Die Umweltverträglichkeit von Mineralstoffen wird in der Regel anhand ihrer wasserwirtschaftlichen Verträglichkeit, also ihrem Auslaugverhalten, beurteilt. Für industrielle Nebenprodukte erfolgte dies in Deutschland bisher mit Hilfe eines einstufigen Schüttelverfahrens (S4-Verfahren), das mit einem Wasser/Feststoff-Verhältnis von 10:1 l/kg arbeitet. Für Materialien, die zur Reduzierung der Eluierbarkeit umweltrelevanter Inhaltsstoffe mit Bindemittel behandelt wurden und deren Auslaugbarkeit sowohl im Ausgangszustand als auch im behandelten Zustand (verfestigt als Monolith) untersucht werden muss, eignet sich aber eher das Trogverfahren. Es arbeitet ebenfalls mit einem W/F-Verhältnis von 10:1 l/kg, dabei wird jedoch nicht das Elutionsgefäß, sondern lediglich der Eluent bewegt. Für das Trogverfahren gibt es allerdings bisher keinen Beurteilungsmaßstab. Die in Regelwerken festgelegten Grenzwerte beziehen sich meist auf das S4-Verfahren. Im Rahmen der sich derzeit in Bearbeitung befindlichen Ersatzbaustoffverordnung (EBV) ist als Auslaugverfahren zukünftig nicht mehr das S4-Verfahren vorgesehen, sondern Säulenverfahren (Säulenkurztest und ausführlicher Säulenversuch), von denen angenommen wird, dass sie vom Grundsatz her praxisnäher sind als Schüttelverfahren, da Säulenversuche die Auslaugvorgänge am Einbauort besser simulieren können. Neben dem Säulenverfahren ist alternativ auch noch die Durchführung eines Schüttelverfahrens (2:1) im Gespräch. Diese Verfahren arbeiten nicht mehr mit einem W/F-Verhältnis von 10:1 l/kg, sondern mit W/F = 2:1 l/kg bzw. W/F = 4 l/kg. Im Rahmen eines Forschungsprogramms wurde untersucht, ob die Ergebnisse des Trogverfahrens mit denen des S4-Verfahrens so weit übereinstimmen, dass der Bewertungsmaßstab für das S4-Verfahren auf das Trogverfahren übertragen werden kann. Zum anderen wurde untersucht, inwieweit sich die Ergebnisse der bisher durchgeführten Auslaugverfahren an die in dem Entwurf der EBV vorgeschlagenen Auslaugverfahren anbinden lassen. Die Auswertung hat ergeben, dass zwischen dem S4- und dem Trogverfahren eine recht gute Übereinstimmung besteht, wobei tendenziell durch den stärkeren mechanischen Abrieb bei dem S4-Verfahren etwas höhere Konzentrationen gemessen werden. Die Schüttelverfahren zeigen im Vergleich zu den Säulenverfahren über alle gemessenen Parameter und Materialien hinweg geringfügig bessere Reproduzierbarkeiten. Zwischen dem Schüttelverfahren (2:1) und dem Säulenkurztest wurde eine hohe Übereinstimmung festgestellt. Ebenso besteht zwischen den Ergebnissen des Säulenkurztests und des ausführlichen Säulenversuchs, bei dem die Ergebnisse aus der kumulativen Freisetzung der Frachten bis Fraktion 3 rechnerisch ermittelt wurden, eine hohe Übereinstimmung. Dagegen unterscheiden sich die Ergebnisse der Verfahren mit W/F 2:1 l/kg z. T. deutlich von denen mit W/F 10:1 l/kg. Tendenziell werden bei Verfahren mit größeren W/F-Verhältnissen niedrigere Konzentrationen aber höhere Frachten ermittelt. Allgemeine Umrechnungsfaktoren zwischen den einzelnen Verfahren sind wegen fehlender systematischer Unterschiede mit den vorliegenden Daten nicht zu ermitteln. Da von allen in dem Forschungsprogramm durchgeführten Auslaugverfahren nur das Trogverfahren dafür geeignet ist, intakte Probekörper auszulaugen, wird das Trogverfahren auch zukünftig von Bedeutung sein und insbesondere im Rahmen von Lebenszyklusanalysen eingesetzt werden müssen.

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1 Einleitung

Im Rahmen eines im gemeinsamen Forschungsprogramm der Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen (FGSV) und des Bundesministeriums für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung (BMVBS) initiierten Projektes [1] wurde untersucht, ob die Ergebnisse des Trogverfahrens [2] mit denen des modifizierten S4-Verfahrens [3] so weit übereinstimmen, dass der Bewertungsmaßstab für das S4-Verfahren auf das Trogverfahren übertragen werden kann [4]. Hintergrund für diese Versuche war die Erarbeitung des ,,Merkblattes über die Behandlung von Böden und Baustoffen mit Bindemitteln zur Reduzierung der Eluierbarkeit umweltrelevanter Inhaltsstoffe" [5]. Für den Nachweis einer erfolgreichen Reduzierung der Eluierbarkeit umweltrelevanter Inhaltsstoffe aus Böden und Baustoffen müssen die Materialien im Ausgangszustand sowie im mit Bindemittel behandelten Zustand untersucht werden. Hierfür bietet sich das Trogverfahren an, mit dem sowohl ungebundene als auch verfestigte Materialien untersucht werden können. Der einzige Nachteil besteht bisher darin, dass es für das Trogverfahren noch keinen Bewertungsmaßstab gibt.

