9. Kolloquium Parkbauten - Februar 2020 177 Untersuchungen zur Druckwasserbeständigkeit rissüberbückender Beschichtungssysteme für Tiefgaragenbodenplatten im Grundwasser Christoph Dauberschmidt Institut für Material- und Bauforschung, Hochschule München, Deutschland Felix Becker Institut für Material- und Bauforschung, Hochschule München, Deutschland Zusammenfassung Die Anwendung von rissüberbrückenden Beschichtungssystemen auf WU-Bodenplatten zur Sicherstellung der Dauerhaftigkeit ist nach aktueller Auslegung des DBV Merkblatts Parkhäuser und Tiefgaragen [DBV18] keine den Anerkannten Regeln der Technik folgende Ausführungsvariante. So können bei Bodenplatten, die nach WU-Richtlinie [WUR17] ständig oder zeitweise drückendem Wasser ausgesetzt sind, aus Zwangsspannung Trennrisse im Beton entstehen, die zu einer rückseitigen Druckwasserbeanspruchung der rissüberbrückenden Beschichtung führen. Im Rahmen eines Forschungsvorhabens wurde am Institut für Material- und Bauforschung der Hochschule München eine Versuchsanordnung entwickelt, mit der der Lastfall anstehendes Wasser mit einem Druck bis zu 30 Meter Wassersäule in einem Trennriss simuliert werden kann. Durch diese Versuchsanordnung können rissüberbrückende Beschichtungssysteme auf ihre Robustheit im Sinne ihrer Druckwasserbeständigkeit bei sich ändernden Rissbreiten über einen definierten Zeitraum untersucht werden. Im Rahmen der Veröffentlichung werden die Methodik sowie erste erzielte Ergebnisse vorgestellt. 1. Einleitung Die Sicherstellung der Dauerhaftigkeit von Stahlbetonbauteilen in Parkhäusern und Tiefgaragen erfolgt gemäß DBV Merkblatt Parkhäuser und Tiefgaragen [DBV18] über verschiedene Entwurfsgrundsätze mit unterschiedlichen Varianten: - A: ohne flächiges Oberflächenschutzsystem oder ohne Abdichtung mit besonderen Maßnahmen bei Rissen und Fugen i.d.R lokaler Schutz durch z.B: rissüberbrückende Rissbandagen - B: mit flächigem Oberflächenschutzsystem - C: mit flächiger rissüberbrückender Abdichtung und Schutzschicht. Durch die beschriebenen Varianten soll ein Eindringen von Chloridionen, welche in den Wintermonaten in die Parkbauten eingeschleppt werden und Lochkorrosion initiieren können, über die Lebensdauer der Stahlbetonbauteile auf ein unschädliches Maß reduziert werden. Entsprechend müssen die für die geplanten Varianten zu treffenden Maßnahmen den auftretenden Einwirkungen eine ausreichende Widerstandsfähigkeit entgegenbringen. Betrachtet man die häufig verwendeten Varianten mit Oberflächenschutzsystemen und Rissbandagen können nach Wolff [WOL09] folgende Schadensbilder auftreten. Abbildung 1: Einwirkungen auf Oberflächenschutzsysteme in Parkbauten, in Anlehnung an [WOL09] 2. Problemstellung Werden Beschichtungen mit rissüberbrückenden Eigenschaften auf wasserundurchlässigen Bodenplatten aufgebracht, kann dies zu Problemen führen. Bei Bodenplatten, die nach WU-Richtlinie des DAfStb [WUR17] der Beanspruchungsklasse 1 entsprechen, können aus buch2.indb 177 13.01.20 15: 40 178 9. Kolloquium Parkbauten - Februar 2020 Untersuchungen zur Druckwasserbeständigkeit rissüberbückender Beschichtungssysteme für Tiefgaragenbodenplatten im Grundwasser Zwangsspannung resultierende Trennrisse im Beton zu einer rückseitigen Druckwasserbeanspruchung der rissüberbrückenden Beschichtung führen. Durch die stetige Wasserbeanspruchung innerhalb des Risses wird die Selbstheilung des Betons behindert, wodurch der Abbau des Wasserdrucks verhindert wird. Die Folge ist ein erhöhtes Risiko der Delamination und Beschädigungen des Beschichtungssystems [DBV18], [FIE06], [WOL09], was letztlich zu Blasenbildung führt. Da die Grundierung der Beschichtungen starr ist, reißt diese infolge eines entstehenden Risses. Folglich baut sich der Wasserdruck unterhalb der elastischen Schwimmschicht auf. Neben den Einwirkungen aus hydrostatischem Druck können weitere Wechselwirkungen den Verbund zwischen OS-System und Substrat schwächen. Gieler [GIE06] beschreibt beispielswiese Verseifungsprozesse von einzelnen EP-Grundierungen. Diese werden dadurch ausgelöst, dass durch den Riss anstehendes Wasser, die in der ausgebrochen Betonrandzone befindlichen Alkalibestandteile des Zementsteines löst. Aus Folge der Verseifung reduziert sich die Verbundfestigkeit zwischen Substrat und Applikation. Derzeit wird die Blasenanfälligkeit von OS-Systemen über ein nach Teil 4, Abschnitt 5.5.15 der RL-SIB [RIL01] geregeltes Verfahren: “Haftzugfestigkeit und Blasenbildung bei rückseitiger Feuchtewirkung“ bestimmt. Hier muss allerdings berücksichtigt werden, dass bei dem Verfahren lediglich die Epoxidharzgrundierung und nicht die eigentliche hauptsächlich wirksame Oberflächenschutzschicht (hwO) geprüft wird. Darüber hinaus stellen verschiedene Autoren [WOL09], [FIE06] fest, dass der Widerstand gegen Blasenbildung nicht direkt in Korrelation zur Abreißfestigkeit im Haftzugversuch gesetzt werden kann. So liegt die geforderte Haftzugfestigkeit für rissüberbrückende Systeme im Mittel bei 1,5 N/ mm² bei einem kleinsten Einzelwert von 1,0 N/ mm² [RIL01]. Dies würde bedeuten, dass die OS-Systeme Wasserdrücke von im Mittel über 150 m Wassersäule aufnehmen könnten, eine Einwirkung die baupraktisch durch hydrostatischen Druck in der Regel nicht erreicht wird. Erfahrungen aus der Praxis zeigen allerdings, dass Mängel bereits bei einer anstehenden Wassersäule von zwei Metern auftreten [DBV18], [FIE06], [SCHE15] können. Abbildung 2 zeigt das beispielhafte Schadensbild einer rissüberbrückenden Beschichtung auf einer Bodenplatte im Grundwasser mit rd. 5,5 mWS anstehenden Wasserdrucken. Abbildung 2: Blasenausbildung an einer rissüberbrückenden Beschichtung infolge eines Trennrisses in einer Tiefgaragenbodenplatte mit anstehendem Wasserdruck (rd. 5,5 mWs) Ursächlich für die Differenz zwischen der Abreißfestigkeit im Haftzugversuch und dem Widerstand gegen Blasenbildung sind unterschiedlich auftretenden Spannungszustände. So steht dem bei Blasenbildung entstehenden mehrdimensionalen Spannungszustand mit Spannungsspitzen zwischen Beschichtung und Betonuntergrund ein näherungsweiser eindimensionaler Spannungszustand bei Prüfung der Abreißfestigkeit gegenüber, vgl. Abbildung 3. Abbildung 3: Vergleich der Spannungszustände der Abreißfestigkeit im Haftzugversuch und der Blasenbildung (in Anlehnung an [WIL69], [BEN74]) Für die Bewertung des Widerstands bei rückseitiger Druckwasserbeanspruchung der rissüberbrückenden hwO existiert derzeit keine normative Regelung. Entsprechend wurden an der Hochschule München in Zusammenarbeit mit Industriepartnern zwei Prüfmethoden entwickelt, die sich an Problemstellungen orientieren, wie sie in der Praxis bei Trennrissen in WU-Bodenplatten auftreten können. 