Im Jahr 2021 erschien das „Merkblatt über veränderlich feste Gesteine als Erdbaustoff“ (M vfG), das von zehn Mitarbeitenden des FGSV-Arbeitskreises AK 5.1.5 „Veränderlich feste Gesteine“ ab 2014 erarbeitet wurde. Im Merkblatt werden die erdbautechnischen Aspekte veränderlich fester Gesteine zur Verwendung als Erdbaustoff thematisiert. Bisher gab es im straßenbautechnischen Regelwerk für den Umgang mit veränderlich festen Gesteinen keine hinreichenden Empfehlungen. Mit den Angaben im M vfG zu Erkundung und Probennahme, zu Untersuchungs- und Klassifikationsmethoden, Einsatzmöglichkeiten sowie zu erdbautechnischen Anforderungen und Bauausführung werden Planern, Straßenbaulastträgern und Bauausführenden nun grundlegende Hinweise und Empfehlungen für die Praxis gegeben.

Zur Klassifikation der veränderlichen Festigkeit ist nach den ZTV E-StB der Siebtrommelversuch nach der TP BF-StB Teil, C 20 vorgesehen. In der Praxis hat sich zur Klassifikation der Zerfallsneigung von Gesteinen auch das kombinierte Befeuchtungs-Trocknungs-Verfahren mit Kristallisationsversuch, welches von Nickmann (2009) entwickelt wurde, etabliert. Dieser Laborversuch wurde in das M vfG aufgenommen, ist aber nicht in einem Regelwerk erfasst. Die Notwendigkeit der Regelung wurde nicht nur vom AK 5.1.5 der FGSV, sondern auch vom Arbeitskreis AK 3.3 „Versuchstechnik Fels“ der Deutschen Gesellschaft für Geotechnik e.V. erkannt. Aktuell wird hierzu vom AK 3.3 der DGGT in Zusammenarbeit mit dem AK 5.1.5 die Empfehlung Nr. 27 erarbeitet, die dann in die „Technischen Prüfvorschriften für Boden und Fels im Straßenbau“ übernommen werden kann.

Mit der DIN EN 17542-1 „Erdarbeiten – Geotechnische Laborversuche – Teil 1: Prüfung der Abbaubarkeit“ ist im Jahr 2022 eine Norm zur Bestimmung des „Veränderlichkeitskoeffizienten“ von Felsmaterial erschienen. Es sind zwei Verfahren aus der französischen und spanischen Normung aufgenommen, die zur Klassifizierung von Materialien für Erdarbeiten verwendet werden. Die beiden Verfahren sind nicht äquivalent. In diesen Untersuchungen werden Gesteinsproben untersucht, deren Korngrößenverteilungen mehrere Kornklassen umfassen können. Dies unterscheidet sich von den Untersuchungen von den nach den TB BF-StB, Teil C 20 und der zukünftigen Empfehlung Nr. 27 der DGGT, in denen Probestücke mit nahezu gleicher Größe bzw. nur ein Probestück untersucht werden.

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

1 Einleitung

Veränderlich feste Gesteine sind Gesteine, die unter dem atmosphärischen Einfluss, das heißt teils durch Änderungen des Wassergehalts aber insbesondere durch wiederholte Trocknungs- und Befeuchtungsvorgänge oder auch durch jahreszeitlich bedingte Frost- und Tauprozesse ihre innere, meist diagenetisch entstandene Bindung und Festigkeit verlieren und sehr häufig zu einem fein- bis gemischtkörnigen Boden, seltener zu einem grobkörnigen Boden, zerfallen.

Beispiele für veränderlich feste Gesteine sind meist feinkörnige Sedimentgesteine wie Tonsteine, Schluffsteine, tonig gebundene Sandsteine und Mergelsteine. Auch die meisten angewitterten metamorphen und magmatischen Gesteine weisen veränderlich feste Eigenschaften auf.

Im Bild 1 ist beispielhaft dargestellt, wie eine zuvor getrocknete Probe bei Wasserzugabe innerhalb kurzer Zeit bei Zimmertemperatur zerfällt.

Bild 1: Zerfallsversuch mit einer zylindrischen Tonsteinprobe (Quelle: M vfG)

Veränderlich feste Gesteine stellen daher besondere Anforderungen an die Erdbautechnik. Die Berücksichtigung der spezifischen Eigenschaften veränderlich fester Gesteine ist die Grundvoraussetzung für die Erstellung eines dauerhaften und gebrauchstauglichen Erdbauwerks. Bisher gab es im straßenbautechnischen Regelwerk keine hinreichenden Empfehlungen zum Umgang mit veränderlich festen Gesteinen.

Dies hat sich mit dem Erscheinen des „Merkblatt über veränderlich feste Gesteine als Erdbaustoff“ (M vfG) geändert. Auch die Entwicklung weiterer Empfehlungen und Vorschriften zur Klassifikation veränderlich fester Gesteine ist nicht abgeschlossen. Die aktuell in Bearbeitung befindliche Empfehlung Nr. 27 der DGGT, die in Zusammenarbeit mit dem AK 3.3 der DGGT und dem AK 5.1.5 der FGSV entsteht, schafft eine weitere Möglichkeit der Klassifikation der Zerfallsneigung von Gesteinen. Auch die in Frankreich und Spanien angewendeten Verfahren
zur Bestimmung eines „Veränderlichkeitskoeffizienten“ von Felsmaterial haben über die im letzten Jahr erschienene DIN EN 17542-1 „Erdarbeiten – Geotechnische Laborversuche – Teil 1: Prüfung der Abbaubarkeit“ Eingang in die Regelungen der Straßenbautechnik gefunden und können in der Zukunft für den Erdbau des Straßenbaus relevant werden.

