MPVA-Spektrum Beton. Schäden an Bauteilen aus Beton (Teil 3) Risse in Betonbauwerken Bei der Bewertung von Rissen in Stahlbetonbauteilen

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1 MPVA-Spektrum Beton Schäden an Bauteilen aus Beton (Teil 3) Risse in Betonbauwerken Bei der Bewertung von Rissen in Stahlbetonbauteilen ist zu beachten, dass die Stahlbetonbauweise eine gerissene Bauweise ist. So kann der im Stahlbeton enthaltene Bewehrungsstahl erst dann seine Aufgabe (Aufnahme der Zugkräfte) übernehmen, wenn der Beton gerissen ist. Über diese Tatsache werden viele Bauherren vor der Errichtung von Betonbauwerken nicht hinreichend aufgeklärt, so dass diese häufig Betonoberflächen ohne Risse erwarten. Dies ist technisch, wie oben ausgeführt, weder zu erwarten noch sinnvoll. Es kommt allerdings auch vor, dass diese Aussage von der bauausführenden Firma im Nachhinein genutzt wird, um sämtliche, in einem Bauwerk aufgetretenen (auch zu breiten) Risse als baustofftypisch darzustellen. Wie so oft liegt die Wahrheit dazwischen. Tatsächlich ist die Betonbauweise eine gerissene Bauweise. Risse lassen sich weder in schlaff bewehrten Beton- noch in Spannbetonbauteilen sicher vermeiden. Durch eine geeignete Wahl von Bewehrungsgrad, -durchmesser und -verteilung im Bauteil kann nur die Rissbreite und -verteilung minimierend beeinflusst und das Auftreten von breiten Sammelrissen reduziert werden. Risse treten im Stahlbeton immer dann auf, wenn die infolge äußerer Lasten oder Zwangsbeanspruchungen auftretenden Zugspannungen die Zugfestigkeit des Betons überschreiten. Zwangbeanspruchungen sind die Folge behinderter Verformungen, die ursächlich zurück zu führen sind z. B. auf das Eigengewicht der Bauteile; äußere Lasten; Baugrundsetzungen; ungleichmäßige Temperatur- oder Feuchteverteilungen oder chemische Vorgänge beim Abbinden des Betons Verformungsbehinderungen können z. B. auf die monolithische Verbindung verschiedener Bauwerksteile untereinander; unterschiedliche Betonierzeitpunkte; die Reibung auf dem Untergrund oder auf den Querschnitt selbst zurück zu führen sein. Rissbildung durch behinderte Verformung Rissbildung In besonderen Ausnahmesituationen, wenn der Grenzzustand der Tragfähigkeit erreicht wird, sind Risse durchaus erwünscht. Damit kündigt der Querschnitt sein bevorstehendes Versagen an. Dieses gutmütige, duktile Bauteilverhalten ist in den sicherheitstheoretischen Ansätzen der technischen Regeln zur Bemessung berücksichtigt. Ausgabe 2010

2 Schäden an Bauteilen aus Beton (Teil 3) Seite 2 Es ist die Aufgabe der Planenden und Ausführenden, dafür Sorge zu tragen, dass die Risse in einem Maß beschränkt auftreten, dass weder die Dauerhaftigkeit oder die Gebrauchstauglichkeit beeinträchtigt sind. Neben diesen Technischen Anforderungen darf jedoch auch der ästhetische Eindruck nicht über die Maßen nachhaltig gestört werden. Hierzu ist eine enge Abstimmung der Beteiligten erforderlich. Diese beginnt damit, dass sehr frühzeitig mit dem Bauherrn die Nutzung des Bauwerks und die Anforderungen an die Oberflächen, ggf. unter Berücksichtigung von Dichtheitsanforderungen, zu klären sind. Schon zu diesem Zeitpunkt sollte dem