7 Ausgewählte Probleme beim Brückenneubau und derInstandsetzung

Dr.-Ing. Walter KnauteSAXOTEST Ing. GmbH Dresden

Univ.-Prof. Dr.-Ing. Jürgen StritzkeTU Dresden

7.1 Einleitung

Beim Neubau wie auch bei der Instandsetzung können in der Baupraxis Mängel auftreten, deren Aus-wirkungen mitunter einen nicht geringen Umfang haben. Die Folgeerscheinungen betreffen sowohl dentechnisch-technologischen Bereich bis hin zu den Fragen der Dauerhaftigkeit und der Nutzungsdauerder Bauwerke bzw. Bauteile als auch den wirtschaftlichen Bereich.

Anhand von zwei Themenkomplexen aus dem aktuellen Baugeschehen sollen dafür einige Beispielekurz erläutert und zur Diskussion gestellt werden. Dabei werden die Bauherren und Planer, aber auchdie Bauausführenden und Überwacher gleichermaßen angesprochen.

7.2 Alkali-Silikat-Reaktion

7.2.1 Überblick

Hinter dem im allgemeinen gebrauchten Begriff „Alkalitreiben“ (Alkali-Kieselsäure-Reaktion, AKR)verbergen sich eigentlich 3 verschiedene Reaktionstypen:

Typ 1 Alkali-Silika-Reaktion ASR 1 ( „AKR 1“ )Typ 2 Alkali-Silikat-Reaktion ASR 2 ( „AKR 2“ )Typ 3 Alkali-Carbonat-Reaktion ACR 3 ( „AKR 3“ ).

Unter AKR wird in Deutschland und Österreich i.d.R. die Reaktion von Alkalien mit amorpher Kie-selsäure (z.B. in Flint, Opal, Opalsandstein, bestimmten Basalten) verstanden einschließlich der Be-sonderheiten der präkambrischen Grauwacken und Kieselschiefer in Ostdeutschland. Diesbezüglich istauch die sogenannte Alkali-Richtlinie des DAfStb /11/ anzuwenden, umfaßt aber nur die ASR 1. Diebeiden anderen Typen, ASR 2 und ACR 3, werden vom Regelwerk bisher nicht erfaßt.

Der Typus der ACR 3 (Alkalien reagieren mit Dolomit) ist bisher in Deutschland noch nicht bekannt ge-worden und auch wenig wahrscheinlich. Hingegen sind bei verschiedenen Bauwerken neben anderenSchädigungsmechanismen auch Anzeichen für eine „AKR, Typ 2“ , exakter Terminus Alkali-Silikat-Reaktion 2 (ASR 2), festzustellen. Hierbei handelt es sich um die Reaktion von Alkalien mit fein-kristallinem bzw. deformiertem Quarz (Streß-Quarz, strained quartz). Derartige Reaktionen verlaufen

127

nach bisherigen Erkenntnissen langsamer und später beginnend als bei der ASR 1. Unter bestimmtenVoraussetzungen bzw. Reaktionsbedingungen können derartige Reaktionen möglicherweise auch be-schleunigt werden. Erkennbar wird dies dann an der Gelbildung, die wegen der damit verbundenenVolumenvergrößerung u. a. zu irreversiblen Rißschädigungen führt.

Dazu im folgenden einige Beispiele aus der Bauwerksdiagnostik. Als Untersuchungsmethoden wurdenu. a. angewandt:

• Visuelle Begutachtung am Objekt mit optischen Hilfsmitteln bis 30fache Vergrößerung,

• Kernbohrungen, Spitzsondierungen,

• Mikroskopie an Bruchstücken und Feinschliffen bis 200fache Vergrößerung,

• Feinstmikroskopie mit Gefügeanalyse an Dünnschliffen von 15 . . . 20 µm Dicke bis 1200facheVergrößerung (Institut RSC Dr. Schicht Consult in Bülach/Schweiz), mit unterschiedlichem Auf-und Durchlicht und verschiedener Polarisation,

• qualitativer Test mittels Uranylacetat bei UV-Licht 254 . . . 366 µm

• Restdehnungsmessungen in der Nebelkammer bei Klima 40/95 (MPA Dresden).

7.3 Schäden an Brückenkappen

Bei komplexen Untersuchungen zu Schäden an Brückenkappen ergaben sich neben anderen Ursachen-arten auch bestimmte Verdachtsmomente für eine „AKR“ . Die Besonderheit bestand darin, daß diebekannten Schadensbilder von punktuell verteilten kraterförmigen Aussprengungen (popouts) und an-dererseits von flachen Schlämmeschicht-Abplatzungen (scalings) auch bei reinen Kiesbetonen auftra-ten. Die Betone wurden mit etwa 320 . . . 340 kg Zement/m3 Beton bei einem W/Z-Wert von etwa0,47 . . . 0,50 hergestellt.

Bemerkenswert war, daß die Schäden bereits nach wenigen Jahren auftraten. Dabei waren die genann-ten Erscheinungen häufig auch mit einem im Zentrum der Schadstelle liegenden Quarzkorn direkt inVerbindung zu bringen, dazu Bild 7.1 - Bild 7.3.

Augenscheinlich waren die Quarzkörner ohne Beanstandungen, dicht, fest und ohne Strukturdefek-te. Die weiteren Untersuchungen an speziell präparierten Bohrkernproben, u. a. mit dem qualitativenUranylacetat-Test sowie durch gezielte Gefügeanalysen mit Hilfe der Feinstmikroskopie ergaben wei-teren Aufschluß. Die qualitativen Analysen waren überwiegend positiv. Daraufhin wurden dann gezieltaufwendigere Gefügeanalysen mittels hochauflösender Lichtmikroskopie durchgeführt.

Es wurde herausgefunden, daß bestimmte Quarzkörner an den Rändern deutliche Reaktionssäume vonAlkalihydrosilikaten aufwiesen, mitunter ähnlich einem „Strahlenkranz“ an der Grenzfläche zur Ze-mentsteinmatrix. Die weitere Gelbildung geht unter Volumenvergrößerung vor sich und erzeugt partiellsehr große Gefügedruckspannungen, die unterschiedlich abgebaut werden. Zum einen entstehen Rissein der Matrix, auch durch dort vorhandene Poren oder auch Zuschlagkörner hindurch, andererseits auchin den Körnern in Form von Mehrfachrissen. Solche Risse führen zur Zertrümmerung der ursprünglichfesten und quasi-homogenen Körner. Hierzu wird auf Bild 7.4 - Bild 7.7 verwiesen.

