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Fakten zu Betonschäden in Kläranlagen - Ursache und Wirkung - Warum Betonflächen in Kläranlagen nicht ungeschützt bleiben dürfen

15.09.2006

Ungeschützte Betonflächen in Kläranlagen sind den unterschiedlichsten chemischen und mechanischen Belastungen ausgesetzt. Bedingt durch konstruktive und betontechnologische Gegebenheiten können sie ihnen auf Dauer nicht standhalten. Massive Schäden und nicht unerhebliche Sanierungskosten sind die Folge. Mit speziellen mineralischen Schutzbeschichtungen kann die Dauerhaftigkeit von Kläranlagen deutlich erhöht werden.

In Deutschland sind derzeit mehr als 10 000 kommunale Kläranlagen in Betrieb, ihre Zahl ist aufgrund von regionalen Zusammenlegungen in den letzten Jahren leicht rückläufig. Die verbleibenden Anlagen allerdings sind gerade durch diese Konzentration auch höheren Beanspruchungen ausgesetzt. Zuführungen über weite Strecken lassen das ankommende Abwasser immer anaeorber d. h. sauerstoffärmer werden. In der Folge fördert dies die biogene Schwefelsäurekorrosion und führt zu einem sehr starken chemischen Angriff auf den Beton.
Fakt 1: Betonschäden sind meist Oberflächenschäden

Chemische Angriffe in Kläranlagen wirken grundsätzlich auf die Randzone des Betons. Dies gilt insbesondere für den Gasraum gedeckelter Kläranlagen. Die einwirkende biogene Schwefelsäure führt zu einem sehr schnellen Betonabtrag.
Die noch relativ jungen Normen DIN EN 206-1 und DIN 1045-2 teilen den Beton in unterschiedliche Klassen auf (Expositionsklassen, Konsistenzklassen, Druckfestigkeitsklassen, Rohdichteklassen bei Leichtbeton, Klassen nach dem Größtkorn der Gesteinskörnung). Betonbauteile in kommunalen Kläranlagen sind unterschiedlichsten Witterungseinflüssen und Einflüssen aus dem Betrieb ausgesetzt. Man unterscheidet zwischen mechanischen, chemischen und biologischen Angriffen. Je nach den zu erwartenden Einwirkungen der Umgebungsbedingungen wird Beton zur Sicherstellung der Dauerhaftigkeit verschiedenen Expositionsklassen für Bewehrungs- und Betonkorrosion zugeordnet, wobei beim Kläranlagenbau zunächst die Betonkorrosion maßgeblich ist. Diese Expositionsklassen sind entscheidend für die betontechnologischen Spezifikationen. Man unterscheidet:
  • Betonkorrosion durch Frostangriff mit und ohne Taumittel (XF1 bis XF4), z. B. Räumerlaufbahnen in XF4.
  • Betonkorrosion durch chemischen Angriff. Von kommunalen Abwässern geht in der Regel kein chemischer Angriff aus. Bestimmt Anlagenteile von Kläranlagen können der biogenen Schwefelsäurekorrosion ausgesetzt sein und werden deshalb in die Expositionsklassen XA3 eingeordnet. Hier sind besondere betontechnologische Maßnahmen notwendig. Zusätzlich sind weitere Schutzmaßnahmen wie z. B. Oberflächenschutzsysteme vorzusehen.
  • Betonkorrosion durch Verschleißbeanspruchung (XM1 bis XM3), z. B. Lager- und Umschlagplätze für Chemikalien (XM3).
Treffen mehrere Expositionsklassen zu, so ist jeweils die höchste Einzelforderung maßgeblich.
Fakt 2: Biogene Schwefelkorrosion ist extrem betonaggressiv

