7. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Juli 2021 367 Prüfung und Bewertung der Beständigkeit von Instandsetzungsmörteln bei chemischen Angriff auf Betonbauwerke Michael Berndt Materialforschungs- und -prüfantalt an der Bauhaus-Universität Weimar (MFPA) Coudraystraße 9 D-99423 Weimar michael.berndt@mfpa.de Wolfram Kämpfer Materialforschungs- und -prüfantalt an der Bauhaus-Universität Weimar (MFPA) Coudraystraße 9 D-99423 Weimar wolfram.kaempfer@mfpa.de 1. Chemischer Angriff und Bewertung des Angriffsgrades Bei dem zu betrachtenden chemischen Angriff werden alle Reaktionen des Instandsetzungsmörtels mit seiner Umgebung verstanden, die durch chemische, elektrochemische oder mikrobiologische Vorgänge zu einer Beeinträchtigung des Mörtels führen. Eine Übersicht über die wesentlichen Angriffsarten bzw. Korrosionsarten gibt die nachfolgende Abbildung. Abbildung 1: Chemische Angriffsarten für Instandsetzungsmörtel Basis für die Sicherstellung einer geplanten Nutzungsdauer sind die Bewertung einer projektspezifischen, chemischen Angriffssituation auf den Instandsetzungsmörtel, die sogenannte Einwirkungsseite, die Festlegung der Einflussfaktoren auf der Widerstandsseite und die Berücksichtigung bautechnischer Einflussfaktoren. So erfordern beispielsweise Anwendungen im Bereich von Böden, Wänden und Decken im Stall- und Freiluftbereich landwirtschaftlicher Anlagen, Gülle- und Biogasanlagen ganz spezielle Eigenschaften der Instandsetzungsmörtel. Die maßgebenden Einflussfaktoren auf der Einwirkungsseite, die das heißt der Expositionen, welche auf den Baustoff vor Ort einwirken, gliedern sich wie folgt: • chemische Angriffssituation: Angriffsart (erweichend / lösend / treibend) Konzentration, pH-Werte des anstehenden Mediums • Dauer der Einwirkung (konstant, zyklisch, …) Angriffsvorrat • Druck/ Temperatur/ relative Luftfeuchte (konstant, zyklisch,…) Die wesentlichen Einflussfaktoren auf der Widerstandsseite kennzeichnen sich wie folgt: • Zementart • Art der Gesteinskörnung und Korngruppen • Volumenverhältnis (Zementleim/ Gesteinskörnung) • Wasserzementwert (w/ z - Wert) • Kapillarporenanteil • Schwindneigung / Schwindmaß • Zusatzstoffe und -mittel • Feuchtegehalt Untergrund • Oberflächenzugfestigkeit des Untergrundes • Salzgehalte des Untergrundes • Besonderheiten des Bauteils / konstruktionsspezifische Besonderheiten, Risse, Stahleinbauteile, Durchdringungen, Fugen. 368 7. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Juli 2021 Prüfung und Bewertung der Beständigkeit von Instandsetzungsmörteln bei chemischen Angriff auf Betonbauwerke Für eine Bewertung des Angriffsgrades können beispielweise die Regelwerke DIN 4030-1 / 15/ , DIN 1045-2 / 16/ und DBV Merkblatt „Chemischer Angriff auf Betonbauwerke - Bewertung des Angriffsgrads und geeignete Schutzprinzipien“ / 11/ , angewendet werden. 2. Relevante Regelwerke Für den Einsatz von Instandsetzungsmörtel sind in Deutschland verschiedene technische und rechtliche Regelwerke vorhanden. Eine Übersicht zu den relevantesten Regelwerken zeigt die Abbildung 2. Die Normenreihe DIN EN 1504 legt Anforderungen an die Identität, die Gebrauchstauglichkeit/ Dauerhaftigkeit, die Sicherheit und die Beurteilung der Konformität von Produkten und Systemen fest, welche für den Oberflächenschutz von Beton zur Verbesserung der Dauerhaftigkeit von neuen Betonbauwerken und für Instandhaltungs- und Instandsetzungsarbeiten an Bestandsbauwerken angewendet werden. Die DAfStb-Richtlinie - Schutz und Instandsetzung von Betonbauteilen (Instandsetzungs-Richtlinie) gliedert sich in folgende Teile: • Teil 1: Allgemeine Regelungen und Planungsgrundsätze • Teil 2: Bauprodukte und Anwendung • Teil 3: Anforderungen an die Betriebe und Überwachung der Ausführung • Teil 4: Prüfverfahren. Die Regelwerke des Deutschen Beton- und Bautechnikverein (DBV e.V) dienen als Hilfsmittel zur Bewertung des chemischen Angriffsgrades, zur Auswahl geeigneter Schutzprinzipien und zur Zusammenstellung geeigneter Prüfverfahren des chemischen Angriffs. Abbildung 2: Relevante Regelwerke für den Einsatz von Instandsetzungsmörteln 7. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Juli 2021 369 Prüfung und Bewertung der Beständigkeit von Instandsetzungsmörteln bei chemischen Angriff auf Betonbauwerke Spezielle Anwendungsbereiche berücksichtigen die Norm DIN 19573 und die ZTV-W LB 219. Die DIN 19573 regelt die Anforderungen an Instandsetzungsmörtel für die Sanierung von Entwässerungssystemen außerhalb von Gebäuden. ZTV-W LB 219 regelt die Instandsetzung der Betonbauteile von Wasserbauwerken. In ZTV-W LB 219 werden beispielsweise Expositions- und Feuchtigkeitsklassen, Grundsätze für Baustoffe und Baustoffsysteme sowie für die Bauausführung geregelt. Die Bundesanstalt für Straßenwesen lenkt über ihre zusätzlichen Technischen Vertragsbedingungen und Richtlinien für Ingenieurbauten (ZTV-ING) im Teil 3 Massivbau den Einsatz von Instandsetzungsmörteln. Bei Kontakt des Betons mit aggressiven Stoffen kann auf Basis der DIN 4030-1 bzw. EN 206-1/ DIN 1045-2 der Angriff in Böden und Grundwässern eine Einteilung in Expositionsklassen erfolgen. 3. Möglichkeiten der Prüfung und Bewertung der Beständigkeit Das grundsätzliche Ziel von Prüfverfahren ist die Simulation der im Laufe einer Nutzungsdauer zu erwartenden Einwirkungen auf den Baustoff. Auf dieser Grundlage sollen beispielweise Instandsetzungsmörtel oder Bindemittel hinsichtlich des Widerstandes gegenüber einem chemischen Angriff beurteilt werden. Über die Bewertung des Angriffsgrades, abgeleitet aus den Einflussfaktoren der Einwirkungsseite, werden die Prüfparameter auf den Anwendungsbereich angepasst. Für die Ableitung von Nutzungs- und Umgebungsbedingungen für einen chemischen Angriff in natürlichen Böden und Grundwässern sowie aufgrund des Betriebs von baulichen Anlagen mit einem stark chemischen Angriff (XA3 und höher) kann das DBV Merkblatt „Chemischer Angriff auf Betonbauwerke - Bewertung des Angriffsgrads und geeignete Schutzprinzipien“ / 9/ angewendet werden. In der Tabelle 9 des DBV Merkblattes / 9/ , so wie in Abbildung 3 dargestellt, werden beeinflussende Beanspruchungsgrößen Anwendungsgebieten gegenübergestellt. Im DBV Merkblatt Chemischer Angriff auf Betonbauwerke - Bewertung des Angriffsgrads und geeignete Schutzprinzipien - werden wesentliche Prüf- und Bewertungskonzepte für Säure- und Sulfatprüfverfahren gegenübergestellt. In den nachfolgenden Ausführungen werden zwei Beispiele für die Prüfung von Instandsetzungsmörteln mit Beanspruchung durch biogene Schwefelsäurekorrosion und kalklösender Kohlensäure vorgestellt. Abbildung 3: Beanspruchungen aus Nutzungs- und Umgebungsbedingungen / 9/ 370 7. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Juli 2021 Prüfung und Bewertung der Beständigkeit von Instandsetzungsmörteln bei chemischen Angriff auf Betonbauwerke Beispiel 1: Chemischer Angriff durch biogene Schwefelsäure-Korrosion in Abwasseranlagen Die Prüfung des Widerstands gegen biogenen Schwefelsäureangriff (XWW4) kann nach der DIN 19573, Anhang A / 7/ erfolgen. Dieses zeitraffende Prüfverfahren dient der Abschätzung, ob ein Mörtel in der Praxis dem biogenen Schwefelsäureangriff in Entwässerungssystemen widerstehen kann. Bei diesem Prüfverfahren werden Mörtelprismen in Schwefelsäure mit einem