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Betoninstandsetzung

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Stand- und nutzungssichere Betonbauwerke

Erhaltung der Dauerhaftigkeit bestehender Betonbauteile

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Die Tragfähigkeit von Stahlbetonbauteilen wird im Wesentlichen durch die Verbundwirkung zwischen dem ausgehärtetem Betonstein und der eingelegten Stahlbewehrung („Eisen“) in Form von Stangen, Bügeln oder Matten bestimmt. Das Zusammenwirken von Stahl und Beton kann durch verschiedene Einflüsse gestört oder unterbunden werden. Mit einer Betoninstandsetzung können Stahlbetonbauwerke und deren Tragkonstruktion erhalten und ertüchtigt werden.

Welche Bauwerke sind typischerweise von Betonschäden betroffen?

  • Infrastrukturbauwerke, insbesondere Brücken sowie Tiefgaragen und Parkhäuser
  • Industriegebäude und öffentliche Bauwerke
  • Mehrfamilienobjekte, Wohnanlagen, Balkone

 

Welche Faktoren können Schäden an Betonbauteilen begünstigen?

Schäden an Betonbauwerken können meist durch folgende Vorgänge verursacht werden:

Planung:
Bereits in der Planungsphase können verschiedene Einflüsse die Entstehung von Betonschäden begünstigen. Diese können sein:

  • Falsche Expositionsklasse
  • Falsche statische Modelle
  • Falsche Betondruckfestigkeit, Belastung falsch gewählt, Dauerhaftigkeitskriterien nicht erfüllt
  • Falsche Bewehrungswahl, Entmischung des Betons, wenn Gestein im Beton größer ist als der Abstand der Eisen
  • Geringe Betondeckung
  • Schalungsdrücke und Abstand der Schalungsanker falsch berechnet
  • Eigenspannung des Betons durch den Abbindevorgang nicht ausreichend berücksichtigt

Eigenschaften des Betons:
In die immer vorhandenen Poren im Beton dringen Luft, Wasser und aggressive Medien. Die Formänderung des Betons unter Belastung und ohne einen Lasteinfluss führen zu Schäden in der Homogenität des Betons oder haben Einfluss auf das gesamte Tragwerk (Risse an der Oberfläche durch Zwängungen im Bauteil, Umlagerung von Belastungssituationen in der Tragstruktur des Bauwerks).

Einbau:
Fehler beim „Reinfallen“ des Betons in die Schalung und durch die falsche Verdichtung führt zur ungleichmäßigen Ausbildung des Betons um die Eisen.

Nutzung:
Beton weist immer Risse auf. Erstens durch das Eigengewicht und zweitens wesentlich durch die hinzukommenden Nutzlasten. Kommt es hier zu einer Überbelastung durch Umbauten, höhere Nutzlasten oder nicht beabsichtigte Verformungen, werden die Risse am Beton größer als zulässig. Diese größeren Risse ermöglichen dann verstärkt den Zutritt aggressiver Medien. Weitere Einflussgrößen können Frost, Feuchte, Temperaturwechsel (durch Brand oder klimatisch) sowie vagabundierende Ströme sein.

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Welche Mängel an Betonbauwerken erfordern eine Handlung?

Typische beobachtbare Effekte und Zustände an Betonbauten sind:

  • Geringe Betonüberdeckung
  • Carbonatisierung mit ausgebildeter Carbonatisierungsfront durch verschmutzte Luft
  • Volumenvergrößerung der Bewehrung infolge der Carbonatisierung
  • Lochfraßkorrosion des Betonstahls (besonders gefährlich, da eine Vorankündigung nicht erkennbar) mit Auflösung der Bewehrung durch z. B. Eintrag von Tausalzen
  • Betonkorrosion durch die so genannte Alkali-Kieselsäure-Reaktion bei Stellplätzen von Parkhäusern im Spritzwasserbereich, jedoch ebenfalls bei landwirtschaftlichen Objekten (z. B. Futtertische und Güllebehälter) zu finden

Welche Folgen kann eine geringe Betondeckung nach sich ziehen?

Die Ursache für eine zu geringe Betondeckung kann eine mangelnde Sicherung der Bewehrung beim Einbau des Betons sein, z. B. ausgelöst durch alte Vorschriften oder eine fehlerhafte Planung des beauftragten Baustatikers. So genannte „Expositionsklassen“ (Beanspruchungsklassen gegenüber äußeren Einwirkungen) haben erst mit Einführung der neueren Normung Anwendung gefunden.

Die Folge ist eine Einschränkung der Lebenszeit des Bauteils. Im Fachjargon wird hier von der „Dauerhaftigkeit“ gesprochen. Diese Minderung der Dauerhaftigkeit schränkt damit auch die Tragfähigkeit des betroffenen Bauteils oder sogar des gesamten Baukonstruktion ein.

Da tendenziell immer schlankere Bauteilquerschnitte im Betonbau eingefordert werden, zeigen sich die Folgen eingeschlichener Baumängel nicht erst nach 30 Jahren. Durch teils rechnerisch resultierende hohe Stahlmengen im Beton kommt der ausreichenden Betondeckung eine außerordentlich hohe Bedeutung zu.

