Innenkorrosion und Inkrustation. Sanierung mit Zementmörtelauskleidung: Moderne und wirtschaftliche Alternative

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1 Spezial Instandhaltung von Leitungsnetzen Sanierung mit Zementmörtelauskleidung: Moderne und wirtschaftliche Alternative Abb. 1 Inkrustiertes Rohr Abb. 2 ZM-ausgekleidetes Rohr Rohrsanierung Bei der Zementmörtelauskleidung handelt es sich um ein wirtschaftliches Verfahren zur Wiederherstellung von Rohren aus Gusseisen oder Stahl in Wasserverteilungsnetzen, die durch Inkrustationen und Korrosion in ihrer Funktionstüchtigkeit beeinträchtigt wurden. Das Verfahren hat sich bei vielen Auftraggebern als sinnvolle Alternative zu einer Neuverlegung und anderen Sanierungsverfahren behauptet. Modernste Gerätetechnik macht es möglich, Rohrleitungen der Nennweiten von 80 mm bis zu mm aus Stahl, Grauguss und duktilem Guss nachträglich mit Zement auszukleiden, welcher als Innenbeschichtung in der Neuverlegung Standard ist. Weitere Rohrmaterialien werden folgen. Die Voraussetzung: Eine gründliche Prüfung der Altrohrleitung, um die Eignung des Verfahrens festzustellen. Innenkorrosion und Inkrustation sind die Hauptursache für Wassertrübung und hydraulische Leistungsverluste. Durch Korrosion kann es zu einem Abtrag an den Rohrinnenwänden kommen, zudem führen Inkrustationen zu einer deutlichen Reduzierung der Rohrquerschnitte. Die Auswirkungen sind besonders bei Leitungen mit geringen Nennweiten äußerst gravierend. Abhilfe schafft eine Auskleidung mit Zementmörtel. Wichtig ist eine gründliche Reinigung der Leitung vor der Sanierung. Das Trinkwasser muss bestimmte analytische Randbedingungen erfüllen, zum Beispiel in Bezug auf die Kalklösekapazität. Unter diesen Voraussetzungen kann die Auskleidung einer Rohrleitung mit Zementmörtel den Innenschutz wieder herstellen, kleine Undichtigkeiten beseitigen, Korrosion verhindern, Inkrustationen unterbinden und Rohrwandreibung mindern (Abb ). Die wissenschaftliche theoretische Grundlage Die Technologie der Innenauskleidung von Rohrleitungen bei der Sanierung von Trinkwasserleitungen bietet Innenkorrosionsschutz durch Abschirmen der metallischen Oberfläche von Wasser und aktiven Korrosionsschutz durch chemische Prozesse an der Grenzfläche zwischen Metall und Zementmörtel. Während die mechanische Abschirmung durch ihre hohe Dichte von ca % Porosität der Zementmörtelschicht im Anschleuderverfahren aufgebracht liegt, ist bei Beton ein Poren-Volumen von 8-25 % normal. Auch sind in der Zementmörtelauskleidung keine durchgehenden Poren vorhanden. Die chemische Unterstützung findet durch eindringende Wassermoleküle statt. Die Moleküle lösen geringe Mengen Kalk und in Verbindung mit Eisen entsteht Eisen(III)-Hydroxyd. Im Laufe der Zeit entsteht eine echte Verankerungsschicht. Zusätzlich entsteht eine Wechselwirkung mit 20 10/2008