Sowohl bei dem modifizierten S4- als auch dem Trogverfahren beträgt die Auslaugdauer 24 h. Insbesondere bei der werkseigenen Produktionskontrolle in Aufbereitungsanlagen für Recyclingbaustoffe, aber auch bei Kontrollprüfungen auf der Baustelle, ist häufig eine sehr schnelle Überprüfung der wasserwirtschaftlichen Merkmale erforderlich. Daher wurde von dem Institut für Bodenkunde der Universität Hamburg ein Ultraschallverfahren erarbeitet, das es ermöglicht, innerhalb von 15 Minuten Eluate herzustellen [6]. Da es für das zur Schnellelution von Mineralstoffen entwickelte Ultraschallverfahren (TP Gestein-StB 7.1.5 [7]) ebenfalls noch keinen Bewertungsmaßstab gibt, wurde es in die Vergleichsuntersuchungen einbezogen. Die Organisation und Federführung für die Durchführung des Forschungsprojektes oblag dem FEhS ­ Institut für Baustoff-Forschung e.V.. Die Auslaugversuche wurden in Zusammenarbeit mit zwei weiteren Forschungsstellen, dem Institut für Abfall, Abwasser und InfrastrukturManagement GmbH (INFA), Ahlen und dem Institut für Bodenkunde der Universität Hamburg (IfB) durchgeführt.

In einem Nachfolgeprojekt [8], das von dem FEhS-Institut bearbeitet wurde, wurde der Untersuchungsumfang um Versuche erweitert, die derzeit im Rahmen der in Erarbeitung befindlichen Ersatzbaustoffverordnung [9, 10] diskutiert werden [11]. Dies ist zum einen ein Säulenverfahren (DIN 19528 [12]), von dem angenommen wird, dass es vom Grundsatz her praxisnäher ist als ein Schüttelverfahren, da Säulenversuche die Auslaugvorgänge am Einbauort besser simulieren können. Neben dem Säulenverfahren ist zum anderen auch noch die Durchführung eines Schüttelverfahrens nach DIN 19529 [13] im Gespräch. Beide Verfahren arbeiten nicht mehr, wie das S4- und das Trogverfahren, mit einem W/F-Verhältnis von 10:1 l/kg, sondern mit W/F = 2:1 l/kg. Weiterhin ist für die grundlegende Charakterisierung von Materialien im Rahmen der Ersatzbaustoffverordnung ein ausführlicher Säulenversuch von Bedeutung (W/F = 4:1 l/kg, [12]). Alle drei Verfahren wurden mit den gleichen Materialien durchgeführt, die bereits für den ersten Teil des Projektes verwendet wurden. Damit sollte eine Anbindung der Ergebnisse von den bisher durchgeführten Auslaugverfahren an die neuen Verfahren ermöglicht werden.

2 Forschungsziele

Hauptziel des ersten Teils des Forschungsprojektes [1] war es, eine statistisch gesicherte Aussage darüber zu erhalten, ob die Ergebnisse des Trogverfahrens so weitgehend mit denen des modifizierten S4-Verfahrens übereinstimmen, dass die für das S4-Verfahren festgelegten Grenz- und Richtwerte auch auf das Trogverfahren angewandt werden können. Falls es deutliche Unterschiede gibt, sollte untersucht werden, ob diese systematisch sind und gegebenenfalls Umrechnungsfaktoren berechnet werden können. Da es auch für das zur Schnellelution von Mineralstoffen entwickelte Ultraschallverfahren noch keinen Bewertungsmaßstab gibt, wurde es ebenfalls in die Vergleichsuntersuchungen einbezogen.

Als weitere Fragestellung wurde im Rahmen des Forschungsvorhabens untersucht, wie sich die Behandlung von Böden oder Baustoffen mit einem Bindemittel (in diesem Fall Zement) auf das Auslaugverhalten auswirkt. Dazu wurden die aus Mischungen von Böden bzw. Baustoffen mit Zement hergestellten Proctorkörper nach einer Aushärtungszeit von 28 Tagen zum einen ,,im Ganzen" (wie im Merkblatt [5] vorgesehen) ausgelaugt, zum anderen auch im wieder aufgebrochenen Zustand. Hintergrund für die Versuche an zementverfestigtem und wieder aufgebrochenem Material ist, dass zunehmend im Rahmen von ,,Lebenszyklusanalysen" diskutiert wird, ob und gegebenenfalls wie sich das Auslaugverhalten eines Materials nach Abriss und damit nach Zerkleinerung eines Bauwerkes verändert.

Im Rahmen der Ersatzbaustoffverordnung, die derzeit für die Verwertung von Abfällen und Gesteinskörnungen erarbeitet wird, sind als Auslaugverfahren ein Säulenverfahren oder alternativ ein Schüttelverfahren im Gespräch, die beide mit einem W/F von 2:1 l/kg arbeiten. Die Ergebnisse dieser Verfahren sind daher nicht ohne Weiteres mit denen der bisher üblichen Verfahren mit einem W/F von 10:1 vergleichbar. Beide neuen Verfahren arbeiten ausschließlich mit ungebundenem Material und sind somit grundsätzlich für die Untersuchung von verfestigten Materialien (Probekörpern) ungeeignet. Für die Untersuchung gebundener oder mit Bindemittel verfestigter Materialien sowie die Beurteilung, ob durch die Behandlung mit Bindemittel eine ausreichende Einbindung von Schadstoffen erfolgt ist, ist die Durchführung des Trogversuchs demnach weiterhin als sinnvoll zu beurteilen. Ein wesentliches Ziel der Untersuchungen [6] bestand somit darin, eine Anbindung der Ergebnisse von den bisher durchgeführten Auslaugverfahren an die in dem derzeitigen Entwurf der bundeseinheitlichen Ersatzbaustoffverordnung vorgeschlagenen Auslaugverfahren zu schaffen. Dazu wurden die im ersten Teil des Projektes untersuchten Materialien ergänzend mit den neuen Auslaugverfahren untersucht und die Ergebnisse aller Auslaugversuche miteinander verglichen.

