Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen

Arbeitsgruppe Erd- und Grundbau

Merkblatt über die Verwendung von Schaumglas als Leichtbaustoff im Erdbau des Straßenbaus Ausgabe 2016

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Arbeitsgruppe Erd- und Grundbau Arbeitsausschuss Straßenbau auf wenig tragfähigem Untergrund Leiter: Dr.-Ing. Christoph Lehners, Lübeck Mitarbeiter: Dr. rer. nat. Dipl.-Geol. Michael Dietrich, München Dipl.-Geol. Stephan Eberlein, Bad Aibling Dr. rer. nat. Andreas Gidde, Hannover Dr.-Ing. Gerhard Gold, Utting Dipl.-Ing. Kay Gushurst, Oelsnitz Dipl.-Ing. Michael Ihle, Großenhain Dr. sc. nat. Michael Kompatscher, Landquart Dr.-Ing. Peter Quast, Hamburg Dipl.-Ing. Helmut Renze, Papenburg Dr.-Ing. Jan Retzlaff, Weimar Ltd. RBD Dipl.-Ing. Kai-Uwe Schacht, Itzehoe Dipl.-Ing. Holger Weiß, Chemnitz Vorbemerkung Das "Merkblatt über die Verwendung von Schaumglas als Leichtbaustoff im Erdbau des Stra-ßenbaus" wurde vom Arbeitsausschuss 5.8. „Straßenbau auf wenig tragfähigem Untergrund“ der Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen (Leiter Dr.-Ing. Christoph Leh-ners) erstellt.

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1. Allgemeines

Im Erdbau des Straßenbaus auf wenig tragfähigem Untergrund sind in der Vergangenheit verschiedene Bauverfahren entwickelt worden, die das Ziel verfolgen, Setzungen nach Ver-kehrsfreigabe zu vermindern (siehe FGSV Merkblätter und [1, 2]). Maßnahmen wie Boden-austausch, Konsolidierungsverfahren (Überschüttverfahren, Vertikaldrainagen etc.) stehen damit im Zusammenhang. Eine weitere Möglichkeit besteht im Einbau von Leichtbaustoffen. Dieses Merkblatt verwendet die Begriffe „Schaumglasschüttung“ und „Schaumglaskörnung“ in Anlehnung an die internationale Bezeichnung „Schaumglas“ für „Cellular Glass (CG)“. Da es noch keine standardisierte und harmonisierte Bezeichnung gibt, sind auch anderen Be-zeichnungen im Markt üblich, wie z.B. Schaumglasschotter, Schaumglasgranulat, Glas-schaum, Glasschaumschotter, Glasschaumgranulat. Im Englischen sind noch Bezeichnungen wie Glasfoam/Foamglass Aggregates oder Glasfoam/Foamglas Gravel geläufig. Erfahrungen über die Verwendung des Leichtbaustoffes Schaumglas im Straßenbau liegen in Deutschland und anderen Ländern Europas für zahlreiche Bauprojekte vor [2 - 11]. Konstruk-tive Lösungen mit Leichtbaustoffen können eine kostengünstige Alternative zu konventionel-len Bauweisen darstellen. Beim Einsatz von Schaumglas handelt man im Sinne des Kreislauf-wirtschaftsgesetz (KWG) und erreicht eine nachhaltige Lösung (ökologisch und wirtschaft-lich). Das Merkblatt zeigt Einsatzmöglichkeiten für Schaumglasschüttungen besonders im Unterbau von Verkehrswegen auf und gibt Hinweise zur Anwendung. Die erdbautechnische Beurteilung im jeweiligen Anwendungsfall durch einen mit Schaum-glasschüttungen erfahrenen Baugrundsachverständigen ist unerlässlich und wird durch die-ses Merkblatt nicht ersetzt. Merkblätter sind nach ihrem hauptsächlichen (primären) Verwendungszweck weder als Ver-tragsgrundlage noch als Richtlinie geeignet. Nach ihrem sekundären Verwendungszweck können einzelne Inhalte von Merkblättern aber auszugsweise oder umgestaltet auch als Ver-tragsbestandteil von Bau-, Liefer- und Ingenieurverträgen verwendet werden (siehe ARS Nr. 26/1980 „Grundsätze für das Aufstellen Technischer Regelwerke für das Straßenwesen – Ar-ten und Inhalt“).

