8. Kolloquium Trinkwasserspeicherung in der Praxis - September 2025 115 Altbetonklassen und Anpassung an den Untergrund - mineralische Ausführungsvarianten Annika Schlombs, M. Sc. w + s bau-instandsetzung gmbh, Fuldabrück Dipl.-Ing. Jacqueline Rassek w + s bau-instandsetzung gmbh, Fuldabrück Zusammenfassung Betonbauwerke der Trinkwasserspeicherung unterliegen einer Vielzahl an beeinflussenden Randbedingungen, die sich auf die Qualität der Konstruktion auswirken. Es bedarf daher einer individuellen Herangehensweise für eine zielgerechte Instandsetzung. Einwirkungen aus der Umgebung, aus dem Untergrund, bei der Herstellung, bei der Nutzung, Umwelteinflüsse und altersbedingte Einflüsse geben dem Planer eine umfangreiche Palette an Parametern, die es vor einer Instandsetzung zu ermitteln und bei der Ausschreibung zu berücksichtigen gilt. Bereits vor über 20 Jahren wurde im Bereich des Wasserbaus der Parameter der Altbetonklassen ins Spiel gebracht. Dieser erlangt mit der Herausgabe der TR Instandhaltung und der Überarbeitung der Regelwerke des DVGW nun ebenfalls einen wichtigen Status im Bereich der Instandsetzung von Bauwerken der Trinkwasserspeicherung. 1. Notwendigkeit der Einführung von Altbetonklassen Bei einem nicht unerheblichen Anteil der Bauwerke der Trinkwasserspeicherung besteht das Instandsetzungsziel vor allem in der Aufrechterhaltung der Dauerhaftigkeit in Kombination mit entsprechenden Hygieneansprüchen. Der Dauerhaftigkeitsanspruch für Tragwerke aus Stahlbeton ist in DIN EN 1992 (EC2) festgelegt. Ein Tragwerk gilt demnach als angemessen dauerhaft, wenn es während der vorgesehenen Restnutzungsdauer seine Tragfähigkeit und Gebrauchstauglichkeit behält, ohne dass die Nutzungsqualität wesentlich beeinträchtigt wird. Dies sollte mit angemessenem Instandhaltungsaufwand möglich sein. Eine Betoninstandsetzung erfolgt in der Regel in mehreren Schritten. Diese Schritte bzw. Ebenen müssen letztlich so aufeinander abgestimmt sein, dass sie zusammen funktionieren und die vorgesehenen Anforderungen in Bezug auf die bereits in der Einleitung genannten Einwirkungen erfüllen. Im Betonersatz auftretende Spannungen müssen sicher in die vorhandene Betonkonstruktion eingeleitet werden. Dies kann zum einen durch Bewehrung und Rückverankerung des Betonersatzes in den Untergrund erfolgen oder aber über den adhäsiven Verbund des Betonersatzes mit dem vorbereiteten Betonuntergrund. Die Rückverankerung stellt den dauerhaften Verbund mechanisch sicher. Der adhäsive Verbund ist eine Folge der chemischen Reaktion des Zements mit dem Wasser im Betonersatz. Eine nur auf Adhäsion beruhende Verbundwirkung des Betonersatzes mit dem Untergrund erfordert eine entsprechende Anpassung der Eigenschaften des aufgebrachten Materials an den Untergrund hinsichtlich des Festigkeits- und Verformungsverhaltens. In der Nutzungsphase des Bauwerkes kann es beim adhäsiven Verbund zu Rissen im Betonersatz bzw. Hohllagen zwischen Betonersatz und Untergrund kommen. Ursächlich hierfür kann eine mangelhafte mechanische Kompatibilität für die flächige Betoninstandsetzung sein. Wichtig ist, dass der flächig aufgetragene Betonersatz die Verformung des Bauteils nicht behindert und keine Eigenspannungen aus Schwinden aufgebaut werden. So kann eine Überlastung der Verbundebene zwischen Betonuntergrund und Betonersatz entstehen. Neben dem Schwinden