2 Merkblatt über veränderlich feste Gesteine als Erdbaustoff – M vfG

In den nachfolgenden Abschnitten werden wesentliche Empfehlungen aus dem M vfG herausgestellt. Die Angaben können selbstverständlich nicht den kompletten Inhalt des Merkblatts wiedergeben und sollen nur einen Überblick über dessen Inhalt vermitteln. Im konkreten Anwendungsfall ist immer das gesamte Merkblatt zu beachten.

2.1 Inhalt des Merkblatts

Das Merkblatt M vfG beschreibt die Verwendung von veränderlich festen Gesteinen im Erdbau
des Straßenbaus. Dazu sind Angaben zu

• Erkundung und Probenahme,
• Untersuchungs- und Klassifikationsmethoden,
• Einsatzmöglichkeiten,
• erdbautechnischen Anforderungen und
• Bauausführung

zusammengetragen.

Der Schwerpunkt liegt auf den erdbautechnischen Aspekten veränderlich fester Gesteine. Planern, Straßenbaulastträgern und Bauausführenden, die veränderlich feste Gesteine als Erdbaustoff einsetzen, gibt das Merkblatt Hinweise und Empfehlungen für die Praxis.

In den nachfolgenden Abschnitten werden wesentlich Regelungen und Empfehlungen aus dem M vfG herausgestellt. Die Angaben können selbstverständlich nicht den kompletten Inhalt des Merkblatts wiedergeben, so dass bei Fragestellungen zu veränderlich festen Gesteinen immer das gesamte Merkblatt beachtet werden sollte.

2.2 Empfehlungen zur Verdichtungsgrad und Luftporenanteil

Nach den ZTV E-StB sind für veränderlich feste Gesteine ein Verdichtungsgrad DPr von 97 % und ein Luftporenanteil von 12 Vol.-% einzuhalten.

Beim Einbau von veränderlich festen Gesteinen wird nach den ZTV E-StB ergänzend empfohlen, in Abhängigkeit von der veränderlichen Festigkeit eine Anforderung für den Luftporenanteil von bis zu 6 Vol.-% festzulegen. Eine entsprechende Anforderung ist in der Leistungsbeschreibung anzugeben.

Praxiserfahrungen und Forschungsergebnisse zeigen, dass mit Reduzierung des Luftporenanteils deutliche Verbesserungen der Gebrauchstauglichkeit und Dauerhaftigkeit von Erdbauwerken erreicht wird.

Die zielführende Festlegung des Luftporenanteils ist u. a. abhängig vom einzubauenden veränderlich festen Gestein, den Anforderungen an das zu erstellende Erdbauwerk und von wirtschaftlichen Randbedingungen.

Praxiserfahrungen zeigen, dass ein Luftporenanteil n_a = 6 Vol.-% bei vielen veränderlich festen Gesteinen nur mit einem unverhältnismäßig hohen Aufwand und bei in der Regel nicht gewünschter Wasserzugabe zu erreichen ist.

Ein Luftporenanteil n_a = 8 Vol.-% ist in der Regel mit vertretbarem Aufwand erreichbar. Entsprechend eingebaute veränderlich feste Gesteine lassen nach dem aktuellen Kenntnisstand eine ausreichende Verdichtung und damit die Erstellung eines dauerhaft gebrauchstauglichen Erdbauwerks annehmen.

Im Merkblatt M vfG wird daher empfohlen, bei der Verdichtung veränderlich fester Gesteine einen Luftporenanteil n_a = 8 Vol.-% vertraglich zu vereinbaren. Strengere Anforderungen an den Luftporenanteil (6 Vol.-% ≤ n_a ≤ 8 Vol.-%) können bei Erfordernis in Voruntersuchungen insbesondere hinsichtlich der Zerfallsbeständigkeit ermittelt werden.

2.3 Erkundung und Felduntersuchungen

Aufbauend auf den Angaben in den Merkblättern „Merkblatt zur Qualitätssicherung bei der geotechnischen Erkundung, Teil 1: Empfehlungen für die Ausschreibung der Aufschlussverfahren“ (M QGeoE) und „Merkblatt über geotechnische Untersuchungen und Berechnungen im Straßenbau“ (M GUB) werden im M vfG die wichtigsten Aspekte für eine Erkundung von veränderlich festen Gesteinen dargestellt.

Hierzu werden Empfehlungen zur Entnahme, Behandlung, Transport und Aufbereitung der Proben beschrieben. Wesentlich ist in allen Schritten, dass der natürliche Wassergehalt der Proben möglichst wenig verändert wird.

