6. Kolloquium Trinkwasserspeicherung in der Praxis - September 2021 219 Optimierte Betonoberflächeneigenschaften unter Verwendung von Schalungsbahnen: Einflüsse, Lösungsansätze und Projektbeispiele Daniel Mittermeyer M.Eng. Max Frank GmbH & Co. KG, Mitterweg 1, 94339 Leiblfing, Deutschland Zusammenfassung Trinkwasser stellt zweifelsohne eines der wichtigsten Ressourcen des 21. Jahrhunderts dar. Um zukünftig eine hervorragende Trinkwasserqualität sicherzustellen ist es wichtig, Bauwerke der Trinkwasserversorgung einerseits nach den Vorschriften fachgerecht zu planen und zu erstellen, andererseits die Dauerhaftigkeit zu erhöhen. Ziel sollte es bereits in der Planungsphase dieser Bauwerke sein, die Eigenschaften bezüglich der geforderten und gewünschten Betonqualität zu spezifizieren. Neben den Verwendungsnachweisen für Trinkwassereignung der eingesetzten Bauprodukte sollten erhöhte Eigenschaften des Betons gefordert werden, wie z.B. eine hohe Druckfestigkeit, eine geringe Wassereindringtiefe, eine nahezu porenfreie und dichte Betonrandzone sowie ein erhöhter Abriebwiderstand. Optimierungen dieser Eigenschaften können unter der Verwendung von Schalungsbahnen erreicht werden. 1. Einführung Üblicherweise werden Trinkwasserbehälter als Bauwerke in Stahlbetonbauweise erstellt und mit einer Lebensdauer von 50 bis 100 Jahre konzipiert. Mit einer geringen Erhöhung der Investitionskosten können erhebliche Sanierungskosten bei Betonbauwerken eingespart werden, beziehungsweise fallen überhaupt keine Betonerhaltungskosten an. Als Beispiel dazu kann eine Untersuchung von Kläranlagen aufgeführt werden. Das Ergebnis zeigt, dass bei Verwendung der Schalungsbahn Zemdrain® keine Sanierungskosten in einem Zeitraum von 50 Jahren zu erwarten sind, während bei Betonoberflächen ohne Verwendung von Zemdrain® bereits nach 10 Jahren Schäden sichtbar sind und im weiteren Verlauf mit mindestens zwei Sanierungen zu rechnen ist. Anhand von aktuellen Prüfungen von Betonprüfkörpern des Karlsruher Institut of Technologie (KIT) werden verschiedenste maßgebende Prüfkriterien gegenübergestellt. Der Einfluss von Schalungsbahnen auf die Prüfkörper gegenüber den Prüfkörper, welche konventionell geschalt wurden ist messbar und verdeutlicht somit nachweislich deren Einfluss. Neben diesen maßgebenden Einflüssen kann anhand von projektspezifischen Lösungsansätzen und Projektbeispielen die Verwendung von Schalungsbahnen vermittelt und deren Mehrwert verdeutlicht werden. 2. Schalungsbahnen - Einflüsse und Aufgabenstellung Die Nutzungsdauer eines Stahlbetonbauwerks wird maßgeblich von der Ausführung/ Qualität der Betondeckung beeinflusst. Zu den Einflüssen zählen: • Baustellenbedingte Einflüsse (Einbringen, Verdichten, Betontrennmittel, Bewehrung) • Umwelteinflüsse (Temperaturen, Witterung) • Ausführungsdetails wie Abstandhalter, Mauerstärken und deren Verschlüsse • Beton (Transport, Betonzusammensetzung, Temperatur) • Schalung (Stoß- und Fugenausbildung, Schalungshaut) 2.1 Situation im Bereich der Betondeckung ohne Schalungsbahn Eine dauerhafte Betonrandzone stellt die Grundlage für nachhaltige Betonbauwerke dar, da diese den Einflüssen aus der Umwelt bzw. verschiedenen Medien wie z.B. Trinkwasser oder Abwasser ausgesetzt sind. Damit der Beton und die Bewehrung nicht korrodieren, soll die Betonrandzone ein möglichst dichtes Gefüge aufweisen. Bei Brücken sind als Einflüsse Sauerstoff, Kohlendioxid, Feuchtigkeit Wind, Sand und Mineralsalze zu nennen. Im Bereich der Trinkwasserversorgung, wie etwa in Trink- Optimierte Betonoberflächeneigenschaften