Für acht Standorte an Bundesfernstraßen wurden Sickerwasserkonzentrationsprofile bestimmt, bewertet und die vom Sickerwasser mitgeführten Frachten verkehrsspezifischer Substanzen (Blei, Cadmium, Kupfer, Zink, Nickel, Chrom, 15 PAK (Polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe) nach EPA und Naphtalin, MKW (Mineralölkohlenwasserstoffe), MTBE, Benzol) berechnet. Kernpunkt waren die Beprobung der Bodenlösung in vier Entfernungen vom Fahrbahnrand und zwei beziehungsweise drei Tiefen, sowie Messungen und Berechnungen zur Ermittlung des straßennahen Bodenwasserhaushaltes. Es schloss sich ein Vergleich des im Freiland untersuchten Schadstofftransportes im Boden mit Ergebnissen des Stofftransportmodells SISIM an mit folgenden Ergebnissen: Die Bodenfeststoffgehalte der Schwermetalle sind hoch und überschreiten vor allem in direkter Straßennähe häufig die Vorsorgewerte nach dem Bundesbodenschutzgesetz (BBodSchG). Die Maßnahmenwerte des BBodSchG für den Schadstoffübergang Boden-Nutzpflanze auf Grünlandflächen werden jedoch trotz der hohen Verkehrsbelastungen an keinem der Standorte und Bodenprofile erreicht. Die Lösungskonzentrationen der Schwermetalle sind auch auf sauren Sandböden an stark befahrenen Straßen als verhältnismäßig unproblematisch nach dem BBodSchG einzustufen. Die Belastung mit organischen Schadstoffen ist ebenfalls als unproblematisch anzusehen. Die Grundwasserneubildung neben der Straße wird bei sonst gleichen Standortbedingungen durch das über das Bankett abgeleitete Straßenablaufwasser erhöht. Da an allen BAB-Standorten und auch manchen untersuchten Bundesstraßen die Bodenkonzentrationen in 0 bis 10 cm Tiefe die Vorsorgewerte für Pb, Cd, Cu, Ni und Zn in Fahrbahnnähe überschreiten, wären nach der BBodSchV die Frachtgrenzwerte gültig. Laut Begründung zur BBodSchV müssen jedoch zum Beispiel bei Verkehrswegen bestimmte Schadstoffeinträge und -gehalte als unvermeidlich hingenommen werden, ohne dass eine Überschreitung von Vorsorgewerten entsprechende Minderungsmaßnahmen auslösen konnte. Der Vergleich der gemessenen Werte mit den durch SISIM modellierten Konzentrationen und Frachten zeigt keine sehr gute Übereinstimmung. Ursache ist vor allem, dass kontinuierlicher Stoffeintrag im Programm nicht ausreichend vorgegeben werden kann.
Im Hinblick auf das Lösen werden Boden und Fels nach DIN 18300 beschrieben. Dabei werden bindige Bodenarten in Abhängigkeit von ihrer Konsistenz in unterschiedliche Bodenklassen unterteilt. Bodenarten von leichter bis mittlerer Plastizität und weicher bis halbfester Konsistenz werden der Bodenklasse 4 zugeordnet. Ausgeprägt plastische Tone von weicher bis halbfester Konsistenz gehören der Bodenklasse 5 an. Bodenarten von fester Konsistenz sind der Bodenklasse 6 zuzuordnen. Die Grenze zwischen halbfester und fester Konsistenz ist dabei über die Schrumpfgrenze definiert, die nach DIN 18122-2 bestimmt wird. Da vor allem bei leichtplastischen Böden der Wassergehalt an der Schrumpfgrenze häufig oberhalb des Wassergehaltes an der Ausrollgrenze liegt, kommt es bei der Einordnung bindiger Böden in die Bodenklassen der DIN 18300 häufig zu Unklarheiten, was zu Streitfällen zwischen Auftragnehmer und Auftraggeber führen kann. Das Ziel des Forschungsvorhabens war es deshalb, ein geeigneteres Kriterium zur Einordnung halbfester und fester Böden in die Bodenklassen der DIN 18300 zu erarbeiten und dazu eine Versuchstechnik zu entwickeln. In einem ersten Schritt wurde das Schrumpfverhalten bindiger Böden analysiert und die Versuchstechnik zur Bestimmung der Schrumpfgrenze