beitrag zur Ressourcenschonung und nachhaltigen Materialverwendung geleistet. Wesentlich ist dabei, dass mineralische Sekundärbaustoffe sowohl aus umwelt- und bautechnischer Sicht geeignet sind, als auch vertragssicher und regelwerkskonform eingesetzt werden können. Im Hinblick auf die bautechnische Gleichwertigkeit mineralischer Sekundärbaustoffe gegenüber natürlichen Primärbaustoffen bestehen trotz eines seit vielen Jahren erfolgreichen Einsatzes von mineralischen Sekundärbaustoffen im Erdbau allerdings noch immer Vorbehalte und in Bezug auf eine vertragssichere Anwendung Schwierigkeiten. Ursächlich hierfür sind auch Unterschiede, die bei der erdbautechnischen Prüfung mineralischer Sekundärbaustoffe im Labor und im Feld im Vergleich zu natürlichen Primärbaustoffen auftreten.

1.2 Zielsetzungen und Untersuchungskonzept

Im Rahmen des BASt-Forschungsvorhabens FE 5.0203/2018/CGB: „Eignung konventioneller Prüfverfahren für Recycling-Baustoffe und industrielle Nebenprodukte im Erdbau“ sollte zunächst identifiziert werden, welche Schwierigkeiten bei mineralischen Sekundärbaustoffen im Zusammenhang mit der Prüfung ihrer erdbautechnischen Eignung im Labor sowie der Prüfung des im Feld erreichten Verdichtungsgrades tatsächlich auftreten. Überdies sollte untersucht werden, inwieweit die Probleme bei der Ausführung konventioneller Prüfverfahren spezifisch für mineralische Sekundärbaustoffe sind, oder nicht doch auch bei natürlichen Primärbaustoffen auftreten und auf allgemeinere Ursachen zurückzuführen sind. Auch sollte überprüft werden, ob die bei der Klassifizierung sowie bei der Eignungsprüfung im Labor und der Kontrollprüfung im Feld auftretenden Schwierigkeiten eine Minderung der erdbautechnischen Eignung von mineralischen Sekundärbaustoffen bedeuten. Schließlich sollte erörtert werden, ob im Hinblick auf eine vertragssichere Anwendung von mineralischen Sekundärbaustoffen im Erdbau zusätzliche Regelungen zur Beurteilung ihrer bautechnischen Eignung notwendig erscheinen.

Über ein Literaturstudium wurden zunächst die grundlegenden Anforderungen an mineralische Sekundärbaustoffe hinsichtlich ihrer Verwendung im Erdbau, die wesentlichen regulativen Anforderungen an Erdbauwerke wie auch deren Herkunft und erdbautechnisch relevante Eigenschaften mineralischer Sekundärbaustoffe erarbeitet. Anschließend wurden die im Zusammenhang mit der Klassifizierung, der Eignungsprüfung im Labor sowie der Kontrollprüfung im Feld bei mineralischen Sekundärbaustoffen bekannten Schwierigkeiten identifiziert und erörtert. Hierbei flossen neben den aus dem Literaturstudium gewonnenen Informationen auch Erfahrungen der beiden Forschungsnehmer ein, die bei diesen durch ihre Tätigkeit als RAP Stra-Prüfstelle vorliegen sowie aus vorangegangenen Forschungsprojekten gewonnen wurden. Zudem wurde eine Umfrage bei am Bau Beteiligten durchgeführt.

Zur Beantwortung der Fragen, inwieweit die Schwierigkeiten bei der Ausführung konventioneller Prüfverfahren spezifisch für mineralische Sekundärbaustoffe sind und eine Minderung der erdbautechnischen Eignung von mineralischen Sekundärbaustoffen bedeuten, wurden umfangreiche Labor- und Felduntersuchungen durchgeführt. In den Laboruntersuchungen wurden an je drei rezyklierten Baustoffen (aufbereitete Bauschuttgemische RCM), industriellen Nebenprodukten (zwei LD-Schlacken LDS, eine Hausmüllverbrennungsasche HMVA) und natürlichen Primärbaustoffen (gebrochener Kalksteinschotter KSS) klassifizierende und Verdichtungsversuche sowie Versuche zum mechanischen Verhalten unter ödometrischer und triaxialer Beanspruchung durchgeführt. In den Feldversuchen wurden mit je zwei rezyklierten (ein Betonbruch RCB, ein aufbereitetes Bauschuttgemisch RCM) und natürlichen Baustoffen (nat. Rundkorn RK, nat. Brechkorn BK) sowie einem industriellen Nebenprodukt (Elektroofenschlacke EOS) Probefelder hergestellt (s. Bild 1) und diese mittels direkter und indirekter Prüfverfahren zur Verdichtungskontrolle geprüft.

Auf Basis der gewonnenen Erkenntnisse wurde beurteilt, inwieweit mineralische Sekundärbaustoffe in gleicher Weise als Erdbaustoffe geeignet sind wie natürliche Primärbaustoffe. Zudem wurden Vorschläge bezüglich der Klassifizierung, der Eignungsprüfung und der Kontrollprüfung von mineralischen Sekundärbaustoffen erbracht. Der vorliegende Beitrag soll die wesentlichen Fragen und Zielsetzungen des Forschungsvorhabens – soweit möglich – beantworten. Hierzu werden nachfolgend einige der Versuchsergebnisse dargestellt. Abschließend werden zu erdbautechnisch relevanten Schwierigkeiten Hinweise für die Praxis erbracht.

Bild 1: Probefelder aus natürlichem Rundkorn 0/45, RC B 0/16, RC Mix 0/22 und natürlichem Brechkorn 0/32 (ausgehend von oben links im Uhrzeigersinn) nach Beprobung

2  Untersuchungen zu den erdbautechnischen und bodenmechanischen Eigenschaften im Labor und im Feld

2.1 Versuchsmaterialien

Im Rahmen des Forschungsvorhabens FE 5.0203/2018/CGB wurden insgesamt neun mineralische Sekundärbaustoffe und fünf natürliche Primärbaustoffe im Labor und im Feld untersucht. Die Versuchsmaterialien sind in der Tabelle 1 zusammen mit einigen charakteristischen Kenngrößen ihrer Korngrößenverteilungen aufgeführt. Die in den Zeilen „Labor“ aufgeführten Materialien wurden dabei ausschließlich im Labor untersucht, wohingegen die in den Zeilen „Labor + Feld“ aufgeführten Materialien sowohl im Labor als auch im Feld untersucht wurden. Die Ergebnisse der ermittelten Korngrößenverteilungen zeigen, dass hinsichtlich der Kornabstufung sowohl zwischen den Versuchsmaterialien einer Materialart als auch zwischen verschiedenen Materialarten deutliche Unterschiede bestehen können. Im Hinblick auf die Korndichten können sowohl innerhalb eines Versuchsmaterials, insbesondere aber zwischen unterschiedlichen Materialarten Unterschiede auftreten. Neben der Materialart und der jeweiligen Materialheterogenität werden die Korndichten dabei auch vom verwendeten Prüfverfahren beeinflusst.