Probenahme im Übergangsbereich vom Boden zum Fels

Für die Probenahme im Übergangsbereich von Boden zum Fels ist für eine ausreichende Qualität das rechtzeitige Umstellen von Rammkern- zum Rotationskernbohrverfahren wesentlich. Auch das Bohren mit dem Einfachkernrohr kann nicht empfohlen werden, da die Bohrprobe hierbei durch die Reibungswärme austrocknet. Dabei kann sich der Wassergehalt verändern und folglich wird die Quantifizierung des Grades der veränderlichen Festigkeit erschwert.

Probenahme im Fels

Für die Probenahme im veränderlich festen Gestein werden folgende Verfahren mit durchgehender Gewinnung von Proben mittels Rotationskernbohrverfahren und Spülhilfe verwendet:

• Seilkernrohr ohne Liner,
• Seilkernrohr mit Liner,
• Doppelkernrohr ohne Liner,
• Dreifachkernrohr.

Die Verwendung einer Pilotbohrkrone beeinflusst die Probenqualität grundsätzlich positiv. Hierdurch wird verhindert, dass der Bohrkern mit Spülhilfe in Kontakt kommt. Veränderlich feste Gesteine ohne Liner sollten, um Wassergehaltsveränderungen zu vermeiden, direkt nach der Entnahme durch den zuständigen Sachverständigen für Geotechnik begutachtet werden. Es ist erforderlich Proben für felsmechanische Laborversuche umgehend für den Transport zu verpacken und ins geotechnische Labor zu transportieren. Die Laborversuche sollten möglichst zeitnah durchgeführt werden.

2.4 Erkennen und Klassifizieren veränderlich fester Gesteine

Zum Erkennen und Klassifizieren des Grades der veränderlichen Festigkeit können die im Bild 2 angegebenen Laborversuche durchgeführt werden.

Erkennen der veränderlichen Festigkeit

Das sichere Erkennen der veränderlichen Festigkeit bereitet häufig Probleme in der Erdbaupraxis, ist aber Grundvoraussetzung für eine Verwendung des veränderlich festen Gesteins als Erdbaustoff. Zur qualitativen Untersuchung der veränderlichen Festigkeit sind Trocknungs-Befeuchtungs-Wechsel-Versuche (TBW-Versuch) geeignet. TBW-Versuche liefern in der Regel eine grobe Orientierung über die Zerfallsneigung. Bei einer Vielzahl veränderlich fester Gesteine ist zum Erkennen der veränderlichen Festigkeit mindestens ein einmaliges Abtrocknen und Wiederbefeuchten der Probe erforderlich.

Klassifizieren der Veränderlichen Festigkeit

Mit dem Klassifizieren des Grades der veränderlichen Festigkeit wird eine quantitative Beurteilung veränderlich fester Gesteine erreicht. Damit können unterschiedliche veränderlich feste Gesteine auch untereinander verglichen werden.

Mit dem Siebtrommelversuch nach der TB BF-StB, Teil C 20 und dem Veränderlichkeitsindex nach Nickmann ((2009); siehe Abschnitt 3 in dieser Veröffentlichung) stehen zwei Versuche zum Klassifizieren der veränderlichen Festigkeit zur Verfügung.

Rückschlüsse auf die erdbautechnischen Eigenschaften veränderlich fester Gesteine sind anhand einer Klassifikation nur bedingt möglich.

Bild 2: Probenahme für Klassifikationsversuche zur veränderlichen Festigkeit (Quelle: M vfG)

2.5 Laboruntersuchungen an veränderlich festen Gesteinen

Laboruntersuchungen an veränderlich festen Gesteinen, die als Erdbaustoff verwendet werden sollen, erfordern teils besondere Maßnahmen zur Ermittlung von charakterisierenden Kennwerten, da die Ergebnisse von Laborversuchen an veränderlich festen Gesteinen stark von der Art der Probenaufbereitung und der Versuchsdurchführung abhängig sind. Ziel ist der Nachweis der Eignung als Erdbaustoff und die Ermittlung der für die Planung erforderlichen erdbautechnischen Kennwerte sowie baubegleitende Untersuchungen.

Im M vfG werden insbesondere Besonderheiten bei der Versuchsdurchführung und Versuchsauswertung, die aus den Eigenschaften veränderlich fester Gesteine resultieren thematisiert.

Das M vfG macht Angaben und Hinweise zu folgenden Laboruntersuchungen:

• Bestimmung der Korngrößenverteilung
  Hinweis: Bei veränderlich festen Gesteinen ist die Bestimmung der Korngrößenverteilung in der Regel nicht zwingend erforderlich und aufgrund der Materialeigenschaften häufig nicht zielführend.
• Untersuchungen zur Verdichtbarkeit,
• Einaxialer Druckversuch,
• Eindimensionaler Kompressionsversuch,
• Bestimmung der Scherfestigkeit.

2.6 Behandlung veränderlich fester Gesteine mit Bindemitteln

Bei einer Behandlung mit Bindemitteln kann die Empfindlichkeit gegenüber Zerfall im verdichteten Zustand verringert werden. Dies führt dann zu einer verbesserten Qualität und Dauerhaftigkeit des Erdbauwerks.

Veränderlich feste Gesteine können mit Bindemittel behandelt werden, wenn sie sich mit einer Fräse oder anderen geeigneten Aufbereitungsgeräten ausreichend zerkleinern lassen und einen für die Verdichtung ausreichenden Wassergehalt (Begrenzung des Luftporenanteils) aufweisen.

