Systematische Betoninstandsetzung

Stahlbeton als bewährter Verbundbaustoff ist aus dem Ingenieurbau sowie der Architektur der heutigen Zeit nicht mehr wegzudenken und wird unter anderem durch die regelmäßige Vergabe des Architekturpreises Beton in Deutschland unterstrichen. Als im 19. Jahrhundert der Gärtner und Erfinder Joseph Monier (*1823 †1906) ein Patent anmeldete, wonach er Blumentöpfe aus Zement herstellte und sie mit Einlagen aus Drähten verstärkte, konnte er noch nicht wissen, dass diese neue Materialkombination alles bisherige nachhaltig verändern würde. Aus baugeschichtlicher Erfahrung wusste man bereits damals schon, dass Beton eine viel höhere Druckfestigkeit als Zugfestigkeit besitzt. Durch die Stahleinlagen hatte man nun erstmals einen Weg gefunden, den Beton auch Zugspannungen aufnehmen zu lassen.

Aufgrund der Erfindung des Stahlbetons nahm man zum damaligen Zeitpunkt an, einen Verbundbaustoff entwickelt zu haben, der scheinbar für die Ewigkeit geschaffen war. Er konnte in beliebigen Formen hergestellt werden und hielt somit schnell Einzug in die Architektur und Baukonstruktion. Beton als gestalterisches Mittel wurde somit zur gängigen Baupraxis. Ebenso setzte sich dieser neue Baustoff im Mehrgeschossbau durch und galt schnell als eine Alternative zum Stahlskelettbau. In vielen statisch relevanten Bereichen löste der Beton andere Baustoffe ab.

Ausschlaggebend für die harmonische Materialkombination zwischen Stahl und Beton, sind in erster Linie deren nahe beieinander liegenden Ausdehnungskoeffizienten. Eine weitere positive und ausschlaggebende Eigenschaft ist der Korrosionsschutz des Stahls infolge des alkalischen Milieus im Beton. D. h. bei dem vorherrschenden pH-Wert von > 12,5 wird eine schützende Passivschicht auf dem Stahl ausgebildet. Wenn diese Passivschicht auf lange Sicht > pH 10 bleibt, verhindert sie die Korrosion des Betonsstahls bei Einwirkung von Sauerstoff und in Gegenwart von Feuchtigkeit.

Nachdem im Laufe der Zeit die ersten Abplatzungen, Risse, Rostfahnen, etc. am Stahlbeton auftraten, erkannte man, dass neben der Bemessung des Bauteils die Art der Ausführung wie z. B. die Betondeckung und Betondichtigkeit wichtige Parameter sind. Die aufgetretenen Schäden sind weitestgehend dem chemischen Vorgang der Karbonatisierung zuzuschreiben. Hierbei versteht man unter dem Begriff der Karbonatisierung die chemische Reaktion von alkalischen Bestandteilen des Zementes (Calciumhydroxid) mit dem Kohlenstoffdioxid der Luft zu Karbonaten.

Ca(OH)₂ + CO₂ + H₂O --> CaCO₃ + 2 H₂O

Dieser chemische Vorgang spielt sich von der Betonaußenfläche nach innen hin ab. Gerade bei frei bewitterten Flächen gelangen Feuchtigkeit und Kohlenstoffdioxid in ausreichender Menge an die Bauteile, so dass hier mit einem schnellen Fortschreiten der Karbonatisierung bei schlechter Betonqualität zu rechnen ist. Im Gegensatz hierzu kommt ein entsprechender Vorgang im Unterwasserbereich bzw. bei Umgebungen mit niedrigster relativer Luftfeuchte annähernd zum Stillstand. Im Zuge der Karbonatisierung  fällt der pH-Wert im Beton unter 10 und der Korrosionsschutz der Bewehrung geht verloren. Zur Beurteilung, in wie weit der Beton karbonatisiert ist, wird eine 1 %ige alkoholische Phenolphthalein-Indikator-Lösung auf eine frische Bruchfläche des Betons gesprüht. In Abhängigkeit des vorliegenden pH-Wertes verfärbt sich die entsprechende Prüffläche entweder rosa (pH-Wert > 9) oder bleibt farblos (pH-Wert < 9).

