PROF. DR.-ING.WALTHER MANN Lehrstuhl lür Statik der Hochbaukonstruktlonen Technische Hochschule Darmstadt • Lichtwiese

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6100 Darmstadt PetersenstraBe 15 . RuI 061 51/1621 36

Schalenformige Abplatzungen an der gemauerten Auskleidung

eines Eisenbahntunnels als Folge einer chemischen Umwandlung des Mortels in Gipsmortel durch Rauehgase von Dampflokomotiven_

Flaking~off of 8rickwork Lining in Railway Tunnels due to

chemical " Metamorphosis caused by Smoke from Steam Locomotives

von W. Mann, M. Betzler, B. Baumgartner und E. Wolfel, Darmstadt

Zusammenfassung

Sehalenformige Abplatzungen an der gemauerten Auskleidung eines Eisenbahn­tunnels der Deutsehen Bundesbahn lieSen die Vermutung aufkommen, daS die Ur­saehe auf einer ehemisehen Umwandlung des ursprüng"liehen Kalk- oder Kalkze­mentmortels in Gipsmortel beruhte. Die S0 2-haltigen Rauehgase der Lokomoti­ven konnten zusammen mit Wasserdampf in den ~ortel eindringen und die Binde­mittel zu Gips umwandeln. Das damit verbundene Quellen des Mortels bewirkte d.ie Abplatzungen der Ziegelsteine. Diese Hypothese war bereits auf der 8. 1n­ternationalen Mauerwerkskonferenz 1988 in Dublin kurz vorgestellt worden [1 ].

1nzwisehen wurden weitere ehemisehe und reehnerisehe Untersuehungen durehge­führt. Dabei bestatigte sieh die Hypothese über die Sehadensursaehe. Rontge­nographisehe Untersuehungen an derart gesehadigten ~auerwerkskorpern zeig­ten, daS der Gipsanteil im Mortel sieh über die Tiefe des ~1auerwerks stark anderte: An der 1nnenseite des Tunnels wurde reiner Gipsmortel ohne Caleit gefunden, danaeh folgte eine Obergangszone, und ab 6 bis 7 em Tiefe war kein Gips mehr festzustellen. Die Ziegelsteine enthielten weder Gips noeh Caleit. Die sehalenformigen Abplatzungen in den Steinen traten nur in den Bereiehen auf, in denen der Mortel Gips enthielt. Die reehnerisehen Untersuehungen be­statigten, daS die Umwandlung von kalkhaltigen Bindemitteln in Gips einQuel­len des Mortels und derartige Zwangungsspannungen in den Steinen bewirken kann, daS die Zugfestigkeit des Ziegels übersehritten und die RiSbildung er­klúlieh wird.

Das hier gefundene Verstandnis der Auswirkung von S02-Einflüssen auf Mauer­werk kann aueh bei Sehaden an anderen Tunnelbauwerken sowie bei ahnliehen Problemen infolge von Umwelteinflüssen weiterhelfen.

Prof. Dr.-1ng. W. Mann und Dipl .-1ng. M. Betzler, Teehnisehe Hoehsehule Darmstadt/Germany -Dr.-Ing. B. Baumgartner und Prof. Dr. rer. nato E. Wolfel Stoe Applieationslabor, Darmstadt/Germany

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Summary

The flaking-off of the brickwork lining of a tunnel belonging to the German Federal Railways gave rise to the assumption that the cause resulted from a chemical metamorphosis of the original lime morta r ar lime-cement mortar into gypsum mortar. The fumes containing S02 from the locomotives were able to penetrate the mortar, together with water vapour, and thus eonvert the cementing material into gypsum. The associated swelling of the mortarcaused the brickwork to flake off. This hypothesis was introduced briefly at the 8th International Masonry Conferenee in Dublin in 1988 [1].

