Instandsetzung von Trinkwasserbehältern. Zustandsanalyse & Zustandsprognosen. Dr.-Ing. Sascha Lay

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1 Instandsetzung von Trinkwasserbehältern Zustandsanalyse & Zustandsprognosen Dr.-Ing. Sascha Lay

2 Überblick zum Planungsprozess Ist-Zustand & Zustandsprognose Instandsetzungskonzept & -plan Instandhaltungskonzept & -plan Ausschreibung Ausführungsplanung Qualitätssicherung

3 Vortragsgliederung Schäden und deren Ursachen Schadensmechanismen Ziele und Methoden der Zustandsanalyse Computergestützte Prognosen zum Schädigungsverlauf

4 Schäden und deren Ursachen Übersicht zu wasserbenetzten Oberflächen S. Herb, 1999

5 Schäden und deren Ursachen Wasser ph Beton C-Quelle Hydrolyse, Auslaugen Korrosion: Beton Stahl Tragfähigkeit statisches System Betonfestigkeit Betonquerschnitt Stahlquerschnitt Verbundfestigkeit Ästhetik Hygiene Biofilme Säure, CO 2 Gebrauchstauglichkeit Menge Dichtheit Reinigungsfähigkeit

6 Schadensmechanismen Zementhydratation (C 3 S, C 2 S) + H 2 O CSH + Ca(OH) 2 F.A. Finger-Institut Weimar CSH: Betonfestigkeit Ca(OH) 2 : Korrosionsschutz (CSH, Stahl)

7 Schadensmechanismen Hydrolyse Phase 1: 1,5 CaO/SiO 2 2,0 Na + K + CSH NaOH, KOH, Ca(OH) 2 Ca(OH) 2 13,5 12,5 OH - Ca(OH) 2 Ca 2+ Phase 2: CaO/SiO 2 1,5 ph OH - Ca 2+ CSH (CaCO 3 ) (9,0) Phase 3: Endzustand: 0 CaO/SiO 2 0,2 SiO 2 -Gel SiO2 H 2 O < 7,0

8 Schadensmechanismen Hydrolyse & Permeation Verfärbungen/ Entfestigung primär an Böden und Fußpunkten: Wasserdruckwechsel (Permeation) Methylcellulose & Zinkstearat erzeugen kugelige LP: Gesamtporosität, Saugvermögen, Permeabilität kapillares Saugen o. LP kapillares Saugen mit LP Permeation mit LP [vdz]

9 Schadensmechanismen flächenhafte Hydrolyse (Migration) SiO2 H 2 O CSH CSH - + (CaCO 3 ) Ca(OH) 2 Tiefe x [mm] narbenartige Hydrolyse Fehlstelle

10 Schadensmechanismen Hydrolyse Zementstein thermodynamisch instabil in H 2 O Schutzschicht: Silikatgele und Carbonatschicht Hemmung: Porosität Fazit: reiner Zementstein mit w/z < 0,5 ist in Trinkwasser dauerhaft,... das lehrt uns die Geschichte! Carbonatbildung durch ph-erhöhung von Wasser im Bereich des Kalk-Kohlensäure-Gleichgewichts: Schutzschicht ist zu erhalten! [vdz]

11 Schadensmechanismen Biofilmbildung Kohlenstoffquelle (Trennmittel, Zusatzmittel, Injektionsharze, Holz-/Kohleeinschlüsse, Dichtschnüre, ) mineralische Beschichtungen sind keine C-Barrieren Keimarten variieren von Behälter zu Behälter KBE meist unterhalb der Richtwerte nach TrinkwV Verfärbung (nur Optik): bakterielle Pigmente, Mn, Fe Inselförmige Biofilme (Nährstoffmangel): Wasserverkeimung häufig irrelevant Säureangriff Beton (sekundär): H 2 SO 4, HNO 3, H 2 CO 3 Essigsäure, Zitronensäure, Oxalsäure, Flechtensäure,

