Labor für Geotechnik
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Zeitweise fließfähige selbstverdichtende Verfüllbaustoffe (ZFSV) bestehen aus Bodenmaterial, Bindemitteln (z. B. Zement), Wasser und Zusatzstoffen, z. B. Bentonit. Sie zeichnen sich durch Fließfähigkeit im frischen Zustand und Verfestigung nach dem Einbau aus, ohne mechanische Verdichtung zu benötigen. ZFSV sind Boden-Bindemittelgemische wie Bodenbehandlungen mit Bindemitteln, Baugrundverbesserungen im Nassmischverfahren, Betone und Mörtel, weshalb die Einordnung und Abgrenzung der Materialeigenschaften vorgenommen werden. Die Beschreibung des erhärteten Materials erfolgt mit Methoden der Bodenmechanik. Besondere Beachtung erfordern die rheologischen Eigenschaften im fließfähigen Zustand und die zeitabhängigen Veränderungen der Materialeigenschaften. ZFSV werden mit unterschiedlichen Rezepturen im Rohr- und Leitungsbau sowie für die Bettung von Fernwärme- und Stromleitungen und als Baugrundverbesserung für Flächengründungen und Stützbauwerke eingesetzt.
Stampflehm stellt eine nachhaltige Alternative zu konventionellen Baustoffen dar. Um die Bemessung und Ansätze zur FE-Modellierung zu verbessern, sind geotechnische Betrachtungen des Baustoffs notwendig. Stampflehm besteht aus natürlich vorkommenden Böden, daher wird sein Verhalten maßgeblich durch bodenmechanische Prozesse beschrieben. Mithilfe von ersten Triaxialversuchen wird das mechanische Verhalten unter unterschiedlichen Spannungszuständen verdeutlicht.
Boden-Bindemittel-Gemische (BBG) sind ein Stoff, der durch das Mischen von Boden mit Bindemittel entsteht. Unter diesem Begriff können eine Vielzahl an genormten Baustoffen zusammengefasst werden. Eine Sonderform der BBG stellt zum Beispiel auch der Beton dar. Für BBG existieren zahlreiche Untersuchungen zum statischen Verhalten, wobei diese nicht bei einheitlichen Prüfbedingungen durchgeführt wurden.
Sowohl das zyklische Verhalten von Böden als auch Betone wurden schon zahlreich untersucht. Der Beitrag befasst sich mit dem zyklischen Verhalten von BBG. Dabei wurden sowohl zyklische Versuche mit Versagen der BBG durchgeführt als auch zyklische Versuche ohne Versagen. Für Versuche, die zum Versagen des BBG führen, scheint sich ein Verhalten ähnlich des Betons einzustellen. Werden BBG zyklisch mit einem niedrigen Spannungsniveau weit unter der einaxialen Druckfestigkeit belastet, kommt es zu einer Steigerung der Festigkeit. Dieser Effekt scheint dabei vom Beginn der zyklischen Belastung und der Anzahl der Lastzyklen abzuhängen.
Böden weisen ein stark nichtlineares Spannungs-Dehnungs-Verhalten auf. Bei sehr kleinen Dehnungen ist die Steifigkeit maximal. Die Kenntnis dieser sogenannten Small-Strain-Stiffness ist für genaue Verformungsberechnungen, insbesondere unter zyklischer Belastung, von hoher Relevanz. Die Small-Strain-Moduln Gd0 und Ed0 sind über die Dichte mit der Scher- bzw. Kompressionswellengeschwindigkeit (cs, cp) verknüpft und lassen sich daher über dynamische Messmethoden bestimmen. Bender-Extender-Elemente (BEE) sind piezoelektrische Bimorphe, die in Triaxialversuche integriert, Scher- und Druckwellen in Bodenproben erzeugen und aufzeichnen und so eine Laufzeitbestimmung ermöglichen. Die größte Unsicherheit bei BEE-Versuchen liegt in der reproduzierbaren Laufzeitermittlung. Daneben wirken weitere Einflussfaktoren auf das Versuchsergebnis, etwa Nahfeldeffekte, die Kopplung zwischen Element und Probe, Signalrauschen sowie die Wahl der Filterung des Signals. Der Vortrag benennt und ordnet diese Einflussfaktoren ein und leitet daraus die Frage ab, wie sich ein Rahmen schaffen lässt, indem BEE-Versuche reproduzierbare Ergebnisse liefern und welche Schritte hierfür notwendig sind.
Stampflehm, als lokal verfügbarer und ressourcenschonender Baustoff, erlangt durch die besonders energiearme Herstellung und aufgrund der zirkulären Wiederverwertbarkeit einen zunehmend aktuellen Betrachtungsfokus in der nachhaltigen Bauforschung. Anhand von experimentellen Untersuchungen an zylindrischen Stampflehmproben über mehrere Feuchte- und Trocknungszyklen hinweg, wird der Einfluss eines wiederholten Recyclingprozesses auf die mechanischen Festigkeitseigenschaften, die Materialqualität und die Veränderung in der Mikrostruktur der Tonminerale analysiert. Als gewinnbringende positive Erkenntnis wird deutlich, dass im Fokus einer dauerhaften Plastifizierung unter idealen Herstellungsbedingungen die wichtigen Materialkennwerte, wie die mittlere Druckfestigkeit und das Bindevermögen nicht nachteilig beeinflusst werden. Natürliche Zusatzstoffe können die mechanischen Eigenschaften, den Haftverbund und die Wasserleitfähigkeit zusätzlich verbessern. Die Forschungsergebnisse ermöglichen ein großes zukünftiges Potential für den Bausektor im Hinblick auf eine lukrative nachhaltige Bauweise mit geschlossener Kreislauffähigkeit des Baustoffes.
