Schäden an Betonbauwerken
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Schäden an Betontragwerken sind aufgrund der Baustoffstruktur sowie der Beanspruchungen aus der Umwelt nicht selten.
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[Bearbeiten] Allgemein
Beton wird durch Mischen von Zement, grober und feiner Gesteinskörnung (vorm. Zuschlag) und Wasser, mit oder ohne Zugabe von Zusatzmitteln und Zusatzstoffen, hergestellt. Er erhält seine Eigenschaften durch die Hydratation (Erhärtung) des Zements.
Beton stellt als wirtschaftlicher und universal einsetzbarer Baustoff einen Grundstein für das moderne Bauen dar. Ein großer Teil der Bauwerke ist heute aus Beton.
Beton wächst aber nicht in der Natur, er wird von Menschen in unterschiedlicher Qualität hergestellt und für die verschiedensten Aufgaben eingesetzt. Die anscheinend unbegrenzten Einsatzmöglichkeiten, die dieser Baustoff bietet, sowie der Umstand, dass er in seiner endgültigen Form meist erst auf der Baustelle hergestellt wird, führen nicht selten zu Ausführungs- oder Planungsfehlern.
Beton ist - auch wenn er oft so bezeichnet wird - kein “Universalbaustoff”. Es gibt Beanspruchungen für die er weniger geeignet ist, sei es wegen seiner chemischen Zusammensetzung, sei es dass man ihn in Formen zwängt und durch Kräfte beansprucht, für die er durch seine materialbedingte Sprödigkeit problematisch ist.
Nachdem man lange der Meinung gewesen war, dass Betonbauwerke praktisch während ihrer gesamten Nutzungszeit keinerlei Unterhalt erforderten, hat die Erfahrung der letzten Jahrzehnte gezeigt, dass auch Betonkonstruktionen sachgemäß zu unterhalten sind und dass kleinere Schäden, wenn man sie nicht umgehend saniert und die Schadensursachen beseitigt, sich relativ schnell zu größeren Schäden auswachsen, die nur mit hohem Aufwand zu beseitigen sind.
Es gibt heute eine ganze Reihe von Spezialverfahren und den verschiedensten Beanspruchungen angepasste Materialien, mit denen man Schäden an Betonbauwerken instand setzen kann. Bevor man aber an die Beseitigung eines aufgetretenen Schadens geht, muss die Schadensursache geklärt werden. Die Erkennung und Abstellung der Schadensursachen erfordert aber gründliche Kenntnisse über das Verhalten von Baustoffen und Bauteilen unter den auftretenden last-, nutzungs- und umweltbedingten Beanspruchungen.
siehe auch Dauerhaftigkeit von Beton
[Bearbeiten] Typische Schadensursachen bei Beton-/ Stahlbetonbauwerken
[Bearbeiten] Abplatzende Betonüberdeckung
Beton besitzt bei sehr hoher Druckfestigkeit nur eine geringe Zugfestigkeit. Die von einem Bauteil aufzunehmenden Zugspannungen müssen daher meist durch eingelegte Stahlstäbe aufgenommen werden (Stahlbeton). Stahl ist ein korrosionsanfälliger Baustoff, der sehr schnell rostet, wenn er ungeschützt Luftsauerstoff und Feuchte ausgesetzt ist. Beton ist hochalkalisch und hat die wichtige Eigenschaft, durch seine Alkalität eine Passivierungsschicht auf dem Stahl zu bilden, und ihn so vor Rost zu schützen. Durch Reaktion mit dem CO2 der Luft (Karbonatisierung, siehe Betonkorrosion) verliert der Beton aber mit der Zeit seine Alkalität und ist dann nicht mehr in der Lage, die eingebetteten Stahlstäbe vor Korrosion zu schützen. Die Normen, z.B. DIN 1045, schreiben deshalb je nach Beanspruchung und Umweltbedingungen bzw. Expositionsklasse eine Mindestdicke für die Betonüberdeckung vor. Das sich bei nicht mehr ausreichendem Schutz durch die Betondeckung bildende Korrosionsprodukt (Rost) besitzt das mehrfache Volumen des ursprünglichen Stahls, der sich bildende Druck sprengt die den Stahl schützende Betondeckung ab. Dieser Schaden wird um so eher eintreten, je dünner, poröser und weniger alkalisch die Betondeckung des Stahls ist.
