7. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Juli 2021 201 Betoninstandsetzung von Trinkwasserspeichern unter besonderen hygienischen Randbedingungen Peter Sudermann, M.Eng. Prof. Dr.-Ing. Manfred Breitbach Koblenz University of Applied Sciences, Germany Lehrgebiet Werkstoffe des Bauwesens, Betontechnologie, Betoninstandsetzung Amtliche Prüfstelle Baustoffe Konrad-Zuse-Straße1, D-56075 Koblenz Abstract The constantly supply with healthy drinking water is one of the most important tasks for the World Health Organisation (WHO) and the European Commission. Furthermore drinking water reservoirs are necessary e.g. for fire protection, in times with ecological crises or war activities and basically to prevent epidemics. The hygiene and functionality requirements on are about 20 times higher than for usual food industries, because the population use their drinking water in many cases over the lifetime. Considering these circumstances there are very special requirements to the construction principles of the reservoir itself, material limitations concerning starting materials as well as material design (concrete, polymers, metallic materials), building supplies, repair materials and material changes due to the chemical attack by the drinking water and thereby negative influence on the further water quality. There must be a modeling of hydraulic functions and steady fluctuation of the water, stagnant water must be prevented in order to reduce microbiological growth. In this contribution the essential aspects for open up construction projects, planning, joint constructions, crack width limitation, construction executions, quality assurance, hygienic standards for materials … will be explained by practical examples with new buildings and existing old structures (up to 100 years old) north of the Alps. The author is among others member of the German Waterways Standards Committee, chairman of different working groups, publicly appointed and sworn expert and planning engineer for drinking water reservoirs. 202 7. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Juli 2021 Betoninstandsetzung von Trinkwasserspeichern unter besonderen hygienischen Randbedingungen 1. EINFÜHRUNG Trinkwasser ist das wichtigste Lebensmittel. Gegenüber anderen Lebensmitteln wird für Trinkwasser ein etwa 20fach höheres Schutzniveau für die menschliche Gesundheit gefordert, da der Mensch i.d.R. lokal ansässig ist und über lange Zeiträume das gleiche Trinkwasser konsumiert und dadurch möglicherweise schädliche Stoffe im Körper akkumuliert. Aus diesem Grunde gibt es für das Trinkwasser selbst und die Werkstoffe im Kontakt mit dem Trinkwasser besondere gesetzliche Rahmenbedingungen und Werkstoffanforderungen (z. B. Gesetz zur Verhütung und Bekämpfung von Infektionskrankheiten beim Menschen (Infektionsschutzgesetz - IfSG), Trinkwasserverordnung (TrinkwV), UBA Umweltbundesamt: z. B. Bewertungsgrundlage für zementgebundene Werkstoffe im Kontakt mit Trinkwasser, Bewertungsgrundlage für Kunststoffe und andere organische Materialien im Kontakt mit Trinkwasser). Derzeit befasst sich die ECHA European Chemicals Agency in Helsinki, Finnland, mit der Festlegung von Grenzwerten von z. B. Schwermetall- und Kunststoffkonzentrationen in zementgebundenen Werkstoffen. Ein Trinkwasserspeicher hat ist neben der sicheren Versorgung der Bevölkerung mit dem Trinkwasser auch weitere zentrale Funktionen zur Sicherstellung: - eines minimalen und maximalen Druckniveaus im Rohrnetz, damit die öffentlichen und privaten Leitungen, Armaturen und Geräte sicher betrieben werden und ungewollte Druckstöße nicht zum Abtransport von Biofilmen im Rohrnetz zu den Endverbrauchern führen, - der Löschwasserreserve, - der Notversorgung bei Katastrophen und Stromausfällen, - notwendiger längerfristiger Bevorratungskonzepte im Rahmen des Trinkwassermanagements aufgrund der Klimaveränderungen. Erfahrungen haben gezeigt, dass die alleinige Versorgung durch das Wasserdargebot (Stauseen, Brunnen, Meerwasserentsalzung) über drehzahlgeregelte Pumpen bei Havarien oder Energieschwankungen anfällig sein kann. Dieser Beitrag dient zur Einordnung der technischen und hygienischen Rahmenbedingungen für den Neubau und die nachhaltige Instandsetzung von Trinkwasserspeichern. Hierbei ist zu beachten, dass gegenüber Bauwerken der Wasserverteilung (z. B. Rohrnetz) das Trinkwasser in großen Mengen und über längere Zeiträume gespeichert wird. Hierzu sind das Oberflächen/ Volumenverhältnis (O/ V) der Wasserkammer, die Fluktuation (z. B. Wasserwechsel/ d, Ganglinie) und die geometrisch-hydraulische Bauform von Bedeutung. Eine tabellarische Grundlagenübersicht der zu beachtenden Punkte für Trinkwasserspeicher sind im Tabellenverzeichnis zusammengestellt (siehe Tabellen 1/ 2 und Tabelle 2/ 