Einsatz von hydraulisch gebundenen Verfüllbaustoffen zur Rückverfüllung von Leitungsgräben im Kanalbau

23.02.2005

Seit einigen Jahren werden mit wachsendem Marktanteil in Deutschland selbstverdichtende, im Einbauzustand fließfähige und anschließend erhärtende Verfüllmaterialien (Baustoff- bzw. Boden-Bindemittel-Gemische) eingesetzt. Sie werden herstellerabhängig oder in der Literatur auch als Flüssigboden, Boden-/Verfüllmörtel oder stabilisierte Sandmischung bezeichnet und dienen im Kanalbau vornehmlich zur Verfüllung der Leitungszone, teilweise aber auch zur Herstellung der Hauptverfüllung. Im vorliegenden Beitrag werden der aktuelle Stand der Diskussionen in der Fachwelt, insbesondere in Planungsbüros, bei Kommunen und Leitungsnetzbetreibern vorgestellt sowie über die Vor- und Nachteile bei der Anwendung von hydraulisch gebundenen Verfüllbaustoffen aus bauverfahrenstechnischer und statischer Sicht berichtet.

Als hydraulisch gebundene Verfüllbaustoffe werden Baustoff-Bindemittel-Gemische bezeichnet, welche als sogenanntes zeitweise verflüssigtes, selbstverdichtendes (ohne mechanische Verdichtungsarbeit) und selbsterhärtendes Verfüllmaterial zur Rückverfüllung von Leitungsgräben eingesetzt werden [1, 2, 3, 4]. In DIN EN 1610 [5] wird dieser Verfüllbaustoff als "stabilisierter Boden" bezeichnet.
Die Verwendung von hydraulisch gebundenen Verfüllbaustoffen für in offener Bauweise verlegte Abwasserleitungen und kanäle ist in DIN EN 1610 [5] bzw. ATV-DVWK-A 139 [6] nicht explizit beschrieben. Diese Normen- und Regelwerke behandeln lediglich die konventionelle Grabenverfüllung mit körnigen, ungebundenen Baustoffen. Aus diesem Grund sind bei der Anwendung von hydraulisch gebundenen Verfüllbaustoffen spezielle bauverfahrenstechnische und statische Aspekte zu beachten.
Zusammensetzung und Eigenschaften
Hydraulisch gebunde Verfüllbaustoffe bestehen prinzipiell aus den Grundmaterialien [7, 8]:
  • Ausgangsbaustoff, z.B. angelieferte Zuschlagstoffe oder (Recycling-)Materialien (etwa 95%) oder örtlich anstehender Boden (z.B. Grabenaushub)
  • Plastifikator, z.B. Mischung aus Wasser mit quellfähigen Tonen (Bentonit), Schaumbildnern, luftporenbildenden Zusatzmitteln (Tenside) oder anderen mineralischen, pflanzlichen und/oder anorganischen Zusätzen
  • Stabilisator (Bindemittel), z.B. Zement oder Kalk (zusammen mit Plastifikator ca. 5 %).
Nachfolgend wird nur die Verfüllmaterialien-Gruppe behandelt, welche überwiegend aus an anderen Orten künstlich gewonnenen oder gebrochenen und ins Herstellerwerk angelieferten Zuschlagstoffen sowie zugemischten Bindemitteln besteht. Örtlich anstehende, ggf. recycelte bzw. vor Ort behandelte und mit Bindemitteln versetzte sowie wieder eingebaute Böden [9] (dann als "hydraulisch gebundener Verfüllboden" bezeichnet) werden hier nicht betrachtet.
Der hydraulisch gebundene Verfüllbaustoff nimmt nach Vermischen der o.g. Bestandteile im (Beton-)Werk eine sehr fließfähige Form (flüssige bis breiig-weiche Konsistenz) an und ermöglicht es somit, ohne mechanische Verdichtung Räume, die nicht oder oft nur bedingt erreichbar sind (z.B. Rohrzwickelbereiche [10]), satt zu verfüllen [7]. Durch weitere aus der Betontechnologie bekannte Zusätze (z.B. Erstarrungsbeschleuniger oder verzögerer) können die Abbindedauer und andere wichtige Eigenschaften wie z.B. Korrosionsschutzwirkung, Wärmedämmung, Wasserdurchlässigkeit, Farbgebung, Fließfähigkeit usw. beeinflusst werden.