In the meantime, further chemical tests and ealeulations have been carried out, which confirmed the hypothesis regarding the cause of the damage. X-ray-examinations of such damaged brickwork showed that the gypsum content in the mortar changed greatly over the depth of the brickwork: pure gypsum mortar without calcite was found at the inner side of the tunnel, followed by a transitional zone, and from a depth of 6 to 7 cm only caleite existed. The bricks eontained neither gypsum nor calcite. The flaking-off of the briekwork oeeurred only in areas where the mortar contained gypsum. Arithme­tical analyses eonfirmed that the eonversion of cementing material eontain­ing lime into gypsum can cause swelling of the morta r and sueh pressure forces within the brickwork, that the ultimate tensile strength of the brick is exceeded and so explain the formation of cracks.

The knowledge gained here regarding the effect of S02-influences on masonry can be of assistance for dealing with damage to other tunnel structures as well as similar problems eaused by environmental influences.

Bild 1:

Aus einem Tunnel entnommenes Mauerwerk. RiBbildung in den Ziegelsteinen und Verfarbung des Mortels in einem schmalen Bereich an der Innenseite des Tunnels.

Fi g. 1:

Masonry taken from a tunnel. Crack formation within the brieks and discolouration of the mortar in a narrow area on the inner side of the tunnel.

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1. Beschreibung der Schaden

An der gemauerten Auskleidung von Tunnelbauwerken der Deutschen Bundesbahn, die etwa 100 Jahre alt sind, wurden schalenformige Abplatzungen beobachtet, die folgende Merkmale aufwiesen: Die abplatzenden Steinschichten verlaufen parallel zur Innenwandung des Tunnels und haben eine Dicke von mehreren Mil­limetern bis Zentimetern (Bild 1). Die durch Risse gestorte Zone erstreckt sich auf eine Tiefe von etwa 5 bis 7 cm. In diesem Bereich ist der Mortel leicht verfarbt. Die Risse verlaufen nur durch die Steine, nicht durch die Mortelfugen. So entsteht der Eindruck, daB der Mortel gequollen ist und da­durch Risse in den Steinen bewirkte.

2. Vermutete Ursache der Abplatzungen

Erste chemische Untersuchungen hatten ergeben, daB der Mortel im RiBbereich stark gipshaltig war. So entstand die Vermutung, daB die Abgase der Lokomo­tiven im Zeitraum vor der Elektrifizierung der Strecke Schwefeldoxyd S02 enthielten, das sich zusammen mit Wasserdampf an der Oberflache der Tunnels absetzte, in den Mortel diffundierte und die kalk- oder zementhaltigen Bin­demittel in Gips umwandelte:

Bei dieser Umwandlung vergroBert sich das Volumen des Bindemittels durch kristalline Einlagerung von Wasser . Es entsteht so ein Treibeffekt, der zum beobachteten Abspalten von Steinschichten führen kann. Dieser vermutete Ef­fekt wurde bereits in [1] und [2] beschrieben.

Um die Vermutung zu erharten, wurden Proben aus einem derart geschadigten, mehr als 100 Jahre alten, Tunnel der Deutschen Bundesbahn in Sterbfritz an der Strecke Fulda-Gemünden entnommen und einer chemischen Untersuchung unterzogen. AuBerdem wurde die mogliche Auswirkung eines Treibeffektes auf das Mauerwerk rechnerisch verfolgt.

3. Chemische Untersuchungen an geschadigten Mauerwerksproben

Die aus dem Tunnel entnommenen Mauerwerksproben umfaBten einen Wandbereich von etwa 20 cm Tiefe. Bild 1 zeigt die RiBbildung. Mortel- und Ziegelproben wurden aus unterschiedlicher Entfernung von der Tunnelwandung entnommen und mit Hilfe der Rontgen-Diffraktometrie untersucht. Bild 2 zeigt eine typische Profilanalyse einer Mortelprobe, in der neben Quarz sowohl Calcit als auch Gips nachgewiesen werden konnten . Die Untersuchungen, über die ausführlich in [3] berichtet ist, erbrachten folgende Ergebnisse:

a) Das Bindemittel des Mortels bestand im Bereich der Oberflache des Tunnels vollstandig aus Gips. Mit zunehmendem Abstand von der Oberflache nahm der Gipsgehalt bis auf Null ab. In Bild 3 ist der Gipsanteil in Abhangigkeit vom Abstand zur Oberflache aufgetragen. Da die Zusammensetzung des Mortels ur­sprünglich sicher gleichmaBig war, muB der jetzt festgestellte Gipsanteil das Ergebnis einer fortschreitenden chemischen Umwandlung, ausgehend von der Tunnelwandung, sein. Der Charakter der Kurve in Bild 3 ist typisch für einen fortschreitenden Diffusionsvorgang.

