36 Mineralstoffe
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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.
In Norddeutschland sind wegen der stark gestiegenen Belastung durch Schwerverkehr auf den Bundesautobahnen vermehrt Schäden aufgetreten. Es wird vermutet, dass einkörnige Sande, die dort im Straßenunterbau verwendet wurden, an der Schadensentstehung beteiligt sind. Im Forschungsvorhaben wird das elastische und plastische Verformungsverhalten von einkörnigen Sanden aus Brandenburg im Triaxialversuch ermittelt. Weiter wird das Verformungsverhalten des Sandes unter Beimischung von Straßenbetonaufbruch mit unterschiedlichen Anteilen getestet. Ziel ist die Optimierung der Zugabemenge des Straßenbetonaufbruchs, um das Verformungsverhalten und damit die Langzeitstandfestigkeit des Sandes positiv zu beeinflussen. Die Versuchseinrichtung, der Versuchsablauf und die Auswertung hinsichtlich des Verformungsverhaltens werden beschrieben. Es lassen sich Aussagen zum elastischen und plastischen Verformungsverhalten der einkörnigen Sande machen.
Teil 1: Literaturauswertung: Da zur Zeit kein einheitliches Untersuchungskonzept zur Bestimmung des Einflusses der Bruchflächigkeit von Edelsplitten auf die Standfestigkeit von Asphalten besteht, wurde eine Literaturstudie durchgeführt und mit dem Ziel ausgewertet, wissenschaftlich abgesicherte und eindeutige Erkenntnisse herauszuarbeiten. Die Literaturstudie erfolgte nach einem einheitlichen Schema z.B. hinsichtlich der Zielsetzung der Untersuchungen, der Art der Prüfung, der Art der Mischgutsorte, der Art der Asphaltzusammensetzung, der Art und Herkunft der Mineralstoffe, der Kornverteilung, des Bindemittelgehaltes etc. Da sich nur vier relevante Veröffentlichungen mit Asphalten aus Kiesedelsplitten auseinandersetzen und sich 14 auf Asphalttragschichten beziehen, wurde nach der Erfahrungssammlung aus dem bisherigen Stand der Prüfverfahren und Untersuchungsmethodik ein zielgerichtetes Konzept für eine Laboruntersuchung vorgeschlagen, die es ermöglichen soll, den Einfluss der Bruchflächigkeit von Edelsplitten auf die Standfestigkeit von Asphalten zu quantifizieren und wissenschaftlich abzusichern. Es wurde festgestellt, dass dieser Einfluss bisher in keiner Literaturstelle wissenschaftlich haltbar und eindeutig beantwortet wurde. Es ist ziemlich unwahrscheinlich, dass alle Einflussgrößen so genau erfasst und beurteilt werden können, dass daraus zielsicher auf die Standfestigkeit eines Asphaltes geschlossen werden kann. Was zur zielsicheren Herstellung von standfesten Asphalten fehlt, ist nicht das Mehr an gebrochener Oberfläche, sondern ein Prüfverfahren und die dazugehörigen Anforderungswerte, mit denen im Rahmen der Eignungsprüfung eine zuverlässige und praxisorientierte Beurteilung der Standfestigkeit von Asphalt möglich ist. Damit sollten auch Baustoffe und Baustoffgemische bestimmter Herkunft oder Zusammensetzung auf deren Eignung zur Herstellung standfester Asphalte zielsicher beurteilt werden können. Teil 2: Einfluss des Rundkornanteils auf die Scherfestigkeit von Gesteinskörnungen: Die Untersuchungen sollen zur Klärung beitragen, inwieweit Edelsplitte aus gebrochenem Kies mit unterschiedlichen Bruchflächenanteilen verwendet werden können, ohne die Verformbarkeit von Asphaltschichten wesentlich zu beeinflussen. Die Untersuchung wurde auf die bodenmechanische Fragestellung ohne Berücksichtigung des Einflusses des Bindemittels beschränkt. Verwendet wurden ungebrochene und gebrochene Terassenkiese vom Oberrhein, die im wesentlichen aus Quarzen, verschiedenen Kalksteinen, Kieselschiefern, Sandsteinen, kristallinen Gesteinen und dichten kieseligen Gesteinen bestehen. Es sind