Für die Verfahren der Bodenbehandlung liegen langjährige praktische Erfahrungen vor. Sie kommen bei fast allen größeren Baumaßnahmen zur Ausführung und nehmen damit auch im straßenbautechnischen Regelwerk eine besondere Stellung ein. Trotzdem treten immer wieder Fragestellungen und Anforderungen auf, die zu neuen Entwicklungen und zur Fortschreibung des Regelwerkes führen.

Das neue „Merkblatt über Bodenbehandlungen mit Bindemitteln“ (M BmB) berücksichtigt die aktuellen Vorschriften und Normen sowie Kenntnisse aus verschiedenen Forschungsvorhaben, die inhaltlich aufgenommen wurden. Mit Neuausgabe des M BmB erfolgte auch eine Zusammenfassung der bisherigen drei Merkblätter:

• „Merkblatt über Bodenverfestigungen und Bodenverbesserungen mit Bindemitteln“,
• „Merkblatt über die Behandlung von Böden und Baustoffen mit Bindemitteln zur Reduzierung der Eluierbarkeit umweltrelevanter Inhaltsstoffe“ sowie
• „Merkblatt zur Herstellung, Wirkungsweise und Anwendung von Mischbindemitteln“ in ein einzelnes Merkblatt.

Die Erkenntnisse der Forschungsarbeiten sind im M BmB in den Anhängen C, D, und E als

• Empfehlungen zur Beurteilung der Bodenbehandlung von gemischt- und feinkörnigen Böden für die Hinterfüllung von Bauwerken und die Herstellung von steilen Böschungen,
• Empfehlungen zur Beurteilung der Bodenbehandlung bei sulfathaltigen Böden und
• Empfehlungen zur Behandlung von Böden und Baustoffen mit Bindemitten zur Reduzierung der Eluierbarkeit umweltrelevanter Inhaltsstoffe

in übersichtlicher Form dargestellt und praxisgerecht zusammengefasst worden. Auf die zugrundeliegenden Forschungsarbeiten wird im Literarturverzeichnis des Merkblattes verwiesen.

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

1 Einleitung

Mit den Verfahren der Bodenbehandlungen können für unterschiedliche Anforderungen des Erdbaus fachgerechte Lösungsmöglichkeiten entwickelt und wirtschaftlich umgesetzt werden. Das neue „Merkblatt über Bodenbehandlungen mit Bindemitteln“ (M BmB) gibt hierzu einen umfassenden Überblick [1]. Neben den klassischen Verfahren der Bodenverfestigung und Bodenverbesserung bietet die Qualifizierte Bodenverbesserung weitere Möglichkeiten, die bisher vor allem zur Herstellung eines tragfähigen und witterungsunempfindlichen Planums Anwendung finden. Für diesen Anwendungsfall gibt es in den ZTV E-StB seit der Ausgabe 2009 auch verbindliche Anforderungswerte. Über diesen Anwendungsfall hinaus kommen die Bodenbehandlungen aber jetzt auch vermehrt bei der Hinterfüllung von Bauwerken und bei der Herstellung von steilen Böschungen zum Einsatz. Die Beurteilung der Eignung von Boden-Bindemittel-Gemischen für den Hinterfüllbereich von Bauwerken kann mit einer Gleichwertigkeitsbetrachtung zu herkömmlichen gemischtkörnigen Hinterfüllmaterialien erfolgen [2]. Bei steilen Dämmen kann die Standsicherheit der Böschung durch eine ausreichend hohe Schwerfestigkeit verbessert werden, bei der, durch die Zugabe von Bindemitteln, speziell die Kohäsion erhöht wird.

Ein weiterer positiver Aspekt der Bodenbehandlung wird in der Möglichkeit der Einbindung der Reduzierung der Eluierbarkeit umweltrelevanter Inhaltsstoffe gesehen. Ergänzende Hinweise hierzu wurden in einem Merkblatt beschrieben. Zur Beurteilung der Dauerhaftigkeit dieser Einbindung erfolgten umfangreiche wissenschaftlichen Untersuchungen, aus denen aber keine allgemein gültigen Verfahrenshinweise abgeleitet werden konnten [3]. Bei einer entsprechenden Fragestellung sollte daher stets eine Fachgutachter eingebunden werden.

