Der Einsatz veränderlich fester Gesteine als Erdbaustoff soll zukünftig erhöht werden. Da sich allerdings ihre bodenmechanischen Eigenschaften nach dem Lösen aus dem Gebirgsverband unter Witterungseinflüssen bereits während der Bauzeit unterschiedlich stark verändern können, ist ihr Einsatz bisweilen noch zögerlich. Systematische Untersuchungen zum Trag-ä und Verformungsverhalten zeigten bereits auf, dass die bodenmechanischen Eigenschaften nicht nur von ihrer Zusammensetzung und den inneren Bindungskräften, sondern auch vom Einbauzustand und dem Verwitterungszustand abhängen. Zudem kann bei veränderlich festen Gesteinen das Quellvermögen sogar erst durch eine Lösung der diagenetischen Verbindungen aktiviert werden. Um das Quellverhalten veränderlich fester Gesteine beim oberflächennahen Einsatz als Erdbaustoff zu untersuchen, wurden daher beim Forschungsprojekt verschiedene Quelluntersuchungen durchgeführt, von denen hier die Ergebnisse der kombinierten Quelldruck-Quellhebungsversuche an fünf unterschiedlich stark quellfähigen Böden abhängig vom Einbau- und Verwitterungszustand vorgestellt werden. Da ein linearer Zusammenhang zwischen Quelldruck und Quelldehnungen besteht, kann zunächst mit Hilfe des Quelldruckversuches beurteilt werden, ob überhaupt Quelldehnungsversuche erforderlich sind. Bei Bodengruppen mit einem höheren Feinkornanteil (d < 0,06 mm) > 15 M.-% sowie bei Böden, die schnell zu einem feinkörnigen Boden (I_d2 < 60 %) zerfallen können, sollte ein Quelldruckversuch durchgeführt werden. Liegen zu diesen Grenzen die maximalen Quelldrücke σ > 100 kPa, sind zusätzlich Quellhebungsversuche zu ergänzen. Grundsätzlich können veränderlich feste Gesteine als Erdbaustoff eingesetzt werden. Aufgrund ihrer Verwitterungsempfindlichkeit ergeben sich höhere Anforderungen an die Erdbauprozesse, da sie nach dem Lösen aus dem Gebirgsverband bis zum Einbauen und Verdichten schnell zu einem gemischt- bis feinkörnigen Boden zerfallen können. Dieser verwitterungsbedingte Zerfall mit Erhöhung des Feinkornanteils kann zu einer Verschlechterung der bodenmechanischen Eigenschaften führen. Daher sollte eine Zwischenlagerung ohne zusätzliche Schutzmaßnahmen vermieden werden. Um das Sackungs- und Quellpotential weiter zu reduzieren, sind beim Einbau Luftporenanteile n_a ≤ 6 Vol.-% anzustreben.

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

1 Einführung

Um die Entnahme und Nutzung natürlicher Rohstoffe nachhaltiger zu gestalten und damit die Umweltbelastungen zu reduzieren, soll die Verwendung bautechnisch weniger geeigneter und bereits vor Ort anstehender Erdbaustoffe vorangetrieben werden. Zu diesen Baustoffen zählen auch die veränderlich festen Gesteine, die vor allem in Süd- und Mitteldeutschland in nicht unerheblichem Umfang oberflächennah anstehen und damit einen wesentlichen Teil der verfügbaren Erdbaustoffe darstellen. Ihr Einsatz ist aufgrund fehlender Erfahrungen sowohl zum Trag- und Verformungsverhalten als auch zum Quellverhalten teilweise noch zögerlich, so dass bisweilen eine Deponierung oder Grubenverfüllung vorgezogen wird.