Tabelle 1: Charakteristische Kenngrößen Korngrößenverteilungen der untersuchten Erdbaustoffe

2.2 Untersuchungen im Labor

2.2.1 Ergebnisse der klassifizierenden Untersuchungen

Neben den Versuchen zur Bestimmung der Korngrößenverteilung und der Korndichte wurden an den untersuchten Materialien weitere klassifizierende Untersuchungen vorgenommen. Unter anderem wurden Versuche zur Bestimmung der stofflichen Kennzeichnung nach TP BF-StB, Teil 3.1.4 bzw. TP BF-StB, Teil 3.1.5 und zur Ermittlung der geometrischen Beschaffenheit der Einzelkörner nach DIN EN 933-4 und DIN EN 933-5 durchgeführt. Zudem wurde der Widerstand gegenüber Zertrümmerung anhand des Schlagzertrümmerungswertes nach DIN EN 1097-2 und die Zerfallsbeständigkeit mittels Siebtrommelversuchen nach TP BF-StB, Teil C 20 bestimmt.

Die Ergebnisse der Versuche zur Bestimmung der stofflichen Kennzeichnung zeigen, dass rezyklierte Baustoffe wie RCM 0/22 und RCB 0/16 sowie Hausmüllverbrennungsaschen wie HMVA 0/8 je nach Herkunft und Zeitpunkt der Aufbereitung aus variierenden Anteilen unterschiedlicher Stoffgruppen bestehen. Demgegenüber sind natürliche Körnungen und LD-Schlacken jeweils weitgehend sortenrein. Allerdings können auch bei letztgenannten Materialarten je nach Herkunftsort und -zeitpunkt Unterschiede hinsichtlich der Eigenschaften der Einzelkörner bestehen. Die stoffliche Zusammensetzung eines Erdbaustoffes ist insofern von Bedeutung, als dass seine erdbautechnischen und bodenmechanischen Eigenschaften wesentlich von den physikalischen Eigenschaften der jeweiligen Einzelkörner beeinflusst werden. Beispielsweise beeinflusst die Korndichte das bautechnische Verhalten dahingehend, dass Einzelkörner mit einer höheren Korndichte typischerweise eine höhere Festigkeit und Steifigkeit, eine geringere Wasseraufnahmefähigkeit sowie einen größeren Widerstand gegenüber mechanischer Beanspruchung oder Frost-Tau-Wechsel aufweisen als Einzelkörner mit einer geringeren Korndichte (Cardoso; Silva et al. 2016; Müller, 2018).

Die Geometrie der Einzelkörner stellt eine der granulometrischen Eigenschaften eines Korngemisches dar und hängt von seinem Entstehungsprozess ab. Die Einzelkörner von durch Erosionsprozesse abgelagerten natürlichen Kiesen und Sanden weisen für gewöhnlich eine abgerundete und glatte Kornoberfläche auf, wohingegen künstlich hergestellte Korngemische wie natürliches Brechkorn und viele mineralische Sekundärbaustoffe im Zuge der Aufbereitung gebrochen werden, infolgedessen ihre Einzelkörner eine scharfkantige und eckige Form sowie eine raue Kornoberfläche aufweisen. Hinsichtlich der geometrischen Beschaffenheit der Einzelkörner handelt es sich bei allen Versuchsmaterialien mit Ausnahme des natürlichen Rundkorns 0/45 bzw. 0/32 um Brechkorn, deren Einzelkörner scharkantige Ecken und Kanten aufweisen. Bautechnische Bedeutung besitzt die Geometrie der Einzelkörner insofern, als dass sie u. a. das mechanische und damit bautechnische Verhalten granularer Baustoffe beeinflusst. So weisen Korngemische mit kantigen und eckigen Einzelkörnern eine höhere Scherfestigkeit und Steifigkeit auf als solche mit abgerundeten Partikeln. Im Vergleich zu abgerundeten Einzelkörnern platzen die Kanten und Ecken gebrochener Einzelkörner bei Scherung und Kompression sowie bei mechanischer Beanspruchung jedoch eher ab und die Einzelkörner neigen stärker zum Bruch (Altuhafi; Coop et al., 2016; Miura; Maeda et al., 1998; Cavarretta; Coop et al., 2010).

Die Einflüsse der Kornfestigkeit und geometrischen Beschaffenheit der Einzelkörner verschiedener Materialarten werden am Beispiel der Ergebnisse zur Bestimmung des Schlagzertrümmerungswertes (SZ-Wert) nach DIN EN 1097-2 sowie der Siebtrommelversuche nach TP BF-StB, Teil 3.1.4 verdeutlicht, die in der Tabelle 2 aufgeführt bzw. im Bild 2 dargestellt sind. So weisen die rezyklierten Baustoffe RCM 0/16 und RCM 0/32 aufgrund ihrer vergleichsweise weichen Anteile an Ziegeln die höchsten SZ-Werte auf, wohingegen die LD-Schlacken aufgrund ihrer hohen Kornfestigkeit die geringsten SZ-Werte zeigen. Bei den Materialien, an denen der Siebtrommelversuch durchgeführt wurde, zeigt sich sowohl der Ein-fluss der geometrischen Beschaffenheit der Einzelkörner als auch der Kornfestigkeit. So weist das natürliche Rundkorn 0/45 aufgrund seiner runden und vergleichsweise harten Einzelkörner die höchste Zerfallsbeständigkeit der dargestellten Versuchsmaterialien auf. Das aufbereitete Bauschuttgemisch RCM 0/22 mit seinen eckigen, teilweise relativ weichen Einzelkörnern besitzt hingegen die geringste Zerfallsbeständigkeit.

Tabelle 2: SZ-Wert einiger der Versuchsmaterialien

Bild 2: Ergebnisse der Siebtrommelversuche zur Bestimmung der Zerfallsbeständigkeit einiger Versuchsmaterialien

Zusammenfassend zeigen die klassifizierenden Untersuchungen, dass sich natürliche Primärbaustoffe und mineralische Sekundärbaustoffe nicht nur hinsichtlich ihrer Kornabstufung, sondern auch hinsichtlich der Eigenschaften ihrer Einzelkörner (z. B. Kornform, Kornfestigkeit) deutlich unterscheiden können. Dies ist insofern von Bedeutung, als dass das Last-Verformungsverhalten von Erdbaustoffen und damit ihre Steifigkeit und Tragfähigkeit neben dem Verdichtungsgrad sowie der Belastungsart und der Belastungsgeschwindigkeit auch von den granulometrischen Eigenschaften abhängen (z. B. Altuhafi; Coop et al., 2016; Altuhafi; Coop, 2011; Cavarretta; Coop et al., 2010; Nakata; Kato et al., 2001; Miura; Maeda et al., 1998; Miura; Maeda et al., 1997; Floss, 1971).