Die Anforderungen der ZTV E-StB an den Verdichtungsgrad und den maximal zulässigen Luftporenanteil sind auch bei bindemittelbehandelten veränderlich festen Gesteinen einzuhalten. Bild 2: Probenahme für Klassifikationsversuche zur veränderlichen Festigkeit (Quelle: M vfG)

Zu empfehlen ist eine Bodenbehandlung mit Bindemitteln insbesondere bei folgenden erdbautechnisch anspruchsvollen Maßnahmen:

• Dammverbreiterungen,
• geringe Einbaubreiten,
• Hinterfüllungen,
• kleinräumige Erdbaumaßnahmen.

In der Regel sollte eine qualifizierte Bodenverbesserung nach den Kriterien der ZTV E-StB durchgeführt werden.

Bei qualifiziert verbesserten Böden kann nach den ZTV E-StB die Frostempfindlichkeit verbessert werden (F3-Boden wird zu F2-Boden), was auf die Oberbaubemessung angerechnet werden kann. Bei veränderlich festen Gesteinen ist diese Anrechnung ohne ergänzende Untersuchungen zum Verformungsverhalten bei Frosteinwirkung nicht zu empfehlen.

Eine Bodenverfestigung veränderlich fester Gesteine sollte in der Regel nicht angestrebt werden. Sie sollte nur erfolgen, wenn sichergestellt werden kann, dass das verfestigte veränderlich feste Gestein im verdichteten Zustand keine veränderliche Festigkeit mehr aufweist.

Anhand der Eignungsprüfung nach der TP BF-StB, Teil 11.3 können keine direkten Rückschlüsse auf eine Verringerung der veränderlichen Festigkeit im verdichteten Zustand gezogen werden. Hierzu sind gesonderte Untersuchungen erforderlich. Nach dem aktuellen Stand der Wissenschaft und dem erdbautechnischen Regelwerk liegen hierzu keine standardisierten Untersuchungsmethoden vor.

2.7 Lösen, Aufbereiten und Einbau

Im Hinblick auf die Verwendung als Baustoff sind im „Merkblatt über das Bauen mit und im Fels“ (M Fels) vier grundlegende Arten von Fels zu unterschieden, die erdbautechnisch von Bedeutung sind. Dort sind veränderlich feste Felsarten als [F4] gruppiert. Darauf aufbauend wird im M vfG eine weitere Differenzierung veränderlich fester Gesteine wie folgt vorgenommen:

• [F4a] veränderlich feste Gesteinsarten mit außerordentlich geringer (0,6 MPa bis 1 MPa) und sehr geringer Druckfestigkeit (1 MPa bis 5 MPa) nach DIN EN ISO 14689
• [F4b] veränderlich feste Gesteinsarten mit mindestens geringer Druckfestigkeit (5 MPa bis 12,5 MPa) nach DIN EN ISO 14689
• [F4c] zusammengesetzte veränderlich feste Gesteinsarten mit stark unterschiedlicher Druckfestigkeit
• [F4d] zusammengesetzte Felsarten aus veränderlichen festen und nicht veränderlich festen Gesteinen, wobei die nicht veränderlich festen Gesteine zumeist höhere Druckfestigkeiten besitzen

Bild 3: Gesteinsverband – erdbautechnisch relevante Unterscheidungen von veränderlich festem Gestein (Quelle: M vfG)

Für die Erdbauprozesse

• Lösen und Laden,
• Fördern,
• Aufbereitung,
• Zwischenlagerung sowie
• Einbau und Verdichten

werden im Merkblatt M vfG sowohl für die Unterteilung nach Gesteinsverband als auch in Abhängigkeit von der veränderlichen Festigkeit Hinweise und Empfehlungen gegeben. Dies umfasst z. B. eine quantitative Beurteilung zu möglichen Veränderungen des Ausgangsgesteins während der Erdbauprozesse oder auch konkrete Hinweise zur Aufbereitung sowie zur Optimierung der Korngrößenzusammensetzung durch Brecheranlagen, Fräsen oder mit Walzen mit unterschiedlichen Bandagen.

Wesentlich sind auch die Empfehlungen zum Einbau und Verdichten. Zum Erreichen eines ausreichenden Verdichtungsgrads sind der Einbauwassergehalt und die Einbaumethodik von wesentlicher Bedeutung. Für das unterschiedliche Anstehen veränderlich fester Gesteine im Gesteinsverband F4a bis F4d werden spezifischen Einbauhinweise im M vfG tabellarisch zusammengestellt (siehe Bild 4).

Das Merkblatt enthält auch eine tabellarische Zusammenstellung von Beispielen, in denen in Abhängigkeit vom Anstehen im Gesteinsverband F4a bis F4d die erdbautechnischen Konsequenzen skizziert sind.

Bild 4: Zusammenstellung von Einbauhinweisen für veränderlich feste Gesteine (Quelle: M vfG)

2.8 Prüfung der erzielten Qualität

Der Erdbau mit veränderlich festen Gesteinen setzt die Durchführung einer Probeverdichtung voraus. In der Regel wird daher die Methode M 3 nach den ZTV E-StB zur Anwendung kommen. Im Rahmen der Bauausführung sind nach den ZTV E-StB der geforderte Verdichtungsgrad und der Luftporenanteil nachzuweisen. Dies sollte bei veränderlich festen Gesteinen nach
Möglichkeit mit direkten Verfahren geschehen.