Die Problematik veränderlich fester Gesteine besteht darin, dass sich ihre bodenmechanischen Eigenschaften nach dem Lösen aus dem Gebirgsverband unter Witterungseinflüssen unterschiedlich stark und außerdem zeitlich schnell verändern können. Bereits wenige Wechselvorgänge zwischen Austrocknung und Befeuchtung, die während der Bauzeit und den damit verbundenen Erdbauprozessen (Lösen, Laden, Fördern, Zwischenlagern, Einbauen und Verdichten) stattfinden können und oft nicht zu vermeiden sind, führen zu veränderlichen Festigkeitseigenschaften, die einen mehr oder weniger starken Zerfall derartiger Gesteine bewirken. Diese Änderungsprozesse können während einer jahrzehntelangen Nutzung zunächst zu Sackungen bzw. Quellhebungen und infolge fortschreitender Verwitterung zu anhaltenden Verformungen in Erdbauwerken führen. Exemplarisch sind die möglichen Stadien des Zerfalls, die eine künstliche Verwitterung durch Trocknungs-Befeuchtungs-Wechsel (TBW) im Labor zeigen, sowohl bildhaft als auch schematisch im Bild 1 dargestellt.

Bereits in vorhergehenden Forschungsuntersuchungen (u. a. Möller, Heyer 2014, Stiegeler et al. 2006 sowie Bönsch 2006) wurde festgestellt, dass die bodenmechanischen Eigenschaften stark von ihrer Zusammensetzung und den inneren Bindungskräften sowie vom Einbauzustand (Einbauwassergehalt, Einbaudichte) und dem vorliegenden Verwitterungszustand abhängen. Zum anderen wurde festgestellt, dass bei veränderlich festen Gesteinen das Quellvermögen sogar erst durch eine Lösung der diagenetischen Verbindungen, z. B. infolge von Rissbildung durch Austrocknung, durch Zerfall infolge von Verwitterungsvorgängen (Trocknungs-Befeuchtungs-Wechsel) und durch mechanische Einwirkung (Entlastung bei Freilegung, Aufbereitung und Verdichtung) aktiviert werden kann. Um veränderlich feste Gesteine im Erdbau oberflächennah einsetzen zu können, sollte demnach nicht nur das Verformungsverhalten, sondern auch ein mögliches Quellpotential berücksichtigt werden. Insbesondere können die mit erheblichen Volumenvergrößerungen verbundenen Quellvorgänge bei veränderlich festen Gesteinen zu Schäden an Erdbauwerken und damit zu einer Beeinträchtigung der Gebrauchstauglichkeit führen.

Bild 1: Veränderlichkeit – Stadien des Zerfalls (nach Möller, Heyer 2014)

Ursächlich für die mit erheblichen Volumenvergrößerungen verbundenen Quellvorgänge bei veränderlich festen Gesteinen sind Anteile an quellfähigen Tonmineralen oder chemische Quellprozesse, wie z. B. die Umwandlung von Anhydrit zu Gips. Es gibt eine Vielzahl von Publikationen, die sich mit dem Quellverhalten quellfähiger Böden und Gesteine, v. a. im Bereich des Tunnelbaus (z. B. Rauh 2009) aber auch bei anstehenden Gesteinen (z. B. Pimentel 1996), beschäftigen. Allerdings fehlen für veränderlich feste Gesteine, die als Erdbaustoff wieder eingebaut und verdichtet werden sollen, systematische Untersuchungen zum Quellvermögen in Abhängigkeit vom Einbauzustand und Verwitterungsgrad. 

2 Klassifizierende Versuche

Die Zielsetzung des von der Bundesanstalt für Straßenwesen geförderten Forschungsvorhabens (Möller et al. 2018) war es, das Quellvermögen von ausgewählten veränderlich festen Gesteinen in Abhängigkeit vom Einbau- und Verwitterungszustand zu untersuchen. Für die hier vorgestellten kombinierten Quelldruck-Quellhebungsversuche wurden auf Basis von Klassifikationsuntersuchungen insgesamt fünf Böden ausgesucht, die aus verschiedenen Bauvorhaben oder Lagerstätten gewonnen wurden: Tonmergelstein, dunkelroter Mergel, Opalinustonstein, tertiärer Ton und Feuerletten-Zersatz.