2 Technik dem durchfließenden Wasser, wenn die Auskleidung durch mechanische Einflüsse Risse erhalten hat. Wie bereits in den 50er Jahren nachgewiesen wurde, schließen sich die Risse durch Kristallneubildung wieder von allein. Hierbei wird der Rohwerkstoff nicht beeinträchtigt, es entstehen Dicalciumsilikate. Man gewinnt ein Verbundrohr mit statisch mittragender Wirkung. Berücksichtigung kann dies finden bei Erddruck- und Vakuum-Belastung: h e = h e + h m E m E st h e = rechnerische Stahlwandstärke h e = vorhandene Stahlwandstärke h m = Mörtelschicht E m = Elastizitätsmodul Mörtel E st (Quelle: Prof. Naber, Sonderdruckbeton) = Elastizitätsmodul Stahl Der Rohrwerkstoff Die Technologie der Innenauskleidung von Rohrleitungen wird vorzugsweise bei der Sanierung von Trinkwasserleitungen aus ferromagnetischen Werkstoffen (Guss, Stahl) angewandt. Allerdings konnte das Verfahren auch bei der Auskleidung von AZ-Leitungen bereits erfolgreich eingesetzt werden. Vor allem in Hinblick auf die Diskussion um gelöste AZ-Fasern im Trinkwasser bietet eine Zementmörtelauskleidung dauerhaften Schutz vor einem Eintrag der Fasern ins Trinkwasser. Eine ausgereifte Methode, die auch bei Fernwärme- und Abwasserleitungen mit Erfolg angewandt wurde. Hierbei kamen Abb. 3 Schleudermaschine auf Gleitkufen zentriert kunststoffvergütete Zementmörtel zum Einsatz, die auf die speziellen Eigenschaften der Medien zum Beispiel die hohe Temperatur oder die chemische Aggressivität abgestimmt waren. Die Technik Vier Methoden des Aufbringens von Zementmörtel zur Auskleidung von Trinkwasserleitungen sind bekannt. Das Verdrängungsverfahren, das Auspressverfahren, das Anschleuderverfahren sowie das händische Auftragen. Das Verdrängungsverfahren: In den Anfängen der Zementmörtelauskleidung stellte das sogenannte Verdrängungsverfahren den Stand der Technik dar. Hierbei wird der Mörtel in erdverlegte Wasserleitungen eingebracht und mit einem zylindrischen Körper mit Kegelspitze an die Rohrwand verdrängt und geglättet, indem der Verdrängungskörper, dessen Außendurchmesser um die aufzubringende Schichtdicke kleiner ist als die Rohrleitung, mit einer Seilwinde durch die Haltung gezogen wird. Die Erfahrungen haben jedoch gezeigt, dass mit diesem Verfahren in vielen Fällen keine gleichmäßige und gut verdichtete Beschichtung erreicht wird. Das Auspressverfahren: Beim Auspressverfahren erfolgt die Beschichtung durch die Auspressung eines Ringraumes mit Zementmörtel. Der Ringraum entsteht durch eine in die Rohrleitung eingebrachte Schalung, die nach Erreichen der geforderten Mindestfestigkeit wieder entfernt wird. Das Zementmörtelauspressverfahren arbeitet mit einer pneumatisch oder durch Wasserfüllung aufgeweiteten Schlauchschalung. Der dabei entstehende Ringraum wird mit Zementmörtel verfüllt. Nach der Erhärtung des Mörtels (in der Regel Stunden nach der Verfüllung) kann der Schalschlauch entfernt werden. Das auf dem Schlauch zur Zentrierung und Fixierung befindliche Abstandshalternetz verbleibt innerhalb der Beschichtung. Das Anschleuderverfahren: Die verschiedenen Techniken des Anschleuderverfahrens gehören heute zu den am meisten angewandten Arbeitsweisen. Diese Verfahren ar- Güteschutz Kanalbau Vom Güteausschuss beauftragt: Dipl.-Ing. D. Walter (li.) Hagenbüchach Einer Ihrer Partner im Gespräch über: n besondere Erfahrung und Zuverlässigkeit n Weiterbildung n Betriebseinrichtungen und Geräte n Subunternehmer n Eigenüberwachung Gütesicherung Kanalbau RAL-GZ 961 Beurteilungsgruppen: AK3; AK2; AK1 VP; VM; VD; VO; VOD S..; I; R; D; G; ABS 10/

