Methoden der Bestandsaufnahme: Material

Lehrstuhl für Holzbau und Baukonstruktion Methoden der Bestandsaufnahme

Materialtypische Schäden

Instandsetzung von Schäden

Die Instandsetzung von Schäden setzt eine aussagekräftige Diagnose des Bauschadens voraus

Festzustellen sind daher:

SchadensursacheSchadensgradSchadensumfang

Materialtypische Schäden

Instandsetzung von Schäden

Die physikalische Schadensursache ist i.d.R. auf einen der folgenden Punkte zurückzuführen

Mangelhafter Roh- und Baustoff (oder ungeeignete Verwendung)

Fehlerhafte Baukonstruktion (nicht materialgerechtes Konstruieren)

Rohstoffverarbeitung mangelhaft

Betontypische Schäden

Typische Schadenskategorien

2 Physikalische/ chemische Schäden des Betons

BetonabsprengungenBetonausblühungenBetonauslaugungBetonkorrosionBetontreiben

1 Korrosion der Bewehrung

Carbonatisierung des BetonsChlorideinwirkung

Korrosion der Bewehrung: Carbonatisierung 1

Abhängigkeit der Korrosionsgeschwindigkeit von der Säureeigenschaft der Umgebung

Als Bindemittel für Beton wird Zement verwendet, in dem die folgenden Klinkerphasen, je nach Zementart in unterschiedlichen Anteilen, vorliegen.

Klinkerphasen:

TriCalciumSilikat: 3CaO . SiO2

DiCalciumSilikat: 2CaO . SiO2

TriCalciumAluminat: 3CaO . Al2O3

CalciumAluminatFerrit: 4CaO (Al2O3,Fe2O3)

CalciumOxid CaO (Freikalk)

MagnesiumOxid MgO (Periklas)

Durch Beimengung von Anmachwasser werden zwei Prozesse ausgelöst:

Hydrolyse: CaO + H2O Ca2+ + 2OH-

pH-Wert: 12,5, d.h. basisch und somit Schutz der Bewehrung durch Passivierung im Frischbeton

Hydratation: Ausbildung der Hydratphasen, u.a. CalziumSilikatHydrat + CalziumHydroxidm*CaO . SiO2 . x*H2O + Ca(OH)2

CalziumHydroxid wirkt basisch (pH-Wert 12,5) und bildet somit einen Schutz der Bewehrung durch Passivierung

In der Luft gelöstes Kohlenstoffdioxid, CO2, kann durch Diffusion in den Beton eindringen und löst den Carbonatisierungsvorgang aus:

1.Schritt: CO2 + H2O H2CO3 (Kohlensäure)

2.Schritt: H2CO3 + Ca(OH)2 CaCO3 + 2H2O (Kalziumcarbonat + Wasser)Verschiebung des pH-Wertes nach untenBei einem pH-Wert < 9,5 setzt die Korrosion ein

Korrosion der Bewehrung: Chlorid

Die meisten Metalle bilden eine mehr oder weniger vor Korrosion schützende submikroskopische Oxidschicht aus.

Diffundieren Cl- Ionen durch den Beton bis zur Bewehrung wird diese Passivschicht lokal zerstört indem die Bindung der Metallionen zur Oxidschicht geschwächt und schließlich gelöst wird.

Im Bereich des Angriffs bildet sich ein lokaler saurer Bereich aus (unabhängig vom pH-Wert des Zementsteins) der die Korrosion begünstigt.

Die lokale Zerstörung und das lokale Auftreten von Korrosion ist als Lochfraß bekannt.

