Risssanierung mit selbstheilendem Beton im Emssperrwerk Gandersum

Das Emssperrwerk: Eines der modernsten Sperrwerke in Europa

Das Emssperrwerk ist ein wasserwirtschaftliches Großbauwerk des Küstenschutzes an der Unterems bei Emden in Ostfriesland. Es wurde in den Jahren 1998−2002 zwischen den Ortschaften Gandersum am Nordufer und Nendorp am Südufer der Ems errichtet. Der Abstand zwischen den Hauptdeichen beidseitig der Ems beträgt 1.040 Meter, die Gesamtlänge des Bauwerks 476 Meter mit sieben Durchflussöffnungen. Die Hauptschifffahrtsöffnung im Verlauf des bisherigen Fahrwassers hat eine Breite von 60 Metern. Die Baukosten betrugen etwa 223,6 Millionen Euro. Es ist kein reines Sturmflutsperrwerk, denn hin und wieder wird es auch verwendet, um das Oberwasser der Ems zu stauen.

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Die mehr einen Meter dicken Wände müssen einen Wasserdruck von ca. 12,50 Metern aushalten. Die Belastung durch Wellenbewegung, Tidenhub, Schifffahrtsverkehr und dem wochenlangen Aufstauen der Ems vor einer Überführung der fertiggestellten Kreuzfahrschiffe, die auf der 35 Kilometer landeinwärts gelegenen Meyer-Werft produziert werden, ist enorm. Dazu kommen Spannungen durch hohe Temperatur-Unterschiede. Die Konstruktion wurde mit einem hohem Bewehrungsanteil auch als Rissbewehrung geplant, auf Dehnungsfugen wurde geplant verzichtet.



Relevante Eckdaten zum Bauwerk

Bau1998−2002 
AbmessungenGesamtlänge des Bauwerks 476 Meter
 5 Durchflussöffnungen des Fahrwassers zw. 50 und 60 m
 Pfeiler & Drempel z.t .FT-Bauweise á 100 T
 Drempel / Pfeiler im Flussbett (Ortbeton)
 Wandstärken > 1 m
DruckbelastungStandard 1,2 bar  (12,5 m WS)
Bauliche SpezifikaKonstruktion mit erhöhter Stahlarmierung  weitgehender Verzicht auf Dehnungsfugen
Besondere Anforderungen            Wasserwechselzonen, Süß- & Salzwasser
Hohe saisonale Temperaturschwankungen
Erhöhte Druckbelastung im Schleusenbetrieb durch Schiffsüberführungen von Groß & Megalinern

Ausgangssituation und Schadensbeschreibung

Bereits kurz nach der Inbetriebnahme traten in der Konstruktion wasserführende Risse auf.

Für die Behandlung auftretenden Riss- und Leckagestellen wurden bis dato nicht mineralische Sanierungsprodukte, vor allem PU-Injektionsharze verpresst um das eindringendes Wasser zu stoppen. Im Zeitraum 2002-2015 wurden lt. Angaben der Bertreiber über 50 000 Bohrpacker gesetzt und verfüllt. Dennoch waren v.a. in den Betriebstunneln weiterhin diverse Schadstellen zu verzeichnen. Saison-, Temperatur sowie Belastungsbedingt bedingt variieren die Rissbreiten, worüber z.T. erhebliche Wassermengen in das Bauwerk eindrangen. Im vorliegenden Fall wurden nach Angaben der Betreiber bereits seit geraumer Zeit täglich großflächige Pfützen von ca. 0,5 – bis ca. 1 cm Wasserstand in den Gängen der Betriebstunnel abgepumpt.

Die Projektpartner

Im Frühjahr 2017 wandte sich der Niedersächsische Landesbetrieb für Wasserwirtschaft, Küsten- und Naturschutz (NLWKN) als Betreiber des Sperrwerks , vertreten durch den Leiter „Betrieb und Unterhaltung landeseigener Anlagen“ Herrn Dipl. Ing Reinhard Backer, an WBA Abdichtungssysteme, um die Möglichkeit zu prüfen, alternative selbstheilende Systeme zur Risssanierung einzusetzen und in einem ersten Modellversuch anzuwenden.

WBA Abdichtungssysteme (im Folgenden kurz: WBA) ist bereits ein verlässlicher Zulieferer des NLKN für Bauspezialartikel u.a. auch für die Errichtung des Ems-Sperrwerkes. WBA ist seit über 20 Jahren ausgewiesener Experte und bundesweit einziger Anbieter für Selbstheilende Betonsysteme auf kristalliner und mikrobakterieller Basis. WBA greift im Bereich kristalline Systeme wie CrystalProof L1, auf Erfahrung in verschiedenen Anwendungsbereichen, u.a.a.im Wasserbau zurück und versteht sich in Kooperation mit der TU Delft bzw. Basilisk BV NL im Systembereich mikrobakteriell basierter Selbstheilungs-ysteme seit 2017 als exklusiver Innovationsbegleiter für den deutschsprachigen Raum. 

