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Untersuchungen zur elektrochemischen Stabilisierung von schluffi-gen Feinsanden an der St. Nikolaus Kirche in Walbeck-Geldern Dipl.-Geol. Detlev Tondera; TU Bergakademie Freiberg, Institut für Geotechnik Prof. Dr. Rafig Azzam, RWTH Aachen, Lehrstuhl für Hydrogeologie/Ingenieurgeologie Prof. Dr.-Ing. Herbert Klapperich, TU Bergakademie Freiberg, Institut für Geotechnik

Problem und Aufgabenstellung Die Pfarrkirche St. Nikolaus in Walbeck-Geldern ist ein historisch bedeutsames Bau-werk, das vermutlich aus dem 13. Jahrhundert stammt. Aufgrund eines Schadensfalls in der näheren Umgebung der Kirche wurden vorbeu-gend im November 1994 und im Februar 1995 am Glockenturm der Kirche Schwin-gungsmessungen vorgenommen. Als Fazit wurde dabei festgestellt, dass der Turm bei Inbetriebnahme der Glocken einer Pendelbewegung in Südost-Nordwestrichtung unter-liegt. Dieser derzeitige Schwingungszustand ist auf eine resonanznahe Anregung durch die Glocke Nr. V zurückzuführen und als unzulässig anzusehen. Weiterhin wurde ermit-telt, dass beim Austausch des jetzigen Geläuts gegen die vom BGV Münster vorge-schlagenen neuen Geläutversionen mit ähnlichen Turmschwingungen wie beim vor-handenen Geläut zu rechnen wäre. Außerdem wurde festgestellt, dass ein erheblicher Anteil der Turmbewegung auf Kippschwingungen im Gründungsbereich zurückzuführen ist. Um die erforderliche Standsicherheit zu garantieren, ist eine Sanierung der Grün-dung bzw. eine Ertüchtigung des Baugrundes erforderlich. Es wurde vorgeschlagen ei-ne Baugrundvergütung mit Hilfe der elektrochemischen Injektion durchzuführen. Die Eignungsuntersuchungen für eine solche Sanierung und die Durchführung sollten vom Institut für Geotechnik, Bereich Ingenieurgeologie der TU Bergakademie Freiberg unter Leitung von Prof. Azzam übernommen werden. In einer Anlaufberatung im Vikariat Münster, an der alle Beteiligten (Baugrundgutachter und Bauingenieure) teilnahmen, wies Prof. Azzam auf die Vorteile dieser Sanierungsart auch hinsichtlich der Kosten und der einfachen Durchführung hin. Nach der Zustim-mung des Kirchenvorstandes wurde ein Schurf zur Erkundung der Baugrundverhältnis-se und zur Gewinnung von Probenmaterial für Laborversuche durchgeführt. Bei den Untersuchungen wurde folgendes Bodenprofil aufgenommen: 0,00 - 0,35 m Auffüllung (Kies-Sandunterbau) 0,35 - 1,70 m Auffüllung (humoser bis schwach humoser, lehmiger Sand mit Ziegelschutt, örtlich Knochen) 1,70 - 2,00 m Sand, stark schluffig (gewachsener lehmiger Boden,

allochthon, Oxydationszone) 2,00 - 2,60 m Sand, schluffig, lehmig 2,60 - 2,90 m Sand, stark schluffig 2,90 - 3,20 m Sand, Kies, schwach schluffig Grundwasserstand: 4,60 m bis 4,80 m unter GOK (Gutachten MÜLLER) das bedeutet 1,60 m unterhalb der Sand/Kies-Grenze

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Bei den Kartierungsarbeiten konnte keine Wassersättigung der schluffigen Feinsande festgestellt werden. Der Wassergehalt der Sedimente betrug zu diesem Zeitpunkt zwi-schen 16,6 und 7,0 %.

Abbildung 1: Darstellung des Bodenprofils Die Fundamente des Glockenturmes befinden sich im gewachsenen Boden, d.h. ca. 1,70 m unter der Geländeoberkante. Die baugrundbedingten Ursachen der Pendelung des Turmes werden auf die unterhalb der Gründungssohle anstehenden, stark schluffi-gen Feinsande zurückgeführt. Die anstehenden schluffigen Feinsande weisen bei statischer Belastung normale Trag-fähigkeiten auf. Bei dynamischer Belastung (z.B. durch das Läuten der Glocken) und einer Wassersättigung des Bodens wurden in den gering wasserdurchlässigen schluffi-gen Feinsanden Porenwasserüberdrücke aufgebaut, die zu Konsistenzänderungen füh-ren. Die schluffigen Feinsande verflüssigen sich und verlieren somit ihre Festigkeit. Die-ser Vorgang ist bekannt und tritt z. B. in deutlicher Form ein, wenn enggestufte feinsan-dige Böden bei Wassersättigung mit dynamischen Verdichtungsgeräten bearbeitet wer-den. Bei den unterhalb der schluffigen Feinsande vorhandenen mitteldicht bis dicht ge-

