Der Proctorversuch als Grundlage für Prüfungen von Vegetationssubstraten?

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Die Forschungsgesellschaft Landschaftsbau Landschaftsentwicklung (FLL) ist neben dem DIN der wichtigste Regelwerksgeber der grünen Branche. Für die Prüfungen von Baumsubstraten sind die von der FLL herausgegebenen "Empfehlungen für Baumpflanzungen, Teil 2: Standortvorbereitungen für Neupflanzungen; Pflanzgruben und Wurzelraumerweiterung, Bauweisen und Substrate" (2010) einschlägig. Für Schotterrasensubstrate ist die von der FLL herausgegebene "Richtlinie für die Planung, Ausführung und Unterhaltung von begrünbaren Flächenbefestigungen" (2008) einschlägig. Der Proctorversuch ist sowohl für die Untersuchungen der physikalischen Eigenschaften dieser Vegetationssubstrate im Rahmen der Eignungsprüfung im Labor (Herstellung der Prüfkörper bei definierter Laborverdichtung) als auch zur Überprüfung des Verdichtungsgrades im eingebauten Zustand im Baufeld vorgesehen.

1. Veranlassung und Ziel

Bei dem Proctorversuch nach DIN 18127 "Baugrund, Untersuchung von Bodenproben - Proctorversuch" (2012) wird eine Probe, in der Regel eine Bodenprobe, in einem Versuchszylinder aus Stahl mit festgelegten Abmessungen durch ein festgelegtes Fallgewicht mit einer bestimmten Verdichtungsarbeit, verschiedenen Wassergehalten und nach einem festgelegten Arbeitsverfahren verdichtet. In Abhängigkeit vom Wassergehalt der Probe werden unterschiedliche Dichten erreicht. Wasser wirkt als Gleitmittel und setzt zunächst bei der Verdichtungsarbeit die Gleitreibung herab. Liegt zu viel Wasser in der Probe vor, so füllt sich ein Teil der Poren mit Wasser. Die Probe lässt sich nicht mehr hinreichend verdichten, da das Wasser in den Poren nicht komprimiert werden kann. Die Proctordichte (?) ist die größte mit einer volumenbezogenen Verdichtungsarbeit (gemäß DIN 18127) erreichbare Trockendichte. Der optimale Wassergehalt (w) ist der zur Proctordichte zugehörige Wassergehalt. Bei den Eignungsprüfungen der Vegetationssubstrate werden an den durch definierte Laborverdichtung hergestellten Prüfkörpern in jeweils dreifacher Wiederholung die physikalischen Kennwerte wie Volumengewicht trocken und bei maximaler Wasserkapazität, die maximale Wasserkapazität, die Wasserdurchlässigkeit und der Luftgehalt bei maximaler Wasserkapazität oder ersatzweise bei pF 1,8 gemessen. Der eigentliche Zweck des Proctorversuchs ist es gemäß DIN 18127, "die Trockendichte eines Bodens nach Verdichtung unter festgelegten Versuchsbedingungen als Funktion des Wassergehaltes festzustellen. Der Versuch dient der Abschätzung der auf Baustellen erreichbaren Dichte des Bodens und liefert eine Bezugsgröße für die Beurteilung der im Baugrund vorhandenen oder auf Baustellen erreichten Dichte des Bodens. Sein Ergebnis lässt auch erkennen, bei welchem Wassergehalt ein Boden sich günstig verdichten lässt, um bestimmte Trockendichten zu erreichen." Der Proctorversuch ist somit für Böden und nicht für grob strukturierte Substrate, bestehend aus offenporigen mineralischen Mischungskomponenten, vorgesehen. Baum- und Schotterrasensubstrate bestehen in der Regel aus offenporigen mineralischen Komponenten wie zum Beispiel Ziegelbruch, Lava und gebrochenem Blähton.

