Der jugendliche Einstein und Aarau: Einsteins letztes Schuljahr - Relativitat, Brownsche Bewegung, Lichtquanten und Astrophysik (German Edition)

Der jugendliche Einstein und Aarau Einsteins letztes Schuljahr Relativität, Brownsche Bewegung, Lichtquanten und Astrophysik

Herbert Hunziker Herausgeber

Begleitband zur Jubiläumsveranstaltung 2005 Alte Kantonsschule Aarau

Birkhäuser Verlag Basel • Boston • Berlin

Herausgeber: Herbert Hunziker Alte Kantonsschule Aarau Bahnhofstrasse 91 5001 Aarau Schweiz e-mail: [email protected]

2000 Mathematical Subject Classification 01-99, 83-03, 83A05, 85-99

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ISBN 3-7643-7444-6 Birkhäuser Verlag, Basel – Boston – Berlin Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt. Die dadurch begründeten Rechte, insbesondere die der Übersetzung, des Nachdrucks, des Vortrags, der Entnahme von Abbildungen und Tabellen, der Funksendung, der Mikroverfilmung oder der Vervielfältigung auf anderen Wegen und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Eine Vervielfältigung dieses Werkes oder von Teilen dieses Werkes ist auch im Einzelfall nur in den Grenzen der gesetzlichen Bestimmungen des Urheberrechtsgesetzes in der jeweils geltenden Fassung zulässig. Sie ist grundsätzlich vergütungspflichtig. Zuwiderhandlungen unterliegen den Strafbestimmungen des Urheberrechts. * 2005 Birkhäuser Verlag, P.O.Box 133, CH-4010 Basel, Schweiz Ein Unternehmen von Springer Science+Business Media Gedruckt auf säurefreiem Papier, hergestellt aus chlorfrei gebleichtem Zellstoff TCF ∞ Umschlaggestaltung: Micha Lotrovsky, CH-4106 Therwil, Schweiz Printed in Germany ISBN-10: 3-7643-7444-6 e-ISBN: 3-7643-7445-4 ISBN-13: 978-3-7643-7444-0 987654321

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Vorwort

Die Diskussion über die Nachhaltigkeit des Bauens verdeutlicht, wie unverzichtbar Schutz- und Wartungsmaßnahmen für die Nutzungs- und Werterhaltung unseres Gebäudebestandes sind. Dies betrifft auch Bauwerke aus Beton und Stahlbeton. So hat sich neben der traditionellen Neubauindustrie eine Branche etabliert, die sich mit dem Schutz und der Instandsetzung bestehender Bauwerke und Bauteile befasst. Der grundsätzliche Ablauf einer Betoninstandsetzung besteht aus drei Teilen: 1. Schadensanalyse, 2. Untergrundvorbereitung, 3. Aufbringen eines Betonersatz- und/oder Oberflächenschutzsystems. Der Teilkomplex „Untergrundvorbereitung“ bzw. „Oberflächenbearbeitung“ ist Gegenstand des vorliegenden Buches. Eine Voraussetzung für die erfolgreiche Durchführung einer Instandsetzung ist natürlich die gegenseitige Durchdringung aller Teilbereiche. Sowohl das Schadensbild als auch die vorgesehenen Schutzsysteme definieren einen Teil der Anforderungen, die an ein Verfahren zur Untergrundvorbereitung gestellt werden. Schutz- und Instandsetzungsarbeiten sind seit 1990 durch eine Richtlinie des Deutschen Ausschusses für Stahlbeton und die Zusätzlichen Technischen Vertragsbedingungen und Richtlinien des Bundesverkehrsministeriums geregelt. In diesen Richtlinien sind alle wesentlichen Begriffe, Anforderungen und Prüfungen definiert. Beide Regelwerke waren etwa zehn Jahre gültig und haben viel zur Vereinheitlichung von Arbeitsweisen beigetragen. Inzwischen liegen beide Richtlinien in einer neueren Version vor. Die gezielte Erzeugung definierter Oberflächeneigenschaften spielt auch im Neubau, insbesondere von Verkehrsbauwerken, eine wichtige Rolle. Hier geht es um die Griffigkeit und den Wasserabfluss, bei älteren Betonfahrbahnen um die Beseitigung von Spurrillen. Auch aus ästhestischen Gründen kann die Bearbeitung von Betonoberflächen erforderlich sein. Der Begriff „Oberflächenvorbereitung“ ist in der Richtlinie des Deutschen Ausschusses für Stahlbeton definiert als die „Schaffung einer geeigneten Oberfläche des Betonuntergrundes für Betonersatz oder Oberflächenschutz“. Im vorliegenden Buch werden daher zunächst Stellung und Bedeutung der Oberflächenbearbeitung geklärt. Im Anschluss wird der Begriff „geeignet“ durch eine Beschreibung der an eine Betonoberfläche gestellten Anforderungen präzisiert. Eigenschaften, die diese Anforderungen definieren, werden ausführlich und kritisch besprochen. Danach wird schließlich der Begriff „Schaffung“ mit

VI

Vorwort

Leben erfüllt, indem Standardverfahren, aber auch nicht-traditionelle Verfahren zur Untergrundvorbereitung bzw. Oberflächenbearbeitung beschrieben, diskutiert und beurteilt werden. Weil die geforderten Eigenschaften vielfältig und schwierig nachzuweisen sind, kommt der Auswahl der Prüfverfahren verhältnismäßig große Bedeutung zu. Entsprechend ausführlich fällt die Behandlung dieser Thematik aus. Eine Monografie, die den Themenkomplex Untergrundvorbereitung bzw. Oberflächenbearbeitung von Betonbauteilen in vergleichbarem Umfang und im entsprechenden Detail behandelt, ist bisher auch im internationalen Schrifttum nicht vorhanden. Die Autoren danken allen, die das Zustandekommen dieses Buches ermöglicht und unterstützt haben. Ganz besonderer Dank gilt Frau Verena AnklinRitter sowie Herrn Dipl.-Ing. Jochen Weber. Aachen/Frankfurt, im August 2005

Andreas W. Momber Rolf-Rainer Schulz

Inhaltsverzeichnis

I

Einführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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Stellung und Bedeutung der Oberflächenbearbeitung . . . . . . . 1.1 Entstehung und Entwicklung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2 Anwendungsgebiete und Aufgabenstellungen . . . . . . . . 1.2.1 Bearbeitung von Fahrbahndecken sowie Start- und Landebahnen aus Beton . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2.2 Bearbeitung von Gehwegen, Fußböden und Industrieböden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2.3 Bearbeitung von Betonsichtflächen (Betonwerkstein) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2.4 Untergrundvorbereitung für die Betoninstandsetzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3 Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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Definition der Vorbereitungsziele . . . . . . . . . . . . . . . 2.1 Grundsätzliche Forderungen an den Betonuntergrund 2.2 Reinigen von Betonflächen . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3 Aufrauen von Betonflächen . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4 Abtragen von Betonschichten . . . . . . . . . . . . . . . 2.5 Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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3

Anforderungen an die Betonoberfläche . . . . . . . . . . . . . . . 3.1 Anforderungen an die Oberflächenzugfestigkeit . . . . . . . 3.1.1 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.2 Allgemeine Technische Vertragsbedingungen (ATV) für Betonerhaltungsarbeiten . . . . . . . . . . . . . . 3.1.3 Schutz und Instandsetzung von Bauwerken und Bauteilen aus Beton und Stahlbeton nach DIN 1045 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.4 Schutz und Instandsetzung von Brücken- und Ingenieurbauten im Straßenwesen . . . . . . . . . . 3.1.5 Schutz und Instandsetzung der Betonbauteile von Wasserbauwerken . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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VIII

Inhaltsverzeichnis

3.1.6 3.1.7

3.2

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3.4

3.5

3.6

Auftragsflächen für Spritzbeton . . . . . . . . . . . Oberflächenschutz für Bauteile aus Beton in verfahrenstechnischen Anlagen . . . . . . . . . . . Anforderungen an die Oberflächenrauheit . . . . . . . . . 3.2.1 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.2 Fahrbahndecken aus Beton . . . . . . . . . . . . . 3.2.3 Betonböden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.4 Werksteinmäßig bearbeitete Betonflächen . . . . . 3.2.5 Untergrund für Schutz und Instandsetzung . . . . Anforderungen an die Ebenheit . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3.1 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3.2 Fahrbahndecken aus Beton . . . . . . . . . . . . . 3.3.3 Start- und Landebahnen . . . . . . . . . . . . . . . 3.3.4 Hochbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3.5 Industrieböden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3.6 Betonfertigteile, Betonwerkstein und Betonwaren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3.7 Schutz und Instandsetzung von Betonbauteilen . Anforderungen an die Temperatur des Betonuntergrunds . 3.4.1 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4.2 Auswirkungen niedriger und hoher Umgebungstemperaturen auf zementgebundene Mörtel und Betone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4.3 Auswirkungen hoher und niedriger Umgebungstemperaturen auf kunststoffgebundene Mörtel und Betone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4.4 Anforderungen an die Untergrundtemperatur in Abhängigkeit vom aufzutragenden Stoff . . . . . . 3.4.5 Überwachung der Temperatur . . . . . . . . . . . . Anforderungen an die Feuchte des Untergrunds . . . . . . 3.5.1 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.5.2 Auswirkungen der Feuchte beim Auftragen zementgebundener Mörtel und Betone . . . . . . 3.5.3 Auswirkungen der Feuchte beim Auftragen kunststoffgebundener Mörtel und Betone sowie beim Auftragen von Oberflächenbeschichtungen . . . . 3.5.4 Anforderungen an die Untergrundfeuchte in Abhängigkeit vom aufzutragenden Stoff . . . . Anforderungen an das Betongefüge und den Verbund zwischen Bewehrung und Beton . . . . . . . . . . . . . . . 3.6.1 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.6.2 Beton- und Stahlbetonbau . . . . . . . . . . . . . . 3.6.3 Fahrbahndecken aus Beton . . . . . . . . . . . . . 3.6.4 Industrieböden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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3.7 4

IX

3.6.5 Betonwerkstein (Sichtbeton) . . . . . . . . . . . . . 3.6.6 Schutz und Instandsetzung von Betonbauteilen . . Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Systematisierungsmöglichkeiten für Verfahren zur Untergrundvorbereitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1 Verfahrenssystematisierung in den Vorschriften . . . . 4.1.1 Grundsätzliche Systematisierungsprobleme . . 4.1.2 Systematisierung nach der Art und dem Gerät des Verfahrens . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1.3 Systematisierung nach dem Anwendungszweck und Anwendungsbereich . . . . . . . . . . . . . 4.2 Generelle Untergliederung nach der Beanspruchung und Belastungsdynamik . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3 Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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II Verfahren zur Untergrundvorbereitung . . . . . . . . . . . .

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Erzeugung von Druckluft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1 Bedeutung von Druckluft für die Untergrundvorbereitung 5.2 Erzeugung von Druckluft für die Untergrundvorbereitung 5.2.1 Generelle Verdichtungsprinzipien . . . . . . . . . 5.2.2 Beurteilungskennwerte für Baukompressoren . . 5.3 Qualität der erzeugten Druckluft . . . . . . . . . . . . . . . 5.3.1 Geforderte Qualitätsbereiche . . . . . . . . . . . . 5.3.2 Ölfreie Druckluft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.3.3 Wasserfreie Druckluft . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.3.4 Geölte Druckluft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.3.5 Atemluft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.4 Ökonomische Aspekte der Drucklufterzeugung und -verwendung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.4.1 Grundsätzliches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.4.2 Korrekturfaktor für Druckschwankungen . . . . . 5.4.3 Dimensionierung von Druckluftauslassventilen . . 5.4.4 Druckluftverbrauch durch Düsenverschleiß . . . . 5.4.5 Förderstromverluste durch Undichtigkeiten . . . . 5.5 Einfluss von Druckverlusten . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.5.1 Gesamtdruckverlust im System . . . . . . . . . . . 5.5.2 Druckverluste in Schlauchkopplungen und Armaturen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.5.3 Druckverluste in Druckluftschläuchen . . . . . . . 5.6 Hinweise zur Wartung und Störungsbeseitigung an Baukompressoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

X

Inhaltsverzeichnis

5.7 5.8 5.9 6

7

Arbeits- und Gesundheitsschutz . . . . . . . . . . . . . . . . Kosten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Untergrundvorbereitung mit Stemmwerkzeugen . . . . 6.1 Definition und Einordnung . . . . . . . . . . . . . 6.2 Materialbeanspruchung und Abtragsmechanismus 6.2.1 Materialbeanspruchung . . . . . . . . . . 6.2.2 Materialwiderstand . . . . . . . . . . . . . 6.3 Bauarten von Stemmwerkzeugen . . . . . . . . . 6.3.1 Druckluftbetriebene (pneumatische) Stemmwerkzeuge . . . . . . . . . . . . . . 6.3.2 Hydraulisch betriebene Stemmwerkzeuge 6.3.3 Elektrisch betriebene Stemmwerkzeuge . 6.3.4 Benzinbetriebene Stemmwerkzeuge . . . 6.4 Einsteckwerkzeuge . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.4.1 Konventionelle Einsteckwerkzeuge . . . 6.4.2 Stockköpfe . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.4.3 Stahlnadeln . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.5 Anwendung von Stemmwerkzeugen . . . . . . . 6.5.1 Grundsätzliche Anwendungen . . . . . . 6.5.2 Auswahlkriterien . . . . . . . . . . . . . . 6.5.3 Auswahl von Einsteckwerkzeugen . . . . 6.6 Traggrundqualität . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.6.1 Rauheit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.6.2 Risseintrag . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.6.3 Abreißfestigkeit . . . . . . . . . . . . . . . 6.6.4 Bewehrungszustand . . . . . . . . . . . . 6.7 Arbeits- und Gesundheitsschutz beim Einsatz von Stemmwerkzeugen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.7.1 Grundsätzliche Verhaltensweisen . . . . 6.7.2 Lärm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.7.3 Körperschall . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.7.4 Mechanische Schwingungen . . . . . . . 6.7.5 Staubemission . . . . . . . . . . . . . . . . 6.8 Effektivität und Kosten . . . . . . . . . . . . . . . 6.8.1 Effektivität . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.8.2 Kosten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.9 Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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Untergrundvorbereitung mit Fräswerkzeugen . . . . . . . . . . . 7.1 Definitionen und Einordnung . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.2 Materialbeanspruchung und Abtragsmechanismus . . . . .

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Untergrundvorbereitung durch Strahlen mit festen Strahlmitteln 8.1 Definitionen und Einordnung . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.2 Beurteilung fester Strahlmittel . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.2.1 Definition fester Strahlmittel . . . . . . . . . . . . . 8.2.2 Strahlmittelkornform . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.2.3 Strahlmittelkorngröße . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.2.4 Korngrößenverteilungen . . . . . . . . . . . . . . . . 8.2.5 Strahlmittelhärte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.2.6 Strahlmitteldichte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.2.7 Prozessverhalten von Strahlmitteln . . . . . . . . . . 8.2.8 Maximale Gehalte an gefährlichen Stoffen in Strahlmitteln . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.3 Beschleunigung fester Strahlmittel . . . . . . . . . . . . . . . 8.3.1 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.3.2 Pneumatische Beschleunigung . . . . . . . . . . . . 8.3.3 Mechanische Beschleunigung . . . . . . . . . . . . .

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7.7 7.8

7.9 8

7.2.1 Materialbeanspruchung . . . . . . . 7.2.2 Materialwiderstand . . . . . . . . . . Komponenten der Frästechnik . . . . . . . . 7.3.1 Grundaufbau . . . . . . . . . . . . . 7.3.2 Walzenantrieb und -körper . . . . . 7.3.3 Hartmetallwerkzeuge . . . . . . . . . 7.3.4 Diamantwerkzeuge . . . . . . . . . . 7.3.5 Absaugung und Entsorgung . . . . . Anwendung von Fräswerkzeugen . . . . . . 7.4.1 Grundsätzliche Anwendungen . . . 7.4.2 Aufrauen und Textieren . . . . . . . 7.4.3 Dekontaminieren . . . . . . . . . . . 7.4.4 Abtragen . . . . . . . . . . . . . . . . 7.4.5 Verschleiß . . . . . . . . . . . . . . . Traggrundqualität . . . . . . . . . . . . . . . . 7.5.1 Risseintragung . . . . . . . . . . . . 7.5.2 Abreißfestigkeit . . . . . . . . . . . . 7.5.3 Bewehrungszustand . . . . . . . . . Arbeits- und Gesundheitsschutz beim Fräsen 7.6.1 Lärm . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.6.2 Mechanische Schwingungen . . . . 7.6.3 Staubemission . . . . . . . . . . . . . Entsorgung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Effektivität und Kosten . . . . . . . . . . . . 7.8.1 Effektivität . . . . . . . . . . . . . . . 7.8.2 Kosten . . . . . . . . . . . . . . . . . Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

XI

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XII

Inhaltsverzeichnis

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8.6

8.7

8.8

8.9

8.10

8.11

Materialbeanspruchung und Abtragsmechanismus . . 8.4.1 Beanspruchung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.4.2 Materialwiderstand . . . . . . . . . . . . . . . . Einfluss wichtiger Betriebsparameter . . . . . . . . . . 8.5.1 Parameterbestimmung . . . . . . . . . . . . . . 8.5.2 Strahlmittel-Auftreffgeschwindigkeit . . . . . . 8.5.3 Strahlmitteldurchsatz . . . . . . . . . . . . . . 8.5.4 Strahlabstand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.5.5 Strahleinwirkdauer . . . . . . . . . . . . . . . . 8.5.6 Strahlauftreffwinkel . . . . . . . . . . . . . . . 8.5.7 Strahlmittelkorngröße . . . . . . . . . . . . . . 8.5.8 Strahlmittelkornform . . . . . . . . . . . . . . . 8.5.9 Strahlmittelkornverteilung . . . . . . . . . . . . 8.5.10 Strahlmittelhärte . . . . . . . . . . . . . . . . . Komponenten des Druckluftstrahlens . . . . . . . . . . 8.6.1 Definition und Bauarten . . . . . . . . . . . . . 8.6.2 Druckkessel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.6.3 Förderleitungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.6.4 Druckluftstrahldüsen . . . . . . . . . . . . . . . Komponenten des Schleuderradstrahlens . . . . . . . 8.7.1 Grundsätzlicher Aufbau . . . . . . . . . . . . . 8.7.2 Schleuder- bzw. Schaufelrad . . . . . . . . . . 8.7.3 Strahlmittelseparatoren . . . . . . . . . . . . . Staubfreies Druckluftstrahlen und Strahlmittelrecycling 8.8.1 Definition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.8.2 Vacu-Blast-Verfahren . . . . . . . . . . . . . . . 8.8.3 Flächenstrahlgerät . . . . . . . . . . . . . . . . Nassdruckluftstrahlen mit festen Strahlmitteln . . . . . 8.9.1 Definition und Unterteilung . . . . . . . . . . . 8.9.2 Zugabe im Druckkessel: Schlämmstrahlen . . 8.9.3 Zugabe in einer Mischkammer . . . . . . . . . 8.9.4 Zugabe in einem Adapter . . . . . . . . . . . . 8.9.5 Verwirbelung in der Düse . . . . . . . . . . . . 8.9.6 Zugabe über eine Ringdüse . . . . . . . . . . . 8.9.7 Dampfeinspeisung . . . . . . . . . . . . . . . . 8.9.8 Wasser-Sand-Strahlen . . . . . . . . . . . . . . Anwendung des Strahlens mit festen Strahlmitteln . . 8.10.1 Grundsätzliche Anwendungen . . . . . . . . . 8.10.2 Reinigen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.10.3 Dekontaminieren . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.10.4 Aufrauen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.10.5 Entrosten der Bewehrung . . . . . . . . . . . . Traggrundqualität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.11.1 Reinheit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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164 164 166 169 169 170 170 173 173 175 176 180 181 182 183 183 184 186 187 191 191 191 193 194 194 196 196 197 197 197 198 198 200 200 200 201 202 202 202 205 206 207 207 207

Inhaltsverzeichnis

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207 212 212

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215 215 215 218 218 222 222 222 224 225 225 225 228

Untergrundvorbereitung mit Druckwasserstrahlen . . . . . . 9.1 Definitionen und Einordnung . . . . . . . . . . . . . . . 9.1.1 Definitionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.1.2 Druckbereiche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.1.3 Strahlmittel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.1.4 Belastungsregime . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.2 Erzeugung und Aufbau von Druckwasserstrahlen . . . . 9.2.1 Geschwindigkeit und kinetische Energie . . . . 9.2.2 Strahl-Rückstoßkräfte . . . . . . . . . . . . . . . 9.2.3 Struktur von Flüssigkeits-Freistrahlen . . . . . . 9.3 Materialbeanspruchung und Abtragsmechanismus . . . 9.3.1 Beanspruchungsmodell . . . . . . . . . . . . . . 9.3.2 Materialwiderstand . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.4 Einfluss wichtiger Betriebsparameter . . . . . . . . . . . 9.4.1 Parameterbestimmung . . . . . . . . . . . . . . . 9.4.2 Betriebsüberdruck . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.4.3 Düsendurchmesser . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.4.4 Strahlabstand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.4.5 Vorschub . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.4.6 Strahlauftreffwinkel . . . . . . . . . . . . . . . . 9.4.7 Versatz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.4.8 Luftzugabe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.5 Komponenten der Druckwasserstrahltechnik . . . . . . 9.5.1 Druckerzeuger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.5.2 Hochdruck-Schlauchleitungen . . . . . . . . . . 9.5.3 Arbeitswerkzeuge und Bewegungseinrichtungen

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

235 235 235 235 236 237 237 237 238 238 240 240 241 245 245 246 249 251 251 254 255 256 257 257 260 261

8.12

8.13

8.14

8.15 9

8.11.2 Rauheit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.11.3 Risseintrag . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.11.4 Abreißfestigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . Arbeits- und Gesundheitsschutz beim Strahlen mit festen Strahlmitteln . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.12.1 Allgemeine Hinweise . . . . . . . . . . . . . . . 8.12.2 Lärm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.12.3 Mechanische Schwingungen . . . . . . . . . . 8.12.4 Staubemission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.12.5 Totmannschaltungen . . . . . . . . . . . . . . . Entsorgung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.13.1 Verwertung bzw. Entsorgung von Strahlschutt 8.13.2 Entsorgung von Wasser . . . . . . . . . . . . . Effektivität und Kosten . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.14.1 Effektivität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.14.2 Kosten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

XIII

XIV

Inhaltsverzeichnis

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264 268 269 269 269 272 274 274 276 276 279 279 279 280 281 284 285 285 286

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287 287 288 290 291 293 293 294 295 295 295 297 297 298 300

10 Untergrundvorbereitung mit thermischen Verfahren . . . . . . 10.1 Flammstrahlen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.1.1 Definition und Einordnung . . . . . . . . . . . . . 10.1.2 Materialbeanspruchung und Abtragsmechanismus 10.1.3 Einfluss wichtiger Betriebsparameter . . . . . . . . 10.1.4 Komponenten des Flammstrahlens . . . . . . . . . 10.1.5 Anwendung des Flammstrahlens . . . . . . . . . . 10.1.6 Traggrundqualität . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . .

307 307 307 309 312 318 325 328

9.6

9.7

9.8

9.9

9.10

9.11

9.5.4 Druckwasserstrahldüsen . . . . . . . . . . . . . . 9.5.5 Entsorgungseinrichtungen . . . . . . . . . . . . . Anwendung von Druckwasserstrahlen . . . . . . . . . . 9.6.1 Grundsätzliche Anwendungen . . . . . . . . . . 9.6.2 Reinigen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.6.3 Dekontaminieren . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.6.4 Aufrauen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.6.5 Abtragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.6.6 Entrosten der Bewehrung . . . . . . . . . . . . . 9.6.7 Trennen und Abbrechen . . . . . . . . . . . . . . 9.6.8 Unterwassereinsatz . . . . . . . . . . . . . . . . . Traggrundqualität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.7.1 Rauheit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.7.2 Risseintrag . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.7.3 Abreißfestigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.7.4 Bewehrungszustand . . . . . . . . . . . . . . . . 9.7.5 Wassereintrag . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.7.6 Chloridumverteilung . . . . . . . . . . . . . . . . 9.7.7 Selektivität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Arbeits- und Gesundheitsschutz beim Druckwasserstrahlen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.8.1 Generelle Probleme . . . . . . . . . . . . . . . . 9.8.2 Arbeiten mit handgehaltenen Wasserwerkzeugen 9.8.3 Persönliche Schutzausrüstung . . . . . . . . . . 9.8.4 Lärm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.8.5 Körperschall . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.8.6 Mechanische Schwingungen . . . . . . . . . . . 9.8.7 Partikelemission und Aerosole . . . . . . . . . . Entsorgung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.9.1 Generelle Probleme . . . . . . . . . . . . . . . . 9.9.2 Abtrennung und Behandlung des Strahlwassers Effektivität und Kosten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.10.1 Effektivität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.10.2 Kosten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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Inhaltsverzeichnis

10.2

10.3

XV

10.1.7 Arbeits- und Gesundheitsschutz beim Flammstrahlen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.1.8 Effektivität und Kosten . . . . . . . . . . . . . . . . Kaltstrahlen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.2.1 Definition und Einordnung . . . . . . . . . . . . . 10.2.2 Materialbeanspruchung und Abtragsmechanismus 10.2.3 Einfluss wichtiger Betriebsparameter . . . . . . . 10.2.4 Komponenten des Kaltstrahlens . . . . . . . . . . 10.2.5 Anwendung des Kaltstrahlens . . . . . . . . . . . . 10.2.6 Traggrundqualität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.2.7 Arbeits- und Umweltschutz beim Kaltstrahlen . . Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

11 Nicht-konventionelle Verfahren zur Untergrundvorbereitung 11.1 Definitionen und Einordnung . . . . . . . . . . . . . . . 11.2 Betonbearbeitung mit Laser . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.2.1 Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.2.2 Reinigen mit Lasern . . . . . . . . . . . . . . . . 11.2.3 Dekontaminieren mit Lasern . . . . . . . . . . . 11.2.4 Abtragen mit Lasern . . . . . . . . . . . . . . . . 11.2.5 Betonschneiden mit Lasern . . . . . . . . . . . . 11.3 Betonbearbeitung mit Mikrowellen . . . . . . . . . . . . 11.3.1 Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.3.2 Betonabtrag mit Mikrowellen . . . . . . . . . . . 11.3.3 Entschichten mit Mikrowellen . . . . . . . . . . 11.4 Betonbearbeitung durch Aufheizen der Bewehrung . . . 11.4.1 Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.4.2 Anwendungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.5 Betonbearbeitung durch elektrische Durchschläge . . . 11.5.1 Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.5.2 Anwendungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.6 Reinigung von Betonflächen durch hochenergetische Entladungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.7 Zerkleinern von Beton mittels Plasma . . . . . . . . . . . 11.8 Schneiden von Beton mit fokussierten Elektronenstrahlen 11.9 Reinigen und Dekontaminieren von Betonflächen mit Stickstoffstrahlen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.10 Betonbearbeitung mit expandierenden Mitteln . . . . . . 11.10.1 Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.10.2 Anwendungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.11 Betonbearbeitung mittels hydraulischem Spalten . . . . 11.11.1 Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.11.2 Spalten von Beton . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.11.3 Spalten von Stahlbeton . . . . . . . . . . . . . .

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330 333 334 334 334 339 342 347 351 352 353

. . . . . . . . . . . . . . . . . .

358 358 359 359 360 361 361 362 364 364 364 365 367 367 368 370 370 370

. . . . . .

372 373 376

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376 377 377 379 380 380 381 381

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XVI

Inhaltsverzeichnis

11.12 Betonbearbeitung mittels partiellem Sprengen . . . . . 11.12.1 Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.12.2 Anwendungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.13 Biochemische Reinigung von Betonflächen . . . . . . . 11.14 Elektrokinetische Dekontaminierung von Betonflächen 11.15 Betonbearbeitung mittels Partikelstrahlen . . . . . . . . 11.15.1 Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.15.2 Anwendungen bei der Fassadenreinigung . . . 11.15.3 Soda-Strahlen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.16 Betonbearbeitung mittels Strahlen mit beschichteten Strahlmitteln . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.17 Vakuum-Waschen von Betonflächen . . . . . . . . . . 11.18 Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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382 382 383 385 386 386 386 387 388

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390 390 391

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III Beurteilungskriterien für einen Betonuntergrund . . . . . . 397 12 Mechanische Beschaffenheit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.1 Die Oberflächenzugfestigkeit und alternative Prüfverfahren 12.1.1 Oberflächenzugfestigkeit – Begriffe und Definitionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.1.2 Zugversuche an Bohrkernen . . . . . . . . . . . . . 12.1.3 Scherprüfung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.1.4 Rückprallprüfung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.1.5 Kugelschlagprüfung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.1.6 Sonstige Prüfverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.1.7 Fazit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.2 Zweck und Zeitpunkt der Prüfungen . . . . . . . . . . . . . 12.3 Auswahl der Prüfstellen und Prüfhäufigkeit . . . . . . . . . . 12.4 Beurteilungskriterien und Prüfeinflüsse . . . . . . . . . . . . 12.4.1 Bauteilsteifigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.4.2 Vorbohren der Prüfflächen . . . . . . . . . . . . . . 12.4.3 Aufkleben der Stahlplatten . . . . . . . . . . . . . . 12.4.4 Prüfstempel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.4.5 Lasteinleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.4.6 Belastungsgeschwindigkeit . . . . . . . . . . . . . . 12.4.7 Genauigkeit der Kraftanzeige . . . . . . . . . . . . . 12.5 Prüfbestimmungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.5.1 Zusammenfassung der wichtigsten Prüfbestimmungen für die Ermittlung der Oberflächenzugfestigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.5.2 Zusammenfassung der wichtigsten Prüfbestimmungen zur Ermittlung der Haftzugfestigkeit . . . . . . . 12.6 Praktische Prüfungsdurchführung . . . . . . . . . . . . . . .

399 399 399 400 402 402 403 403 404 404 407 408 408 409 409 411 411 413 414 415

415 420 422

Inhaltsverzeichnis

12.6.1 12.6.2 12.6.3 12.6.4 12.6.5

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422 422 422 427

. . . . . .

