Im Zusammenhang mit der aktuellen politischen Diskussion über den Ausstieg aus der Atomenergie und der Förderung der erneuerbaren Energien steht momentan die Energieeffizienz im Vordergrund. Dabei ist ein sehr wichtiges Thema, und zwar das der Ressourceneffizienz etwas ins Hintertreffen geraten. Mit Beschluss des Bundeskabinetts vom 29. 2. 2012 wurde das sogenannte Ressourceneffizienzprogramm (ProgRess) von der Bundesregierung eingeführt ­ ein Programm zur nachhaltigen Nutzung und zum Schutz der natürlichen Ressourcen Eine Leitidee dabei ist es, die Wirtschafts- und Produktionsweisen in Deutschland schrittweise von Primärrohstoffen unabhängiger zu machen, die Kreislaufwirtschaft weiterzuentwickeln und auszubauen. Mit der Novellierung des Kreislaufwirtschaftsgesetzes wurde die neue 5-stufige Abfallhierarchie aus der Europäischen Abfallrahmenrichtlinie umgesetzt: → Vermeidung → Wiederverwendung → Recycling → sonstige Verwertung (u. a. energetisch oder Verfüllung) → Beseitigung. Damit ist die bisher vielfach praktizierte Verfüllung gegenüber der Wiederverwendung und dem Recycling eine nachrangige Verwertungsform. Dies hat weitreichenden Einfluss auf den Umgang mit mineralischen Restmassen aus Bautätigkeiten (Bauschutt, Bodenaushub, Straßenaufbruch) und industriellen Nebenprodukten, da bisher die Verfüllung, z. B. in Gruben und Brüchen, gleichrangig zu anderen Verwertungsmöglichkeiten war. Um die Ziele des Kreislaufwirtschaftsgesetzes zu erreichen, sind mineralische Restmassen zukünftig in technischen Bauwerken wieder zu verwenden und falls erforderlich durch Recycling für eine Wiederverwendung aufzubereiten. Am Zentrum Geotechnik wurden im Zusammenhang mit verschiedenen Forschungs- und Bauvorhaben Untersuchungen an erdbautechnisch schwierigen Böden und Baustoffen durchgeführt, die derzeit vielfach nicht weiterverwendet werden, sondern verfüllt oder abgelagert werden, weil Zweifel an ihrer bautechnischen Eignung bestehen oder eine Verbesserung der bautechnischen Eignung durch Behandlung nicht in Betracht gezogen wird. In dem Beitrag werden hierfür ausgewählte Beispiele vorgestellt.

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

1 Einführung

Im Zusammenhang mit der aktuellen politischen Diskussion über den Ausstieg aus der Atomenergie und der Förderung der erneuerbaren Energien steht momentan die Energieeffizienz im Vordergrund. Dabei ist ein sehr wichtiges Thema, und zwar das der Ressourceneffizienz etwas ins Hintertreffen geraten. Mit Beschluss des Bundeskabinetts vom 29. 2. 2012 wurde das sogenannte Ressourceneffizienzprogramm (ProgRess) von der Bundesregierung eingeführt – ­ ein Programm zur nachhaltigen Nutzung und zum Schutz der natürlichen Ressourcen (BMU, 2012a). Eine Leitidee dabei ist es, die Wirtschafts- und Produktionsweisen in Deutschland schrittweise von Primärrohstoffen unabhängiger zu machen, die Kreislaufwirtschaft weiterzuentwickeln und auszubauen.

Mit der Novellierung des Kreislaufwirtschaftsgesetzes (BMU, 2012b) wurde die neue 5-stufige Abfallhierachie aus der Europäischen Abfallrahmenrichtlinie umgesetzt: → Vermeidung → Wiederverwendung → Recycling →sonstige Verwertung (u. a. energetisch oder Verfüllung) → Beseitigung.

Damit ist die bisher vielfach praktizierte Verfüllung gegenüber der Wiederverwendung und dem Recycling eine nachrangige Verwertungsform. Dies hat weitreichenden Einfluss auf den Umgang mit mineralischen Restmassen aus Bautätigkeiten (Bauschutt, Bodenaushub, Straßenaufbruch) und industriellen Nebenprodukten, da bisher die Verfüllung, z. B. in Gruben und Brüchen, gleichrangig zu anderen Verwertungsmöglichkeiten war. Um die Ziele des Kreislaufwirtschaftsgesetzes zu erreichen, sind mineralische Restmassen zukünftig in technischen Bauwerken wieder zu verwenden und falls erforderlich durch Recycling für eine Wiederverwendung aufzubereiten.

Da mineralische Restmassen den überwiegenden Anteil der insgesamt anfallenden Bauabfälle darstellen, können durch den Einsatz dieser Stoffe im Erdbau große Mengen an natürlichen Ressourcen geschont werden. Dies ist von großem öffentlichem Interesse und wird durch die Gesetzeslage auch gefordert.

Es ist in der öffentlichen Diskussion sehr hilfreich, wenn der negativ beleumundete Abfallbegriff in den Hintergrund tritt. Dies wird bereits durch den Wegfall des Begriffs Abfall in der Bezeichnung des novellierten Kreislaufwirtschaftsgesetzes (früher: Kreislaufwirtschafts- und Abfallgesetz) dokumentiert. Der Einsatz von aufbereitetem Bauschutt als Baustoff ist daher als Wiederverwendung und nicht als Abfall zur Verwertung anzusehen. Die Weiterverwendung von unbelastetem Bodenaushub, z. B. als Dammbaustoff, ist ein aktiver Beitrag zur Abfallvermeidung, bei dem zum einen natürliche Ressourcen geschont werden und zum anderen erst gar kein Abfall entsteht.

