Christine Kellermann-Kinner, Michael Bürger, Tanja Marks

• Bei Straßenbaumaßnahmen werden im Erdbau große Massen bewegt. Nicht immer gelingt der Massenausgleich innerhalb einer Baumaßnahme, so dass 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 „Ressourcenschonender und umweltverträglicher Straßenbau“. 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 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 für den Einsatz bestimmter Ersatzbaustoffe im Erbau Bauweisen für technische Sicherungsmaßnahmen (TSM) entwickelt. Durch diese 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 zum Wasserhaushalt von Straßenböschungen zu schaffen. Daraus werden Instrumente entwickelt, um die Wirksamkeit der unterschiedlichen technischen Sicherungsmaßnahmen zu beurteilen. So sollen Ersatzbaustoffe durch ökonomisch und ökologisch optimierte Bauweisen weiter für den Erdbau des Straßenbaus genutzt 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 und eine zugehörige Beregnungseinheit entwickelt. 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, ist die Anlage in einer Versuchshalle aufgestellt, so dass die Lysimeteruntersuchungen unter gleichbleibenden 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 gehören, 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 zweiten Versuchsserie wurden eine Hausmüllverbrennungsasche (HMVA), ein Recycling-Baustoff (RC) ein Gießereirestsand (GRS) und eine Steinkohlenkesselasche (SKA) untersucht. Als TSM wurden drei verschiedene Dränmatten und eine Vergleichsvariante ohne TSM eingesetzt, so dass insgesamt zehn Versuchsreihen durchgeführt worden sind. Die Lysimeterversuche wurden von April 2013 bis Dezember 2016 durchgeführt. Während den 15-wöchigen Versuchsreihen wurde an jedem Arbeitstag das Gewicht des Lysimeters und des Oberflächenabfluss ermittelt. Das Sickerwasser wurde ebenfalls gewogen und analysiert. Während dieser Zeit wurden in jeder Woche ein bis drei Regenereignisse aufgebracht. Abschließend wurde für die Materiealien RC und SKA noch die Sensitivität der Versuchsergebnisse gegenüber der Regenmenge untersucht. Die wesentlichen Erkenntnisse zur Effizienz der technischen Sicherungsmaßnahmen sind: 1. Für alle Materialien lässt sich durch die Verwendung von Dränmatten eine Reduktion der Sickerwassermenge um mindesten 40 % erzielen. 2. Bei der Effizienz der Bauweise kommt es zu einer Überlagerung verschiedener Eigenschaften, wie • den hydraulischen Eigenschaften der Dränmatte sowie • der Wasserdurchlässigkeit, • dem Verdichtungsgrad und • der kapillaren Saugspannung des in der Böschung untersuchten Materials. 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 in den meisten Fällen 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. In zukünftige Simulationsrechnungen sollten die unterschiedlichen Charaktere der Regen und die Trocknungsphasen berücksichtig werden. Keinesfalls darf von einem gleichmäßigen Dauerregen ohne Trocknungsphasen ausgegangen werden. Es konnte gezeigt werden, dass dies die Menge von Oberflächen- und Sickerwasserabfluss beeinträchtigt. Für eine wirkungsvolle Reduzierung der Sickerwassermenge muss die Bauweise mit dem Material und den Einbaubedingungen abgestimmt werden. Dafür steht mit dem Hallenlysimeter ein Instrument zur Verfügung, das unter vergleichbaren, kontrollierten und zeitgerafften Bedingungen die Beurteilung der Effizienz von TSM erlaubt.
