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Die Erfindung betrifft ein Bodenverfestigungsmittel zur Verfestigung eines Erdreiches vor dem Auftrag einer befahrbaren Deckschicht und ein Verfahren zur Herstellung eines befahrbaren Straßenabschnitts.
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Ein Straßenkörper eines Straßenabschnitts ist in der Regel mehrschichtig aufgebaut. Dabei wird als Fahrbahndecke beziehungsweise Deckschicht der obere Teil des Straßenoberbaus bezeichnet. Dieser ist Teil des Oberbaus des Straßenaufbaus, der direkt auf dem zuvor angelegten Unterbau oder auf dem gewachsenen Untergrund aufgebracht wird. Zwischen dem Unterbau und dem Oberbau befindet sich das Planum. Mit Planum ist eine Bodenschicht gemeint, die hinsichtlich der Ebenheit oder Neigung zuvor bearbeitet wurde. Unterhalb der Deckschicht liegen eine oder mehrere Tragschichten.
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Die Dicke, Beschaffenheit und Zusammensetzung der Deckschicht ist abhängig von der zu erwartenden Verkehrsbelastung des Straßenkörpers auszulegen. Als Deckschichten kommen Asphaltdeckschichten oder Betondeckschichten zur Anwendung. Außerdem gibt es Tragschichten ohne Bindemittel und mit Bindemitteln. Dabei bestehen ungebundene Tragschichten aus Sand, Kies oder Schotter, dessen Verdichtung und Verfestigung mechanisch durch Walzen oder Rütteln erfolgt. Bei gebundenen Tragschichten, auch Asphalt- oder Betonbinderschicht genannt, wird zusätzlich zum Tragschichtmaterial Bindemittel zugesetzt, wobei als Bindemittel Kalk oder Zement genutzt werden. Unterhalb der Asphalt- oder Betonbinderschicht ist die Asphalt- oder Betontragschicht gebildet, die auf einer Schottertragschicht angeordnet ist. Die unterste Tragschicht der Oberschicht des Straßenkörpers ist in der Regel durch eine Frostschutzschicht ausgebildet.
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Alternativ zur ungebundenen Schottertragschicht ist eine sogenannte hydraulisch gebundene Tragschicht einsetzbar. Hydraulisch gebundene Tragschichten sind eine standardisierte Bauweise des Straßenbaus. Sie gehören zum Oberbau einer Straße und dienen dazu, die Lasten der Straßendecke in den Untergrund abzuleiten. Die hydraulisch gebundene Tragschicht besteht aus natürlichen oder künstlichen Mineralstoffen wie Splitt, Kies oder Sand besteht. Als Bindemittel dient Zement. Die Zusammensetzung der hydraulisch gebundenen Tragschichten ist durch eine Eignungsprüfung zu bestimmen. Der Bindemittelgehalt ist so zu wählen, dass die mittlere Druckfestigkeit in der Eignungsprüfung nach 28 Tagen für hydraulisch gebundenen Tragschichten unter Asphaltschichten einen Wert zwischen 7 MN/m2 und 12 MN/m2 aufweist und für hydraulisch gebundenen Tragschicht unter Fahrbahndecken aus Beton mindestens 15 MN/m2 beträgt.
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Der Straßenbau eines aus der oben beschrieben Vielzahl von Tragschichten bestehenden Straßenkörpers ist verfahrenstechnisch sehr aufwendig. Auch findet durch die Verschiedenartigkeit der Tragschichten die Materialbereitstellung unter einem großen Logistikaufwand statt. Insgesamt ist bei dem konventionellen Straßenbau ein großer Zeitaufwand für die Herstellung des Straßenkörpers notwendig, was auch mit einem großen finanziellen Aufwand verbunden ist. Des Weiteren sind für die Herstellung teure Zusatzstoffe wie Sand, Kies, Schotter, Splitt, Asphalt und Bitumen notwendig.
