tungen hinterfeuchteten Betons - MPA

Schäper, M.; Wächter, B
Vermeidung der Blasenbildung von Reaktionsharzbeschichtungen hinterfeuchteten Betons
1.
Einleitung
Die Reaktionsharzbeschichtung hinterfeuchteter Betonflächen ist notwendig in zwei
Fällen:
Fall a) Die hochwertige Nutzung einer WU-Konstruktion verlangt eine staubtrockene Luft.
Fall b) Die WU-Konstruktion ist gegen schädliche Einflüsse aus der Nutzung zu
schützen, z. B. im Fall einer Tiefgarage gegen eingeschleppte Chloride.
Für nach a) und b) notwendige Reaktionsharzbeschichtungen auf hinterfeuchtetem
Beton drohen Blasenschäden. Bild 1 zeigt ein drei Jahre junges Gebäude mit Blasen an
der WHG-Beschichtung eines Laborbereiches auf der WU-Bodenplatte.
Im Zentrum der vorgestellten Versuche steht die Verhinderung der Blasenbildung
von Reaktionsharzbeschichtungen auf hinterfeuchtetem Beton durch Variation der bauseitigen Anwendungsvoraussetzungen und der Applikationsmethoden vor Ort. Variiert
wird also die Performance des Betonuntergrunds und die Interaktion zwischen Beschichtung und Untergrund. Für die Blasenbildung der Beschichtungen sind osmotische
und/ oder durch Druckunterschiede induzierte Transportvorgänge im Porengefüge des
Zementsteins der betrachteten Übergangszone verantwortlich (siehe z. B. [7]). Es wirkt
dabei Betonporenwasser auf die polymere Reaktionsharzbeschichtung ein.
Die erste der fünf vorgestellten Versuchsreihen an der MPA Wiesbaden startete
1997, die letzte Versuchsreihe läuft zurzeit noch. Die jeweilige Versuchsdauer überstieg
zum Teil 2 Jahre.
Von den beteiligten Produktherstellern wurden drei Produktansätze A bis C für die
verwendeten, auf die Applikation auf hinterfeuchtetem Beton ausgerichteten Beschichtungssysteme bereitgestellt. Jeder dieser Produktansätze wurde, unabhängig von der
MPA Wiesbaden, parallel zu den Versuchen von den Produktherstellern weiterentwickelt.
2.
Die bekannten, absolut notwendigen betontechnologischen Vorbedingungen
der Vermeidung der Blasen
2.1. Die Vorbedingung einer ausreichenden Dichtheit des Betons
Typische Fälle einer hohen Wahrscheinlichkeit des Auftretens von Beschichtungsblasen
sind in [3] beschrieben:
a) Auf wenig dichten Betonbodenplatten und Balkonestrichen ist im Fall der
Hinterfeuchtung eine hohe Gefahr einer Blasenbildung gegeben.
b) Auch dünne Platten < 5 cm neigen bei Hinterfeuchtung zur Durchnässung.
c) Eine hohe Voraustrocknung des Betons fördert einen plötzlich einsetzenden
Wassertransport hinter eine Beschichtung.
Die Materialparameter nach [3] für eine entsprechende Blasenvermeidung lauten:
zu a) w/z ≤ 0,6
zu b) min h = 20 cm
zu c) Eigenfeuchte des Betons ≥ 4 M.-%
Bei Widerspruch zu einer dieser Bedingungen kann bereits kapillar aufsteigendes
Wasser Blasen auslösen. Die in Bild 1 dargestellte Blasenbildung war leider aufgetreten
durch eine zu gut ausgedachte Betontechnologie:
Die oberen 5 cm der Bodenplatte sollten für die bessere Resistenz und aus Risssteuerungsgründen aus Stahlfaserbeton erstellt werden. Wie das Bild 2 im Nachhinein zeigte,
wurde dieser Aufbau aber nicht mehr frisch in frisch eingebaut. Oberhalb der oberen
Bewehrungslage baute sich unter dem Stahlfaserbeton eine Hohlschicht aus (siehe
Bohrkern in Bild 2). Infolge der Tatsache, dass auch das Wandfugenband auf der oberen
Bewehrungslage stand und in den Aufbeton eingebettet wurde, kam es zu Wassereintritt
in die Hohlschicht von der Seite her: dann war plötzlich die Stahlfaserbetonschicht nicht
dick und dicht genug, um der Blasenbildung zu widerstehen.
