Mörtelbeschichtung (Dickbeschichtung mit Grundierung)

Der Richtwert für die kleinste Schichtdicke von Mörtelbeschichtungen beträgt nach [DAfStB:1991] 5 mm für reaktionsharzgebundene Mörtel, 10 mm für kunststoffmodifizierte Mörtel und 20 mm für zementgebundene Mörtel. Die Schichtdicke sollte außerdem mindestens dem dreifachen Größtkorndurchmesser entsprechen. Die jeweils erforderliche Schichtdicke hängt von der verfolgten Zielstellung sowie der Schadensart ab.

Dient die Beschichtung ausschließlich als innerer Korrosionsschutz, so genügen relativ geringe Schichtdicken (mindestens jedoch 5 mm bei reaktionsharzgebundenen Mörteln); dient sie zur Wiederherstellung oder Verbesserung des Tragverhaltens der Kanäle, dann bestimmen statische Belange die Schichtdicke.

In Abhängigkeit von der Konstruktion sind für Beschichtungen in Kanalisationen folgende Beanspruchungen möglich [Hille87] :

Diffusionsvorgänge von Wasser mit verhältnismäßig geringen Drücken auf gering durchlässige oder dichte Beschichtungen. Maximal kann der hydrostatische Wasserdruck anstehen.
Diffusionsvorgänge aggressiver Stoffe, z.B. Schwefelwasserstoff mit Zerstörung der Beschichtung oder des Beschichtungsträgers durch Korrosion.
Osmotischer Druck hinter der Beschichtung bedingt durch das Bestreben zum Konzentrationsausgleich wasserlöslicher Substanzen.
Wasserdruck durch kapillaren Transport in den Porenräumen des beschichteten Betons.
Quellen von in Beschichtungssystemen enthaltenen Stoffen mit einer Verminderung der Haftung.

Aufgrund dieser Beanspruchungen kommen für Sanierungszwecke in Kanalisationen ausschließlich Mörtelbeschichtungen in Frage, da sich alle weiteren oben angeführten Beschichtungsarten für diesen Anwendungsfall als ungeeignet erwiesen haben.

Diese Aussage wird durch zahlreiche vorliegende Untersuchungsergebnisse bestätigt.

In [Sasse94] wird z.B. angeführt, daß es derzeit nicht möglich ist, für filmbildende Beschichtungen auf rückseitig durchfeuchteten Untergründen das Adhäsionsfestigkeitsverhalten zu prognostizieren.

Es lassen sich lediglich folgende Beanspruchungskombinationen spezifizieren, die nach dem derzeitigen Kenntnisstand als kritisch bzw. unkritisch eingeschätzt werden können:

Beschichtungsmaßnahmen, die auf nicht abtragend vorbereitete Betonuntergründe (glatt geschalt) bei Härtungsbedingungen von rd. 8° C mit lösemittelhaltigen Beschichtungsstoffen (hohe Lösemittelgehalte, niedrige Reaktivverdünnergehalte) ausgeführt werden, führen in aller Regel zu Schäden. Die Ausprägung der Schäden ist mit zunehmender Betonqualität signifikant größer. Sind extreme Härtungsbedingungen aus baupraktischen Gründen nicht zu vermeiden, so empfiehlt es sich, den Beton mechanisch abtragend so vorzubereiten, daß Zuschlagoberflächen sichtbar werden. Ferner sollten möglichst Stoffe mit niedrigen Lösemittelgehalten verwendet werden, wobei Systemen mit wasseremulgierbaren Harz-Härtersystemen der Vorzug zu geben ist.
Sofern lösemittelfreie Beschichtungsstoffe auf mechanisch abtragend vorbereiteten Betonuntergründen ausreichend lange bei 23° C vor einer Wasserbelastung aushärten können, ist in aller Regel nicht mit Schäden zu rechnen.

