Betonschäden an Stahlbeton-Fertigteilen

Ursachen und Erscheinungsformen

Betonschäden können durch mehrere Faktoren entstehen, darunter Planungs-, Ausführungs- und Materialfehler sowie durch chemische und physikalische Einflüsse. Häufige Schäden an Betonbauteilen sind Risse, Abplatzungen und Korrosion der Bewehrung. Mögliche Ursachen sind beispielsweise eine falsche Betonzusammensetzung, mangelhafte Verdichtung des Frischbetons oder eine unzureichende Betondeckung, die den Bewehrungsstahl ungeschützt lässt. Auch Witterungseinflüsse wie Frost-Tau-Wechsel, Streusalz und aggressive Schadstoffe in der Luft oder eine unzureichende Nachbehandlung des Betons können zu Betonschäden führen. Schäden an Betonfertigteilen können auch durch einen unsachgemäßen Transport entstehen. Sichtbare Folgen von Betonschäden sind Risse, Abplatzungen, Ausblühungen, Staubbildung, Lunker (Hohlräume) oder Verfärbungen.

Mechanische und chemische Beanspruchungen

Betonschäden können unter Umständen die Standfestigkeit und Langlebigkeit von Bauteilen gefährden. Schäden an Betonfertigteilen können auch durch eine zu hohe mechanische Beanspruchung beim Transport oder beim Einbau der Fertigteile sowie durch chemische Prozesse wie Karbonatisierung und Korrosion oder durch eine fehlerhafte Herstellung entstehen.

Schalung und Oberflächenqualität

Um glatte Sichtbetonoberflächen zu erhalten, sollten Stahlschalungen wie in Abb. 8, oder sogenannte „Betoplanplatten“ verwendet werden. Der Deutsche Beton- und Bautechnik-Verein e.V. (DBV) und der Verein Deutscher Zementwerke e.V. veröffentlichen regelmäßig Merkblätter zu den Anforderungen an Sichtbeton. Dabei erfolgt eine Klassifizierung des Betons in vier verschiedene Sichtbetonklassen, die zwei Grundkategorien zugeordnet werden können:

1. Sichtbeton mit geringen Anforderungen:

Sichtbetonklasse 1 (SB1)

2. Sichtbeton mit normalen oder hohen Anforderungen:

Sichtbetonklasse 2 (SB2),

Sichtbetonklasse 3 (SB3) und

Sichtbetonklasse 4 (SB4)

Trennmittel für glatte Betonoberflächen verhindern das Anhaften des Betons an der Schalung, indem sie einen feinen Film bilden, was ein sauberes Ausschalen und eine porenarme, fleckenfreie Sichtbetonoberfläche ermöglicht. Vorab sollte ein Test erfolgen, um eine Fleckenbildung oder Verfärbungen des Betons zu vermeiden. Moderne, umweltfreundliche Trennmittel basieren auf Pflanzenölbasis.

Im Anforderungsdokument bzw. dem Merkblatt des Deutschen Beton- und Bautechnik-Vereins und des Vereins Deutscher Zementwerke e.V. sind neben den Beurteilungskriterien auch die Planungs- und Ausführungsbedingungen entsprechend jeder Zuordnung festgehalten. Das Befolgen der konkreten Anforderungen für den Sichtbeton ist für jedes Projekt maßgeblich, für das die Anwendung des DBV/VDZ-Merkblatts vertraglich vereinbart worden ist.

Betonfertigteile: Herstellung und moderne Rezepturen

Die Herstellung von Betonbauteilen in einem Fertigteilwerk hat den Vorteil, dass die Produktion unter kontrollierten Bedingungen und in einer gleichbleibenden Qualität erfolgen kann. Für die Effizienz der Fertigung ist es entscheidend, dass die Betone eine hohe Frühdruckfestigkeit entwickeln, was ein schnelles Ausschalen ermöglicht. Daher nutzen Fertigteilwerke bevorzugt „hochreaktive Zemente“ mit hohem Klinkergehalt, behandeln das Bauteil mit Wärme und/oder setzen leistungsfähige chemische Beschleuniger ein.

Klimafreundliche Betonrezepturen mit weniger Zement nutzen Zementersatzstoffe wie Flugasche oder Hüttensand, alternative Bindemittel oder recycelte Zuschläge und optimieren die Rezeptur durch feinere Mahlgrade und angepasste Wasser-Binder-Verhältnisse, um den CO₂-Fußabdruck zu senken. Sie sind besonders umweltfreundlich, weil sie den energieintensiven Zementklinker reduzieren oder ersetzen, ohne Qualitätseinbußen bei gezielter Dosierung. Um Kohlendioxid dauerhaft im Beton einzubinden, können CO₂-bindende Zuschläge verwendet werden. CO₂-bindende Zuschläge sind Materialien, die den natürlichen Prozess der Karbonatisierung nutzen, oft durch die Verwendung von CO₂-reichem Abgas oder durch das Einbringen von CO₂ in Recycling-Granulat, was den Beton zu einer „Kohlenstoffsenke“ macht und den CO₂-Fußabdruck des Materials reduziert, indem es das CO₂ in stabile Kalksteinstrukturen umwandelt. CO₂-bindende Zuschläge im Beton sind aufbereitete mineralische Materialien - meist rezyklierter Abbruchbeton oder feine Zementreste -, die durch Zugabe von Kohlendioxid in einem technischen Prozess dauerhaft CO₂ speichern. Dabei reagiert das CO₂ mit den Zementresten zu Kalkstein (Karbonatisierung), was den Beton nachhaltiger macht.

„Neuer Beton“ für Stahlbeton-Fertigteile fokussiert sich auf „Nachhaltigkeit“ (weniger Zement, Recyclingmaterial, zementfreie Alternativen), „schnellere Produktion“ (Zusätze zur Aushärtung) und „verbesserte Eigenschaften“ (Verwendung von Stahlfasern für schlankere Bauteile) und wird durch neue Normen (DIN 1045) reguliert, was schlankere, effizientere und umweltfreundlichere Bauweisen ermöglicht. Die neue DIN 1045-Normenreihe „Tragwerke aus Beton, Stahlbeton und Spannbeton“ (im August 2023 eingeführt), gibt für Betonfertigteile eine wichtige, eigenständige Kommunikation entlang der Wertschöpfungskette, das „BBQ-Konzept“ („BetonBauQualität“) für die Klassifizierung vor. Die neue DIN 1045 Normenreihe umfasst insgesamt sieben Teile, die den gesamten Betonbau abdecken - von den Grundlagen über die Planung, die Bemessung, den Beton bis zur Bauausführung und einen Teil über Betonfertigteile, wobei Teil 1000 der Norm als zentrales Element neu eingeführt wurde, um die „BetonBauQualitätsklassen“ (BBQ) zu regeln.

Neue Regelungen zur Materialprüfung, die eine bessere Abstimmung zwischen der Planung, Herstellung (Fertigteilwerk) und Baustelle sicherstellen, werden ebenfalls in der Norm angesprochen, um die Passgenauigkeit und Qualität der Fertigteile zu gewährleisten. Es gibt neue Mindestanforderungen an das Leimvolumen von Frischbeton (DIN 1045-2), die bei einer Unterschreitung eine erweiterte Erstprüfung erforderlich machen, um die Verarbeitbarkeit und den Verbund sicherzustellen. Weiterhin fördert die Norm die Verwendung von Beton mit rezyklierten Gesteinskörnungen und neuen Zementen, um Nachhaltigkeitsziele zu erreichen, ohne die Betonqualität zu beeinträchtigen.

