10. Kolloquium Industrieböden - März 2020 377 Schnellbeton zur zeitoptimierten Instandsetzung einer Tankfläche - Objektreport Lasse Manns KORODUR Westphal Hartbeton GmbH & Co. KG, Bochum, Deutschland Zusammenfassung Zur zeitoptimierten Instandsetzung von Infrastruktur- und Industrieanlagen finden zur Verminderung von Ausfallkosten vermehrt Schnellbetone Verwendung. Der Einsatz von B-CSA (Belit Calciumsulfoaluminat) Zement gewinnt dabei seit einigen Jahren auch in Europa immer mehr an Bedeutung. Die technischen Eigenschaften, die das Bindemittel dem Beton im Vergleich zu herkömmlichen Portlandzementen verleiht, stellen im Kern eine wesentliche Verbesserung der Frühfestigkeit, Sulfatbeständigkeit, Schwindneigung und Dichtigkeit dar. Darüber hinaus konnte in den Niederlanden, durch ein Pilotprojekt für die Anwendung von Tankflächen, eine dauerhafte Flüssigkeitsdichte durch Eindringprüfung mit n-Heptan nachgewiesen werden. Seit 2018 konnten somit vermehrt sanierungsbedürftige Tankflächen in den Niederlanden zeitoptimiert, innerhalb von insgesamt fünf Tagen bis zur Freigabe, instandgesetzt werden. Dieses Schnellsanierungssystem stellt dahingehend auch durch die deutlich verminderte Schließungszeit eine wirtschaftlich attraktive Lösung dar. 1. Belit Calciumsulfoaluminat - Geschichte und technische Eigenschaften Belit Calciumsulfoaluminat-Zement (B-CSA) ist ein mineralisches, hydraulisches Bindemittel, welches charakteristisch für eine schnelle Festigkeitsentwicklung, geringe Schwindung und hohen Sulfatwiderstand ist. Es handelt sich dabei um ein rein zementäres Bindemittel, welches die oben genannten Eigenschaften aufgrund seiner besonderen Mineralogie erfährt. Hauptbestandteil des B-CSA ist Belit (Dicalciumsilikat C 2 S), das ebenfalls bei Portlandzementen vorkommt und für die langsame und stetige Festigkeitsentwicklung verantwortlich ist. Den wichtigsten Nebenbestandteil bildet das Calciumsulfoaluminat (C 4 A 3 S), welches eine erheblich schnellere Hydratation erwirkt und das frühfestigkeitsbildende Alit (Tricalciumsilikat C 3 S), wie es in Portlandzementen vorkommt, substituiert. Dieses Bindemittel ist besonders für die Anwendung von Sanierungs- und Instandsetzungsmaßnahmen geeignet. Schnellbeton unter Verwendung von B-CSA Zement entwickelt, je nach Betonrezeptur, bereits innerhalb von zwei Stunden Druckfestigkeiten im Bereich von > 20 MPa. Somit kann die Verkehrsfreigabe von Infrastruktur- und Industrieanlagen frühzeitig erteilt und hohe Ausfallkosten vermieden werden. Darüber hinaus weisen Sanierungen mit diesem leistungsstarken Baustoff eine sehr hohe Langlebigkeit und Dauerhaftigkeit aufgrund unterschiedlicher technischer Eigenschaften des B-CSA Zementes auf. Betonrezepturen können dabei nahezu identisch zu herkömmlichen Rezepturen verwendet werden und es bedarf keiner weiteren Beschleunigung durch Zusatzmittel. Belit Calciumsulfoaluminat-Zement wurde in den USA bereits vor rund 40 Jahren entwickelt und kommt dort seitdem in erster Linie für die Instandsetzung von Schnellstraßen der Interstate Highways zum Einsatz. Ursprünglich wurde das Ziel verfolgt ein Compound für Portlandzement zu erzeugen, welches die Schwindung reduziert. Aus diesen Ansätzen entwickelte sich allerdings in weiterer Forschung ein eigenständiges Bindemittel, welches seit 1975 in den USA patentiert ist. Allein in Kalifornien wurden seit den 1990er Jahren mehr als 1.000 km Straßenbeton unter Einsatz von B-CSA Zement ersetzt. [1] Unter