Der eingebrachte Verfüllbaustoff verfestigt sich dauerhaft nach dem Einbau bis zur Erreichung der notwendigen Druckfestigkeit und Tragfähigkeit nur so weit, dass er im Bedarfsfall wieder gelöst werden kann. Der erhärtete Verfüllbaustoff ist (gering) wasserdurchlässig und entspricht nach Verfestigung der Bodenklasse 3 bis 4 ("leicht bis mittelschwer lösbare Bodenarten") nach DIN 18300 [11], so dass die Leitungen jederzeit von Hand unter Verwendung von Hilfswerkzeugen bzw. maschinell (z.B. Hydraulikbagger o.ä.) wieder freigelegt werden können.
Einbau und Bauverfahrenstechnik
Nach Aushub und Sicherung des Grabens wird der Rohrstrang auf der Grabensohle auf Holzbohlen oder Sandsäcken (letztgenannte sind nach [14] aus statischen Gründen vorzuziehen) entsprechend den Planungsvorgaben ausgerichtet und fixiert (Bild 2a). Vor dem Einbringen des hydraulisch gebundenen Verfüllbaustoffes mit flüssiger Konsistenz, der im Transportbeton-Mischfahrzeug (Fahrmischer) auf die Baustelle angeliefert wird, müssen zur Auftriebs- und Lagesicherung sogenannte Haltungs- oder Belastungsbänke aus dem gleichen Verfüllbaustoff in steifer Konsistenz gesetzt werden (Bild 2b bzw. Bild 3a). Diese werden direkt aus dem Betonmischer über die Betonrutsche oder über Schüttrohre bzw. einen Schlauch, in Ausnahmefällen auch über eine Pumpe, gezielt in Abständen von etwa 2,00 bis 2,50 m zur Ballastierung vorzugsweise auf die Rohrverbindungen aufgebracht.
Die Belastungsbänke können auch als Begrenzung für einen Verfüllabschnitt innerhalb einer Haltung dienen (Haltungsbänke), sind hierfür aber entsprechend der Füllstandshöhe zu dimensionieren. Der hydraulisch gebundene Verfüllbaustoff wird im flüssigen Zustand über den Fahrmischer in die einzelnen Verfüllabschnitte eingebracht (Bild 2b bzw. Bild 3a) und gewährleistet auf diese Weise eine vollständige Umhüllung der Rohre (Bild 2c). Bevor der Erstarrungsprozess einsetzt (herstellerbedingt bis max. 3 h nach Einbringen), muss ein ggf. vorhandener Verbau [12] zur Sicherung des Leitungsgrabens im Bereich der Verfüllung gezogen werden, damit das noch fließfähige Material auch die Verbauspur satt und selbstständig verfüllt sowie die Grabenwände zuverlässig stützt.

Bild 2a-c: Arbeitsablauf bei der Rückverfüllung der Leitungszone mit hydraulisch gebundenem Verfüllbaustoff (Quelle: S&P GmbH)
Der Zeitbedarf für die vollständige Aushärtung ist abhängig von der jeweiligen Zusammensetzung des hydraulisch gebundenen Verfüllbaustoffes und vom Hersteller anzugeben. Diesbezüglich übliche Angaben, z.B. nach 1 Tag betretbar, nach 3 Tagen überbaubar (Herstellung der Hauptverfüllung und/oder des Straßenoberbaus) und befahrbar (Baumaschinen- und/oder Straßenverkehr), sollten genauer verifiziert und durch Untersuchungen vor Ort überprüft werden. Anderenfalls besteht die Gefahr, dass durch eine frühzeitige Belastung die Tragstruktur des künstlichen Bodenkörpers zerstört wird und somit ungünstige, in der statischen Berechnung nicht berücksichtigte Belastungen auf den Rohrstrang einwirken und bei diesem ungünstigstenfalls zu Beschädigungen führen können.