Es muss das grundsätzliche Ziel verfolgt werden, dass möglichst alle gewonnenen Böden weiterverwendet werden, wenn sie für den Verwendungszweck sowohl in bautechnischer als auch in umweltbezogener Hinsicht geeignet sind. Der Verwendungszweck sollte für dieses Material so hochrangig wie möglich sein. Der Verwendungszweck kann aber auch angepasst werden, um die Entstehung von Abfall zu verhindern, indem beispielsweise ein Material wegen Massenüberschuss statt im Straßenoberbau im Unterbau oder bei Lärmschutzwällen zum Einsatz kommen kann.

Am Zentrum Geotechnik wurden im Zusammenhang mit verschiedenen Forschungs- und Bauvorhaben Untersuchungen an erdbautechnisch schwierigen Böden und Baustoffen durchgeführt, die vielfach nicht weiterverwendet werden, sondern verfüllt oder abgelagert werden, weil Zweifel an ihrer bautechnischen Eignung bestehen oder eine Verbesserung der bautechnischen Eignung durch Behandlung nicht in Betracht gezogen wird. Nachfolgend werden hierfür ausgewählte Beispiele vorgestellt.

2 Wiederverwendung von organogenen Böden aus erdbautechnischer Sicht

2.1 Allgemeines

Fallen im Zuge von Baumaßnahmen organogene Böden in großem Umfang an, so werden diese aufgrund ihrer ungünstigen Eigenschaften derzeit hauptsächlich abgelagert. Während die Eigenschaften von organogenen und organischen Böden als gering tragfähige Böden im Untergrund in entsprechendem Umfang erforscht sind, so ist über die erdbautechnischen Eigenschaften dieses Materials nur wenig bekannt. Im Zuge einer vom Zentrum Geotechnik der TU München begleiteten Planung eines Großprojektes wurden hierzu systematische Untersuchungen durchgeführt. Diese Untersuchungen und weitere Erfahrungen am Zentrum Geotechnik zeigen, dass auch Böden mit organischen Anteilen bis zu etwa 25 M.-% für unter geordnete Bauwerke mit Anforderungen an die Standsicherheit eingesetzt werden können. Die Eigenschaften des Materials werden dabei aber maßgeblich vom organischen Anteil, in der Geotechnik bestimmt mit dem Glühverlust nach DIN 18128, beeinflusst. (vgl. Birle et al., 2010, Heyer et al., 2012 und Birle et al., 2013)

2.2 Erdbautechnischen Eigenschaften

Untersuchungen zu organogenen Böden als Baustoff wurden in Deutschland erstmals von Brüggemann & Moritz (1979) durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen eine deutliche Abhängigkeit des Verdichtungsverhaltens und der Plastizität sowie eine bodenspezifische Abhängigkeit des Verformungsverhaltens und der Scherfestigkeit vom organischen Anteil (Versuche an künstlich hergestellten Mischungen aus Sand oder Ton mit Humus). Die Untersuchungen am Zentrum Geotechnik, TU München, bestätigen einen Zusammenhang auch für Böden mit höheren organischen Anteilen (vgl. Heyer et al., 2012 und Birle et al., 2013) als die von Brüggemann & Moritz (1979) untersuchten Böden. Im Bild 1 ist der Zusammenhang zwischen Glühverlust und Fließgrenze für Böden aus dem Erdinger Moos (rund) und Freisinger Moos (eckig) dargestellt. Es handelte sich bei den untersuchten Böden hauptsächlich um organogene Tone, bei niedrigen Anteilen an organischem Material teils auch um mittel- bis ausgeprägt plastische Tone.

Bild 1: Zusammenhang zwischen Glühverlust und Fließgrenze (Birle et al., 2013)

Im Bild 2 ist der Proctorwassergehalt in Abhängigkeit vom organischen Anteil dargestellt. Die von Brüggemann & Moritz (1979) berichtete lineare Zunahme mit steigendem Wassergehalt wird durch die Untersuchungen von Heyer et al. (2012) und Birle et al. (2013) somit auch für höhere organische Anteile bestätigt.

Bild 2: Zusammenhang zwischen Glühverlust und Proctorwassergehalt (Birle et al., 2013)

Die Durchlässigkeiten der untersuchten Proben zeigten dabei zwar eine Abhängigkeit vom Einbauwassergehalt und der Trockendichte, nicht aber vom organischen Anteil. So wurden im Proctoroptimum Durchlässigkeiten von etwa k ≈ 5.10-9 m/s dokumentiert (Heyer et al., 2012 und Birle et al., 2013).

Während die Kohäsion nach Heyer et al. (2012) bzw. Birle et al. (2013) für die untersuchten Böden unabhängig vom organischen Anteil Werte zwischen c` = 14 kN/m² und 27 kN/m² annahm, ergaben sich für organische Anteile bis VGl 25 M.-% Reibungswinkel von 20 ° bis 25 °. Die untersuchten Proben zeigten deutliche Kriecherscheinungen. Bei noch höheren Glühverlusten wird aber ein Absinken der Werte für die Reibungswinkel berichtet. Die undrainierte Scherfestigkeit wurde für im Proctoroptimum verdichtete Proben und VGl < 25 M.-% mit cu > 50 kN/m² dokumentiert. Auch die Steifigkeit der untersuchten Böden zeigte eine Abhängigkeit vom organischen Anteil. Die Versuche ergaben keine Hinweise auf ein ausgeprägtes Quellungs- bzw. Sackungspotenzial.

