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Effizienz technischer Sicherungsmaßnahmen im Erdbau – Untersuchungen von Bauweisen in Freilandlysimetern : Teil 1: Untersuchungszeitraum 2010-2013

Efficiency of technical safeguards within earthwork - investigation of construction methods in field lysimeters

Brand, Markus ; Tiffert, Astrid ; Endres, Michael ; Schnell, Manfred ; Marks, Tanja ; Kocher, Birgit

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Freie Schlagwörter (Deutsch): Auslaugung , Baustoff , Bindemittel , Boden , Böschung , Deutschland , Durchlässigkeit , Forschungsbericht , Industrierückstand , Konzentration (chem) , Recycling , Schadstoff , Versuch
Freie Schlagwörter (Englisch): Binder , By product , Concentration (chem.) , Germany , Leaching , Material (constr) , Permeability , Pollutant , Recycling (mater) , Research report , Slope (terrain) , Soil , Test
Collection: BASt-Beiträge / ITRD Sachgebiete / 36 Mineralstoffe
Institut 1: Sonstige
Institut 2: Abteilung Straßenbautechnik
Institut 3: Abteilung Straßenverkehrstechnik
DDC-Sachgruppe: Ingenieurwissenschaften
Sonstige beteiligte Institution: Hochschule für angewandte Wissenschaften Augsburg. Fakultät für Architektur und Bauwesen
Dokumentart: Buch (Monographie)
Schriftenreihe: Berichte der Bundesanstalt für Straßenwesen, Reihe S: Straßenbau
Bandnummer: 103
ISBN: 978-3-95606-275-9
Sprache: Deutsch
Erstellungsjahr: 2016
Publikationsdatum: 12.01.2017
Kurzfassung auf Deutsch: Bei Verwendung von Ersatzbaustoffen für die Herstellung von Böschungen haben unter anderem die Sickerwassermengen und deren Verweildauer in den Baustoffen wesentlichen Einfluss auf die Menge der möglichen austragbaren Schadstoffe. Im "Merkblatt über Bauweisen für technische Sicherungsmaßnahmen beim Einsatz von Böden und Baustoffen mit umweltrelevanten Inhaltsstoffen im Erdbau - M TS E" [FGSV 2009] der FGSV sind unterschiedliche Sicherungsmaßnahmen zur Reduzierung der Sickerwassermengen aufgeführt. Zur praxisnahen Bewertung der Prinzipien einiger dieser Maßnahmen wurden großmaßstäbliche Lysimeteruntersuchungen durchgeführt, um daran Sickerwasserraten und -mengen wie auch Schadstoffkonzentrationen zu quantifizieren. Dazu wurden in einer bereits bestehenden Lysimeteranlage in Augsburg (Derchinger Strasse) durch die BASt in acht Lysimeter der Ausschnitt einer Straßenböschung einschließlich eines etwa ein Meter breiten Bankettstreifens eingebaut. Diese werden seit Juli 2010 von der Hochschule Augsburg in Zusammenarbeit mit der BASt untersucht. Auf den Böschungen wurden unterschiedliche technische Sicherungsmaßnahmen eingesetzt. Zusätzlich wurden zum Vergleich auch Varianten ohne technische Sicherungsmaßnahme realisiert. Für den Aufbau der Böschungskerne wurde für vier Lysimeter feinkörniges (schwach durchlässiges) und für die anderen vier grobkörniges (durchlässiges) Bodenmaterial ausgewählt und mit Schadstoffen (Cadmiumacetat, Kaliumferrocyanid und Kupfersulfat) dotiert. Gemessen wurden die Sickerwasser- und Oberflächenabflussmengen, die Menge des Straßenabflusses und der Niederschlag an der Versuchsanlage sowie in jedem Lysimeter die volumetrische Feuchte, Temperatur und Salinität an jeweils zwei Punkten der eingebauten Böschungskörper. Ergänzend zu den hydraulischen Größen (Niederschlag, Menge von Sickerwasser und Oberflächenabfluss der Lysimeter), wurden Konzentrationen der zudotierten Schadstoffe und weiterer Parameter im Sickerwasser der Lysimeter und im Straßenabfluss bestimmt, die für den Einsatz von Ersatzbaustoffen (z.B. RC-Baustoffe und industrielle Nebenprodukte) und für die Straßenentwässerungsplanung relevant sein können. Dabei handelte es sich um Chlorid, Sulfat, Cyanid (ges.), Arsen, Blei, Cadmium, Chrom (ges.), Kupfer, Nickel, Quecksilber, Zink, Thallium, Molybdän, Antimon und Vanadium sowie pH-Wert, Temperatur und elektrische Leitfähigkeit. Das Sickerwasser und der Straßenabfluss wurden als Mischprobe gesammelt und regelmäßig analysiert. Qualitativ konnte für den Untersuchungszeitraum von September 2010 bis März 2013 festgestellt werden: - Die Auswahl des Dammbaustoffes hat den wesentlichen Einfluss auf den Anteil des Sickerwassers. Dieser betrug, bezogen auf die gesamte erfasste Wassermenge, bei den Becken mit bindigem Boden zwischen 4% und 16%, bei den Becken mit kiesigem Boden zwischen 45 % und 71 %. - Beim kiesigen Boden konnte gezeigt werden, dass ein hoher Anteil des Wassers bereits im Bankett versickert. - Eine Bitumenanspritzung als technische Sicherungsmaßnahme bewirkt bei beiden Bodenarten keine Verminderung des Sickerwasseranteils. - Die Möglichkeit einer gut wasserleitenden Schicht zeigte die größte Reduzierung der Sickerwassermengen. Sie wurde auf den Böschungen mit bindigem Boden im Böschungskern eingesetzt. Hinsichtlich der chemischen Parameter konnte im Untersuchungszeitraum (Juli 2010 bis November 2013) im Ergebnis festgestellt werden: - Die während des Messzeitraumes aus jedem Lysimeter ausgetragenen Stoffmengen sind relativ gering. Dies gilt auch für gut lösbare Stoffe wie Cyanid. - Hohe Chloridkonzentrationen im Sickerwasser haben eine mobilisierende Wirkung auf mehrere Schwermetalle. - Die ungleichmäßige Verteilung der Zuflüsse zu den Lysimetern hat auch auf die im Versuchszeitraum angefallenen Frachten wesentlichen Einfluss. Die Ergebnisse der Frachtermittlung zeigen - wie auch die gemessenen Konzentrationen - deutlicher den Unterschied zwischen den beiden eingebauten Böden als zwischen den realisierten technischen Sicherungsmaßnahmen. - Die mittleren Konzentrationen im Sickerwasser der Lysimeter ähneln sich bei gleichem eingebautem Boden sehr stark. Damit paust sich die Qualität des Zulaufes direkt auf die Frachtberechnung durch und diese erlaubt keine endgültigen Schlüsse auf die Wirkung der technischen Sicherungsmaßnahmen. Die Verringerung der die Böschung durchsickernden Wasseremenge bewirkt jedoch eine entsprechende Verringerung der ausgetragenen Stoffmenge. Es ist seitens der BASt ein Folgeprojekt geplant, um bisher noch offene Fragen mit Bezug zum Wasserhaushalt der Lysimeter zu beantworten.
