Prävention im Bauwesen - Grundlagen und Technische Ansätze

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1 Prävention im Bauwesen - Grundlagen und Technische Ansätze INSTITUT FÜR PRÄVENTION IM BAUWESEN und INSTITUT FÜR FUNKTIONELLE GRENZFLÄCHEN A. Gerdes KIT Universität des Landes Baden-Württemberg und nationales Forschungszentrum in der Helmholtz-Gemeinschaft

2 Zentrum für Bauchemie MIKRO-Ebene: Institut für Prävention im Bauwesen Wechselwirkungen zwischen Werkstoff und bauchemischer Verbindung (Chemiker/ Ingenieur) MAKRO-Ebene: IONYS AG Entwicklung von Konzepten für reale Bauwerke (Ingenieur/Chemiker) ik ) NANO-Ebene: Aufklärung chemisch-physikalischer Reaktionen bauchemischer Verbindungen (Chemiker) 2 Prof. Dr. Andreas Gerdes

3 Technische Infrastruktur in der Antike Römisches Äquadukt, Segovia, Spanien

4 Wasserversorgung in der Antike 4

5 Dauerhaftigkeit von Baustoffen - gestern Ursachen der Festigkeit alter Römischer und Gothischer Gebäude und die Mittel, gleiche Dauerhaftigkeit bei neuen Mauerwerken zu erhalten. F.L. Ziegler (1776) 5

6 Moderne Technische Infrastruktur ein Überblick Straßen Eisenbahn Wasserversorgung g Energie 6

7 Technische Infrastruktur ein Überblick Nutzungs- und objektspezifische Einwirkungen, wie... Mechanische Belastungen Chemische Angriffe Bildung von Biofilmen Klimawandel Biogasanlage g Kläranlagen Serverraum 7 7

8 Technische Infrastruktur Erhaltung und Unterhalt führen zu technologisch ökologisch und ökonomisch aufwendigen Instandsetzungen. Instandsetzung von Brücken Kosten Instandsetzung Erstellung Umweltbelastung Aufwand in % Instandsetzung von Parkhäusern Hardbrücke, Antike ZürichZisternen 8 8

9 Technische Infrastruktur Herausforderungen Anlagevermögen Technischer Infrastruktur: ca. 850 Mrd. Sfr. 70 Investitionen für Unterhalt und Ausbau der Infrastruktur bis 2030 und Ausba au der rd. Sfr. Unterhalt ruktur in M itionen für Infrastr Investi Wasser Energie Schiene Strasse 9 9

10 Bauen im 21. Jahrhundert - Thesen These 1: ÖKONOMIE Die Funktionsfähigkeit der lokalen Infrastruktur wird für die globale Wettbewerbsfähigkeit der Industriestaaten und Schwellenländer entscheidend sein. These 2: TECHNOLOGIE Nachhaltige Infrastruktur ist mit qualitativ hochwertiger und leistungsfähiger Bauchemie herstellbar These 3: ÖKOLOGIE Aus ökologischen Gründen müssen die extrem hohen Massen- und denergieflüsse im Bauwesen drastisch reduziert werden. These 4: GESELLSCHAFT Die gesellschaftlichen Entwicklungen werden ein an die jeweilige Situation angepasstes Nachhaltiges Bauen erfordern. 10 Prof. Dr. Andreas Gerdes

11 Prävention im Bauwesen Rohstoffprofile Monitoring Werkstoff- Performance Material- konformität Definition Anforderungs- profile Werkstoff- Kompatibilität Konzepte Qualitätskontrolle Oberflächenfunktionalisierung f li i 11

12 Auswahl der Produkte und Prävention

13 Beispiel 1: Produkt - Parkhaus Mechanische Belastungen Chemische/Physikalische Belastungen Eindringende Gase, z.b. CO 2 Carbonatisierung Einwirkende Tausalz-Lösung Variierender Chloridgehalt variierender Feuchtegehalt Temperaturdifferenzen PRÄVENTION (durch Oberflächenschutz-Systeme) 13

14 Zemente vom Typ CEM II/III Aus ökologischen Gründen werden zunehmend die Portlandzemente (CEM I) durch: CEM II Flugaschezemente, CEM III Hochofenzemente, ersetzt. Besonderheiten: - Geringe Permeabilität - hohes Chloridbindevermögen - niedrige Hydratationsgeschwindigkeit - begünstigte Austrocknung NACHBEHANDLUNG!