2.3 Typische Probleme bei der Eignungsprüfung

Bei der Eignungsprüfung organogener Böden stoßen die herkömmlichen Methoden stellenweise an ihre Grenze. Derzeit werden am Zentrum Geotechnik der TU München mehrere unterschiedliche organische Böden mit organischen Anteilen bis etwa 30 M.-% auf ihre bautechnischen Eigenschaften untersucht. Die Untersuchungen schließen eng an die bereits durchgeführten Versuchsreihen am Zentrum Geotechnik an (siehe oben). Die Bodenproben entstammen hierbei jeweils nur einer Probenahmestelle. Trotzdem wurden, vor allem bei Proben mit hohen Glühverlusten, innerhalb einer Probenamestelle Unterschiede im organischen Anteil von über 10 M.-% dokumentiert (Glühverlust im Muffelofen bei 550 °C). Solche Schwankungen wirken sich auf die Ergebnisse von Einzelversuchen an diesem Material natürlich aus und zeigen das Problem der großen Varianz der Eigenschaften dieser Böden.

Ein weiteres Problem ergibt sich bei der Verdichtungsprüfung und der zugehörigen Vorbereitung des Materials. In Ermangelung einer entsprechenden Prüfnorm wird allgemein nach DIN 18127 vorgegangen. Demnach ist das Material vor dem Versuch auf den niedrigsten (für die Prüfung erforderlichen) Wassergehalt zu trocknen und der Wassergehalt durch Wasserzugabe für jeden Versuch einzustellen. Es ist nicht geklärt, inwiefern sich unterschiedliche Trocknungsarten (Trockenschrank bei niedrigen Temperaturen oder offene Lagerung), die Homogenisierungszeit nach Einstellung des Wassergehaltes und die Wahl der Verdichtung (Größe Proctortopf, mit/ohne Stahlplatte) auf die Verdichtungswerte auswirken. Des Weiteren ist durchaus bekannt, dass sich bei der Untersuchung von organogenen Böden oftmals kein eindeutiges Proctormaximum ergibt (siehe zum Beispiel Heyer et al., 2012).

2.4 Möglichkeiten zur Verbesserung der bautechnischen Eigenschaften

Die Bodenverbesserung organogener Böden hat im Gegensatz zur Bodenverfestigung rein die Verbesserung der Verarbeitbarkeit zum Ziel. Dies ist über die Reduzierung des Wassergehaltes erreichbar. Ist eine Trocknung nicht möglich, so bietet sich die Bodenverbesserung mit Weißfeinkalk (CaO) an. Diese wirkt einerseits über die Bindung von Wasser durch die Umwandlung von CaO + H2O in Ca(OH)2 und andererseits durch Verdunstung von Wasser als Folge der freiwerdenden Hydratationsenergie in Form von Wärme. Von Birle et al. (2013) wurden dazu Versuche an organogenen Tonen (Bild 3: Boden B ­ VGl ≈ 25 M.-%, Boden D ­ VGl ≈ 17 M.-%) durchgeführt. Die Ergebnisse des verbesserten Tones mit VGl ≈ 17 M.-% zeigen für Kalkverbesserungen typische Proctorkurven mit sinkender Trockendichte, bei steigender Zugabemenge. Die Verdichtungskurven des Bodens mit VGl ≈ 25 M.-% lassen ein abweichendes Verhalten erkennen. Hier ergeben sich bei steigender Zugabemenge steigende Proctordichten. Dies ist im Sinne einer klassischen Verbesserung mit Weißfeinkalk untypisch.

Bild 3: Verbesserung von Böden mit organischen Anteilen (Birle et al., 2013)

Die Verarbeitbarkeit des Bodens konnte aber in beiden Fällen erhöht werden. Bei beiden Böden wurde auf der nassen Seite der Proctorkurve eine Wassergehaltsreduzierung von etwa 1 M. -% pro 1 M.-% zugegebenem CaO dokumentiert.

Soll ein Boden mit organischen Anteilen mit Bindemitteln verfestigt werden, so besteht oft Zweifel daran, ob eine Verfestigungsreaktion unter Einfluss des sauren Milieus im Boden mit organischen Anteilen in ausreichendem Maße stattfinden kann. Was Jessberger (1967) hierzu zur Verbesserung mit Kalk angemerkt hat, gilt wohl auch für andere Bindemittel: es ist keine allgemein gültige Aussage möglich; die organischen Bestandteile hemmen zwar die Verfestigungsreaktion, unterbinden sie aber nicht unbedingt. Die theoretisch möglichen Einflüsse organischer Bestandteile auf die Verfestigungsreaktion wurden in einem Bericht von Tastan et al. (2011) anschaulich zusammengefasst. Ihre Studie über die Verfestigung organischer Böden mit Flugasche zeigt, dass unterschiedliche Faktoren wie organischer Anteil des Bodens, Art und Menge der zugemischten Flugasche, Einbauwassergehalt, etc. eine Rolle spielen. Eine Studie aus Schweden (Axelsson et al., 2002) an unterschiedlichen organischen Böden (Torf/ peat und Mudde/gyttja) mit organischen Anteilen zwischen 8 und 99 M.-% dokumentiert die Wirksamkeit unterschiedlicher Bindemittel wie Zement, Kalk, Flugasche und Hochofenschlakke. Obwohl die verschiedenen, verwendeten Bindemittel zu entsprechend unterschiedlichen Ergebnissen führen, kommen Axelsson et al. (2002) doch zum Ergebnis, dass sämtliche untersuchten Böden grundsätzlich verfestigt werden konnten. Yunus et al. (2013) berichten über die Kalkstabilisierung eines Tons mit unterschiedlichen Anteilen an eingemischter Huminsäure als Reaktionshemmer. Sie zeigen, dass Langzeitreaktionen in Abhängigkeit vom organischen Anteil (Huminsäureanteil) das kurzfristig erreichte Ausmaß der Bodenverbesserungsmaßnahme wieder negativ beeinflussen können (durch Abfallen des pH-Wertes des Bodens). Von Tremblay et al. (2002) wurde der Einfluss unterschiedlicher organischer Stoffe in einem zementstabilisierten, feinkörnigen Boden untersucht. Zusammenfassend deuten sie aus den Ergebnissen, dass organische Anteile, die in der Porenlösung einen pH-Wert < 9 bedingen, die Verfestigungsreaktion sehr stark hemmen und dadurch kein Festigkeitszuwachs erzielt werden kann. Bei anderen untersuchten Huminstoffen im Boden wurde die Verfestigung entweder nur verzögert, oder gar nicht beeinflusst.

