8. Kolloquium Trinkwasserspeicherung in der Praxis - September 2025 145 Bestimmung des Auslaugverhaltens von Instandsetzungsmörteln mit klinkereffizienten Zementen auf Basis eines performance-orientierten Prüfkonzeptes Dr.-Ing. Wolfram Kämpfer Materialforschungs- und -prüfantalt an der Bauhaus-Universität Weimar (MFPA), Weimar Dr. Michael Berndt Materialforschungs- und -prüfantalt an der Bauhaus-Universität Weimar (MFPA), Weimar Zusammenfassung Zukünftig werden klinkereffiziente Zemente auf der Basis von CEM II/ C-M, von Kompositzementen CEM VI aus der neuen Normenreihe DIN EN 197-5 sowie von Mehrkomponentensystemen CEM X maßgeblich zur Dekarbonisierung der Zementindustrie beitragen und zu einer deutlichen Reduzierung des Klinkeranteils auf bis zu 35 Masse-% führen. Die Gebrauchstauglichkeit (Dauerhaftigkeit) von Instandsetzungsmörteln wird derzeit ausschließlich auf der Basis deskriptiver Vorgaben für die Expositionsklasse X TWB nach DVGW W 300 sichergestellt. Entsprechende Langzeiterfahrungen für neue Zemente liegen nicht vor. Für die Bemessung des Materialwiderstandes gegenüber lösendem chemischen Angriff XA von kalklösender Kohlensäure wurde durch die MFPA an der Bauhaus-Universität Weimar ein Prüfverfahren auf der Basis eines performance-orientierten Konzeptes entwickelt, mit dem eine qualitative und quantitative Prognose der Dauerhaftigkeit möglich ist. Es werden die experimentelle Vorgehensweise als auch die Ergebnisse der Dauerhaftigkeitsuntersuchungen an Instandsetzungsmörteln mit Mehrkomponentenzementen CEM X bei mäßigem und starkem chemischen Angriff durch kalklösende Kohlesäure vorgestellt. 1. Entwicklung und Anwendung klinkereffizienter Zemente auf der Basis von CEM X Die Zementindustrie gilt bei einer derzeitigen Produktionsmenge von ca. 5 Mrd. t/ Jahr weltweit als eine größten CO 2 -Emittenten mit einem Anteil von etwa 8 %. Die Dekarbonisierung ist daher für die Zement- und Betonindustrie eine zentrale Herausforderung. Bild 1: Referenzszenario der CO 2 -Minderung in der deutschen Zementindustrie bis 2050 [VDZ; 2020] Die angestrebte Klimaneutralität bis 2050 stößt technisch auf Grenzen. Daher wird aus derzeitiger Sicht mindestens ein Drittel der Minderung von CO2-Emissionen bis 2050 durch die CCUS-Technologien erfolgen müssen. Portlandzementklinker wird auf absehbare Zeit der wesentliche Bestandteil von Zement bleiben. Alternative Bindemittel mit ausreichender technischer Qualität in 146 8. Kolloquium Trinkwasserspeicherung in der Praxis - September 2025 Bestimmung d. Auslaugverhalten v. Instandsetzungsmörteln mit klinkereffizienten Zementen auf Basis eines performance-orientierten Prüfkonzeptes ausreichender Menge sind nicht in Sicht. Ein wesentlicher Baustein bleibt daher die Steigerung der Klinkereffizienz über die Senkung des Klinker-Zement-Verhältnisses. [Müller; 2020] Der Anteil an Portlandzement CEM I hat sich in Deutschland in den vergangenen 15 Jahren kontinuierlich von 62- % auf derzeit etwa 27 % verringert. Der Anteil an Portlandkompositzementen, insbesondere auf Basis von CEM II/ B-M (S-LL) hat im Gegenzug deutlich zugenommen. Zunehmend wird CEM II/ C-M, also Zemente mit einem deutlich reduzierten Klinkeranteil von 50 % in der Betonindustrie eingesetzt. [VDZ; 2020] Normative Regelwerke für den breiteren Einsatz von CEM X-Bindemitteln, also Zementen mit mehreren Hauptbestandteilen, sind mit der DIN EN 197-5: 2021 auf den Weg gebracht. Bild 2: Anwendung klimaeffizienter Zemente in Deutschland im Zeitraum von 2000 bis 2018 [Müller; 2020] Seit Veröffentlichung der CO 2 -Roadmap des VDZ im November 2020 wurden durch das DIBt Berlin 29 bauaufsichtliche Zulassungen für klinkereffiziente Zemente erteilt. Das ist mehr als eine Verdopplung für den Zeitraum von 2020 bis 2023. Weit mehr als die Hälfte der neu zugelassenen