Nach [Sasse94] findet man daher auch heute noch in allen Merkblättern einen Gewährleistungsausschluß für den Anwendungsfall "Beschichtung auf permanent rückseitig durchfeuchtete Betonbauteile". Dies gilt selbst bei Systemen, die ein Prüfzeichen des Deutschen Institutes für Bautechnik (DIBt) für den Geltungsbereich des Wasserhaushaltsgesetzes aufweisen, da in den Prüfbescheiden des DIBt der Anwendungsbereich rückseitige Durchfeuchtung ausgeschlossen wird.

Zahlreiche praktische Erprobungen mit Korrosionsschutzmaßnahmen in Beton- oder Stahlbetonkanälen auf der Basis von Epoxidharzbeschichtungen wurden auch im Rahmen des Forschungsvorhabens "Demonstrationsobjekt Hamburger Sammlersystem" in Hamburg durchgeführt [Biele87a] [Damma88] .

Hierbei wurden sowohl lösemittelhaltige als auch lösemittelfreie Epoxidharze getestet, wobei die Schichtdicke von 0,3 mm bis 3 mm, also unterhalb der Schichtdicke für Mörtelbeschichtungen mit reaktionsharzgebundenen Mörteln, variiert wurde.

Bild 5.3.1.1.4-1:

Blasenbildung bei einer Reaktionsharzbeschichtung auf Beton [Biele79b]

Die Erfahrungen, die dabei gewonnen wurden, waren, trotz Einhaltung aller Randbedingungen bzgl. der Reinigung und Beschaffenheit der Betonoberfläche (Sandstrahlen, Trocknung des Betons bis auf eine Restfeuchte von 3 %, Aufbringen der Beschichtung bei einer Raumtemperatur von 16° C und einer relativen Luftfeuchtigkeit von 65 %), negativ [Biele87a] . So traten selbst bei den größeren Schichtdicken Blasenbildungen (Bild 5.3.1.1.4-1) und Ablösungen der Beschichtungen auf, die nach [Damma85] nur mit auftretender Osmose erklärbar sind. Die gleichen Erscheinungen wurden bei Beschichtungen auf der Basis von Teerpech und Epoxid-Teerpech festgestellt. Diese Ergebnisse werden durch Erfahrungen und Forschungsergebnisse anderer bestätigt [Benke75] [Mülle80b] [Fiebr84] .

Zu osmotischen Erscheinungen kommt es immer dann, wenn wasserlösliche Stoffe durch eine semipermeable Membran von Wasser getrennt sind, so daß Lösungen unterschiedlicher Konzentration an beiden Seiten dieser Membran vorliegen.

Das Wasser (Lösemittel) ist dabei bestrebt, durch Diffusion durch die semipermeable Membran in die höher konzentrierte Lösung einen Konzentrationsausgleich herbeizuführen. Der sich in der höher konzentrierten Lösung aufbauende hydrostatische Druck wird als osmotischer Druck bezeichnet.

Für das Zustandekommen osmotischer Blasenerscheinungen in Beschichtungen auf mineralischen Untergründen müssen folgende Bedingungen gegeben sein:

Innerhalb der Beschichtung bzw. in der Grenzfläche zwischen Betonuntergrund und der Beschichtung müssen wasserlösliche Substanzen vorhanden sein.
Die Beschichtungsstoffe müssen druckdicht sein, so daß der zur Ausbildung des Blasenhohlraumes notwendige Druck aufgebaut werden kann.
Es muß eine semipermeable Membran vorhanden sein, wobei entweder die Blasenwände (Beschichtungsmaterial) oder der grundierte Betonuntergrund als solche fungieren können.
Außerhalb der Beschichtung müssen Wassermoleküle vorhanden sein (hierzu reicht u. U. auch die im Beton vorhandene Ausgleichsfeuchte aus).

Für das Entstehen osmotischer Blasenerscheinungen bei beschichteten mineralischen Untergründen gibt es nach derzeitigem Kenntnisstand im wesentlichen zwei Deutungsansätze. Diese unterscheiden sich vornehmlich dadurch, daß im ersten Fall die druckdichte Deckbeschichtung und im zweiten Fall die grundierte Betonoberfläche als semipermeable Membran wirkt. Die semipermeablen Membranen können dabei porös, aber auch unporös sein. Im letztgenannten Fall spricht man von einer sogenannten Diffusionsmembran.

Unter Diffusion versteht man das Eindringen von Molekülen vorwiegend gasförmiger oder flüssiger Stoffe in angrenzende Schichten aufgrund der ständigen Molekularbewegung. Der Vorgang kann auch durch feste Stoffe (Wände, Anstrichschichten) hindurch erfolgen.

Entscheidend für die Wirkung der semipermeablen Membran ist, daß die Summe der Flüssigkeitsströme aus der niedrig konzentrierten Lösung zur hochkonzentrierten Flüssigkeit (dem Blasenkeim) wesentlich größer ist als in umgekehrter Richtung.

Das niedrig konzentrierte Flüssigkeitspotential kann dabei einmal das Wasser im Beton oder das Wasser oberhalb der Beschichtung sein. In beiden Fällen müssen jedoch innerhalb des Beschichtungsaufbaus bzw. in der Grenzfläche grundierter Beton/Beschichtung wasserlösliche Substanzen vorhanden sein, die zu osmotischen Keimen führen können.

1. Im ersten Fall wird das Entstehen osmotischer Drücke damit erklärt, daß Wasser an der Beschichtungsoberseite durch die Deckbeschichtung (als semipermeable Membran) penetriert und in einem wässrigen Blaseninhalt hoher Konzentration eine Konzentrationserniedrigung bewirkt.

2. Im anderen Fall (grundierte Betonoberfläche als semipermeable Membran) penetriert das Wasser aus einer niedrigeren osmotischen Konzentration aus dem Beton von der Rückseite durch die grundierte Betonoberfläche in eine osmotische Keimzelle.

Die Herkunft der osmotisch wirkenden Substanzen ist unterschiedlich.

Im ersten Fall können wasserlösliche Substanzen bereits im Ausgangsmaterial der Beschichtungsstoffe vorhanden sein. Im Beschichtungssystem können nicht verdampfte Lösemittel bzw. nicht ausreagierte Komponenten (Harz bzw. Härter) das Zustandekommen osmotischer Keime oder Zellen auslösen. Zum anderen können osmotisch wirkende Substanzen auch das Ergebnis von Verseifungsreaktionen sein oder aus Verunreinigungen auf der Betonoberfläche zum Beschichtungszeitpunkt resultieren [Sasse94] .

Im zweiten Fall wird davon ausgegangen, daß die osmotisch wirkenden Substanzen aus dem Zementstein stammen.

Nach [Hense95] treten Blasenbildungen bei organischen Beschichtungen auf zementgebundenen Untergründen nur auf, wenn sich Alkalihydroxide (KOH und NaOH) und geringe Mengen von Calciumhydroxid aus den zementgebundenen Baustoffen in dem Porenwasser lösen und so an die Grenzfläche zwischen Grundierung und den nachfolgenden Schichten gelangen.

Dieser Vorgang wird z.B. durch Naßlagerung oder auch durch rückseitige Durchfeuchtung der Untergründe gefördert.

Bei der anschließenden Reaktion von Kohlendioxid (CO₂) mit den Alkalihydroxiden entstehen Alkalicarbonate, die wiederum mit Calciumhydroxid zu Calciumcarbonat (CaCO₂) reagieren. Diese Calciumcarbonate verstopfen die Poren mit einem Durchmesser in der Größenordnung zwischen 50 und 5 Nanometer (Kapillarporen) und verengen die größeren Poren. Das Calciumcarbonat baut so in der obersten Zone des Betons oder zwischen der Grundierung und den nachfolgenden Schichten eine semipermeable Membran auf.