2.2.2 Versuche zur Verdichtbarkeit

Einige der am Zentrum Geotechnik der TU München ermittelten Verdichtungskurven der Versuchsmaterialien aus Tabelle 1 sind im Bild 3 dargestellt. Die Darstellung verdeutlicht, dass die Verdichtungskurven vieler mineralischer Sekundärbaustoffe im Gegensatz zu vielen natürlichen Primärbaustoffen zumeist keine eindeutige Abhängigkeit vom Wassergehalt zeigen und anstatt des von vielen natürlichen Baustoffen bekannten parabolischen Verlaufes häufig einen horizontalen Verlauf, lineare Anstiege oder konkave und konvexe Krümmungen aufweisen.

Bild 3: Einige der am Zentrum Geotechnik der TUM ermittelten Proctorkurven der Versuchsmaterialien aus den vergleichenden Laboruntersuchungen

Die Ableitung eines eindeutigen Proctoroptimums und eines optimalen Wassergehaltes ist in solchen Fällen nicht mehr ohne weiteres möglich. Ursächlich für dieses Verhalten ist, dass viele mineralische Sekundärbaustoffe poröse Einzelkörner mit wasserzugänglichen Poren besitzen. Dadurch wird verfügbares Porenwasser im Inneren der Einzelkörner gespeichert, wodurch es nicht weiter verdichtungsbegünstigend an den Kornoberflächen zur Verfügung steht (s. a. Huber; Heyer, 2018).

Die Größe des innerhalb der Einzelkörner gespeicherten Anteils des Wassers hängt von der Art und der Eigenfeuchte des Materials sowie der Homogenisierungszeit nach der Wasserzugabe ab. Damit die Wiederholbarkeit eines Proctorversuches mit mineralischen Sekundärbaustoffen und anderen Baustoffen, die poröse Einzelkörner enthalten, gegeben ist, müssen zumindest diese drei Parameter berücksichtigt werden. Ist dies nicht der Fall und wird der Proctorversuch, wie im Bild 4 am Beispiel von RCM 0/8 (aus RCM 0/8 wurde der in FE 5.0203/2018/CGB verwendete RCM 0/4 durch Abtrennen der Kornanteile d > 4 mm gewonnen) veranschaulicht, unter Berücksichtigung unterschiedlicher Homogenisierungszeiten durchgeführt, ergeben sich voneinander abweichende Verdichtungskurven, wobei nach 10-minütiger Homogenisierungszeit höhere Trockendichten erzielt werden als nach einer Homogenisierungszeit von 24 Stunden. Dies ist darauf zurückzuführen, dass nach 10 Minuten Homogenisierungszeit ein größerer Anteil des Wassers verdichtungsbegünstigend an den Kornoberflächen zur Verfügung steht, wohingegen nach 24 Stunden ein größerer Anteil des Wassers innerhalb der porösen Einzelkörner gespeichert wird.

Bild 4: Einfluss der Homogenisierungszeit auf die im Proctorversuch erzielbaren Trockendichten

Für den Fall, dass anhand des Verlaufes der Verdichtungskurven kein eindeutiges Proctoroptimum abgeleitet werden kann, muss zur Ermittlung der Proctordichte auf alternative Möglichkeiten zurückgegriffen werden. Beispielsweise könnte die Proctordichte als Mittelwert der drei höchsten im Proctorversuch bestimmten Trockendichten ermittelt werden. Denkbar wäre auch die Mittelung aller im Verdichtungsversuch erreichten Trockendichten und die Beaufschlagung dieses Mittelwertes mit der Standardabweichung. Dies setzt jedoch voraus, dass die Versuchsergebnisse tatsächlich keinen systematischen Trend für den Zusammenhang zwischen der Trockendichte und dem Wassergehalt erkennen lassen. Bei einer nach unten gekrümmten Verdichtungskurve könnte die Proctordichte als Mittelwert der beiden Maxima der Endwerte bestimmt und die zugehörigen Wassergehalte angegeben werden. Bei linearen Anstiegen oder nach oben gekrümmten Verdichtungskurven kann die Trockendichte als Bezugsgröße für den Verdichtungsgrad sowie der zugehörige optimale Wassergehalt wie bisher aus dem Maximum ermittelt werden. Die Proctordichten der Versuchsmaterialien im Bild 3 sind in der Tabelle 3 zusammengefasst. Dabei wird auch angegeben, wie die Proctordichten jeweils ermittelt wurden. Da die Verdichtbarkeit von mineralischen Sekundärbaustoffen keine ausgeprägte Abhängigkeit vom Wassergehalt aufweist, kann auch kein optimaler Verdichtungswassergehalt angegeben werden. Dabei ist zu berücksichtigen, dass die Eigenschaft, wonach mineralische Sekundärbaustoffe über einen großen Wassergehaltsbereich gleichermaßen gut verdichtet werden können und größere Schwankungen des Wassergehaltes tolerieren, ohne dass ihre Verdichtbarkeit nachteilig beeinflusst wird, keinen Nachteil, sondern gar einen Vorteil gegenüber natürlichen Primärbaustoffen mit geschlossenen Kornoberflächen darstellt. Für die Praxis wäre es dabei sinnvoll, für mineralische Sekundärbaustoffe Wassergehaltsspannen anzugeben, innerhalb derer eine gute Verdichtbarkeit zu erwarten ist. Für die Versuchsmaterialien aus dem Bild 3 sind die Proctorwassergehalte bzw. die Wassergehalte, bei denen eine gute Verdichtbarkeit gegeben ist, in der Tabelle 3 aufgeführt.

Tabelle 3: Aus den Proctorversuchen am Zentrum Geotechnik der TUM abgeleitete Verdichtungskenngrößen

2.2.3 Eindimensionale Kompressionsversuche

Das Last-Verformungsverhalten der natürlichen Primärbaustoffe, rezyklierten Baustoffe (aufbereitete Bauschuttgemische) und industriellen Nebenprodukte aus der Tabelle 1 wurde im Rahmen von FE 5.0203/2018/CGB unter anderem anhand von eindimensionalen Kompressionsversuchen (Ödometerversuche) untersucht. Die Ödometerversuche wurden jeweils bei einem anfänglichen Verdichtungsgrad von etwa D_Pr = 100 % begonnen. Da das Last-Verformungsverhalten von Erdbaustoffen und damit ihre Steifigkeit (und Tragfähigkeit) neben dem Verdichtungsgrad sowie der Belastungsart und der Belastungsgeschwindigkeit auch von den granulometrischen Eigenschaften abhängen (z. B. Altuhafi; Coop et al., 2016; Altuhafi; Coop, 2011; Cavarretta; Coop et al., 2010; Nakata; Kato et al., 2001; Miura; Maeda et al., 1998; Miura; Maeda et al., 1997; Floss, 1971) und diesbezüglich Unterschiede zwischen den Versuchsmaterialien bestehen, wurden auch Unterschiede hinsichtlich des Last-Verformungsverhaltens erwartet.

