Kolloquium Trinkwasserspeicherung in der Praxis
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expert verlag Tübingen
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Materialkorrosion, Auslaugkinetik und Alterung von zementgebundenen Beschichtungen unter Beanspruchungsbedingungen der Expositionsklasse XTWB
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Wolfram Kämpfer
Michael Berndt
Um eine ausreichende Beständigkeit und Dauerhaftigkeit sicher zu stellen, müssen mineralische Beschichtungen in Anlagen der Trinkwasserspeicherung ausreichend widerstandsfähig gegenüber chemischen und physikalischen Einflüssen sein. Die möglichen Einwirkungen werden in den Arbeitsblättern DVGW W 300 beschrieben. Daraus ergeben sich grundlegende Anforderungen an die Zusammensetzung, die mechanischen Eigenschaften, die Verbundfestigkeiten, die Betondeckung, die Mindestschichtdicken, die Oberflächenbeschaffenheit und die Dichtigkeit der mineralischen Beschichtungen. Die entsprechenden Nachweise sind im Rahmen von Erstprüfungen durch den Materialhersteller sowie durch Kontrollprüfungen im Rahmen der Eigenüberwachung durch die ausführende Firma zu erbringen.
Die Sicherstellung der Dauerhaftigkeit von zementgebundenen Beschichtungen erfolgt derzeit ausschließlich deskriptiv auf der Basis des gültigen Vorschriftenwerkes DVGW W 300. Dieses deskriptiv-basierte Nachweiskonzept stößt jedoch an Grenzen, wenn durch den Einsatz neuer Bindemittel, insbesondere von neuartigen Kompositzementen mit mehreren Hauptbestandteilen der normativ abgesicherte Erfahrungsbereich verlassen wird. Für die Dauerhaftigkeitsbemessung chemisch-abrasiv beanspruchter Betonbauteile wurden in den letzten Jahren eine Reihe performance-basierter Konzepte entwickelt, mit denen unter Berücksichtigung praxisbezogen ablaufender Schädigungsprozesse und der zu erwartenden Einwirkungen eine quantitative Dauerhaftigkeitsbemessung ermöglicht wird.
Unter bestimmten Betriebsbedingungen kann bei weichen und mineralstoffarmen Wässern, bei weitgehend salzfreien, mineralsauren oder kohlensäurehaltigen Wässern, bei kritischen Mischwässern, und Wässern außerhalb des Kalk-Kohlensäure-Gleichgewichtes (KKG) die Dauerhaftigkeit von mineralischen Beschichtungen in trinkwassertechnischen Anlagen stark beeinträchtigt werden. Dabei führen Diffusions-, Hydrolyse- und Auslaugprozesse zu einem raschen Abbau von Alkalihydroxid, gefolgt von der Zersetzung von Portlandit und Abbau des Alkalitätsdepots, mittelfristig zur Hydrolyse/ Zersetzung von Aluminathydraten und Ettringit und langfristig zu einer weitgehenden Entfestigung der Mörtelstruktur infolge Decalcinierung und Hydrolyse der CSH-Phasen. Damit verbunden ist in der Regel eine sukzessive Aufweichung/ Entfestigung der oberflächennahen Randschichten.
Der Verlauf dieser Auslaugkinetik lässt sich mit einem Diffusions-Abtragungs-Modell beschreiben und entspricht weitergehend einem zunächst diffusionskontrollierten Prozess mit √t-Verlauf und nachfolgend bei gleichbleibender Deckschicht ohne relevanten abrasiven Materialabtrag einem linearen Verlauf. Mit Erreichen dieses weitegehend linearen Schädigungsverlaufes ist eine rechnerische Abschätzung der verbleibenden Restnutzungsdauer möglich. Vorgestellt wird ein Modell zur performance-basierten Dauerhaftigkeitsbemessung zur Bestimmung von zeitveränderlichen Schädigungstiefen für unterschiedliche Angriffsszenarien.