429 430 431 437 437 442

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442

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443 444

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445 447

13 Rauheit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13.1 Begriffe und Definitionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13.1.1 Oberflächengestalt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13.1.2 Oberflächentextur und Oberflächenunvollkommenheiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13.1.3 Oberflächenrauheit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13.1.4 Rauheitskenngrößen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13.2 Beurteilungskriterien und Hinweise zur Auswahl der Prüfverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13.2.1 Allgemeines zur Verfahrensauswahl . . . . . . . . . 13.2.2 Gebräuchliche Prüfverfahren nach Anwendungsgebieten und Aufgabenstellungen . . . . . . . . . . . 13.3 Beschreibung und Bewertung der Prüfverfahren . . . . . . . 13.3.1 Qualitative bzw. halbquantitative Verfahren . . . . . 13.3.2 Indirekte quantitatve Messverfahren . . . . . . . . 13.3.3 Direkte quantitative Profillinienverfahren . . . . . . 13.3.4 Direkte quantitative topologische Messverfahren . . 13.4 Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

451 451 451

12.7

12.8

Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bauteil- bzw. Probengeometrie und -steifigkeit . . Vorbohren, praktische Durchführung . . . . . . . Aufkleben der Prüfstempel . . . . . . . . . . . . . Zeit und Klimabedingungen zwischen Vorbohren, Kleben und Prüfen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.6.6 Prüfstempel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.6.7 Prüfgerät . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Auswertung der Versuchsergebnisse . . . . . . . . . . . . . 12.7.1 Beurteilung des Bruchbildes . . . . . . . . . . . . . 12.7.2 Reproduzierbarkeit der Ergebnisse . . . . . . . . . 12.7.3 Einfluss des w/z-Wertes auf die Oberflächenzugfestigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.7.4 Einfluss der Nachbehandlung und Karbonatisierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.7.5 Einfluss der Untergrundvorbereitung . . . . . . . . 12.7.6 Beziehung zwischen Oberflächenzugfestigkeit und Druckfestigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

XVII

14 Ebenheit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14.1 Begriffe und Definitionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14.2 Beurteilungskriterien und Hinweise zur Auswahl der Prüfverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

452 453 456 463 463 464 466 466 468 471 481 491 498 498 499

XVIII

14.3

14.4

Inhaltsverzeichnis

14.2.1 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14.2.2 Fahrbahndeckenbau . . . . . . . . . . . . . . . . 14.2.3 Start- und Landebahnen . . . . . . . . . . . . . . 14.2.4 Hochbau und Industrieböden . . . . . . . . . . . 14.2.5 Betonfertigteile und Betonwerkstein . . . . . . . 14.2.6 Betoninstandsetzung . . . . . . . . . . . . . . . . Beschreibung und Bewertung der Prüfverfahren . . . . . 14.3.1 Richtlatte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14.3.2 Nivellement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14.3.3 Planograf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14.3.4 Floor Profiler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14.3.5 Laser-Sensoren zur Messung der Längsebenheit 14.3.6 Laser-Sensoren zur Messung der Querebenheit . Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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499 499 502 503 505 506 506 506 508 509 511 513 516 518

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521 521

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521 521 523 529 531 531 533 534 535

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544 558

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561 561

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561 563 563 564 564 566 566

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567

15 Temperatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15.1 Begriffe und Definitionen . . . . . . . . . . . . . . . 15.2 Beurteilungskriterien und Hinweise zur Auswahl der Prüfverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15.2.1 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15.2.2 Berührungsthermometer . . . . . . . . . . . 15.2.3 Berührungslose Temperaturmessung . . . . 15.3 Beschreibung und Bewertung der Prüfverfahren . . 15.3.1 Temperaturindikatoren . . . . . . . . . . . . 15.3.2 Flüssigkeitsthermometer . . . . . . . . . . . 15.3.3 Zeigerthermometer . . . . . . . . . . . . . . 15.3.4 Elektrische Berührungsthermometer . . . . 15.3.5 Strahlungsthermometer und Thermografiesysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15.4 Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 Feuchte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16.1 Begriffe und Definitionen . . . . . . . . . . . . . . 16.1.1 Wasser als Betonbestandteil, Feuchteaufnahme . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16.1.2 Feuchtegehalt . . . . . . . . . . . . . . . . 16.1.3 Mögliche Wasseraufnahme . . . . . . . . 16.1.4 Gleichgewichts- bzw. Ausgleichsfeuchte . 16.1.5 Praktischer Feuchtegehalt . . . . . . . . . 16.1.6 Porenvolumen . . . . . . . . . . . . . . . . 16.1.7 Wasserabgabe, Austrocknungsverhalten . 16.2 Beurteilungskriterien und Hinweise zur Auswahl der Prüfverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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Inhaltsverzeichnis

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567

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568 569 570

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571 571

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574

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577 579 583 585 589 591 595 595

17 Betongefüge und Verbund zwischen Bewehrung und Beton . . . 17.1 Begriffe und Definitionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17.2 Beurteilungskriterien und Hinweise zur Auswahl der Prüfverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17.2.1 Das globale Erscheinungsbild von Betonsichtflächen 17.2.2 Visuelle Gefügemerkmale und einfache Prüfkriterien 17.2.3 Das Makrogefüge von Proben aus dem Bauwerk . . 17.2.4 Das Mikrogefüge von Proben aus dem Bauwerk . . 17.3 Beschreibung und Bewertung der Prüfverfahren . . . . . . . 17.3.1 Makroskopische visuelle Untersuchungen an Bauteiloberflächen . . . . . . . . . . . . . . . . . 17.3.2 Einfache zerstörungsfreie bzw. zerstörungsarme Prüfverfahren für Bauteiloberflächen . . . . . . . . . 17.3.3 Makroskopische visuelle Untersuchungen und einfache Prüfungen an Proben aus dem Bauwerk . . 17.3.4 Mikroskopische Gefügeuntersuchungen an Proben aus dem Bauwerk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17.3.5 Laborprüfverfahren zur indirekten Bestimmung der Dichtigkeit und Gesamtporosität . . . . . . . . . . 17.4 Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

599 599

16.3

16.4

16.2.1 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16.2.2 Anforderungen an praxisgerechte Feuchtemessverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16.2.3 Kalibrierung indirekter Verfahren . . . . . . . . . Beschreibung und Bewertung der Prüfverfahren . . . . . . 16.3.1 Prüfung nach Augenschein (visuelle Prüfmethoden) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16.3.2 Gravimetrische Verfahren (Darrmethode) . . . . . 16.3.3 Calciumcarbid-Methode (Prüfung mit dem CM-Gerät) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16.3.4 Feuchteausgleichsverfahren (Hygrometrische Verfahren) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16.3.5 Elektrische Widerstandsmessverfahren . . . . . . 16.3.6 Kapazitive Methoden (Dielektrizitätsprinzip) . . . 16.3.7 Mikrowellenmessverfahren . . . . . . . . . . . . . 16.3.8 Neutronenmessverfahren . . . . . . . . . . . . . . 16.3.9 Infrarot-Thermografie und Infrarot-Reflektografie 16.3.10 Weitere Verfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

XIX

600 600 602 606 607 608 608 610 616 619 628 630

XX

Inhaltsverzeichnis

IV Möglichkeiten der Verfahrenswahl und ausgewählte Ausschreibungsprobleme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 635 18 Verfahrenswahl und Beurteilungsmöglichkeiten . . . . . . . 18.1 Bedeutung der Verfahrensauswahl und grundsätzliche Kriterien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18.2 Auswahlalgorithmus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18.2.1 Methodik und Merkmalsauswahl . . . . . . . . 18.2.2 Merkmalswichtung . . . . . . . . . . . . . . . . 18.2.3 Ermittlung der Beurteilungskennzahl . . . . . 18.3 Effektivitätsbetrachtungen . . . . . . . . . . . . . . . . 18.3.1 Produktionsmenge und Leistungsbegriffe . . . 18.3.2 Theoretische Anlagenleistung . . . . . . . . . . 18.4 Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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19 Ausschreibung und Vergabe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19.1 Leistungsbeschreibung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19.1.1 Allgemeine Forderungen . . . . . . . . . . . . . 19.1.2 Angaben zur Ausführung . . . . . . . . . . . . 19.1.3 Einzelangaben bei Abweichungen von den Allgemeinen Technischen Vertragsbedingungen für Bauleistungen (ATV) . . . . . . . . . . . . . 19.1.4 Musterflächen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19.2 Abrechnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19.2.1 Grundsätzliches . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19.2.2 Abrechnung nach Flächenmaß (m2) . . . . . . 19.2.3 Abrechnung nach Längenmaß (m) . . . . . . . 19.2.4 Abrechnung nach Anzahl (Stück) . . . . . . . . 19.3 Ausführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19.3.1 Grundsätzliche Bedenken . . . . . . . . . . . . 19.3.2 Vorbereiten des Betonuntergrundes und des Stahls im Beton . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19.4 Nebenleistungen, Besondere Leistungen . . . . . . . . 19.4.1 Nebenleistungen . . . . . . . . . . . . . . . . . 19.4.2 Besondere Leistungen . . . . . . . . . . . . . . 19.5 Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 Umweltaspekte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20.1 Grundsätzliche Aspekte bei der Betonuntergrundbehandlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20.2 Maßnahmen zur Kontrolle von Emissionen . . . 20.2.1 Auftretende Emissionen . . . . . . . . . . 20.2.2 Emission von Luftschall . . . . . . . . . .

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Inhaltsverzeichnis

20.3

XXI

20.2.3 Emission von Körperschall und Schwingungen 20.2.4 Emission von Stäuben . . . . . . . . . . . . . . Entsorgung von Abfallstoffen . . . . . . . . . . . . . . . 20.3.1 Grundsätzliche Festlegungen . . . . . . . . . . 20.3.2 Entsorgung fester Stoffe . . . . . . . . . . . . . 20.3.3 Entsorgung flüssiger Stoffe . . . . . . . . . . . 20.4 Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Stichwortverzeichnis

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Teil I Einführung

1 Stellung und Bedeutung der Oberflächenbearbeitung

1.1 Entstehung und Entwicklung Die Technologie der Oberflächenbearbeitung von Beton knüpft an die jahrtausendealte Tradition der Natursteinbearbeitung an. Herkömmliche Steinmetzwerkzeuge wie Scharrier- und Spitzeisen sowie Bossier- und Stockhämmer (siehe Bild 1.1) können auch für Beton verwendet werden [1-1], [1-2], [1-3]. Allerdings ist Handarbeit heute auf Einzelfälle und kleine Flächen begrenzt. Für größere Flächen empfehlen sich pneumatisch oder elektrisch angetriebene Werkzeuge oder neue Bearbeitungsverfahren, von denen manche inzwischen größere Bedeutung erlangt haben als die traditionellen Methoden. Während sich die steinmetzmäßige Bearbeitung von Naturstein früher auf die Formgebung und architektonisch-künstlerische Oberflächengestaltung beschränkte, sind die heutigen Aufgaben und Zielsetzungen der Betonoberflächenbearbeitung stark erweitert. Wegen der Verschiedenartigkeit der Zielsetzungen ist es zweckmäßig, diese nach Anwendungsgebieten und Aufgabenstellungen zu untergliedern.

Bild 1.1: Steinmetzwerkzeuge für Naturstein und Beton nach [1-1]

4

1 Stellung und Bedeutung der Oberflächenbearbeitung

1.2 Anwendungsgebiete und Aufgabenstellungen 1.2.1 Bearbeitung von Fahrbahndecken sowie Start- und Landebahnen aus Beton 1.2.1.1 Beseitigung von Unebenheiten in Längs- und Querrichtung Zur Verbesserung der Ebenheit und zum Ausbessern von Oberflächenschäden können die Oberflächen mechanisch geschliffen, gefräst, gerillt oder aber beschichtet werden. Bei den abtragenden Verfahren wird die Betondecke großflächig aufgeraut und geebnet. Bei den auftragenden Maßnahmen ist die Oberflächenvorbereitung – in diesem Zusammenhang Untergrundbearbeitung genannt – eine wichtige Voraussetzung für einen guten und dauerhaften Verbund zwischen Fahrbahnbeton und Belag. 1.2.1.2 Wiederherstellung der Griffigkeit Das mechanische Aufrauen ist derzeit die am häufigsten angewandte Technik zur nachträglichen Erhöhung der Griffigkeit von Betonstrassendecken. Sowohl mittels Rotationsfräsen eingeschnittene Längs- als auch Querrillen können die Griffigkeit bei Nässe deutlich erhöhen. Dabei wird die Makro- und Mikrotextur verbessert. Durch Einstellung der Rillenbreite und -tiefe kann man die Drainagewirkung und die durch Fahrzeugreifen verursachte Geräuschentwicklung beeinflussen. Der Erfolg solcher Maßnahmen ist durch einen deutlichen Rückgang der Verkehrsunfälle bei Nässe, aber auch bei trockenen Fahrbahnen belegt.

1.2.2 Bearbeitung von Gehwegen, Fußböden und Industrieböden 1.2.2.1 Rutschsicherheit Ein Aufrauen von Gehweg- und Fußbodenbelägen kann dazu dienen, eine ausreichende Griffigkeit und Rutschsicherheit von Gehwegflächen und Fußböden herzustellen. Die Oberfläche soll durch ihre Profilierung in einem bestimmten Umfang Gleitmittel (z.B. Wasser, Öl, Fett) aufnehmen und auf diese Weise der Gehebene entziehen. Um dies zu erreichen, ist bei Fußböden in Arbeitsräumen und Arbeitsbereichen mit erhöhter Rutschgefahr ein bestimmter Verdrängungsraum, d.h. Hohlraumanteil unterhalb der Gehebene, erforderlich.

1.2 Anwendungsgebiete und Aufgabenstellungen

5

1.2.2.2 Beseitigung von Unebenheiten und Erhöhung des Verschleißwiderstandes Der wichtigste Effekt, der durch Schleifen im jungen Alter des Betons erzielt werden kann, ist eine Erhöhung des Verschleißwiderstandes durch Abtrag einer rd. 1 mm dicken Zementsteinschicht. Großflächige Unebenheiten sind hingegen auf diese Weise nur schwer zu beseitigen. Bestenfalls lassen sich örtliche Erhöhungen wie Grate entfernen. Falls eine Beschichtung bzw. ein Belag vorgesehen ist, sind ähnliche Maßnahmen zu treffen wie bei der Untergrundvorbereitung für die Instandsetzung (siehe Abschnitt 1.2.4). Auf jeden Fall soll schlämmereicher Beton entfernt werden, der den Verbund der Beschichtung zum Untergrund beeinträchtigen könnte.

1.2.3 Bearbeitung von Betonsichtflächen (Betonwerkstein) 1.2.3.1 Architektonische Gestaltung von Betonsichtflächen Bei Sichtflächen aus normalem unbearbeitetem Beton dominiert die Farbe des Zementsteins. Solche Flächen erscheinen relativ monoton. Durch eine Oberflächenbearbeitung wird die äußere Zementsteinschicht entfernt, und der Zuschlag 1 wird sichtbar. Die Oberfläche wird zudem aufgeraut und erhält ein lebhafteres und abwechslungsreiches Aussehen. Werden durch werksteinmäßige Bearbeitung auch die Kuppen der Zuschläge abgeschlagen oder abgeschliffen, kommen vermehrt die Zuschlagfarbe und -struktur zur Geltung. Besonders ansprechende Effekte entstehen, wenn der Beton mit Weißzement und/oder Farbpigmenten hergestellt wurde [1-1]. 1.2.3.2 Egalisierung von Farb- oder Strukturunterschieden Störende Farbunterschiede, Flecken- oder Schlierenbildungen auf Betonsichtflächen können durch Oberflächenbearbeitung egalisiert oder sogar beseitigt werden.

1.2.4 Untergrundvorbereitung für die Betoninstandsetzung Während es bei den zuvor genannten Anwendungsgebieten vor allem darum geht, der Betonoberfläche eine selbständige Funktion zu verleihen, wird in der Instandsetzungstechnologie der geforderte Zustand durch eine Beschichtung oder durch einen Belag erreicht. Die Betonoberfläche dient somit nur als Un-

1

Die neue Bezeichnung „Gesteinskörnungen“ nach EN 206-1: 2001-07 und DIN 1045-2: 2001-07 wird aus redaktionellen Gründen nicht verwendet.

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1 Stellung und Bedeutung der Oberflächenbearbeitung

tergrund (Traggrund) für solche Schichten. Entsprechend wird die Bearbeitung des Betons für diesen Zweck Untergrundbearbeitung genannt. Für das Auftragen einer Beschichtung oder eines Belages ist die Untergrundbearbeitung unverzichtbar. Auf jeden Fall ist die Betonoberfläche wenigstens zu säubern. Die Art der Untergrundbearbeitung richtet sich nach der Art der Beeinträchtigung und dem zu erreichenden Zustand. Oft ist eine mehrstufige Bearbeitung erforderlich. Die Untergrundvorbereitung ist somit nur auf den ersten Blick ein trivialer Vorgang, der sich mit der handwerklichen Tätigkeit erschöpft. Bei näherer Betrachtung wird deutlich, in welch entscheidender Weise der Erfolg und die Dauerhaftigkeit einer jeden Beschichtung von dieser Vorbereitung abhängt. Der Schwierigkeitsgrad nimmt mit der Verschiedenartigkeit der zu verbindenden Materialien und der Verschiedenartigkeit der Untergründe und Beanspruchungen zu. Die Vielzahl der Schadensfälle, die auf mangelhafte Untergrundvorbereitung zurückzuführen sind, zeigt, dass mit dieser Thematik nicht leichtfertig umgegangen werden darf. Beispiele, bei denen trotz fehlender oder sehr mäßiger Untergrundvorbereitung nachweisbare Erfolge erzielt wurden, widerlegen dies nicht, weil der Untergrund entweder von vornherein eine ausreichende Beschaffenheit aufgewiesen hat oder aber die Beanspruchungen überwiegend gering waren. 1.2.4.1 Entfernen minderfester arteigener Schichten Die Gebrauchsfähigkeit und Dauerhaftigkeit von örtlichen Ausbesserungen, flächigen Beschichtungen, aber auch Verbundbelägen und Klebverbindungen hängen in entscheidendem Maße von einer sachgemäßen Vorbereitung des Untergrunds ab. Der Untergrund muss sauber und fest sein! Die Verbindung versagt, wenn die Adhäsionskräfte des aufgetragenen Stoffes nicht ausreichen oder wenn die Kohäsion der Betonrandzone den auftretenden Spannungen nicht gewachsen ist. Schadhafter Beton muss daher so weit abgetragen werden, bis Zonen mit ausreichender Festigkeit erreicht werden. Der Erfolg dieser Maßnahmen ist zu prüfen. 1.2.4.2 Entfernen schadstoffbelasteter arteigener Schichten In den Beton eingedrungene Schadstoffe (z.B. Öle oder Chloride) können je nach Art und Verweildauer den Beton selbst oder die Bewehrung angreifen. Daher ist in vielen Fällen ein Abtrag des schadstoffbelasteten Betons erforderlich. 1.2.4.3 Entfernen artfremder Schichten Instandsetzungs- und auch Schutzmaßnahmen haben nur eine begrenzte Lebensdauer und erfordern eine entsprechende Wartung. Außerdem steigt mit zunehmender Zahl ausgeführter Betonbeschichtungen auch die Gefahr, dass

1.2 Anwendungsgebiete und Aufgabenstellungen

7

solche Arbeiten misslingen und wiederholt werden müssen. In der Regel ist die alte Beschichtung zum Zeitpunkt der Erneuerung nicht vollständig abgewittert, sondern durch Risse, Abplatzungen und Schichtdickenverluste infolge Kreidung oder Verschleiß lediglich funktionsuntüchtig. Solche Reste alter Beschichtungen oder Beläge müssen meist entfernt werden, bevor man neue auftragen kann. Die Entscheidung darüber hängt u.a. von der Untergrundhaftung der alten Beschichtung, der Verträglichkeit mit dem neuen System und der Diffusionsfähigkeit gegenüber Wasserdampf ab. Es muss vermieden werden, dass die Summe der Diffusionswiderstände von Alt- und Neubeschichtung die zulässigen Grenzen übersteigt. Das Entschichten stellt andere Anforderungen an die Bearbeitungsverfahren als die Bearbeitung des Betons. So scheitern z.B. mechanische Verfahren, wenn die zu entfernenden Stoffe zäh und/oder klebrig sind. Das Ablösen mit chemischen Verfahren, z.B. mit lösemittelhaltigen Substanzen, ist aus Umweltschutzgründen verpönt. Das Abflämmen oder Abbrennen von organischen Substanzen führt je nach Art und Bestandteilen zu umweltgefährdenden Zersetzungsprodukten. Steigendes Umweltbewusstsein und strengere Vorschriften schränken die Anwendung solcher Verfahren ein. Deshalb ist es auch notwendig, sich stärker mit der Problematik der Entschichtung und Entsorgung von Beschichtungsresten zu befassen. 1.2.4.4 Säubern, Trocknen oder Befeuchten Staub, Schmutz sowie lose anhaftende Teile und Schichten sind zu entfernen. Der Untergrund muss aber nicht nur sauber und fest sein, sondern außerdem – abhängig vom aufzutragenden Werkstoff – entweder feucht oder trocken. Zementgebundene Mörtel und Betone einschließlich Spritzbeton und Estriche benötigen einen feuchten Untergrund, Kunststoffbeschichtungen (Anstriche) hingegen meist einen trockenen. 1.2.4.5 Freilegen und Entrosten des Stahls Der Beton ist nach den einschlägigen Regeln [1-4], [1-5] so weit abzutragen, wie er durch Korrosion der Bewehrung gerissen bzw. gelockert ist. Sicherheitszuschläge sollen ein hohlstellenfreies Einbringen des Instandsetzungsbetons bzw. -mörtels ermöglichen. Im Bereich von Fehlstellen ist der Stahl auch darüber hinaus bis in die korrosionsfreien Bereiche freizulegen. 1.2.4.6 Aufrauen des Betons Es muss alles getan werden, was die Haftung der aufgebrachten Schicht am Untergrund fördert. Eine gewisse Rauheit und Saugfähigkeit des Untergrundes ist erwünscht, weil dadurch die Kontaktfläche vergrößert und die mechanische Verklammerung verbessert wird. Zu starke Rauheit und Saugfähigkeit

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1 Stellung und Bedeutung der Oberflächenbearbeitung

steigern jedoch den Materialverbrauch und führen zu sehr ungleichmäßigen Schichtdicken. Letzteres kann z.B. für die Realisierung einer Schutzwirkung sehr störend und nachteilig sein. Bei zu großer Rauheit werden dann Ausgleichschichten (z.B. Spachtelungen) benötigt, um konstante Anstrichdicken zu erzielen. Kalkulierbare Schichtdicken sind für die Ermittlung des Widerstandes gegen Gasdiffusion (z.B. Kohlendioxid und Wasserdampf) bedeutsam und lassen Aussagen über die Lebensdauer von Anstrichen und Beschichtungen unter Berücksichtigung der Kreidungsverluste zu.

1.3 Literatur [1-1] BERTRAMS-VOSSKAMP, U.; IHLE, M.; PESCH, L.; PICKEL, U. Betonwerkstein Handbuch; Hinweise für Planung und Ausführung. Hrsg.: Bundesverband Deutsche Beton- und Fertigteilindustrie e.V. und Bundesfachgruppe Betonfertigteile und Betonwerkstein im Zentralverband des Deutschen Baugewerbes e.V. 3. überarb. Aufl. – Düsseldorf: Beton-Verlag, 1994. [1-2] WILSON, J. G. Sichtflächen des Betons. Oberflächenbehandlung und architektonische Wirkung von Beton und Betonwerkstein. Wiesbaden, Berlin: Bauverlag, 1967. [1-3] DIN 18500: 1991-04: Betonwerkstein. Begriffe, Anforderungen, Prüfung, Überwachung. [1-4] DAfStb-Richtlinie Schutz und Instandsetzung von Betonbauteilen (Instandsetzungs-Richtlinie). Hrsg.: Deutscher Ausschuss für Stahlbeton (DAfStb). Berlin und Köln: Beuth Verlag, Oktober 2001 [1-5] Zusätzlich Technische Vertragsbindungen und Richtlinien für Ingenieurbauten (ZTV-ING). Hrsg.: Bundesminister für Verkehr, Abtlg. Straßenbau. Dortmund: Verkehrsblatt-Verlag Borgmann, März 2003

2 Definition der Vorbereitungsziele

2.1 Grundsätzliche Forderungen an den Betonuntergrund Laut der Richtlinien für Schutz und Instandsetzung von Betonteilen (RILI) des Deutschen Ausschusses für Stahlbeton (DAfStb) [2-1] besteht das Ziel der Untergrundvorbereitung darin, dass „der betreffende Beton an seiner Oberfläche und im oberflächennahen Bereich – dem Betonuntergrund – bestimmte Eigenschaften“ aufweist. Weiterhin muss der Betonuntergrund bestimmte, vom aufzubringenden Betonersatzsystem bzw. Oberflächenschutzsystem vorgegebene Anforderungen an mechanische Eigenschaften erfüllen. Die Zusätzlichen Technischen Vertragsbedingungen (ZTV-ING) [2-2] definieren das Ziel der Oberflächenvorbereitung wie folgt: „Die Betonunterlage ist so vorzubereiten, dass zwischen dem aufzubringenden Betonersatz- oder Oberflächenschutzsystem und der Betonunterlage ein fester und dauerhafter Verbund erzielt wird. Hierzu muss die Betonunterlage gleichmäßig fest und frei von trennenden Substanzen, scharfen Schalungskanten und Graten sein“. Für Oberflächenschutzsysteme (OS) wird gefordert: „Die Oberflächenbeschaffenheit der Betonunterlage muss das Aufbringen einer geschlossenen annähernd gleichmäßigen und fest haftenden Schicht ermöglichen.“

2.2 Reinigen von Betonflächen Unter dem Begriff Reinigen kann das „Entfernen fremder, unerwünschter Materialien vom Grundmaterial bzw. von der Betonunterlage“ verstanden werden [2-3]. Die ZTV-ING [2-2] fordern in diesem Zusammenhang: ◆ „Entfernen der Reste von Beschichtungen und Nachbehandlungsfilmen sowie von oberflächigen Verunreinigungen.“ ◆ „An Fugenflanken sind jegliche Verunreinigungen ... und alte Fugenfüllungen restlos zu entfernen.“ ◆ „Säubern der Betonunterlage von Wasser, Staub und losen Teilen.“ In der RILI des DAfStb [2-1] ist festgelegt, dass der Betonuntergrund „frei sein muss von artfremden Stoffen, wie:

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2 Definition der Vorbereitungsziele

◆ Gummiabrieb, ◆ Trennmittel, ◆ ungeeigneten Altbeschichtungen, ◆ Ausblühungen, ◆ Öl, ◆ Bewuchs.“ Diese Materialien sollen in der Folge als Belegungen bezeichnet werden. Den grundsätzlichen Aufbau eines zu reinigenden Systems zeigt Bild 2.1. Als Haftschicht soll hier die Übergangszone von den Belegungen zur Betonrandzone definiert werden. Die Betonrandzone versteht sich als der Belegung zugewandte Betonschicht. Es kann davon ausgegangen werden, dass die mechanischen Eigenschaften der verschiedenen Bestandteile unterschiedliche Werte besitzen und dass die einzelnen Schichten aufgrund ihrer verschiedenartigen Strukturen sehr differenziert auf äußere Belastungen reagieren. Bild 2.2 zeigt, dass im Belastungsfall – also im Fall des Werkzeugeingriffes – die folgenden Versagensmöglichkeiten, die in den ZTV-ING im Zusammenhang mit

Bild 2.1: Grundaufbau eines zu reinigenden Systems

Bild 2.2: Versagensmöglichkeiten von Beschichtungssystemen [2-4]

2.3 Aufrauen von Betonflächen

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Bild 2.3: Systematisierung von Belegungen [2-6]

Bild 2.4: Adhäsionsmechanismen an Beton [2-5]

der Abreißprüfung als Brucharten unterschieden werden, in Betracht gezogen werden können: ◆ Versagen der Randzone (Kohäsionsbruch 2), ◆ Versagen der Belegung (Kohäsionsbruch 1), ◆ Versagen der Haftschicht (Adhäsionsbruch). Eine weitere Differenzierung hat FIEBRICH [2-5] vorgenommen. Auf Bild 2.3 ist eine Einteilung von Belegungen hinsichtlich Herkunft und Verformungsverhalten zu sehen. Auf dem Bild 2.4 sind Mechanismen der Adhäsion, als kennzeichnend für die Haftschicht, zwischen Betonuntergrund und Belegungen dargestellt.

2.3 Aufrauen von Betonflächen Das Aufrauen bezieht sich auf das Entfernen arteigener Materialien von Betonoberflächen. WERNER [2-7] definiert einen Materialabtrag bis auf Tiefen zwischen 1 mm und 3 mm als Aufrauen. Nach der RILI des DAfStb muss der Betonuntergrund „eine dem zu verwendeten Stoff angepasste Rauheit aufweisen.“ [2-1]. Zu diesem Zweck muss oft die Zementhaut von der geschalten bzw. geformten Oberfläche entfernt werden, was sowohl in den ZTV-ING [2-2] als auch in der RILI des DAfStb [2-1] gefordert wird.

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2 Definition der Vorbereitungsziele

Bezüglich des Einsatzes verschiedener Betonersatzsysteme stellen die ZTV-ING detailliertere Forderungen an das Vorbereitungsziel: ◆ Beton „Der Feinmörtel ist soweit abzutragen, dass der Betonersatz am Grobkorn haften kann.“ ◆ Spritzmörtel/-beton mit Kunststoffzusatz „Die Vorbereitung der Betonunterlage muss eine raue Oberfläche ergeben. Das ist in der Regel der Fall, wenn fest eingebettetes grobes Gesteinskorn kuppenartig freiliegt.“ ◆ Zementmörtel/Beton mit Kunststoffzusatz sowie Reaktionsharzmörtel/beton „Der Feinmörtel des alten Betons ist soweit abzutragen, dass das Korngefüge des Betons freiliegt.“ Die Bedeutung und Beurteilung der Rauheit sind im Abschnitt 3.2 und im Kapitel 13 besprochen.

2.4 Abtragen von Betonschichten Als Abtragen kann das Entfernen eines relativ großen Volumens an Beton, z.B. beschädigte oder in der Festigkeit beeinträchtigte Betonschichten, von Oberflächen verstanden werden [2-1]. WERNER [2-7] spricht vom Abtragen, wenn die Dicke der zu entfernenden Schicht den Wert von 3 mm überschreitet. Diese Dicke ist identisch mit der Abtragtiefe. Kriterien für die erforderliche Abtragtiefe können sein: ◆ Schädigungstiefe (festigkeitsbezogener Abtrag). In diesem Zusammenhang bestehen die folgenden Vorbereitungsziele: – Beseitigung von losen oder mürben Teilen und sich leicht ablösenden arteigenen Schichten [2-1], – Ausarbeitung von Kiesnestern und anderen Hohlstellen [2-1], – Entfernen von Schichten mit parallel zur Oberfläche oder schalenförmig im oberflächennahen Bereich verlaufenden Rissen [2-1], – Beseitigen von minderfesten Schichten [2-2], – Abtragen von schadhaftem Beton [2-2], – Beton soweit abtragen, wie er infolge Korrosion der Bewehrung gerissen bzw. gelockert ist [2-1], [2-8]. ◆ Schadstofftiefe (materialbezogener Abtrag). In diesem Zusammenhang bestehen in Abhängigkeit vom Instandsetzungsprinzip die folgenden Vorbereitungsziele: – Abtrag von Beton überall dort, wo der für den jeweiligen Einzelfall maßgebende korrosionsauslösende Chloridgehalt überschritten wird [2-1], – Der Beton ist im Bereich von Fehlstellen und darüber hinaus bis zum korrosionsfreien Bereich des Stahles zu entfernen [2-1].

2.5 Literatur

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◆ Definierte Abtragtiefe (geometriebezogener Abtrag). In diesem Zusammenhang bestehen die folgenden Vorbereitungsziele: – Entfernen von Graten vom Betonuntergrund [2-1]. – Die vorbereiteten Bereiche müssen eine geeignete Form haben, die einen einwandfreien Einbau (von Betonersatzsystemen) gewährleisten ([2-2], [2-8]). – Der instand zu setzende Bereich ist mit gerade verlaufenden Kanten und ausgerundeten Ecken zu begrenzen [2-2]. Das Abtragen von Beton kann grundsätzlich die Tragfähigkeit einer Betonoder Stahlbetonkonstruktion beeinflussen. Deshalb gilt: „Bei der Festlegung des Betonausbruches sind Auswirkungen auf die Tragfähigkeit zu beachten.“ [2-1]. Die ZTV-ING legen fest: „Das Abtragen des geschädigten Betons darf nur auf ausdrückliche Anordnung des Auftraggebers und unter seiner Überwachung erfolgen.“ [2-2].

2.5 Literatur [2-1] DEUTSCHER AUSSCHUSS FÜR STAHLBETON (DAfStb) (Hrsg.) Richtlinie für Schutz und Instandsetzung von Betonbauteilen (InstandsetzungsRichtlinie). Beuth Verlag, Berlin-Köln, 2001. [2-2] ZTV-ING Zusätzliche Technische Vertragsbedingungen und Richtlinien für Ingenieurbauten. Teil 3, Abschnitt 4: Schutz und Instandsetzung von Betonbauteilen. Dortmund: Verkehrsblatt-Verlag Borgmann, 2003. [2-3] MOMBER, A. W. Handbuch Druckwasserstrahl-Technik. Düsseldorf: Beton-Verlag GmbH, 1993. [2-4] MOMBER, A. W. Grundlagen des Reinigens von Beton mit Druckwasserstrahlen. Betontechnik, (1991) 1, S. 32–35. [2-5] FIEBRICH, M. Kunststoffbeschichtungen auf ständig durchfeuchtetem Beton. Deutscher Ausschuß für Stahlbeton, Heft 410. Berlin-Köln: Beuth Verlag GmbH, 1990. [2-6] SCHIKORR, W. Beitrag zum Werkstoffabtrag durch Flüssigkeitsstrahlen hoher Relativgeschwindigkeit. Dissertation. Universität Hannover, 1986. [2-7] WERNER, M. Vorbereitung von Betonuntergründen in Theorie und Praxis bei Betoninstandsetzungsmaßnahmen. Technische Akademie Esslingen, Dezember 1989. [2-8] DIN 18349: 2000-12: VOB Verdingungsordnung für Bauleistungen – Betonerhaltungsarbeiten. Teil C: Allgemeine Technische Vertragsbedingungen für Bauleistungen (ATV). BerlinWien-Zürich: Beuth Verlag GmbH, Dezember 2002.