Sehr wichtig ist bei der Gefügeanalyse die Abgrenzung zu anderen Reaktionen und deren Produkten,beispielsweise zur sekundären Ettringitbildung (Delayed Ettringite Formation, DEF) u. a. m. Im hier

128

Bild 7.1: Brückenkappe mit punktuellen Aussprengungen (popouts) sowie vereinzelt flächigem Abtrag derSchlämmeschicht (scalings)

Bild 7.2: Scalings, z. T. mit darunterliegendem Quarzkorn

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Bild 7.3: Fortgeschrittene Betonabwitterungen mit deutlichem Substanzverlust

Bild 7.4: Schliffbild eines Kappenbetons (120fache Vergrößerung) mit deutlichen Strukturrissen, teilweise durchdie Kugel-Luftporen hindurch

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Bild 7.5: Dünnschliff bei 240facher Vergrößerung mit deutlich erkennbaren Neubildungen von Alkalihydrosili-katen um das Quarzkorn herum ( „Strahlenkranz“ )

Bild 7.6: Starke Rißbildung in einem Quarzkorn infolge hoher Gefügespannungen im Beton (240fache Vergrö-ßerung)

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Bild 7.7: Alkalihydrosilikate an einem Quarzkorn (im Bild mit „AKR“ bezeichnet) bei 600facher Vergrößerung

behandelten Fall ist eine DEF auszuschließen. Insofern ist bei solchen Analysen stets auch nach demAusschlußprinzip zu prüfen und es sind die jeweiligen Wahrscheinlichkeiten abzuwägen.

Den Bildern ist außerdem zu entnehmen, daßdurch die Rißbildung auch Kanäle geschaffen werden zurAufnahme und Weiterleitung eindringender Wässer und Taumittellösungen. Durch die fortschreitendeSchädigung des Betongefüges kommt es dann zu einem tieferen Eindringen der Flüssigkeiten und führtletztlich zu einer Überlagerung mit Schädigungsmechanismen eines Frost-Taumittel-Angriffs.

Die Schädigungen durch eine kombinierte Beanspruchung sind in der Summe dann größer als es dieEinzelbeanspruchungen ergeben hätten. Darüber hinaus ist auch eine überproportionale Schadenskine-tik zu erwarten, d. h., die Schädigungen verlaufen in der Folge rascher und intensiver. Die Gebrauch-stauglichkeit wird schneller eingeschränkt, die Nutzungsdauer wird verringert. Außerdem wird ab ei-nem bestimmten Schadensmaß eine Instandsetzung zur Wiederherstellung bzw. Sicherung der Dauer-haftigkeit nicht mehr sinnvoll möglich sein. Als Beispiel für die komplexe Analyse bei der Lichtmikro-skopie sei Tabelle 7.1 angegeben.

Es wird deutlich, welche verschiedenartigen Merkmale neben der Unterscheidung der Phasenbestand-teile in der Zementsteinmatrix zu beachten sind. Die dabei auch festgestellten „Hydratationsschübe“deuten auf die periodischen Durchfeuchtungen infolge der äußeren Witterungseinflüsse hin. Durch dieStrukturschäden werden dann größere Tiefenlagen erreicht, die bei einem ungeschädigten Beton nor-malerweise davon unberührt bleiben würden.

Bemerkenswert waren auch die zahlreichen Kristallneubildungen innerhalb der Matrix sowie in Ris-sen, Spalten, Poren und in Ablösebereichen Korn/Matrix. Davon betroffen waren selbst Mikroluft-poren L300, die eigentlich als Pufferraum für gefrierendes Wasser bzw. Taumittel-Lösungen bei einemFrost-Taumittel-Angriff dienen sollen. Diese Kristallneubildungen waren wohl zu unterscheiden von alldenen, die üblicherweise bei der Zementhydratation als Calcium-Silikat-Hydrat-Phasen (CSH-Phasen)entstehen. Vereinzelt wurden auch glasige, reaktive Aschepartikel gefunden.

Besonders markant waren insgesamt gesehen die Anzeichen für teilweise sehr hohe innere Gefügespan-

132

Lfd. Nr. Merkmale Proben1 2 3 4 5 6 7 8

1 Inhomogenes Gefüge inkl.Porenstruktur

(x) xx xx xx (x) xx xx xx

2 Inhomogener Kornaufbau� x x3 Hohe Porosität inkl.

Grobporenx x xx x x x

4 Risse in Matrix� x x xx x x x xx x5 Risse in Zuschlagkörnern� x xx x xx x6 Risse durch

Kornzertrümmerung(x) x

7 Risse in KontaktzoneKorn/Matrix, Ablösungen

x x xx xx x xx xx x

8 Anzeichen für hoheGefügespannungen

x (x) x xx xx x

9 deformierte/zugewachsenePoren bzw.Rißverbindungen

xx x xx x x xx xx xx

10 Kristallneubildungen (z.B.Portlandit, Calcit) mitPorenverstopfungen u.a.

x x x xx x xx x x

11 Ettringitbildung x xx x xx xx �

12 "AKR"-Situationen / ASR(Treibreaktion mitFolgeerscheinungen)

x xx xx x xx

13 reaktive Schlackepartikel(glasig)

(x) x

14 Anzeichen für hoheDurchfeuchtung

xx xx x xx x xx x xx

15 Hohe Karbonatisierung xx� x x x xx xx xx xx16 Hohe Hydratationsrate xx� xx xx xx xx xx x x

(x) weniger ausgeprägt x deutlich erkennbar xx sehr stark erkennbar

Tabelle 7.1: Schematische Übersicht zu wesentlichen Befunden der miskroskopischen Gefügeanalyse

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Bild 7.8: Außenseite eines Bauwerks aus einem hochfesten, dichten Beton B 85 (vergleichbar HPC); netzartigeRißbildung mit Gelausscheidungen, die durch atmosphärische Einflüsse bereits nachdunkeln

nungen. Dabei unterliegt eine Brückenkappe praktisch keinen Verkehrslasten, sondern hat im Regelfallnur den Witterungseinflüssen und den damit verbundenen thermisch-hygrischen Bedingungen zu wi-derstehen unter Berücksichtigung der Bedingungen einer Alkalienzufuhr von außen.

