Aktionen

BAWBrief 2012/06: Empfehlungen zu Untersuchung und Instandsetzung thurament- und sulfathüttenzementhaltiger Betone: Unterschied zwischen den Versionen

Aus BAWiki

imported>ArxioWikiSysop
K (ArxioWikiSysop verschob die Seite BAWBrief 06/2012: Empfehlungen zu Untersuchung und Instandsetzung thurament- und sulfathüttenzementhaltiger Betone nach [[BAWBrief 2012/06: Empfehlungen zu Untersuchung und Instandsetzung thurament- und sulfathüt…)
imported>BAWiki Glossar
K (Edited by Wikibot)
 
(Eine dazwischenliegende Version von einem anderen Benutzer wird nicht angezeigt)
Zeile 12: Zeile 12:
 
Bei Thurament handelt es sich, wie eingangs schon angedeutet, um einen speziellen Zusatzstoff aus Hochofenschlacke bzw. Hüttensand mit einem geringen Gipszusatz, welcher von der Sächsisch-Thüringische Portland-Cement-Fabrik Prüssing & Co. AG ab 1923 im Werk Thuringia in Unterwellenborn hergestellt und unter diesem Namen vermarktet worden ist. Dieser „stark hydraulisch wirkenden Zuschlag ohne nennenswerte Eigenfestigkeit“ bestand aus frischem Hüttensand der Maximilianshütte,  älterer Haldenschlacke sowie einem „geheim gehaltenen Zusatz“ – wahrscheinlich Gips. Eine umfassende Übersicht zur Verwendung von Hüttensandmehl als Betonzusatzstoff (u. a. auch unter der Marke „Thurament“) findet sich in Ehrenberg (2010).
 
Bei Thurament handelt es sich, wie eingangs schon angedeutet, um einen speziellen Zusatzstoff aus Hochofenschlacke bzw. Hüttensand mit einem geringen Gipszusatz, welcher von der Sächsisch-Thüringische Portland-Cement-Fabrik Prüssing & Co. AG ab 1923 im Werk Thuringia in Unterwellenborn hergestellt und unter diesem Namen vermarktet worden ist. Dieser „stark hydraulisch wirkenden Zuschlag ohne nennenswerte Eigenfestigkeit“ bestand aus frischem Hüttensand der Maximilianshütte,  älterer Haldenschlacke sowie einem „geheim gehaltenen Zusatz“ – wahrscheinlich Gips. Eine umfassende Übersicht zur Verwendung von Hüttensandmehl als Betonzusatzstoff (u. a. auch unter der Marke „Thurament“) findet sich in Ehrenberg (2010).
  
Thurament wurde bis 1974 auch bei den Portland-Zement-Werken Heidelberg AG in Sulzbach-Rosenberg, Bayern, einem früherem Tochterwerk der Zementfarbrik Thuringia, hergestellt (Ehrenberg (2010)) und fand so u. a. seinen Weg in mehrere Wasserbauwerke am Neckar. Konkrete Hinweise auf die Verwendung von Thurament finden sich hier in den Bestandsplänen der Schleusen Besigheim, Marbach (1953), Poppenweiler (1954), Cannstatt (1956) sowie der Zweitkammern von Neckarzimmern (1957) und Horkheim (1960). Ein eindeutiges Schema zum Einsatz von Thurament am Neckar ist derzeit nicht erkennbar, bei benachbarten Bauwerken aus der gleichen Bauzeit ist die Verwendung von Thurament zumindest nicht dokumentiert. Im Rahmen des Baus der [[Schleuse]] Anderten wurden nach Maaske (1927) Voruntersuchungen zur Verwendung von Thurament durchgeführt und einzelne Bauteile hiermit ausgeführt. Nach Thurament (1938), einer Schrift des Herstellers Zementfabrik Thuringia Unterwellenborn aus dem Jahr 1938, ist Thurament neben zahlreichen Brückenbauwerken und Talsperren u. a. an diversen, nicht näher bezeichneten „Wehrbauten in Norddeutschland“, „Schleusen und Wehrbauten in Süddeutschland“,  am
+
Thurament wurde bis 1974 auch bei den Portland-Zement-Werken Heidelberg AG in Sulzbach-Rosenberg, Bayern, einem früherem Tochterwerk der Zementfarbrik Thuringia, hergestellt (Ehrenberg (2010)) und fand so u. a. seinen Weg in mehrere Wasserbauwerke am Neckar. Konkrete Hinweise auf die Verwendung von Thurament finden sich hier in den Bestandsplänen der Schleusen Besigheim, Marbach (1953), Poppenweiler (1954), Cannstatt (1956) sowie der Zweitkammern von Neckarzimmern (1957) und Horkheim (1960). Ein eindeutiges Schema zum Einsatz von Thurament am Neckar ist derzeit nicht erkennbar, bei benachbarten Bauwerken aus der gleichen Bauzeit ist die Verwendung von Thurament zumindest nicht dokumentiert. Im Rahmen des Baus der Schleuse Anderten wurden nach Maaske (1927) Voruntersuchungen zur Verwendung von Thurament durchgeführt und einzelne Bauteile hiermit ausgeführt. Nach Thurament (1938), einer Schrift des Herstellers Zementfabrik Thuringia Unterwellenborn aus dem Jahr 1938, ist Thurament neben zahlreichen Brückenbauwerken und Talsperren u. a. an diversen, nicht näher bezeichneten „Wehrbauten in Norddeutschland“, „Schleusen und Wehrbauten in Süddeutschland“,  am
„Okerdüker des Mittellandkanals“ und an der „[[Schleuse]] für die Eiderabdämmung bei Lexfähr“ verwendet worden. Inwieweit Thurament auch bei Bauwerken an anderen deutschen Wasserstraßen eingesetzt worden ist, lässt sich auf Basis des derzeitigen Kenntnistandes nicht abschließend aussagen.
+
„Okerdüker des Mittellandkanals“ und an der „Schleuse für die Eiderabdämmung bei Lexfähr“ verwendet worden. Inwieweit Thurament auch bei Bauwerken an anderen deutschen Wasserstraßen eingesetzt worden ist, lässt sich auf Basis des derzeitigen Kenntnistandes nicht abschließend aussagen.
  
