Mitteilungsblatt der Bundesanstalt für Wasserbau Nr. 83 (2001) 59

Injektion mit hydraulischem Bindemittelim porösen Massenbeton

UNIV.-PROF. DR.-ING. THEODOR STROBL; DIPL.-ING. HARALD WILDNERLEHRSTUHL UND VERSUCHSANSTALT FÜR WASSERBAU UND WASSERWIRTSCHAFTTECHNISCHE UNIVERSITÄT MÜNCHEN

1. Einleitung

Bis zum Jahre 2020 wird auf unseren Bundeswasser-straßen eine Zunahme der Transportleistung um 30 %prognostiziert. Neben der Modernisierung gehört auchdie Erhaltung des rd. 7.300 km langen Wasserstraßen-netzes zu einer der Hauptaufgaben der Wasser- undSchifffahrtsverwaltungen (WSV). Die für die Erhaltungaufzuwendenden Kosten belaufen sich auf derzeit jähr-lich rd. 670 Mio. DM (Bauindustrie aktuell, 2000).

Viele der von der WSV zu unterhaltenden Schleusenund sonstige Wasserbauwerke aus Beton wurden vor1930 errichtet, also in einer Zeit, in der die Betontech-nologie auf Grund mangelnder technischer Möglichkei-ten und fehlender Kenntnisse noch nicht so weit ent-wickelt war wie heutzutage. Zur Verdichtung des mit ei-nem geringen Zementanteil frisch eingebrachten Betonsstanden lediglich Handstampfer zur Verfügung (Stampf-beton). Unmittelbar dem Wasser ausgesetzte Bauteil-oberflächen wurden mit einer Vorsatzschale aus Mau-erwerk und später mit einem dichten Zementputz ver-kleidet. Auf diese Art hergestellte Betone weisen Hohl-räume, Kiesnester, Klüfte, ungereinigte Betonierfugenund entfestigte Bereiche auf. Zur weiteren Gewährleis-tung der Dauerhaftigkeit, Gebrauchstauglichkeit undStandsicherheit ist eine Instandsetzung mit dem Zieleiner Abdichtung und Verfestigung der Bauteile ausStampfbeton dringend erforderlich.

Aus Denkmalschutzgründen und als wirtschaftliche Al-ternative zu einem Abriss mit anschließendem Neubaubietet sich in jüngerer Zeit immer häufiger die Ver-besserung der Betonstruktur durch die Injektion von hy-draulischen Bindemittelsuspensionen (Zementsuspen-sionen) an. Als Injektionsverfahren kommt dabei dasabschnittsweise Injizieren über sog. Packer im stand-festen Bohrloch von unten nach oben zur Anwendung,wie es beispielsweise auch zur Abdichtung von klüftigemFels durchgeführt wird. Angesichts geringerer Kostenund besserer Umweltverträglichkeit werden hydraulischabbindende Bindemittelsuspensionen gegenüber che-mischen Einpressmitteln bevorzugt. Derzeit beruhenPlanung und Ausführung von Injektionsarbeiten im Be-ton hauptsächlich auf Erfahrungswerten.

2. Beitrag der Wissenschaft

Ziel des am Lehrstuhl und der Versuchsanstalt für Was-serbau und Wasserwirtschaft der TU München durch-geführten und von der BAW sowie von einschlägigenSpezialunternehmen (BS-Betonschutz GmbH, Hofgeis-mar; Strabag Tiefbau GmbH, Köln; Stump SpezialtiefbauGmbH, Ismaning; Dyckerhoff Baustoffsysteme GmbH,Wiesbaden; Heidelberger Bauchemie GmbH, Leimen,Rotter Bau- und Geotechnik GmbH, Ried und DieterVolk, Beratender Ingenieur, Feldafing) fachlich, finanzi-ell und materiell unterstützten Forschungsvorhabens In-jektionen mit hydraulischen Bindemitteln im porösenMassenbeton ist es, den Einfluss verschiedener Injek-tionsparameter (Suspensionseigenschaften, Injektions-druck, Verpressrate, Bohrlochabstand) auf den zu er-wartenden Injektionserfolg zu untersuchen, um somitqualifizierte Planungsgrundsätze für Injektionsarbeitenim porösen Massenbeton auf Grundlage einer ziel-orientierten Bauwerksvorerkundung (Porosität, Festig-keit, Klüftigkeit, Betondurchlässigkeit) aufzustellen.

