DE10213396B4 - Mörtel und Verfahren zur verdichtungslosen Verfüllung von Leitungsgräben, Kanälen und Hohlräumen im Erdbau, Straßenbau und Grundbau - Google Patents

Mörtel und Verfahren zur verdichtungslosen Verfüllung von Leitungsgräben, Kanälen und Hohlräumen im Erdbau, Straßenbau und Grundbau Download PDF

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Abstract

Zusatzfreier, fließfähiger, pumpfähiger und selbsterhärtender Mörtel, bestehend aus
– 1,8 bis 4,0 Vol.-% Portlandzement der Güteklassen CEM 32,5 R oder CEM 42,5 R,
– 20 bis 30 Vol.-% Wasser
– und gemischtkörnigem Boden mit einem Feinkorngehalt < 0,06 mm von 10 bis 40 M.-% sowie einem Grobkorngehalt > 2,0 mm von mehr als 5 M.-%.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Mörtel und ein Verfahren zur verdichtungslosen Verfüllung und Verfestigung von Leitungsgräben, Kanälen und Hohlräumen durch ein fließfähiges, pumpfähiges und selbsterhärtendes Boden-Zement-Gemisch.
  • Unter Bodenmörtel werden heute allgemein flüssige Verfüllstoffe für die Rohrgrabenverfüllung auf der Basis eines fließfähigen, selbsterhärtenden Boden-Bindemittel-Gemisches verstanden. Typisch für dieses Stoffgemisch aus Boden und Zement oder Kalk sind anorganische und organische Zusätze zur Beeinflussung der Eigenschaften, wie Fließfähigkeit, Volumenstabilität, Erhärtungszeit und Festigkeit. Derartige Bodenverfüllstoffe gewinnen in der Bauwirtschaft zunehmend an Bedeutung. In der DIN EN 1610 werden solche Gemische unter hydraulisch gebundenen Baustoffen als stabilisierter Boden (d.h. auch Bodenmörtel) ausdrücklich aufgeführt und als Baustoff im Leitungsgraben grundsätzlich zugelassen.
  • Es ist bekannt, dass beim Neubau, Umbau, Erneuern oder Sanieren von Ver- und Entsorgungsleitungen im Leitungsgrabenbau überwiegend noch nach den heute üblichen Verfahren des lagenweisen Einbaus und Verdichtens verdichtungsfähiger Materialien, meist Sand oder Kiessand, entsprechend DIN EN 1610 und DIN 4124 verfahren wird.
  • Diese Arbeitsweise hat den Nachteil, dass das geeignete Schüttgut durch Material- und Transportkosten teuer ist, dass die unverzichtbaren Verdichtungsarbeiten zeit- und kostenaufwendig sind, dass in der Leitungszone vor allem in schwer zugänglichen Ecken, Rändern und Rohrzwickeln häufig Qualitätsprobleme auftreten (allseitige Rettung, Verdichtungsgüte), dass infolge unzureichender Verdichtung häufig Setzungserscheinungen mit schädlichen Folgen an der Oberfläche auftreten und dass durch die hohe Verdichtungsanforderung die Gefahr besteht, irreparable Schäden an Rohren und Leitungen zu erzeugen. Weitere Probleme beim herkömmlichen Verfahren Einbau und Verdichten ergeben sich in der Qualitätssicherung bei schmalen, nicht betretbaren Gräben sowie bei der Erneuerung oder Sanierung im Bereich mehrerer paralleler oder sich kreuzender Leitungen. Schließlich sind die Verdichtungsarbeiten stets mit Lärm und Erschütterungen verbunden.
  • Es ist weiterhin bekannt, z. B. aus der Patentschrift DD 259 393 A1 , dass man auf die aufwendige und unsichere Verdichtung im Leitungsgrabenbau verzichten kann, wenn fließfähige Verfüllmaterialien verwendet werden. Das sind Gemische aus natürlichen Böden oder aufbereiteten Ausgangsmaterialien (Anfallstoffe oder Recyclingmaterial) mit hydraulischen Bindemitteln wie Zement oder Kalk und notwendigerweise eigenschaftsbeeinflussende Zusatz- bzw. Füllstoffe. Gemäß DD 259 393 A1 werden in mehreren Verfahrensschritten die Grundmaterialien Boden und Zement/Kalk mit Wasser vermischt und mit oberflächenreichen Füllstoffen (Tonen), anorganischen Zusätzen, Fließmitteln, Luftporenbildnern oder Flugaschen durch Ionenanlagerung und/oder durch Reduzierung der Oberflächenspannung verflüssigt und stabilisiert. Die zur Verflüssigung notwendigen Suspensionen müssen gesondert hergestellt werden. Zur Verfestigung und Stabilisierung wird Kalk und/oder Zement eingesetzt.