an Versuchsreihen mit unterschiedlich zusammengesetzten Korngemischen Dreiaxial- und CBR-Versuche bei verschiedenen Bruchflächenanteilen durchgeführt worden, um Beziehungen zwischen Druckspannungen bzw. CBR-Werten und Bruchflächenanteilen zu ermitteln. Für eine Versuchsreihe ist zudem die Beziehung zwischen dem Reibungswinkel j und dem Bruchflächenanteil bestimmt worden. Alle vier für die Überprüfung des Einflusses der Bruchflächen auf die Festigkeit von Korngemischen durchgeführten Versuchsreihen führen zu vergleichbaren ähnlichen Ergebnissen. Dreiaxialversuche wie auch CBR-Versuche zeigen mit zunehmendem Bruchflächenanteil ein Ansteigen der Druck- bzw. der Scherfestigkeit bis zu einem Maximalwert, der im Bereich des Bruchflächenanteils von 50 % bis 75 % liegt. Größere Anteile an Bruchflächen ergeben bei gleichen Versuchsbedingungen keinen Anstieg der Festigkeitswerte. Diese Aussage gilt ausschließlich für die untersuchten ungebundenen Mineralgemische bei vergleichbaren Versuchsbedingungen. Inwieweit ein Bindemittel z.B. Bitumen, diese Erkenntnisse beeinflussen könnte, ist nur durch eine ergänzende Forschungsarbeit zu beantworten.
In dem Projekt "Kornformbeurteilung mit dem optischen Partikelmessgerät Camsizer-®" sollte geprüft werden, inwieweit es möglich ist, Brech- und Natursande der Korngröße 0,063 bis 2 mm zu unterscheiden und charakteristische Kornformmerkmale zu bestimmen. Dafür wurden neben konventionellen Prüfverfahren, wie die Korngrößenverteilung und der Fließkoeffizient, Messungen mit dem optischen Messgerät "Camsizer-®" der Firma Retsch Technology durchgeführt. Mit dem Messgerät ist es möglich die Partikelverteilung als auch die Kornform von trockenen und rieselfähigen Schüttgütern festzustellen. Zur Reproduzierbarkeit der Ergebnisse ist es jedoch erforderlich die Genauigkeit des Prüfverfahrens zu überprüfen. Dafür wurden die Richtigkeit und die Präzision der Messungen überprüft. Zur Einschätzung der Richtigkeit des Messverfahrens wurden die mittlere Partikelverteilung der "Camsizer-®"-Messung und die konventionelle Sieblinie nach DIN EN 933-1 als Bezugsgröße gewählt. Es konnte an Hand von vier Sandproben eine zufriedenstellende Übereinstimmung festgestellt werden. Zur Einschätzung der Präzision des Messverfahrens wurden die Übereinstimmung der Partikelverteilung und die Formparameter der Sphärizität je Teilprobe betrachtet. Die festgestellte Übereinstimmung war groß. Daher ist die Genauigkeit des Prüfverfahrens positiv einzuschätzen. Die Hauptuntersuchungen wurden an 69 Brech- und Natursandproben durchgeführt. Als Bewertungsgrundlage wurde zunächst der Fließkoeffizient ermittelt und die Korngrößenverteilung nach DIN EN 933-1 bestimmt. Mit dem optischen Messgerät wurden vier Teilproben je Sand gemessen. Aus den Einzelwerten der Teilprobe wurden die mittlere Partikelverteilung bzw. für die Formparameter der Sphärizität, der Symmetrie oder des Breiten-/Längenverhältnisses die "kennzeichnenden Formkenngrößen" bestimmt. Die Prüfergebnisse wurden statistisch unter Beachtung von Messunsicherheiten ausgewertet. Die Partikelmessungen mit dem optischen Partikelmessgerät zeigen, dass es möglich ist, anhand von Formparametern und der Partikelgrößenverteilung, Kornformeigenschaften von feinen Gesteinskörnungen festzustellen. Es ist jedoch nicht möglich, eindeutige Unterscheidungsmerkmale zwischen Brech- und Natursand festzulegen. Da sich in der Praxis Brechsande für den Einsatz im Asphalt bewährt haben, ist für die Praxis von Interesse, bei welchen Parametern es sich um zweckmäßige Einflussgrößen handelt und wie die unterschiedlichen Formkenngrößen sich in Gemischen aus Gesteinskörnungen, Asphalten oder Betonen auswirken.