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lagerten Mittelsanden und kiesigen Sanden besteht eine derartige Empfindlichkeit ge-genüber einer dynamischen Beanspruchung in ungestörtem Zustand nicht. Für die geplante elektrochemische Bodenvergütung wird besonders der stark schluffige Feinsandbereich von 1,70 m bis 2,70 m unter Geländeoberkante in Betracht gezogen. Zur Gewinnung von Bodenproben wurde ein 3,20 m tiefer Baggerschurf an der katholi-schen Pfarrkirche St. Nikolaus in Geldern-Walbeck hergestellt. Aus diesem Schurf wur-den Proben für laborative Eignungstests in Hinblick auf eine elektrochemische Stabili-sierung gewonnen. Probe 1 1,70 - 2,00 m Probe 2 2,00 - 2,30 m Probe 3 2,30 - 2,60 m Probe 4 2,60 - 2,90 m Probe 5 2,90 - 3,20 m. Die Bodenproben wurden hinsichtlich Korngrößenverteilung, Lagerungsdichte und Wassergehalt im Labor untersucht. Die Ergebnisse zeigt nachfolgende Tabelle. Tab. 1: Bodenmechanische Eigenschaften des zu vergütenden Bodens St. Nikolaus-Pfarrkirche Geldern-Walbeck

Probenbe-zeichnung

Trockendichte [g/cm3]

nat. Rohdichte [g/cm3]

nat. Wasser-gehalt [%]

Porosität Durchlässig-keit [cm/s]

P 1

1,66

1,92

16,6

0,37

8,4 * 10-4

P 2

1,76

1,99

13,3

0,33

1,3 * 10-3

P 3

1,78

1,94

9,3

0,32

1,4 * 10-3

P 4

1,75

1,92

10,5

0,34

6,8 * 10-4

P 5

1,87

2,00

7,0

0,29

2,3 * 10-3

Aufgrund der erzielten Ergebnisse der Vorversuche wurde für die elektrochemische Verfestigung das karbonatische Verfestigungsverfahren ausgewählt. Zur Durchführung der Bodenverfestigung wurden zwei Injektionsreihen in den Baugrund gerammt. Die erste Injektionsreihe bestand aus Elektroden, die vor den Fundamenten der Kirche schräg in den Boden sondiert wurden. Die Katoden endeten dabei ca. 0,40 m unterhalb der Fundamente. Die zweite Injektionsreihe ist direkt durch die Fundamente der Kirche in den Untergrund gerammt worden. Dazu war eine größere Anzahl an Kernbohrungen durch die Fundamente notwendig.

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Grundlagen der elektrochemischen Prozesse Die Voruntersuchungen zur elektrochemischen Verfestigung der schluffigen Feinsande wurden mit zwei verschiedenen Verfahren durchgeführt. Dabei handelt es sich um eine silikatische und eine karbonatische Verfestigung. Silikatische Verfestigung Es bestand das Ziel, mit Hilfe eines festen Silikatgels die schluffigen Feinsande zu ver-festigen. Der Hauptausgangsstoff wurde von Kieselsol gebildet. Kieselsol ist eine wässrige Lösung hochmolekularer Kieselsäure mit kolloidaler Teil-chengröße. Die Moleküle besitzen unterschiedliche Kettenlängen und damit ein variab-les Zahlenverhältnis von Silicium (Si), Sauerstoff (O) und Wasserstoff (H), so dass kei-ne konkrete Summenformel anführbar ist. Es wird mit der allgemeinen Summenformel

SiO2 x H2O umschrieben. Um aus dem Kieselsol ein festes Gel herzustellen, wird angestrebt, die freien Sauer-stoffvalenzen der Kieselsäure mit einem 2-wertigen Kation abzusättigen, wobei die Wasserstoffionen (H+) verdrängt werden. Aufgrund der Wertigkeit deckt ein Kation zugleich zwei Sauerstoffionen ab. Als ein sol-ches 2-wertiges Kation wird das Calciumion (Ca2+) und als dessen Lieferant, analog dem JOOSTEN-Verfahren, Calciumchlorid (CaCl2) in Betracht gezogen. Calciumchlorid ist ein schwach sauer reagierendes Salz. Die Reaktion von Kieselsol mit Calciumchlorid ist eine Gleichgewichtsreaktion, die sich folgendermaßen darstellt:

