8. Kolloquium Trinkwasserspeicherung in der Praxis - September 2025 103 Lebensdauerabschätzung mineralischer Beschichtungen in Trinkwasserbehältern anhand des Einflusses durchgeführter Reinigungszyklen Anja Tusch, M. Eng. Rheinland-Pfälzische Technische Universität Kaiserslautern-Landau, Kaiserslautern Univ.-Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Breit Rheinland-Pfälzische Technische Universität Kaiserslautern-Landau, Kaiserslautern Zusammenfassung Die in Trinkwasserbehältern eingesetzten Beschichtungen gelten in der Regel als beständig gegenüber Wasser. Trotzdem ist der Werkstoff nicht völlig inert und tritt mit dem Wasser in Wechselwirkung. Da es sich dabei jedoch um äußerst komplexe Vorgänge mit vielen Einflussfaktoren handelt, gibt es bisher keine zuverlässigen Verfahren und Modelle, die eine reelle Lebensdauerabschätzung zulassen. Ein Einflussfaktor, der oft gar nicht berücksichtigt wird, ist die regelmäßig durchgeführte Reinigung der Behälter, bei der häufig chemische Reinigungsmittel zur Anwendung kommen. Im Rahmen eines DVGW geförderten Projekts wurde der Einfluss der Reinigung auf die Mörtelstruktur untersucht. Es hat sich gezeigt, dass es zu Wechselwirkungen kommt, die einen merklichen Materialabtrag zur Folge haben können. Unter Berücksichtigung eines maximal tolerierbaren Materialabtrags über die Nutzungsspanne eines Trinkwasserbehälters, kann durch Hochrechnung des jährlich durch Reinigung abgetragenen Beschichtungsmaterials die Lebensdauer des Werkstoffs reell abgeschätzt werden. 1. Einführung In Trinkwasserbehältern werden i. d. R. mineralische Beschichtungen für wasserberührte Bereiche eingesetzt, da sie über die Jahre eine gute Dauerhaftigkeit in dieser anspruchsvollen Umgebung bewiesen haben. Trotzdem sind auch diese Beschichtungen nicht völlig inert und treten mit dem sie umgebenden Medium in Wechselwirkung. Die dabei ablaufenden Reaktionen sind sehr komplex, unterliegen vielen äußeren Einflüssen und sind bis heute nicht eindeutig aufgeklärt, bzw. lassen sich nur schwer vorhersagen. Dies erschwert eine Prognose hinsichtlich der Lebensdauer im Anwendungsfall. Trinkwasserbehälter in Betonbauweise werden in der Regel entsprechend Eurocode [1] auf eine Betriebsdauer von etwa 50 Jahren ausgelegt. In der Realität werden jedoch auch immer wieder vor Ablauf dieser Zeitspanne Schäden an den wasserberührten Oberflächen bzw. Beschichtungsmaterialien festgestellt, die einer Instandsetzung bedürfen. Bisher soll die Dauerhaftigkeit durch ein deskriptives Konzept sichergestellt werden, welches die zu verwendenden Materialien, die Verarbeitung und daraus resultierende Eigenschaften hinsichtlich der Dichtheit und Oberflächenbeschaffenheit vorgibt. Basis hierfür sind zum einen DIN EN 1508 [2] und zum anderen insbesondere die DVGW-Arbeitsblätter W 300 [3]-[7], in denen die Vorgaben und Anforderungen verankert sind. Nachteil derartiger eher konservativer Konzepte ist der Ausschluss neuer Materialentwicklungen und Verfahren, da dies in den gültigen Regelwerken nicht berücksichtigt wird. Abhilfe könnte ein performancebasiertes Konzept schaffen, bei dem anhand eines Prüfverfahrens und/ oder Prognosemodells die Dauerhaftigkeit eines Werkstoffs bestimmt wird. In Ermangelung geeigneter Prüfverfahren gibt es bisher kein Prognosemodell, mit dem sich die Dauerhaftigkeit mineralischer Beschichtungen in Kontakt mit Trinkwasser prognostizieren lässt. Die Genauigkeit solcher Prognosen hängt sowohl von der Anzahl der eingehenden Einflussfaktoren als auch von der Qualität der zugrunde liegenden Daten ab. Je mehr Einflussfaktoren berücksichtigt werden, desto genauer wird die Prognose, desto anspruchsvoller wird allerdings auch die Ermittlung der nötigen Eingangsparameter. Wichtig ist es hierbei die Balance zwischen einem möglichst ingenieurmäßigen Modellansatz und einer hinreichend realitätsnahen Prognose zu finden. Dazu müssen zunächst die Haupteinflussfaktoren qualifiziert werden, um dann entsprechende Untersuchungsverfahren und Prognosemodelle zu entwickeln. Im Rahmen des DVGW-Forschungsvorhabens „Entwicklung eines Prüfverfahrens für die Bewertung der Hydrolysebeständigkeit und der Dauerhaftigkeit mineralischer Beschichtungen in Kontakt mit Trinkwasser“ [8] wurden unter anderem verschiedene Einflussfaktoren auf die Dauerhaftigkeit mineralischer Beschichtungen untersucht. Dabei hat sich gezeigt, dass ein nicht zu unterschätzender Faktor die Reinigung der Trinkwasserbehälter ist, die häufig in jährlichem Rhythmus