[Bearbeiten] Zerstörung durch chemischen Angriff
Viele Stoffe sind geneigt, sobald sie mit bestimmten anderen Molekülen/Atomen in Kontakt kommen, neue chemische Verbindungen einzugehen. Hierdurch werden die ursprünglichen Stoffeigenschaften mehr oder weniger verändert. Das gilt auch für den Baustoff Beton. Seine Neigung solche neuen chemischen Verbindungen einzugehen und damit die Gefahr, dass Betonbauteile von chemischen Stoffen angegriffen werden, hängt außer von der chemischen Zusammensetzung und Konzentration der auf den Beton einwirkenden Stoffe auch sehr stark von der Dichtheit des Betons ab. Also davon, ob die Stoffe nur auf die Oberfläche einwirken oder ob sie auch in das Bauteil eindringen und von innen her einwirken können. Besonders gefördert wird das Eindringen chemisch aggressiver Flüssigkeiten oder Gase durch die Luftporen und Risse des Betons.
Unterschieden werden kann nach zwei unterschiedlichen Zerstörungsmechanismen: dem lösenden Angriff und dem treibenden Angriff.
[Bearbeiten] Lösender Angriff
Beton besteht im Wesentlichen aus durch Zement verkittetem Naturgestein. Wenig widerstandsfähig gegen chemische Angriffe ist besonders der künstlich hergestellte Zement, während die in ihrer jetzigen chemischen Zusammensetzung seit vielen Millionen Jahren bestehenden Naturgesteine wesentlich weniger anfällig gegen chemische Einwirkungen sind. Zementstein ist als basisches Produkt besonders wenig widerstandfähig gegen Säuren. Da die Bestandteile der verschiedenen Zemente fast alle säurelöslich sind, kann vom erhärteten Zement, dem Zementstein grundsätzlich keine Beständigkeit gegenüber organischen und anorganischen Säuren erwartet werden. Die komplizierten Kalk-Tonerde-Verbindungen des Zementsteins werden durch den Säureangriff in wasserlösliche Verbindungen verwandelt, die dann durch Wasser und atmosphärische Einwirkungen abgetragen werden können. Hierdurch wird der Zusammenhalt zwischen Zuschlag und Zementstein zunächst gelockert und bei fortschreitendem Angriff zerstört. Solange die Betonhaut noch ungestört ist, kann der Angriff immer nur von der Oberfläche her beginnen. Je größer die Angriffsfläche bei fortschreitender Öffnung und Zerklüftung der Betonaußenhaut aber wird, desto schneller schreitet die Zerstörung fort.
[Bearbeiten] Treibender Angriff
Treibender Angriff liegt vor, wenn die auf den Beton einwirkenden Stoffe bei Reaktion mit dem Zementstein, in einigen Fällen auch mit den Zuschlägen (Alkalitreiben), neue Produkte mit wesentlich größerem Volumen bilden. Der größere Raumbedarf führt dann zur Sprengung des Betons von innen heraus. Ein typisches Beispiel hierfür ist auch das Sulfattreiben. Wirken sulfathaltige Gase oder Lösungen auf den Beton ein, dann kommt es durch Reaktion zwischen den Sulfaten und dem Tricalciumaluminat des Zementsteins (C3A) zur Bildung von Ettringit. Dabei vergrößert sich das Volumen der Ausgangsstoffe auf das Achtfache, der Beton wird von innen heraus gesprengt. Dieser Schaden tritt häufig bei Abwasserkanälen aus Beton auf. Hier bildet sich unter den vor allen bei tiefliegenden Kanalsystemen herrschenden Bedingungen (geringe Fließgeschwindigkeit, relativ hohe Temperatur und fehlende Belüftung) durch bakterielle Zersetzung der im Abwasser enthaltenen schwefelhaltigen organischen Stoffe wie Eiweiße, das nach faulen Eiern riechende Schwefelwasserstoffgas. Dieses Gas kann durch andere Bakterien oder durch Luftsauerstoff zu Sulfaten oxidiert werden und diese können das Sulfattreiben verursachen.