3 Anforderungen an die Betonoberfläche

3.1 Anforderungen an die Oberflächenzugfestigkeit 3.1.1 Allgemeines Wie in Kapitel 2 erläutert, muss der Untergrund für Betonersatz- oder Oberflächenschutzsysteme sowohl frei von trennenden Substanzen als auch ausreichend fest sein. Instand zu setzende Betonoberflächen erfüllen diese Voraussetzungen im Allgemeinen nicht und müssen daher in der Regel bearbeitet werden. Leider kommt es immer wieder vor, dass vermeintlich instand gesetzte Betonoberflächen erneut schadhaft werden, weil der Beton nicht in der Lage ist, die Verbundspannungen zu den aufgetragenen Schichten aufzunehmen. Um dies zu verhindern, muss die Beschaffenheit der Betonrandzone vor dem Auftragen von Beschichtungen oder Belägen nach möglichst zuverlässigen Kriterien beurteilt werden. Die Untersuchungsergebnisse sollen zum einen Entscheidungshilfen dafür liefern, ob, auf welche Weise und ggf. wie weit eine instandsetzungsbedürftige Betonoberfläche abzuarbeiten ist, bis Zonen mit ausreichender Festigkeit erreicht werden, zum anderen ist auch die Ausführungsqualität der Untergrundbearbeitung zu kontrollieren. Die Festigkeit der Betonrandzone ist von überragender Bedeutung für die Dauerhaftigkeit der aufgetragenen Schichten. Dies gilt unabhängig davon, wie viel Sorgfalt bei den nachfolgenden Gewerken aufgewendet wird. Daher muss mit einem Versagen des Haftverbundes zwischen Belag bzw. Beschichtung und Beton bzw. mit dem Versagen der beanspruchten oberflächennahen Betonzonen gerechnet werden, wenn die Untergrundbearbeitung unzureichend war. Außerdem kommt es vor, dass die Untergrundbearbeitung selbst das Gefüge des Betons schädigt, wenn z.B. dicke Betonschichten mit hoher Schlagenergie in einem Arbeitsgang abgetragen werden. Deshalb ist die Festigkeit der Betonoberfläche nicht nur im Rahmen der Schadensdiagnose, sondern auch nach durchgeführter Bearbeitung zu prüfen (siehe Kapitel 12). Dies geschieht im Rahmen der Eigenüberwachung und bei Kontroll- bzw. Abnahmeprüfungen. Außerdem gehört es nach DIN 18349 VOB Verdingungsordnung für Bauleistungen – Teil C, Allgemeine Technische Vertragsbedingungen für Bauleistungen (ATV) – Betonerhaltungsarbeiten [3-1] zu den Pflichten des Auftragnehmers, zu prüfen, ob der Betonuntergrund zur Aufnahme von Be-

3.1 Anforderungen an die Oberflächenzugfestigkeit

15

schichtungen oder Belägen geeignet ist. Er hat bei abweichender Beschaffenheit des Untergrunds von der Schadensdiagnose und bei ungeeignet vorgegebenem Vorbereitungsverfahren seine Bedenken geltend zu machen. Der Erfolg einer Untergrundbearbeitung ist nicht zuletzt durch die Betonqualität des betreffenden Bauteils begrenzt. Bei insgesamt unzureichender Betongüte kann man unabhängig von der Bearbeitungsmethode und Ausführung keine ausreichenden Oberflächeneigenschaften erwarten. Zur Bestimmung der mechanischen Beschaffenheit des Betons an der Oberfläche wird bevorzugt der Abreißversuch verwendet, der als Ergebnis die Abreißfestigkeit bzw. Oberflächenzugfestigkeit liefert. Diese ist ein Maß für die Kohäsion der Betonrandzone unter Zugbeanspruchung und ein Indikator für seine Beschichtungsfähigkeit. Wenn die Adhäsion zwischen verschiedenen Schichten geprüft wird, z.B. die Haftung eines Anstrichs oder Verbundestrichs auf dem Untergrund, so spricht man vom Haftzugversuch. Sowohl die Prüfgeräte als auch die Versuchsdurchführung entsprechen jedoch weitgehend denen bei der Abreißprüfung (vgl. Kapitel 12). Wenngleich nicht ganz unumstritten, so hat sich diese Prüfmethode jedoch bei sinnvoller Anwendung gut bewährt. Allerdings werden bei der Versuchsdurchführung auch immer wieder fundamentale Fehler gemacht, die den Aussagewert in Frage stellen. Kapitel 12 befasst sich ausführlich mit den potenziellen Fehlerquellen und gibt Hinweise zu deren Vermeidung. Da die erforderliche Festigkeit des Betons in der Randzone maßgeblich von der Art des aufzutragenden Stoffes und von der Art der Beanspruchung abhängt, ist es sinnvoll, entsprechend differenzierte Anforderungen zu stellen. Hierzu gehört auch die Nennung des erforderlichen Mittelwertes und zugehörigen kleinsten Einzelwertes, um den zu erwartenden üblichen Streuungen Rechnung zu tragen. Gegenüber der früher üblichen pauschalen Forderung „Abreißfestigkeit mindestens 1,5 N/mm2“ sind die differenzierten Anforderungen heutiger Vorschriften (siehe Tabellen 3.1 bis 3.4) ein deutlicher Fortschritt.

3.1.2 Allgemeine Technische Vertragsbedingungen (ATV) für Betonerhaltungsarbeiten Nach der VOB für Betonerhaltungsarbeiten DIN 18349 [3-1] muss „der Mittelwert der Oberflächenzugfestigkeit bei Festigkeitsklassen größer oder gleich C 20/25 nach Kugelstrahlen bei horizontal oder bis 15% geneigten Flächen und nach Feuchtstrahlen bei sonstigen Flächen mindestens 1,5 N/mm2 betragen. Bei geringerer Nennfestigkeit darf sie 1,1 N/mm2 nicht unterschreiten. In der Oberfläche nicht ausreichend fester oder schadhafter Beton ist ebenso wie eine trennend wirkende Substanz durch Strahlen zu entfernen“. Werden diese Mindestwerte nach dem Strahlen nicht erreicht, sind besondere Maßnahmen zu vereinbaren.

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3 Anforderungen an die Betonoberfläche

3.1.3 Schutz und Instandsetzung von Bauwerken und Bauteilen aus Beton und Stahlbeton nach DIN 1045 Die Instandsetzungs-Richtlinie des DAfStb [3-3] bezieht sich auf Bauwerke und Bauteile aus Beton und Stahlbeton nach den Normenreihen [3-12] und [3-5], [3-13] und gilt unabhängig davon, ob die Standsicherheit betroffen ist oder nicht. Sie schließt im Gegensatz zu [3-2] ausdrücklich auch solche Fälle ein, bei denen ein Schaden mit großer Wahrscheinlichkeit künftig zu erwarten ist. Werden die Anforderungen an die Oberflächenzugfestigkeit nach Tabelle 3.1 nicht erfüllt, ist zu untersuchen, ob und auf welche Weise der geforderte Zustand erreicht werden kann. Die zu treffenden Maßnahmen müssen mit angemessenem Aufwand durchführbar sein und dürfen keine nachteiligen Auswirkungen für das Bauteil und die Umgebung haben.

3.1.4 Schutz und Instandsetzung von Brücken- und Ingenieurbauten im Straßenwesen Für Bauvorhaben zum Schutz und zur Instandsetzung von Betonbauteilen an Brücken und vergleichbaren Ingenieurbauwerken im Geschäftsbereich Bundesfernstraßen sowie für Eisenbahn- und Wasserstraßenverwaltungen gelten die Zusätzlichen Technischen Vertragsbedingungen und Richtlinien für Ingenieurbauten (ZTV-ING) [3-7]. Nicht nur Bund und Länder, sondern auch viele Kreise, Städte, Gemeinden sowie private Auftraggeber wenden diese Zusätzlichen Vertragsbedingungen für ihre Bauwerke an. Die Anforderungen an die Oberflächenzugfestigkeit sind in Tabelle 3.2 wiedergegeben. „Werden Einzelwerte unterhalb des zulässigen kleinsten Einzelwertes gefunden, ist durch mindestens 2 Einzelprüfungen in örtlicher Nähe (Ent-

Tab. 3.1: Geforderte Oberflächenzugfestigkeiten ft, s des Untergrunds [3-3] Schutz- bzw. Instandsetzungsmaßnahme: örtliche Ausbesserung bzw. flächige Beschichtung a

Mittelwert

kleinster Einzelwert

OS 1 (OS A)

–

–

OS 2 (OS B)

≥ 0,8

0,5

OS 5 (ohne Feinspachtel) (OS D)

≥ 1,0

0,6

OS 4 (OS C), OS 5 (OS D) OS 9 (mit Feinspachtel) OS E

≥ 1,3

0,8

≥ 1,5

1,0

OS 11 (OS F), OS 13 Mörtel und Beton a

Oberflächenzugfestigkeit ft, s in N/mm2

Oberflächenschutzsysteme OS siehe Tabelle A1 im Anhang.

3.1 Anforderungen an die Oberflächenzugfestigkeit

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Tab. 3.2: Geforderte Abreißfestigkeiten ft, s der Betonunterlage nach ZTV-ING [3-7]a System b

Betonersatzsysteme Oberflächenschutzsysteme OS

a b

OS-B OS-D (ohne Feinspachtel) OS-C, OS-D, OS-E (Systeme mit Feinspachtel) OS-F

Mittelwert in N/mm2

Zulässiger kleinster Einzelwert in N/mm2

≥ 1,5

1,0

– ≥ 1,0 ≥ 1,3

0,6 0,6 0,8

≥ 1,5

1,0

Prüfungsumfang siehe Kapitel 12. Systembezeichnung siehe Tabelle A1 im Anhang.

fernung bis zu 1 m) festzustellen, ob es sich um Ausreißer handelt. Sind die zusätzlichen Werte einwandfrei, wird der zunächst gefundene Wert verworfen. Bleibt der Wert bestehen, ist durch ein geeignetes Flächenraster der fehlerhafte Bereich einzugrenzen. Die Bewertung der Ergebnisse hat nach [3-7] Teil 1 Abschnitt 3 zu erfolgen. Der Auftraggeber entscheidet über das weitere Vorgehen.“ Folgender ergänzender Hinweis in [3-7] ist nicht Bestandteil der ZTV-ING und somit auch nicht Vertragsbestandteil: „Für Bereiche der Betonunterlage, in denen die geforderten Abreißfestigkeiten nicht erreicht werden können, sind mit dem Auftragnehmer gesonderte Vereinbarungen zu treffen. Hierfür sind gesonderte Untersuchungen zur Stand-, Verkehrssicherheit und Schadensbeurteilung durchzuführen. Die Ergebnisse sind bei der Aufstellung eines neuen Schutz- und Instandsetzungskonzeptes zu berücksichtigen.“

3.1.5 Schutz und Instandsetzung der Betonbauteile von Wasserbauwerken Die Zusätzlichen Technischen Vertragsbedingungen – Wasserbau (ZTV-W) für Schutz und Instandsetzung der Betonbauteile von Wasserbauwerken (Leistungsbereich 219) [3-8] gelten für Maßnahmen zum Schutz und zur Instandsetzung von unbewehrten und bewehrten Wasserbauwerken aus Beton einschließlich deren Nebenanlagen, z.B. Schleusen, Stauanlagen, Sperrwerke, Schöpfwerke, Düker, Durchlässe, Hafenbauten, Uferwände, wenn nicht anders vereinbart. Ausgenommen sind Straßen- und Eisenbahnbrücken sowie Tunnel (vgl. hierzu ZTV-ING [3-7]). Sie gelten nur für Bauteile bzw. Bauteilbereiche, die während der Bauausführung vor Wasserbeaufschlagung geschützt werden können. Die Anforderungen an die Oberflächenzugfestigkeit lassen sich Tabelle 3.3 entnehmen.

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3 Anforderungen an die Betonoberfläche

Tab. 3.3: Geforderte Abreißfestigkeiten ƒt,s der Betonunterlage nach dem Entwurf der ZTV-W [3-8] System a

Beton

unbewehrt verankert, bewehrt

Spritzbeton

verankert, bewehrt

Spritzmörtel/ unbewehrt Spritzbeton

Mittelwert N/mm2

kleinster Einzelwert N/mm2

≥ 1,5 keine Anforderung

≥ 1,0 keine Anforderung

d ≥ 150 mm d < 150 mm

keine Anforderung ≥ 0,8

keine Anforderung ≥ 0,5

S-A2 S-A3 S-A4

≥ 0,8 ≥ 1,2 ≥ 1,5

≥ 0,5 ≥ 0,8 ≥ 1,0

PCC

unbewehrt

≥ 1,5

≥ 1,0

OS

OS 1 OS 4 OS 5

keine Anforderung ≥ 1,3 ≥ 1,0 ≥ 1,3 ≥ 1,5

keine Anforderung ≥ 0,8 ≥ 0,6 ≥ 0,8 ≥ 1,0

ohne Feinspachtel mit Feinspachtel

OS 11 a

Systembezeichnung siehe Tabelle A1 im Anhang.

3.1.6 Auftragsflächen für Spritzbeton Wenn Spritzbeton für Instandsetzungszwecke verwendet wird, gelten die in den Abschnitten 3.1.2 bis 3.1.5 beschriebenen Anforderungen an den Untergrund. In anderen Fällen, z.B. beim Einsatz von Spritzbeton zur Verstärkung vorhandener Beton- und Stahlbetonbauteile, sind die Anforderungen an die Oberflächenzugfestigkeit der Auftragsfläche oder an den Haftverbund zwischen der Auftragsfläche und dem Spritzbeton zu vereinbaren. Soll der Spritzbeton an der Auftragsfläche haften, so muss gemäß DIN 18551 [3-9] der Untergrund in geeigneter Weise aufgeraut und gesäubert werden. Dadurch dürfen sich allerdings die Eigenschaften des Untergrunds nicht nachteilig verändern. Gemäß DIN 18551 [3-9] muss „die Vorbereitung der Auftragsfläche eine raue und feste Oberfläche ergeben. Das ist bei Beton in der Regel der Fall, wenn fest eingebettetes Gesteinskorn sichtbar wird. Bei der Prüfung der Oberflächenzugfestigkeit der behandelten Auftragsfläche muss der Bruch überwiegend im Untergrund auftreten. Bei Erreichen der vereinbarten Oberflächenzugfestigkeit oder einer Oberflächenzugfestigkeit von z. B. 1,5 N/mm2 ohne Bruch darf der Versuch beendet werden. Die Prüfung der Oberflächenzugfestigkeit erfolgt nach DIN 1048-2. Auf das Vorbohren darf verzichtet werden.“

3.2 Anforderungen an die Oberflächenrauheit

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Tab. 3.4: Anforderungen an die mechanischen Eigenschaften nach DIN 28052-2 [3-6] Schutz- bzw. Instandsetzungsmaßnahmen: Örtliche Ausbesserung bzw. flächige Beschichtung mit

Zementbeton/-mörtel auch kunststoffmodifiziert

Oberflächenzugfestigkeit ƒt,s Mittelwert N/mm2

kleinster Einzelwert N/mm2

> 1,5

> 1,0

> 2,0

> 1,5

Reaktionsharzbeton/-mörtel für nicht befahrbare Flächen Reaktionsharzbeschichtungen Reaktionsharzbeschichtungen Dicke > 1 mm, mechanische Belastung > Stufe 2 DIN 28052-1: 1990-8, Abschnitt 4.5

3.1.7 Oberflächenschutz für Bauteile aus Beton in verfahrenstechnischen Anlagen Die Anforderungen an den Untergrund für Oberflächenschutzmaßnahmen an Betonbauteilen in verfahrenstechnischen Anlagen (chemischer Apparatebau) lehnen sich an die alte Richtlinie des DAfStb [3-2] an. Die Art der aufzutragenden Stoffe ist jedoch in DIN 28052 [3-6] stärker eingegrenzt und zum Teil etwas anders spezifiziert. Hier finden sich im Prinzip die Oberflächenschutzsysteme OS 6, (OS 8) und OS 12 aus [3-2] wieder, die in der Instandsetzungs-Richtlinie [3-3] nicht mehr enthalten sind. Die Oberflächenzugfestigkeit darf die Grenzwerte in Tabelle 3.4 nicht unterschreiten. Der Prüfungsumfang richtet sich nach der Gleichmäßigkeit und Größe der zu behandelnden Flächen.

3.2 Anforderungen an die Oberflächenrauheit 3.2.1 Allgemeines Die Oberflächenrauheit des Betons soll ◆ Betonstraßendecken auch bei Nässe eine ausreichende Griffigkeit verleihen und dabei nur geringe Rollwiderstände und Rollgeräusche hervorrufen, ◆ Betonböden genügend rutschsicher machen, ◆ werksteinmäßig bearbeiteten Sichtbetonflächen ein besonderes Aussehen verleihen sowie den Wasserabfluss und die Verschmutzungsneigung regulieren, ◆ eine ausreichende Kontaktfläche (Adhäsionsfläche) und Verzahnungsmöglichkeit für Beschichtungen und Verklebungen sicherstellen und dabei nur geringen Materialverbrauch hervorrufen.

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3 Anforderungen an die Betonoberfläche

Je nach Bestimmungszweck werden demnach an die Betonoberfläche geometrische, physikalische oder optisch-ästhetische Anforderungen gestellt. Allerdings kann die Oberflächentextur wegen der Inhomogenität des Werkstoffs Beton sowie aufgrund der bauüblichen Herstellungs- und Bearbeitungsverfahren und -bedingungen nur sehr grob gesteuert werden. Allein bei der werksteinmäßigen Bearbeitung durch Schleifen und Polieren lässt sich eine ähnliche Präzision erreichen, wie sie bei Metall- oder Kunststoffoberflächen realisiert werden kann – jedoch nur unter der Voraussetzung, dass zuvor Lunker und Poren gespachtelt worden sind. Das sehr inhomogene Mikro- und Makrogefüge des Betons, die große Variationsbreite seiner Eigenschaften sowie der unterschiedliche Erosionswiderstand von Zuschlag und Matrix stehen einer gezielten Beeinflussung der Oberflächentextur entgegen. Die Genauigkeitsanforderungen und Toleranzen dürfen daher längst nicht so eng gefasst werden wie bei annähernd homogenen Werkstoffen (vgl. [3-10], [3-11]). Die Begriffe und Definitionen von Rauheitskenngrößen und Texturmerkmalen (siehe Kapitel 13) können jedoch sinngemäß übernommen werden, weil es für die Charakterisierung von Betonoberflächen noch keine vergleichbare Systematik gibt. Bei bewehrtem Beton muss der geringste Abstand zwischen Bewehrungsoberfläche und der fertig bearbeiteten Betonoberfläche die Anforderungen an die Betondeckungsmaße nach DIN 1045 erfüllen [3-5], [3-12].

3.2.2 Fahrbahndecken aus Beton Der Begriff Rauheit umfasst Oberflächentexturen im Wellenlängenbereich von wenigen Mikrometern bis zu einigen Dezimetern (vgl. Kapitel 13). Eine Unterteilung dieses Bereiches in Mikro-, Makro- und Megarauheit ermöglicht eine genauere Zuordnung der Auswirkungen der Oberflächentextur auf die Gebrauchseigenschaften (siehe Bilder 3.1 und 3.2, vgl. Bild 14.2). Während die Mikrorauheit (Feinrauheit) mit einer lateralen Ausdehnung bis 0,5 mm sich insbesondere auf die Haftreibung auswirkt, ist die Makrorauheit (Grobrauheit) mit Wellenlängen l zwischen 0,5 bis 50 mm nicht nur für die Griffigkeit sondern auch für das Reflexionsverhalten, das Drainagevermögen, die Sprühfahnenbildung, die Reifengeräusche und den Rollwiderstand maßgebend. Die Megarauheit (l = 50 bis 500 mm) beeinflusst vor allem die Geräuschemission und den Rollwiderstand [3-15], [3-16], [3-19]. Da die Griffigkeit von neuzeitlichen Straßendecken bei trockener Oberfläche normalerweise ausreichend ist, konzentriert sich die Bewertung der Griffigkeit und Rauheit im Wesentlichen auf die Verkehrssicherheit von Straßenoberflächen bei Nässe [3-16], [3-17], [3-18], [3-19]. Die geometrische Feingestalt der Oberfläche soll das Drainagevermögen (siehe Bild 3.1) der Oberfläche begünstigen. Außer dem Zustand der Reifen und der Fahrgeschwindigkeit, spielen die Dicke des Wasserfilms auf der Oberfläche und die Geometrie der Oberfläche

3.2 Anforderungen an die Oberflächenrauheit

21

Bild 3.1: Einfluss der Rauheit auf die sekundären Oberflächeneigenschaften (vgl. [3-14])

die wichtigste Rolle. Der größte Teil des Wassers unter der Aufstandsfläche des Reifens wird über die Makrorauheit abgeführt. Daher sollte die mittlere Texturtiefe (Sandfleckmethode) mindestens 0,4 mm betragen [3-19]. Um aber auch den letzten verbleibenden dünnen Wasserfilm zu durchbrechen und ausreichende Reibkräfte zu aktivieren, ist eine gewisse Mikrorauheit vonnöten. In diesem Zusammenhang ist außerdem nach der Kantenschärfe und nach der flächenhaften Schärfe zu unterscheiden. Während ersteres die Kanten und Spitzen von Mineralstoffen bezeichnet, beschreibt der zweite Begriff Gesteinskuppen oder Mörtelflächen mit Anteilen scharfen Feinsandes. Allerdings ist der Übergang zwischen beiden Formen fließend [3-17], [3-19]. Eine Oberflächenbearbeitung des Betons im frischen Zustand hat den Zweck, die etwa 0,5 bis 1 mm dicke Feinmörtelschicht zu texturieren, um den Feinsand freizulegen, der einen wesentlichen Einfluss auf die Rauheit hat [3-19], [3-21]. Umfangreiche Untersuchungen über die zweckmäßigste Oberflächentexturierung beim Neubau von Straßendecken haben gezeigt, dass ausgeprägte Texturen zwar in der Regel eine hohe Anfangsgriffigkeit mit sich bringen, aber auch relativ starke Rollgeräusche. Wird die frische Betonoberfläche mit einem Längsglätter geebnet und mittels Jutetuch aufgeraut – und nicht wie bisher üblich mit einem Stahlbesen –, so ist die Anfangsgriffigkeit zwar etwas geringer, sie liegt aber immer noch auf einem relativ hohen Niveau und die Rollgeräusche sind deutlich leiser [3-21], [3-22], [3-23], [3-24]. Dabei wird gegenüber der klassischen Betondeckenfertigung ohne Längsglätter und Texturierung mittels Stahlbesen quer zur Fahrtrichtung eine Lärmminderung von

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3 Anforderungen an die Betonoberfläche

Bild 3.2: Unterteilung der Rauheit von Fahrbahnoberflächen nach Wellenlängenbereichen

4 dB(A) erzielt. Zur Minimierung der Lärmemission ist nach [3-24] eine Oberflächentextur anzustreben, bei der alle Hochpunkte (Rauspitzen) auf einer Ebene liegen und einen Horizontalabstand von weniger als 10 mm haben (siehe Bild 3.3, unten). Außerdem sollten zwischen den Hochpunkten schmale Kanäle mit ausreichender Tiefe vorhanden sein, damit die beim Abrollen des Reifens zusammengepresste Luft entweichen kann. Bei neuen Betonfahrbahnen wird die Wirkung der Rauheit auf den Reibungswiderstand (Kraftschlussvermögen) zwischen dem Fahrzeugreifen und der nassen Fahrbahn durch Griffigkeitsmessungen mit der Sideway Force Coefficient Routine Investigation Machine (SCRIM) unter festgelegten Bedingungen beurteilt [3-18]. Die Griffigkeitskennwerte mSCRIM dürfen gemäß ZTV Beton – StB 01 [3-20] innerhalb eines jeden 100-m-Abschnittes z.B. bei Messgeschwindigkeiten von 80 km/h zum Zeitpunkt der Abnahme Mittelwerte von 0,46 und bis zum Ablauf der Gewährleistung 0,43 nicht unterschreiten. Bei Einzelwerten von mehr als 0,03 unterhalb dieser Grenzwerte liegt ein Mangel vor. Auf eine Kontrollprüfung der Griffigkeit kann verzichtet werden, wenn mit der kombinierten Messmethode SRT-Pendel/Ausflussmessung (siehe Kapitel 13) ein SRT-Wert ≥ 65 und eine Ausflusszeit ≤ 30 s ermittelt wird [3-20]. Während sich die Griffigkeit der Jutetuch-Flächen laufend erhöht, bleibt das Griffigkeitsniveau beim Besenstrich quer (Stahlbesen) etwa gleich [3-21]. Bei unter Verkehr liegenden Fahrbahnoberflächen wird für die Griffigkeit bei Nässe in [3-18] ein Warnwert mSCRIM von 0,39 bei 80 km/h und ein Schwellenwert von 0,32 angegeben. Eine Unterschreitung des Schwellenwertes bedeutet, dass Sofortmaßnahmen erforderlich sind und bauliche Maßnahmen zur Verbesserung der Griffigkeit durchgeführt werden müssen [3-16], [3-18].

3.2 Anforderungen an die Oberflächenrauheit

23

Bild 3.3: Auswirkungen der Straßenoberfläche auf die Geräuschemission (aus: [3-24], nach H. SOMMER)

Eine gegenseitige Beeinflussung von Griffigkeit und Lärmemission ist auch bei den Anforderungen für das nachträgliche Aufrauen von Straßendecken zu berücksichtigen. Hinzu kommt die zeitliche Veränderung der Oberflächentextur. Eine Längstexturierung erweist sich hinsichtlich der Rollgeräusche vorteilhafter als eine Quertexturierung. Bei der Abnahme nachträglich mechanisch aufgerauter Fahrbahnen werden für die Griffigkeit in der Regel Anfangswerte von 70 SRT-Einheiten am Pendelgerät (siehe Abs. 13.3.2) gefordert und nach einem Jahr noch mindestens 60 SRT-Einheiten [3-25]. Während es durch mechanisches Aufrauen relativ gut gelingt, die geforderten Anfangswerte zu erzielen, sind die erforderlichen Griffigkeiten nach einem Jahr bei starker Verkehrsbeanspruchung nur schwer einzuhalten. Wichtig ist, auf welchem Niveau sich ein Beharrungszustand (Dauergriffigkeit) einstellt, bei dem nur noch geringe Griffigkeitsänderungen auftreten [3-16]. Dabei kommt es sehr auf das gewählte Bearbeitungsverfahren an. Eine vergleichende Untersuchung [3-25] verschiedener Fräsverfahren zeigte, dass nur die Rotationsfräsen (siehe Kapitel 7) das gewünschte Ergebnis liefern. Hierbei werden die hervorstehenden, durch Verkehrsbeanspruchung polierten Gesteinsköpfe bis zur tiefergelegenen Mörtelebene so weit abgearbeitet, dass eine durchgehend bruchraue Oberflächentextur entsteht (siehe Bild 3.4b) bei der auch der scharfe Mörtel dem Kraftschluss dient. Im Gegensatz dazu führen Klopffräsen (siehe Kapitel 7) unter wirtschaftlichen Einsatzbedingungen nur zu einer oberflächigen Aufrauung der polierten Gesteinsköpfe (siehe Bild 3.4c). Schlagfräsen (Kapitel 7) haben zwar einen sehr starken Effekt, hinterlassen

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3 Anforderungen an die Betonoberfläche

a) Ausgangszustand: Alte Betonfahrbahn millimetertief entmörtelt, polierter Grobzuschlag

b) Rotations-Fräsverfahren: polierte Gesteinsköpfe bis zur Mörteleinbettung abgearbeitet

c) Klopf-Fräsverfahren: polierte Gesteinsköpfe nur oberflächig aufgeraut

d) Schlagfräsen: polierte Gesteinsköpfe abgeschlagen, dadurch ruppige Textur Bild 3.4: Verfahrensspezifische Oberflächentypen von mechanisch aufgerauten Betonfahrbahnen (Prinzipskizze) nach [3-25]

aber eine zu grobraue Textur (siehe Bild 3.4d). Außerdem müssen Gefügelockerungen und lautere Reifengeräusche hingenommen werden. Hinzu kommt, dass die anfänglich hohe Griffigkeit nach mehrjähriger Verkehrsbeanspruchung stärker nachlässt als bei den beiden anderen Verfahren.

3.2.3 Betonböden Ein sehr großer Anteil aller angezeigten Stolper-, Rutsch- und Sturzunfälle wird auf den Zustand des Fußbodens zurückgeführt [3-26], [3-27]. Dies gilt ganz besonders für Sturzunfälle im Nahrungsmittel- und Gaststättenbereich. Neben der Gestaltung des Fußbodens sind aber auch die Art und der Grad der Verschmutzung sowie das Schuhwerk maßgebend. Für den Fußboden gilt, dass er durch seine Oberflächengestalt zu einem gewissen Anteil Gleitmittel (z.B. Öle, Fette) aufnehmen und damit der Gehebene entziehen kann. Dies geschieht über den Verdrängungsraum, das ist der zur Gehebene hin offene Hohlraum unterhalb der Gehebene. Versuche haben gezeigt, dass die Bodenrauheit der maßgebende Einflussfaktor auf die rutschhemmende Wirkung eines z.B. mit Öl oder Glyzerin kontaminierten Bodens ist [3-26]. Mit zunehmender Rauheit steigt die Rutschhemmung. Von Seiten der Berufsgenossenschaften wurden für Arbeitsbereiche mit erhöhter Rutschgefahr je vier Bewertungsgruppen für die Rutschhemmung und für das Mindestvolumen des Verdrängungsraumes eingeführt (siehe Tabelle 3.5).

3.2 Anforderungen an die Oberflächenrauheit

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Tab. 3.5: Anforderungen nach DIN 51130: 1992-11 an Beläge in Arbeitsbereichen mit erhöhter Rutschgefahr [3-27] Gesamtmittelwert der Neigungswinkel

Bewertungsgruppe der Rutschhemmungg

Bezeichnung des Verdrängungsraumes (V)

Mindestvolumen des Verdrängungsraumes in cm3/dm2

von 10 bis 19° mehr als 19 bis 27° mehr als 27 bis 35° mehr als 35°

R 10 R 11 R 12 R 13

V4 V6 V8 V 10

4 6 8 10

Die von verschiedenen Autoren empfohlenen Mindestwerte für die gemittelten Rautiefen Rz 1 liegen für die Gleitmedien Öl und Glyzerin zwischen 30 und 140 mm. Es ist allerdings nicht möglich, daraus generelle Anforderungen abzuleiten, weil auch andere Faktoren einen Einfluss auf die Rutschhemmung ausüben. Dazu gehört neben den oben genannten Parametern auch die Gestalt der Profilierung. Nach JUNG [3-26] ist jedoch ein Mindestwert von 30 mm für die gemittelte Rautiefe Rz nach DIN 4768 1 anzuraten. Nachteilig ist, dass mit zunehmender Rauheit auch die Verschmutzungsneigung zunimmt und die Reinigungsfähigkeit abnimmt.