durchgeführt wird. Ziel dieser Reinigung ist die Entfernung von Verunreinigungen und Ablagerungen, die die Wasserqualität negativ beeinflussen könnten. Um die zum Teil hartnäckigen Ablagerungen zu lösen, werden häufig auch spezielle Reinigungsmittel eingesetzt. Nachteil hierbei ist jedoch, 104 8. Kolloquium Trinkwasserspeicherung in der Praxis - September 2025 Lebensdauerabschätzung mineralischer Beschichtungen in Trinkwasserbehältern anhand des Einflusses durchgeführter Reinigungszyklen dass diese Reinigungsmittel nicht allein die Ablagerungen angreifen, sondern auch mit der mineralischen Beschichtung selbst in Wechselwirkung treten. Dies kann zu unerwünschten Nebenreaktionen mit dem Material und auf Dauer zu Schäden führen. In diesem Beitrag wird ein Prognosemodell vorgestellt, dass auf der Annahme basiert, dass diese jährliche Reinigung der Haupteinflussfaktor für die Dauerhaftigkeit mineralischer Beschichtungen in Trinkwasserbehältern ist. 2. Grundlagen Mineralische bzw. zementgebundene Beschichtungen sind normalerweise sehr beständig gegenüber einem Kontakt mit Wasser. Sie sind jedoch nicht völlig inert und treten mit dem Wasser in Wechselwirkung. Im Regelfall bildet sich im Kontakt mit Trinkwasser an der Oberfläche eine Calciumcarbonatschicht, die wie eine natürliche Schutzschicht wirkt und weitere Reaktionen hemmt. In besonderen Fällen, wie beispielsweise bei sehr weichem Wasser kann der Kontakt allerdings auch zu einem lösenden Angriff und Korrosionserscheinungen an der Beschichtung führen. Weiterhin kann ein lösender Angriff auch durch andere flüssige Medien wie Säuren oder Salzlösungen ausgelöst werden. Bei der heterogenen Reaktion an der Phasengrenze zwischen flüssigem Medium und Beschichtung wird in erster Linie der Zementstein angegriffen. Es handelt sich hierbei um ein komplexes Gleichgewicht von Fällungs- und Lösungsreaktionen. Da Zementstein aus einer Vielzahl unterschiedlicher Zementsteinphasen mit unterschiedlichen Eigenschaften besteht, verläuft der Zersetzungsvorgang inkongruent. Die Löslichkeit der einzelnen Zementsteinphasen hängt dabei auch stark vom pH-Wert ab. Allgemein folgt der lösende Angriff am Zementstein folgendem Schema [9]-[11]: • Neutralisation der Alkalihydroxide in der Porenlösung • Auflösung des Portlandits ab einem pH-Wert von ca. 12,5 • Hydrolyse der Aluminathydrate ab einem pH-Wert unterhalb von 11,8 • Hydrolyse der Afm- und Aft-Phasen unterhalb eines pH-Werts von 11,6 • Hydrolyse der CSH-Phasen Bei der Reaktion von zementgebundenen Werkstoffen mit Wasser unterscheidet man in der Regel drei Fälle, die in Abb. 1 dargestellt sind [12]. Beim Angriff durch weiche bzw. ionenarme Wässer (a) kommt es zu einer flächigen Auslaugung der oberflächennahen Schichten. Treibende Kraft ist hier in erster Linie das Konzentrationsgefälle zwischen der hochkonzentrierten Porenlösung und dem ionenarmen Wasser. Im Bestreben, dieses auszugleichen, werden die Alkalihydroxidionen aus der Porenlösung ausgespült, was zu einer Absenkung des pH-Werts führt. Infolgedessen gehen Calciumionen aus dem Feststoff in Lösung [13]. Bei der Reaktion mit kohlensaurem Wasser (b) dringen zusätzlich die H 3 O + -Ionen in die Poren ein und neutralisieren die Alkalihydroxide, was ebenfalls zu einer Absenkung des pH-Wertes führt und die Lösung von Calciumionen aus dem Werkstoff zur Folge hat. Auch dieser Angriff führt zu flächigen Schäden, bei denen die Zersetzung des Materials jedoch schneller fortschreitet als im Fall (a). Beim Fall (c) der hydrolytischen Korrosion treten hingegen eher lokal begrenzte Schäden auf. Verursacht werden sie durch Wasser, das sich im Kalk-Kohlensäure-Gleichgewicht befindet. Normalerweise bildet sich hier eine Calciumcarbonatschicht aus, die als natürliche Schutzschicht dient, da sie die Transportprozesse verlangsamt bzw. hemmt. Durch die gleichzeitige Absenkung des pH-Wertes in der oberflächennahen Schicht kann es jedoch trotzdem zu lokalen Schadstellen kommen [12]. Abb. 1: Wirkung unterschiedlicher Wässer auf zementgebundene Werkstoffe [12] 8. Kolloquium Trinkwasserspeicherung in der Praxis - September 2025 105 Lebensdauerabschätzung mineralischer Beschichtungen in Trinkwasserbehältern anhand des Einflusses durchgeführter Reinigungszyklen Beim Kontakt mit Säure kommt es ebenfalls zu einem lösenden Angriff, der prinzipiell mit dem lösenden Angriff durch Wasser zu vergleichen ist [14]. Auch hier wird nach und nach Calcium aus dem Werkstoffgefüge gelöst. Basis hierfür sind neben dem