7. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Juli 2021 501 Blasen in Polymerbeschichtungen Erkennungsmerkmale, Ursachenanalyse und Entstehungsmechanismen Dr.- Ing. Robert Engelfried, Ö.b.u.v. Sachverständiger für Beschichtungen im Bauwesen, Betoninstandsetzung, Herdecke Dipl.-Ing. Helena Eisenkrein-Kreksch Sachverständige für Betoninstandsetzung und Oberflächenschutz, Niederlassungsleiterin Kiwa GmbH, Beckum Kurzfassung Beim Anblick von Blasen drängt sich aufgrund von deren Form der Eindruck auf, dass sie durch Druck entstanden sind. Dies ist in der Regel auch richtig, jedoch kann dieser Druck auf ganz unterschiedliche Ursachen zurückgehen. Blasen in Beschichtungen sind stets ungeplante Erscheinungen. Deshalb sind sie meist auch inakzeptabel. Sind sie aber auch in jedem Fall hinsichtlich des Zwecks der Beschichtung funktionsbeeinträchtigend? Um solche und weitere Fragestellungen beantworten zu können, ist es zwingend erforderlich die Ursachen der Entstehung von inneren Drücken zu finden und die daraus folgenden spezifischen Mechanismen der Erzwingung von Blasenverformungen zu definieren. In jedem Fall setzt dies voraus, dass man relevante werkstoffkundliche Daten zum System Beschichtung und Untergrund sowie beanspruchungsabhängige Umgebungseinwirkungen kennt bzw. in Erfahrung bringt. Wichtige Hinweise ergeben sich auch aus einer möglichst genauen Kenntnis von mikroskopisch darstellbaren Schichtquerschnitten der Blasenbereiche und ggf. von Analysen von Substanzen, die aus Blasen entnommen werden können. Die vorgetragenen Fälle demonstrieren die Nachweise druckinduzierter Blasen aus unterschiedlichen Ursachen, mit den daraus folgenden spezifischen Entstehungsmechanismen und im Zusammenhang mit ihren Erkennungsmerkmalen/ Erscheinungsformen in situ. 1. Osmoseblasen 1.1 Hergang Im Zuge der Errichtung eines Kernkraftwerks ist der Ölabscheider in Stahlbetonbauweise unterhalb Gelände eingebaut und dann mit Erdreich überdeckt worden. Nach zwanzig Jahren des Betriebs ist die Innenauskleidung erneuert worden. Dazu hat man durch Schleifen, Strahlen und der Anwendung weiterer Abtragsmethoden das defekte Bestandsbeschichtungssystem entfernt. Zur Schaffung eines beschichtungsgerechten Untergrundes ist eine Untergrundvorbehandlung unter Verwendung eines PCC-Mörtels vorgenommen worden. Auf diesen Untergrund ist eine Dickbeschichtung mit folgender Werkstoffcharakterisierung (Herstellerangabe) appliziert worden: Kunststoffmodifiziertes Polymersilikat, welches mittels Rollapplikation appliziert wird. Als Schichtdicke gab das Technische Merkblatt den Grenzwert „Mind. 2 mm“ vor. Eine maximal einzuhaltende Zeitfolge zwischen Applikation der beiden Lagen, wie dies zwecks Erzielung eines gesicherten Haftverbunds bei 2 K Beschichtungsstoffen nach den anerkannten Regeln der Beschichtungstechnik in der Regel erforderlich ist, wird im Technischen Merkblatt nicht genannt. Nach der Dokumentation der Beschichtung sind zwischen den Applikationsgängen Wartezeiten zwischen 1 Tag und 23 Tagen praktiziert worden. Nach einer nicht näher bekannten Betriebszeit kam es zur Blasenbildung 1.2 Statusaufnahme Im Bild 1.1 ist die Behälterinnenansicht gezeigt. Die linke Wand grenzt an Erdreich, die restlichen drei Wände 502 7. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Juli 2021 Blasen in Polymerbeschichtungen grenzen an Nachbarkammern. Der Boden liegt auf Erdreich und auf der Decke grenzt außenseitig eine ca. ein Meter hohe Erdschicht an. Die Behälterinnenbeschichtung ist dunkelgrau, hat applikationsbedingte Aufhellungen und weist an den Wänden örtlich strukturell stark ausgeprägte Läuferbildungen auf. In größerem Umfang liegen an den Wänden Blasen mit Durchmessern von 3 mm bis ca. 30 mm vor. Diese sind flüssigkeitsgefüllt und stehen unter einem inneren Überdruck. Der pH-Wert der Flüssigkeit liegt bei 9. Bild 1.2 zeigt einen Flächenausschnitt der Decke. Auch dort haben sich in der Beschichtung zahlreiche, flüssigkeitsgefüllte Blasen gebildet. Des Weiteren erkennt man auf Bild 1.2 knopfartige, runde Erscheinungen mit nach unten gerichteten Kegelspitzen aus erstarrtem Beschichtungsstoff. Bild 1.1: Behälterinnenansicht, Boden - Wände - Decke Bild 1.2: Decke, größere Durchmesser sind Blasen, kleinere Durchmesser sind Tropfen. Am Boden der Kammer liegt ein ebener und glatter Oberflächenzustand vor, frei von Strukturen, die etwa durch Applikationswerkzeuge hätten hinterlassen werden können. Des Weiteren lagen am Boden keine Blasen oder andere auffällige Oberflächenimperfektionen vor. Fotografische und mikroskopische Darstellung der Querschnitte An den entnommenen Bohrkernen sind an den beschichteten (oberen) Enden ca. 2 cm dicke Scheiben abgesägt worden. Diese sind dann mit einer diamantbesetzten Säge mittig durchtrennt worden. Von den Schnittflächen wurden zwei verschiedene Aufnahmen gemacht: a Fotografische Aufnahme des Aufbaus Beton + PCC- Mörtel + Polymersilikat Beschichtung. b Mikroskopische Aufnahme des Aufbaus Beton + PCC-Mörtel +Polymersilikat Beschichtung. In den Bildern 1.3 und 1.5 sind die Querschnitte zur Übersichtsdarstellung fotografisch gezeigt, während die Bilder 1.4 und 1.6 die Querschnitte mikroskopisch detailliert darstellen. Auf Bild 1.3 und Bild 1.4 erkennt man fotografisch und mikroskopisch langgezogene Hohlräume, die genau zwischen zwei Lagen der Beschichtung durch Bildung eines Adhäsionsbruches entstanden sind. Bild 1.3: Fotografische Aufnahme des Bohrkernquerschnitts der Wand am Oberflächenrand Bild 1.4: Detail von Bild 3, Mikroskopische Aufnahme der beiden blasenbildenden Lagen. 7. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Juli 2021 503 Blasen in Polymerbeschichtungen Bild 1.5: Fotografische Aufnahme des Bohrkernquerschnitts des Bodens am Oberflächenrand Bild 1.6: Detail von Bild 5. Mikroskopische Aufnahme der Polymersilikatschicht des Bodens als einlagige, strukturell homogene Schicht, blasen- und hohlraumfrei Von der Regel der Blasenbildung und dann als Adhäsionsbruch weicht der auf Bild 1.5 und 1.6 fotografisch und mikroskopisch abgebildete Schichtquerschnitt signifikant ab. Er entstammt der Bodenbeschichtung. Die Polymersilikat Beschichtung wurde dort in einer gleichförmigen Schichtdicke mit kaum messbarer Schichtdickenvarianz appliziert, gestützt sicher auch durch die besonderen Verlaufseigenschaften des Werkstoffes auf dem quasi horizontalen Boden. Aus diesem einheitlich strukturierten Schnittbild lässt sich ableiten, dass die Bodenbeschichtung in einem einzigen Applikationsgang aufgetragen wurde und sich dann auch in einem einheitlichen Zeitabschnitt chemisch vernetzen und verfestigen konnte. In diesem Schichtquerschnitt haben sich während der Betriebszeit keine Blasen oder andere Hohlräume gebildet. Daraus ergeben sich grundsätzliche Hinweise für die Ursache der Blasenbildung in den Aufbauten von Decke und Wänden im Gegensatz zur völlig blasenfreien Bodenfläche des Behälters. 1.3 Analyse der Blasenbildung Ø 3 bis 30 mm In Polymerbeschichtungen auf Beton treten unter kritischen Feuchtebedingungen z.B. aus dem Untergrund oder aus der Nutzung Blasen auf. Stehen diese Blasen unter einem inneren Überdruck und sind flüssigkeitsgefüllt, geht deren Ursache sehr häufig auf eine osmotische Generierung zurück. Nach der Objektuntersuchung, der Beprobung und den gezielt vorgenommenen Laboruntersuchungen, verdichteten sich die Hinweise für diese Ursache signifikant. Es bedarf dann jedoch immer noch des Nachweises dazu, ob die Parameter zur Erfüllung der osmotischen Generierung vorliegen und in welcher Priorität sie den Mechanismus der Blasen ausgelöst haben könnten. Auf Basis langjähriger Erfahrungen und gesicherter Erkenntnisse lassen sich die komplexen physikalisch, chemischen Zusammenhänge der osmotischen Blasenbildung analysieren. Mittels einer modellhaften Darstellung im Bild 1.7 können die häufigsten Varianten und die wichtigsten Parameter zur Entstehung nachgewiesen werden. Stellt man das im Bild 1.7 gezeigte Modell den fotografischen und mikroskopischen Ansichten und Querschnitten der Bilder 1.1 bis 1.6 gegenüber, ergeben sich Übereinstimmungen der Parameter des Modells zu den geschädigten Wand- und Deckenaufbauten. Das Modell sieht als mögliche semipermeable Membran sowohl die direkt auf dem Beton applizierte Grundbeschichtung als auch die an die Oberfläche angrenzende Deckbeschichtung vor. Für das Bauobjekt Ölabscheider werden Grund- und Deckbeschichtung als eine zunächst bestehende Einheit aus der in zwei Lagen applizierten Polymersilikat Beschichtung angesehen. Der Beton des Behälters kommt als Feuchtelieferant praktisch nicht in Frage. Die Wand- und Deckenaußenseiten grenzen zwar an Erdreich und könnten bei einer angenommenen rückwärtigen Durchfeuchtung Wasser „liefern“. Dagegen spricht jedoch die Tatsache, dass der Blaseninhalt einen pH-Wert <9 aufwies. Er müsste einen pH-Wert von ca. 12,5 aufweisen, wenn mitwirkendes Wasser aus dem Beton an der Blasenbildung beteiligt gewesen wäre. Blasenparameter: a) Wasser b) Semipermeable Membran c) Adhäsions- Kohäsionsschwäche d) Verformbarkeit der Beschichtung e) Blasenkeime (hydrophile Stoffe, o. Ä.) Bild 1.7: Osmotische Generierung von Blasen 504 7. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Juli 2021 Blasen in Polymerbeschichtungen Auf der Vorderseite, d.h. der Kammerinnenseite steht bis zum Regelwasserstand langfristig permanent Wasser von 10°C und drei Tage vor einer geplanten Revision Wasser von 40°C an und zwar in flüssiger Form als Betriebsmedium und in Form hoher Luftfeuchte mit Tauwasserbildung an der Beschichtungsoberfläche des Luftraums. Mit dieser Konstellation sind die Parameter a) und b) des Modells definiert und hinsichtlich der Blasenbildung funktional erfüllt. Der Werkstoffhersteller charakterisiert in den Technischen Unterlagen den Beschichtungsstoff Polymersilikat wie folgt: Kunststoffmodifiziertes Polymersilikat aus der Bindemittelkomponente zweier Isocyanate, dem Lösemittel Ethylacetat und der Härterkomponente Kieselsäure, Kaliumsalz (Wasserglas). Bindemittel- und Härterkomponente werden nach einem vorgegebenen Mischungsverhältnis angesetzt, mittels Rührwerk homogenisiert und sind im Rollapplikationsverfahren appliziert worden. Den weiteren Herstellerangaben zufolge sollte das Gemisch in zwei Lagen angewendet werden, wobei zwischen erster und zweiter Lage eine Wartezeit von mindestens 6 Stunden einzuhalten war, um den Beschichtungsstoff „ausgasen“ zu lassen. Als Schichtdicke gibt das Technische Merkblatt den Grenzwert „Mind. 2 mm“ vor, wobei dann die Trockenschichtdicke gemeint ist. Eine maximal einzuhaltende Zeitfolge zwischen der Applikation der beiden Lagen, wie dies zwecks Erzielung eines gesicherten Haftverbunds bei 2 K Beschichtungsstoffen nach den anerkannten Regeln der Beschichtungstechnik in der Regel erforderlich ist, wird im Technischen Merkblatt nicht genannt. Die Beschichtung der Kammer erfolgte nach der „Dokumentation im Zeitraum von ca. zwei Monaten. Dabei kam es nach den Aufzeichnungen zwischen den Applikationsgängen zu Wartezeiten zwischen 1 Tag und 23 Tagen. Nach einer nicht näher bekannten Betriebszeit (Wochen bzw. Monate) kam es zur Blasenbildung, d.h. Enthaftung und Verformung waren möglich. Damit waren dann auch die Parameter c) und d) definiert und erfüllt. Die Polymersilikat Beschichtung enthält in ihrer Bindemittelkomponente niedermolekulare organische Verbindungen mit fuktionellen Isocyanatgruppen, die planmäßig mit der Wasserglashärterkomponente eine Reaktion zu polymeren Strukturen eingehen. Dabei verbleiben in der Regel niedermolekulare Anteile unvernetzt zurück. Unverändert zurückbleiben werden auf jeden Fall gewisse Anteile des in der Bindemittelkomponente von Anfang an enthaltenen flüchtigen Stoffes Ethylacetat, dessen Retention von den Parametern Temperatur, Schichtdicke etc. bestimmt wird. Diese niedermolekularen Inhaltsstoffe