Untersuchungen zur Eignung von LD-Schlacke für einen Einsatz im DeichbauDr. rer. nat. M. Dohlen, Dr.-Ing. R. BialuchaEinleitungDie Hochwasserereignisse der vergangenenJahre haben deutlich gezeigt, wie wichtigfunktionierende Deichanlagen als Teil destechnischen Hochwasserschutzes sind. Inder DIN 19712 [1] "Flußdeiche" werdenneben natürlichen Erdbaustoffen auchkünstlich hergestellte mineralische Baustoffeals potentiell geeignet für den Deichbauangesehen. Vorteil gegenüber natürlichenBaumaterialien ist, dass industriellerzeugte Ersatzbaustoffe bei gleicher Eignungin der Regel kostengünstiger sind, wasaufgrund der Dimensionierung der Deichbauwerkeund der damit verbundenen Mengenein wichtiger Faktor ist.Die Ziele der vorliegenden Untersuchungenwaren, einen Überblick über die technischenEigenschaften bzw. Umweltverträglichkeitund das langfristige Verhalten von LD-Schlacken (LDS) bei der Verwendung imDeichbau zu gewinnen [2]. Dabei war einbesonderes Augenmerk auf die Frage derRaumbeständigkeit zu richten.Materialauswahl und UntersuchungenFür die Untersuchungen wurden zwei LD-Schlacken ausgewählt. Um Unterschiedeund Eigenschaften der Schlacken im Hinblickauf die Raumbeständigkeit erkennenzu können, wurde eine LD-Schlacke miteinem CaO frei -Gehalt von rund 12 M.-%und einem Gesamt-MgO-Gehalt von ca.10 M.-% (LDS I) und eine LD-Schlacke miteinem CaO frei -Gehalt von rund 18 M.-%und einem Gesamt-MgO-Gehalt von etwa2 M.-% (LDS II) ausgewählt. Hinsichtlichder übrigen Feststoffgehalte sind die beidenStahlwerksschlacken sehr ähnlich undrepräsentativ für LD-Schlacken aus derQualitätsstahlerzeugung.Um ein geeignetes Korngemisch für denEinsatz von LDS im Deichbau auszuwählen,wurden an drei Körnungen(0/11 mm, 0/22 mm, 0/45 mm) zu Beginnder Untersuchungen bautechnische Basisuntersuchungendurchgeführt. Da eine nichtausreichende Volumenbeständigkeit vorallem bei größeren Schichtdicken zu Problemenführen kann, stand die Verwendungvon LDS in mächtigeren Schichten, wiez. B. dem Deichstützkörper, im Vordergrund.Im Hinblick auf die Anforderungender DIN 19712 an das geringe Quellen derBaustoffe wurden modifizierte Dampfversuchegemäß DIN EN 1744-1 [3] zur Beurteilungder Raumbeständigkeit durchgeführt.Eine weitere Forderung an Deichbaustoffenach deren Einbau und Verdichtungsind Durchlässigkeitsbeiwerte von> 10 -4 m/s bis < 10 -8 m/s, abhängig vomjeweiligen Konstruktionselement (Filterkörper,Stützkörper, Dichtungsschicht).Zum Nachweis der Umweltverträglichkeitkamen verschiedene Kurzzeit- und Langzeit-Auslaugverfahrenzum Einsatz. ZurPrüfung des kurzfristigen Auslaugverhaltenswurde das modifizierte DEV-S4-Verfahren [4] (Körnung 8/11 mm und0/45 mm) und der compliance-test-1 [5](Körnung 0/4 mm) verwendet. Vor derElution mittels Trogverfahren [6] wurdenProctorkörper aus der LDS I und LDS IIverschiedener Körnungen (0/11 mm,0/22 mm, 0/45 mm) hergestellt und 28, 56,91 und 180 Tage lang feucht gelagert. Fürdie Untersuchung des Langzeitverhaltenswurden Laborlysimeter (Körnung 0/45 mm)eingesetzt [vgl. 7]. Dazu wurden die beidenLDS-Proben über einen Zeitraum voninsgesamt sieben Monaten zweimal proWoche mit einer definierten Wassermengeberegnet und das Perkolat analysiert.Um zu untersuchen, wie sich die beidenSchlacken unter möglichst realen Einbaubedingungenverhalten, wurden zwei Versuchsdeichemit LDS I bzw. LDS II gebautund rund zwei Jahre