Oben: Mechanismus des LochfraßesRechts: Löcher in Nickel

Chloridangriffe sind typisch für Stahlbetonteile die :

- durch Tausalze belastet werden (Brücken, Sockelbereiche)- unter HCl (Chlorwasserstoff) Einwirkung stehen (PVC-Brände)- einen Magnesiumestrich/ Steinholzestrich tragen (Magnesiumchlorid als Bindemittel)

Tausalze in der Sockelzone Brandschadensbild Foto Fa. Wels

Physikalische/ chemische Schäden des Betons: Betonabsprengungen

Ursachen

Frost-Tauwechsel (größeres Volumen von Eis im Vergleich zu flüssigem Wasser)

Voraussetzung: Wasser muss in flüssiger Form im Beton vorliegen können

-Frischbeton (noch nicht abgebunden)-Ungleichmäßige Verdichtung mit lokal hoher Wasseraufnahmefähigkeit durch hohe Porosität

Korrosion der Bewehrung (größeres Volumen der Oxidschicht im Vergleich zum Metall)

Voraussetzung:

-Freiliegen des Bewehrungsstahls-Carbonatisierung des Betons-Chlorideinwirkung

Physikalische/ chemische Schäden des Betons: Betonabsprengungen

Beispiele

Physikalische/ chemische Schäden des Betons: Betonausblühungen

Ursachen

Vorhandensein wasserlöslicher Substanzen, Auftreten von Wasser/ Feuchtigkeit im Beton

Substanzen:

-Kalziumkarbonat aus dem Prozess der Betoncarbonatisierung(kein Mangel hinsichtlich Festigkeit und Dauerhaftigkeit)-Wasserlösliche Salze aus Zuschlag oder Anmachwasser (Sulfate, Chloride)-Wasserlösliche Salze aus nicht gesperrtem Baugrund-Reaktionsprodukte aus Kalzium und aggressiven Luftverunreinigungen

Betonausblühungen: schleierartige bis fleckige, ggf. krustige Ablagerungen an der Betonoberfläche

Physikalische/ chemische Schäden des Betons: Betonausblühungen

Ausblühprozess, beobachtet über mehrere Monate (Gehwegplatten auf Zementmörtel)

Physikalische/ chemische Schäden des Betons: Betonauslaugung

Ursachen

Vorhandensein wasserlöslicher Substanzen, Auftreten von Wasser/ Feuchtigkeit im Beton

Substanzen:

Lehm, Ton, Kreide, Gipsstein, Tonschiefer als Bestandteil des Zuschlags

Betonauslaugung: Masseverlust des Betons durch Ausschwemmen wasserlöslicher Elemente

Physikalische/ chemische Schäden des Betons: Betontreiben

Ursachen

-Sulfattreiben: Sulfathaltige Lösungen xxSO4

.H2O (sauerer Regen, sulfathaltiges Grundwasser, Salzlösungen im Bauteil) reagieren mit dem Calzium des Zements (CalziumHydroxid, Ca(OH)2 oder CalziumCarbonat, CaCO3) über mehrere Stationen zu CalziumSulfatDiHydrat CaSO4

.2H2O (Gips). In der Folge entsteht zusammen mit dem CalziumAluminat des Zements (Klinkerphase) unter bis zu 8-facher Volumenvergrößerung Ettringit.

Betontreiben: Treibrisse oder Abplatzungen durch Volumenvergrößerung in Oberflächennähe

-Magnesiumsalztreiben

-Kalk- und Magnesiatreiben

Physikalische/ chemische Schäden des Betons: Risse

Ursachen

Überschreitung der zulässigen Spannungen durch ...

... Zwang

-Schwinden/ Quellen-Setzen-Unzureichende Bewegungsfugen zwischen unabhängigen Bauteilen-Thermische Ausdehnung (z.B. Hydratationswärme)

... Überschreitung der Bemessungslast

Rissbilder:

Analysemethoden

-Betonfestigkeit

Zerstörungsfreie Methoden – nicht zerstörungsfreie Methoden

-Position oder Schaden an der Bewehrung

Feststellungsziele:

-Oberflächenstruktur, Risse

-Chloridschäden

-Durchfeuchtung

Analyse

Betonfestigkeit: Oberfläche, Hohlstellen, Kiesnester

Zerstörungsfrei:

InaugenscheinnahmeSchmidt-Rückprallhammer: Rückschluss auf die Druck-festigkeit des Oberflächenbetons durch Messung des Energieverlustes beim Rückprall

Schmidt Rückprallhammer

Analyse

Betonfestigkeit: Oberfläche, Hohlstellen, Kiesnester

Nicht zerstörungsfrei:

Bohrkern

Kernbohrgerät

Analyse

Betonüberdeckung, Lage der Bewehrung, Schaden an der Bewehrung

Zerstörungsfrei:

Inaugenscheinnahme: sichtbare Schäden?Bewehrungssuchgeräte: Durch Erzeugung eines Magnetfeldes kann die Lage, der Durchmesser und die Überdeckung der Bewehrung festgestellt werden Bestimmung des Rostanteils der Bewehrung: Rückschluss auf den Korrosionsgrad durch Aufbringen und Messen eines Potentialfeldes mit Hilfe einer Kupferkathode

FreilegenCarbonatisierung von Bohrkernen prüfen (Indikatorreaktion von Phenolphtalein)

Analyse

Elektrochemische Potentialmessung

Analyse

Risse in der Betonoberfläche, Beschichtungsfähigkeit, Oberflächenzugfestigkeit

Zerstörungsfrei:

Inaugenscheinnahme: Rissbilder, Rissbreite, RisstiefeRissbewegung: Gipsmaske

Bohrkernentnahme (Tiefenverlauf der Risse, Laboruntersuchungen)Haftzugfestigkeit durch Haftzugprüfgerät

Haftzugprüfgerät

Analyse

ChloridschädenMerkmal: Korrosionsschäden ohne „ausreichende“ Carbonatisierungstiefe

Zerstörungsfrei:

-keine

Bohrkernentnahme (Chloridgehalt durch Silbernitrat- Test, UV-Verfahren)

Analyse

Durchfeuchtung

Zerstörungsfrei:

-Qualitativ: Erwärmen (Änderung der Oberflächenfarbe)-lokales Aufbringen dampfdichter Folien (Kondensat) -Widerstandsfeuchtemessung: Rückschluss auf den Wassergehalt durch Messen des elektrischen Widerstandes des Materials

-Calciumcarbidmethode: Reaktion von CaC2 mit Wasser zu Acetylengas, Messung des Gasdruckes lässt auf den Wassergehalt schließen-Gravimetrische Feuchtemessung: Gewichtsbestimmung im Ausbauzustand und nach Erreichen des Darr-Gewichts durch Trocknung bei 105°C.

Instandsetzung

Betonersatz:

Reprofilierung von Ausbrüchen und Abplatzungen mit geprüften Sanierungssystemen oder durch handwerklich ausgeführte Mörtelsysteme

Instandsetzung

Vorgehen:

-Mechanisches Entfernen des schadhaften Betons

-Entrosten des Bewehrungsstahls (Sandstrahlen)

-Aufbringen von Korrosionsschutz für die Bewehrung, inklusive Quarzsandbestreuung zur Haftverbesserung

-Aufbringen von Haftgrund auf den Bestandsoberflächen des Betons

-Aufbringen des Reparaturmörtels

Instandsetzung

Spritzbeton:

Aufbringen von Betonschichten zur Erhöhung der Betonüberdeckung oder zur Vergütung der Oberfläche

Foto Bautas AG

Instandsetzung

Verwendete Stoffe:

Epoxidharz (EP-T, EP-I)Polyurethanharz (PU-I, kein kapillares Steigvermögen)Zementleim (ZL-T, ZL-I)Zementsuspension (ZS-T, ZS-I)

Behandlung von Rissen:

SchließenAbdichtenDehnfähiges VerbindenKraftschlüssiges Verbinden

Methoden:

Tränkung (T): Druckloses Füllen durch Pinseln, Streichen, GießenBetoninjektionen (I)

Instandsetzung

Anwendungsbereiche:

Instandsetzung

Klebepacker

Bohrpacker

Instandsetzung

Klebepacker

Instandsetzung

Oberflächenbehandlung zur Verbesserung der Oberflächeneigenschaften

FarbgebungWiderstandsfähigkeit gegen chemische und physikalische AngriffeAbdichtungenUV-SchutzSchutz gegenüber mikrobiellem Befall