2) Stagnierende Wässer in Todzonen, Sümpfen, ungünstig bewirtschafteten Reservoirs, aber auch in Fugen, Hohlstellen, Rissen und Kiesnester führen grundsätzlich zu einem mikrobiell bedenklichen Milieu. Daher sind die Konstruktionen möglichst Fugenfrei und mit besonderer Sorgfalt herzustellen. Zur Unterbindung der Migration von gesundheitsschädlichen Schadstoffen in das Trinkwasser und mikrobieller Filme an den trinkwasserberührten Oberflächen müssen alle Ausgangsstoffe, die verarbeiteten Stoffe, alle Bau- und Hilfsstoffe (z. Schalhaut) und die Bauausführung speziellen Hygienekonzepten unterworfen werden. Aufgrund dieser Anforderungen muss die Verwendung von sonst im Bauwesen üblichen Bauprodukte wie z. B. Abdichtungsstoffe, elastifizierte kunststoffmodifizierte rissüberbrückende Beschichtungs- oder Auskleidungsstoffe, Polymerwerkstoffe, Injektionsstoffe, Klebstoffe … unterbunden bzw. auf ein technisch notwendiges Minimum (Minimierungsgebot) beschränkt werden. Diese Tatsache hat zur Konsequenz, dass bei der Planung und der Bauausführung besondere Maßnahmen ergriffen werden müssen. Die Exposition „Lagerung von Trinkwasser“ gilt im Allgemeinen Stahlbetonbau als unbedenklich. Die üblichen Parameter für den Betonbau wie pH-Wert (für XA), Chloridgehalt (für XD, XS), Wassersättigung (für die Feuchtigkeitsklasse) etc. sind diesem Fall nicht die einzigen wichtigen Parameter. Wasser muss in der Regel nach der Gewinnung aufbereitet werden. Die sogenannte Rohwässer sind in ihrer unbehandelten, chemischen Zusammensetzung (wie Härte, pH-Wert, Chloridgehalt, Kalk-Kohlensäure-Gleichgewicht usw.) nicht zum direkten Verzehr geeignet. Die Wässer durchlaufen dann sogenannte Vorstufen (z. B. Kohlefilter, Membranfilter, Ozonierungsanlagen, Chloranlagen etc.). Erst nach diesem Durchlauf kann man von verzehrsicherem Trinkwasser sprechen. Dieses Trinkwasser wird dann zwischengespeichert bis es verbraucht wird. Kleinere Behälter haben ein Fassungsvermögen von wenigen 100 m 3 , wohingegen große Trinkwasserbehältern (für urbane Gebiete oder Industrien) durchaus auch bis zu 100.000 m 3 speichern können. Die erforderlichen Speicherkapazitäten richten sich nach ihrem Verbrauch. Dabei wird die sogenannte Ganglinie des Wassers mit den dazugehörigen Spitzenverbräuchen im Sommerfall und den ggf. erforderlichen Löschwasserreserven für die Dimensionierung verwendet. In einem Trinkwasserbehältern sollte i.d.R. mindestens 1-2mal pro Tag das Wasser gewechselt werden. Die sogenannten Wasserwechsel dienen dazu Stagnationen des Wassers zu vermeiden und somit der Keimbildung vorzubeugen. Bei diesen Wasserwechseln strömt gespeichertes Wasser aus und frisches (vorkonfektioniertes) Wasser wird dauerhaft wieder eingeleitet. Dies geschieht in der Regel nicht im konstanten Verhältnis, sondern zu Spit- 7. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Juli 2021 203 Betoninstandsetzung von Trinkwasserspeichern unter besonderen hygienischen Randbedingungen zenzeiten wird mehr Wasser verbraucht als nachfließen kann. Über die Nachtzeiten füllen sich dann die Speicher wieder bis zur nächsten Stoßzeit, sodass dann die volle Speicherkapazität wieder zur Verfügung steht. Dadurch entstehen zu den chemischen auch physikalischen Einwirkungen an den Wand-, Boden- und Stützflächen. Diese Einwirkung kann in drei Zonen unterteilt werden: - 1. Zone: oberhalb der Wasserlinie - 2. Zone: Wasserwechsel-Zone - 3. Zone: dauerhaft unter Wasserlinie Aufgrund von dauerhaften Wasserwechsel mit frischen Trinkwasser erfolgt gerade in der Wasserwechsel-Zone ein enormer Frischwasseraustausch, der den oben beschriebenen dynamisch-hydraulischen Verhältnissen entspricht. Dieser Austausch löst chemisch-physikalische Reaktionen aus, die über die üblichen europäisch-harmonisierten Expositionen nicht abgedeckt wird. Die sogenannte Hydrolyse bewirkt Ionentransporte (von innen nach außen). Als Folge dessen ist ein Kalkabbau des Zementsteines (von außen nach innen) zu beobachten. Der hohe pH-Wert an den Oberflächen von mineralisch gebundenen Beton/ Beschichtungen sorgt dafür, dass kein biogener Aufwuchs möglich ist. Durch die Hydrolyse (auch als Auslaugung durch Ionenaustausch bekannt) verliert die Oberfläche stetig ihren hohen pH-Wert. Dadurch steigt wiederum die Gefahr des Aufwuchses und somit auch der Verkeimungen des Behälters 2. HYDROLYSE, MIGRATION UND AUSLAUGUNG Trinkwasser stellt immer einen werkstoffchemischen Angriff auf die Randzone der Oberflächen im Kontakt mit dem Trinkwasser dar. Es handelt sich nicht nur um einen Angriff an der Oberfläche, sondern es werden auch tiefere Schichten miterfasst. Das gilt für Kunststoffe, zementgebundene Werkstoffe und Metalle gleichermaßen (vgl. z. B. Umweltbundesamt UBA: Bewertungsgrundlage für metallene Werkstoffe im Kontakt mit