Oberflächenvorbereitung

Bild 5.3.1.4-1:  Spannungen in der Verbundfuge infolge des Schwindens der Beschichtung [Schmi86] Schmi86 Schmidt, A.: Berechnung von zweischaligen Tunnelauskleidungen unter Berücksichtigung des Verbundes zwischen Spritz- und Pumpbeton. Bauingenieur 61 (1986), S. 63-72. DAfStB:1991 Richtlinie für Schutz und Instandsetzung von Betonbauteilen, Teil 1: Allgemeine Regelungen und Planungsgrundsätze (08.90), Teil 2: Bauplanung und Bauausführung (08.90), Teil 3: Qualitätssicherung der Bauausführung (02.91). Deutscher Ausschuß für Stahlbeton (DAfStb), Beuth Verlag, Berlin. ZTVSIB90 Zusätzliche Technische Vertragsbedingungen und Richtlinien für Schutz und Instandsetzung von Betonbauteilen (ZTV-SIB 90), Ausgabe 1990. Der Bundesminister für Verkehr. Verkehrsblatt-Verlag Dortmund. Stenn80 Stenner, R.: Beschichtungsstoffe für Beton. VDI-Berichte Nr. 384 (1980), S. 65-74. Semet92 Semet, W.: Die Oberflächenvorbereitung des Betonuntergrundes. In: Schuhmann, H. u.a..: Handbuch Betonschutz durch Beschichtungen. Praxis und Anwendungen, Normen und Empfehlungen. Expert Verlag. Ehningen bei Böblingen (1992). Miody94 Miodynski, Z. A.: Untergrundvorbereitung. In: Handbuch Industriefußböden. Planung, Ausführung, Instandhaltung, Sanierung. Hrsg.: Peter Seidler. 3. Auflage. Expert Verlag, Renningen-Malmsheim (1994). Kauw97 Kauw, V., Dornbusch, J.: Optimierung der Verwendung von Hochdruck-Wasserstrahl-Systemen (HDWS) bei der Betonuntergrund-Vorbereitung. Beton- und Stahlbetonbau 92 (1997), H. 6, S. 149-155. VBG87 Unfallverhütungsvorschrift Arbeiten mit Flüssigkeitsstrahlern (VBG 87). Tiefbau-Berufsgenossenschaft, München 1993. DIN18551:1992 DIN 18551: Spritzbeton; Herstellung und Güteüberwachung (03.1992). Das Dokument wurde zurückgezogen. NN84e Anwendung von Reaktionsharzen im Betonbau. Teil 3.2: Verarbeiten von Reaktionsharz auf Beton (06.84). Beton (1984), H. 8. (zurückgezogenes Dokument). Verkehrb Zusätzliche Technische Vorschriften und Richtlinien für das Füllen von Rissen in Betonbauteilen (ZTV-RISS 93); Ausgabe 1993; Technische Lieferbedingungen für Füllgut aus Epoxidharz und zugehöriges Injektionsverfahren (TL FG-EP), Ausgabe 1993; Der Bundesminister für Verkehr, Verkehrsblatt-Verlag, Dortmund.

Bild 5.3.1.4-2:  Prüfung der Oberflächenhaftzugfestigkeit [Quelle: STEIN Ingenieure GmbH] - Fixieren des Prüfstempels Quelle: STEIN Ingenieure GmbH Bildmaterial und Visualisierungen: STEIN Ingenieure GmbH, Bochum.

Bild 5.3.1.4-3:  Prüfung der Oberflächenhaftzugfestigkeit [Quelle: STEIN Ingenieure GmbH] - Abreißen des Prüfstempels Quelle: STEIN Ingenieure GmbH Bildmaterial und Visualisierungen: STEIN Ingenieure GmbH, Bochum.

Bild 5.3.1.4-4:  Prüfung der Oberflächenhaftzugfestigkeit [Quelle: STEIN Ingenieure GmbH] - Prüfstempel nach der Prüfung Quelle: STEIN Ingenieure GmbH Bildmaterial und Visualisierungen: STEIN Ingenieure GmbH, Bochum.

