Instandhaltung von Kanalisationen / Hrsg.: Prof. Dr.-Ing. Stein & Partner GmbH / Redaktion: D. Stein, R. Stein (2001)

Spritzbeton und -mörtel

Nach DIN 18 551 [DIN18551:1992] ist Spritzbeton ein "Beton, der in einer geschlossenen, überdruckfesten Schlauch- oder Rohrleitung zur Einbaustelle gefördert und dort durch Spritzen aufgetragen und dabei verdichtet wird".

Spritzbeton unterscheidet sich in der Zusammensetzung prinzipiell nicht vom üblichen Ortbeton. Der Unterschied liegt im Fördern, Einbringen und Verdichten, d.h. in der Verarbeitung, die in einem einzigen Arbeitsgang, dem Spritzen, zusammengefaßt ist. Schalung und Rüttler entfallen.

Die beim Spritzvorgang freiwerdende hohe Anwurfenergie bewirkt neben der Verdichtung auch einen guten Haftverbund zum Untergrund. Deshalb eignet sich Spritzbeton besonders für großflächige Beschichtungen mit hohen Anforderungen an den Verbund und Schichtdicken von mindestens 3 cm. Neben Spritzbeton gibt es auch Spritzmörtel.

Nach DIN 18 551 [DIN18551:1992] ist Spritzmörtel ein Zementmörtel mit Betonzuschlag bis höchstens 4 mm und bei gebrochenem Zuschlag bis höchstens 5 mm, der wie Spritzbeton hergestellt wird.

Hinsichtlich der Anforderungen an die Ausgangsstoffe, den Frisch- sowie den Festbeton gelten in der Bundesrepublik Deutschland die Ausführungen der DIN 18 551, Abs. 4 und 5 [DIN18551:1992] . Der Gütenachweis erfolgt nach DIN 18 551, Abs. 6 [DIN18551:1992] .

Spritzbetone bzw. Spritzmörtel, denen Kunststoffe zugesetzt werden, bezeichnet man nach ZTV-SIB 90 [ZTVSIB90] als Spritz-PCC (SPCC).

Werden dem Spritzbeton nach DIN 18 551 [DIN18551:1992] zum Erreichen bestimmter Eigenschaften Stahlfasern (Tabelle 5.3.1.8.1-1) zugegeben, so spricht man von einem "Stahlfaserspritzbeton".

Tabelle 5.3.1.8.1-1: 

Übersicht über verschiedene Stahlfasergeometrien

Form Firma Marke
plettac pg−55
plettac pg−55
Bekaert Dramix
Vulkan Harex
Stahlfasertechnik
BSF⁄ESF⁄HSCF
Vulkan Harex
Stahlfasertechnik
KSF 45
Vulkan Harex
Stahlfasertechnik
KSF 45⁄1,0
Trefil ARBED Tabix
Trefil ARBED Twincone

Insbesondere für relativ dünne Beschichtungen, die mit üblichem Betonstahl nicht mehr zu bewehren sind, ist der Stahlfaserspritzbeton geeignet. Infolge der Stahlfasern wird die dünne Schicht dehnfähiger und nimmt auch dann Zugkräfte auf, wenn die Matrix bereits gerissen ist.

Um eine ausreichende Zähigkeit zu erreichen, ist ein Mindestgehalt an Stahlfasern erforderlich, der etwa bei 70 kg/m3 Beton liegt. Die Höchstmenge ist durch die Verarbeitbarkeit, z.B. Igelbildung beim Einmischen, auf etwa 150 kg/m3 Beton begrenzt [Grube90] .

Weitere Hinweise zum Stahlfaserspritzbeton sind im Merkblatt "Technologie des Stahlfaserbetons und Stahlfaserspritzbetons" des Deutschen Betonvereins [DBV92] zu finden.