3 Spezial Instandhaltung von Leitungsnetzen Abb. 4 Großrohr ZM-Auskleidung mit Glättkelle Abb. 5 Baustelleneinrichtung zum Auskleidevorgang beiten mit schnell rotierenden Schleuderköpfen, die den Zementmörtel gegen die Rohrinnenwand werfen. Maschinentechnisch kann man das Anschleuderverfahren in zwei Untergruppen aufteilen: Das Anschleuderverfahren mit luftangetriebenen Motoren in nicht begehbaren Leitungen: Leitungen ab der Dimension DN 80 können mit luftangetriebenen Schleudermotoren auf eine Streckenlänge von bis zu 150 Metern ausgekleidet werden. Hierbei wird der Zementmörtel durch Pumpen über Hochdruckschläuche zu einem extrem schnell rotierenden Schleuderkopf gefördert und dort durch die Wirkung der Zentrifugalkraft an die Wand geschleudert. Hierbei entsteht eine sehr gut verdichtete gleichmäßige Mörtelbeschichtung von mehreren Millimetern (Abb. 3). Das Anschleuderverfahren mit elektrisch angetriebenen Schleudermaschinen in begehbaren Leitungen: Ab der Dimension DN 800 kommen beim Auskleiden von Leitungen bemannte, selbstfahrende Maschinen zum Einsatz. Der Maschinenführer bedient eine durch Trenntrafo und Niederspannung gesicherte Arbeitsmaschine, welche dem vorherigen Prinzip folgend, eine Beschichtungsstärke von bis zu 15 mm in einem Arbeitsgang erzeugt. Ein Vorteil: Die Streckenabschnitte können auf bis zu 700 Meter vergrößert werden (Abb. 4). Handauskleidung: Leitungsteile in begehbaren Rohren, die nicht maschinell ausgekleidet werden können, zum Beispiel Formstücke, müssen von Hand beschichtet werden. Hierbei ist zu beachten, dass der verwendete Zementmörtel die gleiche Zusammensetzung besitzt und den gleichen Anforderungen entspricht, wie der Mörtel der maschinellen Auskleidung. Tabelle 1 DVGW-Arbeitsblatt W 343, Tabelle 2 Der Baubetrieb Baumaßnahmen, bei denen Druckrohre mit Zementmörtel ausgekleidet werden, sind im Wesentlichen in die drei Gewerke Tiefbau, Rohrbau sowie Reinigung und Sanierung zu unterteilen. Die Baugruben müssen in der Regel nur bis 50 cm unter Unterkante Rohr ausgehoben werden. Der zur Sicherung der Baugrube eingesetzte Verbau dient dabei als Widerlager für die zur Sanierung eingesetzten Geräte. Der Abstand der Baugruben richtet sich nach den Zwangspunkten, die sich aus dem Ausbau von Armaturen ergeben, und nach der eingesetzten Maschinentechnik. Im weitestgehend durch kleine Leitungen im Nennweitenbereich DN 600 charakterisierten innerstädtischen Bereich, wird üblicherweise mit einer Sanierungslänge von bis zu 150 Metern der nächste Zwangspunkt erreicht (Abb. 5). Bei Transportleitungen im freien Gelände kann ein Baugrubenabstand von bis zu 700 Metern gewählt werden, falls eine Großrohrtechnik mit Nennweiten > DN 600 zum Einsatz kommt. Die großen Abstände sind möglich, da beim Einsatz selbstfahrender Arbeitsmaschinen der Sanierungsabschnitt halbiert wird und je Takteinheit bis zu 350 Meter geschleudert werden können. Ein mittig in der Strecke entstehender Übergang wird von Hand nachgearbeitet. Im ersten Arbeitsschritt werden die Leitungen außer Betrieb genommen und getrennt. Dann erfolgt eine gründliche Reinigung. Hierzu wird eine erste Seil- Material Nennweite Mindestschichtdicke Schichtdicken- DN in mm toleranz in mm Gusseisen 250 3,0 + 1,5 > 250 bis 900 5,0 + 2,0 > 900 6,0 + 2,5 Stahl 150 3,0 + 2,0 > 150 bis 300 4,0 + 2,5 > 300 bis 600 5,0 + 2,5 > 600 bis ,0 + 3,0 > 1000 bis ,0 + 3,0 > ,0 + 3,0 Quellen: Tab.1: Technische Regel, Arbeitsblatt W 343, April 2005, DVGW-Regelwerk 22 10/2008

