7. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Juli 2021 301 Erfahrungen zur Dauerhaftigkeit von historischen Mörteln und Betonen in feuchtebelasteten Bereichen Bernwart Jungermann LBJ Baustoffmikroskopie und Baustofftechnologie UG (haftungsbeschränkt) 57399 Kirchhundem - Silberg 1. Einleitung: Wenn von historischen Mörteln die Rede ist, kann man große Zeiträume in die Überlegungen einbeziehen, hier sollen überwiegend Ingenieurbauwerke betrachtet werden, deren Nutzung und Dauerhaftigkeit eine größere Bedeutung haben und nicht nur aus Gründen der Denkmalpflege einen Fortbestand erfahren sollen. Viele dieser Bauwerke stammen aus dem Beginn des Industriezeitalters und der wissenschaftlichen Auseinandersetzung mit den zu verwendenden Bindemitteln ab der Mitte des 19. Jahrhunderts. Dazu zählen insbesondere große Ingenieurbauwerke, wie Talsperren, Brücken oder auch große Profanbauten. Diese Bauwerke haben heute noch eine große Bedeutung in der Nutzung und damit auch in der Dauerhaftigkeit. Nun haben sich in der Zeit von etwa 1850 bis heute gewaltige Veränderungen in der Anwendung und der Art der Bindemittel ergeben. Viele der historischen Konzepte aus dieser Zeit stützen sich im Grundgedanken auf die sehr alten Beispiele der Römer und fanden dort ihre ihre Anwendung. Parallel dazu entwickelte sich allerdings ein neues Verständnis zu dem Bindemittel und seiner Optimierung hin zum hoch energiereich gebrannten Zement. 2. Veränderung der Bindemittel: Diese rasche Entwicklung vom Kalkbindemittel zum hochgebrannten Zement kann man an den Talsperren am deutlichsten ablesen. Sie vollzog sich ebenso rasant wie die Entwicklung der polytechnischen Hochschulen in Europa. Die Talsperren in Europa wurden überwiegend von dem bekannten Prof. Dr.-Ing. Otto Intze und seinen Absolventen aus Aachen dominiert. Zu einer seiner ersten Talsperren gehörte die Eschbachtalsperre 1888 im Bergischen Land, als die Zementindustrie noch keine vorrangige Bedeutung hatte. Es wurden als Mörtel und Bindemittel, vergleichbar mit römischen Beispielen, Puzzolane mit einem hohen Kalkanteil eingesetzt. Der nächste wesentliche Schritt der Veränderung kam schon mit der Planung und Ausführung der Talsperre Malter in Sachsen, die bereits 1906 aus einem hervorragenden Beton hergestellt wurde. Dieses war noch eine parallele Entwicklung. Zur gleichen Zeit wurde die Oestertalsperre im Bergischen Land noch mit Kalkhydrat und Puzzolanen vergleichbar der Eschbachtalsperre gebaut. Abb. 1 Olympus BH 2, 25 x Bindemittelmatrix mit Kalk und Puzzolanen Mikrorissen und Kalkspatzen (Portlandit, roter Pfeil) M = 400 µm Abb. 2 Olympus BH 2 100 x Detail aus Abb. 1 im UV- Licht, Mikrorisse < 10 µm Zwischen diesen beiden Baustoffarten Kalk mit Puzzolan und die junge Alternative" dem Beton sind deutliche technische Unterschiede vorhanden, aber die Dauerhaftigkeit beider Mörtel steht außer Frage. Bei allen Bindemitteln war man bestrebt hydraulische Bindekräfte auf- 302 7. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Juli 2021 Erfahrungen zur Dauerhaftigkeit von historischen Mörteln und Betonen in feuchtebelasteten Bereichen zubauen damit eine höhere Festigkeit und Beständigkeit gegenüber einem wässrigen Angriff gegeben ist. Die Zusammensetzungen der Vergangenheit waren in der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts mehr geprägt von dem Zusatz an puzzolanen Zusatzstoffen, während mit zunehmender Entwicklung der Zemente die puzzolanen Bestandteile zurückgedrängt wurden. Diese Entwicklung kann man auch in den technischen Eigenschaften deutlich erkennen. Die Rezeptur der Eschbachtalsperre und der Oestertalsperre zeigt noch eindeutig eine Zusammensetzung die ausschließlich aus Kalk hergestellt wurde. 4 Vol. Teile Fettkalk (Weißkalk), 4 Vol. Teile Rheinsand, 6 Vol. Trass aus Plaidt in der Eifel. Untersucht man heute die Zusammensetzung kommt man im Mittel auf eine Rohdichte von 1,55 kg/ dcm 3 , eine Wasseraufnahme von 17 Ma.