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Als Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird es angesehen, eine zeitsparende und kostengünstige Möglichkeit zur Herstellung und Errichtung eines befahrbaren Straßenkörpers bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Bodenverfestigungsmittel als Emulsion ausgebildet ist, welche aus mit Wasser gemischten Paraffinwachsen und Ölsäuren besteht, wobei die Emulsion durch Erhitzen und Abkühlen hergestellt ist. Das erfindungsgemäße Bodenverfestigungsmittel wird zur Verfestigung des Erdreichs eingesetzt, um auf das verfestigte Erdreich eine befahrbare Deckschickt als Teil eines befahrbaren Straßenkörpers aufzubringen. Vorteilhafterweise kann die befahrbare Deckschickt ohne zusätzliche und im konventionellen Straßenbau verwendete Untergrundbefestigungsschichten, wie eine Tragschicht, Frostschutzschicht, unmittelbar auf das mit dem erfindungsgemäßen Bodenverfestigungsmittel verfestigte Erdreich aufgebracht werden. Aus diesem Grund kann der Einsatz teurer Baustoffe, wie beispielsweise Sand, Kies, Schotter und Splitt eingespart werden. Somit kann der befahrbare Straßenkörper in einer kurzen Zeitdauer und kostengünstig hergestellt werden.
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Vorteilhafterweise besteht das erfindungsgemäße Bodenverfestigungsmittel aus umwelttechnisch unbedenklichen Paraffinwachsen und Ölsäuren. Nach Verfestigung des mit dem erfindungsgemäßen Bodenverfestigungsmittel behandelten Erdreichs ist eine wasserundurchlässige und hydrophoben und damit frostsichere Untergrundbefestigungsschicht herstellbar.
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Dadurch, dass das erfindungsgemäße Bodenverfestigungsmittel aus einer Emulsion aus Paraffinwachsen, Ölsäuren und Wasser gebildet ist und somit flüssig vorliegt, kann dieses besonders einfach auf einen ebenen Untergrund aufgebracht werden. Bei dem erfindungsgemäßen Bodenverfestigungsmittel handelt es sich um eine aus organischen Bestandteilen zusammengesetzte Emulsion mit hydrophobischen Eigenschaften. Durch die wasserabweisenden Eigenschaften ist das das Bodenverfestigungsmittel aufweisende Erdreich beständig gegen Frost oder Hitze. Durch die umweltverträglichen Eigenschaften des Bodenverfestigungsmittels kann eine das Bodenverfestigungsmittel aufweisende befahrbare Deckschicht beziehungsweise der Fahrbahnkörper nach dem Gebrauch zur Renaturierung abgetragen und zerkleinert werden und mit dem Erdreich vermengt werden. Zur Renaturierung kann dieses dort verbleiben und beispielsweise wieder bepflanzt werden. Um die Bestandteile des erfindungsgemäßen Bodenverfestigungsmittel in einfacher Weise zu verflüssigen, werden die Paraffinwachse innerhalb des Schmelzbereiches der Paraffinwachse geschmolzen und dadurch verflüssigt und die Ölsäuren und das Wasser hinzugefügt.
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In einer vorteilhaften Umsetzung des Erfindungsgedankens ist vorgesehen, dass als Paraffinwachse Esterwachse oder Hartparaffine eingesetzt sind. Derartige Wachse sind erst bei höheren Temperaturen schmelzbar und verflüssigbar.
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Die eingangs gestellte Aufgabe wird auch durch ein Verfahren zur Untergrundbefestigung gelöst, wobei in einem Auftragschritt das beschriebene Bodenverfestigungsmittel unter Beimischung von Wasser auf ein in einem Vorbereitungsschritt vorbereitetes Erdreich aufgebracht wird, wobei in einem sich anschließenden Vermengungsschritt das Bodenverfestigungsmittel mit dem Erdreich bis zu einer vorgebbaren Mindesttiefe vermengt wird und ein vorbehandeltes Erdreich entsteht und in einem sich anschließenden Verteilungsschritt ein Bindemittel auf dem vorbereiteten Erdreich verteilt wird, wobei in einem Untermischungsschritt das Bindemittel mit dem vorbehandelten Erdreich vermengt wird und in einem anschließenden Verdichtungsschritt verdichtet wird.