Im Zuge des dazu durchgeführten Arbeitsprogrammserfolgten neben der Auswertung von Baustellendatenumfangreiche experimentelle Untersuchungen. Dazuwurden Versuche an eigens aus Laborbeton hergestell-ten Prüfkörpern mit unterschiedlichen Abmessungenund Untersuchungsparametern durchgeführt (Bild 1).Durch die Wahl eines vergleichsweise niedrigen Mörtel-anteils in der Betonkubatur wurden gezielt poröse, weit-gehend homogene Laborbetone hergestellt.

Bild 1: Abmessungen der hergestellten Prüfkörper fürdie experimentellen Untersuchungen unduntersuchte Parameter

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Eindimensionale Injektionsversuche

Bild 2 zeigt die Ergebnisse der eindimensionalen Injek-tionsversuche, die in erster Linie zur Feststellung derInjizierbarkeit dienten. Als Verpressmaterial kam eine

• Injektionsbindemittelsuspension (Makrodur R-S, Her-steller Dyckerhoff Baustoffsysteme GmbH) mit einemBentonitanteil von 1,0 % (vom Bindemittelanteil) alsStabilisator und einem WasserbindemittelwertW/B = 0,8 und

• eine Feinstbindemittelsuspension (MB1, HerstellerHeidelberger Bauchemie GmbH) mit 1,0 % Injek-tionshilfe bei W/B = 1,0

zur Anwendung. Die Korngrößenverteilung des trocke-nen Bindemittels ergab in eigenen Untersuchungen fürMakrodur R-S einen Korndurchmesser d95 = 60 mm; fürMB1 beträgt d95 ca. 20 mm. Bei einem Einpressdruckzwischen 0,4 bar und 0,7 bar lagen die gemessenenInjektionsraten während der Versuche zwischen 0,5 und0,7 Liter/min. Die injizierte Durchflussmenge in einen

Prüfkörper betrug bis zum 50-fachen des wasserfüll-baren Porenraums.

Die Ermittlung des Hohlraumgehalts nach der Injektionzeigte in allen untersuchten Fällen eine erhebliche Re-duzierung gegenüber dem Hohlraumgehalt vor der In-jektion. Dabei konnte im Zuge der durchgeführten Un-tersuchungen, zumindest bis zu einem minimalenHohlraumgehalt von 18,5 %, kein signifikanter Unter-schied hinsichtlich der Auswahl des Bindemittels fest-gestellt werden (Wildner, 2000).

Injektionsversuche im halbtechnischenMaßstab

Zur Überprüfung der Ausbreitung der Suspension imBauteil und zur Kontrolle einer durch eine Injektion zuerreichenden Abdichtungswirkung wurden dreidimensio-nale Injektionsversuche an porösen Betonblöcken mitden Abmessungen L × B × H = 1,0 m × 1,0 m × 1,2 mdurchgeführt. Auszugsweise wird hier nur über ein Teil-ergebnis dieser Untersuchungen berichtet. So war bei-spielsweise bei der Injektion von drei gleichen Beton-blöcken mit einem vorab bestimmten mittleren Hohl-raumgehalt von 12 % nur bei zwei Blöcken die Injektioneiner geringen Menge des Feinstbindemittels MB1 ge-rade noch möglich. Diese Erkenntnis deckt sich sehrgut mit den Ergebnissen der eindimensionalen Injekti-onsversuche, wo eine Grenze der Injizierbarkeit im Be-reich eines Hohlraumgehalts von 12 bis 14 % festzu-stellen war. Eine Reduzierung der Ausgangsdurchläs-sigkeit um mindestens zwei, bzw. im Mittel um rd. dreiZehnerpotenzen erscheint grundsätzlich möglich; sämt-liche gemessenen Durchlässigkeitsbeiwerte an ent-nommenen, injizierten Bohrkernen betrugen zwischen10-7 und 10-10 m/s.

Bild 2: Ergebnis der eindimensionalen Injektions-versuche

Bild 3: Großversuch - Grundriss einer Fundamentplatte mit Bohrlochraster und zugehöriger Bezeichnung

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Großversuche an Fundamentplatten

