Thermische Effekte der tiefgründigen Bodenstabilisierung mit Branntkalk-Boden-Säulen

Scholz-Solbach, Kai

Gegenstand der Arbeit ist die Untersuchung der bei der Herstellung von Branntkalk-Boden-Säulen auftretenden thermischen Effekte und ihres Einflusses auf Wasser- und Wasserdampftransporte im Boden. Die Erwärmung beruht vorrangig auf einer chemischen Reaktion, bei der das dem Boden zugemischte Calciumoxid mit Bodenwasser unter Freisetzung von Wärmeenergie zu Calciumhydroxid reagiert. Hierzu wurden zunächst die thermischen Eigenschaften feinkörniger Böden und ihre Beeinflussung durch das Herstellen des Bindemittel-Boden-Gemisches in situ untersucht. Weiterhin wurden Untersuchungen zum zeitlichen Verlauf der chemischen Reaktion und zur Größe der dabei freigesetzten Reaktionswärme vorgenommen. Mit dem Vorhaben, die mit der Säulenherstellung einhergehenden Temperaturfeldänderungen zu erfassen, wurden danach die thermischen Anfangs- und Randbedingungen des Bodens und der Bodenoberfläche untersucht und festgelegt. Anschließend wurden die zeitabhängigen Temperaturfeldänderungen auf der Grundlage der Wärmeübertragung durch Wärmeleitung mit Hilfe des Finite-Elemente-Methode Programms Ansys® 6.1 numerisch simuliert. Das Finite-Elemente-Modell wurde durch die Nachrechnung von Feldversuchen verifiziert. Im Rahmen der Finite-Elemente-Berechnungen wurde die infolge der Hydratation des Branntkalkes stattfindende Erwärmung des Bindemittel-Boden-Gemisches und des angrenzenden Bodens simuliert und hinsichtlich relevanter Einflussgrößen überprüft. Untersucht wurde der Einfluss herstellungsbedingter Faktoren wie Bindemittelkonzentration, Säulendurchmesser und Säulenanordnung sowie der Einfluss natürlicher Faktoren wie Trockendichte und Sättigungsgrad des Bodens. Die mit Hilfe der Finite-Elemente-Methode ermittelten zeitabhängigen, im Boden auftretenden Temperaturgefälle bilden die Grundlage für die Untersuchung der thermisch bedingten Wassertransportvorgänge in der Stabilisierungssäule und deren Umfeld. Zu diesem Zweck wurde die durch die Temperaturfeldbeeinflussung geänderte energetische Situation des Bodenwassers analysiert. Auch nicht-thermische, infolge der Säulenherstellung auftretende Effekte wie die durch den >Stopfeffekt< bedingte lokale Sättigungsänderung und die Beeinflussung des osmotischen Potentials einschließlich der daraus resultierenden Wasserbewegungen wurden berücksichtigt. Alle thermisch verursachten Wasser- und Dampfflüsse bewirken ein Abströmen von Porenwasser aus dem stabilisierten Erdkörper in den umliegenden Boden. Baupraktisch bleiben die durch thermische Einflüsse hervorgerufenen Wassertransportvorgänge aufgrund ihres geringen Betrages jedoch unbedeutend. In abschließenden Temperaturfeldberechnungen wurden die thermischen Bodenkennwerte an die sich zeitlich verändernde Wassersättigung des Bodens angepasst. Anhand der ermittelten Temperaturverläufe wurde aufgezeigt, dass der Einfluss der Sättigungsänderung auf die Berechnungsergebnisse sehr gering ist, und damit die Voraussetzung für die vorangegangene entkoppelte Betrachtung des Wärme- und Massestromes erfüllt ist. Aufgrund dieser Ergebnisse muss der mehrfach in der Literatur zitierte, auch mit der tiefgründigen Bodenstabilisierung in Zusammenhang gebrachte, Einfluss der Erwärmung auf die Verdunstung des Bodenwassers kritisch betrachtet und in Frage gestellt werden. Voraussetzung hierfür ist der Transport von Wasser an die Bodenoberfläche. Nennenswerte, auf Temperatureinflüssen beruhende Wasserbewegungen sind, wie die Berechnungsergebnisse gezeigt haben, nicht zu erwarten. Weitere Untersuchungen zur Festigkeitsentwicklung von Branntkalk-Boden-Säulen und deren Vorhersage sollten sich daher auf die mechanischen Effekte und auf die mineralogisch-chemischen Prozesse, wie die puzzolanischen Reaktionen, und die Möglichkeiten ihrer Prognose konzentrieren. Die Berechnungen haben gezeigt, dass die Temperaturentwicklung in der Stabilisierungssäule im Wesentlichen durch die Bindemittelkonzentration, und ihr Auskühlungsverhalten vorrangig durch ihre geometrischen Abmessungen bestimmt wird. Diese Sachverhalte sind von den Bodenparametern, der für die Stabilisierung in Frage kommenden Böden, weitestgehend unabhängig. Temperaturmessungen stellen daher ein geeignetes Mittel zur Qualitätssicherung bei der Herstellung von Branntkalk-Boden-Säulen dar, mit deren Hilfe sich Inhomogenitäten bei der Bindemittelverteilung oder Störungen beim Hydratationsvorgang (Ablöschen des Branntkalkes) nachweisen lassen. Entsprechende Hilfsmittel wurden angegeben.

