Forschungsprojekt zur Leistungssteigerung wasserdurchlässiger Pflasterbeläge initiiert

Die Fakultät für Bauingenieurwesen der University of Cape Town (UCT) hat ein Forschungsprogramm mit dem Ziel, die Leistungsfähigkeit wasserdurchlässiger Pflasterflächen in Südafrika zu verbessern, initiiert. Dem stellvertretenden Direktor, Neil Armitage, steht dafür eine Arbeitsgruppe aus Fachleuten sowie Studenten aus dem Bauingenieurwesen zur Seite.

Die Fakultät für Bauingenieurwesen der University of Cape Town (UCT) hat ein Forschungsprogramm mit dem Ziel, die Leistungsfähigkeit wasserdurchlässiger Pflasterflächen in Südafrika zu verbessern, initiiert. Bereits aus ersten Belegen geht hervor, dass örtlich vor 10 Jahren eingeführte wasserdurchlässige Pflasterungen weder dem Ziel, den direkten Durchfluss bei abfließendem Regenwasser zu verzögern, noch Verunreinigungen durch Regenwasser zu beseitigen, wie angestrebt entsprechen.

Die Forschungsarbeit erfolgt unter Leitung von Neil Armitage, stellvertretender Direktor „Zukunft Wasser“ und Professor der Fakultät für Bauingenieurwesen an der UCT; hierbei wird er von einer Arbeitsgruppe bestehend aus Fachleuten sowie Studenten aus dem Bauingenieurwesen unterstützt. „Mit unseren Forschungsbemühungen fahren wir zweigleisig: Einerseits die Erfassung von Felddaten an wasserdurchlässigen Pflasterflächen im ganzen Land und parallel die Durchführung von Laborversuchen“, so Armitage.

Bisher gibt es keine nationale Normung für Bemessung, Bau und Wartung von wasserdurchlässiger Pflasterung. In Südafrika ist es gängige Praxis, einfach Konstruktionsrichtlinien aus dem Ausland zu übernehmen und zu hoffen, dass es funktioniert, ohne dabei die unterschiedlichen Umgebungsbedingungen zu berücksichtigen. Hauptziel ist die Entwicklung eines Systems oder mehrerer Systeme, die unter den lokalen Bedingungen am besten funktionieren und dann faktengestützte Richtlinien zu erstellen, die darauf abzielen, bessere Systeme zu gewährleisten und dabei den Vorentwicklungs- bzw. naturnahen Wasserkreislauf nachempfinden.

Verstopfungen mindern Leistungsfähigkeit von wasserdurchlässigem Pflaster

Im Gegensatz zu Speicherteichen, -senken oder BioBecken wird für wasserdurchlässiges Pflaster kein zusätzlicher Platz benötigt. Daher kommt es im urbanen Umfeld von Kapstadt vielfach zum Einsatz, wo die Durchflussrate, zu der Wasser in Regenwasserinfrastruktur geleitet werden kann sowie die Qualität und Reinheit des Wassers durch die Wasserverordnung aus dem Jahr 2009 entsprechend geregelt wird. Nach UCT-Daten funktionieren keine der Einbauten in Kapstadt auch nur annähernd entsprechend den optimalen Auslegungsparametern, sodass davon ausgegangen werden muss, dass dies auch auf wasserundurchlässige Pflasterbefestigungen in anderen Teilen des Landes zutrifft.

Haupthemmnis für die Leistungsfähigkeit von wasserdurchlässigem Pflaster ist das Verstopfen, und alle untersuchten Systeme weisen mehr oder weniger Verstopfungen auf. Hierfür gibt es verschiedene Ursachen: windabgelagerter Sand, (insbesondere in Kapstadt), pflanzliche Stoffe, Abfall und Zigarettenstummel, um nur einige zu nennen. Ein weiterer Grund ist sich aufbauender Schlamm aufgrund angesammelter Verschmutzung.