Der Proctorversuch ist für die Herstellung von definierten Prüfkörpern aus offenporigem mineralischem Material nicht geeignet. Das haben breit angelegte eigene Untersuchungen ergeben. Dazu ist anzumerken, dass das Labor des Lehr- und Forschungsgebiets "Vegetationstechnik" der Hochschule Geisenheim University eines der wenigen in der Bundesrepublik zertifizierten Labore für Substratphysik ist. Die Prüfmethoden, die aus dem Grund- und Tiefbau in die Regelwerke übernommen wurden, sind somit zu ändern. Das ist dem Berufsstand aufzuzeigen.

Ziel der gemeinsamen Untersuchungen der Hochschule Geisenheim und der Hochschule Osnabrück ist es, zunächst für den Berufsstand nachvollziehbar aufzuzeigen, dass der Proctorversuch bei Verwendung mineralischer offenporiger Substratausgangsstoffe nicht reproduzierbare, fehlerhafte Ergebnisse liefert. Im nächsten Schritt sind geeignete Prüfverfahren beziehungsweise ein geeignetes Verfahren für die Herstellung von Prüfkörpern mit definierter Laborverdichtung für Baum- und Schotterrasensubstrate zu erarbeiten.

2. Ausgewählte Baumsubstrate

Zur Herstellung von Baum- und Schotterrasensubstraten werden in der Regel offenporige mineralische Ausgangskomponenten verwendet. Das können zum Beispiel Bims, Lava, Porlith oder Ziegelsplitt sein. Somit wurden für die gegenständlichen Untersuchungen ein Lava-Bims Gemisch (0/8) und Porlith (0/8) gewählt. Die Körnungssummenlinien der beiden Körnungen entsprechen dem von der FLL (2010) empfohlenen Kornverteilungsbereich für Pflanzgrubenbauweise 1 (offene, nicht überbaute Pflanzgrube). Um dem empfohlenen Kornverteilungsbereich für Pflanzgrubenbauweise 2 (überbaute Pflanzgrube) zu entsprechen, müsste der Anteil an Mittel- und Grobkies (? 32 mm) erhöht werden.

Bims und Lava werden in Deutschland vor allem in der Eifel im Tagebau mit Baggern abgebaut. Bims ist ein sehr leichtes, poröses Vulkangestein, das sich bei explosiven Eruptionen bildet. Es entsteht durch sehr schnelle Blasenbildung im Magma, das eine Art Schaum erzeugt. Der Flüssigkeitsanteil im Schaum erstarrt als feste Hülle um die Gasblasen. Bims wird in unterschiedlichen Körnungen für die Herstellung von Vegetationssubstraten verwendet. Durch sein geringes Eigengewicht und seine hohe Wasserspeicherfähigkeit wird er bevorzugt als Mischungskomponente für schwerere Materialien, zum Beispiel für Lava, eingesetzt. Hauptabbaugebiet in Deutschland ist das Neuwieder Becken in der Eifel.

Auch Lava ist ein häufig für Vegetationssubstrate für den Garten- und Landschaftsbau eingesetztes Material. Sowohl für die Herstellung der Dränschichten bei bodenfernen Begrünungen als auch als Mischungskomponente für die Substratherstellung hat sich dieser Schüttstoff bewährt. Aufgrund seines relativ hohen Volumengewichtes findet Lava bei Leichtbauweisen kaum Verwendung. Das Volumengewicht dieses offenporigen Baustoffes liegt im wassergesättigten Zustand dennoch deutlich unter dem von Kies. Durch die ausgesprochen kantige Form erreichen Lavaschüttungen eine hohe Lagestabilität bei hoher Druckfestigkeit. Die eher groben Poren der Lava wirken sich positiv auf den Luftgehalt der Substrate aus.

