Schlüsselwörter
(Deutsch)
|
Betonkorrosion, Tunnelbauten, Säureangriff, Sulfatangriff, Materialtechnologie, , Bergwasser
|
Schlüsselwörter
(Englisch)
|
Corrosion of Concrete, tunnel-buildings, acid attack, sulfate attack, material technology, groundwater
|
Alternative Projektnummern
(Deutsch)
|
53/99
|
Kurzbeschreibung
(Deutsch)
|
In dieser Studie sollen die vielfältigen und komplizierten Schädigungsmechanismen untersucht werden, welche bei der Interaktion von Tunnelbauwerken mit Grundwasser zu Betonkorrosion führen. Als Betonkorrosion wird hierbei die chemische und physikalische Zersetzung von zementösen Baustoffen betrachtet. Es werden sowohl Schadenfälle an Ortsbeton (insbesondere Gunit), als auch an vorfabrizierten Bauteilen (Tübing--Elementen) studiert. Die korrosive Zersetzung von Tunnelbauwerken wird dominiert durch interne Parameter (material- und bautechnische Aspekte wie Wasserdichtigkeit und chemische Beständigkeit) und externe Parameter (Hydrologie, Geochemie, Mikrobiologie, Luftschadstoffe).
Ziel dieser Studie ist es, korrosive Prozesse auf ihre schädigungswirksamen Faktoren zurückführen zu können und somit den Einfluss von internen und externen Faktoren gegeneinander abzuwägen. Hierzu ist eine interdisziplinäre Sichtweise notwendig, welche neben materialwissenschaftlichen und bautechnischen Aspekten auch den Einfluss von Hydrochemie und mikrobieller Aktivität in Betracht zieht. Die EMPA verfügt auf allen diesen Gebieten über erfahrene Fachleute und über eine entsprechende Infrastruktur. Die gewonnenen Erkenntnisse sollen Grundlage bieten, um allfällige Risiken der Betonkorrosion abschätzen zu können, um bautechnische Massnahmen treffen zu können und um materialtechnologische Entwicklungen voranzutreiben.
|
Kurzbeschreibung
(Englisch)
|
Modern concrete materials are generally characterized by durability qualities. However, under certain circumstances the interaction with water may lead to serious chemical alterations which shorten the service life of buildings. In the case of tunnels and other underground constructions the costs for renovations are extremely high. In order to initiate protective countermeasures against corrosive damages it is important to understand the deterioration processes.
Although concrete corrosion has many different faces, there are some general phenomena, which are observed in most field studies of deteriorated concrete. In this study we investigate the underlying mechanisms of short and long term concrete-water interactions in selected tunnel buildings which lead to these deterioration phenomena. Based on the description of macro- and microscopic textures and the chemical alterations, a succession of corrosive reactions can be postulated. The reactions include leaching and dissolution, transportation, (re)precipitation and formation of new products. Thereby it is important to note that physical parameters like permeability or inhomogeneities are at least as important as chemical parameters like the composition of the paste, pH-values and composition of the interacting water or the pore solution.
|
Projektziele
(Deutsch)
|
Untersuchung der Schädigungsmechanismen, welche zu Betonkorrosion führen. Erarbeiten einer Grundlage für die Abschätzung des Schädigungspotentials, sowie für bautechnische und materialtechnologische Weiterentwicklungen.
|
Zielerreichung
(Deutsch)
|
Aufgrund der festgestellten Diskrepanz zwischen den Mechanismen der Laborprüfung und den im Tunnelbauteil ablaufenden Prozessen müssen neue Wege zur Optimierung der Widerstandskraft von Beton gegenüber Bergwassereinwirkung gefunden werden. Basierend auf den Schlussfolgerungen und Konsequenzen geht die Forschungsstelle davon aus, dass die gesteckten Ziele vollumfänglich erreicht wurden. Ein Ansatz für die praktische Umsetzung kann darin bestehen, dass eine Thaumasit-Prüfung entwickelt wird, welche den festgestellten Schädigungsmechanismen Rechnung trägt.
|
Abstract
(Deutsch)
|
Im Laufe der Untersuchungen hat sich gezeigt, dass sich in den meisten Tunnelbauwerken unabhängig vom Mineralisierungsgrad des Bergwassers oder von der Baustoffzusammensetzung Schädigungen besonders in Zusammenhang mit primären und sekundären Inhomogenitäten (Risse, Fugen, Kiesnester, Kontaktflächen etc.) finden, welche als Wegsamkeiten für das zirkulierende Bergwasser dienen. Diese Schadensphänomene lassen sich grundsätzlich auf die folgenden zwei, sich oftmals gegenseitig überlagernden Schädigungsprozesse zurückführen: 1) Auslaugung des Zementsteins entlang dieser Inhomogenitäten und 2) Sulfatangriff in Zusammenhang mit Thaumasit-Bildung.
