New coating system for upgrading sewer structures

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New coating system for upgrading sewer structures
Neues Beschichtungssystem für die Ertüchtigung
von Abwasserbauwerken
Die Autoren 1 The structural maintenance of sewer structures ensures their processing functionality and thus significantly contributes to the protection of the environment
and waterways. For the current (fourth) generation of
wastewater treatment systems in Germany, DIN 1045:
2001-06 imposes considerably higher requirements
on serviceability. The current technical regulations for
sewer structures state a normative service life of 50 to
80 years; for special structures with increased exposure
Juniorprofessorin Dr.-Ing.
Dipl.-Chem. Andrea Dimmig- 25 to 40 years.
Osburg (1958), Studium der
Verfahrenschemie an der
Technischen Universität Merseburg, 1982 wissenschaftliche Assistentin am Lehrstuhl
Technische Chemie der
Friedrich-Schiller-Universität
Jena, 1989 Verfahrenstechnologin in der Forschung des
Kombinates Mikroelektronik
in Erfurt, 1990–1991 Leitung
des Labors für Forschungund Entwicklung der Epowit
Bautechnik GmbH in Weimar (zuvor Industrie- und
Spezialbau des BMK Erfurt),
1991–2003 wissenschaftliche
Mitarbeiterin am F.A. FingerInstitut für Baustoffkunde der
Bauhaus-Universität Weimar,
seit August 2003 Juniorprofessorin für Polymere Bindemittel
und Baustoffe im Bauwesen
am F.A. Finger-Institut für
Baustoffkunde der BauhausUniversität Weimar.
Dr. Wolfram Kämpfer (1954),
Studium Baustoffverfahrenstechnik an der HAB Weimar,
leitet die Arbeitsgruppe Materialbeständigkeit an der MFPA
Weimar. Arbeitsschwerpunkte
sind derzeit die Klärung von
Schadensursachen und Schadensmechanismen in Anlagen
der Wasserversorgung und der
Abwasserentsorgung sowie
Umweltsimulationsprüfungen
an Bau- und Werkstoffen.
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Sewer systems are subject to high mechanical-abrasive,
chemical, biochemical and microbiological aggressive
load and are therefore subject to significantly higher
wear than comparable civil engineering structures.
The current maintenance expenditure (absolute) for
Germany is estimated at 45 billion Euro [1].
Container structures in sewer systems are generally made of reinforced concrete. Owing to the extreme
loads and the severe biochemical-corrosive wear to
which they are exposed, special structures (pumping
stations, storage basins, preconcentration basins, digestion towers, sewage sludge basins) rarely reach the
intended service life of 25 years.
In particular, the combination of direct chemical attack by wastewaters and the biogenically formed acid
in the condensate leads to actions to which concretes
defined in DIN 1045:2001-06 have no sufficient resistance. In these structures, the limit values given in
DWA M 168 and DIN 4030 are cyclically or continually
exceeded. The consequences are leaching and softening in the edge zone of concrete, followed by layer-bylayer erosion.
For concrete exposed to highly aggressive media,
DIN 1045:2001-06 requires active protective measures, as neither the selection of specific cements and
additions nor an increase in the concrete cover would
ensure sufficient durability. From practice, damage
cases are known where the service life lasted only five
to ten years, despite interior coatings provided in the
form of thin and/or thick polymer-modified mineral
coatings or synthetic resin.
Surface erosion due to biogenic acid attack sets in
with hydrogen sulfide contents as low as ≥ 0.5 ppm and
increases progressively with higher concentrations. If
pH values of 3.5 are achieved above the water-change
zone in the condensate of the free inner surface, a corrosion rate of 0.5 to 0.8 mm per annum can be expected.
1 Die bautechnische Instandhaltung von Abwasserbauwerken gewährleistet die verfahrenstechnische
Funktionsfähigkeit und leistet damit einen wesentlichen
Beitrag zum Umwelt- und Gewässerschutz. Für die derzeitig vierte Generation von Kläranlagen in der Bundesrepublik Deutschland werden nach DIN 1045: 2001-06
deutlich erhöhte Anforderungen an die Gebrauchstauglichkeit gestellt. Die normative Nutzungsdauer von
Abwasserbauwerken wird nach den bestehenden technischen Regeln mit 50 bis 80 Jahren angegeben, für
Sonderbauwerke bei erhöhter Exposition mit 25 bis
40 Jahren.
Abwasseranlagen unterliegen durch starke mechanisch-abrassive, chemische, biochemische und mikrobiologische Angriffe einer deutlich höheren Abnutzung als vergleichbare Ingenieurbauwerke. Der
aktuelle Instandsetzungsaufwand (absolut) wird für
die Bundesrepublik Deutschland auf etwa 45 Mrd.