Die Entwicklung von Mischbindemitteln – eine Kombination aus genormten hydraulischen Bindemitteln und Baukalk – machten es erforderlich, die Anforderungen an die Herstellung, die Wirkungsweise und Empfehlungen für die Anwendung der Mischbindemittel in einem Merkblatt zu beschreiben, da die Mischbindemittel nicht durch die bestehenden Normen erfasst sind. Fragestellungen zur bautechnischen Eignung von solchen Bindemitteln wurden in einem Forschungsvorhaben bearbeitet [4].

Bei der Anwendung der Bodenbehandlung kam es vereinzelt auch zu Schadensfällen, bei denen teilweise deutliche Hebungen auftraten.  Die Wirkmechanismen hierfür waren teilweise nicht bekannt, konnten aber durch umfassende Recherchen und wissenschaftliche Laboruntersuchungen geklärt werden [5].

Die Überführung der wissenschaftlichen Kenntnisse in das Regelwerk erfolgte mit der Erarbeitung und Herausgabe des „Merkblatt über Bodenbehandlungen mit Bindemitteln“ (M BmB).

Mit Neuausgabe des M BmB erfolgte auch eine Zusammenfassung der bisherigen drei Merkblätter in ein einzelnes Merkblatt.

2 ZTV E-StB 17

Bei den Kriterien zur Festlegung der Bindemittelmenge für hydraulische Bindemittel bei der Eignungsprüfung für eine Bodenverfestigung und bei den Anforderungen an die Reaktionsfähigkeit und Mahlfeinheit der Kalke sind bei der Ausgabe ZTV E-StB 17 Änderungen zu beachten.

2.1 Kriterien zur Festlegung der Bindemittelmenge

Die Anforderung an die Druckfestigkeit im Alter von 28 Tagen wurden von 6 MPa auf 4 MPa vermindert. Begründet ist dieses im Frostverhalten der verfestigten Böden, das bei gemischtkörnigen Böden im Regelfall schon bei einer Druckfestigkeit von 4 MPA den Anforderungswert an die Begrenzung der Hebung der Probe erfüllt [4]. Da die Anwendung der Bodenverfestigungen auf den Untergrund- und Unterbau beschränkt sind, sind höhere Druckfestigkeiten, wie sie für Verfestigungen des Oberbaus aus Gründen der dimensionierungsrelevanten Beanspruchung vorgegeben sind, nicht erforderlich. Der höhere Anforderungswert stammt noch aus den Zeiten der ZTVV-StB, bei der noch keine Unterscheidung zwischen Bodenverfestigungen (Erd- und Grundbau) und Verfestigungen (Oberbau) erfolgt ist. Die Reduzierung des Anforderungswertes von 6 MPa auf 4 MPA hat auch wirtschaftliche Vorteile, da die in den Eignungsprüfungen ermittelten erforderlichen Bindemittelmengen im Regelfall jetzt deutlich niedriger sind.

Bild 1: Festlegung der erforderlichen Bindemittelmengen bei hydraulischen Bindemitteln von fein und gemischtkörnigen Böden nach den ZTV E-StB 17

2.2 Reaktionsfähigkeit und Mahlfeinheit

In der DIN EN 459-1 „Baukalk – Teil 1: Begriffe, Anforderungen und Konformitätskriterien“ sind für die Reaktionsfähigkeit und Mahlfeinheit jetzt wieder Kategorien aufgeführt, mit deren Zuordnung zu den Baukalkarten die ergänzenden Anforderungen für den Straßenbau wieder vollumfänglich abgebildet werden können. Weitergehende Festlegungen und Beschreibungen dieser Anforderungen sind daher nicht mehr notwendig.

3 Bodenbehandlungen für die Hinterfüllung von Bauwerken und die Herstellung von steilen Böschungen

Für den Hinterfüllbereich von Bauwerken sind nach den ZTVE-StB neben den grobkörnigen Böden auch gemischtkörnige und feinkörnige Böden in Verbindung mit einer Qualifizierten Bodenverbesserung geeignet. Die Kriterien für die Bestimmung der Bindemittelmenge werden durch erdstatische Berechnungen vorgegeben. Im Rahmen der Eignungsprüfung ist über geeignete Versuche und Kriterien die erforderliche Bindemittelmenge festzulegen, mit der die Gleichwertigkeit zu den herkömmlichen Böden und Baustoffen erreicht wird. Durch die Prüfung der Schwerfestigkeit und/oder des Steifemoduls, können entsprechende Kennwerte ermittelt werden.

