10. Kolloquium Industrieböden - März 2020 343 Flächige Instandsetzung gerissener Industrieböden mit hoch verschleißfestem Carbonbeton Detlef Koch Koch GmbH, Kreuztal, Deutschland Björn Neuberger Koch GmbH, Kreuztal, Deutschland Zusammenfassung Risse in zementgebundenen Industrieböden können meist nicht vollständig ausgeschlossen werden und gehören damit zu den häufigsten Schäden im Industriebereich. Überschreiten die ausgebildeten Risse die Kriterien der Gebrauchstauglichkeit, stellen diese einen technischen Mangel dar und gefährden nicht nur die Gebrauchsfähigkeit, sondern unter Umständen auch die Tragfähigkeit. Die Risse entstehen häufig durch die auftretende Kombination aus Last und Zwang, welche unter anderem durch den Klimawandel zunehmend gesteigert wird. Für eine besonders effektive und wirtschaftliche Instandsetzung stellte sich die Kombination aus einem hoch-verschleißfestem Industrieestrich und Carbonbewehrungen heraus. Dabei können die gängigen Schadensbilder innerhalb kürzester Zeit saniert und langfristig abgedichtet werden. 1. Überblick/ Schäden und Ursachen 1.1 Rissbildung Die Ursachen von Rissbildungen in Industrieböden sind vielfältig. Meist lassen sich die Risse allerdings durch auftretende Zwangsbeanspruchung erklären. Dabei können sowohl frühe als auch späte Zwänge auftreten, welche durch indirekte, innere oder äußere Einwirkungen entstehen. Zu den frühen Zwängen zählen hauptsächlich Temperaturänderungen auf Grund der abfließenden Hydratationswärme und lastunabhängige Verformungen durch Feuchtigkeitsreduktion (Schwinden). Eine durch den Klimawandel verstärkte indirekte Ursache von spätem Zwang ist beispielsweise die Verformungsbehinderung bei auftretenden Temperaturextremwerten. Die Änderung der Bauwerkstemperatur (auch durch warmgelagerte Güter möglich) ruft dabei auf Grund der behinderten Verformung zusätzliche Schnittgrößen am statischen System hervor. Weitere Ursachen für späte Zwänge in Industrieböden sind ungleichmäßige Setzungen und behinderte Kriechverformungen. Häufig resultiert auf Grund von gleichzeitig auftretenden Verformungsbehinderungen eine Kombination aus Biegezwang und zentrischem Zwang, weshalb lokal auftretende Schnittgrößen unterschätzt werden können. Die Folge ist eine unzureichende Begrenzung der Rissbreiten. [1] Aber auch äußere Einwirkungen verschulden häufig eine Vielzahl an Rissen. So können hohe dynamische Beanspruchungen (beispielsweise durch Staplerverkehr oder Schwingungen durch Maschinen) maßgeblich zur Rissbildung beitragen und diese zyklisch vergrößern. Darüber hinaus können zu hohe oder frühe mechanische Belastungen zur Rissbildung führen. Weitere Ursachen, die das Rissbild von Industrieböden maßgeblich beeinflussen, sind eindringende Feuchtigkeit und Belastungen durch chemischen Angriff. [1] Abbildung 1: Trennrisse führen zu kippelnden Platten (Oberfläche nach dem Kugelstrahlen) Buch IB.indb 343 11.02.20 12: 54 344 10. Kolloquium Industrieböden - März 2020 Flächige Instandsetzung gerissener Industrieböden mit hoch verschleißfestem Carbonbeton 1.2 Statische und planerische Fehler Statische und planerische Fehler gehören zu den Hauptursachen für den großflächigen Instandsetzungsbedarf bei Industrieböden. Ein fehlerhafter Fundamentbau durch mangelnde Querschnitte, zu niedrige Betongüten, zu geringe Betonüberdeckungen, unbewehrte Ausführungen oder falsche Lastansätze (Unterschätzung der Lasten), sind die gängigsten Bemessungsfehler und führen oft schon nach kurzer Zeit zu