Die Vorstufe von Porlith ist der Ölschiefer, der auch als offenporige Schieferschlacke bezeichnet wird. Das Ausgangsmaterial der offenporigen Schieferschlacke, die in Messel bei Darmstadt gewonnen wird, wird bergmännisch als Ölschiefer bezeichnet. Es ist jedoch vollkommen frei von Öl; die organischen Anteile liegen als Kerogene vor. Der überwiegende Teil der Kerogene stammt von Algen, insbesondere aus den Zellwänden der Grünalge Teraedron minimum. Erst durch Verschwelung des Gesteins in speziellen Öfen bei Temperaturen von bis zu 1000°C konnte Öl technisch erzeugt werden, dabei wurden die mineralischen von den organischen Bestandteilen abgetrennt. Die Verschwelung des Messeler "Ölschiefers" wurde 1961 eingestellt. Nach dem Verschwelen wurden die mineralischen Bestandteile bei Temperaturen von 200 bis 300°C aus den Schwelöfen gezogen und aufgehaldet. Dort brannten sie aus, so dass dieser Baustoff, der erfolgreich für die Herstellung von gärtnerischen Substraten sowohl für die Dachbegrünung als auch für die Innenraumbegrünung eingesetzt wird, frei von organischer Substanz ist. Das offenporige Material hat eine relativ hohe Wasserspeicherfähigkeit, ist hygroskopisch und hat gute Erosionsschutzeigenschaften. Durch Oxidation der Eisenverbindungen besitzt es seine charakteristische rote Farbe. Teilweise erhitzten sich die auf Halde verkippten mineralischen Bestandteile so stark, dass einzelne Körner versinterten oder es sogar bei Überschreitung des Schmelzpunktes zur Gesteinsverflüssigung kam. Dieses dunkle, fast schwarze Material ist von schaumiger, großporiger Struktur und erinnert an erkaltete Lava. Es wird unter dem Produktnamen "Porlith" vermarktet. Die bau- und vegetationstechnischen Kennwerte von Lava, Bims und Porlith, wie auch die von anderen mineralischen Substratausgangsstoffen, werden von Roth-Kleyer (2013) benannt.

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3. Untersuchungsmethoden

Die Baumsubstrate Lava-Bims und Porlith werden vom Lieferanten zunächst an eine Prüfinstitution, hier HS Osnabrück, geliefert, dort homogenisiert und zu gleichen Chargen für die Untersuchungen in Geisenheim und Osnabrück aufgeteilt. Die Laboruntersuchungen werden nach den in den einschlägigen Prüfvorschriften der FLL (2008, 2010) vorgegebenen Methoden durchgeführt, die im Folgenden benannt werden:

Korngrößenverteilung

Die Bestimmung der Korngrößenverteilung der Baumsubstrate wird nach DIN 18123 (Baugrund, Untersuchung von Bodenproben - Bestimmung der Korngrößenverteilung; 2011) durchgeführt.

Organische Substanz

Gemäß den Untersuchungsmethoden der FLL (2010) ist der Anteil an organischer Substanz in Baumsubstraten nach DIN EN 13039 (Bodenverbesserungsmittel und Kultursubstrate - Bestimmung des Gehaltes an organischer Substanz und Asche; 2012) an ungesiebten, repräsentativen Proben mit mindestens dreifacher Einwaage mit dreifacher Wiederholung zu messen. Der Anteil der organischen Substanz wird nach Ofentrocknung bei 103°C ± 2°C mittels Glühverlust bei 450°C ± 25°C nach sechs Stunden Glühen nach einer Stunde Aufheizzeit des Muffelofens ermittelt.

Bei Vegetationstragschichten für Schotterrasen ist gemäß FLL (2008) der Anteil an organischer Substanz nach DIN 18128 (Baugrund - Untersuchung von Bodenproben - Bestimmung des Glühverlustes; 2002) ebenfalls ungesiebt mit mindestens dreifacher Einwaage zu untersuchen. Der Anteil der organischen Substanz wird mittels Glühverlust nach Ofentrocknung (105° C) bei 550°C im Muffelofen bis zur Massenkonstanz gemessen.

