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Auf die sanfte Tour

Technik
Auf die sanfte Tour

Werden geschädigte Betonbauteile instand gesetzt, leidet oft das ursprüngliche Erscheinungsbild eines Bauwerkes. Denn die herkömmliche Methode besteht darin, die maroden Bereiche mit einer irreversiblen Beschichtung zu überdecken, wodurch sich die Optik eines Gebäudes enorm verändern kann. Mit etwas mehr Planungsaufwand und ein wenig mehr Sorgfalt bei der Ausführung lassen sich Betonbauteile jedoch behutsam sanieren, so dass der Entwurfsgedanke erhalten bleibt. Where defective concrete buildings are subjected to restoration their appearance is often impaired. Traditional methods consist in coating the damaged areas with an irreversible finish, whereby the look of a building can be changed greatly. With somewhat more care in planning and also in execution it is possible to repair concrete elements so that the design idea remains intact.

Zahlreiche Betonbauwerke der Moderne gelten inzwischen als wichtige historische Zeugnisse oder haben gar den Rang von Baudenkmälern erreicht. Die Ästhetik ihrer von der Schalung befreiten Oberflächen hat in den vergangenen Jahren jedoch aufgrund unterschiedlicher Einflüsse stark gelitten. Sie zu erhalten und instand zu setzen, wird immer bedeutender. Doch eine Sanierung auf konventionelle Weise, das heißt eine durch großflächige und irreversible Beschichtungen geprägte Art der Betoninstandsetzung, wie sie sich bei hoch beanspruchten Ingenieurbauwerken oft nicht vermeiden lässt, ist hier kaum möglich. Erforderlich sind vielmehr Sanierungen, welche die Schäden dauerhaft beseitigen und dabei diese Bauwerke denkmalgerecht erhalten, das gewachsene Erscheinungsbild sowie den Entwurfsgedanken bewahren und gleichzeitig den Wünschen der heutigen Nutzer gerecht werden. Mit den damit verbundenen Fragen befasst sich das Institut für Massivbau und Baustofftechnologie der Universität Karlsruhe unter der Leitung von Harald Müller seit nunmehr rund fünfzehn Jahren.

Das Institut hat zu Beginn seinen Forschungsschwerpunkt auf das Verständnis des Werkstoff- und Tragverhaltens von Beton und Stahlbeton gelegt. Darüber hinaus entwickeln und beschreiten die Karlsruher Forscher im Zusammenspiel mit Architekten und Bauingenieuren neue modifizierte Wege der Betonsanierung. Geprägt wurde dabei der Begriff der »behutsamen Betoninstandsetzung«, der die Ziele dieser durch einen weitgehenden Substanzerhalt gekennzeichneten Art der Sanierung verdeutlicht (Bilder 1, 2).
Grundlagen Voraussetzung für die behutsame Betoninstandsetzung sind detaillierte Bauwerksuntersuchungen, die es erlauben, die Tragfähigkeit und Dauerhaftigkeit noch ungeschädigter Bauteile sicher abzuschätzen. Technische Erfordernisse sind mit der Denkmalpflege in Einklang zu bringen. Es darf nur wenig in die Bausubstanz eingegriffen werden und das architektonische und optische Erscheinungsbild des Bauwerks beziehungsweise seiner Oberflächen muss in der ursprünglichen Art erhalten bleiben. Hierzu bedarf es einer engen Zusammenarbeit von Architekten, Bauingenieuren und weiteren Fachleuten. Außerdem ist es oft notwendig, auf das jeweilige Bauwerk abgestimmte Instandsetzungsmörtel oder -betone zu entwickeln, die dem Altbeton sowohl in seinen Eigenschaften (Festigkeits-, Verbund- und Verformungseigenschaften) als auch optisch (Farbe und Helligkeit, Bewitterungs- und Alterungsverhalten) entsprechen und weiteren wichtigen Anforderungen genügen. Frischmörtel muss sich beispielsweise leicht verarbeiten und modellieren lassen; beim Festmörtel kommt es auf die mechanischen Eigenschaften, seine Dauerhaftigkeit und sein Erscheinungsbild an.