Konzentrationsgefälle auch Säure-Base-Reaktionen. Mit steigenden H 3 O + -Konzentrationen aus der Säure nimmt die schädigende Wirkung zu. Darüber hinaus können beim Säureangriff auch die enthaltenen Säureanionen eine Reaktion mit dem Zementstein eingehen, was entweder einen beschleunigenden oder aber hemmenden Effekt auf die Gesamtreaktion haben kann [9]. Durch das inkongruente Lösungsverhalten kommt es zu einer Zonierung des Werkstoffs. Es entsteht eine Reaktionsschicht, die im zeitlichen Verlauf weiter ins Werkstoffinnere vordringt. Daraus ergibt sich auch aus kinetischer Sicht ein charakteristischer Verlauf für den lösenden Angriff am Beton. Wie in Abb. 2 dargestellt, gliedert sich der lösende Angriff in drei wesentliche Stadien auf. Im ersten Stadium verläuft der Prozess reaktionskontrolliert, während er im zweiten Stadium in einen transportkontrollierten Prozess übergeht. Grund hierfür ist das Anwachsen der Reaktionsschicht, was den Transportweg der Reaktanden zum Reaktionsort verlängert und so zu einer Verlangsamung führt. Die Reaktionsgeschwindigkeit geht von einem Zeit-proportionalen Verlauf in einen Wurzel-Zeit-Verlauf über. Erst wenn die Reaktionsschicht eine gewisse Dicke erreicht hat, stellt sich wieder ein proportional zur Zeit verlaufender Prozess ein. Die Reaktionsschicht wird dann in gleichem Maße abgetragen, wie sie weiter ins Werkstoffinnere vordringt. Abb. 2: Korrosionsstadien beim lösenden Betonangriff (Darstellung nicht maßstabsgetreu), in Anlehnung an Gerlach & Lohaus (2016a) [9] Die Verweildauer von Wasser in Trinkwasserbehältern ist deutlich höher als im Rohrnetz und kann zur Sedimentation von Wasserinhaltsstoffen, Ausfällungen und Verkeimung führen. Aus diesem Grund ist eine regelmäßige Kontrolle durchzuführen, an die sich eine Reinigung der Behälter anschließt. Bei der Reinigung sollen Verunreinigungen und Ablagerungen, die die Trinkwasserqualität negativ beeinflussen könnten, entfernt werden. Die Reinigung kann sowohl mit als auch ohne Anwendung chemischer Reinigungsmittel erfolgen, wobei der Einsatz chemischer Reinigungsmittel nach Möglichkeit zu vermeiden ist. Bei den chemischen Reinigungsmitteln unterscheidet man im Wesentlichen zwischen sauren Reinigungsmitteln und pH-neutralen Reinigungsmitteln [15]. Die sauren Reinigungsmittel basieren meist auf einer oder mehreren anorganischen Säuren wie Salz- oder Phosphorsäure [12]. Auch organische Säuren wie Glycolsäure können enthalten sein. Meist handelt es sich um ein Gemisch verschiedener Säuren. Ziel ist es Mangan-, Kalk- oder Eisenablagerungen zu entfernen. Dem reinigenden Effekt liegt das Prinzip der Säure-Base-Reaktion zugrunde, welches auch beim Angriff von sauren Lösungen am Zementstein zum Tragen kommt [12]. In neutralen Reinigungsmitteln werden dagegen Reduktionsmittel wie Natriumdithionit eingesetzt [15]. Mit Hilfe dieser Reduktionsmittel sollen Ablagerungen und Verschmutzungen in besser lösliche Verbindungen überführt werden, um sie so zu entfernen. Die pH-Neutralität dieser Reinigungsmittel gilt als Vorteil, da sie gegenüber mineralischen Beschichtungen als weniger angreifend angesehen werden. Doch sowohl 106 8. Kolloquium Trinkwasserspeicherung in der Praxis - September 2025 Lebensdauerabschätzung mineralischer Beschichtungen in Trinkwasserbehältern anhand des Einflusses durchgeführter Reinigungszyklen neutrale als auch saure Reiniger wirken nicht selektiv und können deshalb auch mit den Phasen des Zementsteins Reaktionen eingehen und so Schäden hervorrufen. 3. Untersuchungen In den hier vorgestellten Versuchen sollten die Wechselwirkungen von mineralischen Beschichtungen mit chemischen Reinigungsmitteln untersucht werden, um deren Einfluss auf die Dauerhaftigkeit mineralischer Beschichtungen genauer bestimmen zu können. In der ersten Versuchsreihe wurde eine jährliche Reinigung eines Trinkwasserbehälters mit chemischen Reinigern nachgestellt, um die direkten Auswirkungen dieser Reinigungen zu ermitteln. In der zweiten Versuchsreihe wurde der zeitliche Verlauf von eines Säureangriffs auf die Beschichtungen untersucht. Anhand von CT-Aufnahmen konnten dabei die Veränderungen in den oberflächennahen Bereichen der Mörtel zerstörungsfrei erfasst werden. 