 
Im Hinblick auf eine Instandsetzung kritisch sind unter Verwendung von Thurament hergestellte Bauwerke, bei denen dem Thurament ein höherer Anteil an Gips zugegeben worden ist.
 
Im Hinblick auf eine Instandsetzung kritisch sind unter Verwendung von Thurament hergestellte Bauwerke, bei denen dem Thurament ein höherer Anteil an Gips zugegeben worden ist.
Zeile 132: Zeile 132:
  
 
=Link zu HENRY=
 
=Link zu HENRY=
[https://hdl.handle.net/20.500.11970/100480 BAWBrief 06/2012]
+
[https://hdl.handle.net/20.500.11970/100480 BAWBrief 2012/06]
  
  

Aktuelle Version vom 29. September 2017, 10:11 Uhr

1 Einführung, Problemstellung

Bei Betonen für die zumeist massigen Bauteile von Wasserbauwerken wie Schleusen oder Wehranlagen wurde und wird Portlandzementklinker teilweise durch latent-hydraulische oder puzzolanische Stoffe (Hüttensand, Flugasche) substituiert. Anlass hierfür waren und sind insbesondere betontechnologische Aspekte wie die Reduzierung der Hydratationswärmeentwicklung oder die Optimierung bestimmter Dauerhaftigkeitseigenschaften, aber auch mit der Einsparung von Portlandzementklinker verbundene ökonomische und ökologische Vorteile. In der Zeit von etwa 1925 bis 1965/70 wurden in Deutschland verschiedentlich Betone verwendet, bei denen Hüttensand in Form von „Gipsschlackenzement“ (später „Sulfathüttenzement“) oder sogenanntem „Thurament“, einem latent-hydraulischen Zusatzstoff, zum Einsatz kam.

Sulfathüttenzement unterscheidet sich sowohl hinsichtlich seiner chemischen Zusammensetzung als auch seiner Hydratationsreaktionen deutlich vom Portlandzement. Dies ist bei der Durchführung von Betoninstandsetzungsmaßnahmen an Bauwerken, bei deren Erstellung Sulfathüttenzement zum Einsatz gekommen ist, unbedingt zu beachten. Die Verwendung von Instandsetzungsmörteln oder -betonen mit Portlandzement ist bei solchen Bauwerken nicht oder nur unter bestimmten Randbedingungen möglich, wie sich bei der Durchführung von Instandsetzungsmaßnahmen in anderen Baubereichen teilweise eindrücklich gezeigt hat. Bei Bauteilen, welche unter Verwendung von Thurament mit hohem Gipsanteil hergestellt worden sind, müssen ebenfalls bestimmte Aspekte bei der Instandsetzung beachtet werden.

Vor diesem Hintergrund ist es als Basis für die Planung und Ausführung von Betoninstandsetzungsmaßnahmen an möglicherweise betroffenen Massivbauwerken erforderlich, sich durch geeignete Untersuchungen über das etwaige Vorhandensein der genannten Betonausgangsstoffe Gewissheit zu verschaffen, um ggf. geeignete Instandsetzungsmaterialien auswählen zu können.

Nachdem bei der Planung von Verlängerungs- und Instandsetzungsmaßnahmen an Neckarschleusen in den Bestandsunterlagen Informationen über die Verwendung von Thurament vorgefunden worden sind, hat die BAW das F. A. Finger-Institut der Bauhaus-Universität Weimar (Prof. Dr. Ludwig, Dipl.-Ing. Riechert) beauftragt, ein Konzept für Untersuchungen zur Detektion der genannten Betonausgangsstoffe zu erstellen und Randbedingungen für die Instandsetzung entsprechender Betonbauteile zu erarbeiten. Die nachfolgenden Ausführungen sind auf Basis entsprechender Ausarbeitungen des F. A. Finger-Institutes entstanden.

2 Baustoffinformationen

2.1 Thurament

Bei Thurament handelt es sich, wie eingangs schon angedeutet, um einen speziellen Zusatzstoff aus Hochofenschlacke bzw. Hüttensand mit einem geringen Gipszusatz, welcher von der Sächsisch-Thüringische Portland-Cement-Fabrik Prüssing & Co. AG ab 1923 im Werk Thuringia in Unterwellenborn hergestellt und unter diesem Namen vermarktet worden ist. Dieser „stark hydraulisch wirkenden Zuschlag ohne nennenswerte Eigenfestigkeit“ bestand aus frischem Hüttensand der Maximilianshütte, älterer Haldenschlacke sowie einem „geheim gehaltenen Zusatz“ – wahrscheinlich Gips. Eine umfassende Übersicht zur Verwendung von Hüttensandmehl als Betonzusatzstoff (u. a. auch unter der Marke „Thurament“) findet sich in Ehrenberg (2010).

Thurament wurde bis 1974 auch bei den Portland-Zement-Werken Heidelberg AG in Sulzbach-Rosenberg, Bayern, einem früherem Tochterwerk der Zementfarbrik Thuringia, hergestellt (Ehrenberg (2010)) und fand so u. a. seinen Weg in mehrere Wasserbauwerke am Neckar. Konkrete Hinweise auf die Verwendung von Thurament finden sich hier in den Bestandsplänen der Schleusen Besigheim, Marbach (1953), Poppenweiler (1954), Cannstatt (1956) sowie der Zweitkammern von Neckarzimmern (1957) und Horkheim (1960). Ein eindeutiges Schema zum Einsatz von Thurament am Neckar ist derzeit nicht erkennbar, bei benachbarten Bauwerken aus der gleichen Bauzeit ist die Verwendung von Thurament zumindest nicht dokumentiert. Im Rahmen des Baus der Schleuse Anderten wurden nach Maaske (1927) Voruntersuchungen zur Verwendung von Thurament durchgeführt und einzelne Bauteile hiermit ausgeführt. Nach Thurament (1938), einer Schrift des Herstellers Zementfabrik Thuringia Unterwellenborn aus dem Jahr 1938, ist Thurament neben zahlreichen Brückenbauwerken und Talsperren u. a. an diversen, nicht näher bezeichneten „Wehrbauten in Norddeutschland“, „Schleusen und Wehrbauten in Süddeutschland“, am „Okerdüker des Mittellandkanals“ und an der „Schleuse für die Eiderabdämmung bei Lexfähr“ verwendet worden. Inwieweit Thurament auch bei Bauwerken an anderen deutschen Wasserstraßen eingesetzt worden ist, lässt sich auf Basis des derzeitigen Kenntnistandes nicht abschließend aussagen.

Im Hinblick auf eine Instandsetzung kritisch sind unter Verwendung von Thurament hergestellte Bauwerke, bei denen dem Thurament ein höherer Anteil an Gips zugegeben worden ist.

Bild 1: Talsperre Hohenwarte während der Bauausführung 1938 mit „Thurament-Beton"

2.2 Sulfathüttenzement

Der Sulfathüttenzement geht auf ein Patent von Kühl aus dem Jahr 1908 zurück. Es basiert auf der Erkenntnis, dass das latent vorhandene hydraulische Erhärtungsvermögen der glasig erstarrten (granulierten) Hochofenschlacke außer durch Calciumhydroxid Ca(OH)2 aus dem Löschkalk oder der Zementklinkerhydratation nicht nur basisch, sondern auch sulfatisch, d. h. mittels CaSO4, aktiviert werden kann. Die entsprechenden Hydratationsprodukte unterscheiden sich damit zwangsläufig. Während bei Portland- und Hochofenzement der Ettringit in nur geringer Menge gebildet wird, stellt dieses Calciumaluminatsulfathydrat bei Sulfathüttenzement neben den ebenfalls gebildeten C-A-S-H-Phasen (Calciumaluminatsilikathydrate) einen wesentlichen Bestandteil des Zementsteins dar.