[Bearbeiten] Zerstörung durch Brand
Beton ist ein nicht brennbarer und bei Brandbelastung sehr widerstandsfähiger Baustoff. Trotzdem treten auch bei den für Normalbrände typischen Temperaturen von bis 1000 Grad Schäden auf, deren Auswirkungen von Branddauer und Art der Konstruktion (statisches System) abhängig sind.
[Bearbeiten] Beton
Der Abfall der Betonfestigkeit ist bis ca. 200 Grad minimal. Bei höheren Temperaturen fällt die Festigkeit schneller ab, und kann bei 500 Grad schon bis auf 50% der normalen Druck- und Spaltzugfestigkeit abgesunken sein. Wegen der schlechten Wärmeleitfähigkeit treten bei normaler Brandbelastung für die Standsicherheit relevante Temperaturen aber nur in den obersten Zentimetern auf, während der Kern der Betonkonstruktion meist weniger betroffen ist. Dabei kommt es meist zu Abplatzungen infolge einer Dampfentwicklung durch die Restfeuchte im Beton.
[Bearbeiten] Bewehrungsstähle
Betonstahl ist wesentlich temperaturempfindlicher als Beton. Schon bei verhältnismäßig geringen Brandtemperaturen beginnt sich der Stahl zu dehnen. Dies geschieht um so schneller, je kleiner die Betondeckung ist. Durch die Dehnung des Stahls kommt es zum Abplatzen der Betondeckung, wodurch der Stahl dann direkt der Brandeinwirkung ausgesetzt ist. Bei etwa 500 Grad erreicht der Stahl seine Fließgrenze, dabei sind hochwertige Stähle ganz allgemein empfindlicher gegen Brandtemperaturen. Bei Spannstahl liegt die kritische Grenze nur knapp über 350 Grad. Sinkt in einem Stahlbetonbauteil die Fließgrenze des Stahls unter die von ihm aufzunehmende Spannung, dann ist die Tragfähigkeit des Bauteils erschöpft. Es wird sich zunächst verformen und bei weiterer Verformung versagen.
[Bearbeiten] Schäden durch Chlorideinwirkung
Obwohl Chloride den Beton nicht direkt angreifen, können sie – falls ausreichend Feuchtigkeit vorhanden ist – zur Lochfraßkorrosion der Bewehrungsstähle im Beton führen.
[Bearbeiten] Chloridverseuchung bei Bränden
Durch Verbrennung von PVC-Kunststoffen kommt es, vor allem bei Industriebränden, zur Chloridverseuchung von Stahlbetonbauteilen. Bei der thermischen Zersetzung von PVC werden Chloridverbindungen in Staubform freigesetzt und schlagen sich auf den Betonflächen nieder. Die jeweilige Eindringtiefe ist neben der Menge der freigesetzten chloridhaltigen Stäube vor allem abhängig von der Dichte des Betons.