Die Prüfeinrichtung Wehner/Schulze der zweiten Generation, damit ist der Nachbau der von WEHNER und SCHULZE gebauten Berliner Maschine ab dem Jahr 2002 gemeint, wird inzwischen in einigen europäischen Ländern eingesetzt. Die Gerätebeschreibung und die Prognoseprüfung für Asphaltoberflächen sollen nun in das europäische Regelwerk übernommen werden. Ein Entwurf für die EN 12697-49 wird derzeit bearbeitet. Obwohl die Prüfeinrichtung derzeit nur von dem Prüfgerätehersteller hergestellt und vertrieben wird, ist die Festlegung von Maschinenparametern und Toleranzen bei der Beschreibung der Prüfeinrichtung nicht unproblematisch. Viele Parameter können durch die maschinenbautechnische Seite beschrieben werden, bspw. Maßtoleranzen der Bauteile, andere werden allerdings erst durch die vielfache Anwendung definiert. Als Beispiel sei die Temperaturverteilung des Wasser-Quarzmehl-Gemisches genannt: Es wurde eine maximale Temperatur definiert, die durch ein Kühlsystem kontrolliert wird. Die tatsächliche Temperaturverteilung unterhalb der maximalen Temperatur und die Toleranzen ergeben sich allerdings erst durch den Messbetrieb und die Laborbedingungen selbst. Um die bei der BASt gewonnenen Erfahrungen mit der Prüfeinrichtung Wehner/Schulze systematisch auszuwerten und festzuhalten, wurden die neben der Prüfgröße μPWS aufgezeichneten Daten ausgewertet. Es wurde zudem ein Vorschlag ausgearbeitet, der dem Bediener der Prüfeinrichtung online die Einhaltung der erforderlichen Parameter anzeigt. Hinsichtlich der Präzision und Vergleichbarkeit der Prüfergebnisse wird in den zuständigen Fachgremien diskutiert. Hintergrund ist vor allem ein teilweise unterschiedlicher Ausbaustand der Prüfeinrichtungen (wobei die Modifikationen in der Regel die Bedienbarkeit betreffen) sowie die nur eingeschränkten Möglichkeiten, die Prüfeinrichtung auf ihre Funktionstüchtigkeit zu überprüfen. Für die Überprüfung der Messeinrichtung werden regelmäßig Messungen auf einer texturierten Glasplatte durchgeführt. Für die Überprüfung der Poliereinrichtung existiert jedoch keine Prüfoberfläche. Im vorliegenden Projekt wurde daher die Möglichkeit des Einsatzes von Schleifpapieren als Kontrollmedium untersucht.
