Gefügeverbesserung bei historischen Tragwerken: Konzeptvalidierung anhand von Stampfbeton-Gewölbebrücken

Ein Sanierungsziel lässt sich dabei zwar eindeutig formulieren, dessen tatsächliche Erreichbarkeit hängt jedoch von Randbedingungen ab, die neben einer rein visuellen Begutachtung und Sichtung der Bestandsunterlagen eine umfassende Bauwerksuntersuchung erfordert. Gleichwohl verbleiben auch bei detaillierter Kenntnis des Bauwerks Unsicherheiten hinsichtlich der tatsächlichen Injizierbarkeit, der Verteilung des Injektionsguts und der Zielerfüllung der Maßnahme.

Bei den nachfolgend vorgestellten Praxisbeispielen wurden deshalb Probeinjektionen in vorab definierten Versuchsfeldern ausgeführt. Diese dienen dazu, die am Bauwerk ermittelten Verpressparameter und Ergebnisse mit dem konzeptionell zugrunde gelegten Injektionsmodell abzugleichen, die technische Umsetzbarkeit der vorgesehenen Maßnahme zu bewerten und das Injektionskonzept ggf. noch vor Beginn einer flächigen Ausführung anpassen zu können.

Die drei nachfolgenden Praxisbeispiele zeigen individuelle Ausgangssituationen und Vorgehensweisen bei gefügeverbessernden Injektionen. Sie sind nicht als allgemeingültiges Konzept zu verstehen, sondern als individuell zugeschnittene Lösungsansätze und sollen für die Besonderheiten der Unterbausanierung sowie für die Bedeutung von Testinjektionen, Fachplanung und Erfolgskontrolle sensibilisieren. Dabei sollte eine Sanierung des Unterbaus als eigenständige Fachplanungsaufgabe behandelt werden. Sie kann mit flankierenden Maßnahmen, etwa der Erneuerung der Bauwerksabdichtung, verknüpft werden. Dabei sind insbesondere mögliche Wasserzutritte aus dem Überbau und deren Einfluss auf die Dauerhaftigkeit und langfristige Wirksamkeit der Unterbausanierung zu berücksichtigen.

Grundlagen

Die Injektionsplanung der Praxisbeispiele erfolgte auf Grundlage der im ersten Teil genannten methodischen und regulatorischen Vorgaben und von Erfahrungswerten in der Umsetzung einer Injektion. Je nach Hersteller sind Anpassungen der Verpressparameter in situ möglich, die von erfahrenen und qualifizierten Personen beim Injektionsversuch angepasst werden können hinsichtlich des Eindringverhaltens bzw. Viskosität und Druckbereichs, mit dem injiziert wird.

Gewölbebrücke Offenbach

Am Bauwerk aus 1922 in Offenbach wurden im Rahmen der Bauwerksdiagnostik zu geringe und stark streuende Betonfestigkeiten festgestellt. Zur Homogenisierung des Gefüges wurden auf Basis der Voruntersuchungen vorhandene Hohlräume mit ultrafeiner Zementsuspension kraftschlüssig verfüllt. Vor und nach der Maßnahme entnommene Bohrkerne ermöglichten den direkten Vergleich der Festigkeiten. Die Injektion steigerte die Betonfestigkeit um rund 50 % und verringerte zugleich die Streuung der Messwerte deutlich. Damit wurde die angestrebte Festigkeitssteigerung und Homogenisierung des historischen Betons im gesamten Injektionsbereich erreicht.

Zur Prüfung der grundsätzlichen Injizierbarkeit und geeigneter Verfahrensparameter wurde vorab eine Labor-Testinjektion an entnommenen Bohrkernen durchgeführt. In einer Druckzelle wurden Bohrkerne mit 100 mm Durchmesser im Niederdruckverfahren bis 3 bar mit einer Zementsuspension verpresst (Abb. 2). Ziel war es zu klären, ob die Zementsuspension trotz der ermittelten Gefügestruktur des Betons ausreichend eindringen kann oder alternativ eine Harzinjektion mit höheren Einpressdrücken erforderlich ist.

Nach erfolgreicher Zementinjektion im Labor wurde das Verfahren auf das Bauwerk übertragen. Hierzu wurden Packer im Raster von 40 × 40 cm gesetzt und die Injektionsbereiche von unten nach oben sukzessive verfüllt (Abb. 3).

Tab. 1: Festigkeiten vor und nach Injektion (Offenbach)

Gewölbebrücke Köln

Ein weiteres Beispiel aus Köln verdeutlicht im direkten Vergleich mit Offenbach die Bedeutung von Testinjektionen. Im Zuge der Bauwerksdiagnostik wurden dort ebenfalls stark streuende Betonfestigkeiten und Hohlräume festgestellt. Zur Ertüchtigung wurde planerseitig eine Injektion mit Zementleim beziehungsweise Zementsuspension vorgesehen.