Die Korrosion von mineralischen, metallischen und organischen Baustoffen durch von Thiobacillen gebildete Schwefelsäure z. B. im Gasraum wird als "biogene Schwefelsäurekorrosion" bezeichnet. Schadensursache der biogenen Schwefelsäurekorrosion ist der im anaeroben Bereich gebildete und unter bestimmten Bedingungen in den Gasraum entweichende Schwefelwasserstoff. Schwefelwasserstoff (H2S) wird vorwiegend durch die in einem Biofilm lebenden, anaerob wachsenden Mikroorganismen erzeugt. Es handelt sich dabei um Sulfat reduzierende Bakterien, die oxidierte Schwefelverbindungen wie Sulfat, Sulfid oder Thiosulfat zu Schwefel bzw. Schwefelwasserstoff reduzieren.
Im aeroben Bereich oberhalb des Abwasserspiegels bilden Bakterien der Gattung Thiobacillus aus dem Schwefelwasserstoff als Stoffwechselendprodukt schweflige Säure bzw. Schwefelsäure. Es kommt je nach pH-Wert zu einer Besiedlung der Oberfläche mit verschiedenen Thiobacillen. Der Thiobacillus Thiooxidans findet im pH-Wert-Bereich zwischen 1 und 3 optimale Wachstumsbedingungen vor.
Schwefelsäure ist in Bezug auf den Zementstein eine sehr stark angreifende Säure. Sie verursacht einen lösenden Angriff. Infolge des Sulfates entsteht zusätzlich ein treibender Angriff, verursacht durch die Bildung von Gips und Ettringit, die ein größeres Volumen als die Ausgangsprodukte haben.
Fakt 3: Beschichtungen schützen Betonoberflächen

Unter Berücksichtigung der Expositionsklassen werden die Anforderungen an die Zusammensetzung des Betons abgeleitet. Betonoberflächen in Kläranlagen sind komplexen physikalisch-chemischen Angriffen ausgesetzt und bedürfen daher zusätzlicher Schutzmaßnahmen. Dichte, dauerhafte und beständige Oberflächenschutzsysteme wie MC-RIM, MC-RIM H und MC-RIM-F kommen hier zum Einsatz. Diese Schutzsysteme sind auf Basis von C3A-freien Zementen und besitzen daher einen hohen Widerstand gegen Sulfatangriff. Auch die zu den Schutzsystemen gehörenden Reprofilierungsmörtel Nafufill GTS, Nafufill GTS-HS bzw. Nafufill KM 250 HS sind mit C3A-freien Zementen formuliert, so dass sich mit dem vorliegenden MC-RIM Komplettsystem inklusive der Reprofilierung ein für die Belange der Abwassertechnik optimiertes Instandsetzungspaket ergibt. Der geringe Widerstand gegen Wasserdampfdiffusion von mineralischen Schutzsystemen ermöglicht einen dauerhaften Verbund mit dem Substrat.
Bei geschlossenen Klärbecken kommt die zusätzliche Anforderung an eine hohe Säurebeständigkeit hinzu. In Kläranlagenteilen mit derartigen Angriffsgraden hat sich seit über 10 Jahren das Polymersilikatsystem Konusit KK 10 der MC-Bauchemie bewährt. Dieses Polymersilikat besteht aus einer Silikatlösung und einer Pulverkomponente. Durch die Formulierung bildet sich als Bindemittel ein amorphes Silikatgel, welches die erhärtete Matrix des Baustoffes bildet. Im Gegensatz zu Kunstoffsystemen ist dieses Polymersilikat physiologisch unbedenklich und zeichnet sich durch eine hohe mechanische und thermische Stabilität und eine hohe Beständigkeit gegen konzentrierte und verdünnte Säuren, Lösungsmittel sowie gegen Öle und Fette aus.
Fazit

Expositionsklassen für Bauwerke im Wasser- und Abwasserbereich definieren die betontechnologischen Mindestanforderungen an den Beton. Doch selbst normgerechte Betone können einem Angriff durch biogene Schwefelsäure nicht standhalten. Langfristigen Schutz bieten hoch dichte, mineralische Beschichtungen auf Basis von C3A-freien Zementen (z. B. MC-RIM) oder rein mineralische, zementfreie, diffusionsoffene Polymersilikatmörtel wie das Konusit KK 10.


Dipl.-Min. Eugen Kleen ist Leiter Forschung und Entwicklung Mineralische Baustoffe und Betontechnologie MC-Bauchemie Müller GmbH & Co. KG Bottrop.

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