WBM Weimarer Boden-Mörtel: Erfahrungsbericht
18.03.2008
Aufgrund der Versäumnisse in der Gegenwart und Vergangenheit, in denen der gezielten Sanierung und Erneuerung von Rohrleitungsnetzen nur ungenügend Aufmerksamkeit geschenkt wurde, ist in naher Zukunft mit einem erhöhten Sanierungs- und Erneuerungsbedarf an Rohrleitungen und Rohrleitungsnetzen zusätzlich zu den Neuerschließungen zu rechnen. Infolge von Havariefällen oder nachträglicher Verlegung von Leitungen jeglicher Art werden gegenwärtig bereits eine Vielzahl intakter Straßenoberflächen geöffnet und anschließend der Versuch unternommen, die Fahrbahndecke in ihrem alten Zustand wieder herzustellen. Die erforderlichen Arbeiten für den Tiefbau; d.h. das Ausheben des Bodens, den Wiedereinbau des Verfüllmaterials und das Wiederherstellen des Straßenoberbaus machen bei diesen Baumaßnahmen den Hauptanteil an den Gesamtkosten aus. In innerstädtischen Bereichen können diese Baukosten bis zu 80 % der Investitionskosten für die Rohrleitung ausmachen. Hier liegt also ein erhebliches Einsparpotential für die Sanierung und Erneuerung von Leitungsnetzen.
Fließfähige Verfüllmaterialien zeichnen sich dadurch aus, dass sie nach ihrer Herstellung für eine gewisse Zeit in einem fließfähigen Zustand verbleiben und sich danach durch einen gezielten Abbindeprozess stabilisieren bzw. verfestigen. Die Plastizität sowie die zu erreichenden Festigkeiten sind meist einstellbar und werden auf die aus unterschiedlichen Anwendungsfällen resultierenden Anforderungen angepasst. Diese fließfähigen Verfüllmassen sind in ihrer Herstellung und Verarbeitung vergleichbar mit Mörtel und Fließestrich, unterscheiden sich aber z. T. in ihren Ausgangs- und Zusatzstoffen und je nach Anwendungsgebiet in ihren Endprodukteigenschaften. Bild 1 enthält einen allgemeinen Überblick über gebräuchliche Verfüllmaterialien.
Neben den verschiedenen Schüttgütern finden insbesondere die speziell für den Anwendungsfall Bettungs- und Verfüllmaterial für Leitungssysteme in den letzten Jahren entwickelten und sich in der Praxis bewehrten fließfähigen selbstverdichtenden Material immer breitere Anwendung.
Die „Stabilisierte Sandmischung“ ist ein in Österreich Anfang der 80 er Jahre speziell für das Verfüllen von Rohrleitungsgräben entwickeltes fließfähiges Verfüllmaterial. Es besteht aus Sand, Wasser, diversen Betonzusatzstoffen, dem mineralischen Bindemittel Zement und einem Fließmittel auf der Basis von mit Druckluft und Wasser aufgeschäumten alkalibeständigen Proteinen. Bei Eignung des Aushubmaterials kann dieses (fraktionsabhängig) wiederverwertet werden und damit der Natursand z. T. ersetzt werden. Ein Umschließen der Rohrleitungen ohne Verdichtungsarbeit wird durch das Fließverhalten der „Stabilisierten Sandmischung“ möglich. Aufgrund der überwiegenden Bestandteile an Sand der Fraktion bis 8 mm und des niedrigen Zementanteils werden Endfestigkeiten erreicht, die dem gewachsenen Boden entsprechen und ein späteres Freilegen der Rohrleitung (Spatenlösbarkeit) ohne Probleme ermöglichen [2].
Durch die MVV Energie AG Mannheim wurde aufgrund der nur in Österreich zur Verfügung stehenden Rezeptur der SSM von der Firma Schwarzl der Versuch unternommen, Verfüllmaterialien auf der Basis regional zur Verfügung stehender Materialien zu entwickeln. Umfangreiche Technikumsversuche insbesondere für den Einsatz an Fernwärmeleitungen wurde durchgeführt [3].