In Deutschland wurde der Sulfathüttenzement 1943 baupolizeilich zugelassen und 1953 in das Normenwerk aufgenommen. Ein Grund für seine steigende Verbreitung war die Möglichkeit, einen Zement nahezu ohne jeglichen Brennprozess herstellen zu können. Der in der Hüttenindustrie entstehende Hüttensand wurde lediglich mit Anhydrit oder Gips und einer geringen Menge Portlandzementklinker (oft nur 1 %) gemahlen. In der Zeit ab etwa 1940 und in der Nachkriegszeit war bei dem chronischen Kohlemangel diese Art der Zementherstellung äußerst interessant. Die Herstellung des Sulfathüttenzementes erfolgte u. a. in Thüringen im Zementwerk Bad Kösen. Die Ost-Mitteldeutsche Zementindustrie AG (OMZ) stellte zeitweise (ab 1944) mit dem Hüttensand aus der Maximilianshütte Unterwellenborn Sulfathüttenzement her, welcher unter der Markenbezeichnung „Thurolit“ vertrieben wurde.

Grundvoraussetzung für die Sulfathüttenzement-Herstellung ist ein hochbasischer Hüttensand mit einem hohen Al2O3-Gehalt, da ansonsten eine wesentliche Komponente für die Ettringitbildung fehlt. Nicht zuletzt wegen nicht ausreichend anfallender Hüttensande mit derartig hohen Al2O3-Anteilen wurde Sulfathüttenzement ab den 1960er Jahren kaum mehr hergestellt und die 1953 eingeführte DIN 4210 für Sulfathüttenzement 1970 ersatzlos gestrichen. Erst 40 Jahre später, im Jahr 2010, wurde Sulfathüttenzement mit DIN EN 15743 wieder genormt.

Sulfathüttenzement wurde für eine große Zahl insbesondere massiger Bauwerke (überwiegend in Mitteldeutschland, aber auch in Frankreich und Belgien) eingesetzt. Darunter sind auch Talsperren, Wehre und Rückhaltebecken zu finden (Stark (1995)).

Auf Grund des hohen Sulfatgehalts von Sulfathüttenzementen ist eine Verträglichkeit mit anderen Zementen – auch mit CEM III-Zementen – nicht gegeben. Dies ist bei Instandsetzungsmaßnahmen an Bauteilen aus sulfathüttenzementhaltigen Betonen zwingend zu beachten. Müssen Wasserbauwerke aus der Zeit zwischen etwa 1920 und 1970 heute instandgesetzt werden, sollten zuvor unbedingt Informationen hinsichtlich einer etwaigen Verwendung von Sulfathüttenzement eingeholt und ggf. angemessene Instandsetzungsmaterialien und -verfahren eingesetzt werden.

3 Untersuchungen zur Detektion von Thurament und Sulfathüttenzement

Bei der Planung von Instandsetzungsmaßnahmen an Bauwerken oder Bauteilen muss bekannt sein, ob diese unter Verwendung von Sulfathüttenzement hergestellt worden sind, bei Bauwerken aus Thurament sollten Informationen über den Sulfatgehalt im Beton vorliegen. Da die Bestandsunterlagen hierzu im Regelfall keine gesicherten Informationen enthalten, sollten im Regelfall im Rahmen der Bauwerksbegutachtung entsprechende Voruntersuchungen zur Bindemittel- und Betonzusammensetzung vorgenommen werden. Nur auf der Basis fundierter Daten lässt sich ein zielführendes Instandsetzungskonzept ableiten.

Grundsätzlich ist zunächst eine Sichtung der Unterlagen (falls vorhanden) mit entsprechenden Angaben zu Errichtung und Unterhaltung des Bauwerkes vorzunehmen. Hier können oftmals bereits wichtige Informationen über die Betonzusammensetzungen gewonnen werden. Im Idealfall – allerdings sehr selten – sind auch detaillierte Informationen über die Art und Menge des Bindemittels enthalten. Sind diese Informationen nicht vorhanden, nur unvollständig oder wenig belastbar, ergibt sich die Notwendigkeit von Untersuchungen an Bauwerksproben zur Bindemittelart- und Sulfatgehaltsbestimmung. Darüber hinaus sollte jedoch auch immer die Ursache einer eventuell am Bauwerk aufgetretenen Schädigung (Frost, AKR, Ettringitbildung etc.) des Betons ermittelt werden, um diese Erkenntnisse im zu erstellenden Instandsetzungskonzept berücksichtigen zu können.

Für die notwendigen Voruntersuchungen sollten insbesondere an markanten Stellen des Bauwerkes mit besonders starken Schädigungen, Rissbildungen oder Abplatzungen Bohrkerne entnommen werden. Sofern bereits Betoninstandsetzungsmaßnahmen durchgeführt worden sind, sollten auch die Kontaktzonen zwischen Altbeton und Instandsetzungsmörtel/-beton in die Untersuchungen einbezogen werden. Der Kerndurchmesser muss mindestens 100 mm betragen. Bei einem Größtkorn über 32 mm können auch größere Kerndurchmesser notwendig werden. Die Länge der Bohrkerne richtet sich nach der Tiefe des im Rahmen der Instandsetzung avisierten Altbetonabtrages sowie nach der vorhandenen Schädigung. Grundsätzlich muss die Bohrkernentnahme bis in den ungeschädigten Altbeton hinein erfolgen.

