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Hessisches Landesamt für Straßen- und Verkehrswesen / HMWVL Dr. Oliver Kuhl Bodenbehandlung mit Bindemitteln - Erfahrungen und Fortschreibung des Regelwerkes -

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Bodenbehandlung mit Bindemitteln

- Erfahrungen und Fortschreibung des Regelwerkes -

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Themen des Vortrages

� Grundlagen

� ZTVE – StB 2007 (Entwurf) (Zusätzliche Technische Vertragsbedingungen und

Richtlinien für Erdarbeiten im Straßenbau)

� Überarbeitung von Regelwerken für Erdarbeiten des Straßenbaus (Ausblick)

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MerkblattLiteraturhinweis:Das neue Merkblatt über Bodenverfestigungen und Bodenverbesserungen mit Bindemittel, Straße und Autobahn 56 (2005) Nr. 7

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BegriffsbestimmungZTVE – StB 2007 (Entwurf)

• Bodenverfestigungen sind Verfahren, bei denen die Widerstandsfähigkeit des Bodens gegen Beanspruchung durch Verkehr und Klima durch die Zugabe von Bindemitteln so erhöht wird, dass der Boden dauerhaft tragfähig und frostbeständig wird.

• Bodenverbesserungen sind Verfahren zur Verbesserung der Einbaufähigkeit und Verdichtbarkeit von Böden und zur Erleichterung der Ausführung von Bauarbeiten.

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BegriffsbestimmungZTVE – StB 2007 (Entwurf)

• Qualifizierte Bodenverbesserungen sind Bodenverbesserungen mit Bindemitteln, die erhöhte Anforderungen an bestimmte Eigenschaften erfüllen.

• Bodenbehandlungen sind Verfahren, bei denen Böden so verändert werden, dass die geforderten Eigenschaften erreicht werden. Sie umfassen Bodenverfestigungen und Bodenverbesserungen.

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Anforderungen „Qualifizierte Bodenverbesserung“nach ZTVE – StB (Entwurf 2007)

• Bei der qualifizierten Bodenverbesserung des Planums (Verringerung der Frostempfindlichkeits-klasse von F3 zu F2) ist die Bindemittelmenge so zu bemessen, dass die einaxiale Druckfestigkeit nach 28 Tagen Lagerung und Prüfung gemäß TP BF-StB Teil B 11.5, ≥ 0,5 N/mm² beträgt. Alternativ kann der CBR-Wert gemäß TP BF-StB Teil B 7.1, geprüft werden. Dieser muss ≥ 40 % an 28 Tage alten Proben sein.

• Die Bindemittelmenge darf 3 M.-% nicht unterschreiten

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Anforderungen „Qualifizierte Bodenverbesserung“nach ZTVE – StB (Entwurf 2007)

• In beiden Fällen darf nach 24 h Wasserlagerung der Festigkeitsabfall nicht größer als 50 % bezogen auf den jeweiligen Wert vor Wasserlagerung sein. In Abhängigkeit von den zeitlichen Vorgaben kann die Prüfung auch nach 7 Tagen und/oder zu anderen Prüfzeitpunkten erfolgen.

• Bei anderen Anwendungen der qualifizierten Bodenverbesserung (z.B. im Bereich von Damm-aufstandsebenen bzw. von Dammschüttungen, Bauwerkshinterfüllungen etc.) werden die Kriterien für die Bestimmung der Bindemittelmenge durch erdstatische Berechnungen vorgegeben.

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Bindemittelartennach ZTVE -StB 07

• Zement nach DIN EN 197-1: Zement – Teil 1: Zusammensetzung, Anforderungen

und Konformitätskriterien von Normalzement

• Zement nach DIN 1164-10:Zement mit besonderen Eigenschaften - Teil 10:

Zusammensetzung, Anforderungen und

Übereinstimmungsnachweis von Normalzement mit

besonderen Eigenschaften

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Bindemittelarten nach ZTVE -StB 07

• Hydraulische Boden- und Tragschichtbinder

nach DIN 18506: Zusammensetzung,

Anforderungen und Konformitätskriterien

• Baukalk nach DIN EN 459-1:Zusammensetzung, Anforderungen und

Konformitätskriterien

sowie nach BMVBW ARS 7/2002:Anforderungen an Kalke für Bodenverfestigung und -

verbesserung

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Bindemittelarten nach ZTVE -StB 07

• Mischbindemittel: Kombinationen aus genormten hydraulischen Bindemitteln und Baukalken. Die Mengenanteile der Bindemittel sind in der Leistungsbeschreibung anzugeben