Bild 3a-b: Einbringen des flüssigen Verfüllbaustoffes mittels Fahrmischer und Betonrutsche in einen Rohrgraben (Fotos: S&P GmbH)
Darüber hinaus kommt der Absperrung und Sicherung des Leitungsgrabens nach dem Verfüllen der Leitungszone bzw. der Hauptverfüllung eine besondere Bedeutung zu, da dieser im frühen Stadium, d.h. wenn der Verfüllbaustoff noch flüssig und nicht tragfähig ist (Bild 3b), eine besondere Gefahr für Menschen und Tiere darstellen kann [16].
Statische Berechnungen
Grundlage für die statische Berechnung von in offener Bauweise verlegten Rohren bildet das Arbeitsblatt ATV-DVWK-A 127 [13], mit dem Rohre verschiedener Steifigkeiten, Überschüttungs- und Einbettungsbedingungen unter den üblichen Einwirkungen berechnet und bemessen werden können. Das darin dokumentierte Berechnungsverfahren geht von einem Sand-Kies- oder von einem Betonauflager für das Rohr aus und setzt voraus, dass der Graben mit verdichtungsfähigem Boden bzw. nach DIN EN 1610 [5] zugelassenen Bodenarten lagenweise verfüllt und verdichtet wird. Die Verwendung hydraulisch gebundener Verfüllbaustoffe als Verfüllmaterialien in der Leitungszone ist dabei nicht vorgesehen und berücksichtigt.
In einer umfangreichen, statischen Untersuchung wurde daher durch [14] überprüft, wie sich die Verfüllung der Leitungszone mit hydraulisch gebundenen Verfüllbaustoffen auf die Belastung und Bettung der Rohre auswirkt. Ziel war es, auf der Grundlage von ATV-DVWK-A 127 [13] ein Berechnungsverfahren zu entwickeln, das unter eventueller Modifizierung bestimmter Parameter die Nutzung handelsüblicher Berechnungsprogramme für im Graben verlegte Rohre erlaubt. Das Verfahren wurde anhand von speziell durchgeführten FEM-Berechnungen analysiert, überprüft und an Hand auf dem Markt verfügbarer Verfüllbaustoffe kalibriert, um die Richtigkeit der Parameterannahmen für die o. g. Modifizierung des Berechnungsverfahrens nach ATV-DVWK-A 127 [13] nachzuweisen und die sich hieraus ergebenden Auswirkungen auf die Tragfähigkeit des Rohres zu quantifizieren.
Erfasst wurden dabei sowohl biegesteife als auch biegeweiche Rohrsysteme, wobei in einer Sensibilitätsanalyse, ausgehend von einem Referenzsystem, die wichtigsten Einbaubedingungen variiert und mit einer Standardgrabenverfüllung verglichen wurden. Dabei wurde nachgewiesen, dass innerhalb eines definierten Geltungsbereichs die Standsicherheit und Gebrauchstauglichkeit der auf diese Weise berechneten Rohre erfüllt ist. In Abhängigkeit der leitungsspezifischen Randbedingungen weisen in hydraulisch gebundenen Verfüllbaustoffen verlegte Rohre sogar eine günstigere Beanspruchung auf, als für konventionell, in körnigen, ungebundenen Baustoffen verlegte (Bild 4).

Bild 4a-c: Einwirkungen nach Verfüllen des Leitungsgrabens mit hydraulisch gebundenem Verfüllbaustoff (erhärteter Zustand) am Beispiel eines Betonrohres DN/ID 600, 2 m Überdeckungshöhe (Quelle: S&P GmbH)