Diese Zusammenstellung ist nur ein Ausschnitt aus der zum Thema vorhandenen Literatur und soll vorrangig zeigen, dass auch die Bodenverfestigung von organischen Böden, wenn auch mit Vorbehalten, möglich ist.

3 Verwendung von feinkörnigen Böden mit weicher Konsistenz im Erdbau

3.1 Allgemeines

Boden fällt als mineralischer Abfall bei Baumaßnahmen in der Regel dann an, wenn die erdbautechnischen Eigenschaften eine direkte Verwendung nicht ermöglichen und eine Bodenverbesserung als mögliche Alternative zur Bodenauswechslung nicht wirtschaftlich erscheint. Bei fein- und gemischtkörnigen Böden ist die Verwendung ohne Zusatzmaßnahmen vor allem abhängig vom Wassergehalt. Das bedeutet, dass eine Verbesserung vorrangig über eine Wassergehaltsreduzierung erreicht werden kann.

3.2 Möglichkeiten zur erdbautechnischen Verbesserung

Die klassischen erdbautechnischen Methoden sehen zur Trocknung von zu nassen Böden hauptsächlich die offene Lagerung und Trocknung, gegebenenfalls mit Auflockerung und Umlagerung durch Fräsung, vor. Wegen der starken Witterungsabhängigkeit über längere Zeiträume und des Zeitaufwandes der Trocknung bietet sich in vielen Fällen die Bodenverbesserung mit Bindemitteln an. Die am weitesten verbreitete Methode ist die Verbesserung mit Kalk, wobei vorrangig zwischen Kalkhydrat (genauer Kalziumhydroxid) und gebranntem Kalk (Weißfeinkalk) unterschieden wird. Weißfeinkalk bindet, wie bereits beschrieben, nach seiner Einmischung in den Boden durch Umwandlung von CaO in Ca(OH)2 chemisch Wasser. Die bei dieser Hydratationsreaktion freigesetzte Wärme bedingt eine zusätzliche Verdunstung von Bodenwasser. Zu diesem Zeitpunkt liegt dann der Kalk gelöscht in Form von Kalkhydrat im Boden vor. Die folgenden chemischen Verfestigungsreaktionen sind für den Weißfeinkalk und Kalkhydrat analog.

Wenn Kalkhydrat Ca(OH)2 dem Boden beigemischt wird, so ergibt sich in einem ersten Schritt eine Änderung der Konsistenz des Bodens. Diese resultiert aus dem Zerfall von Ca(OH)2 in Ca2+-Ionen und Hydroxide (OH-) und den darauf folgenden Kationenaustausch an der Mineraloberfläche. Dabei wird die Wasserhülle der Mineralteilchen verkleinert und es folgt die Aggregation und Herabsetzung der Plastizität. Dieser Effekt ist in der allgemeinen Tonmineralogie ausführlich beschrieben (zum Beispiel Jasmund & Lagaly, 1993). Durch die Zugabe von Kalkhydrat ist grundsätzlich also ebenfalls eine verbessernde Wirkung auf feinkörnige Böden möglich.

Natürlich unterliegt die Bodenverbesserung mit Kalk Grenzen. Eine ,,Grenze" ist im Bild 4 (rechts) angedeutet. Die durchgeführten Versuche orientierten sich an einer Eignungsprüfung, dem nassen Boden wurde Weißfeinkalk zugemischt. Es ist ersichtlich, dass der Wassergehalt im Proctoroptimum der Gemische mit dem ausgeprägt plastischen Ton (TA gem. DIN 18196) unabhängig von der Zugabemenge in etwa konstant bleibt, also mit zunehmender Bindemittelmenge nur ein unwesentlicher Verbesserungserfolg erzielt wird.

Bild 4: Bodenverbesserung mit Weißfeinkalk

3.3 Möglichkeiten zur gerätetechnisch-mechanischen Wassergehaltsreduzierung

Gerätetechnisch-mechanische Verfahren zur Wassergehaltsreduzierung werden derzeit in der Regel im Erdbau nicht angewendet. Dabei gibt es durchaus Parallelen zur Entwässerung von im Wasserbau anfallendem Material oder der Klärschlammentwässerung. Hierbei werden zusätzlich zur Trocknung auf Trockenfeldern auch andere Methoden zur Wassergehaltsreduzierung herangezogen, wie Zentrifugen, Kammer- bzw. Bandfilterpressen und Schneckenpressen (vgl. DWA-M 362-1 und DWA-M 366). Die Anwendbarkeit solcher Arbeitstechniken auch für feinkörnige Böden ist im Tunnelbau mit flüssigkeitsgestützter Ortsbrust bei der Aufbereitung von Ausbruchmaterialien belegt und wird für den allgemeinen Erdbau durch wirtschaftliche Aspekte bestimmt.

