Die Forschungsvorhaben FE 89.0246/2010/AP, F1100.3207033 und FE 89.0270/2011 wurden in dem Forschungsvorhaben „Effizienz geohydraulischer Sicherungsmaßnahmen bei Einsatz von Böden mit umweltrelevanten Inhaltsstoffen – Teil 2“ (FE 89.0292/2013) weitergeführt. Die in den Vorgängerprojekten gewonnen Erkenntnisse zeigten auf, dass noch eine deutliche Verbesserung der Aussagequalität zum Langzeitverhalten der technischen Sicherungsmaßnahmen und zu Unterschieden der Wirksamkeit der einzelnen technischen Sicherungsmaßnahmen zu erwarten sind. Im Zuge der Projektbearbeitung wurden einige Veränderungen im Versuchsaufbau umgesetzt um die Aussagequalität zu verbessern. So wurde die Deckschicht der an die Lysimeteranlage angrenzenden Straße und die hydraulische Abkopplung der Busspur erneuert um die Zulaufbedingungen zu den Lysimeterbecken zu optimieren. Im Oktober 2014 wurden die Bankettbereiche der Lysimeterbecken erneuert und eine zusätzliche Schicht eingebracht, die im Bankett die Versickerung des Straßenabflusses reduzieren soll. Im Zuge dieser Umbauten wurde in Lysimeterbecken 6 eine beidseitig kaschierte Dränmatte als technische Sicherungsmaßnahme verbaut. Zusätzlich zu den Änderungen im Versuchsaufbau wurde die Messtechnik erweitert. Um die tatsächliche Evapotranspiration quantifizieren zu können wurde im Januar 2015 eine Wetterstation in Betrieb genommen. Zudem wurde eine zusätzliche Kippwaage (5 ml Auflösung) am Straßenabflusssammler installiert. Unter dem verwirklichten Versuchsaufbau bilden die Bodenkörper mit ihren jeweiligen technischen Sicherungsmaßnahmen und dem Bankett ein Gesamtsystem, das als solches betrachtet werden muss. Eine detaillierte Zusammenstellung der Ergebnisse kann dem Schlussbericht entnommen werden.
Unter dem verwirklichten Versuchsaufbau bilden die Bodenkörper mit ihren jeweiligen technischen Sicherungsmaßnahmen und dem Bankett ein Gesamtsystem, das als solches betrachtet werden muss. Eine detaillierte Zusammenstellung der Ergebnisse kann dem Schlussbericht entnommen werden. Zusammenfassend kann für den Untersuchungszeitraum April 2013 - November 2016 qualitativ folgendes festgestellt werden:
• Durch die Fortsetzung des Vorgängerprojektes konnte das Langzeitverhalten der Lysimeter beobachtet und weitere wichtige Erkenntnisse gewonnen werden. Zwischen beiden Projekten zeigen sich zum Teil deutliche Unterschiede hinsichtlich des Sickerwasseranteils.
• Die Auswahl des Dammbaustoffes hat den wesentlichen Einfluss auf den Anteil des Sickerwassers. Dieser betrug bei den Lysimetern mit bindigem Boden zwischen 14% und 38%, bei den Lysimetern mit kiesigen Böden zwischen 58% und 71%.
• Im Langzeitverhalten zeigen alle Lysimeter deutliche Veränderungen beim Sickerwasseranteil. Alterungseffekte der technischen Sicherungsmaßnahmen, die höhere Sickerwasseranteile zur Folge haben, können nicht ausgeschlossen werden.
• Nach dem Straßenumbau kommt es bei allen Lysimeterbecken zu einer signifikanten Erhöhung des Sickerwasseranteils mit weiter steigender Tendenz. Bei Lysimeterbecken 3 ergaben sich Sickerwasseranteile die im Bereich der Lysimeterbecken mit kiesigem Böschungskern liegen. Die Ursache hierfür konnte nicht abschließend geklärt werden. Ein Tracerversuch mit anschließender schichtenweiser Abtragung des Bodenkörpers kann weitere Erkenntnisse diesbezüglich ergeben.
• Der Umbau der Bankettbereiche hatte keine signifikante Verringerung der Sickerwasseranteile zur Folge.
• Beim kiesigen Boden konnte nachgewiesen werden, dass die direkte Durchsickerung im Bankettbereich durch den Bankettumbau reduziert wurde bzw. mehr des von der Straße anströmenden Wassers über den Bankettbereich zu den Böschungen transportiert wird.
