Ermittlung von Struktur-Wirkungs-Beziehungen zwischen organischen Bestandteilen und alkalisch-aktivierten Bindemitteln bei Baugrundverbesserungen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Frank Rackwitz
• Fachliche Zuordnung: Geotechnik, Wasserbau
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 569497222

Organogene und organische Böden sind aufgrund ihres Materialverhaltens, das u. a. durch eine geringe undrainierte Scherfestigkeit sowie eine hohe Kompressibilität gekennzeichnet ist, häufig als gering tragfähig einzustufen und erfüllen somit nicht die Anforderungen an eine bautechnische Verwendung für übliche geotechnische Bauwerke. Maßnahmen zur Baugrundverbesserung, d. h. zur Verbesserung der Verformungs- und Festigkeitseigenschaften des anstehenden Bodens, werden daher zunehmend eingesetzt und sind im Vergleich zu Maßnahmen wie Bodenaustausch oder Tiefgründungen weniger kostenintensiv und umweltbelastend. Bei der Baugrundverbesserung mit hydraulischen Bindemitteln werden standardmäßig Portlandzemente eingesetzt, die durch Reaktion mit Wasser erhärten und zu einer höheren Festigkeit der Boden-Bindemittel-Matrix führen.Für die Stabilisierung organischer Böden sind Portlandzemente jedoch nur bedingt geeignet. Bei hydraulischen Bindemitteln wie Portlandzement erfolgt die Festigkeitsentwicklung hauptsächlich durch die Bildung von Calciumsilikathydraten (C-S-H). Bei Vorhandensein organischer Bestandteile kann es zu einer Reaktion zwischen den löslichen Huminstoffen der Organik und den Calciumionen des Zementes kommen, wodurch die Verfügbarkeit von Calcium zur Bildung von C-S-H-Phasen eingeschränkt und damit der Hydratationsprozess gehemmt wird. Alkalisch-aktivierte Bindemittel bieten hier eine vielversprechende Alternative. Sie basieren auf der Reaktion von alumosilikatischen Materialien wie Hüttensand oder Flugasche mit alkalischen Lösungen, wodurch ein stabiles Alumosilikatnetzwerk entsteht. Ziel des Forschungsvorhabens ist es, die chemischen und physikalischen Wechselwirkungen zwischen organischen Bestandteilen und alkalisch-aktivierten Bindemitteln zu untersuchen, um nachhaltige Lösungen für Baugrundverbesserungen in organischen und organogenen Böden zu entwickeln. Das Forschungsvorhaben umfasst ein umfangreiches Laborprogramm, das in fünf Arbeitspakete unterteilt ist. Zunächst werden die organischen Böden chemisch und physikalisch charakterisiert, um ihre Zusammensetzung und Variabilität zu analysieren. Darauf aufbauend werden Reaktivitätsstudien durchgeführt, um die Wirkung unterschiedlicher Bindemittel, Aktivatoren und Mischungsverhältnisse zu bewerten. Die mechanischen Eigenschaften werden durch bodenmechanische Elementversuche und Ultraschallimpulsmessungen überprüft, während mikrostrukturelle Untersuchungen mittels Rasterelektronenmikroskopie und energiedispersiver Röntgenspektroskopie die zugrunde liegenden Verfestigungsmechanismen analysieren. Abschließend werden alle Ergebnisse zusammengeführt, um fundierte Struktur-Wirkungs-Beziehungen abzuleiten.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen