Strengthened sediment, ein neuartiger innovativer Baustoff · 13. September 2012 Strengthened...

13. September 2012

Strengthened sediment, ein neuartiger innovativer Baustoff

Eine Sichtweise aus den Niederlanden

Dipl.-Ing. Ulrich FörsterIng. Hans van de Velde

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Gliederung

EinleitungGrundgedankeStrenghtended SedimentMögliche AnwendungenUntersuchungenPilotprojektKostenvorteileFazit und Ausblick

13. September 2012BAW Kolloquium Schlick

Einleitung

• Deltares ist ein unabhängiges Institut für angewandte Forschungauf den Gebieten Wasser, Untergrund und Infrastruktur.

• Wir arbeiten an innovativen Lösungen und Anwendungen fürMensch, Umwelt und Gesellschaft.

• Der Focus liegt hierbei auf Deltas, Küstenregionen undFlusseinzugsgebieten.

• Eines der 5 Forschungsthemen im Strategischen Plan 2012-2015 von Deltares zielt auf einen Beitrag zum ökonomisch undökologisch vertretbaren Management und zur Verwertungnatürlicher Ressourcen, insbesondere von Wasser und Boden.

• Deltares ist daher interessiert an der Entwicklung neuerbautechnischer Aufwertungen und Anwendungen von Baggergutmit dem Ziel einer nachhaltigen Wiederverwertung.


Einleitung

Nassbaggerarbeiten sind unerlässlich, um Schiffbarkeit und die natürlichen Funktionen der Wasserwege gewährleisten zu können und den Hochwasserschutz durch kontrollierte Wasserzufuhr und -abfuhr sicherzustellen.

In den letzten 20 Jahren ist die Unterhaltungsbaggerung in Rückstand geraten. Dieser Rückstand gilt nicht für alle Gewässersysteme:• Baggergut aus Salzwassersystemen: 19 Mio. m³ pro Jahr • Baggergut aus Süßwassersystemen: 8,1 Mio. m³ pro Jahr:

- 6,8 Mio. m³ an Unterhaltungsbaggerarbeiten- 1,3 Mio. m³ an Sanierungsarbeiten

Außerdem werden durch Landbaubetriebe noch zusätzlich 7 Mio. m³ Sediment aus Wassergräben und Mahlbusen gebaggert undauf dem Land ausgebracht.


Verbringung von Baggergut auf Deponien

Landseitige Abraumhalden/Deponien

Eingedeichte Depots in Oberflächengewässern:- Slufter (Maasvlakte)- Hollandsch Diep- IJsseloog (Ketelmeer)- Groningen Seaports- Derde Merwedehaven

Ehemalige Sandgruben


Grundgedanke

• Jährlich fallen in den Niederlanden im Rahmen der Unterhaltungsbaggerung 25 bis 30 Millionen m³ Sediment an, die andernorts umgelagert werden müssen.

• Das Projekts „Raum für den Fluss“ erfordert Maßnahmen zum Abbau und Transport großen Mengen primärer Baustoffe und führt zum Abbau von Millionen Kubikmetern, teils kontaminierten Sediments und Bodens.

• 7000 km Entwässerungsgräben und Mahlbusen => 14000 km Ufer• Bis 2100 muss der größte Teil der mehr als 15000 km Deiche

ertüchtigt sein.• Regelmäßig auszuführende Baggerarbeiten• In Zukunft zu realisierende Deichertüchtigungsprogramme

Grundidee: „work with work“• Regional Nassbaggerarbeiten mit der Realisierung von

Tiefbauarbeiten koppeln• Durch Kombination von Angebot und Nachfrage von Baustoffen

zwischen den Stakeholdern wird besonders in mehrjährigen Instandhaltungsprogrammen Prozessinnovation stimuliert.

• Durch die Entwicklung von Strengthened sediment als technischer Innovation kann dieser Prozessinnovation Rechnung getragen werden.


Was ist Strengthened Sediment?

Eine preiswerte, schnell einsetzbare Technik, bei der gebaggertes Sediment oder weiche Materialien vor Ort verfestigt werden und direkt als sekundärer Baustoff wiederverwendet werden können.

Nassbaggern / Sieben von Sediment

Mischen mitBinder

Zugabe einesInitiators

Anwendung in Baumaßnahme

Verarbeitung in einem durchgehenden Prozess


Was ist Strengthened sediment®?