Bild 5.3.1.4-5:  Für Beschichtungsauftrag vorbehandelte Betonoberfläche an der Rohrinnenwand [Quelle: STEIN Ingenieure GmbH] (2x gesandstrahlt und 2x HD-Spülung) Quelle: STEIN Ingenieure GmbH Bildmaterial und Visualisierungen: STEIN Ingenieure GmbH, Bochum.

Bei allen Beschichtungsarbeiten kommt dem Betonrandbereich und seiner Oberflächenbeschaffenheit eine wesentliche Bedeutung zu. Er muß z.B. Spannungen aus dem Schwinden der Beschichtungsstoffe und nach deren Aushärtung auch Eigenspannungen im Beschichtungssystem aus Temperatur- und Feuchteänderungen sowie die auf die Beschichtung einwirkenden äußeren Kräfte aufnehmen können.

Bei einer zu beschichtenden Rohrinnenfläche ist in den meisten Fällen die hierfür erforderliche Voraussetzung nicht vorhanden, sondern muß durch eine entsprechende Oberflächenvorbereitung erst geschaffen werden.

Einen Überblick über die in der Verbundfuge auftretenden Beanspruchungen infolge Schwindens gibt (Bild 5.3.1.4-1) .

Bei den gekrümmten Rohrinnenflächen treten zusätzlich zu den bei ebenen Flächen üblichen Schubspannungen in der Verbundfuge infolge von Schwinden auch Radialspannungen auf, die eine zusätzliche Beanspruchung für den Verbund zwischen Beschichtung und Untergrund darstellen und im Fall eines nicht ausreichenden Verbundes zu einem Abheben der Beschichtung vom Untergrund mit der Bildung eines Ringspaltes führen können. Voraussetzung hierfür ist allerdings, daß die Beschichtung selbsttragend ist und eine ausreichende Festigkeit besitzt, um die auftretenden Spannungen rissefrei aufzunehmen.

In [DAfStB:1991] werden maximal zulässige Formänderungskennwerte für das Schwinden ε_S,90 nach 90 Tagen von zementgebundenen Instandsetzungsmörteln mit 1,0 ‰ - 1,2 ‰ in Abhängigkeit der Beanspruchungsklasse angegeben.

Sofern kein Versagen in der Verbundfuge auftritt, besteht - insbesondere bei dünnen Zementmörtelbeschichtungen - die Gefahr der Rissebildung aufgrund der genannten Beanspruchungen.

Vor dem Beginn von Beschichtungsarbeiten müssen der Betonuntergrund im Hinblick auf den gewählten Beschichtungsstoff und die zu erwartenden Beanspruchungen beurteilt und entsprechende Maßnahmen zur Oberflächenvorbereitung ausgewählt werden. Es empfiehlt sich immer das Anlegen von Probefeldern, um die Art der Maßnahmen und die erforderliche Nachbearbeitung sowie den hierfür erforderlichen Aufwand festzulegen.

Nach Durchführung der Maßnahmen zur Oberflächenvorbereitung ist zu prüfen, ob die zu beschichtende Fläche die erforderlichen Eigenschaften besitzt. Das wichtigste Kriterium hierfür ist die Oberflächenzugfestigkeit (Bild 5.3.1.4-2) (Bild 5.3.1.4-3) (Bild 5.3.1.4-4) (auch als Abreißfestigkeit bezeichnet) des Betonuntergrundes.

Das Verfahren zur Bestimmung der Oberflächenzugfestigkeit verläuft analog zu der Bestimmung der Haftzugfestigkeit von Beschichtungen (Abschnitt 5.3.1.5) und ist im Anhang 2 der ZTV-SIB 90 [ZTVSIB90] beschrieben.

In der Regel ist die Betonunterlage so vorzubereiten, daß zwischen ihr und der aufzubringenden Beschichtung ein fester und dauerhafter Verbund erzielt wird. Der Beschichtungsstoff muß die Oberfläche gut benetzen, fest auf ihr haften und sich mit ihr "verzahnen" können (Abschnitt 5.3.1.3.1) .

