9. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Februar 2025 173 Innovative Textilbetonrückenabdichtung auf Eisenbahngewölbebrücken Annette Dahlhoff, M. Sc. Institut für Baustoffforschung (ibac), RWTH Aachen University Dr.-Ing. Till Büttner MK Ingenieure GmbH Conrad Pelka, M. Sc. Institut für Massivbau, TU Dresden Univ.-Prof. Dr.-Ing. Michael Raupach Institut für Baustoffforschung (ibac), RWTH Aachen University Univ.-Prof. Dr.-Ing. Steffen Marx Institut für Massivbau, TU Dresden Zusammenfassung Im Zuge des auf kommenden Sanierungsbedarfs wird der Gedanke des Instandsetzens von Ingenieurbauwerken unter Beachtung der Nachhaltigkeitsziele immer bedeutungsvoller. Insbesondere Eisenbahngewölbebrücken haben aufgrund einer durchschnittlichen Nutzungsdauer von 111 Jahren und der damit einhergehenden Dauerhaftigkeit ein großes Potenzial für vorhandene Resttragfähigkeit. Von den circa 5900 Gewölbebrücken der Deutschen Bahn benötigen eine Vielzahl von Brücken in den nächsten 6 Jahren dringend Maßnahmen zur Instandsetzung. Dabei führt eindringende und rückstauende Nässe, die sich im Gewölberücken sammelt, häufig in Kombination mit dynamischen Einwirkungen aus dem Eisenbahnverkehr zu dem Verlust des Verbundverhaltens im Mauerwerk, Rissbildungen, Steinverluste sowie Verformungen, Verschiebungen und Verkippungen. Um diesen Schadensmechanismen entgegenzuwirken, wurde in Kooperation mit der RWTH Aachen University, dem Institut für Baustoffforschung (ibac) und der TU Dresden, dem Institut für Massivbau sowie zwei Partnern aus der Industrie, der Firma Massenberg und der Firma BAWAX eine konstruktive Rückenabdichtung weiterentwickelt. Diese Rückenabdichtung besteht aus einer Textilbetonschicht aus nicht-metallischer Carbonbewehrung getränkt mit Acrylat und einem Dichtmörtelsystem zur Betoninstandsetzung. 1. Einführung Angesichts des wachsenden Sanierungsbedarfs von Ingenieurbauwerken gewinnt die Instandsetzung unter Berücksichtigung von Nachhaltigkeitsaspekten zunehmend an Bedeutung. Besonders Eisenbahngewölbebrücken, die eine durchschnittliche Nutzungsdauer von 111-Jahren aufweisen, bieten durch ihre hohe Beständigkeit ein erhebliches Potenzial hinsichtlich der noch vorhandenen Resttragfähigkeit. Von den insgesamt 5.926 Gewölbebrücken der Deutschen Bahn steht bei einer Vielzahl in den kommenden sechs Jahren eine dringende Sanierung an [1, 2, 3,4]. Ein häufig auftretendes Schadensbild ist das Eindringen und Rückstauen von Feuchtigkeit im Gewölberücken, was - oft in Kombination mit dynamischen Belastungen des Eisenbahnverkehrs - zu einer Minderung des Verbundverhaltens im Mauerwerk führt. Dies äußert sich in Rissbildungen, Verlust von Mauersteinen, Verformungen sowie Verschiebungen und Verkippungen der Bauteile [5]. Um diesen Schadensmechanismen entgegenzuwirken, wurde in Zusammenarbeit mit der RWTH Aachen (Institut für Baustoffforschung, ibac), der TU Dresden (Institut für Massivbau) sowie den Industriepartnern Massenberg und BAWAX eine innovative Rückenabdichtung entwickelt. Diese besteht aus einer Textilbetonschicht mit nicht-metallischer Carbonbewehrung, die mit Acrylat getränkt ist, sowie einem speziellen Dichtmörtelsystem zur gezielten Betoninstandsetzung [6]. Abb. 1: Technologiekonzept der Rückenabdichtung auf Gewölbebrücken [Zeichnung: Achenbach] 174 9. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Februar 2025 Innovative Textilbetonrückenabdichtung auf Eisenbahngewölbebrücken Im Rahmen der Instandsetzungsarbeiten auf dem Gewölberücken des Kewag-Viadukts bei Koblenz - gelegen auf der Bahnstrecke von Koblenz nach Wetzlar bei Bahnkilometer 102,244 km - wurde das entwickelte Instandsetzungskonzept erstmals als Pilotprojekt angewendet. Das im Jahr 1878 erbaute Viadukt umfasst fünf Bögen und weist in bestimmten Abschnitten eine stark reduzierte Überdeckungshöhe von etwa 10-cm zwischen Gewölberücken und Schwellenunterkante auf. Da die Einhaltung der Gradienten erforderlich ist, können an dieser Stelle keine klassischen Fahrbahnplatten aus Stahlbeton eingebaut werden, da dies die maximal zulässige Bauteilhöhe überschreiten würde. Zudem würde eine Instandsetzung an der Gewölbeinnenseite das Regelprofil beeinträchtigen und Feuchtigkeit im Bauwerk einsperren. Da außerdem eine Straße und eine Bahnlinie die Durchfahrtshöhen zweier Bögen einschränken, konnte auch diese Option nicht in Betracht gezogen werden [4]. Abb. 2: Seitenansicht des Kewag-Viadukts [Foto: Pelka] Um die Wirksamkeit und Dauerhaftigkeit der Rückenabdichtung zu überprüfen, wurden bereits ein Jahr vor der Maßnahme Feuchtesensoren in Form von Multi-Ring- Elektroden auf der Innenseite des Gewölbes sowie im aufgehenden Pfeilerbereich installiert. Diese Sensoren messen den Feuchtegehalt im Bestandsbauwerk und ermöglichen so einen Vorher-Nachher-Vergleich, um den Erfolg der Instandsetzung zu dokumentieren [7]. Die Durchführung der Arbeiten am Kewag-Viadukt fand im Oktober 2023 durch die Firmen Bahnbau Gruppe, Massenberg (Essen) und BAWAX (Celle) statt. 2. Ist-Zustands-Erfassung Das Kewag-Viadukt, ein Bauwerk aus dem Jahr 1878, gehört zu den historischen Ingenieurbauwerken der Region nördliches Rheinland-Pfalz und stellt aufgrund seiner Konstruktion und Lage eine besondere Herausforderung für Instandsetzungsmaßnahmen dar. Ursprünglich bestand das Viadukt aus fünf Gewölbebögen, die zusammen den Überbau bildeten. Jedoch musste der zweite Bogen, bedingt durch Platzmangel aufgrund der Oberleitungsanlage eines kreuzenden Schienenweges, durch einen Rahmen aus Stahlbeton im Laufe der Nutzung ersetzt werden [4]. Der Überbau wird durch einen Oberbau mit Schotter- Schwellen-System (SSS) ergänzt, der sich auf die tragende Konstruktion des Viadukts stützt. Die Unterbauten des Viadukts setzen sich aus zwei Widerlagern und vier Pfeilern zusammen, die dem Bauwerk Stabilität verleihen und die Lasten der Überbauten und des Oberbaus abtragen. Im Zuge der Voruntersuchungen an der Gewölbebrücke wurden Schurfe sowohl im Bereich der Gewölbebögen als auch an den Pfeilern des Bauwerks durchgeführt. Diese Untersuchungen legten erhebliche Mängel bei der Überdeckungshöhe im Scheitelbereich des Gewölbes offen. Während die baulichen Anforderungen eine Mindestschotterhöhe von 30-cm zwischen der Unterkante der Schwellen und der Rückseite des Tragwerks vorschreiben, wurde im Bereich des Gewölbebogens eine Überdeckungshöhe von lediglich etwa 10-cm gemessen. Besonders kritisch zeigt sich die Situation im Bereich der Stirnwand, wo der Schotter direkt aufliegt und somit keine Überdeckungshöhe vorhanden ist. Abb. 3: Aufbau des Kewag-Viadukts [Zeichnung & Fotos: GleisPlanService GmbH]. 9. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Februar 2025 175 Innovative Textilbetonrückenabdichtung auf Eisenbahngewölbebrücken Abb. 4: Überdeckungshöhen beispielhaft im Bogen 5 [Zeichnung: Dahlhoff] Im Zuge der Gleisöffnung, die zur genauen Überprüfung und Ergänzung der zuvor durchgeführten Schurfe vorgenommen wurde, zeigte sich das gesamte Ausmaß der baulichen Mängel. Besonders auffällig waren die stark zugesetzten Entwässerungsöffnungen, die ihre Funktion vollständig verloren hatten und somit keine ausreichende Ableitung von Niederschlagswasser mehr ermöglichten. Diese Verstopfungen führten zu einer zunehmenden Feuchtigkeitsansammlung, die das Mauerwerk im Laufe der Zeit stark belastet