7. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Juli 2021 217 Planung als Voraussetzung zur dauerhaften Instandhaltung von Rissen mit Rissfüllstoffen Dr.-Ing. Angelika Eßer Universität Duisburg-Essen, Essen Univ.-Prof. Dr.-Ing. Martina Schnellenbach-Held Universität Duisburg-Essen, Essen Zusammenfassung Instandsetzungsziele mit der passenden Wahl der Rissfüllstoffe zur dauerhaften Instandhaltung können nur erreicht werden, wenn die Situation am Bauwerk erfasst und der Anwendungsbereich genau definiert worden ist. Bei der zugehörigen Planung gemäß den aktuellen Regelwerken auf Basis von Prinzipien und zulässigen Verfahren müssen dabei vor allem die füllstoffspezifischen Verwendungsbedingungen und die Leistungsfähigkeit der eingesetzten Stoffe beachtet werden. Dieser Beitrag liefert einen Überblick darüber, was bei der Planung beim kraftschlüssigen, dehnbaren und quellfähigen Füllen von Rissen zu beachten ist. 1. Einleitung Ein Füllen von Rissen durch eine Rissinjektion oder ein Vergießen mit geeigneten polymeren oder zementgebundenen Rissfüllstoffen ist nur erforderlich, wenn die Auswirkungen auf das Bauwerk aufgrund der Risse im Hinblick auf • Tragfähigkeit, • Gebrauchstauglichkeit • Dauerhaftigkeit, • Ästhetik nicht hingenommen werden können. Ein Handlungsbedarf ergibt sich vorwiegend in Bezug auf Beschränkungen der Gebrauchstauglichkeit und der Dauerhaftigkeit. Trennrisse in erdberührten Bauteilen, wie sie z. B. häufig in Tunnelwänden, in Wänden oder Bodenplatten von wasserundurchlässigen Betonkonstruktionen auftreten, können aufgrund von Wasserdurchdringungen in Form von Durchfeuchtungen bis zur Druckwasserführung die Nutzung einschränken oder ausschließen. Die Dauerhaftigkeit wird z. B. in Frage gestellt, wenn zulässige Rissbreiten in Abhängigkeit der vorherrschenden Exposition überschritten werden. Eine Hilfe zur Einschätzung der Situation hinsichtlich noch akzeptabler Rissbreiten bietet das DBV-Merkblatt „Begrenzung der Rissbildung im Stahl- und Spannbetonbau“ [1]. Die stets fortgeschriebenen nationalen Regelwerke für die Instandhaltung von Betonbauwerken [2] bis [8] bilden je nach Zuständigkeit und Anwendungsbereich eine Grundlage für eine sachkundige Planung. 2. Rissfüllstoffe Zur Verfügung stehen polymerhärtende (P) oder zementgebundene, also durch Hydratation härtende Rissfüllstoffe (H). Sie werden in den aktuellen nationalen Regelwerken und Fortschreibungen nicht mehr nach Stoffgruppen (z B. Epoxidharz (EP), Polyurethan (PUR), Zementleim (ZL), Zementsuspension (ZS)) eingeteilt, sondern in Anlehnung an DIN EN 1504-5 [10] nach ihren Eigenschaften und ihrer Leistungsfähigkeit. So unterscheidet man Rissfüllstoffe zum: • Kraftschlüssigen Füllen (F: force transmitting), sie übertragen Zug-, Druck- und Schubkräfte. Unter einer kraftübertragenden Rissflankenverbindung kann für das Bauteil der ungerissene Zustand I mit höherer Biegesteifigkeit des Bauteils im Vergleich zum gerissenen Zustand (Zustand II) angesetzt werden. Der Aufbau von Zwangspannungen, die zu einer Neurissbildung führen können, ist möglich. • Dehnbaren Füllen (D: ductile), sie verbinden die Betonflanken zur Aufnahme der Rissbreitenänderungen weich-elastisch, die Steifigkeitsverhältnisse des gerissenen Stahlbetonquerschnitts werden beibehalten. Bei diesen Bauteilen ist mit höheren Verformungen zu rechnen. Aufgrund der Rissbewegungen bauen sich keine wesentlichen Zwangspannungen neu auf. 218 7. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Juli 2021 Planung als Voraussetzung zur dauerhaften Instandhaltung von Rissen mit Rissfüllstoffen • Quellfähigen Füllen (S: swelling fitted), sie dichten Risse und Hohlräume durch wiederholtes Quellen durch Wasserabsorption ab. Sie Schwinden bei Austrocknung. In den nationalen Anwendungsdokumenten [2] bis [8] werden die quellfähigen Rissfüllstoffe nicht behandelt, für einige Produkte liegt für die Anwendung im Stahlbetonbau eine bauaufsichtliche Zulassung für einen eingeschränkten Anwendungsbereich vor. Die Klassifizierung der Rissfüllstoffe erfolgt über • Allgemeine Merkmale (z. B. Zug- Druckfestigkeiten, Haftzugfestigkeiten, Glasübergangstemperatur (nur bei polymeren Stoffen), Volumenänderung, Chloridgehalt (nur bei zementgebundenen Stoffen) • Verarbeitbarkeitsmerkmale (z. B. Injizierbarkeit, Viskosität) • Reaktionsfähigkeitsmerkmale (z. B. Verarbeitbarkeitsdauer, Festigkeitsentwicklung, Erstarrungszeit (nur bei H)), • Dauerhaftigkeit (Beibehaltung der Rissfüllstoffmerkmale nach z. B. Temperaturwechselbeanspruchungen, Nass-Trocken-Zyklen, Verträglichkeit mit Beton und allen Kontaktstoffen). 3. Erfassung der Bauwerkssituation Die Bauwerkssituation muss durch eine Ist-Zustandsanalyse, z. B. nach [3], beschrieben werden, zu erfassen sind: • Rissmerkmale (Rissart, Rissverlauf, Rissbreite, Rissbreitenänderung, Zustand: Feuchte, Verschmutzung, Aussinterung, vorangegangene Maßnahmen, Einbauten), • Einwirkungen auf das Bauwerk aus Lasten und Zwang, • angewandte Bemessungsverfahren, • Ursachen zur Trennrissbildung (herstellungs- oder nutzungsbedingt), • Lage und Querschnitt der Bewehrung, • Baugrundeigenschaften, • Bemessungswasserstand, • hydraulischer Wasserdruck, • chemischer Angriffsgrad des Wassers, • Möglichkeiten zur Selbstheilung, • Zugängigkeit. Bei einer Aufnahme der Rissbreiten sind die augenblickliche Situation erfassende, genauer beschreibende Angaben zur Bewertung der Messergebnisse dringend erforderlich, wie z. B.: • Einwirkungszustand (z. B. Behälter gefüllt oder leer), • Meteorologische Bedingungen bei Bauteilen im Freien (Bauwerkstemperatur, Lufttemperatur, Witterungsverhältnisse, Sonnenbestrahlung (bewölkt, sonnig)), • Datum und u. U. Uhrzeit der Messung. Die Dauerhaftigkeit einer Rissfüllmaßnahme wird maßgeblich vom Feuchtezustand und der Rissursache beeinflusst. Nicht jeder Rissfüllstoff kann bei allen verschiedenen Feuchtezuständen (trocken, feucht, wasserführend, unter Druck wasserführend) eingesetzt werden. Damit entscheidet der Feuchtezustand, inwiefern ein gewünschtes Instandsetzungsziel (Füllziel) überhaupt möglich ist, und somit, ob das Instandsetzungsprinzip grundsätzlich anwendbar ist. Verunreinigungen, Aussinterungsprodukte und Spuren von Eisenoxiden belegen die Rissflanken und verhindern einen Kraftschluss, vgl. Bild 1. Bild 1: Feuchte Risse mit ausgesintertem Calciumcarbonat und ausgetretenem Eisenoxid Die Rissursache zu erkunden entscheidet ebenso über die Dauerhaftigkeit einer Füllmaßnahme. Bei wiederkehrenden Rissursachen besteht keine Möglichkeit, Rissflanken dauerhaft kraftschlüssig mit starren Rissfüllstoffen zu verbinden, ohne eine Gefahr der Neurissbildung oder erneutes Aufreißen der Rissflankenverbindung einzuleiten. 4. Prinzipien und Verfahren, Füllziele In der Instandhaltungs-Richtlinie [3] werden in Anlehnung an DIN EN 1504-9 [11] der Korrosionsschutz des Betons und der Bewehrung als übergeordnete Instandsetzungsziele festgelegt. Dazu werden Instandsetzungsprinzipien beschrieben, die eingesetzt werden können, um Schäden zu vermeiden oder den gerade noch akzeptablen Ist-Zustand für eine definierte Restnutzungsdauer ausreichend zu stabilisieren. Das „Füllen von Rissen oder Hohlräumen“ gehört zu den dort geregelten Instandsetzungsverfahren. Drei von sechs definierten Prinzipien, die zum Schutz oder zur Instandsetzung von Beton dienen, befassen sich mit der Rissbehandlung bei gerissenem Betonuntergrund: 7. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Juli 2021 219 Planung als Voraussetzung zur dauerhaften Instandhaltung von Rissen mit Rissfüllstoffen • Prinzip 1: Schutz gegen das Eindringen von Stoffen, • Prinzip 2: Regulierung des Wasserhaushalts des Betons, • Prinzip 4: Verstärkung des Betontragwerks. Zum Schutz und zur Instandsetzung von Bewehrungskorrosion wird das Verfahren „Füllen von Rissen oder Hohlräumen“ allein beim • Prinzip 7: Erhalt oder Wiederherstellung der Passivität behandelt. Bei diesem Prinzip geht es um den Erhalt oder die Wiederherstellung von elektrochemischen Bedingungen, bei denen die Betonstahlbewehrung ihren passiven Zustand beibehält oder zurückgewinnt. Den Instandsetzungszielen „Korrosionsschutz des Betons und der Bewehrung untergeordnet sind die Füllziele zur Rissbehandlung: • Schließen (Begrenzen der Rissbreite durch Füllen), • Abdichten, • kraftschlüssig Verbinden, • begrenzt dehnbar Verbinden. 5. Füllen mit kraftschlüssigen Rissfüllstoffen Kraftschlüssige Rissfüllstoffe können zum Schließen von Rissen, zum Abdichten und zum kraftschlüssigen Verbinden der Rissflanken herangezogen werden. I. d. R. werden Epoxidharze als polymere Stoffe eingesetzt, aber grundsätzlich können alle niedrigviskosen Reaktionsstoffe eingesetzt werden, die die Leistungsanforderungen erfüllen. Zementleime und Zementsuspensionen gehören zu den hydraulisch gebundenen kraftschlüssigen Rissfüllstoffen. Man unterscheidet für den kraftschlüssigen Verbund zwei Festigkeitsklassen bei der Haftzugfestigkeit: F1: f ct 3,0 N/ mm² (Kleinstwert 2,5 N/ mm²) F2: f ct 2,0 N/ mm² (Kleinstwert 1,5 N/ mm²) Hydraulische Rissfüllstoffe sind i. d. R. nicht so leistungsstark im Vergleich zu Epoxidharz bei trockenen Betonflanken. Sie eignen sich dennoch für das Füllen von Hohlräumen oder für Rissfüllungen, die den Prinzipien 1 (Schließen von Rissen), 2 (Regulierung des Wasserhaushaltes) oder 7 (Erhalt oder Wiederherstellung der Passivität) genügen sollen. Hierfür genügt die Festigkeitsklasse F3. Hierzu muss der hydraulische Rissfüllstoff auf jeden Fall eine 7-Tagesdruckfestigkeit von 20 N/ mm² aufweisen, es wurde kein Grenzwert für die Haftzugfestigkeit festgelegt, deshalb gilt: F3: angegebener Wert (H). Der Feuchtezustand im Riss oder Hohlraum beeinflusst signifikant die spezifischen Eigenfestigkeiten, denn anstehendes Wasser im Riss oder Hohlraum kann nicht durch den eindringenden Rissfüllstoff vollständig verdrängt werden. Es lässt sich vermuten, dass in Abhängigkeit vom einwirkenden Wasserdruck und anstehenden Injektionsdruck teilweise Vermengungen zwischen Rissfüllstoff und Wasser stattfinden [12, 13]. Ein Einfluss der Wasserbeimengung auf die Glasübergangstemperatur muss zudem beachtet werden. Es besteht die Gefahr, dass sich Glasübergangstemperaturen auf Gebrauchstemperaturen absenken. Wasser beeinflusst auch die Haftung zwischen dem Rissfüllstoff und der Betonflanke. Selbst wenn Rissfüllstoffe nicht direkt wasserunverträglich sind, so sind die Poren der Betonflanken mit Wasser gefüllt, und damit die wirksame Verbundfläche reduziert. Es findet auch keine „Verkrallung“ mit der porösen Betonoberfläche statt. Erwägt man den Einsatz eines Epoxidharzes bei Wasserkontakt, z. B. bei feuchten Rissflanken, so empfiehlt sich dringend, einen expliziten Nachweis über die Wasserverträglichkeit vom Produkthersteller anzufordern, in dem die Leistungsfähigkeit beschrieben ist, sie kann durchaus höher als beim Einsatz eines zementgebundenen Rissfüllstoffes ausfallen. Zementsuspensionen (ZS) und Zementleime (ZL) sind gegenüber Wasser unempfindlicher. Sie besitzen eine hohe Alkalität und bedienen neben den Füllzielen Schließen und Abdichten zugleich das Instandsetzungsprinzip 7 „Erhalt