unter Verwendung von Schalungsbahnen: Einflüsse, Lösungsansätze und Projektbeispiele 220 6. Kolloquium Trinkwasserspeicherung in der Praxis - September 2021 wasserbehältern ist die Betonrandzone unterschiedlichen Wasserbewegungen und Wasserstände und Wasserdruck ausgesetzt. Dieser Angriff bzw. diese Belastung an der Betonoberfläche kann bei nicht ausreichender Qualität schon nach wenigen Jahren zu sichtbaren und messbaren Schäden führen. Bild 1: Betonergebnis, links mit Schalungsbahn erstellt, rechts mit konventioneller Schalungshaut erstellt Betrachtet man die typische Einbausituation im Bereich der Betondeckung, so wird nun exemplarisch folgende Gegebenheit angenommen. Mit einer handelsüblichen Rahmenschalung wird Beton mit Festigkeitsklasse C35/ 45 und einem W/ Z-Wert von 0,45 mit einer Betondeckung von 50mm eingebracht, ausgeführt und verdichtet. Durch den Frischbetondruck und die Verdichtungsenergie wird das Überschusswasser an die Schalungshaut transportiert. Da nun die Schalung meist eine Schalungshaut mit wasserundurchlässiger oder zumindest schwach saugende Oberflächeneigenschaft aufweist, staut sich hier die eingeschlossene Luft und das Überschusswasser was zu erhöhter Lunkerbildung uns somit zu einer Verschlechterung der Betonqualität führen kann. Durch diesen Effekt ist mit einer Zunahme des W/ Z-Werts in diesen Bereichen zu rechnen und ist in folgender Systemskizze ersichtlich. Bild 2: typische Einbausituation im Bereich der Betondeckung, ohne Schalungsbahn 2.2 Schadenseinflüsse Durch verschiedene Einflüsse entstehen Schäden an Betonbauwerken. Bereits nach wenigen Jahren können diese Schäden so weit fortgeschritten sein, dass eine Sanierung oder eine Erneuerung der Betonrandzone notwendig ist. Ursächlich für diese Schäden sind ein zu hoher W/ Z-Wert an der Oberfläche, was zu Lunker- und Porenbildung führt. Durch die Verwendung von Betontrennmittel wird ein späteres Wachstum von Mikroorganismen begünstigt. Frost und mechanischer Abrieb, sowie chemischer Angriff führen zu Korrosion der Bewehrung und stellen Grundlage für Ablösungen bzw. Abplatzungen dar. Darüber hinaus führt CO 2 zur Karbonatisierung und zum Verlust der Alkalität. Optimierte Betonoberflächeneigenschaften unter Verwendung von Schalungsbahnen: Einflüsse, Lösungsansätze und Projektbeispiele 6. Kolloquium Trinkwasserspeicherung in der Praxis - September 2021 221 Bild 3: Schadensbild Beanspruchung durch Klärwasser Bild 4: Schadensbild Beanspruchung durch Meerwasser 2.3 Situation im Bereich der Betondeckung mit Schalungsbahn Betrachtet man die typische Einbausituation im Bereich der Betondeckung, so wird nun exemplarisch folgende Gegebenheit angenommen. Mit einer handelsüblichen Rahmenschalung wird Beton mit Festigkeitsklasse C35/ 45 und einem W/ Z-Wert von 0,45 mit einer Betondeckung von 50mm eingebracht, ausgeführt und verdichtet. Nun fungiert eine Schalungsbahn als Schalungshaut, welche während des Verdichtungsprozess eine wichtige Rolle spielt. Durch den Betondruck und die Verdichtungsenergie wird das Überschusswasser an die Schalungshaut transportiert. Folglich wird das Überschusswasser unter kontrollierten Bedingungen nach unten geleitet. Parallel dazu hat die Luft die Möglichkeit, nach oben zu entweichen. Bei diesem Prozess reichern sich Feinanteile in der Betonrandzone an und generieren ein dichtes Gefüge. Durch diesen Effekt ist mit einer Abnahme des W/ Z-Werts in diesen Bereichen nachweislich zu rechnen und ist in folgender Systemskizze ersichtlich. Grundsätzlich gilt; je niedriger der W/ Z-Wert ist, umso geringer ist