7.4 Schädigungen an hochfestem Beton

Die Untersuchungen an einem etwa 30 Jahre alten, kammerartigen Stahlbetonbauwerk ergaben bei derErkundung von im wesentlichen temperaturbedingten Rissen in der Folge einige weitere interessanteErgebnisse bezüglich „AKR“ . So waren deutlich netzartige Risse mit Gelausscheidungen erkennbar,die erstmals etwa 5 Jahre zuvor registriert wurden, siehe Bild 7.8 und Bild 7.9. Auch hier wurde gezieltmit den unter Punkt 7.3 genannten Mitteln und Methoden etappenweise näher erkundet und geprüft.

Das Bauwerk selbst unterliegt mit seinen Vertikalflächen hauptsächlich nur der freien Bewitterung ohneEinwirkung von Auftaumitteln, also keine Alkalienzufuhr von außen im Gegensatz zu einer Brücken-kappe. Außerdem war festzustellen, daß es im Inneren bei einer Betonwanddicke von etwa 0,5 - 0,8 mstets frostfrei bleibt. Die Minimaltemperatur (Luft) betrug ca. + 3° C.

Der Beton war zum Prüfzeitpunkt außerordentlich dicht und fest. Die mittlere Betonrohdichte betrugρ = 2,37 kg/dm3. Die Betonfestigkeit, nachgewiesen am Bohrkern, war so hoch, daß eine Festigkeits-klasse B 85nach der Richtlinie /28/ zugeordnet werden konnte. In seiner Struktur und Beschaffenheitwar der vorgefundene Beton als Hochfester Beton (High Strength Concrete, HSC) bzw. Hochleistungs-beton (High Performance Concrete, HPC) zu bewerten. Derartige Betone weisen u. a. sehr hohe Ze-mentgehalte (400 - 700 kg/dm3) bei sehr niedrigen W/Z-Werten (0,20 . . . 0,35) auf. Im vorliegendenFall wurden etwa 475 - 480 kg/m3 eingesetzt bei W/Z = 0,43.

Die qualitative Untersuchung auf eine mögliche AKR/ASR war nahezu ausnahmslos positiv. Daraufhin

134

Bild 7.9: w.v., Detail mit weißen bis dunkelverfärbten Gelausscheidungen von Alkalihydrosilikaten; davon aus-gehend Rißbildungen und schollenartige Abplatzungen

Probe Bezeichnung Meßstelle MerkmaleGS 1 A, t = 30 ... 35 cm Riß zw. Grauwacke und MatrixSS 20 B, " Ablösung zw. Grauwacke und Matrix,

GefügerisseGR 39 C, " Grauwacke mit Rissen im Korn = KRGM 54 D, " Reaktionssaum am Korn,

Kristallbildung, Ablösung zur Matrix =RS

GN 70 E , t = 15 cm Reaktionssäume, Gelausscheidungen,Risse, Zermürbungen�

SS 1 A F, t = 1 cm ohne erkennbare Schädigungen,einwandfreies Quarzkorn

SS 2 B F, t = 1 cm stark zermürbtes Quarzkorn imZentrum einer kraterförmigenAbsprengung

Tabelle 7.2: Proben für mikroskopische Feinanalysen

wurden wiederum die mikroskopischen Gefügeanalysen durchgeführt. Eine kurze Übersicht gibt dazuTabelle 7.2.

Darüber hinaus wurden von ausgewählten Bereichen auch eine Reihe von Bohrkernen für Restdeh-nungsmessungen präpariert. Die Proben wurden mehrere Monate in der Nebelkammer bei einem Klimavon 40° C und 95% rel. Luftfeuchte gelagert und periodisch vermessen bezüglich ihrer Längenände-rung. Dazu die Ergebnisse in Tabelle 7.3.

Folgende wesentliche Erkenntnisse konnten aus den vorgenannten Untersuchungen unter Berücksich-tigung aller Randbedingungen und weiteren Befunde gewonnen werden:

• Der Beton war sehr dicht und wies einen außerordentlich hohen Bindemittel- bzw. Zementstein-

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Bez.Probe

Meßstelle/Meßbereich

Dehnung Bestätigung desVerdachts auf"AKR" / ASR

maximal amPrüfende

nach112 d

Maximaldifferenzunter

Berücksichtigungdes

FeuchtequellensRD - °/oo °/oo °/oo x bestätigt

xx deutlich bestätigtxxxx sehr stark bestätigt

01 II 0,502 0,482 0,202 x0203

IVIV

0,4090,739

0,3960,739

0,1090,439

xxx

040506

VVV

0,5350,5080,561

0,5350,5080,561

0,2350,3080,261

xxxx

0708

VIVI

0,6730,581

0,6730,581

0,3730,281

xxx

09 VII 0,482 0,350 0,182 x�1011

XX

0,7690,158

0,7690,158

0,4690

xx-

12 VII 0,409 0,350 0,109 x(später bei Klima 20/65 eingroßes Stück abgesprengt)

13 XIII 0,343 0,284 0,043 -�14 XIX 0,502 0,416 0,202 x�15 XV 1,043 1,036 0,743 xxx�16 XVI 0,554 0,508 ~ 0,2 x�1718

XVIIXVII

0,9170,686

0,9110,607

0,6170,386

xxxxx

Das Feuchtequellen wurde hier wegen der sehr hohen Dichtigkeit mit 0,3 %o angesetzt.

Tabelle 7.3: Ergebnisübersicht Restdehnungsmessungen

136

Bild 7.10: Beginnende Gelbildung an Zuschlagkörnern nach etwa 1 Monat bei Lagerung im Labor, Klima 20/65

anteil auf.

• Der Beton ließ einen hohen Hydratationsgrad erkennen mit deutlichen Nachhydratationsereig-nissen („Hydratationsschübe“ ), was auch auf ein hohes Wasserrückhaltevermögen in den Feinst-poren hindeutet.

• Über den gesamten Querschnitt hinweg wurden außerdem anderweitige Kristallneubildungenbeobachtet, die offensichtlich erst nach der Zementhydratation entstanden sind.

• In allen Bereichen wurden Rißbildungen in der Matrix festgestellt, überwiegend jedoch in derKontaktzone zum Zuschlagkorn.

