12. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Januar 2020 367 Auswirkungen von kalklösender Kohlensäure im Grundwasser auf den Neubau von fünf Schleusen an der Schleusentreppe Rheine Fabian Heidenreich Bundesanstalt für Wasserbau, Karlsruhe, Deutschland Markus Herten Bundesanstalt für Wasserbau, Karlsruhe, Deutschland Zusammenfassung Die vorhandenen Schleusen Venhaus, Rodde, Hesselte, Bevergern und Gleesen am Dortmund-Ems-Kanal sollen in Spundwandbzw. Massivbauweise ersetzt werden. Eine besondere Herausforderung stellte sich im Laufe der Bau-grunderkundungskampagnen heraus, da an allen geplanten Schleusenstandorten im Grundwasser eine Betonaggressivität infolge kalklösender Kohlensäure festgestellt wurde. Bei Bauelementen wie Verpressankern kann sich ein chemischer Angriff auf den Zementkörper gravierend auf das Tragverhalten auswirken, weshalb für die Rückverankerung von Uferspundwänden teilweise auf gerammte Stahlpfähle zurückgegriffen werden musste, die deutlich teurer sind, mehr Ressourcen verbrauchen und Lärm und Erschütterungen beim Einbau verursachen. Daher werden neue Modellversuche zum Tragverhalten von Verpressankern beim Angriff durch kalklösende Kohlensäure unter Einbeziehung von Versuchen in situ durchgeführt. Ziel ist, eine zuverlässige Einschätzung der Tragfähigkeitsverluste zu erhalten, um daraus genauere Regelungen zum Einsatz von Verpressankern bei Vorhandensein von kalklösender Kohlensäure abzuleiten. 1. Einleitung Der Dortmund-Ems-Kanal (DEK) verbindet das Ruhrgebiet mit dem Seehafen Emden, über den abzweigenden Mittellandkanal mit den Seehäfen Bremen und Hamburg und den Industrieregionen in Mittel- und Ostdeutschland. Während der südliche Teil des DEK von Datteln bis Bergeshövede bereits seit 2007 von Großmotorgüterschiffen (GMS) mit einer Länge von 110 m und einer Breite von 11,40 m befahren werden kann, sind auf der Nordstrecke des DEK von Bergeshövede bis Gleesen bisher nur Schiffe mit Abmessungen bis zu 100 m Länge und 9,65 m Breite zugelassen. Damit auch zukünftig die DEK-Nordstrecke zuverlässig und dauerhaft betrieben werden kann, sollen die vorhandenen Schleusen mit Ausnahme der Schleuse Altenrheine, die schon mit größeren Abmessungen errichtet wurde, durch neue Schleusen mit 140 m Nutzlänge und 12,50 m Kammerbreite ersetzt werden. Für Schleusen geringer und mittlerer Hubhöhe kommen für die Konstruktion der Schleusenkammer in der Regel zwei Bauweisen in Betracht. Neben einem flach gegründeten U-Rahmen in Massivbauweise, der den horizontalen Erddruck und den Wasserdruck auf die Kammerwände über Biegung in die Sohle und weiter in den Baugrund abträgt, können alternativ auch vertikale Verbauelemente der Baugrubenkonstruktion als spätere Kammerwand herangezogen werden. Nach eingehenden Untersuchungen zur Wirtschaftlichkeit, zum Bauablauf und zu den Anforderungen aus Betrieb und Unterhaltung wurde entschieden, die drei Schleusen mit geringer Hubhöhe (< 4,00 m) Venhaus, Rodde und Hesselte mit einer Spundwandkammer auszuführen und die zwei Schleusen mit größerer Hubhöhe Bevergern und Gleesen mit einem durchgehenden Stahlbeton-U-Rahmen. Eine besondere Herausforderung für die Bauausführung stellte sich im Laufe der Baugrund-erkundungskampagnen heraus. An allen geplanten Schleusenstandorten wurde im Grundwasser eine Betonaggressivität infolge kalklösender Kohlensäure festgestellt. Bei Bauelementen wie Verpressankern kann sich ein chemischer Angriff auf den Zementkörper gravierend auf das Tragverhalten auswirken, was schon an der Ruhr-Universität Bochum und zuvor an der MPA Stuttgart in Modellversuchen bestätigt wurde. Zur Tragfähigkeit von Ankern und Verpresspfählen unter Einwirkung von kalklösender Kohlensäure sind bisher nur wenige Versuchsreihen ([1], [2], [3]) durchgeführt worden, welche aufgrund der differierenden Versuchsrandbedingungen nur schwer direkt vergleichbar sind. Unterschiede liegen zum Beispiel in der Größe der Ankerkörper und deren Herstellung. In allen Versuchs- 368 12. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Januar 2020 Auswirkungen von kalklösender Kohlensäure im Grundwasser auf den Neubau von fünf Schleusen an der Schleusentreppe Rheine reihen zeigte sich in den ersten Monaten eine deutlich erkennbare Abnahme der Tragfähigkeit, die sich mit fortschreitender Dauer des chemischen Angriffs verlangsamte. Dabei variierte der Tragfähigkeitsverlust zwischen 20 und 80 Prozent (Abb. 1). Abb. 1: Veränderung der maximalen Ankertragfähigkeit in Abhängigkeit der Dauer des chemischen Angriffes Ein Einsatz von Verpressankern ist daher nur eingeschränkt möglich. In einzelnen Bodenschichten betroffener Bereiche wird auf einen dauerhaften Einsatz von Verpressankern vollständig verzichtet. Im ersten Bauabschnitt zum Neubau der Schleusenanlage Gleesen erfolgte die Rückverankerung der Uferspundwände unter anderem mit gerammten Stahlpfählen (Abb. 2). Abb. 2: Rammen der Rückverankerung Die Ausführung war erfolgreich, wobei Testpfähle mit Lasten von bis zu 2.000 kN bis zum Versagen geprüft wurden (Abb. 3). Dennoch stellen gerammte Stahlpfähle gegenüber Verpressankern eine aufwendige und kostenintensive Alternative dar. Die oben beschriebenen Forschungsaktivitäten ([1], [2], [3]) zum Tragverhalten von Verpressankern beim Angriff durch kalklösende Kohlensäure werden daher aufgegriffen und unter Einbeziehung von Versuchen in situ fortgesetzt. Ziel ist eine zuverlässige Einschätzung der Tragfähigkeitsverluste, um daraus genauere Regelungen zum Einsatz von Verpressankern bei Vorhandensein von kalklösender Kohlensäure abzuleiten. Langfristig soll damit eine wirtschaftliche, ökologische, sichere und dauerhafte Ausführung von Rückverankerungen erreicht werden. Abb. 3: Pfahlprobebelastung 2. Neubau von fünf Schleusen an der Schleusentreppe Rheine 2.1 Die Dortmund-Ems-Kanal-Nordstrecke Nach [4] ist der Dortmund-Ems-Kanal (Abb. 4) einer der bedeutendsten künstlichen Wasserstraßen in Deutschland. Zusammen mit dem Rhein-Herne-Kanal und dem Wesel-Datteln-Kanal verbindet er das Ruhrgebiet mit den Seehäfen Emden, Bremen und Hamburg. Der Mittellandkanal, der in Bergeshövede anschließt, stellt die Verbindung zu den Industrieregionen in Mittel- und Ostdeutschland her. GMS mit 2,50 m Abladetiefe befahren bereits seit Juli 2007 den südlichen Teil des DEK, welcher sich zwischen Datteln und Bergeshövede befindet. Der weitere Verlauf bis Papenburg, die DEK-Nordstrecke, soll für größere Schiffsklassen befahrbar werden. Bisher können Schiffe mit bis zu 100 m Länge und 9,65 m Breite die dort vorhandenen Schleusen passieren. 12. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Januar 2020 369 Auswirkungen von kalklösender Kohlensäure im Grundwasser auf den Neubau von fünf Schleusen an der Schleusentreppe Rheine Abb. 4: Dortmund-Ems-Kanal [4] 2.2 Neue Schleusen DEK-Nord Ein Anstieg der transportierten Gütermengen auf diesem Abschnitt von rund 4,5 Mio. Tonnen auf 6,0 Mio. Tonnen ist gemäß [4] prognostiziert. In Kombination mit zunehmenden Schiffsgrößen müssen Schleusen, deren Abmessungen nicht den steigenden Anforderungen gewachsen sind und deren Lebensdauer nach rund 100 Jahren abgelaufen ist, erneuert werden. Dies trifft auf die Schleusen Bevergern, Rodde, Venhaus, Hesselte und Gleesen zu. Die Schleuse Altenrheine, die bereits 1974 erneuert wurde, gehört ebenfalls zu der sog. „Schleusentreppe Rheine“, die sechs Kanalstufen umfasst. In [4] und [5] werden die Baumaßnahmen detailliert erläutert und hier nur kurz zusammenfassend wiedergegeben. Die Neubauten der Schleusen werden eine Kammerlänge von 140 m und eine Kammerbreite von 12,50 m erhalten, so dass GMS und übergroße GMS mit einer Breite von 11,45 m die Schleusen passieren können. Gleichzeitig findet ein Aus- und Umbau der jeweiligen Vorhäfen statt. In Rodde, Venhaus und Hesselte werden die Kammern aufgrund ihrer geringen Fallhöhen zwischen 3,36 und 3,80 m in Spundwandbauweise hergestellt. Der Bau der Schleusen in Bevergern und Gleesen mit Fallhöhen zwischen 6,37 und 8,10 m erfolgt in Stahlbetonbauweise mit zusätzlichen Sparbecken. Der Bauherr, das Wasserstraßenneubauamt Datteln, hat die Ingenieurgemeinschaft „DEK-Nord - Schleusen“, die sich aus den Büros Sweco GmbH, grbv Ingenieure im Bauwesen GmbH & Co. KG, Lahmeyer Hydroprojekt GmbH und IRS Stahlwasserbau Consulting AG zusammensetzt, mit der Objekt- und Tragwerksplanung der Schleusenanlagen, der Vorhäfen sowie der Freiwasserleitungen beauftragt [6]. Die Bundesanstalt für Wasserbau (BAW) erstellte die erforderlichen Geotechnischen Berichte und begleitet die Planung und Ausführung bis zur Verkehrsfreigabe. 