Instandsetzung von Stahlbeton im Wasserbau

Vorwort

Die Instandsetzung von Stahlbeton im Wasserbau hat bis dato keine genügende Beachtung in der Fachliteratur gefunden. Diese Studienarbeit soll einen Beitrag leisten, allen Jungingenieuren und Interessierten einen Überblick über diesen Themenkomplex zu geben und sie für zukünftige ähnliche Arbeiten vorzubereiten.

Im Geschäftsbereich der Wasser- und Schifffahrtsverwaltung des Bundes (WSV) werden Schutz- und Instandsetzungsmaßnahmen an Betonbauteilen von Wasserbauwerken geplant und ausgeführt. Seit der Einführung der Zusätzlichen Technischen Vertragsbedingungen – Wasserbau für Schutz und Instandsetzung der Betonbauteile von Wasserbauwerken (ZTV - W (LB 219)) im Jahr 1997 geschieht dies erstmals mit einem wasserbauspezifischen Regelwerk.

Im Jahr 2003 wurde mit der Überarbeitung dieses Regelwerks begonnen. Zeitziel für die Feststellung der überarbeiteten Fassung war der 01.01.2005, da mit Ablauf des Jahres 2004 die Parallelgültigkeit von alter und neuer DIN 1045 zu Ende ging. Laut der Bundesanstalt für Wasserbau (BAW) bedarf die neue Fassung einiger Zeit bis zur Konsolidierung in der Praxis. Des Weiteren ist von einer Parallelgültigkeit auszugehen, dies gilt vor allem für Instandsetzungsmaßnahmen die bereits nach alter Fassung ausgeschrieben worden sind. Die vorliegende Arbeit stützt sich auf die Vorgaben der ersten Fassung der ZTV – W (LB 219) von 1997, da in den örtlichen Bibliotheken sowie der Fernleihe die zweite Fassung von 2004 nicht erhältlich war. Des Weiteren ist dem Gelbdruck zu entnehmen, dass sich der grundsätzliche Aufbau nicht verändert hat.

Für die Hinweise, Informationen und Verbesserungsvorschläge zu den einzelnen Kapiteln, die mir von Kommilitonen und Fachleuten des IBMB zuteil wurden, bedanke ich mich auf diesem Wege sehr herzlich.

Braunschweig, Winter 05/06 Boban Ceranic

  WS 05 06  I

Inhaltsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis ..................................................................................... III

Tabellenverzeichnis ...........................................................................................IV

1  Einleitung  1

2  Regelwerke  2

2.1  Regelwerksituation  2

2.2  Aufbau und Gestaltung der ZTV - W (LB 219)  4

2.3  Terminologische Grundlagen  10

3  Grundlagen  13

3.1  Bauwerksunterhaltung  13

3.1.1  Bauwerksüberwachung  15

3.1.2  Instandhaltung  17

3.1.2.1  Wartung  21

3.1.2.2  Inspektion  22

3.1.2.3  Instandsetzung  27

3.1.2.3.1  Wasserbau vs Hochbau und Ingenieurbau  32

3.2  Stahlbeton  38

4  Schadensursachen und wasserbauspezifische Beanspruchungen  41

4.1  Allgemeines  41

4.2  Schadensmechanismen  47

4.2.1  Frost und Frost - Tausalz Angriff  47

4.2.2  Rissbildung  49

4.2.3  Chloridangriff und Karbonatisierung  51

4.2.4  Erosionsverschleiß  55

  Studienarbeit Instandsetzung von Stahlbeton im Wasserbau Boban Ceranic  

  WS 05 06  II

5  Instandsetzung von Stahlbetonbauteilen im Wasserbau  59

5.1  Baustoffe und Baustoffsysteme  59

5.2  Instandsetzungsbeispiele aus der Praxis  63

5.2.1  Eidersperrwerk an der Nordseeküste Schleswig Holsteins  63

5.2.2  Kammerwände von Schiffsschleusen  80

5.2.3  Gründungspfähle von Kaianlagen  85

6  Zusammenfassung (Folgerungen und Tendenzen)  89

Anhang ...............................................................................................................  91  91

1.A.  Arten Erscheinungsformen und Merkmale der verschiedenen Risse  91

1.B.  Rissursachen Merkmale Zeitpunkte und Beeinflussung der Rissbildung  92

2.A.  Erosionsverschleiß und weitere Eigenschaften untersuchter Betone  93

2.B.  Erosionsverschleiß und weitere Eigenschaften untersuchter Mörtel  94

3.A.  Zusammenstellungen der BAW für Spritzmörtel Spritzbeton mit Kunststoffzusatz  95