hat. Die Folgen dieser unzureichenden Entwässerung waren deutlich sichtbar in Form einer stark verschmutzen und „versotteten“ Oberfläche. Im Jahr 2017 wurde eine erste Sanierung (in einem Teilbereich des Bauwerks) des rückseitigen Hauptgewölbebogens durchgeführt. Dabei wurde eine mehrlagige Schutzschicht aus Schwarzanstrich und fließkaschierten Bitumenschweißbahnen, die in Heißbitumen verlegt wurden, aufgebracht [4]. Abb. 5: Mehrlagige Abdichtungs- und Schutzschicht [Foto: DB InfraGO AG] 3. Technologie und Monitoring Als Instandsetzungssystem für das hier vorgestellte Pilotprojekt wurde ein wasserundurchlässiges Mörtelsystem mit Carbongelegen entwickelt und eingesetzt, sodass die Funktionen Egalisierungsschicht, Schwarzabdichtung und Schutzbetonschicht in einem System vereint werden. Durch diese innovative Kombination lässt sich die Schichtdicke der Abdichtung erheblich verringern. Zusätzlich kann die Applikationszeit deutlich reduziert werden und ein nahezu witterungsunabhängiges Arbeiten ist möglich. Die hohe Dauerhaftigkeit des Materialkombination verspricht zudem eine lange Lebensdauer der Abdichtungsschicht. Ein entscheidender Vorteil des entwickelten Systems ist die rissverteilende Wirkung. In Anlehnung an das DUR- TEX-System wurde die Carbonbetonschicht ohne flächigen Verbund auf den Untergrund appliziert, so dass Spannungen im Mauerwerk nicht auf die Carbonbetonschicht übertragen werden [8]. Dies verhindert Beschädigungen der Abdichtung und wirkt zudem rissverteilend, was die Langlebigkeit und Wirksamkeit des Systems weiter unterstützt. Zudem soll ein Haftvermittler gezielt an Stellen aufgebracht werden, an denen noch Reste der alten Schwarzabdichtung vorhanden sind und der Verbund damit verbessert werden kann. Abb. 6: Nicht entkoppeltes Instandsetzungssystem mit durchschlagendem Riss [8, 9, 10, 11] 176 9. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Februar 2025 Innovative Textilbetonrückenabdichtung auf Eisenbahngewölbebrücken Abb. 7: Entkoppeltes Instandsetzungssystem als rissverteilende Rückenabdichtung auf dem Mauerwerk basierend auf dem System DURTEX [8, 9, 10, 11] Die Applikation der Carbonbetonschicht stellt insbesondere in den Bereichen der Betonaufkantungen eine technische Herausforderung dar. Hier gibt es zwei mögliche Ausführungsvarianten: Zum einen kann das System „fest“ eingebunden werden, indem nur eine Anschlussfugenabdichtung im Eckbereich zu den Betonaufkantungen integriert wird. Zum anderen besteht die Option, die Carbonbetonschicht „schwimmend“ zu verlegen, indem eine zusätzliche Lage Haftvermittler unter der Carbonbetonschicht eingebracht wird. Abb. 8: Beispielhafter schematischer Auf bau des Instandsetzungssystems in Bereichen von Betonaufkantungen [Abbildung: Dahlhoff] Zusätzlich zu der textilbewehrten Abdichtung wurde ein Monitoringsystem vor Applikation der Abdichtung in das Bauwerk eingebaut, um das Austrocknungsverhalten infolge der Applikation der Abdichtung zu überwachen und verifizieren zu können. Mittels Multiringelektroden werden die Feuchte- und Temperaturverhältnisse im Gewölbe erfasst [7]. Hierfür wurden sechs Multiringelektroden an unterschiedlichen Tiefen und Positionen im Gewölbe eingebaut, und die Messungen bereits im Januar 2023 gestartet. Die Multiringelektroden ermöglichen tiefengestaffelte Widerstandsmessungen, anhand derer der spezifische elektrische Widerstand ermittelt und als geometrieunabhängiger Werkstoffparameter ausgewertet wird [7]. Abb. 9: Positionierung der Multiringelektroden als Monitoring im Gewölbe [Foto: Dahlhoff] 4. Instandsetzung des Kewag-Viadukts Die Arbeiten begannen mit dem Rückbau des Oberbaus bis zur Schutzschicht der