Der Unterschied der Methoden ist in der Temperatur beim Veraschen der Proben und in der Dauer des Veraschens gegeben. Untersuchungen von Roth-Kleyer (2008) lassen erkennen, dass der Einfluss der Methoden bei organischen C-Quellen wie beispielsweise Braunkohlefaserholz, Holzfasern, Kompost, Rindenhumus und Torf zu vernachlässigen ist. Einfluss auf das Ergebnis nimmt die Methode, wenn mineralische C-Quellen wie Rostaschen und Kesselsande geglüht werden. Hier sind durch das Glühen bei 550°C deutlich höhere Glühverluste als bei 450°C gegeben.

Korndichte

Die Bestimmung der Korndichte erfolgt nach DIN 18124 (Baugrund, Untersuchung von Bodenproben - Bestimmung der Korndichte - Kapillarpyknometer, Weithalspyknometer, Gaspyknometer; 2011) mittels Gaspyknometrie. Das Verfahren ist für unporöse Feststoffe und poröse Feststoffe mit nicht abgeschlossenen Poren geeignet. Dabei wird die in einer Messkammer vom Feststoff verdrängte Menge eines Messgases bestimmt.

Proctorversuch

Beide Prüfinstitutionen führen zwei voneinander unabhängige Proctorversuche, Versuchsreihen a und b, nach DIN 18127 durch. Dazu wird eine einheitliche Vorgehensweise vereinbart, um möglichst viele das Versuchsergebnis beeinflussende Faktoren zu eliminieren. Die wesentlichen Schritte sind (mit Zifferangabe Zf nach DIN 18127):

  • Trocknung des Baumsubstrates im Wärmeschrank bei 105°C bis zur Gewichtskonstanz (Zf. 8.1.1)
  • Wasserzugabe in 2-Prozent-Schritten (Zf. 8.1.3)
  • Homogenisierungszeit mindestens 24 Stunden in einem geschlossenen Gefäß (Zf. 8.1.3)
  • Geräte: Versuchszylinder mit Durchmesser 100 mm (Zf. 5.1), motorbetriebenes Verdichtungsgerät (Zf. 5.2)
  • Auflegen der Stahlplatte auf die Oberfläche der unverdichteten Schicht (Zf. 8.3) - Fallgewicht fällt auf die Stahlplatte (Zf. 5.2 b)
  • Ermitteln des Volumens der Probe nach Verdichtung der drei Schichten durch Messen der Tiefenlage der Stahlplatte im Aufsatzring (Zf. 8.3, 8. Absatz, 3. Satz)
  • Bestimmen des Wassergehaltes durch Trocknen der gesamten im Versuchszylinder verdichteten Probe; Probenmaterial nicht nochmals verwenden (Zf. 8.2.4).

4. Ergebnisse

4.1 Korngrößenverteilung

4.2 Organische Substanz

Die Ergebnisse der organischen Substanzen sind in Tabelle 1 gegenübergestellt.

4.3 Korndichte

Die Ergebnisse der Korndichten sind in Tabelle 2 gegenübergestellt.

4.4 Proctorversuch

Die Ergebnisse sämtlicher Einzelversuche (Wertepaare Wassergehalt und Trockendichte) sind für Lava-Bims 0/8 in Abbildung 2 und für Porlith 0/8 in Abbildung 3 dargestellt. Die Diagramme sind jeweils durch 2 Linien gleicher Luftporenanteile n ergänzt. Dabei ist die Korndichte für Lava-Bims 0/8 zu ? = 2,99 g/cm³ und für Porlith 0/8 zu ? = 2,71 g/cm³ angesetzt.

5. Bewertung

Die Ergebnisse der Untersuchungen zeigen trotz sorgfältiger Materialhomogenisierung Abweichungen in den Grundkennwerten Korngrößenlinie, organische Substanz und Korndichte. Dabei werden die Abweichungen der Korngrößenlinien und der Korndichte als geringfügig eingestuft. Die grundsätzlich höheren Glühverluste nach 18128 gegenüber DIN EN 13039 sind aufgrund der höheren Glühtemperatur und des unbefristeten Ausglühens bis zur Massenkonstanz nachvollziehbar.