• Die Verwendung anderer Bindemittel kann, wenn ihre Eignung nachgewiesen ist, zwischen Auftraggeber und Auftragnehmer vereinbart werden.“Zusammensetzung je nach Hersteller unterschiedlich• Eignungsprüfung als Nachweis für den Einzelfall

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ARS 7/2002 (Anforderungen)

• ReaktionsfähigkeitKalktyp Reaktionsfähigkeit

CL 90 t60°C <= 25 min

CL 80 t50°C <= 25 min

DL 85 t40°C <= 25 min

DL 80 t35°C <= 25 min

Anmerkung: Die Reaktionsfähigkeit der Kalke wird nach DIN EN 459-2 bestimmt.

Kalke der Mahlfeinheitsklasse 2 (Tab. 2) werden vor der Bestimmung der

Reaktionsfähigkeit auf eine Korngrößenverteilung mit einem Rückstand =

Massenanteilen in % auf dem 0,2 mm Sieb aufgemahlen.

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Reaktivität von Baukalken: Nasslöschkurve

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ARS 7/2002 (Anforderungen)

• MahlfeinheitSiebgrößen Mahlfeinheit

Rückstand als Massenanteil in %

Klasse 1 (fein) Klasse 2 (körnig)

10 mm 0 0

5 mm 0 <= 5

2 mm 0 -

0,2 mm <= 5 -

0,09 mm <= 15 -

Anmerkung: Die Korngrößenverteilung = 2 mm wird durch

Trockensiebung und < 2 mm durch Luftstrahlsiebung

bestimmt.

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Grundlagen:Proctorversuch

1,65

1,70

1,75

1,80

10 12 14 16 18 20 22 24 26 28

ohne1%3%5%

Ausgangswassergehalt (M-%)T

rock

en

dic

hte

in g

/cm

3

Bindemittelmenge

1,65

1,70

1,75

1,80

10 12 14 16 18 20 22 24 26 28

ohne1%3%5%

Wassergehalt nach dem Mischen (M-%)

Tro

cke

nd

ich

te in

g/c

m3

Bindemittelmenge

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Grundlagen:Festigkeits-untersuchungen

0

20

40

60

80

100

0 1 2 3 4 5

Bindemittelmenge [M.-%]C

BR

-Wer

t [%

]

ohne BM

ohne WL

mit WL

0,00,10,20,3

0,40,50,60,70,80,9

1,01,11,2

0 1 2 3 4 5

Bindemittelmenge [M.-%]

Ein

axi

ale

Dru

ckfe

stig

keit

[N/m

m2 ]

ohne BM

ohne WL

mit WL

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Forschungsantrag FE 05.130/2002/DGB„Untersuchung zum Reaktionsverhalten von

Mischbindemittel zur Bodenbehandlung“*

Mischungen aus CL 90 und CEM I:• 100 M.-% CL 90• 50 M.-% Cl 90 und 50 M.-% CEM I• 30 M.-% Cl 90 und 70 M.-% CEM I• 100 M.-% CL 90• Sonderuntersuchung mit 50 M.-% CEM IIIBindemittelgehalte: 1, 3 und 5 M.-%Böden: TM, TL, GU*Reaktionszeiten: 1, 4, 24 Stunden* Ausgeführt vom Institut für Materialprüfung Dr. Schellenberg Leipheim

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„Untersuchung zum Reaktionsverhalten von Mischbindemittel zur Bodenbehandlung“

CEM I (1, 3 + 5 M.-% Bindemittel)

WFK (1, 3 + 5 M.-% Bindemittel)

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„Untersuchung zum Reaktionsverhalten von Mischbindemittel zur Bodenbehandlung“

CEM I: 1h

CEM I: 24h

Kalk

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„Reaktionsverhalten von Mischbindemittel“Druckfestigkeiten bei 3 M.-% BindemittelVariation der Reaktionszeiten zwischen Einmischen des

Bindemittel und der Verdichtung: gemischkörniger Kies (GU*)

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

CL 90 7 dCL 90 28 d

CEM I 7 dCEM I 28 d

MB 30/70 7 d

MB 30/70 28 d

MB 50/50 7 d

MB 50/50 28 d

Bindemittelart/Prüfalter

Ein

axia

le D

ruck

fest

igke

it [N

/mm

²]

1 h4 h28 h

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„Reaktionsverhalten von Mischbindemittel“Druckfestigkeiten bei 3 M.-% BindemittelVariation der Reaktionszeiten zwischen Einmischen des