Für einige der Versuchsmaterialien sind die in den Ödometerversuchen ermittelten Verläufe der Porenzahlen bzw. der Ödometermoduln bei Erst- und Wiederbelastung exemplarisch im Bild 5 jeweils über die Vertikalspannung dargestellt. Die Ergebnisse zeigen, dass das Last-Verformungsverhalten mineralischer Sekundärbaustoffe im Wesentlichen demjenigen natürlicher Baustoffe mit vergleichbarer Granulometrie entspricht. So erfahren mineralische Sekundärbaustoffe, wie von natürlichen Primärbaustoffen bekannt, bei Erstbelastung relativ große plastische Verformungen (vgl. Bild 5 links, oben). Bei Wiederbelastung reagieren sie deutlich steifer als bei der Erstbelastung, wobei zusätzliche plastische Verformungen nur in geringem Maße auftreten. Obwohl aus vorangegangenen Untersuchungen bekannt ist (z. B. Huber, 2021), dass Materialien mit vergleichsweise weichen Einzelkörnern bei ansonsten vergleichbaren Eigenschaften (insbesondere Korngrößenverteilung, Lagerungsdichte) eine etwas größere Kompressibilität und damit eine etwas geringere Steifigkeit als Materialien mit härteren Einzelkörnern zeigen, können hinsichtlich der Größe der Ödometermoduln der Versuchsmaterialien KSS 0/32, RCM 0/32 und LDS 0/32 bei Erst- und Wiederbelastung keine signifikanten Unterschiede ausgemacht werden (s. Bild 5 links, unten). Die Ergebnisse zeigen damit, dass die Unterschiede zwischen Primär- und Sekundärbaustoffen hinsichtlich ihrer Steifigkeit bei vergleichbarer Korngrößenverteilung, Lagerungsdichte und Kornform erdbautechnisch von untergeordneter Bedeutung sind. Im Hinblick auf den Einfluss des Größtkorns zeigen die Untersuchungen an RCM 0/4, RCM 0/16 und RCM 0/32, dass die Steifigkeit eines Baustoffes nicht zwangsläufig mit zunehmenden Größtkorn zunimmt. Entscheidender ist neben der Lagerungsdichte vielmehr, inwieweit die Abstufung der Korngrößenverteilung ein Ausfüllen der Porenräume zwischen den größeren Einzelkörnern ermöglicht. Dies führt dazu, dass das Versuchsmaterial RCM 0/4 bei Erst- und Wiederbelastung jeweils höhere Ödometermoduln aufweist als RCM 0/16 und RCM 0/32 (s. im Bild 5 unten rechts). Zu beachten ist des Weiteren, dass hydraulisch aktive Bestandteile bei mineralischen Sekundärbaustoffen in Anwesenheit von Wasser zu Verfestigungsprozessen und damit zu einer Zunahme der Steifigkeit führen können (vgl. Huber, 2021).

Bild 5: Verlauf der Porenzahlen (oben) und der Ödometermodulen bei Erst- und Wiederbelastung (unten) über die Vertikalspannung; links: KSS 0/32, RCM 0/32, LDS 0/32; rechts: RCM 0/4, RCM 0/16, RCM 0/32

2.2.4 Scherverhalten und Scherfestigkeit

Wie das Last-Verformungsverhalten bei ödometrischer Kompression hängt auch jenes unter dreiaxialer Beanspruchung nicht nur vom Verdichtungsgrad, der Belastungsart und der -geschwindigkeit sowie dem Spannungszustand und den Dränagemöglichkeiten, sondern auch von den granulometrischen Eigenschaften der Erdbaustoffe ab. Die im Rahmen von FE 5.0203/2018/CGB durchgeführten Triaxialversuche wurden als CD-Versuche bei Verdichtungsgraden von D_Pr = 100 % und Radialspannungen von σ₃‘ = 50 kN/m², 100 kN/m² und 200 kN/m² durchgeführt. Die Reibungswinkel wurden im Bruchzustand (φ_peak‘, c‘_peak) unter Annahme einer Mohr-Coulombschen Bruchbedingung ermittelt und sind in der Tabelle 4 dargestellt. Die Reibungswinkel zeigen, dass mineralische Sekundärbaustoffe relativ hohe Reibungswinkel aufweisen, die vergleichbar zu denjenigen natürlicher Baustoffe mit vergleichbarer Granulometrie sind. Finden bei mineralischen Sekundärbaustoffen sekundäre Verfestigungsprozesse statt, führen diese zur Bildung einer echten Kohäsion, zu einem steiferen Materialverhalten und dadurch zu einer Zunahme der Scherfestigkeit und der Steifigkeit (vgl. Huber, 2021).

Tabelle 4: Scherparameter im Bruchzustand der im Rahmen von FE 05.0203/2018/CGB untersuchten Materialien

Insgesamt zeigen die durchgeführten Triaxialversuche, dass das Scherverhalten von mineralischen Sekundärbaustoffen trotz der Unterschiede hinsichtlich der Eigenschaften ihrer Einzelkörner weitgehend demjenigen natürlicher Baustoffe mit vergleichbarer Kornabstufung entspricht und in erster Linie von Zustandsgrößen wie der Lagerungsdichte und dem Spannungszustand sowie der Korngrößenverteilung beeinflusst wird. Die Unterschiede hinsichtlich der Kornfestigkeit beeinflussen das Scherverhalten und die Scherfestigkeit hingegen nicht maßgeblich. Die wird beispielhaft anhand der Bruchgeraden von KSS 0/22, RCM 0/16 und LDS 0/16 im Bild 6 (links) verdeutlicht. Die Bruchgeraden der Versuchsmaterialien liegen dabei nahezu übereinander, wobei KSS 0/22 jeweils etwas höhere Spannungen abtragen kann, bevor es zum Bruch kommt. Letzteres ist womöglich eine Folge des etwas größeren Größtkorns von d_max = 22 mm bei KSS im Vergleich zu d_max = 16 mm bei RCM und LDS. Der Einfluss des Größtkorns auf die Scherfestigkeit wird am Beispiel von RCM 0/4, RCM 0/16 und RCM 0/32 im Bild 6 (rechts) veranschaulicht. So können die Versuchsmaterialien im Bild 6 (rechts) mit zunehmendem Größtkorn bei vergleichbaren Radialspannungen zunehmend höhere Spannungen abtragen. Der Reibungswinkel der Versuchsmaterialien wird dabei allerdings nur gering beeinflusst.

