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Bestimmung von Wassergehalts-Saugspannungsfunktionen für Böden, RC-Baustoffe und HMVA

Hydraulic properties of substitute building materials used in road construction

  • Ziel des Vorhabens war, einen systematischen, quantitativen Datensatz der hydraulischen Eigenschaften von Ersatzbaustoffen in hoher Güte zu erarbeiten. Es wurden insgesamt 15 Materialien aus vier Materialgruppen in zweifacher Wiederholung in einer für die Verwendung im Straßenbau typischen Lagerungsdichte untersucht. Die Materialgruppen umfassten Bodenmaterialien (BM), Hausmüllverbrennungsaschen (HMVA), Recyclingbaustoffe (RC), sowie eine Stahlwerksschlacke (SWS). Die hydraulische Charakterisierung umfasste die Beziehung zwischen Wassergehalt und Kapillardruck („Retentionskurve“) sowie die Beziehung zwischen gesättigt/ungesättigter Leitfähigkeit und Wassergehalt („Leitfähigkeitskurve.“). Als Verfahren zur Ermittlung der hydraulischen Eigenschaften an großen Probekörpern (6,8 Liter) diente die Verdunstungsmethode. Die Validität der Verdunstungsmethode für die durchgeführten Experimente wurde in einer Simulationsstudie bestätigt. Ergänzende Messungen erfolgten für die gesättigte hydraulische Leitfähigkeit mit der Methode mit konstantem Überstau und für die Wasserretention im trockenen Bereich mit der Taupunkts-Methode. Die Retentionsdaten wurden in hoher Präzision über den gesamten Feuchtebereich, die ungesättigten Leitfähigkeitsfunktionen über den experimentell zugänglichen Feuchtebereich gewonnen. Die Ergebnisse der Parallelproben zeigten aufgrund der großen Probenkörper eine hohe (BM, HMVA, SWS) bis befriedigende (RC) Wiederholungsgenauigkeit. Die ermittelten hydraulischen Eigenschaften besitzen komplexe Formen, die sich teilweise durch Makroporenanteile mit sprunghaften Änderungen der Wassergehalte und hydraulischen Leitfähigkeiten beim Übergang von Sättigung zu ungesättigten Systemzuständen (HMVA, RC), bimodalen Porengrößenverteilungen im mittleren Feuchtebereich, einem kontinuierlichen Rückgang der Wassergehalte auf den Wert null hin zum Trockenen, und hydraulischen Leitfähigkeitskurven mit Filmflusskomponenten auszeichnen. Dies kann mit gängigen Modellen für hydraulische Eigenschaften (z.B. van Genuchten, 1980) nicht befriedigend beschrieben werden. Gängige Pedotransfer-Funktionen, welche in der Vergangenheit für Böden erstellt wurden, können somit zu keiner realistischen Beschreibung der Wasserdynamik führen. Eine Erstellung von Pedotransfer-Funktionen auf Basis von einfachen analytischen Funktionsansätzen erscheint gegenwärtig nicht praktikabel. Das Ziel weiterer Untersuchungen sollte einerseits darin liegen, geeignete Funktionen zu finden, mit denen das beobachtete hydraulische Verhalten der untersuchten Stoffe fehlerfrei wiedergegeben werden kann, andererseits Szenarien zu identifizieren, bei denen auch mit vereinfachten Funktionsansätzen befriedigend genaue Simulationen des Wasserhaushaltes in Ersatzbaustoffen in einem limitierten Feuchtebereich möglich sind.
  • The aim of the project was to develop a systematic, quantitative record of the hydraulic properties of replacement construction materials in high quality. A total of 15 materials from four material groups was studied in repetitions. The material groups included soil materials (BM), municipal solid waste incineration ash (HMVA), recycled materials (RC), as well as a steel mill slag (SWS). The hydraulic characterization included the relationship between water content and capillary pressure ("retention curve") and the relationship between saturated / unsaturated conductivity and water content ("conductivity curve"). The evaporation method was used to determine the hydraulic properties of large soil columns (6.8 liter), which contained the material under investigation in a packing density that was representative for use in road construction. The validity of the evaporation method for the experimental setup was confirmed in a simulation study. Additional measurements were carried out for the saturated hydraulic conductivity using the constant head method and for water retention in the dry range with the dewpoint method. The retention data were obtained in high precision over the entire moisture range, the unsaturated conductivity functions over the experimentally accessible moisture range. The results of the replicate samples showed a high (BM, HMVA, SWS) or satisfactory (RC) repetition accuracy due to the large specimen. The measured hydraulic properties have complex shapes that are characterized partially by the existence of macropores that lead to abrupt changes in the water contents and hydraulic conductivities at the transition from saturation to unsaturated system states (HMVA, RC), by bimodal pore-size distributions in the medium moisture range, by a continuous decline in water contents to the value of zero at the dry end, and by hydraulic conductivity curves with film and corner flow components. The resulting shape of the hydraulic functions cannot be described satisfactorily with current models for hydraulic properties (e.g., van Genuchten, 1980). Existing pedotransfer functions, which were created in the past for soils, thus lead to erroneous description of the water dynamics. Any pedotransfer function based on simple analytical functions appears currently not practical. The aim of further investigations should be on one hand to find suitable functions which allow to simulate the observed hydraulic behavior of the investigated materials satisfactorily, and on the other hand to identify scenarios, in which simplified functions approximate with sufficient accuracy the water balance in replacement construction materials within a limited moisture range.

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Metadaten
Author:Benedikt Scharnagl, Wolfgang Durner
URN:urn:nbn:de:hbz:opus-bast-28756
Document Type:Report
Language:German
Date of Publication (online):2023/11/29
Publishing institution:Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt)
Release Date:2023/11/29
Tag:Baustoff; Bauweise; Boden
Number of pages:114 Seiten
Comment:
Projektnummer:
FE 05.0162/2011/LRB

Fachbetreuung 
Birgit Kocher


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