Eignungsprüfungen und Erstprüfungen

Fachtechnische Stellungnahme BGM:   Bodenverfestigung

..........................................................................................................		..........		Bindemittelreduktion von mehr als 70% bei Zugabe eines Additives bei gleicher geforderter Druckfestigkeit nach 7 und 28 Tagen   Anforderung: Bodenverfestigung unter einem Fundament eines Hochregallagers mit einer geforderten Druckfestigkeit von 1,5N/mm2 gemäß bodenmechanischer Berechnung. Die detaillierte Auswertung der einaxialigen Druckversuche ergab bei Zugabe unseres Additives eine Zementreduktion von 12,25 Euro/m3, bei gleichzeitiger Verwendung des Additives von nur 2,60 Euro/m3. Dieses entspricht eine 62,5%tige Bindemittelersparnis bei dem zu verfestigten Boden schon nach 7 Tagen. Nach 28 Tagen wird eine Einsparung von mehr als 70% des Bindemittels erzielt. Bei einer Bodenverfestigung von nur 2800m3 ergibt sich eine Gesamtersparnis von ca. 25.000 Euro zur konventionellen Bodenverfestigung "mit nur Zement" für den Auftragnehmer oder den Auftraggeber.
7 Tage Druckfestigkeit		28 Tage Druckfestigkeit		Eine nicht zu vernachlässigende Größe zur Auftragsvergabe auch für ihr Unternehmen.

 

 

Technische Universität Darmstadt - Institut für Angewandte Geowissenschaften - Fachgebiet Angewandte Geothermie :

 

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Bestimmung der Druckfestigkeiten bei unterschiedlichen Wassergehalten mit Additiv, Prüfinstitut RAB-Stra Urbanski & Versmold:

  

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Bestimmung der Druckfestigkeiten mit 4% Zement und 2% mit Additiv, Geotechnisches Ing.-büro Dipl.-Ing. A. Pampel GmbH,

Ergebnis: 70% Zementabminderung bei gleicher Druckfestigkeit

  

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Eignungsprüfungen bei Bodenbehandlungen

Bodenbehandlungen sind Bodenverbesserungen, qualifizierte Bodenverbesserungen (Bodenverbesserung mit erhöhten Anforderungen) und Bodenverfestigungen mit Bindemittel und werden im Erdbau und im Straßenoberbau eingesetzt. Für Bodenbehandlungen werden genormte Bindemittel sowie Mischbindemittel gemäß Merkblatt zur Herstellung und Anwendung von Mischbindemitteln verwendet. Bodenbehandlungen mit Bindemittel sind wirtschaftliche Verfahren und ermöglichen die Wiederverwendung der ansonsten schlecht geeigneten, ausgehobenen Böden und schonen wertvolle Rohstoffressourcen, wie zum Beispiel Kiese und Schotter. Die Anforderungen für Bodenbehandlungen sowie der Einsatzort mit den Schichten im Oberbau sind in den Zusätzliche Technische Vertragsbedingungen und Richtlinien für Erdarbeiten im Straßenbau (ZTV E-StB) und Zusätzliche Technische Vertragsbedingungen und Richtlinien für den Bau von Tragschichten mit hydraulischen Bindemitteln und Fahrbahndecken aus Beton (ZTV Beton-StB) sowie den Richtlinien für die Standardisierung des Oberbaus von Verkehrsflächen (RStO) festgelegt. Für Bodenbehandlungen mit Bindemittel müssen Eignungsprüfungen durchgeführt werden. für Bodenverbesserungen und qualifizierte Bodenverbesserungen ist die Eignung gemäß Technische Prüfvorschriften für Boden und Fels im Straßenbau (TP BF-StB), Teil B 11.3 "Eignungsprüfungen für Bodenverbesserungen" nachzuweisen. Für Bodenverfestigungen im Erdbau ist eine Eignungsprüfung gemäß TP BF-StB, Teil B 11.1 durchzuführen und für Tragschichten mit hydraulischen Bindemitteln im Straßenoberbau ist die Eignung gemäß Technische Prüfvorschriften für Tragschichten mit hydraulischen Bindemitteln und Fahrbahndecken aus Beton (TP Beton-StB) zu untersuchen. Die Prüfvorschriften TP BF-StB, Teil B 11.1 und TP BF-StB, Teil B 11.3 enthalten Vorgaben und Arbeitsanweisungen für die Untersuchungen des Bodens, des Boden-Bindemittel-Gemischs und der für den jeweiligen Handlungszweck erforderlichen Festigkeits- und Frostprüfungen. In den neuen Prüfvorschriften sind Handlungsempfehlungen für Bodenbehandlungen mit hydraulischen Bindemitteln, Baukalken und Mischbindemitteln aufgestellt. Sie ersetzen die Teile B 11.1 "Eignungsprüfungen für Bodenverfestigung mit hydraulischen Bindemitteln" und B 11.5 "Eignungsprüfung bei Bodenverbesserung und Bodenverfestigung mit Feinkalk und Kalkhydrat". Im neuen Teil B 11.3 sind neben den Verdichtungsprüfungen auch Festigkeitsprüfungen zum Nachweis der erforderlichen Tragfähigkeit auf dem Erdplanum oder bei Hinterfuellungen von Widerlagern mit gemischtkörnigen und feinkörnigen Böden aufgeführt. (A)