Sollte die Karbonatisierung bis zur Bewehrung fortschreiten, findet die Bildung von Eisenoxiden (Rosten der Bewehrung) statt. Eisenoxid hat ein größeres Volumen als der reine Stahl und ruft Abplatzungen hervor. Diese Treibwirkung macht sich am ehesten bei geringer Betondeckung bemerkbar. Beispielhaft sind die zahlreichen geschädigten Bauwerke aus den 1970er Jahren, an denen die Bewehrungsmatten freiliegen und sichtbar sind. Während der Schaden zunächst ein optisches Problem darstellt, beeinträchtigt die Abtragung der Bewehrung nach einiger Zeit die Standsicherheit des Bauteils. Die Karbonatisierung hat keine negativen Auswirkungen auf die physikalischen Eigenschaften wie Festigkeit und Dichte des Betons. Im Gegenteil, es wird sogar lokal eine Zunahme der Festigkeit festgestellt. Momentan werden die Beanspruchungen der Umgebungsbedingungen von Betonbauteilen durch die DIN EN 206-1 in Expositionsklassen eingeteilt. Aufgrund von vorgeschriebenen Grenzwerten und Eigenschaften der Betone wird die Bewehrungskorrosion durch Karbonatisierung bei fachgerechter Ausführung (Dicke der Betondeckung) verhindert. D.h. die entsprechende Betondeckung wird hier größer gewählt als die zu erwartende Karbonatisierungtiefe, so dass die Bewehrung während der geplanten Standzeit sicher geschützt ist.

Während in der Vergangenheit noch meist „für die Ewigkeit“ gebaut wurde, weiß man heute, dass nach einer bestimmten Standzeit bzw. Nutzungsdauer Instandsetzungsmaßnahmen anstehen. Somit obliegt es dem Planer, die späteren Instandsetzungskosten durch Auswahl der richtigen Betonrezepturen, inklusive der Überwachung der Ausführung auf ein Minimum zu reduzieren. Da dies in der Vergangenheit nicht immer gelang bzw. nicht bewusst verfolgt wurde, ist es nicht verwunderlich, dass heutzutage vermehrt Arbeiten im Bereich der Instandsetzung ausgeführt werden müssen, um Bauwerke der vergangenen Tage weiterhin nutzen zu können. Dies bedeutet einen nicht unerheblichen Aufwand und stellt nur dann einen langfristigen Nutzen dar, wenn die Aufwendungen qualifiziert durchgeführt werden. Um den Anforderungen gerecht zu werden, sind die einschlägigen Regelwerke grundlegend zu beachten. Hierzu zählt in erster Linie die DAfStb-Richtlinie „Schutz und Instandsetzung von Betonbaueilen“, die einen verbindlichen Charakter aufweist, seitdem sie in die Landesbauordnungen eingeführt wurde. Für Bauwerke, die in den Geltungsbereich des Bundesministeriums für Verkehr fallen, findet die ZTV-ING mit entsprechenden Produkten aus der BAST-Liste Anwendung. Folglich sind die fachkundigen Verarbeiter angehalten, Qualitätsprodukte, wie zum Beispiel das Betonersatzsystem der Sopro Bauchemie, zu verwenden. Das Sopro Repadur System entspricht allen Vorschriften und Qualitäts- und Güteanforderung der vorgenannten Merkblättern, Normen und Vorschriften und ist darüber hinaus auch aufgrund ihrer durch das Wiesbadener Unternehmen entwickelten speziellen hochwertigen Mörtelrezeptur auch für befahrbare Flächen geeignet. Daneben spielt die ATV DIN 18349 „Betonerhaltungsarbeiten“ eine wichtige Rolle, die allgemein bei der Sanierung von schadhaften Betonbauwerken (wie z. B. Risssanierung weißer Wannen) Anwendung findet.

Durch die genannten Regelwerke werden Anforderungen an Planer und Ausführende gestellt, um einen Qualitätsstandard sicherzustellen. Hierbei ist die Planung der Maßnahme durch einen sachkundigen Planer durchzuführen. Um sich folglich entsprechende Fach- und Sachkenntnisse aneignen zu können, sind neben der notwendigen Praxiserfahrung Besuche von einschlägigen Fortbildungen erforderlich. Die Sopro Bauchemie bietet dazu im Rahmen ihrer „Sopro Akademie“ entsprechende Fachseminare an und unterstützt damit sowohl die Qualifikation der mit der Planung als auch mit der praktischen Durchführung von Betoninstandsetzungsmaßnahmen betrauten Fachleute.