Tabelle 1: Auszug aus der Übersicht der Kennwerte (Möller et al. 2018)

Wie bereits mehrfach festgestellt (Möller et al. 2018, Möller, Heyer 2014, Stiegeler et al. 2006) liefern klassifizierende Versuche bei veränderlich festen Gesteinen oft keine eindeutigen Ergebnisse. Aufgrund ihrer Zerfallsneigung kann je nach Ausgangszustand des Gesteins bzw. Bodens bereits die Wassereinwirkung bei der Bestimmung einer Korngrößenverteilung zu Veränderungen des Materialgefüges führen. Insbesondere die Art der Durchführung, Trockensiebung, Nasssiebung oder Sedimentationsanalyse, nimmt Einfluss auf das Versuchsergebnis. Infolge dieser Problematik ist eine eindeutige Beschreibung nach DIN EN ISO 14688-1 sowie Einstufung in eine Bodengruppe nach DIN 18196 nicht möglich (Tabelle 1). Veränderlich feste Gesteine sind daher als eigene Bodengruppe anzusehen, wie auch in der aktuellen ZTV E-StB 17 angegeben.

Das Erkennen und Klassifizieren der Veränderlichkeit bei veränderlich festen Gesteinen ist entscheidende Voraussetzung, um insbesondere die Ergebnisse klassifizierender Untersuchungen richtig beurteilen und die höheren Anforderungen bei den einzelnen Erdbauprozessen richtig festlegen zu können. Hierzu existieren verschiedene Arten von Verwitterungsversuchen wie Trocknungs-Befeuchtungs-Wechsel, der Siebtrommelversuch (Herzel 2002) sowie der Trocknungs-Befeuchtungs-Versuch (Nickmann 2009). In der ZTV E-StB 17 soll eine Beschreibung nach dem Siebtrommelversuch erfolgen. Die fünf Böden zeigten hierbei einen Zerfallsbeständigkeitsindex Id2 < 60%, was einer Einstufung als „niedrig“ zerfallsbeständig (Herzel 2002) entspricht. Die Ergebnisse weiterer Verwitterungsversuche sind ausführlich in der Forschungsarbeit (Möller et al. 2018) beschrieben und dargestellt.

Eine Aussage zum Quellpotential für veränderlich feste Gesteine, die als Erdbaustoff verwendet werden, lässt sich allein mit den Klassifikationsparametern quantitativ nicht abschätzen, da v. a. der Einbau- und der Verwitterungszustand größeren Einfluss auf die Höhe der Quelldrücke und damit auch Quelldehnungen zeigten. Es lässt sich nur qualitativ feststellen, ob ein Boden überhaupt quellen könnte. So zeigten beispielsweise die am geringsten quellfähigen Böden Tonmergelstein und dunkelroter Mergel eine geringere Plastizitätszahl IP als 21 % (Tabelle 1) und zählten gleichzeitig zu den grobkörnigeren Böden mit einer Proctordichte ρ_Pr > 1,90 g/cm (Bild 3). Beide Böden besaßen zudem bei der nass gesiebten Korngrößenverteilung einen Feinkornanteil (d < 0,06 mm) < 15 M.-% (Möller et al. 2018). Die drei quellfähigeren Böden (Opalinustonstein, Feuerletten-Zersatz, tertiärer Ton) besaßen nur geringfügig höhere IP als 21 %, waren dagegen deutlich feinkörniger, das sich an den geringeren Proctordichten ρ_Pr < 1,90 g/cm sowie höheren Feinkornanteilen (d < 0,06 mm) > 15 M.-% zeigte (Möller et al. 2018). Mit Erhöhung der Feinkörnigkeit, auch infolge einer Verwitterung, vergrößert sich die spezifische Oberfläche, an der Wasser angelagert werden kann, und damit auch das Quellpotential. Somit ist nicht die Plastizität des Feinkorns allein entscheidend, sondern erst die Menge des Feinkornanteils an der Gesamtprobe, die das Verhalten als grob-, gemischt- oder feinkörniges Material prägt. 