• Sediment / weiche Materialien (sandiger bis organischer Schlick,mariner Ton, Bohrschlamm);

• Binder: reaktive Schlacke / Flugasche mit ausreichend freiem Calcium. Braunkohlenfilterasche (CaO > 30%) oder Zement;

• Initiator: Wasserglas (Natriumsilicat);• Oder Geopolymer: Metakaolin + Initiator;• Gegebenfalls schwere Zuschlagsstoffe (Granit, Basalt) für

flussbauliche Maßnahmen oder Zuschlag mit geringer Wichte (Schaumstoff) für Konstruktionen auf weichen Böden;

• Die genaue Rezeptur hängt ab von den spezifischen funktionellen Erfordernissen und Materialanforderungen im Rahmen der Anwendung innerhalb des Projekts, der Zusammensetzung und des Trockensubstanzgehaltes des Sediments;


Was ist Strengthened sediment?

• Verstärktes Sediment kann variieren zwischen tonähnlich bisfestgesteinähnlich und kann daher primäre Baumaterialien wieTon, Sand, Kies und Bruchstein ersetzen.

• Die Eigenschaften von verstärktem Sediment können optimalisiertwerden durch Variation von Sorte und Menge an Binder, Initiator und anderer Additive.

Funktionelle Anforderungen sind gebunden an Materialeigenschaften:Festigkeit: 50 kPa – >30 MPaDichte: 0,8 – 3 t/m³Permeabilität: 10-5 – 10-11 m/sPlastizitätEinfluss auf Wasserqualität


Härtevorgang

Hardening curveRezeptur mit Flugasche. Verfestigungnimmt nach Aufbereitung nur wenigeStunden in Anspruch.

1 10 100 Time after mixing[minutes]

0

10

20

30

40

50

60

70

Strength [kPa]

liquid phase

plastic phase

hardening phase


Verfestigungsprozess

Hypothese:Der Verfestigungsprozess beinhaltet die Bildung eines Geopolymers,

eines dreidimensionalen Alkali-Aluminiumsilikat-Gels, abhängig vom jeweils verwendeten Binder. Der chemische Bindungsprozess muss weiter erforscht werden.

Kontaminationen werden in dieser Gerüststruktur gebunden (chemische Immobilisierung).

Gerüst besteht aus:

Calcium (blau)Aluminum (grün)Silikat (gelb)

Gelstruktur


Oberirdische und subaquatische Anwendungen

Buhnen; Wellenbrecher; Bermen zur Ertüchtigung von primären und sekundären

Deichen/Dämmen; Landgewinnung; Erosionsschutz bei Fluss- und Kanalufern; Bei Flussufer- und Sohlenschutz als Mittel gegen Sickerwasser

und hydraulische Rissbildung; Abdeckung / Unterfangung von (kontaminierten)

Geländeaufschüttungen / Deponien und Unterwasserdepots; Stabilisierung von Uferkonstruktionen (Spundwände, Stützwände)

durch Verwendung verstärkten Sediments als passive Last; Stabilisierung von subaquatischen Böschungen bei zu erwartender

Breschenbildung und/oder Setzungsfließen; Schutz der Gewässersohle bei Wasserreservoirs; Bodenverbesserung; Straßenbau.


Forschung und Pilotprojekte

Bürostudien zeigen, dass verstärktes Sediment das Potential hat, in der Deichertüchtigung eine Anwendung zu finden.

Einige Aspekte müssen jedoch noch weiter erforscht werden: • Bewuchs;• Auslaugung von Kontaminationen;• Haltbarkeit / Langzeitverhalten unter verschiedenen wechselnden

klimatischen Bedingungen:- Frost-Tau-Wechsel- nass/trocken- Schwinden/Schwellen- Erosionswiderstand (0,2 m/s bei Mahlbusen, 2,5 m/s bei Flüssen)- Oxidationsschnellheit (insbesondere bei hohem organischen

Stoffgehalt)


Forschung und Pilotprojekte

Zwei subaquatische Einbringtests im Laboratoriummaßstab mit nicht verstärktem und mit verstärktem Schlick sollen Antworten auf folgende Fragen geben:

• Ist der Abbindeprozess unter Wasser dem Prozess über Wasser äquivalent?

• Ermöglicht eine subaquatische Ablagerung die Bildung einer homogenen stabilen Schicht oder entstehen lediglich verfestigte Agglomerationen?

• Setzt bei der Applikation von verstärktem Sediment an subaquatischen Böschungen Fließen ein, noch bevor der Abbindeprozess überhaupt einsetzen kann?


Nicht-verstärktes Sediment


Verstärktes Sediment


Forschung

Subaquatischer Aufbringungstest


Verstärktes Sediment


Resultate

• Der Einfluss auf das umgebende Wasser ist beschränkt und von temporärer Natur.