In der Praxis werden meistens die kleinen, in der Grundierung noch vorhandenen Poren verstopft.

Zahlreiche, zu unterschiedlichen Zeitpunkten durchgeführte Untersuchungen an Blaseninhalten ergaben, daß im wesentlichen zuerst Kaliumhydroxid und danach Kaliumcarbonat bzw. Natriumhydroxid/Natriumcarbonat, aber nur geringste Mengen von Calciumverbindungen in den Lösungen enthalten waren. Zusätzlich waren kleine Mol-Mengen an organischen Stoffen in den Blaseninhalten vorhanden, die jedoch zu gering waren, um den osmotischen Druck in den Blasen aufzubauen.

Als Ursache für den Aufbau des osmotischen Druckes für eine Blasenbildung kommen somit nach [Hense95] nur die Alkalihydroxide bzw. Alkalicarbonate aus dem Beton in Betracht.

Desweiteren wird in [Hense95] berichtet, daß auf Faserzementplatten und auf Betonen mit hohen Festigkeiten (B55) osmotische Blasen eher auftraten, als auf Betonen mit geringeren Festigkeiten (B15).

Der Alkaligehalt und der pH-Wert der Blaseninhalte war bei den höherfesten Betonen deutlich größer. Da die Betondruckfestigkeit von Beton- und Stahlbetonrohren nach DIN 4032 [DIN4032:1981] bzw. DIN 4035 [DIN4035] heute mindestens der Festigkeitsklasse B45 entsprechen muß, häufig aber auch deutlich darüber liegt, besteht bei organischen Beschichtungen in derartigen Rohren ein erhöhtes Risiko für Blasenbildung.

Für die Blasenbildung organischer Beschichtungen auf Betonuntergründen können darüber hinaus folgende Einflüsse ursächlich sein:

1. Eine Blasenbildung kann nach [Hense95] bei organischen Beschichtungen schon bei der Applikation der Materialien auftreten. Diese Blasen entstehen dadurch, daß Luft aus dem Untergrund infolge Erwärmung und Volumenvergrößerung austritt. Dieser Fall tritt bei Applikation eines Beschichtungsstoffes auf einen Untergrund mit geringerer Temperatur auf. Mit gleichen Erscheinungen muß auch gerechnet werden, wenn das beschichtete Teil nach der Applikation erwärmt wird.

2. Darüber hinaus kann Tauwasserbildung während der Beschichtungsarbeiten zur verstärkten Blasenbildung führen. Dieses Phänomen wird damit erklärt, daß das lösungsaktive Tauwasser auch viele wasserlösliche Substanzen anlöst und somit in kurzen Zeiträumen wesentlich mehr Blasen entstehen können, als bei Beschichtungssystemen, die während des Beschichtens und Aushärtens nicht mit Tauwasser in Berührung kommen [Sasse94] .

3. In einem anderen Fall diffundiert Schwefelwasserstoff (H₂S) durch die Beschichtung, löst sich im Kondenswasser der Betonporen, oxidiert zunächst zu schwefeliger Säure, dann zu Schwefelsäure und zersetzt so den Beton hinter der Beschichtung. Da im Gegensatz zu nicht beschichteten Betonflächen die schwefelige Säure nicht mit dem sich immer neu bildenden Kondenswasser zur Kanalsohle hin abfließen kann, ergeben sich, wie bei relativ neuen Betonkanälen in einigen Fällen beobachtet werden konnte, unter ungünstigen Bedingungen erheblich stärkere Zerstörungen in den beschichteten Bereichen als in den ungeschützten Bereichen [Ruffe86] .

In der Literatur finden sich gelegentlich Hinweise auf den Kapillardruck als mögliche Ursache für das Adhäsionsversagen von Reaktionsharzbeschichtungen auf Beton.