lang beobachtet. Diebeiden Deichkörper haben am Deichfußeine Breite von ca. 22,5 m und eine Längevon etwa 30 m. Bei einem beidseitigenBöschungswinkel von 1:3,5 ergibt sich eineHöhe von ca. 2,5 m und eine Breite derDeichkrone von rund 5 m. Pro Deich sindjeweils rund 2.600 t LD-Schlacke eingebautworden. Um den Einfluss eines potentiellenHochwassers zu simulieren, wurden dieDeiche zeitweise eingestaut.Ergebnisse− Bautechnische UntersuchungenUm die an Deichbaustoffe gestellten technischenAnforderungen sicherzustellen,wurde zu Beginn der Untersuchungen eingeeignetes Korngemisch ermittelt. Um dieEignung eines Korngemisches beurteilen zukönnen, wurden u. a. Rohdichte [8], Proctordichte[9] sowie der optimale Wassergehalt[9] an drei unterschiedlichen Korngemischen(0/11 mm, 0/22 mm, 0/45 mm)bestimmt. Da sich die Untersuchungsergebnissefür die drei unterschiedlichen Körnungennur unwesentlich unterscheiden,wurde aus Gründen der Wirtschaftlichkeitdie Körnung 0/45 mm für den Versuchsdeichbaugewählt.− Bestimmung derWasserdurchlässigkeitDa LD-Schlacken verfestigen können undsich dadurch eine Abnahme der Wasserdurchlässigkeitergeben kann, wurde anunterschiedlich lange gelagerten Probekörpern(0, 28, 56, 91 und 180 Tage) diezeitliche Veränderung der Durchlässigkeituntersucht. Die Bestimmung der Wasserdurchlässigkeiterfolgte mittels Standrohrgerät[10]. Die Wasserdurchlässigkeit unterscheidetsich sowohl zwischen den beidenSchlacken als auch bei den verschiedenenKörnungen. In Bild 1 sind die Veränderungender Wasserdurchlässigkeit exemplarischfür die Körnung 0/22 mm dargestellt.Im Allgemeinen wird aufgrund der Selbsterhärtungder LD-Schlacke davon ausgegangen,dass mit zunehmender Lagerungsdauerauch die Wasserdurchlässigkeitabnimmt. Die in diesem Vorhaben erzieltenMessergebnisse lassen allerdings keinenTrend hinsichtlich einer Zunahme oder Abnahmeder Wasserdurchlässigkeit erkennen.Wie zu erwarten, nehmen die Durchlässigkeitenvon der Körnung 0/11 mm überdie Körnung 0/22 mm bis zur Körnung0/45 mm tendenziell zu. Betrachtet mandie Einzelwerte, zeigt sich, dass keinesder Materialien sicher Durchlässigkeiten< 10 -8 m/s einhält. Ein Einsatz in einerDichtungsschicht ist daher mit den untersuchtenLD-Schlacken nicht möglich. Auchdie für eine Nutzung im Filterkörper angestrebteDurchlässigkeit von > 10 -4 m/s wirdnur bei einzelnen Messwerten erreicht.Auch für dieses Nutzungsgebiet müsstenalso die untersuchten LD-Schlacken zumindestmodifiziert werden. Die meisten Messwertebefinden sich in dem für die Stützkörperangestrebten Bereich von ca. 10 -4 bis10 -6 m/s. Hinsichtlich der Wasserdurchlässigkeitkönnen daher die untersuchtenReport des <strong>FEhS</strong>-Instituts 2/2008 6
LDS I und LDS II in allen drei Körnungenin erster Linie nur als Stützkörper verwendetwerden.1,0E-091,0E-08LDS I (0/22 mm)LDS II (0/22 mm)Dichtungsschicht [< 10 -8 m/s]− RaumbeständigkeitDie mittlere Volumenzunahme im Dampfversuchnach 24 h liegt bei den dreiunterschiedlichen Körnungen (0/11 mm,0/22 mm, 0/45 mm) der LDS I mit etwa3,7 Vol.-% niedriger als bei der LDS II mitrund 7,5 Vol.-%. Eine konkrete Anforderungfür den Einsatz im Deichbau existiertnicht, allerdings wird z. B. die Anforderung< 5 Vol.