kostenintensiven Instandsetzungen. Aber auch planerische Fehler, wie die unzureichende Anzahl der Dehnungsfugen, nachträgliche industrielle Umnutzungen, mangelnde Abdichtungen und Schutzsysteme oder falsch konzipierte Abflüsse sind typische Schadensursachen. Zudem finden sich häufig Ausführungsfehler, wie beispielsweise unzureichende Untergrundvorbereitungen, vor. Abbildung 2: Risse, Ausbrüche und Verschleißerscheinung im Fugenbereich 2. Industrieestrich Die Anforderungen an Industrieestriche sind auf Grund der Tatsache, dass sie meist direkt befahren bzw. benutzt werden, vielfältig: Neben den geringen Schichtdicken besteht die Anforderung der besonders hohen Ebenheit, weshalb meist fließfähige und selbstnivellierende Estriche genutzt werden. Bei der Verwendung von plastischen Systemen kommen auf Grund der gewünschten Ebenheit meist maschinelle Glättverfahren (z.B. Flügelglätte) zum Einsatz. Weitere Oberflächenanforderungen sind eine hohe Rutschhemmung, sowie ein hoher Verschleißwiderstand (v.a. gegenüber rollenden Belastungen). Zudem ist eine hohe Beständigkeit gegenüber Ölen, Emulsionen etc. essenziell. Des Weiteren muss der Estrich zwingend einen ausreichenden Verbund zum Untergrund besitzen und je nach Anwendungsfall diffusionsoffen sein. [2] [3] Um diese Anforderungen zu erfüllen, wird bedarfsweise zwischen folgenden Estricharten unterschieden: Zementestrich (CT) • Calciumsulfatestrich (CA) • Kunstharzestrich (SR) • Magnesiaestrich (MA) • Gussasphaltestrich (AS) Generell lässt sich beobachten, dass mineralische Estriche in der Instandsetzung meist polymermodifiziert sind und obwohl als Zementestrich klassifiziert, häufig geringe Mengen Anhydritbinder besitzen. [2] [3] Durch die Verwendung von Anhydritbinder (Calciumsulfat) lassen sich große Flächen auf Grund des geringen Schwindmaßes spannungsarm herstellen. Dies ist v. a. auf Grund der fugenlosen Ausführungen besonders effektiv, um frühe Risse zu vermeiden. Zudem lassen sich durch die Kombinationen der drei verwendeten Bindemittel (Zement, Gips und Kunststoff) die Erhärtungsdauer sowie der Zeitpunkt der Belastbarkeit maßgeblich reduzieren. Ferner werden auch anstatt von Gipszusätzen kautisches Magnesia als Bindemittel zugefügt, da diese ebenfalls zur Erhärtungsbeschleunigung bei gleichzeitig geringem Schwindmaß führen. Zudem besitzen magensia-vergütete Estriche eine erhöhte Ableitfähigkeit. Besonders anzumerken ist, dass die Verwendung von Magnesia- oder Anhydritbinder lediglich für den Innenbereich möglich ist, da diese gegenüber Feuchtigkeit und Frostbelastung nicht resistent sind. 3. Carbonbewehrung Bei der Herstellung von Carbongelegen wird zuerst eine Vielzahl von einzelnen Carbonfilamenten mit einer Schlichte versehen und durch bündeln zu Rovings mit bis zu 50.000 Einzelfilamenten verarbeitet. Über spezielle Maschinen werden anschließend die individuellen Bewehrungsstrukturen gelegt und vernäht. Abschließend werden diese Gelege mit einer Tränkung versehen. Typische Maschenweiten können so zwischen 8 und 51 mm rechteckig oder quadratisch variiert werden. Die spezifischen Gewichte der entstehenden Armierungsgelege reichen dabei typischerweise zwischen 310 und 650 g/ m², wobei Flächenquerschnitte von 30-142 mm²/ m erzielt werden. [4] Buch IB.indb 344 11.02.20 12: 54 10. Kolloquium Industrieböden - März 2020 345 Flächige Instandsetzung gerissener Industrieböden mit hoch verschleißfestem Carbonbeton Durch anwendungsbezogene Tränkungen und Oberflä-chenmodifikationen erhöhen sich der