Damit hoeherwertige oder beschraenkt verfuegbare Baustoffe eingespart und gleichzeitig Abfallstoffe wiederverwendet werden koennen, sollen geeignete Mischungen gefunden werden, in denen die Abfallstoffe entweder Mineralstoffersatz oder Bindemittelzusatz darstellen. Die Mischungsverhaeltnisse sind so zu waehlen, dass nicht nur die technischen Vorschriften erfuellt werden (mechanische Festigkeit, Frostsicherheit), sondern auch fuer moegliche Abnehmer der finanzielle Vorteil bei Einsatz der Abfallstoffe gegenueber Industrieprodukten deutlich wird. Nach Untersuchung der Ausgangsstoffe soll erreicht werden: 1. Bodenverbesserung: a) Loess und Braunkohlenflugasche, B) Loess und Huettensand; 2. Verfestigung von Abfallstoffen: a) Waschberge und Zement, b) Muellasche und Zement, c) Vorsiebmaterial und Zement; 3. Verfestigung von Abfallstoffen: a) Sand und Flugasche, b) Sand und Huettensand und Kalk, c) Vorsiebmaterial und Huettensand und Kalk.
Phasentransferreaktionen (Adsorption, Desorption, Oberflächenkomplexierung) bestimmen die Verteilung, den Verbleib und die Wirkung von natürlichen und anthropogenen Polyhydroxycarbonsäuren in verschiedenen Umweltkompartimenten (Sedimente, Böden, Aquifer) und in technischen Medien (Abfalldeponien, radiodaktive Endlager). Die gebildeten Oberflächenreaktionsprodukte modifizieren die physikalisch-chemischen Eigenschaften partikulärer Sorbentien und nehmen darüber Einfluss auf die Größenverteilung, die Rheologie und ggf. das Sedimentationsverhalten der Partikel. Zum Verständnis dieser Prozesszusammenhänge ist die Analyse der Mechanismen, der Stoffumsätze und der Produkte der Oberflächenreaktionen unumgänglich. Das Forschungsvorhaben behandelt grundlagenorientierte Fragestellungen (Parameter der Verteilungsgleichgewichtseinstellung hochhydrophiler niedermolekularer organischer Komplexbildner, Struktur und Stabilität von Oberflächenreaktionsprodukten, Reaktionsbeeinflussung durch physikalisch-chemische Milieufaktoren, molekülstrukturelle Faktoren der Festphasenaffinität), aus deren Verknüpfung mit Umweltgefährdungsaspekten (Schadstoffeinbettung im Deponie- und Endlagerbereich, Metall- und Radionuklidmobilisierung, Grundwassergefährdung) sich zusätzlicher Forschungsbedarf ergibt.
Zement angreifende chemische Stoffe im Grundwasser wie z. B. Kohlensäure, Ammonium und Sulfat können die Grenztragfähigkeit von geotechnischen Bauteilen wie Verpressanker und Pfählen reduzieren. Dies soll anhand von Versuchen und numerischen Simulationen untersucht werden.
Aufgabenstellung und Ziel
Bei den laufenden Projekten und Baumaßnahmen der Wasserstraßen- und Schifffahrtsverwaltung des Bundes (WSV) ergeben sich immer wieder Schwierigkeiten, die Auswirkungen eines chemischen Angriffs auf den Mörtel bzw. Beton bei geotechnischen Elementen wie Verpressankern, Kleinverpresspfählen und Betonpfählen bezüglich der dauerhaften Tragfähigkeit realistisch zu bewerten und angemessene Anforderungen an Baustoffe und Bauweisen festzulegen. Die in der Literatur und teilweise auch im Regelwerk sowie in Zulassungen beschriebenen Lösungsansätze sind zumeist entweder nicht praxistauglich oder aufgrund der gewählten Randbedingungen bei den dokumentierten Modellversuchen nicht ausreichend realitätsnah. Im Rahmen eines in drei Teile gegliederten Gesamtvorhabens (1. Einwirkungen von chemischen Substanzen aus dem Grundwasser, 2. Widerstand des Mörtels bzw. Betons gegenüber dem chemischen Angriff, 3. Veränderung des Tragverhaltens aufgrund der Veränderung des Mörtels bzw. Betons) wird in diesem Teilprojekt 3 die Grenztragfähigkeit der geotechnischen Elemente unter der Einwirkung eines chemischen Angriffs untersucht.
Ein Hauptaspekt des FuE-Vorhabens ist die Untersuchung des kalklösenden Kohlensäureangriffs auf Verpressanker. Zur Tragfähigkeit von Ankern und Verpresspfählen unter Einwirkung von kalklösender Kohlensäure sind bisher nur wenige Versuchsreihen (Manns und Lange 1993, Hof 2004, Triantafyllidis und Schreiner 2007) durchgeführt worden, welche aufgrund der differierenden Versuchsrandbedingungen nur schwer direkt vergleichbar sind. Unterschiede liegen zum Beispiel in der Größe der Ankerkörper und deren Herstellung. In allen Versuchsreihen zeigte sich in den ersten Monaten eine deutlich erkennbare Abnahme der Tragfähigkeit, die sich mit fortschreitender Dauer des chemischen Angriffs verlangsamte. Dabei variierte der Tragfähigkeitsverlust zwischen 20 und 70 Prozent. Diese divergierenden Ergebnisse für die Grenztragfähigkeit der Verpressanker sollen verifiziert und entsprechend der neuen Erkenntnisse angepasst werden.
Bedeutung für die Wasserstraßen- und Schifffahrtsverwaltung des Bundes (WSV)
Verpressanker und Kleinverpresspfähle werden im Rahmen von Baumaßnahmen der WSV - beispielweise bei Auftriebssicherungen von Schleusen- und Wehrsohlen, bei Rückverankerungen von Ufereinfassungen, aber auch bei der temporären Sicherung von Baugruben - verwendet. In den Fällen mit einem erhöhten chemischen Angriff aus dem Grundwasser oder dem Boden auf den Mörtel bzw. Beton dieser geotechnischen Elemente müssen diese aufgrund nicht ausreichender praxistauglicher Erkenntnisse und Lösungsansätze über die Tragfähigkeitsverluste durch kostenintensivere Konstruktionen wie z. B. Stahlrammpfähle ersetzt werden. Die Konsequenzen sind deutliche Kostensteigerungen, höhere Lärmbelästigungen, größere Erschütterungen sowie insgesamt ein gestiegener Arbeitsaufwand in Verbindung mit einer längeren Bauzeit.
Untersuchungsmethoden
Im Rahmen dieses Forschungs- und Entwicklungsvorhabens wird zum einen ein umfangreiches Laborprogramm mit Modellankern, bei denen baupraktische Randbedingungen wie In-situ-Spannungszustände und der Verpressvorgang berücksichtigt werden können, durchgeführt. Zum anderen findet parallel die Untersuchung an Verpressankern hinsichtlich ihrer Grenztragfähigkeit bei betroffenen Bauvorhaben der WSV statt.
In Verbindung mit der Ruhr-Universität Bochum und der Firma Schudy Sondermaschinenbau erfolgte die Entwicklung eines Versuchsstandes, der im Frühjahr 2019 in Betrieb genommen wurde. Der Versuchsstand besteht insgesamt aus sieben Versuchscontainern. (Text gekürzt)