anderem findet dieser Hochleistungszement Anwendung auf vielen internationalen Flughäfen als „Emergency Repair System“ für den Plattenaustausch und die Gewährleistung eines reibungslosen Verkehrs. Um den regulären Betrieb aufrecht zu erhalten, werden die Arbeiten meistens nachts während der Flugpause durchgeführt. Der Beton muss somit bereits frühmorgens eine ausreichende Druckfestigkeit von ≥ 21 MPa aufweisen, um den hohen Anforderungen des Flugbetriebs Stand zu halten. Auf Portlandzement basierte Betone können in diesem Fall nur begrenzt eingesetzt werden und benötigen niedrige w/ z-Werte sowie Zusatzmittel wie Beschleuniger. Dadurch können jedoch andere Betoneigenschaften wie Verarbeitbarkeit und Schwindneigung drastisch verschlechtert werden. Der Flughafen Seattle-Tacoma verwendet aufgrund dessen bereits seit 1995 großflächig B-CSA Zementbeton, um über Nacht in der Zeit von 23 - Buch IB.indb 377 11.02.20 12: 54 378 10. Kolloquium Industrieböden - März 2020 Schnellbeton zur zeitoptimierten Instandsetzung einer Tankfläche - Objektreport 06 Uhr beschädigte Betonplatten zu ersetzen. So wurden allein in den ersten zehn Jahren für die Instandsetzung der Landebahn 16R/ 34L rund 30.000 m³ B-CSA basierter Beton verbaut. Auch heute noch ist dieser Baustoff fester Bestandteil des Sanierungskonzeptes von SEA-TAC und vieler weiterer Flughäfen weltweit. [4] Die Herstellung von B-CSA Klinker weist eine um ca. 30 % geringere CO 2 -Emission auf als bei Portlandzement [1]. Da für die Klinkerphasen eine um 200 °C niedrigere Brenntemperatur sowie bei den Ausgangsrohstoffen wesentlich weniger Kalkstein (CaCO 3 ) benötigt wird und der Mahlprozess des Klinkers energieeffizienter ist als bei herkömmlichem Portlandzementklinker, stellt sich im Gesamtbild eine deutlich niedrigere CO 2 -Bilanz dar. Diese Unterschiede hinsichtlich der Ressourcen und der Brenntemperatur rufen eine besondere Mineralogie des Zements hervor. Daraus resultieren die charakteristischen physikalischen Eigenschaften der schnellen Festigkeitsentwicklung und auch der höheren Dauerhaftigkeit aufgrund von hohen Endfestigkeiten, geringer Schwindneigung und hohem Sulfatwiderstand. Beim Einsatz von B-CSA Zement ergeben sich daher bei der Bemessung, Instandhaltung und Planung völlig neue Möglichkeiten. Tabelle 1 zeigt die Zusammensetzung der Klinkerphasen von Portlandzementen im Vergleich zu B-CSA Zement. Bindemittel Alit C3S CSA C4A3Ŝ Belit C2S C3A Portlandzement 45-80 % - 0-32 % 7-15 % B-CSA - 20-30 % 40-60 % - Tabelle 1: „Mineralogische Zusammensetzung Portlandzement/ B-CSA“ Die Ausbildung der Frühfestigkeit bei Portlandzementen wird im Wesentlichen durch Alit gesteuert. Verantwortlich für hohe Endfestigkeiten hingegen ist die langsamere Belit-Phase. Wie in Tabelle 1 zu sehen, ist beim B-CSA Zement die Alit-Phase komplett durch CSA substituiert. CSA bildet innerhalb kürzester Zeit stabile Ettringitkristalle, welche Frühfestigkeiten von > 20 MPa innerhalb von zwei Stunden ermöglichen. Das Abbindeverhalten noch vor der eigentlichen Hydratation kann chemisch so beschrieben werden, dass nach der Wasserzugabe ca. 80 % der Ettringitkristallstruktur durch die Calciumsulfat- und Aluminatkomponenten entstehen [3]. Bild 1 beschreibt graphisch den Erstarrungs- und Bild 2 den Festigkeitsverlauf im Vergleich zu einem CEM I. Bild 1 „Erstarrungsverlauf Portlandzement / B-CSA“ Die Hauptphase des B-CSA Zementes stellt Belit dar, wodurch ebenfalls je nach Betonrezeptur hohe