2.2. Die Vermeidung von AKR empfindlicher Gesteinskörnung im Beton
Der Einfluss von Gesteinskörnungen auf die osmotische Blasenbildung von polymeren
Beschichtungen auf Beton wird in [4] experimentell untersucht. Es wird ein eindeutiger
Zusammenhang zwischen der Alkalireaktivität der Gesteinskörnung des Betons und der
Blasenbildung einer Beschichtung abgeleitet. Es ist die Bildung des Wasserglasgels bei
der AKR-Reaktion die zu der für Osmose vorausgesetzten halbdurchlässigen Membran
führt.
3.
Versuche an der MPA Wiesbaden zur Vermeidung von Beschichtungsblasen
3.1. Der grundsätzliche Versuchsablauf
Auf Basis der Versuchsanordnung aus [5] wurden 6 cm dicke, also hinterfeuchtende,
oberseitig beschichtete und seitlich versiegelte 30 cm x 30 cm Betonplatten 5 cm tief ins
Wasserbad getaucht. Die gewählten Vorlagerungsvarianten bis zur Lagerung im Wasserbad und das jeweilige Klima der gewählten Lagerungsarten zeigt Tabelle 1.
Bild 1
Blasen an einem Neubau-UG
Bild 2
Ursache der Blasen aus Bild 1
Normallagerung
bei
Normklima
Vorklima
28 d
7d
21 d
11 d
„trocken – kalt“
15 min
1 -3 d
7d
Wasserbad
kalt
Wasserbad
normal
28 – 128 d
> 28 – 128 d
8°C
Wasserbad
20°C
Wasserbad
20°C / 65% r. L.
„normal“
„normal – kalt“
14 d
3d
Beschichten Aushärtung
20°/ 65%
50°C / 15% r. L.
8°C / 60% r. L.
„nass – kalt“
20°C Wasser
„nass“
Tabelle 1 Lagerungsvarianten in den Versuchen
3.2. Reihe 1 aus 1997: geringe Blasenbildung von Beschichtungen auf Beton hoher
Qualität
Zum Zeitpunkt des Startes dieser in [6] veröffentlichten Versuche galten zur Vermeidung von Blasenbildungen folgende Maßnahmen als entscheidend:
• Verwendung lösemittelfreier und benzylalkoholfreier Grundierungen. Dies wird
bestätigt werden.
• Erzielung einer dichten Versiegelung des Untergrundes durch mehrfache Grundierung. Als schädlich wurde eine zu dünn applizierte und durch Abstreuung
perforierte Grundierung angesehen. Dies wird sich im Lauf dieser Versuche als
falsch herausstellen.
• Als riskant galten dichte Betonuntergründe mit niedrigem w/z. Dies wird sich im
Lauf der Versuche als falsch herausstellen.
• Erzielung eines hohen Vernetzungsgrades der Kunstharze vor dem Eintritt der
Hinterfeuchtung. Dies wird bestätigt werden.
Entsprechend der zum großen Teil falschen Vorgaben stand in dieser Reihe der w/z =
0,45 als angeblich schadensträchtig im Fokus. Tatsächlich bildeten sich aber für die getesteten Beschichtungsvarianten des Produktansatzes A eines kooperierenden Beschichtungsherstellers relativ wenig Blasen, zumindest deutlich langsamer entstehende
Blasen. Andererseits brachte der Verzicht auf die angeblich Blasen-bewirkende Grundierungsabstreuung keine Blasenverhinderung; alle Platten waren sandgestrahlt. Die
Tatsache, dass eine der zwei Grundierungen benzylalkoholhaltig war, wirkte sich hier
nicht als besonders negativ aus.
Das eigentliche Ergebnis dieser Versuchsreihe war es, dass die wenigen Versuche
am Beton mit w/z = 0,6 im Einklang mit [3] deutlich schlechtere Ergebnisse lieferten als
an denen mit w/z = 0,4. Und - der angeblich zur Blasenverhinderung führende Verzicht
auf eine Abstreuung der Grundierung verhinderte eine Blasenbildung nicht.
