Kolloquium Trinkwasserspeicherung in der Praxis
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Überarbeitung der Instandsetzungsverfahren und -prinzipien: Was ändert sich künftig im „Arbeitsblatt DVGW W 300-3“?
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Melanie Merkel
Wolfgang Breit
Eine Überarbeitung des DVGW-Arbeitsblattes W 300-3 wurde durch neue Erkenntnisse aus Forschungsvorhaben, die durch den Deutschen Verein des Gas- und Wasserfachs e. V. (DVGW) finanziert wurden, und der Aktualisierung bzw. Veröffentlichung verschiedener Regelwerke und Leitlinien notwendig. So soll u. a. die Zielsetzung der Realkalisierung der Betonrandzone als Instandsetzungsprinzip im überarbeitenden DVGW-Arbeitsblatt W 300-3 nicht weiterverfolgt werden. Zusätzlich sind die Neuerungen zur Planung von Instandsetzungsmaßnahmen nach der Technischen Regel Instandhaltung von Betonbauwerken (TR Instandhaltung) des Deutschen Instituts für Bautechnik (DIBt) in die Überarbeitung mit eingeflossen. Daraus resultieren u. a. neue Instandsetzungsprinzipien und Verfahren zum Schutz oder zur Instandsetzung von Trinkwasserbehältern, insbesondere den Trinkwasser berührten Oberflächen. Hierbei wird unterschieden, ob eine Verbesserung der Oberfläche, ein Erhalt oder eine Wiederherstellung der Passivität der Bewehrung als Instandsetzungsziel notwendig ist. Signifikante Veränderungen ergeben sich auch in den Vorgaben und Hilfestellungen zur Bauzustandsanalyse von Trinkwasserbehältern. Wie in der TR Instandhaltung beschrieben, sind zukünftig instandzusetzende Betonbauteile aufgrund ihrer zum Zeitpunkt der Instandsetzung vorhandenen Eigenschaften im Hinblick auf die anzuwendenden Instandsetzungsverfahren in Altbetonklassen einzuordnen. In einem neuen normativen Anhang werden beispielhafte Kriterien und Methoden der Ist-Zustandserfassung inklusive detaillierte Auswertungsgrundsätze beschrieben. Den Anwendern wird somit eine Bewertungsgrundlage an die Hand gegeben, welche Kenngrößen aus betontechnologischer Sicht zur Bewertung des Ist-Zustands von Wasserkammern relevant und welche Kennwerte zur Bewertung des Instandsetzungsbedarfs zu berücksichtigen sind.
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7. Kolloquium Trinkwasserspeicherung in der Praxis - März 2023 35 Überarbeitung der Instandsetzungsverfahren und -prinzipien: Was ändert sich künftig im „Arbeitsblatt DVGW W 300-3“? Prof. Dr.-Ing. Melanie Merkel bsm² Breit ∙ Schuler ∙ Merkel Beratende Ingenieure PartGmbB, Kaiserslautern Univ.-Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Breit Rheinland-Pfälzische Technische Universität Kaiserslautern (RPTU), Fachgebiet Werkstoffe im Bauwesen, Kaiserslautern bsm² Breit ∙ Schuler ∙ Merkel Beratende Ingenieure PartGmbB, Kaiserslautern Zusammenfassung Eine Überarbeitung des DVGW-Arbeitsblattes W 300-3 wurde durch neue Erkenntnisse aus Forschungsvorhaben, die durch den Deutschen Verein des Gas- und Wasserfachs e. V. (DVGW) finanziert wurden, und der Aktualisierung bzw. Veröffentlichung verschiedener Regelwerke und Leitlinien notwendig. So soll u. a. die Zielsetzung der Realkalisierung der Betonrandzone als Instandsetzungsprinzip im überarbeitenden DVGW-Arbeitsblatt W 300-3 nicht weiterverfolgt werden. Zusätzlich sind die Neuerungen zur Planung von Instandsetzungsmaßnahmen nach der Technischen Regel Instandhaltung von Betonbauwerken (TR Instandhaltung) des Deutschen Instituts für Bautechnik (DIBt) in die Überarbeitung mit eingeflossen. Daraus resultieren u. a. neue Instandsetzungsprinzipien und Verfahren zum Schutz oder zur Instandsetzung von Trinkwasserbehältern, insbesondere den Trinkwasser berührten Oberflächen. Hierbei wird unterschieden, ob eine Verbesserung der Oberfläche, ein Erhalt oder eine Wiederherstellung der Passivität der Bewehrung als Instandsetzungsziel notwendig ist. Signifikante Veränderungen ergeben sich auch in den Vorgaben und Hilfestellungen zur Bauzustandsanalyse von Trinkwasserbehältern. Wie in der TR Instandhaltung beschrieben, sind zukünftig instandzusetzende Betonbauteile aufgrund ihrer zum Zeitpunkt der Instandsetzung vorhandenen Eigenschaften im Hinblick auf die anzuwendenden Instandsetzungsverfahren in Altbetonklassen einzuordnen. In einem neuen normativen Anhang werden beispielhafte Kriterien und Methoden der Ist-Zustandserfassung inklusive detaillierte Auswertungsgrundsätze beschrieben. Den Anwendern wird somit eine Bewertungsgrundlage an die Hand gegeben, welche