4 Recycling-Baustoff aus Bauschutt zur Verwendung im Erdbau

4.1 Allgemeines

In Deutschland fiel im Jahr 2010 etwa 53,1 Mio. t an Bauschutt an, wovon laut Angaben bereits ein großer Teil einem Recycling zugeführt wurde (Bundesverband Baustoffe ­ Steine und Erden e.V., 2013). Dabei gibt aber durchaus erhebliche Unterschiede, ob es sich um reinen Betonbruch, Bauschutt-Gemisch oder Böden mit Fremdbestandteilen handelt. So erfährt, einer Studie des IFEU (2010) in Baden-Württemberg zufolge, in der Regel reiner Betonbruch im Recycling eine höhere Akzeptanz als gemischter Bauschutt, dessen Eigenschaften aufgrund seiner Zusammensetzung stärker variieren können. Grundsätzlich bleiben aber für Recyclingmaterial aus Bauschutt, abgesehen von wirtschaftlichen Aspekten, weiterhin Unsicherheiten seitens der Bauherren hinsichtlich der bautechnischen Eigenschaften. Eine der Möglichkeiten zur Verbesserung der Situation und weiteren Etablierung dieser Baustoffe ist die Erweiterung des technischen Kenntnisstandes und Schaffung von Erfahrungswerten, die die Eigenschaften und Kalkulierbarkeit des Materials für Bauherrn greifbarer machen. Zu diesem Schluss kommen Untersuchungen in Deutschland (IFEU, 2010), aber auch anderswo (Thompson & Bashford, 2012).

4.2 Hemmnisse bei der Verwendung im Erdbau

Im straßenbautechnischen Regelwerk sind für den Erdbau im Straßenbau die Anforderungen an Sekundärbaustoffe in den TL BuB E-StB 09 definiert. Es sind dies bautechnische und umweltbezogene Anforderungen. Umweltrelevante Inhaltsstoffe sind bekanntermaßen ein maßgebliches Hemmnis bei der Verwendung im Erdbau. Systematische Untersuchungen der LUBW (2006-2009) in Baden-Württemberg zeigten, dass die meisten Überschreitungen von Zuordnungswerten nach M LAGA 20 oder denen der im Entwurf vorliegenden Ersatzbaustoffverordnung (BMU, 2012c) vor allem durch polyzyclische aromatischen Kohlenwasserstoffe (PAK) und Sulfat hervorgerufen werden. Eine Studie des IFEU (2012) schreibt die Überschreitungen der Sulfatwerte hauptsächlich Gipsprodukten im gemischten Bauschutt zu. Gleichzeitig liegt mit dem ,,Merkblatt über Bauweisen für Technische Sicherungsmaßnahmen beim Einsatz von Böden und Baustoffen mit Umweltrelevanten Inhaltsstoffen im Erdbau" (M TS E) mittlerweile ein Regelwerk vor, das anhand von unterschiedlichen Bauweisen für Dämme und Wälle, Vorschläge für Ausgestaltung von Bauwerken mit umweltrelevanten Inhaltsstoffen liefert.

Auf Seite der bautechnischen Anforderungen bewirken hauptsächlich unzureichende Erfahrungswerte, dass von einer Wiederverwertung oder sogar direkten Weiterverwendung abgesehen wird. Aufgrund fehlender Information zur erdbautechnischen Beurteilung solcher Recycling-Baustoffe wurden am Zentrum Geotechnik der TU München umfangreiche Versuche zur Beständigkeit, zum Verdichtungsverhalten sowie zur Tragfähigkeit und zur Frostbeständigkeit von Böden mit Fremdbestandteilen bzw. Bauschutt durchgeführt (Baum-Gärtel & Heyer, 2009). Ziel der Untersuchungen war die Klärung der Frage, wie im Boden enthaltene Fremdbestandteile in Abhängigkeit von Art und Menge die bautechnischen Eigenschaften des Gemisches (Boden mit Fremdbestandteilen) beeinflussen. Derzeit werden diese Untersuchungen auf RC-Baustoffe mit Bodenanteilen ausgeweitet. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen zeigten grundsätzlich, dass bei bindigen Böden (Kornanteil mit d ≤ 0,06 mm > 15 %) mit Fremdbestandteilen die mineralischen Fremdbestandteile aus Bauschutt im Regelfall zu einer Verbesserung der vorgenannten erdbautechnischen Eigenschaften führen. Bei nichtbindigen Böden zeigten sich die mineralischen Fremdbestandteile neutral.

Auch international zeigen zahlreiche Veröffentlichungen die Aktualität der Thematik und das Potenzial des Materials auf. Nachfolgend werden beispielhaft einige der Berichte genannt. Darin wird durchgehend die grundsätzliche technische Konkurrenzfähigkeit des Materials bestätigt.

Arulrajah et al. (2012b) berichten über die geotechnischen Eigenschaften von Betonbruchmaterial und in einer erweiterten Form (Arulrajah et al., 2012a) über den Einfluss unterschiedlicher Anteile an Ziegelbruch im Betonbruch auf dessen Eigenschaften. Hierzu wurden in beiden Studien zusätzlich zu klassifizierenden Versuchen unter anderem auch Verdichtungsversuche (mod. Proctor), Tragfähigkeitsversuche (CBR), Versuche zur Beständigkeit (Los Angeles Test), Versuche zur Bestimmung der Kornform und Kornzertrümmerung durch Verdichtung sowie statische und/oder dynamische Triaxialversuche durchgeführt. Leite et al. (2011) untersuchten gemischten Bauschutt auf Verdichtungsverhalten (Proctor, mod. Proctor), Tragfähigkeit (CBR), Wasseraufnahme, Kornform, Kornbeständigkeit (Los Angeles Abrasion), Kornzertrümmerung und dynamisches Verhalten bei unterschiedlichen Einbauzuständen. O'Mahony (1997) beschreibt das Scherverhalten von Betonbruch, Bauschutt und vergleicht die Ergebnisse mit denen von Sand und Kalkstein. Von Grégoire et al. (2011) wurden Triaxial-Versuche vergleichend an gebrochenem Kalkstein und Betonbruch durchgeführt. Der Schwerpunkt der Untersuchungen lag auf den Einflüssen auf das dynamische Langzeitverhalten und die Scherfestigkeit. Melbouci (2009) führte vergleichende Untersuchungen an natürlichen Körnungen und Recycling-Körnungen durch und untersuchte den Einfluss unterschiedlicher Zugaben (Sand, Ziegel, Zement) auf die Eigenschaften des RC-Baustoffes. Dazu wurden Verdichtungsversuche (mod. Proctor), Tragfähigkeitsversuche (CBR), Beständigkeitsversuche (Los Angeles Test, Micro-Deval), Scherfestigkeitsversuche und Versuche zur Kornzertrümmerung nach Scherbeanspruchung durchgeführt.