-% für Tragschichten ohne Bindemittelim Straßenbau von LDS II deutlichüberschritten. Da die Raumbeständigkeit einwichtiger Faktor für den Einsatz im Deichbauist, muss diesem besondere Aufmerksamkeitgewidmet werden. In Bild 2 istexemplarisch für die Körnung 0/22 mm derVerlauf der Volumenzunahme über einenZeitraum von 168 h dargestellt. Da dieHydratationsreaktion von CaO frei erheblichschneller abläuft als die von "freiem" MgO,kann aufgrund des Verlaufs davon ausgegangenwerden, dass die hohen Volumenzunahmenin der ersten Phase des Dampfversuchsim Wesentlichen auf die Reaktionvon Freikalk und nicht auf freies MgOzurückzuführen sind.Unter den Bedingungen des Dampfversuchsist ein großer Teil des zugänglichen CaOnach etwa 24 h ausreagiert. Die danachnoch auftretenden Volumenzunahmen könnenauf Freikalkpartikel zurückgeführt werden,die so eingeschlossen waren, dass sienur langsam durch Feuchtigkeit erreichtwurden. Bild 2 zeigt, dass sowohl bei LDS Ials auch bei LDS II der größte Teil derVolumenzunahmen bereits am Anfang derVersuchsdurchführung zu verzeichnen istund dass die Zunahme gleichmäßig verläuft.Frühere Untersuchungen an Stahlwerksschlacken,die freies MgO enthielten, habengezeigt, dass die MgO-Hydratationsreaktiondeutlich später einsetzt als die Freikalkreaktionund zu einem sprunghaften Anstiegder Volumenzunahme ab etwa dem 3. oder4. Versuchstag führt. Der Verlauf solcherVolumenzunahmekurven ist dann "treppenförmig",was bei beiden hier untersuchtenLD-Schlacken nicht der Fall ist. DieseBeobachtung korrespondiert mit den mineralogischenUntersuchungen, in denen freiesMgO nicht nachgewiesen werden konnte.− UmweltverträglichkeitDie nachfolgend aufgeführten Parameter imS4-Eluat (Körnung 8/11 mm) lagen fürLDS I und LDS II unterhalb der Bestimmungsgrenze.Durchlässigkeit [m/s]Volumenzunahme [Vol.-%]♦ LDS I:Al, As, B, Cd, Co, Cr ges. , Cr(VI), Cu,Hg, Mo, Ni, Pb, Sn, Tl, V, F, DOC,Phenol-Index♦1,0E-071,0E-061,0E-051,0E-041,0E-031,0E-021,0E-011,0E+000 28 56 91 180Lagerungsdauer [Tage]LDS II:Al, As, B, Cd, Co, Cr ges. , Cr(VI), Cu,Hg, Mo, Ni, Pb, Sn, Tl, V, Zn, F,DOC, Phenol-IndexBeim Vergleich der Ergebnisse der beidenunterschiedlichen Schüttelverfahren zeigtsich, dass die Materialien im compliancetest-1(W/F = 2:1, Körnung 0/4 mm) etwasstärker auslaugen als im S4-Verfahren(W/F = 10:1, Körnung 8/11 bzw. 0/45 mm),was mit den unterschiedlichen Körnungenund W/F-Verhältnissen zusammenhängt.Stützkörper [10 -4 bis 10 -6 m/s]Filterkörper [> 10 -4 m/s]Bild 1: Zeitliche Veränderung der Wasserdurchlässigkeitsbeiwerte nach 0, 28, 56,91 und 180 Tagen der LDS-I und II (0/22 mm)12,010,08,06,04,02,00,0LDS IILDS I0 20 40 60 80 100 120 140 160 180Zeit [h]Bild 2: Zeitlicher Verlauf der Volumenzunahme für die LDS-I und II (0/22 mm)Mittels Trogverfahren wurden die Körnungen0/11 mm, 0/22 mm und 0/45 mmnach einer Feuchtlagerung der Probekörpervon 0, 28, 56, 91 bzw. 180 Tagen eluiert. Inden meisten Fällen reduzierte sich mitzunehmender Lagerungsdauer der Proctorkörperund der damit verbundenen Selbsterhärtungdes Materials die Auslaugrategegenüber dem frischen Material (0 Tage).Beim Vergleich der Eluatkonzentrationender beiden LD-Schlacken fällt auf, dass derGroßteil der untersuchten Parameter – vorallem umweltrelevante Schwermetalle –unterhalb der jeweiligen Bestimmungsgrenzeliegt. Dabei lassen sich wederdeutliche Unterschiede bei den beidenSchlacken, noch bei den unterschiedlichenKörnungen erkennen.Report des <strong>FEhS</strong>-Instituts 2/2008 7
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