• Die Bitumenanspritzung bewirkt bei beiden Bodenarten keine signifikante Verminderung des Sickerwasseranteils. Die in Brand et al. (2016) festgestellte Erhöhung des Sickerwasseranteils gegenüber den anderen technischen Sicherungsmaßnahmen kann jedoch nicht mehr festgestellt werden.
• In den bindigen Böden ist Lysimeter 2, das über eine Dränmatte als technische Sicherungsmaßnahme verfügt, das Lysimeter mit den insgesamt geringsten Anteilen an Sickerwasser. Die in Brand et al. 2016 in Lysimeter 3 eingebaute dickere Kiesschicht scheint ihre Funktion verloren zu haben.
• zwischen den Lysimetern mit kiesigem Boden im Böschungskern sind hinsichtlich des Sickerwasseranteils nur geringe Unterschiede feststellbar. Eine Ausnahme bildet Lysimeter 8.
• Es konnten mehrere Ansätze zur Berechnung der potentiellen Evapotranspiration verfolgt werden. An die tatsächlich stattfindende Evapotranspiration wurde sich zusätzlich mithilfe der allgemeinen Wasserhaushaltsgleichung angenähert. Die Ergebnisse legen nahe, dass sich die Evapotranspiration nicht signifikant zwischen den verschiedenen Lysimeterbecken/Baustoffen unterscheidet. Insgesamt spielt die tatsächliche Evapotranspiration mengenmäßig nur eine untergeordnete Rolle. Im Falle einer Dammlage ist mit einer Zunahme der Verdunstung auf der Straße als auch der tatsächlichen Evapotranspiration zu rechnen.
• Durch die Verbesserung der Zulaufsituation durch Änderung der Straßenabflussrinne und durch die Erweiterung der Messtechnik konnte die Genauigkeit der Mengenmessung optimiert werden. Beides wirkt sich in deutlich höheren festgestellten Anteilen abflusswirksamer Niederschläge aus.
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Bei Straßenbaumaßnahmen werden im Erdbau große Massen bewegt. Nicht immer gelingt der Massenausgleich innerhalb einer Baumaßnahme, so dass dann andere Baustoffe zur Herstellung der Erdbauwerke benötigt werden. Hierfür können Ersatzbaustoffe, wie Recycling-Baustoffe, industrielle Nebenprodukte oder aufbereitetes Bodenmaterial verwendet werden, um natürliche Ressourcen zu schonen. Neben der bautechnischen Eignung der Ersatzbaustoffe spielt der Schutz von Boden und Grundwasser mittlerweile bei der Auswahl der Baustoffe eine wesentliche Rolle. Um diesen zu gewährleisten, ist bei Ersatzbaustoffen zu prüfen, ob umweltrelevante Inhaltsstoffe mit dem Sickerwasser in relevanten Mengen in Boden und Grundwasser ausgetragen werden können.
Die Bundesanstalt für Straßenwesen widmet sich diesem Themenbereich in der Forschungslinie „Ressourcenschonender und umweltverträglicher Straßenbau“. Das übergeordnete Ziel der verschiedenen Forschungsprojekte ist dabei, den Einsatz von Ressourcen zu optimieren und gleichzeitig die Auswirkungen auf die Umwelt zu bewerten.
Aus Sicht des Straßenbauingenieurs reicht das Wissen über Wasser im Straßenbauwerk für die Beurteilung der Gebrauchstauglichkeit vollkommen. Für die hydrogeologische Beurteilung der Durchsickerung im Hinblick auf den Boden- und Grundwasserschutz ist der heutige Wissensstand jedoch noch unzureichend. Insbesondere sind dazu folgende Fragen offen: Wie viel Wasser gelangt in das Straßenbauwerk und wie viel Wasser durchsickert die Straßenböschung?
Zum Schutz von Boden- und Grundwasser wurden für den Einsatz bestimmter Ersatzbaustoffe im Erbau Bauweisen für technische Sicherungsmaßnahmen (TSM) entwickelt. Durch diese Bauweisen kann die Menge des Sickerwassereintrags in das Bauwerk reduziert und damit der Austrag an umweltrelevanten Inhaltsstoffen verringert oder sogar ganz vermieden werden.
Ziel der Forschungsarbeiten zum Thema Durchsickerung von Straßenböschungen ist es, eine belastbare Datengrundlage zum Wasserhaushalt von Straßenböschungen zu schaffen. Daraus werden Instrumente entwickelt, um die Wirksamkeit der unterschiedlichen technischen Sicherungsmaßnahmen zu beurteilen. So sollen Ersatzbaustoffe durch ökonomisch und ökologisch optimierte Bauweisen weiter für den Erdbau des Straßenbaus genutzt werden.