Verbund zu Mörtel-/ Betonmatrix, sowie die ausnutzbare Zugfestigkeit um ein Vielfaches. Dies kann sich zudem günstig auf Rissanzahl, -abstand und -breiten auswirken (v. a. bei besandeten Gelegen). [5] Abbildung 3: Besandetes Carbongelege (maßgebliche Erhöhung der Oberfläche und Rauigkeit). [6] Abbildung 4: Carbongelege mit Wirkfaden umwickelt (verbesserter Verbund) Die Vorteile von Carbonbewehrung gegenüber Stahlbewehrung sind vielfältig. So ist das verwendete Carbon beispielsweise korrosions- und oxidationsbeständig. Auch mechanisch hebt sich Carbon vor allem durch eine deutlich höhere Zugfestigkeit (1700-4000 N/ mm²) von Stahl-, Glasfaser- oder Basaltbewehrungen ab. Der gute Verbund, sowie die hohe Beständigkeit gegenüber chemischen Einwirkungen, ermöglichen deutlich geringere Betondeckungen, wodurch zusätzliche Materialeinsparungen möglich sind. [7] Ein optimales Carbongelege für die flächige Instandsetzung von gerissenen Industrieböden sollte dabei folgende Eigenschaften besitzen, um die Dichtigkeit durch Rissbreitenminimierung zu erzielen: • große Mantelfläche (höhere Verbundspannung möglich) • Oberflächenmodifikation, wie z.B. Absandung oder Umwicklung mit Wirkfaden (verbesserte Verbundspannungs-Schlupf-Beziehung) • thermische und chemische Belastbarkeit • lieferbar als Rollenware (Logistik und Einbau) 4. Anwendungsgebiete 4.1 Bauwerksabdichtung durch Risssanierung Ein carbonbewehrter Aufbeton eignet sich besonders als minimalinvasive Instandsetzungsmaßnahme für Risse, da diese langfristig überbrückt und abgedichtet werden. Dabei verteilen sich die Risse aus dem Altbeton in eine Vielzahl von deutlich kleineren Rissen in der Carbonbetonschicht. Die dabei entstehenden Risse im Carbonbeton sind oft mit dem bloßen Auge nicht zu erkennen (meist < 50 µm) und verhindern den Eintritt von Medien wie z.B. Wasser oder Öl. Zusätzlich kann durch die Lastverteilung auf das Gelege eine deutliche Reduktion der Rissbreiten vorhandener und zukünftig entstehender Risse im Altbeton beobachtet werden. In Abbildung 5 ist das Prinzip der Rissverteilung mittels Carbonbeton mit einem optionalen Enthaftungsmaterial dargestellt. Abbildung 5: Prinzipskizze zur Rissverteilung und -verfeinerung mit carbonbewehrtem Aufbeton (Enthaftungsmaterial optional), [8] Durch dieses Prinzip lassen sich die im Industriebodenbereich vorhandenen Schadensbilder bedarfsgerecht sanieren. Dazu werden bei der partiellen Sanierung die vorhandenen Risse oberflächlich angefräßt. Bei einer flächigen Anwendung wird die Fläche mittels Kugelstrahlen angeraut und vorbereitet. Anschließend wird die Carbonbewehrung ein- oder mehrlagig über die Risse oder vollflächig verteilt. Ein Enthaftungstape auf den Rissen kann dabei zusätzlich zur Minimierung der Risse durch Entkopplung beitragen. Anschließend erfolgt der großflächige Auftrag des Industrieestrichs, wobei sowohl mineralische als auch Reaktionsharzsysteme zum Einsatz kommen können. Je nach Anforderung kann dort ein individueller Aufbau gewählt werden (z.B. Anordnung Verschleißschicht, Absandung oder gefärbte Deckschicht). Bewährt hat sich vor allem die Kombination aus einem direkt befahrbaren hoch verschleißfestem zementgebundenen Material (Calciumsulfat- und Kunststoffzusätze) in einem Zweischichteinbau. Dabei wird das Carbon zunächst in einem Ausgleichsestrich mit geringerer Festigkeit eingebettet und mit dem direkt befahrbaren deutlich festeren Material mit besonders hoher Anforderung an Optik und Ebenheit beschichtet. Die Fläche