H2Si03 + Ca2+ + 2 Cl- CaSi03 + 2 H+ + 2 Cl-

Dabei ist das entstehende Calciumsilikat auch als variable Größe zu betrachten. Durch die im Boden ablaufenden Gelbildungen werden die einzelnen Feststoffpartikel in ihrer Lage fixiert. Dadurch kommt es zu einer Verfestigung des Bodens. Weiterhin wird die Konsistenzänderung von enggestuften, feinkörnigen Lockergesteinen bei dynami-scher Belastung zurückgedrängt. Karbonatische Verfestigung Unter Einwirkung eines Gleichstromfeldes laufen in bindigen Böden Prozesse ab, die Veränderungen im Boden und damit die Verbesserung der Erdstoffeigenschaften be-wirken. Hierzu gehören: - Ionendiffusion - Ionenaustausch - Erzeugung von osmotischen und pH-Wert-Gefällen - Mineralzersetzung - Bildung von unlöslichen Salzen - Hydrolyse

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- Oxydation - Elektrolyse - Reduktion - physikalisch-chemische Anlagerungen - Strukturveränderungen. Je nach den äußeren Bedingungen laufen diese Vorgänge mit unterschiedlicher Intensi-tät ab. Die Elektrolyse, der Ionentransport und die Austauschreaktionen tragen maß-geblich zu einer irreversiblen Bodenvergütung bei. Durch die genannten Teilprozesse und ihre Begleiterscheinungen ergeben sich bedeutende Veränderungen in der che-misch-mineralischen Zusammensetzung der Erdstoffe. So verändert sich auch der pH-Wert des dispergierten Mediums und die Austauschreaktionen werden beschleunigt, die Voraussetzungen für die Bildung neuer chemischer Verbindungen geschaffen und gleichzeitig beginnt die Koagulation der Bodenteilchen. Die Veränderungen des pH-Wertes und der Ionenkonzentration des Wassers werden gleichzeitig mit dem elektro-osmotischen Wassertransport bewirkt. Nach SHINKIN (1966) ändert sich der pH-Wert im Anodenbereich schneller als im Katodenbereich. Mit zunehmender Behandlungsdauer vergrößert sich der Bereich der pH-Änderungen in Richtung Probemitte sowohl von der Katode als auch von der Anode aus. Der sich bil-dende basische Bereich ist größer als die saure Zone. Diese Vorgänge klingen mit dem Nachlassen der elektroosmotischen Strömung ab. Die Einführung von Elektrolyten in den Erdstoff beschleunigt die pH-Wert-Veränderungen. Auch ist der Übergang von der basischen zur sauren Zone deutlicher ausgebildet. Der Erdstoff wird in Katodennähe nicht nur durch schwerlösliche Hydroxide verfestigt, sondern auch durch Karbonate, die infolge von Reaktionen mit Kohlensäure entstehen.

Ca (HCO3) + Ca (OH)2 2 CaCO3 + 2 H2O

Ca (OH)2 + CO2 CaCO3 + H2O

(Ca (HCO3)2 + 2 NaOH CaCO3 + Na2CO3 + 2 H2O) In der aktiven Diffusionsschicht der Bodenteilchen vollziehen sich daneben Aus-tauschreaktionen. Gewöhnlich kommen in den Böden die Kationen Ca2+, Mg2+, H+ und Na+ vor. Während der elektrochemischen Behandlung nimmt der Boden die in der inji-zierten Elektrolytlösung befindlichen Kationen auf und gibt im Tonkomplex gebundene Kationen ab. Dabei werden die Ionen mit niedrigerer Wertigkeit durch Ionen mit höherer Wertigkeit ausgetauscht. Die Kristallisation und Umkristallisation der chemischen Neubildungen führen zur Ze-mentation der Bodenteilchen und zur Verfüllung der Porenräume. Der Bodenverfestigungsprozess dauert noch lange Zeit nach dem Abschluss der Bo-denbehandlung an, oftmals einige Jahre.

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Vorversuche Zum Nachweis der Eignung eines elektrochemischen Injektionsverfahrens, sowie zur Auswahl der Chemikalien und Mischverhältnisse wurden durch den Lehrstuhl Ingeni-eurgeologie, Deponiebau und geotechnische Sicherungsverfahren, der TU Bergakade-mie Freiberg, umfangreiche Laborversuche und ein in-situ Versuch durchgeführt. Laborversuche Mit den in einem Schurf (unmittelbar am Glockenturm) gewonnenen Bodenproben wur-den im chemischen Labor des Lehrstuhls Ingenieurgeologie mit Hilfe einer speziellen Versuchsapparatur Laborversuche durchgeführt (Abb. 4 und 6). Dabei kamen unterschiedliche Chemikalien zum Einsatz. Die Zielstellung bestand darin, Verfestigungen in der Anoden-, Katoden- und in der Übergangszone zu erreichen. Be-sonderes Augenmerk wurde auf die Umweltverträglichkeit der eingesetzten Chemika-lien gelegt. Für die elektrochemische Bodenverfestigung müssen vom zu verfestigenden Medium 3 Grundbedingungen erfüllt werden: 1. k-Wert < 10-5 m/s 2. 50 % kolloidaktive Teilchen < 0,01 mm müssen vorhanden sein und