Der Weimarer Boden-Mörtel kann aufgrund seiner Zusammensetzung als konsequente Weiterentwicklung von Boden-Bindemittel-Gemischen angesehen werden. Er besteht zu über 90 % aus Recyclingmaterial und/oder natürlichen Aushubböden, wie Kies, Sand, Schluff und Ton. Neben dem Vorteil der Boden-Bindemittel-Gemische durch die Zugabe von hydraulischen Bindemitteln Böden wiedereinbaubar zu machen, weist der Weimarer Boden-Mörtel, wie die „Stabilisierte Sandmischung“, den Vorteil auf, fließfähig und damit verdichtungslos einbaubar zu sein. Als Verflüssiger fungiert hierbei eine Mischung aus Wasser, Ton sowie speziellen Zusätzen und als Stabilisator Zement.
Die Vorteile der fließfähigen, selbstverdichtenden Verfüllmaterialien sind:
- Verdichtungsloser Einbau und damit Wegfall der Verdichtungsarbeit,
- Spatenlösbarkeit des Bettungsmaterials,
- Reduzierung der Grabenbreiten und damit Reduzierung des Aushubvolumens,
- Verringerung der Beanspruchung des Rohres beim Einbau,
- Verbesserung der Bettungseigenschaften, d.h. Lagerbedingungen des Rohres und daraus resultierend Erhöhung der Lebensdauer der Rohrleitung und Rohrleitungsnetze.
- durch gezielte Rezepturerstellung den anstehenden natürlichen Boden bzw. Recycling-Material als Grundmaterial einzusetzen und damit das Aushubmaterial einer direkten Verwertung zuzuführen,
- in weiten Grenzen und in Abhängigkeit vom einzusetzenden Grundmaterial einstellbare Verarbeitungs- und Endprodukteigenschaften,
- Schonung der immer knapper werdenden natürlichen Ressourcen,
- Einsparungen für das Ablagern und Verwerten von Aushubmaterialien,
- geringe Kosten für Herstellung und Einbau des Verfüllmaterials,
- Umweltverträglichkeit und damit Einsatzmöglichkeit in allen Bereichen (Wasserschutzzonen) bei geeignetem Grundmaterial.
Das Vorschriftenwerk des Leitungs- und Straßenbaues nimmt bereits auf die Anwendung von Boden-Bindemittel-Gemischen bzw. stabilisierten Böden bezug. Der Boden-Mörtel ist eine schlüssige Weiterentwicklung dieser Boden-Bindemittel-Gemische, die zu einem neuen Baustoff und einer neuen Einbautechnologie geführt hat.
Grundmaterial: geeignete Recyclingbaustoffe, natürliche Böden (Aushub), wie Kies, Sand, Schluff und Ton bzw. Gemischen davon
Verflüssiger: PLATROS, eine Mischung aus Wasser, Ton und speziellen Zusätzen
Stabilisator: Zement
Das Kreislaufwirtschafts- und Abfallgesetz (KrW/AbfG) beinhaltet bekanntlich das Prinzip: "Abfallvermeidung vor Abfallverwertung vor Abfallbeseitigung". Indem das Weimarer Boden-Mörtel-Verfahren als Grundmaterial die örtlich anstehenden Aushubböden wieder verwendet, wird, da für die Leitungszone kein Natursand mehr verwendet wird, nicht nur Abfall vermieden, sondern auch natürliche Ressourcen geschont. In den langjährigen Untersuchungen des FITR Weimar e.V. konnte für die Mehrheit von Aushubböden die Eignung als Grundmaterial nachgewiesen werden. Für stark lehmige Böden sind aber entsprechend geeignete Mischver-fahren mit hoher Mischintensität erforderlich. Bei Leitungstrassen unter befestigten Verkehrsflächen werden nicht nur die angeschnittenen Erdschichten durchmischt, auch Festgesteine aus Frostschutzschichten und Schottertragschichten kommen mit hinzu.
Die Herstellung und Verarbeitung des WBM kann ähnlich der Transportbetonherstellung erfolgen. Die oben genannten Bestandteile werden nach vorgegebener Rezeptur in einer stationären oder mobilen Mischanlage zum Fertigprodukt verarbeitet.
Die vorübergehende Konsistenz zur Verarbeitung der Mischung kann im Bereich steif bis weich/breiig eingestellt werden. Der Transport zur Baustelle erfolgt mit normalen Transportbetonmischfahrzeugen. Über die am Fahrzeug befindliche Austragsschurre fließt das Material in den zu verfüllenden Hohlraum im Erdreich.