Typische Schadensbilder Zu den häufigsten Oberflächenschäden von Betonbauten der Moderne gehört das Abplatzen der Betondeckung über oberflächennaher, korrodierender Bewehrung. Dies geschieht infolge des Sprengdrucks, den die entstehenden Korrosionsprodukte bewirken. Es handelt sich um gravierende Schäden, weil hierdurch immer die Dauerhaftigkeit und nicht selten auch die Tragfähigkeit und Standsicherheit der Konstruktion beeinträchtigt werden. Der schadenauslösende Korrosionsvorgang am Bewehrungsstahl resultiert aus dem gleichzeitigen Ablauf von drei Teilprozessen: dem anodischen, dem kathodischen und dem elektrolytischen Prozess.
Zum anodischen Teilprozess, bei dem der Stahl sich an der Anode auflöst, kommt es, wenn die üblicherweise den Stahl schützende Passivschicht aus Eisenoxid durch Chloride oder die Karbonatisierung der Betondeckung zerstört wird. Der kathodische Teilprozess führt zur Oxidation des Eisens und erfordert dementsprechend ein ausreichendes Sauerstoffangebot am Stahl. Der elektrolytische Teilprozess besteht in der Ionenleitung, die einen hinreichend hohen Wassergehalt des Betons erfordert.
Weitere Ursachen für an der Betonoberfläche sichtbare Schäden – es handelt sich hier vor allem um Risse – können allerdings auch konstruktive Mängel und die Überbeanspruchung der Konstruktion sein. Woran es im jeweiligen Fall liegt, ist im Vorfeld der Instandsetzung zu klären. Nur so lassen sich Schäden richtig ausbessern und nach der Sanierung vermeiden.
Neben der abgeplatzten Betondeckung über korrodierter Bewehrung und den unterschiedlich ausgeprägten Oberflächenrissen werden drei weitere charakteristische Schadensbilder voneinander unterschieden [1]:
– verwitterte und abgesandete Betonoberflächen,
– flächige Beläge mineralischer oder organischer Natur und
– hohlraumreiche Randzonen mit fehlender Feinmörtelmatrix.
Teilweise kommen zu diesen typischen Schadensbildern noch Risse in der Zugzone biegebeanspruchter Bauteile sowie durchgehende Risse als Folge von Zwängungen hinzu. Nach Professor Müller (Universität Karlsruhe) ist es für die Bewertung des Schadens entscheidend, das jeweilige Bauwerk einzustufen. Bei historischen Betonkonstruktionen wird beispielsweise eine verwitterte Oberfläche oft als Teil des gewachsenen und damit zu bewahrenden Erscheinungsbildes angesehen. In einem solchen Fall müsste nur dann saniert werden, wenn die Veränderung der Betonoberfläche zum Beispiel die Gebrauchsfähigkeit oder Standsicherheit des Bauwerks beeinträchtigt. Aufschluss darüber geben eine gründliche Bauwerksuntersuchung und eine Schadensanalyse.
Bauwerksuntersuchung Die Bauwerksuntersuchung wird in drei Abschnitte gegliedert: baugeschichtlich, statisch-konstruktiv und materialtechnologisch. Untersuchungen am Institut für Massivbau und Baustofftechnologie der Universität Karlsruhe haben in diesem Zusammenhang beispielsweise gezeigt, dass Farbanalysen an Betonen durch die Anwendung der Farbmetrikgesetze in Kombination mit den technischen Möglichkeiten der digitalen Bilderfassung schnell zu recht genauen Ergebnissen führen. Die am Institut entwickelte Messtechnik eignet sich insbesondere auch dazu, bestimmte Färbungen bei Instandsetzungsmörteln oder -betonen zu reproduzieren.