12 Schadensmechanismen Säureangriff (Beispiel: Schwefelsäure) Zersetzung von Carbonat unter Gipsbildung: CaCO 3 + H 2 SO 4 + H 2 O -> CaSO 4 2 H 2 O + CO 2 ph sinkt, Gipstreiben Neutralisation von Portlandit unter Gipsbildung: Ca(OH) 2 + H 2 SO 4 -> CaSO 4 2 H 2 O ph sinkt, Gipstreiben Zersetzung der CSH-Phasen unter Gipsbildung: 3CaO 2SiO 2 3H 2 O + H 2 SO 4 -> 3(CaSO 4 2 H 2 O) + 2SiO 2 Festigkeitsverlust, Gipstreiben Schädigende Ettringitbildung: Gips + Wasser + (Monosulfat, CAH) -> Ettringit Treibreaktion

13 Schadensmechanismen Kohlensäureangriff (Trinkwasser, Luft) Bildung von Kohlensäure: CO 2 + H 2 O -> H 2 CO 3 -> 2H + + CO 3 2- nur geringer Teil liegt gelöst vor Neutralisation von Portlandit unter Carbonatbildung: Ca(OH) 2 + H 2 CO 3 -> CaCO H 2 O ph sinkt, Gesamtporosität sinkt, gröbere Porenverteilung Auflösung und Auslaugen von Carbonat: CaCO 3 + H 2 CO 3 -> Ca(HCO 3 ) 2 -> Auslaugen ph sinkt, Porosität steigt

14 Schadensmechanismen Bewehrungskorrosion (ph < 9)

15 Ziele und Methoden der Zustandsanalyse Zielgröße Aktenstudium Wassergüte Schadenskataster Keime, Biofilme Rautiefe Betonchemie Betongefüge Betonfestigkeit Betonquerschnitt Bewehrungskorrosion Untersuchung Behälterbuch, Pläne, Statik, ph, CO 2, SO 4, Mg, Cl, Fe, Mn, Keime, Kiesnester, Rissbreiten & -änderung, Leckagen, Ausblühungen & Verfärbungen, Abwitterung (innen, außen), Abplatzung, org. Ablagerungen (Insekten, Invertebraten), Keime, Brenntest, KBE (Agar: DEV, R2A), Sandfleck, Spachtelversuch ph-indikator, TOC, Asbest, Wenner-Sonde, Hohlstellen (Klopfprobe, Ultraschall, Impact-Echo, Impuls-Thermographie), Mikroskopie (Auflicht, Dünnschliff, REM, ESEM, EDX), Quecksilberporosimetrie Rückprall, Oberflächenzugfestigkeitsprofil, Bohrkerndruckfestigkeit & -E-Modul Ultraschall (Bauteildicke), Betondeckung Betondeckung vs. Farbumschlagstiefe, Potentialfeld, Bewehrungssondierung

16 Ziele und Methoden der Zustandsanalyse Betonchemie: ph-indikator Tiefenzone mit CSH-Phasenabbau (ca. ph < 12,5) Tiefenzone mit Keimbildungspotential (ca. ph < 9) Tiefenzone ohne Korrosionsschutz für Stahl (ca. ph < 9) Phenolphthalein 8,5-9,5 Universalindikatoren (schwach sichtbar)

17 Erfassung des Bauwerkszustands Betonchemie: ph-indikator

18 Ziele und Methoden der Zustandsanalyse Betongefüge WENNER-Sonde Elektrolytischer Widerstand WER,0(200) in [ m] Äqv = 0,35 0,40 0,45 0,50 0, , CEM I 42,5 R CEM I 42,5 R + SFA (k = 0,5) CEM I 42,5 R + SF (k = 2,0) CEM III/B 42,5 NW HS NA wassergesättigter Beton [Gehlen]

19 Ziele und Methoden der Zustandsanalyse Betongefüge REM, ESEM, EDX REM: Rasterelektronenmikroskop ESEM: Environmental Scanning Electron Microscope EDX: Energy Dispersive X-ray analysis AKR-Gel Carbonat auf AKR-Gel

20 Ziele und Methoden der Zustandsanalyse Betongefüge REM, ESEM, EDX REM: Rasterelektronenmikroskop ESEM: Environmental Scanning Electron Microscope EDX: Energy Dispersive X-ray analysis Si S H 2 SO 4 -geschädigte Tiefe Ca 200 µm ungeschädigte Tiefe [Lohaus, Petersen]

