Mineralische Restmassen aus Bautätigkeiten sowie Gesteinskörnungen aus industriellen Prozessen und der thermischen Verwertung von Siedlungsabfällen stellen deutschlandweit einen erheblichen Massenstrom dar. Im Sinne der Nachhaltigkeit ist es geboten und durch den Gesetzgeber vorgegeben (vgl. KrWG von 2012), derartige Materialien möglichst hochwertig als Baustoffe wiederzuverwenden. Besonders geeignet hierfür ist der Erdbau, in dem kontinuierlich vergleichsweise große Massen an Baustoffen benötigt werden. Grundvoraussetzung einer Verwendung ist dabei, dass die Baustoffe sowohl aus umwelt- als auch bautechnischer Sicht geeignet sind und vertragssicher und regelwerkskonform eingesetzt werden können. Bei mineralischen Sekundärbaustoffen, die bereits seit den Anfängen in den 1980er Jahren zunehmend an Bedeutung als Erdbaustoffe gewinnen, bestehen bei der erdbautechnischen Prüfung mineralischer Sekundärbaustoffe im Labor und im Feld im Zusammenhang mit einigen Prüfverfahren derzeit allerdings noch Schwierigkeiten, die im Hinblick auf ihre vertragssichere und anforderungsgerechte Anwendung dringend geklärt werden müssen. Die Schwierigkeiten und Probleme, die im Zusammenhang mit der Klassifizierung sowie der Eignungs- und Kontrollprüfung von mineralischen Sekundärbaustoffen in der Praxis auftreten, wurden zu Beginn dieses Projektes zunächst identifiziert und erörtert. Hierzu wurde eine umfangreiche Literaturrecherche sowie eine Umfrage bei am Bau Beteiligten Firmen und Institutionen durchgeführt. Die Ergebnisse dieser beiden Arbeitspakete zeigen, dass die Versuchstechnik des Erdbaus zwar grundsätzlich für mineralische Sekundärbaustoffe geeignet ist. Dennoch können vor allem bei mineralischen Sekundärbaustoffen im Zusammenhang mit Bestimmung der Proctordichte im Proctorversuch sowie der indirekten Verdichtungskontrolle mittels Plattendruckversuchen unter Verwendung der Tabellenwerte der ZTV E-StB 17 Schwierigkeiten und Probleme auftreten, die gar zum Ausschluss von Sekundärbaustoffen über den Bauvertrag führen können. Im weiteren Verlauf wurden an fünf natürlichen Baustoffen und acht mineralischen Sekundärbaustoffen umfangreiche klassifizierende Untersuchungen, Laborversuche zum Verdichtungsverhalten sowie zum Last-Verformungs-Verhalten unter eindimensionaler Kompression und dreiaxialer Scherbeanspruchung sowie Plattendruckversuche nach großtechnischer Verdichtung durchgeführt. Die klassifizierenden Untersuchungen haben gezeigt, dass zwischen natürlichen Baustoffen und Sekundärbaustoffen Unterschiede hinsichtlich ihrer granulometrischen Eigenschaften bestehen. Letztere bestehen allerdings auch zwischen verschiedenen natürlichen Baustoffen sowie zwischen unterschiedlichen mineralischen Sekundärbaustoffen. Da viele Prüfverfahren des Erdbaus auf Erfahrungen an natürlichen Baustoffen beruhen und sich mineralische Sekundärbaustoffe hinsichtlich ihrer Granulometrie häufig von natürlichen Baustoffen unterscheiden, kommt es vor allem bei mineralischen Sekundärbaustoffen zu den genannten Auffälligkeiten. Besitzen natürliche Baustoffe eine vergleichbare Granulometrie, treten die Auffälligkeiten jedoch in gleicher Weise auf. Trotz bestehender Unterschiede in den Eigenschaften der Einzelkörner zeigen die Ergebnisse der Versuche zum Last-Verformungs-Verhalten unter eindimensionaler Kompression und drei-axialer Scherbeanspruchung sowie der Plattendruckversuche nach großtechnischer Verdichtung, dass natürliche Baustoffe und mineralische Sekundärbaustoffe mit ähnlicher Kornabstufung vergleichbare erdbautechnische Eigenschaften aufweisen. Die Schwierigkeiten und Probleme im Zusammenhang mit der Klassifzierung, der Eignungsprüfung sowie der indirekten Verdichtungskontrolle mittels Plattendruckversuchen unter Verwendung der Tabellenwerte der ZTV E-StB 17 stellen somit keine Minderung der erdbautechnischen Eignung von mineralischen Sekundärbaustoffen dar. Abschließend wurden auf Basis der Versuchsergebnisse Vorschläge für die Weiterentwicklung des erdbautechnischen Regelwerkes erarbeitet. Allgemeingültige Richtwerte zur indirekten Verdichtungskontrolle mittels Plattendruckversuchen konnten dabei allerdings weder für bestimmte Materialgruppen noch für bestimmte Materialarten angegeben werden.