Euro geschätzt [1].
Behälterkonstruktionen in Abwasseranlagen sind
in der Regel aus Stahlbeton gefertigt. Durch extreme
Beanspruchungen und biochemisch-korrosiven Verschleiß wird in den Sonderbauwerken (Pumpwerke,
Speicherbecken, Voreindicker, Faultürme, Klärschlammbecken) die angestrebte Nutzungsdauer von
25 Jahren zumeist nicht erreicht.
Insbesondere die Kombination aus direktem
chemischem Angriff durch Abwässer und dem biogen gebildeten saueren Angriff im Kondensat
führt zu Beanspruchungen, bei denen Betone nach
DIN 1045:2001-06 keine ausreichende Beständigkeit
aufweisen. Die Grenzwerte nach DWA M 168 und
DIN 4030 werden in derartigen Bauwerken zyklisch
oder dauerhaft überschritten. In deren Folge kommt
es zu Auslaugungen und Entfestigungen in der Betonrandzone und nachfolgend zum schichtenweisen
Abtrag.
Bei sehr stark betonangreifenden Medien werden
nach DIN 1045:2001-06 aktive Schutzmaßnahmen gefordert, da weder die Auswahl bestimmter Zemente
und Zusatzstoffe noch die Erhöhung der Betonüberdeckung eine ausreichende Dauerhaftigkeit gewährleisten. Aus der Praxis sind Schadensfälle bekannt, bei
denen die Nutzungsdauer trotz Innenbeschichtungen
mittels kunststoffmodifizierter mineralischer Dünnbzw. Dickbeschichtungen oder Kunstharzen nur fünf
bis zehn Jahre betrug.
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An erosion rate of 1.2 to 1.8 mm per annum can be
reached at pH value of 2. For a pH value of 0, an erosion rate of up to 3.0 mm per annum can be assumed.
The extent of the damage depends on the emission rate,
which is determined by the temperature, the container
geometry and the inlet and outlet conditions, as well as
the aeration conditions [2].
General maintenance requirements
for sewer structures
Maintenance is understood to mean the conservation
of value by means of structural measures. The structures undergoing maintenance must generally be
shut down for a limited period of time. However, since
the structures are firmly anchored in a technological
process, rehabilitation concepts are drawn up under
boundary conditions with shutdown times as brief as
possible. Primary decision criteria in choosing rehabilitation methods are econo-technical aspects. A distinction is made between repair measures carried out in
locally restricted areas of a structure and the renovation
of large-scale structural components, as well as of the
entire structure.
The repair operations contain locally restricted
injection and sealing measures. Coating and lining
methods are part of renovation programs. Decisive factors that influence the choice of rehabilitation process
are, aside from the economic assessment and the remaining service life, the amounts of time required for
preparing the ground, rehabilitation and hardening.
Shutting down generally involves considerable interference with the technological process, which – under
the aspects of water protection engineering – is only
possible for a restricted period of time.
When choosing the appropriate materials for highly stressed sewer structures, the loads imposed and the
materials’ properties must be matched. This refers to
the mechanical and chemical loads and the impacts of
climate change. For processes not yet covered by a technical standard, technical approvals or test results must
be presented. The coating processes are subject to the
technical regulations of the ZTV-ING code of practice
and the rehabilitation guidelines of the German Committee for Reinforced Concrete (DAfStb). Synthetic
resin coatings represent an essential basic principle
of rehabilitation. Here, the bond behavior is of critical
significance; in particular as in most cases this involves
structural components in which moisture has penetrated from the backside.