3.B.  Zusammenstellungen der BAW für Zementmörtel Beton mit Kunststoffzusatz  96

3.C.  Zusammenstellungen der BAW für Oberflächenschutzsysteme  97

  Literaturverzeichnis  99

  Studienarbeit Instandsetzung von Stahlbeton im Wasserbau Boban Ceranic  

  WS 05 06  III

Abbildungsverzeichnis

  Abbildung 1: Grundmaßnahmen der Instandhaltung  18

  Abbildung 2: Das Arbeitskanon  19

  Abbildung 3: Schematischer Zusammenhang Abnutzungsvorrat  29

  Abbildung 4: Beispiel für tA  29

  Abbildung 5: Beispiel für tB  29

  Abbildung 6: Aufteilung der Schadensursachen  43

  Abbildung 7: Ursachen von Schadensfällen an Stahlbeton  45

  Abbildung 8: Frost und Frost Tausalz Angriff  48

  Abbildung 9: Grenzen der Korrosionsgefahr von passiviertem Bewehrungsstahl  53

  Abbildung 10: Schleuse Obernau Erosionsverschleiß  55

  Abbildung 11: Eidersperrwerk  63

  Abbildung 12: Lageplan  63

  Abbildung 13: Spanngliedführung in Wehrträgerschale und Innenrahmen  65

  Abbildung 14: Wehrträger  65

  Abbildung 15: Innenrahmeneck mit Rissen  66

  Abbildung 16: Innenrahmeneck nach Betonabtrag  66

  Abbildung 17: Chloridgehalt des Wehrträgers in ausgewählten Tiefenhorizonten  68

  Abbildung 18: Korrodierte Stahleinschlüsse  69

  Abbildung 19: Innenrahmeneck im Drehlagerbereich (Risse nachgezeichnet)  70

  Abbildung 20: Einhausung des Wehrträgers I  76

  Abbildung 21: Betonabtrag an der Wehrträgerunterseite mittels Hochdruckwasserstrahlen  77

  Abbildung 22: Wasserführende Risse und Oberflächenschäden  81

  Abbildung 23 - 27: Verfahren zur Herstellung von Vorsatzschalen  84

  Abbildung 28: Schäden am Gründungspfahl einer Kaianlage  86

  Abbildung 29: Prinzipskizze: Betoninstandsetzung mit Textiler Schalung  87

  Abbildung 30 - 33: Phasen der Instandsetzung von Gründungspfählen  88

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  WS 05 06  IV

Tabellenverzeichnis

Tabelle 1:  Beanspruchungsgruppen für Bauteile im Süßwasser  6

Tabelle 2:  Beton für Bauteile im Süßwasser  7

Tabelle 3:  Zeitintervalle der Bauwerksüberwachung  16

Tabelle 4:  Einfache Geräte und Prüfungen  23

Tabelle 5:  Prüfverfahren mit erhöhten Anforderungen  24

Tabelle 6:  Prüfverfahren mit hohem technischen Aufwand und Geräteeinsatz  25

Tabelle 7:  Oberflächenschutzsysteme für Bauteile im Süß- und Meerwasserbereich  79

Tabelle 8:  Eigenschaften des schnell erhärtenden Spritzbetons  83

  Studienarbeit Instandsetzung von Stahlbeton im Wasserbau Boban Ceranic  

WS 05 / 06 1

1 Einleitung

Der Wasserbau zählt mit seinen verschiedenen, anspruchsvollen Bauwerken zu einem der ältesten Fachbereiche der Ingenieurtätigkeiten. Wasserbauwerke erfüllen hinsichtlich der Gewährleistung der Schifffahrt, dem Schutz vor Naturgewalten und der Energiegewinnung eine Mehrfachfunktion in unserer Gesellschaft. Die Aufrechterhaltung der Betriebsbereitschaft und die Substanzerhaltung von Wasserbauwerken, mit einem Bruttoanlagevermögen von über 35 Milliarden €, liegt im Aufgabenbereich der Wasser- und Schifffahrtsverwaltung des Bundes (WSV). Zu dem Bauwerksbestand gehören u.a. Sperrwerke, Schiffsschleusen, Kaianlagen, Staudämme, Kanalbrücken und Wasserkraftanlagen. Ein Großteil dieser Bauwerke besteht aus Stahlbeton. Dieser Verbundwerkstoff ist aufgrund seiner Wirtschaftlichkeit, der kaum eingeschränkten Gestaltungsfreiheit und vor allem der Dauerhaftigkeit der wichtigste Baustoff im Bauwesen. Die Entstehungszeit einiger Wasserbauwerke geht in Einzelfällen bis ins 19. Jahrhundert zurück. Mit der zunehmenden Überalterung und der teilweise unzureichenden Beachtung von wasserbauspezifischen Beanspruchungen bei der Planung und Ausführung wird die geplante Nutzungsdauer maßgeblich gefährdet. Dies hat zur Folge, dass die Instandsetzung von Stahlbeton im Wasserbau immer mehr an Bedeutung gewinnt.

Die vorliegende Arbeit befasst sich zunächst im Kapitel zwei mit der Regelwerksituation für Instandsetzungsarbeiten im Wasserbau und erläutert den Bedarf an einem separaten wasserbauspezifischen Regelwerk. Sie geht dabei auf den Aufbau und die Gestaltung des maßgebenden Regelwerks (ZTV – W (LB 219) ein. Danach wird im Kapitel drei der Instandsetzungsbegriff in seinem Kontext erläutert. Es werden Unterschiede der Instandsetzung zwischen Wasserbau und dem Hoch- und Ingenieurbau aufgezeigt. Weiterhin werden die wichtigsten Vorgaben und Anforderungen an den Stahlbeton und die Baustoffe und Baustoffsysteme bei der Instandsetzung genannt. Im Kapitel vier finden die wesentlichen Schadensursachen und Schadensmechanismen eine entsprechende Beachtung. Anschließend werden im Kapitel fünf anhand verschiedener Beispiele die Instandsetzungsmaßnahmen an Wasserbauwerken anschaulich beschrieben. Insgesamt soll ein Verständnis hinsichtlich relevanter Regelwerke, wasserbauspezifischer Beanspruchungen und Unterschiede, verwendbarer Baustoffe und Baustoffsysteme sowie neuer Instandsetzungsverfahren entstehen. Kapitel sechs bildet mit einer Zusammenfassung aller relevanten Folgerungen und Tendenzen den Abschluss dieser Arbeit.