Analog zu Offenbach wurden zunächst entnommene Bohrkerne im Labor mit Zementleim innerhalb einer Druckzelle injiziert (Abb. 5). Dabei drang das Material lediglich wenige Millimeter in die Ausbauproben ein.

Am Bauwerk selbst wurden daher Testinjektionen mit Zementsuspension (ultrafein) und Epoxidharz durchgeführt, da beide Materialien eine geringere Viskosität als Zementleim üblicher Mahlfeinheit aufweisen. Auch bei der ersten Testfläche mit Zementsuspension zeigte sich anhand der eingebrachten Menge ebenfalls nur eine geringe Eindringtiefe. Die drei weiteren Testfelder wurden deshalb mit Epoxidharz injiziert. Je Testfläche wurden zwischen 32,5 und 73 l Epoxidharz sowie 12,5 l Zementsuspension eingebracht. Das Volumen der jeweils 30 Bohrkanäle betrug bei 18 mm Durchmesser und 300 mm Injektionstiefe rund 9 l.

Die im Anschluss an die Injektionsversuche entnommenen Bohrkerne zeigten auf, dass sich die Festigkeiten im Vorher-Nachher-Vergleich nicht signifikant veränderten (Tab. 2). Auch war makroskopisch zu erkennen, dass die überwiegende Zahl der Bohrkerne keine Einlagerungen von Injektionsmaterial zeigte. Die Ausführung einer Injektion zur Erfüllung der anvisierten Ziele wurde abschließend als technisch ungeeignet bewertet. Die Instandsetzung erfolgte stattdessen mittels Betonabtrags und Applikation einer vorgesetzten, rückverankerten Betonschale.

Tab. 2: Festigkeiten vor und nach Injektion (Köln)

Gewölbebrücke Garching an der Alz

Ein drittes, derzeit in Ausführung befindliches Injektionsbeispiel stammt aus Bayern. Die 1907 errichtete denkmalgeschützte Brücke mit acht Gewölbebögen bis 42 m lichte Weite, gegliedert in zwei Teilbauwerke, soll im Zuge der Erneuerung der Fahrbahnplatte instandgesetzt werden.

In sieben Feldern, über die Teilbauwerke verteilt, wurden Testinjektionen mit anschließenden Bohrkernentnahmen durchgeführt. Anders als in Offenbach und Köln kamen dabei drei unterschiedliche Injektionsraster zur Anwendung. Aufgrund des sehr porigen und daher hinsichtlich des Injektionserfolgs schwer einschätzbaren Gefüges wurden Injektionen in Rastern von 30 × 30 cm und 20 × 20 cm sowie in bis zu drei Tiefenlagen in situ ausgeführt. Die etwa 300 mm versetzt angeordneten Tiefenlagen dienten der möglichst gleichmäßigen Verteilung der Zementsuspension im Bauwerk und sind exemplarisch in Abb. 9 dargestellt.

Die Testinjektionen zeigten eine grundsätzliche Durchführbarkeit und Wirksamkeit einer Injektion. Die Zementsuspension konnte ohne Anpassung der zulässigen Verpressparameter, insbesondere Druck und w/z-Wert, eingebracht werden. Die im Anschluss entnommenen Bohrkerne zeigten auf, dass das Injektionsmaterial überwiegend bis in eine Tiefe von etwa 300 mm makroskopisch nachweisbar war (Abb. 10). Gegenüber den zuvor entnommenen Bohrkernen zeigte sich eine Homogenisierung der Betonfestigkeiten in diesen Bereichen (Tab. 3).

Für die Instandsetzungsplanung lässt sich daraus ableiten, dass eine Injektion mit Zementsuspension zielführend ist, bei der Ausführung jedoch deutlich höhere Verpressmengen als bei den Testinjektionen aufgrund des Hohlraumgehalts anzusetzen sind, da in tieferen Lagen der Gehalt an Injektionsgut stark abnahm. Dies sollte idealerweise durch zusätzliche In-situ-Versuche zur Ermittlung der tatsächlichen Mengen erfolgen. Abb. 10 zeigt exemplarisch einen Bohrkern aus einem Verpressbereich; Tab. 3 stellt die Festigkeiten vor und nach der Injektion gegenüber.

Tab. 3: Festigkeiten vor und nach Injektion Garching, Stichprobe oberflächennaher Bereiche

Zusammenfassung und Ausblick

Die drei Beispiele zeigen, dass gefügeverbessernde Injektionen einen geeigneten Beitrag zur Ertüchtigung historischer Stampfbeton-Gewölbebrücken leisten können. Ihre Wirksamkeit lässt sich jedoch nicht allein aus dem Schadensbild, streuenden Festigkeiten oder vorhandenen Hohlräumen ableiten. Entscheidend sind die jeweilige Gefügestruktur, die Zugänglichkeit und Verteilung der Hohlräume und Poren sowie das Eindring- und Verteilungsverhalten des gewählten Injektionsstoffes.