Die geschädigten Bereiche der Bohrkerne dienen vor allem zur Ermittlung der Schadensursachen mittels Dünnschliffanalyse, Rasterelektronenmikroskopie, Röntgendiffraktometrie etc. Für die Bindemittelanalyse werden Teile des ungeschädigten und nicht carbonatisierten Altbetons benötigt. Die Bindemitteluntersuchung erfolgt im Regelfall mittels qualitativer und quantitativer Röntgenphasenanalyse, dynamischer Differenzkalorimetrie in Verbindung mit Thermogravimetrie sowie mittels chemischer Analyse. Dabei ist festzustellen, um welches Bindemittel („Thurament“ oder Sulfathüttenzement) es sich ggf. handelt. Des Weiteren sind die Sulfatmengen im Beton zu bestimmen.

Die ungeschädigten Bohrkernbereiche werden außerdem für die Ermittlung der Materialkennwerte des Altbetons (Druckfestigkeit, E-Modul und Luftporengehalt) und der sich daraus ableitenden Eigenschaften des für die Instandsetzung zu verwendenden Betonersatzes herangezogen. Die Gesteinskörnung ist auf Größtkorn und Art hin zu untersuchen. Für dünnschichtige Systeme ist die Carbonatisierungstiefe im Altbeton zu ermitteln.

4 Instandsetzung

4.1 Instandsetzung von thuramenthaltigen Betonen

Zu beachten ist, dass die Zugabe von Hüttensand im Thurament zwar bei bis zu 98 % liegt, jedoch i. d. R. nur etwa 50 % des Portlandzements durch Thurament ersetzt wurden (siehe auch Ehrenberg (2010), Tabelle 3). Somit ergibt sich ein durchschnittlicher Hüttensandgehalt von ca. 45 % bis 50 %, was nach heutiger Normung einem CEM III/A mit einem mittleren Hüttensandgehalt entspricht. Die Instandsetzung von Bauwerken aus thuramenthaltigen Betonen ist als weitestgehend unproblematisch einzustufen, wenn im Thurament die übliche Mischung von Hüttensand mit ca. 2 M.-% Gips eingesetzt worden ist. Für den Instandsetzungsmörtel/-beton ist vorzugsweise ein CEM III mit einem ähnlichen Hüttensandanteil wie im Altbeton zu verwenden.

Problematischer gestaltet sich die Bindemittelauswahl, falls die Voruntersuchungen einen erhöhten Sulfatgehalt im Beton auf Grund der Verwendung von Thurament mit höherem Sulfatgehalt anzeigen. Je nach vorliegender Sulfatsituation im Altbeton muss hier eine Bindemittelauswahl getroffen werden, die eine schädigende Sekundärettringit- oder Sekundärgipsbildung an der Kontaktstelle Altbeton/Instandsetzungsbeton verhindert. Bei erhöhtem Sulfatgehalt im Altbeton sollten deshalb vor jeder Instandsetzungsmaßnahme Probemaßnahmen durchgeführt werden, bei denen die Verträglichkeit von Alt- und Neubeton bei direktem Kontakt anhand von Bohrkernuntersuchungen geprüft wird.

Besonders sensible Instandsetzungsvarianten stellen für den Fall erhöhter Sulfatgehalte im Altbeton diejenigen Erhaltungsmaßnahmen dar, bei denen Spritzbetone oder -mörtel durch alkalifreie Spritzbetonbeschleuniger auf Aluminiumbasis beschleunigt werden, wie es heute vielfach üblich ist. Dabei gelangen zusätzliche Aluminiummengen in die Grenzzone zwischen Alt- und Neubeton, wodurch die Gefahr eines Sulfattreibens weiter erhöht wird. Kritisch sind auch eventuell notwendige Injektionsmaßnahmen zu sehen, da hier die Kontaktfläche zwischen Alt- und Neubeton nicht auf die Oberfläche des Altbetons beschränkt bleibt, sondern deutlich größer ist. Dadurch kann bei falscher Bindemittelauswahl ein Sulfattreiben im Inneren des Altbetons initiiert werden.

Für entsprechende Injektionsmaßnahmen wie auch für Spritzmörtel/-betone sollte deshalb CEM III–Zemente mit hohem Sulfatwiderstand (HS-Zemente) eingesetzt werden. Das können im Fall von Injektionsmaßnahmen sowohl CEM III-B–Zemente wie auch CEM III/A- Zemente mit HS-Zulassung sein. Für Spritzbetone/-mörtel sind aus technologischen Gründen CEM III/B-Ze- mente ungeeignet. Hier sollte auf CEM III/A-Zemente mit HS-Zulassung und eventuell höherer Festigkeitsklasse zurückgegriffen werden.