3 Proctorversuche in Abhängigkeit vom Verwitterungszustand

Zur Untersuchung des Quellverhaltens wurden zwei Einbauzustände (Proctoroptimum und Verdichtungsgrad D_Pr = 97 % auf der trockenen Seite des Proctoroptimums) je Verwitterungszustand ausgewählt. In Anlehnung an die Verwitterungszustände VZ 1 bis VZ 3 zur vorhergehenden Forschung (Möller, Heyer 2014) wurden die Bezeichnungen wie folgt angepasst:

– VZ 1 = Ausgangszustand (unverwittert bzw. bei Probenentnahme)

– VZ 2 = 1 TBW (wird hier nicht betrachtet)

– VZ 3 = Anzahl der TBW, so dass ca. 50 % Zerfall stattgefunden hat (Simulation „Zwischenlagerung“)

– VZ 4 = Anzahl der TBW, so dass ca. 90 % Zerfall stattgefunden hat (Zustand eines fast vollständig verwitterten Materials)

Um die Verwitterungszustände VZ 3 und VZ 4 festlegen zu können, musste zunächst der Zerfallsverlauf des Bodens bis zu einer Grenzkurve, wo der Zerfall weitgehend abgeschlossen ist, ermittelt werden (siehe exemplarisch für den Opalinustonstein im Bild 2). Zur Herstellung der Verwitterungszustände wurden die Materialien im Labor künstlich verwittert, in dem sie einem bzw. mehreren Trocknungs-Befeuchtungs-Wechseln (TBW) unterzogen wurden. Für die Befeuchtung wurden die Proben 24 h in Wasser gelagert und anschließend bis zur Gewichtskonstanz getrocknet. Der Zerfall wurde anhand einer Korngrößenverteilung in bestimmten Intervallen an TBW quantitativ durch eine Nasssiebung erfasst. Als untere Grenzkurve wurde die Kornverteilung im VZ 1 durch eine Trockensiebung ermittelt. Die obere Grenzkurve wurde als erreicht angesehen, wenn innerhalb von fünf TBW eine Änderung des Massenanteils des Siebdurchgangs < 2 mm weniger als 1 M-% betrug.

Bild 2: Zerfallsverlauf anhand von mit Nasssiebungen kombinierten TBW zur Festlegung der Verwitterungszustände VZ 3 und VZ 4, Opalinustonstein

Tabelle 2: Übersicht der Probenbezeichnungen und Abkürzungen sowie Anzahl der TBW je VZ 3 bzw. VZ 4

Die je Boden untersuchten Verwitterungszustände VZ 3 bzw. VZ 4 und die dazu erforderliche Anzahl an TBW sowie die Abkürzungen der Probenbezeichnungen, die in den nachfolgenden Diagrammen verwendet werden, ist in der Tabelle 2 aufgelistet.

Für jeden der zu untersuchenden Verwitterungszuständen wurden anschließend die Proctorkurven der fünf Böden ermittelt. Diese sind mit den entsprechenden Soll-Werten sowie den tatsächlich erreichten Ist-Werten bei den Quelldruck-Quellhebungsversuchen im Bild 3 dargestellt.

Aufgrund der starken Heterogenität des Tonmergelsteins im VZ 1 konnte auch nach einer Vielzahl an Versuchen keine einheitliche Proctorkurve ermittelt, sondern vielmehr nur ein Proctorband, das den Bereich möglicher Einbaubedingungen wiedergibt (braun gefärbter Bereich im Bild 3). Somit ist besonders beim Tonmergelstein eine deutliche Abweichung der Ist-Werte von den Soll-Werten zu erkennen.

Bild 3: Proctorkurven und Einbauzustände (Soll- und Ist-Werte) der fünf Böden 

4 Quelldruck-Quellhebungsversuche

4.1 Methodik der Quelldruck-Quellhebungsversuche

An fünf Böden wurden jeweils im Ausgangszustand (VZ 1) sowie im Verwitterungszustand VZ 3 oder VZ 4 (Tabelle 2) zur Ermittlung der Beziehung zwischen Quelldruck und Quelldehnung kombinierte Quelldruck-Quellhebungsversuche in Großödometern mit einem Durchmesser von 30 cm und einer Probenhöhe von 6 cm durchgeführt. Die Versuchsdurchführung setzte sich aus einer weg- und einer lastgesteuerten Versuchsphase zusammen (schematisch im Bild 4). Zunächst wurde der Quelldruck infolge von Wasserzugabe bei behinderter axialer Dehnung gemessen (weggesteuerte Versuchsdurchführung). Ausgehend vom maximalen Quelldruck wurde anschließend in der lastgesteuerten Versuchsphase die Probe stufenweise auf 1/2, 1/4 und 1/8 der maximalen Quelldruckspannung entlastet, wobei die Quelldehnungen unter dem jeweiligen Druck ermittelt wurden. Die Dauer der beiden Versuchsphasen variierte stark in Abhängigkeit vom Material.