Insbesondere die Bestimmung einer repräsentativen Proctordichte ist bei veränderlich festen Gesteinen mit Unsicherheiten belegt (Erläuterungen siehe M vfG), was dann Auswirkungen auf den Verdichtungsgrad D_Pr hat.

Auch die Verfahren zur direkten Dichtebestimmung können mit steigendem Anteil an Grobkies und Vorhandensein von Steinen und Blöcken nicht mehr angewendet werden. Eine direkte Dichtebestimmung ist dann nur noch durch Großdensitometer (z. B. Schürfgrube und Wassersatzverfahren) möglich. Die Dichtebestimmung mittels Großversuchen ist aber im Rahmen der
Eigenüberwachung kaum praktikabel.

In der Praxis kann daher die alleinige Beurteilung anhand der Prüfgrößen der ZTV E-StB problematisch sein. Dann ist es sinnvoll weitere Prüfverfahren zur Überprüfung der erzielten Qualität heranzuziehen und diese projekt- und materialspezifisch miteinander zu kombinieren. Mögliche zusätzliche Prüfgrößen und Prüfverfahren, die ergänzend zur Überprüfung der erzielten Qualität herangezogen werden können, wurden im M vfG zusammengestellt und bewertet. Dies sind:

• Trockendichte р_d und Porenanteil n,
• Verhältniswert E_V2/E_V1,
• Verformungsmodul E_V2,
• FDVK-Messwert,
• Setzungsmaß,
• Verdichtungszuwachs,
• Schwachstellenanalyse.

Mit Ausnahme der Schwachstellenanalyse sind bei allen der genannten ergänzenden Prüfgrößen und Prüfverfahren die Anforderungen im Rahmen der Probeverdichtung festzulegen.

Die Festlegung von Prüfmethode, Prüfverfahren, Prüfmerkmalen, Anforderungen und Anzahl der Prüfungen muss in Abstimmung mit dem Auftraggeber, gegebenenfalls mit der ausschreibenden Stelle und mit dem Sachverständigen für Geotechnik erfolgen. Eine allgemeingültige Vorgehensweise gibt es bei veränderlich festen Gesteinen nicht. Bei der Auswahl der Prüfverfahren
müssen folgende Aspekte berücksichtigt werden:

• Objektive Entscheidungsregel für die Annahme eines Prüfloses.
• Zeitnahe Prüfung und Entscheidung über die Annahme eines Prüfloses. Die Entscheidung darf dem Einbau nicht „hinterherhinken“.

Im Merkblatt sind für die einzelnen Prüfgrößen/Prüfmerkmale in Abhängigkeit von der vorgenommenen Differenzierung des Anstehens im Gesteinsverband F4a bis F4d (siehe Bild 5) Empfehlungen für deren Anwendung angegeben.

Bild 5: Empfehlung zur Auswahl der Prüfverfahren (Quelle: M vfG)

2.9 Funktion und Leistungsspektrum des Sachverständigen für Geotechnik

Der technische und wirtschaftliche Erfolg beim Bauen mit veränderlich festen Gesteinen ist entscheidend abhängig vom geotechnischen Sachverstand der handelnden Personen. Daher ist die frühzeitige und durchgängige Einbeziehung des Sachverständigen für Geotechnik erforderlich.

Im M vfG wird das Leistungsspektrum des Sachverständigen für Geotechnik beim Umgang mit veränderlich festen Gesteinen im Erdbau des Straßenbaus spezifiziert. Neben der grundlegenden erdbautechnischen Fachkompetenz und tiefgreifenden Kenntnissen über die geotechnischen Verhältnisse im Untersuchungsgebiet sind dies insbesondere:

• Festlegung projektbezogener Verdichtungsanforderungen (Verdichtungsgrad und Luftporenanteil)
• Zuarbeit von Angaben zur Ausschreibung (z.B. Verdichtungsmethode, max. Schichtdicken und Größtkorn beim Einbau, Erfordernis und Art der Wasserzugabe, Maßnahmen bei Zwischenlagerung, Prüfmethode, Prüfgröße, Prüfverfahren, Umfang der Probeverdichtung)
• Konzeption, Begleitung und Auswertung der Probeverdichtung, Festlegung der zielführenden Prüfgröße(n) und Umfang der erforderlichen baubegleitenden Untersuchungen

Bild 5: Empfehlung zur Auswahl der Prüfverfahren (Quelle: M vfG)

3 Weitere Entwicklungen im Regelwerk

3.1 Vorbemerkung

Zum Klassifizieren der veränderlichen Festigkeit sind standardisierte Versuche erforderlich. Nur so ist eine Vergleichbarkeit unterschiedlicher veränderlich fester Gesteine möglich.

Bisher war hierzu im straßenbautechnischen Regelwerk nur der Siebtrommelversuch nach TP BF-StB, Teil C 20 geregelt. Weitere Regelwerke oder normative Regelungen bestanden in Deutschland lange Zeit nicht.