3.1 Untersuchung des Einflusses einer jährlichen Reinigung auf Trinkwassermörtel a) Durchführung Im Rahmen der durchgeführten Untersuchungen wurde eine jährliche Reinigung von Trinkwasserbehältern in einem beschleunigten Versuch nachgestellt. Dazu wurden Proben von mineralischen Beschichtungen mit handelsüblichen Reinigern behandelt. Insgesamt wurde der Einfluss von zwei unterschiedlichen Reinigern auf vier Trinkwassermörtel untersucht. In Tab. 1 ist eine Übersicht der verwendeten Materialien gegeben. Tab. 1: Verwendete Materialien Verwendete Mörtel nach DVGW W 300-4 und -5 B1 Typ 1 Mörtel B2 Typ 1 Mörtel B3 Typ 1 Mörtel B4 Typ 2 Mörtel Verwendete Reiniger R1 pH-neutraler Reiniger auf Basis von Natriumdithionit; der Reiniger kam als Lösung im Verhältnis 1: 50 (Reiniger: Wasser) zum Einsatz R2 Saurer Reiniger auf Basis eines Säuregemischs (Salzsäure, Phosphorsäure, Glycolsäure); der Reiniger kam als Lösung im Verhältnis 1: 5 (Reiniger: Wasser) zum Einsatz Im Rahmen der Untersuchungen wurden Betonprobekörper (Substrat) mit den Maßen 10-x-10-x-4-cm 3 eingesetzt und auf der Oberseite mit den Trinkwassermörteln beschichtet. Dazu wurde die Oberfläche zunächst angerauht und dann der jeweilige Mörtel entsprechend den Herstellervorgaben aufgebracht. Die Schichtdicke betrug einheitlich 20-mm. Anhand von Porositätsmessungen mittel Quecksilberdruckporosimetrie [16] wurde sichergestellt, dass auch die Anforderungen an die Gesamtporosität von maximal 12-% für Beschichtungen des Typs 1 und 2 nach DVGW Arbeitsblatt W 300-5 erfüllt wurden. Um den Einfluss der Reinigungsmittel auf die Trinkwassermörtel zu untersuchen wurden die Probekörper im Anschluss 50 Reinigungszyklen mit den jeweiligen Reinigern unterzogen. Dazu wurden mithilfe eines Niederdruck-Sprühgeräts die Reinigerlösung auf den Probekörpern aufgetragen und 30-Minuten einwirken gelassen. Im Anschluss wurden die Probekörper mit reichlich Wasser abgespült, um den Reiniger restlos zu entfernen. Zwischen den Reinigungszyklen wurden die Probekörper für mehrere Stunden unter Wasser gelagert. Im Abstand von jeweils fünf Reinigungszyklen erfolgte eine Massenbestimmung der Probekörper und mittels Digitalmikroskop wurden Detailaufnahmen der Oberfläche angefertigt. Ziel der Untersuchungen war es, Veränderung im Werkstoff durch die Einwirkung des Reinigungsmittels zu erfassen. b) Auswertung In Abb. 3 sind die Ergebnisse der Massenänderung in Abhängigkeit von der Anzahl der Reinigungszyklen und dem verwendeten Reiniger dargestellt. Bei allen Proben kam es zu einer Massenabnahme über die Zeit. Wie zu erwarten, fiel diese bei Reinigung mit einem sauren Reiniger deutlich höher aus als bei dem neutralen Reiniger, der weniger stark angreifend wirken soll. Während der Massenverlust durch den Einsatz des sauren Reinigers je nach Beschichtung bei 4-10-g lag, führte der Einsatz des neutralen Reinigers lediglich zu Massenverlusten von 1-2-g. Die geringste Massenänderung weist in beiden Fällen Mörtel B4 auf. Hierbei handelt es sich um einen Typ 2 Mörtel. Die anderen drei Mörtel vom Typ 1 liegen jeweils sehr nah beieinander. Bei beiden Reinigern verlief der Massenabtrag nahezu linear, wobei die Steigung der Geraden beim neutralen Reiniger wesentlich flacher ist als beim sauren Reiniger. 8. Kolloquium Trinkwasserspeicherung in der Praxis - September 2025 107 Lebensdauerabschätzung mineralischer Beschichtungen in Trinkwasserbehältern anhand des Einflusses durchgeführter Reinigungszyklen Abb. 3: Gemittelter Massenverlust der Beschichtungen in Abhängigkeit vom verwendeten Reinigungsmittel und der Anzahl der Reinigungszyklen Der durch die Reinigungsmittel hervorgerufene Materialabtrag zeigt sich auch sehr eindrücklich in den mikroskopischen Aufnahmen. In Abb. 4 sind Aufnahmen der Mörteloberflächen im Ursprungszustand und nach 50 Reinigungszyklen in Abhängigkeit vom verwendeten Reiniger abgebildet. Darauf ist zu erkennen, dass die Oberflächen aller Mörtel nach 50 Reinigungszyklen mit dem sauren Reiniger deutliche Angriffsspuren zeigen. Die oberste Zementleimschicht ist nahezu komplett abgetragen und die obere Schicht der eingebundenen Gesteinskörnung ist weitgehend freigelegt. Gesteinskörner mit kleinem Durchmesser sind in diesem Stadium nicht mehr fest in der Zementsteinmatrix verankert und können herausbrechen. Zusätzlich wird durch die Freilegung der Gesteinskörnung die Oberfläche signifikant rauer, was Ablagerungen begünstigen kann. Bei der Reinigung mit dem neutralen Reiniger wurden hingegen nur die Kornspitzen freigelegt und die Körner blieben fest eingebunden. Beim Typ 2-Mörtel (B4) bleibt die deckende Zementleimschicht sogar weitgehend komplett erhalten. Lediglich einzelne Kornspitzen werden freigelegt. Daran erkennt man auch sehr deutlich die unterschiedliche