Die Versuchsdurchführung unterschied sich zum bekannten Ansatz nach Huder, Amberg 1970 insofern, dass die Proben nicht bis zur deutlich höheren Vorlastspannung belastet und die sich daraus ergebenden Quelldrücke und Quelldehnungen ermittelt wurden. Die Ergebnisse der Versuche sollten mögliche Quellreaktionen analog zu verdichteten veränderlich festen Gesteinen, die im Erdbauwerk eingebaut und verdichtet werden, widerspiegeln. Da das Quellen maßgeblich vom Einbauzustand abhängt, wurde auf eine hohe Vorlastspannung verzichtet.

Bild 4: Skizzenhafter Versuchsablauf und Auswertung des kombinierten Quelldruck-Quellhebungsversuches

Anlehnend an das eindimensionale Quellgesetz (Grob 1972) wurde für die untersuchten Böden anhand der kombinierten Quelldruck-Quellhebungsversuche zunächst eine Beziehung zwischen dem Quelldruck und der Quelldehnung entwickelt. Die Steigung der Quellgeraden im logarithmischen Maßstab ist annähernd linear und kann durch den Quellparameter K_z,q wie folgt beschrieben werden:

Formel in PDF

Da ein linearer Zusammenhang zwischen dem Quelldruck und der Quelldehnung und damit auch zwischen dem Quelldruck und dem Quellparameter besteht, sind im Abschnitt 4.2 die Ergebnisse für die gesamte Quelldehnung Δ_εz,q (Bild 4), die sich aus der Differenz zwischen der Quellhebung für den maximalen Quelldruck und der Quellhebung für die minimal aufgebrachte Spannung ergibt, in Abhängigkeit für den maximalen Quelldruck σ_z,max aus dem Quelldruckversuch erläutert und dargestellt (Bild 6). 

4.2 Ergebnisse der Quelldruck-Quellhebungsversuche

Im Allgemeinen hat sich aus den kombinierten Quelldruck-Quellhebungsversuchen ein linearer Zusammenhang zwischen Quelldruck und Quelldehnung ergeben. Mit zunehmendem Quelldruck nehmen auch die Quelldehnungen zu (Bild 6). Der sich zunächst im weggesteuerten Versuch einstellende Quelldruck hängt dabei maßgeblich von den beiden Faktoren Einbau- und Verwitterungszustand ab.

Die Höhe des Quelldrucks im Quelldruckversuch wird insbesondere durch den Porenraum und die spezifische Oberfläche der Tonminerale bestimmt. Hierzu ist zum einen im Bild 5 erkennbar, dass je Verwitterungszustandes eines Bodens der Quelldruck σ_z,max mit abnehmender Trockendichte ρd,0 ansteigt. Mit abnehmender Trockendichte steigt wiederum der Luftporenanteil, wodurch eine höhere Wasseraufnahme in den Porenraum möglich wird. Je mehr Wasser sich an vorhandene Tonminerale anlagern kann, umso höher fällt dann das Quellen aus. Damit zeigte sich wie bereits bei den Kompressionsversuchen nach Möller, Heyer 2014, dass die trockenen Einbaubedingungen und damit größeren Porenanteile den Wasserzutritt und somit das Potenzial zum Quellen und Sacken begünstigen. Somit wäre, wie bereits vorgeschlagen (Möller, Heyer 2014), eine Begrenzung des Luftporenanteils von na < 6 Vol.-% zur Reduzierung von Verformungen anzustreben.