Bild 6: Bruchgeraden der Versuchsmaterialien KSS 0/22, RCM 0/16, LDS 0/16 (links) und RCM 0/4, RCM 0/16, RCM 0/32 (rechts) im s-t-Diagramm

2.3 Untersuchungen im Feld

2.3.1 Ergebnisse direkter Prüfverfahren zur Verdichtungskontrolle im Feld

In den Feldversuchen an RCM 0/22, RCB 0/16 sowie dem natürlichen Rund- und Brechkorn RK 0/45 bzw. BK 0/32 wurden Wassergehalts- und Dichtebestimmungen mit dem Ballonverfahren (Densitometer) nach DIN 18125-2 und mit der radiometrischen Sonde nach TP BF-StB, Teil 4.3 durchgeführt. Die Ergebnisse der mit beiden Prüfverfahren erzielten Messwerte sind im Bild 7 dargestellt. Die Ergebnisse zeigen, dass bei den vier Versuchsmaterialien mit beiden Prüfverfahren weitgehend vergleichbare Ergebnisse erzielt wurden. Lediglich bei RCB 0/16 werden mit der radiometrischen Sonde etwas höhere Wassergehalte ermittelt als durch Ofentrocknung. Dies steht in Übereinstimmung mit den Ergebnissen von Viyanant; Rathje; Rauch, 2004 und ist vermutlich eine Folge zusätzlicher Wasserstoffatome in den Zusatzmitteln, Modifikatoren und dem Zementleim des Betonbruchs (s. a. Nagi; Whiting, 1999), die von der radiometrischen Sonde fälschlicherweise als Wasser missinterpretiert werden. Beim nat. Rundkorn RK 0/45 und dem nat. Brechkorn BK 0/32 werden mit dem Ballonverfahren etwas höhere Feucht- und Trockendichten ermittelt als durch Ofentrocknung. Dies ist vornehmlich darauf zurückzuführen, dass aufgrund der groben Korngrößen beider Versuchsmaterialien mit der Blase des Densitometers das ausgehobene Prüfvolumen jeweils nicht vollständig erfasst wird, woraus überhöhte Dichten resultieren.

Bild 7: Vergleich der an RCM 0/22, RCB 0/16, nat. RK 0/45 und nat. BR 0/32 radiometrisch und mittels Ballonverfahren bestimmte Wassergehalte sowie Feucht- und Trockendichten

Im Rahmen des Feldversuches mit dem Versuchsmaterial EOS 0/80 wurden lediglich Versuche mit dem Ballonverfahren nach DIN 18125-2 durchgeführt. Dabei wurden sehr hohe Verdichtungsgrade D_Pr zwischen etwa D_Pr = 101 % und D_Pr = 115 % ermittelt. Diese hohen Verdichtungsgrade D_Pr lassen sich zum einen damit begründen, dass das Volumen der Prüfgrube mit der Messblase des Densitometers aufgrund der Grobkörnigkeit des Materials (d_max = 80 mm) nicht vollumfänglich erfasst werden konnte, was in stark überhöhten Trockendichten resultierte. Zum anderen wurde die Bezugsdichte zur Bestimmung der Verdichtungsgrade (Proctordichte) im Labor unter Berücksichtigung des Überkornanteils des Versuchsmaterials im Labor (ü = 19,5 %) ermittelt. Es ist jedoch davon auszugehen, dass die Überkornanteile der jeweiligen Prüfgruben der Densitometerprüfpunkte im Feld einen zur Laborprüfung abweichenden Überkornanteil aufwiesen. Um dem vorzubeugen, hätte die im Labor gemessene Proctordichte jeweils mit den tatsächlich in den einzelnen Prüfgruben vorliegenden Überkornanteilen korrigiert werden sollen.

2.3.2 Ergebnisse der statischen Plattendruckversuche

Die Ergebnisse der im Rahmen der Feldversuche an RCM 0/22, RCB 0/16, nat. RK 0/45, nat. BK 0/32 und EOS 0/80 durchgeführten statischen Plattendruckversuche (statische Verformungsmoduln E_V1 und E_V2) sind im Bild 8 jeweils über den Verdichtungsgrad D_Pr dargestellt. Der Zusammenhang zwischen den Verformungsmoduln und dem Verdichtungsgrad wird für jedes Versuchsmaterial anhand von linearen Regressionsgeraden dargestellt. Die Tabelle 5 listet die aus den linearen Regressionsgeraden bei einem Verdichtungsgrad von D_Pr = 100 % abgeleiteten statischen Verformungsmoduln E_V1 und E_V2 der Versuchsmaterialien sowie die daraus resultierenden Verhältniswerte E_V2/E_V1 auf.

Tabelle 5: Mittels linearer Regressionen bestimmte Verformungsmoduln E_V1 und E_V2 sowie Verhältnis E_V2/E_V1 der Versuchsmaterialien

Alle Versuchsmaterialien weisen hohe Verformungsmoduln E_V2 auf, die deutlich oberhalb der Verformungsmoduln E_V1 aus der Erstbelastung liegen. Sowohl die Verformungsmoduln E_V2 als auch E_V1 steigen dabei mit zunehmenden Verdichtungsgrad D_Pr an. Bei der Erstbelastung weisen die Versuchsmaterialien RCM 0/22, RCB 0/16, nat. RK 0/45 und nat. BK 0/32 in etwa vergleichbare Verformungsmoduln E_V1 auf (bei D_Pr = 100 % zwischen 28 MN/m2 und 33 MN/m2), während die Verformungsmoduln E_V1 von EOS 0/80 etwas darunterliegen (bei D_Pr = 100 % E_V1 = 22 MN/m2). Bei Wiederbelastung weist der rezyklierte Betonbruch RCB 0/16 die höchsten und die Elektroofenschlacke EOS 0/80 die niedrigsten Verformungsmoduln E_V2 auf (vgl. Tabelle 5). Die im Bild 8 dargestellten hohen Verdichtungsgrade D_Pr bei EOS 0/80 sind auf die Überschätzung der Trockendichte mit dem Ballonersatzverfahren infolge der Grobkörnigkeit des Materials sowie auf die Überkornkorrektur der Bezugsdichte anhand des im Labor bestimmten Überkornanteils ü zurückzuführen (vgl. Abschnitt 2.3.1). Die Verformungsmoduln E_V2 der natürlichen Materialien nat. RK 0/45 und nat. BK 0/32 liegen geringfügig unterhalb derjenigen von RCB 0/16 und deutlich oberhalb der von RCM 0/22. Die Verhältniswerte E_V2/E_V1 liegen bei den Versuchsmaterialien bei einem Verdichtungsgrad D_Pr = 100 % zwischen 2,9 und 4,0.