3. stationäre statische Druckwasserbeanspruchung im Plattenversuch Zur Einordnung des Widerstands gegen Blasenbildung bei einer hohen Druckwasserbeanspruchung werden beschichtete Probekörper im WU-Prüfstand eingebaut und in Anlehnung an [WIL69] und [GÜN97] auf Blasenbildung untersucht. Für den Versuch werden Betonplatten mit den Abmessungen 200 mm x 200 mm x 100 mm mit einer Betondruckfestigkeit C30/ 37 und einer mittig angebrachten Bohrung mit dem zu prüfenden rissüberbrückenden Oberflächenschutzsystems entsprechend den Herstellervorgaben beschichtet. Nach Aushärtung des Beschichtungssystems werden die Probekörper in den WU-Prüfstand eingebaut. Der Wasserdruck wird durch eine kleine erzeugte Fehlstelle in der Grundierung direkt auf der Schwimmschicht der Probenplatte aufgebracht. Abbildung 4 zeigt den schematischen Versuchsaufbau. θ buch2.indb 178 13.01.20 15: 40 9. Kolloquium Parkbauten - Februar 2020 179 Untersuchungen zur Druckwasserbeständigkeit rissüberbückender Beschichtungssysteme für Tiefgaragenbodenplatten im Grundwasser Abbildung 4: Versuchsaufbau der Prüfung im WU-Prüfstand Auf der Oberseite befindet sich eine ringförmige Einspannvorrichtung mit der die Probekörper fixiert werden können. Der Durchmesser des Edelstahlrings beträgt 100 mm, so dass sich im Inneren des Rings bei Versagen der Beschichtung eine Blase ausbilden kann. Abbildung 5 zeigt den Versuchsaufbau im Labor der Hochschule München. Abbildung 5: WU-Prüfstand vor Versuchsdurchführung mit eingebauten Probekörpern Um eine Beständigkeit gegen drückendes Wasser zu untersuchen kann der Wasserdruck variabel zwischen 50 und 1000 kPa eingestellt werden. Abbildung 6 zeigt beispielhaft die Ergebnisse an einer OS 10 nach einer 14 tägigen Druckwasserbeaufschlagung mit 500 kPa (50 mWS). Im Rahmen von Vorversuchen zeigten einzelne OS-Systeme einen hinreichenden Widerstand gegen Blasenbildung selbst bei einer sehr starken Einwirkung von 50 mWs. Abbildung 6: Blasenbildung an einer OS 10 nach einer 14 tägigen Druckwasserbeaufschlagung mit 500 kPa 4. stationäre Druckwasserbeanspruchung im Rissbereich mit dynamischer Rissweitung Um eine Druckwasserbeanspruchung von rissüberbrückenden Beschichtungssystemen noch praxisnäher zu prüfen, wurde eine Versuchsanordnung entwickelt, die weitere Prüfparameter einschließt. Hierzu zählen eine mögliche auftretende Flankenenthaftung des Oberflächenschutzsystems bei Rissinitiierung sowie auftretende mechanische Spannungen und Querdehnungen im Beschichtungssystem, die aufgrund der Dehnung während der Rissüberbrückung entstehen vgl. Abbildung 7. Abbildung 7: Dehnungssituation der Beschichtung in Abhängigkeit der Rissbreite Für den Versuchsaufbau werden bewehrte Biegezugprüfbalken mit den Abmessungen 650 mm x 150 mm x 150 mm und einer Druckfestigkeitsklasse C30/ 37 hergestellt. Die Untergrundvorbereitung erfolgt über Feststoffstrahlen, so dass die Anforderungen an die Oberflächenzugfestigkeit sowie die Rauheit gemäß RL-SIB [RIL01] eingehalten werden. Im Anschluss an die Vorbehandlung erfolgt die Applikation des rissüberbrückenden Oberflächenschutzsystems gemäß Herstellervorgabe durch einen Anwendungstechniker. Nach der vom Hersteller vorgegebenen Aushärtezeit des Oberflächenschutzsystems wird in einer Prüfmaschine bei Laborklima (22 °C; 65 % r.F.) im Drei-Punkt-Biegezug-Versuch ein Riss (Erstriss) in dem bewehrten und beschichteten Prüfbalken erzeugt. Für die weiteren Untersuchungen ist es erforderlich, dass der Riss im Bereich des OS-Systems durch selbiges überbrückt wird. Entsprechend darf der Erstriss in seiner Dehnung die maximale Rissüberbrückungsfähigkeit des Systems nicht überschreiten. Abbildung 8 zeigt die Erstrissbildung an einem Biegezugbalken. Die Rissbildung wurde mittels einem Bildkorrelationsverfahren der Firma Limess überwacht [LIC19]. Abbildung 8: Beschichteter Probebalken in der Biegezugvorrichtung der Universalprüfmaschine (links); Erstrissbildung im Biegezugversuch, Dehnungsaufnahme über Limess Q400, Riss wird durch