Trinkwasser). Bei den trinkwasserberührten Oberflächen handelt es sich um 1. unmittelbar trinkwasserberührte Oberflächen (unterhalb des maximalen Füllstands), 2. mittelbar trinkwasserberührte Oberflächen (oberhalb des maximalen Füllstands durch Kontakt mit Kondenswasser und/ oder CO 2 -Ausgasung). Die Auskleidung der Wasserkammern stellt immer eine „Opferschicht“ dar. Dabei muss die planmäßige Restnutzungsdauer und die Abnutzungsgrenze beachtet werden (Abbildung 01). Der Abnutzungsvorrat ist der Zustand vor der Erstinbetriebnahme. Er wird planmäßig durch unterschiedliche Prozesse reduziert: - chemische Prozesse (Ionentransporte, chemische Umwandlungen, Auslaugung). - physikalische Prozesse (Druckschwankungen, Wasseraustausch, Abrasion, Reinigung, Desinfektion). Die Abnutzung schreitet zunächst nicht sichtbar von der Oberfläche ausgehend in die Tiefe voran. Physikalische und chemische Vorgänge erfolgen interaktiv (Abbildung 02). Abbildung 01: Abnutzungsgrenze nach der TR-Instandhaltung / breitbach sudermann/ 204 7. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Juli 2021 Betoninstandsetzung von Trinkwasserspeichern unter besonderen hygienischen Randbedingungen Abbildung 02: Schadensprozesse an der trinkwasserberührten Randzone / breitbach sudermann/ Der pH-Wert des Trinkwassers liegt zwischen pH @ 6,5 und pH @ 9,5. Der pH-Wert zementgebundener Werkstoffe wird hauptsächlich durch das Calciumhydroxid mit pH @ 12,6 bestimmt. Ein Teil des Calciumhydroxides liegt chemisch nicht gebunden im Gelporenwasser des Zementsteines vor, ein weiterer Teil chemisch gebunden im Zementgel. Der Abbau des Restnutzungsvorrates erfolgt an der Oberfläche durch chemische Umwandlung von Calciumhydroxid in Calciumcarbonat mit pH @ 8. Calciumcarbonat ist leicht wasserlöslich und geht in Hydrogencarbonat über. Dadurch würde zunächst nur an der Oberfläche spontan der pH-Wert abgesenkt werden, was aber in der Praxis nicht der Fall ist. Aktuelle Forschungsarbeiten (Korrosionsschutz durch mineralische Beschichtungen unter Berücksichtigung der Anforderungen aus dem neuen DVGW- Arbeitsblatt W 300/ Hr. Univ.-Prof. Dr. W. Breit & Hr. Univ.-Prof. Dr. M.Raupach) zeigen, dass der Abbau der Randzone bei üblichen Betriebsbedingungen und nicht betonaggressiver Trinkwasserzusammensetzung etwa 2 mm in Anspruch nimmt. Bei ungünstigen Verhältnissen werden auch Substanzverluste, Aufweichungen und Porosierungen bis in Tiefen von 5 mm beobachtet. Durch Ionentransporte werden aus der Beschichtung bzw. dem Beton Hydroxide infolge des Konzentrationsunterschiedes an die Oberfläche nachgefördert, so dass im Laufe der Zeit sich eine Verarmung bis tief in den Untergrund einstellt (Abbildung 03). Abbildung 03: Auslaugung im Tiefenprofil (repräsentative Bestimmung aus einem anderen Schadensfall)/ breitbach sudermann/ 7. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Juli 2021 205 Betoninstandsetzung von Trinkwasserspeichern unter besonderen hygienischen Randbedingungen Mit der Auslaugung stellen sich drei Prozesse ein: 1. Substanzverlust an der Oberfläche 2. Festigkeitsverlust Oberfläche (Aufweichungen, pastöse Konsistenz) 3. Zunahme der Porosität durch den Abbau von Zementphasen Die Zunahme der Porosität begünstigt wiederum das Eindringen von Wasser und verlagert die Auslaugung zusätzlich in die Tiefe. Die Frage der Betonaggressivität des Trinkwassers kann durch die Bestimmung der Calcitlösekapazität des Trinkwassers beantwortet werden. Über die Tillmans‘sche Gleichung (Gleichgewichtskurve zum Kalk-Kohlensäure-Gleichgewicht) können erste Hinweise für die grundsätzlichen Zusammenhänge gefunden werden (Abbildung 04). Kalkabscheidende Wässern sind kein Garant zur Unterbindung der Auslaugung, wie es zu vermuten wäre. Durch die Carbonatschicht an der Oberfläche mit pH @ 8 kann es zu einer Verschiebung der Wasserqualität in der Mikrowasserschicht an der Oberflächen kommen. Abbildung 04: Zuordnung des Wasser nach dem Kalk-Kohlensäure-Gleichgewicht / breitbach sudermann/ Migration beschreibt in der Praxis allgemein das Wandern (Migrieren) von Ionen oder niedermolekularer Stoffe. Konzentrationsunterschiede in der Porenlösung bewirken einen Diffusionsstrom gelöster Ionen oder Stoffe von Bereichen höherer Konzentration in Bereiche niedriger Konzentration. Sind Baustoffe mit löslichen Salzen belastet, gehen diese bei Aufnahme einer polaren Flüssigkeit in Lösung und werden mit der Flüssigkeit durch das Porengefüge transportiert. Grundlage dieser Transporte ist es, dass die gelösten Stoffe kleiner sind als die Porenradien. Oder umgekehrt reduzieren/ hemmen kleinere Porenradien den Stofftransport. Schwermetallionen haben im Atommodell einen Durchmesser in einer Größenordnung zwischen rd. 0,00005 µm bis 0,0001 µm. Makromoleküle haben einen theoretischen Durchmesser in einer Größenordnung zwischen rd. 0,001 µm bis 0,01 µm. Untersuchungen zur Ionendiffusion in Zementstein zeigen, dass nicht nur die Porenradien die Diffusionsgeschwindigkeit beeinflussen. Die Art den Ionen sowie die Zusammensetzung des Zementsteins spielen eine dabei eine wichtige Rolle. Der Diffusionskoeffizient des Zementsteins durch einen abnehmenden w/ z-Wert und durch Zugabe von Puzzolanen und latent hydraulischen 206 7. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Juli 2021 Betoninstandsetzung von Trinkwasserspeichern unter besonderen hygienischen Randbedingungen Stoffen reduziert. Gegenüber einem CEM I kann diese Reduktion zwischen rd. 60 % bis 80 % betragen. Aus diesen Gründen soll bei zementgebundenen Werkstoffen im Kontakt mit dem Trinkwasser die Porosität und die Porenradienverteilung ermittelt werden. Die Ermittlung der Gesamtporosität erfolgt nach dem gemäß DVGW W 300-5 festgelegten Verfahren mit der Quecksilberdruckporosimetrie bei 2000 bar. Mit dem Prüfverfahren werden Porenradien im Bereich zwischen 0,004 µm (unterer Gelporenbereich) bis zu 100 µm (Luftporen) erfasst. Luftporen sind isolierte Einzelporen und tragen nicht zur Hydrolysebeständigkeit bei. Gelporen haben Porenradien zwischen 0,004 µm und 0,01 µm. Die Kapillaren liegen in einer Größenordnung zwischen rd. 0,01 µm und 0,2 µm. Für die Diffusion sind Porenradien ≤ 0,1 µm relevant. Der Porenradienverteilung ≤ 0,1 µm weist auf Kapillarporen hin, die so klein sind, dass eine Diffusion weitgehend unterbunden wird. Sie dient als indirekter Nachweis zum Wassert-Zement-Wert (w/ z). Liegt der Porenanteil der Porenradien ≤ 0,1 µm ≥ 50 % (Mikrokapillarbereich), so kann der der Zementgebundene Werkstoff als diffusionshemmend eingestuft werden (Abbildung 05). Abbildung 05: mittlere Porenradienverteilung aus einem Praxisbeispiel für zementgebundene Beschichtungen 7. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Juli 2021 207 Betoninstandsetzung von Trinkwasserspeichern unter besonderen hygienischen Randbedingungen 3. BETONTECHNOLOGISCHE ANFORDERUNGEN Im allgemeinen Betonbau sind „Betonrezepturen nach Eigenschaften“ oder „Betonrezepturen nach Zusammensetzung“ die gängigen Orderwege für eine Betonbestellung. Bei „Betonrezepturen nach Zusammensetzung“ legt der Besteller selbst fest wie die Verhältnisse der Zusammensetzung sind. Er übernimmt an dieser Stelle die Verantwortung zur Einhaltung der erforderlichen Widerstände gegenüber den geplanten Einwirkungen. Eignungsprüfungen sind dabei unabdingbar. Bei „Betonrezepturen nach Eigenschaften“ wird der Beton nach seiner Exposition seiner äußeren Einwirkungen erstellt. Die Verantwortung zur Einhaltung der erforderlichen Widerstände liegt hier beim Betonlieferanten. Im Gegenzug dazu kann er frei entscheiden welche Zusammensetzung dafür erforderlich ist. Dabei wird jede Einwirkung im Allgemeinen in betonangreifende (XC, XF, XA, XM) und bewehrungsangreifende (XS, XD) Reaktionen unterteilt. Dies ist für den Bereich der Trinkwasserspeicherung nicht ausreichend. Aufgrund der oben beschrieben Hydrolyse wurde zum Schutz des Bauwerkes die separate Exposition XTWB erforderlich, um einen entsprechenden Widerstand zu schaffen. Die wesentlichen, betontechnologischen Merkmale sind bei XTWB mit Anforderungen an „Zusammensetzung und Eigenschaft“ mit folgenden Anforderungen geregelt: w/ z < 0,5 - Druckfestigkeitsklasse > C30/ 37 N/ mm 2 - Zementgehalt > 320 kg/ m 3 - z bei Anrechnung von Stoffen > 270 kg/ m 3 - Mehlkorngehalt < 400 kg/ m 3 - Sieblinie A/ B 16 oder A/ B 32 - Gesteinskörnung, frei von organischen Verunreinigungen - Konsistenzklasse F 3 Mitte Durch die Einhaltung der oben genannten Eigenschaften wird sichergestellt, dass der Beton - ausreichend dicht ist - geringe Porosität aufweist - eine feste Oberfläche als Widerstand für mechanische Einwirkungen (z.B. Reinigung) hat - einen hoher pH-Wert an der Oberfläche aufweist - eine geringe Feinmörtelschicht an den Schalungsflächen hat - eine gut abgestufte Sieblinie mit hygienisch verwendbarer Gesteinskörnung hat Die Zementauswahl ist eingeschränkt und der Einsatz von Zusatzmittel und Zusatzstoffen ist ebenfalls begrenzt. Bei den Zusatzmitteln ist darauf zu achten, dass es so kann Wechselwirkung kommt. Auch hier gilt das Minimierungsgebot. Viele Arten von Zusatzmitteln Zusatzstoffen können aufgrund ihrer hygienischen Bewertung nicht bedenkenlos eingesetzt werden. Ein Leitfaden zur hygienische Bewertung der betontechnologischen Zusammensetzung kann dem DVGW W347 „hygienische Anforderungen an zementgebundene Werkstoffe im Trinkwasserbereich-Prüfung und Bewertung“ / entnommen werden. Für den Nachweis der „hygienischen Eignung von Ortbeton und vor Ort hergestellten zementgebundenen Werkstoffen in zur Trinkwasserspeicherung“ kann das Merkblatt