Als anwendungsbezogenes Beispiel berichten Ferias et al. (2013) über ein Projekt in Brasilien, bei dem im Zuge der Abbrucharbeiten des Altbestandes anfallender Bauschutt mit Boden aus Pfahlbohrungen vermischt und im Straßenbau des Projektes verwendet wurde. Verdichtungsversuche (Proctor), Tragfähigkeitsversuche (CBR) und Versuche zur Beständigkeit (Los Angeles Test) bestätigten die Hochwertigkeit des auf der Baustelle mittels mobiler Anlage hergestellten Baustoffes. Durch die ressourcenschonende Bauweise konnten außerdem maßgebliche finanzielle Einsparungen erzielt werden.

4.3 Typische Probleme bei der Eignungsprüfung

RC-Gemische weisen naturgemäß eine gewisse Offenporigkeit und Wasseraufnahmefähigkeit auf. Die Verdichtungsprüfung nach DIN 18127 ist für solche Gemische nur bedingt tauglich, da vor allem bei Gemischen mit Feinteilgehalt < 15 M.-% oft kein direkter Zusammenhang zwischen Wassergehalt und Trockendichte, wie bei üblichen Erdbaustoffen, vorhanden ist (vgl. Baumgärtel & Heyer, 2009 und Heyer & Baumgärtel, 2011). DIN EN 13286-2 greift solche Körnungen inhaltlich auf. Zur Porosität des Materials wird allerdings nur angemerkt, dass diese zu höherem Wasserbedarf und Anpassung der Wassergehaltsabstufungen führen kann. Das allein greift aber noch zu kurz. Versuche zum Wasseraufnahmevermögen von unterschiedlichen RC-Baustoffen von Diedrich et al. (2001) zeigen, dass zwar ein Großteil der Wassersättigung der Körner innerhalb der ersten Minuten erfolgt, die Änderung zwischen 3 und 30 Minuten nach Einmischung aber immerhin noch um den 0,5 M.-%-Bereich liegt. Der Zeitraum bis zur Sättigung beträgt den Untersuchungen zufolge etwa 7 bis 14 Tage. Diese Eigenschaft des Materials führt dazu, dass die Ausgangsfeuchte und der Zeitraum zwischen Wasserzugabe und Verdichtung nicht ohne weiteres bei der Prüfung vernachlässigt werden dürfen. Die Ergebnisse des Proctorversuches werden also maßgeblich von der Art der Aufbereitung bestimmt.

5 Synergieeffekt bei der Nutzung von Sekundärbaustoffen zur Verbesserung weicher, feinkörniger Böden

5.1 Allgemeines

Wenn mineralische Abfälle dazu verwendet werden, um andere mineralische Abfälle bis zur Wandlung in einen qualifizierter Baustoff zu verbessern, so kann dies als Synergieeffekt zur Erhöhung der Recyclingquote bezeichnet werden. Erstmals wurde in Deutschland von Mifka & Thelen (2007) über die Bodenverbesserung weicher, bindiger Böden durch Einmischung von Betonbruch berichtet. Dabei wurden die erdbautechnischen Eigenschaften des Bodenmaterials mit Hilfe eines Recyclingbaustoffes in großem Maßstab verbessert (in plant, etwa 40.000 t) und das Produkt als hochwertiger Dammbaustoff verwendet.

Ähnliche Möglichkeiten bestehen auch bei der Verwendung von industriellen Nebenprodukten, wie zum Beispiel Braunkohlenflugaschen, zur Bodenbehandlung. Diese fallen in Deutschland und anderen braunkohlegewinnenden Ländern in entsprechender Menge als Abfallprodukt der Braunkohleverbrennung an. Auf der Suche nach Potenzialen der Ressourcenschonung und gleichzeitiger Abfallvermeidung kommt auf die Braunkohlenflugasche international wachsende Aufmerksamkeit zu.

5.2 Bodenverbesserung mit RC-Baustoffen aus Bauschutt

Ziel der derzeit am Zentrum Geotechnik der TU München laufenden Forschungen zur Bodenverbesserung mit RC-Baustoffen aus Bauschutt ist es, diese neue Möglichkeit zur Ausweitung des Recyclings von Bauschutt aufbauend auf den Erkenntnissen von Mifka & Thelen (2007) systematisch zu untersuchen. Es zeigt sich, dass vor allem das bei der Herstellung von groben Recyclingkörnungen für den Straßenbau anfallende Material 0/4 mm (mit niedrigem Wassergehalt) großes Potenzial zur Verbesserung bindiger Böden aufweist. Im Bild 5 ist beispielhaft die Verbesserung eines leicht plastischen Tones (TL gemäß DIN 18196) dargestellt.

