DE202017003382U1

DE202017003382U1 - Bodenverbundsystem zur Verfestigung und Unterdrückung der kapillaren Saugfähigkeit für Böden mit erhöhten Feinanteilen für die qualifizierte Bodenverbesserung und Bodenverfestigung im Straßenbau

Info

Publication number: DE202017003382U1
Application number: DE202017003382.8U
Authority: DE
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Priority date: 2017-06-28
Filing date: 2017-06-28
Publication date: 2017-09-25
Anticipated expiration: 2027-06-29

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Bodenverbundsystem zur Verfestigung anstehender Böden, dadurch gekennzeichnet, mit 84–97 Gew.-% Bodengemische, 3–16 Gew.-% hydraulische Bindemittel/Kalke und 0,1–0,01 Gew.-% Feststoffanteile von Polydimethylsiloxan, in bevorzugter Weise als Emulsion als Bodenverbesserungsmittel.

Description

Die Erfindung betrifft ein Bodenverbundsystem zur Verfestigung und Unterdrückung der kapillaren Saugfähigkeit in Böden, enthalten 84–97 Gew.-% Bodenanteilen, 3–14 Gew.-% hydraulische Bindemittel und mit einem Bodenverbesserungsmittel mit 0,1–0,01 Gew.-% Feststoffanteile einer Polydimethylsiloxan Emulsion. Das erfindungsgemäße Bodenverbundsystem wird verwendet für die qualifizierte Bodenverbesserung und Bodenverfestigung mit natürlich anstehenden Böden und Recycling Böden mit hohen Feinanteilen zur Erstellung einer frostsicheren und tragfähigen Schicht im Baumischverfahren und Zentralmischverfahren im Straßenbau.
EP 0992565 A1 lehrt ein Verfahren zur Festigung und Hydrophobierung von tonigen und kiesigen Bodenmaterialien mit Alkalisilikaten und Alkalisiliconaten und Kali-Wasserglas als Bindemittel. Kennzeichnend für das Verfahren ist dabei, das eine wässrige Zubereitung aus Alkalimetallsilikat und Alkalimetallsiliconat in wässriger Lösung eingesetzt wird, wobei bestimmte Mischungsverhältnisse der beiden Komponenten vorgegeben sind. Die Komponenten werden dabei beliebig in die zu behandelnde Bodenmasse eingearbeitet. Auch in dieser Schrift kommt dem Verfahren der Bodenbehandlung keine besondere Aufmerksamkeit zu, da der Einsatz nur mit großen Mengeneinsatz chemischer Komponenten zu bewerkstelligen ist. Zudem ist eine Reaktion mit Co₂ und Kali-Wasserglas erforderlich, die den Einsatz in dickeren Schichten im Straßenbau nicht praxisgerecht ermöglichen.
Aus DE 19924357 ist weiterhin bekannt, dass zur Bodenverfestigung hydraulisch härtende Bindemittel, wie hydraulische Kalke und Zemente in Kombination mit hochschmelzenden Paraffinen eingesetzt werden.
WO 2011014975 A1 beschreibt eine Methode eines Verbundsystems unter Bituminöser Befestigungen mittels Stabilisierung von Hydroxyden, kieselsauren Salzen, Karbonate und Tonen, ohne auf die kapillaren Kräfte das Verbundkörpers einzugehen. Eine Wasseraufnahme führt auch hier in Verbindung mit Frost-Tauwechseln zum Versagen des beschriebenen Straßenkörpers. Eine chemische Stabilisierung erfüllt auch hier gewiss die erforderlichen CBR Festigkeiten, nicht aber eine Frostbeständigkeit des Oberbaus, welche für das Straßenwesen unabdingbar sind.
Bei der Bodenstabilisierung wird die Stabilität nicht tragfähiger Böden durch die Zugabe von meist mir hydraulischen Bindemitteln verbessert. Die Auswahl des geeigneten Bindemittels richtet sich dabei meist nach der Korngrößenverteilung und dem Wassergehalt des Bodens. Die Bodenstabilisierung oder -verfestigung mit Kalk und Zement ist eine im Tiefbau seit Jahren bewährte Technik. Leider, mit zunehmendem Feinteilgehalt, verliert ein Boden durch Wassereinwirkung seine Festigkeit und damit an Tragfähigkeit. Dieses ist auf den hohen Anteil an Tonmineralien von feinkörnigen Böden zurückzuführen. Das Wasserbindevermögen der Tonmineralien ist maßgeblich verantwortlich für das Quell- und Schrumpfverhalten und für die plastischen Eigenschaften des Bodens.
Es bestand daher die Aufgabe ein Bodenverbundsystem um die Frost- und Tragschicht im Straßenbau vorwiegend aus bereits vorhandenen Materialien, unterschiedlicher Zusammensetzungen und/oder unter Zugabe von Recyclingmaterial, im kombinierten Baumisch-Zentralmischverfahren, konform zu den Vorschriften des Straßenbaus zur erreichen.