Für die Instandsetzungsvariante „dickschichtige Vorsatzschale“ aus Beton (Dicke 30 cm bis 40 cm) oder Spritzbeton (Dicke 15 cm bis 25 cm) gemäß ZTV-W 219 (2004), Abschnitt 3 bzw. 4, bei denen der Verbund zwischen Altbeton und Instandsetzungssystem im Wesentlichen über Verankerung sichergestellt wird (Westendarp (2010)), können bei nur leicht erhöhten Sulfatgehalten und bestandenem Verträglichkeitstest u. U. Betonrezepturen mit CEM III/A eingesetzt werden.

Für die Instandsetzung mit dünnschichtigen Systemen ohne Verankerung (Mörtel bzw. Spritzmörtel mit Schichtdicke 3 cm bis 6 cm gemäß ZTV-W 219 (2004), Abschnitte 5 und 6) sind bei leicht erhöhten Sulfatgehalten geeignete sulfatbeständige Betonersatzsysteme nach bestandenem Verträglichkeitstest in Ergänzung zu den Forderungen der ZTV-W 219 (2004) verwendbar. Bei hohen Sulfatgehalten muss auch bei dieser Instandsetzungsvariante auf einen Mörtel mit CEM III/B-Zement als einem hochsulfatbeständigen Bindemittel zurückgegriffen werden.

4.2 Instandsetzung von Betonen aus Sulfathüttenzement

4.2.1 Allgemeines

Die Instandsetzung von Bauwerken aus Betonen auf der Basis von Sulfathüttenzementen (SSC) ist sowohl stofflich als auch technologisch äußerst anspruchsvoll. Auf Grund des hohen Sulfatgehalts von Sulfathüttenzementen ist eine Verträglichkeit mit anderen Zementen – auch mit CEM III-Zementen – nicht gegeben. Bei entsprechendem Feuchtigkeitsangebot kann es in der Kontaktzone zwischen SSC-Beton und einem Beton, welcher unter Verwendung von Zementen auf Portlandzementklinkerbasis hergestellt worden ist, zu den Phasenneubildungen Ettringit, Thaumasit oder wasserlöslichem Gips kommen (Stark & Wicht (2001)). Die dadurch bedingte Volumenvergrößerung, der entstehende Kristallisationsdruck sowie die Auslaugungsprozesse des Betongefüges schädigen die Matrix bis hin zum vollständigen Versagen (Stark & Wicht (2001)). Eine nachhaltige Instandsetzung ist demnach nur bei Verwendung von Sulfathüttenzement möglich. Da Betone auf Basis von Sulfathüttenzementen sich im Gegensatz zu Betonen mit Thurament-Zusätzen grundsätzlich von üblichen Betonen unterscheiden, soll nachfolgend ausführlicher auf die notwendige Stoffauswahl, aber auch auf betontechnologische Aspekte bei der Instandsetzung eingegangen werden.

4.2.2 Einsetzbare Instandsetzungsvarianten

Für das Spritzen mit Sulfathüttenzement stehen keine geeigneten Spritzbetonbeschleuniger zur Verfügung. Für Sulfathüttenzementbetone ist deshalb eine Instandsetzung mit Spritzmörteln/Spritzbetonen nicht zu empfehlen bzw. nicht ausführbar.

Bei dünnschichtigen Systemen sind strenggenommen nur diejenigen Betonersatzstoffe anwendbar, die auf Basis von Sulfathüttenzement konzipiert worden sind. Solche Produkte sind bislang nicht verfügbar. Die im Markt befindlichen, hoch sulfatbeständigen Betonersatzmörtel sind nur in Ausnahmefällen brauchbar und müssen dann in jedem Fall C3A-frei sein. Ihre Eignung muss für diese Fälle im Vorfeld der Instandsetzungsmaßnahmen durch Laboruntersuchungen detailliert nachgewiesen werden.

Die zu präferierende Instandsetzungsvariante sind bewehrte oder unbewehrte Betonvorsatzschalen. Diese Instandsetzungsvariante soll nachfolgend diskutiert werden.

Für Injektionsmaßnahmen sind ausschließlich Systeme auf Basis von Sulfathüttenzement zu verwenden.