4 Technik Abb. 7 Kratzmolch DN1200 Abb. 6 Schleudermotor und Kratzmolch verbindung entweder mit einem kleinen Fallschirm mit Druckluft eingeblasen oder bei großen Leitungen die Seilverbindung durch ein selbstfahrendes Gerät hergestellt. Sobald ein ausreichend dimensioniertes Stahlseil in die Leitung eingebracht ist, erfolgt die Reinigung mit Kratzern und Scheiben. Zu Entfernen sind alle losen und leicht haftenden Inkrustationen bzw. Korrosionsprodukte. Die zur Reinigung notwendigen sogenannten Kratz- und Scheibenmolche werden im Kleinrohrbereich mit Winden von bis zu 6 Tonnen Zugkraft bewegt. Bei großen Leitungen werden Winden mit 20 Tonnen Zugkraft benutzt (Abb ). Die Häufigkeit der Reinigungsdurchgänge ist abhängig vom Verschmutzungsgrad. Sie müssen bei Bedarf mehrfach wiederholt werden. Haben sich spongiose Korrosionsnester gebildet, ist eine Reinigung mit Stahlbürsten zwingend erforderlich, wobei eine metallisch blanke Oberfläche nicht erzielt werden muss (Abb. 8). Neben der mechanischen Reinigung ist auch eine hydraulische Höchstdruckreinigung mit umlaufenden Düsen möglich. Wegen des hohen Wasserbedarfs und des Entsorgungsaufwandes kommt diese Reinigungsform allerdings nur selten zum Einsatz. Nach abgeschlossener Reinigung erfolgt die maschinelle Auskleidung. Hierbei ist bei pneumatisch angetriebenen Schleudermotoren die Zentrierung auf Kufen und bei elektrisch angetriebenen und selbstfahrenden Schleudermaschinen auch die Veränderung der Achsbreite besonders wichtig, um die Positionierung des Schleuderkopfs in der Mittelachse der Rohrleitung konsequent sicherzustellen (Abb. 9). Die Schichtdicken regelt das DVGW- Arbeitsblatt W 343, Tabelle 2. Auf den Einsatz von nachlaufenden Glätteinrichtungen wird weitestgehend verzichtet. Ihre Verwendung führt zu einer Störung des Mörtelgefüges. Die Feinstanteile an Zementlehm und Wasser werden wie bei normalen Verputzarbeiten nach oben gezogen, verbessern jedoch die Wandrauigkeitswerte nicht in gleicher Weise (Tabelle 1). Eingesetzte Materialien Die mit dem Lebensmittel Trinkwasser in Berührung kommenden Stoffe müssen den Bestimmungen des Lebensmittelrechts ( 31) entsprechen. Daher kommen nur gereinigte und feuergetrocknete Quarzsande in Betracht, die den Anforderungen der DIN entsprechen. Eine Sieblinie bietet optimalen Schutz vor Rückprall und gewährleistet gute Druck- und Biegezugfestigkeiten. Als Zemente kommen bevorzugt PZ 35 F zum Einsatz, die der DIN EN oder DIN 1164 entsprechen. Zusatzmittel, Zusatzstoffe oder Mahlhilfen dürfen nicht eingesetzt werden. Das Zugabewasser muss Trinkwasserqualität aufweisen und der Mörtel mit hoher Genauigkeit im Verhältnis von 1:1 mit einem Wasserzementwert von maximal 0,35 zwangsgemischt sein. Die Nachbearbeitung Nach Aufbringen des Zementmörtels muss die Aushärtung unter ausreichender Feuchtigkeit erfolgen. Dies geschieht auf der Baustelle durch Verschließen der Leitungsenden mit einer Folie oder einem Deckel. Als Mindestvoraussetzung muss dabei eine zugfreie Aushärtung des Mörtels sichergestellt werden. Formstücke, die in der Regel von Hand ausgekleidet werden, müssen mindestens die ersten sieben Tage ständig feucht und frei von Zugluft gehalten werden. Ebenso wichtig: Die gesamte Auskleidung darf nicht unterhalb des Frostpunktes geraten. Rohrzusammenführung Material PE / ,-/St. 40/ ,-/St. zuzüglich Mehrwertsteuer, ab Werk Tel.: 07024/ Fax: 07024/ Neuffenstraße 78 D Wendlingen COLSHORN C Brunnenbauzubehör und Gußerzeugnisse 10/