Knoblauch/ Schneider: „Bauchemie“, Werner-Verlag

Literatur

Bundesverband der deutschen Zementindustrie (Hrsg.): „Zementmerkblätter“

Stahr: „Bausanierung“, Vieweg

Holztypische Schäden

2 Holzfehler

SchwindrisseHarz

1 Holzschädlinge

Tierische HolzschädlingePflanzliche Holzschädlinge

Trockenholzinsekten:

Hausbock/HolzbockNagekäfer (Holzwurm)Splintholzkäfer(Termiten)

Frischholzinsekten:

HolzwespenBorkenkäferKernholzkäfer

Holzschädlinge: Tierische Holzschädlinge

Holzschädlinge : Tierische Holzschädlinge

Stadien:

EiLarvePuppeInsekt

Merkmale:

Typische FraßgängeTypische Fluglöcher

Wespenpuppe

Hausbock

Insekt

Schadbild

Nagekäfer Splintholzkäfer

Holzschädlinge : Tierische Holzschädlinge, Trockenholz

Holzwespen

Insekt

Schadbild

Borkenkäfer

Holzschädlinge : Tierische Holzschädlinge, Frischholz

Holzfärbende Pilze:

Bläuepilze (keine Fäulnis, kein Festigkeitsverlust)

Holzzerstörende Pilze:

Echter Hausschwamm (meldepflichtig, feuchteproduzierend)KellerschwammWeißer PorenschwammBlättling

Holzschädlinge : Pflanzliche Holzschädlinge

Bläuepilze

Splintholzbefall Befall einer bewitterten Konstruktion

Hausschwamm

Fruchtkörper und Myzel

Mögliches Schadensbild

Kellerschwamm

Weißer Porenschwamm

Blättling

Holzfehler: Schwindrisse

Schwindrisse

Ursache: Holz wurde mit einer zu hohen Holzfeuchte eingebaut

Trockenes Holz: Holzfeuchte ≤ 20%Halbtrockenes Holz: Wasser ist lediglich hygroskopisch, d.h. in den Zellwänden gebunden, Holzfeuchte ≤ 30%Frisches Holz: Wasser ist zusätzlich kapillar gebunden, Holzfeuchte ≥ 30% (Fasersättigungspunkt)

Verändert sich der hygroskopisch gebundene Anteil des Wassers ist dieses mit einer Volumenänderung des Querschnitts verbunden.

Gleichgewichtsfeuchte in geschlossenen und beheizten Räumen: ca. 9%

Holzfeuchte: Verhältnis der gesamten im Holz vorhandenen Wassermasse zur Masse des vollkommen trockenen Holzes (Darrgewicht):

(mu – mo) / mo

mu: Masse des feuchten Holzesmo: Masse des trockenen Holzes

Darrgewicht: Ermittlung durch Trocknung des Holzes bei 105°C bis zur Gewichtskonstanz

Holzfehler : Schwindrisse

Besonders kritisch im Knotenbereich

Stütze

Balken

Holzfehler : Schwindrisse

Austritt von Harz: Bei nicht ausreichend abgelagertem Holz verbleibt Harz im Holz welches sich unter Wärmeeinwirkung verflüssigt und austritt. Dies führt zu Verunreinigungen und Beschädigungen des Anstrichs.

Holzfehler : Harzaustritt

Analyse

Zerstörungsfrei:

Widerstandsfeuchtemessung: Rückschluss auf den Wassergehalt durch Messen des elektrischen Widerstandes des Materials.

Gravimetrische Feuchtemessung: Gewichtsbestimmung im Ausbauzustand und nach Erreichen des Darrgewichts.

Durchfeuchtung

Analyse

Zerstörungsfrei:

Inaugenscheinnahme

Holzschädlinge/Holzfehler

Instandsetzung/Vorbeugung

Konstruktiver, baulicher Holzschutz/ Wahl der Holzart:

Zentrale vorbeugende Schutzmaßnahme!