Bindemittel und der Verdichtung: mittelplastischer Ton (TM)

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

CL 90 7 dCL 90 28 d

CEM I 7 dCEM I 28 d

MB 30/70 7 d

MB 30/70 28 d

MB 50/50 7 d

MB 50/50 28 d

Bindemittelart/Prüfalter

Ein

axia

le D

ruck

fest

igke

it [N

/mm

²]

1 h4 h28 h

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Eignung der Bindemittel

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Eignung der Bindemittel

SteineKieskornSandkornSchluffkorn

TonGrob-Mittel-Fein-Grob-Mittel-Fein-Grob-Mittel-Fein-

GFEDCBA

SiebkornSchlämmkorn

63206,32,00,630,20,060,020,0060,0020

102030405060708090

100

Korndurchmesser d [mm]

Mass

enan

teil

[%

]

Kalk

Mischbindemittel

Zement

ungeeignet, zu grobBereich Gungeeignet, nicht zerkleinerbarBereich A

GW, GI: nur CEMBereich FGU, SU: MB 30/70 und CEMBereich EGU*, SU*: MB 30/70 und MB 50/50Bereich DTM, TL, UM: Kalk und MB 50/50Bereich CTA: nur KalkBereich B

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Hinweise für TP„Reaktionszeiten“

• Zemente 1 Stunde*

• Mischbindemittel 4 Stunden

• Kalke 24 Stunden

* Für langsam erstarrende Zemente sind evtl. auch längere Zeiten sinnvoll.

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Bodengruppe

Feinkalk

nach

DIN

EN 459-1

Kalkhydrat

nach

DIN

EN 459-1

Zement

nach

DIN

EN 197-1

DIN-11 64

Hydr.

Boden- und

Tragschicht-

binder

nach

DIN 18506

Mischbinde-

mittel

Boden-

ver-

festigung

Grobkörnige Böden

(GE, GW, GI, SE, SW, SI)- - 3 – 7 3 – 7 3 – 7

Gemischtkörnige Böden

(GU, GT, SU, ST, GU*,

GT*, SU*, ST*)

4 – 6 4 – 8 4 – 12 4 - 12 4 – 12

Feinkörnige Böden

(UL, TL, UM, UA, TM,

TA)4 – 6 4 – 8 7 – 16 7 – 16 4 – 16

Künstliche

Gesteinskörnungen- - 5 – 12 5 – 12 5 – 12

RC-Baustoffe - - 4 – 10 4 – 10 4 – 10

Boden-

ver-

besser-

ung

(Qz.Vb.)

Grobkörnige Böden

(GE, GW, GI, SE, SW, SI)- - 3 – 6 3 – 6 3 – 6

Gemischtkörnige Böden

(GU, GT, SU, ST, GU*,

GT*, SU*, ST*)2(3) – 4 2(3) – 5 3 – 6 3 – 6 2(3) – 6

Feinkörnige Böden

(UL, TL, UM, UA, TM,

TA)2(3) – 4 2(3) – 5 3 – 6 3 – 6 2(3) – 6

Wahl der Bindemittelmenge bei der Eignungsprüfung in M.-%

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Anwendung: „Qualifizierte Bodenverbesserung“

• Bei der Herstellung einer qualifizierten Bodenver-besserung, bei feinkörnigen und gemischtkörnigen Böden, mit einer Schichtdicke von mindestens 25 cm, kann der Untergrund bzw. Unterbau in die Frostempfindlichkeitsklasse F 2 eingestuft werden. Als Ausgangswerte für die Bemessung der Mindest-dicke des frostsicheren Straßenaufbaus können die Angaben für Böden der Frostempfindlichkeitsklasse F 2 verwendet werden (siehe RStO, Tabelle 6), wenn auf dem Planum ein Verformungsmodul Ev2 ≥ 70MN/m² nachgewiesen wird.

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Dicke des frostsicheren Oberbaus nach RStO 01 Bauklasse III bis IV

Oberbaudicke

50 cm

EV2-Wert

> 45 MN/m²

EV2-Wert

> 70 MN/m²

F3-Boden

F2*-Boden

Oberbaudicke

50 cm

EV2

-Wert

> 45 MN/m²

F2-Boden

Oberbaudicke

60 cm

EV2

-Wert

> 45 MN/m²

F3-Boden

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Kennwerte der EPBindemittelgehalt

[M.-%]

0 1 2 3 4 5

Proctordichte

ρPr

[g/cm³]

1,79 1,73 1,69 1,66 1,65 1,64

opt. Wasserghalt

wPr

[M.-%]