untersucht. Es hat sich gezeigt, dass bei Böden mit einer Plastizitätszahl IP < 18 % der Wassergehalt an der Schrumpfgrenze in der Regel oberhalb des Wassergehalts an der Ausrollgrenze liegt. Anhand von Untersuchungen zum Schrumpfverhalten an Proben, die bei unterschiedlichen Spannungen vorbelastet worden waren, wurde ausserdem festgestellt, dass der Wassergehalt an der Schrumpfgrenze mit zunehmender Vorbelastung abnimmt. Diese Untersuchungen haben damit bestätigt, dass anhand der nach DIN 18122-2 ermittelten Schrumpfgrenze keine eindeutige Zuordnung in die Bodenklassen 4 und 6 bzw. 5 und 6 möglich ist. Deshalb wurden im Folgenden Untersuchungen zu anderen Kriterien zur Unterscheidung zwischen halbfesten und festen Böden durchgeführt. Hierzu wurden zunächst Untersuchungen zur einaxialen Druckfestigkeit durchgeführt. Da das Herausarbeiten von ungestörten Probekörpern im relevanten Konsistenzbereich aber mit großen Schwierigkeiten verbunden ist, kann die Verwendung der einaxialen Druckfestigkeit zur Einordnung der Bodenklassen nicht empfohlen werden. Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurden daher im weiteren Verlauf Untersuchungen zu einem einfach durchzuführenden Versuch durchgeführt, der eine Unterscheidung von halbfestem und festem Boden auf Grundlage der Festigkeit ermöglicht. Dazu wurden an aufbereiteten Böden Eindringversuche mit einer Proctornadel und einer Konusspitze durchgeführt. Die Versuchsergebnisse belegen, dass ein klarer Zusammenhang zwischen der Konsistenz und dem Eindringwiderstand besteht und dass eine Bewertung der Festigkeit mit Hilfe dieser Versuche prinzipiell möglich ist. Zur Festlegung konkreter Werte für eine Unterscheidung der Bodenklassen 4, 5 und 6 gemäß DIN 18300 sind jedoch weitere Untersuchungen erforderlich.
Der Schutz des Grundwassers spielt bei Umweltverträglichkeitsprüfungen im Zusammenhang mit Straßenbauvorhaben eine immer größere Rolle. Das Bundes-Bodenschutzgesetz gebietet einen flächendeckenden Schutz vor Fremdstoffen, die aus verunreinigten oberen Bodenschichten in das Grundwasser einsickern können. Über die möglichen und in einigen Fällen auch über tatsächliche Auswirkungen des Straßenablaufwassers auf das Grundwasser sind in den letzten Jahren detaillierte Forschungsvorhaben veröffentlicht worden. Im vorliegenden Bericht ist die Aufbereitung der bekannteren Arbeiten zum Thema bewusst knapp gehalten und konzentriert sich auf diejenigen Aspekte der vorgestellten Werke, die über zu erwartende Sicker- und Grundwasserbelastungen, beziehungsweise über Schutzfunktionen des Bodens, besonders zielführend berichten. Schließlich werden die Arbeiten im Zusammenhang betrachtet und einem über die Einzelbeiträge hinausgehendem Resumee unterzogen. Obwohl die Konzentrationen an straßenspezifischen Substanzen im Straßenoberflächenwasser oft hoch sind, finden sich nach der Passage des Bankettbodens nur geringe Spuren im Sickerwasser. Auch in Sickerschächten, Sickerbecken und ihren zuleitenden Gräben wirken die Sedimente als effektiver Filter und lassen Schadstoffe kaum in tiefere Bodenschichten oder das Grundwasser eindringen. Die Bodenschutz-Verordnung bestimmt als Beurteilungszone für das Sickerwasser den Übergang von der wasserungesättigten zur wassergesättigten Bodenschicht. Aus den Ergebnissen lässt sich abschätzen, dass bei ton- und humusreichen neutralen bis basischen Böden keine Gehalte zu erwarten sind, die über den durch die Verordnung vorgegebenen Prüfwerten liegen. Lediglich für bindungsarme, saure Böden bestehen noch Unsicherheiten und Forschungsbedarf.