Kenngrößen aus betontechnologischer Sicht zur Bewertung des Ist-Zustands von Wasserkammern relevant und welche Kennwerte zur Bewertung des Instandsetzungsbedarfs zu berücksichtigen sind. 1. Problemstellungen aus dem aktuellen DVGW- Arbeitsblatt W 300-3: 2014-10 Die Anforderungen an Neubau-, Instandsetzungs- und Instandhaltungsmaßnahmen von Trinkwasserbehältern werden im DVGW-Arbeitsblatt W 300, Teil 1 bis Teil 8 [1]-[8] geregelt. Damit die hohen technischen und hygienischen Anforderungen an das Bauwerk erfüllt werden können, sind in Teil 3 [3] des Regelwerks sogenannte Auskleidungsprinzipien für die Instandsetzung, u. a. mit mineralischen Beschichtungen, definiert. Neben der Sicherstellung der Standsicherheit bzw. des Verbundes der Bewehrung muss auch die Sicherstellung des Korrosionsschutzes der Bewehrung gewährleistet werden. Bei der Festlegung des Auskleidungsprinzips wird insbesondere in Bezug auf den Korrosionsschutz unterschieden, ob der vorhandene Beton für die Sicherstellung des Korrosionsschutzes der Bewehrung ausreicht oder ob eine Auskleidung bzw. eine Beschichtung für die Sicherstellung des Korrosionsschutzes benötigt wird. Zementgebundene Beschichtungen werden hierbei nach ihrer Fähigkeit, einen ausgelaugten oder carbonatisierten Beton zu realkalisieren, unterschieden. Die sogenannten Auskleidungsprinzipien unterteilen sich dabei in A1 und A2 wie folgt: • A1: Mit Realkalisierungsdepot bei erforderlicher Realkalisierung der ausgelaugten bzw. carbonatisierten Betonrandzone • A2: Ohne Realkalisierungsdepot bei ausreichender alkalischer Betondeckung d a ohne erforderliche Realkalisierung der ausgelaugten bzw. carbonatisierten Betonrandzone Die Zugrundelegung der Realkalisierung (A1) basiert auf den Erkenntnissen der Instandsetzungsrichtlinie des Deutschen Ausschusses für Stahlbeton [9]. Analog zum carbonatisierten Beton im Hochbau wurde die Möglichkeit der Realkalisierung bei ausgelaugten Betonuntergründen abgeleitet. Für den Anwendungsfall A1 erfolgt die Realkalisierung der Betonrandzone zwischen dem vorbehandelten Untergrund und dem Bewehrungsstahl. Die Ermittlung der Alkalitätsgrenze d a stellt dabei sicher, dass eine ausreichende Realkalisierung des vorhandenen Betons gewährleistet ist. Bei Anwendungsfall A2 ist eine Realkalisierung nicht erforderlich ist. Dementsprechend muss in Abhängigkeit von der Auslaugungsbzw. der Carbonatisierungstiefe geprüft werden, inwieweit die noch vorhandene Restalkalität für den Korrosionsschutz der Bewehrung ausreicht. Bei Auskleidungsprinzip A2 darf daher konsequenter- 36 7. Kolloquium Trinkwasserspeicherung in der Praxis - März 2023 Überarbeitung der Instandsetzungsverfahren und -prinzipien: Was ändert sich künftig im „Arbeitsblatt DVGW W 300-3“? weise die mineralische Beschichtung auch nicht auf die Betondeckung angerechnet werden. Auf Basis der vorgenannten Randbedingungen wurden die Begrifflichkeiten „Alkalitätsgrenze“ und „Realkalisierungsdepot“ mit Veröffentlichung von Teil 3 im Jahr 2014 regulativ neu eingeführt. Diese Begrifflichkeiten und die damit verbundenen technischen Randbedingungen stellen daher eine wichtige Rolle bei der Wahl des Auskleidungsprinzips dar. Während die Alkalitätsgrenze als Umschlagpunkt eines Tests mittels Phenolphthaleinlösung messbar und somit definiert werden kann als Grenze zwischen hoher und niedriger Alkalität des Betons, kann das Realkalisierungsdepot technisch nicht ausreichend genau spezifiziert werden. Entsprechend der Begriffsdefinition nach DVGW-Arbeitsblatt W 300 wird das Realkalisierungsdepot als „Fähigkeit eines Werkstoffes“ beschrieben, die „über einen Zeitraum die Alkalität eines darunter liegenden Werkstoffes maßgeblich erhöht“. Grundsätzliche Voraussetzungen, Anwendungsgrenzen oder die Beschreibung der technischen Grundsätze werden aufgrund fehlender Nachweisverfahren im Regelwerk nicht weiter erläutert. Aus vorgenanntem Grund ist eine Konkretisierung der Begrifflichkeit des Realkalisierungsdepots und den damit nachzuweisenden Anforderungen im Rahmen der Überarbeitung des Regelwerks erforderlich. Darüber hinaus hat sich gezeigt, dass sich unter Bezug auf die neueren Forschungsergebnisse [10-18] eine Reihe von anwendungsorientierten Fragen und Unstimmigkeiten bezüglich der in 2014 eingeführten Regelungen ergeben. Hierauf wird im Folgenden detaillierter eingegangen. Zwischen Auslaugung und Carbonatisierung der Betonrandzone wird im DVGW-Arbeitsblatt W 300-3 [3] grundsätzlich nicht unterschieden, da zwar das Schädigungsergebnis vergleichbar ist, der Schadensmechanismus aber grundsätzlich anders zu bewerten ist. Ebenso wird nicht hinreichend erläutert, wie mit einer geschädigten oder beeinträchtigten Betonrandzone umgegangen werden soll, wenn eine Auslaugung der Betonrandzone stattgefunden hat. Für den Anwender sollten klare Vorgaben für die Instandsetzung definiert werden, damit keine zusätzlichen Nachweise wie bspw. die Überprüfung einer „ausreichenden Realkalisierung des vorhandenen Betons“ erbracht werden müssen. In Abb. 1 und Abb. 2 sind die Auskleidungsprinzipen A1 und A2 nach DVGW-Arbeitsblatt W 300-3: 2014-10 [3] dargestellt. Alle Anmerkungen und offenen Fragestellungen sind in Abb. 1 und Abb. 2 aufgenommen und nachfolgend aufgelistet: 1. Aus Abb. 1 und Abb. 2 geht nicht hervor, wie der Ist- Zustand vor der Instandsetzung zu bewerten ist und der Soll-Zustand nach der Instandsetzung auszusehen hat. Zudem fehlt eine vereinfachte Darstellung der Auswahl von Instandsetzungsvarianten als Ablaufschema. Dieser Sachverhalt sollte vergleichbar zur TR Instandhaltung [19] angepasst werden, um zum einen die Verständlichkeit für die Anwender zu fördern und zum anderen regelwerkübergreifend zu einer einheitlichen Sprachregelung zu kommen. 2. Bauteilbezogene Schadensmechanismen (Hydrolyse, Auslaugung und Carbonatisierung) werden pauschalisiert und nicht differenziert bewertet. Aus den Anwendungsgrenzen geht nicht hervor, dass beispielsweise eine Carbonatisierung der Bauteilrandzone im wassergesättigten Bereich nicht möglich ist und somit auch nicht betrachtet werden muss. Ebenso wird nicht unterschieden, wie mit einer geschädigten Betonrandzone umgegangen werden muss. Beispielhaft sei hier die die Zementsteinzerstörung durch einen Auslaugungsprozess genannt. Eine geschädigte Betonrandzone muss vor dem Auftrag einer zementgebundenen Beschichtung vollständig abgetragen werden und führt zwangsläufig damit zu anderen Eigenschaften des instandzusetzenden Untergrunds. 3. In Anlehnung an das DBV-Merkblatt „Betondeckung und Bewehrung“ [20] sollte die Mindestbetondeckung c min als 5 %-Quantil definiert werden. 4. Das in DVGW-Arbeitsblatt W 300-3 [3] definierte Realkalisierungsdepot und die Alkalitätsgrenze d a sind bei Auskleidungsprinzip A1 nicht ausreichend präzise beschrieben. 5. Eine Begrenzung der zugelassenen Zemente in Bezug auf ein ausreichendes Realkalisierungsdepot ist bisher nicht erfolgt. Es ist zu prüfen, welche Zemente hierzu geeignet sind. 6. Aus Abb. 1 und Abb. 2 geht nicht hervor, wo genau die Mindestschichtdicke der zementgebundenen Beschichtung definiert wird. Eine Präzisierung der Darstellung ist erforderlich. 7. Bei Auskleidungsprinzip A2 sollte entweder die Alkalitätsgrenze d a als 5 %-Quantil ermittelt oder der Prüfumfang zur Ermittlung von d a genauer beschrieben werden. Eine statistische Aussagekraft (5-%-Quantil) kann nur über eine ausreichende Anzahl von Messergebnissen erreicht werden. 8. Bei Auskleidungsprinzip A2 ist ein d a,nom in der Praxis nicht umsetzbar. Zum Schutz der Bewehrung ist zu prüfen, ob in Bezug auf die Lebensdauer des Bauwerks d a,min erhöht werden sollte. 9. Bei Auskleidungsprinzip A2 geht aus den Anwendungsgrenzen zur Alkalitätsgrenze d a nicht hervor, wie mit einer Unter- oder Überschreitung der Prüfergebnisse umgegangen werden muss. Aus diesem Grund sollten die Auskleidungsprinzipien erweitert werden. 10. Grundsätzlich geht aus den Anwendungsgrenzen der Auskleidungsprinzipien nicht hervor, wie die Instandsetzung einer Betonrandzone aussehen soll, in der der Bewehrungsstahl im bereits carbonatisierten oder ausgelaugten Bereich liegt. 7. Kolloquium Trinkwasserspeicherung in der Praxis - März 2023 37 Überarbeitung der Instandsetzungsverfahren und -prinzipien: Was ändert sich künftig im „Arbeitsblatt DVGW W 300-3“? Abb. 1: Auskleidungsprinzip A1, Anwendungsgrenzen zementgebundener Beschichtungen mit Realkalisierungsdepot bei erforderlicher Realkalisierung der ausgelaugten bzw. carbonatisierten Betonrandzone (DVGW-Arbeitsblatt W 300-3, Bild 3 [3]) mit Anmerkungen zur Anwendung Abb. 2: Auskleidungsprinzip A2, Anwendungsgrenzen zementgebundener Beschichtungen ohne Realkalisierungsdepot (DVGW-Arbeitsblatt W 300-3, Bild 4 [3]) mit Anmerkungen zur Anwendung 2. Erkenntnisse zum Realkalisierungsvermögen von mineralischen Beschichtungen Im Rahmen eines vom Deutschen Verein des Gas- und Wasserfaches