Rost – Was ist der Unterschied zwischen Carbonatisierung und Lochfraßkorrosion?

Die Carbonatisierung beschreibt den Abbau der Alkalität im Zementstein (umhüllende Matrix des Zuschlages im Beton). Ursächlich hierfür ist das Kohlendioxid aus der Umgebungsluft. Das Kohlendioxid dringt in den Beton ein und reagiert dort mit dem Zement in den Poren des Betons. Der pH-Wert des Betons sinkt dabei. Die vor Korrosion schützende Passivschicht auf dem Betonstahl wird damit zerstört. Unter dem Einfluss von feuchter Umgebungsluft bzw. Feuchte und Sauerstoff korrodiert dann das eingebrachte Eisen. Dabei wird auch der Querschnitt des betroffenen Betonstahls geschwächt. Durch die Volumenzunahme resultieren Spannungen, die Risse im Beton hervorrufen. Der eingeleitete Zerstörungsprozess wird also noch beschleunigt. Geringste Mengen Kohlendioxid in der Luft reichen hierzu bereits aus.

Bei der Lochfraßkorrosion kommt es zum Eintrag von Chloriden (beispielhaft Tausalz in Tiefgaragen) in den Beton. Der Stahl wird durch das Chlorid in Verbindung mit Sauerstoff und Wasser in der Regel lokal angegriffen. Wichtige Einflussgrößen sind hier das Feuchteangebot und der Massenanteil an Chlorid, welcher im Randbereich der Bauteile vorhanden ist.

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Welche Prüfmethoden werden üblicherweise angewendet?

Einen guten Anhalt, ob eine Instandhaltung erforderlich wird, bieten immer die oberflächennahen Prüfmethoden. Überprüft werden im Allgemeinen:

Dichtigkeit: Die Saugfähigkeit der Betonoberfläche wird durch Benetzen mit Wasser überprüft.

Feuchtegehalt: Hier spielt die Thermografie eine wichtige Rolle: Mit einer Wärmebildkamera werden Wärmebrücken sichtbar: Feuchte Bauteile leiten besser die Wärme als trockene Bauteile.

Oberflächenfestigkeit: Geprüft werden die Druckfestigkeit und die Oberflächenhaftzugfestigkeit zur Feststellung der Haftungsstärke von Schutzsystemen, die auf dem Beton angebracht werden, um diesen zu schützen.

Carbonatisierungstiefe: Mit einem „Stemmhammer“ wird eine Bruchfläche hergestellt. Die Bruchfläche wird dann auf den vorliegenden pH-Wert geprüft. Als Indikator wir eine Lösung mit 70 Vol.-% Alkohol eingesetzt (Phenolphthalein-Lösung). Ist der Beton noch alkalisch, so bleibt er lilafarben und die Bewehrung ist geschützt. Ist der Beton hingegen sauer, so bleibt er farblos und die Bewehrung ist nicht mehr geschützt.

Lage der Bewehrung und Betondeckung: Da der Lage der Bewehrung auch für etwaige Instandsetzungsempfehlungen und Arbeiten eine hohe Bedeutung zukommt, gibt es hier unzählige Verfahren. Die einfachste und mit dem geringsten finanziellen Aufwand verknüpfte Methode ist das zerstörungsfreie Verfahren mit magnetischem Gleichfeld (bspw. FerroScan HILTI oder Profometer 5). Die grobe Abschätzung zur querschnittlichen Betondeckung bei ausreichend großem Prüfareal ist so möglich.

Chloridgehalt: Das Eindringen von Chlorid-Ionen wird unter Anwendung von Bohrmehlproben ermöglicht. Diese werden aus dem Bauteil mittels Betonbohrer entnommen. Der Massenanteil an Chlorid bezogen auf einem angenommenen Zementgehalt von 320 kg/m3 im Betonmehl ergibt dann ein Massenverhältnis, welches nicht oberhalb von 0,4 M.-% liegen sollte. Werte oberhalb dessen deuten auf eine Korrosionsgefahr für die Bewehrung hin. Bei Spannbetontragwerken sind dies sogar 0,2 M.-%.

Potentialfeldmessung: Die Prüfung wird flächendeckend und zerstörungsfrei mittels einer Bezugselektrode am Objekt durchgeführt.  Das Potential ist die elektrische Spannung, die zwischen dem Stahl und dem Kupfer der Bezugselektrode gemessen wird. Es erfolgt eine statistische Auswertung der Messergebnisse, mit der die Korrosionswahrscheinlichkeit kritischer Bereiche eines Bauteiles eingegrenzt werden können. Die Vorteile dieses Prüfverfahrens: Eine Messung kann einfach, schnell und kostengünstig erfolgen.

Von den genannten Prüfmethoden liefern die Indikatoren zur Betondeckung, Chloridgehalt und Carbonatisierungstiefe wesentliche Angaben, um den Zustand des Betonbauwerkes zu ermitteln.

 

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