die Porosität und die Kapillarität einzustufen. Bild 5: typische Einbausituation im Bereich der Betondeckung, mit Schalungsbahn 2.4 Situation im Bereich der Betondeckung mit Schalungsbahn - Anwendungsvideo als Beispiel 3. Lösungsansätze Um die Wirkungsweise von Schalungsbahnen zu verifizieren und die Eigenschaften messbar abzubilden, wurden am Karlsruher Institut für Technologie (KlT) Materialprüfungs- und Forschungsanstalt im Jahr 2018 umfangreiche Prüfungen mit der Berichtsnummer: 182011 0091 durchgeführt. Dabei wurden Vergleichsprüfungen am Beton bei Herstellung mit wasserabfüh- Optimierte Betonoberflächeneigenschaften unter Verwendung von Schalungsbahnen: Einflüsse, Lösungsansätze und Projektbeispiele 222 6. Kolloquium Trinkwasserspeicherung in der Praxis - September 2021 render Schalungsbahn und herkömmlicher Schalung aufgeführt. Die Untersuchungen umfassten die Herstellung von Betonprüfkörpern unterschiedlicher Abmessungen zur Bestimmung: • der Druckfestigkeit, • der Rückprallzahl, • der Oberflächenzugfestigkeit, • der Oberflächenabsorption, • des Chloridwiderstands, • der Wassereindringtiefe unter Druck, • des Frostwiderstands, • des Karbonatisierungswiderstands und • des Sulfatwiderstands Zur Durchführung der betontechnologischen Untersuchungen wurden Großprüfkörper (Betonwände) und Kleinprüfkörper der Festigkeitsklasse C35/ 45 (mit einem maximalen Wasserzementwert von 0,45 und einem minimalen Zementgehalt von 360 kg/ m3) hergestellt. Bild 6: Detailaufnahme im Labor - reduzierter W/ Z- Wert an der Betonoberfläche Bild 7: Auszug MPA Karlsruhe Prüfbericht mit der Berichtsnummer: 182011 0091 „Vergleichsprüfungen an Beton bei Herstellung mit wasserabführender Schalungsbahn Zemdrain® und herkömmlicher Schalung“, Seite 75 Bild 8: Auszug MPA Karlsruhe Prüfbericht mit der Berichtsnummer: 182011 0091 „Vergleichsprüfungen an Beton bei Herstellung mit wasserabführender Schalungsbahn Zemdrain® und herkömmlicher Schalung“, Seite 55 Optimierte Betonoberflächeneigenschaften unter Verwendung von Schalungsbahnen: Einflüsse, Lösungsansätze und Projektbeispiele 6. Kolloquium Trinkwasserspeicherung in der Praxis - September 2021 223 3.1 Typen von Schalungsbahnen Bei den Typen von Schalungsbahnen gilt es die unterschiedlichen Applikationsmethoden zu differenzieren. Je nach Ausführungstyp können im Allgemeinen klebende, zu tackernde oder bespannende Ausführungen verwendet werden. Für die Anwendung im Trinkwasserbehälter ist die Eignung mit Nachweisen zu belegen. Grundlage dafür sind die Prüfungen zu Vermehrung von Mikroorganismen auf Werkstoffen für den Trinkwasserbereich, Prüfung gemäß DVGW Technische Regeln, Arbeitsblatt W 270 und „Hygienische Anforderungen an zementgebundene Werkstoffe im Trinkwasserbereich“ gemäß DVGW- Arbeitsblatt W 347. Generell kann man zwischen saugenden Schalungsbahnen und kontrolliert wasserabführenden Schalungsbahnen unterscheiden. Der Vorteil von kontrolliert wasserabführenden Schalungsbahnen liegt darin, dass sie aus Polypropylen bestehen und jene, die nicht als saugendes Vlies konzipiert sind, somit auch keine Feuchtigkeit aus der Umgebung aufsaugen und damit witterungsunempfindlich sind. Bild 9: Ausführung Zemdrain® der Firma MAX FRANK, links Typ MD, rechts, Typ Classic 3.2 Empfehlungen für Vorplanung und Planung - Innenoberflächen müssen so glatt und porenfrei wie möglich konzipiert werden - Nachweis für mikrobielle Eignung: DVGW W 270 - Nachweis für hygienischen und technischen Anforderungen an Werkstoffe: DVGW W 347 - Für die Wirtschaftlichkeitsbetrachtung und Variantenfindung