Studienarbeit ``Instandsetzung von Stahlbeton im Wasserbau´´ Boban Ceranic

WS 05 / 06 2

2 Regelwerke

2.1 Regelwerksituation

Wasserbauwerke wie Schleusen, Staudämme, Kaianlagen unterliegen besonderen Belastungen und Beanspruchungen aus Umwelt und Verkehr. Dies beeinträchtigt die Dauerhaftigkeit und stellt besondere Anforderungen an die Baustoffe und die Ausführung solcher Wasserbauwerke. Aufgrund dessen wurden für den Neubau von Wasserbauwerken die üblichen Regelwerke (DIN 1045) des Hoch- und Ingenieurbaus mit zusätzlichen wasserbauspezifischen Regelungen ergänzt und in den Zusätzlichen Technischen Vertragsbedingungen - Wasserbau (ZTV - W (LB 215)) festgeschrieben. ``Für den Neubau von Wasserbauwerken aus Beton gelten […] im Vergleich zur DIN 1045 u.a. weitergehende Anforderungen an die Betonzusammensetzung bei Frostangriff (w/z < 0,55; LP-Bildner), an

WU - Beton (e < 30 mm), an die Hydratationswärmeentwicklung oder an die Betondeckung

(min c = 5 cm ).´´ 1 Bei einem erheblichen Teil der Wasserbauwerke beträgt die planmäßige Nutzungszeit nicht selten um die einhundert Jahre. Unterstellt man eine fachgerechte Ausführung des Neubaus, so sind trotzdem nach einiger Zeit zumindest Schäden an den oberflächennahen Betonbauteilen zu vermerken. Da diese die Gebrauchstauglichkeit und auf Dauer sogar die Tragfähigkeit beeinträchtigen, müssen sie rechtzeitig instand gesetzt werden.

Angesichts der Anzahl und des Anlagevermögens von Wasserbauwerken in Deutschland wurde ein separates wasserbauspezifisches Regelwerk für den Schutz und die Instandsetzung erforderlich. Ein weiterer Grund war, dass die Einzelheiten für die Durchführung derartiger Instandsetzungsmaßnahmen für jeden Einzelfall neu erarbeitet werden mussten, um diese dann vertraglich festzuhalten. Der Zeitaufwand für diese Prozedere, insbesondere die Ausschreibung, war deshalb relativ hoch. Der jeweilige Planer musste ein breites Fundament an Material- und Verfahrenskenntnissen aufweisen, die den Erfordernissen des Wasserbaus genügen. Es besteht die Gefahr, dass die zu erbringenden Leistungen unzureichend vom Planer beschrieben werden. Dies hat zumeist niedrige Angebotssummen der Bieter zur Folge. So erhält eine Firma den Zuschlag die im Nachhinein umfangreiche Nachtragsforderungen geltend machen will.

1 Westendarp, A., 1997a, S. 449

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Das Fehlen einer ZTV - W zur Instandsetzung von Wasserbauwerken, in Anlehnung an die bereits vorhandenen ZTV - W (LB 215) für den Neubau, machte sich immer mehr bemerkbar und stand in keinem vernünftigen Verhältnis zu der Bedeutung dieses wachsenden Baubereichs. Demnach wurde 1993 in einer vom Bundesministerium für Verkehr eingesetzten Arbeitsgruppe ``Standardleistungsbeschreibung im Wasserbau´´ erstmals die Zusätzlichen Technischen Vertragsbedingungen – Wasserbau (ZTV - W (LB 219)) für Schutz und Instandsetzung der Betonteile von Wasserbauwerken erarbeitet und darauf folgend 1997 veröffentlicht. Bis dato mussten andere Regelwerke wie die ZTV - Riss 93 (heute ZTV - ING Teil 3 Massivbau, Abschnitt 5), die ZTV - SIB 90 oder die RL - SIB eine Vertretungsfunktion übernehmen.

Bei der Instandsetzung von rissgeschädigten Bauteilen im Wasserbau werden die Zusätzlichen Technischen Vertragsbedingungen und Richtlinien für das Füllen von Rissen und Hohlräumen in Betonbauteilen (ZTV - ING Teil 3 Massivbau, Abschnitt 5) zugrunde gelegt. Mit Polyurethan (TL/TP FG - PUR), Zementleimen und Zementsuspensionen (TL/TP FG - ZL/ZS) stehen hier einige Materialien zur Verfügung, die beim Instandsetzen von feuchten oder wasserführenden Rissen effektiv eingesetzt werden können. Damit ist auch eine zukünftige Inanspruchnahme dieses Regelwerks gegeben.