3.2.4 Werksteinmäßig bearbeitete Betonflächen Mit der Rauheit wächst die optische Wirkung einer Oberflächenbearbeitung. Je nachdem wie weit das Zuschlagkorn freigelegt wird, ist die Farbwirkung selbst bei gleichartigen Zuschlägen unterschiedlich. Auch die Art der Bearbeitung der Kornoberflächen kann unterschiedliche Lichtbrechungen hervorrufen und das freigelegte Gefüge heller oder dunkler erscheinen lassen. Bei Betonwerkstein wird die Abtragleistung/-tiefe und Rauheit aber nicht allein durch Art des Verfahrens, Bearbeitungsintensität und Bearbeitungsdauer gesteuert, sondern auch durch die Erhärtungszeit des Betons – genauer gesagt durch den Reifegrad des Betons –, weil dieser zusätzlich von der Erhärtungstemperatur abhängt. So ist es zu erklären, dass die in Tabelle 3.6 angegebenen Abtragtiefen für werksteinmäßig bearbeitete Oberflächen in der Regel größer sind als bei der Untergrundbearbeitung für die Instandsetzung, die meist im höheren Betonalter erfolgt. Für die Oberflächenbearbeitung ist die Wahl des richtigen Zeitpunktes sehr wichtig. Das gilt besonders für das Druckluftstrahlen mit festen Strahlmitteln (Sandstrahlen) und für das Auswaschen [3-30]. Das Freilegen des Grobkorns gelingt nur, solange die Matrix verhältnismäßig weich ist. Geeignete Voraussetzungen bestehen für das Druckluftstrahlen je 1

DIN 4768 [3-28] ist ersatzlos gestrichen. Die gemittelte Rautiefe Rz entspricht Rz nach der heute gültigen DIN EN ISO 4287 [3-29] mit den Messbedingungen nach DIN EN ISO 4288.

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3 Anforderungen an die Betonoberfläche

nach Betonzusammensetzung und Erhärtungsbedingungen in einem Zeitraum zwischen 4 und 72 Stunden nach der Herstellung [3-31]. Mit zunehmendem Erhärtungsgrad wird die Tiefenwirkung des Abtrags zwar geringer, doch treten etwaige Texturschwankungen weniger in Erscheinung [3-30]. Außerdem braucht der Bearbeitungszeitpunkt zur Erzielung eines bestimmten Abtrageffektes nicht mit der Präzision eingehalten zu werden wie im jungen Betonalter. Überall dort, wo es auf optische Wirkung ankommt, macht eine Festlegung von Abtrag- oder Rautiefen wenig Sinn. Die bloße Angabe der Bearbeitungsart (vgl. DIN 18500 [3-32]) ist hingegen als Spezifikation unzureichend, weil damit nichts über die Bearbeitungsintensität und das angestrebte Ergebnis ausgesagt wird. Lediglich zur Unterscheidung der Bezeichnungen feingeschliffen und geschliffen wird in DIN 18500 ergänzend angemerkt, dass feingeschliffen geschliffen, gespachtelt und nachgeschliffen bedeutet. Bei geschliffenen Oberflächen ist die Spachtelung nicht eingeschlossen, d.h. Poren und Rillen bleiben sichtbar. Zur Vermeidung von Missverständnissen und Konflikten empfiehlt es sich, die Anforderungen anhand von Fotografien (siehe z.B. [3-33]) oder besser noch anhand von Referenzflächen festzulegen und zwar am besten unter Beleuchtungsbedingungen, die den praktischen Verhältnissen entsprechen. Auch die Entfernung zwischen Beobachtungsstandort und zu beurteilender Fläche spielt eine Rolle [3-34]. Was das texturabhängige Verschmutzungsverhalten betrifft, so kann man Sichtbetonflächen nach [3-35] in zwei Gruppen einteilen. HUBERTY [3-35] zieht die Grenze bei 1 mm Rautiefe. Nach seiner Einteilung zeigen sowohl glatte als auch schwach texturierte Oberflächen mit einer Rautiefe unter 1 mm ähnliches Verschmutzungsverhalten, während grob texturierte mit Rautiefen zwischen 1 und 10 mm sich völlig davon unterscheiden. Welche Textur günstiger ist, hängt von der Beaufschlagung, Textur und Geometrie der Sichtflächen ab. Grobe Textur reguliert (vergleichmäßigt) bei starker Beaufschlagung den Wasserabfluss, lässt aber Staubnester entstehen, die eine relativ gleichmäßige Patina bilden, während glatte oder schwach texturierte Flächen bei starker Niederschlagseinwirkung zu unregelmäßigen Verschmutzungen führen können.

3.2.5 Untergrund für Schutz und Instandsetzung Unter dem Gesichtspunkt der Dauerhaftigkeit werden raue Betonoberflächen ungünstiger beurteilt als glatte. Dies gilt auch dann, wenn sie mit einem Oberflächenschutzsystem beschichtet werden sollen [3-36]. Als ideal wird in [3-37] eine geschlossene aber noch feingriffige Oberfläche ohne Anreicherungen an Zement oder Feinststoff bezeichnet. Diese Voraussetzungen sind z.B. bei einem feinen Besenstrich erfüllt, der eine Rautiefe von 0,5 bis 1 mm aufweist.

3.2 Anforderungen an die Oberflächenrauheit

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Für den Verbund mit Belägen, Beschichtungen und Verklebungen ist eine gewisse Rauheit des Untergrunds erwünscht, weil sich dadurch die spezifische Kontaktfläche vergrößert und der aufgetragene Stoff mit dem Untergrund verzahnen kann. Untergrundbearbeitung dient demnach nicht allein dem Zweck, schadhafte und lose Oberflächenpartien zu entfernen, sondern soll darüber hinaus auch den Beton aufrauen. Die Ergebnisse sind je nach Bearbeitungsverfahren und -intensität sehr unterschiedlich. Während sich beim Strahlen mit festen Strahlmitteln im Allgemeinen feinraue Oberflächen ergeben, erscheint der Untergrund nach dem Stemmen, Klopfen, Flammstrahlen und Hochdruckwasserstrahlen eher grobrau. In Tabelle 3.6 sind einige Anhaltswerte für zu erwartende Abtragtiefen dargestellt. Diese grenzen gleichzeitig den Bereich der Rautiefen verfahrensabhängig ein. In der neuen Instandsetzungs-Richtlinie [3-5] fehlen diese Angaben. Nach [3-38] sind die Verbundfestigkeiten zwischen Spritzbeton und Untergrund ab Rautiefen von Rt = 0,6 mm (ermittelt nach dem Sandflächenverfahren) ausreichend und durch eine weitere Erhöhung der Rauheit kaum noch zu steigern. Bei Rautiefen unterhalb von 0,5 mm muss jedoch mit einer signifikanten Abnahme der Haftzugfestigkeit des Spritzbetons gerechnet werden. Durch eine gröbere Textur wird also nicht unbedingt das Maximum an spezifischer Kontaktfläche (Adhäsionsfläche) erreicht, weil zwar größere, jedoch Tab. 3.6: Abtragtiefen bei verschiedenen Zielsetzungen und Untergrundbearbeitungsmethoden Bearbeitungsverfahren

a

Untergrundbearbeitung für Schutz und Instandsetzuung nach [3-2]

Werksteinmäßige Bearbeitung von Betonsichtflächen nach [3-33] a

Abtragtiefe in mm

Abtragtiefe in mm

Bemerkungen

Stemmen (Spitzen)

k. A.

tiefere Schädigung

5…10

Klopfen (Stocken)

k. A.

tiefere Schädigung

6

Fräsen

1…3 3…8

je nach Betonfestigkeit und Geräteeinstellung

k. A.

Schleifen

≤2

Strahlen mit festen Strahlmitteln

wenige mm

abhängig von Strahldauer und Betonfestigkeit

1…2

Hochdruckwasserstrahlen > 600 bar

wenige cm

abhängig von Dauer, Druck und Betonfestigkeit

k. A.

Bürsten

≤1

Flammstrahlen

≤3

Absäuern

k. A.

4…5

Bemerkungen

je nach freizulegendem Korndurchmesser

k. A. 4…8 fallweise unterschiedlich

0,5

Beim Vergleich ist zu berücksichtigen, dass Betonwerkstein zum Zeitpunkt der Bearbeitung in der Regel ein geringes Alter hat.

28

3 Anforderungen an die Betonoberfläche

zahlenmäßig weniger Abweichungen von einer gedachten Mittellinie auftreten. Mikrorauheit kann bezüglich der spezifischen Kontaktfläche sogar günstiger sein. Wenn die Betonoberfläche egalisiert werden muss, entsteht bei grober Textur ein erhöhter Materialverbrauch. Während dies bei Ausbesserungsmörteln und -betonen unproblematisch ist, lässt sich die Schichtdicke von Oberflächenschutzbeschichtungen bei übermäßig rauem Untergrund nur mittels vorheriger Ausgleichsspachtelung (siehe Tabelle 3.8) in den produktspezifischen bzw. systemspezifischen Toleranzgrenzen [3-3] halten. Aus diesem Grund fordert die Instandsetzungs-Richtlinie [3-3] „eine dem zu verwendenden Stoff angepasste Rauheit“ des Untergrunds. Diese Formulierung ist sehr allgemein und bestenfalls geeignet, auf die Problematik aufmerksam zu machen. In den ZTV-ING [3-7] heißt es: „Sind zum Aufbringen des Oberflächenschutzsystems Anforderungen an die Rautiefe gestellt, ist die Rautiefe bei waagerechten Oberseiten nach Teil 1 Abschnitt 3 zu bestimmen, bei senkrechten Flächen und Unterseiten z.B. durch Vergleichsmuster.“ Eine Begrenzung der Rautiefe ist demnach nur für Oberflächenschutzsysteme erforderlich und zwar nur dann, wenn vom Hersteller gefordert. Die Instandsetzungs-Richtlinie [3-5] quantifiziert die Mindestschichtdicken und Schichtdickenzuschläge dz von Oberflächenschutzsystemen in Abhängigkeit von der Rautiefe. Für die Herstellung von Dichtungsschichten aus Flüssigkunststoff fordern die ZTV-BEL-B, Teil 3 [3-39], die Betonoberfläche so zu behandeln, dass deren Rautiefe den maximal zulässigen Wert nicht überschreitet. Dieser Wert für die Rautiefe der bearbeiteten Betonoberfläche ist abhängig vom produktspezifischen Ablaufverhalten des Flüssigkunststoffes der Dichtungsschicht. Er ist der gültigen Ausführungsanweisung zu entnehmen und kann zwischen 1,5 mm und 2,5 mm liegen. Für Dichtungsschichten aus Flüssigkunststoff nach [3-39] ist in der Leistungsbeschreibung anzugeben, dass ggf. eine Kratzspachtelung erforderlich ist. Für Dichtungsschichten aus einer BitumenSchweißbahn gemäß ZTV-ING [3-7], genügt bei Rautiefen der vorbereiteten Betonoberfläche bis 1,5 mm eine Grundierung (ggf. Versiegelung), während bei Rautiefen über 1,5 mm eine Kratzspachtelung auszuführen ist. Letzteres ist auch für einzelne Vertiefungen in der Betonoberfläche bis 5 mm Tiefe und bis ca. 500 cm2 Größe möglich. Bei größeren Vertiefungen muss ein Profilausgleich durch Betonersatz bzw. Betonabtrag erfolgen. Nach [3-40] darf die Rautiefe Rt des Untergrunds beim Einbau von Bitumenschweißbahnen für Parkdeckbeschichtungen nicht mehr als 1,5 mm betragen. Diese Voraussetzungen sind erfüllt, wenn der Durchmesser des etwa kreisförmig verteilten Sandes bei der Prüfung nach dem Sandflächenverfahren die in Tabelle 3.7 für Rt = 1,5 mm angegebenen Mindestdurchmesser erreicht. Werden diese Grenzwerte unterschritten, so ist die Rauheit zu groß, und die Oberfläche muss nachbearbeitet werden. Die erforderlichen Maßnahmen zum Rautiefenausgleich für mechanisch belastete waagerechte Flächen sind in [3-42] beschrieben und in Tabelle 3.8

3.3 Anforderungen an die Ebenheit

29

Tab. 3.7: Mindestdurchmesser des Sandflecks dmin für Rautiefen Rt ≤ 1,0 mm bzw. ≤1,5 mm in Abhängigkeit vom Sandvolumen V nach [3-41] (vgl. [3-7], [3-40]) Zulässige Rautiefe Rt

1,0 mm dmin in cm 1,5 mm dmin in cm

V in cm3 25

30

35

40

45

50

18 15

20 16

21 17

23 18

24 20

25 21

Die Berechnung von dmin erfolgt nach Kapitel 13.3.3.3, Bilder 13.24 und 13.25.

Tab. 3.8: Erforderliche Maßnahmen zum Rautiefenausgleich für mechanisch belastete waagerechte Flächen [3-42] Rautiefe nach der Untergrundvorbereitung, gemessen mit dem Sandflächenvverfahren

Art des Rautiefenausgleichs

< 0,5 mm

Grundieren mit lösemittelfreiem dünnflüssigem Reaktionsharzbindemittel

0,5 bis 1 mm

Grundierspachtelung mit Quarzsand ∆ 0,1…0,3 mm

> 1 mm

Kratzspachtelung auf abgestreuter Grundierung

auszugsweise wiedergegeben. Die Spachtelungen sind in der Regel mit trockenem Quarzsand der Körnung 0,2–0,7 mm bzw. 0,7–1,2 mm abzustreuen.

3.3 Anforderungen an die Ebenheit 3.3.1 Allgemeines Abweichungen von der Ebenheit, die üblicherweise als Unebenheiten bezeichnet werden, sind baupraktisch unvermeidbar. Kein Bauteil lässt sich absolut eben herstellen oder instand setzen. Da Unebenheiten jedoch die Gebrauchsfähigkeit und das Aussehen von Bauteilen beeinträchtigen können, müssen sie begrenzt werden. Die Toleranzgrenzen für Unebenheiten richten sich nach dem Verwendungszweck des Bauteils. Als Unebenheiten werden wellenförmige Erhebungen oder Vertiefungen an den Bauteiloberflächen bezeichnet, während die Gesamtneigung der Fläche gegenüber der Solllage Winkelabweichung genannt wird [3-43], [3-46]. Bei der Oberflächen- bzw. Untergrundbearbeitung von Beton steht die Vermeidung bzw. Beseitigung von Unebenheiten im Vordergrund. Um mit den später aufzubringenden Schichten die geforderten Ebenheitstoleranzen ohne nennenswerte Anpass- und Nacharbeiten einhalten zu können, müssen bereits an die Oberflächenebenheit des Unterbetons entsprechende Anforderungen gestellt werden. Diese beziehen

30

3 Anforderungen an die Betonoberfläche

sich jedoch nicht auf last- und zeitabhängige Verformungen [3-44]. Zur Anwendung der Vorschriften im Hochbau besagt DIN 18201 [3-43]: „Die in DIN 18202 und 18203 festgelegten Toleranzen stellen die im Rahmen üblicher Sorgfalt zu erreichende Genauigkeit dar. Sie gelten stets, soweit nicht andere Genauigkeiten vereinbart werden.“ Wird jedoch davon abgewichen, so müssen die veränderten Genauigkeiten in den Vertragsunterlagen, z.B. Leistungsverzeichnis und Zeichnungen, angegeben werden [3-1], [3-43], [3-44].

3.3.2 Fahrbahndecken aus Beton Fahrbahnunebenheiten im Längsprofil beeinflussen Sicherheit, Fahrkomfort, Lärmentwicklung, Reifenverschleiß, Treibstoffverbrauch, Ladegut- und Fahrzeugbeanspruchung sowie die Dauerhaftigkeit der Fahrbahn selbst, die dadurch höheren dynamischen Radlasten ausgesetzt ist. Außerdem wird durch mulden-, wellen- oder rillenförmige Vertiefungen der Wasserabfluss behindert [3-46]. Zu den kritischen Unebenheiten im Querprofil zählen vor allem die Spurrinnen, die bei Nässe mit zunehmender Tiefe und abnehmender Griffigkeit insbesondere in Verwindungsstrecken ein erhöhtes Unfallrisiko darstellen [3-47]. Daher müssen Straßen im Hinblick auf die Sicherheit sowie auf den Gebrauchs- und Substanzwert so ebenflächig wie möglich hergestellt und erhalten werden [3-48]. Gemäß VOB Teil C, ATV 18316 [3-49] dürfen die Unebenheiten der Oberfläche von Betondecken innerhalb einer 4 m langen Messstrecke nicht größer als 1 cm sein. Diese allgemeine Regelung der ATV ist eine Mindestanforderung, die den höheren Ansprüchen an Verkehrsflächen mit öffentlichem Verkehr allein nicht genügt. Für den Bau von Betondecken auf öffentlichen Straßen gelten daher die verschärften Anforderungen der Zusätzlichen Technischen Vertragsbedingungen und Richtlinien für den Bau von Fahrbahndecken aus Beton (ZTV Beton-StB [3-20]). Beim Ersatz von Platten oder Plattenteilen korrespondieren die zulässigen Grenzwerte mit den Unebenheiten der Nachbarfahrstreifen und Anschlussplatten [3-41]. Darüber hinaus können in der Leistungsbeschreibung noch weitergehende Anforderungen gestellt werden. Alle Abweichungen von der ATV müssen aber ausdrücklich im Bauvertrag vereinbart sein [3-21]. Die Kontrolle und Abnahme der Ebenheit neu hergestellter oder instand gesetzter Straßen erfolgt nach dem 4-m-Latten-Prinzip, wobei die maximale Profiltiefe unter einer auf der Straße aufliegenden 4 m langen starren Latte bei Straßen der Bauklassen SV, I bis III gemäß ZTV Beton-StB [3-20], [3-21], [3-46] maximal 4 mm betragen darf. Alternativ zur 4-m-Latte kann auch der Nachweis mit dem Planografen erfolgen. Diese auf Rollen montierte Variante der Richtlatte wird in Kapitel 14 näher beschrieben. Bei Straßendecken der Bauklassen IV bis VI und bei nicht mit Fertigern hergestellten Flächen

3.3 Anforderungen an die Ebenheit

31

dürfen Unebenheiten von 6 mm nicht überschritten werden [3-20]. Dies betrifft kurze Reparaturstücke in Decken aller Bauklassen, bei denen der Einsatz von Fertigern nicht möglich oder sinnvoll ist [3-21]. Größere Unebenheiten führen zu finanziellen Abzügen bei der Abrechnung der Teilleistung. Außerdem dürfen die zulässigen Abweichungen nur mit allmählichem Übergang und nicht in kurzen regelmäßigen Abständen auftreten, und es muss ein ausreichender Wasserabfluss sichergestellt sein. Allerdings können auch innerhalb der Toleranzen liegende, waschbrettartige wiederkehrende Unebenheiten (Megatextur, z.B. Wabennetze) beeinträchtigende Geräuschemissionen hervorrufen. Da die Profiltiefen allein relativ wenig über die zu erwartenden dynamischen Beanspruchungen aussagen, wird es für die Zustandserfassung und -bewertung als sinnvoll erachtet, die Längsunebenheiten im Hinblick auf die Verkehrssicherheit, Straßenbeanspruchung sowie Schwingungsbeanspruchung von Fahrzeuginsassen und Ladegut zu unterteilen in: ◆ regellose Unebenheiten (stochastische Unebenheiten) ◆ periodische Unebenheiten und ◆ Einzelunebenheiten und durch das Unebenheitsmaß Fh (s. Tab. 3.9) bzw. durch die Standardabweichung sq zu charakterisieren [3-46], [3-48], [3-50], [3-51]. Die Erfassung solcher Längs-Unebenheits-Kennwerte setzt schnell fahrende Messgeräte (z.B. HRM) voraus (siehe Kapitel 14). Diese dimensionsbehafteten Zustandsgrößen werden mit Hilfe von Normierungsfunktionen in dimensionslose und damit vergleichbare Zustandswerte (Noten) umgewandelt. Für die Bewertung ist folgende Zuordnung maßgebend: ◆ Zielwert ◆ Warnwert ◆ Schwellenwert

1,5 3,5 4,5.

Tab. 3.9: Grenzwerte für Zustandsindikatoren auf Bundesfernstraßen nach [3-51]

a

Merkmal

Indikator

Einheit

Zielwert

Warnwert

Schwellenwert

Längsunebenheiten

Unebenheitsmaß Fh (W0)

cm3

1,00

3,00

9,00

Querunebenheiten

Spurrinnentiefe Wassertiefe

mm mm

4,00 0,10

10,00 4,00

20,00 6,00

Griffigkeit

SCRIMa bei 80 km/h SCRIMa bei 60 km/h

– –

0,53 0,60

0,39 0,46

0,32 0,39

Seitenreibungsbeiwert SCRIM (Sideway-force Coefficient Routine Investigation Machine).

32

3 Anforderungen an die Betonoberfläche

Danach werden die normierten Zustandswerte (Noten) nach den Teilzielen Komfort (10%), Sicherheit (50%) und Substanz (40%) gewichtet und zu einem Gesamtwert verknüpft [3-46].

3.3.3 Start- und Landebahnen Ebene Start- und Landebahnen sind eine unabdingbare Voraussetzung für einen sicheren und störungsfreien Flugbetrieb [3-52], denn Unebenheiten ◆ beeinträchtigen den Passagierkomfort, ◆ begünstigen Aquaplaning (bei unzureichendem Quergefälle), ◆ beeinträchtigen die Ablesbarkeit der Cockpitinstrumente, ◆ führen zu erhöhter Beanspruchung der Flugzeugreifen, ◆ können die Reifenhaftung auch bei trockener Witterung soweit beeinträchtigen, dass die vorgesehenen Bremswege überschritten werden, ◆ rufen Schäden an der Startbahn sowie am Unterbau hervor und mindern deren Lebensdauer. Die Ebenheitsanforderungen für Start- und Landebahnen der internationalen Zivilluftfahrtorganisation ICAO wurden in die einschlägigen Richtlinien des Bundesministers für Verkehr übernommen. Bei der Abnahme neu erstellter Start- und Landebahnen dürfen die Höhendifferenzen unter der Messlatte bei kurzen Messlängen bis zu 3 m maximal 3 mm betragen. Aus Konformitätsgründen wird in Deutschland die 4 m Messlatte und eine Toleranzgrenze von 4 mm angewandt. Auch nach der Inbetriebnahme sollen keine Abweichungen > 3 mm (ICAO) bzw. 4 mm (Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen FGSV) auftreten. Andernfalls sind umgehende Reparaturmaßnahmen anzuraten. Bei größeren Messlängen können die zulässigen Amplituden nach einer Formel berechnet werden, die die Gradienten der Start- und Landebahntrassen und ggf. die Ausrundung bei Neigungswechseln berücksichtigt [3-52]. Gleichförmige Neigungsänderungen vorausgesetzt, ergeben sich ohne Berücksichtigung der Ausrundung für die Mittellinien von Bahnen länger als 1800 m folgende maximalen Höhendifferenzen zwischen den Kuppen und Wannen [3-52]. Messlänge

Dh

90 m 150 m

≤ 34 mm ≤ 94 mm

Außerdem darf der Abstand zwischen zwei aufeinander folgenden Neigungsänderungen nicht kürzer als 45 m sein. Zu beachten ist die gegenseitige Abhängigkeit von Flugzeugdynamik und Bahnebenheit. Während Bahnunebenheiten, abgesehen von Stufen an Fugen,

3.3 Anforderungen an die Ebenheit

33

bei niedrigen Flugzeuggeschwindigkeiten kaum eine Rolle spielen, treten bei höheren Geschwindigkeiten unerwünschte Flugzeugreaktionen auf, wobei periodisch wiederkehrende Unebenheiten die Flugzeugkonstruktion in Resonanzschwingungen versetzen. Neuere Flugzeuge reagieren auf solche Gegebenheiten empfindlicher als ältere. Für diese Effekte ist weniger die Amplitude einzelner Unebenheiten verantwortlich als vielmehr das Zusammenwirken von Wellenlängen, Höhendifferenzen und deren Reihenfolge. ◆ Bereits zwei bis drei aufeinander folgende Unebenheiten mit einem Höhenunterschied von 20 bis 30 mm können negative Flugzeugreaktionen auslösen. ◆ Den größten Einfluss auf Flugzeugschwingungen haben Wellenlängen, die doppelt so groß sind wie der Abstand zwischen Bugrad und Hauptfahrwerk. (Diese Abstände betragen z.B. 18 m bei der DC 9-50, 22 m bei der DC 10-30 und etwa 24 m bei der B 747-400). Dies erklärt, warum sich das Bahnprofil je nach Flugzeugtyp unterschiedlich auswirkt [3-52].

3.3.4 Hochbau Die in DIN 18202 [3-44] angegebenen Toleranzen gelten baustoffunabhängig für nahezu alle Bereiche des Hochbaus und des Industriebodenbaus. Andere Vorschriften und Toleranzen müssen im Leistungsverzeichnis ausdrücklich benannt und vertraglich gesondert vereinbart werden [3-43], [3-53]. So bestehen für werksmäßig hergestellte Betonbauteile und Betonwaren zusätzliche Anforderungen (siehe Abschnitt 3.3.6). Alle in DIN 18202 festgelegten Toleranzen beziehen sich auf eine Prüfungsdurchführung gemäß DIN 18201 (siehe Kapitel 14). Dabei unterscheidet die DIN 18202 nach ◆ Grenzabmaßen, ◆ Winkeltoleranzen und ◆ Ebenheitstoleranzen. Die Grenzabmaße beziehen sich auf die Toleranzen für Längen, Breiten, Höhen, Achs- und Rastermaße sowie für Öffnungen zur Aufnahme von Fenstern, Türen und Einbauelementen an festgelegten Messpunkten. Durch die Winkeltoleranzen wird die Gesamtneigung von Flächen gegenüber der vorgesehenen Lage begrenzt. Die maximalen Stichmaße gelten für vertikale, horizontale und geneigte Flächen gleichermaßen. Die Grenzabmaße und Winkeltoleranzen stellen Fertigungstoleranzen bei der Herstellung von Bauwerken dar. Da sie durch Untergrundbearbeitung nur bedingt beeinflusst werden können, sind sie für das vorliegende Thema von untergeordneter Bedeutung. Anders verhält es sich mit den Ebenheitstoleranzen (siehe Tabelle 3.10). Hier kann Untergrundbearbeitung nachhaltige Auswirkungen zeigen. Unebenheiten sind unabhängig von der Neigung des gesamten Bauteils. Das bedeutet, es spielt keine Rolle, ob das Bauteil vertikal, horizontal oder geneigt ist (z.B. Rampen zu Tiefgaragen). Da die Ebenheitstoleranz als das zulässige

34

3 Anforderungen an die Betonoberfläche

Stichmaß der größten Vertiefung zwischen zwei Hochpunkten definiert ist (siehe Kapitel 14, Bilder 14.1 und 14.3), kann sie unabhängig von der Lage bzw. Orientierung des betreffenden Bauteils angegeben werden. Sie gilt für Flächen von Decken (Ober- und Unterseite), Estriche, Bodenbeläge und Wände, jedoch nicht für Spritzbetonoberflächen. Werden erhöhte Anforderungen (Tabelle 3.10, Zeilen 2 und 4) an die Ebenheit von Flächen gestellt, so ist dies im Leistungsverzeichnis anzugeben und vertraglich zu vereinbaren. Bei flächenfertigen Wänden, Decken, Estrichen und Bodenbelägen sollen Sprünge und Absätze vermieden werden. Davon ausgenommen ist die durch Flächengestaltung bedingte Textur. Absätze und Höhensprünge zwischen benachbarten Bauteilen sind gesondert zu regeln. Die Prüfung der Ebenheitstoleranzen kann sich auf einzelne Punkte beschränken. Nachfolgende Gewerke wie Bodenbelagarbeiten brauchen zur Einhaltung ihrer Toleranzen einen normgerechten Untergrund. Es gehört nach DIN 18365 VOB [3-54] zu den Pflichten des Nachunternehmers vor Beginn seiner Arbeiten den Untergrund auf Ebenheit gemäß DIN 18201 zu überprüfen und bei Toleranzüberschreitungen Bedenken geltend zu machen. Zu beachten ist, dass für den Rohbau andere Toleranzen gelten als für die flächenfertigen Bauteile. Dies wird oft missverstanden, so dass z.B. der Estrichleger an die Betonoberfläche die gleichen Anforderungen stellt, wie sie an die fertige Oberfläche seines Gewerkes gestellt werden. Die DIN 18202 unterscheidet nämlich zwischen nicht flächenfertig (Rohbau) und flächenfertig (mit Belag oder Putz). Tab. 3.10: Ebenheitstoleranzen, Auszug aus DIN 18202 [3-44] Bauteile/Funktion

a

Zulässige Stichmaße in mm bei Messpunktabständen in m bis 0,1

1a

4a

10 a

≥15a

10

15

20

25

30

1

nichtflächenfertige Oberseiten von Decken, Unterbeton und Unterböden

2

nichtflächenfertige Oberseiten von Decken, Unterbeton und Unterböden mit erhöhten Anforderungen, z.B. zur Aufnahme von schwimmenden Estrichen, Industrieböden, Fliesen- und Plattenbelägen, Verbundestrichen fertige Oberflächen für untergeordnete Zwecke, z.B. in Lagerräumen, Kellern

5

8

12

15

20

3

flächenfertige Böden, z.B. Estriche als Nutzestriche, Estriche zur Aufnahme von Bodenbelägen

2

4

10

12

15

4

wie Zeile 3, jedoch mit erhöhten Anforderungen

1

3

9

12

15

5

nichtflächenfertige Wände und Unterseiten von Rohdecken

5

10

15

25

30

Zwischenwerte sind den Bildern 1 und 2 der DIN 18202 zu entnehmen und auf ganze mm zu runden.

3.3 Anforderungen an die Ebenheit

35

Wie oben erwähnt, sind außerdem die Unebenheiten von den Winkeltoleranzen zu trennen. Konstruktionsbedingte Überhöhungen, temperatur- und feuchtebedingte Formänderungen sowie last- und zeitabhängige Verformungen zählen nicht zu den Ebenheitsabweichungen und müssen ggf. rechnerisch eliminiert werden [3-43], [3-53]. Nach DIN 18365 [3-54] sind „Maßtoleranzen des Untergrunds für Bodenbelagarbeiten nur in den durch DIN 18201 und 18202 beschriebenen Grenzen zulässig. Bei Streiflicht sichtbar werdende Unebenheiten in den Oberflächen von Bauteilen sind zulässig, wenn die Maßtoleranzen von DIN 18202 eingehalten worden sind. Der Untergrund für Beläge, die ohne Unterlagen verlegt werden, ist mit Spachtelmasse zu glätten; bei größeren Unebenheiten ist Ausgleichsmasse zu verwenden“. Diese Festlegung ist zwar eindeutig [3-53], aber dennoch umstritten, weil je nach Art des Belags und den tatsächlich vorhandenen (andauernden) Lichtverhältnissen das Aussehen trotz Einhaltung der Normwerte inakzeptabel sein kann [3-55]. Das Merkblatt [3-56] des Zentralverbandes des Deutschen Baugewerbes stellt eine Ergänzung zu DIN 18201 und 18202 dar und beinhaltet nähere Einzelheiten zur Verfahrens- und Vorgehensweise bei Ebenheitsprüfungen.