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Durch das beschriebene erfindungsgemäße Verfahren ist eine zeit-, material- und kostensparende Herstellung des Straßenkörpers möglich, da die Herstellung der preisintensiven Untergrundbefestigungsschichten des Straßenkörpers eingespart werden können. Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist vorhandenes Erdreich zu einem belastbaren und zum Auftrag der befahrbaren Deckschicht für den Straßenbau geeigneter befestigter Untergrund herstellbar.
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Um das Bodenverfestigungsmittel in dem Vermengungsschritt besonders gleichmäßig in das Erdreich einarbeiten und mit diesem vermengen zu können, ist in einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass in dem Vorbereitungsschritt das Erdreich vorgelockert wird. In besonders vorteilhafterweise werden in dem Vorbereitungsschritt das Erdreich von größeren Fremdkörpern oder größeren Gesteinsbrocke befreit, so dass eine besonders homogene Vermengung des Bodenverfestigungsmittels und dem Erdreich möglich ist.
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Erfindungsgemäß kann es vorgesehen sein, dass in dem Vorbereitungsschritt die Vorlockerung des Erdreichs bis zu einer Mindesttiefe im Bereich von 30 cm bis 80 cm erfolgt. Die Auflockerung des Erdreichs bis zu dieser Mindesttiefe ist mit konventionellen landwirtschaftlichen Maschinen und landwirtschaftlichen Werkzeugen durchführbar. Dadurch kann auf den Einsatz von Spezialmaschinen verzichtet werden, sodass das erfindungsgemäße Verfahren besonders kostengünstig durchführbar ist.
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Durch die Vorbereitung des Erdreichs in dem Vorbereitungsschritt ist eine besonders tragfähige Untergrundbefestigungsschicht zum Auftrag der befahrbaren Deckschicht herstellbar, bei der außerdem größere Gesteinsbrocken nicht aus dem vorbehandelten Erdreich heraussteht. Dadurch ist eine besonders dünne befahrbare Deckschicht in einer Dicke im Bereich von 4 cm bis 8 cm herstellbar, wodurch der Fahrbahnkörper materialsparend herstellbar ist.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass in dem Vorbereitungsschritt eine Humusschicht des Erdreichs abgetragen wird. Vorteilhafterweise wird die Humusschicht nicht in dem Vermengungsschritt mit dem Bodenverfestigungsmittel und dem Erdreich vermengt. Der Erdboden der abgetragenen Humusschicht kann an anderer Stelle wiederverwendet werden. Alternativ kann der Erdboden der abgetragenen Humusschicht zur Renaturierung der abgetragenen befahrbaren Deckschicht genutzt werden.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Erfindungsgedankens ist vorgesehen, dass in dem Vorbereitungsschritt eine bestehende Deckschicht in einem Einfrässchritt aufgebrochen und mit dem darunterliegenden Erdreich vermengt wird. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren sind bestehende Straßenkörper mit einer aus Teer oder Asphalt bestehende Deckschicht bis zu einer Dicke von 12 cm in das bestehende Erdreich aufbrechbar und einarbeitbar. Die aufgebrochene bestehende Deckschicht kann somit mit dem Bodenverfestigungsmittel und mit dem Erdreich vermengt und gebunden werden. Durch die hydrophoben Eigenschaften des mit dem Bodenverfestigungsmittel behandelten Erdreich wird eine Auswaschung von Bestandteilen des behandelten Erdreichs unterbunden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann aufgrund der hydrophoben Eigenschaften des mit dem Bodenverfestigungsmittel behandelten Erdreichs vorteilhafterweise auch zur Bindung von umweltbelastetem Erdreich genutzt werden. Eine Auswaschung des innerhalb des behandelten Erdreichs gebundenen umweltbelasteten Erdreich wird unterbunden.