Die im Bild 8 dargestellten Verformungsmoduln E_V2 und E_V1 wurden jeweils unmittelbar nach Herstellung der Probefelder ermittelt. Zusätzlich wurden an den Versuchsmaterialien mit Ausnahme von EOS 0/80 statische Plattendruckversuche nach ein- bzw. zweitätiger Liegezeit durchgeführt. Dabei wurden sowohl bei den natürlichen Baustoffen (nat. RK 0/45 und nat. BK 0/32) als auch den rezyklierten Baustoffen (RCB 0/16 und RCM 0/32) ansteigende Verformungsmoduln E_V1 und E_V2 festgestellt. Im Hinblick auf den Verhältniswert E_V2/E_V1 wurden nach einem Tag Liegezeit etwas geringere Verhältniswerte bestimmt als unmittelbar nach der Verdichtung. Nach zwei Tagen Liegezeit ergaben sich Verhältniswerte E_V2/E_V1, die aufgrund ansteigender E_V2-Werte wieder im Bereich der Verhältniswerte E_V2/E_V1 lagen, die unmittelbar nach Herstellung der Probefelder bestimmt wurden.

Bild 8: Statische Verformungsmoduln E_V1 und E_V2 der Versuchsmaterialien RCM 0/22, RCB 0/16, nat. RK 0/45, nat. BK 0/32 und EOS 0/80 über den Verdichtungsgrad D_Pr

2.3.3 Ergebnisse der dynamischen Plattendruckversuche

Das Bild 9 zeigt die Ergebnisse der an RCM 0/22, RCB 0/16, nat. RK 0/45, nat. BK 0/32 und EOS 0/80 durchgeführten dynamischen Plattendruckversuche. Der Zusammenhang zwischen dem Verformungsmodul E_Vd und dem Verdichtungsgrad D_Pr wird für jedes Material anhand von linearen Regressionsgeraden dargestellt. Die Ergebnisse zeigen, dass die dynamischen Verformungsmoduln E_Vd bei den Versuchsmaterialen RCM 0/22, RCB 0/16, nat. RK 0/45 und nat. BK 0/32 mit zunehmendem Verdichtungsgrad D_Pr leicht ansteigen, wohingegen sie bei EOS 0/80 abfallen. Dabei weisen die Versuchsergebnisse eine für den dynamischen Plattendruckversuch typische Streuung auf. Die bei einem Verdichtungsgrad von D_Pr = 100 % anhand von linearen Regressionsgeraden ermittelten dynamischen Verformungsmoduln E_Vd sind in der Tabelle 6 aufgeführt.

Tabelle 6: Mittels linearer Regressionen bestimmte Verformungsmoduln E_Vd der Versuchsmaterialien bei D_Pr = 100 %

Bild 9: Dynamische Verformungsmoduln E_Vd der Versuchsmaterialien RCM 0/22, RCB 0/16, nat. RK 0/45, nat. BK 0/32, EOS 0/80 über den Verdichtungsgrad DPr

Die dynamischen Verformungsmoduln E_Vd der Primärbaustoffe nat. RK 0/45 und nat. BK 0/32 liegen etwas oberhalb derjenigen von RCB 0/16 und sind deutlich größer als von RCM 0/22. Dies ist vermutlich vor allem eine Folge der größeren Kornsteifigkeit und -festigkeit der Primärbaustoffe gegenüber den rezyklierten Baustoffen (insbesondere des ziegelhaltigen RCM 0/22). Der Vergleich von nat. RK 0/45 und nat. BK 0/32 zeigt darüber hinaus den Einfluss der geometrischen Form der Einzelkörner auf den dynamischen Verformungsmodul E_Vd. So kommt es infolge der stoßartigen Belastung beim dynamischen Plattendruckversuch bei den gebrochenen Einzelkörnern des nat. BK 0/32 an den Korn-zu-Korn-Kontakten vermutlich tendenziell zu mehr Kornbrüchen (in Form von Oberflächenabplatzungen) als bei den gerundeten Einzelkörnern des nat. RK 0/45. Dadurch reagiert nat. BK 0/32 etwas weicher als nat. RK 0/45 und weist folglich etwas niedrigere dynamische Verformungsmodul E_Vd auf. Hierzu trägt zudem auch das etwas größere Größtkorn von nat. RK von d_max = 45 mm bei. Die dynamischen Verformungsmoduln E_Vd von EOS 0/80 liegen deutlich oberhalb der Verformungsmoduln E_Vd der übrigen Versuchsmaterialien. Die liegt vermutlich unter anderem in der höheren Kornsteifigkeit und -festigkeit der Elektroofenschlacke sowie in dem deutlich größeren Größtkorn von d_max,EOS = 80 mm und den geringeren Anteilen d < 0,063 mm (0,4 M.-%) bzw. d < 2 mm (8 M.-%) begründet.

Der Einfluss der Liegezeit auf den dynamischen Verformungsmodul E_Vd wurde im Rahmen der Felduntersuchungen ebenfalls untersucht. Diesbezüglich zeigen die unmittelbar nach Herstellung sowie nach einem und zwei Tagen Liegezeit durchgeführten Untersuchungen bei allen Versuchsmaterialien einen deutlichen Anstieg der dynamischen Verformungsmoduln E_Vd mit der Zeit.

3 Folgerungen für die Erdbaupraxis

Die in diesem Beitrag vorgestellten Ergebnisse aus umfangreichen, im Rahmen des Forschungsprojektes FE 5.0203/2018/CGB an unterschiedlichen mineralischen Primär- und Sekundärbaustoffen durchgeführten Labor- und Felduntersuchungen zeigen in Zusammenschau mit den Erfahrungen aus vorangegangenen Forschungsprojekten zu mineralischen Sekundärbaustoffen, dass die Versuchstechnik des Erdbaus für mineralische Sekundärbaustoffe in gleicher Weise geeignet ist wie für natürliche Baustoffe. Dennoch können im Zusammenhang mit der Versuchstechnik bei der Klassifizierung sowie der Eignungs- und der Kontrollprüfung von natürlichen wie auch mineralischen Sekundärbaustoffen Schwierigkeiten und Probleme auftreten, die im Hinblick auf eine anforderungsgerechte Anwendung der Baustoffe berücksichtigt werden müssen. Diese sind weitgehend eine Folge der granulometrischen Eigenschaften der Einzelkörner und treten bei mineralischen Sekundärbaustoffen, die hinsichtlich der Granulometrie ihrer Einzelkörner (z. B. Porosität, Kornfestigkeit) häufig Unterschiede gegenüber natürlichen Baustoffen aufweisen, tendenziell öfter auf.