3 Untersuchungsprogramm

Für die Untersuchungen wurden drei verschiedene Materialien ausgewählt, die für eine Behandlung mit Bindemittel gemäß o. g. Merkblatt generell in Frage kommen. Der Materialauswahl kam eine besondere Bedeutung zu, da ein Verfahrensvergleich nur möglich ist, wenn Inhaltsstoffe vorhanden sind, die in gut messbaren Konzentrationen auslaugbar sind. Daher wurden Voruntersuchungen an mehreren Proben unterschiedlicher Herkunft aus drei Materialgruppen (schwermetallbelasteter Boden, RC-Material und HMV-Asche) durchgeführt, aus denen jeweils eine Probe mit einer besonders hohen Auslaugrate ausgewählt wurde. Alle drei Materialien sind daher nicht als typisch für die entsprechenden Materialgruppen zu bezeichnen. Die Auslaugbarkeit der unverfestigten Materialien wurde im ersten Teil des Forschungsprojektes mittels des modifizierten S4-Verfahrens [3], des Trogverfahrens [2] sowie des Ultraschallverfahrens [6] getestet. Entgegen der Originalvorschriften für das modifizierte S4-Verfahren und das Trogverfahren wurden die Materialien nicht in der Körnung 0/32 mm, sondern in der Körnung 0/16 mm untersucht. Dadurch wurde zum einen die Reproduzierbarkeit der Ergebnisse verbessert und zum anderen die Vergleichbarkeit der Ergebnisse erleichtert, da im Ultraschallverfahren ein Größtkorn von 16 mm eingesetzt wird.

Zum Nachweis der Reduzierung der Schadstofffreisetzung wurden ergänzend zu den ungebundenen Originalmaterialien Proben der mit Bindemittel behandelten, verfestigten Materialien geprüft. Um eine geeignete Rezeptur für die Bindemittelgehalte zur Herstellung verfestigter Proben zu ermitteln, wurden Eignungsprüfungen gemäß TP BF-StB Teil B 11.1 [14] durchgeführt. Als Bindemittel wurde ein handelsüblicher Portlandzement CEM I 42,5 verwendet. Für die Herstellung der Probekörper für die Auslauguntersuchungen wurden schließlich folgende Zementgehalte ausgewählt:

Boden:           7 M.-%

RC-Material:  5 M.-%

HMV-Asche: 10 M.-%.

Laut o. g. Merkblatt [5] soll der Bindemittelgehalt so gering wie möglich, allerdings nicht > 15 M.-% sein. Die Proctorkörper wurden nach der Herstellung über einen Zeitraum von 28 Tagen feucht gelagert, entsprechend den Erfordernissen der nachfolgenden Auslaugversuche z. T. wieder aufbereitet, luftgetrocknet und anschließend an die jeweiligen Institute für die Durchführung der Auslaugversuche verschickt. Das Bild 1 zeigt einen kleinen Ausschnitt der insgesamt ca. 160 hergestellten Proctorkörper.

Bild 1: 28 Tage gelagerte Proctorkörper aus zementbehandeltem RC-Material

Die auf eine Korngröße < 16 mm zerkleinerten Proctorkörper wurden mit allen drei Verfahren [2, 3, 6] ausgelaugt, die unzerkleinerten Proctorkörper nur mit dem Trogverfahren [7]. Alle Eluate wurden auf folgende Parameter analysiert: pH-Wert, Leitfähigkeit, As, Cd, Cr ges., Cu, Hg, Mo, Ni, Pb, Sb, V, Zn, Cl, SO4. Darüber hinaus wurden in den Eluaten von HMVA und Boden zusätzlich CN ges. und CN l.fr. bestimmt, in den Eluaten von RC-Material und Boden der Phenolindex sowie in den Eluaten von HMVA der DOC. Aus statistischen Gründen wurden alle Auslaugversuche in neun Parallelen durchgeführt.

Darüber hinaus wurden aus dem für die Verfestigung der drei Materialien verwendeten Portlandzement (CEM I 42,5) Prismen hergestellt und sowohl im Ganzen (nach 28 Tagen Feuchtlagerung) als auch in gebrochener Form (< 0/16 mm) im Trog ausgelaugt. Diese Versuche dienten zur Überprüfung, ob aus dem verwendeten Bindemittel bereits messbare Konzentrationen an umweltrelevanten Parametern auslaugen, was aber nicht der Fall war. Die Konzentrationen der meisten Parameter lagen unterhalb der Bestimmungsgrenze. Im Wesentlichen laugten die zementtypischen Parameter Calcium und Natrium sowie in geringen Mengen auch Chrom, Chlorid und Sulfat ­ bevorzugt aus dem auf < 16 mm gebrochenen Prisma ­ aus.

