F 2769 Rolf Breitenbücher, Björn Siebert Verbreitung und Schadenspotenzial saurer und sulfatreicher Grundwässer in Deutschland unter besonderer Berücksichtigung des Wiederanstiegs des Grundwassers Teil 1: Sachstandsbericht Fraunhofer IRB Verlag
F 2769 Bei dieser Veröffentlichung handelt es sich um die Kopie des Abschlußberichtes einer vom Bundesministerium für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung -BMVBS- im Rahmen der Forschungsinitiative»Zukunft Bau«geförderten Forschungsarbeit. Die in dieser Forschungsarbeit enthaltenen Darstellungen und Empfehlungen geben die fachlichen Auffassungen der Verfasser wieder. Diese werden hier unverändert wiedergegeben, sie geben nicht unbedingt die Meinung des Zuwendungsgebers oder des Herausgebers wieder. Dieser Forschungsbericht wurde mit modernsten Hochleistungskopierern auf Einzelanfrage hergestellt. Die Originalmanuskripte wurden reprotechnisch, jedoch nicht inhaltlich überarbeitet. Die Druckqualität hängt von der reprotechnischen Eignung des Originalmanuskriptes ab, das uns vom Autor bzw. von der Forschungsstelle zur Verfügung gestellt wurde. by Fraunhofer IRB Verlag 2011 ISBN 978-3-8167-8502-6 Vervielfältigung, auch auszugsweise, nur mit ausdrücklicher Zustimmung des Verlages. Fraunhofer IRB Verlag Fraunhofer-Informationszentrum Raum und Bau Postfach 80 04 69 70504 Stuttgart Nobelstraße 12 70569 Stuttgart Telefon 07 11 9 70-25 00 Telefax 07 11 9 70-25 08 E-Mail irb@irb.fraunhofer.de www.baufachinformation.de www.irb.fraunhofer.de/bauforschung
LEHRSTUHL FÜR BAUSTOFFTECHNIK UNIV.-PROF. DR.-ING. ROLF BREITENBÜCHER Projekt: Forschungsinitiative Zukunft Bau Verbreitung und Schadenspotenzial saurer und sulfatreicher Grundwässer in Deutschland unter besonderer Berücksichtigung des Wiederanstiegs des Grundwassers Teil 1: Sachstandbericht Auftraggeber: Projektleiter: Bearbeiter: Bundesinstitut für Bau-, Stadt- und Raumforschung (BBSR) im Bundesamt für Bauwesen und Raumordnung (BBR) Prof.-Dr.-Ing. Rolf Breitenbücher Dr.-Ing. Björn Siebert Datum des Berichtes: 30.11.2010 Seiten (inkl. Deckblatt): 127 Der Forschungsbericht wurde mit Mitteln der Forschungsinitiative Zukunft Bau des Bundesinstitutes für Bau-, Stadt- und Raumforschung gefördert. (Aktenzeichen: SF 10.08.18.7-09.28 / II 2 F20-09-51) Die Verantwortung für den Inhalt des Berichtes liegt beim Autor. Die Veröffentlichung des vorliegenden Berichtes, auch auszugsweise, bedarf unserer schriftlichen Genehmigung. Ruhr-Universität Bochum Lehrstuhl für Baustofftechnik Universitätsstraße 150 D 44801 Bochum Tel..: + 49 (0) 234 / 32-28649
LEHRSTUHL FÜR BAUSTOFFTECHNIK Seite 2 von 127 Inhaltsverzeichnis Vorwort... 5 1 Problemstellung und Zielsetzung... 6 2 Vorkommen saurer und sulfatreicher Grundwässer in Deutschland... 9 3 Säure- und Sulfatfreisetzung infolge Eisendisulfidoxidation... 11 3.1 Vorkommen von Eisendisulfiden... 11 3.2 Prozess der Eisendisulfidoxidation... 11 3.3 Einfluss der Oxidationsmittel... 13 3.4 Weitere Einflussfaktoren auf Eisendisulfidoxidation... 14 4 Auswirkungen des Braunkohletagebaus auf Grundwasserbeschaffenheit... 15 4.1 Säure- und Sulfatfreisetzung in Tagebauen... 15 4.1.1 Sulfidoxidation in Absenkungstrichtern und Tagebaukippen... 15 4.1.2 Mobilisierung der Sulfidoxidationsprodukte... 17 4.1.3 Stoffaustrag im Grundwasser... 18 4.2 Situation im Lausitzer Bergbaurevier... 20 4.2.1 Ausmaß der Sulfidoxidation... 20 4.2.2 Großflächige Prognose der Stofffreisetzung... 21 4.3 Situation im Mitteldeutschen Braunkohlerevier... 27 4.3.1 Grundwasserabsenkung... 27 4.3.2 Derzeitige Grundwasserbeschaffenheit... 28 4.4 Situation im Rheinischen Braunkohlerevier... 30 5 Bewertung des Angriffspotenzials auf Betonbauwerke... 33 5.1 Potenziell gefährdete Bauwerke... 33
LEHRSTUHL FÜR BAUSTOFFTECHNIK Seite 3 von 127 5.2 Betonaggressive Konzentrationen... 35 5.3 Stofftransport im Boden... 38 5.4 Dauer der aggressiven Einwirkung... 39 6 Betonkorrosion infolge eines chemischen Angriffs durch Grundwasser... 40 6.1 Dichtigkeit des Betongefüges und Ionentransport... 40 6.2 Sulfatangriff... 44 6.2.1 Allgemeines... 44 6.2.2 Ettringit- und Gipsbildung... 44 6.2.3 Thaumasitbildung... 47 6.2.4 Einfluss des Kations... 49 6.2.5 Korrosionszonen... 50 6.2.6 Einflussparameter auf die Bildung von Schadmineralen... 51 6.3 Säureangriff... 56 6.3.1 Allgemeines zum Säureangriff... 56 6.3.2 Reaktionen beim Säureangriff auf Zementstein... 56 6.3.3 Besonderheit des Angriffs durch Schwefelsäure... 59 6.3.4 Besonderheit des Angriffs durch kalklösende Kohlensäure... 60 6.3.5 Korrosionszonen... 61 6.3.6 Korrosionsfortschritt... 64 6.4 Kombinierter Säure-Sulfat-Angriff... 72 6.4.1 Allgemeine Form des kombinierten Angriffs... 72 6.4.2 Kombinierter Säure-Sulfat-Angriff infolge Eisendisulfidoxidation.. 76 7 Schadensfälle an Betonbauwerken infolge Einwirkung von Säure und Sulfat... 81 8 Prognose des Korrosionsfortschritts im Beton... 85
LEHRSTUHL FÜR BAUSTOFFTECHNIK Seite 4 von 127 8.1 Allgemeines... 85 8.2 Korrosionsfortschritt bei Angriff durch Sulfat... 85 8.3 Korrosionsfortschritt bei Angriff durch Sulfat und Säure (< ph 6)... 86 8.4 Korrosionsfortschritt bei Angriff durch Sulfat und kalklösende Kohlensäure... 88 9 Maßnahmen zur Erhöhung der Dauerhaftigkeit von Betonbauwerken... 90 9.1 Angriffsseite... 90 9.2 Erhöhung des Betonwiderstands... 92 9.3 Weitere Maßnahmen zur Erhöhung des Bauteilwiderstands... 95 10 Offene Fragen und Ausblick... 97 11 Zusammenfassung... 99 12 Literatur... 101 Anhang... 117