• Deutlich erkennbare Reaktionssäume einer AKR/ASR an den Rändern bzw. auch innerhalb vonZuschlagkörnern, sowohl bei Grauwacke als auch bei Quarz.

• Teilweise sehr hohes Restdehnungsvermögen des rund 30 Jahre alten Betons mit bis zu 1 ‰.

• Nach der Nebelkammerlagerung noch sehr hohes Nachreaktionvermögen dergestalt, daß erneuteGelbildung mit Alkalihydrosilikaten und Treibwirkung mit großstückigen Absprengungen beiNormalklima 20/60, siehe Bild 7.10 - Bild 7.14.

• Am Bauwerk auf der Außenseite und verstärkt sogar auf der trockenen Innenseite kommt es zuhandtellergroßen Absprengungen über Quarzkörnern (ASR 2). Die Körner werden dabei in ihrerStruktur und Festigkeit völlig verändert und zermürbt, so daß das Quarzkorn dann eher einemweichen, stark aufgelockerten Sandstein ähnelt und mit dem Fingernagel ritzbar ist. Siehe hierzuBild 7.15 - Bild 7.20.

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Bild 7.11: Fortschreitende Gelbildung mit weißlichem Ausscheidungen nach 2 Monaten Laborklima

Bild 7.12: Gelausscheidungen um Grauwackekörner (weißer „Strahlenkranz“ ) im Querrißeines Bohrkerns

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Bild 7.13: Nachträgliche Rißbildung und Absprengung an einem Bohrkern etwa 1 Monat nach der Prüfung inder Nebelkammer zur Bestimmung des Restdehnungsvermögens; immer noch Restfeuchte im Beton

Bild 7.14: Schliffbild mit ASR 1 an einem Grauwackekorn (links im Bild) sowie zusätzlich Phasenneubildungenan einem Glaspartikel aus einer etwaigen Filtertasche (im Bild rechts)

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Bild 7.15: Innenseite eines kammerartigen Bauwerks aus hochfestem Beton B 85, hier mit bis zu handteller-großen, kraterförmigen Aussprengungen

Bild 7.16: w.v., im Zentrum der Schadstelle ein zermürbtes Quarzkorn (B)

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Bild 7.17: Präparation zweier Quarzkörner aus vorgenanntem Bereich (A = optisch einwandfrei, B = zermürbt,aus Zentrum der Aussprengung

Bild 7.18: Schliffbereich Korn A (240fache Vergrößerung), geschädigte Randzone mit Auflösung des SiO 2 undRekristallisation zu Quarz

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Bild 7.19: Schliffbild Korn B (240fache Vergrößerung), deutlich andere Struktur mit pflastersteinartigem Gefügemit Fe-Einschlüssen (Streß-Quarz)

Bild 7.20: Korn wie vorn (1200fache Vergrößerung), weicher Alkalihydrosilikate zwischen den Quarzpartikeln,fortwährende Zermürbung mit Volumenvergrößerung des Kornes insgesamt führt letztlich zur Beto-nabplatzung

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7.5 Empfehlungen für vorbeugende Maßnahmen

Die Untersuchungen haben gezeigt, daß neben den bisher bekannten „klassischen“ Phänomenen einerAKR verschiedentlich auch Probleme einer Alkali-Silikat-Reaktion (ASR 2) auftreten. Dies betrifftu. a. offensichtlich eiszeitlich überprägte Kieslagerstätten und jüngst sogar das oberrheinische Material,s. /23/.

Besondere Schwerpunkte für eine Gefährdung der Dauerhaftigkeit und Tragfähigkeit der Bauwerkebzw. baulichen Anlagen sind bei den Feuchtigkeitsklassen WF und WA zu sehen. Des weiteren ist eingrößeres Gefährdungspotential auch bei sehr dichten, hochfesten Betonen anzusetzen.

Hierzu zählen insbesondere die Hochleistungsbetone (HSC/HPC) sowie die neuen Trendbetone wieSelbstverdichender Beton (Self Compacting Concrete, SCC) mit hohem Zementleimgehalt und auchdie Höchstleistungsbetone mit der Charakteristik eines Pulverbetons (Reactive Powder Concrete, RPC).Bei letztgenannten Betonen, besser Feinmörteln, werden neben Mikro- und Nanosilika und ausschließ-lich Quarzsanden bzw. -mehl als Zuschlag etwa 670 . . . 710 kg Zement /m3 Beton (!) eingesetzt. Im-merhin wurde aus solch einem Beton im Ausland bereits eine Fußgängerbrücke hergestellt.

Umso mehr kommt einer umfassenden Eignungsprüfung des Betons einschließlich der Ausgangsma-terialien besondere Bedeutung zu. Dazu zählen neben den Regelprüfungen der Zuschlag-Normen unddenen der Alkali-Richtlinie insbesondere auch die petrographischen Untersuchungen am Zuschlag, dersog. NBRI-Test an Mörtelprismen sowie Restdehnungsmessungen an Betonprismen.

Dies sollte nicht nur auf neu zu erschließende Lagerstätten für Kies und Splitt beschränkt bleiben,sondern auch bekannte Lieferwerke in geologisch kritischen Zonen einschließen. Dazu ist sicher auchentsprechende Grundlagenforschung weiter zu betreiben.

7.6 Instandsetzung einer Gewölbebücke aus Beton

7.6.1 Ausgangssituation

Bei diesem Bauwerk handelt es sich um eine Gewölbebrücke mit 2 Bögen aus dem Jahre 1924. Dereine Bogen überspannt einen Fluß, der zweite das Vorland, siehe Bild 7.21. Das Bauwerk wurde imZweiten Weltkrieg gesprengt und 1946 unter Verwendung der alten Unterbauten wieder aufgebaut. ImJahre 1977 erfolgte eine Verstärkung durch einen Stahlbeton-Aufbau. Das Haupttragwerk der Brückebesteht aus unbewehrtem Beton, vermutlich aus gestampftem Konglomeratbeton.