Bereits bei der Bearbeitung des ersten Teils des Projektes wurden entsprechend große Probemengen genommen, so dass für die zusätzlichen Untersuchungen im zweiten Teil des Projektes genug Material zur Verfügung stand. Die Proben wurden schonend getrocknet und luftdicht verschlossen, um eine Materialveränderung möglichst zu verhindern. Aus diesen Materialien wurden unter Verwendung von Portlandzement erneut Proctorkörper hergestellt, 28 Tage feucht gelagert und anschließend auf < 16 mm gebrochen. Sowohl die unverfestigten Originalmaterialien als auch die gebrochenen Proctorkörper wurden mittels Säulenkurztest [12], ausführlichem Säulenversuch [12] und Schüttelverfahren [13] untersucht. Aus statistischen Gründen wurden alle Auslaugversuche in sechs Parallelen durchgeführt.

Als interne Zusatzuntersuchung wurden außerdem Rückstellproben der gebrochenen Proctorkörper des Bodens und des RC-Materials aus dem ersten Teil des Forschungsvorhabens mittels des Trogverfahrens und des Säulenkurztests ausgelaugt. Diese Rückstellproben waren über einen Zeitraum von etwa 1,5 Jahren dem Luftzutritt ausgesetzt. Durch die zusätzlichen Auslaugungen sollte geprüft werden, inwiefern sich die längere Lagerungsdauer auf das Auslaugverhalten der zementbehandelten Materialien auswirkt.

4 Untersuchungsergebnisse

4.1 Auswahl der Materialien

Die aus Vorversuchen auf Basis der in S4-Eluaten analysierten Konzentrationen ausgewählten Materialien (schwermetallbelasteter Boden, RC-Material und HMV-Asche) und deren Ergebnisse der S4-Auslaugung sind in der Tabelle 1 dargestellt.

Tabelle 1: Konzentrationen in S4-Eluaten (0/16 mm) der drei ausgewählten Materialien

4.2 Reproduzierbarkeit der Ergebnisse der einzelnen Verfahren

Da alle Versuche in zahlreichen Parallelen (Sechs- bzw. Neunfachbestimmungen, vgl. Kapitel 3) durchgeführt wurden, bestand die Möglichkeit, die Reproduzierbarkeit bzw. die Zuverlässigkeit der einzelnen Verfahren zu beurteilen. Als Maß für die Streuung der Ergebnisse wurden zunächst die materialübergreifenden Variationskoeffizienten der Parameter betrachtet. Beim ausführlichen Säulenversuch wurden die kumulierten Frachten bis Fraktion 3 und die kumulierten Gesamtfrachten getrennt ausgewertet.

Die Auswertung der Variationskoeffizienten der einzelnen Parameter ergab, dass die Anteile der Variationskoeffizienten, die größer als 20 % sind, beim Ultraschallverfahren 41 %, beim ausführlichen Säulenversuch 31 % (kumulierte Frachten bis Fraktion 3) bzw. 23 % (gesamte kumulierte Frachten), beim Säulenkurztest 27 %, beim Trog 21 % und bei den Schüttelverfahren 20 % (mod. S4-Verfahren) bzw. 17 % (Schüttelverfahren (2:1)) betragen. Ein Großteil der Variationskoeffizienten ist somit kleiner als 20 %. Vor dem Hintergrund der erfahrungsgemäß großen Heterogenität der untersuchten Materialien sind die ermittelten Streuungen somit insgesamt als gering einzustufen, was auf die im Vorfeld der Auslaugversuche aufwendige Aufbereitung und gute Homogenisierung der Materialien zurückzuführen ist. Trotzdem lässt sich feststellen, dass die Schüttelverfahren und auch das Trogverfahren über alle Parameter und Materialien hinweg geringfügig bessere Reproduzierbarkeiten aufweisen. Der Grund hierfür liegt höchstwahrscheinlich darin, dass bei den Schüttelverfahren und dem Trogverfahren die Rahmenbedingungen stets konstant sind, während zum Beispiel bei den Säulentests Faktoren wie die Durchflussrate, der Verdichtungszustand sowie die Benetzung der Materialkörner bei Parallelproben variieren können.

4.3 Vergleichbarkeit der Ergebnisse von S4-, Trog- und Ultraschallverfahren

Die Ergebnisse aus dem Trog- und dem Ultraschallverfahren wurden mit denen des S4Verfahrens verglichen und mit Hilfe verschiedener statistischer Methoden ausgewertet. Eine umfassende Darstellung aller Ergebnisse aus der statistischen Auswertung (Signifikanztest, t-Test, Whitney-U-Test [15]) ist der Veröffentlichung des Bundesministeriums für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung [16] zu entnehmen. Zusammenfassend lässt sich festhalten, dass grundsätzlich von einer guten Übereinstimmung zwischen Trog- und S4-Verfahren ausgegangen werden kann. Dabei zeigt sich ein genereller Trend zu etwas höheren Konzentrationen beim S4Verfahren, was wahrscheinlich mit der stärkeren mechanischen Beanspruchung des Materials durch das Über-Kopf-Schütteln zusammenhängt. Bei der Betrachtung der vorhandenen Differenzen konnten jedoch keine systematischen Unterschiede beobachtet werden. Daher war es nicht möglich, Korrelationskoeffizienten zur Umrechnung der Ergebnisse von einem Verfahren in das andere zu ermitteln. Die Ergebnisse des Ultraschallverfahrens weichen stärker von denen der beiden anderen Verfahren ab ­ meist in Richtung niedrigerer Werte. Eine mögliche Ursache ist die wesentlich kürzere Auslaugdauer von 15 min, die wahrscheinlich bei den hier untersuchten Materialien nicht zur Erreichung einer Gleichgewichtskonzentration ausgereicht hat.