Für Bauleistungen öffentlicher Auftraggeber ist die VOB zugrunde zu legen. Für den Bereich der Instandsetzung gilt hier die ATV DIN 18349 ``Betonerhaltungsarbeiten´´. Diese verweist bei Baustoffen und Bauausführung auf die RL - SIB, womit diese auch ohne gesonderte Einführung bei der Wasser- und Schifffahrtsverwaltung des Bundes (WSV) zu beachten ist. Die RL - SIB ist auf nationaler Ebene das maßgebende Regelwerk für die Instandsetzung, da eine eigene Instandsetzungsnorm nicht existiert. Hier ist zwischen Normen und Zusätzlichen Technischen Vertragsbedingungen (ZTV) zu unterscheiden. Die ZTV sind u. a. in einer vertragstechnisch erforderlichen Form gestaltet.

Das maßgebende Regelwerk für die Instandsetzung im Wasserbau ist die ZTV - W (LB 219), wobei sie oftmals eine Interdependenz zu anderen Regelwerken unterhält.

Sie verweist beispielsweise bei den aufgeführten wasserbauspezifisch abgestimmten Baustoffen und Baustoffsystemen auf verschiedene Normen und Regelwerke. Bei Beton auf die DIN 1045, bei Spritzbeton in bewehrter Ausführung auf die DIN 18551 und ergänzt diese. Bei Spritzmörtel und Spritzbeton unbewehrter Ausführung und bei Zementmörtel bzw. Beton

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mit Kunststoffzusatz (PCC) verweist sie auf ein BAW - Merkblatt ``Spritzmörtel´´, hinsichtlich Materialanforderungen. Die Ausführung erfolgt jedoch gemäß den ZTV - W (LB 219). Bei Oberflächenschutzsystemen (OS) wird auf die ZTV - SIB 90 verwiesen. Weiterhin werden für die Qualitätssicherung der Ausführung und die Anforderungen an ausführende Unternehmen die Instrumente der RL - SIB verwendet. Ebenfalls sind auch bei der praktischen Ausführung zum Korrosionsschutz der Bewehrung die Instandsetzungsprinzipien der RL - SIB zu beachten. Wobei das Instandsetzungsprinzip R (Korrosionsschutz durch Wiederherstellung des alkalischen Milieus) vorzugsweise zu realisieren ist. Anzumerken ist, dass die Betondeckungen gemäß ZTV - W (LB 219) von denen der DIN 1045 abweichen.

2.2 Aufbau und Gestaltung der ZTV - W (LB 219)

Der grundsätzliche Aufbau orientiert sich an den Zusätzlichen Technischen Vertrags- bedingungen und Richtlinien für Schutz und Instandsetzung von Betonbauteilen (ZTV - SIB):

0. Hinweis

1. Allgemeines

2. Untergrundvorbehandlung

3. Beton

4. Spritzmörtel / Spritzbeton

5. Spritzmörtel / Spritzbeton mit Kunststoffzusatz (SPCC)

6. Zementmörtel / Beton mit Kunststoffzusatz (PCC)

7. Oberflächenschutzsysteme (OS)

Lediglich der in der ZTV - SIB 90 vorhandene Reaktionsharzmörtel / Reaktionsharzbeton (PC) wurde wegen seiner geringen Bedeutung für den Wasserbau ausgeklammert.

Die Abschnitte 1 und 2 sind Basisabschnitte die für alle Arten von Betonersatz- und Oberflächenschutzsystemen gelten. Die Abschnitte 3 bis 7 sind hingegen systemspezifisch, d.h. sie enthalten für das jeweilige System spezifische Bedingungen zur Anwendung, Zusammensetzung, Ausführung und Prüfung. Die stets gültigen Abschnitte 1 (Allgemeines)

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und 2 (Untergrundvorbehandlung) bilden, abgestimmt auf die jeweilige Baumaßnahme, zusammen mit einem oder mehreren systemspezifischen Abschnitten (Abschnitte 3 bis 7) die

Vertragsgrundlage für die Bauausführung zwischen Auftraggeber und ausführender Firma. 2 Auf die umfassende Gestaltung der ZTV - W (LB 219) kann hier lediglich abschnittsweise eingegangen werden.

Der Abschnitt 0 (Hinweise) ist mittlerweile modifiziert. Dieser Abschnitt enthält Planungshinweise die berücksichtigt werden müssen. Dort heißt es, dass für das Erreichen des angestrebten Instandsetzungszieles die Erfassung des Bauwerkszustandes und die sachgerechte Planung von Instandsetzungsmaßnahmen unverzichtbar sind. Wegen der fundamentalen Bedeutung der Prüfung und Planung für die Ausführung wird im weiter folgenden Unterkapitel ``Instandhaltung´´ näher darauf eingegangen.

Im Abschnitt 1 (Allgemeines) werden zunächst die Schutz- und Instandsetzungsmaßnahmen geregelt:

a) Ersatz von Teilquerschnitten oder Ergänzung von Querschnitten mit Mörtel oder Beton

b) Ausfüllen örtlich begrenzter Fehlstellen mit Mörtel oder Beton

c) Großflächiges Auftragen von Mörtel oder Beton

d) Großflächiges Auftragen von Oberflächenschutzsystemen

Zur Sicherung, Herstellung oder Wiederherstellung des Korrosionsschutzes der Bewehrung wird wie bereits erwähnt das Instandsetzungsprinzip R bevorzugt, mit der daraus abgeleiteten Grundsatzlösung gemäß RL - SIB des DAfStb. Die Anwendung anderer Instandsetzungsprinzipien und Grundsatzlösungen setzt eine Einwilligung des Auftragsgebers voraus.