Die Standsicherheit wird stets auf der Grundlage der Ergebnisse der Bauwerksuntersuchungen und der Konzepte in einschlägigen Richtlinien (besonders DIN 1045) beurteilt. Allerdings zeigt die Erfahrung, dass die dort gegebenen Nachweisformate oftmals nicht zielführend angewandt werden können. In diesen Fällen empfiehlt es sich, weitergehende statische Überlegungen bis hin zu numerischen Untersuchungen anzustellen. Gegebenenfalls sollten auch Belastungsversuche durchgeführt werden, um entweder die Tragfähigkeit beziehungsweise die Standsicherheit nachweisen oder wirksame Verstärkungen planen zu können.
Der künftig zu erwartende Schadenszuwachs lässt sich meist recht einfach mithilfe von Potenzgesetzen hinreichend genau abschätzen – falls die allmähliche Zerstörung einer Betonoberfläche allein auf Verwitterungsprozessen beruht. Schwieriger ist die Prognose der Dauerhaftigkeit bezüglich der Korrosion der oberflächennahen Bewehrung. In diesen Fällen liegt praktisch immer ein ausreichendes Sauerstoffangebot am Stahl vor. Die Zerstörung der Passivschicht ist bei diesen Bauwerken nur selten auf lokal vorhandene oder eingetretene Chloride zurückzuführen, sondern erfolgt durch die Karbonatisierung der Randzone infolge ungenügender Betondeckung und/oder geringer Betonqualität (Bild 3). Die künftig zu erwartende Korrosion lässt sich daher nur fundiert abschätzen, indem man den Karbonatisierungsfortschritt in Verbindung mit dem Feuchtehaushalt beziehungsweise den Voraussetzungen für die Betonkorrosion am betrachteten Bauteil erfasst und prognostiziert.
Instandsetzung Wie bereits erwähnt, muss der Instandsetzungsmörtel verschiedenen wichtigen Anforderungen genügen. Unter anderem ist eine speziell auf ihn abgestimmte zementgebundene Haftbrücke zu entwickeln. Bevor diese verwendet wird, ist ihre Eignung mithilfe entsprechender Prüfungen gemäß der einschlägigen Vorschriften nachzuweisen.
Art und Umfang der Instandsetzungsarbeiten sowie ihre Ausführung werden auf der Grundlage der Ergebnisse der Bauwerksuntersuchungen beziehungsweise der Prognose des Korrosionsfortschritts festgelegt. Im Wesentlichen werden folgende Arbeitsschritte ausgeführt:
  • 1. Zunächst werden die Bauwerksoberflächen gereinigt, ohne dabei in den ungeschädigten Bereichen nennenswert Oberflächenmaterial abzutragen.
  • 2. Anschließend werden die Grenzen der zu bearbeitenden Schadensbereiche festgelegt. Aus architektonischen, aber auch aus technologischen Gründen erfolgt die Begrenzung in der Regel durch gerade, sich an der Oberflächentextur orientierende Linien, wie zum Beispiel Schalbrettfugen.
  • 3. Entlang dieser Grenzlinien wird der Beton zum Beispiel mit einem Trennschleifer bis maximal fünf Millimeter Tiefe eingeschnitten.
  • 4. Danach wird der Beton zwischen den Einschnitten ausgestemmt und die Bewehrung bis in den nicht mehr korrosionsgefährdeten Bereich freigelegt. Sofern erforderlich, ist der durch die Einschnitte begrenzte Bereich zu vergrößern.
  • 5. Die zur Lastabtragung nicht mehr benötigte Bewehrung wird entfernt. So ist zum Beispiel die für das Schwinden vorgesehene konstruktive Bewehrung verzichtbar, sobald dieser Prozess abgeschlossen ist.
  • 6. Die verbleibende Bewehrung wird gesäubert und von Roststellen befreit.
  • 7. Lose und weniger feste Teile sind aus der Ausbruchstelle zu entfernen.