ist so bereits nach ca. 3h begehbar. In Abbildung 6 ist die bedarfsgerechte Risssanierung einer Industriehalle dargestellt. Dabei wurden lediglich Buch IB.indb 345 11.02.20 12: 54 346 10. Kolloquium Industrieböden - März 2020 Flächige Instandsetzung gerissener Industrieböden mit hoch verschleißfestem Carbonbeton die Rissbereiche mit Carbonbewehrung ausgesteift und wie in Abbildung 7 dargestellt mit dem hoch verschleißfestem Industrieestrich vergossen. Abbildung 6: Bedarfsgerechte Risssanierung einer Industriehalle Abbildung 7: Aufbringen eines Industriefließestrichs mittels Pumpen auf der teils verstärkten Bodenplatte Abbildung 8: Flächiger Verguss des Industrieestriches 4.2 Fugenverstärkung Die Aussteigung bzw. Verstärkung von Fugen kann ebenfalls mehrlagig erfolgen. Dabei werden die Fugen großflächig ausgefräßt und Hohllagen bestimmt. Bei einer notwendigen Reprofillierung (Ausbrüche oder kippelnde Platte) kann besonders effektiv mit einem „reverse concrete“ gearbeitet werden (siehe Abbildung 9), bei dem die Hohllagen mit einer Kiesschüttung versehen werden, das Carbongelege aufgelegt und anschließend mit der gesamten Fläche vergossen wird. Die vollständige Durchdringung der Schüttung ist dabei problemlos möglich. Abbildung 9: Fugenverstärkung mittels carbonverstärktem reverse concrete 4.3 Flächige Verstärkung In Bereichen, in denen eine Unterdimensionierung vorhanden ist, oder auf Grund von Umnutzungen weitere Bewehrung eingesetzt werden muss, kann die Carbonbewehrung ohne großen Aufwand direkt von den Lieferrollen auf die zu verstärkende Schicht gelegt werden (siehe Abbildung 10). Überlappungen und Bewehrungsstöße können dabei individuell angepasst werden. Des Weiteren wird das eingebaute Carbon als präventiver und wirtschaftlicher Schutz vor Rissen genutzt. Die Bewehrung wird auch bei diesem Anwendungsfall mit dem hochfließfähigen, verschleißfesten Industrieestrich vergossen. Abbildung 10: Flächige Anordnung der Carbonbewehrung in einer Industriehalle Buch IB.indb 346 11.02.20 12: 54 10. Kolloquium Industrieböden - März 2020 347 Flächige Instandsetzung gerissener Industrieböden mit hoch verschleißfestem Carbonbeton 5. Forschung und Entwicklung Auf Grund der besonders hohen Dichtigkeit von Carbonbeton als Aufbeton arbeitet die Koch GmbH an carbonbewehrten Dichtflächen. Dabei liegt der Fokus auf der Entwicklung von neuartigen Systemen für die Instandsetzung und Neubeschichtung von WHG-Flächen (z.B. LAU-Anlagen). Ziel ist es dabei, monolitische Systeme mit besonders dünnem Aufbau zu entwickeln, die den Untergrund vor wassergefährdende Medien schützen. Dabei spielen sowohl die Dichtigkeit des Betons, Rissverhalten im Verbundsystem (Carbonbeton), als auch die mechanische Tragfähigkeit der Schicht eine große Rolle. Die entwickelte Schicht wird dabei unmittelbar mit Abstand auf die vorbereitete Untergrundfläche aufgebracht und mittels selbstnivellierendem, flüssigkeitsdichtem und hoch-verschleißfestem Beton vergossen. In Abbildung 11 ist beispielhaft ein Feldversuch zur Optimierung der schlanken Dichtfläche dargestellt. Abbildung 11: Feldversuche zur Optimierung von carbonbewehrten WHG-Dichtflächen Neben großflächig verlegten Dichtflächen wurde zusätzlich ein System entwickelt, welches zur punkt- und linienförmigen Instandsetzung bzw. Wiederherstellung der Flüssigkeitsundurchlässigkeit in LAU-Anlagen geeignet ist. Das entwickelte System wird ebenfalls direkt auf den vorbereiteten Untergrundbeton aufgetragen. Nach Applikation der