3.2 Entwicklung weiterer Versuchsempfehlung/Technische Prüfvorschrift

Wie im M vfG erläutert, werden zum Erkennen der veränderlichen Festigkeit häufig auch Versuche mit mehreren, häufig drei, Trocknungs-Befeuchtungs-Wechseln (TBW) durchgeführt. Entsprechende Untersuchungen sind aber bisher nicht standardisiert, was im Ergebnis zu einer qualitativen Beurteilung führt. Die Vergleichbarkeit von Versuchsergebnissen ist daher mit großen Unsicherheiten behaftet.

Durch das von Nickmann entwickelte Verfahren zur Bestimmung des Veränderlichkeitsindex wurde eine Möglichkeit geschaffen, den Zerfall durch Wasserlagerung und anschließender Wechsel aus Befeuchtung und Trocknung standardisiert durchzuführen und somit eine vergleichbare Klassifikation zu ermöglichen.

Das Verfahren zur Bestimmung des Veränderlichkeitsindex ergänzt die Versuchsverfahren der 24-stündigen Wasserlagerung nach DIN EN ISO 14689 und des Siebtrommelversuchs nach TB BF-StB, Teil C 20. Gegenüber dem einmaligen Wasserlagerungsversuch nach DIN EN ISO 14689 erlaubt das Verfahren auch eine Beurteilung von Gesteinen, die erst nach vorhergehender Trocknung zerfallen oder die eine mittel- bis langfristige Zerfallsneigung aufweisen. Gegenüber dem Siebtrommelversuch der TB BF-StB, Teil C 20 zeichnet sich das Verfahren durch einen geringeren apparativen Aufwand und das Fehlen mechanischer Einwirkung aus.

Die Praktikabilität des Versuchs hat sich in den letzten Jahren bei zahlreichen Untersuchungen in namhaften geotechnischen Laboren bestätigt. Aufgrund des bislang fehlenden Regelwerks für diese Untersuchung wurde im M vfG die Versuchsdurchführung ausführlich dargestellt, eine detaillierte Versuchsanleitung und beispielhafte Laborprotokolle aufgenommen.

Dem AK 5.1.5 war aber bewusst, dass dies die Regelung in einer Technischen Prüfvorschrift nicht ersetzen kann. Ziel war es daher nach Fertigstellung des M vfG für dieses Verfahren eine Technische Prüfvorschrift zu erarbeiten. Etwa zeitlich wurde auch vom AK 3.3 der DGGT die Erarbeitung einer Empfehlung für diesen Versuch beabsichtigt.

Um das Fachwissen aus beiden Arbeitskreisen zu nutzen, wird seit ca. 1 1/2 Jahren unter Federführung des AK 3.3 der DGGT gemeinsam mit dem AK 5.1.5 an der Erarbeitung der Empfehlung Nr 27 mit dem Arbeitstitel Klassifizierung der Zerfallsneigung von Gesteinen im kombinierten Befeuchtungs-Trocknungs-Verfahren mit Kristallisationsversuch gearbeitet.

Mittlerweilen liegt hierzu nach Abstimmung in den Taskgroups des AK 3.3 der DGGT und des AK 5.1.5 der FGSV ein Entwurf vor. Dieser Entwurf wird ab diesem Jahr im AK 3.3 der DGGT weiter diskutiert und soll bei positiver Beurteilung als Empfehlung Nr. 27 veröffentlich.

In der Regel werden die Empfehlungen der DGGT anschließend auch in die „Technischen Prüfvorschriften für Boden und Fels im Straßenbau“ übernommen. Bei weiterem positiven Verlauf der Erarbeitung der Empfehlung Nr. 27 wird ein weiterer standardisierter Versuch zur Klassifikation der veränderlichen Festigkeit vorliegen.

3.3 Einordnung DIN EN 17542-1

Mit der DIN EN 17542-1 „Erdarbeiten – Geotechnische Laborversuche – Teil 1: Prüfung der Abbaubarkeit“ ist im Jahr 2022 eine Norm zur Bestimmung des Veränderlichkeitskoeffizienten von Felsmaterial erschienen. In der Norm sind zwei Verfahren aus der französischen und spanischen Normung aufgenommen, die zur Klassifizierung von Materialien für Erdarbeiten verwendet werden. Die beiden Verfahren sind nicht äquivalent.

Der Titel der Norm Prüfung der Abbaubarkeit ist unglücklich aus dem englischen Titel Degradability test standard übersetzt. Ohne Kenntnis des Inhalts der DIN EN 17542-1 kann durch den Begriff Abbaubarkeit nur schwerlich auf den Inhalt der Norm, das heißt die Klassifizierung von Materialien für den Erdbau hinsichtlich ihrer Veränderlichkeit durch die kombinierte Wirkung von klimatischen und geohydrologischen Einflüssen (Frost, Zyklen aus Trocknung und Befeuchtung), geschlossen werden.

Die beiden Prüfverfahren der DIN EN 17542-1 werden als Verfahren A und Verfahren B unterschieden.Die beiden Verfahren können wie folgt kurz beschrieben:

Verfahren A

Die Prüfung wird durchgeführt, indem die Veränderungen des D10-Werts einer Probe mit einer vorgegebenen Granularität d/D ermittelt werden, die vier Wässerungs-Trocknungs-Zyklen ausgesetzt wurde.
Der Veränderlichkeitskoeffizient IDG wird angegeben als das Verhältnis der D10-Werte vor und nach den Wässerungs-Trocknungs-Zyklen (siehe Bild 6).