In diesem Projekt „Effizienz technischer Sicherungsmaßnahmen im Erdbau – Lysimeteruntersuchungen unter Laborbedingungen“ wird der Forschungsansatz der großmaßstäblichen Versuche verfolgt, mit dem Ziel die Wirksamkeit von TSM zu beurteilen. Hierzu wurden Lysimeter und eine zugehörige Beregnungseinheit entwickelt. Mit der Anlage wurde ein Instrument geschaffen, um unter vergleichbaren, kontrollierten und zeitgerafften Bedingungen verschiedene Kombinationen aus TSM und Ersatzbaustoffen am Ausschnitt einer Böschung im Maßstab 1:1 zu prüfen. Um klimatische Einflüsse weitestgehend auszuschließen, ist die Anlage in einer Versuchshalle aufgestellt, so dass die Lysimeteruntersuchungen unter gleichbleibenden Laborbedingungen durchgeführt werden können.
Die Vorteile der Lysimeteruntersuchungen unter Laborbedingungen liegen in einer gut erfassbaren Wasserbilanz und der Möglichkeit, regelmäßig Wasserproben für die chemischen Untersuchungen zu gewinnen. Zu den Schwächen gehören, dass Umwelteinflüsse und Straßenabfluss nicht berücksichtigt werden und ggf. nicht erfassbare Randeinflüsse vorhanden sind. Zudem sind die Versuchsdauern lang und die Versuche sind betreuungsintensiv. Aufgrund der Abmessungen des Lysimeterkastens sind nicht alle TSM realisierbar.
In dieser zweiten Versuchsserie wurden eine Hausmüllverbrennungsasche (HMVA), ein Recycling-Baustoff (RC) ein Gießereirestsand (GRS) und eine Steinkohlenkesselasche (SKA) untersucht. Als TSM wurden drei verschiedene Dränmatten und eine Vergleichsvariante ohne TSM eingesetzt, so dass insgesamt zehn Versuchsreihen durchgeführt worden sind. Die Lysimeterversuche wurden von April 2013 bis Dezember 2016 durchgeführt. Während den 15-wöchigen Versuchsreihen wurde an jedem Arbeitstag das Gewicht des Lysimeters und des Oberflächenabfluss ermittelt. Das Sickerwasser wurde ebenfalls gewogen und analysiert. Während dieser Zeit wurden in jeder Woche ein bis drei Regenereignisse aufgebracht. Abschließend wurde für die Materiealien RC und SKA noch die Sensitivität der Versuchsergebnisse gegenüber der Regenmenge untersucht.
Die wesentlichen Erkenntnisse zur Effizienz der technischen Sicherungsmaßnahmen sind:
1. Für alle Materialien lässt sich durch die Verwendung von Dränmatten eine Reduktion der Sickerwassermenge um mindesten 40 % erzielen.
2. Bei der Effizienz der Bauweise kommt es zu einer Überlagerung verschiedener Eigenschaften, wie
• den hydraulischen Eigenschaften der Dränmatte sowie
• der Wasserdurchlässigkeit,
• dem Verdichtungsgrad und
• der kapillaren Saugspannung des in der Böschung untersuchten Materials.
Die Menge an umweltrelevanten Inhaltstoffen wird von den beiden Faktoren Konzentration im Sickerwasser und Menge des Sickerwassers bestimmt. Der entscheidende Faktor bei den aufsummierten Frachtkurven ist in den meisten Fällen die Sickerwassermenge, diese wird von der TSM beeinflusst. Es ist also möglich, mit einer geeigneten TSM den Austrag von umweltrelevanten Inhaltsstoffen aus einer Straßenböschung zu verringern.
In zukünftige Simulationsrechnungen sollten die unterschiedlichen Charaktere der Regen und die Trocknungsphasen berücksichtig werden. Keinesfalls darf von einem gleichmäßigen Dauerregen ohne Trocknungsphasen ausgegangen werden. Es konnte gezeigt werden, dass dies die Menge von Oberflächen- und Sickerwasserabfluss beeinträchtigt.
Für eine wirkungsvolle Reduzierung der Sickerwassermenge muss die Bauweise mit dem Material und den Einbaubedingungen abgestimmt werden. Dafür steht mit dem Hallenlysimeter ein Instrument zur Verfügung, das unter vergleichbaren, kontrollierten und zeitgerafften Bedingungen die Beurteilung der Effizienz von TSM erlaubt.