Die Ergebnisse des Ultraschallverfahrens sind gegenüber dem Trogverfahren somit deutlich schlechter mit denen des S4-Verfahrens vergleichbar. Das Ultraschallverfahren ist als Schnellverfahren dennoch geeignet, da für den angedachten Verwendungszweck (schnelle Überprüfung von Materialien vor Ort) keine vollständige Übereinstimmung mit den Werten des S4-Verfahrens notwendig ist. Es muss lediglich eine eindeutige Zuordnung einer Probe möglich sein, ob sie für eine bestimmte Verwendung geeignet ist oder nicht. Einige Parameter, für die im Ultraschallverfahren stark erhöhte Werte gegenüber dem S4-Verfahren gemessen wurden, wie Quecksilber und Antimon, sollten für eine Bewertung nicht herangezogen werden. Bedingt wird diese verstärkte Freisetzung möglicherweise durch die vergleichsweise hohen Temperaturen von 75 °C, die beim Ultraschallverfahren herrschen.

4.4 Vergleich der Ergebnisse des Säulenkurztests und des Schüttelverfahrens (2:1)

Bei dem Vergleich dieser beiden Verfahren wurden die Mediane der Sechsfachbestimmungen (als Frachten in mg/kg angegeben) herangezogen, und zwar für alle drei Materialien und alle Parameter außer pH-Wert und Leitfähigkeit. In einem Diagramm gegeneinander aufgetragen (Bild 2), ergibt sich ein linearer Zusammenhang zwischen den beiden Methoden, wobei das Bestimmtheitsmaß mit 0,9927 als hoch einzustufen ist. Insgesamt liegen 69 % aller Abweichungen des Schüttelverfahrens (2:1) im ± 50 %-Bereich des SäulenkurztestMedians, 45 % weichen sogar weniger als 20 % ab. Abweichungen, die größer oder gleich 100 % betragen, sind bei 17 % der Fälle vorhanden. Die beschriebenen Differenzen sind nicht systematisch, so dass keine generellen Tendenzen zu höheren bzw. niedrigeren Werten existieren. Es lässt sich somit nicht verallgemeinern, ob ein bestimmter Parameter mittels des einen oder des anderen Verfahrens in höheren Konzentrationen auslaugt. Die Ergebnisse beider Verfahren liegen jedoch in der gleichen Größenordnung, und es kann von einer hohen Übereinstimmung ausgegangen werden.

Bild 2: Korrelation der Mediane (aus 6 Parallelversuchen) der Eluate aus dem Säulenkurztest und dem Schüttelverfahren (2:1); Bild 3 b ist eine Ausschnittsvergrößerung aus Bild 3 a. Die Regressionsgerade ist als eine durchgezogene, die Winkelhalbierende als eine gestrichelte Linie dargestellt.

4.5 Vergleich zwischen dem ausführlichen Säulenversuch und dem Säulenkurztest

Laut Norm (DIN 19528 [12]) können die Ergebnisse des Säulenkurztests aus Daten des ausführlichen Säulenversuchs rechnerisch ermittelt werden, wenn die dritte der insgesamt vier Fraktionen bei einem W/F-Verhältnis von 2 ± 0,05 l/kg beprobt wird. Dazu wird die kumulative Freisetzung (1. bis 3. Fraktion) der zu untersuchenden Parameter herangezogen. Um die Vergleichbarkeit der Ergebnisse aus diesen beiden Vorgehensweisen zu prüfen, wurden auch hier die Mediane der Sechsfachbestimmungen (als Frachten) für alle Materialien und alle Parameter außer pH-Wert und Leitfähigleit in einem Diagramm gegeneinander aufgetragen (Bild 3).

Bild 3: Korrelation der Mediane (aus 6 Parallelversuchen) der Eluate aus dem Säulenkurztest und dem ausführlichen Säulenversuch (Säule lang, kumulierte Frachten bis Fraktion 3); Bild 4 b ist eine Ausschnittsvergrößerung aus Bild 4 a. Die Regressionsgerade ist als eine durchgezogene, die Winkelhalbierende als eine gestrichelte Linie dargestellt.

Es ergab sich eine Regressionsgerade mit einem Bestimmtheitsmaß von 0,9881. Bei der Betrachtung der Abweichungen der Mediane des ausführlichen Säulenversuches von den Medianen des Säulenkurztests zeigt sich, dass 83 % der Mediane des ausführlichen Säulenversuchs innerhalb des ± 50 %-Bereichs des Säulenkurztests liegen. 61 % weichen sogar um weniger als 20 % ab. Abweichungen von 100 % kommen in 13 % der Fälle vor. Insgesamt gesehen besteht zwischen dem Säulenkurztest und dem ausführlichen Säulenversuch, bei dem die Ergebnisse aus der kumulativen Freisetzung der Frachten bis Fraktion 3 rechnerisch ermittelt wurden, eine hohe Übereinstimmung. Systematische Unterschiede existieren nicht.