3. Einsatz von Verpressankern bei chemischem Angriff 3.1 Angriffsarten In der DIN 4030 [7] werden Grenzwerte für die Zuordnung der verschiedenen chemischen Angriffsarten durch natürliche Böden und Grundwässer bezogen auf die Expositionsklasse angegeben. Die fünf chemischen Angriffsarten des Grundwasser, die einen Angriff auf Zement bzw. Beton bewirken, sind Sulfat (), pH-Wert, kalklösende Kohlensäure (), Ammonium () und Magnesium (). Der Angriffsgrad der einzelnen Untersuchungsparameter wird unterschieden in schwach angreifend (XA1), mäßig angreifend (XA2) und stark angreifend (XA3). Die Angriffsarten lassen sich zusätzlich hinsichtlich einer lösenden oder treibenden Auswirkung auf den Zement bzw. Beton einordnen. Die Folgen des Angriffs durch 370 12. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Januar 2020 Auswirkungen von kalklösender Kohlensäure im Grundwasser auf den Neubau von fünf Schleusen an der Schleusentreppe Rheine Sulfat und Magnesiumsulfat sind treibend, wohingegen die kalklösende Kohlensäure, Ammonium und Magnesiumchlorid auf die Zementoberfläche lösend wirken. Im Hinblick auf geotechnische Elemente, wie Anker und Mikropfähle, ist die Konsequenz des lösenden Angriffs auf die Reduktion der Tragfähigkeit entscheidend, da ihre Kraft über die Mantelfläche in den Baugrund übertragen wird. 3.2 Aktuelle Regelwerke Die Verwendung von Verpressankern bei Anwesenheit von chemisch aggressiven Substanzen im Grundwasser ist durch die DIN SPEC 18537 [8] in Verbindung mit der DIN 1537 [9] geregelt. Hierfür wird zwischen temporärem (< 2 Jahre) und dauerhaftem (> 2 Jahre) Einsatz in Locker- oder Festgesteinen unterschieden. Der Einsatz von Kurzzeitankern in Lockergesteinen ist bei einem Angriffsgrad von XA2 und XA3 und Dauerankern bei einem Angriffsgrad XA1 bis XA3 nur mit Bestätigung eines Sachverständigen, dass das Tragverhalten durch zeitabhängige Verminderung der Mantelreibung nicht beeinträchtigt wird, erlaubt. Temporäre Nutzung bei einem chemischen Angriff XA1 ist zulässig, insofern der Zementmörtel den Vorgaben der DIN 1537 [9] und der DIN 1045 [10] entspricht bzw. bei Sulfatangriff ein zusätzlicher erhöhter Sulfatwiderstand des Zementes vorhanden ist. Zur Beurteilung der Auswirkungen des chemischen Angriffes durch kalklösende Kohlensäure wurden an den Schleusenstandorten Anker für Eignungs- und Untersuchungsprüfungen hergestellt, um eine Aussage über die Tragfähigkeit und für einen temporären Einsatz zu erhalten. Im folgenden Kapitel werden Ergebnisse von drei Schleusen am DEK vorgestellt [11]. 4. In-situ-Versuche 4.1 Schleuse Venhaus 4.1.1 Baugrund Im späteren Baufeld der geplanten Schleuse Venhaus sind zwischen den beiden vorhandenen alten Schleusen umfangreiche Untersuchungen an Verpressankern, Mikropfählen und zur Rammbarkeit von Spundwänden durchgeführt worden [12]. Die Anker wurden in den Jahren 2011 und 2016 geprüft und Grundwasseranalysen durchgeführt. Im Bereich der späteren Untersuchungsanker können auf Grundlage von Bodenaufschlüssen [13] die folgenden Bodenschichten von der Geländeoberkante abwärts definiert werden: Auffüllung, Mittelsand und mergeliger Tonstein (V1). In Tab. 1 sind Bodenparameter der maßgebenden Bodenschichten aufgelistet. Grundwasserbeprobungen aus Grundwassermessstellen im unmittelbaren Umfeld zeigen bei der Herstellung der Anker im Jahr 2011 mit einem Wert von 1 mg/ l kalkaggressiver Kohlensäure keine Auffälligkeiten. Die Ergebnisse der Grundwasseranalysen im Jahr 2016 liefern einen Wert von rund 43 mg/ l kalkaggressive Kohlensäure, was zu einer Einstufung als chemisch mäßig angreifend (XA2) nach [12] führt. Mögliche Gründe für diesen Anstieg sind neben einer natürlichen Schwankung der Konzentration eine verbesserte Probennahme sowie eine zeitnahe Untersuchung des ausführenden Labors. Zusätzlich kann unterschiedliche Software zu abweichenden Ergebnissen führen, was in [14] anhand eines Ringversuches aufgezeigt wurde. φ’ k (°) c’ k (kN/ m²) k f (m/ s) V1 25,0 20 1 x 10 -9 … 5 x 10 -6 * * Pumpversuche Tab. 1: Bodenkennwerte relevanter Bodenschichten in Venhaus 4.1.2 Ankerherstellung Sechs Einstabanker wurden in zwei unterschiedlichen Längen, je drei Anker mit einer Verpresskörperlänge von 3 m (VEN 401-403) und 5 m (VEN 404-406), eingebaut und in den Jahren 2011 und 2016 einer Untersuchungsprüfung unterzogen. Die Zementkörper befinden sich in ganzer Länge im mergeligen Tonstein (V1), wie in Abb. 5 dargestellt. Die 75 mm starken Zugglieder wurden in ein 160 mm großes Bohrloch eingesetzt. Die Zementsuspension wurde mit 4 bis 6 bar verpresst, oberhalb der Verpressstrecke mit Wasser freigespült und der Freiraum mit einer Bentonitsuspension verfüllt. Die als Widerlager dienenden Stahlbetonfundamente wurden nach der ersten Prüfung entfernt und die Zugglieder bis unterhalb der Geländeoberfläche gekürzt. Für die zweite Untersuchung im Jahr 2016 wurden die Anker freigelegt und ein neues Widerlager verwendet. Die freie Stahllänge der Verpressanker hat sich durch diesen Vorgang von ca. 18,65 m auf ca. 16,60 m reduziert. Abb. 5: Ausschnitt des Bodenprofils im Bereich der Einstabanker 12. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Januar 2020 371 Auswirkungen von kalklösender Kohlensäure im Grundwasser auf den Neubau von fünf Schleusen an der Schleusentreppe Rheine 4.1.3 Ankerprüfung Die vorab festgelegte maximale Prüflast für die erste Untersuchung beträgt 2.812 kN und wurde für die zweite Prüfung in 2016 aufgrund einer möglichen Schwächung des Stahls durch Korrosion auf 2.665 kN reduziert. Mit Werten zwischen 1.950 kN und 2.665 kN sind die Herausziehwiderstände der kürzeren Verpressanker (VEN 401-403) bei beiden Untersuchungen in einem identischen Bereich, wie beispielhaft für den Anker VEN 403 in Abb. 6 zu sehen ist. Die elastischen Verformungen erreichen während der Belastungsstufen im Jahr 2011 mit 44,8 bis 58,8 mm bzw. 44,5 bis 66,1 mm im Jahr 2016, trotz der verkürzten konstruktiven freien Stahllänge, identische Werte. Erwartungsgemäß sind die plastischen Verformungen am Ankerkopf im Jahr 2011 mit 15,3 bis 29,9 mm höher als 2016, die zwischen 8,6 und 24,6 mm betragen. Über die Laststufen ist der Verlauf des Kriechmaßes in 2016 identisch zu 2011, wobei die Werte tendenziell geringfügig geringer sind. Trotz der Verkürzung des Stahlzugglieds ist die rechnerisch freie Stahllänge von 19,5 bis 20,4 m auf 20,7 bis 23,4 m, also um bis zu drei Meter, gestiegen. Die langen Verpressanker (VEN 404-406) erreichen bei den Herausziehwiderständen mit 2.512 und 2.812 kN in beiden Prüfungen gleichbleibende Werte, wie in Abb. 6 zu sehen. Bei den elastischen Verformungen mit 52,1 bis 58,1 mm werden bei beiden Messungen identische Werte erfasst. Abb. 6: Kraft-Verschiebungslinie der Anker V403 (kurz) und V406 (lang) Hingegen gehen die plastischen Verformungen um rund 75% auf 4,6 bis 10,3 mm zurück. Die Entwicklung des Kriechmaßes mit steigender Laststufe ist bei den Ankern (VEN 404-405) nahezu deckungsgleich, wohingegen bei Anker VEN 406 erst im höheren Lastbereich die Kurven ähnlich verlaufen (Abb. 7). Die Werte der rechnerisch freien Stahllänge der langen Anker sind mit 19,0 bis 20,2 m gegenüber 18,3 bis 20,8 m im Jahr 2016 trotz der Verkürzung nahezu gleich. Abb. 7: Entwicklung des Kriechmaßes während der Ankerprüfungen der Anker VEN 403 (kurz) und VEN 406 (lang) 4.2 Schleuse Bevergern 4.2.1 Baugrund In Bevergern wurden zwischen der bestehenden und der neu geplanten Schleuse im Jahr 2011 Litzenanker für die Eignungsprüfung eingebaut. Die Bodenschichtung im Bereich der Anker kann gemäß [15] von oben nach unten wie folgt beschrieben werden: Auffüllungen, feiner bis mittlerer Sand (B1), schluffiger Sand / sandige Schluffe (B2) und Geschiebemergel (B3). Die maßgebenden Bodenparameter der Bodenschichten im Bereich der Verpresskörper sind in Tab. 2 aufgelistet. Die Grundwasseranalysen im Jahr 2011 zeigen einen Gehalt an kalklösender Kohlensäure von etwas über 20 mg/ l. Bei Messungen in den Jahren 2016 und 2018 372 12. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Januar 2020 Auswirkungen von kalklösender Kohlensäure im Grundwasser auf den Neubau von fünf Schleusen an der Schleusentreppe Rheine konnte ein leichter Anstieg des angreifenden Mediums mit rund 40 mg/ l festgestellt werden. Anhand der Werte wird eine Klassifizierung nach [7] als mäßig aggressiv (XA2) vorgenommen. φ’ k (°) c’ k (kN/ m²) k f (m/ s) B1 32.5 0 2 x 10 -5 … 5 x 10 -4 * B2 27.5 10 1 x 10 -8 … 4 x 10 -5 * B3 27.5 10 1 x 10 -9 … 5 x 10 -6 ** * Empirischer Ansatz nach Hazen ** Empirischer Ansatz nach Kaubisch Tab. 2: Bodenkennwerte relevanter Bodenschichten in Bevergern Ein Ausschnitt des Bodenprofils mit einer schematischen Darstellung der Anker ist in Abb. 8 zu sehen. 