Bodenrecycling - Bodenbaustoff - Alles ist Chemie

11.09.2006

Durch die Forschung zur Aufbereitung bindiger Böden für den Kanal- und Rohrleitungsbau gelangte Ing. Ing. E.J. Kronenberger zu der Erkenntnis, dass es möglich ist, bindige Böden gesteuert zu Bodenbaustoff machen zu können.

Nach einer chemischen Analyse des Bodens wird die Menge des Bindemittels als Mischbinder entsprechend eingestellt und durch eine Zudosierung von 0,25% bis ca. 4% werden Tragwerte von mind. 45 MN/m2 bis zu 200 MN/m2 erreicht. Der Anstoß zu dieser Entwicklung wurde durch die Forschungsergebnisse des französischen Wissenschaftlers Dr. Siffert gegeben, der 10 Jahre Grundlagenforschung über das Verhalten der Hauptbodenelemente der Böden wie Silekate (SiO2) und Tonmineralien (Al2O3) durchgeführt hat. Die chemischen Vorgänge im Nanobereich (1/1000µ ) wurden erkannt und erklären die Abläufe der so genannten puzzolanischen Reaktion, die bei der Nutzung von kalkhaltigem Bindemittel über 5 Phasen bis zur Entwicklung zu Bodenklasse 6 bis 7 führen kann.
Im Kanal- und Rohrleitungsbau- wie für Bauwerkshinterfüllung, wird die Langzeitaushärtung der Böden durch die puzzolanische Reaktion, durch das Verfahren Kronenberger unterdrückt, wogegen für Gründungsarbeiten sowie für den Straßen-, Damm- und Deichbau, diese konsequent genutzt wird.
Fast gleichzeitig mit dem Beginn des F & E – Projektes in Dortmund, von Prof. Dr. Stein & Partner, in das Kronenberger involviert ist, hat der Fachausschuss des DWA-Arbeitsblattes A-139 beschlossen, das Verfahren Kronenberger in die Regelwerke aufzunehmen.
Im selben Zeitraum führt die Fa. Richter, Paderborn, eine Großmaßnahme zur Gründung eines Hochregallagers in Dortmund, mit ca. 20 000 m3 nach dem Verfahren Kronenberger durch. Letztendlich gelang durch die Material-Prüf- und Forschungsanstalt der Bauhausuniversität Weimar, der Nachweis, dass es möglich ist, aus bindigen Böden eine hochtragfähige Frostschutzschicht zu machen.
Ein diesbezügliches Patent wurde angemeldet.*1
In dem F & E-Projekt wird das Verfahren Kronenberger nach neuestem Standard angewendet. Zur optimalen Einstellung des Mischbinders wurde eine chemische Analyse des Bodens erstellt, die ergab, dass ein C70 (70% WFK-30% Zement) angebracht ist. Sofern der Tonmineralanteil des Bodens über 10% liegt, reicht ein Zementanteil von 30% des Mischbinders aus um mit ca. 0,5% Bindemittel die nach ZTVA und ZTVE-StB94 geforderten Werte zu erreichen.
Durch die Puzzolane im Zement, die aus hochreaktiven Tonmineralien bestehen, ergibt sich ein Ausgleich der chemischen Reaktionselemente, der Silikate (SiO2) und der Tonmineralien (Al2 O3), die mit dem aus Kalk (CaO) und der Bodenfeuchte (H2 O) entstandenen Calciumhydroxid Ca (OH)2 eine chemische Verbindung eingehen. Durch das so entstandene Calcium – Aluminium – Silicat – Hydrat Ca (Alx Siy 0z) verliert der bindige Boden sein thixotropes Verhalten, das heißt, er wird durch Energieeintrag beim Verdichten nicht mehr plastisch. Der Boden wird verdichtungsfähig, so dass die geforderten Proctorwerte von 97% problemlos mit einer niederfrequenten (30 Hz) Vibrationstechnik z.B. durch einen Anbauverdichter erreicht werden.
In Konsequenz heißt dies, das die Aufbereitung des Bodens mit ca. 0,5 Mischbinder, das Einbringen in den Graben und mittels des hier zur Anwendung kommenden Rammax -Anbauverdichters an einem Mobillbagger Liebherr 924, zu einem Preis von ca. 6,-€/m3 möglich ist.
Die Dosierung mittels Big Bag hat sich bei allen von Kronenberger zertifizierten Firmen als hinreichend genau und unproblematisch erwiesen, da eine Dosiergenauigkeit von +-0,1% völlig ausreicht, um die gewünschte Werte zu erreichen.