Insbesondere Rohrinnenflächen (Bild 5.3.1.4-5) mit ihren spezifischen Verschmutzungen aus dem Abwasser sollten daher vor jeder Art von Beschichtung vorbereitet werden, um einen tragfähigen Untergrund sicherzustellen.

Nach [DAfStB:1991] muß ein Betonuntergrund für eine Beschichtung

• frei sein von losen und mürben Teilen (z.B. auch von minderfesten Rißkanten) und von sich leicht ablösenden arteigenen Schichten (z.B. Zementhaut) und darf nicht abmehlen oder absanden,
• frei sein von etwa parallel zur Oberfläche oder schalenförmig im oberflächennahen Bereich verlaufenden Rissen oder Ablösungen,
• frei sein von Graten; in zu begründenden Fällen können sie belassen werden,
• eine dem zu verwendenden Beschichtungsstoff angepaßte Rauheit aufweisen,
• frei sein von artfremden Stoffen (wie Trennmittel, ungeeigneten Altbeschichtungen, Ausblühungen, Öl, Bewuchs u.ä.).

Ein besonderes Augenmerk ist möglichen Fettablagerungen zu widmen, die sich nur sehr schwer entfernen lassen. Darüber hinaus sind ggf. Beton-Nachbehandlungsmittel und Trennmittel (Schalungsöl) zu beachten, da sie ähnlich wie Fettablagerungen einen Verbund verhindern können. Kiesnester und andere Hohlstellen sind sachgerecht auszuarbeiten und auszufüllen. Bei glatten Betonflächen, z.B. bei in der Schalung erhärteten Beton- und Stahlbetonrohren, müssen die von einer glatten Zementsteinschicht überdeckten Poren und Hohlräume geöffnet und die dünnen Zementsteinschichten auf den Zuschlagskörnen entfernt werden.

Da Beschichtungsstoffe in der Regel auf den angerauhten quarzitischen Zuschlagkörnen besser haften als auf dem Zementstein, sollte der Flächenanteil der freigelegten Zuschlagkörner möglichst groß sein. Hierbei ist jedoch zu beachten, daß diese noch fest im Zementstein eingebettet sein müssen, was z.B. bei mechanisch klopfenden Verfahren, wie z.B. dem Stocken, nicht immer gegeben ist.

Die an den Betonuntergrund zu stellenden mechanischen Eigenschaften sind u.a. in [DAfStB:1991] aufgeführt. Für Mörtelbeschichtungen wird dort eine Oberflächenzugfestigkeit der Betonunterlage von im Mittel 1,5 N/mm² und einem kleinsten Einzelwert von 1,0 N/mm² gefordert.

Weist der Beton Schäden infolge eines chemischen Angriffs auf, so sind die Tiefe der Einwirkung und die Verteilung eventuell vorhandener Fremdstoffe zu ermitteln und die erforderliche Vorgehensweise (z.B. in Bezug auf den Abtrag des schadhaften Betons) festzulegen. Bei chemischen Reaktionen innerhalb des Betons (z.B. Alkalitreiben) sind eingehende Untersuchungen über Art, Ursache und mögliche Auswirkungen erforderlich. Stehen Schäden im Betonuntergrund in Zusammenhang mit Bewehrungskorrosion, so sind die Carbonatisierungstiefe und der Chloridgehalt zu bestimmen [DAfStB:1991] .

Nach einem Angriff von Schwefel-, Salz-, oder Salpetersäure muß mit dem Auftreten hygroskopischer Salzreste gerechnet werden, die vollständig entfernt werden müssen. Sie können insbesondere bei den hier nicht weiter betrachteten organischen filmbildenden Beschichtungen und Versiegelungen das Auftreten osmotischer Blasenbildung begünstigen (Abschnitt 5.3.1.1) .