-% und eine Druckfestigkeit von ca.18 N/ mm 2 . Diese Zusammensetzung führt im Gefüge zu einer relativ dichten Bindemittelmatrix, die allerdings auch von Mikrorissstrukturen durchzogen ist. Die Alkalität ist auch heute noch im stabilen Bereich mit einem pH-Wert von > 12. Die puzzolanen Baustoffe mit den hohen Anteilen an Kalk haben immer eine deutlich niedrigere Rohdichte als die heutigen Baustoffe. Allerdings muss man feststellen, dass die Dauerhaftigkeit und die Neigung zu Kristallneubildungen bei den historischen Baustoffkonzepten kaum anders zu bewerten ist als bei den jüngeren Betonbaustoffen. Die auch bereits relativ alte Talsperre Malter in Sachsen, wurde bereits mit einem Portlandzement hergestellt und zeigt ebenso stabile Verhältnisse wie die Eschbachtalsperre. Allerdings sind die technischen Daten der Talsperre Malter gegenüber der Eschbachtalsperre deutlich verändert. Hier haben wir eine mittlere Rohdichten der Mörtelmasse von 2,2 kg/ dcm 3 und ein geringere Wasseraufnahme von nur 5 Ma.-%. Sowohl bei den Brückenbauwerken der Bundesbahn als auch im sonstigen Talsperrenbau kann man im Zeitfenster von 70 Jahren (1850 - 1920) vergleichbare techn. Wertunterschiede feststellen. Die Dauerhaftigkeit wird immer begleitet von einer noch vorhandenen hohen Alkalität und im Prinzip einer unveränderten Mörtelmatrix trotz einer deutlichen Veränderung der Rohdichten und der Wasseraufnahme. 3. Veränderungen die zu Kristallneubildungen führen: Kristallneubildungen sind das Produkt von Veränderungen des inneren Gleichgewichts der Kapillarporen in dem Baustoffgefüge. Die Veränderung des Gleichgewichtszustandes wird nur in Zonen vollzogen, die einer erheblichen Wechselbelastung feucht / trocken ausgesetzt waren. Dies ist nur wenigen Fällen der bei den Baustoffen gegeben, solche die nicht permanent in einem alkalischen Milieu einer feuchtebelasteten Umgebung vorhanden waren. Eine wesentliche Veränderung des Gleichgewichtszustandes wird auch durch die unmittelbare Carbonatisierung vollzogen. Diese Carbonatisierung kann aber nur in Bereichen erfolgen, die belüftet werden. Ein weiterer Faktor ist der pH-Wert, wenn dieser in einem pH-Bereich von <12 absinkt, wird anderen Neubildungen in dem Gefüge das Tor geöffnet. Der häufig übliche Test mit dem Indikator Phenolphtalein ist wenig aussagekräftig, weil dieser bereits einen pH-Wert von > 8,2 mit rotvioletter Farbe die Alkalität anzeigt. Die Zersetzung der Baustoffe ist letztlich eine Rückführung in einen energieärmeren Zustand. Diese Rückführung ist ein sehr langsamer Prozess der sich in der Regel über mehrere Jahrhunderte vollzieht oder wie manche Römerbauten uns zeigen, über Jahrtausende. Dabei ist schon entscheidend welche Art von Zusammensetzungen dort vorliegt. Dabei geht man davon aus, dass z.B. zwischen der Differenz aus den Calciumionen im zugeführten Wasser und dem Sickerwasser ein wesentlicher Parameter zu sehen ist, der für die Dauerhaftigkeit der Mörtelmatrix von Bedeutung ist. Nach einer solchen Betrachtung kommt man zu der Annahme, dass der Anteil an Verlust von Calciumionen ausschließlich aus dem Mörtel stammt und eine Auswaschung über einen Zeitraum von mehreren Jahrzehnten noch nicht zu einem zerstörenden Verlust führt. Aus dieser ingenieurtechnischen Betrachtungsweise sind solche Berechnungen nachvollziehbar und sie zeigen, wie gering bei den entsprechenden Annahmen die Verluste sind. Allerdings sind hier Anmerkungen zu machen, dass die Vorgänge doch wesentlich komplexer zu betrachten sind. Dazu nur zwei Beispiele: Es gibt noch viele Wasserbauwerke aus der Römerzeit, die ihre Funktion noch nicht eingestellt haben und deren kalkhaltige Mörtel auch noch heute ihre Funktion erfüllen. Demgegenüber gibt es in Ausnahmefällen auch Betonrohrleitungen, die unter einer natürlichen Wasserbelastung bereits nach 6 Jahren Ihre Funktion eingestellt haben. Hier waren es dann allerdings extrem belastete