3. der spezifische Widerstand darf nicht größer sein als 18 /cm. Die schluffigen Feinsande erfüllen in dem zu verfestigenden Bereich von 1,70 - 2,70 m unter der Geländeoberkante die Forderungen 1 und 2. Die Forderung 3 ist vom Elektro-lytgehalt und vom Wassergehalt abhängig und konnte durch Anfeuchten bzw. durch Zugabe der Elektrolyte erreicht werden. Chemikalien Bei den durchgeführten Laborversuchen wurden 2 verschiedene Wege der Bodenver-festigung untersucht, die Elektrosilikation und die elektrochemische Verfestigung durch Karbonatausfällung (Abb. 2 und 3). Neben dem Kieselsol (H2SiO3) kommt bei der Elektrosilikation Calciumchlorid (CaCl2) und Natriumhydrogencarbonat (NaHCO3) als Stabilisator zum Einsatz. Um ein optimales Verhältnis der drei Komponenten zu ermitteln, wurden zunächst Rea-genzglasversuche durchgeführt.

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Abb. 2 und 3: Reagenzglasversuche für die Elektrosilikation Für die Laborversuche standen 2 Versuchsbehälter mit 0,0045 m3 Inhalt zur Verfügung. Auf die sich daraus ergebene Bodenmenge wurden 200 ml Chemikalien eingesetzt. In der Katode wurde das Kieselsol und das Natriumhydrogencarbonat und in der Anode das CaCl2 injiziert. Die angelegte Spannung wurde mit 1 V/cm festgelegt. Versuchsaufbau Die Laborversuche wurden in einem Versuchsbehälter aus Plastik mit einem Raumin-halt von 0,0045 m3 durchgeführt. Die Elektroden waren aus Eisen und die untersten 10 cm perforiert. Die Spannung von 1 V/cm wurde über einen Gleichstromtransformator (Arbeitsbereich 0 V bis 40 V) aufgebracht und konstant gehalten. In den Abbildungen 4 und 5 ist der Aufbau der Versuchsapparatur schematisch darge-stellt. Da bei einer Elektrosilikation mit einem relativ geringen Verfestigungsradius ge-rechnet wurde, ist eine Elektrodenanordnung Katode-Anode-Katode (Abb. 4) ausge-wählt worden. Die elektrochemische Karbonatverfestigung wurde mit der Elektrodenan-ordnung Katode-Anode durchgeführt.

Abb. 4: Versuchsaufbau für die Elektrosilikation

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Abb. 5: Versuchsaufbau für die elektrochemische Karbonatverfestigung

Abb. 6: Durchführung der Elektrosilikation Versuchsergebnisse Bei der Elektrosilikation wurde im Katodenbereich eine sehr hohe Verfestigung des schluffigen Feinsandes nachgewiesen. Um die Katoden bildete sich ein fester Kegel, der nur schwer zerstört werden konnte. Im Übergangsbereich bzw. im Anodenbereich konnte keine Verfestigung nachgewiesen werden. Abhängigkeiten zwischen dem Ver-festigungsradius des Bodenkegels um die Katode und dem Mischungsverhältnis des In-jektionsmittels wurden nicht beobachtet. Fast analog wurde auch bei der elektrochemischen Karbonatverfestigung eine hohe Verfestigung im Bereich der Katode erreicht. Im Unterschied zur Elektrosilikation war die Verfestigung jedoch auch im Übergangsbereich festzustellen. Der Anodenbereich war nicht verfestigt, jedoch konnten die beschriebenen Eisenreaktionen beobachtet werden. Auffallend war, dass nach Abschaltung der Spannung und dem Abtrocknen der Bodenprobe eine weitere Verfestigung eintrat.

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Abbildung 7: Versuchsbehälter der Elektrosilikation nach dem Ausbau

