Ettringittreiben in bindemittelbehandelten, sulfathaltigen Böden

Bei Bodenbehandlungen mit calciumbasierten Bindemitteln ist es im Erd- und Straßenbau wiederholt zu Schadensfällen gekommen, die auf eine Mineralreaktion im Boden zurückzuführen sind. Werden Böden mit natürlichem Sulfatgehalt (z.B. Gips etc.) zu bautechnischen Zwecken mit calciumbasierten Bindemitteln behandelt, so kann das Bindemittel unter bestimmten Randbedingungen mit dem Sulfationen aus dem Gips zum Mineral Ettringit reagieren. Durch die Bindemittelbehandlung wird im Boden der pH-Wert erhöht und dadurch Silikate und Aluminate aus der Tonfraktion freigesetzt. Die vorhandenen Sulfate im Porenwasser reagieren mit den freigesetzten Aluminaten und dem freien Calcium aus dem Bindemittel und es kommt zur Bildung von Mineralen aus der Gruppe der Ettringite, die einen Kristallwasseranteil von etwa 46 M.-% haben und daher sehr voluminös und leicht sind. Durch diese Volumenvergrößerung infolge der Mineralreaktion kann es zu Hebungsschäden kommen.

 

 Abbildung 1: Aufgequollenes Planum durch Treibmineralien BAB A71 (DEGES, 2014: A71 AS Sömmerda Ost, provisorische Anbindung B85, Verformung und Risse im Erdkörper, Präsentation der DEGES bei der Pressekonferenz zur A 71 im TMBLV. ) Abbildung 2: Risse in der Frostschutzschicht BAB A71 (DEGES, 2014: A71 AS Sömmerda Ost, provisorische Anbindung B85, Verformung und Risse im Erdkörper, Präsentation der DEGES bei der Pressekonferenz zur A 71 im TMBLV. ) 

 

Ein aktuelles Beispiel für einen Schadensfall infolge von Ettringittreiben ist die Bundesautobahn A71. Nach dem Winter 2013/2014 traten an den im Herbst 2013 verbesserten Planien und Dammböschungen Schäden auf (Abbildung 1 und 2). Die Dämme waren im Sommer und Herbst 2013 fast vollständig aus dem Abtrag geschüttet worden. Die Böden sind aus dem Bereich des Mittleren und Unteren Gipskeupers. In der Planung der Baumaßnahme wurden umfangreiche experimentelle Untersuchungen durchgeführt, da bereits bei früheren Teilabschnitten Schäden aufgetreten waren (Hecht & Krings, 2009), (Hecht, 2010). Die experimentellen Untersuchungen ließen mit dem eingesetzten Bindemittel nur ein geringes Quellpotential vermuten. Die äußere Zone der Dammböschungen und das Planum wurden daraufhin im Herbst 2013 mit einem Hochofenzement mit hohem Sulfatwiderstand behandelt. Das Planum wurde mit einer Schutzlage aus Frostschutzmaterial überschüttet. Im Frühjahr 2014 wurde an fertiggestellten und überschütteten Planien eine Auflockerung mit einem Verlust der Festigkeit und der Tragfähigkeit festgestellt (DEGES, 2014).

 

Für die Reaktion des Sulfattreibens im Boden sind zwar die Einflussfaktoren bekannt, allerdings steht der Baupraxis kein standardisiertes Prüfverfahren mit eindeutig definierten Kenngrößen zur Verfügung. Das Ziel der Forschungsarbeit „Kenngrößen zur Risikoabschätzung des Ettringittreibens“, gefördert durch die Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt), war die Entwicklung eines praxistauglichen Prüfverfahrens als Grundlage für eine zu entwickelnde Prüfvorschrift. Dafür waren Kenngrößen und Richtwerte zur Beurteilung des Risikos von Treiberscheinungen durch Ettringitbildung bei der Bindemittelbehandlung von sulfathaltigen Böden zu identifizieren. Zur Beantwortung der offenen Fragestellungen wurde im Rahmen einer Forschungsarbeit das Quellverhalten von natürlich sulfatfreien und natürlich sulfathaltigen Böden u.a. in Abhängigkeit vom Sulfatgehalt mit Pulverquellversuchen nach (Thuro, 1993) in Oedometerversuchsständen systematisch untersucht (Abbildung 3).