Dabei geht man von folgenden Vorstellungen aus:

Die Oberfläche eines nicht wassergesättigten Betonporenraumes wird beschichtet.
Bei ausreichendem, rückseitigem Wasserangebot wird Wasser in nicht gesättigte Kapillarporen aufgrund der kapillaren Saugkraft eingesogen. Eine Verdunstung erfolgt praktisch nicht mehr.
Zwischen Beschichtung und Wasserfront der Kapillare befindliche Luft wird komprimiert und übt örtlich einen Druck auf die Beschichtung aus.

In [Sasse94] werden für durchaus übliche Porenradien die Kapillardrücke berechnet.

Für einen Porenradius von 30 nm ergibt sich ein Innendruck von 4,85 N/mm² und für einen Porenradius von 1 µm wird ein Innendruck von 0,15 N/mm² angegeben.

Dies bedeutet, daß bei höherfesten Betonen, wie z.B. Rohrbeton (> B45), aufgrund der dort geringeren Porenradien mit erhöhten Kapillardrücken im Vergleich zu Normalbeton gerechnet werden muß.

Experimentelle Untersuchungen an zwei Mörtelscheiben ergaben dagegen lediglich Kapillardrücke von 0,01 N/mm² und 0,2 N/mm².

Stenner gibt in [Stenn80] einen Kapillardruck von 1,2 N/mm² für einen Beton an.

Hiernach tritt ein Adhäsionsversagen der Beschichtung auf Beton aufgrund der Belastung durch Kapillardruck auf, wenn sie eine geringere Haftzugfestigkeit aufweist.

Hydrostatische Drücke in der Grenzfläche Betonsubstrat/Beschichtung kommen nur bei extremen Betriebsbeanspruchungen als Ursache für ein Adhäsionsversagen in Betracht.

Durch im Beton vorhandene Poren und Risse kommt es zu Strömungs- und Diffusionsvorgängen. Diese entstehen immer dann, wenn im Beton lokal unterschiedliche Wassergehalte vorliegen, insbesondere in folgenden Situationen:

Rohr innen feucht, außen dräniert durch Kies- oder Sandbettung (Leitung über Grundwasser),
Rohr innen trocken (Gasraum), außen feucht (Leitung im Grundwasser oder über Grundwasser gebettet in wassergesättigtem bindigem Boden),
lokal unterschiedlich verlaufende Hydratationsvorgänge.

Nach einer gewissen Zeit (in Abhängigkeit von z.B. Wasser-Zement-Wert und Verdichtungsgrad) kommt es zu einem Konzentrationsausgleich. Poröse Stellen oder Risse im Beton können diese Zeitdauer verkürzen. Hinter einer dichten Beschichtung kann aufgrund der beschriebenen Strömungs- und Diffusionsvorgänge maximal der hydrostatische Außenwasserdruck auftreten [Latz89] [Lohme85] [Gösel83] .

Durch filmbildende Beschichtungen auf Betonflächen kann die Wasserdampfdurchlässigkeit der Betonoberfläche je nach Schichtdicke und Bindemittelart des Beschichtungssystems reduziert werden, d.h. Beschichtungen können einen nennenswerten Diffusionswiderstand gegen Wasserdampf besitzen.

Hierdurch können u.U., je nach Ausbildung der örtlichen Beanspruchungen infolge Feuchtigkeit, folgende Schadensmechanismen ausgelöst werden:

Wasseranreicherung in der oberflächennahen Betonzone unmittelbar hinter der Beschichtung
Aufbau von gas- oder flüssigkeitsförmigem Druck aus dem Bauteilinneren, der bei unzureichender Adhäsion zu Ablösungen der Beschichtung führen kann.

Aufgrund dieser Gefahren werden in den entsprechenden Regelwerken [DAfStB:1991] [ZTVSIB90] Anforderungen an filmbildende Beschichtungen bezüglich des Diffusionswiderstandes gegen Wasserdampf durch Angabe einer äquivalenten Luftschichtdicke spezifiziert.