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7. Kolloquium Trinkwasserspeicherung in der Praxis - März 2023 97 Materialkorrosion, Auslaugkinetik und Alterung von zementgebundenen Beschichtungen unter Beanspruchungsbedingungen der Expositionsklasse X TWB Dr.-Ing. Wolfram Kämpfer Materialforschungs- und -prüfanstalt an der Bauhaus-Universität Weimar (MFPA) Michael Berndt Materialforschungs- und -prüfanstalt an der Bauhaus-Universität Weimar (MFPA) Zusammenfassung Um eine ausreichende Beständigkeit und Dauerhaftigkeit sicher zu stellen, müssen mineralische Beschichtungen in Anlagen der Trinkwasserspeicherung ausreichend widerstandsfähig gegenüber chemischen und physikalischen Einflüssen sein. Die möglichen Einwirkungen werden in den Arbeitsblättern DVGW W 300 beschrieben. Daraus ergeben sich grundlegende Anforderungen an die Zusammensetzung, die mechanischen Eigenschaften, die Verbundfestigkeiten, die Betondeckung, die Mindestschichtdicken, die Oberflächenbeschaffenheit und die Dichtigkeit der mineralischen Beschichtungen. Die entsprechenden Nachweise sind im Rahmen von Erstprüfungen durch den Materialhersteller sowie durch Kontrollprüfungen im Rahmen der Eigenüberwachung durch die ausführende Firma zu erbringen. Die Sicherstellung der Dauerhaftigkeit von zementgebundenen Beschichtungen erfolgt derzeit ausschließlich deskriptiv auf der Basis des gültigen Vorschriftenwerkes DVGW W 300. Dieses deskriptiv-basierte Nachweiskonzept stößt jedoch an Grenzen, wenn durch den Einsatz neuer Bindemittel, insbesondere von neuartigen Kompositzementen mit mehreren Hauptbestandteilen der normativ abgesicherte Erfahrungsbereich verlassen wird. Für die Dauerhaftigkeitsbemessung chemisch-abrasiv beanspruchter Betonbauteile wurden in den letzten Jahren eine Reihe performance-basierter Konzepte entwickelt, mit denen unter Berücksichtigung praxisbezogen ablaufender Schädigungsprozesse und der zu erwartenden Einwirkungen eine quantitative Dauerhaftigkeitsbemessung ermöglicht wird. Unter bestimmten Betriebsbedingungen kann bei weichen und mineralstoffarmen Wässern, bei weitgehend salzfreien, mineralsauren oder kohlensäurehaltigen Wässern, bei kritischen Mischwässern, und Wässern außerhalb des Kalk-Kohlensäure-Gleichgewichtes (KKG) die Dauerhaftigkeit von mineralischen Beschichtungen in trinkwassertechnischen Anlagen stark beeinträchtigt werden. Dabei führen Diffusions-, Hydrolyse- und Auslaugprozesse zu einem raschen Abbau von Alkalihydroxid, gefolgt von der Zersetzung von Portlandit und Abbau des Alkalitätsdepots, mittelfristig zur Hydrolyse/ Zersetzung von Aluminathydraten und Ettringit und langfristig zu einer weitgehenden Entfestigung der Mörtelstruktur infolge Decalcinierung und Hydrolyse der CSH-Phasen. Damit verbunden ist in der Regel eine sukzessive Aufweichung/ Entfestigung der oberflächennahen Randschichten. Der Verlauf dieser Auslaugkinetik lässt sich mit einem Diffusions-Abtragungs-Modell beschreiben und entspricht weitergehend einem zunächst diffusionskontrollierten Prozess mit √t-Verlauf und nachfolgend bei gleichbleibender Deckschicht ohne relevanten abrasiven Materialabtrag einem linearen Verlauf. Mit Erreichen dieses weitegehend linearen Schädigungsverlaufes ist eine rechnerische Abschätzung der verbleibenden Restnutzungsdauer möglich. Vorgestellt wird ein Modell zur performance-basierten Dauerhaftigkeitsbemessung zur Bestimmung von zeitveränderlichen Schädigungstiefen für unterschiedliche Angriffsszenarien. 1. Performance-basierte Bemessungskonzepte für die Dauerhaftigkeitsbemessung zementgebundener Beschichtungen in trinkwassertechnischen Anlagen In trinkwassertechnischen Anlagen kann es sowohl auf der Rohwasserseite als auch im Prozess der Trinkwasserauf bereitung sowie auf der Reinwasserseite zu einem chemisch-abrasiven Angriff auf mineralische Beschichtungen kommen. Die Sicherstellung der Dauerhaftigkeit exponierter Bauteiloberflächen erfolgt derzeit nach den gültigen Vorschriften der Arbeitsblätter DVGW W 300. Auf der Basis von Erfahrungswerten und standardisierten Angriffsbedingungen werden für praxiserprobte mineralische Beschichtungen Mindestanforderungen an die Zusammensetzung, an die Herstellung, den Einbau und die Nachbehandlung der Beschichtungen gestellt. Entsprechend der Anforderungen an mineralische Beschichtungen für die Expositionsklasse X TWB gemäß Arbeitsblatt DVGW W 300-4 (A) ist der Nachweis der Gebrauchstauglichkeit entsprechend vorgegebener Identitäts- und Leistungsanforderungen sowohl in der Erstprüfung durch den Materialhersteller als auch im Rahmen der Eigenüberwachung (Kontrollprüfungen) durch das ausführende Instandsetzungsunternehmen zu führen (Mindestschichtdicke, Druck-/ Biegefestigkeit, Haftzugfestigkeit, Dichtigkeit). 