Angriffspotenzial saurer und sulfatreicher Grundwässer auf Betonbauwerke

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1 Beitrag zum 2. TASK Symposium,, Angriffspotenzial saurer und sulfatreicher Grundwässer auf Betonbauwerke Rolf Breitenbücher, Björn Siebert Abstract In Regionen mit eisendisulfidhaltigen Bestandteilen z.b. Pyrit im Boden können bei Zutritt von Sauerstoff vor allem Eisen, Sulfat und Protonen (Säure) als Oxidationsprodukte freigesetzt werden. Ein solcher Sauerstoffzutritt kann beispielsweise von einer Grundwasserabsenkung in Tagebaugebieten ausgehen. Bei Wiederanstieg des Grundwasserspiegels im Zuge der Einstellung der Sümpfung bei bergbaulichem Betriebsabschluss können die betonaggressiven Oxidationprodukte im Boden mit dem aufsteigenden Grundwasser in die weitere Umgebung transportiert werden. Betonbauteile, die in direktem Kontakt mit dem Baugrund stehen (wie z. B. Fundamente, Tunnel), können durch die einwirkende saure und sulfatreiche Fracht in Form von lösenden und treibenden Reaktionen angegriffen und geschädigt werden. Im Rahmen eines Forschungsprojektes am Lehrstuhl für Baustofftechnik der Ruhr-Universität Bochum wird zur Zeit ein Sachstandbericht erarbeitet, der bekannte Schädigungen an Bauwerken aufzeigt, die auf Einwirkung natürlicher saurer und sulfatreicher Wässer zurückzuführen sind. Dazu werden bekannte Daten über das Vorkommen von sauren und sulfatreichen Grundwässern mit Angaben zu aufgetretenen Schadensfällen an Bauwerken infolge von Säure- und Sulfateinwirkung verknüpft. Zum einen werden die konkreten Ursachen dieser Schädigungen näher beleuchtet und zum anderen die im Einzelfall getroffenen Maßnahmen erfasst und ggf. hinsichtlich ihrer Wirksamkeit bewertet. Weiterhin wird mit Hilfe vorhandener Prognosemodelle für zukünftige Säure- und Sulfatfrachten im Grundwasser unter Berücksichtigung des Grundwasseranstiegs das Schädigungspotential für Betonbauwerke in den betroffenen Regionen abgeschätzt. Im vorliegenden Beitrag werden die Zusammenhänge des Forschungsprojektes aufgezeigt und über den derzeitigen Stand der Untersuchungen berichtet.

2 Angriffspotenzial saurer und sulfatreicher Grundwässer auf Betonbauwerke Prof. Dr.-Ing. Rolf Breitenbücher Dr.-Ing. Björn Siebert Ruhr-Universität Bochum Lehrstuhl für Baustofftechnik Ursachen für saures und sulfatreiches Grundwasser Lokal diverse Ursachen möglich, i. d. R. anthropogene Veränderungen z. B. Kontakt von Gewässern mit gipshaltigen Böden, Havarie in chem. Industrie etc. Häufig lokal und/oder zeitlich begrenzte Quellen Weiträumige und langfristige Auswirkungen v.a. bei Belüftung eisendisulfidhaltiger Gesteine (Pyrit, Markasit etc.) Eisendisulfid unter Luftabschluss inert Bei Zutritt von (Luft-)Sauerstoff und Feuchte Oxidation mit Umwandlung von FeS 2 : FeS 2 + 7/2 O 2 + H 2 O Fe SO H + Oxidationsprodukte: Eisensulfat + Schwefelsäure

3 Erhebliche Säure- und Sulfatfreisetzung in Tagebauregionen Beispiel Lausitzer Bergbaurevier: Bis 2030 zunehmende Belastung aus Tagebaukippen bezüglich betroffener Fläche sowie gelöster Sulfatmenge, dann Trendumkehr mit nur langsam sinkender Belastung Im Gegensatz zur Trendumkehr für Grundwasser Quelle: Dissertation keine Graupner wesentliche Verringerung des bergbaulichen Einflusses auf die Fließgewässer bis 2100 erkennbar Chemischer Angriff auf Beton Transport der Oxidationsprodukte im Boden an Bauwerke über Grund- und Sickerwasser

4 Chemischer Angriff auf Beton Einwirkung der Oxidationsprodukte auf Betonoberfläche Eisensulfat Schwefelsäure Treibender Angriff Erweichender Angriff Lösender Angriff Ettringit, Gips Thaumasit mit gleichzeitiger Säurefreisetzung mit gleichzeitiger Sulfateinwirkung Forschungsvorhaben Förderer: Forschungsinitiative Zukunft Bau des Bundesinstituts für Bau-, Stadt- und Raumforschung (BBSR) Ziele: 1. Erarbeitung eines Sachstandberichtes: Vorkommen saurer und sulfatreicher Grundwässer in D (unter besonderer Berücksichtigung des Wiederanstiegs des Grundwassers in Tagebauregionen) Schädigungen an Bauwerken aufgrund Einwirkung natürlicher saurer und sulfatreicher Wässer und Böden erste praxisnahe Empfehlungen zu wirksamen und bereits bewährten Schutz- bzw. Gegenmaßnahmen 2. Darstellung von Erkenntnislücken (z. B. bei Schädigungsmechanismen) Konzepten zur Erhöhung des Widerstands für Baubestand und Neubauwerke normativer Regelungsbedarf

