Instandsetzung von Stahlbeton

Grundzüge der Vorgehensweise

Die Instandsetzung geschädigter Stahlbe­tonbauteile erfordert eine systematische Vor­­ge­hensweise. Zunächst wird der Ist-Zustand erfasst und dokumentiert. Auf dieser Grundlage kann eine Beurteilung der Scha­densursachen erfolgen. Es stehen dann mehrere Instandsetzungsprinzipien zur Verfügung, die auf die im Einzelfall vorliegenden Schadensursachen abgestimmt werden müssen. Aus einer zumindest in den Grundzügen einheitlichen Vorgehensweise resultieren somit individuelle Lösungen.

Sachverhalt

Stahlbetonbauteile, die der Witterung ausgesetzt sind, bieten Eigentümern, Architekten, Ingenieuren und Rechtsanwälten ein reichhaltiges Betätigungsfeld. Wenn Schäden auftreten, müssen deren Umfang untersucht und die Ursachen bewertet werden. Die Verantwortlichkeit für die Schäden muss geklärt werden. Und schließlich muss festgelegt werden, wie die Schäden unter Berücksichtigung der vorhandenen und noch zu erwartenden Nutzung des Bauwerks instandgesetzt werden können.

Bei der Beurteilung von Schäden und der Planung und Ausführung von Instandsetzungsmaßnahmen herrscht unter den Beteiligten vielfach Uneinigkeit über die erforderliche Vorgehensweise. Aus diesem Grund werden in diesem Beitrag anhand von Beispielen die wesentlichen Grundzüge einer Betoninstandsetzung erläutert.

Feststellungen

Am Beginn einer jeden Betoninstandsetzung steht die Ermittlung des Ist-Zustands. Die erforderlichen Untersuchungen sind stets auf den Einzelfall abzustimmen. Meist ist jedoch zunächst die folgende Vorgehensweise zweckmäßig:

– Visuelle Untersuchung und Erstellung einer Schadenskartierung

– Prüfung der Betondeckung der Bewehrung und bei Erfordernis des Zustands der Bewehrung

– Ermittlung der Karbonatisierungstiefe im Beton

– Bestimmung des Chloridgehalts des Betons (vorwiegend bei Parkdecks)

Im Rahmen der visuellen Untersuchung werden alle sichtbaren Schadensbilder erfasst und zweckmäßigerweise in einem Grundriss, einer Ansicht oder sonstigen Skizzen kartiert. Von Interesse sind insbesondere die folgenden Schadensbilder:

– Risse: Sie sind bei Stahlbetonbauwer­ken nicht vollständig vermeidbar. Allerdings dürfen sie die Funktio­nalität, Gebrauchstauglichkeit und Dauerhaftigkeit des Bauwerks nicht beeinträchtigen. Als beeinträchtigend gelten z. B. wasserführende Trennrisse (Bild 1), aber auch oberflächennahe Risse (Bild 2), die den Eintrag von Kohlendioxid oder Chloriden in den Beton begünstigen.

– Hohlstellen und Abplatzungen: Sie können z. B. durch Frostbeanspruchung, alkalilösliche Kieselsäure oder Korrosion der Bewehrungsstähle entstehen.

– Feuchteschäden: Sie finden sich z.B. bei Parkdecks vielfach in Bereichen mit fehlendem oder gegengerichtetem Gefälle (Bild 3). In diesem Zusammenhang sollte auch darauf geachtet werden, an welchen Stellen sich Tausalze abgesetzt haben (Bild 4) oder absetzen können.

– Korrosionsspuren und frei liegende Bewehrung: Korrosionsspuren zeichnen sich in manchen Fällen bereits auf der Bauteil­oberfläche ab. Sofern Korrosionsspuren (Bild 5) oder frei liegende Bewehrung (Bild 6) vorhanden sind, kann eine Prüfung des Zustands der Bewehrung mit vergleichsweise geringem Aufwand erfolgen.

– Ausblühungen: Sie weisen auf eine deutliche Chloridkontamination des Betons hin (Bild 7).

Weitere Informationen können mittels zerstörungsfreier oder zerstörungsarmer Untersuchungsmethoden gewonnen werden. Die ­Betondeckung der Bewehrung kann zerstörungsfrei nach dem Prinzip der elektromagnetischen Induktion gemessen werden. Je nach dem verwendeten Messgerät sind Linienscans oder Flächenscans möglich. Es ist zweckmäßig, die Ergebnisse der zerstörungsfreien Messungen zum Beispiel durch gezielte Bohrungen zu überprüfen bzw. zu kalibrieren. Korrodierende Bewehrung kann mit einer Potenzialfeldmessung geortet werden; hierfür ist in der Regel die Hinzuziehung von Spezialisten erforderlich.

