M.Sc. K. Beyer und Dr. J. Gebert

Verwertung von Baggergut im Deichbau

Hamburg-Rissen, den 13. September 2012

Gliederung

Teil 1: Untersuchung zur bodenmechanischen Eignung im Labor- und Modellversuchsmaßstab

M.Sc. K. Beyer, TUHH

Teil 2: Feldversuch zum hydraulischen Verhalten und zum Schadstoffemissionspotenzial

Dr. J. Gebert, HPA

2M.Sc. K. Beyer

Möglichkeiten der Verwertung im Deichbau

Moderne Deiche in Nordwestdeutschland:

Ansatz: Verwertung von METHA-Material im unteren Teil der bindigen Deckschicht

Untersuchung folgender Abdeckprofile:

30 cm mächtige Kleiabdeckung über METHA-Material 50 cm mächtige Kleiabdeckung über METHA-Material

3M.Sc. K. Beyer

Foto: Landesbetrieb Straßen, Brücken, GewässerQuelle: bergedorfer-zeitung.de

Sandkern

Klei

Eigenschaften (Charge 2)

4M.Sc. K. Beyer

Eigenschaft HH1 EAK2 Weiß‐mann3 Altenwerder Depot Klei METHA‐Material

Glühverlust (%) 4 9Anteil Sand (%) 26 29Anteil Feinstes (%) 16 19Fließgrenze (%) 39 102Plastizitätszahl (%) 19 57Einbauwassergehalt (%) 21 61Trockendichte (%) 1,6 1,0Scherfestigkeit (kPa) 50 70Durchlässigkeit (m/s) 2∙10‐10 8∙10‐10

Zerfallszeit (h) 24 24Schrumpfmaß 6 381 Empfehlungen für den Kleieinbau und die Kleiverdichtung (Jan. 1988)2 Empfehlungen Arbeitskreis Küste 2002 (korrigierte Ausgabe 2007): Tab. G33 Weißmann, R. (2003): Die Widerstandsfähigkeit von Seedeichbinnenböschungen gegenüber ablaufendem Wasser. Dissertation, Universität Duisburg-Essen

Witterungsbedingte Auswirkungen auf exponierte, kohäsive Böden

Verdichtete, kohäsive Böden vollziehen einen Prozess der Reifung

Von Bedeutung hierbei: Änderungen der Temperatur und des Wasserdargebots

Bei gegebenen Umweltbedingungen (Klima, Flora, Fauna) hängt die sich entwickelnde Struktur von den Bodeneigenschaften ab

Rissbildung in Deichen kann zu einer Beeinträchtigung ihrer Sicherheit führen

Erhöhung der Gesamtdurchlässigkeit, Vergrößerung der Angriffsfläche für Wasser

5M.Sc. K. Beyer

Ausgewählte Untersuchungen an Laborproben

Wasserzutritt: U.a. Untersuchung der Scherfestigkeit:

Hohe Plastizität des METHA-Materials bewirkt geringere Abhängigkeit der Scherfestigkeit vom Wassergehalt

6M.Sc. K. Beyer

Rissbildung: U.a. Untersuchung der Zugfestigkeit:

Entwicklung eines Versuchsstands, momentan Optimierung des AufbausUntersuchung in Abhängigkeit vom WassergehaltMETHA-Material hat geringere Zugfestigkeiten als der untersuchte Klei

Aufbau des Modellversuchsstands

7M.Sc. K. Beyer

Klimatisierung und Beregnung

8M.Sc. K. Beyer

Thermische Isolierung

6 Geräte zur Regulierung der Luftfeuchte (Luftbehandlung in geschlossenem Kreislauf)

Peltier‐basierte Temperaturregelung (1 pro Abschnitt)

HID Strahler mit Tageslichtspektrum (2 pro Abschnitt)Beregnungsanlage (4 Düsen pro Abschnitt)

Einrichtung der Profile

Rissbildung: 1 Überwachungskamera pro Profil

Temperatur: 4 pt100 pro Profil

Wassergehalt: 4 SISOMOPs pro Profil

Saugspannungen: 6 Labortensiometer T5/T5x pro Profil

9M.Sc. K. Beyer

Siebung der Erdstoffe auf 16mm

Einbau mit dem Proctorhammer in 5cm Lagen

Installation der Sensoren nach der Verdichtung horizontal im Profil

Szenarien

Aufbau I: Einsatz der Strahler, Tag-Nachtzyklen

Aufbau II: konstante Bedingungen

Aufbau III: zyklische Beregnung

10M.Sc. K. Beyer

Rissbildung (Aufbau I)

