Polymere in der Bodenverfestigung 

Unterschiedliche Polymere 

Im wesentlichen ist ein Polymer eine Stoff, der aus Mokromelekülen besteht. Mann unterscheidet zwischen chemisch hergestellten Polymeren und natürlichen Polymeren. Von Lebewesen erzeugte Polymere werden Biopolymere genannt. Beispiele sind hier Zucker, Stärke und unterschiedliche Bestandteile von Hölzern. Bäume werden durch das Bioploymer Lignin stabilisiert. 

BodenStabilisierung durch Polymere 

Unter Polymer-Bodenstabilisierung versteht man die Zugabe von Polymeren zur Verbesserung der physikalischen Eigenschaften von Böden, für geotechnische und bauliche Projekte besondes im Straßenbau. Schon bei sehr geringen Konzentrationen im Boden, wurden verschiedene Polymere eingesetzt, um Scherfestigekeiten und Druckfestigkeiten zu erhöhen und die spätere Wasseraufnahme zu minimieren. Eine breite Palette von Polymeren wird bereits weltweit eingesetzt.

Polymere beeinflussen hauptsächlich die Aggregation und Festigkeit von Böden durch ihre Wechselwirkung mit feinen Tonpartikeln. So können Polymermoleküle, die sich mit mehreren Tonpartikeln verbinden, die Verdichtbarkeit von bindigen Böden fördern.

Syntetische Polymere bei Bodenstabilisierungen

Synthetische Polymere ersetzen seit Ende des 20. Jahrhunderts andere chemische Bindemittel zur Bodenstabilisierung im Straßenbau. Im Vergleich zu herkömmlichen chemischen Bindemitteln können polymere Bodenadditive bei wesentlich geringeren Konzentrationen die gleiche Festigkeit erreichen - beispielsweise haben Mischungen von 0,5-1% verschiedener Biopolymere Festigkeitswerte, die denen von 10% Zementmischungen in Böden entsprechen oder diese übertreffen.

Synthetische Geopolymere auf Aluminosilikatbasis bieten viele der gleichen Bindungseigenschaften wie Portlandzement. Im Vergleich zu anderen Polymeradditiven sind viele Geopolymere recht langlebig, mit hoher mechanischer Festigkeit und thermischer Stabilität. Sie reagieren leicht mit Calciumhydroxid in Wasser, wodurch sie als zementgebundene Bindemittel wirken können. Geopolymere bieten den Vorteil, dass sie umweltfreundlicher und energieeffizienter herzustellen sind als herkömmliche chemische Zusätze und können aus Abfallprodukten wie Grubenabfällen oder Flugasche synthetisiert werden. Wenn diese Abfallprodukte mit einem alkalischen Aktivator behandelt werden, löst sich das Alumosilikat schnell auf und bildet ein Geopolymergel, das die Bodenporen beschichtet und verstärkt.

Auf Bais eines Polyacrylamids (PAM), einem gebräuchlichen synthetischen Polymerflockungsmittel (Absatzbecken im Klärwerk) ist eine Erhöhung der Korngröße in lehmreichen Böden zu beobachten. Eine Veränderung der Bodeneigenschaften wie Druckfestigkeit, Volumenstabilität, hydraulische Beständigkeit und Leitfähigkeit wird herbeigeführt. Polymere können helfen, Bodenerosionen zu verhindern, indem sie die Bodenaggregate und die Bodenstruktur verfestigen. Eine Untersuchung eines kationischen, alkalischen Polymers ergab, dass die Eigenschaften der behandelten Böden vom Plastizitätsindex des ursprünglichen Bodens abhängen, der seinen Tongehalt widerspiegelt.

Besonders ist hierbei ein wasserbasiertes Styrene Acryl Polymer für die Bodenverfestigung hervorzuheben. Eine signifikante Erhöhung der Druckfestigkeiten und eine Erhöhung des Elastizitätsmoduls ist bei bindigen Boden erzielbar. 

Neuentwickelte hochmolekulare organische Stoffe wie Polyacrylamide haben eine bindende Wirkung. Sie verkitten mit ihren langen Fadenmolekülen oder netzartigen Makromolekülen untereinander die einzelnen Bodenteilchen oder bilden selber ein Netzwerk, worin die Teilchen wie in einer Matrix stehen. Meist haben sie einen katiodischen Charakter. Zudem können sie zu flockulierten Strukturen führen. Eine mögliche Zersetzung durch Bodenbakterien und Feuchteinwirkungen können das Verbundsystem beeinträchtigen. Langzeitstudien dazu stehen aus. Ein Austrocknen der verfestigten Schicht ist dabei unabdinglich.  Leider känpfen wir in unseren Breitengraden mit überfeuchteten Böden. Trotzdem ein Verfahren mit viel Potenzial für die Zukunft. Detailierte Informationen auf Wikipedia in Englisch. 

Zementierend wirken toxische Verbindungen wie Kalziumacrylat, Anilin-Furfural und andere natürliche oder künstliche Harze, z. B. Resine aus Formaldehyden und Chromlignin. In dieser Gruppe sind auch die Phosphorsäure, sowie Natriumsilikat (Wasserglas) einzureihen, die durch Zugaben von Salzen ein zementierendes Gel bilden.