3.3.5 Industrieböden 3.3.5.1 Allgemeines Die Oberflächen von Betonböden im Industriebau sind höhengerecht und horizontal oder im vorgeschriebenen Längs- und Quergefälle herzustellen. Hierfür gelten in der Regel die in DIN 18202 [3-44] angegebenen Toleranzen. Zu den Ausnahmen mit höheren Anforderungen gehören die Fahrspuren von Flurförderfahrzeugen, auf die am Ende dieses Abschnittes eingegangen wird. Im Industriebau wird vielfach eine Ausführung nach den AGI Merkblättern M1 und M2 [3-57] verlangt. Da es sich bei diesen Richtlinien nicht um einschlägige Hochbaunormen handelt, sondern um Sondervorschriften, die die DIN 18202 ergänzen, bedarf ihre Anwendung einer besonderen vertraglichen Vereinbarung. Neben einer allgemeinen Beschreibung der Begriffe werden in den Merkblättern die einzelnen Bauteile des Industriebaus praxisgerecht nach Genauigkeitsgruppen sowie Bauwerken und Bauteilen entsprechend dem Fertigungszweig geordnet. Außerdem werden die Prüfverfahren und erreichbaren Messgenauigkeiten beschrieben. Die angegebenen Maßtoleranzen sind gegenüber der DIN 18202 zum Teil erheblich reduziert [3-53]. 3.3.5.2 Maßtoleranzen für Fußböden nach ACI und CSA In den USA galt bis 1987 für die Maßtoleranzen von Fußböden das Kriterium „1/8th inch in 10 feet“ nach dem Richtlatten-Verfahren. Dies ergab mit

36

3 Anforderungen an die Betonoberfläche

1 inch = 25,4 mm und 1 foot = 12 inch eine Unebenheitstoleranz von umgerechnet rd. 3 mm auf 3 m. Dieses System hatte sich als unzuverlässig, nicht reproduzierbar, unter normalen Bedingungen kaum einzuhalten und daher unrealistisch erwiesen. Mit der ASTM E 1155 [3-59] wurde das F-Zahlen-System als neuer Standard des American Concrete Institute (ACI) und der Canadian Standards Association (CSA) für die Bezeichnung und Messung der Ebenheit und Winkeltoleranzen von Betonfußböden eingeführt. Das System basiert auf den charakteristischen Kennwerten flatness (FF) und levelness (FL). Während sich flatness (FF) auf die Unebenheiten des Fußbodens bezieht, beschreibt levelness (FL) die Neigung bzw. das Gefälle der Platte und entspricht etwa dem Begriff Winkeltoleranzen. Je höher die F-Zahl, umso besser sind die Eigenschaften des Fußbodens. F-Zahlen sind linear. Daher ist ein FF 20 doppelt so eben wie ein FF 10, jedoch nur halb so eben wie ein FF 40. Wegen der möglichen Durchbiegung werden Deckenplatten normalerweise nur mit FF-Zahlen bezeichnet (und nicht auch mit FL-Zahlen). Außerdem sollen die Prüfungen bis spätestens 72 Stunden nach dem Betonieren durchgeführt werden, damit die Ergebnisse nicht durch Schwindverformungen verfälscht werden, weil allein nachzuweisen ist, ob die Bauausführung anforderungsgerecht war. Dazu müssen alle zeit- und lastabhängigen Einflüsse eliminiert werden. Wenn ein Fußboden als F 25 beschrieben wird, ist damit normalerweise FF 25 gemeint. F-Zahlen gewinnt man aus der statistischen Analyse der Fußbodenunebenheiten durch Messungen in Intervallen von 1 Fuß (0,305 m). Höhenunterschiede im Horizontalabstand von zwei Fuß werden verwendet, um FF zu bestimmen, während Höhendifferenzen über eine laterale Distanz von 10 Fuß (ca. 3 m) verwendet werden, um FL zu bestimmen [3-58]. Die vorgeschriebenen Gesamt-F-Zahlen repräsentieren die Mindestwerte für den gesamten Fußboden. Die minimalen lokalen F-Zahlen definieren die Minimalqualität, die noch für den Bauherrn akzeptabel ist. Dies sind die niedrigsten Werte in jedem Fußbodenbereich. Diese Zahlen werden im Allgemeinen 30 bis 50% niedriger angesetzt als die vorgeschriebenen Gesamt-F-Zahlen. Dieses lässt genügend Spielraum für die baupraktisch unvermeidbaren Streuungen. Es sollte jedoch kein Fußboden mit einer geringeren Qualität als FF 13/FL 10 ausgeführt werden. Dies ist das schlechteste Ergebnis, das unabhängig von der Ausführungsart gerade noch toleriert werden kann [3-58]. Die Grundidee des F-Zahlen-Konzeptes ist folgende [3-58]: Wenn ein Unternehmer Werte oberhalb bestimmter Gesamt-F-Zahlen anstrebt, wird er wenigstens im Durchschnitt diese Gesamt-F-Zahlen erreichen und es ist sehr unwahrscheinlich, dass es ihm nicht gelingen wird, zumindest die minimalen lokalen F-Zahlen einzuhalten. Wenn die vorgeschriebene bzw. vereinbarte Gesamt-F-Zahl verfehlt wird, ist wie folgt vorzugehen: Da die Vorschriften bereits die minimale lokale F-Zahl als „akzeptabel“ definiert haben, werden keine Korrekturen gefordert, wenn wenigstens dieser Mindestwert eingehalten wird. Allerdings ist klar, dass der hergestellte Boden trotzdem nicht den Anforderungen entspricht. Für solche Fälle wird in [3-58] ein Rabattsystem vor-

3.3 Anforderungen an die Ebenheit

37

Tab. 3.11: Grobe Anhaltswerte für den Vergleich der Ebenheitstoleranzen für singuläre Unebenheiten nach dem F-Zahlen-System und dem herkömmlichen Richtlatten-Prinzip [3-58] F-Zahl

singuläre Unebenheit (in inch und feet)

singuläre Unebenheit (in mm und m)

FF 25 FF 50 FF 100

±1/4≤ auf 10 ft. ±1/8≤ auf 10 ft. ±1/16≤ auf 10 ft.

rd. ± 6 mm auf 3 m rd. ± 3 mm auf 3 m rd. ± 1,5 mm auf 3 m

geschlagen. Demnach sollte bereits die Ausschreibung prozentuale Abzugswerte für solche Flächen beinhalten, die den Anforderungen nicht genügen. Das ACI/CSA-F-Zahlen-System ist auf 99% aller Fußböden anwendbar, die einer zufälligen Verkehrsbeanspruchung unterliegen, unabhängig davon, ob sie durch Fahrzeuge oder Fußgänger beansprucht werden. Die F-Zahlen kontrollieren sowohl die Bandbreite der Unebenheitsamplituden als auch deren Häufigkeit (Wellenamplitude und Wellenfrequenz). F-Zahlen sind dazu geeignet, all diejenigen Charakteristika der Fußböden zu identifizieren und zu kontrollieren, die für ihre Gebrauchsfähigkeit bedeutsam sind. Man kann die F-Zahlen eigentlich nicht mit dem früheren amerikanischen Richtlatten-Verfahren vergleichen, doch lassen sich zur groben Orientierung die in Tabelle 3.11 eingetragenen Äquivalente verwenden. Mit großer Wahrscheinlichkeit dürften die in den letzten 50 Jahren hergestellten Fußböden in einem Bereich zwischen FF 15 und FF 35 liegen; das entspricht etwa einer Bandbreite von 1≤ bis 3/8≤ auf 10 ft. (ca. 25 bis 10 mm bzw. ± 12,5 bis ± 5 mm auf 3 m) [3-58]. Die ASTM E 1155 [3-59] beschreibt die Prüfmethode und die Berechnungsverfahren, gibt jedoch keine Richtwerte vor. Diese müssen vertraglich vereinbart werden. Nach [3-58] gibt es zwei geeignete Wege die richtigen FZahlen für einen vorgegebenen Verwendungszeck auszuwählen: Der erste und beste Weg ist, einen Fußboden in einem Gebäude zu untersuchen, mit dem die Nutzer zufrieden sind. Die F-Zahlen können gemessen und dazu verwendet werden, neue Vorgaben zu entwickeln. Wenn das nicht praktikabel sein sollte, kann man F-Zahlen verwenden, die vom American Concrete Institute oder anderen Institutionen vorgeschlagen werden [3-84], [3-85]. Diese Werte basieren auf hunderten von Projekten, die in den USA durchgeführt wurden. 3.3.5.3 Hochregallager In Lagersystemen mit leitliniengeführten Flurfahrzeugen (z.B. Hochregallager), sind in den Schmalgängen und in den Bereichen, in denen mit gehobener Last gefahren wird, abweichend von DIN 18202 die in Tabelle 3.12 angegebenen Ebenheitstoleranzen gemäß DIN 15185 [3-60] einzuhalten; diese gelten ausschließlich für die Fahrspuren und nicht für die Randbereiche. Diese Ebenheitstoleranzen sind gegenüber DIN 18202 erheblich reduziert. Wie oben er-

38

3 Anforderungen an die Betonoberfläche

Tab. 3.12: Ebenheitstoleranzen längs zu den Fahrspuren, vgl. DIN 15185-1 [3-60] Stichmaß in mm als Grenzwert in den Fahrspuren bei Messpunktabständen in m für alle Einsatzarten

Messpunktabstand in m Stichmaß in mm

1,0 2,0

2,0 3,0

3,0 4,0

4,0 5,0

Die Prüfung der Ebenheit erfolgt nach DIN 18202.

wähnt, sind bei höheren Anforderungen an die Ebenheit besondere Vereinbarungen erforderlich. Der erhöhte Aufwand muss auch entsprechend kalkuliert und vergütet werden. Die engeren Toleranzen der flächenfertigen Fahrspuren sind daher als gesonderter Vertragsbestandteil zu vereinbaren [3-43], [3-53]. Diese Präzision ist ohne besonderen technischen Aufwand nicht erfüllbar. Das heißt, die hohen Anforderungen setzen eine entsprechende gerätetechnische Ausstattung und große Erfahrungen mit der Herstellung von Industrieböden voraus. Es kann zum Beispiel lasergesteuertes Schleifen der Oberfläche mit anschließender Beschichtung oder Auftragen eines Estrichs aus selbst nivellierendem Material erforderlich sein. Allerdings können auch solche fließfähigen Materialien nur einen bedingten Ausgleich von Unebenheiten herbeiführen. Daher sollte bereits der nicht flächenfertige Untergrund (Beton oder Estrich) erhöhten Anforderungen an die Ebenheitstoleranz gemäß DIN 18202 genügen [3-61], [3-62]. Das heißt, er sollte ebenso wie die flächenfertige übrige Fläche außerhalb der Fahrspuren DIN 18202, Tabelle 3, Zeile 3 entsprechen (vgl. Tabelle 3.10). Höhere Ansprüche an die Ebenheit werden außerdem an die Fahrspuren für Luftkissenfahrzeuge und fahrerlose Transportsysteme sowie an die Böden in Foto- und Fernsehstudios gestellt [3-63]. Nach amerikanischen Empfehlungen [3-58] ist für die schmalen Fahrspuren von Flurförderfahrzeugen ein superebener (engl. superflat) Boden anzustreben. Darunter versteht man die Einhaltung des Kriteriums Fmin 100, das sich bereits seit den 70er-Jahren bewährt hat. Fmin ist die F-Zahl für definierte Verkehrsbeanspruchung. Diese wird auf andere Weise ermittelt als die F-Zahlen für unregelmäßige Verkehrsbeanspruchung (siehe Kapitel 14).

3.3.6 Betonfertigteile, Betonwerkstein und Betonwaren Für die Maßtoleranzen von werksmäßig hergestellten Bauteilen gelten gemäß [3-64] folgende Normen: ◆ DIN 18202 für das fertige Bauwerk, ◆ DIN 18203-1 für das einzelne Betonfertigteil, ◆ DIN 18500, Tab. 1 für Betonwerkstein, ◆ verschiedene Normen für Betonwaren (z.B. DIN EN 1339 für Platten aus Beton).

3.3 Anforderungen an die Ebenheit

39

Tab. 3.13: Grenzabmaße der Querschnittsmaße nach DIN 18203-1 [3-45], [3-64] Bauteile

Grenzabmaße in mm bei Nennmaßen in m bis 0,15

über 0,15 bis 0,3

über 0,3 bis 0,6

über 0,6 bis 1,0

über 1,0 bis 1,5

über 1,5

Dicken von Deckenplatten

±6

±8

± 10

–

–

–

Dicken von Wand- und Fassadentafeln

±5

±6

±8

–

–

–

Querschnittsmaße stabförmiger Bauteile (z.B. Stützen, Unterzüge, Binder, Rippen)

±6

±6

±8

± 12

± 16

± 20

In DIN 18202 [3-44] wird darauf hingewiesen, dass die zulässigen Ebenheitstoleranzen der Baustoffe in den Grenzwerten der Tabelle 3.10 nicht enthalten sind und daher zusätzlich zu berücksichtigen sind. Die Querschnittstoleranzen für vorgefertigte Teile aus Beton, Stahlbeton und Spannbeton werden nach DIN 18203-1 [3-45] gemäß Tabelle 3.13 begrenzt. Für die Ebenheitstoleranzen werksteinmäßig bearbeiteter Bauteile gilt die Tabelle 1 in DIN 18500 [3-32]. Danach dürfen die Stichmaße bezogen auf die größte Seitenlänge für Bodenplatten, Stufen, Stufenbeläge und sonstige Werkstücke (außer Fassadenplatten und Fassadenelemente) maximal 0,3% betragen. Dieser Grenzwert ist nur auf glatte Oberflächen anzuwenden. Die Ebenheitstoleranzen für Fassadenplatten und Fassadenelemente richten sich nach DIN 18202 (siehe oben). Für die vielfältigen Arten von Betonwaren seien hier stellvertretend Gehwegplatten aus Beton genannt, bei denen gemäß DIN EN 1339 [3-65] Abweichungen von der Ebenheit und Wölbung nicht mehr als 0,5% (konvex) bzw. 0,3 % bis 0,375 % (konkav) je nach Messlänge betragen dürfen. Wenn die Oberseite nicht als eben vorgesehen ist, muss der Hersteller die Abweichungen deklarieren.

3.3.7 Schutz und Instandsetzung von Betonbauteilen Nach DIN 18349 [3-1] dürfen „die Abmessungen und das Profil des Untergrunds durch die Vorbereitungsarbeiten nicht mehr als durch das Verfahren bedingt verändert werden“. Während die Instandsetzungs-Richtlinie des Deutschen Ausschusses für Stahlbeton [3-3] keine expliziten Anforderungen an die Ebenheit stellt, findet sich in den ZTV-ING [3-7] Abs. 1.4 immerhin der Hinweis, dass die Ebenheit der instand gesetzten Betonflächen den umgebenden Bereichen anzupassen ist. Grenzwerte der Unebenheit für den Ersatz von Platten und Plattenteilen von Verkehrsflächen enthält [3-41]. Nach DIN

40

3 Anforderungen an die Betonoberfläche

28052-2 [3-6] müssen für die Ebenheit des Untergrunds für Oberflächenschutzbeschichtungen im chemischen Apparatebau mindestens die in DIN 18202 vorgeschriebenen Werte eingehalten werden, d.h. eine Toleranz von 9 mm bei Verwendung einer 4 m-Messlatte. Lassen sich wegen gravierender Schäden und aufgrund des erforderlichen tiefen Betonabtrags die Ebenheitstoleranzen z.B. von Industriefußböden mit Flurförderfahrzeugen oder Gabelstaplern bei der Untergrundbearbeitung nicht einhalten, so muss die geforderte Ebenheit nachträglich hergestellt werden. Dies kann zum Beispiel mit standfesten Epoxidharzmörteln, die sich beinahe auf Null ausziehen lassen unter Verwendung von Lehren realisiert werden [3-61].

3.4 Anforderungen an die Temperatur des Betonuntergrunds 3.4.1 Allgemeines Die Temperatur des Untergrunds beeinflusst den Erhärtungsverlauf und die Eigenschaften von ausgehärteten Beschichtungen und Belägen stärker als die Temperatur der Umgebungsluft, weil der Wärmeaustausch unmittelbar durch Wärmeleitung erfolgt und kein Wärmeübergangswiderstand zu überwinden ist. Hinzu kommt, dass die Kontaktfläche im Verhältnis zum Volumen der Beschichtung oder des Belages sehr groß ist, sodass diese Schichten sehr rasch etwa die Temperatur des Untergrunds annehmen. Allgemein gilt, dass niedrige Temperaturen die Erhärtungszeit verlängern, während höhere sie verkürzen. Auch die Verarbeitbarkeitszeit wird durch hohe Temperaturen verkürzt. Ansonsten sind die Auswirkungen auf zementgebundene und kunstharzgebundene Systeme unterschiedlich.

3.4.2 Auswirkungen niedriger und hoher Umgebungstemperaturen auf zementgebundene Mörtel und Betone Werden zementgebundene Systeme niedrigen Erhärtungstemperaturen ausgesetzt, findet eine Erstarrungs- und Erhärtungsverzögerung statt. So wird sich für den Instandsetzungsmörtel unter sonst gleichen Voraussetzungen die Zeit bis zum Erreichen einer bestimmten Festigkeit etwa verdoppeln, wenn die Temperatur 5 °C statt 20 °C beträgt. Maßgebend für den Erhärtungsgrad ist das wirksame Alter (Reife), das von der Erhärtungsdauer und dem zugehörigen Temperaturverlauf abhängt [3-66], [3-67]. Gefrieren zementgebundene Systeme im jungen Alter, so verlangsamt sich die begonnene Erhärtungsreaktion deutlich und kommt bei etwa –10 °C zum Stillstand. Wenn der Erhär-

3.4 Anforderungen an die Temperatur des Betonuntergrunds

41

tungszustand des Instandsetzungsmörtels beim Gefrieren unzureichend war, wird das Gefüge gelockert bzw. zerstört. Dies betrifft vor allem dünne Betonoder Mörtelschichten, bei denen die Hydratationswärme sofort abfließen kann, während sich dickere Betonbauteile durch die entstehende Hydratationswärme bis zu einem gewissen Grade selbst aufheizen und so unter Umständen die Reaktion in Gang halten. Nach dem Durchfrieren setzt bei Erwärmung die Erhärtungsreaktion zwar wieder ein, doch nimmt die erreichbare Endfestigkeit ab. Deshalb ist der eingebrachte Beton eine gewisse Zeit gegen Wärmeverluste, Durchfrieren und Austrocknen zu schützen. Nach DIN 1045 [3-12] gilt Beton als beständig gegen einmaliges Gefrieren, wenn er eine Mindestdruckfestigkeit von 5 N/mm2 erreicht hat oder wenn er mit einem Zementgehalt von ≥ 270 kg/m2 und w/z ≤ 0,60 bei Verwendung eines rasch erhärtenden Zementes (CEM 32,5 R; CEM 42,5 R und 52,5 R) vorher wenigstens 3 Tage lang +10°C nicht unterschritten hat (vgl. Bild 3.5). Mit Ausnahme der Einschränkungen bezüglich des Zementes und des w/z-Wertes wurden diese Forderungen auch in die neue Normenreihe EN 206-1/DIN 1045 (hier: DIN 1045-3) [3-13] übernommen. Wird Beton nach Erreichen dieses Erhärtungszustandes einmal kurz durchfroren und anschließend 28 Tage normalgelagert (20°C), muss man je nach Wasserzementwert und Frosttemperatur trotzdem mit Festigkeitsverlusten zwischen 15 und 30% rechnen [3-66]. Da diese Erkenntnisse für würfelförmige, kompakte Betonproben gewonnen wurden, empfiehlt es sich, bei dünnschichtigen Systemen noch vorsichtiger zu sein.

Bild 3.5: Erforderliche Erhärtungszeit zum Erreichen der Gefrierbeständigkeit in Abhängigkeit von der Zementart und Betontemperatur aus [3-66]

42

3 Anforderungen an die Betonoberfläche

Hohe Untergrundtemperaturen beschleunigen die Erhärtung. Es besteht aber die Gefahr des Austrocknens und Verdurstens beim Verarbeiten und unmittelbar nach dem Einbringen. Außerdem ist mit Frühschwindrissen durch Wasserverlust und Verdunstungskälte zu rechnen. Meist wird außerdem die Endfestigkeit reduziert. Kunststoffzusätze können zwar die Rissgefahr etwas mindern, haben aber kaum Auswirkungen auf die Endfestigkeit. Unterschiedliches Austrocknen führt zu lokalen Veränderungen des w/z-Wertes, was sich bei Sichtflächen in Form von Farbunterschieden (helle und dunkle Grautöne) auswirkt.

3.4.3 Auswirkungen niedriger und hoher Umgebungstemperaturen auf kunststoffgebundene Mörtel und Betone Bei den Reaktionsharzen wird sowohl die Verarbeitung als auch die Erhärtung sehr stark von der Untergrundtemperatur geprägt. Während niedrige Materialtemperaturen einen Viskositätsanstieg zur Folge haben und z.B. das Glätten und Abstreuen erschweren, verkürzt sich bei erhöhten Temperaturen die Verarbeitbarkeitszeit. Die Erhärtungsgeschwindigkeit kann sich bei einer Temperaturerhöhung um +10 K verdoppeln [3-68]. Kunststoffgebundene Systeme erhärten ebenso wie zementgebundene nur oberhalb bestimmter Mindesttemperaturen. So brechen Kettenreaktionen, wie sie bei Acrylaten (AY) und ungesättigten Polyestern (UP) stattfinden, unterhalb von etwa 0 °C ab und kommen auch bei Temperaturanstieg nicht mehr in Gang. Schon unterhalb von +5°C bis +8°C kommen die Stufenreaktionen der Epoxid- (EP) und Polyurethanharze (PUR) zum Stillstand, doch können sie sich bei Temperaturanstieg fortsetzen, sofern sich nicht einzelne Reaktionspartner inzwischen mit anderen Stoffen wie Feuchte oder Luft verbunden haben [3-68]. Nach [3-69] sind steigende Temperaturen während der Erhärtung wegen der Gefahr der Blasenbildung zu vermeiden. Anzustreben sind konstante Umgebungsbedingungen. Angesichts der starken Abhängigkeit der Trocknungsbzw. Härtungsbedingungen kunststoffgebundener Systeme von klimatischen Verhältnissen stellen die in Abschnitt 3.4.4 aufgeführten zulässigen Temperaturbereiche keineswegs Idealbedingungen dar, sondern sind ein Kompromiss mit der baupraktischen Realisierbarkeit. Bei wässrigen Produkten wirken sich ungünstige Trocknungsbedingungen stärker aus als bei lösemittelhaltigen Produkten. Bei niedrigen Temperaturen müssen Qualitätseinbußen hinsichtlich Oberflächenhärte, Abrieb und chemischer Beständigkeit hingenommen werden. Der Verbund zum Untergrund wird innerhalb der zulässigen Temperaturbereiche nicht signifikant beeinflusst. Nach [3-70], [3-71] führen Untergrundtemperaturen, die oberhalb der zulässigen Minimaltemperatur liegen, zu einer Verkürzung der Reaktionszeit, zu einer besseren Benetzung des Untergrunds sowie zu einer besseren und

3.4 Anforderungen an die Temperatur des Betonuntergrunds

43

schnelleren Entlüftung. Höhere Verarbeitungs- und Untergrundtemperaturen über einen längeren Zeitraum reduzieren außerdem das Risiko osmotischer Blasenbildung erheblich [3-72].

3.4.4 Anforderungen an die Untergrundtemperatur in Abhängigkeit vom aufzutragenden Stoff 3.4.4.1 Zementgebundene Stoffe auch mit Kunststoffzusatz Zum Betonieren bei niedrigen Temperaturen schreibt DIN 1045 [3-12] vor: „Bei kühler Witterung und bei Frost ist der Beton wegen der Erhärtungsverzögerung und der Möglichkeit der bleibenden Beeinträchtigung der Betoneigenschaften mit einer bestimmten Mindesttemperatur einzubringen…. Der eingebrachte Beton ist eine gewisse Zeit gegen Wärmeverluste, Durchfrieren und Austrocknen zu schützen. … An gefrorene Bauteile darf nicht anbetoniert werden. Durch Frost geschädigter Beton ist vor dem Weiterbetonieren zu entfernen“. Gemäß DIN 1045-3: 2001-07 [3-13] dürfen „Erdreich, Fels, Schalung oder Bauteile, die mit dem zu betonierenden Querschnitt in Berührung kommen, keine Temperatur haben, die den Beton gefrieren lässt, bevor dieser eine ausreichende Festigkeit erreicht“ (vgl. Abs. 3.4.2). Nach [3-3] (siehe Tabelle 3.14) dürfen beim Auftragen zementgebundener Stoffe (auch mit Kunststoffzusatz) die Temperaturen des Betonuntergrunds und der unmittelbar überlagernden Luftschicht +5°C nicht unterschreiten. Außerdem muss diese Temperatur auch über einen „angemessenen Zeitraum danach“ aufrecht erhalten werden. Bei Beschichtungen und Belägen ist anzunehmen, dass sie etwa die Temperatur des Untergrunds annehmen. Aus Bild 3.5 wird deutlich, dass unter diesen Voraussetzungen die Beständigkeit gegen erstmaliges Durchfrieren im Sinne von DIN 1045 bei w/z-Werten zwischen 0,50 und 0,60 abhängig von der Zementart erst nach 1,5 bis 3 Tagen erreicht wird. Die ZTV-ING [3-7] verweist bei zementgebundenen Systemen auf die Ausführungsanweisungen und die Anforderungen der Norm, lässt aber im Falle des Spritzbetons beim Auftragen eine Untergrundtemperatur von +3°C Tab. 3.14: Grenztemperaturen des Betonuntergrunds und der unmittelbar überlagernden Luftschicht (Richtwerte aus [3-3]) Aufzubringender Stoff

Kleinstwert °C

Größtwert °C

zementgebundene Stoffe, auch mit Kunststoffzusatz Reaktionsharze und Reaktionsharzmörtel/-betone Hydrophobierungen einkomponentige, lösemittelhaltige Oberflächenschutzsysteme Wasser dispergierbare Oberflächenschutzsysteme

5 8 8 8 10

30 40 25 30 40

44

3 Anforderungen an die Betonoberfläche

zu. Das heißt, unter diesen Bedingungen muss das erstmalige Gefrieren noch weiter hinausgezögert werden. Die Tabelle 3.14 liefert auch Grenzwerte für die Anwendung zementgebundener Systeme bei heißer Witterung. In Anlehnung an DIN 1045 dürfen die Temperaturen des Betonuntergrunds 30°C nicht überschreiten. Abweichend davon sind bei Spritzbetonarbeiten gemäß [3-7] Vorkehrungen zu treffen, um die Temperatur der Betonunterlage auf max. 25°C zu begrenzen. 3.4.4.2 Kunststoffgebundene Mörtel und Betone (PC) und Oberflächenschutzbeschichtungen (OS) Die Temperaturen des Betonuntergrunds und der unmittelbar überlagernden Luftschicht sollen während des Aufbringens kunststoffgebundener Systeme und im angemessenen Zeitraum danach in den Bereichsgrenzen der Tabelle 3.14 liegen [3-3]. Dies gilt auch für Reaktionsharzgrundierungen. Wenn jedoch Angaben des Herstellers vorliegen, so haben diese Vorrang. Im Geltungsbereich des Verkehrswesens sind die Anforderungen der Tabelle 3.15 [37] maßgebend. Die Forderung, dass die Oberflächentemperatur des Betons für kunststoffgebundene Stoffe immer mindestens 3 K über dem Taupunkt liegen muss [3-3], [3-7], bezieht sich nicht auf das temperaturabhängige Verhalten der Materialien, sondern soll verhindern, dass sich auf der Betonoberfläche Kondenswasser bildet, was die Haftung kunststoffgebundener Beschichtungen und Beläge beeinträchtigt (vgl. Abschnitt 3.5). Hinsichtlich der Mindesttemperatur decken sich die Anforderungen des Deutschen Ausschusses für Stahlbeton [3-3] weitgehend mit denen der ZTV-ING [3-7]. Im Gegensatz dazu werden in [3-7] mit Ausnahme der Hydrophobierungen keine Angaben zur Maximaltemperatur des Untergrunds gemacht.

3.4.5 Überwachung der Temperatur Laut Instandsetzungs-Richtlinie [3-3] ist die Temperaturentwicklung nicht nur während der Ausführung sondern auch in der Erhärtungsphase zu beachten Tab. 3.15: Grenztemperaturen des Betonuntergrunds nach ZTV-ING [3-7]

a

Aufzubringender Stoff

Kleinstwert °C

Größtwert °C

Beton nach [3-12] und [3-13] mit Haftbrücke aus Zementmörtel Spritzbeton und Spritzmörtel (mit Kunststoffzusatz) Reaktionsharze und Reaktionsharzmörtel/-betone Hydrophobierungen OS A Oberflächenschutzsysteme OS B, OS C, OS D

5a 3 8 8 8

30 a 25 – 25 –

Sinngemäß aus den Anforderungen an die Frischbetontemperatur nach [3-12].

3.5 Anforderungen an die Feuchte des Untergrunds

45

ist. Dies gilt insbesondere für die Abkühlung in der Nacht. Außerdem sind die Wettervorhersagen sind zu beachten und ggf. Schutzmaßnahmen zu treffen. Die ZTV-ING [3-7] gehen mehr ins Detail und fordern, dass bereits vor Beginn der Ausführung – bei Schichtarbeit und Wetteränderung auch mehrmals täglich – die Temperatur der Betonunterlage bzw. der bereits eingebauten Schichten des Betonersatz- bzw. Oberflächenschutzsystems zu kontrollieren sind. Dazu müssen ein Hygrothermograf und ein Digitalsekundenthermometer auf der Baustelle vorhanden sein. Während der Ausführung sind die Lufttemperatur und die relative Luftfeuchte kontinuierlich aufzuzeichnen. Der Auftragnehmer hat die Messungen im Rahmen der Eigenüberwachung so lange durchzuführen, bis keine schädigenden Witterungseinflüsse auf die eingesetzten Stoffe mehr zu befürchten sind. Die Messprotokolle sind dem Auftraggeber zur Verfügung zu stellen.

3.5 Anforderungen an die Feuchte des Untergrunds 3.5.1 Allgemeines Die Anforderungen an den Feuchtegehalt des Untergrunds richten sich nach dem aufzutragenden Belag bzw. Ausbesserungs- oder Beschichtungsmaterial. Während es bei zementgebundenen Systemen darauf ankommt, dass in der Erhärtungsphase stets genügend Wasser zur Verfügung steht, ist eine hohe Untergrundfeuchte für die meisten kunststoffgebundenen Systeme schädlich.

3.5.2 Auswirkungen der Feuchte beim Auftragen zementgebundener Mörtel und Betone Bei zu trockenem, saugfähigem Untergrund wird dem aufgetragenen frischen Mörtel oder Beton das zum Erhärten benötigte Wasser entzogen. Die Hydratation erfolgt jedoch nur so lange, wie dem Zement freies Wasser zur Verfügung steht. Im Extremfall werden die ersten Hydratationsprodukte wieder zerstört und dies umso mehr, je jünger der Ausbesserungsmörtel (-beton) ist und je schneller das Wasser entzogen wird. Bei anschließender Befeuchtung kommt die Hydratation zwar wieder in Gang, doch muss mit einer Abnahme der Endfestigkeit gerechnet werden. Dies gilt insbesondere für die Kontaktzone zwischen Ausbesserungssystem und Untergrund. Auf der anderen Seite kann auch ein zu nasser Untergrund (durchgehender Feuchtefilm, Wasserpfützen) den Verbund beeinträchtigen. Zum einen kann der Zementleim in diesen Fällen nicht in die Oberflächenporen des Untergrunds eindringen und sich dort mechanisch verklammern, zum anderen wird der Wasserzementwert ausgerechnet in der stark beanspruchten und sensiblen Kontaktzone unkontrolliert erhöht und die Festigkeit entsprechend herabgesetzt. Dies erklärt,

46

3 Anforderungen an die Betonoberfläche

warum weder ein zu trockener noch ein zu nasser Untergrund erwünscht ist. Vielmehr wird ein mattfeuchter Zustand angestrebt.

3.5.3 Auswirkungen der Feuchte beim Auftragen kunststoffgebundener Mörtel und Betone sowie beim Auftragen von Oberflächenschutzbeschichtungen Schäden an Beschichtungssystemen aus Reaktionsharzkunststoffen sind häufig auf eine unzulässig hohe Feuchte des Untergrunds zurückzuführen. Die Folge sind Blasenbildungen und ungenügende Haftung am Untergrund. Besonders gefürchtet sind osmotische Effekte, die Blasenbildungen und schließlich großflächige Ablösungen des Belags hervorrufen können. Damit ist insbesondere bei Untergrundfeuchten oberhalb von 4 M.-% (gemessen mit dem CM-Gerät) zu rechnen. Eine weitere Voraussetzung für solche Schäden sind wasserlösliche hygroskopische Substanzen, die sich z.B. an der Betonoberfläche befinden bzw. aus der Grundierung oder Beschichtung stammen. Da sich eine einlagige Grundierung praktisch nicht fehlstellenfrei herstellen lässt, können sich an diesen lokalen Defekten halbdurchlässige Membranen bilden, die anschließend mit verhältnismäßig diffusionsdichten Deckschichten überarbeitet werden [3-71], [3-72]. Diese sind die Keime für eine Osmoseblasenbildung (siehe Bild 3.6). Immer wieder kommt es vor, dass die höchstzulässigen, vom Beschichtungshersteller vorgeschriebenen Feuchtegehalte überschritten werden, weil der Betonuntergrund wegen ungünstiger klimatischer Bedingungen oder wegen rückwärtiger Abdichtung oder Durchfeuchtung nicht ausreichend abtrocknen kann.