Die Zusammensetzung der Korngrößenverteilung vor Versuchsbeginn wird an nicht getrockneten Probematerial ermittelt. Diese Probe wird anschließend einer Wasserlagerung unterzogen. Danach wird die Probe bei 105 ± 5 °C getrocknet. Dieser Zyklus wird viermal hintereinander durchgeführt. Am Ende des vierten Zyklus wird die getrocknete Probe gesiebt
und die Korngrößenverteilung ermittelt.

Bild 6: Verfahren A, Beispiel Bestimmung Veränderlichkeitskoeffizient aus DIN EN 17542-1

• Verfahren B
  
  In Abhängigkeit von der Korngrößenverteilung des zu prüfenden Gesteins wird die Probe durch ein festgelegtes Sieb gewaschen. Die Probe wird anschließend bis zur Massenkonstanz
  getrocknet und anschließend mit einem definierten Siebsatz gesiebt. Die Kornklassen werden getrennt und in getrennte Prüfgefäße gegeben.
  
  Der Versuch beginnt mit dem Eintauchen der getrockneten Proben in Wasser (Dauer der Wasserlagerung 24 h bis 48 h). Anschließend werden die Proben bei 105 ± 5 °C getrocknet und gewägt.
  
  Das genaue weitere Vorgehen wird aus der Norm leider nicht zweifelsfrei klar. Folgt man der Beschreibung im Abschnitt 6.3.3.2 der DIN EN 17542-1, wäre die Probe nach der Trocknung wieder einer Wasserlagerung zu unterziehen. Damit erhält man aber kein Ergebnis im Sinne des beschriebenen Verfahrens B.
  
  Vielmehr ist zielführend, nach der Trocknung zunächst wieder eine Siebung durchzuführen und zu ermitteln, wie groß in den untersuchten Korngruppen der jeweilige Masseverlust ist. Erst danach wäre eine weitere Wasserlagerung durchzuführen.
  
  Für das Verfahren B ist keine Anzahl der durchzuführenden Zyklen empfohlen. Der Veränderlichkeitsindex IDGb ist nach jedem Zyklus zu bestimmen.
  
  Zur Ermittlung des Veränderlichkeitsindex IDGb wird der aufgetretene prozentuale Massenverlust der Probe bezogen auf die Massenanteile je Korngruppe der ursprünglichen Probe ermittelt und aufsummiert.

Die beiden Verfahren der DIN EN 17542-1 unterscheiden sich zunächst hinsichtlich der Zusammensetzung der Prüfproben von den Untersuchungen nach den TP BF-StB, Teil C 20 (Siebtrommelversuch) und dem Verfahren zu Klassifizierung der Zerfallsneigung von Gesteinen im kombinierten Befeuchtungs-Trocknungs-Verfahren mit Kristallisationsversuch (Empfehlung Nr. 27 des AK 3.3 DGGT aktuell in Erarbeitung):

• Prüfprobe Siebtrommelversuch nach TP BF-StB, Teil C 20
  Zehn getrocknete repräsentative Einzelstücke mit mehr oder weniger runder Form und
  einer Masse von 40 g bis 60 g; Gesamtmasse von 450 g bis 550 g,
• Klassifizierung der Zerfallsneigung von Gesteinen im kombinierten Befeuchtungs-Trocknungs-
  Verfahren mit Kristallisationsversuch, Probekörper (möglichst gedrungen) mit einer Kantenlänge von ca. 6 cm bis 10 cm und einer Masse von ca. 800 g bis 1000 g
• DIN EN 17542-1
  • Verfahren A
    Herstellung einer zu prüfenden d/D-Kornklasse in Abhängigkeit des zu prüfenden Gesteins,
    Probengewicht mindestens 2 kg:
    • d/D = 10/20 mm für Material aus weichem Tonstein wie z. B. Mergel, Tonschiefer,
      Pelit
    • d/D = 40/80 mm für Material aus festem Tonstein wie z. B. Sedimentschiefer und
      abgebauten magmatischem und metamorphen Gestein
      
      Tabelle in der PDF
      
      
  • Verfahren B
    Herstellung von Proben durch Siebung und Einhaltung von Mindestmengen in definierten
    Kornklassen:
    • Probengröße und Zusammensetzung bei sandigen bis feinkiesigen veränderlich
      festen Gesteinen:
    • Probengröße und Zusammensetzung bei mittel- bis grobkiesigen veränderlich
      festen Gesteinen:
      
      Tabelle in der PDF

Folglich wird in den Untersuchungen nach der TP BF-StB, Teil C 20 und insbesondere in den Untersuchungen zur Klassifizierung der Zerfallsneigung von Gesteinen im kombinierten Befeuchtungs-Trocknungs-Verfahren mit Kristallisationsversuch (Empfehlung Nr. 27 des AK 3.3 DGGT aktuell in Erarbeitung) eine grundlegende Charakterisierung und Klassifizierung von Gesteinen vorgenommen.

Die Untersuchungen nach der DIN EN 17542-1 werden an Proben durchgeführt, die mehrere Korngruppen enthalten und damit bereits einem Erdbaustoff ähneln (Verfahren A) bzw. ein Erdbaustoff sind (Verfahren B), der bei Baumaßnahmen tatsächlich zum Einsatz kommt.