  • Die zur Verflüssigung und chemischen Reaktion notwendigen Zusätze sind kostenintensive Materialien (Fließmittel, Luftporenbildner, spez. Tone, Flugaschen). Es sind bestimmte Bedingungen und gesonderte Arbeitsschritte zur Herstellung dieser fließfähigen Materialien in speziellen Mischanlagen oder Baustellenmaschinen notwendig. Das fertige Gemisch wird in den Bestimmungsort (Graben, Baustelle) eingetragen.
  • Die Herstellung des vielkomponentigen Gemisches ist verfahrenstechnisch kompliziert (Bearbeitungsschritte) und damit kostenaufwendig. Deshalb sind die Akzeptanz und die Anwendung des Verfahrens im Wettbewerb trotz der Vorteile gegenüber dem o. g. herkömmlichen Verfahren relativ gering.
  • Die Offenlegungsschrift DE 196 02 604 A1 bezieht sich allgemein auf einen Bodenmörtel aus „anstehendem" Boden mit Wasser, Zement sowie Zusatzstoffen ohne definierte Mengenangaben und Eigenschaften und erhebt Verfahrensansprüche zur Herstellung von Gründungskörpern und Wandelementen in Form von gebohrten Mörtelpfählen oder geschlitzten Mörtelwänden zur Tragfähigkeitserhöhung des Baugrundes bei Gründungsaufgaben.
  • Die Offenlegungsschrift DE 198 31 545 A1 betrifft Baustoffgemische aus Abprodukten der Edelbrechsand- und Edelsplittherstellung (Gesteinsstäube, Brechsande und Vorabsiebungen) mit hydraulischen Bindemitteln, Wasser und Klärschlämmen in definierten Korngrößen der Zuschlagstoffe und vorgegebenen Anteilen der Komponenten, aus denen Ansprüche für das Gemisch und seine Herstellung abgeleitet werden. Das Ziel ist vor allem die unspezifische Nutzung der Anfallstoffe in der Bauwirtschaft.
  • In der Offenlegungsschrift DE 199 05 131 A1 werden zahlreiche Ansprüche an Baustoff und Verfahren auf feinsilikatischer Grundlage für die Herstellung von Bauelementen und die Nutzung im Hochbau gestellt. Angaben über z.B. Fließfähigkeit und Anwendungen im Kanal- und Tiefbau werden nicht gemacht.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, sowohl ein deutlich besseres Verfahren als die herkömmliche Einbau- und Verdichtungsmethode nach DIN EN 1610 bereitzustellen, als auch ein einfacheres und kostengünstigeres Mittel und Verfahren zum Herstellen und Verarbeiten eines fließfähigen, verdichtungslos stabilisierenden Boden-Zement-Gemisches mit breiter Anwendung und folgenden Vorteilen anzubieten.
  • Durch die erfinderische Lösung ergeben sich folgende Vorteile:
    • – Bauzeitverkürzung und Kosteneinsparung gegenüber der herkömmlichen Methode des lagenweisen Einbaus und Verdichtens dadurch, dass zwei aufeinanderfolgende zeitaufwendige Arbeitsvorgänge wegfallen und durch das Verfüllen eines fließfähigen Boden-Zement-Gemisches ohne Verdichtung ersetzt werden.
    • – Wiederverwendung von nicht oder wenig verdichtungsfähigen Aushubmassen bei gleichzeitiger Schonung wertvoller natürlicher Ressourcen wie Sand und Kies, dadurch auch Entlastung der Umwelt von Deponien oder Zwischenlagern.
    • – Qualitätsverbesserung im Leitungs- und Kanalbau dadurch, dass typische Einbau- und Verdichtungsmängel in der Leitungszone und darüber entfallen und nunmehr eine sichere allseitige Umhüllung der Rohre und Leitungen gewährleistet sowie eine homogene anforderungsgerechte Verfüllung und Verfestigung im gesamten Bestimmungsort gesichert werden kann.