Bereiche mit kalkangreifender Kohlensäure, die solche Ausnahmen von der Regel bewirkt haben. Es ist in der Tat immer der Calciumgehalt, der in diesem natürlichen Kreislauf die wesentliche Rolle spielt. Hinzu kommt die hydrolytische Zersetzung von Gesteinen und Mörtel, die beide Calciumionen freisetzen können. Das bedeutet, die Calciumionen, die freigesetzt werden, kommen nicht nur aus der Mörtelmasse, sondern auch aus dem Gesteinskörper selbst. Die Mörtelmasse stellt zunächst noch immer ein hohes alkalisches Potential zur Verfügung, welches gegenüber einem sauren Angriff zunächst als ein Stabilisator zu betrachten ist. Erst wenn dieses Gleichgewicht, durch einen hohen Strömungs- 7. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Juli 2021 303 Erfahrungen zur Dauerhaftigkeit von historischen Mörteln und Betonen in feuchtebelasteten Bereichen durchgang nachhaltig gestört wird und dieses alkalische Potential an den Strömungsflanken abnimmt, kommt es an den Randzonen vermehrt zu Neutralisationsreaktionen und nachfolgend auch zu hydrolytischen Zersetzungen [1,3]. Die hydrolytische Zersetzung ist nicht nur ein Problem der Mörtel, sondern kann auch die Zuschläge betreffen und auch aus diesen Gesteinskörpern Calciumionen freisetzen. Dazu ist zu bemerken, dass die Zuschläge selbst kein Neutralisationspotential gegenüber einer hydrolytischen Zersetzung besitzen. Sie haben nur einen höheren Lösungswiderstand, bedingt durch ihre geringe Wasseraufnahme. Ein Freisetzen von Calciumionen erfolgt auch hier. Aus der Erfahrung der Untersuchung von Mörteln aus vielen „Intze- Mauern der Talsperren zeigen diese nach über 100 Jahren im Kernbereich noch eine stabile Funktion. Das gleiche kann man von den Brückenbauwerken berichten, die in der Regel noch ein höheres Alter besitzen und weniger mit Puzzolanen verarbeitet wurden, sondern noch mit der historischen Sandkalktechnik gebaut worden sind. Diese Bauwerke aus der Zeit vor dem Jahr 1870 haben häufig noch sehr niedrige Mörtelrohdichten, die kaum über der Wasserrohdichte von 1,0 kg/ dcm 3 angesiedelt sind und noch keine geregelte Körnungskennlinie besitzen. So hat besonders Dyckerhoff [1] Mitte des 19. Jahrhunderts darauf hingewiesen, eine geregelte Körnungskennlinie einzuhalten, um die Mörteleigenschaften mehr zu vereinheitlichen. Die Mörtel selbst besitzen durch ihre hohen Bindemittelanteile ein hohes Neutralisationspotential und verlieren das stabilisierende Gleichgewicht erst, wenn sie völlig carbonatisiert sind. Dies wird im Bereich der Erdüberdeckungen nicht erreicht und somit bleiben die Bauwerke lange in ihrer hohen Alkalität. An der Luftseite der Talsperren ist eine solche Situation nicht gegeben: Hier kann man dann in Regel auch beobachten, dass durch die Carbonatisierung und die Gleichgewichtsverschiebung mit dem Abbau der Alkalität viel schneller eine Zerstörung durch Mineralneubildungen droht. Wenn man nun Aussagen über den Zustand eines großen Bauwerks machen will, ist der einfache Ansatz, dies über die Ionen an Calcium zu bestimmen, der ingenieurtechnisch sicherste Weg. Das dabei der ganze Verlust auf den Mörtel bezogen wird, ist trotz der vielen Unbekannten legitim. Die Zersetzungen von solchen Baustoffkörpern verlaufen immer sehr langsam, man kann dies mit erdgeschichtlichen Zeiträumen vergleichen. Bei einer Durchströmung wird das Porenwasser in der Betonsteinmatrix bzw. Mörtelmatrix zunächst nicht abgebaut, sondern wirkt in einem komplexen Vorgang der durch die darin vorhandenen Ionen als Puffer.