Welchen Einfluß das Vorbehandlungsverfahren auf die Zugfestigkeit an der Betonoberfläche besitzen kann, zeigt die Zusammenstellung der Verfahren mit den jeweiligen prozentualen Werten für die Zu- oder Abnahme der Oberflächenzugfestigkeit an der Betonoberfläche in der (Tabelle 5.3.1.4-1) . Der Nullwert bezieht sich auf den nicht vorbehandelten Untergrund, der lediglich mit der Stahlbürste von Schmutz und Staub befreit wurde.

Diese Ergebnisse stammen von Untersuchungen aus dem Hochbau. Daraus kann abgeleitet werden, daß die verschiedenen Methoden und Verfahren der Oberflächenvorbehandlung einen relativ großen Einfluß auf die Oberflächenzugfestigkeit an der Betonoberfläche besitzen. In diesem Zusammenhang muß jedoch darauf hingewiesen werden, daß alle Verfahren ihren speziellen Anwendungsbereich besitzen [Stenn80] [Semet92] [Miody94] .

Nachfolgend wird die heute vorwiegend zur Vorbereitung von Betonoberflächen für Beschichtungen eingesetzte Reinigung mit Hochdruckwasserstrahlen (HDW) beschrieben.

Der wichtigste Systemparameter der Hochdruckwasserstrahlen ist die wirksame Strahlleistung, also das Produkt aus Druck und tatsächlichem Volumenstrom. In Laborversuchen konnte ermittelt werden, daß mit steigender Strahlleistung die Kerbtiefe des Wasserstrahl in einer Betonplatte zunahm. Durch die Veränderung der wirksamen Strahlleistung ist somit der Grad der Reinigung bzw. Abtragung am stärksten beeinflußbar [Kauw97] .

Diese Tatsache wird häufig nicht erkannt, da die Strahlleistung nicht als eigenständiger Parameter am Gerät eingestellt werden kann. Daher werden heute meistens der Wasserdruck an der Düse und/oder der Volumenstrom angegeben ohne zu beachten, daß das Produkt aus beiden maßgebend ist. Entsprechend finden sich in der Literatur lediglich Beschreibungen der Reinigungsleistung von Hochdruckwasserstrahlen, die sich an den Angaben von Druck und Volumenstrom orientieren.

Bei der Bearbeitung von Betonrohren mit einer heute üblichen Festigkeit von > B55 mittels HDW muß zudem berücksichtigt werden, daß neben der Strahlleistung die Betonfestigkeit einen erheblichen Einfluß auf den erreichbaren Betonabtrag besitzt.

Aus ökologischen Gründen geht die Entwicklung dahin, den Wasserdruck zu erhöhen und die Wassermenge zu senken. Durch die Zugabe abrasiver Stoffe, z.B. Quarzsande oder Schlacke, aber auch von Reinigungsmitteln lassen sich Wirkung und Reinigungsleistung wesentlich erhöhen.

Durch Betriebsdrücke bis 20 MPa (200 bar) und Volumenströme von 3 bis 30 l/min können auf Beton viele Verunreinigungen entfernt werden.

Für die Oberflächenvorbereitung von Betonbauteilen für die Beschichtung reicht eine Behandlung mit Drücken bis 20 MPa allein in der Regel nicht aus, da sich Bereiche mit geringer Festigkeit und schlechthaftende Teile des Untergrundes dadurch nicht entfernen lassen und ein Aufrauhen des Untergrundes nicht möglich ist. Die Mitverwendung von festen Strahlmitteln (z.B. mit Zusatzgeräten zu den Hochdruckreinigern) bringt hier eine gewisse Verbesserung.

Bei der Reinigung sind zudem folgende Faktoren zu berücksichtigen [Semet92] :

• Eine Mindestwassermenge ist erforderlich, um gelösten Schmutz und abgetragene Teilchen wegzuschwemmen.
• Bei steigender Temperatur erhöht sich die schmutzlösende Wirkung, was insbesondere bei Fett- und Ölrückständen vorteilhaft ist.

Aufpralldruck und Wassertemperatur nehmen mit zunehmendem Abstand zwischen Düse und Untergrund sehr rasch ab. Mit zunehmendem Spritzwinkel sinkt der Aufpralldruck ebenfalls sehr schnell.