98 7. Kolloquium Trinkwasserspeicherung in der Praxis - März 2023 Materialkorrosion, Auslaugkinetik u. Alterung v. zementgebundenen Beschichtungen unter Beanspruchungsbedingungen d. Expositionsklasse X TWB Bild 1: Angriffsgrade und Grenzwerte für betonangreifende Stoffe nach DIN 1045-2/ DIN EN 206-1 in Verbindung mit DIN 4030 Dieses Konzept stößt jedoch dann an seine Grenzen, wenn durch den Einsatz neuer Instandsetzungsmaterialien und Instandsetzungsverfahren der derzeit gesicherte Erfahrungsbereich verlassen wird oder die in den trinkwassertechnischen Anlagen vorherrschenden Umgebungsbedingungen von den standardisierten Angriffs- und Randbedingungen abweichen. [Gerlach.; 2017] Als Beispiele hierfür gelten die in der Zementindustrie derzeit ablaufenden Transformationsprozesse, die zur Entwicklung stark klinkerreduzierter Bindemittel als Mehrkomponentensysteme sowie alternativer mineralischer Bindemittel zwingen. Dadurch wird sich mittelfristig die Breite der angebotenen Kompositzemente mit stark anwendungsfokussierten Eigenschaften deutlich erhöhen. Aus materialtechnischer Sicht kann von einem gesicherten Erfahrungsbereich für die Expositionsklasse X TWB ausgegangen werden. Verschiedene Beispiele zeigen jedoch, dass die chemisch-abrasiven Angriffsbedingungen von mineralsauren, kalklösenden, chlorid- und sulfathaltigen Wässern, kritischen Mischwässern und/ oder weichen Wässern in trinkwassertechnischen Anlagen außerhalb des Erfahrungsbereiches für die Expositionsklasse X TWB liegen können. Für die Anwendung von zementgebundenen Instandsetzungsmörteln außerhalb des für die Expositionsklasse X TWB geltenden Erfahrungsbereiches sind normativ geforderte zusätzliche Schutzmaßnahmen erforderlich. Verschiedene Anwendungsbeispiele haben gezeigt, dass auch bei erhöhten chemisch-abrasiven Expositionen eine ausreichende Gebrauchtauglichkeit zementgebundener Instandsetzungsmörtel vorliegen kann. Diese Anwendungsmöglichkeiten werden durch die deskriptiven Regelungen nach DVGW W 300 nicht berücksichtigt. Bild 2: Prüf- und Bewertungsverfahren für Mörtel/ Betone bei chemischem Angriff Um die Dauerhaftigkeit von zementgebundenen Instandsetzungsmörteln unter chemisch-abrasiven Angriffsszenarien nachzuweisen, sind performance-basierte Konzepte zur Dauerhaftigkeitsbemessung erforderlich. Diese Konzepte sollen die Möglichkeit schaffen, den materialtechnischen Fortschritt im Bereich der durch Hydrolyse/ Auslaugung beanspruchten Bauteiloberflächen in der Praxis besser nutzbar zu machen. 2. Chemischer Angriff auf zementgebundene Beschichtungen in trinkwassertechnischen Anlagen Unter einem chemischen Angriff auf zementgebundene Beschichtungen ist die Wechselwirkung zwischen dem Beschichtungsmörtel und dem umgebenden Medium zu verstehen. Wenn auch die Vielzahl der ablaufenden chemischen und physikalischen Prozesse hierbei sehr vielschichtig und komplex ist, lassen sich zwei unterschiedliche Wechselwirkungen zwischen angreifendem Medium und der Zementsteinmatrix unterscheiden. Bei der hydrolytischen Korrosion/ Auslaugung laufen folgende grundlegende Schadensmechanismen zeitlich gestaffelt ab. Zunächst wird Portlandit (Ca(OH) 2 ) kontinuierlich aus der Zementsteinmatrix gelöst. Damit verbunden ist eine Absenkung des Alkalitätsdepots, was langfristig auch zu einer Decalcinierung der festigkeitsbildenden CSH-Phasen führt. [Schwotzer; 2008] 7. Kolloquium Trinkwasserspeicherung in der Praxis - März 2023 99 Materialkorrosion, Auslaugkinetik u. Alterung v. zementgebundenen Beschichtungen unter Beanspruchungsbedingungen d. Expositionsklasse X TWB Bild 3: Chemische Schädigungsprozesse bei hydrolytischer Auslaugung von Zementstein durch mineralsaure Wässer Eine auslaugende Wirkung weisen insbesondere weiche Wässer, wie Regen- und Schmelzwässer und mineralstoffarme Wässer, wie Kondensate auf. Die Korrosion durch Austauschreaktion zwischen Angriffsmedium und Zementstein beruht auf der chemischen Umwandlung einzelner Zementsteinphasen. Die entstehenden Reaktionsprodukte werden in Abhängigkeit von Ihrer Löslichkeit herausgelöst. Diese Form des chemischen Angriffs kommt insbesondere bei mineralsauren Wässern, wie der kalklösenden Kohlensäure in Betracht. 