Die äquivalente Luftschichtdicke gibt an, wieviel mal undurchlässiger gegen Wasserdampf der betreffende Beschichtungsstoff im Vergleich zur ruhenden Luft ist. Sie ergibt sich als Produkt aus der tatsächlichen Trockenschichtdicke der Beschichtung und der Diffusionswiderstandszahl, die als Materialkennwert des Beschichtungsstoffes nach DIN 52615 [DIN52615] experimentell bestimmt wird.

In den Regelwerken wird als maximal zulässiger Wert eine äquivalente Luftschichtdicke von 4 m angegeben [Sasse94] .

Zur Verhinderung der Blasenbildung bei Reaktionsharzbeschichtungen empfiehlt [Riech80] , nur lösemittelfreie, vollständig unverseifbare Beschichtungssysteme mit geringer Wasserquellbarkeit anzuwenden. Außerdem sollte man eine lösemittelfreie Grundierung aufbringen und den Beton von außen gegen Wasser abdichten (s. z.B. DIN 18 195 [DIN18195:1996] ), um auf diese Weise den Zutritt von Wasser zu der gefährdeten Rückseite der Beschichtung zu verhindern. Diese Bedingungen sind insbesondere dann zu beachten, wenn massige Bauteile mit niedriger Temperatur (z.B. 10° C) zu beschichten sind (z.B. Trinkwasserbehälter, Klärbecken, eingeerdete Rohre, Schwimmbäder, Faulschlammbehälter). Nicht ausreichend ausgetrocknete Betonbauteile können jedoch auch genügend Wasser für Blasenbildungen aufweisen. Bei Beschichtungen auf Zementbasis treten aufgrund ihres porösen Gefüges und ihrer Eigensteifigkeit derartige Auswirkungen nicht auf. Hier ist in erster Linie die Korrosionsbeständigkeit maßgebend.

Für die Planung von Beschichtungsarbeiten ist es erforderlich, neben der Berücksichtigung der im (Abschnitt 5.1) genannten Anforderungen, insbesondere die Parameter zu erfassen, welche die Güte und die Dauerhaftigkeit der Beschichtung beeinträchtigen.

Die in diesem Zusammenhang wichtigsten Planungsparameter sind:

äußere und innere Beanspruchungen,
Rohrwerkstoff, Oberflächenbeschaffenheit und -festigkeit, Verschmutzungs- und Feuchtigkeitsgrad, Temperatur, - Nutzungsdauer,
Zeitpunkt und Dauer der Ausführung,
Baustellen- und Witterungsbedingungen bei der Ausführung,
Instandhaltungsmöglichkeit,
Wasserhaltung.

Basierend auf diesen Parametern, erfolgt die Auswahl des optimalen Beschichtungssystems, und zwar:

Beschichtungsaufbau und -stoffe (Schichtdicke),
Untergrundvorbehandlung,
Applikationsverfahren,
Zeitplan für die einzelnen Arbeitsschritte.

Es empfiehlt sich, rechtzeitig vor Beginn der Sanierungsmaßnahme durch Eignungsprüfungen, Probebeschichtungen und Einlagern von Probekörpern aus dem Beschichtungsstoff in der Kanalatmosphäre und im Abwasser die optimale Zusammensetzung des Beschichtungsstoffes sowie die Bedingungen für die Applikation unter den Verhältnissen der betreffenden Baustelle festzulegen.

Dabei sind auch Aussagen über die Verarbeitbarkeitsdauer, die zeitliche Entwicklung der Druck-, Biegezug- und Haftzugfestigkeit, das Schwindverhalten, die Wasserdichtheit bzw. Dampfdurchlässigkeit sowie den frühestmöglichen Wasserbelastungszeitpunkt zu Eignungsprüfung machen, um möglichst frühzeitig die betreffende Haltung wieder in Betrieb setzen zu können.