Zemente sind CEM II/ C-Zemente mit einer Reduzierung des Klinkeranteils auf 50 %. [VDZ; 2023] Bild 3: Anzahl der bauaufsichtlichen Zulassungen für klinkereffiziente Zemente im Zeitraum 2003 bis 2023 [VDZ; 2023] Die breite Verwendung klinkereffizienter Zemente auf Basis von CEM II/ C-M, CEM VI und CEM X-Zementen bleibt ein wesentlicher Baustein, um die in der CO 2 - Roadmap aufgezeigte Klimaneutralität zu erreichen. Mit der neuen Zementnorm DIN EN 197-5: 2021, wurden die entsprechenden normativen Vorgaben dafür geschaffen. Portlandkomposit- und Kompositzemente weisen neben dem Klinker mindestens zwei weitere Hauptbestandteile auf. Für CEM II/ C-M kann der Klinkergehalt auf bis zu 50 % und für CEM VI auf bis zu 35 % reduziert werden. Alle Zementbestandteile müssen die Anforderungen nach DIN EN 197-1, Abschnitt 5 erfüllen. Die möglichen Zementzusammensetzungen sind im Bild 4 tabellarisch aufgeführt, Für Kalkstein (LL, L) gelten gesonderte Festlegungen. So kann beispielsweise ein Portlandkompositzement CEM II/ C mit 20 % Kalkstein und bis zu 30 % Hüttensand, Flugasche oder gebranntem Schiefer hergestellt sein. Bild 4: Anforderungen an die Zusammensetzung von Portlandkomposit- und Kompositzement nach DIN EN 197-5 [Küchlin; 2021] 8. Kolloquium Trinkwasserspeicherung in der Praxis - September 2025 147 Bestimmung d. Auslaugverhalten v. Instandsetzungsmörteln mit klinkereffizienten Zementen auf Basis eines performance-orientierten Prüfkonzeptes Mit der bauaufsichtlichen Einführung von DIN 1045- 2: 2023-08 zum 01. März 2025 sind die Anwendungsregeln für CEM II/ C-M analog zu den für CEM II/ B geltenden Regelungen aufgenommen worden. Das bedeutet, dass CEM/ C-M damit für alle Expositionsklassen mit Ausnahme von XF2 bis XF4 ohne Anwendungszulassung eingesetzt werden kann. Für alle anderen Mehrkomponentenzemente CEM X gilt diese Regelungen nicht, das heißt, hierfür ist weiterhin eine bauaufsichtliche Zulassung des DIBt notwendig. Die Untersuchungen zu den Frisch- und Festbetonparametern sowie zu den Beständigkeitskennwerten zeigen bei der Anwendung von klinkereffizienten Zementen ein differenziertes Bild. Während das Erreichen baupraktisch relevanter Konsistenz- und Festigkeitswerte zumeist keine Hürde darstellt, können sich für einzelne Dauerhaftigkeitsparameter Einschränkungen hinsichtlich der Expositionsklassen ergeben. Diese betreffen insbesondere den Einsatz in Bauteilen mit hoher Wassersättigung und Beanspruchungen durch Frost- und Tausalzbelastungen. [Müller; 2020] 2. Gebrauchstauglichkeit von ressourcenschonenden Betonen auf Basis klinkereffizienter Zemente Für die relevanten Frisch- und die mechanischen Festbetoneigenschaften sowie für die Karbonatisierungsraten und den Sulfatwiderstand werden bei Einsatz klinkereffizienter Zemente keine Schwierigkeiten gesehen, zumal durch Einsatz von Hochleistungsverflüssigern die mechanischen Parameter gezielt einstellbar sind. Die Frage ist, ob durch bei Einhaltung der mechanischen Kennwerte auch die Gebrauchstauglichkeit gegeben ist. In Bezug auf die Frost- und Frost-Tausalz-Beständigkeit sowie die Chloridmigration ergeben sich insbesondere bei Anwendung von CEM II/ B-LL und CEM II/ C-M mit hohem LL-Gehalt gewisse Einschränkungen. [Müller; 2020] Bild 5: Frostwiderstand von Betonen nach CEN/ TS 12390-9 mit verschiedenen Zementen [Müller; 2019] Bild 6: Chlorideindringwiderstand von Betonen nach EAD 15001-00-0301, Annex E mit verschiedenen Zementen [Müller; 2019] Die Druckfestigkeit ist nicht in jedem Falle ein ausreichendes Abnahmekriterium für die Dauerhaftigkeit. Im Rahmen eines IGF-Vorhabens wurde vom VDZ GmbH Düsseldorf eine neue Methode zur Bestimmung der Gebrauchtauglichkeit von Betonen auf der Basis von Mörteluntersuchungen entwickelt. Ein wesentlicher Bewertungsparameter stellt hierbei