Chemischer Holzschutz:

VorbeugendBekämpfend

Heißluftverfahren

Begasung

Holzschädlinge/Holzfehler

Holztypische Schäden Instandsetzung/Vorbeugung

Gebrauchsklassen nach DIN 68800

Einsatz chemischen Holzschutzes nur wenn andere Maßnahmen als wirkungslos ausgeschlossen werden müssen

Verwendung ausschließlich bei Vorliegen eines Prüfzeichens oder Prüfprädikats

Wasserlösliche SalzeÖlige Mittel

Aufbringen als:

DruckimprägnierungTauchimprägnierungOberflächenbehandlung

Entscheidung nach Gebrauchsklassen

Chemischer Schutz gegenüber Holzschädlingen

Erhitzung der befallenen Bereiche auf eine Mindesttemperatur von 55°C für mindestens 60 Minuten.

Zerstörung des Eiweißes und damit Abtötung tierischer Holzschädlinge.

Nachfolgende vorbeugende Maßnahmen i.d.R. erforderlich.

Heißluftverfahren zum Schutz gegenüber Holzschädlingen

Begasung befallener Bereich mit abtötenden Gasen.

Nachfolgende vorbeugende Maßnahmen i.d.R. erforderlich.

Begasung zum Schutz gegenüber Holzschädlingen

Auswechslung sofern die Festigkeitsanforderungen unterschritten werden

Schwindrisse

Optisches Abdecken oder Verschließen von Innenbauteilen sofern die Festigkeitsanforderungen eingehalten werden

Im bewitterten Außenraum können Risse Feuchtigkeit halten oder stauen und stellen somit potentiellen Lebensraum für pflanzliche Holzschädlinge dar. Ggf. durch Einspanen, Verleisten oder Abdecken konstruktiv schützen.

Abschleifen, auskratzen, ggf. unter Erwärmung, Nachstrich erst wenn Harz vollständig ausgetreten ist.

Harzbefreiung

Colling: „Lernen aus Schäden im Holzbau“, Bruderverlag

Literatur

Natursteintypische Schäden

Natursteintypen

Natursteine werden in drei Hauptgruppen unterteilt:

Magmagesteine

Erstarrungs- und Eruptivgestein aus schmelzflüssigem Magma

Sedimentgesteine

Ablagerungen von verwittertem Gesteinsmaterial/ Muscheln/ Tierknochen

Metamorphe Gesteine

Umwandlung anderer Gesteinsarten durch hohe Drücke und/ oder Temperaturen

Natursteine liegen jedoch in einer großen natürlichen Varianz vor

Natursteintypen

Eine Auswahl an Sandsteinen:

Natursteine liegen jedoch in einer großen natürlichen Varianz vor

Natursteintypen

Eine Auswahl an Kalksteinen:

Entsprechend bestehen große Unterschiede zwischen den schadensrelevanten Gesteinseigenschaften der unterschiedlichen Natursteintypen

Natursteintypen

Gewicht & Struktur: Dichte, Korngröße, Porosität

Mechanische Festigkeit: Druck-, Biegezug-, Stoß-, Ausbruch-, Abrieb-, Oberflächenfestigkeit

Zusammensetzung: Mineral-, Salz-, Alkaligehalt, säure-, wasserlösliche Bestandteile

Feuchteverhalten: Feuchtegehalt, Wasseraufnahme, Wasserdurchgang, Dampfdurchlässigkeit, hygroskopische Gleichgewichtsfeuchte

Temperaturverhalten: Wärmeleitfähigkeit, Rauchgasbeständigkeit, Frostbeständigkeit

Krustenbildung

Salzbildung

Verfärbung

Absanden

Reliefbildung

Schuppen, Ablösung von Schalen

Bröckeln, Ausbruch, Absprengungen

Die Schäden sind mit jenen von Beton vergleichbar, unterscheiden sich jedoch hinsichtlich der Löslichkeit des Materials und der chemischen Zusammensetzung des Korns und der Bindemittel. Darüber hinaus müssen, insbesondere bei historischen Gebäuden, fehlgeschlagene Sanierungsversuche aus der Vergangenheit als Ursache berücksichtigt werden.