Endfestigkeiten nach 28 Tagen von > 60 MPa erreicht werden können. Aufgrund des hohen Belitgehalts steigert sich jedoch die Festigkeit des Betons auch darüber hinaus noch merklich. Untersuchungen in den USA haben ergeben, dass bei Bauteilen nach 15 Jahren noch eine Festigkeitssteigerung von ca. 30 % im Vergleich zur 28-Tage Festigkeit erreicht wurde. [4] Bild 2 „Festigkeitsverlauf CEM I / B-CSA“ Als Kompensation des Schwindverhaltens von Beton wirkt B-CSA Zement in unterschiedlicher Art und Weise. Die expansive Hydratation der von der CSA Phase gebildeten Ettringitkristalle wirken einer Volumenreduktion entgegen. Weiterhin wird das Anmachwasser, wie in Bild 3 veranschaulicht, nahezu vollständig, bis zu 98 % chemisch im Zement gebunden. Dies ist bei Portlandzement nur zu einem gewissen Teil möglich. Das restliche Wasser wird physikalisch gebunden oder liegt in Form von Gelporen in der Betonstruktur vor. Buch IB.indb 378 11.02.20 12: 54 10. Kolloquium Industrieböden - März 2020 379 Schnellbeton zur zeitoptimierten Instandsetzung einer Tankfläche - Objektreport Bild 3 „Zusammensetzung Festbeton Portlandzement / B-CSA“ Auf Basis dieser technischen Eigenschaften lassen sich vielfältige Verwendungsmöglichkeiten und Sanierungskonzepte darstellen, im Folgenden veranschaulicht anhand der Instandsetzung von Tankflächen einer Tankstelle in den Niederlanden. Aufgrund der Mineralogie und des Hydratationsmechanismus der kombinierten Ettringit- und Calciumsilikathydratphasen entsteht ein sehr dichtes Gefüge, welches sich ebenfalls hinsichtlich des Eindringverhaltens von leichtflüchtigen Stoffen gut eignet. 2. Objektreport Tankstellensanierung An Betone für Tankflächen werden besondere Anforderungen gestellt, welche das Ziel verfolgen, dass die Dichtigkeit des Betons gegen das Eindringen leichtflüchtiger Stoffe gegeben ist und somit z.B. Dieselkraftstoffe nicht in das Erdreich gelangen. In Deutschland wird die Anwendung dieser sogenannten „Flüssigkeitsdichten Betone“ (FD-Beton) durch die DAfStb-Richtlinie „Bauen im Umgang mit wassergefährdenden Stoffen“ geregelt. Gemäß § 62 WHG müssen LAU- und HBV-Anlagen so gebaut werden, dass eine Verunreinigung der Gewässer auszuschließen ist. Betonbauteile müssen bei den zu erwartenden Einwirkungen für eine festgelegte Dauer dicht sein, um dem Besorgnisgrundsatz Genüge zu tun. In der DAfStb-Richtlinie heißt es: „FD-Beton (flüssigkeitsdichter Beton): FD-Beton ist Beton nach DIN EN 206-1 und DIN 1045-2 mit optimiertem Widerstand gegen das Eindringen von wassergefährdenden Stoffen.“ [5] Wird von den Vorgaben an einen FD-Beton abgewichen, z.B. hinsichtlich der Festigkeitsklasse oder der Zementart, muss mit der entsprechenden Betonrezeptur eine Eindringprüfung vorgenommen werden. Der geprüfte „flüssigkeitsdichte Beton nach Eindringprüfung“ (FDE-Beton) wird somit gem. DAfStb-Richtlinie definiert: „FDE-Beton (flüssigkeitsdichter Beton nach Eindringprüfung): FDE-Beton ist Beton nach DIN EN 206-1 und DIN 1045-2, der in seiner Zusammensetzung von FD-Beton abweicht. Im Unterschied zu FD-Beton wird das Eindringverhalten wassergefährdender Stoffe stets in Eindringprüfungen im Rahmen der Erstprüfung als zusätzliche Anforderung nachgewiesen.