In - situ Versuche In der Nähe der katholischen Pfarrkirche St. Nikolaus wurden in einem Testfeld Feld-versuche zur elektrochemischen Bodenvergütung durchgeführt. Mit Hilfe von Ramm-sondierungen mit der leichten Rammsonde (LRS) soll der Erfolg der Injektions-/Vergütungsmaßnahme nachgewiesen werden. Aufgrund der Ergebnisse der Laborver-suche wurde jeweils eine Mischung für die silikatische Bodenvergütung und für die elektrochemische Karbonatverfestigung ausgewählt. Um den Widerstand des Bodens zu verringern, wurden in der Katode erst 15 l schwach konzentrierte NaHCO3-Lösung injiziert. Danach erfolgte die eigentliche Kieselsolver-pressung und abschließend die elektrische Verfestigung. Im Versuch II (elektrochemische Karbonatverfestigung) wurden die chemischen Lösun-gen vorbereitet und in entsprechender Konzentration in einem Druckbehälter unter Druck (4 bar) mit Kohlensäure versetzt. Ein Teil der Kohlensäure geht dabei ebenfalls in Lösung und erhöht den für die Fällungsreaktion wichtigen Karbonatanteil. Um einen ho-hen Elektrolytgehalt im Boden zu gewährleisten, wurden in den 10 folgenden Tagen je-weils 2 l CaCl2-Lösung nachgegeben. Versuchsaufbau Mit Hilfe von Rammkernsondierungen wurde an den festgelegten Injektionspunkten die 1,70 m mächtige Auffüllung durchteuft und mit einem PVC-Rohr ausgebaut. Das PVC-Rohr hat die Aufgabe, im Bereich der Auffüllung die Elektroden gegenüber dem Erd-reich zu isolieren und in der Einbauphase ein Nachfall von Bodenmaterial zu verhindern (Abb. 8). Anschließend wurde in dem zu verfestigenden Bereich (1,70 m - 2,70 m unter Geländeoberkante) eine leichte Rammsondierung durchgeführt, um den Ist-Stand zu ermitteln. Im Folgenden wurden die im unteren Meter perforierten Injektionslanzen bis 2,70 m unter Geländeoberkante eingerammt. Der Abstand der Elektroden betrug jeweils

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1,0 m. Es wurde eine Spannung von 80 V, d.h. 0,8 V/cm angelegt. Die Elektroden wur-den nach der Injektion mit Schutzkappen abgedeckt (Abb. 9).

Abbildung 8: Schematischer Aufbau des Feldversuchs

Abbildung 9: Elektroden mit Schutzabdeckung nach dem Einbau

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Auswertung der Ergebnisse Um die Erhöhung der Festigkeit der schluffigen Feinsande nachzuweisen, wurden in dem natürlich gelagerten Boden leichte Rammsondierungen durchgeführt. Anschlie-ßend wurde, wie beschrieben, die Elektrosilikation bzw. die elektrochemische Kar-bonatverfestigung durchgeführt. Obwohl die elektrochemische Verfestigung des Bodens, wie bereits erwähnt, ein sehr lang andauernder Prozess ist, kann sich eine mögliche Verfestigung schon nach 4 bis 5 Wochen nachweisen lassen. So wurden nach 4 Wochen Versuchsdauer in 0,25 m Abstand von den Elektroden Nachversuche (leichte Rammsondierungen) durchgeführt. Bei der Gegenüberstellung der Ergebnisse kann folgendes festgestellt werden: Versuch I - Elektrosilikation An der Anode konnte erwartungsgemäß keine Verfestigung des schluffigen Feinsandes nachgewiesen werden. Die hier zur Verfestigung des Bodens ablaufenden Eisenreakti-onen (Auflösung der Anode und Ausfällung von schwer löslichen Eisenhydrat) benöti-gen einen wesentlich längeren Zeitraum. Im Bereich der Katode wurde eine geringe Verfestigung des Untergrundes nachgewie-sen. Die Verfestigung entsprach jedoch nicht den erwarteten Ergebnissen. Die geringe Verfestigung kann jedoch wie folgt erklärt werden. Zwischen dem Glockenturm der St. Nikolauskirche und der in ca. 8 m Abstand verlaufenden Straße befindet sich eine ca. 1,60 - 1,80 m hohe Stützmauer. Nach deren Bau wurden Bereiche zwischen Stützmau-er und Glockenturm mit Bauschutt verfüllt. Während der Injektion des Kieselsols und des Natriumhydrogenkarbonates in der Katode konnte beobachtet werden, wie die Chemikalien ohne größeren Widerstand im Boden versickerten. Das Injektionsgemisch ist in grobporige Bereiche des Bauschutts abgeflossen und stand somit für die Elektrosi-likation an der Katode nicht zur Verfügung. Eine nachweisbare Verfestigung ist entspre-chend gering ausgefallen. Die Untersuchungen zur Festigkeitsveränderung im Bau-grund mittels leichter Rammsondierung zeigten eine geringe Verfestigung (Abb. 10).

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Abbildung 10: Vergleich der Schlagzahlen an der Katode der Elektrosilikation

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Versuch II - Elektrochemische Karbonatbindung Auch beim 2. Versuch konnte im Anodenbereich keine Verfestigung nachgewiesen werden. Es war jedoch deutlich zu beobachten, dass im Anodenbereich Eisenreaktio-nen ablaufen. Dagegen wurde im Bereich der Katode eine deutliche Erhöhung der Festigkeit nachge-wiesen (Abb. 11). Die Schlagzahlen haben sich pro 10 cm Eindringtiefe durchschnittlich verdoppelt. Das zeigt, dass durch die Fällungsreaktion des schwer wasserlöslichen Calciumkarbonates eine Verkittung der Bodenpartikel erfolgte. Anhand der erreichten Ergebnisse kann die elektrochemische Karbonatfällung bei der Sanierung des Glocken-turms favorisiert werden.