3.1 Hinterfüllung von Bauwerken

Nach wissenschaftlichen Untersuchungen [2] und praktischen Erkenntnissen kann der einaxiale Druckversuch nach DIN EN ISO 17892-7 zur Ableitung des Steifemoduls hilfsweise verwendet werden. Hierbei sind bei der Versuchsdurchführung verschiedene Parameter wie z. B. die Abmessung der Probekörper und die Verformungsgeschwindigkeit zu berücksichtigen.

Bild 2: Ermittlung des Verformunsgsmoduls Eu aus dem Druck-Stauchungsdiagramm [DIN 18136]

Nach den Forschungsergebnissen ergeben sich beim Nachweis der Gleichwertigkeit qualifiziert verbesserter, feinkornreicher Böden gegenüber üblicherweise im Hinterfüllbereich verwendeter feinkornarmer Böden Bindemittelgehalte zwischen 3 bis 7 M.-%. Bei der Auswahl der Bindemittel ist zu berücksichtigen, dass hydraulische Bindemittel schneller zu einem Festigkeitsanstieg und zu größeren Steifemodulen führen. Grundsätzlich ist aber auch hier zu berücksichtigen, dass das Bindemittel möglichst gleichmäßig in den Boden einzumischen ist, was bei Böden mit höheren Tonanteilen ohne die Zugabe von Kalk einen stark erhöhten Arbeitsaufwand erfordert.

Bild 3: Vergleichende Darstellung des Steifemoduls von Kiesen, Sanden und eines mit Mischbindemittel behandelten leichtplastischen Tones

3.2 Herstellung von steilen Böschungen

Zur Beurteilung der erreichten Scherfestigkeit des behandelten Bodens wird ebenfalls der einaxiale Druckversuch verwendet. Die Scherfestigkeit eines Bodens ist abhängig vom Reibungswinkel und der Kohäsion. Durch die Bindemittelzugabe erhöht sich die Kohäsion. Der Reibungswinkel bleibt dabei weitgehend unbeeinflusst. Da die einaxiale Druckfestigkeit eines mit Bindemittel behandelten Bodens durch die Scherparameter aus Reibungswinkel und Kohäsion beeinflusst wird, kann bei bekanntem Reibungswinkel die  Scherfestigkeit über die einaxiale Druckfestigkeit ermittelt werden.

Bild 4: Ermittlung der Schwerfestigkeit eines unbehandelten und mit Bindemitteln behandelten Bodens über die einaxiale Druckfestigkeit bei bekanntem Reibungswinkel

Mit den Qualifizierten Bodenverbesserungen ergeben sich damit vielfältige Möglichkeiten der Anwendung. Es können z. B. auch „übersteile“ Böschungen, in Kombination mit konstruktiven Bauwerken, ausgeführt werden. Die Bindemittelbehandlung bietet hier den Vorteil, dass die Wasserempfindlichkeit der Böden reduziert wird und bei ausreichender Bindemittelmenge die Stabilität erhalten bleibt. Eine entsprechende Bauweise wurde z. B. bei der Instandhaltung der historischen Stadtmauer von Pingyao erfolgreich angewendet [6].

Bild 5: Qualifizierte Bodenverbesserung bei der Instandhaltung einer historischen Stadtmauer in Pingyao – China

4 Bodenbehandlungen bei sulfathaltigen Böden

Bei der Bodenbehandlung von sulfathaltigen Böden können Schäden in Form von Treiberscheinungen und Entfestigungen auftreten, die auf Bildung von Ettringit und Thaumasit zurückzuführen sind. Die Treiberscheinungen können zu Hebungen im Dezimeterbereich führen. In gravierenden Fällen kann es dabei zur Zerstörung des gesamten Fahrbahnaufbaus kommen. Die Bildung von Ettringit und Thaumasit wird durch folgende Faktoren begünstigt:

• lösliche Sulfate,
• alkalisches Milieu,
• Reaktionspartner wie z. B. Tone und Karbonate,
• hohes Wasserangebot.