Die aufgetretenen Blasen bildeten sich hier und bei allen nachfolgenden Reihen fast
ausschließlich zwischen Betonuntergrund und Grundierung und zwar sowohl über zementsteinreichen Betonoberflächen (Bild 3) als auch direkt über Gesteinskörnern.
3.3. Reihe 2 aus 2003: Blasenbildung bei Beschichtungsveränderung vor Applikation
Als Untergrund für die hier vor Applikation veränderte Beschichtung - wieder nach dem
Produktansatz A - wurde der erkanntermaßen blasenträchtige gewählt: Beton mit nur
w/z = 0,6, sandgestrahlt, Grundierung ohne Abstreuung.
Bei den gleichen Grundierungen wie für Reihe 1 erwies sich nun die gegenüber G1
mit 12 % Benzylalkohol versetzte Grundierung G2 als deutlich blasenempfindlicher.
Ein simulierter Mischfehler gegenüber G1 in Form eines 20 %igen Härterüberschusses
war nicht eklatant schadensvergrößernd.
Eine Hydrophobierung des Untergrunds vor Applikation der Grundierung zeigte keine signifikante Auswirkung auf die Blasenbildungen.
3.4. Reihe 3 aus 2005: Bei wenig Osmose auffälligen Beschichtungen hilft grundsätzlich eine Grundierungsabstreuung zur Blasenvermeidung
Im Fokus dieser Reihe aus 2005 stand die Quantifizierung der positiven Wirkung einer
Abstreuung (Tabelle 2).Der Beton hatte den w/z-Wert 0,6 und wurde sandgestrahlt. Es
wurde eine grob- und eine feinkörnige Quarzsandabstreuung verwendet, je wiederum
als definierte Abstreuung mit 800 g/m² (siehe z. B. Bild 4) und als satte Abstreuung mit
1600 g/m². Neben dem Produktansatz A kam hier der Produktansatz B hinzu. Tatsächlich zeigten hier alle Quarzsand-abgestreuten Varianten für beide Produktansätze keine
Blasenbildung.
Als weitere Abstreuungsvariation kam hier die Kornform hinzu. Bei Grundierung mit
Glaskügelchen zeigte die Beschichtung nach einem halben Jahr, in dem für die Variante
ohne Abstreuung die Blasenbildung im Vergleich zur 2-Jahres-Betrachtung überall angelegt war, ebenfalls keine Blasen: es ist also nicht die zur Perforation neigende kantige
Form des Quarzsandes das Entscheidende. Dies wurde durch die Wasseraufnahmeversuche in Bild 5 bestätigt: Perforationen der Beschichtung durch die Abstreuung der
Grundierung mit gebrochenem Korn gegenüber Kugelkorn waren offensichtlich kaum
aufgetreten.
Bild 3 typische Blasen
Bild 4 Abstreuung grob definiert
Mit den 2 Jahren Versuchsdauer traten plötzlich für die Glaskugelabstreuung massiv
AKR-Blasen auf infolge der Reaktion von betonnahen Glaskügelchen mit der Betonporenflüssigkeit. Diese hatten die mit dem Versuchsziel dieser Reihe nichts zu tun.
Vorklima
Oberfläche
Hersteller
Beschichtungssystem
ohne
w/z = 0,6
Grundierung 400 g/m²
Abstreuung
Quarzsand
Glaskügelchen
0,1 / 0,4 und 0,4 / 0,8
0,1 / 0,4
0,4 / 0,8
je 1600 g/m² und 800 g/m² 1600 g/m² 800 g/m² 1600 g/m²
Deckschicht 2 x 400 g/m²
t = 2 Jahre
trocken kalt
normal kalt
A
nass kalt
gestrahlt
trocken kalt
B
Intensität
normal
- kalt
nass
- kalt
5
4
3
2
1
0
Blasengröße
Blasenmenge
Tabelle 2 mit Reihe 3 aus 2005
Die kapillare Wasseraufnahme auf der Oberseite der Beschichtungen in Abhängigkeit von der Grundierungsabstreuung
(Ku = Kugelabstreuung); Zeitpunkt: ¾ Jahr
Beschichtung nach Produktansatz A
Beschichtung nach Produktansatz B
Bild 5 Wasseraufnahme
Die beiden getesteten Produktansätze A und B zeigten, unter der Voraussetzung einer Grundierungsabstreuung mit Quarzsand, in diesen Hinterfeuchtungsversuchen keine
Blasenprobleme.