e. V. (DVGW) geförderten Forschungsvorhabens (W201835) [13] wurde an der Technischen Universität Kaiserslautern in Kooperation mit der RWTH Aachen University das Realkalisierungsvermögen von ausgelaugten und carbonatisierten Betonuntergründen untersucht. In diesem Zusammenhang wurde auch der Widerstand von mineralischen Beschichtungen gegenüber Auslaugungsprozessen bewertet. Insbesondere wurden das Realkalisierungspotenzial von mineralischen Beschichtungen und deren Beständigkeit experimentell untersucht, ausgewertet und hinsichtlich der Verwertung in der Praxis bewertet. Als praxisrelevantes Ergebnis konnte abgeleitet werden, dass der Realkalisierungsprozess in zwei Bereiche unterteilt werden muss. Dazu gehören die sogenannte Kontaktrealkalisierung und die diffusionsgesteuerte Realkalisierung. Unter der Kontaktrealkalisierung ist die Anfangsrealkalisierung der Betonrandzone zu verstehen, deren Tiefenwirkung und Dauer von unterschiedlichen Einflussfaktoren abhängig ist. Die Alkalien werden während der Applikation und Erhärtung mittels Konvektion quasi „huckepack“ in den Beton transportiert. Die Kontaktrealkalisierung folgt daher nicht dem üblichen Wurzel- Zeit-Gesetz für diffusionsgesteuerte Transportprozesse. Ausschließlich während der Kontaktrealkalisierung findet eine pH-Wert Erhöhung in der realkalisierten Zone von > 10 statt. Diese Phase der Realkalisierung umfasst im Wesentlichen die ersten Stunden bis ca. 24 Stunden der Hydratation. Während der diffusionsgesteuerten Realkalisierung kann ein alkalisches Milieu mit einem pH-Wert > 10 nicht mehr gebildet werden. Aus den Indikatorversuchen war abzuleiten, dass der pH-Wert der realkalisierten Betonrandzone nahe des Phenolphthaleinumschlagpunktes von pH- Wert ~8 liegen muss. Der neu gebildete Alkalienpuffer erreicht somit nicht den pH-Wert eines intakten alkalischen Zementsteingefüges (pH-Wert >12), wie es vor dem Prozess der Carbonatisierung vorliegt. Eine relative Luftfeuchte von < 95 % r. F. führt zu keiner signifikanten Erhöhung des Realkalisierungsfortschritts. Der Alkalientransport in den Altbeton wird stark verlangsamt bzw. unterbunden. Aufgrund von Alkalienbindung sowie -umverteilung und Interaktion zwischen Lösung und Beton kann es zu einer Erniedrigung des pH-Wertes unterhalb des Phenolpthalienumschlagpunktes auch im zuvor realkalisierten Bereich kommen. Aus den erzielten Ergebnissen im Rahmen des DVGW- Forschungsvorhabens ergibt sich ein nur begrenztes Anwendungsgebiet für die Realkalisierung in einem Trinkwasserbehälter [13]. Sollte eine Auslaugung der Betonrandzone unterhalb des Wasserstands erfolgen, so geht mit der Lösung der Alkalien auch eine zeitlich und räumlich dicht gefolgte Zersetzung des Zementsteins einher. Eine tiefreichende pH-Wert Erniedrigung ohne ein Absanden der Betonoberfläche und Herauslösen des Zementsteins ist nicht zu erwarten. Aus diesem Grund ist eine klassische Realkalisierung, wie sie im Hochbau Stand der Technik ist, nicht zielführend. Eine durch die Zementsteinzerstörung geschädigte Betonoberfläche stellt keinen tragfähigen Untergrund für die Applikation eines Instandsetzungsmörtels dar. Im Rahmen einer Untergrundvorbereitung wird die geschädigte und ausgelaugte Betonrandzone abgetragen. Anforderungen an den zu beschichtenden Untergrund ergeben sich daher nicht mehr aus dem zuvor geschädigten Bereich, so wie es bei carbonatisierten Untergründen der Fall ist bzw. sein kann. Oberhalb des maximalen Wasserstands herrscht eine hohe relative Luftfeuchte. Die Kondensatbildung, insbesondere an den Deckenflächen, führt i. d. R. zu einer Auslaugung der Betonrandzone, die bei guter Betonqualität nur wenige Millimeter umfassen wird. Der im Rahmen einer Instandsetzung nach Prinzip A1 neu ge- 38 7. Kolloquium Trinkwasserspeicherung in der Praxis - März 2023 Überarbeitung der Instandsetzungsverfahren und -prinzipien: Was ändert sich künftig im „Arbeitsblatt DVGW W 300-3“? bildete Alkalitätspuffer ist wesentlich geringer als die eines intakten, alkalischen Betons. Inwieweit eine stabile, langfristige Repassivierung des Bewehrungsstahls in diesem Bereich entstehen kann, ist fraglich. Der mineralische Mörtel würde in diesem Fall nicht für eine Realkalisierung appliziert werden, sondern ausschließlich als Schutzschicht fungieren. Die baupraktische Relevanz für eine Realkalisierung von wenigen Millimetern ist nicht gegeben. Sollte in gut belüfteten Bereichen der Wasserkammer (Bereich über dem maximalen Wasserstand und nahe der Belüftungseinrichtung) eine Carbonatisierung der Betonrandzone entstehen (vgl. Abb. 3), besteht im Umkehrschluss kein ausreichendes Feuchteangebot für eine Realkalisierung, da eine Realkalisierung erst ab einer relativen Luftfeuchte von ≥ 95 % r. F. zu erwarten ist. In diesem Zuge sind auch die Möglichkeiten der Realkalisierung im Hochbau zu hinterfragen, da dort i.