Prinzipiell ist jeder Boden verdichtbar und kann als unter den Kriterien der Druckfestigkeit, Scherfestigkeit und Elastizitätsmodulen als Frostschutzschicht und Tragschicht im Straßenbau eingesetzt werden. Problematisch ist die Wasseraufnahme durch natürlicher Kapillarität und dynamischer Belastungen. Durch verschiedene Vorschriften im Straßenwesen wird dadurch die Frostsicherheit als Kriterium bestimmt und diese durch eine Einhaltung einer bestimmten Sieblinie oder Körngrößenverteilung geregelt. So darf ein Boden mit mehr als 5% Freianteilen < 0,063 mm nicht als Frost- und Tragschicht verwendet werden.
Standardisierte Verfahren wie das Baumisch- und Zentralmischverfahren mit Bindemitteln kommen bei erhöhten Feinanteilen zur Stabilisierung zum Einsatz. Bisher sind die Feinanteile einer gebundenen Tragschicht auf 15% Freianteilen < 0,063 mm begrenzt. Hierbei ist auch negativ die Wasserdurchlässigkeit dieser so hydraulisch gebundenen Schichten zu erwähnen, dass so der natürliche Boden durch das alkalische Eluat der darüber befindlichen hydraulisch gebundenen Schichten belastet wird. Auch hierbei ist die Begrenzung der Feinanteilen bei Tragschichten ein Mittel um die Kapillarität zu unterdrücken. Unumstritten ist jedoch, dass eine wasserdurchlässige Frost-Tragschicht nur bei einem Drainagepflaster erforderlich ist.
Mit Einführung der Ersatzbaustoffverordnung (EVB) von 2017 ist eine Notwendigkeit gegeben, den Einbau von mineralischen Baustoffgemischen zu minimieren und auf recyceltes Material und natürliche Bodenressourcen zurückzugreifen zu können.
Derzeit fehlt es an einem Bodenverbesserungsmittel um auch ungeeignete Materialien, vorwiegend mit erhöhten Feinanteilen, kostengünstig im Straßenwesen als Frost/Tragschicht wiederzuverwenden.
Um einen Boden zu verbessern und ihn als Frost-Tragschicht einsetzen zu können, wurde erfindungsgemäß ein Bodenverbesserungsmittel zur Verfestigung des Erdreiches, in bevorzugter Weise als Emulsion, umfassend mit 5 bis 65 Feststoffanteilen von Polydimethylsiloxan, 95 bis 35 Teilen Wasser und mit 0,1 bis 3,0 Teilen Fettalkoholethoxylat als Emulgator gewählt.
Mit dem Bodenverbesserungsmittel wird das kapillare Saugen in Verbindung mit hydraulischen Bindemitteln, Kalken und anstehenden Böden, nach Verdichten und nachfolgender mehrtägiger Hydratation, erfindungsgemäß unterbunden. Gebundene Siloxanmoleküle, angeordnet um den Porenraum, strecken ihre wasserabstoßenden Molekülteile (CH3 Ketten) in den freien Porenraum und unterbinden die Kapillarkräfte. Das erfindungsgemäße Verbundsystem ist hydrophob.
Das erfindungsgemäße bevorzugte Mischungsverhältnis, mit dem Bodenverbesserungsmittel, ist abhängig von der Korngrößenverteilung, Luftporenanteil, den optimalen Proctor Wassergehalt, der Trockendichte und der Eigenfeuchte des zu verwendenden Bodens.
Mit der erfindungsgemäßen Konzentration des Bodenverbesserungsmittels und den zu verfestigten Böden wird der Anteil der hydraulischen Bindemittel und/oder Kalke oder deren Mischanteile, sowie der dazugehörige optimale Wassergehalt, nach einer standardisierten Eignungsprüfung mit dem Bodenverbesserungsmittel zur Erreichung der geforderten Elastizitätsmodule und Festigkeiten labortechnisch ermittelt.
Eine Umwandlung von F3 Böden (sehr frostempfindlich) und F2 Böden (gering bis mittel frostempfindlich) zu F1 Böden (nicht frostempfindlich) wird mit dem Bodenverbesserungsmittel und mit den hydraulischen Bindemitteln nach Hydratation zur Frost-Tragschicht im Straßenbau herbeigeführt.
Somit können in bevorzugter Weise feinkörnige und gemischtkörnige Böden nach DIN 18196 als hydrophobes Gesamtsystem zur Erstellung von Frost und Tragschichten im Straßenwesen herangezogen werden. Wobei die obere Schicht (Tragschicht), mit erhöhten hydraulischen Bindemittelanteil, bevorzugter Weise durch einen Fertiger im Zentralmischerfahren höhengemäß hergestellt wird.
Die erreichten Vorteile sind die Wiederverwendbarkeit vorhandener Böden und RC Böden mit erhöhten Feinanteilen zur Herstellung einer Frost-Tragschicht Kombination. Die Dimensionierung der Verbundschicht erfolgt nach der RStO, nach ZTV-E StB und nach Vorgaben der ZTV Beton-StB mit Eignungsprüfungen und zusätzlichem Nachweis der Frostbeständigkeit nach TP BF-StB um die physikalischen Kriterien in Bezug auf Frostbeständigkeit und Druckfestigkeit einzuhalten.