“ [5] Die Prüfung erfolgt an einem Betonzylinder, auf dessen Oberfläche unter Druck ein leichtflüchtiges Medium appliziert und zur Penetration in den Probekörper animiert wird. Als Medium kommt in der Regel n-Hexan oder Dichlormethan zum Einsatz. Nach einem vorab definierten Zeitraum wird der Probekörper gespalten und anschließend die Eindringtiefe bestimmt. In der Regel beträgt die Beaufschlagungsdauer 72 Stunden, sodass bei Havarie über das Wochenende die Verunreinigung des Grundes ausgeschlossen und verhindert werden kann. Die Eindringtiefe des Prüfmediums darf dabei nicht größer sein als bei FD-Beton. Bei dem hier vorgestellten Objekt handelt es sich um eine Tankstellensanierung in den Niederlanden. Die Prüfung des Eindringwiderstandes wurde unter Einsatz des Mediums n-Heptan vorgenommen und dann für eine Beurteilung von der Beaufschlagung von Dieselkraftstoff umgerechnet. Geprüft wurde über einen Beaufschlagungszeitraum von 168 Stunden. Auch in den Niederlanden muss ein entsprechend einzusetzender Beton mittels Eindringprüfung untersucht werden, wenn dieser für Tankstellen eingesetzt werden soll. Durch ein Pilotprojekt einer Sanierung von Tankflächen einer Tankstelle konnte erstmalig B-CSA basierender Schnellbeton in den Niederlanden als „FDE-Beton“ eingesetzt werden. Durch die Lage der Tankstelle an der Autobahn A50 ist besonders eine schnelle Lösung für den Bauherren sehr attraktiv gewesen. In Zusammenarbeit mit einem Planungsbüro und einem Betonlabor wurden dafür im Vorfeld die erforderlichen Betonprüfungen durchgeführt. Die Dichtigkeit des Betons wurde mittels Eindringprüfung unter Einsatz von n-Heptan unter einer Beaufschlagungsdauer von insgesamt 168 Stunden nach der niederländischen Anwendungsrichtlinie CUR aanbeveling 63 ermittelt. Unter Grundlage der spezifischen Eigenschaften der Oberflächenspannung und dynamischen Viskosität des Prüfmediums, kann die Eindringtiefe von z.B. Dieselkraftstoff, für die Verwendung des Betons auf Tankstellen, rechnerisch ermittelt werden. Die Umrechnung der Eindringtiefe des n-Heptans zu der von Dieselkraftstoff ergab 2,07 mm, welches nach niederländischer Auswertungsnorm BRL 2316 unter Tropfbelastung von Dieselkraftstoff an Tankstellen einer rechnerischen Lebensdauer des Betons von 1138 Jahren entspricht. [6] An der zu sanierenden Tankstelle lagen als direkte Aufschlagsfläche Betonsteine vor, welche auch aufgrund der hohen Fugenanzahl eine im Vergleich zu Betonplatten eher niedrige Lebenserwartung aufweisen. Zusätzlich bedarf es bei den Fugen regelmäßiger Kontrolle und Instandhaltung, um das Eindringen von wassergefährdenden Stoffen zu verhindern. Die Tankstelle weist vier Zapfsäulen auf und verfügt somit insgesamt über fünf Tankflächen. Um den laufenden Betrieb zu gewährleisten, wurden die Tankflächen jeweils im Wochenturnus saniert. In diesem zeitlichen Rahmen für die Instandset- Buch IB.indb 379 11.02.20 12: 54 380 10. Kolloquium Industrieböden - März 2020 Schnellbeton zur zeitoptimierten Instandsetzung einer Tankfläche - Objektreport zung einer Fläche fielen der Ausbau der Betonsteine, die Sanierung des Untergrundes und etwaigen Leitungsschäden/ Reparaturen, die Bewehrungsarbeiten, die Betonage, die Nachbehandlung und die anschließende Verfugung. Bis zur Freigabe einer Tankfläche vergingen im Schnitt fünf Tage, wodurch die Tankstelle an den Wochenenden unter vollem Einsatz aller Zapfsäulen betrieben werden konnte. Die durchgeführten Arbeiten gliederten sich dabei in je zwei Tage für den Ausbau der Betonsteine und der Vorbereitung des Untergrundes, einen Tag für die Herstellung der neuen Betonplatten und der Nachbehandlung sowie zwei Tage für den Fugenschnitt und die Verfüllung und primär die Aushärtung des Fugendichtmittels. In