3. Auslaugung durch weiche Wässer Die Gesamthärte des Wassers wird durch die Summe der Gehalte an Erdalkali-Ionen beschrieben und in °dH angegeben. Sehr weiche Wässer, auch als salzarme oder als demineralisierte Wässer bezeichnet, weisen einen Härtegrad zwischen 0 °dH und 4 °dH auf. Im Kontakt mit weichem Wasser kommt es auf Grund des Konzentrationsgefälles gegenüber der Porenlösung im Zementstein zur Diffusion der im Porenwasser gelösten Ionen und damit zur Auslaugung der Feststoffphasen in der unmittelbaren Kontaktzone. Durch die Diffusion von Calciumionen wird Portlandit permanent ausgelaugt, was zu einer deutlichen Abnahme des Ca/ Si-Verhältnis im oberflächennahen Randbereich des Zementsteins führt. Zurück bleibt ein SiO 2 -Gel, welches zwar als Schutzbarriere für die weitere Auslaugung dient aber keinen Beitrag mehr zur mechanischen Stabilität des Zementsteins leistet. [Schwotzer; 2008] Das Ca/ Si-Verhältnis und somit die Stabilität der festigkeitsbildenden CSH-Phasen stehen in einem unmittelbaren funktionellen Zusammenhang mit der Ca-Konzentration, dem Absenken des Alkalitätsdepots sowie der Vergrößerung des Porenraumes. Die Geschwindigkeit der Auslaugung von mineralischen Beschichtungen durch Lösungs-, Transport- und Diffusionsprozesse kann durch die im Bild 4 dargestellten drei Phasen beschrieben werden. Bild 4: Korrosionsstadien der Auslaugung bei lösendem chemischen Angriff durch weiche, kalklösende und mineralsaure Wässer [Gerlach; 2017] Unter Berücksichtigung des Lösungsverhaltens der Zementsteinphasen kann die Kinetik des Auslaugverhaltens bei einer hydrolytischen Korrosion zementgebundener Beschichtungen beschrieben werden. Die Initialphase des Auslaugprozesses wird zunächst durch das oberflächennahe Portlandit (Ca(OH) 2 ) bestimmt. Dieser Prozess läuft als weitgehend lineare Funktion reaktionskontrolliert ab. Es erfolgt der Auf bau einer Schutzschicht aus SiO 2 -Gel. [Gerlach.; 2017] Im weiteren Verlauf der hydrolytischen Korrosion gehen die CASH- und später die CSH-Phasen des Zementsteins in Lösung. Es bildet sich eine SiO2-reiche Schicht an der Grenzfläche zwischen Zementsteinmatrix und dem Auslaugmedium, die einen diffusionskontrollierten Auslaugprozess als √t-Funktion hervorruft. Zu Beginn der Phase 2 ist das Voranschreiten der Korrosionsfront deutlich größer als der lösende Abtrag der SiO 2 -reichen Schicht. In Phase 3 gleichen sich die Geschwindigkeiten des Korrosionsfortschrittes und des Materialabtrages an, die sich ausbildende Schutzschicht bleibt konstant und der Prozess der hydrolytischen Korrosion läuft mit konstanter Geschwindigkeit (diffusionskontrollierter Prozess mit linearem Fortschreiten der Schädigungstiefe). Es kommt zu einer kontinuierlichen Verringerung des Ca/ Si-Verhältnis. Die Dauer der einzelnen Reaktionsstadien werden maßgeblich von der Konzentration des Angriffsmediums, der Löslichkeit der sich bildenden Schutzschicht und von der Zusammensetzung des zementgebundenen Beschichtungsmörtels bestimmt. Grundsätzlich ist jedoch zu beachten, dass die Kinetik des Korrosionsprozesses von weiteren Faktoren abhängig ist. Einen wesentlichen Einfluss üben abrasive Randbedingungen, Temperaturverhältnisse und auch strömungsmechanische Faktoren (dynamische, offene Systeme) aus. [Gerlach.; 2017] 4. Chemischer Angriff durch kalklösende Kohlensäure Im Kontakt mit kohlesäurehaltigen Wässern können aus zementgebundenen Beschichtungsmörteln carbonatische Bestandteile herausgelöst werden. Die Aggressivität derartiger Wässer hängt von den gelösten Alkalien und Erdalkalien, den gelösten Salzen von den Kohlen- 100 7. Kolloquium Trinkwasserspeicherung in der Praxis - März 2023 Materialkorrosion, Auslaugkinetik u. Alterung v. zementgebundenen Beschichtungen unter Beanspruchungsbedingungen d. Expositionsklasse X TWB säurespezies CO 2(aq) , HCO 3- und CO 3 2, die sich in einem chemischen Gleichgewicht befinden, ab. Die Löslichkeit von CO 2 ist stark temperaturabhängig. Bild 5: Temperaturabhängigkeit der Löslichkeit von CO 2 in reinem Wasser bei unterschiedlichen CO 2 -Partialdrücken [Schwotzer; 2008] Bild 6: Anteile der Kohlensäurespezies an der Gesamtkohlensäure in Abhängigkeit vom