Bild 5: Quelldruck in Abhängigkeit von der Anfangstrockendichte

Dass je Verwitterungszustand eines Bodens der Quelldruck mit abnehmender Trockendichte zunimmt, wurde bei allen Böden bis auf den Feuerletten-Zersatz beobachtet. Hier nahm der Quelldruck auch mit zunehmender Trockendichte zu. Dies kann mit der hohen Feinkörnigkeit des Bodens zusammenhängen. Denn tendenziell nimmt der Quelldruck zu, desto mehr das Quellen behindert wird. Allerdings ist Quellen auch immer vom Wassergehalt bzw. der zur Verfügung stehenden Wassermenge abhängig. Wenn bei sehr dichten Proben aufgrund deren geringen Durchlässigkeit kaum mehr Wasser fließen kann, wie i. d. R. bei den dichteren Proben im Proctoroptimum, kann auch kein weiteres Quellen stattfinden. Proben auf der trockenen Seite der Proctorkurve können bedingt durch den höheren Luftporenanteil bzw. geringerem Anfangssättigungsgrad mehr Wasser aufnehmen, das sich anlagern kann. Je geringer der Anfangssättigungsgrad ist, umso höher ist das Wasseraufnahmepotential bei gleichzeitig höherer Durchlässigkeit wegen dem höheren Anfangsluftporenanteil. Wird das Quellen bei diesen Proben dann behindert, kann sich ein entsprechender Quelldruck einstellen. Die Proben des Feuerletten-Zersatzes im Proctoroptimum (UB II, UB IV) konnten zwar weniger Wasser aufnehmen als die Einbauzustände auf der trockenen Seite, jedoch muss beachtet werden, dass sie aufgrund ihres höheren Anfangswassergehaltes (Tabelle 1) und v. a. höheren Feinkörnigkeit eine hohe spezifische Oberfläche haben. Diese hohe Angriffsfläche für Wassermoleküle in Kombination mit der hohen Dichte führt zu einer stärkeren Behinderung des Quellens und damit zu höheren Quelldrücken, auch dann, wenn diese dichten und damit gering durchlässigen Proben kaum noch Wasser aufnehmen und nicht vollständig sättigen. Daraus lässt sich auch folgern, dass sehr dichte Proben, die eine geringe Durchlässigkeit haben, über längere Zeit sukzessive Wasser aufnehmen und sich dabei nicht nur Quelldrücke, sondern die schädlicheren Quelldehnungen entwickeln können.

Eine Zunahme der Quelldrücke wurde auch bei Zunahme des Verwitterungszustandes und damit bei Zunahme des Feinkornanteils festgestellt. Denn je höher der Feinkornanteil eines Bodens und damit seine spezifische Oberfläche ist, desto mehr Wasser kann an die Oberfläche der zugänglichen Tonminerale angelagert werden. Bei den untersuchten Proben zeigte der Feuerletten-Zersatz mit den geringsten Einbautrockendichten (Bild 3) die höchsten Quelldrücke (Bild 5). Eine Erhöhung der Quelldrücke mit zunehmender Verwitterung zeigte sich auch deutlich beim Opalinustonstein. Trotz ähnlicher Einbaudichten im VZ 1 zu VZ 3 (Bild 3) hat sich durch nur einen TBW im VZ 3 (Tabelle 2) der Feinkornanteil deutlich erhöht (Bild 2). Um also Quellhebungen zu vermeiden, ist eine Vorverwitterung im Sinne einer Zwischenlagerung ohne Schutzmaßnahmen nicht zielführend, wenn dabei der Feinkornanteil nachteilig erhöht wird.

Der allgemeine lineare Zusammenhang zwischen Quelldruck und Quelldehnungen zeigte sich v. a. bei den stärker quellenden Böden Opalinustonstein, Feuerletten-Zersatz und tertiärer Ton, die einen Quelldruck σ > 100 kPa und damit höhere Quelldehnungen entwickelten (Bild 6). Diese schnell zu einem feinkörnigen Boden zerfallenden Böden (Id2 < 60 %) besaßen auch einen höheren Feinkornanteil (d < 0,06 mm) > 15 M.-% (Möller et al. 2018) und entsprechend eine geringere Proctordichte ρ_Pr < 1,90 g/cm sowie eine Plastizitätszahl IP > 21 %.