Bild 3.6: Osmose, auslösende Faktoren und ihre Folgen (vgl. [3-71])

3.5 Anforderungen an die Feuchte des Untergrunds

47

Auch fehlerhafte bzw. ungenaue Feuchtemessungen können die Ursache für das Überschreiten der Richtwerte sein. Nicht immer wird deutlich, dass sich die Grenzwerte auf ein bestimmtes Prüfverfahren beziehen (üblicherweise CM-Gerät). Wie in Kapitel 16 gezeigt wird, können die Resultate der einzelnen Prüfverfahren erheblich voneinander abweichen. Außerdem ist aus den Herstellervorschriften nicht immer ersichtlich, ob Masseprozent (M.-% bzw. Gew.-%) oder Volumenprozent (Vol.-%) gemeint sind. Normalerweise sind die Grenzwerte massebezogen, die entsprechenden volumenbezogenen Angaben wären etwa um den Faktor 2,5 höher (vgl. Bild 3.7, rechte Skala). STENNER und MAGNER [3-72] geben zu bedenken, dass selbst dann, wenn in der Betonrandzone zunächst Werte < 4 M.-% gemessen werden, sich nach der Beschichtung durch die veränderten Diffusionsverhältnisse ein neuer Feuchtegradient einstellt und direkt unterhalb der Beschichtung höhere Feuchtegehalte als vorher auftreten können. So hat sich inzwischen die Erkenntnis durchgesetzt, dass der oft genannte Grenzwert von 4 M.-% in vielen Fällen zu hoch ist und insbesondere bei höherfesten Betonen mit kleinem Kapillarporenvolumen zu Schäden führen kann. Deshalb findet sich in der neuen Instandsetzungs-Richtlinie [3-4], [3-5] der Hinweis „Der zulässige Wassergehalt hängt u.a. von Zementgehalt, Wasserzementwert, und Porenvolumen ab. Ein fester Prozentsatz lässt sich nicht angeben. Für die Bewertung und Zuordnung ist eine besondere Sachkenntnis erforderlich“. Die Haftung organischer Beschichtungen am Beton hängt einerseits von der mechanischen Verklammerung mit dem Untergrund ab und andererseits von physikalischen Dipol-Dipol-Wechselwirkungen und Wasserstoffbrücken-

Bild 3.7: Gleichgewichtsfeuchte von karbonatisiertem und nicht karbonatisiertem Beton in Abhängigkeit von der Umgebungsfeuchte und Festigkeitsklasse nach [3-76]

48

3 Anforderungen an die Betonoberfläche

bildungen [3-68], [3-73]. Die Eindringtiefe des Bindemittels in die Kapillarporen des Betons und die Benetzbarkeit verschlechtern sich mit zunehmender Wasserfüllung des Porensystems. Dabei spielt nicht so sehr die absolute Feuchte eine Rolle, sondern vielmehr die vorhandene Feuchte bezogen auf den Sättigungswert [3-74]. Diese Relation wird vom Betonalter (Hydratationsgrad), von der Betongüte (Betonporosität) und vom Karbonatisierungszustand bestimmt. Zu beachten ist außerdem, dass die Austrocknungsgeschwindigkeit von der Porengröße abhängt; große Poren können schneller austrocknen als kleine. SEIDLER [3-75] gibt den in Tabelle 3.16 dargestellten Zusammenhang zwischen Porendurchmesser, rel. Luftfeuchte und Wasserfüllung an. Tab. 3.16: Wasserfüllung von Kapillarporen in Abhängigkeit von der relativen Luftfeuchte und dem Porendurchmesser nach [3-75] Relative Luftfeuchte

Durchmesser der gefüllten Kapillaren

99,9 % 99,0 % 89,9 % 34,8 %

1 mm 0,1 mm 0,01 mm 0,001 mm

Bild 3.7 zeigt den Zusammenhang zwischen Gleichgewichtsfeuchte und relativer Luftfeuchte. Daraus geht hervor, dass die Gleichgewichtsfeuchten mit zunehmender Betonfestigkeit größer werden. Dies lässt sich mit abnehmender Porengröße und wachsenden Kapillarkräften erklären. Im Gegensatz dazu nimmt die Ausgleichsfeuchte mit fortschreitender Karbonatisierung ab. Der Wasseraufnahmekoeffizient fällt hingegen mit steigender Betonfestigkeit, d.h. mit abnehmender Betonporosität. Der zulässige Feuchtegehalt wird außerdem von der Art des eingesetzten Flüssigkunststoffs bestimmt. Ungesättigte Polyester, Acrylate, Epoxidharze und besonders Polyurethane reagieren während der Aushärtung empfindlich auf Untergrundfeuchte und Niederschlagseinwirkungen. Das Wasser kann die Erhärtungsreaktionen verhindern oder unerwünschte Nebenreaktionen wie Schaumbildung (PUR) auslösen. Einige EP-Harz-Typen zeigen eine verhältnismäßig geringe Feuchteempfindlichkeit [3-68], [3-73]. Die Polarität und die hohe Anzahl an OH-Gruppen mit der Möglichkeit der Wasserstoffbrückenbildung zum Untergrund sind maßgeblich an deren relativ guter Haftzugfestigkeit beteiligt. Niedermolekulare Typen zeigen außerdem ein gutes Eindringvermögen in die Kapillaren des Betons. Bei einer Feuchte des Substrats bis 5 M.-% und z.T. auch mehr können obengenannte EP-Systeme auch nach Jahren noch sehr gute Haftzugfestigkeiten aufweisen, während andere (reine EP/Polyamin-Systeme) bei Untergrundfeuchten von 4 bis 4,5 M.-% an ihre Grenzen stoßen. In der Praxis konnten sich auf Untergründen mit Restfeuchten über 5 M.-% Polyamidoamine, z.T. in Kombination mit haftungsverbessernden Zusätzen (Silane, Aminosilane), durchsetzen [3-73]. SEIDLER [3-75]

3.5 Anforderungen an die Feuchte des Untergrunds

49

weist jedoch darauf hin, dass trotzdem die Haftzugfestigkeit auf feuchten Untergründen ganz erheblich sinkt. Bei der Verwendung von Hydrophobierungen wie Silane und Siloxane (OS 1) soll der Feuchtegehalt des Untergrunds weniger als 50% der aufnehmbaren Wassermenge betragen. Bei jungem, frisch ausgeschaltem Beton sind die Erfolgsaussichten besonders günstig, da das Eindringen in die noch unverschmutzten Poren durch den sogenannten Hydratationssog unterstützt wird [3-36]. Wässrige Dispersionen (Emulsionen und Suspensionen) haften hervorragend auch auf feuchtem Untergrund.

3.5.4 Anforderungen an die Untergrundfeuchte in Abhängigkeit vom aufzutragenden Stoff Die Anforderungen an den Untergrund für zementgebundene Stoffe unterscheiden sich sehr von denen für kunststoffgebundene Stoffe. Während der Untergrund für zementgebundene Haftbrücken, Mörtel, Betone mit oder ohne Kunststoffzusatz sowie für Wasser dispergierbare Film bildende Kunststoffbeschichtungen feucht sein muss bzw. feucht sein kann, erfordern die meisten kunstharzgebundenen Betone bzw. Mörtel, Imprägnierungen und filmbildenden Beschichtungsstoffe einen trockenen bis höchstens feuchten Betonuntergrund. Dabei sind gemäß [3-3] die Begriffe trocken, feucht und nass in Tabelle 3.17 definiert. Beim Anbetonieren an bestehende Bauteile ist der trockene ältere Beton zur Verhinderung des Wasserentzugs und zur Reduzierung des Schwindgefälles vor dem Anbetonieren mehrere Tage feucht zu halten. Zum Zeitpunkt des Anbetonierens muss die Oberfläche des älteren Betons jedoch etwas abgetrocknet (mattfeucht) sein, damit sich der Zementleim des neu eingebrachten Betons mit dem älteren Beton gut verbinden kann [3-5], [3-12]. Der Zustand feucht wird gemäß ZTV-ING [3-7] dadurch erreicht, dass der gesäuberte Un-

Tab. 3.17: Definition der Begriffe trocken, feucht und nass aus [3-3] trocken

Eine rd. 2 cm tiefe frisch hergestellte Bruchfläche darf (infolge Austrocknens) nicht augenscheinlich heller werden. Unter einer am Rand aufgeklebten PE-Folie (500 mm ¥ 500 mm) darf über Nacht keine Dunkelfärbung des Betons und keine Kondensation von Feuchte auftreten.

feucht

Die Oberfläche hat ein mattfeuchtes Aussehen, darf aber keinen glänzenden Wasserfilm aufweisen; das Porensystem des Betonuntergrunds darf nicht wassergesättigt sein, d.h. aufgebrachte Wassertropfen müssen eingesogen werden und nach kurzer Zeit muss die Oberfläche wieder matt erscheinen. Der Feuchtegehalt kann mit der CM-Methode bzw. durch Darren bei 105°C genauer bestimmt und mit dem in den Angaben zur Ausführung angegebenen zulässigen Wert verglichen werden.

nass

Das Porensystem des Betonuntergrunds ist wassergesättigt; die Betonoberfläche wirkt glänzend, weist jedoch keinen tropfbaren Wasserfilm auf.

50

3 Anforderungen an die Betonoberfläche

tergrund ausreichend vorgenässt wird (erstmals etwa 24 Stunden vor dem Auftrag des Systems), zum Zeitpunkt des Aufbringens jedoch wieder soweit abgetrocknet ist, dass die Betonoberfläche nur noch mattfeucht aussieht. Die DIN 18551 [3-9] fügt hinzu: „Fließendes Wasser ist von den Auftragflächen auf geeignete Weise fernzuhalten, z.B. durch Dränungen.“ Obwohl Haftbrücken bei Spritzbeton nach DIN 18551 in der Regel nicht erforderlich sind, können sie bei saugenden Untergründen zur Vermeidung oder Behinderung des Wassersaugens zweckmäßig sein. Die Anforderungen an den Untergrund sind in Tabelle 3.18 bezogen auf Stoffgruppen wiedergegeben. Demnach erfordern die meisten kunstharzgebundenen Betone bzw. Mörtel, Imprägnierungsmittel und filmbildenden Beschichtungsstoffe einen trockenen bis höchstens feuchten Untergrund. Für das Aufbringen zementgebundener Systeme mit oder ohne Kunststoffzusatz sowie für Wasser dispergierbare filmbildende Kunststoffbeschichtungen muss bzw. kann der Betonuntergrund feucht sein. Bei Gefahr von rückseitigen Durchfeuchtungen sind Zusatzanforderungen zu erfüllen. Die ZTV-ING [3-7] stellen für die zementgebundenen Stoffe ähnliche Anforderungen. Bei kunststoffgebundenen wird auf die Ausführungsanweisungen verwiesen (siehe Tabelle 3.19). In allen genannten Regelwerken wird gefordert, dass kunststoffgebundene Stoffe nur dann aufgebracht werden dürfen, wenn die Temperatur der Betonunterlage und die Temperatur der verwendeten Stoffe mindestens 3 K über der Taupunkttemperatur liegt. Damit soll Kondenswasserbildung auf der Betonoberfläche verhindert werden. Die Einhaltung vorgegebener Grenzwerte der Hersteller ist mit geeigneten Verfahren (z.B. CM-Gerät, siehe Kapitel 16) nachzuweisen. Für die meisten kunststoffgebundenen Reparaturmörtel und Beschichtungen wird bis ≥ 2 cm Tiefe eine Untergrundfeuchte von weniger als 4 M.-% (CM) gefordert. Bei einigen Systemen darf der Feuchtegehalt des Untergrunds auch bis zu 6 M.-% (CM) betragen (siehe z.B. [3-71], [3-74], [3-83]). Wie oben erwähnt, berücksichtigen solche pauschalen Angaben allerdings nicht, dass die kritische Feuchte auch vom Kapillarporenvolumen des Tab. 3.18: Erforderliche bzw. zulässige Feuchte des Betonuntergrunds in Anlehnung an [3-2] Aufzubringender Stoff

Erforderliche bzw. zulässige Feuchte u b

zementgebundene Stoffe, auch mit Kunststoffzusatz

feucht trocken oder feucht je nach Herstellerangabe maximal feucht

Oberflächenschutzsysteme OS a

OS 1 OS 4, OS 5, OS 9 OS 2, OS 3, OS 7, OS 10, OS 11 und OS 13

trocken bis höchstens feucht

Reaktionsharze und Reaktionsharzmörtel/-betone a b

OS siehe Tabelle A1 im Anhang. Bedeutung der Bezeichnungen trocken, feucht und nass siehe Tabelle 3.17.

3.5 Anforderungen an die Feuchte des Untergrunds

51

Tab. 3.19: Erforderliche bzw. zulässige Feuchte des Betonuntergrunds nach ZTV-ING [3-7] Aufzubringender Stoff

Erforderliche bzw. zulässige Feuchte u

Betonersatz mit Haftbrückea

Betonunterlage vor dem Aufbringen der Haftbrücke bzw. des SPCC ausreichend (erstmals 24 h vorher) vornässen. Sie muss zum Zeitpunkt des Aufbringens mattfeucht sein

Spritzbeton und Spritzmörtel (mit Kunststoffzusatz)b Reaktionsharze und Reaktionsharzmörtel/-betone

Die Feuchte der Betonunterlage darf die in den Ausführungsanweisungen angegebenen Grenzwerte nicht überschreiten

Hydrophobierungen OS A Beschichtungen OS B bis OS F a b

Betonersatz ohne Haftbrücke siehe DIN 1045 [3-13]. Spritzbeton ohne Kunststoffzusatz siehe DIN 18551 [3-9].

Tab. 3.20: Grenzwerte für die Belegreife nach DIN 4725 Teil 4 a [3-78]

a b

Oberbodenbelag

Feuchtegehalt bei Zementestrichen in M.-% (CM-Gerät)

Stein- und keramische Beläge im Dünnbett

2

Stein- und keramische Beläge im Mörtelbett auf Trennschicht

2

Stein- und keramische Beläge im Dickbett (nur in Verbindung mit feuchtigkeitssperrenden Haftbrücken (Epoxidharz))

2b

Dampfdurchlässige textile Bodenbeläge

3

Dampfbremsende textile Bodenbeläge

2,5

Elastische Bodenbeläge, z.B. PVC, Gummi, Linoleum

2

Parkett

2

Zurückgezogen, ersetzt durch DIN EN 1264: 2001-12. Gemäß [3-78] Änderung A1, nur in Verbindung mit feuchtigkeitssperrenden Haftbrücken (Epoxidharz).

Betonuntergrunds abhängt. Bei der Verwendung solcher Zahlenwerte ist daher entsprechende Vorsicht geboten. Tabelle 3.20 gibt die maximal zulässigen Feuchtegehalte von Zementestrichen vor dem Aufbringen eines Oberbelags an. Obwohl sich diese Grenzwerte nach DIN 4725-4 [3-78] (vgl. [3-77] auf Heizestriche beziehen, wendet man sie in der Praxis mangels anderer Richtwerte auch auf unbeheizte Estriche an. Diese Norm wurde im Jahre 2001 zurückgezogen und durch DIN EN 1264: 2001-12 ersetzt. In der neuen Norm sind Angaben zur Belegreife nicht mehr enthalten.

52

3 Anforderungen an die Betonoberfläche

3.6 Anforderungen an das Betongefüge und den Verbund zwischen Bewehrung und Beton 3.6.1 Allgemeines Anforderungen an das Gefüge der Betonrandzone sind kaum zu quantifizieren und haben daher fast ausschließlich beschreibenden Charakter. Idealerweise weist Beton ein geschlossenes ungestörtes Gefüge auf, ist frei von Rissen und besitzt einen guten Zusammenhalt von Zementstein und Zuschlag bei minimalem Anteil an Gefügeporen. Dies ist in der Praxis so gut wie ausgeschlossen. Bereits bei der Herstellung entstehen Verdichtungsporen und Lunker und schon in der Erhärtungsphase können Risse infolge Hydratationswärme und/oder Schwinden auftreten. Durch Oberflächenbearbeitung des Betons sollen zwar minderfeste Zonen entfernt, jedoch Beeinträchtigungen des verbleibenden Betons vermieden werden. Solche Gefahren bestehen bei Verfahren mit schroffer Temperaturund/oder Feuchtebeaufschlagung sowie stoßenden und schlagenden Beanspruchungen. Wichtige Voraussetzungen für den Verbund zwischen Bewehrung und Beton sind neben einem dichten und intakten Gefüge eine ausreichende Betongüte sowie eine ausreichend dicke und vollständige Umhüllung des Stahls mit Zementstein. Mikrorisse in der Umgebung der Bewehrungsstäbe mindern die Verbundfestigkeit, den Verformungswiderstand und den Korrosionsschutz.

3.6.2 Beton- und Stahlbetonbau Die alte DIN 1045 [3-12] beschreibt in Abschnitt 2.1.2 den Soll-Zustand des Betongefüges für Außenbauteile mit besonderer Rücksicht auf den Korrosionsschutz und den Verbund zwischen Bewehrung und Beton wie folgt: „Beton für Außenbauteile ist Beton, der so zusammengesetzt, fest und dicht ist, dass er im oberflächennahen Bereich gegen Witterungseinflüsse einen ausreichend hohen Widerstand aufweist und dass der Bewehrungsstahl während der gesamten vorausgesetzten Nutzungsdauer in einem korrosionsschützenden, alkalischen Milieu verbleibt.“ Diese Voraussetzungen sind grundsätzlich im Außenbereich erst ab einer Betongüte B 25 (C20/25) gegeben, während bewehrte Innenbauteile nach DIN 1045 bereits ab einer Betongüte von B 15 (C12/15) hergestellt werden dürfen. Nach neuer Norm [3-5], [313] ist im Außenbereich sogar mindestens C25/30 erforderlich. Im Abschn. 13.2.1 der alten DIN 1045 [3-12] heißt es: „Die Bewehrungsstäbe müssen zur Sicherung des Verbundes, des Korrosionsschutzes und zum Schutz gegen Brandeinwirkung ausreichend dick und dicht mit Beton

3.6 Anforderungen an das Betongefüge

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ummantelt sein.“ Außerdem fordert die Norm, dass die Betondeckungsmaße gemäß Tabelle 10 in DIN 1045 einzuhalten sind. „… Bei Beton der Festigkeitsklasse B 35 und höher dürfen die Mindest- und Nennmaße um 0,5 cm verringert werden. Zur Sicherung des Verbundes dürfen die Mindestmaße jedoch nicht kleiner angesetzt werden als der Durchmesser der eingelegten Bewehrung oder als 1 cm …“. Solche Abweichungen von der Mindestbetondeckung sind nach neuer Norm nur zulässig, wenn die Betonfestigkeit um 2 Festigkeitsklassen höher liegt als für die jeweilige Expositionsklasse gefordert. Im vorliegenden Kontext dürfte wohl der Abschnitt 13.2.2 in DIN 1045 [3-12] die größte Bedeutung haben: „… bei Betonflächen aus Waschbeton oder bei Flächen, die z.B. gesandstrahlt, steinmetzmäßig bearbeitet oder durch Verschleiß stark abgenutzt werden, ist die Betondeckung darüber hinaus angemessen zu vergrößern. Dabei ist die Tiefenwirkung der Bearbeitung und die durch sie verursachte Gefügestörung zu berücksichtigen.“ In DIN 1045-1: 2001-07 [13-5] heißt es: „Oberflächen mit architektonischer Gestaltung, wie strukturierte Oberflächen oder grober Waschbeton, erfordern ebenfalls ein erhöhtes Vorhaltemaß.“

3.6.3 Fahrbahndecken aus Beton Hier gilt im Wesentlichen ebenfalls DIN 1045. Einige spezifische Forderungen im Hinblick auf das Betongefüge von Betonfahrbahndecken ergeben sich aus den Erläuterungen zur ZTV Beton-StB 93 [3-21]. Neben einer hohen Druckund Biegefestigkeit, dauerhaft hohen Griffigkeit, hohem Widerstand gegen Abnutzung und ausreichend hohem Frost-Tausalz-Widerstand wird gefordert, dass der Beton so zusammenzusetzen ist, dass Schlämmebildung und eine zu dicke Feinmörtelschicht an der Oberfläche vermieden wird. Die Feinmörtelschicht enthält einen hohen Mehlkornanteil. Die feinen Partikel können sich nachteilig auf die Griffigkeit der Decke auswirken. Daher muss die Oberfläche texturiert werden, um den im Oberflächenmörtel ebenfalls reichlich vorhandenen Feinsand freizulegen, der einen günstigen Einfluss auf die Rauheit ausübt. Bei der Herstellung von Fahrbahndecken geschieht dies durch Stahlbesenstrich bzw. heute häufiger durch Abziehen mittels Jutetuch. Die Feinmörtelschicht muss den Anforderungen an hohe Widerstandsfähigkeit gegen Abnutzung, Frost und Tausalz entsprechen. Je dicker die Feinmörtelschicht ist, desto geringer ist ihre Widerstandsfähigkeit gegen diese Beanspruchungen. Oberflächenschäden durch Regeneinwirkung in der Betonierphase müssen z.B. durch Abschleifen beseitigt werden. Bauliche Maßnahmen zur nachträglichen Bearbeitung von Betonoberflächen sind in ZTV BEB-StB [3-41] beschrieben.

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3 Anforderungen an die Betonoberfläche

3.6.4 Industrieböden Betonböden in Produktions- und Lagerhallen zählen zu den am stärksten beanspruchten Bauwerksflächen [3-79]. Neben schleifenden und rollenden Lasten, mit z.T. erheblichen Kontaktpressungen aus Hartreifen, Stoßbelastungen beim Absetzen von Ladegütern, Punktlasten aus Regalen oder Maschinen und Geräten, die statisch oder dynamisch wirken können, kommen ggf. chemische Belastungen und bei Freiflächen auch Frost- und Frost-Tausalz-Beanspruchungen hinzu. Je nach Art und Größe der Belastungen werden daher z.T. hohe Anforderungen an den Beton gestellt. Neben einer hohen Betongüte ist auch ein hoher Verschleißwiderstand und ggf. auch hoher Frost-Tausalz-Widerstand erforderlich. Die Betonplatten sollen möglichst rissfrei bleiben. In Ermangelung spezieller Vorschriften für Betonböden im Industriebau, werden meist Regelwerke aus anderen Gebieten wie DIN 1045 [3-12], [3-13] oder die Straßenbauvorschriften zugrunde gelegt [3-80]. Daraus ergibt sich, dass Betone mit einem niedrigen Mörtelanteil und gröberen Zuschlägen einen höheren Verschleißwiderstand besitzen. Für eine höhere Verschleißfestigkeit und verringerte Staubbelastung wird sogar empfohlen, die obere Zementsteinschicht von etwa 1 mm Dicke z.B. durch Schleifen zu entfernen und das abriebfestere Zuschlagkorn freizulegen [3-80]. Bei Böden mit Hartstoffschicht beeinflusst auch die Dicke dieser Schicht die Widerstandsfähigkeit. Die Hartstoffschicht muss der vorgesehenen Beanspruchung widerstehen können, und sie muss fest mit der darunter liegenden Schicht verbunden sein. Eine abgescheibte Oberfläche hat eine typische Sandpapiertextur, die sich für das Auftragen nachfolgender Schichten (Versiegelungen und Beschichtungen) besonders gut eignet. Ältere Industrieböden sind nicht selten bis in größere Tiefen verölt oder durch Chemikalien verunreinigt. Vor dem Auftragen einer Beschichtung oder eines Verbundbelages sind die betroffenen Betonrandzonen entweder abzutragen oder, falls dies möglich ist, in geeigneter Weise zu reinigen.

3.6.5 Betonwerkstein (Sichtbeton) Durch die werksteinmäßige Bearbeitung soll zumindest eine dünne Zementstein- oder Feinmörtelschicht von der Betonoberfläche entfernt werden, damit die Zuschläge optisch in Erscheinung treten und die Oberfläche eine bestimmte Textur erhält. Die zu erreichenden Bearbeitungsergebnisse werden in DIN 18500 [3-32] nach der Bearbeitungsart benannt: Geschliffen, feingeschliffen, poliert, gesägt, ausgewaschen, feingewaschen, gestrahlt, flammgestrahlt, abgesäuert, gespalten, bossiert, gespitzt, gestockt und scharriert. Nach DIN 18500 dürfen die Bauteile „keine Beschädigungen oder Fehler aufweisen, die ihren Gebrauchswert mindern oder ihr Aussehen wesentlich beeinträchtigen. Ausbesserungen von Bauteilen sind zulässig, soweit

3.6 Anforderungen an das Betongefüge

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das Einhalten der Anforderungen dieser Norm sichergestellt bleibt… Bei Oberflächen, die ausgewaschen werden, sollen die Zuschläge mit mehr als der Hälfte des kleinsten, dafür maßgebenden Korndurchmessers eingebunden sein.“ Dies dürfte sinngemäß auch für gestrahlte Oberflächen zutreffen. „Für die Betondeckung von Bewehrungen gilt DIN 1045. Als Maß für die Betondeckung gilt der geringste Abstand der Bewehrungsoberfläche von der fertig bearbeiteten bzw. gestalteten Bauteiloberfläche, z.B. bei ausgewaschenem Beton die tiefste ausgewaschene Stelle.“ Ist an Ingenieurbauten aus Beton im Verkehrswesen eine steinmetzmäßige Bearbeitung vorgesehen, so muss die Betondeckung der Bewehrung um mindestens 2 cm erhöht werden [3-7]. Nach DIN 18333 [3-81] sind Farb- und Texturschwankungen zulässig, „die durch unterschiedliche Herstellungsverfahren, jedoch bei gleicher Betonzusammensetzung entstehen. Hierzu gehören auch Farbschwankungen innerhalb des gleichen Zuschlages, die durch das naturbedingte Vorkommen gegeben sind“. Die Festigkeit und Härte der Matrix (Zement und Feinzuschlag) ist der wichtigste Faktor bei der werksteinmäßigen Bearbeitung von Betonoberflächen, insbesondere wenn der Grobzuschlag freigelegt werden soll (vgl. Abschnitt 3.2.4). Daher kommt es auf den richtigen Zeitpunkt an, zu dem die Arbeiten durchgeführt werden. Die Abhängigkeit vom Erhärtungszustand ist beim Auswaschen und Druckluftstrahlen besonders groß. Für ein möglichst gleichmäßiges Erscheinungsbild müssen Strahlparameter wie Düsenabstand und Strahlwinkel möglichst konstant gehalten werden. Um dies zu erreichen sind bei runden oder winkligen Bauteilen Hilfsvorrichtungen vonnöten. Mit zunehmendem Erhärtungsgrad nimmt zwar die Abtragtiefe ab, doch werden auch die verfahrensbedingten Schwankungen in der Oberflächentextur geringer [3-30]. Da es umso schwieriger wird, die Matrix herauszuschälen, je härter sie ist, sollte zur Herstellung grobtexturierter Oberflächen bereits 24 Stunden nach dem Betonieren mit der Bearbeitung begonnen werden. Für eine mittlere Textur kann das Strahlen bis 72 Stunden hinausgezögert werden. Gebürstete und leicht gestrahlte Oberflächeneffekte können je nach Festigkeit des Betons und Art der verwendeten Zuschläge bis zu 6 Monate nach der Herstellung oder auch später erzielt werden. Eine genaue Terminierung ist besonders dann wichtig, wenn der Zuschlag stark freigelegt werden soll und ein gleichmäßiges Aussehen erwünscht ist [3-82]. Mit einem Stock- oder Spitzhammer sollte Beton nicht werksteinmäßig bearbeitet werden, bevor er wenigstens eine Druckfestigkeit von 25 N/mm2 aufweist. Andernfalls besteht die Gefahr, dass die Zuschläge einfach aus dem Beton herausgerissen werden, statt sie zu schälen oder zu durchtrennen. Bei steinmetzmäßiger Bearbeitung ist gemäß ZTV-ING [3-7]: „die Zementhaut vollständig zu beseitigen und das Grobkorn aufzuschlagen. Der Zeitpunkt der Bearbeitung ist auf die Erhärtung des Betons abzustimmen.“

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3 Anforderungen an die Betonoberfläche

Die Bearbeitung ist, sofern nicht anders vorgesehen, kurz vor Kanten oder Fugen zu stoppen. Andernfalls werden unweigerlich Kantenabbrüche auftreten. Alternativ können die Kanten rund abgefast werden, wobei die Bearbeitung in diesen Fällen sehr sorgfältig von Hand zu erfolgen hat und der Beton wenigstens 3 Monate alt sein sollte, damit keine Schäden befürchtet werden müssen [3-82]. Nach ZTV-ING [3-7] sind „die Betonkanten einschließlich ihrer Abfasung vor dem Bearbeiten der Flächen durch Scharrierschlag zu sichern. Die Scharrierschläge sind rechtwinklig zur Oberfläche und so dicht zu setzen, dass die Zementhaut dazwischen entfernt wird.“

3.6.6 Schutz und Instandsetzung von Betonbauteilen Für dauerhafte Schutz- und Instandsetzungsmaßnahmen ist der Betonuntergrund gemäß [3-2], [3-3] und [3-5] so vorzubereiten, dass zwischen dem aufzubringenden Betonersatz- oder Oberflächenschutzsystem und dem Betonuntergrund ein fester und dauerhafter Verbund erzielt wird. Die Oberflächenbeschaffenheit des Untergrunds für Oberflächenschutzsysteme (OS) muss das Auftragen einer geschlossenen, annähernd gleichmäßigen und fest haftenden Schicht ermöglichen. Dazu muss der Betonuntergrund nach [3-3] bzw. sinngemäß auch nach [3-7]: ◆ frei sein von losen und mürben Teilen sowie von minderfesten bzw. sich leicht ablösenden arteigenen Schichten (z.B. schadhafter Beton, Zementschlämme, Zementhaut) und darf nicht abmehlen oder absanden, ◆ frei sein von etwa parallel zur Oberfläche oder schalenförmig im oberflächennahen Bereich verlaufenden Rissen oder Ablösungen, ◆ möglichst frei sein von scharfen Schalungskanten und Graten, ◆ eine dem zu verwendenden Stoff angepasste Rauheit aufweisen, ◆ frei sein von artfremden trennenden Substanzen (wie Gummiabrieb, Trennmittel, Nachbehandlungsfilmen, ungeeigneten Altbeschichtungen, Ausblühungen, Wasser, Öl, Bewuchs, Staub und sonstigen Verunreinigungen.). Wenn der Beton über und im Bereich der Bewehrung nicht den Korrosionsschutzerfordernissen entspricht, muss er gemäß [3-3] bzw. [3-7] abhängig vom gewählten Instandsetzungsprinzip entfernt werden. Der Auftragnehmer hat durch die Wahl geeigneter Verfahren und Geräte sicherzustellen, dass durch die Vorbereitungsarbeiten die Eigenschaften des Betonuntergrunds nicht nachteilig verändert werden. Die Instandsetzungs-Richtlinie [3-5] gibt weitere Hinweise zu Begrenzung der unvermeidbaren Gefügeschädigungen des verbleibenden Betonuntergrunds beim Abtrag. Hierfür sind ggf. mehrere aufeinander abgestimmte Verfahren in der Reihenfolge von grob nach fein miteinander zu kombinieren. Außerdem ist die Dicke der in einem Arbeitsgang abzutragenden Schichten zu begrenzen. Bei thermischen Verfahren ist der

3.7 Literatur

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Wärmeeintrag in den Traggrund planmäßig zu steuern (vgl. Kapitel 10). „Hohlstellen u.ä. müssen ausreichend geöffnet werden, Vertiefungen und größere Fehlstellen (z.B. Kiesnester) sind auszuarbeiten. Die bei der Entfernung von geschädigtem Beton und bei der Freilegung von Bewehrung entstehenden Ausbruchufer sind unter etwa 45° zur verbleibenden Bauteiloberfläche herzustellen.“ [3-5]. Spritzbeton erfordert gemäß DIN 18551 [3-9] eine raue und feste Auftragsfläche. Bei einem Untergrund aus Beton liegen diese Voraussetzungen normalerweise dann vor, wenn fest eingebettetes Zuschlagkorn sichtbar wird. Nach DIN 18349 [3-1] ist der vorbereitete Untergrund vor Bewitterung, Staub und losen Teilen zu schützen. Außerdem ist er vor dem Aufbringen einer nachfolgenden Lage oder Schicht zu säubern. Vor dem Auftrag kunststoffgebundener Systeme (PC-Mörtel oder OS) ist die Betonoberfläche zu grundieren. Poren und Lunker ≥ 0,5 mm können bei bindemittelreichen Kunstharzmörteln und bei Kunststoffbeschichtungen zu Lufteinschlüssen und in der Folge zu Blasenbildungen führen. Aus diesem Grunde müssen Betonoberflächen mit solchen Poren vor dem Mörtel- bzw. Beschichtungsauftrag mit einer geeigneten Kratz- und Lunkerspachtelung verschlossen werden (siehe z.B. [3-37], [3-83]).