The experiences gained so far in various demonstration projects show that damages occurred even
where all of the boundary conditions, such as the condition of the concrete base, residual moisture and quality of execution, had been observed. The formation of
blisters and detachments (osmosis) are typical damage
symptoms. When processing reactive resins the use of
solventless, totally unsaponifiable coating systems with
low moisture-induced swelling is recommended. In
planning coating measures, the minimal and the maximal coating thicknesses, the target coating thickness,
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Der Oberflächenabtrag infolge biogenen Säureangriffs beginnt bereits bei Hydrogensulfidanteilen
≥ 0,5 ppm und nimmt bei höheren Konzentrationen
progressiv zu. Werden im Kondensat der freien Innenfläche oberhalb der Wasserwechselzone pH-Werte von
3,5 erreicht, kann mit einer Korrosionsgeschwindigkeit von 0,5 bis 0,8 mm pro Jahr gerechnet werden. Bei
einem pH-Wert von 2 erreicht die Abtragsgeschwindigkeit 1,2 bis 1,8 mm pro Jahr. Für einen pH-Wert von 0
kann von einem Abtrag bis zu 3,0 mm pro Jahr ausgegangen werden. Die Schädigung hängt von den Emisionsmengen ab, die durch die Temperatur, die Behältergeometrie, die Ein- und Auslaufbedingungen sowie
die Belüftungsverhältnisse bestimmt werden [2].
Generelle Anforderungen an die
Instandhaltung von Abwasserbauwerken
Unter Instandhaltung wird die bautechnische Werterhaltung verstanden. In der Regel sind die Bauwerke
für Instandhaltungsmaßnahmen befristet außer Betrieb zu nehmen. Da diese jedoch in einem technologischen Ablauf fest verankert sind, werden Sanierungskonzepte unter den Randbedingungen einer möglichst
kurzen Außerbetriebnahme erarbeitet. Wesentliche
Entscheidungskriterien für die Auswahl von Sanierungsverfahren sind betriebswirtschaftlich-technische
Gesichtspunkte. Es wird in Reparaturmaßnahmen
örtlich begrenzter Bauteilbereiche und Renovierung
großflächiger Bauteile sowie des gesamten Bauwerkes
unterschieden.
Die Reparaturverfahren beinhalten örtlich begrenzte Injektions- und Abdichtungsmaßnahmen.
Bestandteil der Renovierung sind Beschichtungs- und
Auskleidungsverfahren. Entscheidenden Einfluss auf
die Auswahl von Sanierungsverfahren haben neben der
betriebswirtschaftlichen Beurteilung und der Restnutzungsdauer, die Dauer von Untergrundvorbereitung,
Sanierung und Aushärtung. Die Außerbetriebnahme
stellt in der Regel einen erheblichen Eingriff in den
technologischen Ablauf dar, der unter gewässerschutztechnischen Gesichtspunkten zeitlich nur begrenzt
möglich ist.
Bei der Auswahl geeigneter Werkstoffe für hochbeanspruchte Abwasserbauwerke sind die Beanspruchungen und die Werkstoffeigenschaften aufeinander
abzustimmen. Dies betrifft die mechanischen Belastungen, die chemischen Beanspruchungen sowie
die Klimawechselbelastungen. Für Verfahren, die noch
nicht durch ein technisches Regelwerk erfasst sind,
müssen bauaufsichtliche Zulassungen oder Prüfbescheide vorgelegt werden. Für Beschichtungsverfahren
gelten die technischen Regeln der ZTV-ING und der
Instandsetzungsrichtlinie des DAfStb. Kunstharzbeschichtungen stellen ein wesentliches Grundprinzip
der Instandsetzung dar. Dem Verbundverhalten kommt
hierbei eine entscheidende Bedeutung zu, insbesondere da es sich zumeist um rückwärtig durchfeuchtete
Bauteile handelt.
Die Erfahrungen, die bereits durch verschiedene
Demonstrationsprojekte gesammelt wurden, zeigen,
Dipl.-Ing. Patrick Beck (1972);
Studium des Bauingenieurwesens in der Fachrichtung
Baustoffe und Sanierung an
der Bauhaus-Universität
Weimar; Freier Mitarbeiter für
verschiedene Ingenieurbüros
mit Tätigkeitsschwerpunkt
Betonsanierung und Bauwerkserhaltung; seit 2006 am
Institut für Materialforschung
und -prüfung GmbH Nordhausen, Tätigkeitsschwerpunkte: Betoninstandsetzung,
Baustoffprüfung, Materialanalytik.
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dass selbst bei Einhaltung aller Randbedingungen
wie Beschaffenheit der Betonunterlage, Restfeuchte
und Ausführungsqualität Schäden auftraten. Blasenbildungen und Ablösungen (Osmose) sind typische
Schadensbilder. Bei Reaktionsharzen wird empfohlen, lösungsmittelfreie, vollständig unverseifbare Beschichtungssysteme mit geringer Feuchtequellung
zu verwenden. Bei der Planung von Beschichtungsmaßnahmen sind die minimalen sowie maximalen
Schichtdicken, die Sollschichtdicke, die Art der Untergrundvorbehandlung sowie der technologische Ablauf
festzulegen. Es empfiehlt sich, zunächst durch Materialprüfungen und Anlegen von Musterflächen die Eignung des Verfahrens festzustellen und ggf. eine Optimierung der Zusammensetzung vorzunehmen.