Ausgangspunkt der Planung ist daher ein klar definiertes Instandsetzungsziel. Darauf aufbauend sind zielgerichtete Bauwerksuntersuchungen erforderlich. Neben der visuellen Begutachtung und der Auswertung der Bestandsunterlagen umfassen diese In-situ- und Laboruntersuchungen zu Materialkennwerten, Gefügestruktur, Hohlraumgehalt und Feuchtezustand. Weitere Schädigungsmechanismen, wie der im Beispiel Garching an der Alz untersuchte Verdacht auf eine AKR, sind bei der Materialwahl und der Bewertung möglicher Wechselwirkungen zu berücksichtigen.

Die Beispiele verdeutlichen insbesondere die Bedeutung von Testinjektionen. In Offenbach konnte die im Labor nachgewiesene Injizierbarkeit auf das Bauwerk übertragen und die angestrebte Homogenisierung des Gefüges erreicht werden. In Köln zeigten die Untersuchungen dagegen, dass auch niedrigviskose Injektionsstoffe nicht ausreichend in die zu ertüchtigenden Bereiche eindringen. Die ursprünglich geplante flächige Injektion wurde deshalb verworfen und durch ein anderes Instandsetzungskonzept mittels vorgesetzter, rückverankerter Betonschale ersetzt. In Garching an der Alz bestätigten die Testfelder die grundsätzliche Wirksamkeit der Zementsuspension. Gleichzeitig zeigten sie, dass Injektionsraster, Tiefenlagen und Verpressmengen an die ausgeprägten Hohlräume und die tiefenabhängige Materialverteilung angepasst werden müssen. Außerdem kann dort durch eine vorauseilende Injektion mit alkalischen Suspensionen die reaktive Fähigkeit des Betons bzw. dessen Gesteinskörnung überprüft werden. Der Mindestsollzustand, der durch aufwändige Instandsetzungsmethoden wiederhergestellt werden soll, kann durch reaktive Zuschläge hinsichtlich der Restnutzungsdauer auf Dauer deutlich unterschritten werden. Bei der Instandsetzungsplanung sollten im Vorfeld daher auch potentiell treibende Reaktionen berücksichtigt und im Rahmen der Voruntersuchungen überprüft werden.

Testinjektionen sind somit nicht nur als Vorbereitung der Bauausführung zu verstehen. Sie sind ein wesentliches Planungs- und Entscheidungsinstrument. Mit ihnen kann ein Injektionskonzept bestätigt, angepasst oder bei fehlender Zielerreichung durch alternative Sanierungsmaßnahmen ersetzt werden. Die dargestellten Beispiele liefern daher keine allgemeingültige Vorgehensweise, sondern verdeutlichen die Notwendigkeit einer objektspezifischen Bewertung und einer eigenständigen Fachplanung der Unterbausanierung.

Während der Ausführung sind die maßgebenden Verpressparameter und Materialmengen nachvollziehbar zu dokumentieren. Ergänzend sind geeignete Kontrollprüfungen vorzusehen. Dazu können die Überprüfung der erreichten Injektionstiefen, die Entnahme von Bohrkernen sowie mechanische und makroskopische Vergleiche vor und nach der Injektion gehören. Reine Verbrauchsangaben reichen für die Bewertung des Maßnahmenerfolgs nicht aus, da sie keine Aussage darüber ermöglichen, ob das Injektionsmaterial die vorgesehenen Bereiche erreicht und dort die angestrebte Gefügeverbesserung erwirkt.

Für die langfristige Wirksamkeit ist die Unterbausanierung zudem im Zusammenhang mit dem Gesamtbauwerk zu betrachten. Wasserzutritte aus dem Überbau müssen erkannt und durch geeignete flankierende Maßnahmen, beispielsweise eine Erneuerung der Bauwerksabdichtung, begrenzt werden. Künftig sollten die bei Planung, Ausführung und Erfolgskontrolle gewonnenen Erkenntnisse systematisch dokumentiert und ausgewertet werden. Mithilfe des vorgestellten konzeptionellen Vorgehens unter Berücksichtigung der Bauwerks-Einzelfallbetrachtung lassen sich historische Tragwerke wie Stampfbeton-Gewölbe effektiv instandsetzen, was für die zuverlässige Weiternutzung der Bauwerke im Eisenbahnbrückenbestand von besonderer Relevanz ist.

Danksagung

Die Autoren danken der DB InfraGO AG für die Unterstützung und die Bereitstellung der Projektdaten. Besonderer Dank gilt den beteiligten Ansprechpartnern der Regionalbereiche Mitte, West und Süd für die konstruktive Zusammenarbeit bei den Projekten Offenbach, Köln und Garching an der Alz. Ebenso danken die Autoren den Anlagenverantwortlichen für die fachliche Begleitung und den Austausch im Rahmen der Bearbeitung.