Betoninstandsetzung Betonoberflächenschutz Verkehrsbau. Tiefenhydrophobierung Präventiver Oberflächenschutz von Stahlbetonbauwerken

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1 Betoninstandsetzung Betonoberflächenschutz Verkehrsbau Tiefenhydrophobierung Präventiver Oberflächenschutz von Stahlbetonbauwerken

2 Bei den nachfolgend in der Broschüre enthaltenen Angaben, Abbildungen, generellen technischen Aussagen und Zeichnungen ist darauf hinzuweisen, dass es sich hier nur um allgemeine Mustervorschläge und Details handelt, die diese lediglich schematisch und hinsichtlich ihrer grundsätzlichen Funktionsweise darstellen. Es ist keine Maßgenauigkeit gegeben. Anwendbarkeit und Vollständigkeit sind vom Verarbeiter / Kunden beim jeweiligen Bauvorhaben eigenverantwortlich zu prüfen. Angrenzende Gewerke sind nur schematisch dargestellt. Alle Vorgaben und Angaben sind auf die örtlichen Gegebenheiten anzupassen bzw. abzustimmen und stellen keine Werk-, Detail- oder Montageplanung dar. Die jeweiligen technischen Vorgaben und Angaben zu den Produkten in den Technischen Merkblättern und Systembeschreibungen / Zulassungen sind zwingend zu beachten.

3 Inhalt Stahlbeton braucht Schutz Eine alte Erkenntnis neu gedacht Stahlbeton und Chloride Eine problematische Beziehung Ökologie und Ökonomie Ein Rechenexempel Tiefenhydrophobierung im Detail Chemie hilft schützen Planung und Vorgehensweise So einfach wie effizient Einen Schritt voraus In Schweden denkt man bereits heute an morgen

4 Stahlbeton braucht Schutz Eine alte Erkenntnis neu gedacht Stahlbeton ist alles andere als dauerhaft. Die aktuellen Zahlen von Bauschäden und die dadurch zunehmende Zahl von Instandsetzungen zeigen das deutlich. Durch präventive, ökologisch und öko nomisch akzeptable Maßnahmen können mit vertretbarem technischem Aufwand Bauwerke langfristig ge - schützt werden. Eine davon ist die Tiefenhydrophobierung von Stahlbetonbauwerken. Diese technische Oberflächenbehandlung wurde be - reits an vielen verschiedenen Ob jekten angewendet, um die kapillare Aufnahme von betonaggressiven, wässrigen Salzlösungen zu unterbinden. Erfolgreiche Praxiserfahrungen aus den letzten Jahren zeigen das deutlich. Dabei ist das Hydrophobieren keine Entwicklung aus der Neuzeit, sondern wurde bereits vor 2000 Jahren von den Römern eingesetzt. Auch die Mayas wussten, dass durch die Zu - gabe von natürlichen Fetten und Ölen Steinfassaden haltbarer sind. Basierend auf modernen Forschungsergebnissen wurde die Hydrophobierung zur Tiefenhydrophobierung kontinuierlich weiterentwickelt. Heute stellt die Tiefenhydrophobierung von zementgebundenen Bauteilen eine der leistungsfähigsten Schutz maßnahmen gegen das Eindringen von in Wasser gelösten Schad stoffen in die Betonrandzone dar. Schon die römischen Bau - meister wussten ihre Bauwerke zu schützen. Mit bestem Erfolg... Alte Erkenntnisse durch moderne Chemie neu ge - dacht: Sicherung von Stahlbeton bauteilen durch Schutz der Oberfläche. 4 Stahlbeton braucht Schutz