Im Zeitraum 1998/99 wurden aufwendigere Instandsetzungsarbeiten ausgeführt. Während dieser Ar-beiten wurde eine Reihe von zum Teil erheblichen Ausführungsmängeln festgestellt. Bestimmte Teil-leistungen wurden zwischenzeitlich bereits nachgearbeitet. Wegen der darüber hinaus festgestelltenQualitätsmängel, insbesondere an sehr wichtigen Bauteilen, wurde der Vertrag seitens des AG gekün-digt und die Arbeiten unterbrochen.

Die Hauptmängel wurden vom Auftraggeber in folgenden Leistungsbereichen gesehen,hierzu Bild 7.31:

• Bauwerksabdichtung (Mängelbereich A)

• Verpreßanker zur Widerlagerverstärkung einschließlich Betonqualität Stahlbetondruckplatten(Mängelbereich B)

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• Betoninstandsetzung der Bogenleibung und der Stirnseiten (Mängelbereich C).

Daraufhin wurde ein Gutachten zur Beweissicherung in Auftrag gegeben zwecks Feststellung und Be-urteilung vorgenannter Schwerpunkte sowie zur Ableitung von Vorschlägen für die weitere Vorgehens-weise bis hin zu rechtlichen Konsequenzen.

7.7 Örtliche Erhebungen

In Abhängigkeit von der Zugänglichkeit wurden etappenweise die Gegebenheiten erkundet und dar-an gekoppelt auch die Materialprüfungen ausgeführt. Die Befunde wurden in einem Schadenkatastererfaßt.

7.7.1 Mängelbereich (A), Abdichtung

Es wurde festgestellt, daß alle nachstehenden etwa 2 Dutzend Mängelkategorien mehr oder wenigerumfänglich im gesamten Brückenbereich verteilt vorhanden waren. Es konnte kein Teilbereich fest-gestellt werden, in dem eine anschließende Mängelbeseitigung hätte technisch-technologisch sinnvollausgespart werden können. Es war von einer kompletten Ersatzvornahme auszugehen.

Folgende Mängelkategorien bezüglich der Abdichtung wurden im einzelnen vorgefunden, dazu auchBild 7.22 - Bild 7.27:

• Beulen, Blasen,

• Verschiebungen, Verdrückungen, Verwerfungen, Falten,

• Einrisse, Kerben, Durchstanzungen,

• kein bzw. nur verminderter Haftverbund zum Untergrund, Hohllagerungen (Schutzlage zu Dich-tungsschicht bzw. Dichtungsschicht zur Kratzspachtelung bzw. Kratzspachtelung zum Beton),

• Fußabdrücke auf der Dichtungsschicht (Kappenbereich); die Dichtungsschicht wurde per Fußangedrückt; keine Schutzlage vorhanden,

• LKW-Spuren,

• Mineralölpfützen auf der Dichtungsschicht,

• Einläufe zu groß ausgeschnitten (freigelegt); Kratzspachtelung zu kurz herangeführt, ebensoDichtungsschicht, Beton- bzw. Mörtelwülste vor dem Einlauf,

• zu unebener Untergrund; teilweise rinnenförmiger Verlauf,

• Gefahr der Unterläufigkeit der Abdichtung, z. T. größerflächig,

• alte Öffnungen nicht verschlossen, Dichtungsbahnen darüber hinweggeführt,

• Dichtungsschicht flickenartig eingesetzt bzw. darübergeklebt, z. T. ohne Beachtung des Gefälles,

• teilweise zu kurze Überlappungen benachbarter Bahnen,

144

• kein ordnungsgemäßer Versatz bei Bahnenstößen bzw. Überlappungen in der Dichtungsschichtsowie in der Schutzlage,

• teilweise alten, unzureichenden Untergrund belassen (lose bzw. löchrige scharfkantige Kratz-spachtelung, Reste von Dichtungsschichten, Mörtelreste, Steine u. a. m.),

• Mehrfachklebungen in Dichtungslage (bis 4fach), dadurch Wülste,

• 1 x Dichtungsschicht im Stoß nicht überlappt, sondern stumpf gestoßen,

• teilweise besserer Haftverbund Dichtungsschicht/Kratzspachtelung als Kratzspachtelung/Beton,

• z. T. bei Abbruchkante Stirnmauer (Kappe) eingeklebter PUR-Schaum, Holz, Mörtelreste,

• edelstahlkaschierte Dichtung stromabseitig beschädigt, locker bzw. hohlliegend; Kaschierunglöst sich; teilweise geklebt auf Beton, alten Mörtel, auf Kratzspachtelung oder auf Dichtungs-schicht; z. T. auch Epoxidharz-Mörtel darüber (dickere Wülste, sehr uneben),

• Querfugen (am Pfeiler) teilweise unvollständig vergossen.

Darüber hinaus wurden an den Widerlagern festgestellt:

• Beulen, Blasen, Ablösungen, Löcher,

• Unter- bzw. Hinterläufigkeit,

• örtlich Verbrennungen des Abdichtungsmaterials einschließlich des Geotextils,

• mechanische Beschädigungen,

• Unebenheiten,

• teilweise Mineralwolle eingeklebt.

Es darf angemerkt werden, daß bei festgestellten Mängeln dem Bauherren vom Auftragnehmer stetserklärt wurde, daß es sich dabei nur um einen örtlich begrenzten Mangel handele, die übrigen Bereicheaber vollkommen einwandfrei seien.

7.7.2 Mängelbereich (B), Verpreßanker und Druckplatte

Die Betonqualität der Druckplatte erwies sich als sehr gut. Dagegen wurden an den Verpreßankern(Litzen-Daueranker) erhebliche Mängel festgestellt. Dies zeigte sich zunächst in folgenden Mängelka-tegorien:

• Sehr mangelhafter bzw. ungenügender Korrosionsschutz der Verpreßanker; teilweise konnte einZollstock bis 1,2 m tief ohne Widerstand hineingesteckt werden,

• bituminöse Vergußmasse in Abdeckhauben ohne jegliche schützende Wirkung, kein systembe-zogener, speziell erforderlicher und zugelassener (doppelter) Korrosionsschutz,

145

Bild 7.21: Brückenansicht Winter 2000 nach der Endfertigstellung

Bild 7.22: Zustand der Brücke ein Jahr vorher, zusammengebrochenes Schutzzelt, rechts Notgehbahn

146

Bild 7.23: Beweissicherung des Zustandes im Frühjahr 1999; hier Situation an einem Einlauf, Kratzspachtelungendet vor dem Stahleinbauteil, dafür hervorstehende Mörtelwülste, über die Kante gezogene (lose)Dichtungsbahn ohne Schutzlage