Die ausführende Fa. Stewering, Borken, ist seit 3 Jahren zertifiziert und führt mit 2 Terra - Star-Schaufelseparatoren ständig Kanalarbeiten im Ruhrgebiet aus. Das eingespielte Team führt unter der Leitung des Bauleiters Meyer, die Maßnahme zügig, trotz sehr beengter Platzverhältnisse durch.
Es sei nur am Rande erwähnt, dass Kronenberger der Initiator ist für die Nutzung des Anbauverdichters in dem F & E Projekt, die Nutzung der nachrüstbaren Nado - Hydraulikkupplung und dem testweisen Einsatz einer Kamera am unteren Ende des Baggerauslegers mit Monitor im Fahrerhaus, eine Technologie die längst überfällig ist.
Gleichzeitig wird eine Verschleißkontrolle der neuen (fast) unverschleißbaren Werkzeuge am Terra–Star-Schaufelseparator in das Projekt einbezogen.
Wie an anderer Stelle über das F & E-Projekt berichtet, werden die optimierten Rohre (ND700) ohne Arbeitsraum direkt zwischen den Verbau verlegt. Hierbei wird nur die Rohrleitungszone mit einem von der Firma Wesser-Beton, Pölzig und Kronenberger entwickelten "Leichtflüssigboden" vergossen. Das Bindemittel steht auf Paletten als Sackware zur Verfügung. Mit einem Gödde-Anbaumischer wird die Vergussmasse, deren Zuschlagstoffe aus dem aufbereiteten Boden bestehen kann, nach Bedarf hergestellt und über eine Schurre in die Rohrleitungszone eingebracht. Die Erstarrungszeit ist relativ kurz einstellbar, so dass die Verfüllung des in diesem Falle 6 m tiefen Grabens ohne große Verzögerung durchgeführt werden kann.
Anlässlich der Vorstellung des Projektes am 17.05.06, zu der sich hoher Besuch des Tiefbauamtes Dortmund sowie die Fach- und Tagespresse einfand, zeigte man sich von der zukunftweisenden Technik beeindruckt. Wie Herr Prof. Stein darstellte, dürfte der Rationalisierungseffekt durch die Anwendung der vorgestellten Technologie um weitere 20% steigen, zusätzlich zu dem hohen Rationalisierungseffekt durch das Verfahren Kronenberger, das zu Rationalisierungseffekten bis zu ca. 40% führen kann. Die Erkenntnisse aus diesem F & E-Projekt werden mit Sicherheit durch das beteiligte Team ausgewertet und in die Praxis umgesetzt.
Zur gleichen Zeit führt die Fa. Teckenbrock, Dorsten, ein Kanalbauprojekt auch unter sehr beengten Verhältnissen in Essen Kupferdreh durch. Allerdings handelt es sich hier um Nennweiten von 1800 mm. Dass das Herstellen von Bodenbaustoff bei Erschließungsarbeiten von Wohn- und Industriegebieten problemlos ist, bedarf wohl keiner besonderen Erwähnung.
Gründungsarbeiten für Hochregallager
Für die derzeitigen Gründungsarbeiten für ein 30-Etagen Hochregallager für die Kauflandgruppe in Dortmund, bei denen ca. 20 000 m3 Boden bis auf eine tragfähige Mergelschicht aufbereitet werden müssen, konnte die Fa. Richter, Paderborn, durch ein Nebenangebot nach Verfahren Kronenberger, den Auftrag erhalten. Im Gegensatz zur Aufbereitung von Böden für Kanalarbeiten wo die Böden grabfähig bleiben müssen, wird bei derartigen Maßnahmen die Dosierung des Mischbinders, entsprechend der chemischen Analyse, so eingestellt, dass z..B. mit 2,0 % innerhalb von 3-4 Tagen eine Tragfähigkeit von ca. 80MN/m2 Ev2 erreicht wird. Dabei wird der Kalkanteil so eingestellt, dass der eingebaute Boden einen pH-Wert von >11 hat und somit der Boden auf Dauer zu einer Bodenklasse 5 bis 6 bzw. 6 bis 7 wird. Das Ing.-Büro für Erd-, Grund-, Felsbau Dipl.-Ing.-Kügler Essen, führt die Überwachung durch.