Mit Betriebsdrücken von 60 - 100 Mpa (600 - 1000 bar) (einige Autoren nennen 40 - 80 MPa [Semet92] ) und Volumenströmen bis zu 130 l/min können auf Betonflächen Verschmutzungen, Anstrichreste, Feinmörtelschichten, minderfeste Schichten und Nachbehandlungsfilme entfernt, geschädigter Beton abgetragen und die Unterlage aufgerauht werden. Auch hier ist eine Kombination mit festen Strahlmitteln möglich (s.a. [Semet92] [DAfStB:1991] ). Die für die Verbesserung der Haftung von Beschichtungen gewünschte Mikrorauheit von Zementstein und Zuschlag läßt sich nur mit Sandzugabe erreichen.

Bild 5.3.1.4-6: 

Einsatzmöglichkeiten des Hochdruckwasserstrahlens in Abhängigkeit von Druck und Fördermenge [Mombe93]

Mombe93

Momber, A.: Brückeninstandhaltung mit HDW. Lösung für komlexe Bauaufgaben mit Hochdruckwasserstrahltechnik. Beton (1993), H. 8, S. 416.

Bei Betriebsdrücken ab ca. 100 MPa (1000 bar) und geringen Volumenströmen entsprechend (Bild 5.3.1.4-6) läßt sich Beton auch schneiden und ein großflächiger Tiefenabtrag erreichen.

Zum flächigen Bearbeiten des Untergrundes eignen sich handgeführte Flachstrahl- oder maschinengeführte Rotordüsen. Mit Rotordüsen läßt sich eine bessere Gleichmäßigkeit und Flächenleistung erzielen.

Die bisher eingesetzten, nicht handgeführten Geräte stammen jedoch aus dem Hochbau und sind für die Bearbeitung ebener Flächen entwickelt worden. Ein Einsatz auf gekrümmten Rohrinnenflächen erfordert daher eine Anpassung der Geräte an die örtlichen Gegebenheiten im Kanal und ist im Einzelfall zu prüfen.

Laboruntersuchungen haben ergeben, daß durch rotierende Strahlbewegungen erheblich größere Kerbtiefen in Betonplatten erzielt werden können, als bei anderen Strahlführungen. Die Steigerung betrug im Mittel 100% [Kauw97] .

Insbesondere beim Hoch- und Höchstdruckwasserstrahlen sind die sicherheitstechnischen Auflagen für das Bedienungspersonal zu beachten, da Wasserstrahlen mit ihrer hohen Energiedichte eine besondere Gefahrenquelle darstellen. In der Bundesrepublik Deutschland ist daher die Unfallverhütungsvorschrift "Arbeiten mit Flüssigkeitsstrahlern (VBG 87)" der Tiefbau-Berufsgenossenschaft besonders zu beachten [VBG87] . Bei handgeführten Geräten sind dadurch Grenzen gesetzt, daß der auftretende Rückstoß vom Ausführenden sicher beherrscht werden muß. Die aufzunehmenden Rückstoßkräfte dürfen 250 N in der Längsachse der Strahleinrichtung nicht überschreiten.

Beim Abtragen tiefer Betonbereiche kann das Strahlwasser stark alkalisch werden. Bei allen Verfahren ist daher grundsätzlich für eine ordnungsgemäße Entsorgung des anfallenden Schmutzwassers und der abgeschwemmten Rückstände zu sorgen.

Nach jeder Oberflächenvorbehandlung sind die zu beschichtenden Flächen durch Abkehren, Abblasen mit ölfreier trockener Druckluft oder Absaugen von Staub und losen Teilen zu säubern [ZTVSIB90] . Auch Hochdruckreiniger eignen sich hierfür, jedoch ist zu beachten, daß im zu beschichtenden Bereich weder Restwasser verbleiben, noch Wasser eindringen darf. Undichte Stellen sind vorab abzudichten.