Seitens des Auftragnehmers muss auf der Baustelle ständig ein Mitarbeiter anwesend sein, der einen sogenannten SIVV-Schein nachweisen kann. Dies wird von der Instandsetzungsrichtlinie gefordert, so dass entsprechend Mitarbeiter des ausführenden Unternehmen den Lehrgang „Schützen, Instandsetzen, Verbinden und Verstärken von Betonbauteilen“ (kurz: SIVV) besuchen müssen. Eine Auffrischung der Kenntnisse wird mindestens alle 3 Jahre vorgeschrieben, um entsprechende Baustellen ausführen zu können.

Die Instandsetzung eines Betonbauteils ist eine in der Planung sowie Durchführung komplexe Aufgabe, die höchste Anforderungen an alle Beteiligten stellt. Im Laufe der Planung wird das Instandsetzungskonzept nach der Feststellung des Ist- und Sollzustands festgelegt.

Um ein wirtschaftlich sinnvolles Konzept erarbeiten zu können, müssen zuvor umfangreiche Untersuchungen am Bauwerk durchgeführt werden. Wichtige Parameter sind hierbei die vorhandene Betondeckung, Betondruckfestigkeit, Abrostungsgrad der Bewehrung, Oberflächenzugfestigkeiten, Fortschritt der Karbonatisierung, Beurteilung der Standsicherheit, um die wesentlichen Punkte zu nennen. Gerade im Hinblick auf die baustofflichen Kennwerte wie z. B. die Oberflächenzugfestigkeiten von Betonuntergründen stehen die Bauspezialisten der Sopro Bauchemie unterstützend zur Verfügung. Um in allen Punkten eine verlässliche Aussage zu treffen, sind ggf. zusätzlich Spezialisten im Bereich Bauphysik, Bauchemie oder Statik einzubeziehen. Schlussendlich muss sich der Planer für ein Instandsetzungsprinzip nach der Instandsetzungsrichtlinie entscheiden:

n Korrosionsschutz durch Wiederherstellung des alkalischen Milieus (Instandsetzungsprinzip R)

n Korrosionsschutz durch Begrenzung des Wassergehaltes im Beton (Instandsetzungsprinzip W)

n Korrosionsschutz durch Beschichtung der Bewehrung
 (Instandsetzungsprinzip C)

n Kathodischer Korrosionsschutz (Instandsetzungsprinzip K)

Hierbei ist zu beachten, dass die Kombination von Grundsatzlösungen möglich ist, aber mindestens ein Instandsetzungsprinzip vollständig befolgt werden muss. Im Folgenden werden die Arbeitsschritte des Instandsetzungsprinzips R beispielhaft beschrieben.

Zunächst müssen durch den Planer die schadhaften Stellen am Betonbauteil aufgesucht, markiert und ggf. freigelegt werden. Nur unter diesen Gesichtspunkten kann ein qualifiziertes Leistungsverzeichnis erstellt werden, das Grundlage für einen seriösen Bieterkreis ist. Die Bau- und Objektberater der Sopro Bauchemie bieten hier entsprechende, substanzielle Unterstützung hinsichtlich der Erstellung von Ausschreibungen und Produktempfehlungen und bieten darüber hinaus auch qualifizierte Hilfe bei der Beurteilung und Analyse der Situation vor Ort am Instandsetzungsobjekt. Vom Auftragnehmer ist wiederum zu erwarten, dass die planerischen Vorgaben kritisch überprüft werden, bevor mit den konkreten Maßnahmen begonnen wird.

Aus dem Leistungsverzeichnis muss genau ersichtlich sein, an welchen Stellen konkrete Maßnahmen auszuführen sind, d. h. karbonatisierter Beton vorliegt, der bis zum „gesunden“ Beton entfernt werden muss. Gerade im Hinblick auf den u. U. korrodierten Stahl, ist dieser mindestens 20 mm tief im nicht korrodierten Bereich freizulegen. Generell ist bei diesen Arbeiten darauf zu achten, dass sich im schadfreien Beton keine Risse durch Stemm- oder Strahlarbeiten bilden, d. h. der Verbund zwischen Stahl und Beton im „gesunden“ Bereich nicht beeinträchtigt wird. Die Bruchufer zur bestehenden „gesunden“ Betonsubstanz sind immer mit einem Winkel unter etwa 45° auszubilden. Ob der karbonatisierte Beton restlos entfernt wurde, kann während der Arbeiten durch das Aufbringen einer Phenolphthalein-Lösung überprüft werden. Dieses Verfahren wird ebenfalls zur Beurteilung der Bausubstanz (Prüfung der Karbonatisierungstiefe) während der Planungsphase in Kombination mit der Entnahme von Bohrkernen angewandt.
Auch im Hinblick auf das spätere Einbringen des Betonersatzsystems sind Prüfungen bzgl. der Oberflächenzugfestigkeit erforderlich. Hierbei muss der Mittelwert mindestens 1,5 N/mm² aufweisen, während der kleinste Einzelwert minimal 1,0 N/mm² betragen muss.