5 Vorgehensweise Literatur- und Datenrecherche: Dissertationen, Fachzeitschriften, Internet etc. Kontaktaufnahme zu diversen Institutionen z.b. LMBV, Bergbau-Unternehmen, BGR, Materialprüfanstalten, Universitäten und Hochschulen 1. Darstellung der Grundwassersituation Informationen (Regionen des derzeit Grundwasserwiederanstiegs, noch nicht in erforderlichem Übersichten Umfang zu verfügbar aktuellen und erhebliches zukünftigen Wissensdefizit Flurabständen bzw. bzw. dringlicher GW-Ständen, Forschungsbedarf GW-Beschaffenheiten v.a. Sulfat und ph-wert) 2. Kenntnisse aus vorliegenden Untersuchungen Bis an geschädigten dato nur wenige Bauwerken Bauwerkschäden infolge Säure- infolge und kombinierten Sulfateinwirkung Säure-Sulfat-Angriffs dokumentiert 3. Information über Gefahrenpotential in betroffenen Regionen und zielsichere Schutzmaßnahmen für Bauwerke Grundwassersituation Beispiel: Mitteldeutsche Braunkohlerevier Quelle: H. Häfner, Regierungspräsidium

6 Grundwassersituation Problem der Säure- und Sulfatfreisetzung z.t. auch im Rheinischen Braunkohlerevier Zieselsmaarsee (NRW) Quelle: Landesumweltamt NRW, Daten und Fakten, 2000 Untersuchungen an geschädigten Bauwerken Bauhaus Universität Weimar, FIB (Dr. Bellmann) Projekt: Gefährdungspotential der betonschädigenden Thaumasitbildung (im Auftrag der DFG) Bericht veröffentlicht im Jan Bislang keine systematische Untersuchung von sulfatexponierten Betonbauwerken in Deutschland Belastung von Fließgewässern durch natürlich bedingte hohe Sulfatkonzentationen relativ selten, lediglich durch anthropogene Einwirkungen (z.b. Tagebau) Belastungen von XA2 Untersuchungen an 20 Bauwerken (Schwerpunkt Thüringen) Expositionen: Sulfat-/sulfidbelastete Gewässer Konzentrierte Salzlösungen Kontakt mit sulfat-/sulfidhaltigem Boden bzw. Gestein

7 Bauwerksuntersuchungen FIB Ergebnisübersicht Natürliche Fließgewässer kaum belastet, erhöhte Werte lediglich bei sehr kleinen Gerinnen Nennenswerte Belastung der Flüsse nur infolge anthropogener Ursachen z. B. Bergbautätigkeit (Pyritoxidation) Starke Schäden folglich nur bei ungewöhnlichen Expositionen Überlegenheit von Hochofenzement (hohe Festigkeiten, geringe Schädigungstiefen) gegenüber Portlandzement (einschl. CEM I-HS) Untersuchungen zum kombinierten Säure-Sulfat-Angriff Ruhr-Universität Bochum, Lehrstuhl für Baustofftechnik Langzeitliche Untersuchungen zu Schädigungsmechanismen im Beton bei kombinierter Einwirkung von Eisensulfat und Schwefelsäure Variationsparameter auf Angriffsseite: Eisendisulfidhaltige Böden aus verschiedenen Vorkommen Prüflösungen mit Schwefelsäure und Eisensulfat - Sulfatgehalt (3.000 bis mg/l) - ph-wert (ph 2 bis ~ph 4) Widerstandsseite: chemische und physikalische Eigenschaften des Betongefüges, v.a. Bindemittelart

8 Einlagerung in Säure-Sulfat-Lösungen nach 12 Monaten Beton mit Portlandzement (w/z = 0,50, z = 400 kg/m³) mg/l SO 4 /ph 4, mg/l SO 4 /ph 3, mg/l SO 4 /ph 2,0 Schädigungsmechanismus im Beton Beton (mit Portlandzement) in Lösung mit mg/l SO 4 /ph 3,7 Gips Ettringit

9 Stand der Forschungsarbeiten Quantitative Bewertung des Gefährdungspotentials von Bauwerken in Tagebauregionen aufgrund unzureichender hydrogeologischer Datenbasis nicht möglich verfügbare Informationen erlauben qualitative Aussagen über Schädigungspotential anhand von worst-case-szenarien Bislang nur wenige Bauwerkschäden infolge saurer und sulfatreicher Grundwässer dokumentiert Aufgrund des langzeitlichen Schädigungsprozesses und des fortschreitenden Austrags von Säure und Sulfat Problematik von zunehmender Bedeutung (erhöhter volkswirtschaftl. Schaden), insbesondere in Regionen mit Wiederanstieg des Grundwassers Erste Erkenntnisse zu Schädigungsmechanismen im Beton infolge kombinierten Säure-Sulfat-Angriffs Entwicklung von konstruktiven/betontechnologischen Maßnahmen zur Erhöhung des Widerstands von Bauwerken in betroffenen Regionen