Prüfung und Qualitätssicherung

Ultraschall-Betonprüfungen können eingesetzt werden, um Kiesnester, Hohlräume, Fremdmaterialeinschlüsse, Ablösungen, Undichtigkeiten und Risse im Beton bei einem einseitigen oder einem beidseitigen Zugang zu dem zu prüfenden Betonbauteil zerstörungsfrei zu erkennen. Eine Ultraschallprüfung bei Beton funktioniert, indem kurze Schallimpulse in das Material gesendet und die reflektierten Echos ausgewertet werden, um die oben angegebenen „inneren Fehler“ zu detektieren und die Bauteildicke zu bestimmen. Ein Sender und ein Empfänger (oft im selben Prüfkopf) messen die Laufzeit der Wellen. Abweichungen in der Laufzeit und Intensität deuten auf Material-Inhomogenitäten hin, ähnlich dem Radar. Das Verfahren ist schon seit mehreren Jahrzehnten etabliert, mit wichtigen Entwicklungen und Verfeinerungen in den 1990er Jahren.

Sichtbetonkosmetik und Sanierung

Konnten die vertraglich vereinbarten Anforderungen nicht erfüllt werden, ist eine Mängelbeseitigung erforderlich. Methoden der „Sichtbetonkosmetik“ ermöglichen eine Mängelbeseitigung, die unabhängig von der geforderten Sichtbetonklasse, zu einer Verbesserung des „optischen Eindrucks“ einer missglückten Sichtbetonfläche führt. Eine „Sichtbetonkosmetik“ wird durch eine gründliche Reinigung und Ausbesserung von Fehlstellen (mit speziellen Spachtelmassen/Mörteln) und einer anschließenden Oberflächenbehandlung (Schleifen, Polieren, Lasieren, Versiegeln) durchgeführt, um Mängel wie Risse, Poren oder Verfärbungen zu kaschieren und eine homogene, ästhetisch ansprechende Oberfläche zu erzielen, oft durch spezielle Harz-Mineral-Mischungen oder Pigment-Lasuren.

Betonrisse ab zirka 10 mm Breite und ab zirka 10 mm Tiefe können mit extrem belastbaren Epoxydharzmörteln oder mit speziellen Harzen repariert werden. Auch sogenannte Rissfüller, Rissharze oder Reparaturmörtel eignen sich für die Sanierung von Betonbauteilen. Wenn Risse nur kleinere Mängel darstellen, werden sie häufig nur aus optischen Gründen instand gesetzt. Risse, die die Stabilität und Standsicherheit eines Gebäudes gefährden, befinden sich normalerweise in den tragenden Bauteilen. Solche Risse müssen repariert werden, um die Tragfähigkeit der geschädigten Bauteile weiterhin zu gewährleisten. Durch die Abdichtung feuchter oder wasserführender Risse mittels der Anwendung von Injektionsverfahren kann das weitere Eindringen von Wasser in Betonbauteile gestoppt werden.

Für großflächige Schäden können Betonsanierungsverfahren mit speziellen Mörteln zum Einsatz kommen, und um die Betonoberfläche langfristig zu schützen, können Oberflächenbeschichtungen aufgetragen werden, die vor Witterungseinflüssen und vor chemischen Einflüssen schützen. Bei „kleineren“ Betonschäden kann eine manuelle Reparatur erfolgen. Dabei werden beschädigte Stellen gereinigt und mit einer Kelle oder einer Spachtel mit Reparaturmörtel gefüllt. Der Mörtel muss glatt gestrichen werden, um eine ebene Oberfläche zu erzielen.

Beim „Epoxidharz-Verfahren“ für das Verschließen von Rissen werden die Risse zuerst aufgeschnitten, um eine Breite und Tiefe von mindestens 0,5 cm zu erreichen. Staub muss gründlich abgesaugt werden. Eventuell werden Wellenverbinder in Querschlitze eingeführt, um den Riss zu stabilisieren. Anschließend wird gut vermischtes Epoxidharz in den Riss gegossen und glattgestrichen. Zum Schluss wird Quarzsand aufgetragen, um die Haftung für weitere Beschichtungen zu verbessern, bevor der überschüssige Sand entfernt wird.

Bei „größeren“ Betonschäden muss zuerst die schadhafte Schicht bis zu einer bestimmten Tiefe entfernt werden. Die Betonoberfläche wird dann mit einem Haftgrund vorbehandelt. Anschließend wird die Fläche mit einem Hochleistungsmörtel, wie zum Beispiel einem Spritzmörtel oder mit Reaktionsharzmörtel, aufgefüllt.