Im Zuge der Erstgespräche wurden dem Auftraggeber die Systemprodukte 
Crystal Proof und Basilisk mit ihren jeweiligen Eigenschaften, Funktionsweisen, spezifischen Potentialen und Grenzen erläutert.

Dies soll hier noch einmal zusammengefasst dargestellt werden.

Kurzbeschreibung Systeme zur steuerbaren Selbstheilung von Beton

Vorbemerkung und Begriffsklärung Selbstheilung im Beton

Grundsätzlich gilt es die Form des natürlichen Rissverschluss im Beton von der steuerbaren, gezielten Rissheilung zu unterscheiden.

Die sog. natürliche Selbstheilung erfolgt zum einen durch mechanisches Dichtsetzten  ausgeschwemmter (Beton-)Partikel. Der Prozess ist zufallsbasiert und entsprechend reversibel.

Zum anderen kann auch das physikalische Nachquellen von nicht hydratisierten Zement-partikeln zum intrinsischen Dichtsetzten von Rissen, je nach Betonart- oder Mischung von 0,1 bis maximal 0,2 mm beitragen. Dabei besteht jedoch insbesondere an den Flanken wasserführender Risse das Risiko der Verschlammung und Auslaugen des Betons. Insofern ist auch dies ein Vorgang der natürlichen Selbstheilung. Dabei handelt es sich um einen teilweise reversible Prozess der, nur bedingt planerisch kalkulierbar ist und nur einen bedingten Sicherheitsgrad liefert. 

Demgegenüber sind steuerbare Systeme zum intrinsischen Rissverschluss wie folgt zu unterscheiden: Systeme auf kristalliner und mikrobakterieller Basis.

Chemisch-kristalline Rissheilung 

Bei der chemisch forcierenden kristallinen Selbstheilung wird zunächst mittels eines produktspezifischen Katalysators die Nachhydratisierung nicht gequollener Zementpartikel angeregt. Zusätzlich erfolgt der Material-Aufbau von Kristallen in Zement-ähnlicher Struktur. Das besondere Potential von CrystalProof –Produkten liegt darin, dass das Wachstum der Kristalle so lange fortgesetzt wird, wie Wasser in den Rissen vorhanden ist. Unterstützt durch den osmotischen Druck können sich die Kristalle mehr als 20 cm in das Material hineinarbeiten und schützen so zusätzlich die Bewehrung vor aggressiven Angriffen und Korrosion.
Das Rissheilungspotenzial bleibt auch nach der Austrocknung weiterhin erhalten und ist bei erneutem Kontakt mit Wasser dauerhaft reaktivierbar. 

Rissbreiten bis zu 0,5 mm können so in der Sanierung sowohl auf der Positiv-Seite als auch, wie im hier vorliegenden Fall, auf der innenliegenden Negativ-Seite entgegen dem Wasserdruck verschlossen, und abgedichtet werden.

Rissheilung auf mikrobakterieller Basis

Das grundsätzliche Wirk-Prinzip bei mikrobakterieller Selbstheilung ist dem der kristallinen Selbstheilung ähnlich.
Die neu entwickelten Hochleistungsprodukte basieren hier auf den biochemischen Prozessen der natürlichen Kalksteinbildung. Sie setzen damit an einem wesentlichen Bestandteil aller klassischen Zementmischungen an.

Konkret nutzen Green Basilisk Produkte spezielle Mikrobakterien für den Verschluss von Rissen im Beton. Diese scheiden nach Aufnahme von Wasser und einer spezifischen Nährlösung Calciumcarbonat aus.

Anstatt der Kristalle, bauen in diesem System natürliche Bakterien eine Kalksteinmasse auf. Diese dichtet Risse binnen ca. 42 Tage, unabhängig von Länge und Verlauf, bis zu 0,6 mm ab. Im Zuge dieses Stoffwechsel-Prozesses wird hier ebenfalls Sauerstoff gebunden- der folglich nicht mehr für die Korrosion der Stahlbewehrung zur Verfügung steht und daher einen zusätzlichen Schutz für die Konstruktion darstellt.

Stand Erstbegehung, Diagnose und Instandsetzungsplanung

Im März 2017 wurde im Rahmen einer ersten Begehung der Betriebstunnel eine Sichtung und erste Bestandsaufnahme der Situation gemacht. Seitens des Betreibers wurden zunächst drei Rissstellen mit besonders starker Sickerwasserbelastung identifiziert und für zur Behandlung als Modellprojekt ausgewählt. Auf dieser Grundlage wurden gemeinsam mit einem regional, zertifizierten Fachbetrieb, verschiedene Sanierungsmaßnahmen diskutiert, ausgearbeitet, Einsatzmöglichkeiten verschiedener Risssanierungssysteme geprüft und dem Betreiber Vorschläge mit Angeboten unterbreitet.