die Porengrößenverteilung (Quecksilberintrusionsporosimetrie) dar. 3. Performance-basierte Bemessungskonzepte für die Gebrauchstauglichkeit zementgebundener Beschichtungen in trinkwassertechnischen Anlagen In trinkwassertechnischen Anlagen kann es unter verschiedenen Betriebsbedingungen zu einem erhöhten chemisch-abrasiven Angriff auf mineralische Beschichtungen kommen. Die Sicherstellung der Dauerhaftigkeit exponierter Bauteiloberflächen erfolgt derzeit ausschließlich mittels deskriptiver Vorgaben und Kennwerte nach den Arbeitsblätter DVGW W 300. Auf der Basis von Erfahrungswerten werden in Abhängigkeit von festgelegten Angriffsbedingungen für die Expositionsklasse XTWB Mindestanforderungen (Mittelwerte und Standardabweichungen) an die Zusammensetzung der Beschichtungen, an die Herstellung, den Einbau und die Nachbehandlung der Beschichtungen gestellt. Entsprechend der Anforderungen für die Expositionsklasse XTWB 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 Unternehmen zu führen (Mindestschichtdicke, Druck-/ Biegefestigkeit, Haftzugfestigkeit, Dichtigkeit/ Porositätskennwerte). 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] Die in der Zementindustrie derzeit ablaufenden Transformationsprozesse in Richtung signifikant klinkerreduzier- 148 8. Kolloquium Trinkwasserspeicherung in der Praxis - September 2025 Bestimmung d. Auslaugverhalten v. Instandsetzungsmörteln mit klinkereffizienten Zementen auf Basis eines performance-orientierten Prüfkonzeptes ter Bindemittel zwingen mittelfristig dazu, die Anzahl der angebotenen Kompositzemente mit stark anwendungsfokussierten Eigenschaften deutlich zu erhöhen. Aus materialtechnischer Sicht kann von einem gesicherten Erfahrungsbereich für die Expositionsklasse XTWB ausgegangen werden. Verschiedene Anwendungsbeispiele zeigen jedoch, dass die chemischen Angriffsbedingungen bei mineralsauren und kalklösenden Wässern, bei kritischen Mischwässern und/ oder weichen Wässern in bestimmten Bereichen trinkwassertechnischer Anlagen auch außerhalb des Erfahrungsbereiches für die Expositionsklasse XTWB liegen können. Bild 7: Prüf- und Bewertungsverfahren für Mörtel/ Betone bei chemischem Angriff Für die Anwendung von zementgebundenen Instandsetzungsmörteln außerhalb des für die Expositionsklasse XTWB geltenden Erfahrungsbereiches sind normativ geforderte zusätzliche Schutzmaßnahmen erforderlich. Verschiedene Anwendungsbeispiele haben gezeigt, dass auch bei deutlich erhöhten chemisch-abrasiven Expositionen eine ausreichende Gebrauchtauglichkeit vorliegen kann. Diese Anwendungsmöglichkeiten werden durch die deskriptiven Regelungen nach DVGW W 300 jedoch derzeit nicht berücksichtigt. Um die Dauerhaftigkeit von zementgebundenen Instandsetzungsmörteln auf Basis klinkereffizienter Zemente unter chemisch-abrasiven Angriffsszenarien nachzuweisen, sind performance-basierte Konzepte zur Dauerhaftigkeitsbemessung erforderlich. Diese Konzepte sollen die Möglichkeit schaffen, die Gebrauchstauglichkeit neuer Zemente auf der Basis von CEM X in der Praxis besser nutzbar zu machen. 4. 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 die grundlegenden 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] Eine stark auslaugende Wirkung weisen sehr weiche, mineralstoffarme Wässer auf. Die Korrosion durch Austauschreaktion zwischen Angriffsmedium und Zementstein beruht dabei 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. 4.1 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 zur Diffusion der im Porenwasser gelösten Ionen und damit zur Auslaugung der Feststoffphasen. 