Efficiency of technical safeguards within earthwork - lysimeter investigations conducted under laboratory conditions

Abstract

Bei Straßenbaumaßnahmen werden im Erdbau große Massen bewegt. Nicht immer gelingt der Massenausgleich innerhalb einer Baumaßnahme, sodass 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 übergeordnete 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 Sickerwassereintrags 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 Potenzial für den Einsatz von Ersatzbaustoffe im Erdbau des Straßenbaus erhöht werden. In diesem Projekt "Effizienz technischer Sicherungsmaßnahmen im Erdbau " Lysimeteruntersuchungen 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, sodass 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, sodass 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.Large volumes of soil are moved within an earthwork during the construction of a road. Balancing out the volumes is not always possible. In effect, other construction materials are required for the creation of an earthwork. Alternative construction materials, like recyclable building materials, industrial by-products or processed soil, can be used to save natural resources. In addition to the suitability of alternative construction materials for use in constructions, the protection of soil and ground water plays an important role in the selection of construction materials. In order to ensure this, alternative construction materials have to be tested whether environmentally relevant substances could be transmitted to the soil and ground water in substantial quantities through the seepage. The German Federal Highway Research Institute addresses this theme in the research line "The postfossil society: improved utilisation of finite resources in road construction." The overriding aim of the different research projects is to optimise the use of resources and to assess the impact on the environment. From the view of civil engineers, their knowledge of water within the road construction is sufficient for the assessment of the suitability for use of construction materials. However, the current level of knowledge is still insufficient for hydrogeological assessment of percolation in view of soil and ground water protection. Notably, the following unanswered questions remain: how much water is absorbed by the road construction and how much water percolates through the road embankment? To protect soil and ground water, technical safeguards (TSM) have been developed with alternative construction materials within earthworks. These constructions can reduce the quantity of seepage entering the construction and in effect reduce, or even completely prevent, the transmittance of environmentally relevant substances. The aim of the research projects focused on the percolation of road embankments is to create a reliable database for quantity measurements of percolating water. Out of this instruments can be developed to assess the effectiveness of different TSMs. The potential use of alternative construction materials within earthwork can be raised through the economical and ecological optimisation of construction methods. The conduction of large-scale tests is the adopted research approach for this project, which aims to assess the effectiveness of TSMs. To this, lysimeters and an appropriate unit of irrigation were developed. This test system was used to create an instrument to test different combinations of TSMs and alternative construction materials on a section of embankment under comparable, controlled and accelerated conditions on a 1:1 scale. In order to eliminate mostly climatic influences, the test system was set up in a testing facility to enable lysimeter investigations to be conducted under laboratory conditions. The advantages of conducting lysimeter investigations under laboratory conditions include a water balance that is easier to measure and the possibility of regularly gaining water samples for chemical investigations. The weakness of such investigations is that environmental influences and road drainage cannot be taken into consideration and immeasurable marginal influences may exist. The investigations are also of long duration and require rigorous management and supervision. Due to the dimensions of the lysimeter container not all of the TSMs can be applied. In this first test series a cohesive and gravelly soil was investigated. As TSM a drainage mat and a water-resistant bitumen spray were used. A control version had no TSM. This produced a total of six possible combinations of the two different soil types and three construction methods. The lysimeter investigations were conducted between September 2011 and December 2012. During the fifteen-week long test series, the weight of the lysimeter and run-off was daily measured. The seepage was measured and analysed. During this time, rain simulations were conducted from one up to three times per week. The main findings of the effectiveness of TSMs are: 1. despite applications of bitumen spray the quantity of percolating water could not be reduced for both types of soil and 2. the most effective construction method was the use of a drain mat and gravelly soil. This is astonishing as this construction method is actually only intended for building materials with low permeability. The amount of environmentally relevant substances is determined by both of the factors: concentration in and quantity of the seepage. The determining factor of the load graphs of the sum of the functions is the quantity of seepage; this is influenced by the TSM. It is therefore possible to reduce the transmittance of environmentally relevant substances from a road embankment