5 Stahlbeton braucht Schutz 5

6 Stahlbeton und Chloride Eine problematische Beziehung 6 Stahlbeton und Chloride

7 Erreicht die Chloridfront den Beweh rungsstahl, bildet sich Rost, welcher zu einer Volumenvergrößerung führt und den darüber liegenden Beton absprengt Stahlbeton bauteile drohen ihre Tragfähig keit zu verlieren. Speziell auf Stahlbetonbauwerke unserer Infrastruktur, wie beispielsweise Autobahn- und Eisenbahn brücken wirken die unterschiedlichsten Umwelteinflüsse ein, die früher oder später zu Korrosions schäden und damit zu einer kürzeren Lebensdauer führen. Beton ist ein poröser Werkstoff, hergestellt aus Zement, Gesteinskörnung (z. B. Sand oder Kies), Wasser und ggf. weiteren Additiven. Der Zement reagiert mit Wasser zum Zementstein, der die Gesteinskörnung zum Verbund werkstoff Beton»verkittet«. Zementgebundene Werkstoffe haben ein weit verzweigtes Porensystem, das Flüssigkeiten schnell und in großer Menge kapillar aufnehmen kann. Dabei unterscheidet sich die sogenannte Betonrandzone (bis 3 cm von der Oberfläche nach innen) deutlich vom Kernbeton. Neben einer höheren Porosität besitzt dieser äußere Bereich auch eine höhere Gas- und Wasserdurchlässigkeit. Viele Schadensmechanismen, wie zum Beispiel die chloridinduzierte Bewehrungskorrosion, sind mit dem Transport von Wasser in der Betonrandzone verbunden. So werden in Abhängigkeit von den Umgebungs- und Nutzungs bedingungen Chloride wie beispielsweise aus Tausalzlösungen oder auch Meer - wasser von außen über die Kapillarporen des Zementsteins in die Betonrandzone transportiert. Bei Überschreitung eines kritischen Chloridgehalts im Stahlbeton und in Gegenwart entsprechender Reaktionspartner (z. B. ausreichendes Sauerstoffange bot und entsprechende Feuchtigkeits verhältnisse) kommt es zur Beweh rungskorrosion. Die Folge ist das Abplatzen des Überdeckungsbetons unter Freilegung des Bewehrungsstahls. Zementhaut Kernbeton Mörtelrandzone Betonrandzone Stahlbeton und Chloride 7

8 Ein besonders gefährdetes Bauteil sind z. B. die Mittelstützen an Brücken, die über Autobahnen gebaut werden. Diese Mittelstützen sind un - geschützt tausalzhaltigem Spritz wasser ausgesetzt, was in den Wintermonaten zu hohen Chloridbelas tungen führt. Diese hohen Chloridbelastungen lösen dann innerhalb kürzester Zeit starke Korrosionsschäden am Stahl beton aus. Dann werden technologisch, ökonomisch und ökologisch aufwendige Instandsetzungen notwendig. Technologisch Für die Instandsetzung muss der defekte Randbeton bis zur Bewehrung abgetragen werden. Der Stahl ist zu reinigen und mit einem Korrosionsschutz zu versehen. Anschließend wird der abge tragene Beton wieder re pro filiert. Durch den Auftrag eines neuen Betons auf einen alten Beton ent steht eine neue Grenzfläche. Sind beide Werkstoffe nicht optimal aufein an der abgestimmt, können bereits nach wenigen Jahren erneut Schä den auftreten, was die Praxis bestätigt. Ökonomisch Untersuchungen haben gezeigt, dass die Instandsetzung von solchen Brücken pfeilern ein Vielfaches der Kosten verursacht, die die ursprüngliche Her stellung des Pfei lers gekostet hat. So beträgt der finanzielle Aufwand für die Pfeilersanierung ca Die Kosten für die Ver kehrs lenkung können ca bis be tra gen. Die indirekten Staukosten (z. B. zusätz licher Benzin- und Zeitauf wand bzw. die negativen Folgen für die Volkswirtschaft) sind dabei noch nicht be rücksichtigt. Instandsetzung vs. Tiefenhydrophobierung am Beispiel eines Brückenbauwerks bei 25-jähriger Nutzung Relative ökologische Auswirkungen (%) % 1% 1% Ökologisch Neben einem hohen finanziellen Aufwand sind Instandsetzungen in der Re gel sehr energie- und ressourcenintensive Baumaßnahmen. Sie sind daher mit z. T. bedeu tenden ökologischen Auswirkungen verbunden. So konnte gezeigt werden, dass die Umweltbelastungen einer Instandsetzung bis zum Dreifachen dessen betragen können, was die Herstel lung des Bauteils (z. B. Pfeiler) mit sich gebracht hat. 11% 1% Energie Treibhauseffekt Bodenversauerung Smogbildung Ökotoxizität Instandsetzung Höchstdruckwasserstrahlen Sandstrahlen und Korrosionsschutz Spritzbeton inkl. Nachbehandlung Tiefenhydrophobierung Hydrophobierung inkl. Produktherstellung Umwelteinwirkung durch Langzeitabbau 8 Stahlbeton und Chloride Ethanolfreisetzung während der Filmbildung