stehen zudem Aspekte wie Quellen, unterschiedliche thermische Dehnung und unterschiedliche E-Module von Altbeton und Betonersatz im Vordergrund. Die spezifischen Eigenschaften des Betonersatzes, vor allem E-Modul und Druckfestigkeit, müssen auf den Betonuntergrund abgestimmt werden, d. h. sie sollten möglichst ähnlich sein. Im Bereich der Instandsetzung von Trinkwasseranlagen ist die sogenannte „Putzer-Regel“, die besagt, dass das aufgebrachte System nach außen hin weicher werden sollte, nicht zielführend. Aufgrund der Porosität sind Betonersatzsysteme im Trinkwasserbereich in der Regel sehr fest. Zudem sollte die Nacherhärtung des Betonersatzes nicht außer Acht gelassen werden. Dies wird in den Regelwerken bislang nicht berücksichtigt. Hieraus wird klar, dass es einer systematischen Herangehensweise bedarf, die zunächst den Altbetonuntergrund einstuft und die aufzubringenden Materialien und Instandsetzungsprinzipien und -verfahren darauf abstimmt. 2. Herkunft und Anwendung der Altbetonklassifikation in Regelwerken Den vor genannten Vorgaben tragen nationale und europäische Regelwerke Rechnung. Ein nationales Regelwerk, die ZTV-W LB 219, berücksichtigt die Ermittlung und Einteilung in Altbetonklassen bereits seit der Her- 116 8. Kolloquium Trinkwasserspeicherung in der Praxis - September 2025 Altbetonklassen und Anpassung an den Untergrund - mineralische Ausführungsvarianten ausgabe in 2004. Grundlage hierfür stellten umfangreiche Untersuchungsergebnisse an Wasserbauwerken (ab Baujahr 1880) dar, die unterschiedlichste Betoneigenschaften aufwiesen (bezogen auf Druckfestigkeit, Rohdichte, Abreißfestigkeit und Wasseraufnahme). Auf Basis der Ergebnisse wurden für den Betonuntergrund die Altbetonklassen A1 bis A4 definiert. Statt der bislang im Wasserbau vorrangig verwendeten Instandsetzung durch eine im Altbeton rückverankerte, bewehrte Vorsatzschale aus Ort- oder Spritzbeton, sollte für den Anwendungsfall der Aufrechterhaltung der Dauerhaftigkeit eine Lösung gefunden werden, bei dem die Anwendung dünnschichtiger, dem Untergrundbeton in Festigkeits- und Verformungsverhalten angepasster Instandsetzungssysteme zum Einsatz kommt, welche nur durch Adhäsionsverbund am Untergrund haftet. Hierfür hat die BAW zudem das Merkblatt „Spritzmörtel“ herausgegeben, in dem Anforderungen und Grenzwerte an Spritzmörtel/ -betone SA-2 und SA-3 entsprechend der Altbetonklassen gestellt werden. [10] Die Europäische Norm EN 1504 (national: DIN EN 1504) regelt die Betoninstandsetzung auf europäischer Ebene seit 2006 und berücksichtigt seitdem ebenfalls nach Teil-3 eine Klassifizierung von Instandsetzungsmörteln- und betonen bei der Planung und Ausführung in die Klassen R1 bis R4. Von R4 bis R1 nehmen Druckfestigkeit und Elastizitätsmodul des Betonersatzes ab. Seit ihrer Herausgabe im Jahr 2020 werden Altbetonklassen auch in der TR-Instandhaltung berücksichtigt. Gegenüber der ZTV-W LB 219 existieren darin sogar Altbetonklassen A1 bis A5. Von A5 bis A1 sinken die Druckfestigkeit sowie die Abreißfestigkeit des Altbetons. Im DVGW-Merkblatt W300-3 (Ausgabe 11/ 2024) werden die Altbetonklassen bereits berücksichtigt. Das DVGW- Merkblatt W300-4 macht Vorgaben zu Werkstoffen, Auskleidungs- und Beschichtungssystemen, sowie Qualitätssicherung auf der Baustelle bei der Instandsetzung von Trinkwasserbauwerken und ist gerade in der Überarbeitung. Altbetonklassen werden hier künftig auch im normativen Anhang B „Überwachung durch das ausführende Unternehmen“ bedacht. 