Bild 5: Verbesserung eines leicht plastischen Tones mit Recycling-Baustoffen (RC-Mix 0/4)

Die Diagramme zeigen eine deutliche Erweiterung der Verarbeitbarkeit in Form einer Verschiebung der Proctorkurven. Im optimalen Wassergehalt der jeweiligen Mischungen bleibt die Tragfähigkeit in Bezug auf das Proctoroptimum des Bodens ohne Zugabe tendenziell konstant. Eine Änderung des Tragverhaltens wird durch die Zugabe nicht erreicht, das Feinkorn bleibt mit für das Tragverhalten bestimmend.

Analoge Versuche an einem ausgeprägt plastischen Ton (TA gemäß DIN 18196) zeigen unabhängig von der Zugabemenge dagegen keine merkliche Verbesserung.

5.3 Bodenverbesserung mit Braunkohlenflugasche

Wie bereits erwähnt, wird Braunkohleflugasche (BFA) und seine Wirkung in der Bodenbehandlung in steigendem Ausmaß erforscht. Eigene Untersuchungen mit einem Produkt aus dem mitteldeutschen Raum unterstreichen das Potenzial, welches der Verwendung solchen Materials bei der Bodenverbesserung oder sogar der Verfestigung beigemessen werden kann.

Die Darstellungen in den Bildern 6 und 7 zeigen die Ergebnisse für unterschiedliche Zugabemengen und eine Reaktionszeit zwischen Mischung und Verdichtung von 24 Stunden. Die Zugabe wirkt sich bereits direkt nach Zugabe stark auf die Tragfähigkeit des Gemisches aus, diese steigt merklich.

Neben der zur verbessernden Bodenart sind aus derzeitiger Sicht vor allem der erzielte Mischerfolg und die gewährte Reaktionszeit für die Ausprägung der Verbesserung etwaiger Verfestigungsprozesse ausschlaggebend.

Bild 6: Verbesserung eines leicht plastischen Tons mit Braunkohlenflugasche

Bild 7: Vergleich der ermittelten Durchlässigkeiten am mit BFA verbesserten TL

6 Zusammenfassung

Mit der Wiederverwendung und dem Einsatz von erdbautechnisch schwierigen Böden und Baustoffen werden gleichzeitig die beiden Ziele Ressourcenschonung und Abfallvermeidung unmittelbar umgesetzt. In diesem Bereich steckt für die kommenden Jahre einiges an Forschungs- und Entwicklungspotential.

Literaturverzeichnis

A r u l r a j a h, A.; P i r a t h e e p a n, J.; A l i, M. M. Y.; B o, M. W. (2012a): Geotechnical Properties of Recycled Concrete Aggregate in Pavement Sub-Base Applications. In: Geotechnical Testing Journal 35, No. 5, S. 743-­751

A r u l r a j a h, A.; P i r a t h e e p a n, J.; B o, M. W.; S i v a k u g a n, N. (2012b): Geotechnical Characteristics of Recycled Crushed Brick Blends for Pavement Sub-base Applications. In: Canadian Geotechnical Journal 49, No.7, S. 796-­811

A x e l s s o n, K.; J o h a n s s o n, S.-E.; A n d e r s s o n, R. (2002): Stabilization of Organic Soils by Cement and Puzzolanic Reactions ­ Feasibility Study (English Translation 2002). Swedish Deep Stabilization Research Centre, Stockholm

B a u m g ä r t e l, T.; H e y e r, D. (2009): Erdbautechnische Eignung und Klassifikation von Böden mit Fremdbestandteilen und von Bauschutt. Forschung Straßenbau und Straßenverkehrstechnik, Heft 1020

B i r l e, E.; B o s o, M.; H e y e r, D. (2010): Investigation of the Water Flow in an Embankment Built of Organic Soil: Experimental results and large scale field test. Fifth International Conference on Unsaturated Soils, Barcelona, 6. bis 8. September 2010. Proceedings Volume II: pp. 1299-­1304

B i r l e, E.; H e y e r, D.; B a u m g ä r t e l, T. (2013): Erdbautechnische Eigenschaften organogener Böden der Münchner Schotterebene. Fachtagung Geotechnik & Umwelt an der HTW Dresden, 21. 11. 2013

B r ü g g e m a n n, K.; M o r i t z, K. (1979): Verwendbarkeit von Böden mit organischen Bestandteilen ­ Abschlussbericht zu FA 5.014 im Auftrag der Bundesanstalt für Straßenwesen

Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (BMU) (2012a): Deutsches Ressourceneffizienzprogramm (ProgRess) ­ Programm zur nachhaltigen Nutzung und zum Schutz der natürlichen Ressourcen, Beschluss des Bundeskabinetts vom 29. 2. 2012

Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (BMU) (2012b): Gesetz zur Förderung der Kreislaufwirtschaft und Sicherung der umweltverträglichen Bewirtschaftung von Abfällen (Kreislaufwirtschaftsgesetz ­ KrWG), Ausfertigungsdatum 24. 12. 2012 (Stand 22. 5. 2013)

Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (BMU) (2012c): Verordnung über den Einbau von mineralischen Ersatzbaustoffen in technischen Bauwerken (Ersatzbaustoffverordnung ­ ErsatzbaustoffV), Artikel 2 einer Mantelverordnung, Entwurf vom 31. 10. 2012

Bundesverband Baustoffe ­ Steine und Erden e.V. (2013): Mineralische Bauabfälle ­ Monitoring 2010. http://www.kreislaufwirtschaft-bau.de

D i e d r i c h R.; B r a u c h A.; K r o p p J. (2001): Rückenstützenbetone mit Recyclingzuschlägen aus Bauschutt. Schlussbericht zum Forschungsvorhaben AiF 11414 N, digital, http://www.mpa-bremen.de/pdf/ BerichtRKBeton.pdf