OS-System überbrückt (rechts) buch2.indb 179 13.01.20 15: 40 180 9. Kolloquium Parkbauten - Februar 2020 Untersuchungen zur Druckwasserbeständigkeit rissüberbückender Beschichtungssysteme für Tiefgaragenbodenplatten im Grundwasser Parallel zur Applikation der Beschichtung werden Metallmessmarken zur späteren Dehnungsmessung aufgeklebt. Mit Hilfe der Messmarken und eines Setzdehnungsmessers kann die Rissöffnung nach Erstrissbildung sowie die spätere Rissaufweitung im Versuch quantitativ über eine Differenzmessung bestimmt und dokumentiert werden [LAN06]. Nach der Erstrissbildung werden an den Seitenflächen des Probekörpers die Risspacker gesetzt. Zur Entlüftung des Systems werden die Bohrungen gegenüberliegend in einer versetzten Anordnung angebracht, vgl. Abbildung 9. Abbildung 9: schematische Darstellung Anordnung der Bohrpacker zur späteren Wasserbeaufschlagung Die Probekörpervorbereitung wird mit der seitlichen Verdämmung des Risses abgeschlossen. Bei der Wahl des Verdämmmaterials ist darauf zu achten, dass die auftretenden Einwirkungen (Dehnung und Wasserdruck) von dem eingesetzten Material aufgenommen werden können. In der Regel sind in diesen Bereichen die Untergrundvorbehandlung und der Einsatz einer Grundierung ebenso erforderlich wie bei dem zu prüfenden Oberflächenschutzsystem. Zur Einstellung der Rissbreiten werden die vorbereiteten Prüfkörper in den konzipierten Versuchsstand eingebaut. Die Rissaufweitung erfolgt hierbei wie schon bei der Erstrissbildung in einer Drei-Punkt-Biegevorrichtung. Der Versuchstand wurde so konzipiert, dass die Beschichtungsoberflächen von der Oberseite begutachtet und die Rissaufweitungen gemessen werden können. Die Beaufschlagung mit Wasserdruck erfolgt durch einen an das Hausleitungsnetz angeschlossenen Druckminderer, über den ein stufenloses Druckgefälle von 50 kPa bis 350 kPa einstellt werden kann. Abbildung 10 zeigt den in den Versuchstand eingebauten Prüfkörper. Abbildung 10: In den Versuchstand eingebauter Prüfköper während der Beaufschlagung mit Druckwasser im Labor. (Seitenansicht und Draufsicht) Vor Versuchsbeginn wird über die Messmarker eine Anfangsrissbreite eingestellt, dann wird das Wasser über den Packer in den Riss eingeleitet. Sobald das Wasser aus dem gegenüberliegenden Packer blasenfrei austritt, wird der zur Entlüftung dienende Packer verschlossen und der gewählte Anfangsdruck steht an der Schwimmschicht des OS-Systems an. Über den Versuchszeitraum können nun sowohl die Rissbreiten wie auch der Druck variiert werden. Der Versuch wird solange durchgeführt, bis es bei dem System zu einer Delamination des Oberflächenschutzsystems kommt (vgl. Abbildung 11) bzw. bis die festgelegte Versuchsdauer erreicht wird. Abbildung 11: Blasenbildung einer rissüberbrückenden Beschichtung nach 8 Tagen Druckwasserbeaufschlagung mit 200 kPa und einer eingestellten Rissbreite von 0,2 mm. Im Anschluss an die Versuchsdurchführung werden auf dem rissüberbrückenden Oberflächenschutzsystem Abreißfestigkeiten im Haftzugversuch nach RL-SIB [RIL01] geprüft und die Versagensart bewertet und dokumentiert, vgl. Abbildung 12. Nach Versuchsdurchführung sollten weiterhin die geforderten Werte nach RL- SIB eingehalten werden. Im Falle einer Blasenbildung ist weiter zu bewerten, in welcher Schicht die Delamination stattgefunden hat. buch2.indb 180 13.01.20 15: 40 9. Kolloquium Parkbauten - Februar 2020 181 Untersuchungen zur Druckwasserbeständigkeit rissüberbückender Beschichtungssysteme für Tiefgaragenbodenplatten im Grundwasser Abbildung 12: Untersuchungen nach Versuchsende. Bei Blasenbildung werden die Haftzugfestigkeiten im Übergang der Delamination und im Bereich des intakten OS-Systems untersucht und die Versagensarten dokumentiert. 