Kurzfassung auf Englisch: When using alternative building materials for the construction of embankments, the leachate quantities and the period of time that they remain in the building materials is one of the key influences on the amount of pollutants that can be discharged. Various technical safeguards for the reduction of leachate volumes are listed in the "Fact sheet relating to construction methods for the purpose of technical safeguards when using soils and construction materials with environmentally relevant substances in earthworks - M TS E" [Transportation Research Association (FGSV) 2009] issued by the FGSV. For the purpose of obtaining a practical assessment of some of these measures, large-scale lysimeter investigations have been carried out in order to quantify the leachate rates and quantities as well as the concentrations of pollutants involved. For this purpose, a section of a road embankment (including an approx. one-metre wide shoulder) was incorporated into eight lysimeters in an existing lysimeter system in Augsburg (Derchinger Strasse) by the BASt. Since July 2010, this has been investigated by the Augsburg University of Applied Sciences in cooperation with the BASt. Different kinds of technical safeguards were used on the embankments. Variants without any technical safeguard were also realised for comparison purposes. For the structure of the embankment cores, loamy cohesive (weakly permeable) soil material was selected for four of the lysimeters and sandy gravel (permeable) soil material for the other four, and dosed with pollutants (cadmium acetate, potassium ferrocyanide and copper sulphate). Measurements were taken of the quantities of leachate and surface runoff, the amount of road runoff and the precipitations at the test facility as well as the volumetric humidity, temperature and salinity at two points of the embankment bodies in each of the lysimeters. In addition to the hydraulic parameters (precipitation, leachate volume and lysimeter surface runoff), the concentrations of the dosed pollutants and other parameters in the lysimeter leachate and the road runoff were determined, which may be relevant for the use of alternative construction materials (such as recycled construction materials and industrial by-products) as well as for road drainage planning. These parameters are chloride, sulphate, cyanide (total), arsenic, lead, cadmium, chromium (total), copper, nickel, mercury, zinc, thallium, molybdenum, antimony and vanadium as well as pH-level, temperature and electrical conductivity. The leachate and the road runoff were collected as a composite sample and regularly analysed. The following qualitative findings were determined for the period of investigation from September 2010 to March 2013: - The choice of embankment construction material has a key influence on the amount of leachate. In relation to the total quantity of water recorded, this amounted to between 4% and 16% for basins with a cohesive soil, and between 45% and 71% for basins with a gravelly soil. - For gravelly soil, it was possible to demonstrate that a high proportion of the water leached in the road shoulder. - The injection of bitumen as a technical safeguard had no effect in reducing the proportion of leachate in either type of soil. - The use of a good water-conductive layer revealed the greatest reduction in leachate quantities. This was used in the embankment core on embankments with cohesive soil. The following findings were obtained with regard to the chemical parameters in the period of investigation (July 2010 to November 2013): - The quantities of substances discharged from each of the lysimeters during the measurement period are relatively low. This is also true with easily soluble substances such as cyanide. - High concentrations of chloride in the leachate have a mobilising effect on several heavy metals. - The uneven distribution of the inflows to the lysimeters also has a key influence on the concentrations accrued in the period of investigation. The results of the determination of the concentrations reveal – as do the measured concentrations themselves – more clearly the difference between the two types of soil incorporated than between the technical protection methods realised. - The mean concentrations in the lysimeter leachate are strongly similar to each other with the same incorporated soil. The quality of the inflow can therefore be directly traced to the concentration calculation, and this does not allow any definitive conclusions to be drawn as to the impact of the technical safeguards. The reduction of the amount of water leaching in the embankment, however, causes a corresponding reduction in the quantity of substances discharged. The BASt has planned a follow-up project for the purpose of clarifying the issues still outstanding with regard to the water balance of the lysimeters.