17,3 18,5 19,4 21,9 22,7 23,4

Druckfestigkeit

[N/mm²]

0,1 0,2 0,4 0,7 1,0 1,2

Druckfestigkeit nach

Wasserlagerung

[N/mm²]

- - - 0,46 0,71 0,86

Festigkeitsabfall

nach

Wasserlagerung [%]

- - - 34 29 28

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Ergebnisse der Eigenüberwachungs-und Kontrollprüfungen

• Nachweis der Tragfähigkeit

• auf dem Planumwurden EV2-Werte von 60 – 120 MN/m²erreicht

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Dauerhaftigkeit der Verbesserung?!• Nachweis der Tragfähigkeit

nach einem Jahr• es wurde eine

Zunahme der Tragfähigkeit von ca. 30% festgestellt

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Qualifizierte Bodenverbesserung bei der Grunderneuerung einer Bundesstraße

- 30 cm Asphaltoberbau

- 25 cm Frostschutzschicht

- 30 cm qual. Bodenverbesserung

Eignungsprüfung:

4 M.-% Mischbindemittel (60/40)

Einaxiale Druckfestigkeiten:

- 0,79 N/mm²

- 0,58 N/mm² (nach Wasserlagerung)

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Hinterfüllung einer Stützmauer

• Abmessung der Stützmauer:

- Höhe bis 13 m

- Länge 160 m

• Straße liegt im Hinterfüllbereich

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Bodenkennwerte: Vorgabe der Planung

Boden-Bindemittel-Gemisch:

⇒ Hanglehm mit 3 M.-% Kalk

• Reibungswinkel: cal.φ’ 27,5°

• Kohäsion: cal.c’ 25,0 kN/m²

• Feuchtdichte: cal.ρ’ 1,9 t/m³

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Eignungsprüfung: SetzungsverhaltenBodenverbesserung mit Kalk

Druck-Stauchungsdiagramm

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

0 2 4 6 8 10 12 14 16

Stauchung [%]

Dru

ckfe

stig

keit

[N/m

m²]

0 M.-% CaO

1 M.-% CaO

3 M.-% CaO

5 M.-% CaO

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Kontrollprüfung• Verdichtungsgrad: im Mittel 99%

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Dauerhaftigkeit der Verbesserung?!Forschungsarbeit: Eignung frostempfindlicher

Böden für die Behandlung mit Kalk

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Regelwerke/Ausblick

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Stand der Regelwerke• RStO Richtlinien für die Standardisierung des

Oberbaus von Verkehrsflächen (Ausgabe 2001)

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RStO 2001 (Verfestigungen nach ZTVE - StB)

• Bauweisen mit vollgebundenem Oberbau mit auf dem Planum anstehenden F3 - Böden bzw. F2 - Böden und ungünstigen Wasser-verhältnissen in einer nach den RStO nicht anrechenbaren Mindestdicke von 15 cm

• übrige Bauweisen in einer nach den RStOanrechenbaren Dicke von maximal 20 cm

• Dauerhaft Ev2 >= 45 MN/m² auf dem Planmun

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Stand der Regelwerke• RStO Richtlinien für die Standardisierung des

Oberbaus von Verkehrsflächen (Ausgabe 2001)

• ZTVE – StB (Ausgabe 1994/97)

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ZTVE – StB 94/97

• Überarbeitung der ZTVE-StB ist angelaufen (ein erster Entwurf ist Anfang April 2006 an die Länder gesendet worden); Terminplan 2007

• Berücksichtigung und Einarbeitung neuer Regelwerke (z.B. EN 14227)

• Einarbeitung der Belange des Umweltschutzes

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Stand der Regelwerke• ZTVE – StB Erdarbeiten im Straßenbau (Ausgabe

1994/97)

• RStO Richtlinien für die Standardisierung des Oberbaus von Verkehrsflächen (Ausgabe 2001)

• TP BF – StB, Teil B 11.1 Eignungsprüfung bei Bodenverfestigung mit Zement (Ausgabe 2005)

• TP BF – StB, Teil B 11.5 Eignungsprüfung bei Bodenverbesserung und Bodenverfestigung mit Feinkalk und Kalkhydrat (Ausgabe 1991)

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TP BF-StB, Teil B 11.1 + 11.5

• Eine Neuausgabe der TP BF - StB Teil B 11.1 liegt vor (Ausgabe 2005)

• Die Erarbeitung einer TP BF – StB Teil B ? Arbeitstitel „Bodenverbesserung mit Bindemitteln (Kalk, Zement und Mischbindemittel)“ findet zur Zeit statt (Ein erster Entwurf ist Ende 2006 vorgelegt worden)