Bauherrn ein Konzept für die Rissbreitenbeschränkung und den Umgang mit auftretenden Rissen erläutert werden. Bei hohen Anforderungen hat es sich bewährt, auch einen Betontechnologen frühzeitig einzubinden, um die geplanten Rissbreiten im Rahmen der praktischen Ausführung auch nicht zu überschreiten. So können dem Tragwerksplaner wirklichkeitsnahe Kennwerte für die Hydratationswärmeund Festigkeitsentwicklung des Betons oder den zu erwartenden Widerstand gegen Verformung zur Verfügung gestellt werden. Auch müssen die Belange der Bauausführung bei der Festlegung von Betonierabschnitten, Belastungszeitpunkten und der Wahl der Bewehrungsstabdurchmesser und abstände berücksichtigt werden. Nicht zuletzt sollten auch Maßnahmen zur Rissverfüllung vorgesehen werden. Risse sind also eine typische, die Bauart kennzeichnende Erscheinung und können selbst bei großer Sorgfalt in der Planung und Ausführung nicht zielsicher ausgeschlossen werden. Die im Bauteil zulässigen Rissbreiten ergeben sich dabei zum einen aus den allgemeinen Anforderungen an die Dauerhaftigkeit und ggf. der Dichtheit der Bauteile und zum anderen aus den Planungsvorgaben, in denen z. B. auch besondere optische Ansprüche Berücksichtigung finden müssen, wenn diese seitens des Bauherrn gefordert werden. Als Anhaltswert für die Bewertung der Rissbreiten vor dem Hintergrund der Dauerhaftigkeit des Betons ist festzustellen, dass Risse mit einer Breite von bis zu 0,2 mm i. d. R. keinen Mangel darstellen. Rissbreitenbestimmung Sind die oben genannten Grundsätze im Rahmen der Planung nicht eingehalten worden, so ergeben sich des häufigeren Streitigkeiten, im Rahmen derer die absolute Rissbreite im Objekt zu ermitteln ist. Üblicherweise wird die Rissbreite im Objekt dabei an der Betonoberfläche mit einem Rissbreitenmaßstab oder einer Risslupe bestimmt. Im Extremfall werden die ermittelten Werte dann mit den Sollwerten (z. B. der Richtlinie Betonbau beim Umgang mit wassergefährdenden Stoffen oder aus der Planung) verglichen. Verwendung einer Risslupe Bei dieser Vorgehensweise ist zu bedenken, dass die Rissbreite i. d. R. nicht über den Bauteilquerschnitt konstant ist. Rissbreitenverlauf in einer Decke

3 Schäden an Bauteilen aus Beton (Teil 3) Seite 3 Rissbreite [mm] 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0, Abstand zur Deckenoberseite [cm] D1 D2 D5 D8 Wie diesen Ausführungen zu entnehmen, lässt sich die Rissbreite an Bauteilen in keinem Falle einfach bewerten, vielmehr handelt es sich um eine Aufgabe, die hohe Kenntnisse in der Auswertung der Ergebnisse und eine Vielzahl von Messungen voraussetzt. Die Konsequenz lautet also lieber vorher informieren, als sich hinterher sehr kostenintensiv darüber streiten. In der Bauteiloberfläche und auf Höhe der Bewehrung zeigen sich hier häufig Besonderheiten. Dies ist zum einen auf den rissbreitenbeschränkenden Einfluss der Bewehrung und zum anderen auf die Aufweitung der Risse z. B. durch Befahren oder auch die optische Aufweitung aufgrund der Anlagerung von Schmutz in den Rissen zurück zu führen. Rissbreitenverlauf durch ein bewehrtes Bauteil Rissbewegungen Sobald sich die Frage stellt, wie die Risse zu sanieren