Im Zuge der Überarbeitung der DIN 18300 soll in Zukunft die bisherige Einstufung von Boden und Fels entsprechend des Zustands beim Lösen in Boden- und Felsklassen durch eine Einteilung entsprechend ihrem Zustand vor dem Lösen in Homogenbereiche ersetzt werden. Demnach müssen zukünftig für Boden andere Eigenschaften und Kennwerte ermittelt werden als für Fels. In der Baupraxis treten jedoch oftmals natürliche Übergangsbereiche zwischen Boden / Lockergestein und Fels / Festgestein auf. Für diese Übergangsbereiche fehlt ein geeignetes Kriterium für eine Zuordnung zu Boden oder Fels. Bei vorhergehenden Untersuchungen an bindigen Böden wurde einerseits festgestellt, dass der ermittelte Wassergehalt an der Schrumpfgrenze nicht geeignet ist zur Unterscheidung zwischen halbfester und fester Konsistenz. Andererseits war ebenso der einaxiale Druckversuch bedingt geeignet, da die Prüfkörper in vielen Fällen bei der Herstellung zerbrochen sind. Der daraufhin entwickelte Eindringversuch mittels Konusspitze und Proctornadel sollte im Rahmen der vorliegenden Forschungsarbeit an weiteren ungestörten Probekörpern am Übergangsbereich Boden / Fels erprobt werden. An über 25 Probekörpern aus unterschiedlichen geologischen Formationen Deutschlands, die aus Lagerstätten, im Rahmen von Bauprojekten sowie aus Rückstellproben vergangener Projekte gewonnen wurden, wurden neben den bodenmechanischen Parametern, insbesondere die Konsistenz, die einaxiale Druckfestigkeit und die Eindringkraft mittels Konusspitze und / oder Proctornadel ermittelt. Insgesamt war die Durchführung der Eindringversuche einfach. Im Gegensatz zu den einaxialen Druckversuchen waren auch bei leicht zerbrechlichen Proben, an denen aus diesem Grund keine einaxialen Druckversuche möglich waren, gerade noch Probekörper herstellbar. Damit kann der Eindringversuch als Alternative zum einaxialen Druckversuch Hinweise zur einaxialen Druckfestigkeit eines Boden- oder Gesteinskörpers liefern. Andererseits treten in der Praxis immer wieder Fälle auf, bei denen Böden und Gesteine im Übergangsbereich liegen, aber bereits so stark verwittert oder geschichtet sind, dass keine Prüfkörper hergestellt werden können, weder für Druck- noch für Eindringversuche. Für diese Übergangsbereiche müssten grundsätzlich andere Zuordnungswerte gefunden werden. Außerdem wird bei beiden Versuchsarten die Festigkeit des Einzelprobekörpers und nicht die des Gesteinsverbandes ermittelt. Die Auswertung der Laborversuche hat gezeigt, dass keine exakte Grenze zwischen Boden und Fels definiert werden kann. Vielmehr ist die Definition eines Übergangsbereiches erforderlich, für den sowohl Boden- als auch Felsparameter bestimmt werden müssen. Für Böden mit einer Konsistenzzahl von ca. lc > 1,15 müssen ergänzend Felsparameter ermittelt werden. Sofern der einaxiale Druckversuch nicht durchgeführt werden kann, kann auch mit dem Eindringversuch eine Abschätzung der einaxialen Druckfestigkeit erfolgen. Bei Festgesteinen bzw. Fels, bei denen eine einaxiale Druckfestigkeit von ca. qu< 1 MPa bzw. eine Eindringspannung von ca. σ20 < 10 MPa ermittelt wird, müssen neben den Felsparametern auch die Bodenkennwerte ermittelt werden. Der ermittelte Korrelationsansatz zwischen der Eindringspannung und der einaxialen Druckfestigkeit von σ20 ≈ 10 • qu ergibt sich hier näherungsweise aus den durchgeführten Eindring- und einaxialen Druckversuchen.
Bekannte aus der Kraftstoffverbrennung resultierende Stoffe sind durch die Einführung des Abgas-Katalysators zurückgegangen, andere hinzugekommen. Einer dieser Stoffe ist Methyl-tertiär-Butylether (MTBE), der Kraftstoffen als Antiklopfmittel zugesetzt wird. In untersuchten Pflanzen und Böden neben Autobahnen wurde keine messbare Anreicherung von MTBE festgestellt. Dennoch ist aufgrund der hohen Wasserlöslichkeit und Leichtflüchtigkeit von MTBE eine Anreicherung im Regenwasser nicht auszuschließen. Ein Linieneintrag von MTBE ins Grundwasser über den unmittelbaren Straßenseitenraum scheint zum jetzigen Zeitpunkt jedoch ausgeschlossen.