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2. Herstellung von Schaumglas

Schaumglaskörnungen sind industriell hergestellte Leichtbaustoffe, die sich einerseits durch eine geringe Dichte (sowohl im angelieferten als auch im eingebauten Zustand) und anderer-seits durch eine sehr hohe Wasserdurchlässigkeit auszeichnen. Schaumglas wird kontrolliert in einem kontinuierlichen, thermochemischen Prozess mit gemahlenem Altglas als Rohstoff hergestellt und zählt deshalb auch zu den Upcycling-Baustoffen. Beim Verlassen des Ofens bricht das Schaumglas aufgrund thermischer Span-nungen beim raschen Abkühlen in unterschiedlich große Einzelkörner (Bild 1) bis 100 mm Korndurchmesser. In der Praxis werden zwei Herstellungsverfahren unterschieden, die Trocken- und Nass-schäum-Technologie. Der Unterschied zwischen den beiden Technologien besteht im Einsatz unterschiedlicher Schäummittel (Aktivatoren) und deren Aggregatzustand (fest bzw. flüssig) [5]. Beide sind grundsätzlich für den Einsatz im Erdbau des Straßenbaus geeignet, sofern die technischen Anforderungen für den Anwendungsfall gemäß der Tabelle 1 erfüllt sind.

Bild 1: Grobporige (links) und feinporige (rechts) Einzelkörner aus Schaumglas

Schaumglasschüttungen weisen folgende Eigenschaften auf: ­ gering verformbar bei hoher Tragfähigkeit, ­ wenig belastend aufgrund des geringen Gewichtes, ­ geringe absolute Gewichtszunahme durch Wasseraufnahme (da „geschlossenzellig“), ­ starke Wasserdurchlässigkeit, ­ wärmedämmend und frostbeständig, ­ unverrottbar, ­ nicht brennbar, ­ hohe chemische Beständigkeit gegenüber organischen und anorganischen Säuren und

Basen, ­ beständig gegen Tierbefall (Verbiss).

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3. Anwendungsbereiche

3.1 Übersicht Schaumglas eignet sich als Ersatz für einen Teil der sonst üblichen mineralischen Dammbau-stoffe oder Böden des anstehenden Untergrundes zur Vermeidung und Reduzierung von Un-tergrundverformungen und damit zur Verbesserung der Gebrauchstauglichkeit. Der Sohl-druck in der Dammaufstandsfläche wird verringert und der Belastbarkeit des Untergrundes angepasst. Dabei wird die sehr geringe Dichte von Schaumglasschüttungen unter Berücksich-tigung der sonstigen physikalischen Eigenschaften genutzt (siehe Abschnitt 4). Schaumglasschüttungen können im Straßenunterbau und Untergrund beispielsweise bei fol-genden Bauvorhaben verwendet werden: ­ beim Bau von Dämmen und Schutzwällen, ­ beim Hinterfüllen von Bauwerken, ­ bei der Verbreiterung und Erhöhung von Dämmen, ­ bei der Entlastung des Untergrundes an bestehenden Verkehrswegen zur Sanierung von

Setzungsschäden und ­ weiteren Anwendungsmöglichkeiten. Beim Einsatz von Schaumglasschüttungen (wie bei allen Leichtbaustoffen) sind je nach An-wendungsfall häufig besondere Vorgehensweisen, ein erhöhter Planungsaufwand und ver-tiefte Kenntnisse hinsichtlich der Bauausführung und des Zusammenwirkens mit anderen Baustoffen notwendig. Deshalb wird empfohlen, mit Schaumglasschüttungen erfahrene Baugrundsachverständige hinzuzuziehen. Dies gilt insbesondere beim Einsatz mit gleichzeitig dynamischer Einwirkung in Wasserwechselzonen und im Grundwasser sowie im Einflussbe-reich von Frost. 3.2 Bau von Dämmen und Schutzwällen Bei wenig tragfähigem Untergrund kann die Verwendung von Schaumglasschüttungen in Tei-len des Dammes oder im Gesamtprofil (Bild 2) zur Lösung zahlreicher bautechnischer Prob-leme beitragen, wie beispielsweise: ­ Anpassung der Belastung an die Tragfähigkeit und Standsicherheit des Untergrundes, ­ Verringerung oder Vermeidung von Setzungs- und anderen Verformungsschäden an na-

hegelegenen Bauwerken, ­ Verringerung oder Vermeidung von Bodenaustauschmaßnahmen, ­ Verkürzung der Bauzeit, ­ Verminderung von Eingriffen in die Natur.

