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Im Erd- und Straßenbau ist es in den letzten Jahren bei bindemittelbehandelten sulfathaltigen Böden wiederholt zu teilweise erheblichen Schäden durch Quellhebungen gekommen, die auf eine Mineralreaktion im Boden zurückzuführen sind. Werden Böden mit natürlichem Sulfatgehalt zu bautechnischen Zwecken mit calciumbasierten Bindemitteln behandelt, so kann das Bindemittel unter bestimmten Randbedingungen mit den im Gips enthaltenen Sulfationen zum Mineral Ettringit reagieren. Infolge der mit dieser Mineralneubildung verbundenen Volumenvergrößerung kann es zu erheblichen Hebungsschäden kommen. Die für die Reaktion des Sulfattreibens im Boden maßgebenden Einflussfaktoren sind zwar grundsätzlich bekannt, quantitative Prüfmethoden und standardisierte Strategien zur Gefahrenabwehr lagen bis dato allerdings noch nicht vor. Das Ziel des Forschungsvorhabens, über das in diesem Beitrag berichtet wird, war die Entwicklung eines praxistauglichen Prüfverfahrens als Grundlage für eine hieraus abzuleitende Prüfvorschrift. Hierfür wurden an Proben aus verschiedenen Boden-Bindemittelgemischen mit definierten Sulfatgehalten Quellhebungsversuche geplant, durchgeführt und ausgewertet. Im Ergebnis wurde ein annähernd linearer Zusammenhangzwischen dem Sulfatgehalt im Boden und den eingetretenen Quellhebungen festgestellt. Die Ergebnisse zeigen ferner, dass eine Behandlung sulfathaltiger Böden mit Weißfeinkalk mit größeren Quellhebungen verbunden ist als eine Behandlung mit Zement.
Das Ziel der Arbeit war es, Schwermetallrückhaltevermögen von Banketten zu untersuchen und zu vergleichen. Dabei sollte geprüft werden, ob es bei einer Versickerung von Straßenabflusswasser über standfeste Bankette zu einer Überschreitung der Prüfwerte der Bundes-Bodenschutz- und Altlastenverordnung (BBodSchV) kommt. In einem Säulenversuch wurden sieben verschiede Bankettaufbauten hinsichtlich ihres Schwermetallrückhalts untersucht. Anhand der Ergebnisse wurden die im Feld zu untersuchenden Varianten festgelegt. An der BAB A 115 wurde eine Lysimeterstation zur Bestimmung der Schwermetallretention aus dem Straßnabfluss in Banketten errichtet. Es wurden drei Bankettmaterialien untersucht: ein Oberboden (OB), ein Baustoffgemisch aus natürlicher Gesteinskörnung (BS) und ein Gemisch aus (1) und (2), mit einem OB-Anteil von 15 M.% (OB15). Die Varianten BS und OB15 verfügen über eine ausreichende Tragfähigkeit, der OB ist eine nicht standfeste Referenzvariante. Zusätzlich wurden drei weitere Lysimeter installiert, um den Straßenabfluss zu erfassen. Die mittleren Lösungskonzentrationen im Sickerwasser aller Varianten liegen unterhalb der Prüfwerte der BBodSchV (ausgenommen Cu bei OB). Die BS Variante weist eine Wasserdurchlässigkeit von 5,5*10-6 m*s-1 auf, so dass ein größerer Anteil des Zuflusses infiltriert als bei den beiden anderen Varianten. Dies führt trotz geringer Konzentrationen zu höheren Schwermetallfrachten. Auch nach den Prognosen einer Modellstudie ist die OB15 Variante am besten geeignet, um Schwermetalle aus dem Straßenablauf zurück zu halten. Anhand der bisherigen Ergebnisse ist davon auszugehen, dass standfeste Bankette über einen ausreichenden Schwermetallrückhalt verfügen. Um die Schwermetallfrachten im Bankettbereich möglichst gering zu halten wird empfohlen, einen Mindestfeinkornanteil für Bankettmaterialien festzulegen.