sind, muss klar sein, welche Schadensursache die Risse haben und ob die Rissbewegungen abgeschlossen sind. Ob sich die Risse noch bewegen, kann entweder mit Rissmarken, oder besser mit Datenloggern geklärt werden. Während Rissmarken nur Aussagen zur resultierenden Rissbewegung in einem Zeitraum zulassen, kann die Verwendung von Datenloggern auch Rissbewegungen über die Zeit erfassen. Rissbreitenerfassung mit einem Datenlogger In einigen Fällen werden zur Erfassung der Rissbreite über den Bauteilquerschnitt Bohrkerne aus den Bauteilen entnommen. Hierbei ist zu beachten, dass eine Veränderung der Rissbreite aufgrund der Beanspruchung beim Bohren und beim Abbrechen der Kerne auftreten kann. Aus diesem Grunde sollten die Risse vor dem Bohren durch Verharzen fixiert werden. Bezüglich der Bewertung der Rissbreite ist darauf hinzuweisen, dass die (geplante) rechnerische Rissbreite als Quantilwert im Wirkungsbereich der Bewehrung definiert ist. Anhand dieser Definition wird deutlich, dass diese nach den eingeführten technischen Regeln selbst auf Höhe der Bewehrung keine obere Grenze darstellt. Diese darf am Objekt demnach auch mit einer gewissen Häufigkeit überschritten werden. Aus diesem Grunde empfiehlt es sich, im Rahmen der sachgerechtgen Planung einer Sanierungsmaßnahme die Rissbreitenveränderungen mit Hilfe von Datenloggern zu erfassen. Die Rissmarken stellen nur die veränderte Rissbreite in Form einer Momentaufnahme dar.

4 Schäden an Bauteilen aus Beton (Teil 3) Seite 4 Zeitpunkt der Rissentstehung Ob die Risse im frühen Stadium der Betonherstellung entstanden sind, kann zum Teil auch nach Jahren am erhärteten Beton noch erkannt werden. Sind die Risse zu einem frühen Zeitpunkt entstanden, dann sollte die Carbonatisierungstiefe im Bereich der Rissflanken annähernd der in der Betonoberfläche vorgefundenen Carbonatisierungstiefe entsprechen. Zugesinterter Riss Carbonatisierungstiefe im Riss Falls sich dies rein augenscheinlich nach Ansprühen mit Phenolphthalein nicht klären lässt, oder die Aussage eine höhere Sicherheit erfordert, so kann diese Voruntersuchung durch eine mikroskopische Untersuchung des Betons ergänzt werden. Carbonatisierungstiefe im Riss Das Druckgefälle, welches nicht überschritten werden darf, damit Risse noch heilen können, wurde von Lohmeyer wie nachfolgend beschrieben eingestuft. Zulässiges Druckgefälle für die Selbstheilung Risse durch Schwindverformungen Selbstheilung von Rissen Mit der Carbonatisierung des Betons im Bereich der Rissflanken steht auch die sog. Selbstheilung des Betons in Verbindung. So setzen sich Risse mit nicht zu großer Rissbreite durch die Bildung von Calciumcarbonat sowie unterstützt durch das Quellen und die Hydratation des Zementes mit der Zeit zu, sofern die Durchflussgeschwindigkeit des Wassers durch die Risse nicht zu groß ist. Auch das Absetzen feinster Stoffe im Riss verstärkt diesen sog. Selbstheilungsprozess. Zementgebundene Baustoffe reduzieren ihr Volumen infolge ihrer Austrocknung. Dieses Phänomen wird als Schwinden bezeichnet. Hierbei ist zwischen dem Frühschwinden im plastischen Zustand und dem Schwinden des Betons im erhärteten Zustand zu unterscheiden.