Für Spritzbeton und dessen Anwendung liegen zahlreiche Veröffentlichungen (z.B.: [Maidl92] [Brux81] [Schnü78] [Still78] [Rosa87] [NN84d] ) und folgende Regelwerke vor:

  • DIN 18 551 [DIN18551:1992] ,
  • DIN 18 314 [DIN18314-Ca] ,
  • Zusätzliche Technische Vertragsbedingungen und Richtlinien für Schutz und Instandsetzung von Betonbauteilen ZTV-SIB 90 [ZTVSIB90] ,
  • Richtlinie für Schutz und Instandsetzung von Betonbau teilen [DAfStB:1991]
  • Richtlinie "Spritzbeton" Teil 1 - Anwendung (Österreichischer Betonverein) [ÖBV89] .
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Bild 5.3.1.8.1-1:  Beschichtung eines begehbaren Kanals mit Spritzbeton im Trockenspritzverfahren [Quelle: Prof. Dr.-Ing. Stein & Partner GmbH]
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Bild 5.3.1.8.1-2:  Beschichtung eines Kanals mit Spritzbeton im Naßspritzverfahren [FI-KMG]
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Bild 5.3.1.8.1-3:  Abläufe bei den Spritzbetonverfahren in Anlehnung an [Feist85] [Quelle: Prof. Dr.-Ing. Stein & Partner GmbH]

In Abhängigkeit von der Art der Ausgangsmischung unterscheidet man nach DIN 18 551 [DIN18551:1992] generell zwischen

  • Trockenspritzverfahren und
  • Naßspritzverfahren.

Beim Trockenspritzverfahren (Bild 5.3.1.8.1-1) wird das Bereitstellungsgemisch, bestehend aus Zement, Zuschlag und ggf. pulverförmigen Zusätzen trocken (Trockengemisch) der Förderleitung zugeführt, z.B. durch ventilgesteuerte Schleusenkammern, rotierende Behältertaschen und Förderschnecken, und im Dünnstrom pneumatisch zur Spritzdüse gefördert, wo das Zugabewasser, ggf. mit flüssigen Betonzusatzmitteln, beigemengt wird (s. DIN 18551 [DIN18551:1992] ).

Beim Naßspritzverfahren (Bild 5.3.1.8.1-2) wird das Bereitstellungsgemisch, bestehend aus Zement, Zuschlag, Zugabewasser und ggf. Zusätzen, in nasser Form (Naßgemisch) der Förderleitung zugeführt und entweder im Dünnstrom oder im Dichtstrom gefördert.

Beim Naßspritzverfahren mit Förderung im Dünnstrom führen Maschinen, z.B. mit ventilgesteuerten Schleusenkammern oder Förderschnecken, das Naßgemisch zur Förderleitung, in welcher es pneumatisch zum Strahlrohr gelangt.

Beim Naßspritzverfahren mit Förderung im Dichtstrom wird das Naßgemisch mit Pumpen verschiedener Systeme, z.B. Kolben-, Schnecken- und Rotorpumpen, durch Rohr- oder Schlauchleitungen zur Spritzdüse gefördert, wo sich durch die Zugabe von Treibluft der Dichtstrom des Materials in einen Dünnstrom mit erhöhter Materialgeschwindigkeit wandelt und ggf. flüssige Betonzusatzmittel zugeführt werden (s. DIN 18 551 [DIN18551:1992] ).

In der Praxis überwiegt das Trockenspritzverfahren, da es hinsichtlich der Vorhaltung der Ausgangsmischung und bei Arbeitsunterbrechungen unproblematischer ist.

Kolloidalmörtel kann aufgrund seiner Aufbereitung nur im Naßspritzverfahren aufgebracht werden.

Die einzelnen Abläufe beim Trocken- und Naßspritzverfahren sind im (Bild 5.3.1.8.1-3) dargestellt. Die Zugabe der jeweiligen Zusätze im Bereich der Spritzdüse und deren Regulierung erfolgen durch den Düsenführer.

Beim Verlassen der Spritzdüse verfügt das Gemisch über eine hohe kinetische Energie, die beim Aufprall auf den Untergrund die Verdichtung des Spritzbetons oder des Spritzmörtels bewirkt.

Aufgrund dieser hohen Energie, mit der das Gemisch auf den Untergrund auftrifft, prallt ein Teil wieder zurück. Dieser sogenannte Rückprall besteht überwiegend aus grobem Zuschlag, der mit Zementleim bzw. -mörtel umhüllt ist, so daß die Zusammensetzung des aufgespritzten Betons von jener des Bereitstellungsgemisches abweicht [Wands85] . Der Zementgehalt dieser Mischung ist deshalb so festzulegen, daß der Festbeton die geforderten Eigenschaften erreicht (s. DIN 18551 [DIN18551:1992] ).