pH-Wert von pH0 für 14 Tage bzw. mit einem pH-Wert von pH1 für 70 Tage eingelagert. Die Versuchsparameter pH-Wert und Temperatur werden konstant gehalten. Parallel zur Säurelagerung werden Mörtelprismen in Wasser eingelagert, um Referenzdruckfestigkeiten für die Auswertung zu liefern. Als Maß für die Intensität der Korrosion wird die Gesamt-Korrosionstiefe X f,D und die relative Restdruckfestigkeit der korrodierten Mörtelproben herangezogen. Den Aufbau und die Komponenten des eingesetzten Säurebades zeigt die Abbildung 4. Untersuchungen, z.B. in / 17/ bis / 19/ zeigen, dass bei Erfüllung der Anforderungen an die Gesamt-Korrosionstiefe X f,D und relative Restdruckfestigkeit ein Zementmörtel auch in der Praxis gegenüber den Beanspruchungen durch bei biogener Schwefelsäure-Korrosion beständig ist. Abbildung 4: Anordnung des Säurebades mit Einrichtung zur Konstanthaltung des Säuregrades nach / 7/ Beispiel 2: Chemischer Angriff durch kalklösender Kohlensäure / weiches Wasser Ein chemischer Angriff durch kalklösende Kohlensäure/ weiches Wasser führt an der Mörteloberfläche zu einem Zersetzungsprozess, einer sogenannten „Auslaugung“ und ist als Extraktion von Stoffen aus einem Festkörper durch eine Flüssigkeit definiert. Der Ablauf basiert bei Zementmörteln auf einem Konzentrationsgradienten zwischen der hochkonzentrierten Porenlösung des Zementsteins und Wasser geringer Carbonathärte. In der Folge löst weiches Wasser das Calciumhydroxid aus dem Zementstein heraus. Entsprechend nimmt die Stabilität des Zementsteins ab. Bei einer kontinuierlichen Einwirkung werden zusätzlich die Calcium-Silikat-Hydrat-Phasen ausgelaugt. Laborversuche sind ein probates Mittel für die Abbildung von Schädigungsprozessen für eine verlässliche quantitative Beurteilung, aber auch zur qualitativen Beurteilung, ob ein Instandsetzungsmörtel für eine Beanspruchung durch aggressives Wasser, speziell durch kalklösende Kohlensäure, geeignet ist. Ein Versuchsstand zur Beurteilung der Beständigkeit von Instandsetzungsmörteln, gegenüber kalklösender Kohlensäure wurde an der MFPA Weimar entwickelt. Ziel der Einlagerungen im Versuchsstand ist es, die Beständigkeit des Instandsetzungsmörtels unter Bedingungen abzuschätzen, die eine praxisnahe Beanspruchung infolge chemisch schwach angreifender Umgebung durch kalklösende Kohlensäure mit der Expositionsklasse XA3 möglichst real abbildet. 7. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Juli 2021 371 Prüfung und Bewertung der Beständigkeit von Instandsetzungsmörteln bei chemischen Angriff auf Betonbauwerke Tabelle 1: Grenzwerte für die Expositionsklassen bei chemischem Angriff durch natürliche Böden und Grundwässer; Zusammenstellung aus DIN 4030-1: 2008-06 für kalklösende Kohlensäure Chemisches Merkmal Referenzprüfverfahren nach XA1 XA2 XA3 chemisch schwach chemisch mäßig chemisch stark angreifende Umgebung Grundwasser CO 2 mg/ l angreifend DIN EN 13577: 2007 ≥ 15 und ≤ 40 > 40 und ≤ 100 > 100 bis zur Sättigung Der Angriff durch kalklösende Kohlensäure wird nach DIN EN 206-1, durch die Expositionsklasse XA, Expositionsklassen für chemischen Angriff, berücksichtigt. Wenn Beton einem chemischen Angriff durch natürliche Böden und Grundwasser ausgesetzt ist, muss die Expositionsklasse wie in Tabelle 1 zugeordnet werden. In der Verordnung über die Qualität von Wasser für den menschlichen Gebrauch, (Trinkwasserverordnung - TrinkwV) / 24/ wird in der Anlage 2 (zu § 6 Absatz 2) als Grenzwert/ Anforderung für die Calcitlösekapazität 5 mg/ l CaCO 3 festgelegt. Um eine ansatzweise Abschätzung hinsichtlich der chemischen Langzeitbeständigkeit zu treffen, wurde die Umweltprüfung