pH-Wert und dem Sättigungsindex für Calcit [Schwotzer; 2008] Die jeweiligen Anteile der Kohlensäurespezies CO 2(aq) , HCO 3- und CO 3 2 in wässrigen Lösungen werden im Wesentlichen vom pH-Wert der Lösung bestimmt. Bei pH- Werten > 10 liegen überwiegend Carbonationen CO 3 2vor, bei pH-Werten < 6 überwiegend in Wasser gelöstes CO 2 und bei einem pH-Wert von 8,2 liegt ausschließlich Hydrogencarbonat HCO 3vor. Das Wasserbefindet sich hierbei im sogenannten Kalk-Kohlesäure-Gleichgewicht. Das Bild 5 zeigt die Verteilung der Kohlensäurespezies in Abhängigkeit vom pH-Wert. Löst sich CO 2 in Wasser, reagieren ca. 0,7 % mit den Wassermolekülen zu Kohlensäure H 2 CO 3 . Diese Kohlensäure dissoziiert in zwei Stufen unter Bildung sowohl von Hydrogencarbonat (HCO 3- ) als auch von Carbonat (CO 3 2- ). Die Kohlensäure kann in verschiedenen Formen auftreten. [Schuler; 2019] Bild 7: Erscheinungsformen der Kohlensäure in wässrigen Lösungen [Schuler; 2019] Ausschlaggebend für das Reaktionsverhalten bezüglich kalklösender Kohlensäure ist der Sättigungindex (SI) des Wassers bezüglich Calcit. Der Mechanismus des Angriffs kalklösender Kohlensäure kann am Beispiel eines kalklösenden Wassers (SI<0) veranschaulicht werden. Bild 8: Wassereigenschaften in Bezug auf das Kalk- Kohlensäure-Gleichgewicht (KKG) [Schuler; 2019] Auf der wasserberührten Bauteiloberfläche mischt sich dieses Wasser mit der hoch alkalischen Porenlösung des Zementsteins. Durch die pH-Wert-Erhöhung verschiebt sich das Gleichgewicht in Richtung des CO 3 2- . Die Folge ist eine Abnahme des pH-Werts der Porenlösung unter fortschreitender Aufzehrung von Portlandit. Bei weiterer Einwirkung (SI<0) auf die neutralisierte Randzone der mineralischen Beschichtung erfolgt ein Angriff auf alle Zementsteinphasen. Die Zersetzung, die in der Randzone begonnen hat, kann in größere Tiefe voranschreiten. Als Reaktionsprodukt bleibt ein amorphes Silikat-Gel auf der Oberfläche zurück, welches die Korrosionsgeschwindigkeit im weiteren Verlauf reduziert. [Schwotzer; 2008] Eine vereinfachte Bewertung der Betonaggressivität eines Wassers kann aus den beiden in der Trinkwasseranalyse ermittelten Kennwerten pH-Wert und Carbonathärte erfolgen. Da die hydrolytische Auslaugung noch von weiteren Faktoren bestimmt wird, ist hierbei ein Übergangsbereich zwischen aggressiven/ nichtaggressiven Wässern zu berücksichtigen. 7. Kolloquium Trinkwasserspeicherung in der Praxis - März 2023 101 Materialkorrosion, Auslaugkinetik u. Alterung v. zementgebundenen Beschichtungen unter Beanspruchungsbedingungen d. Expositionsklasse X TWB Bild 9: Bewertung der Betonaggressivität eines Wassers aus dem pH-Wert und der Carbonathärte [Peters; 2008] 5. Hydrolytische Korrosion und Auslaugung Die hydrolytische Korrosion tritt dort auf, wo sich zementgebundene Beschichtungen in ständigem Kontakt mit Wasser befinden. Das äußere Erscheinungsbild unterscheidet sich zu den beschriebenen chemischen Angriffsszenarien dadurch, dass es sich hierbei zumeist um bereichsweise auftretende Materialzersetzungen auf den wasserberührten Bauteiloberflächen handelt. Das im Kontakt mit der zementgebundenen Beschichtung stehende Wasser steht im Kalk-Kohlensäure-Gleichgewicht (KKG) und weist einen neutralen pH-Wert auf. Auch hierbei werden, wie bei dem beschriebenen Angriff durch weiche Wässer und kalklösende Kohlensäure zunächst Alkalihydroxide neutralisiert und im weiteren Verlauf Portlandit (Ca(OH 2 )) aus dem Zementstein ausgelaugt. Die damit verbundene Absenkung des Alkalitätsdepots führt zum schrittweisen Abbau festigkeitsbildender CASH- und CSH-Phasen. Eine hydrolytische Korrosion kann durch den anteilmäßigen Zuwachs an Calcit (CaCO 3 ) und an der Veränderung des Ca/ Si-Verhältnis im Tiefenprofil analytisch nachgewiesen werden. Die hydrolytische Korrosion tritt insbesondere dort auf, wo eine unzureichende Dichtigkeit des Zementmörtels (Widerstandsseite) die Diffusions-, Lösungs- und Transportvorgänge des anstehenden Wassers in der oberflächennahen Randzone weitgehend begünstigt (Angriffsseite). 