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b) Der Bereich der Risse in den Steinen ist etwa so tief wie derjenige Be­reich des Mortels, der Gips enthalto Er deckt sich auch annahernd mit dem Bereich der Verfarbung des Mortelso Hieraus folgt ein Zusammenhang zwischen RiBbildung und Umwandlung des Mortelso

c) Die Ziegelsteine enthielten an keiner Stelle Gipso Sie konnen also nicht die Ursache der Umwandlung des Mortels gewesen seino Lediglich in einzelnen Rissen hatten sich gelegentlich Gipskristalle abgelagerto Bei ihnen handelt es sich um eine nachtragliche Kristallisation, nicht um die RiBursacheo

'00 Tunnel 2 Hoertel ulIgewandelt e;-"90 51 02 / Sll1con Ox de I Quar z. lo. 21-816 Ca 5 O .. 12 H2 O / Calc1um 5 ltate ~drate I GYP9um

~ 300- ,

I ,.. i .-. 200 c . .-C H

100-

-t- 1.\ .1 ~ lA J M..l .AA .1 JI 10.0 20 . 0 30 . 0 040 . 0 50 . 0 60 . 0

2Thetll

Bild 2: Rontgenographische Profilanal yse einer Mortelprobe mit Anteilen aus Quarz, Gips und Silikateno

Figo 2: X-ray Profile analysis of a mortar sample with quartz, gypsum and silicate contento

cone

100

008

006

004

002

Bild 3: Anteil von Gips im Bindemittel des Mortels in Abhangigkeit vom Abstand zur Innenseite des Tunnelso

Figo 3: Gypsum content in the cementing material of the mortar dependent on the distance from the inner side of the tunnelo

o 5 10 15 20 25 .30 .35 40 50 60 depth(mm)

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4. Rechnerische Untersuchungen

4.1 Mechanisches Prinzip

Ein Ziegelstein der Hohe h ist von einer ~1ortelschicht der Dicke t gemaB Bild 4 umgeben. Der Mortel sei auf eine Tiefe a in Gipsmortel umgewandelt, wobei ein Volumen-QuellmaB Ev im zwangungsfreien Zustand auftrat. Hieraus folgen lineare QuellmaBe in den 3 Koordinatenrichtungen Ex = Ey = Ez =t Ev· Die Vertraglichkeit der Formanderungen bewirkt Zwangungen, die Zugspannun­gen im Stein erzeugen. Hieraus entstehen die beobachteten Risse. Dieser Me­chanismus laBt sich an einem vereinfachten ebenen Modell in 2 Schritten er-1 autern :

h Stein (Est)

Morte! (EM)

Co!cit-Morte! ~ ~. Gipsmorte!

Bild 4: Abmessungen und System des Mauerwerkskorpers, der den rechnerischen Untersuchungen zugrunde 1 iegt.

Fig. 4: Oimensions and system of the masonry-work on which the arithmetical tests were based.

a) Zugkrafte im Stein infolge Ex (Bild 5) Das Quellen des Mortels Ex parallel zur Steinoberflache hatte im zwangunqs­freien Zustand eine Verlangerung der Mortelschicht um den Betrag M = a . Ex zur Folge. Die Haftung r erzwingt jedoch gleiche Verformungen von Stein und Mortel. Hieraus entstehen Zwangungen, namlich Druckspannungen ÕM im Mortel und Zugspannungen ~St,l im Stein.

tf

h1 tf:

Gleichgewicht: DM õM' t ZSt,l

Verformungen: Ex ôM /EM ÔSt,l/ ESt

........ ~:J ~DM :=:J a 0M

o 0:" []J ° St.1 : 2' St.1

I 1

<>---+ x 2' ZSt.1 ° St.1

tZnJ-~ -- ~DM :::::=J BOM

,r k' Ji ° ",0=0' Ex

Bild 5: Zwangungskrafte und Spannungen im Mauerwerk durch Quellen des Mortel s Ex'

Fig. 5: Pressure forces and stresses within the brickwork caused by swelling of the mortar Ex.