3. Vorgehen bei der Einstufung in Altbetonklassen Wie die nachfolgende Abbildung 1 aus [4] zeigt, ist die Einstufung in eine Altbetonklasse in der TR-Instandhaltung fester Bestandteil der Vorgehensweise bei der Planung und Ausführung einer Instandsetzungsmaßnahme. Sie wird im Zusammenhang mit den Einwirkungen auf das Bauwerk aus der Umgebung und dem Betonuntergrund im Zuge der Erfassung des Ist-Zustandes ermittelt. Abb. 1: Vorgehensweise bei der Planung und Ausführung am Beispiel einer Instandsetzungsmaßnahme mittels Betonersatz [4] Die Altbetonklasse beschreibt die qualitative Einstufung eines vorhandenen Betonuntergrunds im Hinblick auf: • Druckfestigkeit • Abreißfestigkeit • Dichte • Porosität • Feuchtegehalt • mikrobielle oder chemische Belastungen Besonders essentielle Parameter, die für die Einordnung des Altbetons in eine Altbetonklasse maßgeblich sind, sind die Werte der Druckfestigkeit und der Abreißfestigkeit. 3.1 Ermittlung der Eigenschaften des Altbetons Gegenüber der DAfStb-RL SIB wurde die Klassifizierung der Altbetonklassen in der TR Instandhaltung neu eingeführt. Die wichtigsten Parameter, die für die Einordnung des Altbetons in eine Altbetonklasse maßgeblich sind, werden entsprechend folgender Normen ermittelt: 1. Druckfestigkeit Die Bestimmung erfolgt nach DIN EN 12504-1 Relevant ist der Mittelwert der Druckfestigkeit pro Bauteil. 2. Abreißfestigkeit/ Oberflächenzugfestigkeit Die Bestimmung erfolgt nach DIN EN 1542. Relevant sind der kleinste Einzelwert sowie der Mittelwert pro Bauteil. Zu 1.) Die DVGW W300-3 erläutert zur Ermittlung der Druckfestigkeit im Zuge der Zustandserfassung von Wasserkammern im Anhang A, dass die Druckfestigkeit des Bauwerksbetons, wenn sie nicht bekannt ist, nach DIN EN 13791 an repräsentativen Stellen unter Berücksichtigung der konkreten Situation und ingenieurtechnischer Beurteilung zu bewerten ist. Zudem wird angemerkt, dass die zerstörungsfreie Überprüfung der Druckfestigkeit vor 8. Kolloquium Trinkwasserspeicherung in der Praxis - September 2025 117 Altbetonklassen und Anpassung an den Untergrund - mineralische Ausführungsvarianten Ort mittels Rückprallhammer lediglich zur groben Orientierung dient, da nur die oberflächennahe Druckfestigkeit abgeschätzt werden kann. Über die Druckfestigkeit des Kernbetons lassen sich durch diese Prüfmethode keine Erkenntnisse ableiten. Sie zeigt außerdem auf, dass eine ausgelaugte oder carbonatisierte Oberfläche zu veränderten Druckfestigkeiten führen kann. Hierfür wird auf die Grenzwerte zur Carbonatisierung nach DIN EN 13791 und die Berücksichtigung des Feuchtezustands der oberflächennahen Betonrandzone hingewiesen. Zu 2.) Folgende besondere Auswertungsgrundsätze sind entsprechend DVGW W300-3 bei der Ist-Zustandserfassung bezüglich der Abreißfestigkeit zu beachten: Auch hier wird zunächst auf die Berücksichtigung der konkreten Situation und der ingenieurtechnischen Beurteilung hingewiesen. Als Orientierung kann die Prüfanzahl von mindestens 3 Stellen pro 250 m² Oberfläche je Prüf bereich angewendet werden. Alle konstruktiven Elemente (Sohle, Wand, Decke, Stützen, etc.) sind in Prüfbereiche aufzuteilen und einzeln zu erfassen. Eine Prüfung der tiefengestaffelten Oberflächenzugfestigkeit in der