[2]. Diese Abpufferung wird bei erdüberdeckten Bauwerken seit Jahrhunderten durch die hohe Alkalität stabil gehalten. Gemessen an manchen Römermörteln ist dies eine relativ geringe Zeit. Die häufig verwendeten Traßpuzzolane enthalten einen hohen Anteil an Kalium und Natriumionen, die neben den Calciumionen die Gesamtalkalität ergeben. Dabei ist nicht einmal der Calciumionenanteil aus dem Portlandit (Calciumhydroxid) der wesentliche Lieferant der Alkalität. Auch wenn dieser in der Gesamtmasse in großer Reserve vorhanden ist. Bei 20º C lösen sich nur 1,18 g/ l dieser Verbindung im Wasser. Der wesentliche Lieferant der Alkalität in der Porenflüssigkeit des Zementsteines sind die Kalilauge und die Natronlauge. Diese Verbindungen werden in der Porenflüssigkeit des Mörtels durch die hohen Alkalianteile, die sich in dem Traß befinden, gebildet. Das Verhältnis der Löslichkeiten der drei wesentlichen Alkalitätsbildner von Kalilauge, Natronlauge und Kalklauge (Kalkmilch) ist 75 : 24 : 1. Unter diesem Aspekt betrachtet ist der Traß in diesem Fall nicht nur ein Dichtungsmittel, wie es traditionell gesehen wird, sondern ein wesentlicher Parameter der Gefügestabilisierung durch eine hohe Alkalität. Ein geringer Kalksteinanteil im Baustoff wird über die Bildung von Kohlensäure in Calciumhydrogencarbonat umgewandelt. Das entstehende Calciumhy-drogencarbonat hat eine größere Löslichkeit als Calciumcarbonat und kann durch kapillare Transportvorgänge in andere Baustoffbereiche transportiert werden. Dort lagert es sich durch Fällungsvorgänge, insbesondere bei dem Antreffen von Calciumhydroxid, wieder ab. Der Zutritt von kohlensäurehaltigem Wasser löst in dem Gefügeaufbau einen Reaktionsmechanismus aus, der durch die vorhandene Alkalität des Mörtelsystems abgefangen wird. Dabei wird die Kohlensäure unter Bildung von Calciumcarbonat durch Fällungsreaktionen neutralisiert. Es entsteht ein Gleichgewichtszustand von HCO 3 - / CO 3 2- - Ionen in der Porenlösung, auf hohem alkalischem Niveau, der sich über eine lange Zeit einstellt. 4. Zusammenfassung: Aus vielen Untersuchungen von Wasserbauten und Brückenbauwerken der über Hundertjährigen überwiegt aus meiner Sicht der Anteil der dauerhaften Mörtel. Dabei hat die Wasseraufnahme, die Mörtelrohdichte und die Festigkeit eine wesentlich geringere Bedeutung als die Masse der zur Verfügung stehenden Alkalität. Wenn man bei diesen Massen eine Minimierung vornimmt, so verringert man damit die Dauerhaftigkeit. Eine solche Minimierung stellt auch der Hochofenzement dar. Durch den Zusatz von Puzzolanen (Schlacke) steigt der Widerstand gegenüber Sulfat, aber ein Abbau der Alkalität wird durch viele andere Stoffe früher eingeleitet (z.B. Austauchreaktionen durch Chloride) und damit ein beschleunigter Zerfall ausgelöst. Die Veränderung der Gleichgewichtszustände ist dann gegeben, wenn Materialien mit unterschiedlichen Kapillarporositäten und Porenlösungen aufeinandertreffen. 304 7. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Juli 2021 Erfahrungen zur Dauerhaftigkeit von historischen Mörteln und Betonen in feuchtebelasteten Bereichen Zerstörungen, die aus dem verwendeten Baustoff selbst entstehen, z.B. durch Alkalikieselsäurereaktionen (AKR) sind relativ selten und sie werden durch begleitenden Kristallneubildungen wie Ettringit intensiviert. Bei welchen alkalischen Verhältnissen bzw. Kombinationsreaktionen diese besonders aktiviert werden, ist noch nicht ausreichend untersucht, deshalb sehe ich allgemein in einer Optimierung der Alkalität den größten Garanten der Dauerhaftigkeit. Literatur: [1] Dyckerhoff, R - Zementkalkmörtel mit gewähltem Zusatz von Kalk 1881, Thonstein - Zeitung S. 276: „Magere Zementkalkmörtel werden dagegen bei richtig gewähltem Kalkzusatz in Bezug auf Festigkeit und Adhäsion wesentlich verbessert“. [2] Jungermann, B. - Salveter G.: Historische Mörtel im Staumauerbau1. Kolloquium „Bauen in Boden und Fels „ TAE Esslingen 1997 [3] Jungermann, B. - Mikroskopische Untersuchung von Mörteln der Eschbachtalsperre Untersuchungsbericht von 2015 Projekt A 151022 B [4] Tobias, G; Bettzieche, V - Materialauslaugung in Bruchstein Staumauern Wasserwirtschaft 6/ 2016 [5] Burgiesser, P. G. - Der Einfluss von puzzolanischen Zusatzstoffen vulkanischen Ursprungs auf die Alkali-Kieselsäure-Reaktion (AKR) im Beton, Dissertation 2011, FU Berlin