    • – Erhöhung der Lebensdauer der verlegten Rohre durch den Wegfall klassischer Schadensursachen wie Punktauflager, Setzungen, Ausspülungen im Rohrbett oder Schäden durch radialen Spannungseintrag beim Verdichten,
    • – Kosteneinsparung dadurch, dass die Grabenbreite geringer gehalten werden kann und deshalb im Falle Erneuerung und Sanierung auch weniger Aufwand beim Straßenaufbruch und Wiederverfüllen entsteht.
    • – Erweiterung des Anwendungsbereiches auf schmale Gräben sowie Kosten-, Zeit- und Qualitätsverbesserungen in innerstädtischen Bereichen mit einer Vielzahl paralleler und sich kreuzender Leitungen. Anwendung in der Nähe lärm- und vibrationsempfindlicher Orte (Krankenhäuser, Anlagen u.a.)
    • – Kosteneinsparung auch gegenüber neuartiger fließfähiger Verfüllstoffe auf der Basis eines Boden-Zement/Kalk-Gemisches dadurch, dass die Erfindung im Gegensatz zu bisher bekannten Mitteln auf kostspielige eigenschaftsbeeinflussende Zusatz- bzw. Füllstoffe verzichtet.
    • – Kosteneinsparung und Verfahrensvereinfachung gegenüber bisher bekannten Verfahren zur Herstellung und zum Einsatz von Boden-Zement/Kalk-Gemischen dadurch, dass die Erfindung im Gegensatz zu den bisherigen Verfahren einfacher, schneller und baustellenfreundlicher ist.
  • Erfindungsgemäß wird das Boden-Zement-Gemisch aus gemischtkörnigem Boden nach DIN 18196 mit einer definierten Korngrößenverteilung nur mit Wasser und Zement ohne weitere Mittel und Zusätze zu einem fließfähigen, pumpfähigen und selbsterhärtenden Boden-Zement-Gemisch vermischt. Der Boden bestimmter Körnung kann ein natürlicher Boden aus Erdaushub, ein aufbereiteter Boden als Gemisch unterschiedlicher natürlicher Böden oder ein Abprodukt maschineller Siebung von Böden sein. Dieses Boden-Zement-Gemisch in fließfähiger Konsistenz wird nach dem Mischvorgang in den Graben oder auch einem anderen Bestimmungsort eingebracht, wo es sich drucklos ausbreitet und anschließend selbständig und dauerhaft stabilisiert bzw. verfestigt.
  • Erfindungsgemäß werden als Ausgangsmaterial für das fließfähige Boden-Zement-Gemisch gemischtkörnige Böden nach DIN 18196 mit jeweils einem Feinkornanteil < 0,06 mm von etwa 10 bis 40 M.-% und einem Grobkornanteil > 2,0 mm von mehr als 5 M.-% eingesetzt.
  • Dies können natürliche oder aufbereitete Böden im Korngrößenbereich „gemischtkörnig" nach DIN 18196 sein, die bei Klassierungsprozessen durch Siebung anfallen und die wegen schlechter bodenmechanischer Eigenschaften (hoher Fein-/Schlämmkornanteil) sonst verworfen oder deponiert werden. Das Verhältnis zwischen Schlämm- u. Grobkornanteil und dessen Auswirkungen auf die Fließfähigkeit und Festigkeit kann durch Eignungsprüfung ermittelt werden. Der genannte Feinkornanteil ist für das Fließverhalten und die Stabilität der Mischung erforderlich und der Mindestgehalt an Grobkorn führt zu einem festigkeitsgebenden Korngerüst mit der gewünschten Festigkeit des erhärteten Gemisches.
  • Zur Verflüssigung dient ausschließlich Wasser in Größenordnungen von 20 bis 30 Vol.-%.
  • Zur Stabilisierung dient Portlandzement in der Größenordnung von 1,8–4,0 Vol.-%. Damit können Druckfestigkeiten zwischen 0,2 N/mm2 und 3,0 N/mm2 erreicht werden.
  • Das verarbeitete Material bindet innerhalb weniger Stunden so stark ab, dass es dann durch weitere Verfüllung oder bestimmungsgemäße Nutzung belastet werden kann.
  • Innerhalb kurzer Zeit werden Verformungsmoduln erreicht, die je nach Bodenart in den angegebenen Korngrößengrenzen und je nach Wasser- und Zementzugabe in den angegebenen Anteilsgrenzen bei EV2 = 30 MN/m2 bis EV2 = 200 MN/m2 liegen. Die erzielten Festigkeiten sind damit auch gering genug, um erforderlichenfalls ein Aufgraben bei Erneuerung, Havarie, Sanierung oder Neuanschluss zu gewährleisten.