Unmittelbar vor der Beschichtung müssen nach [DAfStB:1991] folgende Anforderungen erfüllt sein:

• Die meisten kunstharzgebundenen Mörtel erfordern einen trockenen bis höchstens feuchten Betonuntergrund.
• Für das Aufbringen einer zementgebundenen Beschichtung ohne oder mit Kunststoffzusatz muß bzw. kann der Betonuntergrund feucht sein.

In diesem Zusammenhang bedeuten [DAfStB:1991] :

• "Trocken": Eine ca. 2 cm tiefe, frisch hergestellte Bruchfläche darf infolge Austrocknens nicht augenscheinlich heller werden. In Zweifelsfällen gilt Beton als trocken, wenn er die Ausgleichsfeuchte für Klima 23/50 (23° C, 50 % relative Luftfeuchtigkeit) aufweist.
• "Feucht": Die Oberfläche hat ein mattfeuchtes Aussehen, darf aber keinen glänzenden Wasserfilm aufweisen; das Porensystem des Betonuntergrundes darf nicht wassergesättigt sein, d.h. aufgebrachte Wassertropfen müssen eingesogen werden und nach kurzer Zeit muß die Oberfläche wieder matt erscheinen.

In jedem Fall sind die Angaben des Mörtelherstellers bzgl. der Untergrundbeschaffenheit zu beachten. Bei Spritzbeton gelten zusätzlich die Anforderungen der DIN 18551 [DIN18551:1992] .

Elastische und plastische Dichtmittel sowie Fugendichtungsmassen dürfen nicht mit Beschichtungsstoffen überarbeitet werden, weil sich schon nach kurzer Zeit Kerbrisse bilden, die zum Versagen der Fugenabdichtung führen (Abriß an der Fugenflanke, Einreißen der Fugendichtungsmasse). In diesem ausschließlich auf begehbare Kanäle begrenzten Fall müssen die Beschichtungen an der Fugenflanke enden, weil sie Fugenbewegungen nicht aufnehmen können [NN84e] .

Bei nichtbegehbaren Kanälen wird die Beschichtung in der Regel durchgehend hergestellt.

Bei infiltrierendem Grundwasser ist die Rohrverbindung vorab abzudichten. Reste des Abdichtungsstoffes sind aus dem Kanal vollständig zu entfernen. Einzelne oberflächennahe Risse bis ca. 0,2 mm Breite sind nach ZTV-SIB 90 [ZTVSIB90] im allgemeinen unbedenklich und brauchen vorab nicht behandelt zu werden. Die Rißtiefe kann - sofern sie aus den Rißursachen nicht unmittelbar abschätzbar ist - im Zweifelsfall durch Kernbohrungen kleineren Durchmessers ermittelt werden. Geht jedoch von oberflächennahen Rissen eine weitergehende Schädigung aus (z.B. Abbrechen der Rißränder), empfiehlt es sich, die Risse nach ZTV-Riss [Verkehrb] zu behandeln. Risse mit mehr als 0,2 mm Breite oder solche, die größere Querschnittsteile erfassen, sind nach ZVT-Riss zu behandeln [Verkehrb] (Abschnitt 5.2.2.3) .

Risse mit beweglichen Rißufern können durch die üblichen Beschichtungen nicht überbrückt werden. Deshalb müssen sie entweder aufgeschnitten und elastisch verfüllt werden, oder es sind im Rißbereich rißüberbrückende Beschichtungen zu verwenden, deren Eignung für den Anwendungsfall nachgewiesen sein muß [NN84e] .

Erfolgt die Mörtelbeschichtung durch das Verdrängungs- oder Anschleuderverfahren, so ist vorab das ursprüngliche Kanalprofil in der zu beschichtenden Haltung, z.B. durch Ausgleich von Fehlstellen, wieder herzustellen.

Bei fehlender oder stärker korrodierter Sohle kann dies durch Auftragung von Mörtel von Hand, mit einem Sohlenkalibriergerät oder einem speziellen Verdrängungskörper erfolgen.

Bei größeren Löchern bzw. Rohrbruch kann ein Packer gesetzt werden, durch den ein thixotroper und schnell abbindender Mörtel in diese Bereiche eingepreßt wird.