DVGW W398 herangezogen werden. Die bis hierhin beschriebenen Vorgaben richten sich nach den heutigen Anerkannten Regeln der Technik. Diese sind aber leider noch recht jung, wenn man sich die Gesamtzeit des modernen Betonbaus mit Start ca. Mitte des 19. Jahrhunderts heranzieht. Die ersten Regelwerke zu den hygienischen Nachweisen für Werkstoffe im Kontakt mit dem Trinkwasser wurden in der Zeit zwischen 1984 (DVGW W 270) und 1999 (DVGW W 347) eingeführt. Für Betonbauwerke, die vor dieser Zeit errichtet wurden, liegen keine gesicherten Hygienenachweise vor. Kontamination können durch Migration oder biologisch abbaubare organische Bestandteilen/ Werkstoffe hervorgerufen werden. Analog zu den Nachweisen für neue Werkstoffe (vgl. Abschnitt 3.1.1) können Schwermetelle in den früheren Ausgangsstoffen (z. B. Gesteinskörnungen, Zement) vorhanden sein. Organisch abbaubare Stoffe können z. B. aus Betonzusatzmitteln, Schalölresten, ungeeigneten Fugenmaterialien, Injektionsstoffen, Lösemittelreste oder Abbauprodukte von Beschichtungen resultieren. Diese Kontaminationen lassen sich in manchen Fällen in mehrere Millimeter, bis Zentimeter Tiefe nachweisen, z. B. Kontamination der Betonrandzone mit PCB hinter Chlorkautschukbeschichtungen, zementgebundene Asbest-Schalungsanker, PCB für die langfristige Elastizität von wasserdichten organischen Kunststoffbeschichtungen, etc. Bei undichten Konstruktionen können auch Kontaminationen von außen eingetragen werden, z. B. durch Grund- und Oberflächenwasser oder Abdichtungsstoffe. Kontaminationen des Trinkwassers aus dem Untergrund müssen unterbunden werden, da sich insbesondere bei stagnierendem Wasserverhältnissen (Holstellen, Risse, Fugen, Sumpf, …) ein mikrobiologisches Milieu ausbildet und über Fehlstellen und Transportvorgänge zum Trinkwasser gelangen kann. Die nachträgliche Untersuchung von Kontaminationen in der Bausubstanz ist aufgrund der erforderlichen Probenbeschaffenheit vielfach nicht mit hinreichender Sicherheit möglich. Wenn z. B. aus den Unterlagen/ Aufzeichnungen bekannte oder durch Erkundungen/ Bauwerksöffnungen feststellbare Kontaminationen vorhanden sind, die die 208 7. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Juli 2021 Betoninstandsetzung von Trinkwasserspeichern unter besonderen hygienischen Randbedingungen Trinkwasserqualität negativ beeinflussen können, müssen diese so weit wie technisch möglich beseitigt werden. Lassen sich die Kontaminationen aus technischen Gründen nicht vollständig entfernen, muss das Instandsetzungskonzept sicherstellen, dass die verbleibenden Kontaminationen langfristig innerhalb der vorgesehenen Restnutzungsdauer nicht zu einer negativen Beeinflussung des Trinkwassers führen können. Durch einen sachkundigen Planer müssen die erforderlichen objektspezifischen Mindestanforderungen festgelegt werden (Abbildung 06): Abbildung 06: Modell zur Migration und Auslaugung bei kontaminierten Untergründen in Trinkwasserbehältern / breitbach sudermann/ Alle bekannten, sichtbaren oder nachgewiesenen Kontaminationen müssen vor der Beschichtung technisch beseitigt werden. Es gilt das Minimierungsgebot. Die wirksame Schichtdicke dE,wirk beträgt gemäß DVGW W 347/ 18/ ≥ 10 mm. Statistische Vorhaltemaße gemäß DIN EN 1990 für die den Ebenheits- und Rautiefenausgleich ΔdE und die Auslaugung DdAl müssen vom sachkundigen Planer festgelegt werden. Die Mindestnachbehandlungsdauer beträgt zwischen ≥ 14d und ist vom sachkundigen Planer festzulegen. In der Praxis muss dieser Zeitraum sichergestellt werden, damit eine möglichst lange und ungestörte Hydratation erfolgt und das Porenvolumen reduziert und die Porenradienverteilung verkleinert werden In Zweifelsfällen ist durch ein Monitoring der Erfolg der Maßnahme nachzuweisen. 4. HYGIENISCHE ANFORDERUNGEN AN DIE BAU- UND WERKSTOFFE Ein wesentlicher Unterschied von einem Neubau/ Betoninstandsetzung eines Trinkwasserbehälters im Vergleich zu einem herkömmlichen Neubau/ Betoninstandsetzung eines Ingenieurbauwerks resultiert aus dem Gesetz zur Verhütung und Bekämpfung von Infektionskrankheiten beim Menschen (Infektionsschutzgesetz - IfSG) § 37 Beschaffenheit von Wasser für den menschlichen Gebrauch. Dort wird in ersten Absatz ersichtlich, dass „Wasser für den menschlichen Gebrauch so beschaffen sein [muss], dass durch seinen Genuss oder Gebrauch eine Schädigung der menschlichen Gesundheit, insbesondere durch Krankheitserreger, nicht zu besorgen ist.“ Um dies sicherzustellen sind über die üblichen Vorgaben der Normen für den Stahlbetonbau, wie DIN EN 1990, DIN EN 1992, DIN EN 206, Normungsreihe DIN 1045, Normungsreihe DIN EN 1504, WU-Richtlinie und der TR Instandhaltung zusätzliche rechtlich eingeführte Regelwerke zu beachten. Aus diesem Grund wurden die Arbeitsblätter DVGW W300-1 bis W300-8 herausgebracht (s. Abbildung 07), die die Allgemein Anerkannten Regeln der Technik darstellen. 7. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Juli 2021 209 Betoninstandsetzung von Trinkwasserspeichern unter besonderen hygienischen Randbedingungen Abbildung 07: Systemaufbau und Zusammenhang von DVGW W 300-1 bis W300-8 und DVGW W316 Gemäß der Trinkwasserverordnung, § 17, Absatz 2, dürfen für die Neuerrichtung oder Instandhaltung von Anlagen für die Gewinnung, Aufbereitung oder Verteilung von Trinkwasser nur Werkstoffe und Materialien verwendet werden, die nicht - den nach dieser Verordnung vorgesehenen Schutz der menschlichen Gesundheit unmittelbar oder mittelbar mindern, - den Geruch oder den Geschmack des Wassers nachteilig verändern oder - Stoffe in Mengen ins Trinkwasser abgeben, die größer sind als dies bei Einhaltung der allgemein anerkannten Regeln der Technik unvermeidbar ist. Für alle Baustoffe (Beton / Mörtel oder für polymere und metallische Werkstoffe) dürfen nur eingeschränkte Ausgangsstoffe verwendet werden. Die Untersuchung zur Migration von Inhaltsstoffen in das Wasser erfolgt durch Kontaktversuche mit stagnierendem Prüfwasser über 72 Stunden. Das Wasser wird auf die organoleptischen Eigenschaften (Farbe, Geruch, Trübung, Schaumbildung) sowie auf TOC und die Schwermetalle (Aluminium, Arsen, Blei, Cadmium, Lithium und Nickel) untersucht. Die Untersuchung zum mikrobiologischen Verhalten von organischen Stoffen erfolgt durch Lagerung der Proben in permanent strömenden Wasser. In bestimmten Intervallen werden die Prüfkörper entnommen, der mikrobielle Oberflächenbewuchs nach dem Abtropfen des Wassers gesammelt und das Volumen des Oberflächenbewuchses quantitativ nach Zentrifugieren bestimmt. Die Bewertung erfolgt anhand von anorganischen Referenzproben. Es dürfen nur solche Materialien im Kontakt mit dem Trinkwasser eingesetzt werden, die die festgelegten Grenzwerte nicht überschreiten. Der Betreiber von Anlagen für die Gewinnung, Aufbereitung oder Verteilung von Trinkwasser haben sicherzustellen, dass bei der Neuerrichtung oder Instandhaltung nur Werkstoffe und Materialien verwendet werden, die den oben genannten Ansatz-Anforderungen entsprechen. In der dafür vorgesehenen Umsetzungsverordnung heißt es nach § 17 der Trinkwasserverordnung „Anlagen für die Gewinnung, Aufbereitung oder Verteilung von Trinkwasser sind mindestens nach den allgemein anerkannten Regeln der Technik zu planen, zu bauen und zu betreiben“ Zusätzlich zu den rein mineralischen Trinkwasserbehältern gibt es die Möglichkeit weiterer Auskleidungen in Form von Platten oder Folien in einem Behälter zu integrieren. Die Ausführungskombination von statisch-konstruktivem Betontragwerk mit darauf aufgebrachter Werkstoffauskleidung dient im Wesentlichen der Vermeidung eines Hydrolyseproblems. Dies kann vor allem bei stark angreifenden Wässern erforderlich sein. Folgende Materialien haben sich im Laufe der Zeit für den Einsatz im Bereich des Neubaus / der Instandsetzung in der Trinkwasserspeicherung bewährt und sind entsprechend auf dem Markt etabliert - zementgebundene Werkstoffe (CC/ PCC) - Polymerbeschichtung (PB) - PE/ PP Platten (KDP) - PE/ PP Dichtungsbahnen (KDB) - Nichtrostender Stahl (NI) - Glasfaser Kunststoffe (GFK) - Systembehälter aus den oben genannten Stoffen In Abbildung 08 ist die Systematik zur Verwendung der oben genannten Auskleidungsarten dargestellt. Dabei können die verwendbaren Materialien in zwei Kategorien unterteilt werden. 210 7. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Juli 2021 Betoninstandsetzung von Trinkwasserspeichern unter besonderen hygienischen Randbedingungen Abbildung 08: Systematik von Auskleidungen Die 1. Kategorie hat einen direkten Verbund zum Untergrund und somit auch keinen Luftspalt zwischen Auskleidung und Konstruktion. Die 2. Kategorie hat keinen direkten Verbund Untergrund und dementsprechend einen Luftspalt zwischen Auskleidung und Konstruktion Die Verwendung eines Auskleidungsprinzips mit direkten Verbund kann bedenkenlos ausgeführt werden. Sofern eine Auskleidungsvariante mit Luftspalt erforderlich wird, ist dieser separat hygienisch und technisch zu bewerten. Aufgrund der dauerhaft geringen Wassertemperatur (i.d.R. zwischen 8-12 °C) und hohen Luftfeuchtigkeitswerten ist mit Tauwasserausfall in diesem Luftspalt zu rechnen. Tauwasser stellt aufgrund seines Mineralmangels ein betonangreifendes Medium dar. Zudem muss gewährleistet werden, dass das anfallende Tauwasser über alle Flächen abgeführt werden kann. Da die Wasserabführung oft nicht sichergestellt werden kann, bilden sich Pfützen in denen sich stagnierendes Wasser sammelt und zur Verkeimung des Untergrunds führen kann. Daher ist eine hygienische Bewertung eines solchen Luftspaltes aufgrund der fehlenden Inspizierbarkeit oft schwierig. 