Technische Universität Braunschweig
Institut für Baustoffe, Massivbau und Brandschutz
FG Struktur und Anwendung der Baustoffe
Studienarbeit im Studiengang Wirtschaftsingenieurwesen Fachrichtung Bau:

Instandsetzung von Stahlbeton im Wasserbau

Boban Ceranic

2005

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

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
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

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.

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.

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.

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 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.

[...]

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