3.7 Literatur [3-1] DIN 18349: 2002–12: VOB Verdingungsordnung für Bauleistungen, Teil C: Allgemeine Technische Vertragsbedingungen für Bauleistungen (ATV). Betonerhaltungsarbeiten [3-2] Richtlinie für Schutz und Instandsetzung von Betonbauteilen. Teil 1: Allgemeine Regelungen und Planungsgrundsätze. Teil 2: Bauplanung und Bauausführung. Hrsg.: Deutscher Ausschuss für Stahlbeton (DAfStb). Berlin und Köln: Beuth Verlag, August 1990 [3-3] DAfStb-Richtlinie Schutz und Instandsetzung von Betonbauteilen (Instandsetzungs-Richtlinie). Hrsg.: Deutscher Ausschuss für Stahlbeton (DAfStb). Berlin und Köln: Beuth Verlag, Oktober 2001 [3-4] SASSE, H. R.; RAUPACH, M.: Neufassung der Instandsetzungsrichtlinie des Deutschen Ausschusses für Stahlbeton. Aus: Bauchemie Themen Nr. 9, Hrsg.: Deutsche Bauchemie e.V.. Böhl-Iggelheim: Baucom Verlag, 2001 [3-5] DIN 1045-1: 2001-07 Tragwerke aus Beton, Stahlbeton und Spannbeton. Teil 1: Bemessung und Konstruktion [3-6] DIN 28052-2: 1993-08 Oberflächenschutz mit nichtmetallischen Werkstoffen für Bauteile aus Beton in verfahrenstechnischen Anlagen; Anforderungen an den Untergrund [3-7] Zusätzliche Technische Vertragsbedingungen und Richtlinien für Ingenieurbauten (ZTV-ING). Hrsg.: Bundesminister für Verkehr, Abtlg. Straßenbau. Dortmund: Verkehrsblatt-Verlag Borgmann, März 2003

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3 Anforderungen an die Betonoberfläche

[3-8] Zusätzliche technische Vertragsbedingungen – Wasserbau (ZTV-W) für Schutz und Instandsetzung der Betonbauteile von Wasserbauwerken (Leistungsbereich 219) – Entwurf, Hrsg.: Bundesministerium für Verkehr, Bau und Wohnungswesen Abteilung: Eisenbahnen, Wasserstraßen, Weißdruck (Stand 15.12.2004), [3-9] DIN 18 551: 2005-01 Spritzbeton – Anforderungen, Herstellung, Bemessung und Konformität [3-10] NOPPEN, G.; SIGALLA, J.: Technische Oberflächen, Teil 1: Oberflächenbeschaffenheit – Zeichnungsangaben, Erläuterungen für Konstruktion, Fertigung, Prüfung. Aus: Beuth-Kommentare. Berlin-Köln: Beuth Verlag, 1985 [3-11] DIN 4766: 1981-3, (ersatzlos gestrichen) Herstellverfahren der Rauheit von Oberflächen. Erreichbare gemittelte Rauhtiefe Rz nach DIN 4768 Teil 1 [3-12] DIN 1045: 1988-07, Beton und Stahlbeton; Bemessung und Ausführung [3-13] DIN EN 206-1:2001-07, Beton. Teil 1: Festlegung, Eigenschaften, Herstellung und Konformität, in Verbindung mit DIN 1045-1: 2001-07: Tragwerke aus Beton, Stahlbeton und Spannbeton. Teil 1: Bemessung und Konstruktion, DIN 1045-2: 2001-07: Tragwerke aus Beton, Stahlbeton und Spannbeton. Teil 2: Beton – Festlegung, Eigenschaften, Herstellung und Konformität. (Deutsche Anwendungsregeln (DAR) zur DIN EN 206-1), DIN 1045-3: 2001-07: Tragwerke aus Beton, Stahlbeton und Spannbeton. Teil 3: Bauausführung. [3-14] SCHMIDT, H.: Trotz hoher Belastungen keine Spurrinnen. In: Baugewerbe 78 (1998), Nr. 13/14, S. 20–24 [3-15] HUSCHEK, S.: Kennzeichnung der Oberflächenrauheit und deren Einfluß auf die Griffigkeit und Reifengeräusche. In: Straße und Autobahn 47(1996), Nr. 6, S. 307–314 [3-16] FLEISCHER, W.: Können die Anforderungen an die Griffigkeit bei Neubau und Instandsetzung von Fahrbahndecken aus Beton gewährleistet werden? In: Straße und Autobahn 46(1995), Nr. 3, S. 137–143 [3-17] DAMES, J.; SULTEN, P.: Einfluß der Oberflächenausführung von Betondecken auf die Griffigkeit. In: Straße und Autobahn 32(1981), Nr. 1, S. 10–18 [3-18] HUSCHEK, S. Bewertung der Straßengriffigkeit bei Nässe. In: Straße und Autobahn 46(1995), Nr. 3, S. 125–131 [3-19] Merkblatt für die Herstellung von Oberflächentexturen auf Fahrbahndecken aus Beton – MOB, Ausgabe 2000, Hrsg.: Forschungsgesellschaft für Straßenund Verkehrswesen, Arbeitsgruppe Betonstraßen. Aus: Straßenbau A–Z, Lfg 6/01, Berlin: Erich Schmidt Verlag [3-20] Zusätzliche Technische Vertragsbedingungen und Richtlinien für den Bau von Fahrbahndecken aus Beton (ZTV Beton – StB 01), Ausgabe 2001. Hrsg.: Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen, Arbeitsgruppe Betonstraßen. Köln: FGSV Verlag GmbH, April 2001 [3-21] ENGELMANN, K.-H.; GRÜNING, R.; SCHUSTER, F.-O.: Zusätzliche Technische Vertragsbedingungen und Richtlinien für den Bau von Fahrbahndecken aus Beton (ZTV Beton-StB 93, Kommentar). Bonn: Kirschbaum Verlag, 1993

3.7 Literatur

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[3-22] DAMES, J.; SULTEN, P.: Optimierung der Oberfläche von Betonfahrbahnen hinsichtlich Griffigkeit und Rollgeräusch. In: Straße und Autobahn 40(1989), Nr. 2, S. 50–56 [3-23] KAMPLADE, J.: Oberflächenausführung von Betondecken – Griffigkeit und Lärmverhalten. In: Straße und Autobahn 43(1992), Nr. 7, S. 442-448 [3-24] SIEBEL, E.; EICKSCHEN, E.: Lärmarme Betonfahrbahndecken – ein europäisches Forschungsprojekt. In: Straße und Autobahn 46(1995), Nr. 11, S. 658–662 [3-25] DAMES, J.; OERTELT, S.; SULTEN, P.; BUSCH, J.: Untersuchungen über die Wirksamkeit verschiedener Erhaltungsmaßnahmen zur Verbesserung des Zustandswertes älterer Betonfahrbahnen. In: Straße und Autobahn 41(1990), Nr. 10, S. 483– 488 [3-26] JUNG, K.: Rutschhemmende Eigenschaften von Bodenbelägen. 2. Internationales Kolloquium Industriefußböden ’91. Technische Akademie Esslingen, 15.–17. Jan. 1991.Tagungsband, Hrsg: P. Seidler, S. 689–706 [3-27] STROHHÄCKER, G.: Aspekte der Griffigkeit und Rutschsicherheit. Aus: Sika Information – Industriefussböden mit System . Hrsg.: A. Bleibler, Corporate Marketing, Sika Finanz AG, Baar/Schweiz, 1995, S. 95–98 [3-28] DIN 4768: 1990-05, (ersatzlos gestrichen) Ermittlung der Rauheitskenngrößen Ra, Rz, Rmax mit elektrischen Tastschnittgeräten; Begriffe, Meßbedingungen [3-29] DIN EN ISO 4287: 1998-10, Oberflächenbeschaffenheit: Tastschnittverfahren. Benennungen, Definitionen und Kenngrößen der Oberflächenbeschaffenheit [3-30] PÖRSCHMANN, M.: Mängel bei Sichtbetonfertigteilen – Ursachen und Vermeidung. In: Betonwerk+ Fertigteil-Technik 54(1988), Nr. 8, S. 44–50 [3-31] WILSON, J. G.: Abrasive blasting of concrete surfaces. London: Cement and Concrete Association, 1970 [3-32] DIN 18500: 1991-04, Betonwerkstein. Begriffe, Anforderungen, Prüfung, Überwachung [3-33] BERTRAMS-VOSSKAMP, U.; IHLE, M.; PESCH, L.; PICKEL, U.: Betonwerkstein Handbuch; Hinweise für Planung und Ausführung. Hrsg.: Bundesverband Deutsche Beton- und Fertigteilindustrie e.V. und Bundesfachgruppe Betonfertigteile und Betonwerkstein im Zentralverband des Deutschen Baugewerbes e.V.. 3. überarb. Aufl. – Düsseldorf: Beton-Verlag, 1994 [3-34] Merkblatt Sichtbeton, Fassung August 2004. Deutscher Beton- und Bautechnik-Verein E.V. (DBV), Berlin und Bundesverband der Deutschen Zementindustrie e.V. (BDZ), Düsseldorf [3-35] HUBERTY, J. M.: Fassaden in der Witterung: Regen, Staub u. Patina auf Beton u. Stein. Deutsche Fassung bearbeitet von E. Lüth und B. Dartsch Düsseldorf: Beton-Verlag, 1983. [3-36] GRUBE, H.; KERN, E.; QUITMANN, H.-D.: Instandhaltung von Betonbauwerken. Aus: Beton-Kalender 1990. Berlin: Ernst & Sohn, 1990, S. 681–805

60

3 Anforderungen an die Betonoberfläche

[3-37] Sikafloor: System-Merkblatt Industrieböden. Stand 1990, Sika Chemie GmbH [3-38] BLOCK, K.; DRELL, R.: Oberflächenrauheit und Haftverbund. Spritzbetonverstärkte Bauteile. In: Beton 48 (1998), Nr. 2, S. 75–79 und Nr. 3, S. 132 [3-39] Zusätzliche Technische Vertragsbedingungen und Richtlinien für das Herstellen von Brückenbelägen auf Beton.Teil 3: Dichtungsschicht aus Flüssigkunststoff (ZTV-BEL-B Teil 3) Hrsg.: Bundesminister für Verkehr, Abtlg. Straßenbau. Dortmund: Verkehrsblatt-Verlag Borgmann, 1995 [3-40] HAACK, A.; EMIG, K.-F.: Parkdeckbeschichtungen mit Bitumenwerkstoffen. Grundlagen – Planung – Bemessung – ausgewählte Details. 2. Aufl., ARBIT Schriftenreihe, Heft 55, Hrsg.: Arbeitsgemeinschaft der Bitumen-Industrie, Hamburg, 11/95 [3-41] Zusätzliche Technische Vertragsbedingungen und Richtlinien für die Bauliche Erhaltung von Verkehrsflächen – Betonbauweisen – ZTV BEB-StB 02., Ausgabe 2002. Hrsg.: Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen, Arbeitsgruppe Betonstraßen. Köln: FGSV Verlag [3-42] HILLEMEIER, B.; STENNER, R.; FLOHRER, C.; POLSTER, H.; BUCHENAU, G.: Instandsetzung und Erhaltung von Betonbauwerken. Aus: Beton-Kalender 1999. Berlin: Ernst & Sohn, S. 595–704 [3-43] DIN 18201: 1997-04 Toleranzen im Bauwesen; Begriffe Grundsätze, Anwendung, Prüfung [3-44] DIN 18202: 1997-04 Toleranzen im Hochbau. Bauwerke [3-45] DIN 18203-1: 1997-04 Toleranzen im Hochbau; Vorgefertigte Teile aus Beton, Stahlbeton und Spannbeton [3-46] SULTEN, P.: Erfassen und Beurteilen der Längsebenheit von Straßen. In: Straße und Autobahn 43(1992), Nr. 2, S. 75–87 [3-47] BECKER, W.: Neues „Lasersystem zur Analyse der Querebenheit (LSAQ) bei der Bundesanstalt für Straßenwesen. In: Straße und Autobahn 44(1993), Nr. 4, S. 226–227 [3-48] KLINGER, B.: Zulässige Amplituden und Wellenlängen herausragender Unebenheitsanteile. Forschungsbericht FA 4.153 erstellt im Auftrage des Bundesministeriums für Verkehr. Institut für Fahrzeugtechnik, TU Braunschweig, April 1994. Kurzfassung in: Straße und Autobahn 46(1995), Nr. 2, S. 88–95 [3-49] DIN 18316: 2000-12 Verdingungsordnung für Bauleistungen (VOB), Teil C: Allgemeine Technische Vertragsbedingungen für Bauleistungen (ATV). Verkehrswegebauarbeiten; Oberbauschichten mit hydraulischen Bindemitteln [3-50] BECKER, W.: Die Spektrale Dichte – ein Maß für die Fahrbahnunebenheit im Längsprofil. In: Straße und Autobahn 46(1995), Nr. 10, S. 583–592 [3-51] KNEPPER, S.; SULTEN, P.: Auf dem Wege zu einer systematischen Straßenerhaltung. In: Straße und Autobahn 48(1997), Nr. 11, S. 605–614

3.7 Literatur

61

[3-52] HELLENBROICH, T.; SCHMIDT, G.-D.: Ebenheitsmessung von Start- und Landebahnen. Einsatz schnellfahrender Laserprofilometer für Zustandserfassung und Instandhaltungsplanung. In: Straße und Autobahn 42(1991), Nr. 8, S. 453–460 [3-53] KUNERT, P.: Maßtoleranzen im Fußbodenbau. astricus estrich-online infobank. http://www.astricus.de/home/kunert.html, 4/97 [3-54] DIN 18365: 2000-12 VOB: Verdingungsordnung für Bauleistungen, Teil C: Allgemeine Technische Vertragsbedingungen für Bauleistungen (ATV). Bodenbelagarbeiten [3-55] KILLE, A.: Kommentar zur BSR-Richtlinie I; Betrachtungsweise zur gutachterlichen Beurteilung des Erscheinungsbildes von Fußbodenoberflächen. http://www.ifr.netcologne.de [3-56] Zentralverband des Deutschen Baugewerbes (ZDB): Merkblatt Prüfung der Ebenheit von Decken und Wänden; Hinweise zur Anwendung von DIN 18202 Teil 5, Maßtoleranzen im Hochbau, Ausgabe: April 1983 [3-57] AGI-Arbeitsblätter M1: Maßtoleranzen; Allgemeines Beiblatt: Meßverfahren und Meßgeräte M2: Zulässige Grenzabmaße für Längen und Oberflächen von Bauteilen und Bauwerken. Hrsg.: Arbeitsgemeinschaft Industriebau e.V. (AGI), Köln, 1991 [3-58] The Face Companies: F-Number Guidance. http://www.faceco.com [3-59] ASTM E1155M-96 10-Mar-1996, Standard Test Method for Determining Floor Flatness and Floor Levelness Numbers [Metric] [3-60] DIN 15185-1: 1991-08 Lagersysteme mit leitliniengeführten Flurförderzeugen. Anforderungen an Boden, Regal und sonstige Anforderungen [3-61] LAUX, F.: Abdichtung von Industriefußböden aus Beton gemäß § 19 g WHG, Teil 1. In: Bautenschutz und Bausanierung 15 (1992), Nr. 6, S. 32–35 [3-62] GEBHARDT, R.: Superebener Magnesiaestrich. In: Industriebau 41 (1995), Nr. 2, S. 36–41 [3-63] TREML, W.: Beläge mit erhöhtem Ebenheitsanspruch. Aus: Sika Information – Industriefussböden mit System. Hrsg.: A. Bleibler, Corporate Marketing, Sika Finanz AG, Baar/Schweiz, 1995, S. 90–94 [3-64] TEGELAAR, A.; MORITZ, H.; WIDMANN, H.; FELDMANN, H.; STEINLE, A.; GERHARDS, R.; KAYMER, F. K.; GERNE, L.; BILGERI, P., PÖRSCHMANN, M.: Handbuch Betonfertigteile, Betonwerkstein, Terrazzo. Düsseldorf: Beton-Verlag, 1991 [3-65] DIN EN 1339: 2003-08 Platten aus Beton – Anforderungen und Prüfverfahren [3-66] WESCHE, K: Baustoffe für tragende Bauteile/von Karlhans Wesche. – Wiesbaden; Berlin: Bauverl., 1993, Bd. 2. Beton, Mauerwerk (nichtmetallische-anorganische Stoffe): Herstellung, Eigenschaften, Verwendung, Dauerhaftigkeit/unter Mitarb. von Peter Schubert. – 3., völlig neubearb. und erw. Aufl.

62

3 Anforderungen an die Betonoberfläche

[3-67] Zement-Taschenbuch 2002. Verein Deutscher Zementwerke e.V. (Hrsg.), Düsseldorf. Düsseldorf: Verlag Bau + Technik, 2002 [3-68] Ausbildungsbeirat Verarbeiten von Kunststoffen im Betonbau beim Deutschen Beton- und Bautechnik-Verein E.V. (Hrsg.): SIVV-Handbuch; Schützen, Instandsetzen, Verbinden und Verstärken von Betonbauteilen, Stuttgart: Fraunhofer IRB Verlag, 2005 [3-69] SCHÄPER, M.; URBAN, F.; GÖHRE, D.; DILLENBERGER, T.: Einflüsse verschiedener Erhärtungsbedingungen auf die Eigenschaften von Oberflächenschutzsystemen für Beton. Veröffentlichungen aus Lehre angewandter Forschung und Weiterbildung, Band 8. Hrsg.: Fachhochschule Wiesbaden. Eigenverlag, 1990. [3-70] GENG, D.: Umgebungseinflüsse auf die Applikation und Aushärtung von Beschichtungen. Aus: Sika Information – Industriefussböden mit System. Hrsg.: A. Bleibler, Corporate Marketing, Sika Finanz AG, Baar/Schweiz, 1995, S. 116–118 [3-71] GENG, D.: Untergrundfeuchtigkeit und Beschichtungen. Aus: Sika Information – Industriefussböden mit System. Hrsg.: A. Bleibler, Corporate Marketing, Sika Finanz AG, Baar/Schweiz, 1995, S. 14–18 [3-72] STENNER, R.; MAGNER, J.: Einfluss der Feuchtigkeit aus dem Substrat. Internationales Kolloquium Industriefußböden ’95. Technische Akademie Esslingen, 10.-12. Jan. 1995, Tagungshandbuch, Hrsg: P. Seidler, S. 473–483 [3-73] GAISER, K. J.: Empirische Untersuchung über die Korrelation zwischen Restfeuchte und adhäsivem Verhalten von kunstharzgebundenen Primern auf mineralischen Untergründen. 2. Internationales Kolloquium Industriefußböden ‘91. Technische Akademie Esslingen, 15.–17. Jan. 1991. Tagungsband, Hrsg: P. Seidler, S. 421–423 [3-74] JUNGWIRTH, D.; BEYER, E.; GRÜBL, P.: Dauerhafte Betonbauwerke – Substanzerhaltung und Schadensvermeidung in Forschung und Praxis. Düsseldorf: Beton-Verlag, 1986 [3-75] SEIDLER, P.: Imprägnierungen, Versiegelungen und Beschichtungen mit Reaktionsharzkunststoffen. Aus: Handbuch Betonschutz durch Beschichtungen: Praxis und Anwendungen, Normen und Empfehlungen/Hans Schuhmann und andere. Hrsg.: J. Bartz. Ehningen bei Böblingen: expert-Verlag, 1992, S. 480–526 [3-76] KLOPFER, H.: Die Verteilung des Wassergehaltes in beschichtetem und unbeschichtetem Beton. 2. Internationales Kolloquium Industriefußböden ’91. Technische Akademie Esslingen, 15.–17. Jan. 1991. Tagungsband, Hrsg: P. Seidler, S. 51–65 [3-77] SCHNELL, W.: Die Trocknungsverhalten von Estrichen – Beurteilung und Schlussfolgerungen für die Praxis. „Aachener Bausachverständigentage 1994“ Neubauprobleme – Feuchtigkeit und Wärmeschutz [3-78] DIN 4725-4: 1992-09, zurückgezogen Warmwasser-Fußbodenheizungen; Aufbau und Konstruktion sowie DIN 47254/A1 Entwurf 1994-12: Änderung A1

3.7 Literatur

63

[3-79] LOHMEYER, G: Internationales Kolloquium Industriefußböden ’95. Technische Akademie Esslingen, 10.–12. Jan. 1995, Tagungshandbuch, Hrsg: P. Seidler, S. 21–39 [3-80] LOHMEYER, G.: Betonböden im Industriebau: Hallen- und Freiflächen. Hrsg.: Bundesverband d. Dt. Zementindustrie, Köln. 5. Aufl., Düsseldorf: Beton-Verlag, 1996 [3-81] DIN 18333: 2000–12, VOB Verdingungsordnung für Bauleistungen, Teil C: Allgemeine Technische Vertragsbedingungen für Bauleistungen (ATV); Betonwerksteinarbeiten [3-82] WILSON, J. G.: Specification clauses covering the production of high quality finishes to in situ concrete. London: Cement and Concrete Association, 1970 [3-83] MC-Bauchemie: Produktsysteme für den Oberflächenschutz, Produkthandbuch, 1999 [3-84] Standard Specifications for Tolerances for Concrete Construction and Materials (ACI 117-90), ACI Committee 117, Hrsg.: American Concrete Institute, 1990 [3-85] Draft Specifications for Tolerances for Concrete Construction and Materials (ACI 117-XX), ACI Committee 117, Hrsg.: American Concrete Institute, Entwurf Nov. 2004

4 Systematisierungsmöglichkeiten für Verfahren zur Untergrundvorbereitung

4.1 Verfahrenssystematisierung in den Vorschriften 4.1.1 Grundsätzliche Systematisierungsprobleme Es bieten sich mehrere Möglichkeiten für eine Systematisierung von Verfahren zur Vorbereitung von Betonuntergründen. In den geltenden Vorschriften, [4-1] und [4-2], ist eine gewisse Übereinstimmung in den Ordnungskriterien sichtbar. In beiden Vorschriften werden die Verfahren zunächst gegliedert nach: ◆ Art, ◆ Gerät, ◆ Anwendung (Anwendungszweck). Die nächste Hierarchiestufe zeichnet sich jedoch durch eine uneinheitliche Systematisierung aus. In der RILI des DAfStb [4-2] werden sogar Verfahren gefordert, die nicht definiert sind. Im Zusammenhang mit der Vorbehandlung der Bewehrung heißt es z.B.: „Zur Entrostung korrodierter Bewehrungsstahloberflächen dürfen nur mechanische Verfahren angewandt werden“, obgleich das Ordnungskriterium „mechanische Verfahren“ nicht existiert.

4.1.2 Systematisierung nach der Art und dem Gerät des Verfahrens Übereinstimmung herrscht in beiden Vorschriften darüber, dass Verfahren nach den Kriterium Art wie folgt unterteilt werden können: ◆ Stemmen, ◆ Schlagen/Fräsen, ◆ Schleifen, ◆ Strahlen, ◆ Bürsten, ◆ Flammstrahlen. Diese Untergliederung kann vereinfacht werden, wenn die Verfahren nach Arbeits- und Wirkungsweise in

4.1 Verfahrensystematisierung in den Vorschriften

65

◆ mechanisch wirkende Verfahren, ◆ thermisch wirkende Verfahren, ◆ sonstige Verfahren eingeteilt werden [4-3], wobei mechanische Verfahren nochmals in rein mechanische und kombinierte Verfahren untergliedert sind (vgl. Bild 4.1). Die weitere Unterteilung in den Vorschriften in Gerät, Material, Stoff ist sehr unübersichtlich: Es werden auf dieser Hierarchieebene Begriffe wie Schleifgerät, Pressluft, Nebelstrahlen, Absaugen zusammengefasst. Die zur Verfahrensart Strahlen gezählten Untergrundvorbereitungsverfahren werden in beiden Vorschriften weitgehend identisch untergliedert, wobei unterschieden werden können: ◆ (Druckluft-)Strahlen mit festen Strahlmitteln, ◆ Strahlen mit Wasser-Sand-Gemisch, ◆ Strahlen mit Hochdruckwasser > 600 bar (60 MPa), bzw. Strahlen mit Druckwasser > 800 bar (80 MPa). Hierbei tragen die Richtlinien den Entwicklungen in der Strahltechnik Rechnung und nennen das staubfreie Strahlen (bei gleichseitigem Absaugen), das Feuchtstrahlen sowie das Nebelstrahlen.

4.1.3 Systematisierung nach dem Anwendungszweck und Anwendungsbereich In den Vorschriften wird eine Einteilung nach dem Anwendungszweck vorgenommen. Sowohl in den ZTV-ING [4-1] als auch in der RILI des DAfStb [4-2] können unterschieden werden: ◆ Verfahren zum Entfernen von minderfesten Schichten und Verunreinigungen, ◆ Verfahren zum Abtragen von geschädigtem Beton und zum Freilegen von Bewehrung, ◆ Verfahren zum Säubern von losen Verunreinigungen und Entfernen von Wasserfilmen. Beide Vorschriften ordnen Verfahren darüber hinaus noch nach ihrer Fähigkeit zum „Entfernen von Rostprodukten an freiliegender Bewehrung und anderen Metallteilen“ ein. WERNER [4-3] schlägt im Zusammenhang mit dem Anwendungszweck eine etwas gröbere Unterteilung vor (Bild 4.1), und zwar in Verfahren zum ◆ Reinigen und Säubern, ◆ Aufrauen, ◆ Abtragen.

66

4 Systematisierungsmöglichkeiten für Verfahren zur Untergrundvorbereitung

Bild 4.1: Verfahren zur Betonuntergrundvorbereitung [4-3]

Bild 4.2: Einordnung dynamisch wirkender Bearbeitungsverfahren in ein Leistungsdiagramm (nach Werten aus [4-4])

4.1 Verfahrensystematisierung in den Vorschriften

67

Nach dem Anwendungsbereich können die Verfahren zusätzlich in flächig und örtlich wirkend untergliedert werden, was in beiden Vorschriften auch erfolgt. Eine weitere Einordnung ergibt sich aus der Verwendbarkeit auf waagerechten und/oder senkrechten Flächen.

4.2 Generelle Untergliederung nach der Beanspruchung und Belastungsdynamik Eine weitere Möglichkeit der Untergliederung besteht in der von den Werkzeugen ausgehenden Beanspruchung, insbesondere der Belastungsdynamik, wobei grundsätzlich stetig wirkende und dynamisch wirkende Verfahren unterschieden werden können. Die dynamisch wirkenden Verfahren lassen sich, wie Bild 4.2 verdeutlicht, in Abhängigkeit von Höhe und Frequenz der erwirkten Beanspruchung in einem Leistungsdiagramm darstellen.

4.3 Literatur [4-1] ZTV-ING: Zusätzliche Technische Vertragsbedingungen und Richtlinien für Ingenieurbauten. Teil 3, Abschnitt 4: Schutz und Instandsetzung von Betonbauteilen. Verkehrsblatt-Verlag, Dortmund, 2003. [4-2] DEUTSCHER AUSSCHUSS FÜR STAHLBETON (DAfStb) (Hrsg.) Schutz und Instandsetzung von Betonbauteilen. (Instandsetzungs-Richtlinie). Beuth Verlag, Berlin-Köln, 2001 [4-3] WERNER, M.: Vorbereitung von Betonuntergründen in Theorie und Praxis bei Betoninstandsetzungsmaßnahmen. Technische Akademie Esslingen, Dezember 1989. [4-4] WARNER, J.; BHUYAN, S.; SMOAK, W. G.; HINDO, K. R.; SPRINKEL, M. M.: Surface preparation for overlays. Concrete International (1998) 5, S. 43–46.

Teil II Verfahren zur Untergrundvorbereitung

5 Erzeugung von Druckluft

5.1 Bedeutung von Druckluft für die Untergrundvorbereitung Druckluft ist einer der wichtigsten Energieträger auf dem Gebiet der Betoninstandsetzung. Hersteller von Drucklufterzeugern gehen davon aus, dass etwa 50% der Arbeiten in diesem Bereich mit der Bereitstellung von Druckluft verbunden sind [5-1]. In der Industrie wird etwa 60% der bereitgestellten Druckluft an Druckluftwerkzeuge abgegeben [5-2]. Die wichtigsten Konsumenten von Druckluft im Bereich der Untergrundvorbereitung sind: ◆ Druckluftmotoren für den Werkzeugantrieb, ◆ Drucklufthämmer, ◆ Freistrahlgeräte, ◆ pneumatisch betriebene Fräsen, ◆ Schälwerkzeuge, ◆ Steuerelemente, ◆ Stockwerkzeuge, ◆ Trockeneisstrahlgeräte, ◆ Trockner. Die überragende Bedeutung der Druckluft macht es erforderlich, zumindest einige Grundsätze der Erzeugung darzustellen.