Die Zugabe des Bindemittels bewirkt zwangsläufig ein alkalisches Milieu. Das Sulfat kann in unterschiedlichen Mineralphasen im Boden enthalten sein. Bei den meisten Schadensfällen handelte es sich um Gips bzw. Anhydrit in den Ausgangsböden. In Einzelfällen kann der Gips auch sekundär, durch eine Oxidation von Pyrit und/oder Markasit, entstanden sein. Eine weitere Möglichkeit des Sulfateintrages ist die Anwesenheit von sulfathaltigen Wässern. Weiterhin ist zu berücksichtigen, dass die Menge des im Bindemittel enthaltenen Calciumhydroxides auch einen Einfluss auf Entstehung von Treiberscheinungen haben kann.

Zur Beurteilung des Risikos ist der Sulfatgehalt des Bodens von entscheidender Bedeutung. Aus zahlreichen Schadensuntersuchungen  und wissenschaftlichen Grundlagenuntersuchungen ist abzuleiten, dass schadensrelevante Hebungen ab einem Sulfatgehalt von > 0,3 M.-% zu besorgen sind. Die Angabe des Sulfatgehaltes bezieht sich hierbei auf den Feststoff. Für die Bestimmung des Sulfatgehaltes ist das gravimetrische Verfahren nach DIN EN 196-2 anzuwenden. Werden höhere Sulfatgehalte festgestellt und wird trotzdem eine Bodenbehandlung angestrebt, sollte das Risiko der Bodenbehandlung fachlich bewertet werden. Dabei sind folgende Gesichtspunkte zu berücksichtigen:

In welcher Menge und Bindungsform sowie Verteilung liegt das Sulfat vor und wie ist die Löslichkeit?

Welche Baugrundschichten sind betroffen und wie ist die Verteilung der sulfathaltigen Phasen?

Welches Bindemittel soll verwendet werden?

Welche Wasserverhältnisse liegen vor?

Eine Empfehlung zur fachlichen Bewertung des Risikos kann in Abhängigkeit von den Sulfatgehalten der Böden und dem verwendeten Bindemittel getroffen werden.

Bild 6: Risiko in Abhängigkeit von Bindemittelart und Sulfatgehalt

Diese Werte basieren auf Erfahrungen bei Schadensfällen und wissenschaftlichen Untersuchungen und berücksichtigen Angaben aus der Literatur. Sie sind nicht als Grenzwerte, sondern nur als Anhaltswerte zu betrachten, da zu zahlreichen schadensrelevanten Parametern, wie z. B. die Korngröße und Bindungsform des Sulfatträgers, Mineralphasenzusammensetzung der Ausgangsböden, Variationen der Bindemittel etc., noch Forschungsbedarf besteht.

Eine weitergehende Beurteilung und Prognose kann auf Grundlage von Quellhebungsversuchen an Proben des Boden-Bindemittel-Gemisches erfolgen. Diese Untersuchungen sind allerdings mit einem hohen Aufwand und großem Zeitaufwand verbunden [5].

5 Bodenbehandlungen zur Reduzierung der Eluierbarkeit umweltrelevanter Inhaltsstoffe

Die Behandlung von schadstoffbelasteten Böden und Baustoffen mit Bindemitteln zur Reduzierung der Eluierbarkeit umweltrelevanter Inhaltsstoffe erweitert die Möglichkeiten der Verwertung von bautechnisch geeigneten Böden und Baustoffen. Ziel dieser Art der Bodenbehandlung ist es, durch die Aufbereitung mit Bindemitteln, in Verbindung mit einem sachgerechten Einbau und einer ordnungsgemäßen Verdichtung, die Eluierbarkeit der umweltrelevanten Inhaltsstoffe aus der fertigen Schicht wesentlich zu reduzieren. Dabei ist zu gewährleisten, dass die Umweltrelevanten Inhaltsstoffe auch langfristig eingebunden werden.

Grundsätzlich ist zur möglichen Einbindung der umweltrelevanten Inhaltsstoffe festzustellen, dass die unterschiedlichen Stoffe ein sehr komplexes Verhalten zeigen. Allgemeingültige Festlegungen können daher nicht getroffen werden. Insbesondere das Verhalten der organischen Schadstoffe ist nur schwierig zu erfassen. Anorganische Stoffe wie z. B. Schwermetalle haben je nach Milieubedingungen unterschiedliche Bindungsformen, die vom pH-Wert abhängig sind. Zur Beurteilung der Dauerhaftigkeit der Stoffeinbindung wurden umfangreiche wissenschaftliche Untersuchungen durchgeführt es erfolgten auch geochemische Modellierungen zur Identifikation der Bindungsmechanismen [3].