  • Die Herstellung des Boden-Zement-Gemisches kann in Abhängigkeit von den Baustellenbedingungen und den benötigten Mengen entweder direkt auf der Baustelle oder in einem Mischwerk (Betonmischwerk) erfolgen. Hierzu können die baustellenüblichen Maschinen und Geräte wie Transportbetonfahrzeuge, Lader, Förderbänder, Wägeeinrichtungen oder Vorhaltesilos ohne besondere Umrüstungen eingesetzt werden. Grundsätzlich werden die Betonmischfahrzeuge zunächst mit Wasser, dann mit Zement und anschließend mit Bodenmaterial beschickt. Das Einfüllen des Gemisches in den Leitungsgraben oder in einen sonstigen Bestimmungsort erfolgt über Schüttrutschen, -rinnen, -trichter oder über Betonpumpen.
  • Die Erfindung unterscheidet sich von den bisherigen bekannten fließfähigen Boden-Bindemittel-Verfüllstoffen grundlegend dadurch, dass keine oberflächenaktiven Füllstoffe und keine Zusätze wie Verflüssigungsmittel oder chemisch aktive alkalische oder erdalkalische Stoffe beigegeben werden müssen, sondern es ist lediglich ein gemischtkörniger Boden nach DIN 18196 mit o. g. erfindungsgemäßer Korngrößenverteilung erforderlich, der mit Wasser und Portlandzement vermischt und verarbeitet wird. Dadurch entfallen aufwendige und empfindliche chemisch-technische Bearbeitungsstufen. Das Gemisch selbst wird preiswerter und das Verfahren einfacher, schneller und baustellenfreundlicher.
  • Das Verfahren zeichnet sich durch einfache Anwendung aus. In der Gesamtheit ist die Erfindung kostengünstiger als vergleichbare Produkte und Verfahren. Durch den vollständigen Verzicht auf Zusätze, durch die Einsparung wertvoller Sand-Kies-Ressourcen und durch die Wiederverwertung von ansonsten nicht nutzbarer Anfallstoffe (Schlämmkornanteile) wird die Erfindung Umweltgesichts-punkten nach dem Kreislaufwirtschafts- und Abfallgesetz (KrW-/AbfG) gerecht.
  • Die Erfindung wird nachfolgend an zwei Ausführungsbeispielen näher beschrieben:
  • Ausführungsbeispiel 1
  • In einer ersten Verfahrensvariante wurden Baugrubenabschnitte mit dem fließfähigen Boden-Zement-Gemisch verfüllt. Als Ausgangsmaterial wurde ein gemischtkörniger Boden verwendet (S, g*, u bzw. GU*). Der Kornanteil < 0,06 mm betrug 18 M.-%, der Kornanteil > 2,0 mm lag bei 43 M.-%. Als Bindemittel wurde Zement der Güte CEM 32,5 R in einer Menge von 5 M.-% eingesetzt. Der Wasseranspruch zum Herstellen einer fließfähigen Konsistenz betrug 24,5 M.-%. Das Ausbreitmaß lag bei 55 cm.
  • Bei diesem Verfahren wurden die Komponenten Wasser und Zement der Güte CEM 32,5 R nacheinander in ein Transportbetonfahrzeug auf der Baustelle eingebracht. Zum Dosieren des Wassers diente ein Mengendurchflusszähler. Der Zement wurde aus einem auf der Baustelle vorgehaltenen transportablen Zementsilo mit Druckluft in die Mischtrommel des Transportbetonfahrzeugs dosiert. Dann wurde der Boden durch einen Radlader mit Wägeinrichtung auf ein Förderband gegeben und auf diese Weise in das Transportbetonfahrzeug mit der Wasser-Zement-Suspension dosiert.
  • Anschließend wurde das fließfähige Boden-Zement-Gemisch in die Baugrubenabschnitte eingebracht. Die aus dieser Mischrezeptur gefertigten Würfelprüfkörper wiesen nach 16 Tagen Druckfestigkeiten zwischen 0,29 N/mm2 und 0,47 N/mm2 auf. Die Verformungsmoduln lagen zwischen Ev2 = 32 MN/m2 und Ev2 = 35 MN/m2. Bei gleichen Ausgangsmaterialien und Verfahren wurden bei einer Zementmenge von 6,5 M.-% CEM 32,5 R innerhalb von 16 Tagen der Festigkeitsentwicklung Druckfestigkeiten von 0,33 bis 0,56 N/mm2 und Verformungsmoduln von Ev2 = 38 MN/m2 bis Ev2 = 40 MN/m2 gemessen.