Bei der Behandlung von sulfathaltigen Böden mit calciumbasierten Bindemitteln wurden immer wieder Schadensfälle beobachtet, die durch die Neubildung von Ettringitmineralen hervorgerufen wurden. Das Ziel des Forschungsprojektes war es, die Grundlagen für die Entwicklung einer praxistauglichen Prüfvorschrift zu erarbeiten. Mit Hilfe geeigneter Untersuchungen und Prüfverfahren soll es zukünftig möglich sein, Schadensfälle zu vermeiden. Dafür waren Kenngrößen und Richtwerte zur Beurteilung des Risikos von Treiberscheinungen durch Ettringitbildung bei der Bindemittelbehandlung von sulfathaltigen Böden festzulegen. Zunächst wurde eine Literaturstudie durchgeführt. Dabei wurde deutlich, dass der Mineralbestand, das Wasserangebot, das chemische Milieu, die Temperatur, die Porenstruktur und der Überlagerungsdruck im Boden wesentliche Einflussfaktoren sind. Im zweiten Arbeitsschritt wurden an vier verschiedenen Materialien Pulverquellversuche durchgeführt. Dabei wurden jeweils zwei Böden mit und ohne natürlichen Sulfatgehalt verwendet. Dem Versuchsmaterial ohne natürlichen Sulfatgehalt wurde Sulfat künstlich, in definierten Mengen zugesetzt. Als Ergebnis der Untersuchung können folgende Zusammenhänge genannt werden:
- Es besteht ein linearer Zusammenhang zwischen dem Sulfatgehalt und der Dehnung infolge Ettringitneubildung.
- Kritische Sulfatgehalte sind zum einen stark abhängig vom Boden (Bodenart) und den darin enthaltenen Mineralphasen, zum anderen werden sie durch die Wahl des Bindemittels beeinflusst. Es konnte bestätigt werden, dass eine Behandlung mit Kalk bei gleichen Randbedingungen größere Hebungsbeträge verursacht, als die Verwendung des Bindemittels Zement.
- Als Ergebnis der Literaturstudie und der Versuche zeigte sich, dass nur eine geringe Gefährdung gegeben ist, wenn Böden mit Sulfatgehalten von weniger als 3.000 ppm mit Zement behandelt werden. Bei einer Behandlung mit Kalk besteht dagegen auch bei geringen Sulfatgehalten im Boden bereits ein Gefährdungspotential für Ettringittreiben.
Die Problematik des Ettringittreibens ist sehr komplex und von vielen Faktoren abhängig. Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens konnten jedoch nur einige der Einflussfaktoren untersucht werden. In vielen Punkten besteht weiterhin Forschungsbedarf.
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.
Im Gegensatz zu anderen Bereichen des Straßenbaus fehlen für den Unterbau/Untergrund (Erdbau) von Straßen zz. noch eigene Technische Lieferbedingungen sowie die zugehörige Güteüberwachung. Diese Lücke soll durch die derzeit in Erarbeitung befindlichen "Technischen Lieferbedingungen für Böden und Baustoffe für den Erdbau im Straßenbau" (TL BuB E-StB) geschlossen werden. Diese werden stoffspezifische, erdbautechnische und umweltrelevante Anforderungen an Böden und Baustoffe, die zur Herstellung von Erdbauwerken verwendet werden, enthalten. In den TL BuB E-StB werden die Anforderungen an industrielle Nebenprodukte und RC-Baustoffe, die derzeit im Wesentlichen auf der Ebene von Merkblättern bzw. Hinweisen geregelt sind, zusammengefasst.
Die bodenmechanischen Eigenschaften von feinkörnigen Böden und gemischtkörnigen Böden mit Feinkornanteilen über 15 M.-% werden maßgeblich von der Konsistenz und der Plastizität des Feinkorns bestimmt. Mittel- und langfristig können an Erdbauwerken, die aus diesen Bodenarten errichtet wurden, Schäden entstehen, wenn Wasserzutritte eine Verringerung der Konsistenz der feinkörnigen Anteile bewirken. Um eine verminderte Scherfestigkeit, Sackungen und Setzungen zu vermeiden, wurden in den ZTV E-StB 09 Verdichtungsanforderungen festgelegt, die neben dem Verdichtungsgrad auch den Luftporenanteil beinhalten. Im Rahmen der vorliegenden Forschungsarbeit sollte untersucht werden, welchen Einfluss der Luftporenanteil auf das Verformungsverhalten der o.g. Böden hat und inwieweit eine Verschärfung der Anforderungen an den Luftporenanteil eine Verbesserung der dauerhaften Tragfähigkeit und der Gebrauchstauglichkeit unter Berücksichtigung eines erhöhten Verdichtungsaufwandes bewirkt. Es wurde zunächst herausgearbeitet, welche Anforderungen hinsichtlich des Luftporenanteils bereits