Riss im Klei nach sehr kurzen Trocknungsphasen, im METHA-Material deutlich später

Stagnation der Rissausweitung im Klei, weitere Ausweitung im METHA-Material

Rissverhalten der abgedeckten Profile entspricht dem des Klei-Profils (Aufbau II) 11M.Sc. K. Beyer

Trocknungsverhalten: Profile im Vergleich (Aufbau II)

Im Klei-Profil: die Oberfläche reagiert deutlich sensibler auf Trockenereignisse

Im METHA-Material: geringere Saugspannungsentwicklung mit größerer Tiefenwirkung

In abgedeckten Profilen:geringere Übertragung von Saugspannungen in das METHA-Material

Einflusstiefe geringer als in reinen Profilen

12M.Sc. K. Beyer

Abgeleitetes Materialverhalten

Eigenschaften von METHA-Material lassen in vielen Punkten ein positives Materialverhalten auf dem Deich erwarten

Bewertung nach Richtlinien für Klei nicht ohne Weiteres möglich

Insbesondere das Trocknungs- und Rissverhalten bedarf näherer Betrachtung

Ein instrumentierter, klimatisierter Modellversuchsstand wurde entwickelt, bisher 3 Aufbauten

Früheres Reißen der Kleioberfläche, da sie deutlich sensibler auf Trockenereignisse reagiert

Stagnation der Rissausweitung im Klei, weitere Ausweitung im METHA-Material

In abgedeckten Profilen oberflächennah ähnlich dem Klei Profil mit geringerer Einflusstiefe

Beurteilung der Risssicherheit in Kombination mit Schrumpfmaßen und Zugfestigkeiten

13M.Sc. K. Beyer

Ausblick: In-situ Erkundung an Testfeldern

2D-Widerstandstomographie:

erlaubt die zerstörungsfreie Beobachtung der Änderungen in Wassergehalt und Makrostruktur unter realen klimatischen Bedingungen

Durchführung an Testfeldern unter Verwendung von Klei und METHA-Material

14M.Sc. K. Beyer

Eignung von METHA-Material im Deichbau: ein Feldversuch

15Dr. J. Gebert

Aufklärung des hydraulischen Verhaltens von METHA-Material im Vergleich zur Referenz Klei

Untersuchung der Mobilisierung und des Austrags von Schadstoffen aus METHA-Material

Ziele

Dr. J. Gebert

METHA-Material/Klei 70 cm

Klei 30 cm

NN + 2.52 m

NN + 6.80 m

1:3

Sand

HDPE-Wanne

Aufbau Testfelder - Querschnitt

Dr. J. Gebert

Instrumentierung - Aufsicht

Elbe / RosshafenMess-Schacht

Sickerschacht

TF 1- Klei TF 2 – Klei + METHA-Material

15 m

9 m

• Wasserqualität• Wasserquantität (Pegellogger)

• Wasserquantität (MID)

• Porenwässer (Saugkerzen)

• Wassergehalt (TDR)

• Porenwässer (Saugkerzen)

• Wassergehalt (TDR)

Testfeldbau August 2004

Testfeld 2PEHD-Wanne mit Dränsand

Testfeld 1Kleischichten

Abziehen und Anrauhen der Schichtgrenzen

Testfeld 2Aufbringen METHA-Material

METHA‐Material0.96 g/cm3kf = 1.7*10‐9 m/s

Klei1.37 g/cm3kf = 6.3*10-10 m/s

Mess‐Schacht

Testfeld 2Klei über METHA-Material

Hochwasser

Mess-Schacht überspült

Eisgang

Schrumpfrisse in KleideckeSommerliche AustrocknungRisse in der Kleidecke

Untersuchungsprogramm

Bodenphysikalische und bodenchemische Kennwerte

Lokales Klima (Wetterstation)

Abflüsse aus Testfeldern

Feststoff- und Sickerwasseranalytik nach

Länderarbeitsgemeinschaft Abfall (LAGA) M20Bundesbodenschutzverordnung (BBodSchV),Pfad Boden → GrundwasserDeponieverwertungsverordnung (DepVerwV)besonderer Fokus: Organozinnverbindungen

27Dr. J. Gebert

Körnung

Klei METHA-Material0

10

20

30

40

50

Ante

il (G

ew.-%

)