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Bild 2: Anordnung einer Schaumglasschüttung im Damm nach Überschüttung bzw. teilweisem Bodenaustausch

3.3 Hinterfüllen von Bauwerken Besonders bei Brückenrampen, wenn zum Beispiel das Überschüttverfahren nicht anwend-bar ist, kann der Einsatz von Schaumglasschüttungen eine wirtschaftliche Lösung sein (Bilder 3 bis 5).Bild 3

Bild 3: Anordnung einer Schaumglasschüttung am Brückenwiderlager

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Bild 4: Beispiel für die Rampe einer Autobahnbrücke an der A 8 bei Bernau am Chiemsee unter Verwendung einer Schaum-glasschüttung

Bild 5: Schaumglasschüttung für die Rampe einer Autobrücke im Port Bremerhaven

3.4 Verbreiterung und Erhöhung von Dämmen Verbreiterungen und Erhöhungen bestehender Straßendämme sind problematisch, wenn sich der Untergrund unter der Belastung durch die neue An- bzw. Aufschüttung stärker setzt. Dabei treten im Querschnitt Setzungsdifferenzen und Mitnahmesetzungen am vorhandenen Damm auf, die zu Veränderungen des Quergefälles sowie zu Längsrissen im Oberbau führen können. Durch Einsatz von Schaumglasschüttungen bei der Verbreiterung und Erhöhung können die Sohldrücke und die daraus resultierenden Differenzsetzungen sowie die Mit-nahmesetzungen am bestehenden Damm vermindert werden (Bilder 6 und 7).

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Bild 6: Verbreiterung eines Straßendammes mit einer Schaumglasschüttung

Bild 7: Beispiel der Verbreiterung eines Straßendammes mit Stützkörper (links im Bild) und Schaumglasschüttung (rechts im Bild) in Kempten

3.5 Entlastung des Untergrundes bestehender Verkehrswege zur Sanierung von Set-zungsschäden Schäden an Straßendämmen infolge von Setzungen werden häufig durch Aufbringen neuer Asphaltschichten zur Wiederherstellung der Gradientenhöhe saniert. Die dabei aufgebrachte zusätzliche Belastung löst jedoch erneut Setzungen aus (Bild 8). Durch den Austausch oder Teilaustausch des Unterbaues und des Untergrundes gegen eine Schaumglasschüttung wird der Untergrund entlastet (Bild 9). Die Setzungen des Untergrundes durch das erneute Auf-

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bringen des Straßenoberbaues und die Verkehrsbelastung sind gering, weil es sich um eine Wiederbelastung handelt.

Bild 8: Dicke Asphaltschichten nach mehrfacher Wiederherstellung der Gradientenhöhe zum Ausgleich von Setzungen (vor der Sanierung)

Bild 9: Sanierung von Setzungsschäden mit Schaumglasschüttungen im Bereich von Bauwerken (Prinzip im Längsschnitt, überhöht)

3.6 Weitere Anwendungsmöglichkeiten Durchgeführte Anwendungen mit Schaumglasschüttungen sind beispielsweise:

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­ Verringerung des Erddruckes bei der Hinterfüllung von Bauwerken (auch bei tragfähigem

Untergrund), ­ Überbauung und Schutz von Tunnelbauwerken, ­ Unterlage für Flächenbefestigungen auf wenig tragfähigem Untergrund, ­ Gründung und Überbauung von Leitungen, ­ geokunststoffbewehrte Stützkonstruktionen.

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4. Technische Eigenschaften

4.1 Allgemeines Die Materialeigenschaften von Schaumglasschüttungen hängen von den Eigenschaften der jeweilig zugrunde liegenden Schaumglaskörner und damit der verschieden verwendeten Rohstoffe sowie der Herstellungsprozesse ab. Wegen des größeren Porenraums in der Schüt-tung werden Schaumglaskörnungen mit möglichst gleichförmiger Korngrößenverteilung verwendet, im Verkehrswegebau üblicherweise Schaumglasschüttungen der Korngrößen 8 mm bis 63 mm. Der Hohlraumgehalt der Schaumglasschüttung (Haufwerksporen) beträgt üblicherweise mehr als 35 %. Nach dem Verdichten einer Einbaulage liegt der Hohlraumgehalt bei ca. 25 %. Die Wasserdurchlässigkeit nach DIN 18130-1 für übliche Schaumglasschüttungen liegt in ei-ner Größenordnung von kf > 5 · 10-3 m/s und entspricht damit der Durchlässigkeit von gro-bem Kies. Das kapillare Saugvermögen, auch das des Feinkornes, ist vernachlässigbar. Schaumglaskörnungen sind nicht frostempfindlich. Schaumglasschüttungen können bei ent-sprechender Korngrößenverteilung und Entwässerung frostbeständig sein. Sie sind rezyklierbar und grundsätzlich wiederverwendbar. 4.2 Mechanische Eigenschaften Die mechanischen Eigenschaften von Schaumglasschüttungen (Bild 10) werden im Wesentli-chen geprägt durch: ­ die Kornrohdichte, ­ die Form der Körner (Kantenform und deren Gleichförmigkeit), ­ die Kornfestigkeit / Zellstruktur, ­ die Korngrößenverteilung, ­ den Winkel der inneren Reibung des Haufwerks, ­ die Wasseraufnahme.