6. Performance-basiertes Konzept zur Dauerhaftigkeitsbemessung von zementgebundenen Beschichtungen bei Auslaugung durch kalklösende Kohlensäure Im Gegensatz zu deskriptiv-erfahrungsbasierten Konzepten zur Dauerhaftigkeitsbemessung beruhen performance-basierte Konzepte sowohl auf laborwie auch auf modellbasierten Ansätzen. Für die Art der Nachweisführung ist bei laborbasierten Ansätzen ein leistungsbezogenes Entwurfsverfahren anzuwenden. Wichtig dabei ist, dass in den entsprechenden Zeitrafferprüfungen die tatsächlichen, in der Praxis auftretenden Verhältnisse wiedergegeben werden. Zielstellung von performance-basierten Zeitraffersimulationen ist die Nachstellung von Echtzeitabläufen bei Beachtung von realen Schädigungsmechanismen. Eine Verschärfung der Einwirkungsseite darf hierbei keinesfalls zu einem grundsätzlich anderen Schadensmechanismus führen. Bild 10: Schematische Darstellung der Schädigungszonen in der oberflächennahen Randzone zementgebundener Beschichtungen bei chemischem Angriff durch kalklösende Kohlensäure Im Rahmen von Industrieaufträgen wurde eine Versuchseinrichtung entwickelt, mit der performance-basierte Zeitrafferuntersuchungen durchgeführt werden können. Zielstellung hierbei ist es, Aussagen zur Nutzungsdauer für neuartige Baustoffzusammensetzungen und für unterschiedlichen Expositionen zu treffen. Bild 11: Einlagerungsbedingungen für die performance-basierten Laborversuche im Vergleich zu den Grenzwerten für Grund- und Trinkwasser Die Einstellung der CO 2 -Konzentration und der Kalklösekapazität erfolgt über den pH-Wert und die Temperatur. Der erforderliche pH-Wert wird in Abhängigkeit von der einzustellenden CO 2 -Konzentration und der Temperatur berechnet. Die pH-Werterfassung wird mittels pH-Elektrode sowie in einer pH-Wertkontrolleinheit mit integrierter Ansteuerung für die CO 2 -Dosierung ausgeführt, die wiederum eine konstante CO 2 -Konzentration und Kalklösekapazität über den gesamten Prüfzeitraum sichert. Die CO 2 -Zufuhr erfolgt über eine Gasleitung, die in einen CO 2 -Diffusionsreaktor/ Flipper mündet, so das CO 2 -Blasen im Bereich der Vorkonditionierung sichtbar nach oben aufsteigen. Ein Wasserwechsel erfolgt mindestens wöchentlich. In Abhängigkeit vom Ergebnis der Bestim- 102 7. Kolloquium Trinkwasserspeicherung in der Praxis - März 2023 Materialkorrosion, Auslaugkinetik u. Alterung v. zementgebundenen Beschichtungen unter Beanspruchungsbedingungen d. Expositionsklasse X TWB mung der Calcitlösekapazität ist ein ggf. kürzerer Wasserwechsel vorzusehen. Ein kontinuierlicher Wasseraustausch wird dadurch gewährleistet, dass Wasser aus der Vorkonditionierung kontinuierlich in den Prüf bereich gepumpt wird. Ein Schlauch zwischen den beiden Kammern (kommunizierende Gefäße) nivelliert den Wasserstand beider Gefäße aus. Eine schematische Darstellung der eingesetzten Prüfeinrichtung zeigt das nachfolgende Bild. Bild 12: Versuchsauf bau für die Simulation der hydrolytischen Auslaugung von mineralischen Beschichtungen bei Angriff kalklösender Kohlensäure Die Mörtelprismen lagern über 6 Monate in den Becken (offenes System/ Durchlaufverfahren), in welche temperiertes Wasser mit einem kalklösenden Kohlensäuregehalt von 50 mg/ l bis maximal 110 mg/ l Wasser eingeleitet wird. Der Anteil an gelösten CO 2 von 110 mg/ l Wasser entspricht bei einem pH-Wert von 6,6 einer Kalklösekapazität von 250 mg/ l CaCO 3 . Als Wasserumlauf wird 5,0 l/ h je Lagerbecken angesetzt, was einem Durchsatz von täglich vier Wasserwechseln entspricht. Um zu gewährleisten, dass die zugeführte Menge an CO 2 dem Soll-Wert abhängig von pH-Wert und Temperatur entspricht, ist es erforderlich, die pH-Sonde regelmäßig zu kalibrieren. Die Kalibrierung erfolgt wöchentlich mit Hilfe einer auf die Einlagerungstemperatur temperierten Kalibrierlösung. Die Calcitlösekapazität wird mit Hilfe eines Schnelltests unter Verwendung von Calciumcarbonat-Pulver und Salzsäure überprüft, um abzuschätzen, wann das Wasser im Behälter gesättigt ist und ein Wasserwechsel erforderlich wird. Zur Abschätzung der Langzeitbeständigkeit von mineralischen Instandsetzungsmörteln werden nachfolgende relevante Parameter und Kennwerte erfasst und ausgewertet: • Masseänderung • Volumenänderung (Geometrieerfassung mittels hochauflösendem 3-D-Laserscanner) • Augenscheinliche Veränderungen (Absanden, Verfärbung, Kantenabstumpfung, Erweichungen) • Biegezug-/ Druckfestigkeit • Dynamischer E-Modul • Schädigungstiefe (Indikatortest an Bruchflächen/ Stereo-Auflichtmikroskopie an Anschliffen) Visuell sichtbare Veränderungen bei den performancebasierten Zeitrafferuntersuchungen beginnen durch das Lösen der Zementschlämme in der äußeren Randzone, danach kommt