• Large volumes of soil are moved during road construction work. Earthwork balance is not always possible within a building project, so that other building materials are then required to create the earthworks. Alternative building materials such as recycled building materials, industrial by-products or treated soil material can be used for this purpose, thereby conserving natural resources. In addition to the structural suitability of the alternative building materials, protecting the soil and groundwater are now major considerations when selecting building materials. In order to ensure this, it is important to examine with regard to alternative building materials whether significant quantities of environmentally relevant substances can be discharged through seepage into the soil and groundwater. The German Federal Highway Research Institute addresses this subject area in its research into “Resource and environmentally friendly road construction”. The primary aim of the various research projects is to optimise the use of resources while simultaneously assessing the impact on the environment. From the perspective of civil engineers they have ample knowledge of water in road structures to permit an evaluation of suitability. There is, however, still insufficient knowledge at the present time to produce a hydrogeological assessment of the seepage in terms of soil and groundwater protection. In particular the following questions remain unanswered: how much water gets into the road structure and how much seeps through the road embankment? Construction methods for technical safety measures (TSMs) have been developed to protect the soil and groundwater when deploying certain alternative building materials within earthworks. These construction methods can reduce, or even completely prevent, the quantity of seepage discharged into the structure. The objective of the research work into the issue of seepage on road embankments is to create a reliable database on the hydrological balance on road embankments, and on the basis of this to develop instruments to assess the efficacy of the various technical safety measures. The ensuing economically and ecologically optimised construction methods will then enable the continued use of alternative building materials for earthworks in road construction. In this “Efficiency of technical safety measures in earthworks – lysimeter studies under laboratory conditions” project, the research approach taken is that of conducting large-scale tests aimed at evaluating the efficacy of the TSMs. Lysimeters and a corresponding irrigation unit have been developed to this end. The test system has created an instrument for examining various combinations of TSMs and alternative building materials in a section of embankment under comparable, controlled and accelerated conditions at a scale of 1:1. To eliminate climatic influences as far as possible, the system has been set up in a test facility so that the lysimeter tests can be conducted under consistent laboratory conditions. The advantages of conducting the lysimeter studies under laboratory conditions lie in a hydrological balance that can be easily measured and the opportunity to obtain regular water samples for chemical tests. Weaknesses include the inability to take environmental influences and road runoff into consideration, and that marginal influences may be present that cannot be detected. The tests also take a long time and require extensive monitoring. It is not possible to realise all TSMs due to the dimensions of the lysimeter container. In this second series of experiments, tests were conducted on municipal solid waste incinerator ash (MSWIA), a recycled material (RM), waste foundry sand (WFS) and coal fly ash (CFA). Three different drainage mats were used as TSMs, together with a control variant without TSMs, so that ten series of tests were conducted in total. The lysimeter tests were conducted between April 2013 and December 2016. The weight of the lysimeter and of the surface runoff was measured on each working day throughout the 15-week series of tests. The seepage was also weighed and analysed. During this period, between one and three rain events per week were applied. Finally the sensitivity of the RM and CFA materials test results to the rainfall was investigated. The significant findings regarding the efficiency of the technical safety measures are as follows: 1. The use of drainage mats enables a reduction in the quantity of seepage of at least 40 % to be achieved for all materials. 2. With respect to the efficiency of the construction method, there is an overlapping of various properties such as • the hydraulic properties of the drainage mat, as well as • the water permeability, • the degree of compaction and • the capillary suction of the material examined in the embankment. The volume of environmentally relevant substances is determined by two factors ⎼ the concentration in the seepage and the quantity of the seepage. In most cases the decisive factor for the cumulated load curves is the quantity of seepage, which is influenced by the TSM. It is therefore possible using a suitable TSM to reduce the discharge of environmentally relevant substances from a road embankment. The different characteristics of the rain and drying phases are to be taken into consideration in future simulation calculations. Under no circumstances is it reasonable to infer steady continuous rainfall without drying phases. It was possible to show that this impairs the quantity of surface water and seepage runoff. For an effective reduction in the quantity of seepage, it is necessary to coordinate the construction method, the material and the installation conditions. The indoor lysimeter provides an instrument that permits an evaluation of the efficiency of TSMs under comparable, controlled and accelerated conditions.