Abb. 11: Vergleich der Schlagzahlen an der Katode der Karbonatverfestigung

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Im Verlauf der Versuchsdurchführung kam es zu einer teilweisen Auflösung der Elekt-roden

Abb. 12/13: stark angegriffene Elektroden nach dem Ausbau

Elektrochemische Bodenverfestigung zur Ertüchtigung der Grün-dungssohle des Glockenturmes Die elektrochemische Bodenverfestigung erfolgte durch die Karbonatfällung in zwei Ab-schnitten. In einem ersten Schritt wurde mit relativ wenig Aufwand über Rammbohrlö-cher die Elektroden nach Schema (Abb. 14 und 15) eingebaut. Um den Verfestigungs-horizont bis unter die Gründungssohle zu errichten war es notwendig, in einem zweiten Schritt die Lage der Elektroden zu verändern. Um auch die inneren Bereiche der Grün-dungssohle des Glockenturmes zu erreichen musste das Mauerwerk durchbohrt wer-den, was sich als sehr aufwendige Maßnahme herausstellte (Abb. 18 und 19). Elektrochemische Bodenverfestigung ohne Durchörterung der Fundamente Am 12.02.1996 begann der Einbau der Elektroden für die erste Injektionsreihe. Der Ab-stand der Elektroden betrug 0,50 m. Die Anoden waren 2,70 m lang und im unteren Be-reich 0,50 m perforiert. Die Länge der Katoden betrug 3,20 m. Die Katoden wurden im unteren Meter ebenfalls perforiert. Die Elektroden wurden mit annähernd gleichen Win-kel in den Boden eingerammt. Da nach den Ergebnissen der Vorversuche an den Kato-den mit der größten Verfestigung zu rechnen ist, sollten diese bis unter die Fundamente

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der St. Nikolauskirche in Walbeck eingerammt werden. Die Länge der Katoden ergab sich aus dem Abmaßen der Fundamente und dem Einrammwinkel der Katoden. Die Anoden wurden analog der Katoden, jedoch mit einem größeren Abstand zu den Fundamenten, eingebaut. Um den Wirkungsgrad der Injektionsmittel zu erhöhen wur-den die Längen der Anoden mit 2,70 m festgelegt, um eine Ableitung der Injektionsmit-tel durch die gut wasserdurchlässigen Sande und Kiese des Untergrundes zu minimie-ren. Eine schematische Darstellung der Längen-, Abstands- und Winkelverhältnisse gibt die Abbildung 15. Insgesamt wurden an der Nordseite, der Westseite und der Südseite 20 Anoden und 22 Katoden eingerammt. Die Abb.14 zeigt die Anordnung der Elektroden um den Glocken-turm der Kirche. Beim Einbau der Elektroden wurde der Bereich der Auffüllung bis zur Fundamentsohle mit Hilfe einer Schneckenbohrung aufgelockert, um den Eindringwiderstand für die Elektroden zu vermindern. Anschließend wurden die Elektroden mit einem Benzinham-mer bis zur Endteufe eingerammt.

Abb. 14: Lage der Elektroden für die erste elektrochemische Baugrundver- festigung um den Glockenturm der Kirche

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Abb. 15: Anordnung der Elektroden für die erste elektrochemische Baugrund- verfestigung mit Darstellung der Längen- und Winkelverhältnisse

Abb. 16/17: Einbau der Elektroden mittels Rammhammer (Brennkraft- und Elektrohammer)