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Auch ist es mit dem erfindungsgemäßen Verfahren denkbar, dass ein Erdaushub eines umweltbelasteten Erdreichs erfolgt und der Erdaushub kurzzeitig am Ort des Erdaushubs zwischengelagert wird. Das Erdreich unterhalb des Erdaushubs wird mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und mit dem erfindungsgemäßen Bodenverfestigungsmittel bearbeitet und behandelt. Somit wird das Erdreich unterhalb des Erdaushubs wasserundurchlässig und frostsicher vorbereitet. Das umweltbelastete Erdreich des Erdaushubes wird anschließend, nach Auslüftung und Aushärtung des behandelten Erdreichs wieder eingebracht. Somit entfällt ein Transport, eine Entsorgung beziehungsweise eine Deponierung des umweltbelasteten Erdreichs. Und eine Auswaschung des auf die behandelte Fläche wieder eingebrachten umweltbelasteten Erdreichs ist verhinderbar. Es ist aber auch denkbar, dass der wieder eingebrachte Erdaushub ebenfalls mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bearbeitet, sodass eine Auswaschung des umweltbelasteten Erdreichs besonders gut vermieden werden kann. Durch den Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens ist der Ausstoß von Kohlenstoffdioxid durch die Einsparung von Transportvorgängen, durch die Anwendung energiearmer Bodenbearbeitungsvorgängen reduzierbar, sodass die Herstellung von Straßenkörper umweltschonend durchführbar ist.
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In einer vorteilhaften Umsetzung des Erfindungsgedankens ist vorgesehen, dass in dem Einfrässchritt das Erdreich mindestens in einer Einfrästiefe von 0,4 Meter aufgebrochen wird. Damit ist sichergestellt, dass die bestehende befahrbare Deckschicht oder das umweltbelastete Erdreich zur Behandlung mit dem erfindungsgemäßen Bodenverfestigungsmittel und dem erfindungsgemäßen Verfahren vollständig und gleichmäßig mit dem erfindungsgemäßen Bodenverfestigungsmittel vermengt und gebunden werden kann. Somit ist eine besonders sichere und gegenüber Auswaschen gesicherte Bindung des bestehenden Erdreichs oder des umweltbelasteten Erdreichs innerhalb des vorbehandelten Erdreichs möglich.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass in einem sich dem Verdichtungsschritt anschließenden Entlüftungsvorgang das verdichtete Erdreich entlüftet und getrocknet wird und nach dem Entlüftungsvorgang die befahrbare Deckschicht aus Bitumen und/oder Beton aufgebracht wird. Durch die Entlüftung und Trocknung erhält das vorbehandelte Erdreich die hohe Tragfähigkeit.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass für den Entlüftungsvorgang eine Zeitspanne von vorteilhafterweise mindestens drei Tagen angewendet wird und besonders vorteilhafterweise von mindestens achtundzwanzig Tagen angewendet wird. Nach dem Belüftungsvorgang mit einer dreitätigen Zeitspanne sind Tragfähigkeiten der befahrbaren Deckschicht von über 120 MN/m2 erreichbar, sodass die Deckschicht bereits befahrbar oder überbaubar ist. Nach dem Belüftungsvorgang mit einer 28-tägigen Zeitspanne sind Tragfähigkeiten von größer als 300 MN/m2 erreichbar.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Erfindungsgedankens ist vorgesehen, dass als befahrbare Deckschicht Asphalt in einer Schichtstärke von 4 cm bis 8 cm aufgetragen wird. Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann eine befahrbare Deckschicht erzeugt werden, durch welche die auf die befahrbare Deckschicht wirkende Last über die gesamte Fläche des vorbehandelten und verfestigten Erdreichs erfolgen kann.
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In einer vorteilhaften Umsetzung des Erfindungsgedankens ist vorgesehen, dass 0,825 Liter des Bodenverfestigungsmittel pro Kubikmeter des vorbereiteten Erdreichs verwendet werden, wobei dem vorbereiteten Erdreich 2 % bis 4 % des Bindemittels hinzugeführt werden.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Wassergehalt des Bodenverfestigungsmittels auf das jeweils zu behandelnde Erdreich abgestimmt wird. Hierzu wird der Wassergehalt des als Emulsion vorliegenden Bodenverfestigungsmittels entsprechend angepasst. Vorteilhafterweise wird das Bodenverfestigungsmittel direkt vor Ort beispielsweise innerhalb eines Tankfahrzeugs oder eines Betonmischerfahrzeugs zubereitet. Auch ist der Einsatz eines Sprühwerkzeugs zum Auftragen des erfindungsgemäßen Bodenverfestigungsmittel auf das in dem Vorbereitungsschritt vorbehandelte Erdreich denkbar.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass das in dem Untermischungsschritt mit dem vorbehandelten Erdreich untergemischte Bindemittel 2 % bis 4 % des Erdreichs entspricht.