Als weitere Ergänzung zu den oben beschriebenen ex-perimentellen Untersuchungen wurden drei großforma-tige Fundamentplatten mit den Abmessungen L × B × H= 4,25 m × 2,30 m × 0,90 m und parallelogrammförmi-gem Grundriss betoniert. Die Verdichtung des Betonserfolgte durch Stampfen in 30 cm Lagen. Die Injektiondieser Fundamentplatten wurde in einem in der Praxisdurchaus üblichen Rasterabstand von 80 cm reihenwei-se von innen nach außen nach Herstellung der 75 cmtiefen Injektionsbohrlöcher im Pilgerschrittverfahren invier Serien (Bild 3) durchgeführt. Zur Kenntlichmachungder Fließwege des Injektionsguts wurde die Suspensi-on jeder Serie unterschiedlich eingefärbt; Serie A: rot;Serie B: gelb; Serie C: schwarz; Serie D: blau. Das Injek-tionsprogramm sah zwei verschiedene Injektionssus-pensionen vor (Tabelle 1). Fundamentplatte Nr. 1 wur-de vollständig mit einer Feinstbindemittelsuspensioninjiziert; bei Fundamentplatte Nr. 2 wurden die beidenäußeren Reihen mit einer Suspension auf Basis desInjektionszements Dorodur H50 und die mittlere Reihemit einer Feinstbindemittelsuspension injiziert; die In-jektion von Fundamentplatte Nr. 3 erfolgte vollständigmit einer Dorodur H50-Suspension.

Ziel dieser Großversuche war neben der Untersuchungdes Einflusses der Mahlfeinheit des Injektionsbinde-mittels auch die Beurteilung einer unterschiedlichenInjektionsrate auf den zu erzielenden Abdichtungserfolg.

Nach erfolgter Injektion und ausreichender Erhärtungder Suspension wurden die injizierten Fundamentplattenmit einer Kreissäge mit Diamantsägeblatt aufgeschnitten(Bild 4). Anhand einer visuellen Auswertung wurden dieAusbreitung und die Porenfüllung der Suspension iminjizierten Probekörper erfasst. Die Ergebnisse desGroßversuchs lassen sich in kurzer Form folgenderma-ßen darstellen:

• Besserer Abdichtungserfolg mit Feinstbindemittel(Bild 5).

• Rasche Druckentwicklung und tendenziell geringe-rer Abdichtungserfolg bei hoher Injektionsrate.

• Zusammenhängende große Hohlräume werden zu-erst verfüllt.

• Erwartungsgemäß hoher Schwerkrafteinfluss derinjizierten Suspension bei fehlendem Druckaufbauund damit Verstopfung darunter liegender Bereiche.

• Bei einem Druckaufbau (bis zu 2 bar) sind Reich-weiten von ca. 1,0 m zu erzielen.

• Nach erfolgter Injektion verbleiben grundsätzlichHohlraumnester im Beton (Bild 6).

Tabelle 1: Injektionssuspensionen - Bezeichnungen und Rezepte

Bild 4: Großversuch - Lage der Sägeschnitte durch dieFundamentblöcke

Bild 5: Injektionsergebnisse des Großversuchs -Vergleich der Suspensionsausbreitung inFundamentplatte Nr. 1 und Nr. 3 / Schnitt 3

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• Verbesserung der Druckfestigkeit von B 5 (bis B10)auf B 15 (bis B 25).

3. Hinweise für Planung undAusschreibung

Zur Beurteilung des Bauwerks-Istzustandes ist eineVorerkundung mittels Kernbohrungen unumgänglich.Weisen die erbohrten Kerne viele Brüche und Fehlstellensowie poröse haufwerksporige Bereiche auf, könnte eineSanierung des Betons durch eine Injektion mit hydrau-lischem Bindemittel in Erwägung gezogen werden.

Wasserabpressversuch

Zur Feststellung der Betondurchlässigkeit sollten unbe-dingt Wasserabpressversuche (WD-Tests) in den zuVorerkundungszwecken abgeteuften Bohrungen durch-geführt werden. Beim WD-Test wird in einen Bohrloch-abschnitt unter einem definierten Druck Wasser einge-presst. Unter dem Wert von einem Lugeon versteht mandabei die Wasseraufnahme von einem Liter pro Minuteund Meter Bohrlochstrecke bei einem Druck von 10 bar.Der WD-Test liefert keine unmittelbare Information überdie Beschaffenheit des angetroffenen Betons, wie z. B.Größe und Anzahl der Poren und Klüfte, sondern be-schreibt lediglich die Durchlässigkeit in der Umgebungdes Bohrlochs. Anhand des WD-Versuchs bietet sichdennoch eine integrale Bewertungsmöglichkeit für denuntersuchten Beton an, z. B. im Gegensatz zu Druck-festigkeitsprüfungen, anhand derer nur ein vergleichs-weise geringer Prozentsatz des Betonvolumens beur-teilt werden kann. Der Wasserabpressversuch wird zu-sammen mit der visuellen Kontrolle der gewonnenenBohrkerne auch zur Erfolgskontrolle einer durchgeführ-ten Injektionsmaßnahme in bereits fertig injizierten Bau-teilen eingesetzt.