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b) Spaltzugkrafte im Stein infolge E7 (Bild 6):

Das Quellen des Mortels Ez senkrecht zur Steinoberflache hatte im zwangungs­freien Zustand eine VergroBerung der Morteldicke t um den Betrag Cl t=t °Ez zur Folgeo Sie wird durch die Ausmauerung des Tunnels verhinderto So bauen sich Druckspannungen ~z nach folgender Beziehung auf:

Cl t = to Ez = ()z o (t / EM + h/ EStlo

Die am Rand des Steines wirkende Druckkraft Dz = a o O-z erzeugt Spaltzug­krafte ZSt,2 und Zugspannungen ÕSt,2 im Steino

ITIJ az Dz

:1 :J ~ót ~ aSt.2

z Z'1< I ) ! 1'\ ZSt

$ót=hz i aSt.2 • __ ..!

[illa, Dz= aio

~ Bild 6: Spaltzugkrafte und Spannungen im Mauerwerk durch Quellen

des Mortels E2 0

Figo 6: Splitting tension forces and stresses within the brickwork caused by swelling of the mortar E2 0

402 Zugspannungen;m Ste;n

Der Verlauf der Zugspannungen im Ste;n wurde an dem ebenen Modell nach Bild 4 mit Hilfe eines F;nite-Element-Programmes ermittelt o Das Quellen des Mortels auf die Tiefe a konnte dabei durch eine Temperaturanderung ClT simu­liert werdeno Das Ergebnis ist als Prinzipskizze in Bild 7 dargestellto

I I:::::>:.:.:.:.:

1 a. I I

h 1 I

I

I o. I

I : :::: .. . :::::'~

o

/' Ev

z

Bild 7: Verteilung der Spannungen ()x im Ziegelstein durch Quellen des Mortel s Evo

Figo 7: Distribution of the stresses ()x within the brick caused by swelling of the mortar Evo

L.

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Der Rechnung liegen folgende Zahlen zugrunde: Hohen t/h = 12/70 mm; a = 3 mm; Querdehnungsmodul: ~= 0,2; Volumen-QuellmaB: Ev = Ex + Ey + Ez" Ex; im Bereich des Calcit-Mortels EM = 5000 MN/m 2 •

Da im Bereich a keine Anhaltspunkte für die E-Moduli bekannt waren, wurden alternativ 3 Werte für k = EStiEM angesetzt. Im Wert für EM soll ein Kriech­maB ~ berücksichtigt sein. Oblicherweise gilt EM = EM o . _ 1_.

I + 'I'

Mit diesen Werten ergab die Rechnung folgende maximalen Stein-Zugspannungen max ôx:

K = EstiEM 10.000/2800 10.000/1400 10.0001700 = 3,6 = 7,2 = 14,3

max ôx [MN/m 2 ] 3500 . E v 2500 . tv 1500 . Ev .J

4.3 Kriterium für RiBbildung im Stein

Die beobachteten Abplatzungen am Ziegelstein parallel zur Tunnel-Innenflache treten dann auf, wenn die maximale Zugspannung max 6x die Zugfestigkeit des Steines Bz,St erreicht: max 6x = Bz,St.

Die Druckfestigkeit der Steine streute stark und lag maximal bei Bd St = 25 MN/m 2 • Setzt man die Zugfestigkeit der Ziegelsteine ungefahr mit 5% der Druckfestigkeit an, so ergibt sich Bz ,St zu:

Bz,St = 0,0 5 ·25 = 1,25 r"1N/m 2 •

Mit den in Abschnitt 4. 2 angegebenen Werten für max Ôx lassen sich diejeni­gen QuellmaBe des Mortels Ev bestimmen, bei denen die Zugfestigkeit der Steine erreicht und damit RiBbildung zu erwarten war. Sie liegen zwischen

Ev = 1,25 / 3500 = 0,04 % und Ev = 1,25 / 1500 = 0,08 %.