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Stand der Regelwerke• RStO Richtlinien für die Standardisierung des Oberbaus von

Verkehrsflächen (Ausgabe 2001)

• ZTVE – StB Erdarbeiten im Straßenbau (Ausgabe 1994/97)

• TP BF – StB, Teil B 11.1 Eignungsprüfung bei Bodenverfestigung mit Zement (Ausgabe 1986; Entwurf 2004)

• TP BF – StB, Teil B 11.5 Eignungsprüfung bei Bodenverbesserung und Bodenverfestigung mit Feinkalk und Kalkhydrat (Ausgabe 1991)

• Merkblatt über Technische Sicherungsmaßnahmen im Erdbau, Teil 1: Behandlung mit Bindemitteln zur Reduzierung der Eluierbarkeit von gefährlichen Stoffen

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Merkblatt über Technische

Sicherungsmaßnahmen

im Erdbau, Teil 1: Behandlung mit Bindemitteln

zur Reduzierung der Eluierbarkeit von

gefährlichen Stoffen (Entwurf 2004)

• Ein Entwurf (März 2004) liegt vor

• Abstimmung mit der LAGA und LAWA ist erforderlich und erfolgt zur Zeit

• Ausgabe ist für 2007 geplant

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• Durch die Zugabe von Bindemittel sollen die Schadstoffe in einem Baustoff dauerhaft in stabile, schwer lösliche und damit unschädliche Verbindungen (Immobilisierung) umgewandelt bzw. eingekapselt werden.

• Es können geeignete Baustoffe bis zur Einbauklasse Z 2 behandelt werden.

Zweck und Ziel des Merkblattes

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Europäische NormenreiheprEN 14227 Teil 10 – 14

Ungebundene und hydraulisch gebundene Gemische – Anforderungen:

• Teil 10: Bodenverbesserung mit Zement

• Teil 11: Bodenverbesserung mit Kalk

• Teil 12: Bodenverbesserung mit Schlacke

• Teil 13: Bodenverbesserung mit hydraulischemTragschichtbinder

• Teil 14: Bodenverbesserung mit Flugasche

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prEN 14227 Teil 10 – 14• Stellungnahmen zu den Normenentwürfen

sind 2003 und 2004 beim DIN eingereicht worden

• Die Normen sind nicht mandatiert (eine Anwendung im staatlichen Bereich ist aber trotzdem vorgegeben)

• Wie die Umsetzung für den Erdbau erfolgt wird zur Zeit diskutiert (Handelsfähiges Produkt?)

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prEN 14227 Teil 10 – 14

• Die Normen stellen nur Anforderungen an das Boden-Bindemittel-Gemisch (nicht an den Einbau)

• Die Anforderungen an die „Bodenbehandlung“ werden durch Kategorien beschrieben

• Bodenverbesserungen im Sinne der ZTVE liegen nicht im Anwendungsbereich der EN 14227

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Gegenüberstellung von Verfahren und Anforderungen der ZTVE/Merkblatt und EN 14227 – 10 / - 11

Verfahren/

BegriffeKriterien

ZTVE-StB /

Merkblatt

(Anforderung)

EN 14227-10

ZTVE-StB /

Merkblatt

(Anforderung)

EN 14227-11

Qualifizierte Bodenverbesserung (Cement stabilised soil) Bodenverbesserung (soil stabilised by lime)

Baustoffgemisch

Proctordichte/Wopt

Zu bestimmen Zu bestimmen Zu bestimmen Zu bestimmen

Druckfestigkeit

≥ 0,5 N/mm²

Festigkeitsabfall nach

Wasserlagerung

< 50%

C0,4/0,5

Festigkeitsabfall nach

Wasserlagerung

< 50%

≥ 0,5 N/mm²

Festigkeitsabfall nach

Wasserlagerung

< 50%

RC0,5

Festigkeitsabfall nach

Wasserlagerung

< 50%

oder

CBR0-Wert

≥ 40 %

Festigkeitsabfall nach

Wasserlagerung

< 50%

CBR40

Festigkeitsabfall nach

Wasserlagerung

< 50%

≥ 40 %

Festigkeitsabfall nach

Wasserlagerung

< 50%

CBR40

Festigkeitsabfall nach

Wasserlagerung

< 50%

Bindemittelmenge ≥ 3,0 M.-% -- ≥ 3,0 M.-% --

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Danke für die Aufmerksamkeit!