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Mit Beginn der Chemikalieninjektion wurde eine Spannung von 60 V angelegt. Da nach den Vorversuchen eine karbonatische Bodenverfestigung gewählt wurde, kamen als In-jektionslösung eine 10 % Calciumcloridlösung (CaCl2)und eine 10 % Natriumhydrogen-karbonatlösung (NaHCO3) zum Einsatz. Zur Injektion wurde insgesamt pro Anode 6 kg CaCl2 und pro Katode 4 kg NaHCO3 verpresst. 60 % der Lösungen wurden an den ers-ten beiden Tagen injiziert, 40 % in den 10 folgenden Tagen. Der Strom lag anschließend ca. 4 Wochen an den Elektroden an. Die Stromstärke nahm nach der Injektion deutlich auf 26 bis 28 A zu und nahm dann kontinuierlich bis 16 A ab. Diese Abnahme der Stromstärke ist auf eine Verringerung der freien Ionen durch Fällungsreaktionen und Verdünnungseffekte zurückzuführen. Nach Abschaltung des Stromes wurden die Elektroden, soweit möglich, zurückgebaut. Die Anoden waren aufgrund der ablaufenden Eisenreaktion sehr stark korrodiert. Eine Eisenreaktion konnte an den Katoden nicht festgestellt werden. Die Katoden saßen je-doch so fest im Boden, dass ein Rückbau nicht möglich war. Die nachfolgende Schwingungsmessung brachte jedoch nicht das gewünschte Ergeb-nis. Die Schwingungsrichtung des Glockenturmes änderte sich in eine West/Ostschwingungsrichtung und die Schwingungsamplituden nahmen nur geringfügig ab. Als Ursache wird angenommen, dass die Bodenverfestigung, aufgrund der ange-setzten Geometrieverhältnisse, mehr neben, als unter den ca. 2,0 m breiten Fundamen-ten stattgefunden hat. Eine weitere Bodenverfestigung soll im Ergebnis direkt unter den Fundamenten des Glockenturmes durchgeführt werden. Elektrochemische Bodenverfestigung mit Durchörterung der Fundamente Die Bohrarbeiten zur Herstellung der Injektionslöcher durch die Fundamente stellten sich als sehr aufwendig heraus, da das Fundament aus Lesesteinen bestand, die mit Mörtel verkittet waren. Besondere Schwierigkeiten bereiteten die Quarzite, die von Kie-sel- bis Fußballgröße auftraten. Insgesamt wurden 46 schräge Fundamentbohrungen abgeteuft und als Elektroden ausgebaut (Abb. 18). Zur Injektion wurde analog der ersten Baugrundverfestigung eine karbonatische Boden-verfestigung gewählt. Der Stromgradient, die Konzentration der Injektionslösungen und die Mengen an Injektionsmittel wurden beibehalten. Die Länge der Katoden betrug bei der zweiten Bodenverfestigung 2,80 m und der Ein-rammwinkel ca. 65°. Die Spitze der Katodenlanze wurde wiederum im untersten Meter perforiert. Die Katode wurde aus 2 Teilen aufgebaut, aus einer 1,25 m langen Katoden-spitze und einem 1,55 m langen Katodenrohr. Da die Katodenspitze nach der Bau-grundvergütung sehr fest sitzt, soll dadurch nach Beendigung der Vergütungsmaßnah-me das Katodenrohr rückbaubar sein. Der Einrammwinkel der Anoden betrug ca. 80° und die Länge der Anode 2,40 m. Die Anoden wurden nicht geteilt und auf 0,50 m per-foriert. Eine schematische Darstellung der Längen-, Abstands- und Winkelverhältnisse für die zweite Baugrundvergütungsmaßnahme gibt die Abbildung 19.

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Die Elektroden wurden durch die vorbereiteten Bohrlöcher bis zur Endteufe in den ge-wachsenen Boden unterhalb der Fundamente eingerammt. Insgesamt wurden an der Nordseite, der Westseite und der Südseite 22 Anoden und 24 Katoden eingebaut.

Abb. 18: Lage der Elektroden für die zweite elektrochemische Baugrundver- festigung um den Glockenturm der Kirche

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Abbildung 19: Anordnung der Elektroden für die zweite elektrochemische Baugrundver- festigung durch Mauerwerksbohrungen mit Darstellung der Längen- und

Winkelverhältnisse Aus zeitlichen Gründen (hoher Zeitaufwand zur Herstellung der Injektionsbohrlöcher durch die Fundamente) wurde die Baugrundverfestigung in zwei Etappen durchgeführt. Erst wurde die Nordseite des Glockenturmes verfestigt und anschließend die West- und Südseite. Während der Baugrundvergütung konnte wiederum eine Erhöhung des Stromflusses nach der Injektion der Lösungen beobachtet werden. Nach der Injektion nahm der Stromfluss kontinuierlich ab. An den Anoden konnte ebenfalls eine sehr starke Eisenre-aktion festgestellt werden. Die Anoden korrodierten so stark, dass diese ca. 30 cm in den Bohrlöchern einsanken. Weiterhin konnte, besonders in den Morgenstunden, eine Dampfentwicklung beobachtet werden. Nach Beendigung der zweiten elektrochemischen Baugrundvergütung wurden die Elektroden rückgebaut. Dabei ließen sich die Katodenrohre sehr gut wiedergewinnen, während die Katodenspitzen im Baugrund verblieben. Die Anoden waren im Bereich der Perforation regelrecht durchkorrodiert, so dass auch die Anodenspitzen im Baugrund verblieben.