Schadensbeispiele

„Wunden der Erinnerung“ Pferdebändiger vor der Alten Pinakothek mit Einschusslöchern aus dem 2. Weltkrieg

Entfernung von Gipsschichten auf mineralischen Wandmalereien mit Pasten am Beispiel der Herz- Jesu- Kirche in Berlin

Schadensbeispiele

Gipsentstehung aus Sulfattreiben, Behandlung durch AmoniumhydrogencarbonatQuelle: Forschungs- und Entwicklungslabor für Altbausanierung und Denkmalpflege

Reinigung des Grabmals Hirschfeld

Schadensbeispiele

Quelle: Forschungs- und Entwicklungslabor für Altbausanierung und Denkmalpflege

Witterungsbedingtes Auswaschen einer Lehmmauer

Schadensbeispiele

Aufgrund der Vielfältigkeit des Natursteins und der häufigen Verwendung in historischen Gebäuden sind im Vorfeld der eigentlichen Schadensanalyse folgende Schritte notwendig:

Analyse

Erfassung der schädigenden Einflüsse durch die Standortbedingungen (z.B. SO2-Gehalt der Luft, Frost-Tau-Bedingungen, ...)

Baugeschichtliche Erfassung und Bewertung des Gebäudes

Konstruktive und baustofftechnische Erfassung und Bewertung

Es existieren vielfältige, teils auf sehr spezielle Bausituationen abgestimmte Instandsetzungsverfahren:

Instandsetzung

Reinigung: Berieselung, Wasserstrahlen, Dampfstrahlen, mechanisches Strahlen, chemische Reinigung mit speziellen Säuren oder Laugen, Pasten, Laserverfahren, ...

Steinaustausch: Steinbruch noch vorhanden?

Trockenlegung: Einsetzen von Sperrschichten (von außen aufbringen, Ersatz/Austausch, Einrammen von Edelstahlblechen, Unterfangungen), Injektionen

Entsalzung: mechanisch, Kompressen (durch Diffusion), elektrophysikalisch, chemische Salzumwandlung

Festigung: Injektion oder Tränkung mit Fluat, Wasserglas, Kieselsäure, Polyurethan, Acrylharz

Farbentfernung: Abbeizen, Abschleifen, Wasserstrahlen, mechanisches Strahlen

Steinergänzung: Restauriermörtel

Sauder/ Schloenbach: „Schadenfreies Bauen, Band 11: Schäden an Außenmauerwerk aus Naturstein“, IRB Verlag

Literatur

Mauerwerkstypische Schäden

Die typischen Schadensbilder von Mauerwerk ähneln jenen von Beton oder Naturstein

Ein herausragendes Schadensbild von Mauerwerkswänden stellen jedoch Risse dar. Diese sind insofern materialtypisch, als das Mauerwerk nicht bewehrt wird und daher keine Zug- und Schubkräfte aufnehmen kann.

Zugkräfte aus Zwang werden i.d.R. durch die Behinderung der Ausdehnung verursacht(aus DIN 1053)

Horizontalrisse

Riss-Schadensbilder und die möglichen Ursachen

Schrägrisse

Vertikalrisse

Horizontalrisse in einschaligen Außenwänden: Dehnungsbehinderung durch Innenwände (Schwinden, Quellen, Temperaturdehnung)

Horizontalrisse in einschaligen Außenwänden: Abheben des Stahlbetonflachdachs

Horizontalrisse in einschaligen Außenwänden: Abheben der Stahlbetondecke

Horizontalrisse in einschaligen Außenwänden: Schwinden eines Stahlbetongurts

Horizontalrisse in einschaligen Außenwänden: Unterschiedliche Dehnung zwischen Mauerwerk und Stahlbetondecke

Horizontalrisse in Vormauerschalen: Schwindrisse im Bereich der Abfangung

Schrägrisse in einschaligen Außenwänden: Horizontalverformungen von Ringbalken

Schrägrisse in einschaligen Außenwänden: Druckumlenkung unter Öffnungen

Schrägrisse in Innenwänden: Dehnungsbehinderung durch Außenwände

Vertikalrisse in einschaligen Außenwänden: Behindertes Schwinden des Mauerwerks

Schubert: „Mauerwerk“, Fraunhofer IRB Verlag

Literatur

Methoden der Bestandsaufnahme: Material

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