• Verstärktes Sediment erhärtet schnell und gleichmäßig.• Die Permeabilität ist ausreichend gering, um eine

wasserundurchlässige Schicht zu bilden.• Der Verfestigungsprozess unter Wasser entspricht dem Prozess

an Land.• Es treten keine Vertrübungserscheinungen auf.• Auch unter Wasser bildet sich auf einer Böschung eine gut

haftende regelmäßige Schicht aus, die auch während des Aushärtungsprozesses nicht abrutscht.


Pilotprojekt Kromme Mijndrecht

Wasserverband Waternet

In der Region Amsterdam befinden sich viele stabile, aberdurchlässige Deiche. Eine Lösung für dieses Sickerwasserproblemist die Aufbringung einer wasserundurchlässigen Schicht ausverstärktem Sediment auf den äußeren Deichkörper.


Feldversuch Hoedekenskerke (November 2011)

Projektlokation


Feldversuch Hoedekenskerke (November 2011)

Bodenverbesserung mit verstärktem Sediment als Alternative zum Einsatz von Bruchstein


Zielsetzung Feldversuch Hoedekenskerke

• Nachweis der Eignung zur Bodenverbesserung• Übertragung der Laborresultate in die Praxis (Mischzeit,

Verarbeitbarkeit)• Herstellung eines Baustoffs mit einer Wichte von 17 kN/m³, einer

Festigkeit von 1MPa und einer ausreichenden Gelzeit(Pumpbarkeitsdauer)

• Rezeptur: 1000 kg Sediment, 225 kg Zement, 40 kg Wasserglas• Ausführung in Gezeitenzone:

- 1 Feld in einer Lage unter Wasser angebracht- 1 Feld in einer Lage bei Ebbe angebracht- 1 Feld in zwei Lagen bei Ebbe angebracht

• Nachweis, dass keine großen Setzungen auftreten• Kontrolle der Wasserqualität in Umgebung (pH-wert)• Keine Kontrolle der Dauerhaftigkeit


Entwurf (Versuchsausführung November 2011)


NAP


Mengstap 1Mengstap 2


Endsituation (Sommer 2012)


Kostenersparnis

Grobe Schätzung Kostenersparnis durch Projektkombination (“workwith work”) für Marktsituation in den Niederlanden:

Deichertüchtigung: Kosten• Traditionell: Erst baggern, danach Deich ertüchtigen mit Ton 100%• Alternativ: Baggergut direkt als verstärktes Sediment

verwenden 80%

Subaquatische Anwendung:• Traditionell: Erst baggern, danach Bruchsteine auf Geotextilien 100%• Alternativ: Baggergut direkt als verstärktes Sediment

verwenden => 1,9 t/m³ 75%=> 1,3 t/m³ 60%


Vorteile / volkswitschaftlicher Mehrwert

durch Kombination Nassbaggerarbeiten mit Wasserbauprojekten:

• Bestimmte Abfallströme / (kontaminiertes) Sediment können einerpositiven Nutzung (Hochwasserschutz und Landgewinnung) zugeführt werden.

• Es fällt kein unnötiger Transport an. • Der Reifungsprozess des Sediments entfällt.• Reduzierung des Verbrauchs von primären Baustofffen.• Reduzierung der hohen Deponiekosten für kontaminiertes Sediment.• Kostenersparnis bis zu 40% möglich.


Fazit

• Verstärktes Sediment ist ein brauchbares Baumaterial.• Verstärktes Sediment erhärtet schnell und bildet auch unter

Wasser eine durchgängige Schicht. • Die Durchlässigkeit ist gering genug, um eine wasserdichte

Schicht bilden zu können.• Grobe Kostenschätzungen zeigen ein erhöhtes Marktpotential.• Es eignet sich für den Einsatz im Wasserbau und

Hochwasserschutz und bietet einen regionalen Ansatz zurtechnischen Innovation und Prozessinnovation (Kombination vonAngebot und Nachfrage der beteiligten Instanzen undUnternehmen).

• Der Einfluss auf umgebendes Wasser ist beschränkt.

Hypothesen: • Eventuell anwesende Kontaminationen werden in der verfestigten

Struktur gebunden. • Es tritt keine Remobilisierung ein. • Der Erosionswiderstand ist ausreichend.


Ausblick

• Das Produkt ist pilotreif.

• Zur Implementierung dieser Innovation ist es erforderlich, dassweitere Tests bezüglich des Langzeitverhaltens initiiert werden, sodass mehr Erfahrungen bezüglich der unterschiedlichenAnwendungs- und Ausführungsaspekte gesammelt werden können.

• Deltares ist auf der Suche nach Möglichkeiten der Zusammenarbeit mit anderen Interessengruppen (Behörden, Unternehmen und Forschungseinrichtungen).

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