Haftbrücke werden ein bis drei Lagen einer speziell modifizierten Carbobewehrung (abgesandet) in einem flüssigkeitsdichten Mörtel einlaminiert. Die Schichtdicke beträgt dabei lediglich 22 - 36 mm. Die Prinzipskizze aus Abbildung 12 zeigt beispielhaft den Aufbau des Systems mit einer Bewehrungslage. Abbildung 12: Aufbau des Systems „LAU-Carbonbetonsystem 1“, Z-74.11-180, [9] Zusätzlich arbeitet die Koch GmbH an einem System, bei welchem ein Carbonbeton als direkt befahrbares, mineralisches Oberflächenschutzsystem (Fahrbahnbelag) mit rissüberbrückenden Eigenschaften verwendet wird. Dazu werden unter anderem Optimierungen an Gelegen durchgeführt, um eine für den Anwendungsfall ideale Balance zwischen Wirtschaftlichkeit und Performance zu erreichen. Typische Parameter zur Optimierung der Gelege sind beispielsweise die Struktur, Beschichtung und Oberflächenmodifikation. 6. Zusammenfassung und Ausblick Ziel dieses Beitrags ist es, den aktuellen Stand bezüglich der Vorteile des Verbundwerkstoffs Carbonbeton bei der Instandsetzung von Industrieböden mit verschiedensten Anwendungsmöglichkeiten darzustellen. Dabei zeigt sich, dass Carbonbeton eine der vielver-sprechendsten Innovationen für die Industrieinstandsetzung ist. Durch Kombination einer Hochleistungsbewehrung und dem direkt befahrbaren, hoch verschleißfesten Fließestrich lassen sich Industrieböden innerhalb kürzester Zeit minimalinvasiv sanieren und ertüchtigen. Dabei kann den vielfältigen Rissursachen langfristig entgegengewirkt und die Flächen abgedichtet werden. Ein großer Eingriff in die Bauwerkssubstanz ist dabei meist nicht notwendig, wodurch Kosteneinsparungen erzielt werden. Der Carbonbeton ermöglicht flächige Instandsetzungen, optimale Querschnittsergänzungen, aussteifende Fugen- und Rissbereiche, druckverteilende Platten bzw. Erhöhungen des Hebels auf der Deckenoberseite. Dabei lässt er sich als sehr dünnschichtige Lösung individuell auf Problemzonen anwenden. Der aktuelle Stand zur Entwicklung von carbonbewehrten Dichtflächen verläuft vielversprechend. Buch IB.indb 347 11.02.20 12: 54 348 10. Kolloquium Industrieböden - März 2020 Flächige Instandsetzung gerissener Industrieböden mit hoch verschleißfestem Carbonbeton Literaturverzeichnis [1] DFT Deutsche Flächen-Technik Industrieboden GmbH, „Risse in Industrieböden,“ Bremen, 2013. [2] DIN Deutsches Institut für Normung e. V., „DIN 18560,“ Beuth Verlag GmbH, 2015. [3] DIN Deutsches Institut für Normung e. V., „DIN EN 13813,“ Beuth Verlag GmbH, 2003. [4] C. Kulas, Zum Tragverhalten getränkter textiler Bewehrungselemente für Betonbauteile, RWTH Aachen: Dissertation, 2013. [5] D. Koch und B. Neuberger, „Neue Anwendungsmöglichkeiten für Carbonbeton in der Betoninstandsetzung,“ Der Bausachverständige, Nr. 5, 2019. [6] C. Morales Cruz und M. Raupach, „Influence of the surface modification by sanding of carbon textile reinforcements on the bond and load-bearing behavior of textile reinforced concrete,“ MATEC Web of Conferences, 2019. [7] D. Koch und B. Neuberger, Der Zukunftspreis in Parbauten, Esslingen: Tagungsband Parkbauten, TAE, 2017. [8] Bundesanstalt für Wasserbau, „Flächige Instandsetzung von Wasserbauwerken mit textilbewehrten Mörtel- und Betonschichten (MITEX),“ BAW-Merkblatt, Karlsruhe, 2019. [9] Deutsches Institut für Bautechnik, „Z -74.11-180, LAU-Carbonbetonsystem 1 der Koch GmbH zur Wiederherstellung der,“ 2019. [10] „Eurocode: Grundlagen der Tragwerksplanung, DIN EN 1990: 2010-12,“ 2002. Buch IB.indb 348 11.02.20 12: 54