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Nachhaltigere Betonmischungen für Tunnel

Ein von der Österreichischen Bautechnik Vereinigung (ÖBV), TU Graz und OTH Regensburg gemeinsam initiiertes Projekt liefert ein systematischeres Verständnis von Spritzbeton-Anwendungen und bildet die Basis für neue, noch dauerhaftere Betonmischungen und damit für langlebigere Tunnel.

Düse Spritzbeton
Die Spritzbeton-Anwendung zählt zu den wichtigsten Sicherungsmaßnahmen im Tunnelbau. (Abb.: ASSpC – TU Graz)

Die Lebensdauer von Tunnelbauwerken ist heute auf mindestens einhundert Jahre ausgelegt – beim Brenner-Basistunnel sind es sogar 200 Jahre. Das Problem dabei: „Die Lebensdauer wird momentan auf Basis theoretischer Kennzahlen und Erfahrungswerten berechnet. Umweltbedingungen wie beispielsweise chemisch angreifende Bergwässer können aber unter Umständen früher als erwartet zu kostenintensiven Instandhaltungsmaßnahmen führen“, erklärt Florian Mittermayr, Forscher am Institut für Materialprüfung und Baustofftechnologie der TU Graz.

Eine der wichtigsten Sicherungsmaßnahmen im Tunnelbau ist der Einsatz von Spritzbeton. Bei dieser Anwendung wird Beton über eine Spritzdüse aufgetragen und je nach Anforderung mit Zusätzen ergänzt. Die Mischung des Spritzbetons erfolgte bislang auf der Basis von Erfahrung und Praxiswissen. Das österreichische Forschungsprojekt soll nun für präzise, maßgeschneiderte und dauerhafte Rezepturen sorgen.

Um herauszufinden, wie verschiedene Spritzbeton-Rezepturen mit der Umwelt wechselwirken, welche Rezepturen für welche Umwelteinflüsse am besten geeignet sind und welche Auswirkungen Zusätze zur besseren Verarbeitung auf die Dauerhaftigkeit haben, initiierte Mittermayr gemeinsam mit Wolfgang Kusterle vom Betonlabor der OTH Regensburg sowie mit der Österreichischen Bautechnik Vereinigung (ÖBV) das Projekt „Entwicklung neuer dauerhafter und nachhaltiger Spritzbetone“. „Vier Jahre lang haben wir das Verfahren in seiner Gesamtheit in vielen Labor- und großtechnischen Versuchen untersucht sowie auf diversen Tunnelbaustellen wissenschaftlich begleitet“, berichtet Mittermayr.

Projekt ermittelt optimierte Rezepturen

Die Haupterkenntnis: Spritzbeton ist umso dauerhafter, je besser Zemente, Zusätze und Gesteinskörnungen miteinander auf die Anforderungen abgestimmt sind. Schon kleine Mengenabweichungen können den gewünschten Effekt vermindern.

In den Untersuchungen wurde nachgewiesen, dass Hüttensand – in Kombination mit anderen Zusätzen – eine sehr gute Möglichkeit darstellt, den Widerstand gegen Sulfat-Angriff zu erhöhen. Sulfationen, die meist durch die Auflösung von Gips entstehen, können in Böden oder Grundwasser vorkommen und zu Verformungen mit Rissen im Beton führen. Zusatzstoffe wie Metakaolin oder Siderit vom steirischen Erzberg helfen mit, den Beitrag von Spritzbeton an Versinterungen im Entwässerungssystem zu verringern. Versinterungen sind Kalkablagerungen in den Drainage-Leitungen im Tunnel und ein häufiger Grund für Tunnelsperren aufgrund von Wartungsarbeiten.

Darüber hinaus kann schon eine geringe Zugabe von sehr feinem Kalksteinmehl die Frühfestigkeit von Spritzbeton entscheidend erhöhen. Dieser Effekt erlaubt es, Zusatzstoffe wie Hüttensand, Metakaolin oder Siderit in größeren Mengen einzusetzen, als das derzeit möglich ist und Spritzbeton damit nicht nur dauerhafter, sondern auch nachhaltiger zu machen.

Erfolgreiche Zusammenarbeit und offene Fragen

Für den Geschäftsführer der Österreichischen Bautechnik Vereinigung (ÖBV), Michael Pauser, ist das Forschungsprojekt ein Beweis mehr, „dass mit diesen neu erforschten und in der Praxis bereits getesteten Betonrezepturen ein weiterer Beitrag für die Klimaschutzziele geleistet wird“. Durch die Zusammenarbeit zwischen Universitäten, Bauherrn und der Bau- und Baustoffindustrie sei gesichert, „dass es sich um praxisgerechte Forschung handelt, deren Ergebnisse auch in die – über die Grenzen Österreichs hinaus – bekannte Richtlinie ‚Spritzbeton‘ der Österreichischen Bautechnik Vereinigung einfließen werden“. Das wissenschaftliche Konsortium bestand aus Forschenden der TU Graz-Institute für angewandte Geowissenschaften und für Materialprüfung und Baustofftechnologie, des Betonlabors der OTH Regensburg und der Arbeitsgruppe Materialtechnologie der Uni Innsbruck. Unterstützt wurden die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler von, wie Wolfgang Kusterle von der OTH Regensburg formulierte, „Österreichs geballter industriellen Spritzbeton-Kompetenz“.

Das heißt aber nicht, dass es nicht noch offene Fragen zu klären gäbe. Eine wichtige Erkenntnis aus dem Projekt ist zum Beispiel der Einfluss der Spritzbeton-Auftragstechnik. Damit einhergehende Unklarheiten und Verbesserungspotenziale sollen in einem neuen Forschungsprojekt analysiert und entsprechende Verbesserungsvorschläge erarbeitet werden. Weitere Informationen gibt es auf den Websites des Instituts für Materialprüfung und Baustofftechnologie der TU Graz, der Fakultät Bauingenieurwesen der OTH Regensburg und der Österreichischen Bautechnik Vereinigung .