Weiterhin werden alle Bauteile, an denen Schutz- und Instandsetzungsmaßnahmen durchgeführt werden sollen, zu ihren entsprechenden Beanspruchungsgruppen zugeordnet. Hierbei wird zwischen Beanspruchungsgruppen für Bauteile im Süßwasser und Bauteile im

2 Vgl. ZTV – W (LB 219), 1997, S. 1

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Meerwasser unterschieden. Die folgende Tabelle stellt solche Beanspruchungsgruppen exemplarisch dar.

Tab. 1: Beanspruchungsgruppen für Bauteile im Süßwasser

[ZTV – W (LB 219), 1997, K.1.1.7]

Die in Spalte 2 aufgeführten grundsätzlichen Beanspruchungen werden durch die wasserbauspezifischen und maßgebenden zusätzlichen Beanspruchungen ergänzt. Ein Belastungsspektrum kann beispielsweise eine ständige Wasserbelastung (SW 3) mit mäßiger Wassersättigung (FTW 1) und Schifffahrt (MB 1) darstellen. Auf Basis dieser Einteilung in der Planungsphase können nun ganz gezielt die entsprechenden Anforderungen an die Baustoffe und Baustoffsysteme gestellt werden. Die Abschnitte 3 bis 7 enthalten dann Vorgaben welche Eigenschaften und Zusammensetzung die Baustoffe und Baustoffsysteme haben müssen, um den Anforderungen zu genügen. Für den bevorzugt zum Einsatz kommenden Beton stellt die Tabelle 2 die entsprechenden Eigenschaften dar.

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Tab. 2: Beton für Bauteile im Süßwasser [ZTV – W (LB 219), 1997, K. 3.5.2]

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Zusätzlich werden unter dem Abschnitt 1 (Allgemeines) Vorgaben zur Betondeckung, Anforderungen an Unternehmen und Personal, Prüfungen, Nachbehandlungen etc. gestellt. An dieser Stelle kann nur auf die umfassenden Vorgaben verwiesen werden mit der Einschränkung einer folgenden Erwähnung zu den Anforderungen an Unternehmen und Personal. Der Polier oder Vorarbeiter darf Arbeiten mit Kunststoffen oder kunststoffmodifizierten Baustoffen (SPCC, PCC) nur ausführen wenn er den so genannten ``SIVV – Schein´´ besitzt. Hier handelt es sich um eine Bescheinigung des Ausbildungsbeirates ``Verarbeitung von Kunststoffen im Betonbau´´ beim Deutschen Betonverein e.V.. Dieser befähigt ihn nach erfolgreicher Prüfung zum Umgang mit solchen Baustoffen. Der Polier oder Vorarbeiter muss während der Ausführung solcher Arbeiten ständig vor Ort sein.

Abschnitt 2 (Untergrundvorbehandlung) enthält umfassende Vorgaben. Hier wird beispielsweise beschrieben, wie lokale Ausbruchstellen vorzubereiten sind und welche Beschaffenheit die bearbeitete Bauteiloberfläche nachher aufweisen muss. Dabei werden nicht die zur Untergrundvorbehandlung angewandten Verfahren beschrieben, sondern die zu erreichenden Ziele einer Vorbehandlung.

Bei der Anwendung von Beton als Instandsetzungsbaustoff soll der Untergrund herausragende und festeingebettete Zuschlagskörner mit einem Durchmesser > 4 mm aufweisen. Damit wird ein zweckmäßiger Verbund zwischen Instandsetzungsbeton und Altbeton hergestellt. Eine weitere Vorgabe ist, dass ``… bei chloridinduzierter Bewehrungskorrosion zur Entrostung der Bewehrung nur ein Hochdruckreiniger (> 600 bar) zulässig ist. Flammstrahlen und chemische Vorbehandlungsverfahren bedürfen der ausdrücklichen Zustimmung des Auftraggebers. [Dazu sei angemerkt, dass Flammstrahlen zu Gefügeschäden führen kann und Chemikalien wieder entfernt werden müssen. Sofern mit Strahlverfahren, per Hand oder maschinell die Bewehrungsoberfläche entrostet wird muss ein Oberflächenvorbereitungsgrad von St 2 oder Sa 2 nach DIN EN ISO 12944-4 erzielt werden. Dies gilt bei der Anwendung des Instandsetzungsprinzips R nach RL - SIB Teil 1.]

Die Anforderungen an die Abreißfestigkeit des Betonuntergrunds nach Abschluss der Vorbehandlung in Abhängigkeit vom zu applizierenden Betonersatz- bzw. Oberflächenschutzsystem sind in einer Tabelle zusammengestellt. Sofern die Anforderungen dieser Tabelle eingehalten werden, kann im Regelfall ohne weitere Untersuchungen von einer

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hinreichenden Tragfähigkeit des Untergrundes ausgegangen werden.´´ 3 Bei Abweichung der behandelten Flächen von den Vorgaben muss der Auftraggeber über die weitere Vorgehensweise entscheiden, nachdem er sich mit dem sachkundigen Planer beraten hat.