Fig. 1 Basis reaction for polyurea systems.
Abb. 1 Basisreaktion für Polyurea-Systeme.
Applikation eines neuen Beschichtungssystems in einem Modellprojekt
the manner of substrate preparation and the technological procedure must be determined. In order to determine the suitability of a system it is recommended
first to carry out materials tests and to prepare sample
surfaces and optimize them if required.
Application of a new coating system
in a model project
Within the framework of a model project, a large-scale
investigative program on the application of a new coating system on the basis of Polyurea spray elastomer was
conducted. The application program was accompanied
Tensile strength
18 … 25 N/mm2
Zugfestigkeit
Yield
250 … 430%
Dehnung
Temperature stability
–20°C …+150°C
Temperaturbeständigkeit
Adhesive tensile strength
Haftzugfestigkeit
– on steel
8… 10 N/mm2
auf Stahl
– on cast iron
6… 8 N/mm2
auf Gusseisen
– on concrete C 30/37
auf Beton C 30/37
• dry without primer
3… 5 N/mm2
trocken ohne Primer
• dry with primer
4… 5 N/mm2
trocken mit Primer
• wet without primer
2… 4 N/mm2
nass ohne Primer
• wet with primer
3…. 5 N/mm2
nass mit Primer
Processing temperature
–15°C … +40°C
Verarbeitungstemperatur
Load capability/trafficable by foot
after 4 hours
Belastbarkeit/Begehbarkeit
nach 4 Stunden
Table 1 Overview of the technical properties of polyrea spray
elastomers.
Tabelle 1 Übersicht zu technischen Eigenschaften von PolyureaSprühelastomeren.
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Im Rahmen eines Modellvorhabens wurde ein umfangreiches Untersuchungsprogramm zur Applikation
eines neuen Beschichtungssystems auf der Basis eines
Polyurea-Sprühelastomers durchgeführt. Das Applikationsprogramm wurde durch verschiedene Labortests
wissenschaftlich begleitet. Den Schwerpunkt der Untersuchungen bildete die Charakterisierung des Haftverbundes in Abhängigkeit von der Untergrundvorbehandlung sowie die Bewertung der Beschichtungen
nach Klimawechsel- und Medienbeanspruchungen
(Wasser und 10%ige Schwefelsäure) in Zeitraffertests.
Es wurden zwei modifizierte Polyurea-Systeme auf unterschiedlich vorbereitete Wandflächen eines Faulbehälters (Baujahr 1982) sowie für Labortests auf werksmäßig hergestellten Betonplatten C 30/37 aufgebracht.
Insgesamt wurden zwölf Beschichtungsvarianten in
Vor-Ort-Applikationen und 24 Varianten für die Labortests realisiert.
Bei Polyurea handelt es sich um ein Elastomer, das
durch chemische Reaktion zwischen Isocyanaten und
Aminen entsteht (Abb. 1):
» Komponente A: Aliphatische oder Aromatische Isocyanate
» Komponente B: Polyesteramine, Kettenverlängerer
und Additive.
Derzeitige industrielle Hauptanwendungen dieser Systeme liegen in den Bereichen Chemieanlagenbau und
Fördertechnik, wo entsprechend hohe Anforderungen
sowohl an chemische, als auch Temperatur- und Abrasionsbeständigkeit – verbunden mit sehr kurzfristigen
Ausführungszeiten – bestehen. Die Produktentwicklung wurde in den letzten Jahren maßgeblich in Nordamerika vorangetrieben.
Polyurea-Beschichtungen weisen eine weitgehende
Feuchteunempfindlichkeit auf, dasheißt, die Applikation kann auch auf feuchte Betonuntergründe erfolgen.
Sie sind durch kurzeVerarbeitungs- und Aushärtungszeiten gekennzeichnet (Gelzeiten: 3 bis 6 s, Klebzeiten
< 30 s, Aushärtezeiten < 6 h). Dies bedeutet, dass frisch
beschichtete Flächen in einem Zeitraum von weniger
als 4 Stunden wieder voll beaufschlagt werden können.
Weiterhin sind sie relativ unempfindlich gegenüber
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by various further on-going laboratory tests. The investigations focused on the characterization of the bond,
depending on the preparation of the substrate and the
assessment of the coating following exposure to the
loads of climate change and media (water and 10% sulfuric acid) in accelerated tests. Two modified polyurea
systems were applied to the differently prepared wall
surfaces of a digestion tank (built in 1982) as well as
to concrete slabs C 30/37 manufactured under factory
conditions. A total of twelve coating variants were realized on location and 24 variants in the laboratory tests.
Polyurea is an elastomer formed through chemical
reaction between isocyanates and amines (Fig. 1):
» Component A: aliphatic or aromatic isocyanates
» Component B: polyesteramines, chain extenders and
additives.
The principal applications for these systems currently
lie in the areas of chemical plant construction and materials handling technology, where correspondingly high
requirements are placed both on the chemical resistance and the resistance to temperature abrasion – in
conjunction with very short execution times. Product
development in recent years has been promoted particularly in North America.
Polyurea coatings are largely insensitive to moisture,
i.e. the coatings can also be applied to moist concrete
substrates. They are characterized by short processing
and hardening times (gel times: 3 to 6 s, bonding times
< 30 s, hardening times < 6 h). This means that freshly
coated surfaces can be fully functional within a period
of less than 4 hours. In addition, they are relatively insensitive to low temperatures and higher air humidity.
Application is possible at temperatures as low as –15 °C
and relative humidities of up to 90% [3].
The complete conversion to a solid guarantees no
VOC emission. Layer thicknesses from 1 to 6 mm are
possible. The coatings can be adjusted to have specific
material properties suited to special applications. Poly-
tiefen Temperaturen und erhöhter Luftfeuchtigkeit.
Die Applikation ist bei Temperaturen bis zu –15 °C sowie bei relativen Luftfeuchtigkeiten bis zu 90 % möglich [3].
Die vollständige Feststoffumsetzung garantiert
keine VOC-Emision. Es sind Schichtdicken von
1 bis 6 mm möglich. Für spezielle Anwendungen
können spezifische Materialeigenschaften eingestellt
werden. Großtechnisch erprobt wurden Polyurea-Beschichtungen auf Stahl, Gusseisen und GFK-Werkstoffen. Die Qualität der Beschichtung wird wesentlich
durch die Misch- und Spritztechnologie beeinflusst
(Systemdruck, Mischungsverhältnis). Langzeiterfahrungen für Beschichtungen auf feuchten Betonoberflächen liegen derzeit nicht vor. Die Tabelle 1 zeigt einige mechanisch-technische Kennwerte von PolyureaSystemen [4, 5, 6].
Die Anwendung von Sprühelastomeren stellt erhöhte Anforderungen an:
» die personaltechnische (Qualifizierung/Erfahrung)
und gerätetechnische Ausstattung des ausführenden Unternehmens sowie
» die materialtechnische Anpassung an spezifische
Applikationsbedingungen (Systemaufbau, Produktauswahl).
Grundsätzlich werden für die Betonunterlage Mindestdruckfestigkeiten ≥ C 20/25 und Rissbreiten ≤ 0,5 mm
gefordert. Zudem ist die Betonunterlage nach Maßgabe der ZTV-ING und der Richtlinie DAfStb-SIB vorzubereiten [7]. In diesem Versuchsprogramm wurden
weitere Vorbereitungsverfahren einbezogen.
Zwei speziell für die Anwendung in Abwasserbauwerken modifizierte Polyurea-Beschichtungen mit den
Bezeichnungen RPS-B und RPS-R wurden auf die unterschiedlich vorbereiteten Betonunterlagen auf der Innenwand eines Faulbehälter aufgesprüht (Abb. 2 bis Abb. 5).
Als Untergrundvorbehandlung kamen zum Einsatz:
» Trockeneisstrahlen mit CO2 (CO)
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urea coatings were proven in full-scale tests on steel,
cast iron and GRP materials. The quality of the coating
is significantly influenced by the mixing and spraying
technology used (system pressure, mix ratio). Longterm experiences with systems on coatings applied
to moist concrete surfaces are not yet available. The
Table 1 lists a number of mechanical-technical parameters for polyurea-systems [4, 5, 6].
The application of spray elastomers places higher
demands on:
» the technical expertise of the personnel (qualification/experience) and the technical equipment available to the company executing the job as well as
» the adjustment of the materials technology to the
specific application conditions (system configuration, product choice).