Herstellung von Probekörpern, Reaktionszeiten und Wasserabsorbtion der Bindemittel

Eine Verlängerung der Reaktionszeit (Zeitdauer zwischen Einmischen des Bindemittels und der Verdichtung) hat einen starken Einfluss auf die Proctordichten, den optimalen Proctor Wassergehalt und die Festigkeiten. Die Proctordichte wird bei allen Bindemitteln verringert, der opt. Wassergehalt wird erhöht. Gleichzeitig wird durch die Verlängerung der Reaktionszeit auch die Festigkeit des Boden-Bindemittel-Gemisches herabgesetzt. Deutliche Verringerungen der Festigkeiten treten bei verlängerten Reaktionszeiten beim Zement auf. Hier sollte die Reaktionszeit für die Bodenverfestigung von einer Stunde gemäß TP BF-St13, Teil B 11.1 auch für die Bodenverbesserung eingehalten werden. In diesem Fall wird die höchste Tragfähigkeit erreicht und das Boden-Bindemittel-Gemisch weist die geringste Empfindlichkeit gegen Wasserlagerung auf.

Leider wird bei der Herstellung der Probekörper immer noch vereinfacht mit meheren Prozenten über den optimalen Proctor Wassergehalt labortechnisch gearbeitet, ungeachtet der Menge und Art der Bindemittel. Dieses führt zwangsweise bei einer Bodenverfestigung zu einer Verminderung der Druckfestigkeiten und zu einer Herabsetzung des Frostwiderstandes bei bindigen Bodenarten, besonders wenn zusätzliches Wasser durch Additive abgespalten wird. Wir wiesen darauf hin unsere Prognoserechnung für die Wasserabsorption der unterschiedlichen Bindemitteanteilel zu beachten und danach die Proctordichte mit dem dazugehörigem optimalen Wassergehalt zu ermitteln.

 

Beispiel einer Eignungsprüfung für Bodenverfestigungen zur erlanung der Frostsicherheit bei F3 Böden

Hinweis: Die Prüfergebnisse beziehen sich ausschließlich auf die genannten Prüfgegenstände. Dieser Bericht darf nur vollständig weitergegeben werden.

1. Vorgang

Es sollten Laborversuche für eine Verfestigung von bindigem Boden mit Verwendung des Zusatzmittels TERRASOLID® durchgeführt werden. Die Prüfungen wurden in Anlehnung an die TP BF-StB, Teil B 11.1 durchgeführt.

2. Probenentnahme

2.1 Boden

Bei dem zu verfestigenden Boden handelt es sich um einen Lößlehm in Niedersachsen. Die Probe wurde aus einer zu planenden Baumaßnahme aus dem Planumsbereich in einer Tiefe von 30 cm entnommen. Die Probenahme erfolgte nach TP BF-StB A-2.

2.2 Bindemittel Zement

Es kommt ein CEM I 42,5 N zur Anwendung. Es handelt sich um einen überwachten Normenzement nach EN 197-1. Hersteller ist die Firma Heidelbergzement Deutschland.

Normdruckfestigkeit des Bindemittels

Die Normdruckfestigkeiten wurden durch den Bindemittelhersteller angegeben.

Druckfestigkeit nach 2 Tagen im Mittel:               14,9 N/mm²               Soll: > 10 N/mm²

Druckfestigkeit nach 28 Tagen im Mittel:             48,2 N/mm²          Soll: > 42,5 N/mm²

3. Bodenuntersuchungen

3.1 Korngrößenverteilung Mineralstoffgemisch

Prüfverfahren: DIN 18123 Korngrößenverteilung durch Kombinierte Sieb- und Schlämmanalyse.