Die Erfahrungen beim Einsatz von WBM stützen sich im Wesentlichen auf umfangreiche Labor und Eignungsuntersuchungen einer Vielzahl verschiedener Ausgangsmaterialien und auf zahlreiche bundesweit vom FITR Weimar e.V. ausgeführten bzw. betreuten Versuchsbaustellen sowie den Erkenntnissen der Lizenznehmern bei der Markteinführung und Bau mit WBM.
Langzeituntersuchungen an bestehenden Baustellen seit 1996 zeigen, dass sich die Enddruckfestigkeiten und damit auch das Tragverhalten des WBM in der Praxis nur unerheblich verändern und eine manuelle Lösbarkeit des Materials auch über längere Zeiträume gegeben ist.
- gefräster bindiger Aushubboden mit Gesteinseinschlüssen aus der Schottertragschicht nach Absiebung, Größtkorn 40 mm
- Mischabbruchgranulat 0 - 8 mm
Neben der Grabenbreite stellt die Grabentiefe einen entscheidenden Einflussfaktor für die anfallenden Tief- und Straßenbauarbeiten und damit entstehenden Kosten in diesem Bereich dar. Eine Reduzierung der Verlegetiefen kann, wie die Verringerung der Grabenbreiten, zu erheblichen Kosteneinsparungen im Tief- und Rohrleitungsbau und damit für den Bau, Betrieb sowie die Instandhaltung der Verteilungsnetze führen.
Für das biegesteife Beton-Rohr ergeben sich bei den betrachteten WBM-Sand und WBM-RC identische Er-gebnisse im Spannungsnachweis. Die Bilder 6 und 7 zeigen zunächst die Untersuchungsergebnisse für das Beton-Rohr am kritischen Punkt Rohrsohle.
Die nachfolgenden Abbildungen zeigen die Ergebnisse der statischen Berechnungen der biegeweichen Rohrleitungen. Das Erddruckverhältnis K2 beträgt bei allen Variationen 0,4. Bild 8 gibt für das PVC-U-Rohr mit DN 500 die Sicherheiten in der Sohle an.
Der Nachweis der Verformungen ist insbesondere für den Langzeitfall zu führen.
Für ein biegeweiches Rohr mit zugehöriger Nennsteifigkeit (UP-GF-Rohr) sind die in Bild 10 enthaltenen Verformungswerte δv bei unterschiedlichen Verfüllvarianten des Rohrgrabens und verschiedenen Auflagerwinkeln 2α zu verzeichnen.
Auch beim Dehnungsnachweis für das UP-GF-Rohr (Bild 11) zeigt sich, dass die Verfüllung des Rohrgrabens mit WBM gegenüber der konventionellen Verfüllmethode eine deutliche Erhöhung der Sicherheiten bewirkt.
[2] Österreichisches Patent AT Nr. 374163: Gießfähige Mischungen, vorzugsweise zum Verfüllen von Künetten, Gräben und dgl. vom 15.08.1984.
[3] Hoffmann, H.-W.; Göhler, T..: Erfahrung beim Einsatz von selbstverdichtenden Verfüllmaterialien. Vortrag während der 6. Bregenzer Rohrleitungstage am 30.September/01.Oktober 2003. Tagungsmaterial, Ordner.
[4] „Anforderungen an die stoffliche Verwertung von mineralischen Reststoffen / Abfällen“ (LAGA-Richtlinie). Technische Regel der Länderarbeitsgemeinschaft Abfall.
[5] Werner, D.; Henning, O.: Schmalere Leitungsgräben durch verdichtungslose Rohrbettung und –verfüllung – ein neuer wirtschaftlicher Lösungsansatz. ROHRBAU-Mitteilungen 1/97, S. 33-41, Herausg. Forschungsinstitut für Tief- und Rohrleitungsbau Weimar e. V. 1997.
[6] Berger, W.: Zeit- und kostensparender Rohrleitungsbau mit Bodenmörtel. Veröffentlicht in den Materialien zum HTI-Forum am 7. Oktober 1999 in Weimar.