Diese beiden Schädigungsprozesse resp. -mechanismen weichen im Bauwerk grundlegend von der gängigen Lehrmeinung wie auch von den üblichen Labor-Prüfverfahren bei Beständigkeitsprüfungen ab: im Labor wird hauptsächlich mit stehenden Lösungen, also nach statischen Methoden geprüft, bei welchen der Stofftransport durch Diffusionsprozesse kontrolliert ist. Bei diesem Sulfatangriff bildet sich Ettringit und nicht Thaumasit. In der Tunnelrealität treten Schädigungen dagegen vorwiegend in Zusammenhang mit fliessendem Bergwasser auf. Es handelt sich demzufolge um ein dynamisches System, in welchem der Stoffaustausch neben der Diffusion besonders durch schnell ablaufende Advektionsprozesse stattfindet. Bei sulfathaltigem Bergwasser bildet sich hauptsächlich Thaumasit und höchstens untergeordnet Ettringit. In Zusammenhang mit der Bergwasser-Problematik müssen somit künftig dynamische Prüfanordnungen gefördert werden, wobei durch Sicherstellung der Karbonatzufuhr auch der Thaumasitbildung Rechnung getragen werden muss. Resultate aus der herkömmlichen Sulfatbeständigkeitsprüfung sollten nur mit entsprechendem Vorbehalt auf die Tunnelrealität übertragen werden. Insbesondere bieten im Gegensatz zum klassischen Sulfatangriff auch HS-Zemente mit reduziertem Aluminatgehalt nicht à priori einen ausreichenden Schutz vor einem Thaumasit-Angriff, da Aluminium nicht zwingend an der Reaktion beteiligt ist.
|
Beschreibung der Resultate
(Deutsch)
|
Konsequenzen für die Tunnelkonstruktion:
? Einschalige Auskleidungen mit Spritzbeton beinhalten das Risiko, dass bereits geringfügige Veränderungen des Betons im Übergang zur Auflage durch die Interaktion mit dem Bergwasser zu reduzierter Haftung führen. Dadurch können Stücke der Auskleidung abgelöst werden und letztlich abstürzen.
? Beim Einbau, der Verdichtung und letztlich der Nachbehandlung des Betons ist zu beachten, dass eine möglichst gleichmässige Verteilung der Betonqualität erreicht wird. Risse jeder Art, aber auch Kiesnester, unregelmässig intensive Verdichtung oder Anschlüsse (Fugen) stellen primäre Inhomogenitäten dar und sind bevorzugt von schädigenden Einflüssen des Bergwassers betroffen (Wasserwegsamkeiten).
? Das Drainage- und Entwässerungssystem des Tunnels muss möglichst langfristig gewährleisten, dass das Bergwasser nicht auf unvorhergesehene Weise gezwungen ist, den Beton unter Druck zu durchdringen.
Konsequenzen für die verwendeten Baustoffe:
? In Zusammenhang mit der Sulfat-Problematik hat sich gezeigt, dass hauptsächlich Thaumasit und nur untergeordnet Ettringit als schädigende Mineralneubildungen auftreten. Dies stellt einen wesentlichen Unterschied zur gängigen Lehrmeinung über den klassischen Sulfatangriff dar.
? Die Schädigungen infolge von Thaumasit-Bildung können viel weitreichender sein als jene von Ettringit, da dabei der Zementstein praktisch vollständig in eine weiche Masse umgewandelt werden kann.
? Im Gegensatz zum klassischen Sulfatangriff bieten HS-Zemente mit reduziertem Aluminatgehalt keinen ausreichenden Schutz vor einem Thaumasit-Angriff, da Aluminium nicht zwingend an der Reaktion beteiligt ist.