es zu örtlich begrenzte Absandungen, die im weiteren Verlauf abschnittsweise und dann großflächig erfolgen sowie parallel dazu zum Materialabtrag in den Kantenbereichen mit sich deutlich ausbildenden Kantenabrundungen. Je nach Materialzusammensetzung ist der Schädigungsverlauf an markanten Verfärbungen an der Oberfläche der Prüfkörper sichtbar. Bild 13: Vergleich der Volumina eines Prüfkörpers (zementgebundener Instandsetzungsmörtel nach DVGW W 300-4) nach 28 Tagen, 91 Tagen und 206 Tagen Einlagerung in kalklösender Kohlensäure bei 250 mg CO 2 / l Mit der Geometrieerfassung durch einen hochauflösenden 3-D-Laserscanner ist es möglich, ortsauflösend kleinste Volumenänderungen und Abtragungen zu quantifizieren. Durch fest fixierte Messpunkte auf der Prüfkörperoberfläche kann das Messsystem eine Wiedererkennung der Positionierung vornehmen und so die 3-D-Messungen nach unterschiedlichen Einlagerungszeiten wiederholen. Das Messsystem arbeitet mit einer Auflösegenauigkeit von ± 0,05 mm. Der Nachweis der Schädigungstiefe erfolgt an den Bruchflächen im Prismenquerschnitt der Stirnflächen mittels Stereo-Auflichtmikroskop STEMI 2000. Die 7. Kolloquium Trinkwasserspeicherung in der Praxis - März 2023 103 Materialkorrosion, Auslaugkinetik u. Alterung v. zementgebundenen Beschichtungen unter Beanspruchungsbedingungen d. Expositionsklasse X TWB Bruchflächen werden vor den Untersuchungen mittels Triphenylmethan-Farbstoff besprüht. Es bilden sich scharfe Kanten zwischen ungeschädigtem/ geschädigtem Mörtelgefüge aus. Die Nachweise zu den 3-D-Volumenänderungen mittels 3-D-Laserscanner sowie zur Schädigungstiefe mittels Stereo-Auflichtmikroskopie erfolgen jeweils am Prüfmörtel und zur Validierung/ Vergleichmessung an einem Referenzmörtel nach DIN EN 196-1. 7. Bewertung der Beständigkeit von Instandsetzungsmörteln gegenüber lösendem Angriff Wasserberührte, zementgebundene Mörteloberflächen im Roh- und Reinwasserbereich sowie in einzelnen Verfahrensstufen der Trinkwasserauf bereitung (TWA) unterliegen unterschiedlichen chemisch-abrasiven Beanspruchungen. Die Geschwindigkeit der Schädigung von Oberflächen zementgebundener Beschichtungen hängt stark von der Zusammensetzung des Wassers (Gehalt an Erdalkalien/ Mineralstoffgehalt, Anteil an freier überschüssiger Kohlensäure, Anteil an betonschädigenden Salzen) sowie von den strömungsmechanischen Bedingungen (statische/ dynamische Strömung, laminare/ turbulente Strömung, Feststoffanteil) ab. Relevante Bereiche, in denen es zu einer erhöhten Beanspruchung durch kalklösende Kohlesäure kommen kann, sind die Gewinnung/ Verteilung von Rohwasser, verschiedene Verfahrensstufen in der Trinkwasseraufbereitung sowie die Speicherung/ Verteilung von „kritischen“ Mischwässern im Reinwasserbereich. Weitere chemische Beanspruchungen auf mineralische Beschichtungen gehen von Kondensaten (demineralisierte Wässer) in der Trinkwasserspeicherung aus. Kohlensäure kann chemisch im Wasser in unterschiedlichen Formen vorliegen. Für den chemischen Angriff auf wasserberührte Bauteiloberflächen ist der Gehalt an freier, überschüssiger Kohlensäure entscheidend. Dieser Anteil unterliegt entsprechend der regionalen und geologischen Herkunft sowie den jeweiligen Betriebsbedingungen (Temperatur- und Druckverhältnisse) entsprechenden Schwankungen. Ist das Wasser nicht im Kalk-Kohlensäure-Gleichgewicht (KKG) und ist der pH-Wert kleiner als der Gleichgewichts-pH-Wert, liegt mehr freie Kohlensäure vor als zugehörige Kohlensäure. Diese freie, überschüssige Kohlensäure führt zu einer beschleunigten Auslaugung/ Korrosion der wasserberührten, zementgebundenen Mörteloberflächen. Die deskriptiv-basierten Vorgaben für die Expositionsklasse X TWB nach DVGW W 300 haben dazu geführt, dass mineralische Beschichtungen bei den in der Trinkwasserspeicherung auftretenden Bedingungen im Allgemeinen eine ausreichende Gebrauchstauglichkeit über den geplanten Nutzungszeitraum von 50 Jahren aufweisen. Die Auslaugung/ Korrosion durch mineralstoffarme, kohlendioxidhaltige oder mineralsaure Wässer stellt verglichen mit einem Säureangriff in abwassertechnischen Anlagen einen vergleichsweise schwachen chemischen Angriff dar. Die Auslaugung von zementgebundenen Beschichtungen bei Angriff von weichen, kalklösenden oder mineralsauren Wässern verläuft in den drei, bereits genannten Reaktionsphasen ab, einem zunächst