4.6 Vergleich zwischen dem Schüttelverfahren (2:1) und dem mod. S4-Verfahren

Eine Gegenüberstellung der Ergebnisse des mod. S4-Verfahrens aus dem ersten Teil und des Schüttelverfahrens (2:1) aus dem zweiten Teil des Forschungsprojektes ergibt eine Tendenz zu niedrigeren Konzentrationen im mod. S4-Verfahren. Ein Großteil (67 %) der Messwerte des mod. S4-Verfahrens liegt niedriger als diejenigen des Schüttelverfahrens (2:1), wobei ausschließlich die Mediane betrachtet wurden. Im Gegensatz dazu ergibt die Betrachtung der Frachten (statt Konzentrationen), dass 75 % der Mediane des mod. S4-Verfahrens (W/F 10:1) über denen des Schüttelverfahrens (W/F 2:1) liegen, dabei weichen 49 % davon sogar um 100 % und mehr ab. Das größere Wasserangebot im mod. S4-Verfahren führt offensichtlich dazu, dass größere Stoffmengen gelöst werden. Gleichzeitig bewirkt die fünffache Wassermenge bei vielen Parametern eine Verdünnung des Stoffes im Eluat. Möglicherweise wurde bei dem Schüttelverfahren (2:1) innerhalb der Versuchsdauer (24 h) eine bessere Annäherung an die maximal mögliche Löslichkeit erreicht, so dass keine weitere Stoffübertragung zwischen Feststoff und Eluent erfolgen konnte, während beim mod. S4-Verfahren durch das größere W/F-Verhältnis weiterhin ein Austausch erfolgen konnte.

4.7 Bewertung des ausführlichen Säulenversuchs

Die nähere Betrachtung des ausführlichen Säulenversuchs hat ergeben, dass zu Beginn der Perkolation in der ersten Fraktion die Ergebnisse für die Parameter SO4, Cl und DOC eine bessere Reproduzierbarkeit aufweisen als die Fraktionen im weiteren Verlauf des Versuchs. Dies ist möglicherweise auf die leichte Löslichkeit dieser Parameter und die Annäherung an Gleichgewichtsbedingungen zurückzuführen. Bei der Betrachtung der Metalle ist jedoch ein gegenläufiger Trend zu beobachten, was auf fehlende Gleichgewichtsbedingungen schließen lässt. Die Beprobung der 3. Fraktion bei einem W/F-Verhältnis von 2 ± 0,05 l/kg, stellte sich bei einigen Materialien als problematisch heraus. Da aber diese sehr kleine Spannbreite von ± 0,05 laut Norm notwendig ist, um das Ergebnis der Übereinstimmungsuntersuchung (Säulenkurztest) aus den Daten der grundlegenden Charakterisierung (ausführlicher Säulenversuch) rechnerisch zu bestimmen, ist eine solche Ermittlung in vielen Fällen strenggenommen nicht möglich. Zudem ist diese rechnerische Ermittlung grundsätzlich nur für solche Parameter vorgesehen, bei denen sich Konzentrationen in mg/l angeben lassen. Laut Norm sind hierfür die freigesetzten Mengen der einzelnen Fraktionen zu berechnen (in mg/kg), zu kumulieren und anschließend durch das W/F-Verhältnis der Fraktion 3 zu dividieren. Aufgrund der anderen bzw. fehlenden Dimension, ist diese Vorgehensweise für die beiden Parameter Leitfähigkeit und pH-Wert nicht eindeutig. In der Norm werden keine Angaben dazu gemacht, wie solche Parameter zu behandeln sind.

Die hier durchgeführten Versuche haben zudem gezeigt, dass das Eluatvolumen der einzelnen Fraktionen oft nicht ausreicht, um PAK und Phenolindex zu analysieren. Die Norm sieht in solchen Fällen die Durchführung von Parallelversuchen vor. Dies ist jedoch sehr aufwendig, zeitintensiv und kostspielig und damit schwer mit der Laborroutine zu vereinbaren.

4.8 Einfluss des Bindemittels

Der Einfluss der Zementbehandlung wirkt sich unterschiedlich auf die drei hier untersuchten Materialien aus. Generell zeigen die Ergebnisse, dass ­ sofern die Materialien im verfestigten Zustand vorliegen (als Proctorkörper) ­ Zement als Bindemittel zur Reduktion der Schadstofffreisetzung für eine überwiegende Anzahl von Parametern geeignet ist. Nur in wenigen Fällen sind die mittleren Eluatkonzentrationen einiger Schwermetalle gegenüber dem unverfestigten Material erhöht. Da hiervon bevorzugt amphotere Schwermetalle betroffen sind, führt wahrscheinlich der pH-Anstieg durch die Zementzugabe zu erhöhten Freisetzungen. Nach dem Aufbrechen der Proctorkörper wurde allerdings eine verstärkte Freisetzung von Schadstoffen beobachtet, die teilweise deutlich höher ist als aus dem unbehandelten Originalmaterial.

Das Auslaugverhalten lässt sich jedoch nicht generalisieren. Die Reduzierung bzw. Erhöhung der Freisetzung ist sehr parameter- sowie materialspezifisch, wobei die pH-Wert-Erhöhung höchstwahrscheinlich die wesentliche Einflussgröße ist. Im Vergleich zu RC-Material und HMVA ruft die Zementzugabe bei dem Material Boden die stärkste pH-Wert-Änderung hervor (Bild 4). Daher sind in diesem Fall die Veränderungen der Auslaugbarkeit am deutlichsten zu beobachten. Von einer durch die Zementbehandlung hervorgerufenen verstärkten Mobilisierung sind hier insbesondere Chrom, Molybdän, Kupfer und Blei betroffen (vgl. Bild 5).