Basically, the concrete substrates that are to receive the
coating must have a minimum compressive strength
of ≥ C 20/25 and crack widths ≤ 0.5 mm. Moreover, the
concrete substrate must be prepared in accordance
with the requirements specified in ZTV-ING and the
DAfStb-SIB code of practice [7]. In this experimental
program additional preparatory methods were included.
Two polyurea coatings, designated RPS-B and
RPS-R and especially modified for application in sewer
structures, were sprayed onto differently prepared concrete substrates on the inside wall of a digestion tank
(Fig. 2 to Fig. 5).
Substrates prepared by the following methods were
used:
» Dry ice blasting with CO2 (CO)
» High-pressure water jet (HDS)
» Sand/shotblasting (FS).
The concrete wall areas were adjusted to defined
concrete moistures. The application of both systems
(RPS-B, RPS-R) was executed with and/or without
primer in each case; the primer was rolled on. In par-
Fig. 2 General overview of the interior walls of a digestion tank
made of precast components with differently prepared wall areas.
Abb. 2 Gesamtübersicht Faulbehälterinnenwände aus Betonfertigteilen mit unterschiedlich vorbereiteten Wandflächen.
Fig. 3 Preparation of substrate using high-pressure water jet.
Abb. 3 Untergrundvorbehandlung mittels HDS.
» Hochdruckwasserstrahlen (HDS)
» Feststoffstrahlen (FS).
Auf den Betonwandflächen wurden definierte Betonfeuchten eingestellt. Die Applikation der beiden
Systeme (RPS-B, RPS-R) wurde jeweils mit bzw. ohne
Primer ausgeführt, der Primer wurde aufgerollt. Parallel zu den Untersuchungen an den Musterflächen
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Fig. 4 CO2-blasted concrete surface.
Fig. 6 Hardware technology for polyurea coatings.
Abb. 4 CO2-gestrahlte Betonoberfläche.
Abb. 6 Gerätetechnik für Polyurea-Beschichtungen.
Fig. 5 Adjustment of concrete moisture by airless means (right)
and primers of the preparated wall surfaces (left).
Fig. 7 Sample slabs coated in a field test.
Abb. 5 Einstellen der Betonfeuchte mittels Airlessgerätes (rechts)
und Primern der vorbehandelten Wandflächen (links).
allel to the investigations of the sample areas in the
digestion tank, laboratory tests were conducted on
so-called composite bodies, i.e. concrete slabs of
strength C 30/37 coated on site. Apart from the parameters of moisture, materials system and primer, the temperatures of the substrates were adjusted in the area of
–12 °C to +40 °C. The hardware technology used and
the coating procedure are presented in Fig. 6 to Fig. 8.
Figure 9 illustrates the preparation of the pull-off
tests on the wall surfaces of the digestion tank provided
with different coatings. The coatings were applied by
specialized companies. Sample surface testing was accompanied by further extensive quality tests (e.g. bond
strength, visual changes such as color changes, crack
and bubble formation). As a supplement to the in-situ
investigations of the composite samples (24 basic variants), cyclic exposure to the loads of climate and media
were performed in accelerated tests. As a principal parameter for assessing the serviceability of the system,
pull-off tests were carried out to establish the bond
strength.
Fig. 9 Determination of the
adhesive tensile strength
values on the wall surfaces of
the digestion tank provided
with different coatings.
Abb. 9 Ermittlung der Haftzugfestigkeitswerte an
unterschiedlich beschichteten
Wandflächen des Faulbehälters.
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Abb. 7 Beschichtung von Probeplatten im Feldversuch.
Fig. 8 Polyurea coating of sample areas in the digestion tank.
Abb. 8 Polyurea-Beschichtung von Musterflächen im Faulbehälter.
im Faulbehälter erfolgten Laboruntersuchungen an
so genannten Verbundkörpern, dass heißt vor Ort beschichteten Betonplatten der Festigkeit C 30/37. Neben
den Parametern Feuchte, Materialsystem und Primer
wurden Untergrundtemperaturen im Bereich –12 °C
bis +40 °C eingestellt. Die verwendete Gerätetechnik
und der Beschichtungsablauf sind in den Abb. 6 bis
Abb. 8 dargestellt.
Die Abb. 9 zeigt die Vorbereitung der Haftverbundprüfungen an den unterschiedlich beschichteten
Wandflächen des Faulbehälters. Die Ausführungen
der Beschichtungen erfolgten durch Fachfirmen.