4.2.3 Erstellung und Prüfung geeigneter Betonrezepturen (Vorsatzschale)

Gerade bei Betonen aus Sulfathüttenzement ist es notwendig, die Betonzusammensetzung an die Gegebenheiten des Altbetons anzupassen. Sofern Unterlagen über die Zusammensetzung des Altbetons vorhanden sind, sollten diese bei der Rezepturfestlegung berücksichtigt werden. Die Betonzusammensetzung ist des Weiteren derart zu wählen, dass die geltenden normativen Regelungen (ZTV-W 219 (2004) sowie Bezugsregelwerk DIN EN 206-1 (2001) in Verbindung mit DIN 1045-2 (2008)) eingehalten werden. Bei Betonen der Expositionsklassen XF2 und XF3 sollten wie bei XF4-Betonen LP-Bildner verwendet werden. Die Betonrezepturen sind in jedem Fall auf ihre Eignung und Verträglichkeit mit dem Altbeton zu untersuchen. Für die Rezepturen sollten ggf. geeignete Bindemittelmischungen gezielt hergestellt werden.

Sulfathüttenzementbetone weisen einen sehr hohen Gehalt an Hüttensand (ca. 85 %) auf. Aus diesem Grund ist der Wasseranspruch des Bindemittels geringer als bei Portlandzementen. Dementsprechend sollte bei SSC-Betonen eine eher steife Konsistenz (möglichst nicht über F2) gewählt werden. Hierdurch wird auch das Risiko des Aufschäumens bei der Verwendung von LP-Betonen vermindert. Auf die Verträglichkeit des LP- Mittels mit dem Bindemittel ist zu achten.

An den Sulfathüttenzementbetonrezepturen sind Frisch- und Festbetonuntersuchungen im Labor und auf der Baustelle im gleichen Umfang wie bei konventionellen Betonen durchzuführen. Zu prüfen sind auf jeden Fall Konsistenz und Luftgehalt am Frischbeton sowie Druckfestigkeit und der E-Modul am Festbeton. Bei Betonen aus Sulfathüttenzement ist auf Grund des langsameren Hydratationsverlaufes eine Festbetonprüfung nach 56 Tagen zu empfehlen. Ebenso sollte die Probenlagerung nach europäischer Normung, also unter Wasser, erfolgen. Darüber hinaus sind für Betone der Expoitionsklassen XF3 und XF4 der Frost- bzw. Frost-Tausalzwiderstand gemäß ZTV-W 219 (2004) nachzuweisen. Bei LP-Betonen sind die Luftporenkennwerte im Festbeton zu überprüfen.

Bei Bauwerken aus Sulfathüttenzement ist im Vorfeld der Instandsetzung zusätzlich eine Verträglichkeitsuntersuchung von Alt- und Neubeton notwendig. Grundlage bildet die Erstellung von Probeflächen sowie Probekörpern vor Ort. Nach 28 bzw. 56 Tagen sowie zu einem späteren Zeitpunkt (günstig sind lange Untersuchungszeiträume von etwa 365 Tagen) sollten aus den Versuchsflächen Bohrkerne entnommen und die Verträglichkeit mit verschiedenen Verfahren bewertet werden.

4.2.4 Hinweise zur Instandsetzung des Bauwerkes bzw. Bauteiles

Untergrundvorbereitung

Das Abtragen des geschädigten Altbetons sollte gemäß ZTV-W 219 (2004) bis in den ungeschädigten Bereich hinein erfolgen. Beim Einbau zusätzlicher Bewehrung (Klebeanker) sind nur hochsulfatbeständige Ankermörtel auf Sulfathüttenzementbasis zu verwenden. Um ein Carbonatisieren der freigelegten Oberflächen zu verhindern, ist auf eine kurze Zeitspanne zwischen dem Abbruch des geschädigten Betons und dem Einbau des Betonersatzes zu achten.

Schalung

Um den Frost- bzw. Frost-Tausalz-Widerstand des Betons sowie den Korrosionsschutz der Bewehrung dauerhaft sicherstellen zu können, ist insbesondere eine dichte Betonrandzone notwendig (Ludwig & Stark (1994)). Hier stellt die Verwendung von wasserabführenden Schalungsbahnen eine optimale Möglichkeit zur Erhöhung der Dichtigkeit der Betonrandzone dar (Karl & Solacolu (1993); Westendarp (2010)). Die Ausschalfristen sollten auf Grund der langsamen Erhärtung der Betone verlängert sowie der Beton vor Durchfrieren im jungen Alter ausreichend lang geschützt werden.

Betondeckung

Angesichts der im Vergleich zum Portlandzement höheren Carbonatisierungsneigung ist es ratsam, die Mindestbetondeckung zum Erreichen eines ausreichenden Korrosionsschutzes der Bewehrung um ein bestimmtes Maß (vorgeschlagen wird der Faktor 1,3) zu erhöhen.