bestehenden bituminösen Abdichtung, die jedoch aufgrund von Unebenheiten nur teilweise erhalten werden konnte. Nach der Freilegung der Gewölberückenerfolgte eine gründliche Reinigung des Bestandes mittels Hochdruckwasserstrahlen, um minderfeste Schichten zu entfernen. Abb. 10: Reinigung des Untergrundes mittels Hochdruckwasserstrahlen [Foto: Büttner] Vor dem Auftragen der neuen Abdichtungsschicht wurde der Untergrund mit polymermodifiziertem Mörtel egalisiert; an freiliegenden Stellen der alten Abdichtung wurde ein Haftvermittler aufgetragen. 9. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Februar 2025 177 Innovative Textilbetonrückenabdichtung auf Eisenbahngewölbebrücken Abb. 11: Egalisierung der Unebenheiten [Foto: Pelka] Im Anschluss an die Egalisierung des Untergrundes wurde die Carbonbetonschicht lagenweise aufgetragen, wobei die erforderliche Nachbehandlung berücksichtigt wurde. Um die Bauarbeiten effizient zu gestalten, wurde das Material maschinell gemischt und zur Einbaustelle gepumpt, wo es manuell verteilt und verdichtet wurde. Alle Anschlüsse an angrenzende Bauteile und Entwässerungsöffnungen wurden mit einer auf das System abgestimmten Polymerzementschlämme sorgfältig abgedichtet. Schließlich wurde die gesamte Abdichtungslage mit einem Geotextil abgedeckt, um sie vor dem Einbau des neuen Oberbaus zu schützen und während der weiteren Arbeiten nachzubehandeln. Abb. 12: Verwendete Carbonbewehrung CTR [Foto: Dahlhoff] Abb. 13: Applikation der Carbonbetonschicht CTRC [Foto: Dahlhoff] Abb. 14: Fertiggestellte Carbonbetonrückenabdichtung [Foto: Dahlhoff] 5. Feuchtemonitoring Seit der Instandsetzung im Oktober 2023 ermöglicht das Feuchtemonitoring eine kontinuierliche Überwachung des Abtrocknungsprozesses im Gewölbe. Eine erste Datenanalyse im Juli 2024 zeigte bereits das fortschreitende Abtrocknen des Ankopplungsmörtels der Multiringelektroden. 178 9. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Februar 2025 Innovative Textilbetonrückenabdichtung auf Eisenbahngewölbebrücken In den Abbildungen Abb. 15 und Abb. 16 sind exemplarisch die temperaturkorrigierten spezifischen Widerstände im Zeitverlauf dargestellt. Neben dem Abtrocknen des Ankopplungsmörtels lassen sich zudem leicht steigende Tendenzen im spezifischen Widerstand erkennen. Diese Entwicklung kann im Frühjahr, bei niederschlagsärmerem Wetter, weiterführend untersucht werden. Abb. 15: Spezifischer temperaturkorrigierter Widerstand - Multiringelektrode Sensor 5 Abb. 16: Spezifischer temperaturkorrigierter Widerstand - Multiringelektrode Sensor 6 6. Zusammenfassung & Ausblick Das Instandsetzungskonzept für das Kewag-Viadukt, ein historisches Bauwerk aus dem Jahr 1878, zielt darauf ab, das Gewölbeviadukt unter Verwendung moderner Materialien und Technologien zu erhalten. Besonderes Augenmerk lag auf der Anwendung einer carbonbewehrten Mörtelschicht als Rückenabdichtung, die in dem Pilotprojekt des Kewag-Viadukts erfolgreich umgesetzt wurde. Ergänzt durch ein kontinuierliches Monitoring, das Feuchte- und Temperaturdaten im Gewölbe erfasst, kann der Abtrocknungsprozess überwacht und wertvolle Erkenntnisse über das Materialverhalten und die Wirksamkeit der Sanierungsmaßnahmen gewonnen werden. Diese innovative Kombination von Materialtechnologie und Monitoring eröffnet neue, ressourceneffiziente Ansätze für die nachhaltige Instandhaltung von Infrastrukturbauwerken. Dabei führte die Umsetzung des Pilotprojekts zu folgenden Erkenntnissen: • Die textilbewehrte Mörtelschicht als Rückenabdichtung konnte nach den technischen Anforderungen als Pilotanwendung in den vorgegebenen Zeitintervallen erfolgreich umgesetzt werden. • Die