Die Musterflächen wurden über einen Zeitraum von
zwölf Monaten durch Qualitätsprüfungen (z. B. Haftverbund, visuelle Veränderungen wie Farbänderung,
Riss- und Blasenbildungen) wissenschaftlich begleitet.
Als Ergänzung zu den Vor-Ort-Untersuchungen wurBFT 12/2006
Produkte 1
Fig. 10 Adhesive tensile
strength values after one year
of real-time loading depending on materials system
(RPS-B, RPS-R, with/without
primer) and preparation of
substrate.
Abb. 10 Haftzugfestigkeitswerte nach einjähriger Echtzeitbelastung in Abhängigkeit
von Materialsystem (RPS-B,
RPS-R, mit/ohne Primer) und
Untergrundvorbehandlung.
Legend/Legende
CO Dry ice blasting
Trockeneisstrahlen
HD High-pressure water jet
Wasserhochdruckstrahlen
FS Sand/shotblasting
Feststoffstrahlen
F/T Surface moist/dry
Oberfläche Feucht/Trocken
Value element
Zahl Element
First results of the investigation
For the model project “rehabilitation of digestive tanks”
only tendential estimations on the suitability of these
polyurea coatings can currently be made. The adhesive
tensile strength values recorded after one year of real
time loading are contained in Fig. 10. The results of the
investigation so far basically confirm that the durability/tightness of sewage structures with high chemical
loads can be reinstated with polyurea spray elastomers. In this case polyurea coatings are an alternative to
traditional coating materials based on polymer-modified mineral mortars and synthetic resin coatings for
tanks of complex geometry (changes in level, pipe culverts, edges and projections), damp substrates and/or
increased air humidities. Additionally, the main argument for the use of polyurea coatings are the very short
hardening times, which allow the tanks to be put back
into operation after only two hours.
The results gained so far from the ongoing materials
investigations are:
1. As cleaning systems for a sufficiently loadbearing
concrete base, both sand/shotblasting, high-pressure water jet and CO2 blasting are suitable. The
highest adhesive tensile strengths values, however,
are achieved with sand/shotblasting. If the removal
of concrete down to a sufficiently loadbearing layer is necessary, this result can only be achieved by
means of sand/shotblasting.
2. The use of primers is absolutely necessary to achieve
the minimum required adhesive tensile strength
values of all existent substrates of concrete.
3. Sufficient adhesive tensile strengths are still
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den an Verbundkörpern (24 Grundvarianten) zyklische
Klima- und Medienbelastungen im Zeitraffertest
durchgeführt. Als Hauptparameter zur Beurteilung
der Gebrauchstauglichkeit wurde die Haftzugfestigkeit
herangezogen.
Erste Untersuchungsergebnisse
Für das Modellprojekt „Instandsetzung Faulbehälter“
können derzeit nur tendenzielle Einschätzungen zur
Eignung dieser Polyurea-Beschichtungen abgegeben werden. Die Haftzugfestigkeitswerte nach einjähriger Echtzeitbelastung sind in Abb. 10 enthalten.
Grundsätzlich bestätigen die Untersuchungen, dass
mit Polyurea-Sprühelastomeren die Dauerhaftigkeit/
Dichtigkeit von Abwasserbauwerken bei sehr starkem
chemischem Angriff wiederhergestellt werden kann.
Polyurea-Beschichtungen stellen dort eine Alternative zu traditionellen Beschichtungsmaterialien auf der
Basis von kunststoffmodifizierten mineralischen Mörteln und Kunstharzbeschichtungen dar, wo schwierige
Behältergeometrien (Ebenenwechsel, Rohrdurchführungen, Kanten, Vorsprünge), feuchte Betonuntergründe und/oder erhöhte Luftfeuchtigkeiten vorliegen.
Zusätzlich liegt das Hauptargument für den Einsatz
von Polyurea-Beschichtungen in den sehr kurzen Aushärtungszeiten, da die Behälter bereits nach zwei Stunden wieder in Betrieb genommen werden können.
Bisherige Ergebnisse der laufenden Materialuntersuchungen sind:
1. Als Reinigungsverfahren für eine ausreichend tragfähige Betonunterlage sind sowohl Feststoffstrahlen, Hochdruckwasserstrahlen als auch CO2-Strah-
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achieved with slightly damp concrete substrates
(moisture content of up to 5 M.-%).