Der Schwerpunkt der ZTV – W (LB 219) liegt in den systemspezifischen Abschnitten 3 bis 7, bei dem Baustoffe und Baustoffsysteme nach ihrer Bedeutung und ihrem Marktanteil im Wasserbau gegliedert sind. ``Beton und Spritzbeton werden bevorzugt für Schutz- und Instandsetzungsmaßnahmen an Verkehrswasserbauten eingesetzt, die Abschnitte 3 und 4 der ZTV – W enthalten entsprechende wasserbauspezifische Regelungen, die teilweise erheblich über DIN 1045 bzw. DIN 18 551 hinausgehen.

SPCC und PCC haben zumindest zum heutigen Zeitpunkt eine wesentlich geringere

Bedeutung im Verkehrswasserbau als z.B. im Brückenbau. Die Aufstellung eigener, den spezifischen Gegebenheiten angemessener Prüf- und Lieferbedingungen für SPCC und PCC und der mit der Materialherstellung verbundene Überwachungsaufwand ist angesichts des vergleichsweise geringen Marktanteils derzeit sicherlich nicht gerechtfertigt. In den entsprechenden Abschnitt 5 und 6 der ZTV – W werden deshalb Regelungen getroffen, um am Markt bereits vorhandene, nach ZTV – SIB 90 geprüfte und überwachte Systeme […] auch für Schutz- und Instandsetzungsmaßnahmen an Wasserbauwerken verfügbar zu machen.

[Eine entsprechende Liste ``Zusammenstellung der geprüften Stoffe und Stoffsysteme – Wasserbau´´ in Anlehnung an die Liste gemäß ZTV – SIB 90 wird in der Bundesanstalt für Wasserbau (BAW) geführt. Dabei muss die Verwendbarkeit von SPCC und PCC für den Wasserbau gegeben sein.]

Oberflächenschutzsysteme werden im Verkehrswasserbau nur im Ausnahmefall eingesetzt. Gemäß ZTV – W dürfen analog zu SPCC und PCC nur bestimmte, nach ZTV – SIB 90

geprüfte und überwachte Oberflächenschutzsysteme (OS) verwendet werden.´´ 4 Zu den typischen Anwendungsgebieten gehören im Binnenbereich nicht dauernde oder temporär mit Süßwasser beaufschlagte Bauwerksflächen. Als Beispiel kann der Bereich oberhalb des Hochwasserstands bei Pfählen (Wehrpfeiler oder Gründungspfähle von Kaianlagen) genannt werden. Im Küstenbereich finden OS an frei bewitterten Bauwerksflächen ohne mechanische

3 Westendarp, A., 1997a, S. 452

4 Westendarp, A., 1997a, S. 452

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Beanspruchung ihre Verwendung. Sie bieten dort einen Schutz gegen das weitere Eindringen von Chloriden.

``Nicht alle am Markt verfügbaren Materialien lassen sich den Stoffkategorien der ZTV – W zuordnen. Zudem soll die Entwicklung neuer Betonersatz- und Oberflächenschutzsysteme für den Verkehrswasserbau durch die ZTV – W möglichst wenig behindert werden. Die ZTV – W enthält deshalb eine Öffnungsklausel, die eine Verwendung derartiger Materialien (nach bestandener Eignungsprüfung) ermöglicht.´´ 5 Der vom Bundesministerium für Verkehr betrauten Arbeitsgruppe ist es durch die Ausarbeitung der Zusätzlichen Technischen Vertragsbedingungen – Wasserbau für Schutz und Instandsetzung der Betonbauteile von Wasserbauwerken (ZTV – W (LB 219)) gelungen eine Lücke zwischen den bereits vorhandenen Regelwerken zu schließen. Die ZTV – W (LB 219) löst das Fehlen von wasserbauspezifischer Vorgaben beim Schutz und Instandsetzen des Stahlbetons auf und wird der Bedeutung eines wachsenden Baubereichs gerecht. Dabei ist zu betonen, dass sie nicht umfassend in allen Abschnitten ist. Das muss sie auch nicht, da sie in den aufgeführten Regelwerken eine Schnittstelle mit verknüpfendem Charakter darstellt und demzufolge bereits bestehende Regelwerke ergänzt oder sich dieser durch Verweise bedient.

2.3 Terminologische Grundlagen

Die Auseinandersetzung mit der ZTV – W für Schutz und Instandsetzung der Betonbauteile von Wasserbauwerken (LB 219) setzt zunächst die Klärung einiger Begrifflichkeiten voraus. Die folgenden Unterpunkte sind zum großen Teil der ZTV – W (LB 219) entnommen und werden knapp gehalten, um den weiteren Kapiteln nicht vorzugreifen. (1) ``Abreißfestigkeit

Im Abreißversuch ermittelte Zugfestigkeit innerhalb des Betonuntergrundes, des Betonersatz- oder Oberflächenschutzsystems bzw. Haftzugfestigkeit zwischen

5 Westendarp, A., 1997a, S. 452

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Betonuntergrund und Betonersatzsystem oder Betonuntergrund bzw.

Betonersatzsystem und Oberflächenschutzsystem.

(2) Adhäsionsbruch

Bruch zwischen zwei Schichten.

(3) Arbeitsfuge

Durch Arbeitsunterbrechung im Bauteilbeton bzw. Betonersatz- oder Oberflächenschutzsystem entstandene Ansatzfläche.