15 Ausgangssituation Herstellung der Verkehrsflächen mit Beton C35/45 unter Verwendung von CEM III/A 42.5 N und Flugasche hergestellt. Nachbehandlung durch: - Nachbehandlungsmittels (NBH) - Abdecken mit einer Folie Vorgegebene Werte für die Haftzugfestigkeit nicht erreicht. Fragestellung: WAS IST/SIND DIE URSACHE(N) FÜR DIESES VERSAGEN

16 Ursachen für das Werkstoffversagen Mangelnde Nachbehandlung (zu spätes Abdecken bzw. Aufsprühen des NBH) reduziert Hydratationsgrad Hydratationsprozess wird vorzeitig abgebrochen. Mechanische Festigkeit nicht erreicht (Haftzugfestigkeit) Folgen: ABTRAGEN DER OBERFLÄCHE (KOSTEN: ) Prävention: Qualitätskontrolle bei der Nachbehandlung (Kosten: 3000 )

17 Planung und Prävention

18 Beispiel 2: Planung - Thermalbad Mechanische Belastungen Chemische/Physikalische Belastungen Eindringende Gase, z.b. CO 2 Carbonatisierung Einwirkendes Wasser Wasserqualität ( KKS-Gleichgewicht ) Reinigungsmittel (Cl - ) Temperaturunterschiede ( Kinetik ) PLANUNG Inkompatibilität von Regelwerken 18

19 Wasser aggressiv oder nicht? Lösender Zementstein- Auslaugung Angriff Abbau Weiches Hydrolithische Kalklösende Wasser Kohlensäure Korrosion SI < 0 SI = 0 SI > 0 Sättigungsindex i SI

20 Schäden an einer Therme Wasser wird dem Leitungsnetz entnommen nicht betonaggressiv Wasser wird aufbereitet betonaggressiv Angriff auf Beton des Schwallwasserbehälters Ablösen des Fliesenbelags Ablaufrinnen werden angegriffen 20

21 Instandsetzen Technische Aspekte Aufrauen des Betons durch Feststoffstrahlen Beschichtung des Schwallwasserbehälters mit Polymerbeschichtung (EP) Beschichtung der Überlaufrinnen Instandsetzung des Fliesenbelags? Kosten/Ausfall: >

22 Planung Nutzungsabhängige Beanspruchungsanalyse Untersuchung der nutzungsbedingten Belastungen in der Planungsphase (z.b. Beurteilung des Wassers) Erstellung eines nutzungsabhängigen g g Anforderungskatalogs g für die eingesetzten Werkstoffe Erarbeitung eines QS-Konzeptes zur Überprüfung der Eigenschaften nach Objekterstellung Kosten Beanspruchungsanalyse: ca

23 Zustandsanalyse und Prävention

24 Beispiel 3: Zustandsanalyse - Trinkwasserbehälter Mechanische Belastungen Chemische/Physikalische Belastungen Gase, z.b. CO 2 Carbonatisierung Einwirkendes Wasser Wasserqualität ( KKS-Gleichgewicht ) Reinigungsmittel (Cl - ) Instandsetzungen (technisch, h ökologisch und ökonomisch aufwändig 24

25 Zustand eines Trinkwasserbehälters Wasser ist in ständigem Kontakt mit dem Werkstoff Transportprozesse laufen ab Auslaugung Abbau der Bescichtung Aufweichung der Innenflächen des Behälters 25