Bild 4 ist durch einen Ausschnitt des Prüfzeugnisses die Druckfestigkeitsentwicklung des eingesetzten Betons zu sehen. Bauseits wurde vorgegeben, dass der Fugenschnitt schnellstmöglich erfolgen sollte, um die taggenaue Planung einhalten zu können. Bereits zwei Stunden nach der Betonage konnten die ersten Fugen geschnitten und verfüllt werden. Durch diese enorme Zeitersparnis konnte die Sanierung der Tankflächen optimal geplant und durchgeführt werden. Bild 4 „Prüfung Druckfestigkeit B-CSA Beton“ Aufgrund der kurzen Abbindezeit von B-CSA basierten Betonen ist häufig die Verwendung von unkonventioneller Mischtechnik von Nöten. Der Beton wurde am Tag des Einbaus vor Ort unter Verwendung von volumetrischen Misch-LKWs hergestellt, welche wie ein „mobiles Betonwerk“ agieren. Sie bevorraten getrennt voneinander in dafür vorgesehenen Kammern je die Gesteinskörnung, unterteilt in zwei Korngruppen, den Zement, das Anmachwasser und die einzusetzenden Zusatzmittel , führen diese dann in den der Betonrezeptur zugrunde liegenden Mengen zusammen und mischen den Frischbeton anschließend über eine Schnecke. Danach wurde der Beton über eine Pumpe eingebaut. Zusätzlich wurde auf Wunsch des Bauherren ein Schwarzpigment eingesetzt, um einer optischen Veränderung durch Tropfbelastung entgegenzuwirken. Die Baumaßnahme wurde im Mai bei Temperaturen von ca. 25 °C durchgeführt. Durch den Einsatz eines Betonverzögerers wurde eine insgesamte Verarbeitungszeit von 25 Minuten ermöglicht, sodass der Beton eingebaut und geglättet werden konnte. Die Abmessungen einer Platte beliefen sich dabei auf 5 x 15 x 0,2 m. Eine Betonplatte teilte sich in je zwei Abschnitte, welche durch eine Ablaufrinne getrennt waren. Pro Abschnitt wurden schließlich für den Einbausowie den Glättvorgang ca. 20 Minuten in Anspruch genommen, die Nachbehandlung konnte im direkten Anschluss vorgenommen werden. Danach wurde eine dampfdichte Folie aufgelegt, um die Evaporation des Wassers zu verhindern. Durch die Vorlage der notwendigen Dokumentationen und Prüfungen für den Einsatz von Beton für Tankflächen, sowie des Evaluierungsprozesses durch diverse Testflächen und Bauprojekte seit dem Jahr 2017, folgten in den nächsten Jahren kontinuierliche Instandsetzungen von Tankstellen unter Einsatz von B-CSA basierten Betonen in den Niederlanden. Literaturverzeichnis [1] Eric P. Bescher und John Kim - Department of Materials Science and Engineering, University of California Los Angeles: LOW CARBON FOOTPRINT PA- VEMENT: HISTORY OF USE, PERFORMANCE AND NEW OPPORTUNITIES FOR BELITIC CAL- CIUM SULFOALUMINATE (2017) [2] US Army Crops of Engineers - Engineer Research and Development Center: Development of Laboratory Testing Criteria for Evaluating Cementitious, Rapid-Setting Pavement Repair Materials (2011) [3] Andrzej Wieckowski, Roman Zimka: Beton mit schnellerhärtendem Calcium-Sulfoaluminat-Zement (CSA-ZEMENT); in: Beton- und Stahlbetonbau 112 (2017) 8, A19 - A23 [4] Eric Bescher, Christopher Ramseyer: Seattle-Tacoma Airport concrete rehabilitation performance review - A 17-Year performance review of concrete rehabilitation using sulfoaluminatebelite cement at the Seattle-Tacoma Airport (2013) [5] DAfStb-Richtlinie - Betonbau beim Umgang mit wassergefährdenden Stoffen (BUmwS) - Entwurf Ausgabe März 2011, Beuth Verlag, Berlin [6] SGS INTRON Laboratorium - Analyserapport Vloeistofindringing volgens CUR Aanbeveling 63 met n-heptaan 180156 Buch IB.indb 380 11.02.20 12: 54