maßgeschneidert auf die avisierte Exposition („Test-Tailoring“) modifiziert, um zu gewährleisten, dass der Mörtel ausreichend, aber nicht nach unrealistischen und überhöhten Anforderungen, geprüft wird. Die Prüfeinrichtung wird mit einem geschlossenen Wasserkreislauf betrieben, wobei die Einstellung der Kennwerte der Prüflösung im Bereich der Vorkonditionierung und die Einlagerung der Prismen in einem separaten Prüfraum erfolgen. Beide Bereiche sind durch einen kontinuierlichen Wasseraustausch miteinander verbunden. Beide Bereiche werden mit den gleichen Volumina betrieben. Die Versuchseinrichtung ist nach außen thermisch isoliert. Örtlich ist im Bereich der Vorkonditionierung noch eine in sich geschlossene und thermisch verbundene Referenzlagerung von Prismen in Wasser integriert. Für die Einlagerungen und die Abbildung einer chemisch stark angreifenden Umgebung (XA3) wurde eine Prüfkonzentration von 250 mg CO 2 / l und eine Kalklösekapazität / Calcitlösekapazität von 569 mg/ l CaCO 3 sowie ein Prüfaufbau in Anlehnung an Locher et. al. / 25/ gewählt. Die Prüfbedingungen ergeben sich aus der einzustellenden CO 2 -Konzentration im Wasser und der sich daraus ergebenden Kalklösekapazität. Alle Angaben zum Prüfaufbau und zu den Prüfbedingungen für die Lagerung der Prüfkörper in kalklösender Kohlensäure sind in der Abbildung 5 aufgeführt. 372 7. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Juli 2021 Prüfung und Bewertung der Beständigkeit von Instandsetzungsmörteln bei chemischen Angriff auf Betonbauwerke Konzentrationen der Einlagerung CO 2 -Konzentration 250 mg/ l ⎢ 50 mg/ l Kalklösekapazität ≈ 569 mg/ l CaCO 3 ⎢ 114 mg/ l CaCO 3 • thermisch isolierter geschlossener Wasserkreislauf mit einer Einlagerungstemperatur von T Prüf = 8 ± 1 °C ⎢ T Prüf = 10 ± 2 °C • vorab empirisch ermittelt für notwendige CO2/ l-Konzentration pH-Wert ≈ 5,6 ⎢ pH-Wert ≈ 6,6 • kontinuierliche pH-Werterfassung und CO 2 -Dosierung in Abhängigkeit vom pH-Wert • Verhältnis von Prüflösung zu Probenkörper (Prisma 40x40x160 mm 3 ) V Prüf = 3,3 ± 0,5 l pro Prüfkörper (Volumenverhältnis Wasser zu Mörtel rd. 13: 1) • kontinuierlicher Wasseraustausch zwischen Bereich der Einlagerung und Vorkonditionierung Q Prüf = 50 ± 5 l/ h • Überprüfung der Kalklösekapazität / CaCO 3 -Konzentration mindestens ein bis zweimal in der Woche und mindestens wöchentlicher Wasserwechsel • Einlagerungszeitraum 180 Tage Abbildung 5: Prüfaufbau und -bedingungen für die Lagerung der Prüfkörper in kalklösender Kohlensäure 7. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Juli 2021 373 Prüfung und Bewertung der Beständigkeit von Instandsetzungsmörteln bei chemischen Angriff auf Betonbauwerke Literaturverzeichnis [1] DIN 18349: 2019-09: VOB Vergabe- und Vertragsordnung für Bauleistungen - Teil C: Allgemeine Technische Vertragsbedingungen für Bauleistungen (ATV) - Betonerhaltungsarbeiten [2] DIN EN 1504-1: 2005-10: Produkte und Systeme für den Schutz und die Instandsetzung von Betontragwerken - Definitionen, Anforderungen, Güteüberwachung und Beurteilung der Konformität - Teil 1: Definitionen; Deutsche Fassung EN 1504- 1: 2005 [3] DIN EN 1504-2: 2005-01: Produkte und Systeme für den Schutz und die Instandsetzung von Betontragwerken - Definitionen, Anforderungen, Qualitätsüberwachung und Beurteilung der Konformität - Teil 2: Oberflächenschutzsysteme für Beton; Deutsche Fassung EN 1504-2: 2004 [4] DIN EN 1504-3: 2006-03: Produkte und Systeme für den Schutz und die Instandsetzung von Betontragwerken - Definitionen, Anforderungen, Qualitätsüberwachung und Beurteilung der Konformität - Teil 3: Statisch und nicht statisch relevante