DIN 18127: Baugrund, Untersuchung von Bodenproben ­ Proctorversuch, Ausgabe 2012

DIN 18128: Baugrund, Untersuchung von Bodenproben ­ Bestimmung des Glühverlustes, Ausgabe 2002 DIN EN 13286-2: Ungebundene und hydraulisch gebundene Gemische ­ Teil 2: Laborprüfverfahren zur Bestimmung der Referenz-Trockendichte und des Wassergehaltes ­ Proctorversuch, Ausgabe 2013

DWA-M 362-1: Umgang mit Baggergut ­ Teil 1: Handlungsempfehlungen, Ausgabe 2008

DWA-M 366: Maschinelle Schlammentwässerung, Ausgabe 2013

F e r i a s, A.; F u c a l e, S.; G u s m ã o, A. (2013): Technical and Economic Analysis of Construction and Demolition Waste Used in Paving Project. In: Proceedings of the 18th International Conference on Soil Mechanics and Geotechnical Engineering, Paris: pp. 3199-­3202

G r é g o i r e, C.; C o r r e i r a A. G.; d e B e l, R.; D e t h y, B. (2012): Mechanical Behavior of Natural and Recycled Granular Materials for Roads. Journal of Testing and Evaluation, Vol. 39, No. 5: pp. 1-­11

H e y e r, D.; B a u m g ä r t e l, T. (2011): Nachhaltige Materialverwendung im Erdbau, Fachtagung ,,Zement-stabilisierte Böden". Gütegemeinschaft Bodenverfestigung ­ Bondenverbesserung, Neutraubling, 26. 1. 2011

H e y e r, D.; B i r l e, E.; B a u m g ä r t e l, T.; B l o m e y e r, H.; S c h ö n h o f e r, F. (2012): Effizienter und umweltverträglicher Umgang mit dem Baustoff Boden am Beispiel arsenhaltiger Böden bei der geplanten Erweiterung des Flughafens München, 32. Baugrundtagung in Mainz vom 26. 9. bis 29. 9. 2012

IFEU (2010): Optimierung der Verwertung mineralischer Bauabfälle in Baden-Württemberg, im Auftrag des Umweltministeriums Baden-Württemberg IFEU (2012): Optimierung des Stoffstrommanagements für gemischten Bauschutt (Bauschutt mit Anteilen an Mauerwerksbruch), im Auftrag des Ministeriums für Umwelt, Klima und Energiewirtschaft Baden-Württemberg

J a s m u n d, K.; L a g a l y, G. (Hrsg.) (1993): Tonminerale und Tone. Struktur, Eigenschaften, Anwendungen, und Einsatz in Industrie und Umwelt. Darmstadt: Steinkopff

J e s s b e r g e r, H. L. (1967): Grundlagen und Anwendung der Bodenstabilisierung. Düsseldorf: VDI-Verlag GmbH

Landesanstalt für Umwelt, Messungen und Naturschutz Baden-Württemberg ­ LUBW (2006-2009): Untersuchung von Bauschuttrecyclingmaterial in Baden-Württemberg. http://www.lubw.baden-wuerttemberg.de

L e i t e, F.d.S.; M o t t a, R.d.S.; Va s c o n c e l o s, K. L.; B e r n u c c i, L. (2011): Laboratory evaluation of recycled construction and demolition waste for pavements. In: Construction and Building Materials 25, No. 6: pp. 2972-­2979

M e l b o u c i, B. (2009): Compaction and Building Materials. Construction and Building Materials 23, No. 8: pp. 2723­2730

M i f k a, K.; T h e l e n, D. (2007): Verbesserung bindiger Böden mit Betonrecycling ­ Fallbeispiel einer Großbaumaßnahme bei Koblenz. Vorträge zur Erd- und Grundbautagung 2007, In: Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen (Hrsg.), 2008, C 10

M LAGA 20: Mitteilungen der Länderarbeitsgemeinschaft Abfall 20: Anforderungen an die stoffliche Verwertung von mineralischen Reststoffen/Abfällen ­ Technische Regel ­ Ausgaben 1997 und 2003

Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen: Merkblatt über Bauweisen für Technische Sicherungsmaßnahmen beim Einsatz von Böden und Baustoffen mit Umweltrelevanten Inhaltsstoffen im Erdbau (M TS E), Ausgabe 2008, Köln (FGSV 559)

O` M a h o n y, M. M. (1997): An analysis of the shear strength of recycled aggregates. In: Materials and Structures 30, No. 10: pp. 599-­606

Ta s t a n, E. O.; E d i l, B. T.; B e n s o n, C. H.; A y d i l e k, A. H. (2011): Stabilization of Organic Soils with Fly Ash. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, Vol. 137, No. 9: pp. 819-­833

T h o m p s o n, J. D.; B a s h f o r d, M. (2012): Concrete Recycling and Utilization of Recycled Concrete: An investigation of the Barriers and Drivers within the Phoenix Metropolitan Area. In: ASCE, Construction Research Congress 2012: pp. 1682-­1688

Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen: Technische Lieferbedingungen für Böden und Baustoffe im Erdbau des Straßenbaus (TL BuB E-StB 09). Ausgabe 2009. Köln (FGSV 597)

T r e m b l a y, H.; D u c h e s n e, J.; L o c a t, J.; L e r o u e i l, S. (2002): Influence of the nature of organic com-pounds on fine soil stabilization with cement. Canadian Geotechnical Journal, Vol. 39, No. 3: pp. 535-­546

Yu n u s, M. N. Z.; W a n a t o w s k i, D.; S t a c e, L. R. (2013): Lime stabilization of Organic Clay and the Effects of Humic Acid Content. Geotechnical Engineering Journal of the SEAGS & AGSSEA, Vol. 44, No. 1: pp. 19­-25