tungen hinterfeuchteten Betons - MPA
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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]