Bild 7.24: Unsachgemäße, flickenartige Verlegung von Dichtungsbahnen und teilweise einer Schutzlage mit sehrmangelhafter Verklebung; z.T. Bauschutt darunter

147

Bild 7.25: Dichtungsbahn mit Blasen, Eindrücken, Verwerfungen; tw. alte Bahn darunter

Bild 7.26: Schuhabdrücke entlang der Naht einer Dichtungsbahn ohne Schutzlage, Zustand seit der Verlegung;in anderem Bereichen sogar LKW-Reifenspuren

148

Bild 7.27: Hinterläufige Vertikalabdichtung im Widerlager mit Blasen, Beulen, Rissen; hier Wasseraustritt auseiner Blase

• völlig ungenügender Unterstopfbeton (gefordert mind. B 25 nach DIN 1045), teilweise bereitszermürbt, Substanzverlust, Material entspricht keinem Beton, sondern gleicht einem Mörtel,

• möglicherweise (unzulässige) Vermischung verschiedener Ankertypen am Objekt oder auch deneinzelnen Ankern.

Weitere Befunde sollten Überbohrungen erbringen. Dazu wurde je Widerlagerseite ein Anker ausge-wählt und mit Spezialbohrtechnik ausreichenden Durchmessers entsprechend der vorgegebenen Soll-Lage überbohrt. Beide Bohrungen mußten wegen z. T. erheblichen Abweichungen bezüglich der Lageder Bohrachse korrigiert bzw. angepaßt und letztlich vorzeitig abgebrochen werden, siehe hierzu Bild7.28 - Bild 7.32.

Folgende weitere Mängelkategorien mußten festgestellt werden:

• Grundlegende Abweichungen der Ankerachse bezüglich der Soll-Lage, der Geradlinigkeit, derAnkerkopfausbildung, des Korrosionsschutzes, notwendiger freier Ankerlänge, der Krümmungs-radien der Litzen sowie möglicherweise auch der vorhandenen Vorspannkräfte.

• Auf der einen Seite wurde im Aufrißeine Winkelabweichung von ß’ =≈ 3,4° festgestellt. Darausergibt sich eine rechnerische Abweichung im Aufriß von 53 cm. Die Bohrung konnte nur bis 8 m(1 m unterhalb der geplanten Endtiefe bzw. -länge) ausgeführt werden, da dann mit einer erneutenWinkelabweichung gerechnet werden mußte.

• Die Winkelabweichung im Schrägriß betrug ß′ = rund 5,8°, woraus sich eine Abweichung vonder Sollage in 9 m Endtiefe von 91 cm ergibt.

• Die resultierende Schrägabweichung insgesamt beträgt in der geplanten Endtiefe von 9 m rund 1Meter, dazu Bild 7.32.

149

Bild 7.28: Unsaubere Abbruchkante Stirnmauer mit regellos überstehendem und heruntergelaufenem Epoxid-mörtel der Kratzspachtelung (aus denkmalpflegerischen Gründen sollte die Stirnmauer erhalten blei-ben)

• Am anderen Widerlager waren die Abweichungen insgesamt ungünstiger, da die Litzen offen-sichtlich an der Unterkante der Betondruckplatte „abknickten“ , d .h. über die Betonkante gezo-gen wurde; sowohl im Aufriß als auch in der Grund- bzw. Schrägrißlage. Wegen mehrfachenAbdriftens der Lage der Litze bzw. des Ankers insgesamt mußte wiederholt justiert werden. DieBohrung mußte bereits bei 2,8 m Tiefe (!) abgebrochen werden. Bis dahin wurde im Aufriß eineAbweichung (bezogen auf den Punkt UK Stahlbetonplatte) von ß′ = rund 1,2° und im Grund-bzw. Schrägriß (= Grundriß in Soll-Ebene des Ankers) von ß′ = rund 9,5° festgestellt.

• Bei Annahme eines weiteren geradlinigen Verlaufes ergäben sich rechnerische Abweichungenvon 0,2 bzw. 1,4 m, in der Schrägen von total etwa 1,4 m.

• Bei beiden Bohrungen entstand der Eindruck, daß wegen der Abweichungen der Bohrachsenund damit Ankerachsen versucht wurde, die geplante Sollage im Bereich des Ankerkopfes durchAnpassung der Ankerplatten mit dem Unterstopfbeton herzustellen. Damit wird in jedem Falldie Forderung der Zulassung verletzt, die die Einhaltung eines Mindestkrümmungsradius derAnkerlitzen von 0,9 m verlangt.

• Des weiteren wurden z. T. erhebliche Unterschreitungen der geforderten freien Ankerlänge (5 m)festgestellt. Die tatsächliche freie Ankerlänge betrug 4 m bzw. sogar nur 2 m. Auch hier wurdegegen die DIN 4125 bzw. die Zulassungsbescheide der Anker verstoßen.

• An den Litzen wurden bereits Korrosionserscheinungen in Form von festsitzenden Flugostpar-tikeln bzw. beginnenden Blattrostnarben festgestellt. Dies widerspricht völlig den Forderungennach DIN 4125 sowie denen der Zulassungen.

150

Bild 7.29: Überbohrung eines Verpreßankers im Bereich der Druckplatte; links im Bild Bohrlafette, davor dasKernrohr

Bild 7.30: Bohrkern mit 4 cm Versatz durch Nachjustieren der Bohrachse wegen extremer Lageänderung derAnkerlitzen in etwa 1,5 m Bohrtiefe

151

Bild 7.31: Längsschnitt im Bereich eines Widerlagers mit Darstellung der Druckplatte und ausgewählter Ver-preßanker

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Bild 7.32: Darstellung der Lageabweichung eines überbohrten Verpreßankers, Abbruch der Bohrung wegen er-neuter starker Lageänderung, abschätzbare Lageabweichung insgesamt etwa 1 m

153

7.7.3 Mängelbereich (C), Betoninstandsetzung Bogenleibung und Stirnseiten

Die Untersuchungen ergaben, daß die bereits teilweise erfolgte Instandsetzung mit Reprofilierung undRißverpressung bereits wieder Mängel aufwies in Form von erneuter Durchfeuchtung mit Folgeerschei-nungen, wie Ausblühungen, Auskristallisationen:

• Rißbildungen, zum Teil möglicherweise auch durch untaugliche Abbruchtechnologie hervorge-rufen, da Konglomeratbeton relativ schlag- und stoßempfindlich, insbesondere bei flachen unddünnen Bögen,

• Hohlstellen,

• an den Stirnflächen völlig unsaubere Ausführung der Abbruchkanten im Kappenbereich; bis zurUnterkante heruntergelaufene Epoxidharz-Kratzspachtelung, siehe Bild 28,

• Maßabweichungen im Betonersatzsystem bis zu etwa 2 cm Stichmaß auf 10 . . . 15 cm Breite (inder Stirnmauerebene).