oder Wiederherstellung der Passivität der Bewehrung“. Sie bieten somit der Bewehrung auch einen guten Korrosionsschutz. Gute Füllgrade lassen sich bei den ZS-I und ZL-I im Niederdruckverfahren über Klebepacker erreichen. Anders als bei polymeren Rissfüllstoffen kann bei zementgebundenen Stoffen am Einpressnippel kein Kugelrückschlagventil verwendet werden, hier setzen sich die Zementkörner ab, es kommt zu Verstopfungen. Injektionen über Bohrpacker sind im Vergleich zu Klebepackern u. U. schwieriger ausführen, sofern im Bohrkanal befindliche Restmengen des Bohrmehls zu Verschlüssen führen. Hier empfehlen sich Nassbohrverfahren und Kernbohrungen. 6. Füllen mit dehnbaren Rissfüllstoffen Polyurethane sind weich-elastische Rissfüllstoffe zum dehnbaren Verbinden der Rissflanken. Sie können zum Schließen von Rissen, zum Abdichten und zum dehnbaren Verbinden der Rissflanken herangezogen werden. Polyurethane verbinden sich mit Wasser und bieten deshalb das breiteste Spektrum möglicher Anwendungen unter beliebigen Feuchtebedingungen im Riss. Polyurethanharze werden klassisch über Bohrpacker unter Verzicht einer im Vorlauf aufgetragenen Verdämmung injiziert (Bild 2). 220 7. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Juli 2021 Planung als Voraussetzung zur dauerhaften Instandhaltung von Rissen mit Rissfüllstoffen Bild 2: PUR-Injektion ohne Verdämmung Vorteilhaft wirkt sich hierbei die beschleunigte Reaktion bei Wasserkontakt aus, das herauslaufende Polyurethan erhärtet schnell und bildet die eigene „Rissverdämmung“ aus. Die Steifigkeit des gerissenen Bauteils bleibt relativ unverändert erhalten, gleichzeitig wird eine abdichtende Wirkung gegen Flüssigkeiten erzielt. Polyurethan ist aus diesem Grund besonders für die Abdichtung gerissener Bauwerke mit wiederkehrender Rissursache geeignet. Der dehnbare Rissfüllstoff hat im Gebrauchszustand die Aufgabe, Rissbreitenänderungen mitzutragen. Die Leistungsfähigkeit dieser dehnbaren Verbindungen ist begrenzt, nachgewiesen werden müssen mindestens 10 % Dehnung bezogen auf die Injektionsrissbreite, deshalb sind die Risse vorzugsweise bei maximalen Breiten zu füllen, das bedeutet für die meisten zwangbeanspruchten Bauteile ein Füllen bei der niedrigsten Anwendungstemperatur, die je nach Produkt variiert, allerdings nie unter 3°C liegt. Polyurethan kann zwar wiederholt in überdehnte Risse injiziert werden, aber dennoch sollte der Sachkundige Planer vor der Abdichtungsmaßnahme die zu erwartenden Rissbreitenänderungen sinnvoll abschätzen oder messen, um grundsätzlich sicherzustellen, dass die Rissfüllstoffeigenschaften den Anforderungen grundsätzlich gerecht werden können. Wird bei unter Druck wasserführenden Rissen das injizierte Polyurethan immer wieder herausgespült und können weder Wasserhaltungsmaßnahmen durchgeführt, noch Entlastungsbohrungen gesetzt werden, oder greifen diese nicht, so besteht die Möglichkeit, schnellschäumende Polyurethane (SPUR) als Hilfsstoff in Teilbereiche oder hinter das Bauwerk vorab zu injizieren. Diese Polyurethanformulierungen haben einen hohen Isocyanatüberschuss und gehen mit Wasser unter Abspaltung von CO 2 eine chemische Verbindung ein, wodurch sich in Sekundenschnelle eine Schaumbildung einstellt, die den Wasserfluss reduziert. Für die Vorinjektion mit SPUR empfiehlt sich ein Setzen separater Bohrkanäle, die den Riss im hinteren wasserseitigen Viertel kreuzen, oder das Bauteil durchbohren, um ähnlich wie bei einer Schleierinjektion den Riss von außen mit dem SPUR partiell abzudichten. Das SPUR verliert rasch seine Elastizität, es versprödet durch die Alkalität des Betons. Das SPUR zählt deshalb nicht zu den dehnbaren Rissfüllstoffen. 