Beständigkeit einzelner Instandsetzungsmörtel gegenüber den Reinigungsmitteln. Die beste Beständigkeit zeigte dabei der Typ 2-Mörtel (B4), gefolgt vom Typ 1-Mörtel (B3). Es zeigte sich nicht nur der Einfluss auf die Dauerhaftigkeit der Materialien, sondern dass schon wenige Reinigungen sich deutlich sichtbar auf die Werkstoffoberfläche auswirken können. In Abb. 5 ist die Veränderung der Mörteloberfläche in Abhängigkeit vom verwendeten Reiniger und der Anzahl der Reinigungszyklen dargestellt. Bereits nach fünf Zyklen werden sichtbare Veränderungen festgestellt. Abb. 4: Oberflächenbeschaffenheit der untersuchten Mörtel im Ursprungszustand und nach 50 Reinigungszyklen mit neutralem Reiniger (1) und saurem Reiniger (2); Vergrößerung: 20x Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass die beschriebenen Veränderungen deutlich bei Verwendung des sauren Reinigers hervortreten. Die deckende Zementleimschicht wurde bereits teilweise abgetragen und eingebundene Gesteinskörnung freigelegt. Bei der Beurteilung der Ergebnisse ist zu berücksichtigen, dass die Ruhezeiten zwischen den Reinigungen relativ kurz ge- 108 8. Kolloquium Trinkwasserspeicherung in der Praxis - September 2025 Lebensdauerabschätzung mineralischer Beschichtungen in Trinkwasserbehältern anhand des Einflusses durchgeführter Reinigungszyklen wählt waren und deshalb nicht ganz der Realität entsprechen. Im Normalfall finden diese Reinigungen maximal einmal im Jahr statt. In der Zwischenzeit kann sich eine Carbonatschicht an der Werkstoffoberfläche bilden, die bis zu einem gewissen Punkt als Schutzschicht fungieren kann. Allerdings wurde in Untersuchungen nachgewiesen, dass die Carbonatbildung sehr schnell einsetzt und sich innerhalb von wenigen Stunden Carbonatschichten auf den Oberflächen mit Wasserkontakt bilden [17]. Darüber hinaus ist davon auszugehen, dass es bei der Reinigung aufgrund der Größe der Behälter und den nötigen Arbeitsabläufen auch zu längeren Einwirkzeiten der Reiniger kommen kann, was dann wiederum zu einem stärkeren Angriff führt. Abb. 5: Optische Veränderung des untersuchten Mörtels B1 in Abhängigkeit vom verwendeten Reiniger und der Anzahl der Reinigungszyklen; Vergrößerung 20x 3.2 Untersuchung des Einflusses von Säure auf die oberflächennahen Strukturen von Trinkwassermörteln a) Versuchsdurchführung Im Rahmen der hier dargestellten Untersuchungen wurden die bereits in der vorherigen Versuchsreihe verwendeten Trinkwassermörtel gezielt einer sauren Lösung ausgesetzt und mittels Computertomografie untersucht. Ziel war es, nicht nur die oberflächlichen Veränderungen, sondern auch die möglichen Veränderungen in der tieferliegenden Struktur zu erfassen, um so genauere Erkenntnisse über den schädigenden Angriff zu erhalten. Es wurden Prismen mit den Maßen 1-x-1-x-4-cm 3 eingesetzt, was die Durchführung hochaufgelöster CT-Scans erlaubt. Die Proben wurden über einen Zeitraum von 28 Tagen der sauren Lösung ausgesetzt und in definierten Zeitabständen gescannt und gewogen. Als Prüflösung wurde eine Essigsäure/ Natriumacetat-Lösung mit einem pH- Wert von 5 verwendet. Um möglichen Materialverlust durch mechanische Einwirkung zu vermeiden, wurden die Proben vor den Untersuchungen lediglich vorsichtig mit Leitungswasser abgespült. Parallel wurde eine weitere Reihe Proben in demineralisiertem Wasser gelagert und nach dem gleichen Prüfmuster untersucht b) Auswertung Die Massenbestimmung über die Zeit zeigte für alle Proben eine deutlich messbare Gewichtsabnahme. Bei den in saurer Lösung gelagerten Proben war der Massenverlust erwartungsgemäß jedoch deutlich höher als bei den Proben, die in demineralisiertem Wasser gelagert wurden. In Abb. 6 sind die Massenabtragsraten für die untersuchten Mörtel in Abhängigkeit vom Prüfmedium dargestellt. Die in demineralisiertem Wasser gelagerten Proben wiesen sehr geringe Abtragsraten auf, die sich nach etwa sieben Tagen auf einem konstanten Niveau einpendelten. Die in Essigsäure/ Natriumacetat-Lösung gelagerten Proben wiesen hingegen zu Beginn sehr hohe Massenabtragsraten auf, die dann über den gesamten Prüfzeitraum kontinuierlich wieder abnahmen. Grund hierfür ist das Wandern der Reaktionsfront ins Innere des Probekörpers und die Ausbildung einer Reaktionsschicht, die den Reaktionsfortschritt verlangsamt. Abb. 6: Massenabtragsraten der untersuchten Trinkwassermörtel in Abhängigkeit vom Prüfmedium 8. Kolloquium Trinkwasserspeicherung in der Praxis - September 2025 109 Lebensdauerabschätzung mineralischer Beschichtungen in Trinkwasserbehältern anhand des Einflusses durchgeführter Reinigungszyklen Abb. 7: Darstellung des chemischen Angriffs im zeitlichen Verlauf anhand von Volumenmodellen und Schnittbildern aus dem Probenquerschnitt von Mörtel B4 Abb. 8: Entwicklung der Reaktionsschicht beim chemischen Angriff über die Zeit anhand von CT-Schichtaufnahmen aus 50 µm und 500-µm Tiefe des Mörtels B4 Die Entwicklung der Reaktionsschicht lässt sich gut anhand der durchgeführten CT-Aufnahmen abbilden. Abb.