Ungewaschene Zuschläge sind ein weiterer Grund zur Sorge und einer der Hauptgründe dafür, warum wasserdurchlässige Pflastersysteme entgegen ihrer Konzeption Verunreinigungen nicht beseitigen. So zeigen auch jüngste Laborversuche der Universität Kapstadt, dass ungewaschene Zuschläge die Wasserqualität tatsächlich verschlechtern.

Regelmäßige Wartung und Reinigung ist die einzige Möglichkeit gegen Verstopfungen. Diesbezüglich wird jedoch in Südafrika nur sehr wenig getan, obwohl es in allen Richtlinien und Empfehlungen vorgesehen ist. Reinigung ist schwierig und bisher gibt es noch keine zuverlässige Methode. Es werden verschiedene Systeme eingesetzt, wie beispielsweise Kehren, Absaugen, mit Druckluft abblasen oder Einsatz von Sprühwasser, jedoch alles nur bedingt oder gar nicht erfolgreich.

So konnte beispielsweise kürzlich ein Reinigungsvorgang in Steen Villa, einer Wohnsiedlung in Kapstadt, beobachtet werden, bei dem mit Sand verunreinigter Splitt aus der Bettungsschicht mit Druckluft entfernt wurde, um diesen durch sauberen Splitt zu ersetzt. Auch nach der Reinigung blieb die gepflasterte Fläche verstopft. Bei der Entnahme von einigen Pflastersteinen zeigte sich dann, dass ein Teil des Schmutzes in den Einbau hinein- anstatt herausgeblasen wurde und sich zwischen Pflaster und Vliesschicht verkantete.

Verschiedene Methoden zur Prüfung der Versickerungsrate

Dass in einigen Ländern lange gar keine Wartung durchgeführt wird, hilft auch nicht weiter. So wurde beispielsweise eine mehr als 20 Jahre alte Pflasterbefestigung in Hamburg niemals gewartet und ist immer noch funktionsfähig, wenn auch nur bedingt. Die betreffende Fläche ist jedoch sehr groß und befindet sich in einer feuchten Umgebung mit regelmäßigen Niederschlägen und ohne Flugsand. Und obwohl das wasserdurchlässige Pflaster einen Rechenbeiwert von 10 hat; d. h. bei einem 10-fach angenommenen Aufkommen sind theoretisch 90 % Verstopfung möglich, bevor ein Versagen eintritt. Pflasterungen in Südafrika sind dagegen tendenziell wesentlich kleiner, außerdem Flugsand ausgesetzte und befinden sich häufig in der Nähe von Vegetation und Bäumen. Das bedeutet, dass eine 90 %-ige Verstopfung in sechs Monaten auftreten kann. Wird Boden aus dem Landschaftsbau auf einer wasserdurchlässigen Pflasterfläche abgeladen, so kann eine Verstopfung sofort eintreten.

Für die Prüfung der Versickerungsrate bei wasserdurchlässigem Pflaster gibt es verschiedene Methoden. Dem UCT-Team erscheinen dabei die internationalen und amerikanischen Normen sehr schwerfällig und langsam. Hierbei wird die Außenseite eines Permeameter-Rings mit einer speziellen Spachtelmasse versehen und die Zeit, die das Wasser zum Versickern benötigt, erfasst. Dass dies einwandfrei funktioniert, ist fast unmöglich, da es immer Lücken gibt, durch die Wasser austreten kann.

Stattdessen wird die einfachere, sogenannte SWIFT-Methode verwendet, die in Queensland/Australien entwickelt wurde. Hierbei wird ein Holzrahmen und ein Eimer verwendet, aus dem sechs Liter Wasser durch ein 14 mm großes Loch auf die Pflasterfläche fließen. Es ist eine sehr schnelle Methode, die viel weniger Wasser verbraucht als die amerikanische Prüfmethode. Der Test basiert auf Wassereindrücken auf der Pflasterfläche. Je kleiner der Eindruck, je besser ist die Versickerungsrate und umgekehrt.