-d.-R. deutlich geringere relative Luftfeuchten vorherrschen. Abb. 3: Einfluss der relativen Luftfeuchtigkeit auf die Carbonatisierungs- und Korrosionsgeschwindigkeit (Eigenkorrosion) (schematisch) aus [21] nach [22, 23] 3. Überarbeitung der Auskleidungsprinzipien im neuen DVGW-Arbeitsblatt W 300-3 3.1 Allgemeines Mit dem überarbeitetem DVGW-Arbeitsblatt W-300 Teil 3 soll dem Anwender ein Ablaufschema an die Hand gegeben werden, mit dem er aus den Erkenntnissen der Zustandserfassung anhand von insgesamt drei Unterscheidungskriterien den Instandsetzungsbedarf abschätzen kann. Über das anwendungsfreundliche Ablaufschema soll eine vereinfachte, aber zielsichere Auswahl von Instandsetzungsprinzipien und -verfahren ermöglicht werden. Im zukünftigen Regelwerk sollen keine „Auskleidungsprinzipien“ mehr definiert, sondern Instandsetzungsprinzipien beschrieben werden. Diese Änderung resultiert aus der Zielsetzung, dass nicht nur eine oberflächennahe „Auskleidung“ vorgesehen wird, sondern dem Anwender auch Möglichkeiten einer Instandsetzung, analog zu den Regelungen in der TR Instandhaltung [19], bei einer vorliegenden Bewehrungskorrosion aufgezeigt werden. Folgende Unterscheidungskriterien werden im neuen DVGW-Arbeitsblatt W 300-3 zugrunde gelegt und sollen in der Planung berücksichtigt werden: • Mindestbetondec kung (c min ): Bei einer Betondeckung c min ≥ 25 mm besteht i. d. R. kein Instandsetzungsbedarf. Sollte eine lokal geschädigte Betonrandzonen festgestellt werden, gelten die unten aufgeführten Randbedingungen zu „geschädigte Betonrandzone (d s )“. Die Situation sollte im Rahmen von Inspektionen im Auge behalten werden. Liegt eine Betondeckung c min < 25 mm vor, ist grundsätzlich ein Instandsetzungsbedarf zu prüfen. • Alkalitätsgrenze (d a ): Zur Sicherstellung des Korrosionsschutzes der Bewehrung ist ein ausreichendes alkalisches Milieu um die Bewehrung von d a ≥ 10 mm erforderlich. Wird die Alkalitätsgrenze unterschritten (d a < 10 mm), ist der Beton i. d. R. mit einem alkalischen Betonersatz (Nachweis der Verwendbarkeit erforderlich) zu ersetzen (Prinzip A1.1 bis A1.3). Sollte ein Beton ausreichender Festigkeit vorliegen, kann bei organischen Beschichtungen gemäß DVGW- Arbeitsblatt W 300-5 [5] d a auf 5 mm (5 %-Quantilwert) abgemindert werden. • Geschädigte Betonrandzone (d s ): Sollte eine geschädigte Betonrandzone (Alkalitätsabfall, Zementsteinauflösung durch z. B. Auslaugung / hydrolytische Korrosion / Carbonatisierung, qualitativ unzureichende Beton- und Mörtelrandzone (Fehlstellen, Kiesnester, Porositäten etc.)), vorliegen, besteht i. d. R. ein Instandsetzungsbedarf. Für die Auswahl der verschiedenen Instandsetzungsverfahren soll die Alkalitätsgrenze d a als Entscheidungshilfe herangezogen werden (vgl. Abb. 4). Die verfahrensabhängige Mindestbetondeckung ist dabei zu berücksichtigen. Abb. 4: Instandsetzungsbedarf und Auswahl der Instandsetzungsprinzipien in Abhängigkeit von d a Die Abkürzung A für zementgebundene Systeme und B für organische/ polymere Systeme sowie C für Auskleidungen mit bspw. Dichtungsbahnen, Plattensystemen und 7. Kolloquium Trinkwasserspeicherung in der Praxis - März 2023 39 Überarbeitung der Instandsetzungsverfahren und -prinzipien: Was ändert sich künftig im „Arbeitsblatt DVGW W 300-3“? nichtrostendem Stahl wurden entsprechend dem DVGW- Arbeitsblatt W 300-3: 2014-10 beibehalten. Aus dem bekannten Auskleidungsprinzip A1 wurden die Verfahren A1.1 bis A1.3 entwickelt. Die Abkürzung „A1“ hat sich für hochalkalische, auf die Betondeckung anrechenbare Beschichtungen und Instandsetzungsmörtel am Markt etabliert, sodass eine Änderung der Bezeichnung nicht sinnvoll erschien. Im Folgenden werden die zukünftigen Änderungen der Verfahren A2 sowie A1.1 bis A1.3 beschrieben, da sich hierbei notwendige Änderungen ergeben haben. Auf die Verfahren B und C wird in diesem Beitrag nicht weiter eingegangen, da diesbezüglich keine grundsätzlichen Änderungen eingeführt wurden. 