- 7 zeigt Volumenmodelle und Schichtaufnahmen aus dem Querschnitt von Probe B4 im zeitlichen Verlauf. Während die Probe zu Beginn eine einheitlich dichte Struktur aufweist, zeigen sich bereits nach sieben Tagen deutliche Veränderungen im Randbereich. Zu erkennen ist dies durch das deutliche Hervortreten der Gesteinskörnung. Die Zementsteinmatrix hat an Dichte verloren und erscheint im Bild deshalb deutlich dunkler als zuvor. Nach 28 Tagen hat die Dicke der Reaktionsschicht deutlich zugenommen. Äußerlich sieht man zwar, dass die Gesteinskörnung freigelegt wird, jedoch hat der Umfang bzw. das Volumen der Proben nicht in dem Maße abgenommen wie die Masse. Dies liegt daran, dass der Zementstein nicht gleichmäßig zersetzt wird, da zunächst der Portlandit in Lösung geht, während die anderen Zementsteinphasen deutlich stabiler sind und erst später angegriffen werden. Dadurch ergibt sich die in den CT- Aufnahmen deutlich zu erkennende Reaktionsschicht. In diesen Bereichen haben bereits Lösungsvorgänge stattgefunden, was zu einer Verringerung der Dichte führt. 110 8. Kolloquium Trinkwasserspeicherung in der Praxis - September 2025 Lebensdauerabschätzung mineralischer Beschichtungen in Trinkwasserbehältern anhand des Einflusses durchgeführter Reinigungszyklen Das Grundgerüst bleibt jedoch zunächst erhalten. Durch die Auslaugung entstehen allerdings Risse in der Reaktionsschicht, die sich in den Schichtaufnahmen in Abb. 8 deutlich erkennen lassen. In der Abbildung ist der Verlauf des chemischen Angriffs anhand von Schichtaufnahmen in zwei Tiefenstufen (50-µm und 500-µm) dargestellt. Der Fortschritt der Reaktionsfront lässt sich gut erkennen. In den Aufnahmen zeigen sich in etwa 50-µm Tiefe bereits nach sieben Tagen deutliche Veränderungen im Zementstein. Die Dichte ist im Vergleich zum Ursprungszustand verringert und es sind Risse in der Struktur zu erkennen. Nach 28 Tagen haben die Risse sich verbreitert und die Poren scheinen vergrößert. In 500-µm Tiefe sieht man nach sieben Tagen ebenfalls erste Veränderungen in der Dichte der Zementsteinmatrix, jedoch in geringerem Ausmaß. Nach 28 Tagen zeigt sich auch hier eine offensichtliche Verringerung der Dichte und Risse in der Matrix. Die Proben der Beschichtungen B2 und B3 zeigen ein ähnliches Verhalten. Auch hier kommt es unter Einwirkung der Essigsäure/ Natriumacetat-Lösung zur Bildung einer ausgeprägten Reaktionsschicht. Diese Schicht ist nicht mehr mechanisch stabil und wird unter mechanischer Einwirkung teilweise abgetragen 4. Modell zur Lebensdauerabschätzung Trinkwasserbehälter sollen über viele Jahre möglichst ohne Sanierungsmaßnahmen genutzt werden. Dazu ist es wichtig dauerhafte Materialien einzusetzen. Bisher gibt es jedoch keine geeigneten Verfahren, die eine zuverlässige Dauerhaftigkeitsprognose mineralischer Beschichtungen in Kontakt mit Trinkwasser zulassen. Aufgrund der langen Zeitspannen ist eine Echtzeitmessung nicht möglich. Es wurden daher verschiedene Verfahren für eine beschleunigte Prüfung entwickelt. Untersuchungen haben gezeigt, dass sich der chemische Angriff mit sauren Lösungen effektiv beschleunigen lässt, ohne den Reaktionsmechanismus dabei stark zu verändern [9]. Die Verfahren ermöglichen in erster Linie einen Vergleich unterschiedlicher Beschichtungen untereinander. Setzt man diese Daten jedoch zur Prognose der Dauerhaftigkeit über lange Zeitspannen ein, führt dies in der Regel zu einer Unterschätzung der Dauerhaftigkeit und zu kurzen Lebensdauerspannen [9]. Im Rahmen der hier dargestellten Untersuchungen wurde vor allem der Einfluss der chemischen Reinigung auf die Dauerhaftigkeit der Trinkwasserbehälter untersucht. Auf der Grundlage der Untersuchungsergebnisse sollte ein Prognosemodell auf Basis des durch die Reinigung verursachten Materialabtrags entwickelt werden, das im Folgenden vorgestellt wird. Dabei wird davon ausgegangen, dass während des Betriebs des Trinkwasserbehälters kein relevanter Abtrag von Material entsteht. Vielmehr bildet sich, wie