Schadensaufnahme bei der Erstbegehung
Schadensaufnahme bei der Erstbegehung

Die Sanierung der ausgewählten Rissstellen -12 m NN Tiefe, also bei einem Wasserdruck von 1,2 bar auf der Negativseite, stellte vor allem hinsichtlich folgender Punkte besondere Herausforderungen für das neue Abdichtungskonzept bzw. die Sanierungs-Produkte dar:

  1. Da die Rissflanken jahrelang durch fließendes, salziges und schmutziges Wasser gespült wurden, war davon auszugehen, dass diese nur noch geringe Mengen an Zement enthalten, die für eine mineralische Abdichtung jedoch i.d.R.in einem Mindestmaß vorhanden sein sollte.
  2. Die umfangreiche Verpressung mit nicht-mineralischen PU Harzen ließ eine genaue Lokalisation der Harze nicht zu. Schnittstellen und Überlappungen der Materialien waren nicht auszuschließen, so dass die Gefahr eines lückenhaften Verbunds der Materialen den Erfolg massiv gefährden konnte.
  3. Riss-Sanierungsmaßnahmen dieser Art werden i.d.R. bestmöglich in der kalten Jahreszeit bei niedrigen Temperaturen ausgeführt, da sich der Baustoff zusammenzieht und die Risse in Folge ihre maximale saisonale Ausdehnung erreichen. Auf expliziten Wunsch des Auftraggebers sollte das Sanierungsprojekt mit Selbstheilendem Beton aber möglichst zeitnah schon im Frühjahr umgesetzt werden.

Anwendung der Systeme im Betriebstunnel

Gemäß der abgestimmten Instandsetzungsplanung wurden die ausgewählten Risse entlang ihres Verlaufes ca. 4 cm tief und 2,5 cm breit ausgestemmt und mit dem kristallinem Mörtel CrystalProof L1 verfüllt. Aufgrund des starken Wasserdurchtritts wurde als erste Lage im aufgestemmten Riss die Systemkomponente CrystalProof Waterstop als schnell wirksame Erstabdichtung eingebracht. 

Entsprechend wurde mit den Vergleichsrissen mit dem Basilisk Repair Mortar MR3 verfahren. Da im aufgestemmten Zustand kein vergleichbar massives Durchperlen erkennbar war, wurde auf eine zusätzliche Sofortabdichtung wie oben verzichtet werden.

Die Maßnahmen wurden wie folgt im Betriebstunnel durchgeführt:

  • Sanierung von drei identifizierten Hauptrissen (horizontaler und vertikaler Verlauf) mit CrystalProof L1 und Basilisk Mortar MR3
  • Sanierung eines  auserwählten Deckenrisses (über Kopf)  mittels Niederdruckinjektion (Klebe -Packer) von Basilisk ER7 . Dieser erfolgt ausschließlich experimentell, da über diese Applikationsform keinerlei Erfahrungen vorliegen und gem. Verarbeitungsrichtlinie auch in eine Verarbeitung über Kopf nicht vorgesehen ist. Bis dato wurden nur Schwerkraftunterstützende, horizontale Anwendungen empfohlen und vorgenommen.

Erfolgskontrolle und Langzeitmonitoring

Vereinbarungsgemäß wurden in etwa 4 – 6 monatigen Abständen die behandelten Risse durch WBA Abdichtungssysteme überprüft und fotografisch dokumentiert.

Darüber hinaus wurden auch seitens der NWKLN Sichtkontrollen im Zuge der jeweiligen Routinerundgänge vorgenommen. Negative Beobachtungen in Form von sichernden Leckagen oder Feuchtstellen wurden nicht festgestellt und rückgemeldet.

Insbesondere saisonal bedingte Veränderungen wurden dabei im Blick behalten. Denn die Ausdehnung des Betons im Sommer bewirkt eine zeitweise Verengung der Risse. Umgekehrt erfolgt in ein Zusammenziehen des Betons, was das Weiten der Risse mit sich bringt. (vergl. u.a.a. Dipl .Ing. A. Weissner: Einfluss niedriger Temperaturen auf die Betoneigenshaften.10.11. 2016 Erfurt) 

Von einer wissenschaftlichen Begleitung des Modell-Projektes, wurde nach eingehender Sondierung verschiedener Optionen vor Projektaufnahme zunächst einvernehmlich Abstand genommen. Da ausschließlich zerstörungs- bzw. verletzungsfreie Prüfmethoden infrage kommen hätte dies den technisch wie auch finanzielle abbildbaren Aufwand Rahmen deutlich überschritten. Diese Option sollte jedoch nach Abschluss des Modellprojektes ggf. erneut diskutiert und künftige Möglichkeiten geprüft werden.Nach einer gemeinsamen Besichtigung ca. einen Monat nach den Versuchen mit dem verantwortlichen Bauleiter der NLWKN wurde festgestellt, dass die Risse weitgehend dicht, die Oberflächen abgetrocknet waren und sich ca. 10-15 cm um die mit CrystalProof behandelten Risse, starke Auskristallisierungen gebildet hatten. Diese konnten schlicht abgefegt werden.