5 Spezial Instandhaltung von Leitungsnetzen Winde Reinigung Winde Kratzer Gummischeibenmolch Abb. 8 Reinigung der zu sanierenden Leitung Die Nutzungsdauer von ZM-sanierten Leitungen Bei Tests mit Rohrproben von Auskleidungen mit einer Lebensdauer von 22 Jahren konnten keine besonderen Veränderungen an der Beschichtung festgestellt werden. Selbst ein geringes Absondern der an der Oberfläche statistisch verteilten Größtkörner von bis zu 1 mm konnte nicht nachgewiesen werden. Es ist davon auszugehen, dass ZM-sanierte Leitungen einer Neuleitung gleichzusetzen sind. Eine gewisse Einschränkung gibt es bei Leitungen, welche durch Abrieb bereits eine Schädigung erfahren haben, die zu Undichtigkeiten nach der mechanischen Reinigung führen. Die Hydraulik Werkseitig ausgekleidete Rohre besitzen einen K-Wert von 0,1. Netzbetreiber ermittelten über Druck- und Durchflussmessungen für nachträglich sanierte Leitungen Beiwerte von bis zu K = 0,04. Bei inkrustierten Rohrleitungen ergaben sich Werte von K = 5 bis K = 40. Diese Messungen haben gezeigt, dass nachträgliche Zementmörtelauskleidungen die volle Leistungsfähigkeit der Leitung wiederherstellen. Teilweise ergeben die Durchflussmessungen bessere Werte als bei neuverlegten Gussleitungen. Ursache hierfür sind die geringeren Verwirbelungen im Bereich von überschleuderten Muffen. Die Qualitätssicherung Bei begehbaren Leitungen ist die Qualitätssicherung unproblematisch. An jeder Stelle kann die Beschichtung durch Entnahme von Proben überprüft werden. Bei Bedarf werden die betroffenen Stellen händisch nachgearbeitet. Anders sieht es bei der Auskleidung kleiner Leitungen im Nennweitenbereich < DN 600 aus. Hier beginnt die Qualitätssicherung mit der Auswahl der Maschinentechnik. Es kommt nicht nur auf das exakte Mischungsverhältnis von Quarzsand, Wasser und Zement an, sondern der Einsatz von Zwangsmischern ist ebenfalls Pflicht. Auch die sogenannten Spillwinden stellen ein wichtiges Werkzeug für eine qualitativ hochwertige Ausführung der Auskleidung dar. Das mehrfach um Rollen und Spillköpfe eingeschorene Stahlseil erfährt auf diese Weise eine gleichmäßige Zuggeschwindigkeit unabhängig von der benötigten Kraft. Zusätzlich ist der Einsatz von einem Kondensatsammler am Kompressor erforderlich. Er beugt gegen eine Vereisung des schnell rotierenden Schleuderrads vor. Außerdem könnte austretendes Wasserkondensat die Steifigkeit des Mörtels beeinträchtigen. Zusätzlich müssen Ölfilter eingesetzt werden. Sie verhindern, dass in der Luft mitgeführtes Öl als organische Substanz die Innenseite der Beschichtung verunreinigt. Die Schichtstärke der Zementmörtelauskleidung wird sowohl am Anfang als auch am Ende des Sanierungsabschnitts mit dem sogenannten Einstichmaß am frischen Mörtel festgestellt. Eine kontinuierliche Zuggeschwindigkeit liefert bei gleichbleibender Mörtelfördermenge eine gleichmäßige Schichtstärke. Gemessen wird die Zuggeschwindigkeit durch ein automatisches Zugdiagramm an der Winde. Damit kann indirekt der Nachweis der Schichtstärke