unter anderem bei [10] und [17] gezeigt, eine Carbonatschicht. Das gebildete Calciumcarbonat kristallisiert aus der Lösung aus und lagert sich sowohl an der Oberfläche als auch in den Porenräumen ab. Unterhalb der Carbonatschicht kann sich eine an Calcium verarmte Reaktionsschicht ausbilden. In Abb. 9 ist das Szenario schematisch dargestellt. Abb. 9: Schematische Darstellung zur Bildung der Calciumcarbonatschicht während der Betriebszeit des Trinkwasserbehälters Boos [10] hat im Rahmen seiner Untersuchungen ermittelt, wie viel Carbonat sich in wassergelagerten Mörtelproben über einen Zeitraum von einem Jahr gebildet hat. Aus den erhaltenen Daten und der Dichte des Materials ließen sich theoretische Carbonatschichtdicken von bis zu 90-µm berechnen, wenn man davon ausgeht, dass die Bildung gleichmäßig und lediglich an der Oberfläche der Proben erfolgt. Berücksichtigt man, dass auch innerhalb der Poren Calciumcarbonat gebildet wird, muss dieser Wert nach unten korrigiert werden. Geht man davon aus, dass diese Schicht bei der jährlichen Reinigung abgetragen wird, liegt die Oberfläche wieder für einen chemischen Angriff frei. Zusätzlich kann Material aus der nicht mehr stabilen Reaktionsschicht abgetragen werden. Daraus können Materialabträge von schätzungsweise 40-50-µm resultieren. Um mit den Daten eine Prognose abgeben zu können, muss außerdem eine maximale Abtragstiefe definiert werden. Beschichtungsmörtel in Trinkwasserbehältern enthalten in der Regel Gesteinskörnung mit einem maximalen Korndurchmesser von 2-4-mm. Beginnt diese Gesteinskörnung auszubrechen, ist von einem erfassbaren Schaden auszugehen. Um einen Ausbruch zu verhindern, muss die Gesteinskörnung mindestens zur Hälfte in der Matrix eingebunden bleiben. Der Abtrag sollte daher nicht mehr als 1-mm betragen. Zusammen mit diesem Kriterium ergeben sich aus dem oben abgeschätzten Abtrag Lebensdauern von 20 bis 25 Jahren, was einer realitätsnahen Nutzungsdauer bis zur Instandsetzung eines Trinkwasserbehälters entspricht. Aus den erhaltenen Versuchsdaten lassen sich die in Tab.-2 dargestellten Abtragstiefen je Reinigung ermitteln. Die Werte liegen deutlich unter den oben angenommenen Werten. Trotzdem ergeben sich über einen Zeitraum von 25 Jahren daraus deutlich erkennbare Materialabträge. Insbesondere die Prognosewerte für die Anwendung des sauren Reinigers legen nahe, dass es hier ggf. zu sichtbaren Schäden kommen kann. 8. Kolloquium Trinkwasserspeicherung in der Praxis - September 2025 111 Lebensdauerabschätzung mineralischer Beschichtungen in Trinkwasserbehältern anhand des Einflusses durchgeführter Reinigungszyklen Tab. 2: Mittlerer Materialabtrag pro Reinigung in Abhängigkeit von Material und Reinigungsmittel Reiniger Probe Mittlere Abtragstiefe pro Reinigung [µm] Prognostizierter Abtrag über 25 Jahre [µm] R1 B1 (Typ 1) 2,4 60 B2 (Typ 1) 1,8 44 B3 (Typ 1) 2,3 57 B4 (Typ 2) 0,9 24 R2 B1 (Typ 1) 10,0 250 B2 (Typ 1) 8,0 200 B3 (Typ 1) 7,3 182 B4 (Typ 2) 5,2 130 5. Fazit Im Rahmen der hier dargestellten Untersuchungen hat sich gezeigt, dass die Reinigung von Trinkwasserbehältern ein nicht zu vernachlässigender Einflussfaktor für die Dauerhaftigkeit mineralischer Beschichtungen für die Anwendung in Trinkwasserbehältern darstellt. Insbesondere chemische Reinigungsmittel können den zementgebundenen Werkstoff angreifen und zu einem ungewollten Materialabtrag führen. Saure Reiniger haben dabei ein größeres Angriffspotenzial als neutrale Reiniger auf Basis von Reduktionsmitteln. Durch den Angriff von Säuren bildet sich eine Reaktionsschicht, die an Calcium verarmt ist und eine geringere mechanische Festigkeit aufweist. Diese Schicht ist von außen nur bedingt zu erkennen, da das Volumen zwar erhalten bleibt, die Dichte jedoch abnimmt und sich Risse innerhalb der Zementsteinmatrix bilden. Wie die CT-Daten gezeigt haben, kann diese Schicht innerhalb relativ kurzer Zeit deutlich in die Tiefe des Materials vordringen. Bildet sich über die Betriebszeit eine Carbonatschicht an der Materialoberfläche, wirkt diese wie ein natürlicher Schutzschild, der weiteren Angriff verhindert oder zumindest verlangsamt. Durch die Reinigung wird diese Schutzschicht jedoch ebenfalls angegriffen und abgetragen. Danach sind die Oberflächen wieder für Angriffe durch flüssige Medien freigelegt und reaktionsbereit. Geht man davon aus, dass die Reinigung der Haupteinflussfaktor für die Dauerhaftigkeit von mineralischen Beschichtungen ist, lässt sich daraus ein einfaches Modell zur Lebensdauerprognose ableiten, da durch die Reinigung der Hauptmaterialabtrag generiert wird. Dieser lässt sich durch Versuche simulieren und hochrechnen. Die hier dargestellten Berechnungen haben gezeigt, dass sich dadurch realitätsnahe Lebensdauern ergeben. Um die Prognose jedoch weiter präzisieren zu können, sollten weitere Untersuchungen hinsichtlich der Carbonatschichtbildung und der Bildung der Reaktionsschicht im Zusammenspiel mit dem Einfluss der Reinigungsmittel durchgeführt werden. 