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In Abhängigkeit der Beschaffenheit des vorliegenden Erdreichs ist in einer vorteilhaften Ausgestaltung des Erfindungsgedankens vorgesehen, dass als Bindemittel Kalk oder Zement verwendet wird. Bei Vorliegen eines feuchten oder nassen Erdreichs mit einem hohen Wassergehalt wird als Bindemittel Kalk verwendet und bei Vorliegen eines trockenen Erdreichs mit geringem Wassergehalt wird bevorzugt Zement als Bindemittel verwendet.
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Die eingangs gestellte Aufgabe wird auch durch einen Fahrbahnkörper gelöst, wobei die befahrbare Deckschicht auf einem Unterbau aufgesetzt ist, der mit dem beschriebenen Verfahren und mit dem beschriebenen Bodenverfestigungsmittel hergestellt ist.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung werden anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Fahrbahnkörpers in einem Querschnitt,
- 2 eine schematische Darstellung eines konventionell hergestellten Fahrbahnkörpers und
- 3 ein Ablaufdiagramm zur Veranschaulichung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Der in 1 schematisch dargestellte Fahrbahnkörper weist ein ursprüngliches und unbehandeltes Erdreich 1 auf. Darüber ist eine mit dem erfindungsgemäßen Bodenverfestigungsmittel behandelte und unter Zugabe eines Bindemittels verfestigte und verdichtetes Erdreich 2. Auf dieser Schicht ist eine befahrbare Deckschicht 3 aus Asphalt oder Beton aufgebracht.
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Der in 2 schematisch dargestellter Fahrbahnkörper stellt einen im konventionellen Straßenbau hergestellten Fahrbahnkörper dar. Auf dem ursprünglichen und unbehandelten Erdreich 1 ist eine Untergrundbefestigungsschicht 4 aufgetragen. Auf der Untergrundbefestigungsschicht 4 ist eine Frostschutzschicht 5 aufgetragen. Auf der Frostschutzschicht 5 ist eine Tragschicht 6 aufgetragen, auf der die befahrbare Deckschicht 3 aus Asphalt oder Beton aufgetragen ist.
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In 3 ist ein Ablaufdiagramm zur Visualisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt. In einem Vorbereitungsschritt 7 wird Erdreich aufgelockert und vorbereitet. Dabei werden Gesteinsbrocken oder Wurzeln aus dem Erdreich entfernt. In einem sich anschließenden Auftragschritt 8 wird das Bodenverfestigungsmittel unter Beimischung von Wasser auf das vorbereitete Erdreich aufgebracht. Die Menge an zusätzlichem Wasser wird in Abhängigkeit des vorhandenen ursprünglichen Erdreichs 1 festgelegt und dem Bodenverfestigungsmittel beigemischt. In einem sich anschließenden Vermengungsschritt 9 wird das Bodenverfestigungsmittel mit dem Erdreich bis zu einer vorgebbaren Mindesttiefe vermengt, sodass ein vorbehandeltes Erdreich entsteht. In einem sich anschließenden Verteilungsschritt 10 wird ein Bindemittel auf dem vorbereiteten Erdreich verteilt. Dabei werden die Menge und die Art des Bindemittels in Abhängigkeit des in dem Erdreich vorhandenen Wassergehalts festgelegt. Bei trockenem Erdreich mit geringem Wassergehalt wird Zement und bei nassem Erdreich mit hohem Wassergehalt wird Kalk als Bindemittel verwendet. In einem Untermischungsschritt 11 wird das Bindemittel mit dem vorbehandelten Erdreich vermengt wird und in einem anschließenden Verdichtungsschritt 12 verdichtet. Die Vermengung des Bindemittels mit dem Erdreich und dem Bodenverfestigungsmittel kann vorteilhafterweise mit einer landwirtschaftlichen Maschine erfolgen.
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In den Darstellungen der 1 bis 3 sind lediglich jeweils einzelne mehrerer gleichartiger Elemente exemplarisch mit einem Bezugszeichen gekennzeichnet.