Zum Entrosten des Stahls eignet sich am besten das Strahlen mit festen Strahlmitteln. Nur so können auch schwer zugängliche Stellen bearbeitet werden. Eine mechanische Entrostung von Hand ergibt in den meisten Fällen ein unbefriedigendes Ergebnis und ist somit auch nicht zulässig. Der Oberflächenvorbereitungsgrad der Bewehrung muss dem Reinheitsgrad SA 2 1/2 (metallisch blank) nach DIN EN ISO 12944-4 entsprechen. Sollte der Stahl bereits soweit korrodiert sein, dass er seine Aufgaben im Sinne der Lastabtragung nicht mehr erfüllen kann, muss dieser nach dem jeweils individuellen Instandsetzungskonzept ggf. ausgetauscht werden.

Bevor der nächste Arbeitsschritt hinsichtlich des Betonersatzes durchgeführt werden kann, sind die vorbereiteten Flächen schon ca. 24 h zuvor mit Wasser vorzunässen. Danach wird auf den vorbereiteten Stabstahl ein mineralischer Korrosionsschutz in zwei Schichten (z. B. Sopro Repadur KS) aufgebracht. In diesem Zusammenhang ist es wichtig, den Korrosionsschutz der Bewehrung möglichst früh nach Beendigung der Strahlarbeiten zweimalig aufzutragen. Nach der Trocknung des Korrosionsschutzes wird der kunststoff-modifizierte Zementmörtel Polymer Cement Concrete (z. B. Sopro Repadur 50) in Verbindung mit der Haftbrücke (z. B. Sopro Repadur MH) „frisch in frisch“ auf den vorgenässten Beton eingebracht. Ein Vornässen ist notwendig, da ansonsten die Gefahr besteht, dass dem frischen Betonersatzmörtel in der Kontaktzone Wasser entzogen wird und kein optimaler Haftverbund ausgebildet werden kann. Bei dem Aufbringen der Haftbrücke auf den matt vorgefeuchteten Beton ist darauf zu achten, dass diese intensiv in den Betonuntergrund eingebürstet wird. Der PCC-Mörtel ist grundsätzlich maschinell unter Einhaltung der Reifezeit anzurühren, damit die ausgelobten Eigenschaften sichergestellt werden. Die Konsistenz des Mörtels sollte nicht zu steif gewählt werden, damit infolge der besseren Verarbeitbarkeit ein dichtes Mörtelgefüge und somit ein hoher Karbonatisierungswiderstand erreicht wird. Gerade bei den Arbeiten im Überkopfbereich oder an schlecht erreichbaren Stellen sind die richtige Konsistenz und Applikation des Betonersatzmörtels entscheidend. Hierzu bietet die Sopro Bauchemie mit ihren erfahrenen Handwerksmeistern entsprechende Einarbeitungen vor Ort auf der Baustelle an.
Damit der Betonersatz den gewünschten Haftverbund und entsprechende Festigkeit ausbilden kann, sind Nachbehandlungsmaßnahmen zu ergreifen. Hierbei können Folien oder auch feuchte Jutesäcke zum Einsatz kommen. Flüssig zu applizierende Nachbehandlungsmittel sollten nur dann verwendet werden, wenn im Anschluss kein Oberflächenschutzsystem (Beschichtung) geplant ist, da ansonsten der Haftverbund der späteren Schichten leiden kann. Die Erfahrungen und Ergebnisse zahlloser erfolgreich durchgeführter Betoninstandsetzungsmaßnahmen werden von den Spezialisten der Sopro Bauchemie ständig dokumentiert analysiert und nachgehalten. Die daraus gewonnenen Erkenntnisse werden nachhaltig zur Weiterentwicklung von praxistauglichen Baustoffsystemen verwendet. Denn nur dadurch kann der notwendige Qualitätsstandard auf der Baustelle erfolgreich angewendet werden und sich die Baustoffforschung der Sopro fortwährend dem sich immer schneller weiter entwickelndem Stand der Technik stellen und die dazu notwendigen Produkte und Technologien pro aktiv mit entwickeln.n