Zu Beginn des Spritzens fällt eine größere Rückprallmenge an, da zunächst auf dem Untergrund ein plastisches Polster zur Aufnahme der gröberen Zuschläge entstehen muß.

Die Rückprallmenge ist von zahlreichen Einflußparametern abhängig, wie z.B.:

  • Zusammensetzung des Bereitstellungsgemisches
  • Spritzverfahren,
  • örtliche Verhältnisse an der Auftragsfläche,
  • Düsenführung,
  • Spritzrichtung,
  • Spritzwinkel,
  • Düsenabstand,
  • Arbeitsdruck,
  • Fördertechnik,
  • Auftreffgeschwindigkeit,

und beträgt ca. 20 bis 30 % [Feist85] [Rapp77] .

Bei optimaler Einstellung aller Einflußparameter kann der Rückprallanteil beim Trockenspritzverfahren nach [Maidl92] auf ca. 15 bis 20 % beim Spritzen auf eine senkrechte Auftragsfläche reduziert werden.

Der Rückprallanteil beim Naßspritzverfahren im Dünnstrom liegt bei ca. 12 % bis 14 % und beim Naßspritzen im Dichtstrom bei ca. 6 % bis 7 % [Maidl92] . Es ist somit bei Betrachtung ausschließlich verfahrenstechnischer Parameter das wirtschaftlich günstigste Verfahren.

Rückprall darf nach der ZTV-SIB 90 [ZTVSIB90] in keinem Fall als Ausgangsmischung wiederverwendet werden. (s. DIN 18 551 [DIN18551:1992] ).

Sowohl bei der Herstellung als auch bei der Ausbesserung und Verstärkung bzw. Sanierung von Betonbauteilen mit Spritzbeton wird der Erfolg der Arbeiten in hohem Maße einerseits von der Auftragsfläche bzw. deren Vorbehandlung und andererseits von der Ausführung durch den Düsenführer beeinflußt.

Für die Vorbehandlung der Auftragsflächen gelten die Ausführungen des (Abschnitt 5.3.1.4) und der DIN 18 551, Abs. 4.6 [DIN18551:1992] . Eine Haftbrücke ist nach ZTV-SIB 90 [ZTVSIB90] im allgemeinen nicht erforderlich.

Bei der Beschichtung mit SPCC ist die Betonunterlage erstmals 24 h vorher vorzunässen [ZTVSIB90] . Sie muß jedoch zum Zeitpunkt des Aufbringens so weit abgetrocknet sein, daß sie nur noch matt aussieht.

Bezüglich der Haftzugfestigkeit zum Untergrund fordert die ZTV-SIB 90 [ZTVSIB90] einen Mittelwert von mindestens 1,5 N/mm2 und einen kleinsten Einzelwert von mindestens 1,0 N/mm2.

Für den Spritzvorgang ist DIN 18 551, Abs. 5.5 [DIN18551:1992] maßgebend. Als wesentliche einzuhaltende Bedingungen bei der Ausführung sind zu nennen [Dieck89] [Gutho90a] :

  • Spritzwinkel möglichst rechtwinklig zur Auftragsfläche,
  • Abstand der Düse zur Fläche zwischen 0,5 und 1,00 m beim Naßspritzverfahren bzw. 1,50 m beim Trockenspritzverfahren,
  • Dicke der einzelnen Spritzlagen zwischen 2 und 5 cm,
  • Auftrag der nächsten Spritzlage erst dann, wenn die jeweils vorherige die jüngere zu tragen vermag.

Da das Aufspritzen fast ausschließlich von Hand erfolgt, kommt der Erfahrung und dem Geschick des Düsenführers eine besondere Bedeutung zu, zumal dieser beim Trockenspritzverfahren auch noch die Wasserzugabe und ggf. die Zugabe von flüssigen Zusätzen vor Ort regulieren muß.

So wird ein zu nasser Beton abrutschen und ein zu trockener den Rückprall erhöhen, ganz abgesehen von einer damit verbundenen Qualitätsminderung des Spritzbetons [Hahlh86] .