Der Einsatz veränderlich fester Gesteine als Erdbaustoff soll zukünftig erhöht werden. Da sich allerdings ihre bodenmechanischen Eigenschaften nach dem Lösen aus dem Gebirgsverband unter Witterungseinflüssen bereits während der Bauzeit unterschiedlich stark verändern können, ist ihr Einsatz bisweilen noch zögerlich. Systematische Untersuchungen zum Trag- und Verformungsverhalten zeigten bereits auf, dass die bodenmechanischen Eigenschaften nicht nur von ihrer Zusammensetzung und den inneren Bindungskräften, sondern auch vom Einbauzustand und dem Verwitterungszustand abhängen. Zum anderen wurde festgestellt, dass bei veränderlich festen Gesteinen das Quellvermögen sogar erst durch eine Lösung der diagenetischen Verbindungen aktiviert werden kann. Um den Einsatz veränderlich fester Gesteine oberflächennah zu ermöglichen, und das Quellpotential abschätzen zu können, wurden Quellversuche an sechs unterschiedlich stark quellfähigen Böden und Gesteinen abhängig vom Einbau- und Verwitterungszustand durchgeführt. Da ein linearer Zusammenhang zwischen Quelldruck und Quelldehnungen besteht, kann zunächst mit Hilfe des Quelldruckversuches beurteilt werden, ob überhaupt Quelldehnungsversuche erforderlich sind. Bei Bodengruppen mit einem höheren Feinkornanteil (d < 0,06 mm) > 15 M.-% sowie bei Böden, die schnell zu einem feinkörnigen Boden zerfallen können (Id2 < 60%) sollte ein Quelldruckversuch durchgeführt werden. Liegen zu diesen Grenzen der Klassifikationsparameter die maximalen Quelldrücke σ > 100 kPa, sind zusätzlich Quellhebungsversuche und eine Tonmineralanalyse zur Erfassung quellfähiger Tonminerale zu ergänzen. Zusammenfassend können veränderlich feste Gesteine grundsätzlich als Erdbaustoff eingesetzt werden. Aufgrund ihrer Verwitterungsempfindlichkeit ergeben sich höhere Anforderungen an die Erdbauprozesse. Nach dem Lösen aus dem Gebirgsverband können diese Gesteine bis zum Einbauen und Verdichten schnell zu einem gemischt- bis feinkörnigen Boden zerfallen. Dieser verwitterungsbedingte Zerfall kann zu einer Verschlechterung der bodenmechanischen Eigenschaften führen. Daher sollte eine Zwischenlagerung ohne zusätzliche Schutzmaßnahmen wegen der Erhöhung des Feinkornanteils vermieden werden. Denn je höher der Feinkornanteil eines Bodens und damit seine spezifische Oberfläche ist, desto mehr Wasser kann an die Oberfläche der zugänglichen Tonminerale angelagert werden. Um das Sackungs- und Quellpotential weiter zu reduzieren, sind beim Einbau Luftporenanteile na ≤ 6 Vol.-% anzustreben. Der Einbau veränderlich fester Gesteine sollte wegen ihrer Witterungsanfälligkeit mindestens 1 m unterhalb der Böschungsoberfläche bzw. dem Planum erfolgen. Aufgrund ihrer Heterogenität sind außerdem Probefelder zur Überprüfung der Einbau- und Verdichtungsvorgaben zwingend erforderlich.

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.

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.