7. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Juli 2021 223 Schäden an Betonbauteilen, Wasser in der Konstruktion Von der Analyse des Ist-Zustandes zur objektspezifischen Ausführung der Instandsetzung Dipl.-Ing. Bodo Appel Berlin, Deutschland Zusammenfassung Zitat: „Das Füllen von Rissen ist so durchzuführen, dass das Entweichen von Wasser und/ oder Luft im Zuge der Injektion sicherzustellt ist.“ (ZTV-ING, Teil 3, Abschnitt 5, Pkt. 2.3.4 Grundsätzliches zur Ausführung von Injektionsarbeiten) [1] Die Analyse des Ist-Zustandes bildet die Grundlage für die Instandsetzung von riss- und hohlraumbedingten Undichtheiten an Betonbauteilen. Besonders die Einwirkung von Wasser kann zu sehr großen Schäden führen. Ausgehend von dem konstruktiven Aufbau und den Riss- und Hohlraummerkmalen werden die objektspezifischen Anforderungen für den Rissfüllstoff und die Technologie der Füllmaßnahme festgelegt. Der Grundsatz, dass das Wasser mit der Injektion aus der Konstruktion zu verdrängen ist, erfordert i.d.R. besondere Eigenschaften der Rissfüllstoffe und objektspezifische Ausführungen der Füllmaßnahmen. In der Praxis sind oftmals die in den Regelwerken beschriebenen Zustände nicht vorhanden, sodass abweichend von den Regeln Sondermaßnahmen zu planen und auszuführen sind. 1. Schadenssituation Nach Abschaltung der Wasserhaltung drang Grundwasser in eine Tiefgarage (WU-Konstruktion) aufgrund von riss- und hohlraumbedingten Undichtheiten der Betonkonstruktion ein. (Abb. 1 und 2) Wasser, das von den Außenseiten andrängt, dringt aufgrund einer undichten Betonkonstruktion ein und verteil sich durch porige Gefüge, Hohlräume, Risse sowie Arbeitsfugen in der Konstruktion. An den inneren Betonoberflächen sind die unterschiedlichen Zustände bzw. Schädigungen feststellbar. Das Ausmaß der Schäden, besonders in der Konstruktion, lässt sich nicht nur durch eine Inaugenscheinnahme bestimmen, es sollten zusätzlich Analysen der Herstellungsbedingungen und Auswertungen gezielter Entnahmen von Bohrkernen vorhanden sein. Damit ist es möglich, Rückschlüsse auf Schadenssrsachen der Infiltration und der Wegsamkeit/ Verteilung des Wassers zu ziehen, objektspezifische Anforderungen für den anzuwendenden Rissfüllstoff festzulegen und die Ausführung der Injektionsarbeiten zu planen. 224 7. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Juli 2021 Schäden an Betonbauteilen, Wasser in der Konstruktion Abb. 1 Schadenssituation nach Fertigstellung der Tiefgarage und Abschaltung der Wasserhaltung Abb. 2 Schadens- und Feuchtezustand WF von Rissen und Hohlräumen an Betonoberflächen 2. Analyse des Ist-Zustandes Eine fachgerechte Instandsetzung von Betonbauteilen setzt die Kenntnis der Schadensursachen voraus. Die Bestandsaufnahme muss alle relevanten Merkmale der Rissbildung und die Einwirkungen auf das Bauteil beinhalten. In den Regelwerken für die Instandsetzung von Betonbauteilen sind die zu erfassenden Rissmerkmale, die Untersuchungsmethoden und Dokumentationen festgelegt. Insbesondere bei dem Zustand „Wasser in der Betonkonstruktion“ genügen diese Merkmale nicht aus. Die Herstellungsbedingungen des Betonbaus, die Ausführungsarten an den Unterseiten sowie bei Betonbauunterbrechungen und der Bewehrungsbau geben Aufschluss über mögliche Gefahren von Hohlraumbildungen. Die gezielte Entnahme Bohrkernentnahmen unter Beachtung der einwirkenden Einflüsse ermöglicht Schlussfolgerungen auf Gefügestörungen Rissverläufe in der Konstruktion. Diese umfangreiche Analyse des Ist-Zustandes ermöglicht eine objektspezifische Planung und fachgerechte Ausführung der Injektionsarbeiten. 2.1 Herstellungsbedingungen Die Erkundung von Herstellungsbedingungen, besonders die Beschaffenheit der äußeren Bauteiloberflächen ist für eine Beurteilung der Riss- und Holraumursachen von Bedeutung. 7. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Juli 2021 225 Schäden an Betonbauteilen, Wasser in der Konstruktion Abb. 3 Herstellungsbedingungen am Bodenanschluss Hohlräume an den unteren Bodenanschlüssen und Gefügestörungen / Kiesnester an den Seitenflächen der Betonbauteile sind die Ursache für das Eindringen / Infiltration des andrängenden Wassers. (Abb. 3 und 4) Abb. 4 Herstellungsbedingungen an Seitenflächen Abb. 5 Darstellung der Infiltration von Wasser 2.2 Bohrkernentnahmen zur Erfassung der Risse- und Hohlraumerkmale Die Bohrkernentnahme als Untersuchungsmethode im Ausnahmefall sollte dann durchgeführt werden, wenn durch die Betrachtung aller einwirkenden Einflüsse keine eindeutige Analyse des Rissverlaufes in der Konstruktion möglich ist, ggf. Verbindungen mit Gefügestörungen / Hohlräumen bestehen und unterschiedliche Zustände der Rissflanken vorhanden sind. Vor einer gezielten Bohrkernentnahme kann Pressluft als einfaches Hilfsmittel für die Erkundung der Wasserverteilung in der Konstruktion eingesetzt werden. Gemäß den Vorgaben für die Anordnung von Packern bezogen auf das Bauteil werden ein oder mehrere Bohrlöcher hergestellt, die den Riss in der vorgegebenen Tiefe kreuzen. (Abb.6) Mit dem Einpressen von Luft und der Verdrängung des Wassers kann die Wegsamkeit und Verteilung in und aus der Konstruktion heraus erkundet werden. So wie sich die Pressluft in der Betonkonstruktion verteilt, kann sich mit der Ausführung der Injektionsarbeiten der Rissfüllstoff bei Beachtung der Reaktionseigenschaften verteilen. Abb. 6 Anwendung von Pressluft zur Erkundung der Wasserverteilung in der Konstruktion 226 7. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Juli 2021 Schäden an Betonbauteilen, Wasser in der Konstruktion Nach Entnahme der Bohrkerne sind diese für die Erfassung der Riss- und Hohlraummerkmale auszuwerten. Von besonderer Bedeutung ist dabei der Verlauf und der Zustand von Gefügestörungen (Hohräumen). (Abb. 7 bis 10) Abb. 7 Bohrkernentnahme mit Erkundung der Hohlräume Abb. 8 Zustand und Verlauf eines oberflächennahen Risses Abb. 9 Zustände der senkrechten und horizontalem Trennrisse und Hohlräume Abb. 10 Analyseergebnisse von Rissen und Hohlräumen nach Bohrkernentnahmen 7. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Juli 2021 227 Schäden an Betonbauteilen, Wasser in der Konstruktion Tabelle 1 Kriterien zur Auswahl eines Rissfüllstoffes 3. Leistungsmerkmale des zu verwendenden Rissfüllstoffes Aus der Analyse des Ist-Zustandes und unter Berücksichtigung der für das Betonbauteil maßgebliche Einwirkungen sind die erforderlichen objektspezifischen Anforderungen für den Rissfüllstoff und die geeignete Ausführung der Injektionsarbeit festzulegen. In der Tabelle 1 sind allgemeine Kriterien benannt. Für die o.g. Schadenssituation wurde objektspeziefisch ein polymerer Rissfüllstoff, PUR-Injektionsharz, mit speziellen wasserreaktiven Eingenschaften und einem hohem Dehnverhaltern eingesetzt. 4. Baustellenbericht zur Instandsetzung des Betonbauteils (WU-Bodenplatte) Vorab kurz eine Darstellung der Schadenssituation. Nach der Abschaltung der Grundwasserhaltung wurden erhebliche rissbedingte Undichtheiten an der Bodenplatte der Tiefgarage festgestellt. Eine grobe Rissanalyse ergab, dass Risse in regelmäßigen Abständen und mit unterschiedlichen Feuchtezuständen vorhanden waren. Teilweise trocken (DY), nass (WT), jedoch überwiegend unter Druck wasserführend (WF). Es wurden Rissbreiten in wesentlichen Bereichen von ca. 0,4 mm gemessen. Der HGW befand sich ca. 0,80 m über OK Bodenplatte. Der stetige Wasserdurchfluss führte zu nicht unerheblichen Pfützenbildungen. Der Auftrag zur Instandsetzung bestand darin, die rissbedingten Undichtheiten der WU-Bodenplatte durch Injektion abzudichten, wobei trockene Risse nicht zu befüllen waren. Es wurde keine Analyse des Ist-Zustandes, keine Untersuchung des Zustandes der Betonkonstruktion sowie der Wasserwegsamkeit in der Konstruktion durchgeführt. Abb. 11 Tiefgarage Abb. 12 Feuchtezustand (WF) eines Risses 228 7. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Juli 2021 Schäden an Betonbauteilen, Wasser in der Konstruktion Abb. 13 Feuchtezustand (WT) einer Arbeitsfuge Abb. 14 Rissbreitenmessung Bei der Vorbereitung der Ausführung der Injektionsarbeiten wurde davon ausgegangen, dass aufgrund des einwirkenden hydrostatischen Wasserdruckes eine geringe Verformung der Bodenplatte, in Form einer Aufwölbung, vorhanden ist. Dadurch ist im Rissverlauf eine Verjüngung der Trennrisse zur Rückseite der Bodenplatte zu berücksichtigen. Die unterschiedlichen Feuchtezustände deuteten darauf hin, dass nur in bestimmten Bereichen Verbindungen mit dem außen andrängenden Grundwasser vorhanden sind. Auf Hohlräume in der Konstruktion konnte augenscheinlich nicht geschlossen werden, da Durchfeuchtungen immer in Verbindung mit Rissen oder Arbeitsfugen ersichtlich waren. Da es sich um ein dickwandiges Betonbauteil handelte wurden die Injektionsbohrungen so hergestellt, dass eine Verbindung mit den Rissen in unterschiedlichen Tiefen, mind. ca. 2/ 3 der Bauteildicke, erzielt wurden. Die Kontrolle der Verbindung der Bohrlöcher mit dem Riss erfolgte mit Pressluft. Mit dieser Maßnahme wurden bereits festgestellt, dass durch diese vorbereitenden Maßnahmen trockene Risse feucht bzw. nass wurden, obwohl oberflächlich keine sichtbaren Verbindungen zu den nassen Rissen zu erkennen waren. Dieser Sachverhalt hätte weiter untersucht werden müssen. Da teilweise die Bohrlöcher vor der Montage der Packer mit Wasser gefüllt waren, wurden die Risse nochmals über die Bohrlöcher mit Pressluft ausgeblasen. Dabei konnte festgestellt werden, wie das Wasser aus dem Riss entweicht. Abb. 15 Darstellung der Ausführung der Injektionsarbeiten Bei der Auswahl des Rissfüllstoffes wurde Folgendes beachtet: - Trennrisse mit Verlauf bis zum Bodenanschluss - sehr geringe Rissbreiten am Bodenanschluss - unterschiedliche Feuchtezustände - Unterschiede im Wasserdurchfluss. Merkmale des Rissfüllstoffes mit Bezug auf die objektspezifischen Anforderungen: - niedrige Viskosität - Reaktionsverhalten mit Einmischen von Wasser - Haftverbundeigenschaften für unter Druck wasserführende Risse - Rissfüllstoff für begrenzt dehnbares Verbinden (PUR-I) Das eingesetzte PUR-Injektionsharz eignet sich besonders für unter Druck wasserführende Risse mit geringen Durchflussmengen und geringen Rissbreiten. Es zeichnet sich durch eine sehr niedrige Viskosität und einer schnellen Wasserreaktivität aus. Die Reaktion durch die Einmischung von Wasser während der Injektion führt zu einem Anstieg der Viskosität und durch die Bildung geschlossenzelliger Poren erfolgt eine Volumenzunahme. Aufgrund dieser Eigenschaften konnte auf eine Vorinjektion mit einem SPUR-I verzichtet werden. Bei der Ausführung der Injektionsarbeiten am ersten Riss wurde solange durchgeführt, bis der Rissfüllstoff blasenfrei an den Oberflächen aus dem Risse austrat. Während der Injektion wurde festgestellt, dass trockene Risse, die sich an den feuchten bzw. wasserführenden Rissen an- 7. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Juli 2021 229 Schäden an Betonbauteilen, Wasser in der Konstruktion schlossen, gefüllt wurden. Auch im direkten Umfeld vorhandene Nebenrisse und Poren wurde von den Füllmaßnahmen beeinflusst. Das Wasser der wasserführenden Risse wurde mit den ersten Injektionarbeiten nicht im vollen Umfang aus der Konstruktion heraus verdrängt, sondern in der Konstruktion verteilt. Abb. 16 Injektionsmaßnahme Abb. 17 Oberfläche nach der Injektion mit Haupt- und Nebenrissen Nach Beseitigung des ausgehärteten Rissfüllstoffleckagen konnte am Haupt- und den mitgefüllten Nebenrissen die Dichtheit optisch festgestellt werden. Mit weiteren Ausführungen von Injektionsarbeiten wurde festgestellt, dass an bereits behandelten dichten Bereichen erneute Durchfeuchtungen auftraten. Mit jeder Injektion wurden Veränderungen festgestellt. Bohrlöcher, die vermörtelt waren aber nicht für die Injektion verwendet wurden, zeigen Durchfeuchtungen. Erneute Nebenrisse wurden sichtbar und der Beton zeigte an der Oberfläche kapillare Durchfeuchtungen. Weitere Ausführungen von Füllmaßnahmen wurden eingestellt und aufgrund der aufgetretenen Durchfeuchtungen an den bereits behandelten Bereichen wurde die Ursachen erkundet. (Abb. 17) Abb. 18 Durchfeuchtungsschäden an bereits behandelten Rissen 230 7. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Juli 2021 Schäden an Betonbauteilen, Wasser in der Konstruktion Abb. 19 Darstellung der Wasserverdrängungen während der Injektionsmaßnahmen Als erste Maßnahme zur Untersuchung der Ursache, wurden Bohrlöcher senkrecht in den Riss gebohrt. Dabei wurde festgestellt, dass der Beton bis in einer Tiefe von ca. 5 cm relativ trockenes Bohrmehl zeigte, dann zunehmend feuchter und schließlich nass wurde. (Abb. 18 und 19) Das im Bohrloch erkennbare Wasser trat jedoch nicht über das Bohrloch aus, sondern blieb auf einem gleichbleibenden Pegel stehen. Beobachtungen an darauffolgenden Tagen ohne Injektionsmaßnahmen zeigten, dass die flächigen Durchfeuchtungen abtrockneten. Abb. 20 Untersuchung des Feuchtezustandes an einem Nebenriss 7. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Juli 2021 231 Schäden an Betonbauteilen, Wasser in der Konstruktion Abb. 21 Untersuchungen der Durchfeuchtungen am gefüllten Riss Fazit: Im Bereich der oberen Bewehrung befindet sich nach Ausführung der Injektion Wasser. Eine weitere Maßnahme zur Untersuchung der Rissmerkmale ist die gezielte Entnahme von Bohrkernen. Merkmale der Bohrkernuntersuchungen zu den Ursachen der erneuten Durchfeuchtungen: - Trennrisse die den Querschnitt des Bauteils durchtrennen - horizontal in unterschiedliche Ebenen verlaufende Verbundstörungen im Bereich der oberen Bewehrungslagen - Hohlräume direkt unter der Bewehrung im Bereich der oberen Bewehrungslagen - Wasserverdrängung in den Trennrissen, Verbundstörungen und Hohlräumen. Abb. 22 Bohrkerne aus unterschiedlichen Schadensbereichen Fazit: Die Injektionstechnologie ist nach den Gegebenheiten und Bedingungen am Bauteil als Sondermaßnahme festzulegen und weicht i.d.R. von den allgemeinen Regeln ab. Die Ausführung der Füllmaßnahmen zur Beseitigung der nachträglichen Durchfeuchtungen und zur Vermeidung der Wasserverdrängung in der Konstruktion wurde in Phasen notwendig. An den bereits behandelten Rissbereichen wurde mit einer Nachinjektion über senkrecht in den Rissen bis zu einer Tiefe von ca. 10 cm hergestellten Bohrlöchern und mit Pressluft beauflagt und anschließend erneut der Rissfüllstoff injiziert. Bei diesen Injektionen wurde festgestellt, dass im Rissverlauf keine Rissfüllstoffleckagen auftraten. Jedoch aus den benachbarten Packern und in unterschiedlichen Abständen von den Injektionsbohrungen entfernt zuerst erhebliche Mengen Wasser durch Risse oder porige Oberflächen austrat und anschließend der injizierte Rissfüllstoff. Abb. 23 Ausführung der Injektion am geschlossenen Riss mit Wasseraustritt im angrenzenden Bereich Abb. 24 Nach Injektionsmaßnahme erkennbarer Füllbereich durch Leckagen Nach Aushärtung des Rissfüllstoffes und Abtrocknung der Oberflächen konnte festgestellt werden, dass durch diese zweite Injektionsmaßnahme eine Verdrängung des Wassers aus den Hohlraumbereichen im oberflächennahen Bereich durchgeführt werden konnte. 232 7. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Juli 2021 Schäden an Betonbauteilen, Wasser in der Konstruktion Für die weiteren Ausführungen der Füllmaßnahmen wurden zwei oder mehr Phasen der Injektion durchgeführt. Mit dieser Injekttionstechnolgie konnte sichergestellt werden, dass das Wasser aus der Konstruktion heraus verdrängt und eine Abdichtung der riss- und hohlraumbedingten Undichtheiten der WU-Betonbodenplatte erzielt werden konnte. (Abb. 25) Abb. 25 Ausführung der Injektionen zur dauerhaften Abdichtung Literaturangaben [1] Zusätzliche Technische Vertragsbedingungen und Richtlinien für Ingenieurbauwerke ZTV-ING (2017/ 10) Teil 3 Massivbau, Abschnitt 5 Füllen von Rissen und Hohlrumen in Betonbauteile