Biopolymere bei Bodenverfestigungen

Biopolymere können zunehmend synthetische Polymere für Bodenstabilisierungsprojekte ersetzen. In der Bodenbehandlung,Bodenstabilisierung und Bodenverfestigung stabilisieren Polymere durch Wechselwirkungen mit den Bodenpartikeln. Gerade bei feinkörnigen Böden wird durch eine Ionenaustausch die Ladungsdichte auf der Tonoberfläche verändert. Zusätzliche natürliche Verbindungen entstehen. Die konventionellen Bindemittel, wie Kalke und Zemente können effektiver abbinden. Da sich der Abstand der Bodenpartikel vermindert, werden Langzeitreaktionen durch latent hydraulische Bodenbestandteile gefördert.

Biopolymere bieten eine umweltfreundlichere Alternative zu herkömmlichen chemischen Zusätzen, wie z.B. herkömmlichem Zement, der bei der Herstellung große Mengen an Co₂ erzeugt und die Umwelt nachhaltig schädigt. Ziel ist es den Zementeinsatz im Bereich einer Bodenverfestigung zu minimieren. 

Sie sind umweltfreundlicher als viele andere chemische Bodenhilfsstoffe und können die gleiche Menge an Verstärkung bei deutlich geringeren Konzentrationen erreichen. Der zunehmende Einsatz von Biopolymeren könnte die mit der Zementherstellung verbundenen Kohlendioxidemissionen ausgleichen, die bis zu 1,25 Tonnen Kohlendioxid pro Tonne Zement betragen können.

Polymerbehandlungen verändern die Größe, Form und Kohäsion von Bodenaggregaten, indem sie die Wechselwirkungen zwischen Bodenpartikeln verändern. Da Polymer-Boden-Wechselwirkungen auf den Oberflächen von Bodenpartikeln auftreten, ist die Menge der Oberfläche im Boden (d.h. seine dominante Partikelgröße) von großer Bedeutung. Polymere haben nur schwache Wechselwirkungen mit den großen Sand- und Schluffpartikeln des Bodens, während sie direkt an feinere Tone binden. Obwohl Polymere hauptsächlich mit dem Tonanteil des Bodens wechselwirken, verändern sie die Eigenschaften von Sandböden nur im geringerem Maße. Die Polymerstruktur bestimmt, wie sie mit Tonpartikeln wechselwirken. Beispielsweise führen Blockcopolymere zu sehr unterschiedlichen Bodeneigenschaften als Homopolymere, ebenso wie ionische und nichtionische Polymere. Darüber hinaus führen die Mechanismen, durch die verschiedene Polymere an Tonpartikeloberflächen adsorbieren, zu unterschiedlichen Bodeneigenschaften und Reaktionen. 

Generell ist die Adsorption von Polymeren an Tonoberflächen begünstigt, da ein Polymermolekül viele Wassermoleküle verdrängt, die zuvor an das Bodenteilchen gebunden waren.

Umwelt

Schon allein aus Unweltschutzgründen ist von synthetischen Polymeren abzusehen. Synthetische Polymere sind im Regelfall unbedenklich, leider vernetzen viele Anbieter die Polmerstruktur mit umweltschädliche Vernetzer um eine schnelle Aushärtung unter Luftabschluss zu erzielen.

Fazit

Als größter Nachteil ist bei bindigen Böden der erhöhte Wasseranteil in unseren Breitengraden zu sehen. Eine optimale Verdichtung, ohne vorherige Entwässerung des überfeuchteten Bodens kann und wird bestimmt nicht gewährleistet sein können.

Preislich liegt  eine Bodenverfestigung mit syntetischen Polymeren weit über eine normale Bodenverfestigung mit Zementen. Studien von 2013 zufolge müssen 4 Liter eines Copolymers in 1 m³ Boden eingebracht werden, um vergleichbare Festigkeiten von 80 kg/m³ Zement zu erbringen. Preislich kann diese zur Verfestigung mit konventionellen hydraulischen Bindemitteln nicht konkurrieren.

Vergleiche zeigen nur die Kostenersparnis zur konventionellen Bauweise mit Mineralgemischen (0-32,0-45), zur nicht genormten Bodenverfestigung nach ZTV-Beton StB oder ZTV E-StB.

Kein Hersteller macht Angaben, wie ein nasser Boden vorab zum optimalen Proctorwassergehalt entwässert werden kann.

Auf eine Verträglichkeit von Feinweißkalken zur Entwässerung mit Polymeren wird nicht eingegangen. Zudem wäre dann der Einsatz von Polmeren keineswegs kosteneffizient.

Ein Beispiel einer veröffendlichen Eignungsprüfung mit Polymerren der Firma Adinotec mit dem Zusatzmittel Perenium DX  ergibt bei einer Verfestigung unterschiedlicher Zementanteile nur wenige nachweisbare Verbesserungen im Vergleich mit einer Bodenverfestigung mit "nur" Zement.

Auch Angaben zur Frostsicherheit, die bei F3 und F2 Böden nach TP BF-StB unabdingbar sind oder wie ein Nachweis zu erbringen ist. Druckfestigkeiten sind bei F3 Böden in der unteren Tragschicht (Frostschutzschicht FSS) nicht das Bemessungskriterium.

Ein Biopolymer mit mehrwertigen Metallsalzen bietet gewiss in Kombination mit konventionellen hydraulischen Bindemitteln eine interessante Variante in der Bodenverfestigung an, da der Mehrpreis für das Additiv, die Kosten der Bindemittelersparnis mehr als unterbietet.