Effect of the addition of cement on the loess stabilization: a case study of Gorgan loess from northern Iran

Im Norden Irans, unter der Stadt Gorgan, erstreckt sich eine weite Fläche eines eigentümlichen Bodens, der als Löss bekannt ist. Für das ungeübte Auge erscheint er als gewöhnliche, cremefarbene Erde, doch für einen Geotechniker ist er eine verborgene Gefahr. Dieser Boden bildet sich aus windverwehtem Staub, der sich in einer lockeren, wabenartigen Struktur absetzt. Während er im trockenen Zustand Lasten tragen kann, besitzt er ein gefährliches Geheimnis: Sobald er mit Wasser gesättigt wird, lösen sich seine fragilen internen Bindungen auf, und der Boden sackt plötzlich zusammen, wobei er unter dem Gewicht von Gebäuden und Straßen rapide einsinkt. Dieses Phänomen, bekannt als Kollapsibilität, hat in der Region, in der Lössablagerungen Tiefen von über 70 Metern erreichen können, erhebliche strukturelle Schäden verursacht. Die Herausforderung für Ingenieure besteht darin, einen Weg zu finden, diesen Boden zu verstärken, ohne ihn spröde oder teuer in der Behandlung zu machen, um sicherzustellen, dass der Boden auch dann stabil bleibt, wenn der Regen kommt.

Forscher der Universität Teheran und der Universität Qom machten sich daran, dieses Problem zu lösen, indem sie ein gängiges, kostengünstiges Material testeten: Zement. Ihr Ziel war es zu sehen, ob die Vermischung von Zement in den Gorgan-Löss diesen von einer kollabierenden Gefahr in ein solides Fundament verwandeln könnte. Sie nahmen Proben der lokalen Erde und mischten sie mit variierenden Mengen an Zement, die von gar keinem Anteil bis hin zu 9 Prozent des Gewichts reichten. Um zu verstehen, wie die Zeit den Prozess beeinflusst, testeten sie die Mischungen nicht nur unmittelbar nach der Mischung. Stattdessen ließen sie die Proben für Zeiträume von sieben, vierzehn und achtundzwanzig Tagen in versiegelten Behältern ruhen, um den Aushärtungsprozess zu simulieren, der bei echten Bauprojekten stattfindet. Anschließend unterzogen sie die gehärteten Proben einer Reihe von Tests, bei denen sie maßen, wie stark sie komprimiert werden konnten, wie sehr sie aufquollen und wie viel Kraft sie aushalten konnten, bevor sie brachen. Sie untersuchten den Boden auch genau unter leistungsstarken Mikroskopen und analysierten seine chemische Zusammensetzung, um zu sehen, was auf mikroskopischer Ebene geschah.

Die Ergebnisse waren bemerkenswert. Der unbehandelte Löss war extrem schwach, mit einer Druckfestigkeit von nur 0,1 Megapascal – ein Maß dafür, wie viel Druck der Boden aushalten kann, bevor er versagt. Doch während die Forscher mehr Zement hinzufügten und der Mischung mehr Zeit zur Aushärtung gaben, wurde der Boden signifikant stärker. Die dramatischste Verbesserung trat bei den Proben auf, die mit 9 Prozent Zement behandelt wurden. Nach einer Aushärtungszeit von achtundzwanzig Tagen waren diese Proben 8 der 8,5-mal stärker als der unbehandelte Boden. Die Forscher beobachteten, dass der Boden immer stärker wurde, je länger er aushärten konnte, was darauf hindeutet, dass chemische Reaktionen die Bodenpartikel im Laufe der Zeit kontinuierlich miteinander verbanden. Diese Zunahme der Festigkeit war nicht nur eine Frage des Zements, der als Füllstoff diente; es war das Ergebnis einer chemischen Transformation, bei der der Zement mit den Mineralien im Boden reagierte, um neue, dauerhafte Bindungen zu schaffen.

Über die bloße Festigung hinaus wurde der behandelte Boden auch viel stabiler und weniger anfällig für das gefährliche Einsinken, das die Region plagt. Die Forsftealer maßen die Neigung des Bodens zum Kollabieren bei Nässe und stellten fest, dass die Zugabe von Zement dieses Risiko drastisch reduzierte. In den unbehandelten Proben wurde das Kollapspotenzial als moderat schwer eingestuft. Aber in den Proben mit 9 Prozent Zement sank dieses Risiko auf ein „geringfügiges“ Niveau, was bedeutet, dass der Boden viel weniger wahrscheinlich zu plötzlichen Setzungen neigt. Ähnlich wurde auch die Tendenz des Bodens, unter Druck zu komprimieren oder bei Nässe aufzuquellen, signifikant reduziert. Je mehr Zement hinzugefügt wurde, desto weniger bewegte sich der Boden, wodurch ein Material entstand, das sich eher wie ein fester Stein als wie loser, wasserempfindlicher Dreck verhält.

Um zu verstehen, warum diese Transformation stattfand, blickte das Team mittels Rasterelektronenmikroskopie und chemischer Analyse in das Innere des Bodens. Der unbehandelte Löss offenbarte eine chaotische Struktur mit großen, offenen Poren und schwachen Verbindungen zwischen den Partikeln, die einem lose gestapelten Sandhaufen ähnelte. Im Gegensatz dazu zeigten die zementbehandelten Proben ein völlig anderes Bild. Die mikroskopischen Bilder enthüllten, dass der Zement nadelartige Strukturen und eine gelartige Substanz geschaffen hatte, die die leeren Räume zwischen den Bodenkörnern füllten. Diese neuen Formationen, bekannt als Calcium-Silikat-Hydrat, wirkten wie ein Kleber, der die einzelnen Partikel zu einem dichten, miteinander verbundenen Netzwerk band. Dieser Prozess, genannt Flockung, verwandelte die lockere, offene Struktur in eine dichte, kompakte Masse. Die chemische Analyse bestätigte, dass die Menge an Calcium und anderen bindenden Elementen zugenommen hatte, während die lose, dispersive Natur des ursprünglichen Bodens durch eine feste, kohäsive Struktur ersetzt worden war.

Die Studie kommt zu dem Schluss, dass die Zugabe von Zement eine hocheffektive Methode zur Stabilisierung des problematischen Löss im Norden Irans ist. Durch die Erhöhung des Zementgehalts und das Gewähren ausreichender Zeit für die Aushärtung der Mischung können Ingenieure einen Boden schaffen, der nicht nur wesentlich stärker, sondern auch resistent gegen den plötzlichen Kollaps ist, der auftritt, wenn Wasser zugeführt wird. Die Forschung zeigt, dass eine einfache Zugabe von 9 Prozent Zement eine geotechnische Gefahr in ein zuverlässiges Fundament verwandeln kann und so eine praktische und zugängliche Lösung für das Bauen in Gebieten bietet, die anfällig für diese spezifische Art von Bodenversagen sind. Die Ergebnisse legen nahe, dass mit der richtigen Mischung und genügend Zeit der Boden unter unseren Füßen standhaft bleiben kann.