4.2.2 Ankerherstellung In einem Winkel von 30° wurden sechs Litzenanker mit je neun Litzen mit einem Durchmesser von 0,6‘‘ eingebaut. Die kürzeren Anker (BEV 101-103) mit einer Verpresskörperlänge von 5 m liegen in feinen bis mittleren Sanden. Tiefer befinden sich die längeren Anker (BEV 201-203) mit 9 m Verpresskörperlänge in schluffigen Sanden im Übergang zum Geschiebemergel. Zur Herstellung wurde ein Loch mit 141 mm Außendurchmesser gebohrt, die Zementsuspension mit 6 bis 8 bar eingepresst, oberhalb des Verpresskörpers freigespült und der Freiraum mit einer Bentonitsuspension verfüllt. Während der ersten Prüfung in 2011 diente eine Spundwand als Widerlager, die im Anschluss gezogen worden ist und die Tragglieder entsprechend gekürzt wurden. Ein neues Betonfundament wurde für die zweite Prüfung installiert. Durch die Kürzung nach der Erstuntersuchung ist die freie Stahllänge von 22,8 auf 19,1 m bzw. 12,8 auf 9,1 m reduziert. Abb. 8: Ausschnitt des Bodenprofils im Bereich der Litzenanker 4.2.3 Ankerprüfung Die Prüflast für die Untersuchungsprüfung ist in beiden Prüfungen mit 1.750 kN festgelegt. Die Laststufen der zweiten Prüfung sind der ersten Untersuchung nachempfunden. Die Herausziehwiderstände liegen 2011 bei 610 bis 1.025 kN bei den kürzeren Ankern (BEV 101-103) und somit im Bereich der zweiten Untersuchung im Jahr 2018, in der Werte von 660 bis 950 kN erreicht werden. Exemplarisch sind die Kräfte von Anker BEV 101 in Abb. 9 zu erkennen. Die Berechnung der elastischen Verformungen der ersten Ankerprüfung ergibt Werte zwischen 31,5 und 49,2 mm. Durch die Kürzung der Litzen verringern sich diese Werte in 2018 auf 25,3 bis 39,6 mm. Die plastischen Dehnungen gehen von 18,2 bis 24,4 mm im Jahr 2011 auf 12,2 bis 15,7 mm zurück. Die Werte des Kriechmaßes über die einzelnen Laststufen liegen in der zweiten Untersuchung zu großen Teilen unterhalb der ersten Prüfung, wie in Abb. 10 dargestellt. Die Verkürzung der Litzen zeigt sich deutlich in der rechnerischen freien Stahllänge, die in 2011 rund 12,5 m entspricht und sich in der zweiten Prüfung zwischen 9,1 und 10,2 m befindet. Bei den längeren Litzenankern (BEV 201-203) ist der Herausziehwiderstand bei der Erstprüfung zwischen 1.375 bis 1.750 kN und damit gleichbleibend bis geringer als in der Untersuchung 2018 mit Werten zwischen 1.550 und 1.750 kN, wie in Abb. 9 für Anker BEV 202 zu sehen. Mit elastischen Verformungen zwischen 151,2 und 155,3 mm liegen in beiden Untersuchungen, trotz der Verkürzung der Tragglieder, ähnliche Werte vor. Nur für den Anker BEV 201 beträgt der Wert im Jahr 2018 130,5 mm. Die plastischen Verformungen im Jahr 2011 liegen zwischen 18,9 und 26,5 mm und damit oberhalb der Werte aus der zweiten Prüfung, bei der die Werte von 11,6 bis 18,4 mm reichen. Wie bei den kurzen Ankern liegen die Kriechmaße in 2018 minimal unter den Werten aus 2011. Beispielhaft ist das Kriechmaß von Anker BEV 202 in Abb. 10 zu sehen. Die rechnerisch freien Stahllängen der Anker BEV 202- 203 liegen 2011 bis zu 1 m über der konstruktiv ausgebildeten Stahllänge von 22,8 m und in 2018 bis zu 4,8 m über dem Wert. Die rechnerisch freie Stahllänge des Ankers BEV 201 entspricht der tatsächlich freien Stahllänge. 4.3 Schleuse Gleesen 4.3.1 Baugrund Im Uferbereich des Unterwassers der Schleuse Gleesen befinden sich sechs Forschungsanker. Die Bodenschichtung ergibt sich gemäß [16] wie folgt: Auffüllungen, mitteldichte bis dichte Sande (G1), Geschiebemergel (G2), dichte bis sehr dichte Sande (G3), Sande mit Ton- und Schlufflinsen (G4) und tertiäre Sande. Die relevanten Bodenparameter sind in Tab. 3 aufgeführt. 12. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Januar 2020 373 Auswirkungen von kalklösender Kohlensäure im Grundwasser auf den Neubau von fünf Schleusen an der Schleusentreppe Rheine Abb. 9: Kraft-Verschiebungslinie der Anker BEV 101 (kurz) und BEV 202 (lang) Abb. 10: Entwicklung des Kriechmaßes während der Ankerprüfungen der Anker BEV 101 (kurz) und BEV 202 (lang) Die ersten Beprobungen der nahegelegenen Grundwassermessstellen zeigen in 2011 einen kalklöslichen Kohlensäuregehalt von 30 bis 40 mg/ l. Im Zuge des Baus einer nahegelegenen Uferwand und daraus resultierender Grundwasserströmungsänderungen steigen die Werte im Jahr 2017 auf bis zu 58 mg/ l und 110 mg/ l im Jahr 2018. Die neuesten Analyseergebnisse des Grundwassers zeigen wieder einen Rückgang der Werte auf 20 bis 50 mg/ l. Die Werte sind nach [7] als mäßig aggressiv (XA2) eingestuft. Der Wert von mehr als 100 mg/ l bewirkt eine Klassifizierung in eine stark angreifende Umgebung (XA3). φ’ k (°) c’ k (kN/ m²) k f (m/ s) G1 35.0 0 1 x 10 -3 … 1 x 10 -5 * G2 32.5 5 5 x 10 -5 … 5 x 10 -8 ** G3 37.5 0 1 x 10 -3 … 1 x 10 -4 * G4 32.5 0 1 x 10 -3 … 1 x 10 -5 * * Empirischer Ansatz nach Beyer ** Empirischer Ansatz nach Kaubisch Tab. 3: Bodenkennwerte relevanter