Applikation von zementbasierten Produkten bietet die Möglichkeit, erforderliche Wartezeiten aufgrund nasser Untergründe auf ein Minimum zu reduzieren, wodurch flexibel auf Witterungsbedingungen und den Bauablauf reagiert werden kann. • Die Verknüpfung innovativer Materialien mit der Instandsetzung von Infrastrukturbauwerken ermöglicht, basierend auf den aktuellen Erkenntnissen aus dem Pilotprojekt, neuartige, ressourceneffiziente und dauerhafte Lösungskonzepte. Im Rahmen der weiteren Entwicklung sind zusätzliche Laborversuche der verwendeten Materialkombinationen vorgesehen, um deren Langzeitverhalten und Leistungsfähigkeit unter unterschiedlichen Randbedingungen umfassend zu analysieren. Ziel ist es, die dauerhafte Wirksamkeit der Rückenabdichtung weiter zu validieren und mögliche Optimierungspotenziale zu identifizieren. Darüber hinaus ist eine Ausweitung der Technologie auf andere Infrastrukturbauwerke geplant. Die gewonnenen Erkenntnisse sollen genutzt werden, um die Anwendung der entwickelten Lösung zu erweitern und deren Potenzial für die nachhaltige Sanierung und Instandhaltung von Ingenieurbauwerken weiter zu testen und zu verbessern. Dieser Schritt wird dazu beitragen, die Vielseitigkeit und Effizienz der Technologie in unterschiedlichen Kontexten zu bestätigen und ihre breite Anwendung zu fördern. Literatur [1] Eisenbahn-Bundesamt (Oktober 2022) EBA-Jahresbericht 2021/ 2022 [online]. https: / / www.eba. bund.de/ SharedDocs/ Downloads/ DE/ Allgemeines/ Jahresberichte/ 91_eba_jb_2021.pdf? __blob=publicationFile&v=4. [2] Brückenkarte Deutsche Bahn, DB InfraGO AG, I.IAP 22 Investitionsprogramme, Rollout und Umsetzung, Frankfurt am Main https: / / bruecken. deutschebahn.com/ br%C3%BCckenkarte. [3] Eisenbahn-Bundesamt ISK-V 2022 https: / / www. eba.bund.de/ DE/ Themen/ Finanzierung/ LuFV/ ISK-V/ isk-v_node.html. [4] Pelka, C.; Dahlhoff, A.; Büttner, T.; Raupach, M.; Marx, S.: Textilbetonrückenabdichtung auf Eisenbahngewölbebrücken, 16. Carbonbetontage, Dresden, 24.-25.09.2024. [5] Bauwerksdiagnostik als Grundlage für Sanierungskonzepte historischer Eisenbahngewölbebrücken; Pelka, Meichsner, Unger, Monka-Birkner, Marx; Mauerwerk Kalender 2024: Klimagerechtes und nachhaltiges Bauen; Befestigen; Bauen im Bestand. 9. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Februar 2025 179 Innovative Textilbetonrückenabdichtung auf Eisenbahngewölbebrücken [6] Kriescher, K.; Morales Cruz, C.; Raupach, M.: Entwicklung eines mörtelbasierten, textilbewehrten Abdichtungssystems für gemauerte Gewölbebrücken, 8. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken TAE, 02.2023. [7] Achenbach, R.; Raupach, M.: 30 Jahre Multiringelektrode Messtechnische Überlegungen beim Einsatz in Bauwerk und Laborversuchen, 8. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken TAE, 02.2023. [8] BAWMerkblatt MITEX: Merkblatt für die Instandsetzung von gerissenen Betonflächen mit textilbewehrtem Spritzmörtel/ Spritzbeton, Ausgabe 2019. [9] Büttner, T.; Raupach, M.: Des Bauwerks neue Kleider. Funktionsprinzipien und Einsatz möglichkeiten von Textilbetonschichten zum Schutz von Wasserbauwerken. In Bauen im Bestand: B + B 35(6), S. 70-75, 2012. [10] Morales Cruz, C.: Crack-distributing carbon textile reinforced concrete protection layers = Rissverteilende Textilbeton Schutzschichten mit textiler Carbonbewehrung, Dissertation, RWTH Aachen University, 2020. [11] Orlowsky, J.; Raupach, M.; Westendarp, A.: Textilbewehrte Spritzmörtelschichten zur Instandsetzung von Wasserbauwerken/ Shotcrete Layers with Textile Reinforcement for Repair of Hydraulic Constructions. In Restoration of Buildings and Monuments, Volume 17, S. 181-190, 2011.