Im Unterschied zu den Untersuchungen nach TP BF-StB, Teil C 20 und der Klassifizierung der Zerfallsneigung von Gesteinen im kombinierten Befeuchtungs-Trocknungs-Verfahren mit Kristallisationsversuch kann im Verfahren A das Versuchsergebnis schon durch die Probenherstellung stärker beeinflusst werden, da die Probe bzw. die untersuchte Korngrößenverteilung durch eine mechanische Zerkleinerung hergestellt wird.

Erfahrungen zu den Untersuchungen nach DIN EN 17542-1 liegen bisher nach unserer Kenntnis in Deutschland nicht vor. Inwieweit die Untersuchungen einen Mehrwert zur Klassifikation der Veränderlichkeit und für die Verwendung veränderlich fester Gesteine als Erdbaustoff haben, ist aktuell nicht möglich. Hierfür müssten Erfahrungen mit den Untersuchungen gesammelt werden. Insbesondere das Verfahren B scheint aufgrund der unklaren Versuchsbeschreibung und schlechten Übersetzung in der Norm nur schwer umsetzbar

4 Fazit

Mit den Angaben des im Jahr 2021 erschienen „Merkblatt über veränderlich feste Gesteine als Erdbaustoff“ (M vfG) werden Planern, Straßenbaulastträgern und Bauausführenden grundlegende Hinweise und Empfehlungen zu Erkundung und Probennahme, zu Untersuchungs- und Klassifikationsmethoden sowie zu Einsatzmöglichkeiten, zu erdbautechnischen Anforderungen und zur Bauausführung gegeben.

Zur Klassifikation veränderlich fester Gesteine war im straßenbautechnischen Regelwerk bisher nur der Siebtrommelversuch nach TP BF-StB, Teil C 20 geregelt. Als weiterer Versuch zur Klassifikation der Zerfallsneigung von Gesteinen wird aktuell vom AK 3.3 der DGGT in Kooperation mit dem AK 5.1.5 der FGSV eine Empfehlung für das Kombinierte Befeuchtungs-Trocknungs-Verfahren mit Kristallisationsversuch erarbeitet. Dieser Versuch ist auch im M vfG aufgenommen worden.

In der DIN EN 17542-1 sind zwei Verfahren aus der französischen und spanischen Normung zur Bestimmung eines Veränderlichkeitskoeffizienten geregelt. Inwieweit die Untersuchungen einen Mehrwert zur Klassifikation der Veränderlichkeit und für die Verwendung veränderlich fester Gesteine als Erdbaustoff haben, ist aktuell nicht möglich. Hierfür müssten Erfahrungen mit den Untersuchungen gesammelt werden. Insbesondere das spanische Verfahren scheint aufgrund der unklaren Versuchsbeschreibung und schlechten Übersetzung in der Norm nur
schwer umsetzbar.

5 Danksagung

Ein besonderer Dank geht an die Kolleginnen und Kollegen des AK 5.1.5 der FGSV:

Sibylle Glück; Holger Jud; Regina Kauther; Ulrike Nohlen; Marco Schmitt; Martin Schnorrenberger; Erik Schuhmacher

Ohne deren jahrelange Mitarbeit und ohne deren Wissen zur Erkundung, Untersuchung und bautechnischen Verwendung veränderlich fester Gesteine, wäre das Erstellen des Merkblattes nicht möglich gewesen.

Sehr gewinnbringend ist auch die aktuelle Zusammenarbeit des AK 5.1.5 der FGSV mit dem AK 3.3 der DGGT. Insbesondere zu danken ist hierfür Herrn Dr. Plinninger (Leiter AK 3.3), dem Initiator der Zusammenarbeit und Frau Dr. Nickmann.

Literaturverzeichnis

Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen: Merkblatt über veränderlich feste Gesteine als Erdbaustoff (M vfG), Ausgabe 2021, Köln (FGSV 566)

Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen: Zerfallsbeständigkeit von Gestein-Siebtrommelversuch,
(DGGT-Empfehlung Nr. 20), Ausgabe 2002, Köln (FGSV 591/C 20)

Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen: Merkblatt über das Bauen mit und im Fels (M Fels), Ausgabe 2015, Köln (FGSV 532)

Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen: Zusätzliche Technische Vertragsbedingungen
und Richtlinien für Erdarbeiten im Straßenbau (ZTV E-StB17), Ausgabe 2017, Köln (FGSV 599)

Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen: Merkblatt zur Qualitätssicherung bei der geotechnischen
Erkundung (M QGeoE), Teil 1: Empfehlungen für die Ausschreibung der Aufschlussverfahren, Ausgabe 2015, Köln (FGSV 557/1)

Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen: Merkblatt über geotechnische Untersuchungen und Bemessungen im Verkehrswegebau (M GUB), Ausgabe 2018, Köln (FGSV 511) DIN EN 17542-1 Erdarbeiten – Geotechnische Laborversuche – Teil 1: Prüfung der Abbaubarkeit, Beuth Verlag

Nickmann, M. (2009): Abgrenzung und Klassifizierung veränderlich fester Gesteine unter ingenieurgeologischen
Aspekten, Dissertation, Lehrstuhl für Ingenieurgeologie, Technische Universität München, 148 Seiten (Pfeil)