Bei den mit Basilisk MR3 behandelten Rissen zeichneten sich bis März 2018 noch leichte Verfärbungen ab. Auch hier war jedoch keine Feuchtigkeit mehr festzustellen.

Bei den Besichtigungen im Juli 2017, September 2017, Dezember 2017 sowie im Februar und  Juni 2018 zeichneten sich an wenigen Punkten lokale leichte Feuchtstellen ab. Hier ist davon auszugehen, dass die Verarbeitung der Produkte im Sommer und die starken Temperaturschwankungen Sommer/Winter einen mindernden Einfluss auf das Ergebnisse genommen haben. Ebenso kann keine Aussage dazu getroffen werden, ob bzw. wo und in wie weit das mineralische Rissheilungspotential durch Berührung mit den PU-Harzen blockiert wurde und an diesen Stellen eine Wassermigration entlang der Harzstränge ursächlich sind. Trotz dieser Sanierungs- Hemmnisse, ist durchgängig festzustellen, dass bis Mai 2019 kein Sicker-Wasser mehr in die Betriebstunnel eindringt und ein massiver Durchfluss, wie vor der Maßnahme, bis heute gestoppt werden konnte. Die Risse sind durchgängig trocken.

Ebenfalls konnte die vereinbarungsgemäß, rein experimentell gehaltene Risssanierung über Kopf, durch Verpressen des Basilisk Systems ER7 zu einer erheblichen Verbesserung der Situation beitragen. Auch hier konnten die Leckagen bis heute gestoppt werden. 

Abschließende Diskussion der Ergebnisse – Fazit und Ausblick

Die gemeinsame Begehung des Betriebstunnels zur abschließenden Dokumentation der Sanierungsergebnisse erfolgte am 14.05.2019, 2 Jahre nach der Sanierung der modellhaft ausgewählten, damals noch stark wasserführenden Risse.

Für die Risssanierung mit Basilisk Mortar MR3  zeigt sich über den Beobachtungszeitrum hinweg durchgängig, das sowohl die horizontal, als auch die vertikal verlaufenden Rissearme vollständig abgetrocknet sind. Weder sind einzelne lokale Feuchtstellen zu erkennen, noch können maßgebliche Temperaturunterschiede zu den angrenzenden Rissrandzonen festgesellt werden, die auf eine verdeckte Durchfeuchtung schließen ließen.  

Hinweise auf Reststellen oder weitere Feuchtstellen im ausgewählten Prüfbereich konnten auch bei eingehender Prüfung nicht bestätigt werden.

Dennoch sind im weiteren Umfeld beachtliche Wassereindringstellen vorhanden. (s.a. Abbildung unten links). Diese werden weiterhin regelmäßig abgesaugt bzw. abgepumpt. Diese Leckagen dringen deutlich sichtbar aus unbehandelten Deckenrissen und Schädigungen auf der rückseitigen Wand.

Auch die mit CrystalProof Waterstop und CrystalProof L1 behandelten Risse weisen  innerhalb des 2-jährigen  Beobachtungszeitraumes  keine Leckagen, Feuchtstellen oder  ungewöhnliche Verfärbungen mehr auf. Das nach außen hin sichtbare Kristallwachstum (siehe Abbildung Seite 11, Bild März 2018)  ist nach der ersten Aktivphase weithin abgeebbt. Dies lässt darauf schließen, dass die Leckagen weithin durch den Aufbau der neuen kristallinen Struktur verschlossen wurden.

Im Rahmen des Projektabschlussgespräches am 14.05.2019 wurden diese Ergebnisse wie dargestellt diskutiert. Folgemaßnahmen werden angedacht. Diese sind im Einzelnen noch zu spezifizieren. Weitere Risssanierungsarbeiten sollten nach Möglichkeiten v.a. im Winterhalbjahr vorgenommen werden, um die maximalen Rissbreiten optimal abdecken zu können.

Eine zerstörungungsfreie Prüfung aller bis dato vorliegenden Ergebnisse wird im Rahmen einer wissenschaftlichen Projektbeteiligung weiterhin geprüft und angestrebt.


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