  • Ausführungsbeispiel 2
  • Das fließfähige Boden-Zement-Gemisch wurde bei einem weiteren Baustellenversuch bei einer Kanalbaumaßnahme eingesetzt. Als Ausgangsmaterial wurde ein gemischtkörniger Boden (S, u*, g bzw. SU*) mit den Kornanteilen 31 M.-% < 0,06 mm und 23 M.-% > 2,0 mm verwendet. Als Bindemittel wurde Zement der Güte CEM 42,5 R im Anteil von 7 M.-% eingesetzt. Der Wasseranspruch zum Herstellen einer fließfähigen Konsistenz betrug 24 M.-%.
  • In diesem Beispiel wurde die im Betonmischwerk hergestellte Wasser-Zement-Suspension in einem Transportbetonfahrzeug auf die Baustelle geliefert. Die Menge der Wasser-Zement-Suspension war auf die herzustellende Menge Boden-Zement-Gemisch abgestimmt.
  • Auf der Baustelle wurde der Boden durch einen Radlader mit Wägeinrichtung auf ein Förderband dosiert. Das Förderband beförderte dieses Bodenmaterial in das Transportbetonfahrzeug. Dieser Vorgang dauerte für 5 m3 Bodenmaterial 10 Minuten. Im Transportbetonfahrzeug fand der Mischprozess bis zum Erreichen einer homogenen, klumpenfreien und fließfähigen Konsistenz statt. Das Ausbreitmaß betrug 56,5 cm. Die Mischzeit betrug 5 Minuten nach der Beschickung mit Boden. Anschließend wurde das fließfähige Boden-Zement-Gemisch in einen Rohrgraben zum Umhüllen des Rohres in der Leitungszone drucklos eingebracht. Die seitliche Ausbreitung des Boden-Zement-Gemisches im Rohrgraben betrug 2 Meter in beide Richtungen. Das Rohr wurde satt und ohne Fehlstellen umhüllt. Nach einigen Stunden war die breiige Masse soweit verfestigt, dass eine weitere Verfüllung mit anstehendem Boden vorgenommen werden konnte.
  • Die aus dieser Mischrezeptur gefertigten Würfelprüfkörper wiesen nach 10 Tagen Druckfestigkeiten zwischen 0,50 N/mm2 und 1,32 N/mm2 auf. Im selben Zeitraum wurden Verformungsmoduln zwischen Ev2 = 110 MN/m2 und Ev2 = 195 MN/m2 gemessen.
  • Der Vergleich der beiden Verfahrensvarianten (Beispiel 1 und Beispiel 2) zeigt, dass verschiedene Böden in den bestimmungsgemäßen Korngrößengrenzen problemlos zu einem fließfähigen Boden-Zement-Gemisch verarbeitet werden können und verdichtungslos mit anforderungsgerechter Festigkeit erhärten.
  • Je nach Bodenmaterial und in Abhängigkeit von den Anforderungen der Baustelle an die Festigkeit und an die Festigkeitsentwicklung (bauablaufbedingt) können verschiedene Dosierungen mit abweichenden Zementguten und Zementmengen verwendet werden.

Claims (2)

  1. Zusatzfreier, fließfähiger, pumpfähiger und selbsterhärtender Mörtel, bestehend aus – 1,8 bis 4,0 Vol.-% Portlandzement der Güteklassen CEM 32,5 R oder CEM 42,5 R, – 20 bis 30 Vol.-% Wasser – und gemischtkörnigem Boden mit einem Feinkorngehalt < 0,06 mm von 10 bis 40 M.-% sowie einem Grobkorngehalt > 2,0 mm von mehr als 5 M.-%.
  2. Verfahren zur verdichtungslosen Verfüllung von Leitungsgräben, Kanälen und Hohlräumen im Erdbau, Straßenbau und Grundbau mit einem Mörtel nach Anspruch 1, bei dem – Wasser und Zement mit dem Boden im Betonmischwerk oder auf der Baustelle zu einem Mörtel vermischt wird, – aus einem Betonmischfahrzeug oder einer anderen Mischeinrichtung in die Leitungsgräben, Kanäle und Hohlräume geschüttet oder gepumpt wird, – sich dort drucklos ausbreitet, kontrolliert erhärtet und zur anforderungsgerechten dauerhaften Stabilisierung und Verfestigung des Bereiches ohne Verdichtungsarbeit führt.
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