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 vorliegenden Forschungsbericht wurden Berechnungen zur Untersuchung der Wirksamkeit verschiedener Bauweisen zur technischen Sicherung von Böden und Baustoffen mit umweltrelevanten Inhaltsstoffen im Erdbau vorgestellt. Dabei wurden zunächst die im Merkblatt über Bauweisen für Technische Sicherungsmaßnahmen beim Einsatz von Böden und Baustoffen mit umweltrelevanten Inhaltsstoffen im Erdbau (M TS E) dargestellten Bauweisen vorgestellt. Zur Untersuchung der Wirksamkeit wurden numerische Berechnungen mit dem Strömungssimulator FEFLOW durchgeführt. Zur Erstellung der FE-Modelle mussten die in M TS E dargestellten Bauweisen unter Berücksichtigung des Straßenaufbaus zunächst mit Daten unterlegt werden. Anschließend konnten die FE-Modelle erstellt und Rand- und Anfangsbedingungen definiert werden. Anhand von Voruntersuchungen wurde zunächst der Einfluss unterschiedlicher Materialien im Bereich des Straßenaufbaus (Bankett und Oberboden) analysiert. Auf Grundlage der Voruntersuchungen wurde eine Situation des Straßenaufbaus definiert, mit der anschließend die weiteren Berechnungen zur Ermittlung der bei den verschiedenen Bauweisen zu erwartenden Sickerwassermengen durchgeführt wurden. Anhand einer Vielzahl von Berechnungen wurden dabei verschiedene Szenarien im Hinblick auf die auftretenden Niederschläge und die den verschiedenen Schichten zugrunde liegenden Bodenkennwerte untersucht. Zur Ermittlung der Wirksamkeit der verschiedenen Bauweisen wurden die in die Böden und Baustoffe mit umweltrelevanten Inhaltsstoffen ein- und ausströmenden Wassermengen für die einzelnen Modelle analysiert. Um die Vergleichbarkeit der Ergebnisse zu gewährleisten wurde dabei jeweils der stationäre Fließzustand betrachtet. Aufgrund des teilweise sehr hohen Berechnungsaufwandes konnte dieser nicht in allen Modellberechnungen erreicht werden. In diesem Fall wurden die im stationären Zustand zu erwartenden Sickerwassermengen aus den vorhandenen Daten extrapoliert. Durch einen Vergleich der bei den verschiedenen Bauweisen zu erwartenden Sickerwassermengen konnten die im Merkblatt über Technische Sicherungsmaßnahmen (M TS E) dargestellten Bauweisen bewertet werden. Die Ursachen für die bei einzelnen Bauweisen ermittelten vergleichsweise hohen Wassermengen wurden dabei diskutiert und mögliche konstruktive Maßnahmen dargestellt. Es konnten dabei jedoch nicht alle Bauweisen abschließend bewertet werden. Die Ergebnisse haben gezeigt, dass die tatsächlichen Verhältnisse mit den in den Berechnungen definierten zeitlich konstanten Niederschlägen nur eingeschränkt wiedergegeben werden. Es wird vermutet, dass die in die Böden und Baustoffe mit umweltrelevanten Inhaltsstoffen infiltrierenden Sickerwassermengen damit zum Teil erheblich überschätzt werden. Aus diesem Grund wurde die Durchführung zusätzlicher Berechnungen mit zeitlich variablen Randbedingungen unter Berücksichtigung der Evapotranspiration empfohlen.
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.