Bild 10: Wasserzugänglicher und wasserunzugänglicher Porenraum von Schaumglasschüttungen (schematisch)

Das Verdichtungsverhältnis von Schaumglasschüttungen beträgt üblicherweise 1,2 bis 1,4 : 1 (lose Schütthöhe beim Einbau bezogen auf die verdichtete Endhöhe). Die Verdichtung kann unter trockenen oder feuchten Witterungseinflüssen erfolgen. Der Verkrallungseffekt der Körner zeichnet Schaumglasschüttungen aus und ist für die hohe Tragfähigkeit und Scherfes-tigkeit verantwortlich. Schaumglasschüttungen aus dem Trockenschäum-Verfahren nehmen

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erfahrungsgemäß höhere Druckspannungen bei geringerem Verdichtungsverhältnis auf als diejenigen aus dem Nassschäum-Verfahren. 4.3 Massenzunahme der Schaumglasschüttung durch Wasseraufnahme Bei Schaumglasschüttungen muss mit einer Wasseraufnahme durch Erdfeuchte, Nieder-schläge und Grundwasser gerechnet werden, die zu einer Zunahme der Wichte und einer dementsprechenden geringen Erhöhung der Belastung des Untergrundes führt. Die geschlossenzelligen Körner saugen kein Wasser auf bzw. lagern kein Wasser in ihre Zel-len ein. Lediglich an der gebrochenen Kornoberfläche erfolgt eine Wasseranlagerung. Bedingt durch das Produktionsverfahren treten allerdings während der Abkühlung Span-nungsrisse im Schaumglas auf. Mikrorisse (Haarrisse) werden gegebenenfalls bei Wasserla-gerung an der Oberfläche des jeweiligen Korns sichtbar. Sie stellen bei Belastung potentielle Bruchflächen dar. Somit besteht die Möglichkeit, dass bei nicht vollständig spannungsfrei gebrochenen Körnern, in diese Haarrisse „Feuchtigkeit“ eindringt. Der Wert der maximal möglichen Wasseranhaftung sollte bei Lieferung weniger als 30 M.-% und im Einbau weniger als 50 M.-% betragen. Die aus der Wasseraufnahme jeweils resultierenden Dichten sind zu berücksichtigen (Ab-schnitt Fehler! Verweisquelle konnte nicht gefunden werden.). Die Wasseraufnahme hat keinen Einfluss auf die Kornfestigkeit.

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6. Bautechnische Grundsätze

6.1 Allgemeines Schaumglasschüttungen sind einfach und in großen Mengen transportierbar, leicht und auch gezielt zu verteilen. Außerdem lassen sie sich optimal verdichten. Dabei werden die herstel-lungsbedingten, thermischen Spannungsrisse idealerweise vollständig aufgebrochen. Die ge-brochenen, porösen Körner verzahnen und verkrallen sich beim Verdichten und bilden durch die Reibung der rauen Oberfläche im Haufwerk eine tragfähige und kraftschlüssige Struktur. Grundsätzlich ist eine Schaumglasschüttung zur sicheren Trennung von den angrenzenden Erdstoffen vollständig mit einem geeigneten Geokunststoff zu umhüllen. Übergänge von Schaumglasschüttungen zu Schüttungen aus natürlichen Dammbaustoffen sollten in Längs-richtung des Bauwerkes keilförmig mit ausreichend flacher Neigung ausgebildet werden. 6.2 Einbau und Verdichtung der Schaumglasschüttungen Vor dem Einbau von Schaumglasschüttungen ist ein Geotextil als Trennschicht zu verlegen. Das Geotextil ist so zu bemessen, dass die Filterstabilität zum angrenzenden Erdstoff und ei-ne ausreichende Geotextil-Robustheitsklasse gegeben sind. Damit wird verhindert, dass die angrenzenden Erdstoffe durch zyklische oder dynamische Belastung sowie durch Wasserbe-wegungen in die Haufwerksporen der Schaumglasschüttungen eindringen. Die Böschungsfüße der Schaumglasschüttung sollten beim Einbau durch seitliche Stützwälle gesichert werden (Bilder 6 und 12).