Einer der Feldversuche wurde vom Team direkt hier auf dem Campus der Universität Kapstadt durchgeführt. Es handelt sich um einen Parkplatz mit wasserdurchlässiger Pflasterung, die vor sechs Jahren im Außenbereich des New Engineering Building (NEB) verlegt wurde. Eine Masterstudentin untersuchte hier an 60 Stellen in 13 Abschnitten anhand der SWIFT-Methode das Wasserinfiltrationsvermögen. Ihre Versuche ergaben fünf freie, zwei halb-verstopfte und sechs völlig verstopfte Abschnitte. Der Parkplatzbereich, der dem Eindringen von pflanzlichen Stoffen der angrenzenden Blumenbeete und Bäume ausgesetzt war, war am meisten verstopft und der beste bzw. unverstopfte Bereich befand sich, kaum überraschend, mitten auf dem Parkplatz, d. h. am weitesten von der Vegetation entfernt.

Versuche in kontrollierter Umgebung

Da die Messung der Qualität des Wassers, das in wasserdurchlässigen Pflastersystemen versickert, sehr schwierig ist, hat das UCT-Team während der Bauarbeiten des NEB-Parkplatzes drei Sammelbecken für Wasserproben eingebaut. Im ersten sammelte sich verschmutztes Dachablaufwasser ohne irgendeine Filtration. Dem zweiten wurde Regenwasser nach Versickerung durch eine Vliesschicht (Geotextil) und drei Zuschlagstoff-Schichten zugeführt. Der Aufbau des letzten Beckens entsprach dem zweiten, jedoch ohne Vliesschicht. Das Wasser in Becken zwei und drei sollte theoretisch relativ klar sein. Aber das ist die Theorie; die Praxis stellte sich etwas anders dar.

Während der Bauarbeiten des NEB-Parkplatzes wurden die Versuchsabschnitte im Labor nachgebildet, wobei für Sammelbecken zwei und drei die exakt gleiche Bauweise und gleiche Materialien verwendet wurden, sodass Versuche in einer kontrollierten Umgebung durchführt werden konnten und zwei weitere, völlig andere Bauarten umgesetzt wurden.

Bei den Versuchen mit allen fünf Aufbauten wurde der durchschnittliche Jahresniederschlag von 20 Regenschauern mit 5 mm und mehr in Kapstadt nachgestellt. Obwohl reines Leitungswasser verwendet wurde, entstand am Ende völlig verunreinigtes Wasser. Auch nach mehreren Durchläufen konnten nur geringfügige Verbesserungen erzielt werden. Dann führte das Team Hochrechnungen und Regressionsanalysen durch, um zu bestimmen, wie lange es dauern würde bis das Wasser blitzsauber wäre. Aus diesen Hochrechnungen ging hervor, dass es weit über 10 Jahre dauern könnte. Deshalb wurde das Verfahren am Ende verworfen und die Studenten angewiesen, die Probenkörper mit Wasser zu füllen und auszuspülen.

Infolgedessen begannen sich die Dinge zu verbessern. Es wurden dann alle vier Aufbaue zerlegt und eine dicke Schlammschicht jeweils an der unteren Tragschicht vorgefunden, die dort offensichtlich für immer bleiben würde. Und so wurde klar, dass die Zuschläge nicht sauber waren, obwohl die Lieferanten diese als gewaschen ausgewiesen hatten. Es wurden verschiedene Reinigungsmethoden mit Wasserschläuchen ausprobiert, und auch nach zwei Tagen Trocknung waren sie noch nicht frei von Verschmutzungen. Erst nachdem alle Oberflächen abgebürstet wurden, waren die Zuschläge sauber. Nach anschließendem Einfüllen sauberen Wassers kam auch sauberes Wasser heraus. Danach wurden die Versuchsbehälter mit sauberen Zuschlägen erneut aufgebaut.