4.4 QuellmaB des Mortels und Folgerungen für die RiBbildung

Das QuellmaB bei der Umwindlung von reinem Calcit in reinen Gips laBt sich aus dem Verhaltnis der Dichten und Molekulargewichte mit folgenden Werten abschatzen:

Hieraus ergibt sich das Gips-Volumen

9c MG 2,7 VG = TG . Me . Vc = 2,3

VG aus dem Calcit-Volumen VC:

172 100 . Vc = 2,0 . VC'

Das reine Materialvolumen verdoppelt sich also bei der Umwandlung von Calcit in reinen Gips, das QuellmaB der reinen Materialien ware somit EI = 100 %.

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Nimmt man den Calcit-Anteil im Bindemittel zu 60 % an und setzt ein Mischungs­verhaltnis Bindemittel / Sand = 1/ 5, also einen Bindemittelanteil von 1/6 vor­aus, so ware das QuellmaB des reinen Mortelmaterials [ 2 = 100·0,60/ 6 = 10 %.

Die Gipskristalle werden bei ihrer Entstehung zu einem erheblichen Teil in die Poren des Mortels hineinwachsen, so daB nur ein Bruchteil des Quellmas­ses [ 2 als QuellmaB des Mortel s in Erscheinung trit t . Schatzt man diesen Bruchteil grob zu 10 %, so ergibt sich ein tatsachliches QuellmaB bei voll­standiger Umwandlung in Gipsmortel des Mortels von [ 3 = 0,10· [ 2 = 1 ~~ . Dieser Wert ist mit dem für die RiBbildung erforderlichen QuellmaB nach Ab­schnitt 4. 3 von [v = 0,04 bis 0,08 % zu vergleichen: Er ist um mehr als eine Zehnerpotenz groBer .

Hieraus ergibt sich, da B schon eine teilweise Umwandlung des calcitischen Bindemittels in Gips ei n 5 0 groBes QuellmaB bewirkt, da B die Zugfes tigkeit des Steines überschritten wird und RiBbildung im Stein zu erwarten ist o

5. SchluBfolgerungen

Die chemischen und rechnerischen Untersuchungen bestatigen, daB die Abplat­zungen an de r Oberflache des Mauerwerks auf chemische Umwandlung des Mortels zurückzuführen sind. Offenbar sind S02-haltige Abgase der Dampfl okomotiven zusammen mit Wasserdampf in den Mortel diffundiert und haben die calciti­schen Bindemittel fortschreitend in Gips umgewandelt . Dies führte zu einem Quellen der Bindemittel, was je nach Porengehalt des Mortels auch ein Quel­len des Mortels zur Folge hatte. Mit fortschreitender Umwandlung wachsen die Zugspannungen im Stein, bis es zur ersten RiBbildung und damit Entspannung kommt. Bei weiterem Fortschreiten der Umwandlung in Gips bildet das Ri Bufer die neue Au Benflache, 50 da B sich der Vorgang wiederholt und in Abstanden neue Abplatzungen auftreten.

Für eine Sanierung würde es genügen, die gefahrliche schmale gipshaltige Mauerwerksschicht zu entfernen. Da heute keine Dampflokomotiven mehr in Be­trieb sind, ist nicht zu erwarten, da B sich der Schaden wiederholt. Eine neue Vors atzschicht au s Mauerwe rk oder aus Beton ware zur Schadensbeseiti­gung nicht unbedingt notig, kann jedoch aus anderen Gründen, z . B. zur Ge­staltung der Tunneloberflache, erwünscht sein .

Literatur:

[1J Mann, ~J.: Structural Aspects of Old Masonry in the Modern World -Experi ences from Germany . Keynote Speech 8th International Masonry Congress IBMAC Dublin 1988

[2J ~1ann, W.: Gutachten zu den Abp 1 a tzungsschaden âm Tu nne 1 Sch 1 üchtern. Darmstadt 1987

[3J Baumgar~ner~ B., Wolfel ~ E., Mann~ W., Betzler, M.: The Calcite-Gypsum Converslon ln Mortar JOlnts of Rallroad Tunnels. Proceedings 1st Euro­pean Powder Difraction Conference München 1991