sind partiell wassermischbar und können in Form einer Pfeffer´schen Zellenbildung [1] osmotisch generierte innere Drücke auslösen. Somit wäre auch der Parameter e) definiert und bezüglich der Blasenbildung funktional erfüllt. Wäre es bei der Festlegung der Betriebsbedingungen, bei der Werkstoffwahl bzw. bei der Rezeptur der Beschichtung gelungen, nur einen der genannten Parameter konsequent auszuschalten, wäre es nicht zu den Blasenbildungen gekommen. Die Ausschlag gebende besondere Rolle hat dabei die Tatsache gespielt, dass die zweilagige Applikation der Polymersilikat Beschichtung mit der ca. mittig liegenden Grenzfläche (siehe Bild 1.4) eine Kohäsionsschwäche besaß, die im Betriebszustand durch Quellung noch intensiviert worden ist (Parameter c). Die im Quellungszustand sich einstellende partielle Plastifizierung der Polymersilikat Beschichtung hat es dann schließlich zugelassen, dass der osmotische Druck die Membran zur Blase verformen konnte. Dieses Postulat wird durch die Tatsache gestützt, dass es bei der Beschichtungsanwendung am Boden - siehe dazu die Bilder 1.5 und 1.6 - durch die homogene Einlagigkeit der Polymersilikat Beschichtung nicht zur Blasenbildung gekommen ist. Bei gleicher stofflicher Beschaffenheit sind die Parameter a, b, d und e wirkungslos geblieben, weil im bekannten Schichtaufbau kein Ansatz für eine Hohlraumerzwingung gegeben war. Daraus kann für den vorliegenden Anwendungsfall die Schlussfolgerung gezogen werden, dass mit dem beschriebenen Polymer Beschichtungsstoff unter den bekannten Filmbildungsbedingungen an Decke und Wänden alle Parameter (a, b, c, d, e) wirksam wurden, der gleiche Beschichtungsstoff unter den Anwendungsbedingungen des Bodens jedoch nicht zur Blasenbildung führte, weil der Parameter d komplett unterdrückt wurde. 2. Schaumblasen 2.1 Hergang Beim Mischungsansatz sowie bei der Applikation von Dickbeschichtungen kann Luft in den Beschichtungsstoff gelangen. Sind diese Arbeitsschritte einschließlich der Stoffrezeptur nicht dahingehend optimiert, das Entweichen der Luft zu fördern, bevor ein kritischer Viskositätsanstieg zur Filmbildung einsetzt, wird die Luft in Bläschenform eingeschlossen. Dass es sich dann um Einschlüsse von Luft handelt, erkennt man an der relativ geringen Anzahl der Bläschen, deren Größe (1 bis 2 mm) und an deren grober Verteilungsstruktur im Querschnitt der Beschichtung. Bei Naturzugkühltürmen werden für besondere Beanspruchungen durch den Betrieb und durch Umgebungseinwirkungen 2K PUR Beschichtungen zum Einsatz gebracht. Dabei wird ein Mischungsansatz aus niedermolekularen Isocyanaten mit Polyolen auf Beton appliziert. Die funktionellen Gruppen gehen dann eine räumliche Vernetzung zu Polyurethan bzw. zu Polyharnstoffstrukturen ein und bilden dadurch hochresistente Oberflächen- 7. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Juli 2021 505 Blasen in Polymerbeschichtungen schutzsysteme gegen Betriebs- und Umgebungseinwirkungen. Gelingt dies nicht, oder kommt es zu Störreaktionen bei der Vernetzung, kann es, wie im vorliegenden Fall der Beschichtung eines Kühlturms zu folgenschweren Fehlleistungen kommen: Bild 2.1 zeigt den Ausschnitt der Schaleninnenseite im oberen Bereich. Dort ist eine 2-K Polyurethan-Beschichtung durch Airless-Spritzen appliziert worden. Bild 2.1: Ausschnitt einer Kühlturmschaleninnenseite. Schwadeneinbrüche vom Nachbarkühlturm Luvseitig (Südwest) steht ein weiterer Kühlturm, der zu diesem Zeitpunkt im Betrieb war. Die Wetterlage war zur Applikation günstig. Böiger Wind trieb jedoch den Schwaden alternierend leeseitig (Nordost) über das Beschichtungsobjekt. Dort kam es wegen des erwärmten, wasserübersättigten Kühlturmschwadens (in dieser Konstellation ist dieser schwerer als die Luft im Kühlturm) zu Schwadeneinbrüchen. In Bild 2.1 sind diese als weiße, neblige Trübungen erkennbar. Die fallenden Kühlturmschwaden gelangten so in das Airless-Spritzfeld der Applikateure, die diese „Bedrohung“ offensichtlich nicht wahrnahmen oder auch in ihrer Wirkung nicht entsprechend einschätzen konnten. Bild 2.2: Bienenwabenartige Schaumstruktur in PUR Deckschicht Auf einer Fläche von ca. 1000 m² hat man anlässlich einer Kontrollbefahrung zwei Tage später den auf Bild 2.3 gezeigten Schichtaufbau nach einem Stahlklingenschnitt festgestellt. Die beiden EP-Zwischenschichten und die erste PUR Deckschicht sind planmäßig und nahezu hohlraumfrei verfestigt. Die zweite PUR Deckschicht hat eine ausgeprägte Schaumstruktur und ihre Schichtdicke ist wenigstens dreimal so hoch wie planmäßig zu erwarten war. Bild 2.3: Vierlagiges Beschichtungssystem, letzte Lage ist mit CO 2 -Schaumblasen durchsetzt 2.2 Ursache und Mechanismen Die ausgeprägte Schaumbildung konnte dadurch entstehen, dass der Airless-Spritzstrahl in Form der feinen Tröpfchen des Beschichtungsstoffgemisches die Aerosole des Schwadens durchschossen und sich dabei mit Wasser aufgeladen haben. Dieses Aufladen war sehr effektiv, weil einerseits eine große Fläche (viele kleine Tröpfchen) von PUR Beschichtungsstoff und andererseits eine große Fläche von Wasser (auch viele kleine Tröpfchen) aufeinander trafen. Der Überschuss an Wasser im Kontakt mit dem flüssigen PUR führte dann zu einer Nebenreaktion dergestalt, dass sich aus dem eingefangenen Wasser und Kohlenwasserstoffen des PUR Mischungsansatzes als Nebenreaktion Kohlendioxid bildete, welches sich nach dem Gesetz von Avogadro aus dessen Molmasse von 44 g auf ein Molvolumen von 22,41 Liter CO 2 -Gas vergrößerte. Dadurch ist die auf dem Betonuntergrund aufgetroffene PUR Beschichtung zu der Schaumstruktur aufgebläht worden, die in Bild 2.2 mikroskopisch und im Bild 2.3 fotografisch im Schnittbild gezeigt ist. 506 7. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Juli 2021 Blasen in Polymerbeschichtungen Bild 2.4: Versprödung der PUR Deckschicht nach zweijähriger Betriebsbeanspruchung Bei dieser ausgeprägten Schaumbildung liegt die Annahme auf der Hand, dass die sonst bekannten Leistungsmerkmale der Polyurethanbeschichtung zum Schutz der Betonschale gegen die Betriebs- und Umgebungsbeanspruchungen nicht mehr vorhanden sind. Bild 2.4 zeigt eine fotografische Aufnahme des betreffenden Schalenausschnittes nach zwei Jahren des Betriebs des Kühlturms. Die Untersuchung ergab, dass sich zahlreiche Oberflächenrisse in netzartiger Feinstruktur gebildet hatten. Diese gehen darauf zurück, dass, vorgegeben durch die Hohlraumstruktur und durch die wegen der störenden Nebenreaktionen geschwächte Bindemittelmatrix, die Oberfläche netzartig aufgebrochen ist. 3. Chlorgasblasen 3.1 Hergang Die als sogenannte weiße Wanne erstellte Stahlbetonbodenplatte einer PKW Tiefgarage ist im Zuge des Neubaus mit dem Oberflächenschutzsystem OS 8 [3] ausgestattet worden. In der Folgezeit traten in dieser Bodenplatte viele Risse auf. Es war davon auszugehen, dass über diese Risse, die auch in der OS 8 Beschichtung aufgetreten waren, durch Fahrzeuge Auftausalze eingeschleppt wurden, partiell in die Risse eingedrungen sind und beim Erreichen der Bewehrung dort chloridinduziert Korrosion ausgelöst haben. Der Bauherr hat nach ca. zehn Jahren des Betriebs die Installation eines Kathodischen Korrosionsschutzsystems (KKS) [4] und in Kombination dazu die Anwendung eines Polymerbeschichtungssystems der Klassen OS 8 / OS 11 [3] ausführen lassen. In diesem Zusammenhang sind an zügig verlaufenden Einzelrissen Bandanoden in Schlitze eingebaut worden. Zirka zweieinhalb Jahre nach Fertigstellung der beschriebenen Schutzmaßnahmen hat man Blasen festgestellt. Fachleute haben aufgrund der Beschreibung Dritter der Art der Blasen nach ohne nähere visuelle oder technologische Untersuchungen diagnostiziert, dass es sich dabei um Osmoseblasen handeln müsse. Bei näherer Betrachtung kamen hinsichtlich dieser Ursachenannahme Zweifel auf. 3.2 Ursache und Mechanismen der Blasenbildung Bild 3.1 zeigt einen Ausschnitt des Fußbodens mit einigen Blasen. Diese hatten runde Formen, standen unter einem inneren Überdruck und ihre Durchmesser betrugen 5 bis 10 cm, wogegen osmotische Blasen eher Durchmesser von 1 bis 3 cm haben. Des Weiteren ergaben detaillierte Betrachtungen, dass das Auftreten der Blasen in einem Zusammenhang mit dem KKS, d.h. in der Nähe verlegter Bandanoden stand. Bild 3.1: Blasen in der Polymerbeschichtung Ø 5 bis 10 cm Bild 3.2 zeigt einen Blick in das Bohrloch, aus welchem ein Bohrkern Ø 100 mm bis auf eine Tiefe von ca. 80 mm entnommen worden ist. Bild 3.2: Bohrkernloch Ø 100 mm Die Bruchebene entstand genau dort, wo die obere Bewehrungslage der Stahlbetonbodenplatte endet. An der gegenüberliegenden Bohrwand erkennt man einen von unten nach oben verlaufenden Riss. Er endet ca. 3 cm unterhalb des Bohrlochrandes, wo man rechts die vertikale Bandanode und links davon den zementösen Einbettungsmörtel erkennt. Am darüber befindlichen Rand befindet sich partiell ein ca. 4 mm breiter Spalt. Dabei 7. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Juli 2021 507 Blasen in Polymerbeschichtungen handelt es sich um den Hohlraum der an dieser Stelle angebohrten Blase. Anzumerken ist in diesem Zusammenhang noch, dass bei mehreren geöffneten Blasen über Bandanoden die Einbettungsmörtel der Titan - MMO Anoden strukturell geschädigt waren und bei unmittelbarer Öffnung einen sehr stark stechenden Chlorgasgeruch abgaben. Die sehr ausführlichen in situ Untersuchungen an insgesamt 9 Blasenstellen zeigen im Vertikalschnitt in der Regel den im Bild 3.3 photographisch dargestellten Beschichtungsaufbau: Oberer Hohlraum: EP DB / PUR ZB als Adhäsionsbruch Unterer Hohlraum: PUR ZB+EP GB / Beton+ EP Egalisierungsmörtel als Mischbruch. Die beiden Hohlräume haben sich in kurzer Folge hintereinander gebildet. Der oben liegende Hohlraum entstand durch Scherspannungen nach vertikalem Anheben des Unterbaus. Förderlich hierfür war der geschwächte Haftverbund zwischen EP DB und PUR ZB durch die dort angewandte Sandabstreuung. Bild 3.3: Regelquerschnitt hinsichtlich des Zentrums Bandanode/ Blasenbildung Treibende Kraft zur Delamination war der „Unterbau“, speziell die Reaktionszelle Titan- MMO im PCC Einbettmörtel, in welcher die Chlorgasgenerierung eine expansive Aufwölbung, d.h. eine Blase nach oben erzwungen hat. Dies wird durch Bild 3.4 noch verdeutlicht. Bild 3.4: Darstellung der unterschiedlichen Druckwiderstände in vier Richtungen Dabei laufen mit dem Anlegen eines Gleichspannungsfeldes innerhalb des KKS elektrochemisch drei Vorgänge ab. Wirkung 1: Aus dem chloridbefrachteten Umfeld (vor allem im Rissumfeld) setzt im Elektrolyten die sog. Chloridextraktion ein, welche mit zunehmender Nähe zur Titananode, wegen der gleichlaufenden Zunahme der Polarisation, zu einer zunehmenden Chloridkonzentration im Anodenbereich führt. Messungen haben ergeben, dass sich im noch intakten Einbettungsmörtel eine Aufkonzentration bis 2 M.-% Chlorid eingestellt hatte. Der Referenzwert für die Sackware beträgt 0,034 M.-% Chlorid. Wirkung 2: Im Elektrolyten, und auch hier zunehmend mit abnehmender Entfernung zur Titananode setzt eine pH Wert Absenkung ein und zwar - im basischen Bereich durch anodische Oxidation nach 4OH− → O 2 +2H 2 O+4e − - im neutralisierten Bereich durch anodische Oxidation nach 2H 2 O → O 2 +4H++4e − Die Absenkung des pH Wertes bewirkt, dass der Zementstein chemisch zersetzt wird und dabei seine Festigkeit verliert. Im Zuge dieses sauren Zersetzungsvorgangs wird auch die PZ Klinkerphase C 4 AF (F steht für Fe 2 O 3 ) zersetzt, wobei Fe 2 O 3 in Eisenoxidhydroxid umgewandelt wird, welches ein gelblich braunes Aussehen, ähnlich dem Rost von Stahl hat. Dieser Zustand ist gleichzeitig der Indikator für den Verlust der strukturellen Integrität des Einbettungsmörtels. Es sei noch darauf hingewiesen, dass an allen unterhalb von Blasen freigelegten Anoden im Einbettungsmörtel partiell zersetzter Mörtel festgestellt worden ist. Wirkung 3 Das Überangebot an extrahierten Chloridionen führt im entsprechend polarisierten Gleichspannungsfeld zur Oxidation der Chloridionen zum elementaren Chlorgas nach 2Cl − → Cl 2 +2e − Unter günstigen Randbedingungen, d.h. einem Umgebungs-pH deutlich <3 und der Abschirmung gegen neutrales oder basisches Wasser, wird nach dem Gesetz von Avogadro [5] bei 0°C und 1 bar Atmosphärendruck aus der molaren Masse von 2Cl − ein Molvolumen von 22,414 Liter. Diese 508 7. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Juli 2021 Blasen in Polymerbeschichtungen Bedingungen werden innerhalb der in Bild 3.3 und Bild 3.4 gezeigten „Reaktionszelle“ als gegeben angesehen. Im nächsten Schritt wird das Chlorgas nach allen Richtungen einen Druck ausüben. Welche Auswirkungen dies hat, ist in Bild 3.4 gezeigt. Der mechanische Druckwiderstand wird in Richtung Ω4, d.h. nach unten am größten und in Richtung Ω1, d. h. zum Beschichtungsaufbau hin, am kleinsten sein. In Parallelrichtung zur Randzone des Beschichtungsaufbaus wird der Druckwiderstand eine Mittelstellung einnehmen. Das bedeutet, die größte Effizienz zur Delamination und zum Abheben des Beschichtungsaufbaus geht senkrecht nach oben und nimmt nach links und nach rechts gleichförmig ab. Auf diese Weise erfolgt das Abheben des Beschichtungsaufbruchs nach Adhäsionsbzw. Mischbruch mit der bekannten zentrisch konkaven Blasenerzwingung. Die entscheidenden Parameter zur Blasenerzwingung sind das KKS selbst mit seinen Besonderheiten zur kathodischen und anodischen Polarisierung in einem Gleichspannungsfeld, sowie die Verfügbarkeit von ausreichend Chloridionen an der Anode, die ja im Wege der systemimmanenten Chloridextraktion reichlich „herangeschafft“ werden. 4. Pinholes und Pinblisters 4.1 Hergang Pinholes Auf der Schaleninnenseite eines Naturzugkühlturms aus Stahlbeton wurde großflächig mehrere Zentimeter dick Betonersatz mit Spritzmörtel (SPCC nach ZTV ING) ausgeführt [6]. Bereits während des Spritzvorganges stellte man fest, dass der SPCC-Verarbeiter eine raue und porenreiche Oberfläche hinterließ. Systemspezifisch wurde anschließend noch ein PCC-Feinmörtel appliziert, um einen beschichtungsgerechten Untergrund herzustellen. In der egalisierten Oberfläche bildeten sich Pinholes deckungsgleich mit den im SPCC vorhanden Poren (Bild 4.1). Hauptursächlich für das Entstehen dieser Pinholes war der zu hohe W/ Z-Wert des Feinmörtels. Dieser wurde auf die Oberfläche aufgeschlämmt, weil man einen zu hohen Kraftaufwand vermeiden wollte. Der verflüssigte Feinmörtel wies aber nur einen geringen Verformungswiderstand auf, was schließlich die Pinhole-Bildung verursachte. Ohne die Pinholes zu beachten, wurde auf der egalisierten Fläche in vier Arbeitsgängen noch eine Schutzbeschichtung aufgetragen. In je zwei Einzellagen applizierten die Verarbeiter zuerst eine Epoxidharz- und danach eine Polyurethanbeschichtung. Die im Feinmörtel-Untergrund vorhandenen Pinholes setzen sich bis in die letzte Deckbeschichtung fort. Zuerst bildeten sich an diesen Stellen Bläschen, die im Regelfall aufplatzten. In jedem Pinhole wurde ein Zugang zum mineralischen Untergrund in Form einer Kanüle festgestellt. 4.2 Hergang Pinblisters An der Schalenaußenseite eines Naturzugkühlturms wurde ein OS 2 zum Oberflächenschutz appliziert. Die hydrophobierte Oberfläche sollte in zwei Lagen mit einer Acrylatbeschichtung versehen werden [7]. Nach der Applikation der zweiten Beschichtungslage traten unzählige Pinblisters auf einem Teil der Kühlturmschale auf. Der Vorgang lief wie folgt ab: Kurz nach Aufbringen der ersten Beschichtungslage benetzte ein Regenschauer die Oberfläche. Sie trocknete schnell ab, so dass die Ausführungsfirma beschloss, die Beschichtungsarbeiten fortzusetzen. Dabei wurde nicht bedacht, dass sich trotz trockener Oberfläche noch Wasser in den offenen Poren des Betons befand. Bild 4.1: Im PCC-Feinmörtel (rechts) bildeten sich Poren, die mit denen im darunter liegenden SPCC (links) deckungsgleich waren. 7. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Juli 2021 509 Blasen in Polymerbeschichtungen Bild 4.2: Links ist der Blasendeckel geschlossen, rechts sind nach dessen Abnahme die Poren zu erkennen Bereits während der Applikation der zweiten Beschichtungslage traten auf der gesamten Fläche Pinblisters auf (Bild 4.2). Die Beteiligten konnten sich das nicht erklären, da sie an einem bewölkten Tag ohne Sonneneinstrahlung bei konstanter Lufttemperatur gearbeitet hatten. Beim Öffnen des Blasendeckels wurde unter den Blasen stets eine Betonpore gefunden 4.3 Ursache und Mechanismen Die Ursache von Pinholes und Pinblisters während der Filmbildungs- und Erhärtungsphase der Beschichtung wird häufig falsch begründet. In mehreren Technischen Hersteller-Merkblättern heißt es, dass sich die Blasen vermeiden lassen, wenn nicht bei steigenden Temperaturen beschichtet wird. In anderen Quellen wird behauptet, dass sich eingeschlossene Luft bei Erwärmung des Bauteils ausdehnt und gegen die Beschichtung drückt. Diese Annahmen sind nicht zielführend. Pinholes und Pinblisters entstehen innerhalb eines kurzen Zeitfensters von Minuten. Daher kommt die Bauteilerwärmung als Ursache der Blasenbildung nicht infrage, denn an einem massigen Bauteil kann die Temperatur nicht schnell genug ansteigen, um die im Bauwerk eingeschlossene Luft innerhalb einiger Minuten zu erwärmen. Richtig ist aber, dass die Temperatur an der Bildung von Pinholes und Pinblisters mitwirkt. Wegen der Porenstruktur der Betonrandzone und des „Hinterlandes“ kann sich nach Verschluss der Poren mit einem Mörtel oder einer Beschichtung in ihnen der sogenannte Sattdampfdruck bilden. Dem liegt folgender Prozess zugrunde: Das dynamische Gleichgewicht zwischen Flüssigwasser und Luft bewirkt, dass Wassermoleküle in die Luft diffundieren. Die maximale Konzentration an Wassermolekülen in der Luft ist von der Temperatur der Luft abhängig. Er beträgt zum Beispiel bei 20 °C warmer Luft 17,3 g/ m³ [8]. Den Zustand der maximalen Wasserdampfaufnahme nennt man Sättigungsfeuchte. Bei einer Übersättigung der Luft mit Wasserdampf fällt Wasser als Nebel oder Niederschlag aus, es kondensiert. Die 100 Kilometer hohe Luftschicht der Erde übt infolge der Gravitation auf die Erdoberfläche einen Druck aus (barometrischer Druck). Weil die Luftschicht auch Wasserdampf enthält, übt auch dieser anteilig einen Druck auf die Erdoberfläche aus. Man nennt ihn den Partialdruck des Wassers. Diesen Zusammenhang zwischen der Konzentration des Wasserdampfes in der Luft und dem Teildruck des Wasserdampfs in der Luft auf die Erdoberfläche stellt Gleichung (1) dar: (4.1) Darin bedeutet: φ: relative Luftfeuchte, C: aktuelle Konzentration des Wasserdampfs, Cs: maximale Konzentration des Wasserdampfs, P: tatsächlicher Dampfdruck, P s : Sattdampdruck. Aus dem Zusammenhang 1 bar = 100.000 Pa = 0,1 N/ mm² = 10 m Wassersäule und der Kenntnis der Sättigungsfeuchte kann der Sattdampfdruck in Abhängigkeit von der Temperatur abgelesen werden (Bild 4.3). Bild 4.3: Sattdampfdruckkurve beziehungsweise Sättigungskurve für Wasser als Funktion der Temperatur 510 7. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Juli 2021 Blasen in Polymerbeschichtungen • 20 °C: c s = 17,3 g/ m³, p s = 0,0234 bar = 23,4 mbar, • 30 °C: c s = 30,3 g/ m³, p s = 0,0424 bar = 42,4 mbar, • 40 °C: c s = 51,1 g/ m³, p s = 0,0738 bar = 73,8 mbar. Um den Druckanstieg in der Pore nach ihrem Verschluss mit einem Mörtel oder einer Beschichtung nachzuweisen, wurde ein Experiment durchgeführt. Ein Glasbehälter mit Seitenausgang wurde bei 20 °C Außentemperatur halb voll mit Wasser von 20 °C gefüllt. Hält man die Temperatur konstant, stellt sich nach Verschließen des Behälters mit einem Deckel im Luftraum eine Wasserdampfkonzentration von 17,3 g/ m³ ein. Ist die Luft anfangs wasserdampffrei stellt man am Manometer einen absoluten Druckanstieg von 0,0234 bar = 23,4 cm Wassersäule fest. Dieses Experiment wurde mit verschiedenen Arten von Flüssigkeiten, wie Lösemittel oder Beschichtungsbestandteilen, wiederholt: Gemessen wurde jeweils der Druckanstieg beim langsamen Verschließen des Deckels. Bild 4.4 zeigt die Messergebnisse im Verlauf von zehn Minuten. Bemerkenswert ist, wie schnell der Druck ansteigt. Sinn dieser Experimente war es, die Druckerhöhung in der Pore nach dem Verschluss mit einem in der Erhärtungsphase verformbaren „Deckel“ aus Mörtel oder Beschichtung nachzustellen. Aus der physikalischen Gesetzmäßigkeit des Gesamtgleichgewichts, den Erkenntnissen aus dem beschriebenen Versuch und den Beobachtungen am Bauwerk, kann für das Entstehen von Pinholes und Pinblisters ein ursächlicher Zusammenhang nachgewiesen werden. Die in einem mineralischen Baustoff wie Beton oder Mörtel vorhandenen Poren haben durch Kanülen, Kavernen und Lunker ein definiertes, größtenteils abgeschlossenes Volumen. Diese Porenstruktur ist die Voraussetzung zur Entstehung der Pinholes und Pinblisters. Bild 4.4: Geschwindigkeit und Höhe des Sattdampfdruckanstiegs Bei unebenen Untergründen wird die Oberfläche mit einem Feinmörtel egalisiert, um sie beschichtungsgerecht vorzubereiten. Auch bei diesen Egalisierungsmörteln treten jedoch - wie oben beschrieben - Pinholes auf. Bei OS-Systemen verschließt der Beschichtungsstoff die Poreneingänge und unterbricht so den Luftaustausch zwischen Poreninnenraum und Außenluft. Im Porenraum entsteht aufgrund der flüchtigen Anteile, die aus der Flüssigphase des Wassers in den Porenraum verdampfen, ein Überdruck bis maximal zum Sattdampfdruck. Abhängig vom Verformungswiderstand des Beschichtungsstoffs kann der Überdruck in der Pore erzwingen, dass sich an der Oberfläche des Mörtels oder Beschichtungsstoffs Bläschen (Pinblister) bilden. Verfügen die eingesetzten Materialien nur über geringe Kohäsionskräfte, bricht das Bläschen auf und es entsteht ein Pinhole. Die Intensität der Pinhole- und Pinblister-Bildung ist tatsächlich auch von der Temperatur abhängig. Denn aus höheren Temperaturen resultieren auch höhere Sattdampfdrücke (Bild 4.3). Diese bilden sich in der Pore schneller und intensiver aus, so dass die Pinhole- und Pinblister-Bildung rascher voranschreitet. Die Sattdampfdruckkurve in Bild 4.3 sagt jedoch nur etwas über den Zusammenhang zwischen Temperatur und Sattdampfdruck aus. Das Diagramm kann nicht dazu verwendet werden, den Druckanstieg abzulesen, der in einem Hohlraum durch die Erwärmung des Bauteils entsteht. Nur wenn man die Ausgangsbedingungen kennt, kann man den Druckanstieg in der Pore abschätzen. Zu diesen Bedingungen gehören zum Beispiel die relative Luftfeuchte, die Bauteil- und Außenlufttemperatur, die flüchtigen Anteile des Beschichtungsstoffs und der Feuchtegehalt des Baustoffs. Es ist also richtig, dass bei hohen Temperaturen - im Sinne eines höheren Temperaturlevels - häufiger Blasen entstehen. Es ist aber nicht richtig, dass die Blasenbildung einen Zusammenhang mit einem Temperaturanstieg des Bauteils aufweist. Denn in einem massiven Betonbauteil tritt innerhalb von Minuten kein ausreichender Temperaturanstieg auf, um in der Pore einen ausreichenden Überdruck durch die eingeschlossenen Gase zu bewirken und das Entstehen einer Blase zu erzwingen. 5. Beulen 5.1 Hergang Wenn zwischen Untergrund und Beschichtung Hohlräume entstehen, spricht man bei kleineren Durchmessern (max. 5 cm) von Blasen, bei größeren Durchmessern von Beulen. Der vorliegende Fall behandelt die Beulenbildung in einer rissüberbrückenden Polyurethan-Innenbeschichtung eines Stahlbetonbeckens. Die beteiligten Parteien waren der Überzeugung, dass Dampfdruck oder Osmose die Ursache der Schadenserscheinungen ist. Die eingehende Analyse ergab jedoch eine ganz andere Ursache. Die Wandinnenseite eines kreiszylindrischen Stahlbetonbehälters der Kläranlage eines Hüttenwerkes ist mit einem rissüberbrückenden, chemikalienbeständigen Oberflächenschutzsystem beschichtet worden. 7. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Juli 2021 511 Blasen in Polymerbeschichtungen Nach dem Leistungsverzeichnis waren folgende Arbeitsgänge auszuführen: - Vorbereitung des Betonuntergrundes durch Druckluftstrahlen mit festem Strahlmittel (Herstellung der Tragfähigkeit). - Vorbehandlung des Betonuntergrundes durch Grundbeschichtung sowie Kratz- und Lunkerspachtelung auf Bindemittelbasis eines lösemittelfreien 2K-Epoxidsystems - Deckbeschichtung durch Spritzapplikation eines 2-K- Polyurethan-Beschichtungssystems in einer Schichtdicke von 2 mm. Die Ausführungszeit lag zwischen Mitte Oktober bis November. Aus den Einträgen im Bautagebuch war zu entnehmen, dass trotz der Einhausung Wassereinbrüche aus Beregnung aufgetreten sind. Das Becken ist ein halbes Jahr nach Fertigstellung in Betrieb genommen worden. Die Temperatur der permanent die Beschichtung in konstanter Füllhöhe beaufschlagenden Prozesswässer schwankte zwischen 30 und 35°C. Bild 5.1: Vertikale Wölbungswülste. Oben horizontal verlaufende Verletzung Bild 5.1 zeigt einen Ausschnitt des Beckenwandbereiches im Abschnitt Nordwest. In der Beschichtung haben sich vertikal orientierte Verwölbungen eingestellt. Die Wölbungswülste endeten meist auf einem Drittel der Höhe der Beckenwand. Außerdem war die Beschichtung nahe der Oberkante des Beckens örtlich horizontal verlaufend verletzt. Diese Verletzungen waren deckungsgleich mit den horizontalen Markierungen des Radlaufs des Räumers. Bild 5.2: Aus vertikalem Wölbungswulst herausgeschnittener Streifen zeigt hell-dunkel Unterschied auf der Spachtelschicht. Bild 5.2 zeigt ausschnittsweise einen vertikalen Verwölbungswulst, aus welchem eine rechteckige Fläche herausgeschnitten worden ist. Wie hier waren die Wulsthohlräume überwiegend nicht flüssigkeitsgefüllt. Wenn, dann hatten sich am jeweils unteren Wulstende kleine Wassersäcke gebildet. Die Beschichtung konnte im links und rechts angrenzenden Bereich mit geringer bis mittlere Kraftanstrengung als große zusammenhängende Lappen abgezogen werden. Die Beschichtung zeigte keine Anzeichen der Zersetzung. Im Bereich der Aufwölbung war die sandraue Kratz- und Lunkerspachtelung hellgrau in den angrenzenden Bereichen dagegen etwas dunkler. 5.2 Ursache und Mechanismen Mehrere Filmstücke der am Objekt abgezogenen PUR- Deckbeschichtung sowie mehrere aus der Beckenwand herausgetrennte Stücke der EP-Egalisierungsschicht sind unter dem Stereomikroskop betrachtet worden. Bild 5.3 zeigt die Rückseite der abgelösten PUR-Deckschicht unter einer flachen Lichteinstrahlung. Man erkennt eine stark verrundete Raustruktur. Bild 5.4 zeigt unter flacher Lichteinstrahlung die Oberfläche der EP-Kratzspachtelschicht. Gegenüber Bild 5.5 hat die Kratzspachtelschicht eine charakteristische, scharfkantig gezackt strukturierte Oberfläche. Unter Berücksichtigung der Ergebnisse aus in situ - und Laboruntersuchungen, der Informationen zum Ablauf der Beschichtungsmaßnahmen sowie in Kenntnis der Betriebsbedingungen lässt sich die Ursache der Aufwölbungen wie folgt rekonstruieren: 512 7. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Juli 2021 Blasen in Polymerbeschichtungen Bild 5.3: Verrundete Raustruktur der Rückseite der abgelösten Deckschicht Bild 5.4: Scharfkantig und gezackt strukturierte Oberfläche der Spachtelschicht mit Quarzsandabstreuung (Gegenfläche von Bild 5.2) Die sandgraue Kratz- und Lunkerspachtelschicht auf EP-Basis ist im 2K-Hochdruckspritzverfahren mit einer PUR-Deckschicht in einer mittleren Schichtdicke von 2 mm versehen worden. Während der Applikation der PUR-Deckschicht herrschte eine Umgebungs- und Bauteiltemperatur von 10°C und darunter. Zwischen der Einbautemperatur und der Betriebstemperatur von 30°C bis 35°C liegt eine Temperaturerhöhung von DJ ~ 25K. Wegen des höheren thermischen Längenänderungskoeffizienten aJ der PUR-Deck-schicht gegenüber Beton und wegen des Temperaturgradienten im Wandquerschnitt hat sich in der Ebene der PUR-Deckschicht ein Ausdehnungsbestreben eingestellt, welches größer ist als dasjenige der Stahlbetonschale. Solange zwischen der PUR- Deckschicht und der Stahlbetonschale ein Haftverbund gegeben ist, wird eine Ausdehnung der Beschichtung behindert. In der Beschichtung entstehen parallel zur Stahlbetonschale Druckspannungen, die man wie folgt beschreiben kann: [N/ mm²] (5.1) Der Elastizitätsmodul E der PUR-Deckschicht liegt in der Größenordnung von 102 N/ mm². Der thermische Längenänderungskoeffizient [a∙DJ] kann effektiv mit 10 -4 K -1 angenommen werden. Die Druckspannungen betragen dann ca. 0,25 N/ mm². Die Tatsache, dass während des Betriebs auf die PUR- Deckschicht Wasser mit erhöhter Temperatur einwirkt, hat eine Quellung zur Folge, die expandierend wirkt und somit die temperaturgenerierten Druckspannungen parallel zur Beschichtungsebene noch weiter erhöht. Die Druckspannungen in der PUR-Deckschicht verursachen in der Grenzfläche zur EP-Kratzspachtelschicht Scherkräfte, die in senkrecht gerichtete Haftzugspannungen ß HZ umgelagert werden. Wenn der Haftverbund überwunden ist, kommt es zu einer Aufwölbung der am Ausdehnen behinderten Schicht. In Kenntnis der Weglänge l eines potenziell geschwächten Haftverbundes und der Dicke d der PUR-Deckbeschichtung lässt sich abschätzen, wie hoch die kritische Wölbspannung ß K ist, die zur Beulenbildung überwunden werden muss. [N/ mm²] (5.2) Setzt man wiederum den E-Modul 102 N/ mm² sowie eine Dicke von 2 mm und eine Weglänge von 0,5 m ein (Breite eines vertikal orientierten Wölbungswulstes), beträgt die zum Aufwölben notwendige Spannung 0,003 N/ mm². Im Vergleich dazu würde die kritische Wölbspannung bei einer Weglänge von 10 cm 0,07 N/ mm² betragen. Weiterhin lässt sich rechnerisch abschätzen, bei welchem kritischen Temperaturintervall DJK eine Aufwölbung eintreten würde, immer vorausgesetzt, der Haftverbund zum Untergrund sei überwunden: [K] (5.3) Für die Weglänge von 0,5 m beträgt das kritische Temperaturintervall 0,3 K und für die Weglänge von 10 cm ca. 7 K. Schließlich lässt sich dann auch noch rechnerisch abschätzen, welches Stichmaß h die Beule mittig erreichen wird, wenn die PUR-Deckschicht einem Temperaturintervall von 25 K ausgesetzt wird: [mm] (5.4) Für die Weglänge 0,5 m: 15,3 mm Für die Weglänge 0,1 m: 3,0 mm 7. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Juli 2021 513 Blasen in Polymerbeschichtungen Diese modellhafte Darstellung zeigt, dass eine durch Temperaturerhöhung erzwungene Aufwölbung realistisch erscheint, zumal dann, wenn die Beschichtung durch die Prozesswässer noch gequollen wird. Die abgeschätzten Stichhöhen stimmen mit den beobachteten Aufwölbungen überein. Die temperatur- und quellungsbedingt aufgetretenen Druckspannungen liegen oberhalb der kritischen Wölbspannungen und die kritischen Temperaturintervalle werden weit überschritten. Eigentlich müsste man davon ausgehen können, dass die Beulen nach Rückgang der hohen Temperatur wieder zurückgehen. Dies ist nicht bzw. nur zu einem geringen Teil der Fall. Der Hauptgrund liegt an dem plastoelastischen Verformungsverhalten der PUR-Deckschicht und in dem damit verbundenen Kriechverhalten. Dadurch stellt sich eine irreversible Formänderung (Beule) ein. Der Grund dafür, dass im unteren Wandbereich keine bzw. deutlich weniger Aufwölbungen aufgetreten sind, hängt mit dem hydrostatischen Druck des Prozesswassers zusammen. Dieser setzt dem Aufwölbungsbestreben der Beschichtung einen mechanischen Widerstand entgegen, der dann die Beulenbildung ab einer bestimmten Entfernung von der Wasserlinie nicht mehr zulässt. Die Aufwölbung setzt allerdings voraus, dass der Verbund der PUR-Deckschicht zur EP-Kratzspachtelschicht erheblich geschwächt bzw. aufgehoben ist. Es ergeben sich mehrere signifikante Hinweise dafür, dass der Haftverbund nicht planmäßig zustande kam bzw. im Laufe der Zeit geschwächt worden ist. - Die stereomikroskopischen Aufnahmen von Bild 5.3 und 5.4 zeigen, dass die gewollte, zerklüftete Oberflächengeometrie der sandabgestreuten EP-Kratzspachtelschicht durch den Beschichtungsstoff der PUR- Deckschicht nicht optimal benetzt worden ist. Wäre dies geschehen, müsste die Oberflächenstruktur der Rückseite der PUR-Deckschicht ein analog gezacktes Bild aufweisen. Dies ist nicht der Fall. Die Rückseite besitzt dagegen eine stark verrundete Rauheit. Die von der PUR-Deckschicht mit der EP-Kratzspachtelschicht eingegangene Haftverbundfläche ist somit deutlich kleiner als die maximal mögliche, was eine entsprechende Haftverbundminderung bedeutet. Die Ursache dafür liegt in der hohen Reaktionsgeschwindigkeit des im 2-K Hochdruckspritzverfahren applizierten PUR Beschichtungsmaterials. Die schnelle Vernetzung zum Polymer verkürzt die Benetzungszeit des zuvor flüssigen Materials. Eine schnelle Vernetzung ist andererseits gewollt, damit die erforderliche Standfestigkeit des an senkrechten Flächen in hoher Schichtdicke (ca. 2 mm) applizierten Beschichtungsmaterials schon nach kurzer Zeit gewährleistet ist. - während der Ausführung im Herbst traten gemäß den Eintragungen im Bautagebuch immer wieder Regeneinbrüche auf, weil die Einhausung nicht funktionsgerecht war. So kam es höchstwahrscheinlich örtlich zu einer weiteren Minderung des Haftverbundes, weil die Oberfläche der EP-Kratzspachtelschicht zum Zeitpunkt der Applikation der PUR-Deckschicht feucht war. Die vertikal strukturierten Wölbungswülste (Bild 5.1) und die hellgraue Beschaffenheit der Kratzspachtelschicht (Bild 5.2) deuten darauf hin, dass Wasser örtlich an den Wänden abgelaufen und vor der Beschichtungsstoff-Applikation nicht vollständig abgetrocknet ist. - Einschnitte in die PUR-Deckschicht, verursacht durch die Räder des Räumers, haben zu einer Verletzung geführt und im Gefolge dazu eine Unterwanderung der PUR-Deckschicht durch Niederschlagswasser ermöglicht. Die Unterwanderung der PUR-Deckschicht wurde erleichtert, weil der Kontakt zum Untergrund nur teilflächig war (Bild 5.2) und somit ein Kapillartransport von Wasser entstehen konnte. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Haftverbundschwächen, die z.T. aus Besonderheiten der Beschichtung resultieren und z.T. applikationsbedingt waren, unterstützt durch Unterwanderung an betriebsbedingt entstandenen Fehlstellen die Voraussetzung waren, dass durch die thermische Einwirkung der Prozesswässer und durch Quellvorgänge parallel zur Beschichtungsebene Druckspannungen auftraten, welche zur Beulenbildung mit vertikal orientierter Wulststruktur führten. 514 7. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Juli 2021 Blasen in Polymerbeschichtungen Literatur [1] Engelfried, R.; Eisenkrein, H.: Schäden an polymeren Beschichtungen, Schadenfreies Bauen, (Hrsg. Ralf Ruhnau), Band 26, 2012, Fraunhofer IRB Verlag [2] Näser, Karl-Heinz; Lempe, Dieter; Regen, Otfried: Physikalische Chemie für Techniker und Ingenieure, Wiley-VCH Verlag, 1990 [3] Deutscher Ausschuss für Stahlbeton: DAfStb- Richtlinie Schutz und Instandsetzung von Betonbauteilen, Oktober 2001 [4] DIN EN ISO 12696, Kathodischer Korrosionsschutz von Stahl in Beton; Deutsche Fassung EN ISO 12696-06 [5] Näser, Karl-Heinz; Lempe, Dieter; Regen, Otfried: Physikalische Chemie für Techniker und Ingenieure, Wiley-VCH Verlag, 1990 [6] Engelfried, R.; Eisenkrein, H.: Surface Protection Systems on Natural Draught Cooling Towers with Flue Gas Discharge (FGD), WTA-Proceedings of the International Conference of Sustainable Building Restoration and Building Physics, September 26 - 27 2008 at Tongji University, Shanghai [7] Engelfried, R., Sage, F., Eisenkrein, H.: Naturzugkühlturm mit Abgaseinleitung - Planung und Umsetzung von Schutzmaßnahme und Aussehensoptimierung; Tagungsband 2. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken, Technische Akademie Esslingen, Januar 2011 [8] Klopfer, H; Homann, M.: Lehrbuch der Bauphysik, Kapitel III Feuchte. Hrsg.: Willems, W. Vieweg+Teubner Verlag: 7. Ausgabe, Wiesbaden, 2012