(4) Betonersatz

Ersatz von fehlendem bzw. geschädigtem Beton oder Betonergänzung.

(5) Betonersatzsystem

Besteht aus den Baustoffen des Betonersatzes und ggf. aus Haftbrücken, Korrosionsschutz und Feinspachtel.

(6) Haftbrücke

Zwischenschicht zur Verbesserung der Haftung des Betonersatzes.

(7) Hydrophobierung

Nichtfilmbildender, wasserabweisender Oberflächenschutz.

(8) Kohäsionsbruch

Bruch innerhalb einer Schicht.

(9) Kunststoffzusatz

Zusatz in Form von Kunststoffdispersionen, wasserdispergierbarem Kunststoffpulver oder wasseremulgierbaren Reaktionsharzen.

(10) Lage

Wird in einem Arbeitsgang hergestellt. Eine oder mehrere Lagen gleicher Zusammensetzung ergeben eine Schicht.

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(11) Oberflächenschutz

Maßnahmen zum Schutz der Betonoberfläche durch Hydrophobierung oder Beschichtung.´´ 6

(12) Rückseitige Durchfeuchtung

Durch die instand zu setzenden Fläche des Bauteils transportiertes Wasser.

(13) Stabanker mit Verbund

Stabanker bzw. Rundstähle aus Beton- oder Spannstahl oder Gewindestäben im Verbund mit einer Zementmörtelverfüllung, Zementmörtelinjektion oder Kunstharzverfüllung (Patrone mit Harz, Härter und Quarzkorn). Die äußeren Lasten werden über Verbundspannungen zwischen Ankerstab, Verfüllgut und Bohrlochwand in den Altbeton eingeleitet.

(14) Untergrundvorbehandlung

Umfasst alle Maßnahmen zur Vorbehandlung des Betonuntergrundes. Der Betonuntergrund muss tragfähig, sauber und frei von trennenden Substanzen sowie losen Bestandteilen sein, um einen dauerhaften Haftverbund zwischen Untergrund und Instandsetzungsmaterial zu ermöglichen. Des Weiteren zählen hierzu Maßnahmen der Freilegung, Entrostung und Beschichtung der Bewehrung.

(15) Vorsatzschale

Dickschichtiges flächiges Schutz- und Instandsetzungssystem (Mindestdicke 25 cm) aus Stahl- oder Spritzbeton, welches im Altbeton verankert wird. Sie kann über Platten- und Scheibentragwirkung die instand zu setzenden Bauteile verstärken.

(16) ``Wasserhaltende Nachbehandlungsmaßnahmen Hierzu zählen das Belassen in der Schalung oder das Abdecken mit wasserdampfdiffusionsbeständiger Folie. Beim Letzteren ist ein Luftaustausch zwischen der an der Bauteiloberfläche angrenzender Luft und der Außenluft zu

6 ZTV – W (LB 219), 1997, K. 1

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vermeiden. Es ist weiterhin eine relative Luftfeuchte von mindestens 95 % aufrecht zu erhalten.

(17) Wasserzuführende Nachbehandlungsmaßnahmen

Hierzu zählen das Auflegen einer wasserspeichernden Abdeckung und die Wasserzuführung bei ausreichendem Verdunstungsschutz. Zu diesen Nachbehandlungsmaßnahmen zählen weiterhin das Besprühen mit Wasser zur

Aufrechterhaltung eines Wasserfilms auf der Oberfläche und das Fluten mit Wasser.´´ 7

3 Grundlagen

3.1 Bauwerksunterhaltung

Bauwerke stellen bauliche Anlagen dar, die aus Baustoffen und Bauteilen hergestellt und mit dem Erdboden verbunden sind. Allgemein werden hierbei verschiedene Baubereiche unterschieden, die sich grob in den Hochbau, den Ingenieurbau, den Tiefbau und den Wasserbau einteilen lassen.

Die Gemeinsamkeit solcher Bauwerke besteht unter anderem in dem Erfordernis, dass ein Vorgang der Bauwerksunterhaltung während der Nutzungsdauer regelmäßig und bauwerksspezifisch vollzogen werden muss. Dadurch soll eine entsprechend lange Restnutzungsdauer erlangt und einer aufwendigen und kostspieligen Sanierung für den jeweiligen Eigentümer oder Betreiber vorgebeugt werden. Diese jedoch scheuen sich Finanzmittel frei zu setzen für Maßnahmen, deren ``… Notwendigkeit noch nicht

offensichtlich ist,´´ 8 d.h. bevor nicht die Tragfähigkeit und Gebrauchstauglichkeit augenscheinlich bedroht sind. Die Bereitschaft vorzubeugen und zu erhalten steigt erst nach einschlägigen negativen Erfahrungen, in Form von sehr schwer zu sanierender Bausubstanz oder Unfällen. Andererseits muss z.B. den Kommunen oder Privatbetreibern, zur Zeiten hoher

7 ZTV – W (LB 219), 1997, K. 1

8 Budelmann, H., 2004, S. 53

Studienarbeit ``Instandsetzung von Stahlbeton im Wasserbau´´ Boban Ceranic

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Staatsverschuldung und schleppender Konjunktur, ein gewisser eingeschränkter Tatendrang zugestanden werden.