Bild 7: Geochemische Modellierung zur Identifikation der Bindungsmechanismen – Kontrollphasen bzw. relevante Einbindungspasen

Bild 8: Geochemische Modellierung zur Identifikation der Bindungsmechanismen – Konzentrationen in Abhängigkeit vom pH-Wert

In Bezug auf das Langzeitverhalten ist zu sagen, dass in aller Regel die Freisetzung von Inhaltsstoffen mit der Zeit zurückgeht. Dies konnte sowohl für monolithisches als auch für körniges Material in diversen Forschungsprojekten demonstriert werden. Bei Verwitterung der Bindemittelmatrix oder Zutritt von saurem Wasser können die immobilisierten umweltrelevanten Inhaltsstoffe aber teilweise auch wieder mobilisiert werden.

Unter Berücksichtigung der vg. Ausführungen ergibt sich die zwingende Vorgabe, in jedem Einzelfall eine Eignungsprüfung durchzuführen, bei der die Wirkung der Bodenbehandlung in Verbindung mit der Anordnung der Schicht im Bauwerk und der Wasserdurchlässigkeit der Überbauung zu bewerten ist. Zur Bewertung der komplexen Zusammenhänge sind umfangreiche Kenntnisse erforderlich, was im Regelfall die Erstellung eines Gutachtens bedingt. Weiterhin wird empfohlen, die gewählten Nachweisverfahren mit der zuständigen Wasserbehörde abzustimmen.

6 Zusammenfassung und Ausblick

Das neue „Merkblatt über Bodenbehandlungen mit Bindemitteln“ (M BmB) berücksichtigt die aktuellen Vorschriften und Normen sowie Kenntnisse aus verschiedenen Forschungsvorhaben, die inhaltlich aufgenommen wurden. Mit Neuausgabe des M BmB erfolgte auch eine Zusammenfassung der bisherigen drei Merkblätter. Die Erkenntnisse der Forschungsarbeiten sind im M BmB in den Anhängen C, D, und E in übersichtlicher Form dargestellt und praxisgerecht zusammengefasst worden.

Das M BmB gibt damit einen umfassenden Überblick über den aktuellen Stand des Wissens. Der aktuelle Stand des Wissens stellt allerdings nur eine Momentaufnahme dar. Insbesondere durch die Fragestellungen, die sich aus den Diskussionen zur Nachhaltigkeit von Bauweisen ergeben, lassen eine Fortschreibung des straßenbautechnischen Regelwerkes erwarten. Dieses wird auch die Verfahren der Bodenbehandlung betreffen.

Literaturverzeichnis

1. Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen (2021): Merkblatt über Bodenbehandlungen mit Bindemitteln (M BmB), Ausgabe 2021, Köln (FGSV551)
2. Botor, P.; Tost, E. (2018): Eignung von Boden-Bindemittel-Gemischen als Baustoff für den Hinterfüllbereich von Brücken, FE 5.0184/2013/MGB, BASt-Berichte, S. 135, 2019
3. Xiaochen L., (2018): Langfristige Schwermetalleinbindung in Böden und Ersatzbaustoffen durch Behandlung mit Bindemitteln, FE 5.0167/2011/LRB, veröffentlicht: www.ibac-ce.twth-aachen.de (> Forschung > Publikationen)
4. K. J. Witt, J.; Köditz, A.; Damaschke: Untersuchung der Eignung von Mischbindemitteln für Bodenverfestigungen, Forschung Straßenbau und Straßenverkehrstechnik, Heft 1105, Bonn (2014)
5. Moormann, C. et al. (2015): Kenngrößen zur Risikoabschätzung des Ettringittreibens von sulfathaltigen Böden, FE 5.0171/2012/BGB
6. Kuhl, O. (2019): Basic Principals for Soil Treatment with Binder – Stabilization of Fine-grained Soil with Lime, In: Vernecular and Earthern Architecture towards Local Developement – Proceedings of 2019, Pingyao, S. 456-461