So bestehen unter anderem im Zusammenhang mit der Ermittlung der Proctordichte als Bezugsgröße für die Verdichtung im Feld bei mineralischen Sekundärbaustoffen häufig insofern Unterschiede gegenüber natürlichen Primärbaustoffen, als dass die Verdichtungskurven von mineralischen Sekundärbaustoffen, die poröse Einzelkörner besitzen, oftmals keine ausgeprägte Abhängigkeit vom Wassergehalt zeigen und kein markantes Optimum aufweisen. Stattdessen zeigen sie lineare Anstiege oder konkave und konvexe Krümmungen, wodurch die Ableitung einer eindeutigen Proctordichte als Bezugsgröße für die Verdichtungskontrolle im Feld sowie die Angabe eines optimalen Verdichtungswassergehaltes nicht mehr ohne weiteres möglich ist. Kann kein eindeutiges Optimum identifiziert werden, muss zur Ermittlung einer Bezugsdichte für die Verdichtungskontrolle im Feld auf alternative Möglichkeiten zurückgegriffen werden. Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Bezugsdichte für das Feld teils als Mittelwert der drei höchsten im Proctorversuch bestimmten Trockendichten ermittelt. Denkbar wäre auch die Mittelung aller im Verdichtungsversuch erreichten Trockendichten und die Beaufschlagung dieses Mittelwertes mit der Standardabweichung. Dies setzt jedoch voraus, dass die Versuchsergebnisse tatsächlich keinen systematischen Trend für den Zusammenhang zwischen der Trockendichte und dem Wassergehalt erkennen lassen. Da die Verdichtbarkeit von mineralischen Sekundärbaustoffen keine ausgeprägte Abhängigkeit vom Wassergehalt aufweist, kann auch kein optimaler Verdichtungswassergehalt angegeben werden. Dabei ist zu berücksichtigen, dass die Eigenschaft, wonach mineralische Sekundärbaustoffe über einen großen Wassergehaltsbereich gleichermaßen gut verdichtet werden können und ihre Verdichtbarkeit auch bei vergleichsweise hohen Wassergehalten gegeben ist, keinen Nachteil, sondern im Gegenteil von Vorteil ist. Für die Praxis wäre es allerdings sinnvoll, Wassergehaltsspannen anzugeben, innerhalb derer eine gute Verdichtbarkeit zu erwarten ist.

Hinsichtlich der Verdichtungskontrolle haben die Untersuchungen im Feld gezeigt, dass die Volumenersatzverfahren als direkte Prüfverfahren zum Nachweis des Verdichtungsgrades D_Pr unter Berücksichtigung verfahrensspezifischer Unsicherheiten (z. B. korrekte Ermittlung des Volumens) anwendbar sind. Die Anwendbarkeit der radiometrischen Sonde ist hingegen nicht bei allen mineralischen Sekundärbaustoffen gleichermaßen gegeben. So treten bei einigen Materialien (insbesondere industrielle Nebenprodukte wie z. B. Elektroofenschlacken) systematische Prüffehler auf. Diese systematischen Abweichungen sind auf die elementare Zusammensetzung der jeweiligen Baustoffe zurückzuführen, für welche die herstellerseitige Kalibrierung einer radiometrischen Sonde nicht anwendbar ist. Soll die Verdichtungskontrolle bei mineralischen Sekundärbaustoffen mit der radiometrischen Sonde erfolgen, empfiehlt es sich in der Praxis, zunächst die Anwendbarkeit der Kalibrierung der Sonde anhand von Vergleichsuntersuchungen mit einem geeigneten Volumenersatzverfahren nach DIN 18125-2 zu überprüfen. Stimmen die Prüfwerte der Prüfverfahren überein, kann die radiometrische Sonde ohne weiteres zur Dichte- und Wassergehaltsbestimmung verwendet werden. Weichen die radiometrisch bestimmten Messwerte hingegen systematisch von den nach DIN 18125-2 bestimmten Werten ab, kann die Verdichtungskontrolle dennoch mit der radiometrischen Sonde erfolgen, es ist aber erforderlich, die radiometrisch bestimmten Messwerte zu korrigieren. Einfache Möglichkeiten zur Korrektur der radiometrisch bestimmten Wassergehalte sowie Feucht- und Trockendichten wurden hierzu von Behr (1988) erläutert (s. a. Huber et al., 2021; Huber, 2021; Huber; Heyer, 2019).

Die Ergebnisse der statischen und dynamischen Plattendruckversuche, die im Rahmen von FE 5.0203/2018/CGB und einem weiteren Forschungsvorhaben durchgeführt wurden, haben gezeigt, dass der Zusammenhang zwischen dem Verdichtungsgrad D_Pr und den Verformungsmoduln E_V1 bzw. E_V2 bzw. E_Vd jeweils stark materialabhängig ist und auch für vergleichbare Materialarten (z. B. RCM) und identische Bodengruppen nicht verallgemeinert werden kann (s. a. Huber et al., 2019). Dies zeigt sich auch deutlich anhand der Zusammenstellung der Verformungsmoduln der Versuchsmaterialien und der abgeleiteten Größen bei Verdichtungsgraden von DPr ≥ 100 % in der Tabelle 7. Die in der Tabelle 7 aufgeführten Verformungsmoduln bzw. Verhältnisse der Verformungsmoduln wurden für jedes Material anhand von linearen Regressionsgeraden bei einem Verdichtungsgrad von D_Pr = 100 % bestimmt.

Tabelle 7: Zusammenstellung der mittels linearer Regressionsgeraden ermittelten Verformungsmoduln unterschiedlicher Primär- und Sekundärbaustoffe bei einem Verdichtungsgrad von D_Pr ≥ 100 %

Die Werte in der Tabelle 7 verdeutlichen überdies, dass die Verdichtungskontrolle grobkörniger mineralischer Sekundärbaustoffe, aber auch der natürlichen Primärbaustoffe anhand der Tabellenwerte der ZTV E-StB 17 ebenfalls nicht ohne weiteres möglich ist:

• Die rezyklierten Baustoffe aus aufbereiteten Baurestmassen (RCB und RCM) der Bodengruppen GW und GI weisen bei einem Verdichtungsgrad von D_Pr ≤ 100 % sehr hohe Verformungsmoduln E_V2 über 100 MN/m2 Die Anwendung der Tabellenwerte der ZTV E-StB 17 zur Abschätzung des Verdichtungsgrades D_Pr liegt für den statischen Plattendruckversuch bei diesen Baustoffen damit auf der unsicheren Seite, da die in den Tabellen für einen Verdichtungsgrad D_Pr ≥ 100 % geforderten Verformungsmodul E_V2 bereits bei Verdichtungsgraden D_Pr < 100 % erreicht werden. Überdies liegen die Verhältniswerte E_V2/E_V1 der rezyklierten Baustoffe der Bodengruppen GW und GI trotz ausreichender Verdichtungsgrade deutlich oberhalb des höchstens zulässigen Verhältniswertes von E_V2/E_V1 ≤ 2,3. Dies gilt allerdings auch für das natürliche Rundkorn der Bodengruppe GI. Für die rezyklierten Baustoffe mit Gleisschotter (RCB/GS und RCGS) sowie für die Elektroofenschlacken als industrielle Nebenprodukte wurden bei einem Verdichtungsgrad D_Pr ≥ 100 % vielfach Verformungsmoduln E_V2 ≤ 100 MN/m2 ermittelt. Damit liefern die Tabellenwerte der ZTV E-StB 17 für diese Materialien, welche den Bodengruppen GW, GI und SE zuzuordnen sind, auf der sicheren Seite liegende (allerdings unwirtschaftliche) Abschätzungen des Verdichtungsgrades D_Pr auf Basis des Verformungsmoduls E_V2. Außerdem ist zu beachten, dass die Verhältniswerte E_V2/E_V1 trotz ausreichender Verdichtungsgrade ebenfalls deutlich oberhalb des höchstens zulässigen Verhältniswertes von E_V2/E_V1 ≤ 2,3 liegen.
• Hinsichtlich der Prüfung mit dem dynamischen Plattendruckversuch liegen die in den Untersuchungen an allen mineralischen Sekundärbaustoffen der Bodengruppen GW, GI und SE ermittelten E_Vd-Werte trotz ermittelter Verdichtungsgrade von D_Pr ≥ 100 % unterhalb der Tabellenwerte der ZTV E-StB 17 (Ausnahme EOS 0/80). Die Tabellenwerte der ZTV E-StB 17 liefern damit eine auf der sicheren Seite liegende Abschätzung des Verdichtungsgrades D_Pr, ihre Anwendung ist allerdings nicht wirtschaftlich bzw. ist anzunehmen, dass die geforderten Werte in der Praxis nicht erreicht werden können. Zu niedrige Verformungsmoduln E_Vd wurden überdies auch bei dem natürlichen Rundkorn der Bodengruppe GI ermittelt (nat. RK 0/45).
• Schließlich zeigt die Tabelle 7, dass der in der Praxis vielfach herangezogene empirische Zusammenhang, wonach der statische Verformungsmodul E_V2 in etwa dem zweifachen Wert des dynamischen Verformungsmoduls EVd beträgt, überwiegend nicht zutrifft.

Da die Verformungsmoduln E_V2, E_V1 und E_Vd mit zunehmendem Verdichtungsgrad D_Pr für gewöhnlich ansteigen, ist die indirekte Verdichtungskontrolle mittels statischen bzw. dynamischen Plattendruckversuchen grundsätzlich möglich. Soll die Verdichtungskontrolle indirekt mittels statischen bzw. dynamischen Plattendruckversuchen erfolgen, empfiehlt es sich aufgrund der angeführten Diskrepanzen jedoch, den Zusammenhang zwischen dem jeweiligen Verformungsmodul (E_V2 bzw. E_V1 bzw. E_Vd) und dem Verdichtungsgrad D_Pr vorab im Zuge von Kalibrierversuchen zu ermitteln. Das Vorgehen zur Durchführung derartiger Kalibrierversuche ist in den TP BF-StB, Teil E 4 erläutert. Zu beachten ist dabei allerdings, dass die TP BF-StB, Teil E 4 im Hinblick auf die praktische Nutzbarkeit des Zusammenhangs zwischen dem Verdichtungsgrad D_Pr als direkte Prüfgröße und dem jeweiligen Verformungsmodul E_V2 bzw. E_V1 bzw. E_Vd als indirekte Prüfgröße für den jeweiligen Zusammenhang ein Bestimmtheitsmaß von R2 ≥ 0,65 fordern. Da die Ergebnisse der durchgeführten Felduntersuchungen diesbezüglich gezeigt haben, dass ein Bestimmtheitsmaß von R2 ≥ 0,65 nur schwer erreicht werden kann, sollte die Verdichtungskontrolle letztendlich mittels der direkten Bestimmung der im Feld erreichten Trockendichte erfolgen.

4 Zusammenfassung und Fazit

Die in diesem Beitrag vorgestellten Ergebnisse zeigen, dass die Versuchstechnik des Erdbaus für mineralische Sekundärbaustoffe grundsätzlich geeignet ist. Dennoch können bei der Eignungs- sowie der Kontrollprüfung von mineralischen Sekundärbaustoffen im Labor und im Feld Schwierigkeiten auftreten. Diese treten allerdings nicht nur materialspezifisch bei mineralischen Sekundärbaustoffen, sondern auch bei natürlichen Primärbaustoffen auf und liegen zumeist in den jeweiligen granulometrischen Eigenschaften der betroffenen Baustoffe begründet. Da sich die granulometrischen Eigenschaften mineralischer Sekundärbaustoffe oftmals von denjenigen natürlicher Baustoffe unterscheiden und da die Vorgaben des erdbautechnischen Regelwerkes bezüglich der Eignungs- und Kontrollprüfung weitgehend auf Erfahrungen an natürlichen Baustoffen beruhen, treten die erwähnten Schwierigkeiten allerdings häufiger bei mineralischen Sekundärbaustoffen als bei natürlichen Baustoffen auf. Die Schwierigkeiten betreffen auf Grundlage der dargelegten Untersuchungen dabei vor allem die Ableitung der Proctorkenngrößen (Proctordichte, optimaler Wassergehalt) sowie die indirekte Verdichtungskontrolle mittels statischen und dynamischen Plattendruckversuchen. Darüber hinaus kann die elementare Zusammensetzung einiger mineralischer Sekundärbaustoffe (insbesondere industrielle Nebenprodukte aus der Stahlerzeugung) bei der direkten Bestimmung der Dichte und des Wassergehaltes mittels radiometrischer Prüfverfahren zu systematischen Prüffehlern führen. Die potenziellen Schwierigkeiten wurden im Rahmen dieses Beitrages beschrieben und Vorschläge für die Erdbaupraxis erbracht.

Hinsichtlich der durch die Schwierigkeiten bei der Prüfung hervorgerufenen Vorbehalte gegenüber der bautechnischen Gleichwertigkeit von natürlichen Primärbaustoffen und mineralischen Sekundärbaustoffen kommen die Verfasser dieses Beitrages auf Basis von umfangreichen Vergleichsversuchen zum Last-Verformungs- und zum Scherverhalten zu dem Ergebnis, dass die Schwierigkeiten und Probleme bei der Prüfung mineralischer Sekundärbaustoffe keine grundsätzliche Einschränkung der erdbautechnischen Einsetzbarkeit oder Minderung der erdbautechnischen Eigenschaften von mineralischen Sekundärbaustoffen bedeuten. Sie müssen im Hinblick auf den vertragssicheren Einsatz von mineralischen Sekundärbaustoffen aber gleichwohl berücksichtigt werden.

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