Ermittlung des tatsächlichen Risikos für Festbeton durch die Einwirkung von Sulfaten aus dem Baugrund bzw. Grundwasser und die dadurch provozierte Thaumasitbildung
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Beton ist ein einfach herzustellender, langlebiger Werkstoff, der bei einem minimalen Wartungsbedürfnis eine hohe Lebenserwartung aufweist. Bei der Einwirkung aggressiver Medien wie z. B. Sulfationen kann es allerdings zu einer nachhaltigen Schädigung kommen. Die bisher in die Normen implementierten Regelungen für die Herstellung von Beton bei Sulfatangriff berücksichtigen die Bildung der Schadminerale Ettringit und Gips. Aus Großbritannien wurde 1999 von Schäden durch die Bildung eines dritten Schadminerals (Thaumasit) berichtet. Im beiliegenden Bericht werden systematische Untersuchungen zur Schädigung von Beton unter praktischen Bedingungen vorgestellt. Im ersten Teil der Untersuchungen wurde das reale Auftreten verschiedener Sulfatexpositionen bewertet. Die Belastung von Fließgewässern durch natürlich bedingte hohe Sulfationenkonzentrationen ist relativ selten, lediglich durch anthropogene Einwirkungen werden Werte der Expositionsklasse XA2 erreicht. Eine Belastung durch Sulfid kann in Tunnel und Stollen auftreten, sowie bei der Flutung von Tagebaurestlöchern. Dies stellt eine Kombination von Sulfatangriff und lösenden Angriff dar, die ein relativ hohes Schädigungspotential aufweist. Eine weitere Expositionsmöglichkeit stellt der Kontakt mit sulfathaltigen Mineralien dar, wobei es sich hierbei in der Regel entweder um nativ vorhandenes oder anthropogen eingetragenes Calciumsulfat handelt. In diesem Fall kann ebenfalls eine nachhaltige Schädigung auftreten. Durch klassischen Sulfatangriff, der auf einem langsamen Eindringen von Sulfationen in die Betonmatrix beruht, werden lediglich sehr geringe Schädigungstiefen hervorgerufen, die über den Nutzungszeitraum nur sehr selten zur Zerstörung der Betondeckung der Bewehrung führen, wenn das Bauwerk mängelfrei errichtet wurde. Bei einem schärferen Angriff, verursacht durch die Anwesenheit leichtlöslicher Salze, die Oxidation von Pyrit oder einen intensiven Kontakt mit Gips können jedoch innerhalb weniger Jahre Schädigungen auftreten, die zu Einschränkungen hinsichtlich Gebrauchstauglichkeit und Tragfähigkeit des Bauteils bzw. der Konstruktion führen. Allerdings treten diese Expositionen relativ selten auf. Es handelt sich dabei um die Sanierung historischer Bauwerke aus Gipsmauerwerk, Bodenverbesserungen bzw. –stabilisierungen in gipshaltigen Böden, Verwendung von gipshaltigem Recylingmaterial, Spritzbetonanwendungen auf sulfidhaltigem Gestein, Biogene Schwefelsäurekorrosion, Anwendung von Gipsputzen oder Gips-Kalk-Putzen in ungeeigneten Expositionen, Bohrpfähle, lösenden Angriff und Kontakt mit hochkonzentrierten Salzlösungen. Die auftretenden Schäden lassen sich durch konsequente Anwendung des geltenden Normenwerkes vermeiden. Allerdings sind die entsprechenden Hinweise auf eine Vielzahl von Normen und Richtlinien verteilt und das Fehlen einer zusammenfassenden Darstellung führt dazu, dass verschiedene Anforderungen teilweise nicht eingehalten und somit langfristige Schäden provoziert werden. Bei der Untersuchung von 20 Bauwerken zeigte sich eine Überlegenheit von Hochofenzement gegenüber Portlandzement (einschließlich CEM I-HS) im Widerstand gegen Sulfatangriff. Bauwerke mit Beton aus Portlandkalksteinzement und Steinkohlenflugasche wurden nicht angetroffen. Laboruntersuchungen und Auslagerungsversuche zeigen jedoch deutliche Schäden an derartigen Betonen und von einer Verwendung dieser Bindemittelkombination bei Sulfatangriff ist abzuraten. Die relativ harmlose Bildung von Thaumasit (TF) wurde in mehreren Bauwerken nachgewiesen. Neben aktiven Schutzmaßnahmen (Verwendung resistenter Bindemittel, Herstellung dichter Betone) können allgemeine konstruktive Maßnahmen wie Ausbildung von Opferschichten, Bitumenanstrich etc. die Schädigung durch Sulfatangriff verringern. Im Gegensatz zur Thaumasitbildung (TF) wurde die betonzersetzende, massive Umwandlung in Thaumasit (TSA) nur infolge Pyritoxidation beobachtet. Die Prüfung der Sulfidkonzentration im Gestein entsprechend DIN 4030 ist ein wichtiger Schritt zur Vorbeugung entsprechender Schäden. Die Untersuchungen haben gezeigt, dass der klassische Sulfatangriff von außen kaum zu einer nachhaltigen Betonschädigung führt. Im Gegensatz dazu sind es relativ ungewöhnliche Expositionen, die zu starken Schäden führen. Diese sollten durch weitere Untersuchungen besser charakterisiert werden. Insbesondere im Bereich der gipshaltigen Böden wäre eine Einbeziehung zusätzlicher Bauwerke hilfreich für eine Einschätzung des Schadensrisikos. Dies gilt vor allem für Bohrpfähle, bei deren Gründung teilweise hohe Sulfatbelastungen vorliegen. Nicht berücksichtigt wurden aride Böden, bei denen es durch Evaporation zur Anreicherung von Salzen an der Oberfläche kommt. Entsprechende Bauwerkssituationen wurden nicht angetroffen. Eine umfassende Darstellung möglicher Schäden durch Sulfate muss auch zusätzliche Risiken durch Planungsfehler berücksichtigen. Die Verpressung sulfathaltigen Mauerwerkes durch ungeeignete Bindemittel führt immer noch zu starken Schäden an historischer Bausubstanz. Diese Fehler lassen sich durch konsequenten Bezug auf den Stand der Wissenschaft und Technik vermeiden. Ähnliches gilt für die Anwendung von Gips- oder Gips-Kalk-Putzen in ungeeigneten Expositionen und den Kontakt von zementhaltigen Bindemitteln mit gipshaltigem Recyclingmaterial. Derartige Schadensfälle wurden bereits wiederholt beschrieben und sind deshalb in den vorliegenden Untersuchungen nicht berücksichtigt. Es besteht kein Verwertungspotential hinsichtlich der Beantragung von Patenten oder einer Industriekooperation. Aus den wissenschaftlichen Ergebnissen lassen sich jedoch wichtige Schlussfolgerungen für die Baupraxis ableiten. Insbesondere die oben genannte Zusammenstellung von Planungshinweisen bei Sulfatangriff kann zu einer langfristigen Vermeidung von Schäden und damit zur Einsparung von Millionenbeträgen bei der Sanierung dieser Schäden führen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Schäden durch Sulfatangriff im Tunnelbau. In: Tagungsband des Symposiums Drainagesysteme im Tunnelbau: Design, Versinterung und Instandhaltung. 18.9.2008, Graz, S. 101-113
Stark, J.; Bellmann, F.; Erfurt, W.
- Untersuchungen zum Schadensrisiko bei Sulfatangriff. In: Tagungsband der 17. Internationalen Baustofftagung-ibausil, 23.-26.9.2009, Weimar, S. 2/305-2/310
Bellmann, F.; Erfurt, W.