Im Ergebnis der bisherigen Forschungsarbeit wurde ein linearer Zusammenhang zwischen dem Sulfatgehalt im Boden und den eingetretenen Quellhebungen festgestellt (Abbildung 4).

 

Abbildung 3: Prüfeinrichtung zur Messung der Quellhebung

Basierend auf dem durchgeführten Versuchs- programm konnten für eine erste Abschätzung der infolge Ettringitbildung zu erwartenden Dehnungen in Abhängigkeit des Sulfatgehalts des behandelten Bodens die in den Abbildungen 5 und 6 angegebenen Bandbreiten ermittelt werden. Zur Ermittlung der Bandbreiten wurden die in den Versuchen gemessenen Dehnungen für alle Materialien in Abhängigkeit der Bindemittelart gemittelt. Zu beachten ist, dass der kritische Sulfatgehalt zum einen stark materialabhängig und zum anderen durch die Wahl des Bindemittels beeinflusst wird. Es konnte die Beobachtung von (Keller, Mosthof, Laptev, & Gilde, 2002) bestätigt werden, dass eine Bodenbehandlung mit Weißfeinkalk mit größeren Dehnungen verbunden ist als eine Behandlung mit Zement und eine Verwendung von Zement daher das Schadensrisiko verringern kann (Moormann & Knopp, 2015).  

 Abbildung 4: Dehnungen infolge Ettringitneubildung in Abhängigkeit des Sulfatgehalts. Verwendet wurde hier ein ausgelaugter Gipskeuper, dem Sulfat in verschiedenen Mengen hinzugegeben wurde. Als Bindemittel wurde 4% Zement (schwarze Kurve) und 4% Weißfeinkalk (rote Kurve) hinzugegeben

 

Abbildung 5: gemittelte Dehnungen in Abhängigkeit des Sulfatgehalts für zementbehandelte Böden zur Risikobewertung Abbildung 6: gemittelte Dehnungen in Abhängigkeit des Sulfatgehalts für kalkbehandelte Böden zur Risikobewertung

 

Die Kristallisation von Ettringitmineralen konnte über Rönt- gendiffraktometrie (XRD) und Elektronenmikroskopaufnah- men (REM, Abbildung 7) bestätigt werden. 

Bisher konnten aber nur wenige der vielen Rand- bedingungen, die die Kristallisation von Ettringitmineralen begünstigen, untersucht werden. Der Einfluss bestim- mender Faktoren wie z.B. die Porenstruktur, der Verdich- tungsgrad, die Umgebungstemperatur, der Bindemittel- gehalt, der Dolomit-Gehalt, der Einfluss eines Frost-Tau-Wechsels, die Verwendung eines sulfatbeständigen Zements und auch die Anwendbarkeit der Indexversuche zur qualitativen Sulfatbestimmung im Feld, konnten nicht untersucht und bewertet werden, so dass hier weiterer Forschungsbedarf besteht.

 

Abbildung 7: Elektronenmikroskopaufnahme einer Probe mit 4% Portlandzement und
10.000 ppm Sulfat

 

Literatur:

DEGES (2014). A71 AS Sömmerda Ost, provisorische Anbindung B85, Verformung und Risse im Erdkörper, Präsentation der DEGES bei der Pressekonferenz zur A 71 im TMBLV. .

Hecht, T. (2010). Fahrbahnanhebungen infolge von Treibmineralbildung in bindemittelverbesserten gipshaltigen Böden. 41. Erfahrungsaustausch über Erdarbeiten im Straßenbau.

Hecht, T. & Krings, M. (2009). Besondere Erfahrungen beim Erdbau mit treibmineralbildenden Böden. Vortrag 16. Brandenburgischer Bauingenieurtag, Cottbus.

Keller, P., Mosthof, A., Laptev, V. & Gilde, S. (2002). Gipskeuper: Baugrundrisiken durch die Bildung von Ettringit/Thaumasit.

Moormann, Ch. & Knopp, J. (2015). Kenngrößen zur Risikoabschätzung des Ettringittreibens von sulfathaltigen Böden in Verbindung mit Bodenbehandlungen. Fachtagung der Gütegemeinschaft Bodenverbesserung und Bodenverfestigung (GBB), 20.01.2015, Kassel, Tagungsunterlagen.

Thuro, K. (1993). Der Pulver-Quellversuch - ein neuer Quellhebungsversuch. Geotechnik, 16, S. 101-106.

 

↑ Seitenanfang

Kontakt: Julia Knopp