[Bearbeiten] Chloridverseuchung durch Tausalz
Bei Eis- oder Schneebildung werden die befahrenen und begangenen Betonflächen mit Frosttaumitteln, in der Regel mit Tausalzen bestreut. Das zur Verwendung kommende Salz (NaCl) enthält einen großen Anteil Chlorid. Beim Auftauen bildet sich eine Natriumchloridlösung. Gelangen die Chloride an die Bewehrung, so besteht immer die Gefahr der Lochfraßkorrosion, insbesondere für den empfindlichen Spannstahl. Besonders gefährdet sind Brückenbauwerke und Parkdecks. Die Schadensvorgänge spielen sich nicht an der Oberfläche ab, wo sie leicht zu erkennen sind, sondern im Inneren des Bauteils an der Bewehrung durch punktuelle Zerstörung. Sie können deshalb zu dem Zeitpunkt an dem sie erkannt werden, bereits zur schweren Beeinträchtigung der Standsicherheit geführt haben.
[Bearbeiten] Risse
In dem inhomogenen Komponentenbaustoff Beton existieren schon von der Herstellung an feine Risse, die u.a. aus der Kontraktion des Zementsteins bei Abgabe von Überschusswasser herrühren. Diese feinen, in den ersten Stunden der Erhärtung entstehenden Risse, sind kaum erkennbar, und kein Mangel oder gar Schaden. Thermische oder mechanische Spannungen im Bauteil können aber an diesen Mikrorissen ansetzen und sie zu Makrorissen vergrößern. Da es im Verbundbaustoff Stahlbeton eine gewisse Dehnung braucht, bis die zur Aufnahme von Zugspannungen eingebaute Bewehrung in der Lage ist diese Spannungen alleine aufzunehmen, sind Risse aus lastbedingter Verformung nicht völlig zu vermeiden. Bei der statischen Berechnung von Stahlbetonbauteilen wird vorausgesetzt, dass im so genannten Zustand II der Beton in der Zugzone gerissen ist. Man spricht deshalb bei Stahlbeton scherzhaft auch von einer „gerissenen Bauweise“.
Zur Sicherstellung einer ausreichenden Gebrauchstauglichkeit und Dauerhaftigkeit einer Konstruktion, ist es aber erforderlich, durch Wahl entsprechender Beton- und Stahlquerschnittsflächen, sowie durch richtige Verteilung der Bewehrung die Risse auf ein unschädliches Maß zu begrenzen, so dass unter normaler atmosphärischer Belastung keine Korrosionsgefahr für die Bewehrung besteht. Risse stellen also in der Regel keinen technischen Mangel dar, sofern ihre Breite unter 0,3 mm bleibt. Bei größeren Rissbreiten bilden sie aber Eingangstore für Wasser und Sauerstoff, evtl. auch für eindringende aggressive Stoffe, und gefährden den Korrosionsschutz der Betonstähle.
Bei der Beurteilung eines Risses ist zu unterscheiden zwischen reinen Oberflächenrissen, welche keine konstruktive Gefährdung des Bauteils darstellen, aber häufig den nur durch eine intakte Betondeckung gewährleisteten Korrosionsschutz der Bewehrung gefährden, und trennenden Rissen, die durch einen größeren Teil des Bauwerks hindurch gehen, und die für die Standsicherheit erforderliche Übertragung der Kräfte gefährden.
Bei Bauteilen, die außer einer konstruktiven auch noch eine abdichtende Funktion haben, wie Schwimmbecken, Trinkwasserbehälter, oder Bauwerke im Grundwasser (weiße Wannen), ist es nicht immer erforderlich, dass ein Riss durch die ganze Wandstärke hindurch geht. Für das Auftreten von Undichtigkeiten kann es bei dünne Bauteilen unter ungünstigen Umständen ausreichen, dass ein Riss bis zur Bewehrung reicht, da die Flüssigkeit sich dann einen Weg entlang der um die Stähle meist vorhandenen Störstellen im kompakten Betongefüge sucht, und irgendwo - oft ein ganzes Stück von der Eindringstelle entfernt - wieder austreten kann.
[Bearbeiten] Siehe auch:
[Bearbeiten] Literatur
- G.Ruffert: Lexikon der Betoninstandsetzung. Fraunhofer-IRB Verlag, Stuttgart 1999, ISBN 3-8167-4710-8
