Neue Methode entdeckt Korrosion im Stahlbeton auch an unzugänglichen Stellen

?Bitte das Kabel zur¨¹ckziehen?, sagt Lukas Bircher ins Funkger?t. Das Kabel seiner Sonde hat sich im vier Meter tiefen Zugangsschacht in der Metallleiter verhakt. Bircher wartet, das Funkger?t knackt. Nun hat ihn sein Kollege Samuel Ballat geh?rt, der 30 Meter entfernt im n?chsten Zugangsschacht der St¨¹tzmauer kauert und das andere Kabelende h?lt. Das Kabel ruckelt, Bircher kann es befreien. Alles ready f¨¹r die Messung.

Gefahr: Wenn der Stahl im Beton korrodiert

An diesem kalten Novembermorgen messen Bircher und sein Team, ob die 200 Meter lange St¨¹tzmauer an der Waidbadstrasse in Z¨¹rich-H?ngg noch h?lt. Genauer: Sie untersuchen, wie hoch die Wahrscheinlichkeit ist, dass der eingebaute Bewehrungsstahl, der den Beton stabiler macht, korrodiert.

Schliesslich h?lt die St¨¹tzmauer auf dem Z¨¹rcher K?ferberg zig Tonnen Erdmaterial zur¨¹ck. Oberhalb davon befinden sich Schreberg?rten, unterhalb die Strasse mit Bushaltestelle. Damit die Mauer dem Erddruck standh?lt, muss der Bewehrungsstahl fest mit dem Fundament verbunden sein. Wenn die Korrosion den Verbindungsstahl besch?digt, k?nnte die Mauer schlimmstenfalls einst¨¹rzen. Um solche Risiken zu minimieren, haben der Maschinenbauingenieur Bircher und seine Kollegen aus der Forschungsgruppe von Ueli Angst, ETH-Professor f¨¹r die Dauerhaftigkeit von Werkstoffen, eine innovative Methode entwickelt. Sie erm?glicht es, Korrosion im Bewehrungsstahl genau zu lokalisieren ¨C und zwar ohne die Stahlbeton-Mauer aufwendig aufspitzen zu m¨¹ssen.

?Das gab es bisher nicht?, sagt Bircher. Wollte man pr¨¹fen, ob auf der R¨¹ckseite der St¨¹tzmauer der Bewehrungsstahl bereits Korrosionssch?den aufweist, blieb nichts anderes ¨¹brig, als die gesamte dar¨¹berliegende Betonschicht abzutragen. ?Dann kann es aber immer noch sein, dass zwei Meter weiter der Bewehrungsstahl zu einem grossen Teil wegkorrodiert ist?, sagt Bircher. Anders ist das mit der neuen Methode, die er und seine Kollegen entwickelt haben: Damit l?sst sich die Korrosionswahrscheinlichkeit ¨¹ber die ganze L?nge einer St¨¹tzmauer bestimmen, ohne ein einziges St¨¹ck davon zu zerst?ren. Denn gemessen wird durch die Entw?sserungsrohre, die unmittelbar neben der kritischen Stelle verlaufen.

50 Jahre nach dem Bauboom ¨C nun rostet¡¯s

?Wenn man sich in der Schweiz und in ganz Zentraleuropa umschaut, wurde die Infrastruktur haupts?chlich zwischen 1960 und 1980 gebaut?, sagt Bircher. St¨¹tzmauern, Tunnel, Br¨¹cken ¨C all diese Stahlbetonbauten k?nnen mit der Zeit korrodieren. Zuerst finden chemische Ver?nderungen im Beton statt, danach beginnt der Bewehrungsstahl zu korrodieren. Besonders St¨¹tzmauern aus den 70er-Jahren k?nnen Hohlr?ume enthalten, wenn die Gesteinsk?rnung nicht gen¨¹gend mit M?rtel umgeben ist. Dies beg¨¹nstigt Korrosion.

Dieses Korrosionsrisiko wird heute, rund 50 Jahre nach dem Bauboom, akut. Das Risiko zu erkennen, ist jedoch anspruchsvoll, da die Sch?den ungleichm?ssig in einer Mauer verteilt sind. Ausserdem befinden sie sich tief unter der Erde im Fundament und auf der R¨¹ckseite der Mauer. H?chste Zeit also f¨¹r eine Methode, mit der sich Bauten auch unter der Oberfl?che systematisch, effizient und kosteng¨¹nstig auf Korrosion absuchen lassen.

Ein wichtiges Fr¨¹hwarnsystem

Birchers neue Methode basiert auf sogenannten elektrochemischen Messungen. Die Sonde, die sein Team f¨¹r die Inspektion von St¨¹tzmauern entwickelt hat, besteht aus zwei aufblasbaren Dichtungselementen an den Seiten sowie Elektroden in der Mitte. Dazu kommt eine Wasserleitung, die im zugeh?rigen Kabel integriert ist.