3.2 Prinzip „Verbesserung der Oberfläche“ - Verfahren A2 Bei dem Verfahren A2 soll eine zementgebundene Beschichtung auf den vorbehandelten Untergrund zur Verbesserung der Betonoberfläche appliziert werden (vgl. Abb. 5). Die Anwendung des Verfahrens gilt für eine Alkalitätsgrenze von d a ≥ 10 mm. Die bestehende Alkalitätsgrenze ist zur Sicherstellung des Korrosionsschutzes ausreichend. Die vorhandene Mindestbetondeckung vor Beschichtung beträgt c min ≥ 20 mm und c min ≥ d Stahl . Sollte eine geschädigte Betonrandzone vorliegen, ist der geschädigte Bereich lokal abzutragen und zu ersetzen. Für nicht direkt Trinkwasser berührte Oberflächen, die eine Carbonatisierung mit ausreichend tragfähigem Untergrund aufweisen, obliegt es dem Fachplaner oder einer sachkundigen Person zu prüfen, inwieweit die geschädigte Betonrandzone verbleiben kann. Durch direkten Trinkwasserkontakt ausgelaugte Bereiche sind grundsätzlich abzutragen. Es können zementgebundenen Werkstoffe des Typs 1 bis 4 nach DVGW-Arbeitsblatt W 300-5 [5] verwendet werden. Für den zementgebundenen Werkstoff nach Verfahren A2 können folgende Zementarten verwendet werden: • CEM I • CEM II A/ S, CEM II B/ S, CEM II A/ LL • CEM III A, CEM III B • CAC Abb. 5: Verfahren A2, zementgebundene Werkstoffe bei d a,min ≥ 10 mm 3.3 Prinzip „Erhalt der Passivität und Verbesserung der Oberfläche“ - Verfahren A1.1 Bei dem Verfahren A.1.1 soll die geschädigte Betonrandzone abgetragen und ersetzt werden (vgl. Abb. 6). Der Betonersatz kann über die gesamte Tiefe des Abtrags oder in Kombination mit anderen Verfahren (bspw. A2, B oder C) erfolgen. Die Anwendung des Verfahrens gilt für eine Alkalitätsgrenze von 10 mm > d a,min ≥ 5 mm. Ziel ist es, die Betondeckung zu erhöhen, die Oberflächenbeschaffenheit zu verbessern und den Erhalt des Korrosionsschutzes sicherzustellen. Die Mindestbetondeckung beträgt c min ≥ 20 mm und c min ≥ d Stahl . Sollte eine geschädigte Betonrandzone vorliegen, ist der geschädigte Bereich abzutragen und zu ersetzen. Wenn eine Carbonatisierung mit ausreichend tragfähigem Untergrund vorliegt, obliegt es dem Fachplaner oder einer sachkundigen Person zu prüfen, inwieweit die geschädigte Betonrandzone verbleiben kann. Es können die zementgebundenen Werkstoffe des Typs 1 und 2 nach DVGW-Arbeitsblatt W 300-5 [5] verwendet werden. Für Betonersatz nach Verfahren A1.1 können folgende Zementarten verwendet werden: • CEM I • CEM II A/ S, CEM II B/ S, CEM II A/ LL • CEM III A, CEM III B 40 7. Kolloquium Trinkwasserspeicherung in der Praxis - März 2023 Überarbeitung der Instandsetzungsverfahren und -prinzipien: Was ändert sich künftig im „Arbeitsblatt DVGW W 300-3“? Abb. 6: Verfahren A1.1, Betonersatz bei 10 mm > d a,min ≥ 5 mm 3.4 Prinzip „Wiederherstellung und Erhalt der Passivität und Verbesserung der Oberfläche“ - Verfahren A1.2 Bei diesem Verfahren soll wie bei Verfahren A1.1 die geschädigte Betonrandzone abgetragen und ersetzt werden (vgl. Abb. 7). Der Betonersatz kann über die gesamte Tiefe des Abtrags oder in Kombination mit anderen Verfahren (bspw. A2, B oder C) erfolgen. Der Unterschied zum Verfahren A1.1 liegt darin, dass unabhängig davon, ob eine Carbonatisierung oder eine Auslaugung der Betonrandzone stattgefunden hat, die geschädigte Betonrandzone abgetragen werden sollte, damit ein neuer Alkalitätspuffer vor der Bewehrung aufgebaut werden kann. Die Anwendung des Verfahrens gilt für eine Alkalitätsgrenze von 5 mm > d a > 0 mm. Der bestehende Alkalitätspuffer reicht zur Sicherstellung des Korrosionsschutzes für die weitere Restnutzungsdauer nicht aus. Das Hauptziel des Verfahrens liegt daher darin, den Alkalitätspuffer entsprechend zu erhöhen. Eine Bewehrungskorrosion liegt nicht vor. Die Mindestbetondeckung beträgt c min ≥ 20 mm und c min ≥ d Stahl . Unabhängig davon, ob eine Carbonatisierung oder eine Auslaugung der Betonrandzone stattgefunden hat, sollte die geschädigte Betonrandzone abgetragen werden, damit ein neuer Alkalitätspuffer vor der Bewehrung aufgebaut werden kann. Sollte lokal eine Bewehrungskorrosion vorliegen, können diese partiellen Bereiche gemäß Verfahren A1.3 instandgesetzt werden. Für die Auswahl der Zemente und des Typs sollen die gleichen Einschränkungen gelten wie bei Verfahren A1.1. Abb. 7: Verfahren A1.2, Betonersatz bei 5 mm > d a,min > 0 mm 3.5 Prinzip „Wiederherstellung der Passivität und Verbesserung der Oberfläche“ - Verfahren A1.3 Bei dem Verfahren A.1.3 soll die geschädigte Betonrandzone i. d. R. bis hinter die Bewehrung abgetragen und ersetzt werden (vgl. Abb. 8). Der Betonersatz kann über die gesamte Tiefe des Abtrags oder in Kombination mit anderen Verfahren (bspw. A2, B oder C) erfolgen. Die Anwendung des Verfahrens gilt für eine Alkalitätsgrenze von d a ≤ 0 mm. Der bestehende Alkalitätspuffer reicht zur Sicherstellung des Korrosionsschutzes nicht aus und ist entsprechend zu erhöhen. I. d. R. liegt eine Bewehrungskorrosion aufgrund einer zerstörten Passivschicht vor. Die Mindestbetondeckung beträgt c min ≥ 20 mm und c min ≥ d Stahl . Das Prinzip A1.3 ist als lokale Instandsetzung zu sehen, bei der z. B. zu geringe Betondeckungen in Verbindung mit einer Auslaugung bzw. Carbonatisierung zur Bewehrungskorrosion geführt haben. Sollte eine flächige Korrosion auftreten, sollte eine Bewertung durch Personen mit besonderer Sachkunde erfolgen. Bei der Instandsetzungsplanung sollte berücksichtigt werden, ob eine Wiederherstellung der Mindestbetondeckung c min und eine statische Anrechenbarkeit des Mörtels erforderlich ist (Nachweis der Verwendbarkeit unter Berücksichtigung von ggf. standsicherheitsrelevanten Aspekten). Für die Auswahl der Zemente und des Typs sollen die gleichen Einschränkungen gelten wie bei Verfahren A1.1. 7. Kolloquium Trinkwasserspeicherung in der Praxis - März 2023 41 Überarbeitung der Instandsetzungsverfahren und -prinzipien: Was ändert sich künftig im „Arbeitsblatt DVGW W 300-3“? Abb. 8: Verfahren A1.3, Betonersatz bei d a,min ≤ 0 mm 4. Zusammenfassung Im zukünftigen DVGW-Arbeitsblatt W 300-3 werden sich signifikante Änderungen in Bezug auf die Auskleidungsprinzipien bei der Instandsetzung von Trinkwasserbehältern ergeben. Geplant ist, dass die „Auskleidungsprinzipien“ durch „Instandsetzungsprinzipien“ ersetzt werden, da nicht nur Prinzipien für die Instandsetzung der Oberfläche, sondern auch Prinzipien für die Instandsetzung bei unzureichendem Alkalitätspuffer oder bereits vorhandener Bewehrungskorrosion beschrieben werden. Die Prinzipien sollen zukünftig wie folgt unterteilt werden: • Verbesserung der Oberfläche • Erhalt der Passivität und Verbesserung der Oberfläche • Wiederherstellung und Erhalt der Passivität und Verbesserung der Oberfläche Bei der Wiederherstellung der Passivität der Bewehrung ist zusätzlich zu unterscheiden, ob eine Bewehrungskorrosion stattgefunden hat oder nicht. Sowohl Schäden am Beton als auch an der Bewehrung werden berücksichtigt. Folgende Randbedingungen sollen bei der Instandsetzung somit behandelt bzw. abgedeckt werden: • Ausreichende Verbundwirkung des Bewehrungsstahls (Standsicherheit) • Ausreichender Korrosionsschutz des Bewehrungsstahls (Erhalt und Wiederherstellung der Passivität) • Ausreichend dichte Betonrandzone (Bewertung, ob eine geschädigte Betonrandzone vorliegt) Die vorgenannten Prinzipien können mit verschiedenen Verfahren umgesetzt werden. Dazu zählen die Verfahren A2, A1.1, A1.2 und A1.3, welche die zementgebundenen Systeme berücksichtigen. Unter B werden weiterhin die organischen bzw. polymeren im Verbund zum Untergrund befindlichen Systeme definiert. Das Verfahren C steht wie bisher auch schon für Dichtungsbahnen, Plattensysteme oder nichtrostenden Stahl ohne Verbund zum Untergrund. Die Prinzipien, Verfahren und Anwendungsgrenzen sind in Tabelle 1 dargestellt. Tabelle 1: Übersicht der Instandsetzungsprinzipien und Verfahren inkl. Anwendungsgrenzen Prinzip Voraussetzungen Verfahren Anwendungsgrenzen Alkalitätsgrenze d a [mm] Betondeckung c min [mm] Verbesserung der Oberfläche ausreichende Betondeckung ausreichender Alkalitätspuffer geschädigte Betonrandzone 1) A2 ≥ 10 ≥ 20 B ≥ 5 ≥ 10 und ≥ d Stahl C ≥ 15 ≥ 30 Erhalt der Passivität und Verbesserung der Oberfläche keine ausreichende Betondeckung ausreichender Alkalitätspuffer geschädigte Betonrandzone 1) A1.1 ≥ 5 ≥ 20 A1.1+A2 ≥ 20 (A1.1+) B ≥ 10 und ≥ d Stahl A1.1+C ≥ 30 Wiederherstellung und Erhalt der Passivität und Verbesserung der Oberfläche keine ausreichende Betondeckung kein ausreichender Alkalitätspuffer geschädigte Betonrandzone 1) A1.2 > 0 ≥ 20 A1.2+A2 ≥ 20 A1.2+B ≥ 10 und ≥ d Stahl A1.2+C ≥ 30 Wiederherstellung der Passivität und Verbesserung der Oberfläche keine ausreichende Betondeckung kein ausreichender Alkalitätspuffer Bewehrungskorrosion möglich geschädigte Betonrandzone 1) A1.3 ≤ 0 ≥ 20 A1.3+A2 ≥ 20 A1.3+B ≥ 10 und ≥ d Stahl A1.3+C ≥ 30 1) Alkalitätsabfall und/ oder visuelle Auffälligkeiten der Oberfläche 42 7. Kolloquium Trinkwasserspeicherung in der Praxis - März 2023 Überarbeitung