Die Ermittlung der Karbonatisierungstiefe
im Beton erfolgt durch Herstellung frischer Bruchflächen, auf die eine Indikatorlösung – meist Phenolphthalein – aufgesprüht wird. Im nicht karbonatisierten Bereich des Betons erfolgt ein rot-violetter Farbumschlag (Bild 8). Die Tiefe der Karbonatisierungsfront entspricht dann der Dicke des oberflächennahen unverfärbten Betons.

Zur Bestimmung des Chloridgehalts des Betons können Bohrkerne oder Bohrmehlproben entnommen werden (Bild 9). Deren Analyse erfolgt dann in einem Labor. Die Chloridgehalte werden üblicherweise für verschiedene tiefe Schichten (0 mm – 15 mm,
15 mm – 30 mm, 30 mm – 45 mm) ermittelt.

Die Arbeiten zur Erfassung des Ist-Zustands sind häufig umfangreich und aufwändig. Sie bilden jedoch eine wichtige Grundlage für die nachfolgende Planung der Instandsetzung und sollten daher sorgfältig durchgeführt und dokumentiert werden.

Bewertung

Auf Grundlage des ermittelten Ist-Zustands wird zunächst beurteilt, worauf die festgestellten Schäden zurückzuführen sind. Darauf basierend kann dann später ein Instandsetzungsplan entwickelt werden. Entsprechend der Richtlinie „Schutz und Instandsetzung von Betonbauteilen“ (Richtlinie SIB) des Deutschen Ausschusses für Stahlbeton [1] ist hierzu ein „sachkundiger Planer“ zu beauftragen.

Vielfach sind korrodierende Bewehrungsstähle für Schäden an Stahlbetonbauteilen ursächlich. In diesem Zusammenhang sind insbesondere die Betondeckung des Bewehrungsstahls, die Karbonatisierung, der Chloridgehalt und der Feuchtegehalt des Betons von Bedeutung. Damit die in der Baupraxis bedeutsame elektrochemische Korrosion des Bewehrungsstahls stattfinden kann, müssen nämlich gleichzeitig 3 Voraussetzungen erfüllt sein:

– Es muss ein Elektrolyt (z. B. Wasser) vorhanden sein. In dieser Hinsicht sind die Feuchtebeanspruchung und der Feuchtegehalt im Beton von Bedeutung.

– Es muss die Passivierung des Bewehrungsstahls z. B. durch eine fortgeschrittene Karbonatisierung des Betons oder durch eine erhöhte Konzentration freier Chloride aufgehoben sein.

– Es muss Sauerstoff zur Verfügung stehen. Dies ist aufgrund der Kapillaren und Poren im Beton stets der Fall.

Als Passivierung wird der Schutz des Bewehrungsstahls durch das alkalische Milieu des

Betons bezeichnet. Durch den Eintritt von Luft in die Kapillarporen des Betons gelangt auch Kohlendioxid CO₂ dorthin. Dieses reagiert unter Ausscheidung von Wasser H₂O mit dem Kalziumhydroxid Ca(OH)₂ im Beton zu Kalziumkarbonat CaCO₃:

Ca(OH)₂ + CO₂  CaCO₃ + H₂O

Dieser Vorgang wird als Karbonatisierung bezeichnet. Das alkalische Milieu im Beton geht dadurch weitgehend verloren; der pH-Wert sinkt von etwa 12,5 auf Werte unter 9. Die Karbonatisierung schreitet im Laufe der Zeit ständig voran. Allerdings verlangsamt sie sich dabei immer weiter. Sobald die Karbonatisierungstiefe die Ebene der Bewehrung erreicht, geht der Schutz des Bewehrungsstahls durch die Passivierung verloren. Korrosion ist die Folge, wenn der Beton ausreichend feucht ist. Dies verdeutlicht die Wichtigkeit einer ausreichenden Betondeckung.

Das Eindringen von Chloriden in den Beton kann eine erhebliche Korrosion des Bewehrungsstahls verursachen. Chloridionen sind in Tausalzen enthalten. Sie werden daher bei Parkbauten unweigerlich durch die Fahrzeuge eingebracht. Insbesondere wenn keine wirksame Entwässerung vorhanden ist, können sich Tausalze im Bereich von Stellplätzen ansammeln und ablagern (vgl. Bild 4). Der baupraktisch relevante Eintritt der Chlo­rid­ionen in den Beton erfolgt im Wesentli­chen über Risse. Sobald beim Bewehrungsstahl eine kritische Konzentration freier Chloridionen überschritten wird, kann eine lokal sehr starke Korrosion (Lochfraßkorrosion) einsetzen. Das geschieht auch, wenn die Karbonatisierungstiefe im Beton die Ebene der Bewehrung noch gar nicht erreicht hat. Der Bewehrungsstahl wird durch das alkalische Milieu des Betons nicht vor einer Korrosion durch Chloride geschützt.