5. Fazit Die derzeit in den Regelwerken vorhandenen Untersuchungen können die Widerstandsfähigkeit von rissüberbrückenden Oberflächenschutzsystemen bei rückseitigem Wasserdruck nur unzureichend abbilden. Der vorgestellten Untersuchungsmethoden, die an der Hochschule für angewandte Wissenschaften im München im Hinblick auf die Fragestellung zur Druckwasserbeständigkeit von rissüberbrückenden Beschichtungssystemen entwickelt wurden, sollen einen Beitrag zur Prüfung eines Performance-bezogenen Systemwiderstands leisten. Bisher konnten in Vorversuchen folgende Ergebnisse erzielt werden: - sowohl im stationären statischen Plattenversuch wie auch bei der stationäre Druckwasserbeanspruchung im Rissbereich mit dynamischer Rissweitung konnten die Einwirkungen so eingebracht werden, dass der Systemwiderstand überschritten und eine Delamination vergleichbar mit in der Praxis vorkommenden Blasenbildungen erfolgt. - einzelne OS 10 - Systeme bestanden die Prüfung bei stationärer Druckwasserbeanspruchung auch bei 50 mWS blasenfrei. Die ersten Ergebnisse zeigen, dass sich für die jeweiligen OS-Systeme Widerstände ermittelt lassen, die unter Berücksichtigung eines semi-probabilistischen Sicherheitskonzepts den Einwirkungen aus dem Einsatzgebiet gegenübergestellt werden können. Literatur [BEN74] S.J. Bennett, K.L. Devries, M.L.Williams: Adhesive fracture mechanics in International Journal of Fracture Volume 10, Issue 1, Page 33-43 1974 [DBV18] Deutscher Beton und Bautechnikverein E.V.: Merkblatt Parkhäuser und Tiefgaragen, 3. überarbeitete Ausgabe, Berlin, 2018 [FIE06] M. Fiebrich: Beschichtung auf direkt befahrenen Tiefgaragenböden von Weißen Wannen, Beton und Stahlbetonbau 101, Heft 7, Ernst & Sohn Verlag, Berlin, 2006 [GIE06] R.P. Gieler, A Diemming-Osburg: Kunststoffe für den Bautenschutz und die Betoninstandsetzung, in der Baustoff als Werkstoff, Brinkhäuser Verlag, Weimar, 2006 [GÜN97] M. Günter, Beanspruchung und Beanspruchbarkeit des Verbundes zwischen Polymerbeschichtungen und Beton, Band 32 des Instituts für Massivbau und Baustofftechnologie, Karlsruhe, 1997 [LAN06] J. Lange, W. Benning: Verfahren zur Rissanalyse bei Betonbauteilen in Fachtagung Bauwerksdiagnose Praktische Anwendung Zerstörungsfreier Prüfungen, Berlin, 2006 [LIC19] R. Lichtenberger: Digitale Bildkorrelation: Mehr Kameras für mehr Nutzen auf der Homepage der Limess Messtechnik und Software GmbH, https: / / www.limess.com/ de/ component/ content/ article? id=1: firmenprofil#dokumente-downloads abgerufen am 16.09.2019 [RIL01] Deutscher Ausschuss für Stahlbeton: Schutz und Instandsetzung von Betonbauteilen (Instandsetzungs-Richtlinie), Berlin, 2001. [SCHE15] T. Schedl: „Tiefgarage und Parkdecks, Beurteilung der Ausführungsvarianten befahrender Flächen aus Sicht der Münchner Rund auf Grundlage aktueller Erkenntnis aus der Praxis, Oberflächenschutzsysteme - Abdichtungssysteme Verschleiß und Instandsetzung,“ in Seminar der Ingenieurakademie der Bayrischen Ingenieurekammer, München, 2015 [WIL69] M. L. Williams: The continuum interpretation for fracture and adhesion, Journal of Applied Polymer Science, Volume 13, Issue 1, 1969 [WOL09] L. Wolff: Mechanismen der Blasenbildung bei Reaktionsharzbeschichtungen auf Beton, DAfStb-Heft 576, Beuth-Verlag, Berlin, 2009, [WUR17] Deutscher Ausschuss für Stahlbeton: Wasserundurchlässige Bauwerke (WU-Richtlinie), Berlin 2017 buch2.indb 181 13.01.20 15: 40