Betonrandzone kann z. B. Aufschluss darüber geben, ob Festigkeitsunterschiede bestehen und minderfeste Schichten bis zu einem ausreichend festen Untergrund abzutragen sind. Sollte ein zementgebundener Mörtel vorliegen und soll dieser planmäßig erhalten bleiben, ist ebenfalls zu überprüfen, ob eine ausreichende Tragfähigkeit des Untergrunds vorliegt (Oberflächenzugfestigkeit des Mörtels und Haftzugfestigkeit zum Beton). Tab. 1: Einordnung des Altbetons im Bereich der Instandsetzungsebene Altbetonklasse Druckfestigkeit in [MPA] 1) Oberflächenzugfestigkeit in [MPA] 2) Mittelwert Kleinster Einzelwert A1 ≤ 10 < 0,8 < 0,5 A2 > 10 ≥ 0,8 ≥ 0,5 A3 > 20 ≥ 1,2 ≥ 0,8 A4 > 30 ≥ 1,5 ≥ 1,0 A5 > 75 ≥ 2,5 ≥ 2,0 1) Mittelwert der Druckfestigkeit (Bestimmung nach DIN EN 12504-1) 2) Kleinster Einzelwert/ Mittelwert (Bestimmung nach DIN EN 1542) Die notwendige materialspezifische Oberflächenzugfestigkeit / Haftzugfestigkeit von Zwischenschichten ist gemäß der Altbetonklassen bis zum Kernbeton zu erfüllen. Falls Festigkeitsschwankungen von Bestandsmaterialien vorliegen, sollte der Prüfumfang erhöht werden. Durch Abtrocknung können Spannungen in den auf dem Kernbeton aufgetragenen Materialien entstehen, die sich negativ auf den Haftverbund auswirken. Bei der Ermittlung der Haftzugfestigkeit von Untergründen kann es daher sinnvoll sein, die Prüfung an entnommenen Bohrkernen im Labor durchzuführen. 3.2 Einordnung des Altbetons in eine Altbetonklasse Die instand zu setzenden Betonbauteile sind aufgrund ihrer zum Zeitpunkt der Instandsetzung vorhandenen Eigenschaften im Hinblick auf die anzuwendenden Instandsetzungsverfahren in Altbetonklassen einzuordnen. Die nachfolgende Tabelle 1 der Altbetonklassen ist sowohl in der TR-Instandhaltung (Teil 1, Tabelle 4) als auch im DVGW W300 (Teil 3, Tabelle 8) zu finden und ist inhaltlich identisch. Die Technische Regel erklärt jedoch zusätzlich, dass die Tabelle keine abschließenden Regelungen zur Altbetonklasse A1 enthält. Maßgeblich für die Zuordnung zu einer Altbetonklasse ist die ungünstigere Untergrundeigenschaft (Druckfestigkeit oder Oberflächenzugfestigkeit). Instand zu setzende Bauteilbereiche mit lokal abweichenden Eigenschaften sind durch geeignete Untersuchungen einzugrenzen. Bei zu erwartendem Betonabtrag erfolgt die Einstufung in eine Altbetonklasse in der Ebene der vorgesehenen Verbundzone. 4. Instandsetzungsprinzipien und -verfahren (nach DVGW W300) in Abhängigkeit der Altbetonklasse Wurde das Betonbauteil systematisch aufgrund der ermittelten Eigenschaften und vorhandenen Schäden und Einwirkungen in die entsprechende Altbetonklasse eingestuft, können die geeigneten Instandsetzungsprinzipien, -verfahren und Materialien unter Berücksichtigung der Altbetonklasse und der spezifischen Anforderungen des Bauwerks festgelegt werden. In Tabelle 9 erläutert das DVGW-Arbeitsblatt W 300-3 die Prinzipien und Verfahren zum Schutz oder zur Instandsetzung von Trinkwasserbehältern in Abhängigkeit der Altbetonklasse als ein Parameter der Anwendungsgrenze. Altbetonklasse A1 wird in diesem Zuge nicht aufgeführt. In der nachfolgenden Abbildung 2 des Arbeitsblattes W300-3 wird dargestellt, welche Möglichkeiten und Notwendigkeiten die ermittelte Altbetonklasse nach sich zieht. 