5 Schäden an Bauteilen aus Beton (Teil 3) Seite 5 Probleme wie Rissbildungen im oberflächennahen Bereich von Betonen oder im Besonderen auch von Industrieböden sind häufig auf das Frühschwinden des eingebauten Betons oder bei Industrieböden auch gerade von Hartstoffeinstreuungen oder Hartstoffestrichen zurückzuführen. Frühschwindrisse Neben der (Früh)Schwindverformung führt auch das Abfließen der Hydratationswärme zu einer Volumenverringerung des Betons. In beiden Fällen wird die Verkürzung der Bauteile behindert, so das Risse entstehen. In diesen Fällen ist der Fugenausbildung eine besondere Bedeutung beizumessen. Zur Reduzierung von verfromungsbedingten Schäden an erhärteten Betonen sollten Betone mit möglichst geringer Wärmeentwicklung; mit geringer Schwindneigung (nicht zu hoher Mehlkorn- und Wassergehalt) und möglichst nicht zu hoher Konsistenz eingesetzt werden. Wie stark zementgebundene Baustoffe schwinden, ist einerseits von deren Zusammensetzung (nachweisbar im Rahmen der Bestimmung der stofflichen Zusammensetzung der Baustoffe); zum anderen von den Bedingungen beim Einbau (z. B. Temperatur, Zugluft, Luftfeuchte, Nachbehandlung etc.) abhängig. Rissbildungen aufgrund des Frühschwindens von Betonen sind darauf zurück zu führen, dass sich der Beton unter Wasserabgabe zusammen zieht. Wird die daraus resultierende Verformung behindert, so entstehen gerichtete Risse. Besonders kritische Fälle von behindertem Schwinden liegen normalerweise vor, wenn z. B. Wände mit monolitischem Verbund zum Fundament bzw. zur Bodenplatte hergestellt werden; Einbauteile in die Betonplatten eingebaut werden. Risse bei Bauteilen mit monolitischem Verbund Die bei Bodenplatten heute gerne eingesetzten F6-Betone sind hier nicht immer als geeignet einzustufen, da diese Betone häufig eine signifikant erhöhte Schwindneigung aufweisen. Auch wasserundurchlässige Bauwerke, die mit möglichst wenig Fugen hergestellt werden, stellen diesbezüglich ein Problem dar. In beiden Fällen spielt eine optimale Nachbehandlung des Betons eine wesentliche Rolle zur Reduzierung des Schadenspotentials. Sind Schwindrisse aufgetreten, so sollten die Schwindverformungen vor der Sanierung der Bauteile nach Möglichkeit weitestgehend abgeschlossen sein. Ob und wenn ja wie die entstandenen Risse zu sanieren sind, ist abhängig von den jeweiligen Anforderungen an die Bauteile. Schwindmessung Um vor der Beton- oder Estricheinbringung zu überprüfen, ob die Baustoffe ein erhöhtes Schwindpotential aufweisen, lässt sich das Schwinden im Labor mit unterschiedlichen Methoden messen. Während mit einer Schwindmessung nach Graf-Kaufmann (DIN 52450) lediglich die Erfassung der Schwindprozesse des erhärteten Betons/Estrichs möglich ist (am erhärteten Normprisma), werden bei der Messung mit einer sogenannten Schwindrinne Verformungen bereits im plastischen Zustand des noch frischen Betons oder Estrichs aufgezeichnet.