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 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 unmittelbarem funktionellen Zusammenhang mit dem Absenken des Alkalitätsdepots sowie der Vergrößerung des Porenraumes. Die Geschwindigkeit der Auslaugung von mineralischen Beschichtungen durch Lösungs-, Transport- und Diffusionsprozesse erfolgt in drei Phasen. Unter Berücksichtigung des Lösungsverhaltens der Zementsteinphasen kann die Kinetik der hydrolytischen Auslaugung 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 SiO 2 -reiche Schicht an der Grenzfläche zwischen Zementstein 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 8. Kolloquium Trinkwasserspeicherung in der Praxis - September 2025 149 Bestimmung d. Auslaugverhalten v. Instandsetzungsmörteln mit klinkereffizienten Zementen auf Basis eines performance-orientierten Prüfkonzeptes Geschwindigkeit als diffusionskontrollierter Prozess mit linearem Fortschreiten der Schädigungstiefe. Die Dauer der einzelnen Reaktionsstadien werden maßgeblich von der Konzentration des Angriffsmediums, der Löslichkeit der sich bildenden Schutzschicht und von der Zusammensetzung des Instandsetzungsmörtels bestimmt. Zu beachten ist, dass die Kinetik des Korrosionsprozesses von weiteren Faktoren abhängig ist (Abrasion, Temperatur, strömungsmechanische Faktoren) [Gerlach.; 2017] 4.2 Chemischer Angriff durch kalklösende Kohlensäure Im Kontakt mit kohlesäurehaltigen Wässern können aus zementgebundenen Instandsetzungsmörteln carbonatische Bestandteile herausgelöst werden. Die Aggressivität derartiger Wässer hängt von den gelösten Alkalien und Erdalkalien, den gelösten Salzen und von den Kohlensäurespezies 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. 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 2 vor, bei pH-Werten < 6 überwiegend in Wasser gelöstes CO 2 und bei einem pH-Wert von 8,2 liegt ausschließlich Hydrogencarbonat HCO 3 vor. Das Wasser befindet sich hierbei im sogenannten Kalk-Kohlesäure-Gleichgewicht. 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] Ausschlaggebend für das Reaktionsverhalten ist der Sättigungindex (SI) des Wassers bezüglich Calcit. 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/ nicht-aggressiven Wässern zu berücksichtigen. Bild 8: 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 oben 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 erhöhte Porosität des Zementmörtels (Widerstandsseite) die Diffusions-, Lösungs- und Transportvorgänge in der oberflächennahen Randzone weitgehend begünstigt (Angriffsseite). 6. Performance-basiertes Konzept zur Dauerhaftigkeitsbemessung von Instandsetzungsmörteln auf Basis von CEM X bei Auslaugung durch kalklösende Kohlensäure Im Gegensatz zu deskriptiv-erfahrungsbasierten Konzepten beruht die performance-basierte Bemessung der Gebrauchstauglichkeit sowohl auf laborwie auch auf modellbasierten Ansätzen. Wichtig dabei ist, dass in den entsprechenden Zeitrafferprüfungen die tatsächlichen, in der Praxis auftretenden Reaktionsverhältnisse wiedergegeben werden. Eine Verschärfung der Einwirkungsseite darf keinesfalls zu einem grundsätzlich anderen Schadensmechanismus führen. Im Rahmen einer Austragsforschung wurde an der MFPA Weimar eine Versuchseinrichtung entwickelt, mit der performance-basierte Zeitrafferuntersuchungen an Mör- 150 8. Kolloquium Trinkwasserspeicherung in der Praxis - September 2025 Bestimmung d. Auslaugverhalten v. Instandsetzungsmörteln mit klinkereffizienten Zementen auf Basis eines performance-orientierten Prüfkonzeptes telprismen 40 mm * 40 mm * 160 mm durchgeführt werden können. Zielstellung hierbei ist es, Aussagen zur Nutzungsdauer für neuartige CEM X-Systeme und für unterschiedlichen Expositionen zu treffen. Die Einstellung der CO 2 -Konzentration und der Kalklösekapazität erfolgt über den pH-Wert und die Wassertemperatur. 