erbracht werden. Der Einsatz von auf Tragkörpern montierten magnetinduktiven Messgeräten wurde aufgrund der Vielzahl von störenden Einflüssen auf die kontinuierliche Messmethode wieder verworfen. Heute üblich sind eine Abnahme der Reinigung und eine Abnahme der Zementmörtelbeschichtung mit einer Fernsehkamera (Eigenüberwachung). Die Festigkeitswerte Zur Feststellung der mechanischen Kennwerte werden Probekörper aus dem Rohrmörtel hergestellt und auf Druck- und Biegezugfestigkeit geprüft. Darüber hinaus werden mikrobiologische Untersuchungen an den Betonprobekörpern durchgeführt. Festigkeitswerte nach 28 Tagen [N/mm 2 ] Druckfestigkeit 50 Biegezugfestigkeit 5 Kosten Eine Vergleichsrechnung zwischen Neuverlegung und Sanierung von Rohren ist zwar für den Einzelfall möglich, bringt aber in Hinblick auf allgemein gültige Aussagen keine befriedigenden Ergebnisse. Die Einflussfaktoren sind zu zahlreich. Das Alter und der Zustand der Leitung, die Bodenverhältnisse, die Lage im Verkehrsraum, Tiefe, Grund /2008

6 Technik Winde Kompressor Mörtelpumpe ZM-Auskleidung Schleudermotor Glättrichter Abb. 9 ZM-Auskleidung des Trinkwasserrohres wassereinflüsse und Nutzungsdauer machen es schwierig, die Werte miteinander zu vergleichen. Interne Vergleichsrechnungen zeigen, dass die Kosten für eine Sanierung weniger als 40 Prozent der Kosten einer Neuverlegung betragen. Mit zunehmendem Leitungsquerschnitt verbessert sich dieses Verhältnis deutlich zugunsten der Sanierung mittels Zementmörtelauskleidung. Ausblick Die Praxis bestätigt: Zunehmend mehr Netzbetreiber sind überzeugt, dass die Zementmörtelauskleidung von Trinkwasserleitungen gemäß DVGW-Arbeitsblatt W 343 mit nach R4 zertifizierten Fachunternehmen ein bewährtes Sanierungsverfahren für statisch intakte Rohrleitungen bietet. Im Bereich von Großrohrleitungen der Nennweiten DN 600 bis DN für Transportleitungen sowie im Netz der Trinkwasserversorgung mit Nennweiten von DN 80 bis DN 500 insbesondere bei bereits erneuerten Hausanschlüssen bietet das äußerst wirtschaftliche Sanierungsverfahren Einsparpotenziale gegenüber einer Neuverlegung von Prozent. Fachleute rechnen mit einer möglichen Nutzungsdauer von rund 40 Jahren, wobei bereits 50 Jahre alte Leitungen untersucht wurden, die nach wie vor einwandfrei funktionierten. Neben den genannten technischen Vorzügen ergeben sich auch Vorteile im Baustellenablauf. Die Sanierung erfolgt ohne große Beeinträchtigungen des Straßenverkehrs und der Umwelt und die Rohrleitung braucht nur abschnittsweise außer Betrieb genommen werden. Der relativ geringe Aufwand für Tiefbauarbeiten sowie die kurze Bauzeit halten die Gesamtkosten für die Sanierung ebenfalls niedrig. Alle Abbildungen: DIRINGER & SCHEIDEL ROHR- SANIERUNG GmbH & Co. KG Autor: Dipl.-Ing. (FH) Jochen Bärreis RSV-Vorstandmitglied DIRINGER & SCHEIDEL ROHRSANIERUNG GmbH & Co. KG Wilhelm-Wundt-Str Mannheim Tel.: Fax: jochen.baerreis@dus.de Internet: DVGW zertifiziert JAIN Filter- & Vollwandrohre aus PVC- U nach DIN 4925 mit Gewindeverbindung JAIN SURE - LOC mit Steckmuffe Hergestellt ohne Verwendung von Bleistabilisatoren! NEUENTWICKLUNG PUMPENSTEIGLEITUNGEN (Schutzrechte angemeldet) Vertriebsgesellschaft m.b.h Grödig Tel. +43 (0) / Fax +43 (0) / office@hydropipe.at Oberfeldstraße 4 Austria 10/