6 Schäden an Bauteilen aus Beton (Teil 3) Seite 6 Schwindrinne Neben dem Vorteil, dass die Schwindrinnenmessung auch das plastische Schwinden erfasst, liegt ein weiterer Vorteil darin, dass die Austrocknung des Betons/Estrichs bei diesem Versuchsaufbau nur über die Probenoberfläche erfolgen kann, was dem tatsächlich auftretenden Austrocknungsverhalten entspricht. Risse durch Setzen des Betons Setzrisse treten bei bewehrten Bauteilen über der oberen Bewehrung auf und verlaufen längs dieser Bewehrung. An Bohrkernen, die aus geschädigten Bauteilen entnommen worden sind, zeigen sich Hinweise auf dieses Setzen in Form von Fehlstellen im Bereich der Bewehrung (sog. Bewehrungsschatten). Bewehrungsschatten durch Setzen des Betons Neben den Rissen ist hierbei zu beachten, dass der Verbund der Bewehrung zur Zementsteinmatrix in diesen Fällen massiv eingeschränkt ist und die Lasten somit ggf. nicht in einem ausreichenden Maße vom Beton auf den Stahl übertragen werden kann. Üblicherweise entstehen derartige Setzrisse, weil dem Bluten der Betone bei der Festlegung der Rezeptur nicht ausreichend Bedeutung beigemessen worden ist. Dies zeigt sich deshäufigen, obwohl bereits der DIN Fachbericht 100 darauf hinweist, dass Betone so entworfen werden müssen, dass das Entmischen und Bluten des Frischbetons möglichst gering gehalten wird; die Zusammensetzung des Betons auf der Baustelle (z. B. durch Wasserzugabe) verändert worden ist. Diese Schäden nehmen bei Bodenplatten z. B. für Industrieböden heute tendenziell zu, da die weichen Verarbeitungskonsistenzen die Neigung des Betons zum Bluten erhöhen. Häufig entstehen hierbei Pfützen auf dem Beton, die auf die Wasserabsonderung des Betons zurück zu führen sind. Besonders kritisch ist diese Wasserabsonderung im Bereich von Industrieböden, bei denen Folgeschichten (Hartstoffeinstreuungen oder Hartstoffestriche) in den Beton eingearbeitet bzw. auf den Beton aufgebracht werden. Hierbei handelt es sich um spannungsreiche Bauweisen, da sehr hochwertige und auch hochfeste, dünne Schichten auf die Betonoberfläche aufgebracht werden. Bewehrungsschatten durch Setzen des Betons Weist die Betonoberfläche vor der Aufbringung dieser Folgeschichten ein Wasserabsondern auf, so wird die Verzahnung dieser Schichten aufgrund des teilweise als Trennlage fungierenden Wassers verschlechtert; die Qualität der oberflächennahen Betonschicht reduziert; die ohnehin schon ungünstig hohe Festigkeitsdifferenz zwischen dem Beton und der Hartstoffschicht noch vergrößert;

7 Schäden an Bauteilen aus Beton (Teil 3) Seite 7 Aus den genannten Gründen kann sich ein schwaches Bluten des Beton schadensauslösend auswirken. Risse bei Industrieböden inkl. Betonflächen mit Einstreuungen Die meisten bei Industrieböden entstehenden Risse sind ursächlich auf das Frühschwinden (Krakeleerisse) der bindemittelreichen Estriche bzw. Betone zurückzuführen. Auch ist darauf hinzuweisen, dass sich derartige Risse, z. B. bei intensiver Befahrung mit Gabelstaplern, teilweise stark aufweiten können und sich Dreck in den Rissen sammelt. Aus diesem Grunde stellt das Aussehen derartiger Risse häufig einen Beanstandungsgrund dar. Risse in befahrenen Bodenplatten Schwindrisse Nebenbei sei angemerkt, dass sich derartige Risse selbstverständlich auch nicht gut reinigen lassen und somit häufig eine sehr hohe optische Auffälligkeit besitzen. Derartige Frühschwindrisse weisen eine geringe Rissbreite und tiefe auf und stellen bei Estrichen im Allgemeinen keinen technischen Mangel dar. Auch wird die Verwendungseignung bzw. Dauerhaftigkeit durch diese Risse i. d. R. nicht negativ beeinflusst. Bei Einstreuungen stellt sich die Sachlage jedoch anders dar. Hier ist die Entstehung von Rissen deutlich kritischer einzustufen, da derartige Einstreuungen i. d. R. nur eine sehr geringe Schichtdicke aufweisen und die Risse die Einstreuung somit vollständig durchdringen. Materialprüfungs- und Versuchsanstalt Neuwied GmbH Sandkauler Weg 1, Neuwied Tel.: / Fax: /