Instandsetzung; Deutsche Fassung EN 1504-3: 2005 [5] DIN EN 1504-8: 2016-08: Produkte und Systeme für den Schutz und die Instandsetzung von Betontragwerken - Definitionen, Anforderungen, Qualitätskontrolle und AVCP - Teil 8: Qualitätskontrolle und Bewertung und Überprüfung der Leistungsbeständigkeit (AVCP); Deutsche Fassung EN 1504- 8: 2016 [6] DIN EN 1504-9: 2008-11: Produkte und Systeme für den Schutz und die Instandsetzung von Betontragwerken - Definitionen, Anforderungen, Qualitätsüberwachung und Beurteilung der Konformität - Teil 9: Allgemeine Grundsätze für die Anwendung von Produkten und Systemen; Deutsche Fassung EN 1504-9: 2008 [7] DIN 19573 2016-03: Mörtel für Neubau und Sanierung von Entwässerungssystemen außerhalb von Gebäuden [8] DAfStb Instandsetzungs-Richtlinie: 2001-10; Schutz und Instandsetzung von Betonbauteilen, Teil 1: Allgemeine Regelungen und Planungsgrundsätze, Teil 2: Bauprodukte und Anwendung, Teil 3: Anforderungen an die Betriebe und Überwachung der Ausführung, Teil 4: Prüfverfahren [9] DIN 31051: 2019-06; Grundlagen der Instandhaltung [10] DBV Merkblatt Chemischer Angriff auf Beton - Empfehlungen zur Prüfung und Bewertung Fassung: Mai 2017, Hrsg.: Deutscher Beton- und Bautechnik-Verein E.V., Berlin [11] DBV Merkblatt Chemischer Angriff auf Betonbauwerke - Bewertung des Angriffsgrads und geeignete Schutzprinzipien: Juli 2014, Hrsg.: Deutscher Beton- und Bautechnik-Verein E.V., Berlin [12] Zusätzliche Technische Vertragsbedingungen und Richtlinien für Ingenieurbauten ZTV-ING; Bundesanstalt für Straßenwesen; Stand: 2012/ 12 - Teil 3 Massivbau, Abschnitt 1 Beton - Teil 3 Massivbau; Abschnitt 4 Schutz und Instandsetzung von Betonbauteilen - Teil 3 Massivbau - Abschnitt 5 Füllen von Rissen und Hohlräumen in Betonbauteilen - Teil 3 Massivbau - Abschnitt 7 Verstärken von Betonbauteilen [13] ZTV-W LB 219: Zusätzliche Technische Vertragsbedingungen - Wasserbau für Schutz und Instandsetzung der Betonbauteile von Wasserbauwerken, LB 219: Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur Abteilung Wasserstraßen, Schifffahrt; Stand 2015/ 09 [14] Kämpfer, W., Berndt, M.: Einfluss kalklösender Kohlensäure auf das Langzeitverhalten von zementgebundenen Beschichtungen: Technische Akademie Esslingen, Kolloquium Trinkwasserspeicherung in der Praxis, 12./ 13.05.2020, Esslingen [15] DIN 4030-1: 2008-06: Beurteilung betonangreifender Wässer, Böden und Gase - Teil 1: Grundlagen und Grenzwerte [16] DIN 1045-2: 2008-08: Tragwerke aus Beton, Stahlbeton und Spannbeton - Teil 2: Beton - Festlegung, Eigenschaften, Herstellung und Konformität - Anwendungsregeln zu DIN EN 206-1 [17] Schmidt, H.: Korrosionsverhalten von Normalmörtel und UHPC - Experimente und numerische Simulation. 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Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Juli 2021 Prüfung und Bewertung der Beständigkeit von Instandsetzungsmörteln bei chemischen Angriff auf Betonbauwerke [21] Gerdes, A.: Wechselwirkung zementgebundener Werkstoffe in Wasser; WTA Schriftenreihe, Heft 12; Aedificatio Verlag Freiburg; 1996 [22] Locher, F.W.; Sprung, S.: Die Beständigkeit von Beton gegenüber kalklösender Kohlensäure, Beton 25 (1975), Nr. 7 [23] DVGW Arbeitsblatt W 300-5: 08/ 2020: Trinkwasserbehälter; Teil 5: Bewertung der Verwendbarkeit von Bauprodukten für Auskleidungs- und Beschichtungssysteme [24] Verordnung über die Qualität von Wasser für den menschlichen Gebrauch, (Trinkwasserverordnung - TrinkwV): in der Fassung der Bekanntmachung vom 10. März 2016 (BGBl. I S. 459), die zuletzt durch Artikel 1 der Verordnung vom 3. Januar 2018 (BGBl. I S. 99) geändert worden ist