Im Umkehrschluss zeigten die grobkörnigeren Böden dunkelroter Mergel und Tonmergelstein (ρ_Pr > 1,90 g/cm) trotz des Vorhandenseins quellfähiger Tonminerale geringere Quelldrücke und noch geringere Quelldehnungen (Bild 6). Beim Quelldruckversuch am dunkelroten Mergel im UB I und UB II wurde bereits innerhalb von nur 1 h ca. 95 % des maximal Quelldruckes erreicht. Diese sehr schnelle Reaktion, wie auch beim Tonmergelstein beobachtet, kann nicht durch eine Art des Quellens, sondern nur durch die Wasseraufnahme in den Porenraum verbunden mit einer Aufweitung dessen begründet werden. Der geringe Feinkornanteil dieser Böden mit (d < 0,06 mm) < 15 M.-% (Möller et al. 2018) zeigte sich auch anhand der anschließenden Quelldehnungen, die bei beiden grobkörnigeren Böden mit Δ_εz,q < 0,5 % relativ gering ausfielen (Bild 6). Somit könnte für grobkörnigere Proben mit Quelldrücken σ < 100 kPa in der Praxis weiterführende aufwendige Quelldehnungsversuche entfallen.

Bild 6: Quelldehnung Δεz,q in Abhängigkeit vom Quelldruck 

5 Zusammenfassung

Da ein linearer Zusammenhang zwischen Quelldruck und Quelldehnungen besteht, kann zunächst mit Hilfe des Quelldruckversuches beurteilt werden, ob überhaupt Quelldehnungsversuche erforderlich sind. Bei Bodengruppen mit einem höheren Feinkornanteil (d < 0,06 mm) > 15 M.-%, das vermutlich zu einer geringeren Proctordichte ρ_Pr < 1,90 g/cm³ sowie einer höheren Plastizitätszahl IP > 21 % führt sowie bei Böden, die schnell zu einem feinkörnigen Boden zerfallen können (I_d2 < 60%), sollte ein Quelldruckversuch durchgeführt werden. Liegen zu den beschriebenen Grenzen der Klassifikationsparameter die maximalen Quelldrücke σ > 100 kPa, sind zusätzlich Quelldehnungsversuche zu ergänzen.

Grundsätzlich können veränderlich feste Gesteine als Erdbaustoff eingesetzt werden, wie in den verschiedenen Forschungsarbeiten gezeigt werden konnte (Möller et al. 2018, Möller, Heyer 2014 sowie Stiegeler et al. 2006). Entscheidend ist zunächst das Erkennen ihrer Veränderlichkeit, um insbesondere die Ergebnisse klassifizierender Untersuchungen richtig beurteilen und die höheren Anforderungen bei den einzelnen Erdbauprozessen richtig festlegen zu können. Da zwischen dem Lösen und Verdichten ein verwitterungsbedingter Zerfall des veränderlich festen Gesteins zu einem gemischt- bis feinkörnigen Boden nicht ausgeschlossen werden kann, sollten erforderliche klassifizierende Untersuchungen (z. B. Proctorversuch und Quelldruckversuch) immer am einzubauenden Material bestimmt werden. Eine Zwischenlagerung sollte daher wegen der Erhöhung des Feinkornanteils vermieden werden. Um das Sackungs- und Quellpotential zu reduzieren, sind beim Einbau Luftporenanteile ≤ 6 Vol.-% anzustreben. 

Literaturverzeichnis

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Möller, P.; Heyer, D. (2014): Verwendung veränderlich fester Gesteine und halbfester bis fester Tone als Erdbaustoff. Schlussbericht zum FE Vorhaben 09.148/2011/HRB (unveröffentlicht)

Nickmann, M. (2009): Abgrenzung und Klassifizierung veränderlich fester Gesteine unter ingenieurgeologischen Aspekten. Münchner Geowissenschaftliche Abhandlungen, Reihe B, Band 12, 2009, Verlag Dr. Friedrich Pfeil, München

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