Nachbehandlung

Neben den erhöhten Ausschalfristen ist eine intensive Nachbehandlung entscheidend zum Erreichen eines dauerhaften Betons. Die Betonoberflächen sind nach dem Ausschalen sofort vor Austrocknung bzw. weiteren äußeren Witterungseinflüssen zu schützen (Auflegen von Folien, Aufsprühen von NB-Mitteln). Die Mindestanforderungen an die Nachbehandlung gemäß ZTV-W 219 (2004), 3.5.4.6 und Tabelle 3.2, sollten keinesfalls unterschritten werden.

5 Zusammenfassung

Vor einer Instandsetzung massiver Wasserbauwerke, welche im Zeitraum zwischen etwa 1925 und 1970 errichtet worden sind, sollte künftig durch Bauwerksuntersuchungen geprüft werden, ob für die eingesetzten Betone Thurament als Zusatzstoff oder Sulfathüttenzement als Bindemittel zum Einsatz gelangt sind. Sofern dies der Fall ist, muss im Einzelfall geprüft werden, welche Instandsetzungsmaßnahmen zum Erreichen der vorgesehenen Instandsetzungsziele angesichts der im Bauteil gegebenen Sulfatsituation überhaupt in Frage kommen und welche Einschränkungen bzw. Besonderheiten bei Baustoffauswahl und Bauausführung zu beachten sind. Eine unzureichende Berücksichtigung der Sulfatsituation kann zu einem kompletten Fehlschlagen von Instandsetzungsmaßnahmen führen.

Die BAW bietet bei Bauwerksbegutachtung und Instandsetzungsplanung grundsätzlich ihre fachliche Unterstützung an, das F. A. Finger-Institut der Bauhaus-Universität Weimar steht als auf die Thematik spezialisierter Ansprechpartner für die Bewertung der Sulfatsituation im Bauwerk zur Verfügung.

6 Literatur

DIN EN 206-1 (2001): „Beton - Teil 1: Festlegung, Eigenschaften, Herstellung und Konformität“, Deutsche Fassung EN 206-1:2000, Hrsg.: Deutsches Institut für Normung e. V., Beuth Verlag, Berlin, 2001

DIN 1045-2 (2008): „Tragwerke aus Beton, Stahlbeton und Spannbeton – Teil 2: Beton-Festlegung, Eigenschaften, Herstellung und Konformität – Anwendungsregeln zu DIN EN 206-1“, Hrsg.: Deutsches Institut für Normung e. V., Beuth Verlag, Berlin, 2008

Ehrenberg, A. (2010): Hüttensandmehl als Betonzusatzstoff – Aktuelle Situation in Deutschland und Europa, Zeitschrift „Beton-Informationen“, Jahrgang. 2010, Heft 3/4, Verlag Bau+Technik GmbH, Düsseldorf, 2010

Karl, J. H.; Solaculo, C. (1993): „Verbesserung der Betonrandzone – Wirkung und Einsatzgrenzen der saugenden Schalungsbahn“, Zeitschrift „beton“, Jahrgang 43, Heft Nr.5, 1993

Ludwig, H.-M.; Stark, J. (1994): „Frost- und Frost-Tausalz-Widerstand von hüttensandreichen HOZ-Betonen“, Wissenschaftliche Zeitschrift der HAB Weimar, Band 40, 1994

Maaske (1927): „Thuramentbeton“, Zeitschrift „Die Bautechnik“, Heft 50, 1927

Stark, J. (1995): „Sulfathüttenzement“, Wissenschaftliche Zeitschrift der HAB Weimar, Band 41, 1995

Stark, J.; Wicht, B. (2001): „Dauerhaftigkeit von Beton – Der Baustoff als Werkstoff“, Hrsg.: F. A. Finger-Institut für Baustoffkunde der Bauhaus-Universität Weimar, Birkenhäuser Verlag, Basel, 2001

Thurament (1938): „Thurament“, 2. Auflage, Hrsg.: Zementfabrik Thuringia Unterwellenborn (Thüringen), Merzdorf & Frosch, Graphische Kunstanstalt, Saalfeld (Saale), 1938

Westendarp, A. (2010): „Instandsetzung von Wasserbauwerken heute und morgen“, Beitrag zum BAW-Kolloqium „Erhaltung von Wasserbauwerken und Brücken”, Karlsruhe, 15./16. Juni 2010

ZTV-W 219 (2004): „Zusätzliche Technische Vertragsbedingungen – Wasserbau (ZTV-W) für Schutz und Instandsetzung der Betonbauteile von Wasserbauwerken (Leistungsbereich 219)”, Hrsg.: Bundesministerium für Verkehr, Bau- und Wohnungswesen, Abteilung: Eisenbahnen, Wasserstraßen, 2004

Ansprechpartner

Dipl.-Ing. Gerhard Amthor
Abteilung Bautechnik
Referat B3 Baustoffe
Telefon: 0721 9726-3080
Fax: 0721 9726-2150
E-Mail: gerhard.amthor@baw.de

Link zu HENRY

BAWBrief 2012/06