Mit den durchgeführten Parametervariationen und dem Vergleich der Ergebnisse aus den numerischen und analytischen Berechnungen konnte nachgewiesen werden, dass bei der Verwendung von hydraulisch gebundenen Verfüllbaustoffen zur Rückverfüllung von Leitungsgräben die statische Berechnung grundsätzlich auf der sicheren Seite nach ATV-DVWK-A 127 [13] durchgeführt werden kann und somit höhere Sicherheiten und Kosteneinsparpotenziale erzielt werden können. Dabei müssen zunächst die Steifigkeits- und Festigkeitswerte für die Überschüttung über dem Rohrscheitel und für die Leitungszone seitlich des Rohres (E2) auf Basis mechanischer Eignungsprüfungen vom jeweiligen Hersteller erprobt und nachgewiesen werden. Danach können über sinnvolle Parametervariationen und Sensitivitätsanalysen Eingangswerte für die Berechnung nach ATV-DVWK-A 127 [13] bestimmt und die Einsatzgrenzen festgelegt werden.
Bild 5a-e: Einwirkungen im erhärteten Zustand des Verfüllbaustoffes unter Verkehrslast am Beispiel eines Betonrohres DN/ID 600, 2 m Überdeckungshöhe (Quelle: S&P GmbH)

Fazit
Zusammenfassend kann festgestellt werden, das hydraulisch gebundene Verfüllbaustoffe eine interessante Alternative zur konventionellen Rückverfüllung von Leitungsgräben mit körnigen, ungebundenen Verfüllbaustoffen darstellen. Mit ihrer Anwendung könnten z.B. die folgenden Vorteile verbunden sein:
  • Vermeidung typischer Verlegefehler/Schadensursachen, die bei konventioneller Verlegung auftreten können (z.B. unzureichende Zwickelverfüllung und verdichtung, Punktauflagerung der Rohrleitung, zu hohe Verdichtungsauflasten, Verwendung von nicht fachgerechten Baustoffen etc.
  • Reduzierung der Grabenbreiten nach DIN 4124 [15] bzw. DIN EN 1610 [5] unter der Voraussetzung, dass die Rohre durch Vor-Kopf-Arbeit verlegt werden können, so dass Personal den Raum zwischen Rohrleitung und Grabenwand nicht zwingend betreten muss (Zustimmung der TBG erforderlich)
  • Verbesserte Bettungsbedingungen für die Rohrleitung
  • Verkürzung der Bauzeit durch Änderung der Bauabläufe und Taktzeiten
  • Vermeidung von Oberflächensetzungen (insbesondere im Bereich der sonst üblichen Verbauspur)
  • Vermeidung von Erschütterungen, Verzicht auf Vibrationsenergie für mechanische Verdichtung, Reduzierung von Lärm- und Schwingungsemissionen
  • Verlängerung der Nutzungsdauer der Rohrleitung (Verminderung von Ex-/ Infiltrationen durch eine gewisse Redundanz (die verfestigten Bodenkörper besitzen in der Regel eine geringe Wasserdurchlässigkeit, herstellerbedingt zwischen 10 -6 bis 10-8 m/s), Verhinderung von Wurzeleinwuchs, definierte Bettungsbedingungen durch Vermeidung typischer Verlegefehler/Schadensursachen (s.o.))
Hydraulisch gebundene Verfüllbaustoffe werden erst seit kurzer Zeit (seit etwa Mitte der 1990er Jahre) im Kabel- und Rohrleitungsbau eingesetzt. Aus diesem Grund sind u.a. die folgenden Aspekte noch nicht abschließend geklärt [7, 16]:
  • Dauerhaftigkeit bzw. Langzeitverhalten
  • Anforderungen an den Verfüllbaustoff
  • Auswirkungen auf die im hydraulisch verfestigten Baustoffkörper eingebettete (Rohr-)Leitung bei wechselnden Frost-/Tauverhältnissen
  • Entfernbarkeit auf Dauer bzw. Wiederaufgrabung mit einfachem Gerät (sogenannte "Spatenlösbarkeit").
Darüber hinaus ist zu beachten, dass der Einsatz in Leitungsgräben mit starkem Gefälle (> 10 %) - falls überhaupt möglich - Spezialgeräte erfordert [16]. Eine allgemeine Zulassung der hydraulisch gebundenen Verfüllbaustoffe durch die Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen (FGSV) liegt nicht vor [7].
Im Falle einer konkreten Anwendung sollte ein fachkundiges Ingenieurbüro konsultiert werden, um die im jeweiligen Anwendungsfall erforderlichen Anforderungen (allgemeine, mechanische (statische), chemische, thermische etc.) festzulegen sowie entsprechende Prüfungen zum Nachweis der Gebrauchstauglichkeit durchzuführen, falls diese vom Hersteller noch nicht nachgewiesen wurden.
Literatur
[1] Berger, W., Krausewald, J., van Heyden, L.: Boden-Mörtel ? Anwendungsfragen und Wirtschaftlichkeit für den Tiefbau der Gasverteilung. gwf Gas × Erdgas 140 (1999), H. 8, S. 513?518.