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Zusammenfassung Zur Verbesserung der Tragfähigkeit des Untergrundes der St. Nikolauskirche in Wal-beck wurde im Zeitraum von Februar 1996 bis September 1996 vom Institut für Geo-technik, Lehrstuhl für Ingenieurgeologie der TU Bergakademie Freiberg eine elektro-chemische Baugrundvergütung durchgeführt. Ein wesentlicher Vorteil der elektrochemi-schen Baugrundverfestigung bestand darin, dass während der Durchführung der Sanie-rungsarbeiten die Nutzung der Kirche nicht beeinträchtigt wurde. Alle notwendigen Ar-beiten zur Baugrundsanierung wurden von außen realisiert, so dass in der Kirche keine Aufbrucharbeiten des Fußbodens notwendig waren. Weiterhin ist das Verfahren der elektrochemischen Baugrundverfestigung im Vergleich zu den herkömmlichen Verfah-ren, wie z. B. Injektion oder auch Bodenstabilisierung mittels Hochdruckinjektion (HDI) wesentlich kostengünstiger. Zur Anwendung der elektrochemischen Baugrundverfestigung werden jedoch speziell Voraussetzungen vom Baugrund gefordert. Die Randbedingungen zum Einsatz des Verfahrens wurden in umfangreichen Feld- und Laborversuchen ermittelt Die nach der ersten elektrochemischen Bodenverfestigung durchgeführten Schwin-gungsmessungen brachten noch nicht das gewünschte Ergebnis. Die Schwingungsrich-tung des Glockenturmes änderte sich von der Südost-Nordwestrichtung in eine West-Ostschwingungsrichtung, und die Gesamtschwingungsamplitude nahm nur geringfügig ab. Allerdings ist eine Abnahme der Pendelanteile des Untergrundes auf nur noch 40 % festgestellt worden. Die Verringerung der Pendelanteile lässt die Annahme zu, dass ei-ne Bodenverfestigung stattgefunden hat. Als Ursache für das nicht erreichte Gesamter-gebnis wird angenommen, dass die Bodenverfestigung aufgrund der angesetzten Ge-ometrieverhältnisse, mehr neben, als unter den ca. 2,0 m breiten Fundamenten des Turmes stattgefunden hat. Nach der zweiten elektrochemischen Bodenverfestigung wurde durch abschließende Schwingungsmessungen der Erfolg der Sanierungsmaßnahme nachgewiesen. Der Pendelanteil des Glockenturmes konnte auf ca. 25 % reduziert werden. Die Gesamt-schwingungsamplitude des Turmes nahm dagegen nur unwesentlich ab. Der relativ elastische Glockenturm schwingt in sich umso mehr, je starrer der Untergrund wird. Ei-ne Versteifung des Glockenturmes, um die Gesamtschwingungsamplitude zu reduzie-ren, ist daher zu empfehlen.

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Literatur L. Draganov, F. Reuter, W. Herzog, W. Lange: Verfahren zur elektrochemischen Verfestigung bindiger Lockergesteine.; Patentschrift DD – 204123, 1983 J. Giesder: Elektrochemische Bodenverfestigung an einem konkreten Beispiel.;

TU Bergakademie Freiberg, Institut für Geotechnik, unveröffentlichte Diplomarbeit 1996

Kumutat: Über die elektrochemische Bodenverfestigung nach dem Verfahren

L. Casagrande.; Angewandt Chemie, Vol. 53, 1940, Nr. 15-16 Koppelberg, Müller: 1. Bericht über die Baugrundverhältnisse im Bereich des

Glockenturmes der katholischen Pfarrkirche St. Nikolaus in Gelder-Walbeck.; Geotechnisches Büro Dr. E.-H. Müller Nachf.. Gutachten Nr. 139/95, 1995

Ruske: Umweltverträglichkeit von Injektionsmitteln im Bauwesen.; TU Bergakademie Freiberg, Institut für Geotechnik, unveröffentlichte Diplomarbeit 1993 Shinkin, F. Reuter, Waldmann: Elektrochemische Bodenvergütung.;

Bergbau-Bauwesen, VEB Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie, Leipzig 1974

Veder: Elektrische Felder für Elektroosmose und Elektrokataphorese im Grundbau.; Bauingenieur 38,1963, Nr. 16 Waldmann: Berechnung der elektrischen Kenngrößen bei der Baugrundvergütung mit Gleichstrom.; Bauplanung – Bautechnik, 27, Jahrgang (1973), Nr. 8 R. Azzam, D. Tondera, S. Höppner, I. Wildenhain: Vorgutachten – Vorversuche

zur elektrochemischen Baugrundvergütung an der St. Nikolauskirche Walbeck.; unveröffentlichter Bericht, TU Bergakademie Freiberg, Institut für Geotechnik, 1996

R. Azzam, D. Tondera, S. Höppner, I. Wildenhain: Abschlussbericht zur elektroche-

mischen Bodenverfestigung des Baugrundes der St. Nikolauskirche in Walbeck-Geldern.; unveröffentlichter Bericht, TU Bergakademie Freiberg, Institut für Geotechnik, 1997

R. Azzam, D. Tondera, S. Höppner: Elektrochemischen Bodenverfestigung des Bau-

grundes der St. Nikolauskirche in Walbeck-Geldern.; In: Geotechnik.,Vol.20, S.204 - 2015 , 1997 Essen