9 Ein effektiver Weg, solche Schäden von vornherein zu vermeiden, ist der präventive Oberflächen schutz durch eine Tiefenhydrophobierung. Ein Beispiel Ein für 100 Jahre instandsetzungsfreie Nutzung geplantes Brücken bauwerk muss nach 25 Jahren instand gesetzt werden. Die damit verbundenen Umweltbelastungen sind durch eine Ökobilanz erfasst worden (siehe Grafik Seite 8). Zum Vergleich sind in die gleiche Abbildung die Um welt belas tungen durch eine Tiefen hydropho bierung eingetragen worden. Aus diesen Zahlen wird deutlich, dass eine Tiefenhydrophobierung bis zu neunmal ausgeführt werden kann, bis die ökologischen Auswirkungen beider Maßnahmen (Smogbildung) vergleichbar sind. Daraus lässt sich folgern, dass bei einer Instandsetzung nach 25 Jahren die ökologisch begründete minimale Wirkungsdauer einer Tiefenhydrophobierung nur ca. 3 Jahre betragen muss. Tatsächlich ist nach dem heutigen Kenntnisstand eine Tiefenhydrophobierung aber ca. 15 bis 20 Jahre wirksam. Das hat auch ökonomische Auswirkungen. Wäre das Bauwerk beginnend von der Fertigstellung in regelmäßigen Abständen wirkungsvoll tiefenhydrophobiert worden, hätten die Schäden vermieden werden können. Stellt man die Instandsetzungskosten den Investitionen für die präventiv wirksamen Tiefenhydrophobierungen gegenüber, lässt sich die ökonomisch begründete Wirkungsdauer einer hydrophobierenden Maßnahme abschätzen. Minimale Wirkungsdauer einer Hydrophobierung 35 Jahre 11 Jahre 7 Jahre Dazu muss das für die Instandsetzung bzw. Tiefenhydrophobierung eingesetzte Kapital verzinst werden. Aus dem Vergleich des jeweiligen Kapitalaufwands lässt sich bei der Verwendung unterschiedlicher Zinssätze die minimale Wirkungsdauer einer Tiefenhydrophobierung ermitteln. Bei Zinssätzen von 4-6 % ist eine alle 7 bis 11 Jahre ausgeführte Tiefenhydrophobierung mehr als wirtschaftlich, wenn da durch die Instandsetzung nach 25 Jahren vermieden werden kann. 4% 6% Zinssatz 8% Stahlbeton und Chloride 9

10 Tiefenhydrophobierung im Detail Chemie hilft schützen Bei der Tiefenhydrophobierung geht es um die Wasser abweisende Imprägnierung eines mineralischen Baustoffs. Um die grundsätzliche Beanspruchung von Stahl betonbauwerken und seine erforderlichen Schutzmaßnahmen überhaupt beurteilen zu können wurde ein Dreistufenkonzept entwickelt, das auf der»effektiven Eindringtiefe«basiert. Dieser Wert repräsentiert die Dicke der Betonrandzone, in welcher der Wirkstoffgehalt ausreicht, um die kapillare Wasseraufnahme vollständig zu unterbinden. Praktisch wird mit Hilfe des Drei stufenkonzept zunächst die Belas tungssituation bewertet und damit die An - forderungen an die Hydropho bierung festgelegt. Die Auswahl ge eigneter Produkte erfolgt anhand dieser Einstufung: Stufe 1 Grundierung Beim Einsatz von Oberflächenschutzsystemen (OS 2) ist die Grundierung des Un tergrunds mit einem Hydrophobie rungsmittel vorgesehen. Die dafür eingesetzten Produkte erreichen eine effektive Eindringtiefe von ca. 1-1,5 mm. Zum Einsatz kommen entweder sogenannte Silicon-Microemulsions-Konzentrate (StoCryl GW 100) oder mit Lösemittel verdünnte Systeme mit einem Wirkstoffgehalt < 20 % (StoCryl HP 100). Stufe 2 Sprühnebelbereich Hier spricht man vor allem von Bauteilen, die einer starken Belastung von Chloriden ausgesetzt sind, wie z. B. Brückenwiderlager. Die effektive Eindringtiefe soll mehr als 4,0 mm betragen. Als Produkte für diese Stufe werden zum Beispiel hochviskose, wässrige Emulsionen, wie StoCryl HC 100, oder mehrfache Applikation nied rigviskoser Silane mit einer Wirkstoffkonzentration von ca. 100 %, wie StoCryl HP 200, eingesetzt. Stufe 3 Spritzwasserbereich Bei Bauteilen, welche einer sehr starken Belastung von Chloriden ausgesetzt sind, wie beispielsweise im Bereich der Wasserwechselzonen von Bauwerken im Küstenbereich oder auch Mittelstützen von Brücken über die Autobahn, sollte die effektive Eindringtiefe bereits über 6,0 mm betragen. Hier spricht man von einer»tiefenhydrophobierung«, bei der hochviskose nicht wässrige Systeme, wie StoCryl HG 200, zum Einsatz kommen. Moderne Hydrophobierungsmittel basieren auf Silanen. 10 Tiefenhydrophobierung im Detail Die konkreten technischen Vorgaben und Angaben zu den Produkten in den Technischen Merkblättern und Zulassungen sind zwingend zu beachten.