5. INSTANDHALTUNG Trinkwasserbehälters sind so beschaffen, dass sie in der Regel aus zwei Kammern und einem Bedienhaus bestehen. Sofern der lokale Versorger keine Möglichkeit hat, im Falle einer Instandsetzung, sein Wasser aus anderen Trinkwasserbehältern zu beziehen, ist es notwendig aufgrund der gesetzlich geregelten Versorgungssicherheit, eine der beiden Kammern dauerhaft zu betreiben. Dies beinhaltet zum einen die Aufrechterhaltung eines hygienisch einwandfreien Bereichs zur ausschließlichen Versorgung der Bevölkerung mit Trinkwasser und zum anderen eine Instandsetzungsmaßnahme mit allen üblichen Schwierigkeiten und Herausforderungen die es zu bewältigen gilt. Bei der Instandsetzung eines alten Behälters ist der Sollzustand eine wesentliche Bezugsgröße. Durch die Instandsetzung soll nicht der Ursprungszustand, sondern ein Zustand mit entsprechender Restnutzungsdauer nach den heutigen Regelwerken erreicht werden. Dabei stellen Abweichungen (von z.B. alten Betonen zum heutigen WU-Beton, Rissbreitenbeschränkungen, statisch Bewertungen nach heutigen Berechnungsregeln) wirtschaftlich, technisch und auch hygienische Herausforderungen dar, Bei Planung, Bau, Instandsetzungen und Verbesserung von Bauwerken kommt es nicht nur auf die Erfahrung an, sondern auch ob die notwendigen rechtlich vorgeschriebenen und organisatorische notwendigen Voraussetzungen und Fachkenntnisse der einzelnen Beteiligten vorhanden sind und erfüllt werden. Daher wurde mit dem technischen Regelwerk DVGW W 300-ff und W 316 ein hoher Standard von Qualifikationsanforderungen und -kriterien für Fachplaner und Fachunternehmen festgelegt. Durch ein erfolgreiches durchlaufenes Zertifizierungsverfahren nach DVGW W316 bei der DVGW CERT haben Planer und Fachunternehmen die Möglichkeit eine Zertifizierung zu erhalten, die die erforderliche Qualifikation nachweist. Diese Präqualifizierung dient der Vorprüfung der erforderlichen Sachkunde für diese bestimme Fachdisziplin in Planung und Ausführung, die nur durch aufwendigem Nachweisführung sichergestellt werden kann. Durch den Einsatz von DVGW W316zertifizierte Beteiligte wird das Risikopotenzial in der öffentlichen Wasserversorgung aus chemischer, physikalischer und mikrobiologsicher Sicht stark verringert und die Versorgungssicherheit erhöht. Im Rahmen eines (Neu-)Baus oder einer Instandsetzungsmaßnahme wird mit der Außerbetriebnahme und der Übergabe eines Trinkwasserbehälters, an die entsprechende Fachfirma, auch die hygienische Verantwortung übertragen. Dabei stellt jedes Eintreten und jede Verwendung von Materialien in der Wasserkammer, über die gesamte Bauzeit, eine potentielle Gefahr zur Einbringung von Keimen und Erregern dar. Erst wenn das Gesundheitsamt, nach der Wiederinbetriebnahme des Behälters, einen einwandfreien/ keimfreien Zustand feststellen 7. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Juli 2021 211 Betoninstandsetzung von Trinkwasserspeichern unter besonderen hygienischen Randbedingungen 6. Tabellenverzeichnis Tabelle 1/ 2: Eckpunkte für die Planung und den Bau eines Trinkwasserbehälters kann, geht die Verantwortung von der entsprechenden Fachfirma an den Versorger/ Betreiber wieder über. Zur Überprüfung ob die erforderliche Sorgfalt und das Verständnis für diese sensible Thematik vorhanden ist, gibt es die Möglichkeit die Qualifikationsanforderung im Bereich der Planung, Bau, Instandsetzung und Verbesserung von Trinkwasserbehältern nach DVGW W 316 über das DAkkS geprüfte Qualitätsmanagement-Sicherungssystem der DVGW-CERT als Fachunternehmen zertifizieren zu lassen. Dies ist für Planer, Fachfirmen und auch Versorger möglich. Die Differenzierung zu herkömmlichen Instandsetzung von Ingenieurbauwerken und Erläuterungen zu den anerkannten Regeln der Technik in diesem Spezialgebiet müssen im Vorfeld klar kommuniziert, aus hygienischer Sicht geplant, z.T. als vertragliche Sonderleistung ausgeschrieben und mit besonderer Sorgfalt ausgeführt und überwacht werden. Definitionen und Begriffe Bedienungshaus Betriebsreserve Durchlaufbehälter Gegenbehälter Hochbehälter Löschwasserreserve Nutzvolumen Porenarm/ porenarm Raumvolumen Speichervolumen Systembehälter Tiefbehälter Vorlagebehälter Wasserbehälter Wasserturm Qualifikationsanforderungen Grundlagenermittlung Bestimmung des Netzvolumens Lage im Versorgungsnetz Topographische Lage Wasserchemie Radonexposition Vorplanung Varianten Betrachtung Behälterbauart Behälterbauformen Materialfrage bezüglich Wasserqualität Wirtschaftlichkeit Entscheidungsfindung für eine Variante Planung Gelände, Außenanlagen Funktionale Anforderungen Zugang Bedienhaus und Wasserkammer Einsicht Wasseroberfläche Geometrie der Wasserkammer Auswahl hygienisch geeigneter Werkstoffe Beton DVW-Arbeitsblatt W347 Technische Ausrüstung