7. Füllen mit quellfähigen Rissfüllstoffen Acrylatgele Gele sind extrem niedrig viskos und infolgedessen sehr gut injizierbar. Die Volumenzunahme bei Wasserkontakt wirkt abdichtend. Bei fehlendem Wasserkontakt schrumpft das Gelvolumen. Für einen eingeschränkten Anwendungsbereich wurden mittlerweile auch aufgrund von Forschungsergebnissen [14] bauaufsichtliche Zulassungen für die Anwendung in Stahlbetonbauteilen erteilt. Sie gelten für festgelegte Rezepturen mit beschränkten Startersalzzugaben und eingegrenztem Anwendungsbereich. Der Sachkundige Planer sollte neben der Risikoeinschätzung bezüglich des Korrosionsverhaltens von Bewehrungsstahl im Kontakt mit Acrylatgel auch Abschätzungen hinsichtlich zu erwartender Rissbewegungen im Gebrauchszustand vornehmen. Es besteht die Gefahr, dass bei hohen Quellgraden die Eigenfestigkeiten der Gele reduziert werden, und in Rissschließungsphasen die Gele herausgedrückt werden könnten. Literatur [1] Begrenzung der Rissbildung im Stahlbeton- und Spannbetonbau, DBV-Merkblatt, Fassung Mai 2016 [2] DAfStb-Richtlinie „Schutz und Instandsetzung von Betonbauteilen (Instandsetzungs-Richtlinie)“. Teil 1 - Teil 4. Deutscher Ausschuss für Stahlbeton. Beuth Verlag GmbH, Berlin, Oktober 2001. [3] DAfStb-Richtlinie „Instandhaltung von Betonbauteilen (Instandhaltungs-Richtlinie)“, Teil 1 - Teil 5. Deutscher Ausschuss für Stahlbeton. Beuth Verlag GmbH, Berlin, Gelbdruckentwurf, 2016-06-14. [4] ZTV-ING „Zusätzliche Technische Vertragsbedingungen und Richtlinien für Ingenieurbauwerke“, Bundesanstalt für Straßenwesen, Bergisch Gladbach, 2017 [5] Hinweise zu ZTV-ING, Bundesanstalt für Straßenwesen, Bergisch Gladbach, 2017 [6] ZTV-W LB 219 „Zusätzliche Technische Vertragsbedingungen - Wasserbau (ZTV-W) für die Instandsetzung der Betonbauteile von Wasserbauwerken (Leistungsbereich 219), BMVI, Abteilung Wasserstraßen, Schifffahrt, Ausgabe 2017. [7] BAWEmpfehlung Instandsetzungsprodukte - Hinweise für den Sachkundigen Planer zu bauwerksbezogenen Produktmerkmalen und Prüfverfahren. Bundesanstalt für Wasserbau, Karlsruhe, Ausgabe 2019 7. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Juli 2021 221 Planung als Voraussetzung zur dauerhaften Instandhaltung von Rissen mit Rissfüllstoffen [8] Technische Regel (DIBt) Instandhaltung von Betonbauwerken (TR Instandhaltung), Fassung November 2019: Teil 1: Anwendungsbereich und Planung der Instandhaltung, Teil 2: Merkmale von Produkten oder Systemen für die Instandsetzung und Regelungen für deren Verwendung. [9] DIN V 18028 “Rissfüllstoffe nach DIN EN 15045: 2005-03 mit besonderen Eigenschaften“, Ausgabe 06.2006 [10] DIN EN 1504-5: Produkte und Systeme für den Schutz und die Instandsetzung von Betontragwerken - Definitionen, Anforderungen, Qualitätsüberwachung und Beurteilung der Konformität - Teil 5: Injektionen von Bauteilen. [11] DIN EN 1504-9 “Produkte und Systeme für den Schutz und die Instandsetzung von Betonbauteilen - Definitionen, Anforderungen, Qualitätsüberwachung - Teil 9: Allgemeine Prinzipien für die Anwendung von Produkten und Systemen“, Ausgabe 11.2008 [12] Perbix, W.: Feuchteabhängiges Tragverhalten von Epoxidharzen für das kraftschlüssige Füllen von Rissen in Betonbauteilen. Dissertation, Technische Universität Braunschweig, 1993 [13] Cakir, G.: Das Verbundverhalten von Epoxidharz mit Beton bei variierenden Feuchtezuständen während der Rissinjektion, Master-Thesis, Universität Duisburg-Essen, 2017 [14] Eßer, A., Schnellenbach-Held, M.: Acrylatgele als Rissfüllstoff in Stahlbetonbauteilen, Untersuchungen zur Eignung gemäß DIN EN 1504-5, Schriftenreihe Forschung Straßenbau und Straßenverkehrstechnik, Heft 1095, Bundesministerium für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung, Bonn, 2013