11 OR Silane gehören wie die Siloxane, Silicone und Siliconharze zur chemischen Gruppe der siliciumorganischen Verbindungen. Diese werden nach der Applikation durch kapillares Saugen in die Betonrandzone transportiert. OR OR Si R* OR Silan Chemische Struktur der Silane, die zu den vielseitigen siliciumorganischen Verbindungen gehören, wie sie für die Hydro phobie rung von Betonbauwerken eingesetzt werden. Während des Transportes reagiert das Silan chemisch mit dem in den Pore n- innenwänden absorbierten Wasser. Dadurch entsteht auf der Poreninnen wand ein dünner wasserabweisender Siliconharzfilm. Ein Wasserdampftransport zwi schen Um ge bung und Baustoffinneren ist da her weiterhin möglich. Der Trans port von in Wasser gelösten betonaggressiven Stoffen kann aber nicht mehr stattfinden. Die Wirksamkeit und Dauerhaftigkeit dieser Maßnahmen hängen unter anderem auch von der Chemie der Silane ab. HO OR R* Si Si R* OR Silan HO H 2 O Reaktion mit dem Porenwasser R* Si O O R* Si Si R* +3 R Silanol Si Si Si Si Beton O R* Si O H 2 O Ethanol Durch kapillares Saugen in der Betonrandzone reagiert das Silan chemisch mit dem in den Poreninnenwänden absorbierten Wasser. Dabei entsteht unter Abspaltung von Ethanol das reaktionsfähige Silanol. Diese Silanolmoleküle bilden unter Abspaltung von Wasser Verknüpfungen zum Beton. Auf der Poreninnenwand entsteht so ein Silicon harzfilm mit wasserabweisender Wirkung. R* R* R* R* R* R* Si O Si O Si O Si O Si O Si Si Si Si Si Si Si Beton Wässrige Lösungen (z. B. chloridbelastetes Wasser) auf Betonoberflächen können nicht mehr durch kapillares Saugen auf ge nommen werden. Wegen der geringen Dicke des Films werden die Ka pillare aber nicht verstopft, ein Wasserdampftransport ist daher weiterhin möglich. Die konkreten technischen Vorgaben und Angaben zu den Produkten in den Technischen Merkblättern und Zulassungen sind zwingend zu beachten. Tiefenhydrophobierung im Detail 11

12 Planung und Vorgehensweise So einfach wie effizient Problemlos: Die schnelle Verarbei tung des Hydrophobierungs mittels. 12 Planung und Vorgehensweise Die konkreten technischen Vorgaben und Angaben zu den Produkten in den Technischen Merkblättern und Zulassungen sind zwingend zu beachten.