3.5. Reihe 4 aus 2008: Osmose anfällige Beschichtung bei Abstreuungsvariation
Die Beschichtungsmaterialien stammten hier aus einem Produktansatz C. Neben einer
Grundierung Nr.1 wurden hier eine benzylalkoholhaltige Nr. 2 - und eine nonylphenolhaltige Nr. 3 - Variante eingesetzt. Der Betonuntergrund wurde hier geschliffen.
Nach 22 Monaten traten hier beim w/z = 0,5 (siehe Tabelle 3) und 0,75, sowie bei allen Abstreuungsvarianten Blasenbildungen auf. Der Grund liegt offensichtlich an einem
blasenfreundlichen Spezifikum des Produktansatzes und weniger – was zunächst vermutet wurde - an der Tatsache des Schleifens statt Strahlens des Betons als Untergrundvorbereitung; dies wird die nächste Versuchsreihe zeigen wird.
Vorklima
Oberfläche
Taupunkt
Grundierung
ohne
1000 g/m²
w/z = 0,5
Grundierung 400 g/m²
Abstreuung
0,1 / 0,4
800 g/m²
1600 g/m²
Deckschicht
1200 g/m²
t = ca. 22 Monate
0,4 / 0,8
800 g/m²
nein
1
ja
nein
normal kalt
geschliffen
2
ja
3
ja
Intensität
nein
5
4
3
2
1
0
Blasengröße
Blasenmenge
Tabelle 3 mit Reihe 4 aus 2008
3.6. Laufende Reihe 5 aus 2011: Blasenhemmende Zwischenschichten im Test
Der Beton hatte hier den ja kritischen w/z = 0,75. Es wurden für den zuvor geprüften
Produktansatz C nun die Grundvarianten a und b getestet [9]. Auch hier trat, mit Ausnahme der nicht sehr praxisrelevanten Abstreuvariante fein/ satt, eine deutliche Blasenbildung auf. Mit Rückblick auf Reihe 4 zeigte die Art der Untergrundvorbehandlung
Schleifen oder Strahlen hier keine Unterschiede. Eine hier auch zusätzlich getestete
Chloridbelastung im Beton erwies sich nicht als Blasenbildung beeinflussend.
In dieser Versuchsreihe mit w/z = 0,75 und deutlich zur Blasenbildung führender Variante des Produktansatzes C konnte eine wichtige Zusatzabfrage erfolgen: Ob nämlich
dick auftragende Zwischenschichten, z. B. auf PCC-Basis, die Blasenbildung durch Störung des Transportprozesses unterbinden können. Die entsprechende Tabelle 4 weckt
nach einer Versuchsdauer von 128 d für zwei Produkte von Zwischenschichten Hoffnungen. Diese Reihe läuft fort.
0/16
Vorklima
Clim
Beton
Oberfläche
Zwischen
-schicht
w/z = 0,6
mit Gesteinskörnung
0/8 + 64K
0/16
8/8 + 64K
Grundierung 400 g/m²
A „2“
B „1“
Abstreuung
ohne
Deckschicht 1
t = 128 d
A1
A2
B
normalkalt
ohne
gestrahlt
C
v
D1
E
mit
Intensität
D2
5
4
3
2
1
0
Blasengröße
Blasenmenge
Tabelle 4 PCC Zwischenschichten aus Reihe 5
4.
Zusammenfassung
Die alle Versuche zusammenfassende Tabelle 5 weist folgende Trends aus:
I. Zur Erzielung des Trends einer Blasenminimierung gilt:
− Die Dicke des Betons gegenüber der Hinterfeuchtung muss ≥ 20 cm betragen.
− Die Betonqualität muss auf einem w/z ≤ 0,6 beruhen.
