Instandsetzung von Trinkwasserbehältern Zustandsanalyse & Zustandsprognosen Dr.-Ing. Sascha Lay
Überblick zum Planungsprozess Ist-Zustand & Zustandsprognose Instandsetzungskonzept & -plan Instandhaltungskonzept & -plan Ausschreibung Ausführungsplanung Qualitätssicherung
Vortragsgliederung Schäden und deren Ursachen Schadensmechanismen Ziele und Methoden der Zustandsanalyse Computergestützte Prognosen zum Schädigungsverlauf
Schäden und deren Ursachen Übersicht zu wasserbenetzten Oberflächen S. Herb, 1999
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
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)
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
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]
Schadensmechanismen flächenhafte Hydrolyse (Migration) SiO2 H 2 O CSH CSH - + (CaCO 3 ) Ca(OH) 2 Tiefe x [mm] narbenartige Hydrolyse Fehlstelle
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]
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,
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
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 3 + 2 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
Schadensmechanismen Bewehrungskorrosion (ph < 9)
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
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) 5 7 9 11 13
Erfassung des Bauwerkszustands Betonchemie: ph-indikator
Ziele und Methoden der Zustandsanalyse Betongefüge WENNER-Sonde Elektrolytischer Widerstand WER,0(200) in [ m] 500 501 479 400 300 Äqv = 0,35 0,40 0,45 0,50 0,55 411 397 380 412 387 331 0,60 220 200 155 100 115 106 78 54 41 112 80 68 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]
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
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]
Ziele und Methoden der Zustandsanalyse Betongefüge Quecksilberporosimetrie 20 Porosität in Vol.-% 18 16 14 12 10 10 20 30 40 50 Tiefe in mm
Ziele und Methoden der Zustandsanalyse Betonfestigkeit Rückprallhammer Druckfestigkeit in N/mm² 60 40 20 0 0 20 30 40 50 60 Rückprallwert R Druckfestigkeit in % 75 50 25 0 0 5 10 15 Carbonatisierungstiefe in mm
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 0,4 0 10 20 30 40 Tiefe in mm DIN EN 1542:1999 ZTV-ING:2003, RILI-SIB:2001
Ziele und Methoden der Zustandsanalyse Bauteildicke Ultraschall Wandstärke von Schalentragwerken (Wassertürme) Lokalisierung von Hohlstellen, Gefügestörungen Sender Empfänger
Erfassung des Bauwerkszustands Betondeckung Systematische Minderdeckungen aber auch hot spots ohne Schema Deckenausschnitt A Deckenausschnitt B Betondeckung in mm <10 10-15 16-20 21-26 27-32 33-38 39-43 44-49 >50
Erfassung des Bauwerkszustands Betondeckung
Erfassung des Bauwerkszustands Bewehrungskorrosion
Erfassung des Bauwerkszustands Bewehrungskorrosion
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]
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
Temperatur [ C] Computergestützte Prognosen - Bewehrungskorrosion 30 Temperatur Trinkwasserbehälter 20 10 0 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]
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
Computergestützte Prognosen - Bewehrungskorrosion Berechnungsverfahren CRUDE FORM FORM SORM
Computergestützte Prognosen - Bewehrungskorrosion Berechnungsergebnisse
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+
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
Computergestützte Prognosen - Betonkorrosion Ergebnisse 80 60 40 20 0 Porosität in Vol.-% korrodiert Ausgangslage ph-wert 12 8 4 0 0 2 4 6 8 Tiefe in mm + Zeit bis vorgegebene Korrosionstiefe erreicht ist
Hauptsitz München Fraunhoferstr. 30 b 80469 München +49.(0)89.20 20 81 75 Neumarkt i.d.opf. Klostergasse 13 92318 Neumarkt +49.(0)9181.500 215 Rhein-Main Landgraf-Gustav-Ring 10 61348 Bad-Homburg +49.(0)6172.936 71 85 www.concrete-concepts.eu info@concrete-concepts.eu