Bankettmaterialien müssen zwei Anforderungen erfüllen, die von verschiedenen Bestandteilen der Böden gewährleistet werden. Aufgrund der Verkehrssicherheit müssen sie eine dauerhaft hohe Tragfähigkeit aufweisen, damit von der Fahrbahn abkommende Fahrzeuge nicht einsinken und verunfallen. Die Tragfähigkeit und Standfestigkeit der Böden wird hauptsächlich durch den Kiesanteil der Böden erreicht. Da im Bereich des Banketts Straßenoberflächenwasser versickert, müssen sie andererseits ein möglichst hohes Schadstoffrückhalte- und -bindevermögen aufweisen, um den Untergrund und das Grundwasser zu schützen. Dies wird durch die Sand- und Feinanteile der Böden erreicht. Bei den bestehenden Bauweisen besteht nach Auffassung einiger Straßenbauverwaltungen der Länder ein Optimierungsbedarf. Im Rahmen dieser Forschungsarbeit sollten diese Bauweisen überprüft und ggf. weiter entwickelt werden, um noch stärker den bau-, als auch den umwelttechnischen Ansprüchen gerecht zu werden. Dabei werden die Bankette aus einem Gemisch von Gesteinskörnungen bzw. rezyklierten Baustoffen der Körnung 0/32 mm mit Feinkorn bzw. Oberboden hergestellt. Geeignete Zusammensetzungen waren durch Untersuchungen im Labor- und Technikumsmaßstab zu ermitteln. 18 Gemische von Gesteinskörnungen und Baustoffen der Körnung 0/32 mm mit unterschiedlichen Feinkorn- bzw. Oberbodenanteilen wurden in Bezug auf ihre Tragfähigkeit (CBR-Versuche) und Durchlässigkeit im Labor untersucht. Unter Berücksichtigung der Laborergebnisse wurden im Technikumsmaßstab Versuche mit vier Mischungen zur Ermittlung der Tragfähigkeit und des Verformungsverhaltens mittels statischen und dynamischen Verformungsmoduln durchgeführt. Basierend auf den Versuchsergebnissen sollte der Feinkornanteil der Bankettmaterialien einen Wert von 15 M.-% nicht übersteigen. Mit solchen Materialien sollte ein Verformungsmodul Ev2 ≥ 60 MN/m2 bzw. Evd ≥ 30 MN/m2 bei einem Verdichtungsgrad von DPr = 100 % sicher erreichbar sein. Falls eine höhere Tragfähigkeit für Bankette erforderlich ist, sollte der Feinkornanteil der Materialien ggf. weiter beschränkt werden.
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.
Im Rahmen dieses Projektes wurden über das Kalenderjahr 2012 Messungen an den Messquerschnitten der BASt zur Aufnahme von Luftschadstoffdaten an den Bundesautobahnen A 4, A 61 und A 555 durchgeführt. Die Messquerschnitte weisen dabei im Vergleich zu dem Bezugsjahr 2011 einen geringfügigen Rückgang des Gesamtverkehrs auf. Doch während an der A 4 und der A 555 der Schwerverkehrsanteil anstieg, ließ er an der A 61 um mehr als fünf Prozent nach. Die Anforderungen der 39. Verordnung zur Durchführung des Bundesimmissionsschutzgesetzes an die Qualitätsziele der Datenerfassung wurden an den Messquerschnitten mit Ausnahme von drei Messstellen erreicht. An allen Messstellen (außer 1KO an der A61) wurden deutliche Überschreitungen des NO2-Jahresmittelgrenzwertes (2012) registriert, im Vergleich zum Vorjahr sind die Werte leicht rueckläufig. Bei den Feinstaubkonzentrationen (PM10 und PM2,5) traten an allen drei Messquerschnitten Überschreitungen des Tagesmittelgrenzwertes auf, jedoch lag die Zahl dieser Überschreitungen an allen Messstellen unterhalb der zulässigen Anzahl von 35 Überschreitungen pro Kalenderjahr. Der maximal zulässige Jahresmittelgrenzwert für Feinstaub wurde an allen Messstellen eingehalten. An allen drei Messquerschnitten wurde auch die Ozonbelastung gemessen. Die Alarmschwellen für Ozon wurden an keiner Messstelle überschritten.
Die Bundesanstalt für Straßenwesen unterhält seit 1987 an der BAB A 4 bei Bergisch Gladbach/Bensberg eine Abgasmess- und Verkehrszählstelle. In unterschiedlichen Entfernungen zur Trasse werden dort kontinuierlich und simultan die Konzentrationen der Abgaskomponenten Stickstoffmonoxid (NO) und -dioxid (NO2), die O3-Belastung sowie Verkehrs- und Meteorologiedaten gemessen. Mit den gewonnenen Daten konnte die Entwicklung verkehrsbedingter Stickoxidimmissionen in bezug auf die stetig zurückgehenden spezifischen Fahrzeugemissionen bei gleichzeitig wachsendem Verkehrsaufkommen quantitativ verfolgt werden. Im Beobachtungszeitraum bis 1994 wurde bei einem Anstieg des Verkehrsaufkommens von circa 23 Prozent eine durchschnittliche Minderung der NO-Immissionen von über 40 Prozent und der NO2-Belastung (abhängig vom Abstand zur Fahrbahn) von 30 bis 60 Prozent ermittelt. Die am BAB-Querschnitt registrierte Abnahme der NOx-Immissionen beruht im wesentlichen auf dem stetig wachsenden Anteil schadstoffreduzierter Pkw, denn auf dem Nutzfahrzeugsektor ist aufgrund der erst im Anfangsstadium befindlichen Lkw-Abgasgesetzgebung noch keine nennenswerte Reduzierung der Stickoxid-Emissionen erfolgt.