[7] Berger, W.; Krausewald, J.; van Heyden, L.: Boden-Mörtel – Anwendungsfragen und Wirtschaftlichkeit für den Tiefbau der Gasverteilung. GWF Gas Erdgas 8/1999, S. 513-518.
[8] Berger, W.; Büchner, U.: Anwendung von stabilisierten Verfüllmaterialien bei besonderen Einbauanforderungen. Vortrag auf dem 8. ROHRBAU-Kongress „Innovationen für das neue Jahrhundert“ am 1./2. Dezember 1999 in Weimar. Tagungsband, S. 193-204.
[9] Berger, W.; Keller, H.; Grage, Th.: Experimentelle Erfassung der Interaktion von Kunststoffmantelrohren der Fernwärmeversorgung und neuartigen Rohreinbettungsverfahren. 3R international, Zeitschrift für die Rohrleitungspraxis. Heft 1, Januar 2000 (39), S. 33-38.
[10] Berger, W.: Beanspruchungs- und Kostenreduzierung durch Anwendung „stabilisierter Verfüllmaterialien“ SVM. Vortrag zur rbv-DVGW-Informationsveranstaltung „Erd- und Oberflächenarbeiten im Rohrleitungsbau am 17. Februar 2000 in Karlsruhe. Tagungsmaterial, Ordner.
[11] Lübbecke, St.: Einfachere Möglichkeiten – Weimarer Bau-Mörtel als Verfüllmaterial beim modifizierten Pilot-Vortriebsverfahren. ROHRBAU-Journal 2/2000, S.30-31.
[12] Witt, K. J.: Bodenmechanische Eigenschaften stabilisierter Verfüllmaterialien. Vortrag auf dem 9. ROHRBAU-Kongress „Innovativer Rohrleitungsbau“ am 6./ 7. Dezember 2000 in Weimar. Tagungsband, S. 230-231.
[13] Berger, W.: Neue Entwicklungen bei Erd- und Oberflächenarbeiten. Materialien der brbv-Informations-veranstaltung für Rohrnetzmeister „Neue Technologien / Regelwerke“ am 19./20. März 2001 in Köln.
[14] Berger, W.: Entwicklungen bei Erd- und Oberflächenarbeiten für den Einsatzbereich Fernwärme. Materialien des rbv-AGFW-Erfahrungsaustauschs für Fernwärme-Meister „Neue Technologien / Regelwerke“ am 19./20. März 2001 in Köln.
[15] Berger, W.: Klassifizierung und Bewertung des anstehenden Bodens. Vortrag zur brbv-Informationsveranstaltung in Zusammenarbeit mit Güteschutz Kanalbau „Tiefbauarbeiten im Rohrleitungsbau – Neuerungen aus der DIN 4124 im Entwurf“ am 9. Oktober 2001 in Berlin. Tagungsmaterial, Hefter, 12 S.
[16] Berger, W.: Beanspruchung von Rohrleitungen in der Einbauphase. Vortrag auf der rbv-DVGW-Informationsveranstaltung „Kunststoffrohre in der Gas- und Wasserversorgung – Verlängerung zur GW 331 – “ am 10. Januar 2002 in Bremen. Tagungsmaterial, Ordner.
[17] Berger, W.; Büchner, U.: Alternative Grabenverfüll-Materialien. Vortrag auf der DVGW-Informationsveranstaltung „Mitbenutzen von Verkehrswegen“ am 22./23. Januar 2002 in Hildesheim. Tagungsmaterial, Ordner.
[18] Berger, W.; Krausewald, J.: Selbstverdichtende Verfüllmaterialien. Vortrag auf der 15. Fachmesse „Fern-/Nahwärmetechnik 2002“ am 19. März 2002 in Köln.
[19] Kirmse, J.: Erfahrungen bei der Anwendung von WBM Weimarer Boden-Mörtel®. Vortrag auf dem 12. ROHRBAU-Kongress „Instandhaltung von Leitungsnetzen“ am 1./2. Dezember 2004 in Weimar. Tagungsband, S. 108-116. Spahn K., Berger W., Mälzer D.: Statische Berechnung von in selbstverdichtenden Verfüllmaterialien (SVM) eingebetteten Rohrleitungen, bi umweltbau-information, Nr. 6/Dezember 2005, S. 37-41
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