Kalkbehandelter Boden hat im Gegensatz zur Zementstabilisierung eine hohe Elastizität, so dass eventuelle Setzungen des Untergrundes nicht zu Brüchen führen, sondern nur zu Mikrorissen führen, die sich durch die fortschreitende puzzolaniche Reaktion wieder schließen. Dies gilt auch für Dämme im Straßen–, Schienen- und Deichbau.
Bei früher durchgeführten Projekten ähnlicher Art, wurden bei entsprechender Vorgehensweise mit ca. 2 % Mischbindezugabe Ev2 von 120 bis 140 MN/m2 erreicht, womit die jeweils geforderten 80MN/m2 bei weitem überschritten wurden.
Nutzung der puzzolanischen Reaktion im Straßenbau
Das größte Nutzungspotential der puzzolanischen Reaktion liegt im Straßenbau.. Es ist unverständlich, dass bei dem Aufbau des Straßenunterbaues immer noch von einem Tragwert von 45MN/m2 Ev2 ausgegangen wird, obwohl mit ca. 2 % Bindemittel in einer stabilisierten Schicht von 50 cm Tragwerte von 150MN/m2 erreicht werden können.
Die Kronenbergersche Entwicklung aus bindigen Böden eine hochtragfähige Frostschutzschicht zu machen, ist die logische Konsequenz aus den gemachten Forschungserkenntnissen und Erfahrung in der Praxis.
Es ist bekannt, dass ein mit 3 % behandelter Boden unterhalb der vorgegebenen Werte der Frosthebungsgrenze liegt.
  • Es ist bei korrekter Einstellung des Bindemittels entsprechend der chemischen Zusammensetzung des Bodens möglich, mit ca.4 % (36 Kg/m2) bei einer stabilisierten Schichtdicke von 50 cm Tragwerte von 200 MN/m2 Ev2 innerhalb kurzer Zeit zu erreichen. Der Tragwert steigert sich durch die puzzolanische Reaktion auf die Dauer, da der Boden sich zu einer Bodenklasse 6 bis 7 entwickelt.
  • Es ist durch entsprechende Versuche nachgewiesen, dass durch die Nutzung eines Hydrophobierungsmittels, das über den Kalk des Mischbinders in den Boden eingetragen wird, die kapillare Saugspannung unterdrückt wird und der Boden zu einer kapillarbrechenden Schicht wird.
Somit sind die Anforderungen an eine Frostschutzschicht übererfüllt.
Entsprechende Untersuchungen wurden an der Materialforschungs- und Prüfanstalt der Bauhausuniversität Weimar erfolgreich durchgeführt. Die Durchführung eines Pilotprojektes mit einem namhaften Straßenbauunternehmen ist kurzfristig vorgesehen.
Besonders preisgünstig wird der Straßenbau durch die Kombination eines entsprechenden Unterbaues, mit dem in Frankreich seit über 15 Jahren genutzten PR-Plast S als Additiv in der bituminösen Tragschicht, Binder- und Deckschicht. PR Plast S ist ein Polyolefin, das mit 0,6 % dem Mischgut zugegeben wird, wobei ein normales, preisgünstiges nicht polymermodifiziertes Bitumen genutzt werden kann.
Prof. Dr. Beckedahl an der Uni-Wuppertal, hat bei entsprechenden Untersuchungen nachgewiesen, dass ein mit PR-Plast S additiviertes Mischgut die selben Werte gegen Spurrillenbildung und Elastizitätsmodule erbringt wie ein PMBH (hochpolymermodifiziertes Bitumen), wobei aber nur ca. 1/3 der Kosten entstehen. Eingehende Untersuchungen wurden zur Ausführung von ca. 100 000 m2 für den Containerterminal in Hamburg durch die Strabag gemacht. Sowohl die Eigen- als auch die Fremdlabor-Untersuchungen verliefen überzeugend, so dass das Nebenangebot der Strabag gegen das ausgeschriebene PMBH-Bindemittel angenommen wurde. In der Praxis ist das Verhalten derart positiv, dass das Hafenbauamt neuerdings in den Ausschreibungen die Nutzung von PR Plast S vorschreibt. PR Plast S kann problemlos in jeder Mischanlage zugesetzt werden und ist demzufolge jederzeit kurzfristig verfügbar.
Eine vergleichende Untersuchung durch das französische Computerprogramm ALIZE zur Ermittlung eines Fahrbahnaufbaues, erbringt folgendes Ergebnis, wobei die Kostenkalkulation von einem mittelständischen Straßenbauunternehmen gemacht wurde:

Angenommene Werte: Straßenklasse II - ca. 500 LKW pro Tag im Jahresmittel mit 13t-Achsen
Preiskalkulation nach momentanem Standard (Ruhrgebiet):

Bauweise nach Kronenberger:    28,07 €/m2

Konventionelle Bauweise mit
Stabilisierung des Planums:       48,50 €/m2

Preisdifferenz pro m2 20,43 €/m2 = 48 %
Wie bereits die Herstellung von Bodenbaustoff für den Kanal und Rohrleitungsbau nach Verfahren Kronenberger durch Nebenangebote von Pilotfirmen seinen Platz im allgemeinen Baugeschehen eingenommen hat, wird auch das Verfahren Kronenberger zur Herstellung von Bodenbaustoff als gründungsfähiger Baugrund für Bauwerkshinterfüllung und im Straßenbau seinen Weg machen.
Diese Maßnahmen müssen allerdings von fortschrittlichen Baugrundinstitutionen begleitet werden. Durch Nutzung des ALIZE-Berechnungsprogrammes ist es ebenso möglich, entsprechende Straßenbaumaßnahmen zu begleiten, um Risiken auszuschalten.
Das enorme Kosteneinsparungspotential dürfte ein großer Anreiz für kommunale Auftraggeber sein, sich dieser modernen Technologie anzuvertrauen. Ob die BAST sich jemals dieser Technologie öffnet, ist eine andere Frage, die gestellt werden muss, nachdem zu einer Spurrinnen geschädigten Reparaturstrecke auf der A1 bei Euskirchen, Bauausführung im Herbst 2000, bis heute noch kein offizieller Schlussbericht vorliegt, obwohl die Reparaturstrecke bis zum heutigen Tag augenscheinlich in allen Belangen keine verkehrsbedingte Abnutzungs- oder Verformungserscheinungen aufzeigt.
Literatur:

(1) Winterschäden an ehemaligen Rohrleitungs- und Kanalbaustellen-Vorschläge zu ihrer Verhütung, Technische Werke der Stadt Stuttgart AG.
(2) Langzeitverhalten bindiger Böden nach Verbesserung und Verfestigung mit Feinkalk von Dipl.-Ing. H.Ritter, Dipl. Geol. U. Stahff, Veröffentlichung in Tiefbau 5/91
(3) Fachschrift Kronenberger 0/2 2003 (überarbeitet 11/05) Ökonomisches und Ökonomisches Bodenrecycling im Kanal-und Rohrleitungsbau von E.J. Kronenberger
(4) Branntkalk zur Trocknung von Substraten für den Bau von Deponieabdichtungen - Möglichkeiten und Probleme von Thorsten Junge, Rainer Horn, Veröffentlichung in Wasser & Boden 53/6, 4-6 (2001)
(5) Zement-Kalk-Stabilisierung von Prof. Dr. Karl Josef Witt Geotechnik-Seminar Weimar 2002, Bauhaus-Universität Weimar
(6) Dispersionen und Emulsionen, Lagerly, Schulz, Zimehl, Steinkopff, Darmstadt
(7) Handbuch der Geologie und Geotechnik, Prof. Dr. Wolfgang, R. Dachroth, 3. erweiterte und überarbeitete Auflage –Springer-Verlag
(8) Neue Erkenntnisse im Verhalten kalkbehandelter Böden zur Wiederverwendung im Kanal- und Rohrleitungsbau – tis 7/8 2003, E.J. Kronenberger, ing. ing. Perl
*1) Patentanmeldung Nr. 102 26 232.2-25

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