Bild 4: pH-Werte (Mittelwerte aus Sechsfachbestimmungen) in den Eluaten der unverfestigten Originalmaterialien (links) und der gebrochenen Proctorkörper (rechts) aus den Verfahren: Säulenkurztest, ausführliches Säulenverfahren (4 Einzeleluate) und Schüttelverfahren (2:1).

Die Auslaugung der gebrochenen und ca. 1,5 Jahre unter Luftzutritt gelagerten gebrochenen Proctorkörper zeigt, dass die anfangs ­ bedingt durch die Bindemitttelzugabe ­ beobachtete Erhöhung der Auslaugbarkeit nach dieser Lagerungszeit für viele Parameter wieder abnimmt. Dies ist wahrscheinlich auf die mit einer Karbonatisierung verbundene Alterung der Bruchflächen zurückzuführen. In vielen Fällen liegen die Konzentrationen jedoch nach wie vor über denjenigen, die in Eluaten der unverfestigten Originalmaterialen gemessen wurden. Das Bild 5 zeigt beispielhaft für die Parameter Chrom und Blei Messwerte aus dem Trogverfahren sowie vergleichsweise aus dem Säulenkurztest. Für Originalmaterialien und gebrochene Proctorkörper sind Mediane aus allen 6 bzw. 9 Parallelversuchen angegeben, für gebrochene Proctorkörper nach 1,5 Jahren Lagerung wurden nur Einzelwerte bestimmt.

Bild 5: Vergleich der Chrom- und Bleikonzentrationen in Eluaten des Materials Boden im Originalzustand (orig.), nach der Zementbehandlung im verfestigten (verf.), im wieder gebrochenen (gebr. Proctorkörper) Zustand sowie zementbehandelt nach einer Lagerungsdauer von ca. 1,5 Jahren (gebr. Proctorkörper nach Lagerung).

5 Fazit und Ausblick

Untersuchungen mit dem Trog- und dem modifizierten S4-Verfahren haben gezeigt, dass grundsätzlich von einer guten Übereinstimmung zwischen beiden Verfahren ausgegangen werden kann. Generell zeigt sich eine Tendenz zu etwas höheren Konzentrationen im modifizierten S4-Verfahren, wahrscheinlich bedingt durch den mechanischen Abrieb und die Gefügezerstörung durch das Über-Kopf-Schütteln. Es konnten jedoch keine systematischen Unterschiede beobachtet werden, so dass es nicht möglich war, Korrelationskoeffizienten zur Umrechnung der Ergebnisse von einem Verfahren in das andere zu ermitteln.

Ein deutlicher Trend zu verringerten Freisetzungsraten zeigt sich dagegen für die meisten Parameter im Ultraschallverfahren. Die mittleren Eluatkonzentrationen des Ultraschallverfahrens weichen öfter vom modifizierten S4-Verfahren ab als die Konzentrationen des Trogverfahrens. Mögliche Ursachen liegen in der verringerten Auslaugdauer sowie in der deutlich geringeren Einwaage des Schnellverfahrens. Allerdings ist der Anspruch auf Vergleichbarkeit für das Ultraschallverfahren geringer, da es sich hier um ein Schnellverfahren zur kurzfristigen Materialcharakterisierung handelt.

Bei einem Vergleich des Säulenkurztests (2:1) mit dem Schüttelverfahren (2:1) wurde eine recht gute Übereinstimmung festgestellt. Systematische Abweichungen konnten nicht beobachtet werden. Zwischen den Ergebnissen des Säulenkurztests und des ausführlichen Säulenversuchs, bei dem die Ergebnisse aus der kumulativen Freisetzung der Frachten bis Fraktion 3 rechnerisch ermittelt wurden, wurde ebenfalls eine hohe Übereinstimmung festgestellt. Dagegen unterscheiden sich die Ergebnisse der Verfahren mit W/F = 2:1 l/kg z. T. deutlich von denen mit W/F = 10:1 l/kg. Tendenziell werden bei Verfahren mit größeren W/FVerhältnissen (z. B. S4- und Trogverfahren) niedrigere Konzentrationen aber höhere Frachten ermittelt. Die Unterschiede zwischen Verfahren mit hohen bzw. niedrigen W/F-Verhältnissen sind jedoch nicht systematisch, so dass die Ergebnisse nicht ineinander umrechenbar sind.

Eine Behandlung mit Bindemittel wirkt sich unterschiedlich auf die Auslaugbarkeit der drei untersuchten Materialien (schwermetallbelasteter Boden, RC-Material und HMV-Asche) aus, wobei der pH-Wert der unbehandelten Materialien eine entscheidende Rolle spielt. Zement ist als Bindemittel zur Reduktion der Schadstofffreisetzung aus den untersuchten Materialien für die überwiegende Zahl der Parameter geeignet. Voraussetzung dafür ist allerdings, dass die behandelten Materialien in Form intakter Proctorkörper ausgelaugt werden. Generell wird eine verstärkte Freisetzung einiger Schadstoffe nach der Zementbehandlung und dem Wiederaufbrechen der Probekörper im Vergleich zu den Originalproben beobachtet. Dieser Effekt nimmt nach einer längeren Lagerungszeit, während der u. a. Karbonatisierungsprozesse ablaufen können, für viele Parameter wieder ab. In vielen Fällen liegen die Konzentrationen jedoch auch nach 1,5 Jahren Lagerung unter Luftzutritt noch über denjenigen, die in Eluaten der Originalmaterialien gemessenen wurden.