Dieses ermöglicht schon heute einen direkten Einsatz nach den Vorschriften im Straßenwesen, wenn die Gesamtdicke der frostsicheren Schichten des Oberbaus eingehalten werden.
Durch eine verbesserte Proctorkurve mit dem Bodenverbesserungsmittel, ausgewiesen durch eine flachere Tangentensteigung, wird bei späterer Zugabe von hydraulischen Bindemitteln und Kalken die Homogenisierung und der Bereich der Verarbeitungstoleranz zusätzlich vergrößert.
Durch eine hydrophobe Ausbildung mit dem Bodenverbesserungsmittel in Verbindung mit der Bodenverfestigung werden zudem die geforderten 12 Frost-Tauwechsel mit einer Längenveränderung < 1‰ nach TP BF-StB erreicht. Zudem wird durch die verringerte Wasseraufnahme des Bodens auch die geforderte 50%ige Druckfestigkeit bei Wasserlagerung übertroffen.
Eine Einsparung von > 10% der hydraulischen Bindemittel konnte, bei Tragschichten mit geforderten 7 N/mm² unter Asphaltschichten, auf Grund zusätzlichen Anteilen von künstlichen Puzzolanen, durch den Einsatz des Bodenverbesserungsmittels erreicht worden. Zudem wurde eine 25%ige schnellere Anfangserhärtung mit hydraulischen Bindemitteln/Kalken beobachtet, die einen zeitlichen Vorteil im weiterem Bauablauf darlegen.
Da ein eigentliches Planum entfällt, kann auch das Vorverdichten auf 45 MN/m² auf dem bestehenden Baugrund, wie auch auf eine Planumsentwässerung verzichtet werden. Bei einer qualifizierten Bodenverbesserung, die mit dem Bodenverbesserungsmittel und hydraulischen Bindemittel mit erhöhten Feinanteilen hergestellt wurde, wird dieser Schichtverbund als F1, also frostsicher eingestuft und auf den frostsicheren Oberbau voll angerechnet. Die RStO bleibt in ihren weiteren Ausführungen dazu unberührt. Folglich sind nur Gräben anzuordnen, die das Oberflächenwasser ableiten. Auf tiefe Gräben kann bei einem hydrophoben und kapillarbrechenden Straßenbaukörper auch bei hohen Grundwasserständen verzichtet werden. Flachere Gräben wirken sich besonders positiv auf die Verkehrssicherheit einer Landstraße aus.
Bei Rehabilitierung bestehender befestigter Straßen, kann unter Einsatz des Bodenverbesserungsmittels und des anstehenden Schichtenaufbaus, durch Kaltrecycling, ohne vorherige Absiebung der Feinanteile, eine tragfähige und frostsichere Schicht nach ZTV Beton-StB erstellt werden.
Ein Recycling Sand 0–4 mm, häufige Absiebung aus Recyclinganlagen aus der Wiederverwertung von Bauschutt- und Straßenaufbruch, sowie RC Baustoffe mit erhöhten Feinanteilen können in den Straßenkörper mit dem Bodenverbesserungsmittel eingesetzt werden.
Das Bodenverbesserungsmittel verbessert die Eigenschaften aller genormten hydraulischen Bindemittel, Mischbindemittel, hydrophobierte Zemente und Kalke in Bezug auf homogene Einmischung in das vorhandene Erdreich. Bindemittelnester werden vermieden.
Das Eluatverhalten, bedingt durch die kapillarbrechende und hydrophobe Wirkung des Verbundsystems mit dem Bodenverbesserungsmittel unterbindet zudem den Eintrag von Schadstoffen durch Sickerwasser in den Boden und dem Grundwasser. Eine Grundwassergefährdung, sowie eine Bioakkumulation der Ausgangsprodukte kann Aufgrund der Bindungen mit den hydraulischen Bindemitteln oder Kalken ausgeschlossen werden.
Durch Recycling, fräsen des Verbundsystems, hier mit 4% Bindemittelanteil, wurde die ökotoxikologische Unwirksamkeit des Bodenverbesserungsmittels durch Kressekeimtests mit Vergleichsböden nachgewiesen. Recycelter gefräster Boden kann als Pflanzgranulat bei übersäuerten Böden wieder landwirtschaftlich benutzt werden.
Der Anteil der maximalen Feinanteilen des Bodens ist abhängig von der mechanische Mischbarkeit mit den hydraulischen Bindemitteln und wird nur begrenzt durch die angewandte Fräs- oder Mischtechnik.
Ausgeprägt plastische Tone (TA) mit halbfester bis fester Konsistenz lassen sich nicht ausreichend mit Bindemitteln homogenisieren. Nicht geeignet sind organische Böden mit einem Gewichtsanteil von > 20%, bestimmbar durch Glühverlust, sowie Böden mit erhöhten Sulfatanteilen, die durch eine Ettringitbildung unerwünschte Hebungen verursachen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 0992565 A1 [0002]
DE 19924357 [0003]
WO 2011014975 A1 [0004]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