[2] Just, A.: Einsatz von Flüssigboden in Braunschweig. bi-umweltbau (2003), H. 1, S. 42?44.

[3] ONR/FW 110A: Fernwärmeversorgung ? Stabilisierte Rohrgrabenverfüllmaterialien. Technische Spezifikation für stabilisierte Rohrgraben-Verfüllmaterialien ? SVM für den Einbau von Fernwärme-Kunststoffmantelrohren ? KMR. Ausgabedatum: 01. April 1999.

[4] Kiesselbach, G: Projektstudie über die Verfüllung von Künetten. Im Auftrag des Magistrats der Stadt Wien, Magistratsabteilung 22 ? Umweltschutz in Zusammenarbeit mit ÖkoKaufWien ? Arbeitsgruppe Tiefbau. Wien, 1999.
[5] DIN EN 1610: Verlegung und Prüfung von Abwasserleitungen und ?kanälen (10.1997)
DIN EN 1610 Beiblatt 1: Verlegung und Prüfung von Abwasserleitungen und kanälen ? Verzeichnis einschlägiger Normen und Richtlinien (Stand vom Februar 1997).

[6] Arbeitsblatt ATV-DVWK-A 139: Einbau und Prüfung von Abwasserleitungen und ?kanälen (01.2002) (Hrsg.: Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall e.V. ? ATV-DVWK, Hennef).

[7] Arbeitsblatt FW 401 Teil 12: Verlegung und Statik von Kunststoffmantelrohren (KMR) für Fernwärmenetze ? Bau und Montage; Organisation der Bauabwicklung, Tiefbau (02.1999).
[8] Stolzenburg, O.: RSS®-Flüssigboden im Kanalbau ? Ein Praxisbericht. Dokumentation 18. Oldenburger Rohrleitungsforum, 5. - 6. Februar 2004.

[9] Kronenberger, E. J.: Bodenrecycling im Rohrleitungs- und Kanalbau ? Wiedereinbau in trockener und flüssiger Form möglich. bi umweltbau (2002), H. 2, S. 44?46.
[10] Stein, D.: Instandhaltung von Kanalisationen. 3., überarbeitete und erweiterte Auflage, Verlag Ernst & Sohn, Berlin 1998.

[11] DIN 18300: VOB Verdingungsordnung für Bauleistungen ? Teil C: Allgemeine Technische Vertragsbedingungen für Bauleistungen (ATV); Erdarbeiten (12.2000)

[12] Stein, D., Möllers, K.: Grabenverbau ? Einflussfaktor auf das Ingenieurbauwerk Rohrleitung. Tiefbau (1988), H. 3.

[13] Arbeitsblatt ATV-DVWK-A 127: Statische Berechnung von Abwasserkanälen und ?leitungen (08.2000).

[14] Statisches Berechnungskonzept der Prof. Dr.-Ing. Stein & Partner GmbH, Bochum (www.stein.de).

[15] DIN 4124: Baugruben und Gräben ? Böschungen, Verbau, Arbeitsraumbreiten (10.2002).

[16] CETE Normandie Mitte (CETE = Studienzentrum für Vernetzungen, Transport, Stadtplanung und öffentliche Bauten) (Hrsg.): Verfüllung von Gräben ? Verwendung von selbstverdichtenden Materialien. 3. Ausgabe, März 1999. Wissensstand vom 31. Dezember 1997 (deutsche Übersetzung).

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