Bodenschichten in Gleesen 4.3.2 Ankerherstellung Die sechs Einstabanker (FA 1-6) sind alle gleich ausgebildet und vertikal eingebaut. Das Zugglied mit einem Durchmesser von 63,5 mm wurde in ein 185 mm großes Bohrloch eingesetzt. Die Verpresskörper wurden durch eine Wasserspülung auf 5 m begrenzt und der Freiraum mit einer Bentonitsuspension verfüllt. In Abb. 11 ist die Lage der Verpressanker schematisch dargestellt, die sich im Sand und in Sanden mit Schlufflinsen befinden. Bei der Herstellung wurde ein Verpressdruck von 5 bar aufgebracht. Die Widerlager aus Betonfundamenten verbleiben und eine Überwachung der Ankerkräfte erfolgt permanent durch eine Kraftmessdose am Ankerkopf. Abb. 11: Ausschnitt des Bodenprofils im Bereich der Einstabanker 374 12. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Januar 2020 Auswirkungen von kalklösender Kohlensäure im Grundwasser auf den Neubau von fünf Schleusen an der Schleusentreppe Rheine 4.3.3 Ankerprüfung Für die Forschungsanker wurde zunächst eine Prüflast von 1.670 kN festgelegt, welche aber bei der ersten Prüfung des Ankers FA 5 reduziert werden musste. Zusätzlich eingebaute Lichtwellenleiter wurden aufgrund der großen Verformungen und Setzungen der Widerlager bereits auf der vierten Laststufe beschädigt. (Auf die Ergebnisse der Messung mit den eingebauten Lichtwellenleitern wird hier nicht weiter eingegangen.) Somit wurden die folgenden Verpressanker mit 480-660-840- 840-1020-1200 kN als Laststufen geprüft. Aus demselben Grund wurde bei der zweiten Untersuchung das Belastungsschema nochmals reduziert und die maximale Last auf 950 kN angesetzt. Im Anschluss an die jeweiligen Untersuchungen wurden die Anker mit einer Last von ca. 840 kN festgelegt. Die elastischen Verformungen beider Untersuchungen liegen im Bereich zwischen 11,6 und 14,3 mm und sind nahezu identisch. Starke Unterschiede sind bei den plastischen Verformungen zu sehen. Diese befinden sich im Jahr 2017 bei 6,1 bis 14,9 mm, wobei hingegen die Werte bei der zweiten Untersuchung im Wertebereich von 0,8 bis 2,5 mm liegen. Exemplarische Darstellungen der Kraft-Verschiebungslinie der Anker FA 1 und FA 6 sind in Abb. 12 wiedergegeben. Über die Laststufen entwickeln sich die Kriechmaße ähnlich, wobei die Werte in 2018 zum Großteil geringer sind, wie in Abb. 13 zu sehen ist. Abb. 12: Kraft-Verschiebungslinie der Anker FA 1 und FA 6 Abb. 13: Entwicklung des Kriechmaßes während der Ankerprüfungen der Anker FA 1 und FA 6 Die rechnerischen freien Stahllängen der Anker FA 1, FA 2 und FA 5 betragen im Jahr 2017 zwischen 10,7 und 11,0 m. Bei der zweiten Untersuchung stellen sich mit 9,4 bis 9,9 m kleinere Werte ein. Gleichbleibende Werte konnten bei den Ankern FA 4 und FA 6 ermittelt werden. Nur beim Anker FA 3 ergab die zweite Untersuchung eine rechnerisch größere freie Stahllänge. Alle Werte liegen deutlich über der konstruktiv ausgebildeten freien Länge von 7,65 m. Zusätzlich wurden die Höhen der Betonwiderlager vor, nach und während den Ankerprüfungen durch einen Vermesser bestimmt. Die aus dem ersten Test resultierenden Setzungen der Widerlager liegen bei etwa 20 mm. Bis zur zweiten Prüfung wurden durch die Festlegung ca. 8 mm weitere Setzungen verursacht. Während der zweiten Prüfung konnte nur eine zusätzliche Setzung der Fundamente im Bereich von 1 mm festgestellt werden. 5. Konsequenzen für Baumaßnahmen Der vorhandene Angriff durch kalklösende Kohlensäure an den Baustellen Venhaus, Bevergern und Gleesen, wie im vorherigen Kapitel aufgezeigt, führt in Verbindung mit den aktuellen Regelwerken (Kapitel 3.2) zu einem eingeschränkten Einsatz von Verpressankern und Mikropfählen. In diesen drei Fällen hat die BAW auf Grundlage der bisherigen Erkenntnisse aus den umfangreichen In-situ-Versuchen unter Berücksichtigung der Modell- 12. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Januar 2020 375 Auswirkungen von kalklösender Kohlensäure im Grundwasser auf den Neubau von fünf Schleusen an der Schleusentreppe Rheine versuche im Labor ([1], [2], [3]) für diese Baumaßnahmen die folgenden Empfehlungen gegeben: An der Schleuse Venhaus ist der dauerhafte Einsatz im Bereich des Tonsteins unter der Bedingung des Nachweises einer Wasserdurchlässigkeit unter 3 Lugeon erlaubt. In den Sanden ist ein dauerhafter Einsatz nicht gestattet und ein temporärer Einsatz von Verpressankern und Mikropfählen nur unter Berücksichtigung ausreichender Tragfähigkeitsreserven realisierbar. Die dauerhafte Verwendung in Bevergern ist in den Schichten des Geschiebelehms/ -mergels und sandigen Schluffes bzw. schluffigen Sande mit einer Durchlässigkeit k f < 1 x 10-7 m/ s aufgrund der Ergebnisse der Modellversuche von [2] und [3] zugelassen. Als Resultat der In-situ-Versuche dürfen in den durchlässigen Böden zur temporären Verankerung Verpressanker und Mikropfähle unter Berücksichtigung einer zusätzlichen Tragfähigkeitsreserve bis zu fünf Jahren eingesetzt werden. Der dauerhafte Einsatz ist beim Neubau der Schleuse Gleesen aufgrund der geringfügigen Erkenntnisse aus Langzeitversuchen nicht geplant. Temporäre Verankerungen können im Bereich des chemischen Angriffs für die geplante Nutzungsdauer des geotechnischen Elements mit Rücksicht auf ausreichende Reserven des Herausziehwiderstands verwendet werden. 6. Neue Laborversuche Im Widerspruch zu den aufgezeigten Prüfungen an Verpressankern auf den Baustellen Venhaus, Bevergern und Gleesen, stehen die Ergebnisse der eingangs erwähnten Laborversuche (Abb. 1) von [1], [2], [3], in welchen zum Teil signifikante Tragfähigkeitsverluste dokumentiert sind. Die Unterschiede bei den Versuchsergebnissen in den Modellversuchen lässt sich zum Teil auf die unterschiedlichen Versuchsrandbedingungen, wie beispielsweise Herstellungsprozess, Verhältnis Ankerdurchmesser zu Behältergröße, Temperatur sowie Auflastspannungen, zurückführen. Zur Verifizierung und einer Reduktion der Abweichungen der bisherigen Ergebnisse werden neue Laborversuche an der BAW durchgeführt. Hierbei werden möglichst realitätsnahe Herstellungs- und Versuchsbedingungen, wie Verpressen des Zements, chemischer Angriff ab Herstellungsbeginn, durchgehende Auflastspannung und großes Verhältnis zwischen Anker- und Behälterdurchmesser, berücksichtigt. Der erste Versuchsstand (Abb. 14) ist seit Frühjahr 2019 im Betrieb und wird Ende 2019 mit sechs weiteren Behältern ergänzt, um eine ausreichende Anzahl an Versuchen mit unterschiedlichen Laufzeiten durchzuführen. Geplant ist die Durchführung von jeweils mindestens zwei Ausziehversuchen an Verpressankern ohne chemischen Angriff sowie nach drei, sechs, neun und zwölf Monaten Umströmung mit einer Konzentration an kalklösender Kohlensäure von 100 mg/ l. Im Anschluss sollen nach Auswertung der Ergebnisse auch Langzeitversuche von bis zu 5 Jahren durchgeführt werden. Die Kornverteilung wird in Anlehnung an die Versuche von [1] zusammengestellt und der Sand hinsichtlich eines möglichst niedrigen Kalkgehaltes ausgewählt. Weiterhin wird das Wasser vor und nach dem Umströmen des Zementkörpers untersucht sowie in verschiedenen Abständen während des Verpressvorgangs. Abb. 14: Neuer Versuchsstand Während der Erprobungsphase wurde eine erste Testreihe zum Vergleich der Ausziehkraft eines verpressten gegenüber eines unverpressten Zementkörpers untersucht. Insgesamt wurden fünf Anker hergestellt, die jeweils sieben Tage ausgehärtet sind und durchgehend mit normalem Leitungswasser umströmt wurden. Eine Auflast von 300 kN/ m² wurde mittels eines Druckkissens aufgebracht. Bei zwei der fünf Anker wurde die Zementsuspension eingefüllt und das Stützrohr gezogen. Die anderen drei Verpressanker wurden nach Ziehen des Stützrohres zusätzlich mit 3 bar verpresst. Die maximalen Herausziehwiderstände der unverpressten Zementsteinkörper liegen bei nur rund 55 bis 60% der verpresst hergestellten Anker. Entscheidender Faktor dieses deutlichen Unterschiedes ist der herstellungsbedingte Ankerdurchmesser, der sich um rund 1 mm unterscheidet. Im Gegenzug dazu haben [17] und [18] mit Lagerungsversuchen von Zementkörpern im Wasser mit unterschiedlichen Zementsorten, Wasser-Zement-Werten und Zuschlagsstoffen festgestellt, dass ein Abtrag zwischen 2 bis 3 mm bei Einwirkung von kalklösender Kohlensäure stattfindet. Diese Einwirkungstiefe im Vergleich zu dem Unterschied des Herausziehwiderstands mit einem Millimeter zeigt, dass negative Auswirkungen auf die Tragfähigkeit des Modellankers unter der Einwirkung von kalklösender Kohlensäure zu erwarten sind. 7. Zusammenfassung und Ausblick Der DEK ist eine bedeutende Wasserstraße und Bedarf der Erneuerung und Anpassung an die gestiegenen Anforderungen der Schifffahrt. Im Zuge der Planungen wurden an den Schleusen des DEK Nord deutlich er- 376 12. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Januar 2020 Auswirkungen von kalklösender Kohlensäure im Grundwasser auf den Neubau von fünf Schleusen an der Schleusentreppe Rheine höhte Konzentrationen an kalklösender Kohlensäure festgestellt, was in Verbindung mit den gültigen Normen dazu führt, dass der Einsatz von Verpressankern und Mikropfählen zur Rückverankerung von Uferwänden, zum Einsatz als Auftriebssicherung oder zur Baugrubensicherung stark eingeschränkt ist. Damit verbundene alternative Lösungen sind meist kostenintensiver und beim Einbau störender für die Umgebung. Infolgedessen wurden an verschiedenen Standorten am DEK Untersuchungen bzgl. der Veränderung des Herausziehwiderstandes über die Zeit durchgeführt. Diese zeigen nach zeitlichen Abständen zwischen einem und sieben Jahren keine signifikanten Änderungen in der Tragfähigkeit bei Einwirkung der kalklösenden Kohlensäure. Im Kontrast dazu stehen die Laborversuche aus den Jahren 1993 [1], 2004 [2] und 2008 [3], die einen Verlust von 20 bis 80% aufzeigen. Aus diesem Grund werden an der BAW großmaßstäbliche Modellversuchsreihen an sieben Versuchsbehältern mit einem chemischen Angriff durch kalklösende Kohlensäure durchgeführt, um die Versuchsergebnisse zu verifizieren. Die späteren Ergebnisse sollen zu ergänzenden Handlungsempfehlungen für Verpressanker und Mikropfähle bei kalklösender Kohlensäure im Grundwasser führen. Literaturverzeichnis [1] Manns, W.; Lange, H.-D. (1993): Einfluss aggressiver Wässer und Böden auf das Langzeitverhalten von Verpreßankern und Verpreßpfählen. Stuttgart: Forschungs- und Materialprüfungsanstalt Baden-Württemberg (Abschlußbericht zu Teil II - Ausziehversuche -). [2] Hof, C. (2004): Über das Verpressankertragverhalten unter kalklösendem Kohlensäureangriff. Bochum: Inst. f. Grundbau und Bodenmechanik der Ruhr-Universität Bochum (Dissertation, Heft 35). [3] Triantafyllidis, T.; Schreiner, V. (2008): Tragverhalten von Verpressankern unter kalklösender CO2-Belastung. Stuttgart: Fraunhofer IRB-Verl. (Abschlussbericht, Bauforschung T. 3167). [4] Maßmann, B. (2015): 100 Jahre alte Schleusen werden ersetzt: „Das Projekt Neue Schleusen DEK- Nord“. In: Bundesanstalt für Wasserbau (Hg.): Projekte der Geotechnik an Bundeswasserstraßen. Karlsruhe: Bundesanstalt für Wasserbau. S. 73-81. [5] Maßmann, B. (2019): Das Projekt Neue Schleusen DEK-Nord und die praktische Anwendung verschiedener Bauverfahren. In: Bundesanstalt für Wasserbau (Hg.): Verfahren des Spezialtiefbaus. Karlsruhe: Bundesanstalt für Wasserbau. S. 51-56. [6] Maßmann, B.; Neif, S.; Renze, H. (2019): Planung und Umsetzung von fünf großen Bauprojekten an der Dortmund-Ems-Kanal-Nordstrecke. In: Bautechnik 96 (8), S. 632-637. [7] DIN 4030-1: 2008-06: Beurteilung betonangreifender Wässer, Böden und Gase - Teil 1: Grundlagen und Grenzwerte. [8] DIN SPEC 18537: 2017-11: Ergänzende Festlegungen zu DIN EN 1537: 2014-07, Ausführung von Arbeiten im Spezialtiefbau - Verpressanker. [9] DIN EN 1537: 2014-07: Ausführung von Arbeiten im Spezialtiefbau - Verpressanker. [10] DIN 1045-1: 2008-08: Tragwerke aus Beton, Stahlbeton und Spannbeton - Teil 1: Bemessung und Konstruktion. [11] Heidenreich, F.; Herten, M.; König, D. (2019): Attack of lime-dissolving carbonic acid in in situ tests on the load capacity of grouted anchors in sands. In: International Society for Soil Mechanics and Geotechnical Engineering (Hg.): Proceedings of the XVII ECSMGE 2019. Reykjavik, S.1-8. [12] Bergholz, K.; Herten, M. (2012): Proberammungen und Probebelastungen von Spundwänden am DEK- Nord. In: Bundesanstalt für Wasserbau (Hg.): BAW Mitteilungen 95. Karlsruhe: Bundesanstalt für Wasserbau. S. 125-138. [13] Bundesanstalt für Wasserbau (2013): Geotechnischer Bericht zum Neubau der Schleusenanlage Venhaus (BAW-Gutachten, A3952.02.10119-2). [14] Schäfer, C.; Reindl, B.; Müller, R.; Franke, P. (2006): Calcitlösekapazität - Ein Survey zur Berechnung. Erlangen: Bayerisches Landesamt für Gesundheit und Lebensmittelsicherheit (Systeme, Prozesse, Konformität - Band 1). [15] Bundesanstalt für Wasserbau (2013): Neubau der Schleusenanlage Bevergern - Geotechnischer Bericht (BAW-Gutachten, A3952.02.10117-2). [16] Bundesanstalt für Wasserbau (2013): Neubau der Schleusenanlage Gleesen - Geotechnischer Bericht (BAW-Gutachten, A3952.02.10116-2). [17] Locher, F. W.; Sprung, S. (1975): Die Beständigkeit von Beton gegenüber kalklösender Kohlensäure. In: beton 25 (7), S. 241-245. [18] Grün, R. (1936): Einwirkung von Kohlensäure auf Zementmörtel und Beton. In: Zentralblatt der Bauverwaltung 56 (50), S. 1373ff.