  • 8. Falls erforderlich, wird auf den Bewehrungsstahl ein Korrosionsschutzsystem aufgebracht.
  • 9. Dann werden die Betonbruchstelle und deren unmittelbare Umgebung vorgenässt.
  • 10. Auf die Oberflächen der Ausbruchstelle ist eine zementgebundene Haftbrücke aufzubringen und einzubürsten.
  • 11. Daraufhin wird die Ausbruchstelle mit einem geeigneten Instandsetzungsmörtel beziehungsweise -beton verfüllt (frisch in frisch mit der Haftbrücke, Bild 4). Sofern erforderlich, beispielsweise um eine Schalbrettstruktur herzustellen, wird der noch frische Mörtel modelliert.
  • 12. Es erfolgt eine (mehrtägige) Nachbehandlung der Reprofilierungsstelle.
  • 13. Zum Schluss wird die Reprofilierungsstelle zum Beispiel durch Scharrieren nachgearbeitet, um die Oberflächentextur an die Umgebung anzugleichen.
Anhand dieser Liste wird deutlich, dass sich die Arbeitsschritte zwar nicht nennenswert von der herkömmlichen Vorgehensweise bei einer Betoninstandsetzung unterscheiden, sie aber einige wichtige Erweiterungen beinhalten. Beispiele dafür sind die Abgrenzung der Instandsetzungsbereiche anhand architektonischer Linien, das Modellieren des frischen sowie die Nachbearbeitung des erhärteten Mörtels und insbesondere der Verzicht auf jegliche Art von Oberflächenschutz.
Qualitätssicherung Ein Qualitätssicherungsplan (QS-Plan) ist eine unabdingbare Voraussetzung für eine erfolgreiche behutsame Betoninstandsetzung. Darin sind sowohl die verwendeten Materialien als auch die Ausführung gekennzeichnet. Darüber hinaus schreibt der QS-Plan die vorbereitenden Probearbeiten und das Anlegen von Instandsetzungsmustern präzise vor.
Die Qualitätssicherung muss bis ins kleinste Detail gehen, da die behutsame Instandsetzung einer Betonoberfläche im Prinzip der Ausführung von Sichtbeton ähnelt. Nur ein im Vorfeld sorgfältig Punkt für Punkt aufgestellter Plan garantiert, dass später keine unangenehmen Überraschungen auftreten. Zudem müssen alle maßgeblich an der Instandsetzung beteiligten Parteien – vor allem Architekt, Ingenieur, Denkmalpfleger, Ausführender und gegebenenfalls Materialtechnologe – eng zusammenarbeiten und sich regelmäßig untereinander abstimmen. Dadurch entstehen Instandsetzungsplanungen, die das Erscheinungsbild von Bauwerken aus Beton entsprechend der ursprünglichen Intention des Entwerfers über mehrere Instandsetzungszyklen der Bauerhaltung weitertragen. Für den gestalterischen Erfolg ist es außerordentlich wichtig, zunächst die geplante Leistung eindeutig zu beschreiben und anschließend deren Umsetzung in allen Bauphasen fachlich anzuleiten und technisch zu kontrollieren.
Kosten Bei geplanten Instandsetzungen von bedeutenden Bauwerken oder Baudenkmälern der Moderne diskutiert die Öffentlichkeit natürlich sofort das Thema Geld; schließlich sind die öffentlichen Kassen weitgehend leer. Viele vertreten die Meinung, dass behutsame Vorgehensweisen grundsätzlich teurer sind als das Instandsetzen ohne »lästige« Auflagen der Denkmalpflege. Dem widerspricht der Karlsruher Architekt Hubert Baumstark. Gemäß seinen Erfahrungen versprechen die auf den notwendigen Umfang genau eingegrenzten behutsamen Instandsetzungen deutliche Kosteneinsparungen – besonders bei der Sanierung von Sichtbeton. Dies ist häufig bereits im Rahmen einer grundlegenden Erstinstandsetzung der Fall, vor allem jedoch im regelmäßig wiederkehrenden Bauunterhalt.