Zur Messung ziehen Bircher und seine Kollegen die Sonde ¨¹ber das Kabel in das Drainagerohr und pumpen die Dichtungen auf, damit sie sich fest an die Rohrw?nde anlegen. Anschliessend leiten sie Wasser in den abgedichteten Bereich. Das Wasser fliesst durch die L?cher der Entw?sserungsleitung hinaus und verbindet die Elektroden in der Sonde mit dem Boden. Durch die Feuchtigkeit im Boden und im Beton entsteht eine elektrolytisch leitende Verbindung zum Stahl in der St¨¹tzmauer. So bildet sich eine lokale elektrochemische Messzelle. ?Mit der Messzelle zeichnen wir elektrische Signale auf, die unterschiedlich ausfallen, je nachdem, ob der Bewehrungsstahl korrodiert ist oder nicht. Bei starker Korrosion laufen andere chemische Reaktionen im Beton und ab und erzeugen erkennbare elektrische Signale?, erkl?rt Bircher.

An der H?ngger Waidbadstrasse sitzt Bircher inzwischen am Laptop im Lieferwagen und startet die erste Messung. Auf dem Bildschirm erscheinen rote Punkte, die eine Kurve bilden: Das sind die gemessenen Potenziale, die sie sp?ter im B¨¹ro auswerten. Auf Birchers Tastendruck hin entl¨¹ften sich die Dichtungen wieder. ?25 Zentimeter weiter bitte?, weist Bircher seinen Kollegen Ballat an, der immer noch im Zugangsschacht hockt, um das Kabel zu bewegen. ?Klar, Position ist 31,50?, antwortet er. Bircher bel¨¹ftet die Dichtungselemente erneut und startet die n?chste Messung.

Alle 25 Zentimeter vermisst das Team die Mauer. Daraus erschliesst sich der Zustand des Bewehrungsstahls f¨¹r den gesamten Mauerabschnitt ¨C ein Fr¨¹hwarnsystem f¨¹r Korrosion. Entdeckt das Team in einem Abschnitt der St¨¹tzmauer tats?chlich Korrosion, l?sst sich der betroffene Bereich gezielt reparieren. ?Wir haben in der Schweiz ¨¹ber 1000 Kilometer potenziell teilkorrodierter Mauern, die noch einige Jahrzehnte halten m¨¹ssen. Daher ist es wichtig, gezielt die Abschnitte zu entdecken, die eine Gefahr darstellen?, erkl?rt Bircher.

Was fehlte: die z¨¹ndende Idee

An der Waidbadstrasse teste das Talpa-Team ihren Prototypen. Dieser funktioniert, sagt Bircher, das wurde in Pilotprojekten gepr¨¹ft. Allerdings passiert bei der Messung noch vieles von Hand. ?Wir wollen die Messung k¨¹nftig mehr automatisieren und die Inspektionssonde robuster machen.? Das Team ist auch schon im Kontakt mit m?glichen Kunden und weiss, dass seine Methode gefragt ist.

Daf¨¹r n?tig war nicht etwa eine brandneue Technologie. Solche elektrochemischen Messungen bestehen schon lange, sind aber bei St¨¹tzmauern von der Vorderseite her nicht zielf¨¹hrend. ?Wir haben jedoch erkannt, dass wir den Korrosionszustand der Stahlbewehrung im Beton auch aus den Drainagerohren durch das feuchte und leitf?hige Erdreich erreichen k?nnen?, sagt Bircher. Es brauchte also schlicht diese neue schlaue Art, eine Messzelle in die Rohre zu bringen, sowie die Methode, um die gemessenen Werte zu interpretieren. Das haben Bircher und seine Kollegen nun geschafft. W¨¹rde die St¨¹tzmauer auf die althergebrachte Weise stichprobenartig aufgemacht und untersucht, br?uchte das mehrere Tage ¨C und eine Baustelle. Das Talpa-Team dagegen ben?tigt knapp einen Tag ¨C und ist dabei nicht auf Zufallstreffer angewiesen, wie bei der traditionellen, stichprobenartigen Methode.

Die Maulw¨¹rfe gr¨¹nden ein Start-up

Weil sich ihre neue Methode bew?hrt, ist Lukas Bircher derzeit dabei, mit dem Materialingenieur Federico Martinelli-Orlando und dem Bauingenieur Patrick Pf?ndler ein Start-up namens TALPA-Inspection vorzubereiten. ?Talpa? ist der wissenschaftliche Name f¨¹r Maulw¨¹rfe. Unterst¨¹tzung erhalten sie nicht nur von Ueli Angst, Professor am Departement Bau, Umwelt und Geomatik: F¨¹r seine innovative Methode hat Bircher ein ETH Pioneer Fellowship erhalten. Damit k?nnen er und sein Team ein marktf?higes Produkt entwickeln und ein eigenes Unternehmen gr¨¹nden (vgl. das Kurzportr?t von Talpa-Inspection bei den Pioneer Fellows).