„Zu diesem Stadium besuchte ich Professor Bill Hunt von der North Carolina State University in Amerika, der für den Bundesstaat North Carolina Forschung an nachhaltigen Abwassersystemen (LID – Low Impact Sustainable Drainage) betreibt und nach meiner Rückkehr starteten wir Versuche entsprechend einigen seiner Ansätze. So beispielsweise der Verzicht auf Vliesschicht und stattdessen der Einsatz von Sickergruben zur Bildung von aeroben Zonen ganz unten im Einbau von wasserdurchlässigen Pflasterungen“, erläuterte Neil Armitage. Theoretisch lässt sich das Eindringen von Schmutz nicht verhindern und deshalb soll er sich eher am Boden absetzen, um von dort aufbereitetes Wasser zu entnehmen. Dies steht im Gegensatz zum britischen Aquapave-System, bei dem das Wasser unterhalb der Tragschicht aufbereitet wird. Allerdings haben beide Systeme auch Nachteile. Bei dem einen ist es die verstopfte Vliesschicht im oberen Bereich, und das andere erfordert eine Speichermöglichkeit und somit mehr Steine.

Unterschiede bei Regenwasserqualität und Verschmutzungsgrad

Die Regenwasserqualität und der Verschmutzungsgrad sind sehr unterschiedlich. Es scheint aber, dass Nitrate und Phosphate die Hauptverursacher sind, da diese in Gartendüngern am meisten verwendet werden. Einer der Forschungsstudenten fand einen handelsüblichen Dünger mit einem Nitrate-Phosphat-Wert, der auf die typische in Regenwasser zu findende Konzentration verdünnt wurde, um hiermit verunreinigtes Regenwasser zu simulieren.

„Somit können wir jetzt die typische Regenperiode in Kapstadt mit Nährstoff angereichertem Leitungswasser nachstellen und den Unterschied zu den Ergebnissen mit unbehandeltem Leitungswasser in 10 Versuchsbecken in unserem Labor bei gleichem Niederschlags- und Verschmutzungsregime messen. Bei drei Becken wird eine Vliesschicht verwendet und bei einigen fehlen Steinschichten. Es werden jeweils verschiedene Pflastersteine und Tragschichten verwendet. Der Boden ist bei jedem Aufbau perforiert, sodass wir Probenmaterial entnehmen können. Leider waren wir nicht in der Lage, einen Parameter nach dem anderen zu verändern. So mussten wir nach dem Schrotflintenprinzip verfahren, um schnellstens zu präzisieren, welches System in Frage kommt und welches nicht“, so Armitage weiter.

Ein Bereich dieser Untersuchungen ist die Frage, was während der Trockenperiode passiert; wenn beispielsweise die Vliesschicht austrocknet und die bakterielle Aktivität nachlässt. Wenn es dann regnet, muss sie wieder aktiv werden, wie beispielsweise ein Klärbehälter. Daher eignet sich eine Vliesschicht möglicherweise besser für feuchtes britisches Wetter als bei den heißen und trockenen Versuchsbedingungen. Dementsprechend scheint sich das amerikanische Konzept eines Sickerbeckens besser bei den lokalen Bedingungen im Raum Kapstadt zu eignen, da ein dauerhaftes Wasserbecken eine weitaus bessere Möglichkeit zur Schaffung einer permanenten Bakterienkultur zur Bewältigung der aufkommenden Belastung bietet. Selbst bei beschränkter Funktion ist es noch einsatzbereit – so denkt das UCT-Team zumindest derzeit – und sind daher bereit, dies als eine effektivere Möglichkeit zur Verbesserung der Wasserqualität zu erproben.

„Wir probieren auch gerne andere Konzepte und Ideen aus. Mein Interesse gilt hier insbesondere Personen mit praktischer Erfahrung: Berater, Bauunternehmer, Lieferanten etc., die Informationen über ihre ganz speziellen Pflasterverlegungen und Gestaltungen weitergeben würden. Auch wenn es sich nur um anekdotische Berichte handelt. Je größer die Resonanz, umso wahrscheinlicher ist es, dass wir etwas als Vorlage finden. Dann sollten wir auch in der Lage sein, eine Bemessungsrichtlinie für wasserdurchlässige Pflasterungen basieren auf den in ganz Südafrika gemachten Erfahrungen zu erarbeiten,“ so Armitage abschließend.

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