Bei abgesackten Böden wird der abgesackte Beton zunächst angehoben, indem ein spezieller Polymerschaum darunter gespritzt wird. Als Schutzmaßnahmen nach einer Reparatur können Betonschutzbeschichtungen auf die Betonoberfläche aufgetragen werden, um den Beton vor Verschleiß oder Karbonatisierung und dem Rosten der Stahlbewehrung zu schützen. Derartige Beschichtungen sind in der Regel wasserdampfdurchlässig, um die Atmungsaktivität der Oberfläche zu erhalten.

Beim Sandstrahlen von Beton wird die oberste Schicht mit einem Strahlmittel (zum Beispiel Quarzsand oder Glasperlen) abgetragen, um eine rauhe und offenporige Oberfläche zu erzeugen. Dass Verfahren eignet sich zur Reinigung von Betonoberflächen, zur Entfernung von Beschichtungen, zur Schaffung ästhetischer Effekte bei Sichtbeton oder zur Verbesserung der Rutschfestigkeit. Dabei kann zwischen „Trocken“- und „Feuchtstrahlen“ unterschieden werden, wobei das „Feuchtstrahlen“ weniger Staub erzeugt, aber die Entsorgung von Abwasser erfordert.

Lunker und Oberflächenfehler bei Sichtbeton

Die in Abb. 9 dargestellte Betonwand wurde mit Schalbrettern hergestellt und weist kleine Lunker sowie Abplatzungen an der Betonoberfläche auf. Lunker sind kleine Löcher im Beton, die durch eine schlechte Verdichtung beim Betonieren entstehen oder wenn Zuschlagkörner zu wenig mit Zement umhüllt sind, weil der Beton schlecht gemischt wurde. Auch eine Separation von Wasser kann zu der Entstehung von Lunkern führen. Sie sind auch unter dem Begriff „Poren“ geläufig. Lunker gelten als Fehlstellen, die möglichst zu vermeiden sind und bei Sichtbeton dessen Qualität deutlich vermindern.

Dauerhaftigkeit und Schutz der Bewehrung im Stahlbetonbau

Beim Rückbau einer Straßenbrücke (Abb. 10) aus den 1950er-Jahren zeigt sich, dass infolge von Korrosionsschäden an der Bewehrung ein Neubau erforderlich wird. Die geplante Ersatzbrücke könnte beispielsweise in Form von Spannbeton-Fertigteilen ausgeführt werden. Solche Schadensbilder verdeutlichen die zentrale Bedeutung eines wirksamen Korrosionsschutzes der Bewehrung im Stahlbetonbau.

Normative Anforderungen an die Betondeckung

Zur Sicherstellung der Dauerhaftigkeit von Stahlbeton legen die DIN EN 1992-1-1, Ausgabe 2011-01, „Eurocode 2“: Bemessung und Konstruktion von Stahlbeton- und Spannbetontragwerken - Teil 1-1: Allgemeine Bemessungsregeln und Regeln für den Hochbau und die DIN EN 1992-1-1/NA, Ausgabe 2013-04, Nationaler Anhang - National festgelegte Parameter  Anforderungen an die Betondeckung der Bewehrung fest. „Betondeckung“ ist der minimale Abstand zwischen der Bewehrungsoberfläche zur nächstgelegenen Betonoberfläche.

Mindestwerte und Einfluss der Umgebungsbedingungen

Die Betonüberdeckung der Bewehrung muss in Abhängigkeit von den Umgebungsbedingungen und dem jeweiligen Bauteil mindestens 10 bis 15 mm betragen. Zusätzlich wird ein Vorhaltemaß von 10 mm berücksichtigt, sodass sich in der Praxis häufig ein sogenanntes „Nennmaß“ zwischen etwa 20 mm und 50 mm ergibt.

Bei aggressiven Umwelteinflüssen, wie hoher Feuchtigkeit oder Chloridbelastung durch Streusalze, ist eine erhöhte Betondeckung erforderlich, um die Bewehrung wirksam vor Korrosion zu schützen. Die konkreten Anforderungen sind den jeweiligen Normen zu entnehmen.