Vorversuche und Eignungsprüfungen in der Vorbereitungsphase ergeben sicherlich erste gute Erkenntnisse für die Ausführung. Diese reichen allein jedoch nicht immer aus, da in der Durchführungsphase der Spritzarbeiten aufgrund der jeweiligen örtlichen Situation Korrekturen notwendig werden können.

Hinsichtlich der Kornzusammensetzung sollte das Zuschlagmaterial gemischtkörnig sein, wobei sich ein sehr hoher Anteil an grobem Korn ungünstig auswirkt, da größere Zuschlagkörner meistens als Rückprall verloren gehen. Im allgemeinen wird empfohlen, mit Kornzusammensetzungen zu arbeiten, die den B-Sieblinien der Bilder 1 bis 4 der DIN 1045 [DIN1045:1988] entsprechen [Maidl92] .

Das Größtkorn sollte 16 mm nicht überschreiten und bei engmaschiger Bewehrung besser auf 8 mm reduziert werden. In jedem Fall sollte das Größtkorn kleiner sein als ein Drittel des Förderschlauchdurchmessers [Maidl92] .

Diesbezüglich schreibt die ZTV-SIB 90 [ZTVSIB90] ein Größtkorn von 8 mm bei einer maximalen Schichtdicke von 5 cm vor; bei Schichtdicken > 5 cm darf das Größtkorn auch 16 mm betragen. Die Dicke der einzelnen Spritzlagen sollte mindestens dem 3-fachen Größtkorn entsprechen.

Die Sieblinie muß in der oberen Hälfte des Bereiches 3 oder in der unteren Hälfte des Bereiches 4 nach (Bild 5.3.1.8.1-4) bzw. (Bild 5.3.1.8.1-5) liegen.

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Bild 5.3.1.8.1-4:  Sieblinie für Beton nach DIN 1045 [DIN1045:1988] - mit einem Größtkorn von 8 mm
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Bild 5.3.1.8.1-5:  Sieblinie für Beton nach DIN 1045 [DIN1045:1988] - mit einem Größtkorn von 16 mm

Allgemein wird die Verwendung von natürlichem Rundkorn empfohlen. Die erforderlichen Festigkeiten können auch von gebrochenem Korn erreicht werden.

Gegenüber splittigem, tetraedischem Korn benötigt rundes Korn weniger Zementleim zur Umhüllung und senkt damit den Zementbedarf. Zudem vermehrt längliches, plattiges oder splittiges Korn die Gefahr von Verstopfern und führt zu erhöhtem Rückprallanteil. Auch der Materialverschleiß der Maschinen und Transporteinrichtungen zeigt sich dabei deutlich erhöht. Ein gewisser Anteil an splittigem Korn hingegen wirkt sich durch seine reinigende Wirkung auf Schläuche und Leitungen in einer Verringerung der Verstopfergefahr aus. Darüber hinaus kann die Verwendung von länglichem, plattigem oder splittigem Korn aufgrund des erhöhten Wasseranspruchs zur Porenbildung und damit zur Festigkeits- und Dichtheitsminderung sowie zu einer Schichtenstruktur führen. Natürliches Rundkorn ist demnach auch dann zu bevorzugen, wenn erhöhte Anforderungen an die Wasserundurchlässigkeit des Spritzbetons vorliegen [Maidl92] .

Es ist auch denkbar, zur Erhöhung der Korrosionsbeständigkeit besondere Zuschläge oder Spezialzemente einzusetzen.

Allgemein sind Zemente nach DIN 1164 [DIN1164-1] zu verwenden, zu denen auch die bauaufsichtlich zugelassenen Zemente zählen. Aus bauverfahrenstechnischen Gründen wird in [Grube90] empfohlen, Zemente zu bevorzugen, die einen gut klebenden, zähen Frischbeton ergeben und nicht zum Wasserabsondern (Bluten) neigen. Das sind in der Regel etwas feiner gemahlene Portlandzemente CEM I 32,5 R oder CEM I 42,5 R. Letztere werden vor allem dann verwendet, wenn ein besonders schnelles Erstarren und eine hohe Frühfestigkeit gewünscht werden.

Eine wesentliche Verbesserung der Spritzbetoneigenschaften läßt sich nach [Grube90] durch Zugabe von Mircro-silica erreichen.