linearen, reaktionskontrollierten Prozess, gefolgt von einem weitgehend diffusionskontrollierten, nichtlinearen Reaktionsablauf mit Ausbildung einer Diffusionsbarriere (SiO2-Gel) und schließlich einem linearen, diffusionskontrollierten Prozess. Die Geschwindigkeit der Auslaugung wird durch die strömungsmechanischen Bedingungen und die mechanische Abrasion wesentlich bestimmt. Wird die sich ausbildende kieselsäurereiche Schutzbarriere nicht abrasiv beansprucht, bleibt die Deckschicht konstant. Der Korrosionsprozess läuft diffusionskontrolliert, der zeitabhängige Schädigungsverlauf kann durch eine Wurzelfunktion abgeschätzt werden. Bild 14: Wirkung abrasiver Beanspruchungen auf die zeitabhängige Abtragstiefe bei lösendem chemischen Angriff [Grube; 1987] Völlig anders verhält es sich jedoch unter abrasiven Bedingungen, wenn die Deckschicht kontinuierlich abgetragen wird. Die Schädigung nimmt linear zu. Eine weitere wesentliche Kenngröße ist die Häufigkeit der abrasiven Beanspruchung, je kürzer die Zeitabstände, desto größer wird die zeitabhängige Materialschädigung. Bei „kritischen“ Wässern kann dieser Auslaug- und Abtragprozess über lange Zeiträume jedoch zu tiefergehenden Schädigungen der mineralischen Beschichtungen führen. Bei Vorliegen entsprechender Expositionen sollte daher die Gebrauchstauglichkeit eines zementgebundenen Instandsetzungsmörtels mittels performance-basierten Bemessungsverfahren nachgewiesen werden. 104 7. Kolloquium Trinkwasserspeicherung in der Praxis - März 2023 Materialkorrosion, Auslaugkinetik u. Alterung v. zementgebundenen Beschichtungen unter Beanspruchungsbedingungen d. Expositionsklasse X TWB Bild 15: Schädigungstiefe im oberflächennahen Randbereich eines zementgebundenen Instandsetzungsmörtels nach DVGW W 300-4 bei Einlagerung in verdünnter Kohlensäure mit einem Anteil an gelöstem CO 2 von 50 mg/ l und 250 mg/ l Die Versuchsanlage zum Nachweis der Gebrauchstauglichkeit (Dauerhaftigkeit) zum zementgebundenen Instandsetzungsmörteln nach DVGW W 300-4 gegenüber weichen, kalklösenden oder mineralsauren Wässern bietet die Möglichkeit, Echtzeitabläufe in Zeitrafferuntersuchungen unter standardisierten Prüf bedingungen nachzustellen. Performance-basierte Prüf- und Bewertungskonzepte ermöglichen die Feststellung eines ausreichenden Widerstandes einer Mörtelzusammensetzung sowohl gegenüber Regelanforderungen als auch bei spezifischen Anwendungsfällen zum Nachweis eines praxisspezifischen Auslaugwiderstandes. Im Ergebnis können Nutzungsdauern unter verschiedenen praxisbezogenen Belastungssituationen für Langzeitbeanspruchungen berechnet werden. Literatur [DBV; 2014] DBV-Merkblatt „Chemischer Angriff auf Betonbauwerke - Bewertung des Angriffsgrades und geeignete Schutzprinzipien“, Deutscher Beton- und Bautechnik-Verein e.V., Berlin Fassung Juli 2014 [DBV; 2017] DBV-Merkblatt „Chemischer Angriff auf Betonbauwerke - Empfehlungen zur Prüfung und Bewertung“, Deutscher Beton- und Bautechnik-Verein e.V., Berlin, Fassung Mai 2017 [Gerlach.; 2017] Gerlach, J. Ein performance-basiertes Konzept zur Dauerhaftigkeitsbemessung chemisch beanspruchter Betonbauteile, Dissertation 2017, Universität Hannover, 190 Seiten [Gerdes; 2003] Gerdes, A., Wittmann, F.H.: Langzeitverhalten von zementgebundenen Beschichtungen in Trinkwasserbehältern, 6 th International Conference on Material Science and restoration - MSR VI 2003, pp. 1 - 14 [Grube; 1987] Grube, H., Rechenberg, W.: Betonabtrag durch chemisch angreifende saure Wässer, beton 37, 1987, Heft 11, pp. 446 - 451 und Heft 12, pp. 495 - 498 [Grube; 1989] Grube, H., Rechenberg, W.: Durability of concrete structures in acid water, Cement and Concerte Research, Vol. 19(1989) No. 5, pp. 763 - 792 [Kämpfer; 2014] Kämpfer, W. Ganassi, C.; Monitoring an zementären Beschichtungen mit hohem Hüttensandgehalt, 3. Kolloquium Betonbauwerke in der Trinkwasserspeicherung, TAE 2014, Tagungsbuch, pp. 153 - 162 [Kämpfer; 2017] Kämpfer, W., Berndt, M.: Zementgebundene Hochleistungsmörtel als anwendungsspezifische Schutzmaßnahme bei stark chemischem Angriff, 5. Kolloquium „Erhaltung von Bauwerken“, Technische Akademie Esslingen 2017 [Kämpfer; 2021] Kämpfer, W., Berndt, M., Schuler, H.: Einfluss kalklösender Kohlensäure auf das Langzeitverhalten von zementgebundenen Beschichtungen in trinkwassertechnischen Anlagen, 6. 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