? Es muss angestrebt werden, möglichst dichten Beton herzustellen, damit die Migration des Bergwassers und damit der Stofftransport gehemmt ist.
? Bei der Optimierung der verwendeten Baustoffe ist zu berücksichtigen, dass die meisten Schädigungen infolge von Auslaugungsprozessen und durch Neubildungen von Sulfatmineralien oder aber einer Kombination derselben hervorgerufen werden.
Konsequenzen für die Sulfatbeständigkeitsprüfung:
? Die meisten festgestellten Schädigungsphänomene in der Tunnelrealität stehen in Zusammenhang mit fliessendem Wasser (dynamisches Milieu, advektiver Stoffaustausch). Demgegenüber werden Beständigkeitsprüfungen im Labor allgemein in stehenden Lösungen durchgeführt (statisches Milieu, Diffusions-kontrollierter Stofftransport). In Zusammenhang mit der Bergwasser-Problematik müssen künftig dynamische Prüfanordungen gefördert werden.
? Da in der Tunnelrealität neben Sulfat auch andere Stoffe an den schädigenden Prozessen beteiligt sind, sollten die Laborprüfungen ebenso mit entsprechenden Lösungen durchgeführt werden. Um die Beständigkeit gegenüber einem Thaumasit-Angriff prüfen zu können, muss bei der Versuchsanordnung insbesondere auch die Zufuhr von Karbonat sichergestellt werden.
? Da in der Tunnelrealität bei der Interaktion mit sulfathaltigen Bergwässern hauptsächlich Thaumasit und nur untergeordnet Ettringit gebildet wird, sollten die Prognosen aufgrund der herkömmlichen Sulfatbeständigkeitsprüfung mit entsprechendem Vorbehalt betrachtet werden.
? Eine spezifische Prüfung auf das Potential der Thaumasitbildung existiert (noch) nicht. Die zur Zeit angewendeten Sulfatprüfungen basieren auf der Bildung von Ettringit. Weil sich dabei auch die Dichtigkeit des Baustoffes auf das Prüfergebnis auswirkt, soll diese Prüfung sinnvollerweise bis auf weiteres angewendet werden.
|
Umsetzung und Anwendungen
(Deutsch)
|
Text folgt
|
Beurteilungsbericht
(Deutsch)
|
In den vergangenen Jahren wurden schwerwiegende Schäden an Tunnel-
auskleidungen beobachtet, die man auf die Einwirkung von stark minera-
lisiertem Bergwasser zurückführte. Die Untersuchung hat nun gezeigt,
dass die Schäden unabhängig vom Mineralisierungsgrad oder von den
Betoneigenschaften bei Inhomogenitäten ( Risse, Kiesnester usw. ) auf-
treten, die wasserführend sind. Es kommen zwei Schädigungsprozesse
vor: Auslaugung des Zementsteins und / oder Sulfatangriff durch Thauma-
sitbildung. Dieses Ergebnis entspricht nicht den gängigen Vorstellungen
und stellt die bisher angewandten Laborprüfverfahren und Massnahmen
für eine ausreichende Beständigkeit der Tunnelauskleidungen in Frage.
Folgerungen für die Praxis ( Projektierung und Ausführung ) können so-
fort gezogen werden, für die Laborprüfungen sind spezifische Verfahren
zu suchen.
|
Publikationen / Ergebnisse
(Deutsch)
|
? Holzer, L., and Romer, M. (1999): Corrosion of concrete: Assessing the mechanisms. 7th Euroseminar on Microscopy Applied to Building Materials, p. 67-79
? Romer, M., Holzer, L., and Pfiffner, M. (2001): Interaction of water with concrete: Deterioration Mechanisms. Consec' 01, p. 1075-1082
? Romer, M. und Holzer, L. (2001): Bergwasserproblematik in Tunnelbauwerken, EMPA-Akademie
weiter vorgesehen:
? Berichte über das Symposium im Tunnel und im Baublatt (1.-3.2002)
? Romer, M., Holzer, L., and Pfiffner, M. (2002): Swiss tunnel buildings: concrete damage by formation of Thaumasite. First International Conference on Thaumasite in Cementitious Materials, 20-21 June 2002, BRE (London, UK).
|
Berichtsnummer
(Deutsch)
|
1030
|