7.8 Materialprüfungen

7.8.1 Untersuchungsmethoden

• Visuelle Begutachtung mit Rißmessungen u. ä. , Erstellung eines Schadenskatasters,

• Bohrkernentnahme im Diamant-Naßschnitt, i. R. 100 mm Durchmesser,

• Bestimmung der Abreißfestigkeit bzw. Haftzugfestigkeit nach ZTV-SIB bzw. ZTV-Bel-B,

• Bestimmung Rohdichte und Druckfestigkeit an Bohrkernen und Ausbaustücken nach DIN 1048,

• Mikroskopische Begutachtung.

7.8.2 Ergebnisse

• Haftzugfestigkeiten der Abdichtung mit βHZ = 0,00 . . . 0,01 N/mm2 und höchstens 0,32 mm2 fürdie Schutzlage völlig unzureichend,

• Abreißfestigkeit auf der Kratzspachtelung i. R. ausreichend, βAF = 2,7 . . . 4,2 N/mm2; in Berei-chen mit Resten von nicht völlig abgefräster Kratzspachtelung ca. 1,5 N/mm2,

• Abreißfestigkeit im Bereich Bogenleibung sowohl für Altbeton als auch für Reprofilierungsmör-tel mit höchstens βAF = 1,0 N/mm2 insgesamt sehr niedrig,

• Druckfestigkeit, Rohdichte der Stahlbetondruckplatte (Soll = B45)bei ρ = 2,36 kg/dm3

mit βc,100 = 57,3 . . . 65,2 N/mm2 beiβc,100 = 65,2 N/mm2;

Zuordnung einer Festigkeitsklasse B 55 bis B 65 zum Prüfzeitpunkt möglich,

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• Druckfestigkeit, Rohdichte des Unterstopfbetons (Soll = B 25) der festesten Substanzbei ρ = 1,95 kg/dm3

mit βw = 9,8 . . . 18,5 N/mm2 beiβw = 13,7 N/mm2;

Zuordnung höchstens etwa B 10 bzw. Mörtel MG II möglich; teilweise jedoch so bröckelig, daßkeine Festigkeitsklasse nachweisbar, weil nicht prüffähig.

7.9 Auswertung vorhandener Unterlagen

Folgende weitere Hinweise bzw. Erkenntnisse zum Bauablauf konnten anhand der Bauakten gewonnenwerden.

7.9.1 Fahrbahndichtung (A)

• Aufbringen der Dichtungsschicht ohne Freigabe des AG, da konstruktive Details noch nicht ge-klärt waren

• Entwässerungseinläufe nicht an den Tiefpunkten angeordnet

• ungenügendes Quergefälle, teilweise sogar Gegengefälle

• anzweifelbare Prüfprotokolle

• Nachbesserungen mangelhafter Abdichtung bei bereits aufgelegter Kappenbewehrung; Hoch-drücken der Bewehrungskörbe mittels Wagenhebern und Nachbessern der Abdichtung mit Stark-brennern.

7.9.2 Verpreßanker (B)

• Mangelhafte, unvollständige und anzweifelbare Bohrprotokolle, die erst nach Anmahnung sei-tens des Bauherren im Nachgang erstellt wurden

• unvollständige und anzweifelbare Prüfprotokolle zur Abnahmeprüfung; dazu eine Übersicht inTabelle 7.4.

• Unter der Voraussetzung, daß eine Eignungsprüfung eine Abnahmeprüfung ersetzt bzw. ein-schließt, muß festgestellt werden, daß von insgesamt 20 Ankern lediglich 7 Anker sachgerechtgeprüft wurden, also rund ein Drittel. Weitere 3 Anker wurden unzureichend geprüft, da nur bis1,0facher Gebrauchskraft belastet wurde. Insgesamt 10 Anker, d. h. die Hälfte, wurde überhauptkeiner Prüfung unterzogen.

• Die Protokolle der Bohrfirma waren nicht DIN-gerecht. Weder für die Profilkraft Fp = 1, 5Fw

noch für Fp = 1, 25Fw sind Verschiebungen des Ankerkopfes angegeben. Die zum Nachweisder zulässigen Grenzen der freien Ankerlänge notwendigen Grenzlinien (a) und (b) und die zurBeurteilung der Dauerstandsfestigkeit notwendigen Kriechmaße ks sind nicht angegeben. Damitsind die Protokolle für eine sachgerechte Beurteilung nicht verwertbar.

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Nr. Anker WL Süd(Neustadt)

WL Nord(Altstadt)

Abnahmeprüfung Eignungsprüfung Abnahmeprüfung Eignungsprüfung1234 xxx5 xx/x

6 x xxx7 x8 x xxx xxx9 x

10 x xxx xxxxxx = sachgerechte Eignungsprüfung xx = sachgerechte Abnahmeprüfung

x = unsachgemäße Abnahmeprüfung

Tabelle 7.4: Ankerprüfungen

7.10 Zusammenfassung

Die getroffenen Feststellungen und durchgeführten Untersuchungen führten zu der abschließenden Be-urteilung, daß die Bauwerksabdichtungund die Verpreßanker(Mängelbereiche A und B) vollständigersetzt werden müssen. Die wesentlichen Gründe dafür sind zu sehen in folgenden Fakten

Bauwerksabdichtung (A):

• teilweise unzureichender Untergrund (Beton bzw. Kratzspachtelung),

• mangelhafte Gefälleausbildung,

• mangelhafte Verlegung bisheriger Bahnen (Dichtungsschicht, Schutzlage) mit sporadisch auf-tretendem ungenügendem Haftverbund, Blasen, Beulen, Verwerfungen, Beschädigungen, Über-lappungen, mangelhaftem Anschluß an Einlaufbauteile sowie wegen teilweise eingedrungenenWassers.

