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M.Sc. K. Beyer und Dr. J. Gebert
Verwertung von Baggergut im Deichbau
Hamburg-Rissen, den 13. September 2012
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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
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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
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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
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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
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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
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Aufbau des Modellversuchsstands
7M.Sc. K. Beyer
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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)
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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
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Szenarien
Aufbau I: Einsatz der Strahler, Tag-Nachtzyklen
Aufbau II: konstante Bedingungen
Aufbau III: zyklische Beregnung
10M.Sc. K. Beyer
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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
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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
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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
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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
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Eignung von METHA-Material im Deichbau: ein Feldversuch
15Dr. J. Gebert
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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
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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
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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)
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Testfeldbau August 2004
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Testfeld 2PEHD-Wanne mit Dränsand
Testfeld 1Kleischichten
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Abziehen und Anrauhen der Schichtgrenzen
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Testfeld 2Aufbringen METHA-Material
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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
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Hochwasser
Mess-Schacht überspült
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Eisgang
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Schrumpfrisse in KleideckeSommerliche AustrocknungRisse in der Kleidecke
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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
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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
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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
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Mobilisierung von Schadstoffen aus METHA-Material
Dr. J. Gebert
Zeitraum2004-2010
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Mobilisierung von Schadstoffen aus METHA-Material
Dr. J. Gebert
o Keine OZVo Keine Phenoleo Keine PCBo Keine PAKo DOC vergleichbar mit Klei
Zeitraum2004-2010
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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
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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
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Ausblick: Aufgrabung April 2012
Dr. J. Gebert
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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
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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
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