Es wird über drei Untersuchungen der Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) informiert, die einen Überblick über die Gehalte verkehrsbürtiger Substanzen im Straßenseitenraum geben. Schwere, partikelförmige polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK) aus Motoren, Fahrbahndecken und Fahrzeugreifen werden in den oberen Bodenschichten zurückgehalten. Es besteht keine Gefahr für die Gesundheit des Menschen. Dagegen tragen die leichtflüchtigen PAK zur allgemeinen Luftbelastung bei. Seit Anfang der 90er Jahre haben Mineralöl-Kohlenwasserstoffe im Pflanzenaufwuchs neben Straßen um 80 Prozent abgenommen.
Die Bundesanstalt für Straßenwesen unterhält seit 1987 an der BAB A 4 bei Bergisch Gladbach/Bensberg eine Abgasmess- und Verkehrszählstelle. In unterschiedlichen Entfernungen zur Trasse werden dort kontinuierlich und simultan die Konzentrationen der Abgaskomponenten Stickstoffmonoxid (NO) und -dioxid (NO2) sowie Verkehrs- und Meteorologiedaten gemessen. Mit den gewonnenen Daten konnte die Entwicklung verkehrsbedingter Stickoxidimmissionen in Bezug auf die stetig zurückgehenden spezifischen Fahrzeugemissionen bei gleichzeitig wachsendem Verkehrsaufkommen quantitativ verfolgt werden. Im Beobachtungszeitraum bis 2000 wurde bei einem Anstieg des Verkehrsaufkommens von circa 35 Prozent eine durchschnittliche Minderung der NO-Immissionen von circa 60 Prozent und der NO2-Belastung von etwa 25 Prozent ermittelt; allerdings zeigt sich beim NO2 seit 1996 eine Stagnation im zeitlichen Immissionsverlauf. Die an der BAB registrierte Abnahme der NOx-Immissionen beruht im Wesentlichen auf dem stetig wachsenden Anteil schadstoffreduzierter Pkw in Verbindung mit der gesteigerten Effektivität der 3-Wege-Katalysatoren.
An acht stark verkehrsbelasteten Straßenstandorten mit pufferschwachen Sandböden wurden zwei Jahre lang mögliche Belastungen des Grundwassers durch Schwermetalle untersucht. Die Messergebnisse wurden anhand der Prüfwerte der Bodenschutzverordnung bewertet und die vom Sickerwasser mitgeführten Schwermetallfrachten berechnet. Es zeigte sich, dass in Fahrbahnnähe kaum hohe Schwermetallkonzentrationen in der Bodenlösung auftreten. Bei Entwässerung über das Bankett ist die Grundwasserneubildung unter sandigen Böden deutlich erhöht, auch wenn die versiegelte Fahrbahn einberechnet wird. Dies wird durch die schnelle Infiltration des Straßenabflusses verursacht. Dadurch werden trotz geringer Bodenlösungskonzentrationen an manchen Standorten in unmittelbarer Nähe der Fahrbahn hohe Schwermetallfrachten im Boden transportiert.
Der Einsatz von Recycling-Baustoffen (RC-Baustoffen) soll zukünftig in einer "Bundesverwertungsverordnung für mineralische Abfälle in technischen Bauwerken" geregelt werden. Bei der Erstellung dieser Verordnung gilt es, die technischen Bauwerke "Straße" und die dafür vorhandenen beziehungsweise in Er- und Überarbeitung befindlichen Regelungen angemessen zu berücksichtigen. In Deutschland werden RC-Baustoffe überwiegend in 3 Verwertungsklassen aufbereitet. In der höchsten Verwertungsklasse können die RC-Baustoffe in Tragschichten im Straßenoberbau eingesetzt werden. Ein großer Teil der aufbereiteten RC-Baustoffe kann unter bautechnischen und umweltrelevanten Aspekten beim Bau von Dämmen und Schutzwällen verwendet werden. Hinsichtlich der Umweltverträglichkeit werden Qualitätsklassen für den uneingeschränkten beziehungsweise eingeschränkten offenen Einbau bei ungünstigen beziehungsweise günstigen hydrogeologischen Standortbedingungen sowie für den Einbau mit definierten technischen Sicherungsmaßnahmen angeboten. Wo und unter welchen Bedingungen RC-Baustoffe im Straßenbau eingesetzt werden dürfen, ist in den "Richtlinien für die umweltverträgliche Anwendung von industriellen Nebenprodukten und RC-Baustoffen im Straßenbau" (RuA-StB) geregelt. Die RuA-StB werden derzeit zusammen mit Vertretern der Länderarbeitsgemeinschaften überarbeitet. Sie sollen zukünftig durch das "Merkblatt über technische Sicherungsmaßnahmen bei Verwendung von schadstoffbelasteten Böden und Baustoffen im Erdbau (M TS E), Teil 1: Behandlung mit Bindemitteln und Teil 2: Bauweisen" ergänzt werden. Darin werden Bauweisen und Verfahren aufgezeigt, die die Durchsickerung beziehungsweise den Austrag von Schadstoffen bei Dämmen und Schutzwällen so reduzieren, dass keine schädliche Veränderung von Gewässern zu befürchten ist.