der Instandsetzungsverfahren und -prinzipien: Was ändert sich künftig im „Arbeitsblatt DVGW W 300-3“? Literatur [1] DVGW W 300-1: 2014-10 Trinkwasserbehälter - Teil 1: Planung und Bau [2] DVGW W 300-2: 2014-10 Trinkwasserbehälter - Teil 2: Betrieb und Instandhaltung [3] DVGW W 300-3: 2014-10 Trinkwasserbehälter - Teil 3: Instandsetzung und Verbesserung [4] DVGW W 300-4: 2014-10 Trinkwasserbehälter - Teil 4: Werkstoffe, Auskleidungs- und Beschichtungssysteme - Grundsätze und Qualitätssicherung auf der Baustelle [5] DVGW W 300-5: 2020-08 Trinkwasserbehälter - Teil 5: Bewertung der Verwendbarkeit von Bauprodukten für Auskleidungs- und Beschichtungssysteme [6] DVGW W 300-6: 2016-09 Trinkwasserbehälter - Planung, Bau, Betrieb und Instandhaltung von System- und Fertigteilbehältern [7] DVGW W 300-7: 2016-09 Trinkwasserbehälter - Teil 7: Praxishinweise Reinigungs- und Desinfektionskonzept [8] DVGW W 300-8: 2016-10 Trinkwasserbehälter - Praxishinweise Hygienekonzept: Neubau und Instandsetzung [9] DAfStb-Richtlinie - Schutz und Instandsetzung von Betonbauteilen (Instandsetzungs-Richtlinie) - Teil 1: Allgemeine Regelungen und Planungsgrundsätze; Teil 2: Bauprodukte und Anwendung; Teil 3: Anforderungen an die Betriebe und Überwachung der Ausführung; Teil 4: Prüfverfahren, Ausgabe Oktober 2001 [10] Schulte Holthausen, R.; Merkel, M.; Raupach, M.; Breit, W.: Auslaugung und Realkalisierung von mineralischen Beschichtungen in Trinkwasserbehältern, in: energie | wasser-praxis 67 (2016), Nr. 12, S. 90-94 [11] Breit, W.; Merkel, M.: Dauerhaftigkeit von Trinkwasserbehälterbeschichtungen - Realkalisierungspotential auf dem Prüfstand, in: 5. Kolloquium - Betonbauwerke in der Trinkwasserspeicherung, Tagungshandbuch 2018, S. 41-47 [12] Merkel, M.; Breit, W.; Schulte Holthausen, R.; Raupach, M.: Realkalisierungspotenzial von Trinkwasserbehälterbeschichtungen, in: Beton- und Stahlbetonbau 114 (2019), Heft 12, S. 919-928 [13] Breit, W.; Merkel, M.; Raupach, M.; Schulte Holthausen, R.: Korrosionsschutz durch mineralische Beschichtungen unter Berücksichtigung der Anforderungen aus dem neuen DVGW-Arbeitsblatt W 300: 2014, Abschlussbericht DVGW-Förderkennzeichen W-5-01-14 und W 201835, DVGW Deutscher Verein des Gas- und Wasserfaches e. V. (Hrsg.), März 2020 [14] Schulte Holthausen, R.; Raupach, M.; Merkel, M.; Breit, W.: Auslaugungswiderstand von Betonoberflächen in Trinkwasserbehältern, in: Bautechnik 97 (2020), Nr. 6, S. 367-452 [15] Schulte Holthausen, R.; Raupach, M.; Merkel, M.; Breit, W.: Zerstörungsfreie Bestimmung der Auslaugung von Beton mittels einseitiger Wasserstoff- Kernspinresonanz, in: Bautechnik 97 (2020), Nr. 10, S. 679-748 [16] Merkel, M.: Realkalisierungspotenzial von zementgebundenen Werkstoffen im Trinkwasserbereich, Dissertation, Technische Universität Kaiserslautern, 2021 [17] Merkel, M.; Breit, W.: Realkalisierungsvermögen und Beständigkeit von mineralischen Beschichtungen, in: Tagungsband zum 6. Kolloquium Trinkwasserspeicherung in der Praxis am 14. und 15. September 2021, S. 65-78 [18] Merkel, M.; Breit, W.: Mineralische Beschichtungen auf dem Prüfstand - Beständigkeit und Realkalisierungspotenzial von Instandsetzungsmörteln im Trinkwasserbereich, in: Bauforschung - Wissenschaft zur Anwendung, Festschrift zum 60. Geburtstag von Michael Raupach, ibac 2022, ISBN 978-3-95886-426-9, S. 102-129 [19] Deutsches Institut für Bautechnik (DIBt), Technische Regel - Instandhaltung von Betonbauwerken (TR Instandhaltung), 2020-05 [20] Deutscher Beton- und Bautechnik Verein E.V., DBV-Merkblatt Betondeckung und Bewehrung: 2015-12 Betondeckung und Bewehrung - Sicherung der Betondeckung beim Entwerfen, Herstellen und Einbauen der Bewehrung sowie des Betons nach Eurocode 2 [21] Hunkeler, F.; von Greve-Dierfeld, S.: Karbonatisierung von Beton und Korrosionsgeschwindigkeit der Bewehrung im karbonatisierten Beton, Foschungsprojekt AGB 2013/ 005 auf Antrag der Arbeitsgruppe Brückenforschung (AGB), Eidgenössisches Departement für Umwelt, Verkehr, Energie und Kommunikation UVEK, April 2019 [22] Hunkeler, F.: Grundlagen der Korrosion und der Potentialmessung bei Stahlbetonbauwerken, Eidg. Verkehrs- und Energiewirtschaftsdepartement, Bundesamt für Strassen, FA 86/ 90, Bericht VSS Nr. 510, Mai 1994 [23] Hunkeler, F.: Einfluss der Betonqualität auf den Chlorid- und Karbonatisierungswiderstand, Veranstaltung TFB 974761/ 62 „Dauerhafte Betonbauwerke - unser Ziel“, 18.02.1998 und 13.05.1998