Beispiele Nach dem Karlsruher Konzept wurden bisher beispielsweise die Stuttgarter Liederhalle (erbaut 1954 – 56) und die Berufsakademie Lörrach (von 1968) erfolgreich instand gesetzt. Demnächst folgt die behutsame Sanierung einer Eisenbetonbrücke von Emil Mörsch aus dem Jahr 1915 in Rottweil.
Anhand der Liederhalle und ihres Beethovensaales zeigt sich, wie sich eine sorgfältige und differenzierte Analyse der Schadensursache auf das Sanierungskonzept auswirkt und die Instandsetzungsarbeiten beeinflussen kann (Bilder 5, 6). Hier wurde der Verlust des Korrosionsschutzes der zu gering überdeckten Bewehrung als Folge der Karbonatisierung des Betons bei gleichzeitiger starker Durchfeuchtung der Betonrandzone als maßgebende Schadensursache festgestellt. Sichtbar waren Ablösungen und Abplatzungen der Betondeckung über korrodierender Bewehrung.
Der Schwindprozess des Betons galt zum Zeitpunkt der Instandsetzung als abgeschlossen und die Formänderungen infolge wechselnder Temperaturen im Bereich der Wandkrone (Attika) konnten als unmaßgeblich betrachtet werden [2]. Aus diesen Gründen war es möglich, die Bewehrungen mit viel zu geringer Betonüberdeckung wegzuschneiden. Anschließend wurden die Schnittstellen mit einem Korrosionsschutzsystem beschichtet und der schadhafte Beton auf begrenzter Fläche reprofiliert (Bild 1). W. H.
Literatur und Quellen: [1] Müller H. S., U. Nolting (Hrsg.), Instandsetzung bedeutsamer Betonbauten der Moderne in Deutschland; Tagungsband zum Symposium am 30. März 2004 an der Universität Karlsruhe, Institut für Massivbau und Baustofftechnologie, Universität Karlsruhe, 2004 [2] Rudolf Pörtner, in: Instandsetzung bedeutsamer Betonbauten der Moderne in Deutschland; Tagungsband zum Symposium am 30. März 2004 an der Universität Karlsruhe, Institut für Massivbau und Baustofftechnologie, Universität Karlsruhe, 2004, Seiten 63 – 69
– Bundesverband der Deutschen Zementindustrie (Hrsg.), Sichtbeton, Merkblatt für Ausschreibung, Herstellung und Abnahme von Beton mit gestalteten Ansichtsflächen, März 1997, Seite 3 – DIN 1045-1, Tragwerke aus Beton, Stahlbeton und Spannbeton, Bemessung und Konstruktion, Juli 2001 – Günter, M., H. K. Hilsdorf, Technologie der Instandsetzung der Stahlbetonfassaden des Beethovensaals der Liederhalle Stuttgart, in: Erhalten historisch bedeutsamer Bauwerke, Sonderforschungsbereich 315 der Universität Karlsruhe, Jahrbuch 1994, Verlag Ernst & Sohn, 1996 – Haardt, P., Zementgebundene und kunststoffvergütete Beschichtungen auf Beton, Schriftenreihe des Instituts für Massivbau und Baustofftechnologie, Universität Karlsruhe, Heft 13, 1991 – Luley, H., und andere, Instandsetzen von Stahlbetonoberflächen, 7. Auflage, Bundesverband der Deutschen Zementindustrie, Beton-Verlag, Düsseldorf, 1997 – Müller, H. S., M. Günter, H. K. Hilsdorf, Instandsetzung historisch bedeutender Beton- und Stahlbetonbauwerke, Beton- und Stahlbetonbau, Band 95, Heft 3, Seiten 143 – 157 beziehungsweise Heft 6, Seiten 360 – 364, 2000
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