Dies ist ein feinstkörniger, weitgehend amorpher, mineralischer Betonzusatzstoff, der beim Schmelzen von Siliciumlegierungen entsteht und pulverförmig oder als wäßrige Suspension (Silicasuspension) geliefert wird.

Seine günstigen Eigenschaften sind darauf zurückzuführen, daß er in der Regel mehr als 90 % an wirksamem Siliciumdioxyd (SiO2) enthält und sehr fein ist. Seine spezifische Oberfläche, gemessen nach dem Stickstoffadsorptionsverfahren, liegt zwischen 180.000 und 250.000 cm2/g und ist somit etwa 70 mal höher als die von Zement oder von Flugasche.

Aufgrund dieser Eigenschaften weist Microsilica in der baupraktischen Anwendung folgende Vorteile auf:

  • Hohes Klebevermögen mit guter Haftung am Altbeton erlaubt relativ große Schichtdicken bei geringem Rückprall;
  • Verbesserung der Endfestigkeit und der Dichtheit.

Der Wasseranspruch wird durch Microsilica erhöht. Dieser Nachteil läßt sich jedoch leicht durch Zugabe von Fließmitteln ausgleichen.

Für Microsilica und Silicasuspension [Herfu88] wurden vom Deutschen Institut für Bautechnik in Berlin Prüfbescheide erteilt.

Die üblichen Zugabemengen liegen zwischen 5 und 10 % bezogen auf Zement.

Microsilica wird vor allem zur Herstellung von hochfestem Beton und hochwertigem Spritzbeton eingesetzt [Grube90] .

Die Zugabe von Erstarrungsbeschleunigern (BE-Mittel) zum Spritzbeton ist bei dessen Anwendung für Renovierungsszwecke in Kanälen nicht erforderlich, da i.a. ausreichend Zeit für die normale Betonerhärtung gegeben ist. Außerdem werden die mit der BE-Mittel-Zugabe verbundenen Risiken vermieden [Mülle85a] .

Eine u.U. einzubauende Bewehrung ist so zu befestigen, daß sie beim Spritzen nicht federt und ihre Lage beibehält. Bei mehrlagiger Bewehrung sollte jede Lage einzeln verlegt und eingespritzt werden.

Nach DIN 18 551, Abs. 5.5. (4) [DIN18551:1992] soll die Spritzbetonoberfläche "in der Regel spritzrauh belassen werden, da bei ihrer Bearbeitung die Eigenschaften des Betons nachteilig verändert werden können. Wird eine glatte Oberfläche gefordert, so ist in einem getrennten Arbeitsgang Mörtel aufzubringen und entsprechend zu bearbeiten."

Die eingebrachten Spritzbetonschichten sind besonders sorgfältig nach DIN 1045 [DIN1045:1988] unter Beachtung der "Richtlinie zur Nachbehandlung von Beton" [DAfStB84] nachzubehandeln.

Insbesondere in den ersten Tagen nach dem Auftragen sollten Zugluft vermieden und der Spritzbetonschicht ausreichend Feuchtigkeit angeboten werden, um den frisch eingebrachten Beton gegen vorzeitiges Austrocknen zu schützen und eine ausreichende Aushärtung der oberflächennahen Bereiche sicherzustellen (s.a. [Weigl89] ).

Für Sanierungszwecke wird bevorzugt kunststoffmodifizierter Spritzbeton bzw. -mörtel eingesetzt [Koehn83b] [Koehn83a] [Sakam84] .

Neben den im (Abschnitt 5.3.1.4) angeführten Vorteilen ergibt sich beim Einsatz dieses Betons bzw. Mörtels im Spritzverfahren noch zusätzlich der Vorteil der besseren Haftung am Altbeton [Schor85] .

Beim Einsatz von Spritzverfahren, insbesondere des Trockenspritzverfahrens, muß generell mit folgenden Unfall- und Gesundheitsgefahren gerechnet werden [Gönne85] [Handk87] :

  • Verätzung der Haut, der Atemwege und der Lunge,
  • Staubgefährdung,
  • Verletzungen durch Rückprall,
  • Verletzungen an der Spritzbetonmaschine, der Düse und Verletzungen beim Beseitigen von Verstopfern,
  • Gefahr durch Materialniederbrüche.