Mit der objektspezifischen Bauwerksunterhaltung, welche die Überwachung und Instandhaltung eines Bauwerks beinhaltet, wird das Ziel der Erhaltung verfolgt. Darunter wird hauptsächlich das Erhalten der Tragfähigkeit, der Gebrauchtauglichkeit und des Aussehens

von Bauwerken verstanden. 9 Diese Eigenschaften werden während einer Nutzungsdauer und darüber hinaus von vielfältigen Belastungen und Beanspruchungen gemindert. Zu den Belastungen sind die Lasten des Eigengewichts, Nutzlasten, Windlasten und Erddrucklasten zusammen zu fassen aber auch sonstige Lasten aus Anprall oder Erdbeben. Notwendige Belastungsannahmen für die verschiedenen Bauwerke sind in der jeweiligen DIN enthalten. Die vielfältigen Beanspruchungen, insbesondere aggressive Umwelteinflusse, werden detaillierter im Kapitel vier dieser Arbeit behandelt. Zusätzlich zu den Belastungen und Beanspruchungen ist auch von Alterungs- und Ermüdungseffekten des Bauwerks, seiner Bauteile und Baustoffe auszugehen.

Es existiert ein hohes Schadenspotential, welches mit den Maßen und der Komplexität größerer Bauwerke zunimmt. Dieser Tatsache muss Rechnung getragen werden, in dem Bauwerke jeder Baubranche auf Ihre Sicherheit, Tragfähigkeit und Restnutzungsdauer überwacht werden. Durch eine regelmäßige Bauwerksüberwachung, die neben der Instandhaltung als Teilfunktion der Bauwerksunterhaltung gilt, werden aber auch die Instandhaltungskosten in Grenzen gehalten. Somit ist gleichzeitig mit der erhöhten Sicherheit ein positiver wirtschaftlicher Effekt das Ergebnis, welches dann insbesondere die Eigentümer oder Betreiber zufrieden stimmt.

9 Vgl. Budelmann, H., 2004, S. 52

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WS 05 / 06 15

3.1.1 Bauwerksüberwachung

Die Bauwerksüberwachung lässt sich allgemein in drei verschiedene Prüfungsarten aufteilen, welche durch den finanziellen und zeitlichen Aufwand bzw. Zeitintervall differenziert werden können. Es wird zwischen Sichtprüfung, Routineprüfung und Hauptprüfung unterschieden. Eine einfache Sichtprüfung ist die standardmäßige Überwachung, bei der eher mit einem

geschulten Auge als mit aufwendiger Messtechnik gearbeitet wird. 10 Es ist jedoch auch möglich, dass das Auge in die verwinkelten und schmalen Bereiche verschiedenster Bauteile keinen Zugang hat. Dann muss beispielsweise die Endoskopie oder Thermographie, als aufwändigeres optisches Prüfverfahren, herangezogen werden. Aufwand und Intervalllänge nehmen von Sichtprüfung über die Routineprüfung bis zur Hauptprüfung zu.

Weitere Bestimmungsfaktoren für die Prüfungen sind die Bauwerksklasse und die Einwirkungskategorie. Wasserbauwerke wie Staudämme werden anderen Prüfungen unterworfen als Bauwerke des Hochbaus, wie beispielsweise Bürogebäude oder Schulen. Bauwerke speziell im Wasserbau sind unterschiedlichen Einwirkungen bzw. Beanspruchungen ausgesetzt. Diese treten sowohl im Süßwasser- als auch im Meerwasserbereich auf und gliedern sich in grundsätzliche und zusätzliche Beanspruchungen.

Die Tabelle 3 auf der folgenden Seite zeigt mögliche Intervalle der einzelnen Prüfungen in Abhängigkeit ihrer Bestimmungsfaktoren. Die Intervalle wurden durch eine FIP - Kommission vorgeschlagen und stützen sich auf Schadensstatistiken.

10 Vgl. Budelmann, H., 2004, S. 53

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Tab. 3: Zeitintervalle der Bauwerksüberwachung

[Bauschäden, 2004, S. 54]

Angesichts der Beanspruchungen, aus Frost- und Tauwechsel, Taumitteln, Verkehrsbelastung und gegebener Durchfeuchtung, können den Verkehrswasserbauwerken ähnliche Zeitintervalle wie bei Ingenieurbauwerken (Straßenbrücke) vorgeschlagen werden.

Neben den genannten Prüfungen in Intervallen, kann und wird insbesondere bei Wasserbauwerken permanent überwacht, um bei Gefährdung rechtzeitig Sicherungsmaßnahmen einleiten zu können. Dazu dienen weitgehend automatisierte Überwachungssysteme, die Verformungen oder Schwingungen des Bauwerks erfassen, prüfen und eine Rückmeldung geben.

Das Bedürfnis an einem solchen Sicherheitsmonitoring kam in den frühen Jahrzehnten des 20. Jahrhunderts auf. Damals wurden Wasserbauwerke wie die Staumauern mit erheblichem Gefahrenpotential von ihrem Umfeld bewertet. Die permanenten Messeinrichtungen erfassen Höhen-, Längen- und Neigungsänderungen und ergeben somit eine umfassende Deformationsmessung. Aufgrund der schweren Zugänglichkeit einzelner Messpunkte und der Problematik des laufenden Betriebs werden permanente Messeinrichtungen in das Bauwerk eingebaut.

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