26 Hg-Druckporosimetrie - Messprinzip Getrocknete Probe 4000 bar Auswertung mit Washburn-Gleichung

27 Hg-Druckporosimetrie - Messergebnis 0,20 0,15 Beschichtung B Porosität: % Beton, W/Z-WertWert 0.5 Porosität: % 0,10 Beschichtung A Porosität: ,05 0,00 0,001 0,010 0,100 1,000 10, ,000 Porengrösse [um]

28 Einfluss der Porosität 28

29 Zustandsanalyse Technische Aspekte Entnahme von Bohrkernen Analyse der Beschichtung - Porosität und Porengrößenverteilung - Schichtdicke - Gehalt an Calciumhydroxid/Calciumcarbonat Beurteilung des Zustandes Gezielte Planung der Instandsetzung Kosten Zustandsanalyse: ca Kosten Instandsetzung: t

30 Instandsetzung und Prävention

31 Beispiel 4: Instandsetzung - Parkhaus Mechanische Belastungen Chemische/Physikalische Belastungen Eindringende Gase, z.b. CO 2 Carbonatisierung Garagen Einwirkende Tausalz-Lösung Variierender Chloridgehalt variierender Feuchtegehalt Temperaturdifferenzen PRÄVENTION (durch Oberflächenschutz-Systeme) 31

32 Schäden am Parkhaus Eindringen chloridhaltiger Wässer chlordinduzierte Korrosion Einwirkung von CO 2 Carbonatisierung Haftungsprobleme mit Ablösen der Beschichtungen Risse als Folge von Schwindprozessen oder statischen Problemen Garagen 32

33 Die Folgen einer Instandsetzung TECHNOLOGIE: Herstellung einer neuen Grenzfläche Alt-/Neubeton Mechanische, h hygrische h und dthermische h Inkompatibilität ÖKOLOGIE: Hohe Umweltbelastungen durch Instandsetzung 2-3-fache Umweltbelastung wie bei der Herstellung des ganzen Bauteils ÖKONOMIE: Hohe Kosten bei der Instandsetzung bis zum Dreifachen dessen, was Abriss und Neubau gekostet hätte 33

34 Prävention Tiefenhydrophobierung der Betonoberflächen Bestimmung der Chlorideindringtiefe Applikation der Tiefenhydropobierung QS: Bestimmung der Eindringtiefe und des Wirkstoffgehaltes Garagen 34

35 Durchführung einer Tiefenhydrophobierung Durchführung einer Voruntersuchung und Planung der Massnahme Temporäres Absperren des Verkehrs und Baustelleneinrichtung Applikation des Hydrophobierungsmittels Qualitätskontrolle 35

36 y p g Aspekte das alt in Mass sen-%, bez zogen auf Beton ngewicht Chloridgeh Silan A, W/Z 0.50 W/Z 0.50 (nicht hydrophobiert) h Silan A, W/Z 0.55 W/Z 0.55 (nicht hydrophobiert) Versuchsbedingungen: Lagerung für 180 Tage in einer 3%igen Cl--Lösung Abstand von der Oberfläche [mm] 36

37 Prävention Tiefenhydrophobierung der Betonoberflächen Wasseraufnahme wird praktisch unterbunden Kein Chloridtransport mehr möglich Wirkungsdauer ca. 20 Jahre Kosten ca. 25 /m 2 Garagen 37

38 Lebenszyklus eines Bauwerks Akteure Recycling/ Deponierung Rohstoffe Produkte Planung Ausführung Nutzung Prävention im Bauwesen Instand - setzun g Nutzung Rohstoff- hersteller Produkthersteller Planer Planer Unternehmer Unternehmer Bauherr

39 Lebenszyklus eines Bauwerks Akteure Recycling/ Deponierung Rohstoffe Produkte Planung Ausführung Nutzung Instandsetzung Nutzung Prävention im Bauwesen Rohstoff- hersteller Planer Produkthersteller Unternehmer Unternehmer Bauherr

40 Kompetenzzentrum Bauchemie, Karlsruhe Danke für Ihre Aufmerksamkeit! 40