118 8. Kolloquium Trinkwasserspeicherung in der Praxis - September 2025 Altbetonklassen und Anpassung an den Untergrund - mineralische Ausführungsvarianten Abb. 2: Ablaufschema bzw. Hinweise zur Anwendbarkeit der Altbetonklasse nach [5] Bei vorhandener Altbetonklasse A4 oder A5 können die Instandsetzungsverfahren nach DVGW W300-3 ohne zusätzliche Arbeitsschritte angewendet werden. Ein Verbund des Betonersatzes mit dem Untergrund kann allein über Adhäsion erfolgen. Bei Altbetonklasse A2 und A3 sind die Maßnahmen zum Erreichen eines dauerhaften Verbunds zum Untergrund unbedingt vom Fachplaner zu planen. Der Fachplaner muss prüfen, ob ein Haftverbund allein über Adhäsion ausreichend sichergestellt werden kann oder ob beispielsweise eine Verankerung zum Untergrund notwendig ist. Dies wird in der Praxis vor allem bei Altbetonklasse A2 mit einer rückverankerten Spritzbetonschale ausgeführt. Neben der Betonbauweise wurden Trinkwasserbehälter u. a. auch aus Mauerwerk hergestellt. Bei gemauerten Behälterbauten mit unterschiedlichen Festigkeiten von Ziegel und Mauermörtel, welche zum Beispiel mit Zementputz und Chlorkautschukbeschichtung versehen sind, kann nach Abtrag der beiden äußeren Schichten ebenfalls eine Auskleidung mit rückverankertem Spritzbeton eine zielführende Instandsetzungsmöglichkeit sein (vgl. Abb. 3 bis 5). Abb. 3: Mauerwerkswände einer Trinkwasserspeicheranlage nach Abtrag von Zementputz und Chlorkautschukbeschichtung Abb. 4: Rückverankerte Bewehrung Abb. 5: Spritzbetonauftrag Zur Bearbeitung der Altbetonklassen A2 und A3 wird im DVGW-Arbeitsblatt W300-3 folgende Aussage getroffen: „Das aufzubringende System ist zu den Eigenschaften des Altbetons passend vom Planer auszuwählen. Aufgrund der gleichbleibenden Temperatur im Bereich der wasserberührten Oberflächen ist auch die zementgebundene Beschichtung von Bestandsbetonen der Altbetonklassen A2 und A3 (Bewertung durch Fachplaner) möglich.“ Ob bei Altbetonklasse A2 ein ausreichender Verbund allein durch eine erhöhte Rautiefe erzielt werden kann, ist zum jetzigen Zeitpunkt der Materialentwicklung durch den Planer und auch durch den Materialhersteller mit höchster Vorsicht zu beurteilen. Eine weitere planerische Lösung, die im Bereich der Altbetonklasse A3/ (A2) aber zur Ausführung kommen kann, ist der Einbau einer rückverankerten AKS-Edelstahlmatte mit anschließender mineralischer Beschichtung. Dies kann auf verschiedenen Untergründen angewendet werden, z. B. auf Eisenbeton, Stahlbeton, Stampf beton oder Mauerwerk. Bei vorliegender Altbetonklasse A1 oder gravierenden Undichtigkeiten verweist das Regelwerk auf die Ausbildung einer bewehrten Innenschale oder auf die Herstellung eines (Teil-)Neubaus. So ist in einigen Fällen, sobald der Untergrund in Altbetonklasse A1 eingestuft wurde z.-B. die Herstellung einer neuen Sohle oder die soge- 8. Kolloquium Trinkwasserspeicherung in der Praxis - September 2025 119 Altbetonklassen und Anpassung an den Untergrund - mineralische Ausführungsvarianten nannte Behälter-in-Behälter-Bauweise die letztlich zielführende Instandsetzungsmöglichkeit. Ein Beispiel einer Behälter-in-Behälter-Lösung mit neuer schwimmender Betonsohle und Spritzbetonwänden zeigen die nachfolgenden Abbildungen. Abb. 6: Herstellung einer neuen Sohle Abb. 7: Herstellung der Spritzbetonwände 5. Fazit und Perspektive Die Bewertung und Einbeziehung von Altbetonklassen in die Auswahl des Materials und des Instandsetzungsverfahrens sind ein wichtiger Schritt