bestehen und inwieweit der Luftporenanteil als Verdichtungsanforderung geeignet ist. Der Luftporenanteil wird hierbei lediglich in Deutschland und Großbritannien als Verdichtungsanforderung genannt. Anhand von fünf Versuchsböden, die nach DIN 18196 den Bodengruppen UL, TM, TA, SU* und GU* zuzuordnen sind, wurde anschließend das Last-Verformungsverhalten bei oedometrischer Belastung und bei Wasserzutritt bei unterschiedlichen Spannungsniveaus untersucht. Die weiteren Laboruntersuchungen umfassten Triaxial- und Wasserdurchlässigkeitsversuche. An einem Probefeld wurden Feldversuche zur Entwicklung des Luftporenanteils bei einer zunehmenden Anzahl an Walzenübergängen durchgeführt. Eindeutige Aussagen zum Einfluss des Luftporenanteils auf das Verformungsverhalten der untersuchten Böden waren anhand der Laboruntersuchungen nur schwer zu treffen. Die Streuung der Versuchsergebnisse ließ zumeist keine eindeutige Systematik hinsichtlich des Einflusses des Einbauzustandes erkennen. Überwiegend wiesen die Versuche, deren Einbaubedingungen innerhalb der nach ZTV E-StB 09 festgelegten Grenzen an Verdichtungsgrad, Wassergehalt und Luftporenanteil lagen, jedoch nur geringe Verformungen auf. Die Ergebnisse der Laboruntersuchungen belegen somit die Eignung der in den ZTV E-StB enthaltenen Verdichtungsanforderungen für Erdbaumaßnahmen. Die Notwendigkeit einer Anpassung bzw. Verschärfung der Anforderungen an den Luftporenanteil lässt sich aus den Laboruntersuchungen nicht ableiten. Bei den Feldversuchen zeigte sich, dass mit den auf der Baustelle zur Verfügung stehenden Walzenzügen eine stetige, signifikante Erhöhung der Trockendichte und eine Verringerung der Luftporenanteile nur bis zu einem bestimmten Grad erreicht werden konnte, indem die Verdichtungsarbeit durch eine Erhöhung der Walzenübergaenge gesteigert wurde. Teilweise bewirkten zusätzliche Walzenübergänge sogar eine Auflockerung des Bodens.
Das Säulenkurzverfahren nach DIN 19528 kann im Rahmen der Güteüberwachung zur Prüfung der Umweltverträglichkeit eines Baustoffs durchgeführt werden. Da feinkörnige Materialien z. T. sehr schlecht perkolierbar sind, ist in diesen Fällen eine Quarzsandzumischung von 80 % in DIN 19528 vorgesehen. Hier wird davon ausgegangen, dass sich Gleichgewichtskonzentrationen einstellen und somit die Zumischung für das Eluat irrelevant ist. Die Sandzumischung hat u.a. den Vorteil, dass eine Verkürzung der Versuchslaufzeit entsteht. Zielsetzung dieses Projekts war es, den Einfluss einer Quarzsandzumischung für unterschiedliche Baustoffe zu überprüfen und die Versuchsdurchführung zu konkretisieren und zu optimieren. Falls die Sandbeimischung die Ergebnisse nicht beeinflusst, wäre es möglich, auch gröbere Materialien unter Sandbeimischung zu untersuchen und so bei der Güteüberwachung Zeit einzusparen. Eine Versuchsreihe zur Optimierung der Prüfbedingungen mit einem bindigen Boden (Ton) sowie einem grobkörnigen RC-Material (Größtkorn 16 mm) zeigte, dass ein Sandanteil von 50 % einen guten Kompromiss darstellt, da das Wasser gleichmäßig durch das bindige Material (Ton) perkolieren konnte und beim groben Material (RC) keine Verdünnung auftrat. Die Sättigungsphase sollte von 2 h auf 5 h verlängert werden, weil sonst zu Versuchsbeginn für einige Parameter noch keine Gleichgewichtskonzentration erreicht ist. Mit dem optimierten Verfahren wurden 8-fach-Bestimmungen und Laborvergleichstests an zwei RC-Materialien mit und ohne Sandzumischung (50 %) durchgeführt. Die Ergebnisse wurden statistisch ausgewertet. Die Unterschiede aufgrund der Sandzumischung waren deutlich geringer als die Unterschiede zwischen den Ergebnissen der unterschiedlichen Labore. Wird die statistische Verteilung der Konzentrationen umweltrelevanter Parameter betrachtet, besteht kein Unterschied ob der Säulenversuch mit oder ohne Sandzumischung durchgeführt wurde. Eine Prüfserie an 16 unterschiedlichen mineralischen Abfällen und Nebenprodukten zeigte, dass der optimierte Säulenschnelltest mit einer Sandzumischung von 50 % keine statistisch signifikanten Abweichungen zum Säulenschnelltest am reinen Material aufweist und somit als Standard für den Säulenversuch eingeführt werden kann.