Effizienz technischer Sicherungsmaßnahmen im Erdbau

BASt S 102: Effizienz technischer Sicherungsmaßnahmen im Erdbau – Lysemetrieuntersuchungen unter Laborbedingungen

Chr. Kellermann-Kinner, M. Bürger, T. Marks

72 S., 68 Abb., 27 Tab., ISBN 978-3-95606-270-4, 2016, EUR 16,50

Bei Straßenbaumaßnahmen werden im Erdbau große Massen bewegt. Nicht immer gelingt der Massenausgleich innerhalb einer Baumaßnahme, so dass dann andere Baustoffe zur Herstellung der Erdbauwerke benötigt werden. Hierfür können Ersatzbaustoffe, wie Recycling-Baustoffe, industrielle Nebenprodukte oder aufbereitetes Bodenmaterial verwendet werden, um natürliche Ressourcen zu schonen. Neben der bautechnischen Eignung der Ersatzbaustoffe spielt der Schutz von Boden und Grundwasser mittlerweile bei der Auswahl der Baustoffe eine wesentliche Rolle. Um diesen zu gewährleisten, ist bei Ersatzbaustoffen zu prüfen, ob umweltrelevante Inhaltsstoffe mit dem Sickerwasser in relevanten Mengen in Boden und Grundwasser ausgetragen werden können.

Die Bundesanstalt für Straßenwesen widmet sich diesem Themenbereich in der Forschungslinie „Die postfossile Gesellschaft: Verbesserte Nutzung endlicher Ressourcen im Straßenwesen“. Das überge¬ordnete Ziel der verschiedenen Forschungsprojekte ist dabei, den Einsatz von Ressourcen zu optimieren und gleichzeitig die Auswirkungen auf die Umwelt zu bewerten.

Aus Sicht des Straßenbauingenieurs reicht das vorhandene Wissen über Wasser im Straßenbauwerk für die Beurteilung der Gebrauchstauglichkeit vollkommen. Für die hydrogeologische Beurteilung der Durchsickerung im Hinblick auf den Boden- und Grundwasserschutz ist der heutige Wissensstand jedoch noch unzureichend. Insbesondere sind dazu folgende Fragen offen: Wie viel Wasser gelangt in das Straßenbauwerk und wie viel Wasser durchsickert die Straßenböschung?

Zum Schutz von Boden- und Grundwasser wurden im Erdbau mit Ersatzbaustoffen technische Sicherungsmaßnahmen (TSM) entwickelt. Mit diesen Bauweisen kann die Menge des Sickerwasser¬eintrags in das Bauwerk reduziert und damit der Austrag an umweltrelevanten Inhaltsstoffen verringert oder sogar ganz vermieden werden.

Ziel der Forschungsarbeiten zum Thema Durchsickerung von Straßenböschungen ist es, eine belastbare Datengrundlage zur Sickerwassermenge zu schaffen. Daraus werden Instrumente entwickelt, um die Wirksamkeit der unterschiedlichen technischen Sicherungsmaßnahmen zu beurteilen. Durch die ökonomisch und ökologisch optimierten Bauweisen soll das Potential für den Einsatz von Ersatzbaustoffe im Erdbau des Straßenbaus erhöht werden.

In diesem Projekt „Effizienz technischer Sicherungsmaßnahmen im Erdbau – Lysimeter¬untersuchungen unter Laborbedingungen“ wird der Forschungsansatz der großmaßstäblichen Versuche verfolgt, mit dem Ziel die Wirksamkeit von TSM zu beurteilen. Hierzu wurden Lysimeter entwickelt und eine zugehörige Beregnungseinheit. Mit der Anlage wurde ein Instrument geschaffen, um unter vergleichbaren, kontrollierten und zeitgerafften Bedingungen verschiedene Kombinationen aus TSM und Ersatzbaustoffen am Ausschnitt einer Böschung im Maßstab 1:1 zu prüfen. Um klimatische Einflüsse weitestgehend auszuschließen, wird die Anlage in einer Versuchshalle aufgestellt, so dass Lysimeteruntersuchungen unter Laborbedingungen durchgeführt werden können.

Die Vorteile der Lysimeteruntersuchungen unter Laborbedingungen liegen in einer gut erfassbaren Wasserbilanz und der Möglichkeit, regelmäßig Wasserproben für die chemischen Untersuchungen zu gewinnen. Zu den Schwächen gehört, dass Umwelteinflüsse und Straßenabfluss nicht berücksichtigt werden und ggf. nicht erfassbare Randeinflüsse vorhanden sind. Zudem sind die Versuchsdauern lang und die Versuche sind betreuungsintensiv. Aufgrund der Abmessungen des Lysimeterkastens sind nicht alle TSM realisierbar.
In dieser ersten Versuchsserie wurden ein bindiger und ein kiesiger Boden untersucht. Als TSM wurden eine Dränmatte, eine wasserabweisende Anspritzung mit Bitumen und eine Vergleichsvariante ohne TSM eingesetzt, so dass sich aus der Kombination von zwei Böden und drei Bauweisen insgesamt sechs Versuchsreihen ergeben. Die Lysimeterversuche wurden von September 2011 bis Dezember 2012 durchgeführt. Während der 15-wöchigen Versuchsreihe wurde jeden Tag das Gewicht des Lysimeters und des Oberflächenabflusses ermittelt. Das Sickerwasser wurde gemessen und analysiert. Während dieser Zeit wurden in jeder Woche ein bis drei Regenereignisse durchgeführt.

Die wesentlichen Erkenntnisse zur Wirksamkeit der TSM sind: 1. trotz mehrfacher Bitumenanspritzung konnte für beide Böden die Sickerwassermenge nicht wesentlich reduziert werden und 2. die beste Wirkung hat die Bauweise kiesiger Boden mit Dränmatte erzielt. Dies ist erstaunlich, da diese Bauweise eigentlich nur für Baustoff mit geringer Durchlässigkeit vorgesehen ist.

Die Menge an umweltrelevanten Inhaltstoffen wird von den beiden Faktoren Konzentration im Sickerwasser und Menge des Sickerwassers bestimmt. Der entscheidende Faktor bei den aufsummierten Frachtkurven ist die Sickerwassermenge, diese wird von der TSM beeinflusst. Es ist also möglich mit einer geeigneten TSM den Austrag von umweltrelevanten Inhaltsstoffen aus einer Straßenböschung zu verringern.