13 Bohrkerne zeigen im Labor die Carbonatisierungstiefe des Bauteils. Ihre hohe Viskosität sorgt dafür, dass die Wirkstoffe langsam in den Beton eindringen. Während der Applikation ist ständig das Erreichen der vorgegebenen Schichtdicke zu prüfen. Um die präventive Schutzmaßnahme»Tiefenhydrophobierung«erfolgreich zu gestalten, sind diverse Schritte vor, während und nach der Maßnahme erforderlich. Planung Hierzu werden Bohrkerne mit einem Mindestdurchmesser von 70 mm am zu schützenden Bauteil entnommen. Diese Bohrkerne werden dann im Labor auf Carbonatisie rungs tiefe, Porosität, Chloridgehalt der effektiven Ein dringtiefe untersucht. Bei der Bestimmung der Carbonatisie rungstiefe muss der Carbonati sierungsfortschritt im Vorfeld ermittelt werden, um ein daraus resultierendes Korrosionsrisiko bezüglich der»restlebensdauer«abschätzen zu können. Auch die Porosität der Bauwerke bestimmt maßgeblich die Dauerhaftigkeit der Stahlbetonbauwerke. Sie ist aber auch für eine mögliche Oberflächenschutzmaßnahme durch eine Tiefenhydrophobierung von Bedeutung. Die Kapillarporosität der Bauwerke wird durch Tauchwägung an Bohrkernproben ermittelt. Die Ergebnisse der Wasseraufnahme dienen zur Bestimmung der effektiven Eindringtiefe des Hydrophobierungsmittels als Referenzprobe. Die Wirksamkeit und Dauerhaftigkeit der Maßnahme hängt sehr stark von dieser effektiven Eindringtiefe ab. Sie beschreibt die Dicke der Betonrandzone, in der die Wasseraufnahme komplett unterbunden wird. Die Verteilung der Chloridionen im Bauwerk bzw. die Chlorideindringtiefe spielt für die Dauerhaftigkeit von Beton ebenfalls eine Rolle. Er reicht die Chloridfront bereits den Bewehrungsstahl, so ist eine nachträgliche Oberflächenschutzmaßnahme nicht mehr wirkungsvoll. Durchführung Sind alle Voraussetzungen für den Einsatz einer Tiefenhydrophobierung vorhanden, erfolgt die Bestimmung der»effektiven Eindringtiefe«und des»minimalen Wirkstoffgehalts«. Die Ergebnisse können nun als Vorgabe in der Ausschreibung fixiert werden und sind später Grundlage der Qualitätskontrolle. Für eine dauerhafte Schutzmaß nahme muss an der Baustelle eine Überprüfung der Vorgaben vorgenommen werden. In einem Bau tagebuch werden dabei u. a. die Witterungsbe dingungen während der Applikation und die Tagesleistungen dokumentiert. Ein Vorteil bei der Überwachung vor Ort ist der Einsatz der hochviskosen Hydrophobierungsmittel, die sogenannten Cremes (StoCryl HC 100) und Gels (StoCryl HG 200). Diese Produkte verbleiben nach der Applikation für eine geraume Zeit auf der Oberfläche. Hier kann man nun mittels eines sog. Nassfilmschicht dickenmessers die Auftragsmenge kontrollieren, mit den Vorgaben vergleichen und im Bautagebuch dokumentieren. Qualitätskontrolle Die Qualitätskontrolle nach durchgeführter Tiefenhydrophobierung erfolgt sinngemäß in drei Schritten: 1. Kontrolle der Ausführung der Hydrophobierungsmaßnahme. 2. Entnahme von Bohrkernen aus der hydrophobierten Fläche. 3. Kontrolle der effektiven Eindringtiefe und des minimalen Wirkstoffgehalts des Hydrophobierungsmittels mithilfe der FT-IR-Spektroskopie. Die konkreten technischen Vorgaben und Angaben zu den Produkten in den Technischen Merkblättern und Zulassungen sind zwingend zu beachten. Planung und Vorgehensweise 13

14 Einen Schritt voraus In Schweden denkt man heute bereits an morgen Die Tiefenhydrophobierung genießt in Schweden als präventive Schutzmaßnahme einen sehr guten Ruf und wird bereits seit den 90er-Jahren mit Erfolg eingesetzt. Auf grund der hohen Akzeptanz dieser Schutzmaßnahme wurden in der Vergangenheit in Schweden sehr viele Baumaßnahmen mit Tiefen hydro phobierung durchgeführt. Um die Frage der Dauerhaftigkeit bzw. Lebensdauer einer Tiefenhydrophobierung beantworten zu können, wurden in Stockholm 28 Brückenpfeiler untersucht, welche mit einer Eindringtiefe > 6 mm tiefenhydrophobiert wurden. Folgende Auswahlkriterien wurden dabei herangezogen: Die Bauwerke sollten starken Chloridbelastungen ausgesetzt sein An den ausgesuchten Objekten sollten zum Zeitpunkt der Tiefenhydrophobierung möglichst Chloridgehalt- und Carbonatisierungsbestimmungen durchgeführt worden sein, damit der Vergleich mit den aktuellen Untersuchungen eine zeitliche Entwicklung der Schadstoffbelastung aufzeigen und sich so die Wirksamkeit beurteilen lässt. Um Hinweise auf die Wirkungsdauer zu erhalten, wurden Objekte ausgewählt, deren Tiefenhydrophobierung vor 2-15 Jahren ausgeführt wurde. Aus diesen Bauwerken wurden Bohrkerne entnommen und im Labor eingehend untersucht. Das Ergebnis: An allen untersuchten Brücken hatte die Tiefenhydrophobierung ein Eindringen von Chloriden verhindert und war zum Zeitpunkt der Untersu chungen noch voll wirksam. Strömbron, Brücke in Stockholm 14 Einen Schritt voraus

15 So einfach wie effizient: Präventiver Oberflächenschutz von Stahlbetonbauwerken gegen das Eindrin gen von Chloriden mit der Tiefenhydrophobierung StoCryl HG 200 Einen Schritt voraus 15

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