Auffällig und noch nicht weiter untersucht ist, dass in Osnabrück höhere Glühverluste als in Geisenheim festgestellt wurden.

Der Schwerpunkt der Untersuchungen betrifft das Verdichtungsverhalten der Baumsubstrate. Für beide Materialien ist es nach den Abbildungen 2 und 3 nicht möglich, eine Proctordichte und einen zugehörigen optimalen Wassergehalt anzugeben. In beiden Fällen können sich bei gleichem Wassergehalt völlig unterschiedliche Trockendichten ergeben. Eine Ausgleichskurve durch die Messpunkte, wie in DIN 18127 gefordert, kann nicht eingetragen werden. DIN 18127 gibt den Hinweis, dass bei gleichkörnigen Sanden und Kiesen eine eindeutige Bestimmung des optimalen Wassergehaltes nicht immer möglich sei. Als Proctordichte gilt dann die erreichte höchste Trockendichte. Auch dieser Weg wird für die untersuchten Baumsubstrate als nicht praktikabel angesehen, da nicht davon auszugehen ist, dass mit üblicherweise fünf Einzelversuchen der Maximalwert auch nur annähernd erfasst werden kann. Die hier durchgeführten Versuchsreihen umfassen immerhin 54 (Lava-Bims) beziehungsweise 68 (Porlith) Einzelversuche.

6. Schlussfolgerungen und Empfehlungen

Einerseits ist es nicht möglich, für Eignungsprüfungen im Labor eine Proctordichte und einen optimalen Wassergehalt anzugeben. Beide Kennwerte werden für die Erstellung von Prüfkörpern zur Ermittlung von maximaler Wasserkapazität, Wasserdurchlässigkeit und Luftkapazität benötigt.

Andererseits ist es ebenfalls nicht möglich, die Qualität der Bauleistung im Baufeld, die über einen einzuhaltenden Verdichtungsgrad beschrieben wird, aufgrund des nicht belegbaren Bezugswertes (Proctordichte) nachzuweisen.

Es ist ein geeignetes Laborverfahren mit klar definierter Verdichtung zu entwickeln. Inwieweit dieser Kennwert für eine Qualitätsprüfung der Bauleistung geeignet (und überhaupt erforderlich) ist, ist zu prüfen.

Literatur

Forschungsgesellschaft Landschaftsbau Landschaftsentwicklung e.V. (FLL) 2008: Richtlinie für die Planung, Ausführung und Unterhaltung von begrünbaren Flächenbefestigungen. Bonn, Eigenverlag.

Forschungsgesellschaft Landschaftsbau Landschaftsentwicklung e.V. (FLL) 2010: Empfehlungen für Baumpflanzungen - Teil 2: Standortvorbereitungen für Neupflanzungen; Pflanzgruben und Wurzelraumerweiterung, Bauweisen u. Substrate. Bonn, Eigenverlag.

Roth-Kleyer, St., 2008: Methode bestimmt den C-Gehalt von Substraten. Deutscher Gartenbau, 62 Jg., H.40, 21.

Roth-Kleyer, St., 2013: Substratausgangsstoffe – Kennwerte übersichtlich im Tabellenformat. Dach + Grün, 22. Jg., H. 1, 12 - 21.

Danksagung

Der Firma Gelsenrot Spezialbaustoffe GmbH danken wir für das kostenfreie Zurverfügungstellen der Substrate beziehungsweise der Substratkomponenten. Anette Sixter und Dipl.-Ing. (FH) Heiner Kutza gilt unser Dank für die sorgfältige Mitwirkung bei der Durchführung der Analysen.

Prof. Dr.-Ing. Stephan Roth-Kleyer
Autor

Professur für Vegetationstechnik

Hochschule Geisenheim University
Bauass. Prof. Dr.-Ing. Olaf Hemker
Autor

Hochschule Osnabrück

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