Forschungsbericht 2017

Maßnahmen gegen Betonschäden

Betonschäden bei unterirdischen Bauwerken

Betonbauteile bei Tiefbauwerken unterliegen besonderen Rahmenbedingungen, durch welche Sonderformen von Schäden auftreten können. Vor allem bei Spritzbetonbauteilen sind häufig sogenannte „Thaumasitschäden“ feststellbar, welche durch die Bildung von ettringitähnlichem Thaumasit zustande kommen.

Diese Art der Schädigung tritt bei Umgebungstemperaturen von ca. 7°C und bei einer hohen relativen Luftfeuchtigkeit, sowie bei erhöhten CO2- und Sulfatkonzentrationen auf. Vor allem unterirdische oberflächennahe Bauwerke, wie zum Beispiel Zugangs- und Kontrollgänge von Wasserkraftanlagen, zeigen somit ideale Bedingungen für diese Art der Schädigung. Im Rahmen von durchgeführten Zustandserhebungen an solchen Bauwerken konnten mehrere Schädigungen festgestellt werden, die durch die beschriebenen Umgebungsbedingungen einem Thaumasitschaden zugeordnet wurden, jedoch aufgrund des für diese Art der Schädigung nicht gänzlich typischen Schadensbildes im Detail untersucht wurden. Der typische Thaumasitschaden ist durch eine Auflösung der Zementsteinmatrix charakterisiert, die festgestellten Schäden zeigen sich hingegen teilweise in Form von Abplatzungen fester Betonschollen.

Optisch stellt sich das Schadensbild wie folgt dar: (A) Abplatzungen in einer Betontiefe von ca. 3 - 5 cm in der Größenordnung von 20 - 150 cm im Durchmesser (Abb. 1 und 2), (B) parallel zur Oberfläche gerissene Gesteinskörnungen (Abb. 3)  und (C) teilweise gelbliche Verfärbungen in der Bruchfläche (Abb. 2).

Weiters zeigen sich in den Schädigungsbereichen teilweise sehr geringe Sulfatbelastungen im angrenzenden Festgestein bzw. Bergwasser. Festzustellen ist auch, dass diese Art der Schädigung bei unterschiedlichen Bauteilen (z.B.: Spritzbetonschalen, Innenschalen, Entwässerungsrinnen aus Fertigbauteilen), in einem Alter von 25 bis 60 Jahren auftreten (Abb. 4-6).

Trotz Einbeziehung diverser anerkannter Fachexperten und auf diese Art der Schädigung spezialisierter Analyselabors aus Österreich, der Schweiz und Deutschland konnte die Schädigungsursache bisher nicht eindeutig geklärt werden. Die Expertisen der Fachexperten und der Analyselabors zeigen teilweise sehr widersprüchliche Ergebnisse. Die Ursachenvermutung reicht dabei von der angeführten Schädigung durch Thaumasit, bis hin zur Schädigung durch die sekundäre Bildung vom Calcium-Aluminium-Carbonathydratphasen bzw. durch sekundär gebildete Säume aus Calcit bzw. Calciumsilikathydrat und Kalium (Abb. 7).

Nach dem derzeitigen Kenntnisstand erscheint auch bei geringen Sulfatbelastungen eine Schädigung durch Thaumasit möglich, hervorgerufen durch eine über Jahre stattfindende Aufkonzentration von Sulfat. Bei Spritzbeton kann dies, infolge seiner hohen Porosität, als 

wahrscheinlich angesehen werden. Bei Fertigteilen und vor allem bei teilweise massiven Ortbetonelementen mit einer Stärke von bis zu eineinhalb Meter ist dies aufgrund der üblicherweise vorherrschenden geringen Porosität und damit verbundenen hohen Dichtheit des Betons schwer vorstellbar. Weiters erscheinen die gerissenen Gesteinskörnungen nicht einer Thaumasitschädigung zuordenbar.

Die derzeitigen Erkenntnisse sind für eine Endaussage soweit noch nicht ausreichend. Weitere Erkenntnisse sollen vor allem durch ein in mehrere Bauwerke installiertes Monitoring System, durch geplante weitere Zustandserhebungen und bereits durchgeführte Versuche mit veränderten Umgebungsbedingungen (z.B. Belüftungsmaßnahmen, Veränderung der Umgebungstemperatur) gewonnen werden.

Ein Erfahrungsaustausch von Experten zu diesem Thema ist geplant. Weitere Informationen dazu finden Sie unter: www.wassertirol.at.

Abb.1: Abplatzungen –  in einer Tiefe von 3 - 5 cm Tiefe
Abb.1: Abplatzungen – in einer Tiefe von 3 - 5 cm Tiefe
Abb.2: Abplatzungen –  Größe Ø 20 - 150 cm
Abb.2: Abplatzungen – Größe Ø 20 - 150 cm
Abb.3: Gerissene Gesteinskörnung
Abb.3: Gerissene Gesteinskörnung
Abb.4: Spritzbetonschale
Abb.4: Spritzbetonschale
Abb.5: Innenschale
Abb.5: Innenschale
Abb.6: Entwässerungssrinne
Abb.6: Entwässerungssrinne
Abb.7: Sekundär gebildete Säume  aus Calcit und Calciumsilikathydrat
Abb.7: Sekundär gebildete Säume aus Calcit und Calciumsilikathydrat

Weitere Projekte

1.) SuREmMa – Sustainable Rivermanagement – Energiewirtschaftliche und umweltrelevante Bewertung möglicher schwalldämpfender Maßnahmen; Kooperationsprojekt innerhalb des österreichischen K1 Zentrums „alpS – Centre for Climate Change Adaptation“. 
2.) FIDET - Fischdetektion und Fischverhalten: Hydroakustische Untersuchungen zur Präsenz und zum Verhalten von Fischen im Einzugsbereich und am Rechen von Kraftwerksanlagen; Kooperationsprojekt – Lead: TIWAG; Partner: LFV Hydroakustik GmbH - Münster, Technische Universität Tallin.
3.) Verschleißverhalten von Laufrädern; Partner: Voith, Geppert.
4.) HTL-Dichtungsprüfstand zur Prüfung hydraulischer Prototypen; HTL-Innsbruck.