Im Rahmen dieser Arbeit werden die theoretischen Grundlagen der Adhäsion und die bisherigen Veröffentlichen über die Anwendung von thermodynamischen Messverfahren zur Untersuchung der adhäsiven Wechselwirkung zwischen Bitumen und Gestein zusammenfassend dargestellt. Die mit Hilfe des Kontaktwinkelmessverfahrens gewonnenen Ergebnisse hinsichtlich der Oberflächeneigenschaften von Bitumen- und Gesteinsoberflächen sowie die Spreiteigenschaften von Bitumen in direktem Kontakt mit Gesteinsoberflächen werden vorgestellt. Darüber hinaus werden die Eigenschaften von zur Verbesserung der Haftung verwendeten Additiven mit Hilfe dieser Methoden untersucht. Die empirische "Rolling Bottle Prüfmethode" wird derzeit als ein mögliches Verfahren zur messtechnischen Ansprache der Adhäsion diskutiert. Im Einzelnen sind folgende Ergebnisse festzuhalten: 1. Die Kontaktwinkel-Messmethode ist geeignet, um die spezifischen physikalisch-chemischen Eigenschaften von Gesteins- und Bitumenoberflächen messtechnisch zu erfassen. Nach einer geeigneten Probenpräparation ist es möglich, Informationen über die Oberflächenenergie und Polarität von Gesteinsoberflächen und von Bitumen zu gewinnen. 2. Durch Anwendung einer Hochtemperaturmesszelle kann die Benetzbarkeit von Gesteinsoberflächen durch Bitumen direkt gemessen werden. Die Messungen sollten möglichst bei einer Temperatur gleicher Viskosität (Äquiviskositätstemperatur) durchgeführt werden, um sicher zu stellen, dass das Spreitverhalten unterschiedlicher Bitumen ausschließlich auf die physikalisch-chemische Wechselwirkung mit der Gesteinsoberfläche zurückzuführen ist und nicht auf die unterschiedliche Viskosität der Bindemittel. 3. Um eine Gesteinsart hinsichtlich ihrer Oberflächeneigenschaften mit Hilfe der Kontaktwinkelmessungen charakterisieren zu können, muss eine größere Anzahl an Gesteinsproben präpariert und gemessen werden. Nur über eine repräsentative Auswahl und statistische Betrachtung lässt sich ein entsprechender Kennwert ermitteln. Diese Vorgehensweise ist umso wichtiger, je inhomogener die Gesteinsart beschaffen ist. 4. Bei den im Straßenbau verwendeten Gesteinen handelt es sich sehr häufig um Plutonite und Vulkanite. Die Untersuchungen zeigen, dass die üblicherweise im Straßenbau eingesetzten Gesteinsarten hinsichtlich ihrer thermodynamischen Oberflächeneigenschaften messbare Unterschiede aufweisen. Die niedrigste Oberflächenenergie weist Kalkstein auf und die höchste Oberflächenenergie besitzen Taunusquarzit beziehungsweise Gabbro. Generell besteht die Tendenz, dass mit steigendem Siliziumdioxidgehalt die Oberflächenenergie zunimmt. Die Unterschiede sind allerdings weniger groß als erwartet. So können die Unterschiede innerhalb derselben Gesteinsart größer sein als zwischen verschiedenen Gesteinsarten. Die in der Praxis festgestellten deutlichen Unterschiede hinsichtlich der Hafteigenschaften ähnlicher Gesteine, sind offenbar weniger thermodynamisch begründet, sondern vielmehr auf Unterschiede in der Mikrotextur der gebrochenen Gesteinsoberflächen zu-rückzuführen. 5. Der Rolling-Bottle-Test simuliert zeitraffend die schädigende Wirkung von Wasser und mechanischer Abrasion auf die Haftung des Bitumens am Gestein. Während der Beanspruchung überlagern sich somit mehrere physikalische Effekte, die die isolierte Betrachtung der adhäsiven Wechselwirkung erschweren. Die Kontaktwinkelmessmethode ist eine relativ einfache und schnelle Methode, um die adhäsiven Eigenschaften von Gesteinen und Bitumen auf thermodynamischer Grundlage zu charakterisieren. Der Vorteil des Verfahrens ist, dass ausschließlich die physikalisch-chemischen Wechselwirkungen zwischen den beiden Phasen messtechnisch erfasst werden und andere Einflussparameter die Messung nicht beeinträchtigen. Dieser Vorteil stellt allerdings auch einen Nachteil dar, da zum Beispiel Rauigkeit und Mikrotextur der Gesteinsoberflächen die Stärke der adhäsiven Wechselwirkung durchaus beeinflussen. Die Methode der Kontaktwinkelmessung ist auch auf gealterte Bitumenproben anwendbar. Generell besteht ein erheblicher Einfluss der feinen Gesteinspartikel auf die Zusammensetzung und die physikalischen Eigenschaften des Bitumens. Bei der Betrachtung der adhäsiven Wechselwirkung wird dieser Einfluss bisher nicht berücksichtigt. Es besteht somit eine Informationslücke, die durch geeignete Experimente geschlossen werden sollte.rnrn