4. The layer thicknesses for target layer thicknesses of
2.5 mm range between 1.3 and 3.2 mm. The target
layer thickness is deemed to be attained when 80%
of the measured values deviate by no more than
20%. The results achieved confirm that the requirements imposed on the expertise and the experience
of the nozzle operator are especially demanding for
coating systems of this kind.
5. Spray shadows and spray fog droplets should be
avoided and can be greatly influenced by the way in
which the nozzle is operated.
6. Cavities and detachments were detected only where
the concrete substrates ensured no sufficient bond
with regard to the pull-off strength and/or where no
primer was used.
7. When subjected to freeze-thaw cycling (–20 °C/
+20 °C), losses in adhesive tensile strength of 5 to
30% are recorded. Bond failures due to the load of
climate changes can, however, be significantly reduced by preparing the substrate by means of sand/
shotblasting and by the use of primers.
8. In the presence of pressurized and non-pressurized
moisture penetration from the backside, no detachments/cavities were evidenced. Osmotic damage
mechanisms were not detected.
9. The media resistance was confirmed by submersion
tests in water and diluted sulfuric acid.
Polyurea spray elastomer coatings place high demands
on the planning and execution of rehabilitation measures and require detailed steps for quality assurance
(control of the execution on location). Polyurea coatings
– when properly executed within the scope of a rehabilitation scheme – provide an alternative to traditional
coating materials; in particular for sewer structures of
complex geometry exposed to highly aggressive environments, very damp concrete substrates and high air
humidities.
References/Literatur
60
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len geeignet. Die höchsten Haftzugwerte werden
jedoch mit dem Feststoffstrahlen erreicht. Ist der
Abtrag des Betons bis in eine ausreichend tragfähige Schicht notwendig, dann ist dies ebenfalls nur
mittels Feststoffstrahlens zu erzielen.
2. Der Einsatz von Primern ist zwingend notwendig,
um die geforderten Mindesthaftzugfestigkeitswerte
für die meist vorliegenden unterschiedlichen Betonuntergründe zu garantieren.
3. Auch bei mattfeuchten Betonuntergründen (Feuchtegehalt bis 5 M.-%) werden noch ausreichende
Haftzugfestigkeiten gewährleistet.
4. Die Schichtdicken variieren bei einer geforderten
Sollschichtdicke von 2,5 mm zwischen 1,3 und
3,2 mm. Die Sollschichtdicke gilt als erreicht, wenn
80 % der Messwerte um nicht mehr als 20 % abweichen. Die erhaltenen Resultate belegen, dass die
Anforderungen an die Qualifikation und die Erfahrungen des Düsenführers für die Qualität derartiger
Beschichtungssysteme besonders hoch sind.
5. Spritzschatten und Sprühnebeltröpfchen sollten
vermieden werden und können durch die Düsenführung maßgeblich beeinflusst werden.
6. Hohlstellen und Ablösungen wurden nur dort detektiert, wo die Betonuntergründe keinen ausreichenden Haftverbund gewährleisten hinsichtlich
der Abreißfestigkeit bzw. wo kein Primer eingesetzt
wurde.
7. Unter Frost-Tau-Wechselbelastungen (–20 °C/+20 °C)
sind Rückgänge der Haftzugfestigkeiten von 5 bis
30 % zu verzeichnen. Durch die Vorbereitung des
Untergrundes mittels Feststoffstrahlen und den
Einsatz von Primern können Verbundstörungen bei
Klimawechselbelastungen jedoch erheblich reduziert werden.
8. Bei drückender und druckloser rückwärtiger Durchfeuchtung wurden keine Ablösungen/Hohlstellen
festgestellt. Osmotische Schädigungsmechanismen
wurden nicht detektiert.
9. Die Medienbeständigkeit wurde durch Einlagerungsversuche in Wasser und verdünnter Schwefelsäure nachgewiesen.
Beschichtungen mit Polyurea-Sprühelastomeren stellen hohe Anforderungen an die Sanierungsplanung
und -ausführung. Sie erfordern detaillierte Maßnahmen zur Qualitätssicherung (Kontrolle der Bauausführung). Bei ordnungsgemäßer Ausführung der Sanierungen stellen Polyurea-Beschichtungen insbesondere
für hoch belastete Abwasserbauwerke mit schwieriger
Behältergeometrie, hohen Beton- und Luftfeuchtigkeiten eine Alternative zu traditionellen Beschichtungen dar.
Andrea Dimmig-Osburg, Wolfram Kämpfer, Pattrick Beck
BFT 12/2006