21 Ziele und Methoden der Zustandsanalyse Betongefüge Quecksilberporosimetrie 20 Porosität in Vol.-% Tiefe in mm

22 Ziele und Methoden der Zustandsanalyse Betonfestigkeit Rückprallhammer Druckfestigkeit in N/mm² Rückprallwert R Druckfestigkeit in % Carbonatisierungstiefe in mm

23 Ziele und Methoden der Zustandsanalyse Betonfestigkeit Oberfächenzugfestigkeitsprofil Haftzugfestigkeit in N/mm² 2,8 2,4 2,0 1,6 1,2 0,8 Putz Konstruktionsbeton 0, Tiefe in mm DIN EN 1542:1999 ZTV-ING:2003, RILI-SIB:2001

24 Ziele und Methoden der Zustandsanalyse Bauteildicke Ultraschall Wandstärke von Schalentragwerken (Wassertürme) Lokalisierung von Hohlstellen, Gefügestörungen Sender Empfänger

25 Erfassung des Bauwerkszustands Betondeckung Systematische Minderdeckungen aber auch hot spots ohne Schema Deckenausschnitt A Deckenausschnitt B Betondeckung in mm < >50

26 Erfassung des Bauwerkszustands Betondeckung

27 Erfassung des Bauwerkszustands Bewehrungskorrosion

28 Erfassung des Bauwerkszustands Bewehrungskorrosion

29 Erfassung des Bauwerkszustands Bewehrungskorrosion p f f X f c C dx c dc f X F c C dx c p f = Flächenanteil [m²/m²]

30 Computergestützte Prognosen - Bewehrungskorrosion Carbonatisierungstiefe = f(t) [mm] S R Betondeckung [mm] k RH : Luftfeuchte k C : Nachbehandlung k t : Testmethodeneinfluss R ACC,0 : Carbonatisierungswiderstand Laborbeton t : Fehlerterm Prüfmethode C S : CO2-Konzentrationsgradient t, t 0 : Zeit, Referenzalter W: Häufigkeit der Wassersättigung

31 Temperatur [ C] Computergestützte Prognosen - Bewehrungskorrosion 30 Temperatur Trinkwasserbehälter Temperatur Oberfläche Deckenuntersicht Taupunkttemperatur Temperatur Wandoberfläche Taupunkttemperatur Wasser an der Innenoberfläche an 108 Tagen/Jahr Exponent W -10 Nov Jan März Mai Juli Sep Jahreszeit [Monat]

32 Computergestützte Prognosen - Bewehrungskorrosion Prinzip der bedingten Wahrscheinlichkeiten p D U p DU p U D = Depassivierung (Korrosionsbeginn) U = Untersuchungsergebnis Nutzbare Untersuchungsergebnisse Betondeckung aus Messungen Carbonatisierungswiderstand R ACC,0 an Betonkernen Carbonatisierungstiefe am Bauwerk

33 Computergestützte Prognosen - Bewehrungskorrosion Berechnungsverfahren CRUDE FORM FORM SORM

34 Computergestützte Prognosen - Bewehrungskorrosion Berechnungsergebnisse

35 Computergestützte Prognosen - Betonkorrosion Modell (R.E. Beddoe, TUM) Korrosionsschicht (hohe Porosität, geringe Festigkeit) Säure gesunder Beton HX <->H + + X -, Ca 2+, Fe 3+, Al 3+, Mg 2+

36 Computergestützte Prognosen - Betonkorrosion Eingangsgrößen Zementart (CEM I, /A-LL, III/B, TSZ), Zementgehalt Art (Silika, SFA) und Gehalt an Betonzusatzstoffen w/z Ca, Al, Fe, Bindemittelvolumen, Porosität Sieblinie, Gesteinsart (Quarz, Calcit, Dolomit) Körnungsverteilung Medium (Art, Konzentration, ph) Fließgeschwindigkeit Betonabtrag

37 Computergestützte Prognosen - Betonkorrosion Ergebnisse Porosität in Vol.-% korrodiert Ausgangslage ph-wert Tiefe in mm + Zeit bis vorgegebene Korrosionstiefe erreicht ist

38 Hauptsitz München Fraunhoferstr. 30 b München +49.(0) Neumarkt i.d.opf. Klostergasse Neumarkt +49.(0) Rhein-Main Landgraf-Gustav-Ring Bad-Homburg +49.(0) info@concrete-concepts.eu