DIN 18196 [0016]

Claims

Die Erfindung betrifft ein Bodenverbundsystem zur Verfestigung anstehender Böden, dadurch gekennzeichnet, mit 84–97 Gew.-% Bodengemische, 3–16 Gew.-% hydraulische Bindemittel/Kalke und 0,1–0,01 Gew.-% Feststoffanteile von Polydimethylsiloxan, in bevorzugter Weise als Emulsion als Bodenverbesserungsmittel.
Bodenverbundsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Baumisch- und Zentralmischverfahren natürlich anstehende Böden und/oder RC Material in bevorzugter Weise mit hohen Feinanteilen mit dem Bodenverbesserungsmittel zur Verwendung als Frost/Tragschicht im Straßenbau kommen.
Bodenverbundsystem nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine kapillarbrechende und hydrophobe Wirkung der Frost/Tragschicht mit dem Bodenverbesserungsmittel und Bindemitteln nach Hydratation erreicht wird.
Bodenverbundsystem nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein schnelleres Abbinden und höhere Endfestigkeiten der Böden mit hydraulischen Bindemitteln durch zusätzliche künstliche puzzolanen Reaktionen erreicht wird.
Bodenverbundsystem nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Bodenverbesserungsmittel die Einmischbarkeit von hydraulischen Bindemitteln/Kalke verbessert wird.
Bodenverbundsystem nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Dosierung des Bodenverbesserungsmittels in Abhängigkeit von der Korngrößenverteilung, Porenvolumen, optimalen Proctor Wassergehalt und der Trockendichte des zu verwendenden Bodens festgelegt wird.
Bodenverbundsystem nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die verbesserte Proctorkurve durch das Bodenverbesserungsmittel, für Eignungsprüfungen im Baumisch- und Zentralmischverfahren unter gebundenen Deckenschichten im Straßenbau übernommen wird.
Bodenverbundsystem nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass durch eine Verdünnung mit Wasser des Bodenverbesserungsmittels bis zur optimalen Proctordichte und Zugabe von hydraulischen Bindemitteln oder Kalken in das Erdreich eingemischt und verdichtet wird.
Bodenverbundsystem nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein verbessertes Eluatverhalten den Eintrag von Schadstoffen durch Sickerwasser in dem Boden und Grundwasser unterbindet.
Bodenverbundsystem nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass durch die niedrigeren hydraulischen Bindemittelanteile, eine verbesserte Recyclingfähigkeit der Verbundschicht, bezogen auf den pH-Wert erreicht wird.
Bodenverbundsystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Recyceln mit Großfräsen des hergestellten unbelasteten Baukörpers, ein Pflanzgranulat für übersäuerte Böden hergestellt wird.