6. Literatur [1] Deutsches Institut für Normung e. V.: DIN EN 1990: 2021-10 - Eurocode: Grundlagen der Tragwerksplanung; Deutsche Fassung EN 1990: 2002 + A1: 2005 + A1: 2005/ AC: 2010. Berlin: Beuth Verlag GmbH (Oktober 2021). [2] Deutsches Institut für Normung e. V.: DIN EN 1508: 1998-12, Wasserversorgung - Anforderungen an Systeme und Bestandteile der Wasserspeicherung; Deutsche Fassung EN_1508: 1998. Berlin: Beuth Verlag GmbH, 11.06.2021 (Dezember 1998). [3] DVGW Deutscher Verein des Gas- und Wasserfaches e. V.: DVGW W 300-1 (A) - Trinkwasserbehälter; Teil 1: Planung und Konstruktion. Bonn: Wirtschafts- und Verlagsges. Gas u. Wasser mbH (November 2024). [4] DVGW Deutscher Verein des Gas- und Wasserfaches e. V.: DVGW W 300-2 (A) - Trinkwasserbehälter; Teil 2: Betrieb, Wartung und Inspektion. Bonn: Wirtschafts- und Verlagsges. Gas u. Wasser mbH (Mai 2025). [5] DVGW Deutscher Verein des Gas- und Wasserfaches e. V.: DVGW W 300-3 (A) - Trinkwasserbehälter - Teil 3: Instandsetzung und Verbesserung. Bonn: Wirtschafts- und Verlagsges. Gas u. Wasser mbH (November 2024). [6] DVGW Deutscher Verein des Gas- und Wasserfaches e. V.: DVGW W 300-4 (A) - Trinkwasserbehälter; Teil 4: Werkstoffe, Auskleidungs- und Beschichtungssysteme - Grundsätze und Qualitätssicherung auf der Baustelle. Bonn: Wirtschafts- und Verlagsges. Gas u. Wasser mbH (Oktober 2014). [7] DVGW Deutscher Verein des Gas- und Wasserfaches e. V.: DVGW W 300-5 (A) - Trinkwasserbehälter; Teil 5: Bewertung der Verwendbarkeit von Bauprodukten für Auskleidungs- und Beschichtungssysteme. Bonn: Wirtschafts- und Verlagsges. Gas u. Wasser mbH (August 2020). [8] Breit, W., Tusch, A., Raupach, M., Glawe, C.: Abschlussbericht W 202005 2024-06 - Entwicklung eines Prüfverfahrens für die Bewertung der Hydrolysebeständigkeit und der Dauerhaftigkeit mineralischer Beschichtungen in Kontakt mit Trinkwasser Juni 2024. [9] Gerlach, J.: Ein performance-basiertes Konzept zur Dauerhaftigkeitsbemessung chemisch beanspruchter Betonbauteile. Dissertation 2017. [10] Boos, P.: Herstellung dauerhafter zementgebundener Oberflächen im Trinkwasserbereich - Korrosionsanalyse und technische Grundanforderungen. Zugl.: Münster, Univ., Diss., 2002. Düsseldorf: Verl. Bau und Technik 2003. [11] Boos, P. ; Breit, W.: Hydrolysebeständigkeit und Dauerhaftigkeitsprognosen für zement-gebundene Auskleidungen in Trinkwasserbehältern. In: Betonbauwerke in der Trinkwasserspeicherung, 1. Kolloquium TAEsslingen, März 9-10, 2010, (Breitbach, M. (Ed.)), S. 39-45 112 8. Kolloquium Trinkwasserspeicherung in der Praxis - September 2025 Lebensdauerabschätzung mineralischer Beschichtungen in Trinkwasserbehältern anhand des Einflusses durchgeführter Reinigungszyklen [12] Schäufele, I., Schwotzer, M., Gerdes, A.: Einfluss von Reinigungsmitteln auf Werkstoffverhalten zementgebundener Beschichtungen von Trinkwasserbehältern. GWF Wasser Abwasser (2008). [13] Schulte Holthausen, R., Raupach, M., Merkel, M., Breit, W.: Auslaugungswiderstand von Betonoberflächen in Trinkwasserbehältern. Bautechnik 97 (2020), S. 368-376. [14] Alexander, M., Bertron, A., Belie, N. de (Hg.): Performance of Cement-Based Materials in Aggressive Aqueous Environments. State-of-the-Art Report, RILEM TC 211 - PAE. Dordrecht: Springer 2013. [15] Mösslein, G., Grunig, H.-J.: Desinfektion und Reinigung von Behältern und Anlagen unter Berücksichtigung von „Merkblatt DVGW W 300-7“. In: Breitbach, M. (Hg.): 7. Kolloquium Trinkwasserspeicherung in der Praxis. Fachtagung über Planung, Bau, Instandhaltung, Instandsetzung und Betrieb von Trinkwasserbehältern : Tagungshandbuch 2023. Tübingen, Ostfildern: expert; TAE. [16] ISO 15901-1: 2016-04 Bewertung der Porengrößenverteilung und Porosität von Feststoffen mittels Quecksilberporosimetrie und Gasadsorption - Teil 1: Quecksilberporosimetrie [17] Schwotzer, M.: Zur Wechselwirkung zementgebundener Werkstoffe mit Wässern unterschiedlicher Zusammensetzung am Beispiel von Trinkwasserbehälterbeschichtungen. Dissertation. Karlsruhe 2008.