Deep stabilization of soil with lime columns causes thermal effects. This is mainly due to the reaction of the unslaked lime with the water in the soil. In this thesis the influence of the thermal effects on the movement of soil water was investigated. In a first step the thermal properties of the stabilized soil in the column and the surrounding soil were analysed. In order to calculate the alteration process of the temperature fields the heat generation coupled to the chemical reaction and the thermal boundary conditions like the distribution of temperature in natural soils were defined. On this base the transient change of the temperature field around the lime columns was computed using the finite element method. The numerical analysis was done with the finite element code ANSYS® 6.1. Due to the high saturation of the stabilized and the surrounding soils only heat transfer by thermal conduction was regarded in the first calculation step. For the present the coupled transport of heat and moisture was neglected as well as the influence of moisture movement on the thermal properties. The model was verified by simulating a large-scale field experiment of the Swedish Geotechnical Institute from which temperature measurements were stated. Very good correlations were achieved between experimental and numerical results. In the next step the influences of the soil parameters, the geometry of the lime columns as well as their arrangement, and the lime concentration on the numerical results were investigated. The computed transient temperature fields and the derived thermal gradients formed the basis for the analysis of temperature-dependent moisture movement in the lime columns and in the surrounding soil. Water and water vapour move due to potential gradients from high to low potential. Therefore, the change of the soil water potential caused by thermal effects was regarded. Also, non-thermal effects such as the change of saturation due to soil compaction and the alteration of the osmotic potential due to dissolution processes were taken into consideration. The calculation results indicated a flow of liquid water and water vapour from the centre of the lime columns towards the surrounding soil. The results also showed that the amount of moisture moved by thermal effects is low and does not contribute to the hardening of the lime columns. In a closing calculation step the change of saturation due to thermal and non-thermal effects was taken into account by adapting the thermal soil parameters to the time-dependent distribution of the soil water. It was shown that the altered saturation has negligible effect on the calculated temperature fields. Therefore, the assumptions made in the first calculation step, concerning the mechanism of heat transfer, were proven true. Based on these results, the often-cited influence of the heat released when unslaked lime reacts with the water in soil has to be called into question, at least in the case of the deep stabilization of soils with lime columns. That would require, for example, the transport of moisture to the soil surface, which according to the results of the calculations is not given. Further investigations into the hardening of lime columns and the prediction of this process should concentrate on mechanical and mineralogical effects such as soil compaction and the pozzolanic reactions. Temperature measurements may serve as a good tool for quality assurance, because the development of heat depends strongly on the lime concentration, while the influence of the soil parameters of the stabilized clayey soils on the change of temperature is very small. Appropriate data were given in this thesis.

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Scholz-Solbach, Kai: Thermische Effekte der tiefgründigen Bodenstabilisierung mit Branntkalk-Boden-Säulen. 2005.

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