Bild 11: Stützwälle bei der Herstellung einer Schaumglasschüttung

Die Schaumglasschüttung wird lagenweise in verdichteten Schichtstärken bis 0,5 m einge-baut. Die Mindestdicke beträgt üblicherweise 0,2 m. Der Einbau erfolgt durch Abkippen (er-forderlichenfalls vor Kopf) und durch anschließendes Verteilen mit Erdbaugeräten. Die ver-dichtete Schaumglasschüttung kann mit Raupenfahrwerken und geeigneten Radfahrzeugen vorsichtig befahren werden. Bei zu großer lokaler Beanspruchung der verdichteten Schicht, z.B. durch LKW mit nur einer angetriebenen Achse, ist eine Stabilisierung der Fahrspur („sta-bilisierende“ mineralische Zwischenschicht) zu empfehlen oder eine seitliche Andienung vor-zusehen. Die Verdichtung erfolgt je nach Tragfähigkeitsanforderungen entsprechend einer definierten Arbeitsanweisung. Das fachgerechte Verdichten ist ein wichtiges Qualitätsmerkmal bei Schaumglasschüttungen und sollte beim ersten Mal von mit Schaumglasschüttungen erfah-renen Fachleuten begleitet werden. Idealerweise wird die Schaumglasschüttung möglichst großflächig mit Anbauplattenverdichtern (> 60 Hz) verdichtet. Bei Walzen erfolgt die Ver-dichtung zunächst statisch und anschließend dynamisch (Vibration).

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Bild 12: Üblicherweise wird die Schaumglasschüttung mit 30% Überhöhung eingebaut und durch maschinelles Verdichten auf das Endmaß gebracht. Links: Anbauplattenverdichter für Bagger. Rechts: Anbauplattenverdichter für Kompaktraupen.

­ Einbau mit dem handgeführtem Plattenrüttler Beim Einbau in Lagen von bis 0,3 m (verdichtet) wird durch mindestens zweimaliges vollflä-chiges Überfahren (längs und quer) der Schüttlage mit einem Plattenrüttler mit einem Sohl-druck von kleiner als 5 kN/m² und einer Frequenz von 90 bis 100 Hz verdichtet. ­ Einbau mit Anbauplattenverdichtern Bei Einbaulagen bis 0,50 m. Beim Verteilen mit Raupenfahrwerk wird bereits ein Vorverdich-ten der Schaumglasschüttung erreicht. ­ Einbau mit Walzen (bis etwa 10 Mg Arbeitsgewicht) Bei Einbaulagen bis 0,50 m. Die Verdichtung erfolgt durch statisches Überfahren und an-schließend durch dynamisches Überfahren mit gedrosselter Vibration. HINWEIS: Um eine Verzahnung in der Kornstruktur zu erreichen, sollte nach Möglichkeit längs und dann in Querrichtung statisch abgerollt werden. Erfahrungsgemäß eignen sich Walzen gut zum Glätten der Oberfläche von Schaumglasschüttungen. Die Einbautechnologie ist optimal, wenn die folgenden Forderungen erfüllt werden: ­ alle thermisch bedingten „Sollbruchstellen“ in den Körnern sind aufgebrochen (üblicher-

weise unter den oben angegebenen Punkten erreicht), ­ zwischen den Schaumglaskörnern entsteht eine kraft- und formschlüssige Verzahnung, ­ beim Verdichten gibt es nur einen geringen Abrieb und damit einen geringen Zuwachs

des Feinkornanteils (eine zu große Kornzertrümmerung durch Überverdichten über ein Verdichtungsverhältnis 1,4 : 1 ist zu vermeiden),

­ es wird eine Mindesttragfähigkeit (gemessen als dynamischer Verformungsmodul) von EVd = 12 kN/m² bei einem maximalen Verdichtungsverhältnis von 1,4 : 1 erreicht.