Clay adhesions on excavation tools are a constant problem in geotechnical con-struction. Adhesions and high shear resistances between the steel surfaces of the tools and cohe-sive soil lead to significant productivity losses. Due to the high production costs of mechanized tunneling, adhesions on the TBM cutter wheels are a particularly serious problem. Within this study, electric currents were used to influence the shear and tensile resistances between steel sur-faces and cohesive soils. Significant changes in contact mechanics were observed using low DC electric fields. Starting at an electric field strength of 36.7 V/m (0.38 A/m²), a significant reduc-tion in the shear resistance between the steel surface and the soil was recorded in a rotation shear test. To evaluate the influence of electric currents on the tendency to clogging, adhesion tests were conducted using a tensile test. It was found that clay adhesions on the cathode surface were com-pletely prevented at a direct voltage of 1.05 V (35 V/m). Furthermore, it was demonstrated for the first time that the anode surface also remained free of clay adhesions at a direct voltage of 1.37 V (5 mA). It will be shown the clogging responsible interlayer pore pressure between soil and steel can be changed by electrokinetics. An investigation of fundamental clogging behavior is presented, demonstrating the influence of electric currents at the cathode.
Der Ausbau des deutschen Höchstspannungsnetzes im Zuge der Energiewende
erfordert zunehmend – mangels gesellschaftlicher Aktzeptanz von
Freileitungen – die Verlegung leistungsfähiger Erdkabelsysteme. Großprojekte
wie der SüdLink oder SüdOstLink in Deutschland stellen dabei zentrale
Infrastrukturvorhaben dar, die zukünftig große Strommengen aus norddeutschen
Windparks in süddeutsche Verbrauchszentren transportieren sollen. Nach
Angaben der TransnetBW sollen allein für den SüdLink bis zum Projektende rund
2400 Kilometer Erdkabel verlegt werden. Die Dimensionen dieser Mega-Projekte
stellen die Geotechnik vor neue Herausforderungen und erfordern zur
Sicherstellung der Betriebssicherheit eine Erweiterung der bisherigen
Kompetenzfelder um das Verständnis des Wärmetransports im Boden. In
geotechnische Normenwerken finden sich hierzu lediglich in Verbindung zu
Geothermie quantitative Angaben. Dies sorgt seitens der ausführenden Firmen
für Unsicherheit hinsichtlich geeigneter Maßnahmen zur Einhaltung der
geforderten Wärmeleitfähigkeiten, welche von der Elektrotechnik im Zuge der
Trassen- und Kabelplanung vorgegeben werden. Darüber hinaus kommen am
SüdLink für die höchsten Bettungsklassen zeitweise, fließfähige Verfüllbaustoffe
(ZFSV) – auch als Flüssigböden bezeichnet – zum Einsatz, mit welchen zumeist
nur begrenzt Erfahrungswerte vorhanden sind. Auf den folgenden Seiten soll
deshalb beleuchtet werden, welche Schritte nötig sind, um vom
Ausgangsmaterial zur dauerhaft hochwärmeleitenden Flüssigboden-Bettung als
Systemkomponente einer kritischen Infrastruktur zu kommen.
In den vorliegenden Untersuchungen wurde ein neuartiges Bodenmischverfahren untersucht, bei dem die Baustoffeigenschaften des Erdbetons in den Kontext eines Betons gesetzt wurden. Es wurden sowohl Verfahrensspezifika als auch baustofftechnische Herstellparameter und deren Auswirkungen auf die Erdbetonqualität untersucht. Für die Bewertung dienten zwei geeignete großmaßstäbliche Versuchsbaustellen als Grundlage. Durch die Analyse verschiedener
mechanischer Kennwerte konnten Erkenntnisse über die Einflüsse der Herstellung gewonnen werden. Insbesondere einaxiale Druckfestigkeit, E-Modul und Spaltzugfestigkeit wurden untersucht. Die mechanischen Kennwerte wurden einerseits anhand kleinmaßstäblicher Kern- und Rückstellproben gewonnen und andererseits anhand originalmaßstäblicher Großversuche im Labor. Die Druckfestigkeit des Materials wurde teils mit mehr als 40 N/mm² ermittelt. Auch der E-Modul erreichte mit 18.000 N/mm² - 33.000 N/mm² Steifigkeiten, die in den Bereich eines Ortbetons fallen. Es konnte unter Berücksichtigung der Herstellparameter gezeigt werden, wie sich die mechanischen Kennwerte des Baustoffs verändern und wie sich die Qualität des Erdbetons optimieren lässt.