Bild 6: Großversuch Fundamentblock Nr. 1 - nichterreichte Hohlräume

Injektionsversuch

In der Planungsphase, also vor Beginn der eigentlichenInjektionsbaumaßnahme, sollte unbedingt ein Injektions-versuch durchgeführt werden, um dessen Erkenntnisseüber den Bauwerkszustand, das geeignete Bohrver-fahren, den erforderlichen Bohrlochabstand, die Wahlder Injektionsmischung, den Injektionsdruck, die Ein-pressrate, die Injizierfähigkeit sowie die zu erwartendeSuspensionsaufnahmemenge des Betons, den zu er-wartenden Zeitaufwand und den möglichen Injektions-erfolg in der Ausschreibung zu berücksichtigen. Bild 7zeigt die Möglichkeit der Anordnung eines Bohrloch-rasters für einen Injektionsversuch mit dreiecksförmi-gem Grundriss. Zunächst sind die Bohrungen der so-genannten A-Serie in den Eckpunkten eines gleichseiti-gen Dreiecks nacheinander abzubohren und nach derDurchführung von Wasserabpressversuchen (WD-Tests) zur Feststellung der Ausgangsdurchlässigkeit desBetons zu injizieren. Nach einer ersten Kontrolle eineransatzweise erreichten Abdichtungswirkung in Kontroll-bohrung K4 im Schnittpunkt der Winkelhalbierenden desgleichseitigen Dreiecks werden die Bohrungen der B-Serie auf der halben Sehnenstrecke zwischen den Boh-rungen der A-Serie durchgeführt. Eine endgültige Kon-trolle des Abdichtungserfolgs wird dann in den Kontroll-bohrungen K8, K9 und K10 im Schnittpunkt der Winkel-halbierenden dreier kleiner gleichseitiger Dreiecke mit-tels Wasserabpressversuchen durchgeführt.

Bild 7: Bohrlochanordnung beim Injektionsversuch

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4. Zusammenfassung

Alte Wasserbauwerke aus Stampfbeton stellen ein zu-künftig wachsendes Aufgabenfeld innerhalb der Was-ser- und Schifffahrtsverwaltung hinsichtlich einer mög-lichen Substanzverbesserung durch die Injektion mithydraulischen Bindemittelsuspensionen zur Verfesti-gung und Abdichtung dar.

Im Rahmen eines Forschungsvorhabens konnten an-hand von experimentellen Untersuchungen an Prüf-körpern aus porösem Massenbeton Aussagen über dieInjizierfähigkeit, über die Ausbreitung der Suspension,über die erreichbare Abdichtungswirkung und über denInjektionserfolg in Abhängigkeit von Ausgangsdurchläs-sigkeit und Hohlraumgehalt des Betons sowie der Sus-pensionseigenschaften, des Injektionsdrucks und derInjektionsrate getroffen werden.

Im Zuge der Planung und Ausschreibung von Injektions-arbeiten ist stets eine sorgfältige Bauwerksvorerkundungdurchzuführen. Ergebnisse von Injektionsversuchen imzu sanierenden Bauwerk sollten hinsichtlich der zu wäh-lenden Injektionstechnik und der erforderlichen Ver-pressmaterialien unbedingt Eingang in die Ausschrei-bung von Injektionsarbeiten finden. Die Baukosten füreinen Kubikmeter zu sanierenden Beton betragen der-zeit ca. 150,- Euro.

Im Gegensatz zu konventionellen Sanierungsverfahren,wie z. B. einer Vorsatzschale aus Ortbeton oder Spritz-beton, kann während der Injektionsarbeiten auch derBetrieb von Kraftwerken, Schleusen etc. weitgehendaufrecht erhalten werden. Die Durchführung aufwendi-ger und langwieriger Rechtsverfahren (Planfeststellung)wie bei geplanten Neubauten ist für Sanierungsvorhabennicht erforderlich.

5. Literatur

Hauptverband der Deutschen Bauindustrie e.V.: Feh-lende Investitionen gefährden den Standort Deutschland.Bauindustrie aktuell, Ausgabe 9-10/2000.

Wildner, H.: Sanierung von Wasserbauten aus porösemMassenbeton mittels Injektionen mit hydraulischenBindemittelsuspensionen. Betrieb und Überwachungwasserbaulicher Anlagen. Symposium, Technische Uni-versität Graz, S. 317 – 326, Oktober 2000.