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 wird über eine Gasleitung geführt, die in einen CO 2 -Diffusionsreaktor/ Flipper mündet, so das CO 2 -Blasen im Bereich der Vorkonditionierung sichtbar nach oben aufsteigen. Der Wasserwechsel erfolgt in der Regel wöchentlich. In Abhängigkeit von Schwankungen der Calcitlösekapazität ist ggf. auch ein kürzerer Wasserwechsel vorzusehen. Die Einlagerungsbecken müssen thermisch so isoliert und abgedeckt sein, dass keine signifikanten Temperaturänderungen in der Vorkonditionierung und in den Lagerungsbecken stattfinden können. Zusätzlich erfolgt der Betrieb der Anlage unter konstanten Laborbedingungen bei 15/ 60. 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 9: Versuchsauf bau für die Simulation der hydrolytischen Auslaugung bei Angriff kalklösender Kohlensäure Als klinkereffiziente Zementmörtel kommen zwei Versuchsmischungen V1 (CEM III/ A 42,5 R + Zusatzstoff Siliciumdioxid/ Silica fume) und V2 (CEM II/ C-M (P- L) mit natürlichem Puzzolan und Kalksteinmehl als Zusatzstoffe bei einem Klinkeranteil von 50 Masse-% zum Einsatz. Die Mörtelprismen lagern über einem Zeitraum von 6- Monaten in den Becken (offenes System/ Durchlaufverfahren), in die temperiertes Wasser mit einem Kohlensäuregehalt von 50 mg/ l und 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 abgestimmten Kalibrierlösung. Zur Abschätzung der Langzeitbeständigkeit von Instandsetzungsmörteln mit klinkereffizienten Zementen werden nachfolgende relevante Parameter und Kennwerte erfasst und ausgewertet: • Masse- und Volumenänderung (Geometrieerfassung mittels hochauflösendem 3D-Laserscanner) • Visuell sichtbare Veränderungen/ Anomalien • Biegezug-/ Druckfestigkeit/ dynamischer E-Modul • pH-Wertänderungen in der Randzone • Abtragstiefe (aus den Geometriedaten des 3D-Laserscanners) • Schädigungstiefe (Stereo-Auflichtmikroskopie an Bruchflächen/ Anschliffen, µRFA-Mapping zur Detektion der Elementeverteilung im Randbereich) und • Phasenänderungen in der Randzone (µRFA/ REM) Visuell sichtbare Veränderungen auf den Prismenoberflächen beginnen durch abschnittsweise Erweichungen und örtlich begrenzten Absandungen, danach kommt im weiteren Verlauf zum Materialabtrag, beginnend an den Prismenkanten mit deutlich sichtbaren Kantenabrundungen. Je nach Materialzusammensetzung ist der Schädigungsverlauf an Verfärbungen der Prismen sichtbar. Mit der Geometrieerfassung durch einen hochauflösenden 3D-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 3D-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 Bruchflächen werden vor den Untersuchungen mittels Triphenylmethan-Farbstoff besprüht. Es bilden sich scharfe Kanten zwischen ungeschädigtem/ geschädigtem Mörtelgefüge aus. Die Nachweise zu den 3D-Volumenänderungen mittels 3D-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 chemischem Angriff durch kalklösende Kohlensäure Die Vorgaben für die Expositionsklasse X TWB nach DVGW W 300 haben dazu geführt, dass mineralische 8. Kolloquium Trinkwasserspeicherung in der Praxis - September 2025 151 Bestimmung d. Auslaugverhalten v. Instandsetzungsmörteln mit klinkereffizienten Zementen auf Basis eines performance-orientierten Prüfkonzeptes Beschichtungen im Allgemeinen eine ausreichende Gebrauchstauglichkeit über den geplanten Nutzungszeitraum von 50 Jahren aufweisen. Die Auslaugung/ Hydrolyse durch mineralstoffarme, kohlendioxidhaltige oder mineralsaure Wässer stellt verglichen mit dem Säureangriff in abwassertechnischen Anlagen einen vergleichsweise schwachen chemischen Angriff dar. 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 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 (SiO 2 -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. 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. 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. 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. 