Ton

Klei METHA-Material0

10

20

30

40

50Schluff

Klei METHA-Material0

10

20

30

40

50Sand

Dr. J. Gebert

Bodenphysikalische Kennwerte

Dr. J. Gebert

Klei METHA-Material0

10

20

30

40

50

60GPV

Klei METHA-Material0

10

20

30

40

50

60Feldkapazität

Klei METHA-Material0

10

20

30

40

50

60Nutzbare Feldkapazität

Klei METHA-Material0

10

20

30

40

50

60 Luftkapazität

Klei METHA-Material0

10

20

30

40

50

60Totwasser

Vol.-% Vol.-% Vol.-% Vol.-% Vol.-%

Totwasser

2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

Kum

ulie

rter A

bflu

ss (l

/m2 )

Testfeld 1 (Klei) Testfeld 2 (Schlick)

Kum

ulie

rter A

bflu

ss (1

000

m3 )

2004-2012

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

Hydraulisches Verhalten

Dr. J. Gebert

Zusammenfassung hydraulisches Verhalten

Bis Ende 2005 Aufrechterhaltung hoher hydraulischer Dichtigkeit,keine Abflüsse aus beiden Feldern

Infolge von Durchwurzelung, Schrumpfung, Frosteinwirkung (Bodenreifung) starke Erhöhung der Durchlässigkeit in 2006

Summierter Abfluss aus TF 2 beträgt bislang etwa das 2fache des Abflusses aus TF 1

ABER: Seither in TF 2 starke Abnahme der Sickerraten, deutliche Annäherung des Sickerverhaltens an TF 1

31Dr. J. Gebert

Mobilisierung von Schadstoffen aus METHA-Material

Dr. J. Gebert

Zeitraum2004-2010

Mobilisierung von Schadstoffen aus METHA-Material

Dr. J. Gebert

o Keine OZVo Keine Phenoleo Keine PCBo Keine PAKo DOC vergleichbar mit Klei

Zeitraum2004-2010

Zusammenfassung Schadstoffemissionspotenzial

Testfeld 1 (Klei) seit Beginn, Testfeld 2 (METHA-Material) seit August 2006 unter oxidierenden Bedingungen

Geringfügige Mobilisierung anorganischer Schadstoffe einmalig beim Übergang von reduzierten zu oxidierten und von oxidierten zu reduzierten Bedingungen

Keine Unterschiede im Sickerwasser beider Felder bzgl.der langfristig sich einstellenden Konzentration von Spurenmetallen

Keine Emission organischer Schadstoffe

Sickerwässer überschreiten Werte nach BBodSchV, LAGA M20, Entwürfe der ErsatzbaustoffV und GrundwasserV sowie Deponieverwertungsverordnung nur für

SulfatNitratLeitfähigkeit

34Dr. J. Gebert

Schlussfolgerungen und Ausblick

Emission anorganischer und organischer Schadstoffe bislang unkritisch

Dichtwirkung des Baggerguts nach erster Austrocknung eingeschränkt, aber im weiteren Verlauf Annäherung an Eigenschaften des Kleis

Fortsetzung der Untersuchungen zum hydraulischen Verhalten über weitere drei Jahre

Aufgrabungen zur Analyse der Veränderung der bodenphysikalischen Eigenschaften und zur Überprüfung des Rissbildes

35Dr. J. Gebert

Klärung der Gleichwertigkeit von METHA-Material gegenüber Klei hinsichtlich der hydraulischen Eigenschaften

Ausblick: Aufgrabung April 2012

Dr. J. Gebert

Testfeld 2: Klei über METHA-Material

Dr. J. Gebert

Riss im Klei

Riss im METHA-Material

Ziel: Analyse der Veränderung bodenphysikalischer Eigenschaften gegenüber dem Einbauzustand;Ergebnisse 12/12

38

Kontaktdaten

M.Sc. Kathinka Beyer Dr. Julia Gebert

Technische Universität Hamburg-Harburg HPA Hamburg Port Authority AöR

Institut für Geotechnik und Baubetrieb Ingenieurbüro Baggergut

Harburger Schloßstraße 20 Neuer Wandrahm 4

21079 Hamburg 20457 Hamburg

www.tuhh.de/gbt www.hamburg-port-authority.de

Tel.: +49 40 42878-3813 Tel.: +49 40 42847-2428 Fax: +49 40 42878-4020 Fax: +49 40 42847-2794E-Mail: beyer@tuhh.de E-Mail: Julia.Gebert@hpa.hamburg.de