den Mehrwert von Schalungsbahnen berücksichtigen (technische Dokumentation) - Schalungsbahn in Ausschreibung berücksichtigen (W 270, W 347, Einweisung, Musterbetonage) 3.3 Empfehlungen für konstruktive Anforderungen - keine weiteren Oberflächenbehandlung (OS-System) notwendig. - Hydrolyse vermeiden - Vorteile Schalungsbahn nutzen - Nachweise vorlegen (DVGW W 347, ggf. DVGW W 270). - Zur Herstellung einer gleichmäßigen, porenfreien Oberfläche sollte eine kontrolliert wasserabführende Schalungsbahn verwendet werden. - Probewand / Referenzbauteil erstellen 3.4 Empfehlungen für die Bauausführung - Schalungsbahn sollte faltenfrei und unverschieblich auf den Schaltafeln befestigt werden. - Erneuerung nach jedem Betonagevorgang - Herstellerangaben berücksichtigen - (ausgeschriebene) technische Einweisung durchführen 4. Projektbeispiele 4.1 Projektbeispiel Trinkwasserbehälter XY Typische Schadensbilder Im Hochbehälter Dortmund Höchsten wird die Lebensdauer von Beton mit der wasserabführenden Schalungsbahn Zemdrain® erhöht. Im Dortmunder Süden entstand ein neuer Trinkwasserbehälter mit einem Fassungsvermögen von 7.500 Kubikmeter. Aufgrund der bautechnisch als schlecht einzustufenden Bausubstanz des Bestandsbehälters war ein kompletter Neubau notwendig und mit insgesamt 4,5 Mio. Euro veranschlagt. 2013 wurde der Neubau fertiggestellt sein und die hohe Qualität und Zuverlässigkeit der Dortmunder Wasserversorgung wieder sichergestellt. Nach dem umfangreichen Baugrubenaushub wurde eine 40 cm dicke Bodenplatte betoniert. Mit der vorkonfektionierten Schalungsbahn Zemdrain® Classic wurde die Schalung in drei Spannabschnitten belegt. Bei einem Behälterumfang von 117,35 m ergab sich eine jeweilige Bahnlänge von 37,55 m. Mit dem Einsatz von Zemdrain® vermeidet man schon heute die Bauschäden von morgen. Die Lebensdauer von Beton wird nachweislich erhöht und die Instandhaltungskosten enorm reduziert. Optimierte Betonoberflächeneigenschaften unter Verwendung von Schalungsbahnen: Einflüsse, Lösungsansätze und Projektbeispiele 224 6. Kolloquium Trinkwasserspeicherung in der Praxis - September 2021 Bild 10: Hochbehälter Dortmund Höchsten - Schalungsbahn Zemdrain® montiert Bild 11: Hochbehälter Dortmund Höchsten - Ergebnis Betonage 4.2 weitere Projektbeispiele Bild 12: weitere Projektbeispiele Literaturangabe [1] Betonergebnis, links mit Schalungsbahn erstellt, rechts mit konventioneller Schalungshaut, MAX FRANK GmbH & Co. KG [2] typische Einbausituation im Bereich der Betondeckung, ohne Schalungsbahn, MAX FRANK GmbH & Co. KG [3] Schadensbild Beanspruchung durch Klärwasser, MAX FRANK GmbH & Co. KG [4] Schadensbild Beanspruchung durch Meerwasser, MAX FRANK GmbH & Co. KG [5] typische Einbausituation im Bereich der Betondeckung, mit Schalungsbahn, MAX FRANK GmbH & Co. KG [6] Detailaufnahme im Labor - Optimierte Betonrandzone, MAX FRANK GmbH & Co. KG [7] Auszug MPA Karlsruhe Prüfbericht mit der Berichtsnummer: 182011 0091 „Vergleichsprüfungen an Beton bei Herstellung mit wasserabführender Schalungsbahn Zemdrain® und herkömmlicher Schalung“, Seite 75 [8] Auszug MPA Karlsruhe Prüfbericht mit der Berichtsnummer: 182011 0091 „Vergleichsprüfungen an Beton bei Herstellung mit wasserabführender Schalungsbahn Zemdrain® und herkömmlicher Schalung“, Seite 55 [9] Ausführung Zemdrain® der Firma MAX FRANK, links Typ MD, rechts, Typ Classic, MAX FRANK GmbH & Co. KG [10] Hochbehälter Dortmund Höchsten - Schalungsbahn Zemdrain® montiert [11] Hochbehälter Dortmund Höchsten - Ergebnis Betonage [12] weitere Projektbeispiele, MAX FRANK GmbH & Co. KG