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. Für den Nachweis der Gebrauchstauglichkeit von Instandsetzungsmörteln auf Basis klinkereffizienter Zemente mit einem reduzierten Klinkeranteil von 50 Masse-% wurden zwei Versuchsmischungen (V1: CEM IIIA/ + Zusatzstoff Silica fume, w/ z-Wert 0,42; V2: CEM II/ C- M (P-LL), w/ z-Wert 0,44) eingesetzt. Die Untersuchungen erfolgten bei mäßigem Angriff XA2 H2CO3 mit einer Calcitlösekapazität von 114 mg/ l CaCO 3 und bei starkem chemischen Angriff XA3 H2CO3 mit einer Calcitlösekapazität von 569 mg/ l CaCO 3 über einen Zeitraum von jeweils sechs Monaten. Bild 10: Verlauf der mittlere Schädigungstiefe der Versuchsmischungen V1 und V2 im Zeitrafferversuch bei chemischem Angriff durch kalklösende Kohlensäure für die Expositionen XA2 H2CO3 und XA3 H2CO3 Ab einem Versuchszeitraum > 90 Tagen ist eine gleichbleibende Deckschicht vorhanden, der Schädigungsprozess läuft ab diesem Zeitpunkt diffusionsgesteuert weitgehend linear ab und ermöglicht eine ausreichend genaue Prognose für langfristige Angriffsszenarien. Grundsätzlich muss zwischen Abtragstiefe und Schädigungstiefe unterschieden werden. Während die örtlichen Abtragstiefen bei XA2 hohe Streuung aufweisen, liegen die Schädigungstiefen in Abhängigkeit von den eingesetzten Zusatzstoffen gleichmäßiger, aber auch deutlich höher als die stark schwankenden Abtragstiefen. Die Schädigungstiefen werden von den mechanischen Eigenschaften (Druckfestigkeit, Porosität) aber auch in hohem Maße vom Alkalitätsdepot (insbesondere vom pH- Wert im oberflächennahen Randbereich sowie vom Calcit-/ Portland-Verhältnis) bestimmt. Die Reaktionsabläufe werden zunächst durch das Herauslösen der Alkalien aus dem Zementstein bestimmt. 152 8. Kolloquium Trinkwasserspeicherung in der Praxis - September 2025 Bestimmung d. Auslaugverhalten v. Instandsetzungsmörteln mit klinkereffizienten Zementen auf Basis eines performance-orientierten Prüfkonzeptes Mit dem damit verbundenen Absinken des pH-Wertes in Der oberflächennahen Randzone wird Calciumhydroxid Ca(OH) 2 / Portlandit bei pH < 12,5 instabil. Auf der Oberfläche bildet sich eine helle, kristalline Schutzschicht, der pH-Wert im geschädigten Bereich sinkt in der Folge weiter auf pH-Werte zwischen 9 und 12,5. Calciumcarbonat wird auf Grund des niedrigen pH-Wertes in leichtlösliches Hydrogencarbonat umgewandelt, der pH-Wert sinkt weiter. Bei pH-Werten < 8 werden die festigkeitsbildenden Phasen (CASH und CSH) instabil. Es erfolgt eine fortschreitende Gefügeauflockeung von außen nach innen. Als Schutzschicht bildet sich auf der Oberfläche amorphes SiO 2 -Gel, einschließlich Eisen- und Aluminiumoxidanreicherungen. Bild 11: Energiedispersive Röntgenanalyse (EDX) in der Randzone der V2-Mörtelprismen mit Nachweis der Auflösung von Calcit und Calciumaustrag in der Schädigungszone Performance-basierte Prüfkonzepte ermöglichen die Beurteilung eines ausreichenden Widerstandes sowohl gegenüber Regelanforderungen als auch bei spezifischen Anwendungsfällen zum Nachweis eines praxisspezifischen Auslaugwiderstandes. Im Ergebnis können Nutzungsdauern unter verschiedenen praxisbezogenen Belastungssituationen für Langzeitbeanspruchungen von Instandsetzungsmörtel auf Basis klinkereffizienter Zemente berechnet werden. 8. Kolloquium Trinkwasserspeicherung in der Praxis - September 2025 153 Bestimmung d. Auslaugverhalten v. Instandsetzungsmörteln mit klinkereffizienten Zementen auf Basis eines performance-orientierten Prüfkonzeptes Literaturverzeichnis [Breit; 2024] Breit, W.. et al.: Entwicklung eines Prüfverfahrens für die Bewertung der Hydrolysebeständigkeit und der Dauerhaftigkeit mineralischer Beschichtungen in Kontakt mit Trinkwasser, Abschlussbericht DVGW-Förder-kennzeichen W202005: 2024-06, Deutsche Bauchemie e.V. Frankfurt/ Main, 83 Seiten [Gerlach.; 2017] Gerlach, J. 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