Hinsichtlich des kritischen Chloridgehalts im Beton existieren in der Literatur keine einheitlichen Angaben. Die Instandsetzungs­richtlinie [1] schreibt lediglich vor: „Wenn bei Stahlbetonbauteilen in der Betondeckungsschicht Chloridgehalte über 0,5% Cl^- […] ermittelt werden, ist zur Beurteilung der erforderlichen Maßnahmen der sachkundige Planer einzuschalten.“ Hieraus wird vielfach ein kritischer Chloridgehalt von 0,5% – bezogen auf den Zementgehalt – als Grenzwert abgeleitet. Andere Autoren weisen darauf hin, dass auch bei geringeren Chloridgehalten noch ein Korrosionsrisiko besteht.

Bei der Auswertung und Beurteilung von Chloridgehalten ist zu berücksichtigen, dass die im Labor analysierten Werte jeweils einen Mittelwert der untersuchten Bauteilschicht abbilden. Im Bereich von Rissen und längs der Bewehrungsstähle können Chloride jedoch in unterschiedlichem Maße transportiert werden, so dass lokal höhere Konzentrationen als der Mittelwert der untersuchten Bauteilschicht vorhanden sein können. Insofern sind bei der Bewertung von Chloridgehalten immer auch weitere Faktoren wie z. B. die örtliche Situation bei der Entnahmestelle der Probe mit einzubeziehen.

Wenn die Ursachen der Schadensbilder bewertet wurden, folgt im nächsten Schritt die Aufstellung eines Instandsetzungsplans. Die Instandsetzungsmaßnahmen müssen die ­Lücke zwischen dem festgestellten Ist-Zustand und dem gewünschten Soll-Zustand schließen. Bei der Festlegung des Soll-Zustands können z. B. Faktoren wie die zu erwartende Restnutzungsdauer berücksichtigt werden.

Instandsetzung

Zur Instandsetzung werden in der Instandsetzungsrichtlinie [1] 4 Prinzipien vorgegeben. Diese sind auf Grundlage der vorgenommenen Schadensbeurteilung – ggf. kombiniert – auf den Einzelfall abzustimmen.

– Korrosionsschutz durch Wiederherstellung des alkalischen Milieus (Instandsetzungsprinzip R): Hierbei wird durch Aufbringen eines Instandsetzungsmörtels mit einem ausreichenden Karbonatisierungswiderstand eine Repassivierung des Bewehrungsstahls erreicht. Chloridkontaminier­ter Beton ist zuvor unabhängig von der Karbonatisierungstiefe zu entfernen.

– Korrosionsschutz durch Begrenzung des Wassergehaltes im Beton (Instandsetzungsprinzip W): Hierbei wird der Wassergehalt im Beton und damit die elektrolytische Leitfähigkeit soweit abgesenkt, dass die Korrosionsgeschwindigkeit auf vernachlässigbare Werte reduziert wird. Da Chloride im Beton die elektrolytische Leitfähigkeit erhöhen, ist dieses Verfahren bei einer durch Chloride verursachten Korrosion mit einem hohen technischen Risiko verbunden [2].

– Korrosionsschutz durch Beschichtung der Bewehrung (Instandsetzungsprinzip C): Hierbei wird eine Beschichtung (Korrosionsschutz) auf der Oberfläche des Bewehrungsstahls aufgebracht. Chloridkontaminierter Beton ist zuvor unabhängig von der Karbonatisierungstiefe zu entfernen.

– Kathodischer Korrosionsschutz (Instandsetzungsprinzip K): Hierbei wird durch Einleitung eines Gleichstroms oder Anordnung einer Opferanode erreicht, dass die Bewehrung kathodisch wirkt. Eine weitere Korrosion wird damit verhindert. Die Entfernung von chloridkontaminiertem Beton ist nicht zwingend erforderlich, weshalb auch die Bewehrung nicht zwingend freigelegt werden muss. Daraus folgt das Problem, geschädigte Bereiche der Bewehrung sicher und weitgehend zerstörungsfrei lokalisieren zu müssen.

An die ausführenden Firmen werden durch die Instandsetzungsrichtlinie [1] konkrete Anforderungen gestellt, die nachgewiesen werden müssen. Insbesondere muss – nachgewiesen – qualifiziertes Personal für die Arbeiten eingesetzt werden. Eine Eigenüberwachung ist stets und eine Fremdüberwachung fallweise erforderlich. Die Arbeiten müssen fortlaufend dokumentiert werden. Während der gesamten Instandsetzungsmaßnahme muss für Fragen der Standsicherheit ein Verantwortlicher benannt sein.