Weitere Informationen sind in dem Leitfaden für Tunnelbauer der Tiefbau-Berufsgenossenschaft [TBG90] enthalten. Zur Beschränkung der Unfall- und Gesundheitsrisiken sind die einschlägigen Unfallverhütungsvorschriften [VBG37] einzuhalten.

Für Spritzbetonarbeiten gelten in der Bundesrepublik Deutschland neben der Unfallverhütungsvorschrift "Allgemeine Vorschriften" [VBG1] der Tiefbau-Berufsgenossenschaft die

  • VBG 37 Bauarbeiten, Abschnitt VII-Zusätzliche Bestimmungen für Bauarbeiten unter Tage [VBG37] ,
  • VBG 119 Gesundheitsgefährlicher mineralischer Staub [VBG119] ,
  • Sicherheitsregeln für Bauarbeiten unter Tage (ZH1/486) [ZH486] .

Ein Teil der o.a. gesundheitlichen Gefahren wird durch folgende Neuentwicklungen vermieden, mit denen man Spritzbeton hoher Qualität und hoher Frühfestigkeit (Tabelle 5.3.1.8.1-2) ohne Begrenzung der maximalen Schichtdicke und unter verbesserten arbeitshygienischen Bedingungen herstellen kann [Brux97] [Werth95] :

  • Alkalifreie Erstarrungsbeschleuniger (BE) in pulverförmiger oder flüssiger Form für herkömmlichen Trocken oder Naßspritzbeton. Sie bewirken:
    • Merkbar weniger und keinen ätzenden Staub und damit bessere Arbeitsbedingungen für den Düsenführer vor Ort
    • Geringeren Rückprall
    • Rasche Frühfestigkeiten
    • Hohe Endfestigkeiten
    • Sehr dichtes Gefüge
    • Wasserundurchlässigkeit.
  • Erstarrungszeitgesteuerte Bindemittel für das Trockenspritzverfahren in Form von:
    • Spritzzementen, bei denen das schnelle Erstarren durch das Weglassen des Sulfatanteils im Zement erreicht wird. Da keine Vorbenetzung der getrockneten Zuschläge möglich ist, entsteht ein erhöhter Staubanfall. Um diesen zu vermeiden, wird das Bereitstellungsgemisch über eine Abzieh- und Zuteilschnecke unmittelbar in die Förderleitung im Dünnstrom zur Spritzdüse gefördert. Dieses Verfahren ist einfach zu handhaben, wartungsarm und erlaubt eine kontinuierliche, stoß- und staubfreie Förderung bis zur Spritzdüse stufenlos von 1,5 bis 12 m3/h [Brux97] .
    • Spritzbetonbindemitteln (SBM) aus Portlandzementklinkern oder Mischzementen, die eine Mischung mit naturfeuchten Zuschlägen zulassen, ohne daß es zur Vorhydratation kommt. Die Schnellerhärtung setzt erst bei Zugabe des Hauptwasseranteils an der Spritzdüse ein, Erstarrungsbeschleuniger sind nicht notwendig.
Tabelle 5.3.1.8.1-2: 

Spritzbeton mit Erstarrungsbecshleuniger (EB) und mit Spritzbindemittel (SBM) in neuer Spritztechnologie [NN90a]

Konventionelles Verfahren SBM−Verfahren
Alkali EB Alkalifreier EB Spritzbindemittel Zuschlag
Trockenspritz−
verfahren
Trockenspritz−
verfahren
Naßspritz−
verfahren
ofentrocken naturfeucht
Zement TZ 2
beziehungsweise
Bindemittel [kg⁄m3]
340 300 350 340 370
Flual [kg⁄m3] 40 50 60 40
Frühfestigkeit J2 J2 J2 J3 J2
Druckfestigkeit
[N⁄mm2]
1 d
56 d


9
26


17
39


21
47


15
41


17
45
WU − t [mm] 42 19 13 25 19
Frühfestigkeit nach ÖBV−Richtlinie Spritzbeton; J2 = 0,5⁄5 N⁄mm2 und J3 = 1,5⁄15 N⁄mm2 nach 1⁄24
Stunden; Wassereindringtiefe t nach DIN 1048

Instandhaltung von Kanalisationen / Hrsg.: Prof. Dr.-Ing. Stein & Partner GmbH / Redaktion: D. Stein, R. Stein (2001)