für eine zielgerechte und dauerhafte Instandsetzung von Trinkwasserbauwerken. Die Auswahl entsprechend geeigneter, trinkwasserzugelassener, rein mineralischer Mörtel für die jeweilige Altbetonklasse ist bislang begrenzt und steckt in der Entwicklung noch in den Kinderschuhen. So stellt sich die Frage für die nahe Zukunft: Wird es Materialhersteller geben, die für die Altbetonklasse A2/ A3 einen trinkwasserzugelassenen Mörtel freigeben, der ohne weitere Maßnahmen (z. B. ohne Rückverankerung) als Betonersatz und als fertige Oberfläche verwendet werden kann? Einige Hersteller geben Ihre Produkte bereits jetzt für die Altbetonklasse A2/ A3 frei - mit dem Zusatz „…bedarf aber der Bewertung durch eine Person mit besonderer Fachkunde.“ [11] Allerdings weisen diese Materialien eine Festigkeitsklasse C35/ 45 auf, die demnach die der angegebenen Altbetonklassen übersteigt. Auch die zuvor genannte Nacherhärtung der Mörtelsysteme insbesondere bei Betonersatz mit den Zementen CEM II und CEM III birgt ein Risiko der zu hohen Festigkeiten und Steifigkeiten gegenüber dem Altbeton. Dies könnte letztendlich zu nachträglichen Verbundstörungen und größeren Schadensfällen führen. Ein sorgfältiger Umgang mit abgestimmten Betonersatzsystemen auf den Bestandsbeton ist daher eine zwingende Voraussetzung für eine dauerhaft erfolgreiche Instandsetzung. Literatur- und Normenverzeichnis [1] Bundesanstalt für Wasserbau: BAW-Merkblatt „Spritzmörtel/ Spritzbeton“ nach ZTV-W LB 219, Abschnitt 5, Karlsruhe, 2007 [2] Bundesministerium für Verkehr, Bau- und Wohnungswesen, Abteilung Eisenbahnen, Wasserstraßen: Zusätzliche Technische Vertragsbedingungen - Wasserbau (ZTV-W) für Schutz und Instandsetzung der Betonbauteile von Wasserbauwerken (Leistungsbereich 219), 2004 [3] Deutscher Ausschuss für Stahlbeton (DAfStb): Richtlinie zum Schutz und Instandsetzung von Betonbauteilen, Teile 1-3; Oktober 2001 [4] Deutsches Institut für Bautechnik, Technische Regel - Instandhaltung von Betonbauwerken (TR-Instandhaltung), Teil 1 und 2, Mai 2020 [5] Deutscher Verein des Gas- und Wasserfaches e.V. DVGW: Technische Regel - Arbeitsblatt DVGW W 300-3 (A), Trinkwasserbehälter, Teil 3: Instandsetzung und Verbesserung, Bonn, Oktober 2024 [6] Deutscher Verein des Gas- und Wasserfaches e.V. DVGW: Technische Regel - Arbeitsblatt DVGW W 300-4, Trinkwasserbehälter - Teil 4: Werkstoffe, Auskleidungs- und Beschichtungssysteme - Grundsätze und Qualitätssicherung auf der Baustelle, Oktober 2014 [7] DIN EN 1542: 1999-07 Prüfverfahren - Messung der Haftfestigkeit im Abreißversuch 120 8. Kolloquium Trinkwasserspeicherung in der Praxis - September 2025 Altbetonklassen und Anpassung an den Untergrund - mineralische Ausführungsvarianten [8] DIN EN 1504-3: 2006-03 Produkte und Systeme für den Schutz und die Instandsetzung von Betontragwerken - Definitionen, Anforderungen, Qualitätsüberwachung und Beurteilung der Konformität - Teil 3: Statisch und nicht statisch relevante Instandsetzung [9] DIN EN 12504-1: 2021-02 Prüfung von Beton in Bauwerken, Teil 1: Bohrkernproben - Herstellung, Untersuchungen und Prüfung der Druckfestigkeit [10] Dr.-Ing. T. Reschke: Instandsetzung von Wasserbauwerken mit geringer festen Altbetonen, BAW- Kolloquium, 7.11.2006, Karlsruhe [11] P&T Technische Mörtel GmbH & Co. KG: Technisches Merkblatt, Kerasal ANS 14 A04 VSM, Trinkwassermörtel, Stand 08/ 23