Zulauf Entnahme Überlauf Entleerung Vorflut Probenentnahmeeinrichtungen Technische Ausrüstung, Unter-und Überdrucksicherung Elektrotechnische Ausrüstung Gebäudetechnik, Blitzschutz Objektschutz Mess-, Steuer-und Regeltechnik, Fernwirktechnik Hygienekonzept Tabelle 2/ 2: Eckpunkte für die Planung und den Bau eines Trinkwasserbehälters Tragwerksplanung und konstruktive Anforderungen Dauerhaftigkeit, Expositionsklasse für Trinkwasserbehältern (Wasserkammer) XTWB Lasseinwirkung und Schnittgrößenermittlung Grenzzustand der Tragfähigkeit Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit Begrenzung der Spannung (Spannungsnachweise) Begrenzung der Rissbreite, Dichtheit Bauphysik Konstruktive Anforderungen für Stahlbeton Oberfläche Betonzusatzmittel Konstruktion Gründung Dränage, Feuchtigkeitsabdichtung Sohle Wände und Stützen Decken, Dächer Bauausführung Dokumentation, Bauleitung Bewehren Größe, Scheidung, Trennmittel, Einbauteile sowie Ausrüstung und Auschalen Vorspannen Betonieren Bauen mit Betonfertigteilen Maßtoleranzen Überwachung durch das Bauunternehmen Qualitätssicherung hygienisch geeigneter Ort Beton und Mörtel Qualitätssicherung Verwendung hygienisch geeigneter anderer Werkstoffe Kontrollen, Prüfen und Erst-Inbetriebnahme Wasserdichtheitsprüfung Hygienemaßnahmen Reinigung Desinfektion Auswahl der Desinfektionsmittel Durchführung der Desinfektion Freigabe Inbetriebnahme des Behälters und Anbindung ans Versorgungsnetz Dokumentation 7. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Juli 2021 213 Betoninstandsetzung von Trinkwasserspeichern unter besonderen hygienischen Randbedingungen LITERATUR [01] DIBtMVV TB Deutsches Institut für Bautechnik (DIBt) Muster-Verwaltungsvorschrift Technische Baubestimmungen [02] DIBt Technische Regel Deutsches Institut für Bautechnik (DIBt) Instandhaltung von Betonbauwerken (TR Instandhaltung) Teil 1: Anwendungsbereich und Planung der Instandhaltung [03] DIBt Technische Regel Deutsches Institut für Bautechnik (DIBt) Instandhaltung von Betonbauwerken (TR Instandhaltung) Teil 2: Merkmale von Produkten oder Systemen für die Instandsetzung und Regelungen für deren Verwendung [04] DAfStb-Richtlinie Deutscher Ausschuss für Stahlbeton (DAfStb) Schutz und Instandsetzung von Be-tonbauteilen (Instandsetzungs-Richtlinie inkl. Berichtigungen 1 bis 3) Teil 1: Allgemeine Regelungen und Planungsgrundsätze Teil 2: Bauprodukte und Anwen-dung Teil 3: Anforderung an die Betriebe und Überwachung der Aus-führung [05] DAfStb-Richtlinie Deutscher Ausschuss für Stahlbeton (DAfStb) Wasserundurchlässige Bauwerke aus Beton (WU-Richtlinie) [06] DIN EN 1992-1-1 EC 2 Bemessung und Konstruktion von Stahlbeton und Spannbeton; Allge-meine Bemessungsregeln und Regeln für den Hochbau [07] DIN EN 1992-1-2 EC 2 Bemessung und Konstruktion von Stahlbeton und Spannbeton; Silos und Behälterbauwerke aus Beton [08] DIN 1045-2 Tragwerke aus Beton, Stahlbeton und Spannbeton - Festlegung, Eigenschaf-ten, Herstellung und Konformität - Anwendungsregeln zu DIN EN 206-1 [09] DIN 1045-3 Tragwerke aus Beton, Stahlbeton und Spannbeton - Bauausführung [10] DIN EN 13 670 Ausführung von Tragwerken aus Beton [11] DIN 18 551 Spritzbeton, Herstellung und Güte-überwachung [12] DIN EN 14 487-1 Spritzbeton: Begriffe, Festlegungen und Konformität [13] DIN EN 14 487-2 Spritzbeton: Ausführung [14] DIN 31 051 Grundlagen der Instandhaltung [15] DVGW W 300 - 1 Trinkwasserbehälter; Teil 1: Planung und Bau [16] DVGW W 300 - 2 Trinkwasserbehälter; Teil 2: Betrieb und Instandhaltung [17] DVGW W 300 - 3 Trinkwasserbehälter; Teil 3: Instandsetzung und Verbesserung [18] DVGW W 300 - 4 Trinkwasserbehälter; Teil 4: Werkstoffe, Auskleidungs- und Beschichtungssysteme - Grundsätze und Qualitätssicherung auf der Baustelle [19] DVGW W 300 - 5 Trinkwasserbehälter; Teil 5: Bewertung der Verwendbarkeit von Bauprodukten für Auskleidung und Beschichtungssysteme [20] DVGW W 300 - 6 Trinkwasserbehälter; Teil 6: Planung, Bau, Betrieb und Instand-haltung von System-und Fertigteil-behältern [21] DVGW W 300 - 7 Trinkwasserbehälter; Teil 7: Praxishinweise Reinigungs- und Desinfektionskonzept [22] DVGW W 300 - 8 Trinkwasserbehälter; Teil 8: Praxishinweis: Hygienekonzept: Neubau und Instandsetzung [23] DVGW W 316 Qualifikationsanforderungen an Fachunternehmen für Planung, Bau, Instandsetzung und Verbesserung von Trinkwasserbehältern; Fachin-halte [24] DVGW W347 Hygienische Anforderungen an ze-mentgebundene Werkstoffe im Trinkwasserbereich - Prüfung und Bewertung [25] DVGW W398 Praxishinweise zur hygienischen Eignung von Ortbeton und vor Ort hergestellten zementgebundenen Werkstoffen zur Trinkwasserspei-cherung [26] UBA Diverse Bewertungsgrundlagen und Richtlinien des Umweltbundesamtes: https: / / www. umweltbundesamt.de/ themen/ wasser/ trinkwasser