− Wasserlösliche Bestandteile der Grundierung (z. B. Benzylalkohol) müssen minimiert sein.
− Die Grundierung muss abgestreut sein.
II. Generell gibt es Produktansätze für hinterfeuchtete Beschichtungen, die mehr oder
wenig blasengierig sind.
III. Unabhängig von den Produktansätzen der Beschichtungen verschiedener Hersteller ließ sich eine Blasenfreiheit bei variierenden Betonuntergründen (bis zurzeit
einem Beschichtungsalter von 128 d) mit zwei der getesteten PCC-Zwischenschichten erzielen.
Zur Findung einer gelungenen Kombination von perfektem Untergrund aus I und perfektem Produktansatz zu II könnte es die Alternative einer geeigneten Zwischenschicht
nach III geben.
Die Entwicklung einer Kurzzeit-Eignungsprüfung für Zwischenschichten läuft zurzeit an der MPA Wiesbaden.
Beschichtungsblasen
Beton
viel - schnell
Beschichtung
KEINE
d < 20 cm
> 0,7
≤ 0,6
Grundierung
wasserlösliche Bestandteile
wenig wasserlösliche
Bestandteile
Abstreuung
ohne
mit
einige funktionieren nicht )1
einige funktionieren nicht )1
w/z
)1
wenig - langsam
Zwischenschicht )1
)1
einige funktionieren )1
reproduzierbare Kurzzeit-Eignungsprüfungen im System mit der Beschichtung laufen an der MPA Wiesbaden
Tabelle 5
Zusammenfassung
LITERATUR
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
[7]
[8]
[9]
SCHÄPER, M., KREYE, J.: Kein kritischer Wasserdampftransport durch WUKonstruktionen. Beton- und Stahlbetonbau, Heft 7, 2007
Deutscher Ausschuss für Stahlbeton: DAfStb-Richtlinie wasserundurchlässige
Bauwerke aus Beton : (WU-Richtlinie), Ausg. November 2003 Beuth Verlag Berlin, 2003
SCHÄPER, M., KREYE, JÖRN: Die kritischen Randbedingungen einer Innenbeschichtung Weißer Wannen. Beton- und Stahlbetonbau 98, Januar 2003, Heft 1, S.
30-41
DIMMIG-OSBURG, A.; BODE, K. A.; HOFMANN, A.: Zum Einfluss alkalireaktiver Gesteinskörnung auf die Blasenbildung polymerer Beschichtungen auf Beton. Bausubstanz, Nr. 2, pp. 46-53, 2011
Deutscher Ausschuss für Stahlbeton (DAfStb): Richtlinie für Schutz und Instandsetzung von Betonbauteilen. Beuth Verlag Berlin, Ausgabe 2001
SCHÄPER, M., KREYE, JÖRN, HIESS, THOMAS: Hinterfeuchtete Betonbeschichtungen – Untersuchungen zur Vermeidung von Osmoseschäden. Veröffentlichungen aus Lehre, angewandter Forschung und Weiterbildung, Band 40, FH
Wiesbaden 2003, ISBN: 3-923068-40-9
WOLFF, L.; RAUPACH, M.; HAILU, K.: Ursachen der Blasenbildung bei Reaktionsharzbeschichtungen auf Beton – Welche Rolle spielt die Osmose? Beton- und
Stahlbetonbau, Nr. 7, pp. 439-449, 07/ 2007
SCHÄPER, M.: Instandsetzung hinterfeuchteten Betons. Kolloquium Erhaltung
von Bauwerken, Technische Akademie Esslingen, Tagungsband, 27. und 28. Januar 2009, S.255-263
MÜNNIG, M.: Blasenbildung von Betonbeschichtungen – experimentelle Untersuchungen zu den Transportmechanismen. Master-Thesis im Studiengang Konstruktiver Ingenieurbau/ Baumanagement an der Hochschule RheinMain, Januar
2012
Autoren
Prof. Dr.-Ing. Michael Schäper
Boris Wächter M.Eng.
Hochschule RheinMain
Institut für Baustoffe und Konstruktion
MPA Wiesbaden
D- 65197 Wiesbaden
eMail: [email protected]
[email protected]