Bei Korngrößenanteil <=0,06 mm von 86 % > 40 %, ist der untersuchte Boden in der Hauptgruppe „Feinkörnige Böden“ ab Zeile 15 aufsteigend der DIN 18196, in die Frostempfindlichkeitsklasse nach ZTV E-StB zu F3 ( sehr frostempfindlich) einzuordnen.

3.2 Korngrößenverteilung Mineralstoffgemisch

Prüfverfahren: DIN 18121-1 „Wassergehalt durch Ofentrocknung“

natürlicher Wassergehalt: 15,27%

3.3 Zustandsgrenzen

Prüfverfahren: DIN 18122-2 „Konsistenzgrenzen“

Wassergehalt                                      W   =      (1104-873) /873  = 26,46 %

Fließgrenze nach Casagrande                              W_L  =       (29*(21/25,0^0,121) = 28,39 %  

Ausrollgrenze                                                         W_P  =      25,80%

Plastizitätszahl                                                      I_P      =    Wl-Wp  =  8,4% - 25,8% =  2,6 %

Plastizitätszahl                                                      I_P      =    Wl-Wp  =  8,4% - 25,8% =  2,6 % 

Konsistenzzahl                                                      I_C     =   (31,2-26,46)/5,4 = 0,87 (steif)

Gemäß Plastizitätsdiagramm nach DIN 18196 handelt es sich um einen Boden, der sich in der Gruppe UL befindet (leicht plastische Schluffe), unterhalb der A-Linie.

3.4 Mischungsverhältnisse des Additives

Probekörper mit Zusatzstoff:

Die Zugabe des Additives erfolgte im Verhältnis zum optimalen Proctorwassergehalt des unbehandelten Ausgangsbodens mit 1:175. Vorab wurde der Boden labortechnisch auf 5,0%Wassergehalt getrocknet.

Probenmenge: 12,480kg

Proctordichte 100% D_pr= 1,79 Mg/m³, optimaler Wassergehalt = 15,1 %, Ausgangswassergehalt = 5,0 %

Probenmenge bei 0% Wassergehalt = (12,480-(12,480*5,0 %) = 11,856 kg

Erforderliches Zugabewasser = (14,4 %-5,0 %)*11,856 = 1,114 Liter

Erforderliches Additiv in Zugabewasser= 15,1%*11,856/175*1000=10,23 ml

Einbringung je m³ verfestigtes Erdreich unabhängig des Ausgangswassergehaltes:

Menge des Additives: 1,79*15,1 %/175*1000 = 1,54 l/m³

Probekörper ohne Zusatzstoff:

Probenmenge: 12,503kg

Proctordichte 100% D_pr= 1,79 Mg/m³, optimaler Wassergehalt = 15,1 %, Ausgangswassergehalt = 5,0 %

Probenmenge bei 0% Wassergehalt = (12,503-(12,503*5,0 %) = 11,877 kg

Erforderliches Zugabewasser = (15,1 %-5,0 %)*11,877 = 1,201 Liter

3.5 Proctorversuche

Prüfverfahren: DIN 18127-100 „Baugrund, Untersuchung von Bodenproben - Proctorversuch“

            Proctorkurve ohne Additiv                                    Proctorkurve mit Additiv 1:175

Proctordichte 100% D_pr             = 1,79Mg/m³                        Proctordichte 100% D_pr     = 1,83Mg/m³

optimaler Wassergehalt             = 15,1%                               optimaler Wassergehalt     = 14,4%

Beobachtung: Eine Verschiebung der Proctorkurve zum trockenen Bereich, bei gleichzeitiger Erhöhung der Proctordichte erfolgte durch Zugabe des Zusatzmittels.

3.6 Wasserabsorption durch Bindemittelzugabecht (Vereinfachung, nicht nach RAB-Stra)

Nach einschlägiger Literatur der Bindemittelhersteller ist das Wasserabsorptionverhalten von Bindemitteln wie folgt definiert:

Zemente:                      Gewichtsanteil der theoretischen trockenen Probe * % Anteil des Zementes * 0,3

Feinweißkalke:            Gewichtsanteil der theoretischen trockenen Probe * % Anteil des Feinweißkalkes * 2,2

Grundsätzlich werden bei Bodenverfestigungen der Anteil der Bindemittel in kg/m3 als Verfestigung nach TP BF-StB Teil B 11.1 angegeben, wobei hier eine Umrechnung zu erfolgen hat.

Hier 3,75% Zementanteil in Probekörper: 11,856 kg *3,75 % *0,3 = 0,133 Liter Wasser die zusätzlich hinzugegeben werden müssen.