Verpreßanker (B):

• Völlig unzureichend nachgewiesene bzw. sachgerechte Ankerprüfung (zur Hälfte gar keine Prü-fung durchgeführt, sachgerechte Nachweise nur für ein Drittel aller Anker vorhanden),

• erhebliche Abweichungen von der Sollage,

• kein doppelter Korrosionsschutz,

• Nichteinhaltung der erforderlichen freien Ankerlänge,

• Unterstopfbeton mit unzureichender Festigkeit.

Die weiteren festgestellten Mängel im Bereich der Bogenleibung bzw. den Stirnmauern (MängelbereichC) sind dagegen geringer einzuschätzen und betreffen im wesentlichen:

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• noch verbliebene Hohlstellen im Bereich Bogenleibung,

• unvollständige Rißverpressung (alte Risse; evtl. auch im Verlaufe der Instandsetzung neu entstan-dene Risse),

• Unsaubere Abbruchkante, mit Epoxidharzmaterial verklebte Stirnflächen.

Letztlich waren 2 x 10 neue, längere Verpreßanker zu setzen, die Abdichtung komplett zu erneuernsowie die Bogenleibung und die Stirnmauern vollständig zu überarbeiten. Diese Vorschläge wurdenumgesetzt und die „ Instandsetzung der Instandsetzung“ im Herbst erfolgreich 1999 abgeschlossen. DieVerkehrsfreigabe erfolgte Mitte September 1999.

7.11 Literaturverzeichnis

[1] ZTV-K; Ausgabe 1996

[2] ZTV-RISS 93

[3] ZTV-SIB 90

[4] ZTV-BEL-B 1/87 Teil 1

[5] DIN 1045: Beton und Stahlbeton, Ausgabe 07/88

[6] DIN 1048: Prüfung von Beton, Ausgabe 06/91

[7] DAfStb: Prüfung von Beton, Heft 422, Berlin 1991

[8] DIN 4125: Verpreßanker - Kurzzeitanker und Daueranker, Ausgabe 11/90

[9] Arbeitsgruppe Steinbogenbrücken Sachsen: Vorläufiges Merkblatt zur Bestandserfassung und Er-kundung von Steinbogenbrücken, Fassung 1994, VSVI-Zeitschrift Sachsen, 1994

[10] Stritzke, Knaute: Gutachten zur Beweissicherung, Mangelhafte Instandsetzung einer Straßen-brücke, 1999 (unveröffentlicht)

[11] Richtlinie DAfStb: Vorbeugende Maßnahmen gegen schädigende Alkalireaktion im Beton, Aus-gabe Dezember 1997

[12] Franke, Bosold, Eickemeier: Beurteilung der Alkalireaktivität von Zuschlägen. In: beton, Heft 8,1998, S. 470 - 475

[13] Siebel, Dahms: Beurteilung von Bauwerken hinsichtlich einer schädigenden Alkali-Kieselsäure-Reaktion. In: beton, 1997, Heft 9, S. 533 - 537

[14] Fachtagung Alkalireaktion im Beton. In: beton, Düsseldorf, Heft 6, 1997, S. 344 - 347

[15] Siebel, Reschke: Alkali-Reaktion mit Zuschlägen aus dem südlichen Bereich der neuen Bundes-länder. In: beton, 1996, Heft 5, S. 298 - 301 und 1996, Heft 6, S. 366,- 370

[16] Siebel, Reschke, Sylla: Alkali-Reaktion mit Zuschlägen aus dem südlichen Bereich der neuenBundesländer. In: beton, 1996, Heft 12, S. 740 - 744 und 1997, Heft 1, S 26 - 32

157

[17] Wieker, Herr, Hübert: Alkali-Kieselsäure-Reaktion - ein Risiko für die Dauerhaftigkeit? In:Betonwerk+Fertigteil-Technik, 1994, Heft 11, S 86 - 91 S. 740 - 744 und 1997, Heft 1, S 26 - 32

[18] Dahms: Alkalireaktion im Beton. In: beton, 1994, Heft 10, S. 588 - 593 S. 740 - 744 und 1997,Heft 1, S 26 - 32

[19] SHRP National Research Council: Handbuch für die Bestimmung von AKR in Beton des Straßen-baus, Washington, Januar 1991, FR-91-101

[20] Engelbrechtsen: Alkalibedingte Dehnungsreaktionen an Betonaußenbauteilen. In: Betonwerk +Fertigteiltechnik, 1998, H 10, S. 64 - 72

[21] 10. Internationale Konferenz in Australien: Alkalireaktion im Beton. In: beton, 1997, Heft 2,S. 96 - 98

[22] Div. Prüfberichte und Gutachten SAXOTEST zu Schädigungen an Beton im Bereich von Kappen,Betonstraßen, Brückenpfeilern, Fundamentkörpen sowie Turmbauwerken, Zeitraum 1991-1999(unveröffentlicht)

[23] Vorläufige Empfehlung des DAfStb: Verwendung von Kies-Splitt und Kies-Edelsplitt des Ober-rheins als Betonzuschlag - Vermeidung möglicher schädigender Alkalireaktionen Stand 09/1999In: Betonwerk + Fertigteil-Technik, H. 10, 1999, S. 111

[24] DIN EN 1504/Richtlinie DAfStb: Schutz und Instandsetzung von Beton, Stand 06/1999

[25] Röhling, Eifert, Kaden: Betonbau, Verlag für Bauwesen Berlin, 2000

[26] Schicht: Schicht Lichtmikroskopische Dünnschliffuntersuchungen als Möglichkeit zur Qualitäts-beurteilung von eingebauten Fließestrichen, Sonderdruck aus: Estrich-Technik Heft 93, Mai 1999

[27] Autorenkollektiv: Instandsetzung und Erhaltung von Betonbauwerken. In: Beton-Kalender, 1999,Teil II, Verlag Wilhelm Ernst und Sohn

[28] DAfStb: Richtlinie für hochfesten Beton, Ergänzung zu DIN 1045, Ausgabe August 1995

[29] Betonbau 2000: Breites Leistungsspektrum - Betontechnische Berichtebeton, Heft 2, 2000, S. 82 -83

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