Da von allen in Teil 1 und 2 des FV durchgeführten Auslaugverfahren nur das Trogverfahren dafür geeignet ist, intakte Probekörper auszulaugen, wird das Trogverfahren auch zukünftig von Bedeutung sein. Im Rahmen von ,,Lebenszyklusanalysen (life cycle assessment)" werden Materialien allerdings nicht nur vor oder während des Einbaus getestet, sondern es wird beispielsweise die Wiederaufnahme nach Abriss oder Veränderung eines Bauwerks betrachtet. Für solche Lebenszyklusanalysen ist die Untersuchung des Auslaugverhaltens über den gesamten Lebensweg des Baustoffs von Bedeutung. Da durch entsprechend frühzeitige Betrachtung des Lebenszyklus von Bauprodukten zukünftige Kosten minimiert werden können, wird hier entsprechender Forschungsbedarf gesehen. Da die verstärkte Schadstofffreisetzung höchstwahrscheinlich auf die starke pH-Wert-Erhöhung zurückzuführen ist, wird außerdem empfohlen, weitere Untersuchungen mit Bindemitteln durchzuführen, die den pH-Wert der Eluate nicht so stark verändern.

Die Forschungsvorhaben wurden im gemeinsamen Forschungsprogramm der FGSV und des Bundesministeriums für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung initiiert und durch das BMVBS finanziert.

Literaturverzeichnis

1 Forschungsbericht FA 6.085/2007/BGB Untersuchungen zur Übertragbarkeit der Ergebnisse verschiedener Auslaugverfahren auf bestehende Bewertungsmaßstäbe im Auftrag des Bundesministers für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung, 2009

2 Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen (Hrsg.): Technische Prüfvorschriften für Gesteinskörnungen im Straßenbau (TP Gestein-StB), Teil 7.1.2 Trogverfahren, Ausgabe 2008, FGSV 610

3 Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen (Hrsg.): Technische Prüfvorschriften für Gesteinskörnungen im Straßenbau (TP Gestein-StB), Teil 7.1.1 Modifiziertes DEV-S4-Verfahren, Ausgabe 2008, FGSV 610

4 B i a l u c h a, R.; D o h l e n, M.: Untersuchungen zur Übertragbarkeit der Ergebnisse verschiedener Auslaugverfahren auf bestehende Bewertungsmaßstäbe, Report des FEhS ­ Instituts für Baustoff-Forschung 16 (2009) 2, S. 8/12

5 Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen (Hrsg.): Merkblatt über die Behandlung von Böden und Baustoffen mit Bindemitteln zur Reduzierung der Eluierbarkeit umweltrelevanter Inhaltsstoffe, Ausgabe 2009, FGSV 560

6 Forschungsbericht FA 6.076/2001/BGB ,,Entwicklung eines Schnellauslaugungsverfahrens zur Beurteilung von industriellen Nebenprodukten und Recycling-Baustoffen für den Einsatz im Straßenbau" im Auftrag des Bundesministeriums für Verkehr, 2004

7 Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen (Hrsg.): Technische Prüfvorschriften für Gesteinskörnungen im Straßenbau (TP Gestein-StB), Teil 7.1.5 Schnellelution mit dem Ultraschall-Verfahren, Ausgabe 2008, FGSV 610

8 Forschungsbericht FA 6.089/2008/BGB ,,Untersuchungen zur Übertragbarkeit der Ergebnisse verschiedener Auslaugverfahren auf bestehende Bewertungsmaßstäbe ­ Teil 2" im Auftrag des Bundesministers für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung, 2010

9 Arbeitsentwurf des Bundesministeriums für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit: Verordnung zur Regelung des Einbaus von mineralischen Ersatzbaustoffen in technischen Bauwerken und zur Änderung der Bundes-Bodenschutz- und Altlastenverordnung, November 2007

10 Arbeitsentwurf des Bundesministeriums für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit: Verordnung zur Festlegung von Anforderungen für das Einbringen und das Einleiten von Stoffen in das Grundwasser, an den Einbau von Ersatzbaustoffen und für die Verwendung von Boden und bodenähnlichem Material, Januar 2011

11 B i a l u c h a, R.; S o k o l, A.: Untersuchungen zur Übertragbarkeit der Ergebnisse verschiedener Auslaugverfahren auf bestehende Bewertungsmaßstäbe ­ Teil 2, Report des FEhS ­ Instituts für Baustoff-Forschung 17 (2010) 2, S. 5/10

12 DIN 19528: Elution von Feststoffen ­ Perkolationsverfahren zur gemeinsamen Untersuchung des Elutionsverhaltens von anorganischen und organischen Stoffen, Januar 2009

13 DIN 19529: Elution von Feststoffen ­ Schüttelverfahren zur Untersuchung des Elutionsverhaltens von anorganischen Stoffen mit einem Wasser-Feststoff-Verhältnis von 2 l/kg, Januar 2009

14 Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen (Hrsg.): Technische Prüfvorschriften für Boden und Fels im Straßenbau (TP BF-StB), Teil B 11.1: Eignungsprüfungen für Bodenverfestigungen mit hydraulischen Bindemitteln, Ausgabe 2005, FGSV 591

15 S a c h s, L.; H e d d e r i c h, J. (2006): Angewandte Statistik. Berlin (2006)

16 Übertragbarkeit der Ergebnisse verschiedener Auslaugverfahren auf bestehende Bewertungsmaßstäbe, Bundesministerium für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung, Heft 1051, 2011