Bei 7,00% Zementanteil in Probekörper: 11,856 kg *7,00 % *0,3 = 0,249 Liter Wasser die zusätzlich hinzugegeben werden müssen.

Analog die Bindemittelmenge in Kg/m³:

Z _erf.BBM  = (1,78*3,75/100)/((1+(3,75/100)))*1000 = 65 kg/m³ entsprechend 3,75% Zementanteil

3.7 Organische Bestandteile

Prüfverfahren: TP BF StB Teil B 10.1, Farbe der Prüfflüssigkeit im Vergleich zur Referenzflüssigkeit

NaOH-Test:   hell braun

Soll:               heller

Das Ergebnis gibt Verdacht auf das Vorhandensein von schädlichen Humin- oder Fulvosäuren im Boden, die das Abbinden von hydraulischen verzögern. Auf eine qualitative Bestimmung der ausglühbaren Bestandteile wurde hier verzichtet.  

4. Boden-Bindemittelgemische

4.1 Herstellung der Probekörper

Nach ZTV E-StB wurden je 3 zylindrische Probekörper mit einem Durchmesser von 100 mm und einer Höhe von 120+1 mm gemäß TP BF-StB hergestellt. Der Boden wurde zuvor auf 5,0 % Wassergehalt getrocknet und für die Prüfungen nach 3.6 (Wasserabsorption durch Bindemittelzugabe) mit unterschiedlichen Proctordichten/ Proctorwassergehalten nach 3.5, auf den jeweiligen optimalen Proctorwassergehalt eingestellt.

Die Zugabe des Zusatzmittels erfolgte im Verhältnis ((1,114+0,133))/10,23 entsprechend 1:122 mit dem Zugabewasser bei den Proben mit dem Bodenverbesserungsmittel bei einen Zementanteil von 65kg/m³, gesamt mit 1,247 Liter Zugabewasser.

Die Vergleichsprobe ohne Zusatzstoffe wurde mit gleichem Zementgehalt von 65kg/m3 und 1,200+0,122 gleich 1,322 Liter Zugabewasser gemischt.

Bei der Vergleichsprobe ohne Zusatzstoffe und einem Zementgehalt von 7,0% sind 1,200 + 0,249 gleich 1,449 Liter Zugabewasser erforderlich.

4.2 Ergebnisse Frost-Tauwechselbeanspruchung

Die Probekörper wurden 28 Tage nach Herstellung 12 Frost-Tau-Wechseln nach TP BF-StB 11.1 unterzogen. Folgende Hebungen wurden am Ende an den Probekörper ermittelt:

Probekörper mit Bindemittel CEM I 42,5 N

Die maximale zulässige Hebung nach 12 Frost-Tau-Wechseln beträgt <1,0 ‰ der Höhe des Probekörpers.

5. Beurteilung

Bei der Vergleichsprobe mit gleichem Zementgehalten ohne Bodenverbesserungmittel ist eine Beurteilung nicht möglich, Probekörper sind zerfallen. Die zweite Vergleichsprobe mit 7% Zement hat ein ähnliches Frost-Tauwechselverhalten wie die 3,75% Zementprobe mit dem Bodenverbesserungsmittel. Analog können mit dem Bodenverbesserungsmittel in diesem Fall bis zu 45% Zementanteile entfallen.

Die Probe mit dem Bodenverbesserungsmittel mit 3,75% Zement, entsprechend 65 kg/m3, wie auch die Vergleichsprobe mit 7,0% Zementanteilen ermöglichen nach RStO 12, Abs. 3.2.1, die Ausführung einer frostsicheren Bodenverfestigung nach ZTV E-StB, die bis  20 cm auf die Dicke des frostsicheren Oberbaus anrechenbar ist. Bei einer Ausführung von einer Stärke von 25 cm sind die Kriterien einer qualifizierten Bodenverbesserung erfüllt. Die Herstellung eines Planums ist in Baumischverfahren nicht erforderlich.

Zudem kann bei Ausführung einer qualifizierten Bodenverbesserung für die Bestimmung der Mindestdicke des frostsicheren Oberbau eine Frostsempfindlichkeitsklasse F2 statt F3 angesetzt werden, wenn die Anforderung der ZTV E-StB 17, Abs. 12.4.3.1, an die einaxiale Druckfestigkeit und den Druckfestigkeitsabfall nach Wasserlagerung für eine qualifizierte Bodenverbesserung erfüllt wird.