5.2 Erzeugung von Druckluft für die Untergrundvorbereitung 5.2.1 Generelle Verdichtungsprinzipien Druckluft kann durch die auf Bild 5.1 dargestellten Kompressorbauarten erzeugt werden. Im Baugewerbe haben sich fahrbare, durch Verbrennungsmotore angetriebene Schraubenkompressoren weitgehend durchgesetzt, die in zwei Bauarten – ölgeschmiert und ölfrei – angeboten werden. Die wichtigsten Teile sowie die grundlegende Arbeitsweise eines einstufigen ölgeschmierten

72

5 Erzeugung von Druckluft

Bild 5.1: Schematische Darstellung verschiedener Kompressorbauarten [5.3] Tab. 5.1: Technische Kennwerte ausgewählter Druckluftverdichtertypen (Quelle: Kaeser Kompressoren GmbH, Coburg) Kennwert/Merkmal

Stufenzahl Kraftübertragung Synchronisation Kühlung Zwischenkühler maximaler Betriebsüberdruck Verdichtungstemperatur Ölpumpe Lagerung rechnerische Lagerlebensdauer Kompressoren Drehzahl Regelung Liefermenge Restölgehalt Feststoffgehalt

Restfeuchte

Kompressortyp Öleingespritzter Schraubenkompressor

Ölfreier Schraubenkompressor

Radial-TurboVerdichter

1 1 Riementrieb altern. entfällt Luft, alternativ Wasser entfällt 14 bar

2 2 Getriebe 2 Getriebe Wasser 1 + 1 Ölkühler 8,5 (10,5 bar)

2…3 2…3 entfällt Wasser 1 … 2 + Ölkühler 8 (10) bar

80°C entfällt Wälzlager 50.000 …100.000 Bh

160 … 200°C ja Wälzlager/Gleitlager 20.000 … 50.000 Bh

160 … 200°C ja Gleitlager 50.000 …100.000 Bh

900 … 4.000 min–1

6.000 … 26.000 min–1 bis 100.000 min–1

Leerlauf-Aussetzung, alternativ Konstantdruckkontinuierlich und regelung Leerlaufregelung 8 … 140 m3/min 25 … 1.000 m3/min 0,15 … 80 m3/min 3 je nach Ansaugluft bis 10 mg/m3 3…5 mg/m 3 ca. 1 mg/m bei ca. 10 mg/m3 bei einer Teilchengröße einer Teilchengröße von 3 mm von 1 mm abhängig von Umgebungsluftbedingungen und Rückkühlung

5.2 Erzeugung von Druckluft für die Untergrundvorbereitung

73

a

b

Bild 5.2: Aufbau und Wirkungsweise eines einstufigen ölgeschmierten Schraubenkompressors. a) Verdichtungsprinzip [5.4], b) Grundaufbau (Mannesmann-Demag AG, Frankfurt a.M.) 1 – Instrumententafel, 2 – Überwachung, 3 – Ölbehälter, 4 – Druckluftanschlüsse, 5 – Regelung, 6 – Kranöse, 7 – Kraftstoffbehälter, 8/9 – Luftfilter, 10 – Antriebsmotor, 11 – Verdichter, 12 – Karosserie, 13 – Fahrgestell

Schraubenkompressors sind auf Bild 5.2 dargestellt. Nach der VGB 16 „Verdichter“ [5-5] gehören Schraubenkompressoren zu den rotierenden Verdrängerverdichtern mehrwelliger Bauart, die als „Arbeitsmaschinen, die Gase oder Dämpfe durch Verdrängung des Verdichtungsraumes ansaugen, verdichten und in die Förderleitung drücken.“ Tabelle 5.1 enthält technische Angaben zu verschiedenen Bauarten. Das Prinzip der Schraubenverdichtung ist bereits 1878 erfunden und patentiert worden. Es beruht auf der gegensätzlichen Bewegung zweier schraubenförmiger Rotoren mit abgestimmten Profilen, die als Haupt- bzw. Nebenläufer bezeichnet werden (s. Bild 5.2.a). Der Hauptläufer mit vorzugsweise konvexem Profil hat im allgemeinen eine geringere Zähnezahl (z.B. vier) als der Nebenläufer mit konkavem Profil (z.B. sechs). Die angesaugte Luft gelangt über Luftfilter in den Kompressor. Ein Filter der Größe 3 mm kann bis zu

74

5 Erzeugung von Druckluft

99 M-% aller Feststoffteilchen abscheiden. Die Läufer bilden bei Rotation axial wandernde, zwischen den Zähnen und dem Zylindergehäuse abgedichtete Räume. In diesen sich verengenden Räumen wird die Luft verdichtet. Dieser Vorgang wiederholt sich fortlaufend in allen Schraubengängen und gewährleistet die kontinuierliche, stoßfreie Förderung. Zur Abdichtung zwischen Schrauben und Gehäuse wird Öl eingespritzt, das anschließend durch einen Ölabscheider wieder abgetrennt wird. Das Öl nimmt auch die bei der Verdichtung entstehende Kompressionswärme auf und dient zusätzlich zur Schmierung der Lager. Das bei jeder Umdrehung des Hauptläufers geförderte Einzelvolumen (auch Hubvolumen) wird von Durchmesser und Länge der Rotoren sowie von den gewählten Profilformen bestimmt. Das theoretische Ansaugvolumen ergibt sich aus dem Hubvolumen und der Anzahl der Hübe. Die theoretische Verdichtungsleistung für Schraubenkompressoren umfasst das Einzelvolumen, die adiabatische Verdichtungsenergie und die Dichte des Fördermediums [5-6]. Hinter der von vielen Herstellern angegebenen Kupplungsleistung verbergen sich dann die theoretische Verdichtungsleistung, die Strömungsverlustleistung und die mechanische Verlustleistung. Tabelle 5.2 beinhaltet technische Angaben zu ausgewählten mobilen baustellentauglichen Schraubenkompressoren.

Tab. 5.2: Typische Kennwerte ausgewählter fahrbarer Schraubenkompressoren für den Baubereich Kennwert

Hersteller/Typenbezeichnung

max. Betriebsdruck in MPa Liefermenge in

m3/min

Schalldruckpegel in dB(A)

Atlas Copco

Kaeser

Ingersoll Rand

Mobilair M31

Mannesmann Demag SC 141 DS

XAH(S)125 1,2

0,7

1,0

0,7

P101S/WS

7,2

3,0

13,2

2,9

73

< 100

76

–

6

2

–

2

Motor Zylinderanzahl Drehzahl bei Nennlast in

min–1

2.300

2.750

max. 2.300

2.900

Leistung in kW

79

19,7

112

20,5

Inhalt Kraftstofftank in l

150

40

270

42

Abmessungen und Gewichte Länge in mm

4.380

3.270

5.610

2.730

Breite in mm

1.670

1.420

1.926

1.390

Höhe in mm

1.530

1.240

2.640

1.230

Leergewicht in kg

1.530

715

–

660

Betriebsgewicht in kg

1.690

750

3.450

700

5.2 Erzeugung von Druckluft für die Untergrundvorbereitung

75

5.2.2 Beurteilungskennwerte für Baukompressoren Die beiden entscheidenden Kennwerte für die Beurteilung eines Kompressors sind der Fördervolumenstrom und der Betriebsüberdruck, die beide nach den Abnahmeregeln der ISO 1217 bzw. nach PNEUROP PN2CPT3 [5-7] gemessen werden müssen. Der Fördervolumenstrom, auch als Liefermenge bezeichnet, wird in der Regel in m3/min oder in l/s angegeben und ist immer auf einen entsprechenden Betriebsüberdruck bezogen. Von den Anbietern wird für den Ansaugvolumenstrom im allgemeinen ein Toleranzbereich von ± 4...7% angegeben. Fahrbare Baustellenkompressoren können zwar Fördervolumenströme bis 45 m3/ min realisieren; ein derart hoher Druckluftbedarf liegt aber im Bereich der Betoninstandsetzung nicht vor. Typische Grenzwerte liegen bei ca. 3 m3/min für den Einsatz von Stemmhämmern und bei ca. 8 m3/min für das Betrieben von Strahlgeräten. Der Betriebsüberdruck wird in MPa oder bar angegeben und grundsätzlich in Arbeitsdruck und Maximaldruck unterteilt. Baustellenkompressoren können Betriebsüberdrücke bis zu 2,4 MPa erzeugen; aber auch bei diesem Para-

Bild 5.3: Spezifische Leistungsaufnahme von Baustellenkompressoren (beruhend auf Herstellerangaben).

76

5 Erzeugung von Druckluft

meter sind im Bereich der Untergrundvorbereitung so hohe Werte nicht erforderlich. Pneumatische Stemmwerkzeuge erfordern Betriebsüberdrücke von ca. 0,7 MPa; Maximalwerte für Strahlgeräte liegen bei ca. 1,2 MPa. Um Kompressoren einordnen zu können, ist in der ISO 1217 [5-7] die spezifische Leistungsaufnahme definiert als das Verhältnis von Motorabgabeleistung und effektivem Förderstrom: PMotor Pspez = 93 ˙ eff Q

(5.1)

Wie aus Bild 5.3 ersichtlich ist, in dem Motorleistung und Förderstrom gegenübergestellt sind, liegt die spezifische Leistungsaufnahme von Baustellenkompressoren bei Pspez = 8 kW · min/m3.

5.3 Qualität der erzeugten Druckluft 5.3.1 Geforderte Qualitätsbereiche Die im Bereich der Bauinstandsetzung eingesetzte Druckluft kann aus Sicht der Druckluftqualität eingeteilt werden in ◆ ölfreie Druckluft, ◆ wasserfreie Druckluft, ◆ geölte/geschmierte Druckluft, ◆ Atemluft. Die wesentlichen Vorschriften für die Betoninstandsetzung, ZTV-ING [5-8] und RILI des DAfStb [5-9], fordern von den Baukompressoren, die für das Druckluftstrahlen mit festen Strahlmitteln eingesetzt werden, eine ölfreie Druckluft. Die ZTV-ING legen darüber hinaus auch für das Druckstrahlen mit einem Wasser-Sand-Gemisch, für das Druckluftstrahlen und für das Abblasen mit Druckluft fest: „Die eingesetzten Baukompressoren müssen Ölausscheider mit einem nachweislichen Wirkungsgrad < 0,01 ppm (mgÖl/m3Luft) Restölgehalt haben.“ [5-8]. Die RILI des DAfStb [5-9] empfiehlt zusätzlich für das Nebel- und Feuchtstrahlen die Bereitstellung ölfreier Druckluft. Bild 5.4 zeigt beispielhafte Systemlösungen zur Realisierung der gewünschten Druckluftqualitäten.

5.3.2 Ölfreie Druckluft Die Forderung nach ölfreier Druckluft ergibt sich aus der Erkenntnis, dass Belegungen, insbesondere Öle und Fette, die Oberflächenenergie bearbeiteter

5.3 Qualität der erzeugten Druckluft

77

Bild 5.4: Technische Lösung für die Bereitstellung trockner und ölfreier Druckluft (Kaeser Kompressoren GmbH, Coburg)

Betone herabsetzen und den Verbund zwischen Substrat und Oberflächenschutz- bzw. Betonersatzsystem negativ beeinflussen [5-10]. Bei ölgeschmierten (bzw. öleingespritzten) Kompressoren nimmt die Druckluft im Verdichtungsraum zwangsläufig Öl auf, das entweder als Flüssigkeit, Aerosol oder Dampf vorliegt. Selbst gut gewartete Schraubenkompressoren ohne Ölabscheider erzielen Restölgehalte von 5,0 ppm (mgÖl/m3Luft), führen also zuviel Restöl [5-11]. Ein großer Teil des Öls wird bereits zusammen mit dem Kondensat in Zwischen- oder Nachkühlern abgeschieden. Um jedoch Öldämpfe sicher bis auf den vorgegebenen Grenzwert zu entfernen, sind mehrstufige Systeme erforderlich. Ein typisches System besteht aus den folgenden Komponenten: ◆ Nachkühler zur Abkühlung der Druckluft, ◆ Hochleistungs-Feinfilter zum Abscheiden von Aerosolen, ◆ Aktivkohlefilter zum Adsorbieren von mineralischen Öldämpfen.

5.3.3 Wasserfreie Druckluft Wasserfreie Druckluft wird in der alten RILI des DAfStb für das Strahlen mit festen Strahlmitteln empfohlen [5-12]. Kondensierte Druckluft führt zur Befeuchtung der Strahlmittel, wodurch es zu Verklumpungen und unter Umständen zum Verstopfen von Druckluftleitungen kommen kann. Feuchtigkeit in der Druckluft kann auch Korrosion an bearbeiteten Flächen (z.B. Bewehrung) verursachen. Darüber hinaus birgt das Kondenswasser die Gefahr der Eisbildung im gesamten Druckluftsystem.

78

5 Erzeugung von Druckluft

Baukompressoren sind daher in der Regel mit dem folgenden Zubehör zum Entfernen des Kondenswassers ausgestattet: ◆ Nachkühler, ◆ Kondenswasser-Abscheider, ◆ Filtersysteme für die Abscheidung von Wasserdampf, ◆ Luftheizsysteme. Aus der im Nachkühler gekühlten Luft kann das Wasser mittels Abscheidern entfernt werden. In den Wasserabscheidern wird das Wasser in einem Behälter in eine Wirbelbewegung versetzt; die entstehenden Zentrifugalkräfte pressen das Wasser gegen die Behälterwand, wo es sich sammelt und abfließt. In Feinfiltern werden Wasseraerosole und Wasserdampf zurückgehalten. Darüber hinaus sind auch Anti-Eis-Schmiermittel auf dem Markt, die Wasser aufnehmen können und die Gefahr des Vereisens reduzieren [5-13] und [5-14].

5.3.4 Geölte Druckluft Die Forderung nach geölter Druckluft besteht beim Einsatz von Druckluftwerkzeugen. Die an den Kompressor angeschlossenen Werkzeuge müssen ordnungsgemäß geschmiert sein. Zu diesem Zweck werden standardmäßig Zentralöler angeboten. Diese Öler führen den Werkzeugen kontinuierlich einen feinen Ölnebel zu, der der Druckluft in Form zerstäubter Öltropfen beigemischt wird. Die Ansaugwirkung wird durch eine gesteuerte Drosselung des Luftvolumenstroms erzielt. Das Ölvolumen kann mit Reglern gesteuert werden. Es werden Mineralöle oder synthetische Öle verwendet. Synthetische Öle haben den Vorteil, dass sie die Geräte auch gegen Kondensateinflüsse schützen, weshalb oft auf einen zusätzlichen Wasserabscheider verzichtet werden kann.

5.3.5 Atemluft Die Bereitstellung von Atemluft ist insbesondere beim Strahlen mit festen Strahlmitteln erforderlich (vgl. Abschnitt 8.12). Die Grenzwerte für Atemluft sind in der DIN 12021 [5-15] festgelegt. Da nicht aufbereitete Druckluft die in Tabelle 5.3 genannten Anforderungen in der Regel nicht erfüllt, wird die zu diesem Zweck abgenommene Druckluft in Atemluftaubereitungssystemen behandelt. Die oft mehrstufig ausgelegten Systeme enthalten Feinfilter zur Abscheidung von Wasser, Öl und Staub, Aktivkohlefilter zur Adsorption von Öldämpfen, und Katalysatoren/Adsorber zur Entfernung von Kohlenmonoxid/Kohlendioxid.

5.5 Ökonomische Aspekte der Drucklufterzeugung und -verwendung

79

Tab. 5.3: Grenzwerte für Atemluft nach [5-15] Medium

Grenzwert

Kohlendioxid Kohlenmonoxid Wasser Öldämpfe

500 ml/m3 Luft 15 ml/m3 Luft 25 mg/m3 Luft < 0,5 mg/m3 Luft

5.4 Ökonomische Aspekte der Drucklufterzeugung und -verwendung 5.4.1 Grundsätzliches Die technische und ökonomische Eignung von Kompressoren für verschiedene Aufgaben ist nur schwer zu beurteilen. Die beiden entscheidenden technischen Kenngrößen Liefermenge (Fördervolumenstrom) und Betriebsüberdruck lassen eine Auswahl von Typ und Anzahl zu betreibender Werkzeuge (Drucklufthämmer, Druckluftstrahlanlagen) zu. Einige Beispiele zeigt Tabelle 5.4. Systeme aus Kompressor und Düse können mit Hilfe von Arbeitspunkten charakterisiert werden. Ein Beispiel ist im Bild 5.5 ausgeführt. Wichtige Rollen bei der Auswahl von Kompressoren spielen Dimensionierung und Zustand der Verbindungselemente zwischen Drucklufterzeuger und -verbraucher. Bei falscher Abstimmung kommt es schnell zu Effektivitätsverlusten sowie zu erheblichen Mehrkosten. Weiterhin müssen Druckverluste, die in Schläuchen, Armaturen und Kupplungen sowie durch Undichtigkeiten entstehen, bei der Kompressorauslegung berücksichtigt werden. Nähere Hinweise zu den in Druckluftschläuchen auftretenden Druckverlusten werden im Abschnitt 8.6 gegeben. Tab. 5.4: Zusammenhang zwischen Fördervolumenstrom und Werkzeuganschluss (Quelle: Kaeser Kompressoren GmbH, Coburg) Fördervolumenstrom in l/min

Beispielhafte Anschlussmöglichkeiten (Betriebsüberdruck ca. 0,7 MPa)

1,5

– ein mittelgroßer Abbruchhammer – zwei Meißelhämmer

2,1

– zwei Aufbruchhämmer

2,4 ... 3,2

– drei Aufbruch- oder Bohrhämmer

3,75

– zwei 28-kg-Aufbruchhämmer

5,0

– Freistrahlgeräte – Aufbruch- und Bohrhämmer

5,6

– Freistrahlgeräte – vier schwere Aufbruch- oder Bohrhämmer

7,5

– Freistrahlgeräte

80

5 Erzeugung von Druckluft

Bild 5.5: Arbeitspunkt im Gesamtsystem Kompressor-Strahldüse [5-16]

5.4.2 Korrekturfaktor für Druckschwankungen Um den tatsächlichen Verbrauch an Druckluft abschätzen zu können, müssen einige Korrekturfaktoren berücksichtigt werden, die sich auf Druckschwankungen, Verschleiß und Maschinenausnutzungsgrad beziehen [5-17]. Bild 5.6 enthält entsprechende Richtwerte. Ein Korrekturfaktor von 1,05, der den Verschleiß an den Kompressoren berücksichtigt, sollte auch bei gut instand gehaltenen Geräten angesetzt werden.

5.4.3 Dimensionierung von Druckluftauslassventilen Der Innendurchmesser von Druckluftauslassventilen von Kompressoren sollte nicht kleiner sein als das 4fache des Düsendurchmessers [5-18]. Richtwerte enthält Tabelle 5.5.

5.4.4 Druckluftverbrauch durch Düsenverschleiß Weitere Verluste entstehen durch den Verschleiß von Anlagenteilen. Insbesondere die beim Verschleiß der Strahldüse auftretende Durchmesserzu-

5.5 Ökonomische Aspekte der Drucklufterzeugung und -verwendung

81

Bild 5.6: Korrekturfakturen für Druckschwankungen an Baustellenkompressoren [5-17|

Tab. 5.5: Beziehung zwischen Düsendurchmesser und Druckluftauslassventil [5-18] Düsendurchmesser in mm

Durchmesser Druckluftauslassventil in mm

5,0 6,5 8,0 9,5 11,0 12,5 16,0 19,0

19 25 32 38 50 50 64 76

nahme führt zu einem zusätzlichen Verbrauch von Druckluft, die vom Kompressor zur Verfügung gestellt werden muss. Wie Tabelle 5.6 illustriert, ist dieser Aufwand beträchtlich. Schon aus diesem Grund muss der Zustand der Strahldüse regelmäßig überwacht werden. Weitere Informationen hierzu finden sich im Abschnitt 8.6.4.

5.4.5 Förderstromverluste durch Undichtigkeiten Undichtigkeiten treten praktisch in jedem Druckluftsystem auf. Tabelle 5.7 enthält Beispiele für durch Undichtigkeiten hervorgerufene Förderstromver-

82

5 Erzeugung von Druckluft

Tab. 5.6: Luftverbrauch durch Düsenverschleiß [5-18] Nr.

Düsendurchmesser in mm

Zusätzlicher Luftverbrauch in %

1 2 3 4 5

6,5 (100%) 8,0 (123%) 9,5 (145%) 11,0 (169%) 12,5 (192%)

– 60% mehr als 1 38% mehr als 2 36% mehr als 3 33% mehr als 4

Tab. 5.7: Auswirkung von Undichtigkeiten [5-19], [5-20] Lochdurchmesser in mm

Förderstromverlust Ausgleichsleistung in m3/min (bei 0,7 MPa) des Kompressors in kW

Finanzieller Verlust in €/Jahr

1 3 5 10

0,075 0,7 1,8 7,0

240,– 2.480,– 6.600,– 26.400,–

0,4 4,0 10,8 43,0

luste. Die Gesamtverluste werden darin mit den in einem Loch bestimmten Durchmessers auftretenden Verlusten verglichen. Die zum Ausgleich der Verluste benötigte zusätzliche Kompressorleistung steigt mit dem Durchmesser der Undichtigkeit überproportional an: verdreifacht sich z.B. der Durchmesser der Undichtigkeit, muss die zum Ausgleich benötigte Kompressorleistung verzehnfacht werden.

5.5 Einfluss von Druckverlusten 5.5.1 Gesamtdruckverlust im System Druckverluste lassen sich in Druckluftsystem grundsätzlich nicht vermeiden. Generell gilt: bei hoher Kompressorleistung kann ein Gesamtdruckverlust zwischen Kompressor und Werkzeug von 0,3 bar toleriert werden. Bei höheren Druckverlusten sollte sofort die Ursache erkundet und beseitigt werden. Ein Druckverlust von 1 bar bedeutet zum Beispiel eine Reduzierung der verfügbaren Leistung um 20% [5-21].

5.5.2 Druckverluste in Schlauchkupplungen und Armaturen In Schlauchkupplungen auftretende Druckverluste entstehen durch Verwirbelungen an Kanten, die in die Leitungen hineinragen, wie zum Beispiel dicke Wandungen, ungenügend behandelte Innenflächen, vorstehende Dichtungen

83

Druckverlust in MPa

5.5 Einfluss von Druckverlusten

Bild 5.7: Druckverluste an einer Druckluft-Kupplung [5–21]

Tab. 5.8: Druckverluste in Armaturen [5-18] Armatur

Druckverlust in MPa

90°-Umlenkung 90°-T-Verteiler 45°-Umlenkung Rückflussventil

0,02 0,03 0,01 0,12

oder nicht exakt passende Kupplungsteile. Darüber hinaus hängt der Druckverlust in Kupplungen (ebenso wie in Schläuchen und Armaturen) vom geförderten Luftvolumenstrom ab. Diesen Zusammenhang zeigt Bild 5.7. In Armaturen lassen sich Druckverluste konstruktiv nicht verhindern. Tabelle 5.8 beinhaltet Beispiele für in Armaturen auftretende Druckverluste.

5.5.3 Druckverluste in Druckluftschläuchen Druckverluste entstehen ebenfalls zwangsläufig in Schläuchen. An der Innenwand der Schläuche bildet sich eine turbulente Grenzschicht, in der dem Luftstrom Energie durch Verwirbelungen entzogen wird. Die Druckverluste hän-

84

5 Erzeugung von Druckluft

Tab. 5.9: Empfohlene Innendurchmesser für Druckluft-Schläuche [5-21] Empohlener Schlauchdurchmesser in mm Förderstrom

Schlauchlänge in m

l/s

m3/min

10

20

50

80

100

50 80 120 180

2,8 4,8 7,1 9,5

2,54 2,54 3,8 3,8

2,54 3,8 3,8 3,8

3,8 5,1 5,1 5,1

3,8 5,1 5,1 5,1

3,8…5,1 5,1 5,1 5,1

gen insbesondere von der Strömungsgeschwindigkeit, dem Innendurchmesser des Schlauches, der Qualität der Schlauchinnenfläche und der Länge des Schlauches ab. Es gibt eine Reihe von Empfehlungen für die Schlauchdimensionierung, von denen einige in Tabelle 5.9 wiedergegeben sind. Im Zweifelsfall sollte immer der nächst größere verfügbare Standarddurchmesser gewählt werden.

5.6 Hinweise zur Wartung und Störungsbeseitigung an Baukompressoren Folgende Störungen können an Baukompressoren registriert werden [5-21]: ◆ Die Kompressordrehzahl erhöht sich und bleibt nach dem Abstellen der Maschine eine Zeitlang höher. Ursache: Der Kompressor ist unterdimensioniert. Ein größerer Kompressor muss eingesetzt werden. ◆ Der Schlauch am Kompressor wird ungewöhnlich heiß. Ursache: Der Schlauch ist unterdimensioniert. Ein größerer, an Länge und Förderstrom angepasster Durchmesser muss gewählt werden. ◆ Eisbildung am Auslass und/oder Schalldämpfer. Ursache: Das in der Druckluft enthaltene Kondensat ist gefroren. Ein Wasserabscheider muss eingebaut oder synthetische Schmierstoffe müssen zugegeben werden. ◆ Komplettausfall. Ursache: Zwischen Kompressor und Verbraucher hat sich Eis gebildet. Möglicherweise ist ein angebauter Wasserabscheider zu weit entfernt vom Kompressor. Der Wasserabscheider muss näher am Kompressor eingebaut werden.

5.8 Kosten

85

5.7 Arbeits- und Gesundheitsschutz Das Merkheft „Betonerhaltungs-, Bautenschutz-, Isolierarbeiten“ der Bauberufsgenossenschaften der Bauwirtschaft [5-22] empfiehlt im Zusammenhang mit der Drucklufterzeugung: ◆ Verdichter (Kompressor) außerhalb von Schadstoffquellen aufstellen, ◆ Ansaugfilter regelmäßig reinigen, ◆ Adeckklappen stets geschlossen halten, ◆ Duckluftkühler und Druckluftbehälter mit Wasserabscheider versehen, ◆ Kondenswasser am Druckluftbehälter regelmäßig ablassen.

5.8 Kosten Bild 5.8 verdeutlicht die Abhängigkeit zwischen Nennförderstrom und Investitionskosten für fahrbare Kompressoren mit Dieselantrieb.

Bild 5.8: Investitionskosten für einen fahrbaren Kompressor mit Dieselantrieb (StVZO), Betriebsüberdruck 0,7 MPa [5-23]

86

5 Erzeugung von Druckluft

5.9 Literatur [5-1] ENGELKE, P.: Druckluft – unentbehrlich für die Sanierung. Baumaschinendienst (1987) Nr. 9, S. 603–605. [5-2] Bedeutung der Druckluftaufbereitung in den Unternehmen. Produktion (1992) Nr. 39, 36–37. [5-3] Pneumatik-Kompendium, VDI-Verlag, Düsseldorf. [5-4] ROLLINS, J. P.: Compressed air and gas handbook. Compressed Air and Gas Institute, New York, 1973. [5-5] Unfallverhütungsvorschrift „Verdichter“, VBG 16. Steinbruchs-Berufsgenossenschaft Langenhagen, 2001. [5-6] CHARCHUT, W.: Druckluft-Handbuch. 2. erweiterte Auflage, Vulkan Verlag, Essen, 1979. [5-7] DIN ISO 1217: Verdrängerkompressoren – Abnahmeprüfungen. Ausgabe 09/96, Beuth-Verlag GmbH, Berlin, 1996. [5-8] Zusätzliche Technische Vertragsbedingungen und Richtlinien für Ingenieurbauten. Teil 3, Abschnitt 4: Schutz und Instandsetzung von Betonbauteilen. Verkehrsblatt-Verlag, Dortmund, 2003. [5-9] Richtlinie für Schutz und Instandsetzung von Betonbauteilen. Deutscher Ausschuß für Stahlbeton, Köln, Oktober 2001. [5-10] FIEBRICH, M.: Kunststoffbeschichtungen auf ständig durchfeuchtetem Beton. Deutscher Ausschuß für Stahlbeton, Heft 410, Beuth Verlag GmbH, Berlin-Köln, 1990. [5-11] WERNER, M.: Warum und wie ölfreie Druckluft? Bautenschutz+Bausanierung, 13. Jg. (1990) Nr. 5, S. 28–30. [5-12] Richtlinie für Schutz und Instandsetzung von Betonbauteilen. Deutscher Ausschuß für Stahlbeton. Köln, 1990. [5-13] Baukompressoren 2,0–5,5 m3/min, Werkzeuge und Zubehör. Firmenschrift Mannesmann-Demag Drucklufttechnik, Frankfurt/Main, 1993. [5-14] Fahrbare Kompressoren – Öleingespritzte Schraubenkompressoren. Firmenschrift Atlas Copco, 1998. [5-15] DIN EN 12021: Druckluft für Atemschutzgeräte, Ausgabe 05/98, Beuth-Verlag GmbH, Berlin, 1998. [5-16] UFERER, R.: Berechnung der Strahlleistung beim Druckluftstrahlen unter Berücksichtigung der Gerätetechnik. Seminarunterlagen „Strahlmittel und Strahlverfahrenstechnik“, Institut für Korrosionsschutz Dresden GmbH, Dresden, 1996. [5-17] TALLBERG, C. J.: Druckluftleitungen für Bergwerke und beim Hoch- und Tiefbau. Manual on Rock Blasting, Vol. II (ed. K.H. Fraenkel), Atlas Diesel AB, Stockholm, 1954, 10.3.4–10.3.17.

5.9 Literatur

87

[5-18] Blast Off 2: Guide to safe and efficient abrasive blasting. Clemco Industries Corp., 2nd Edition, Selbstverlag, Washington, 1994. [5-19] HIPP, A.: Druckluft bei Betonsanierung und Korrosionsschutz. Baumaschinendienst (1987) Nr. 1, S. 18–20. [5-20] FELDMANN, K. H.: Druckluftkosten durch weniger Blindleistung reduzieren. Process (1998) Nr. 11, S. 134–136. [5-21] Druckluft im Baubetrieb. Atlas-Copco GmbH, Selbstverlag, Essen, 1998. [5-22] Betonerhaltungs-, Bautenschutz-, Isolierarbeiten. Herausgeber: Arbeitsgemeinschaft der Bau-Berufsgenossenschaften, Frankfurt am Main, 1998. [5-23] Hornauer, K.-P.: Beispiele zum Stand der Strahlverfahrenstechnik im Korrosionsschutz. Seminarunterlagen „Strahlmittel und Strahlverfahrenstechnik“, Bundesverband Korrosionsschutz e.V., Köln, und Institut für Korrosionsschutz Dresden GmbH, Dresden, November 1996.

6 Untergrundvorbereitung mit Stemmwerkzeugen

6.1 Definition und Einordnung Das Stemmen ist in den TV Abbrucharbeiten [6-1] definiert als „Zerkleinern bzw. Lösen von einzelnen Bauteilen mittels eines Meißels. Der Vortrieb des Meißels erfolgt durch pneumatisch oder hydraulisch angetriebene Hämmer.“ Stemmwerkzeuge können aus Sicht des der Bearbeitung zugrunde liegenden Wirkmechanismus zu den mechanischen Bearbeitungsgeräten gezählt werden. Ein Werkzeug – in der Baupraxis sogenannte Einsteckwerkzeuge – greift mit einer definierten Energie EE (Einzelschlagenergie) und einer definierten Frequenz fE (Schlagzahl) an der Materialoberfläche an. Die dem Werkzeug zugeführte Primärenergie wird somit in mehrere Energiestöße zerlegt. Dieser Vorgang kann mit Beziehung (6.1) beschrieben werden. EE · fE EP = 93 hE

(6.1)

Die Energie EP kann dem Werkzeug über verschiedene Mechanismen zugeführt werden. Es werden handgeführte und maschinell geführte Werkzeuge unterschieden, die wiederum in pneumatisch, hydraulisch, elektrisch und chemisch (Verbrennungsmotore) angetriebene Stemmwerkzeuge untergliedert werden können. In den ZTV-ING [6-2] werden für die Untergrundvorbereitung pneumatische und elektrische Werkzeuge empfohlen.

6.2 Materialbeanspruchung und Abtragsmechanismus 6.2.1 Materialbeanspruchung Beim Aufschlag des Einsteckwerkzeuges wird ein definierter Energiebetrag in sehr kurzer Zeit in das Material übertragen. Aufgrund der kleinen Werkzeugabmessungen trägt dieser Vorgang einen lokalen Charakter. Wie auf Bild 6.1 dargestellt, werden unter diesen Bedingungen – lokale Beanspruchung durch ein scharfkantiges Werkzeug – während der Belastungsphase Radialrisse in der Kontaktzone des Materials erzeugt. Im Verlauf der darauf folgen-

6.2 Materialbeanspruchung und Abtragsmechanismus a

89

b

Bild 6.1: Risseintragung in spröde Werkstoffe. a Wirkung scharfer Werkzeuge [6-3]; b Rissbildung in Kalkstein [6-4]

den Entlastung (Werkzeughub) bilden sich zur Werkstoffoberfläche wachsende Lateralrisse, die schließlich zum Herausbrechen von Materialpartikeln führen. Dieser Vorgang wiederholt sich in Abhängigkeit von der Schlagfrequenz mehrere hundert Male in der Minute. Direkt unter dem Werkzeug bildet sich ein Feinkornbett aus erodiertem Material, das zu Dämpfungserscheinungen führt. Bei Beton als quasi-sprödem Material sind diese Vorgänge mit energiedissipativen Prozessen verbunden, insbesondere mit der Ausbildung eines Mikrorissnetzes. In diesem Zusammenhang muss berücksichtigt werden, dass der Aufschlag des Bearbeitungswerkzeuges ein dynamischer, d.h. zeitlich stark verkürzter, Vorgang ist. Definierte Energiebeträge werden von induzierten Wellen in das Material übertragen und leiten an exponierten Stellen – z.B. an Mikrorissen, Grenzflächen – Versagensvorgänge ein. Grundlegende Zusammenhänge sind u.a. in [6-5] und [6-6] beschrieben. Eine einfache Bedingung für die Zerstörung von quasi-spröden Werkstoffen, zu denen Beton gezählt werden kann, könnte die Überschreitung der Bruchenergie durch die vom Werkzeug aufgebrachte Energie sein. Wenn davon ausgegangen wird, dass in diesem Fall eine bestimmte Materialmenge MA aus dem Verbund gebrochen wird, ergibt sich die Abtragsleistung zu MA 7 = fE · MA . tE

(6.2)

Die Größe MA ist eine Funktion der Rissstruktur, d.h. der Länge und des Verlaufes der Bruchwege.

90

6 Untergrundvorbereitung mit Stemmwerkzeugen

6.2.2 Materialwiderstand Betone reagieren auf hohe Spannungs- oder Dehnraten mit einem modifizierten Verhalten, in der Regel mit einer Zunahme relevanter Festigkeits- bzw. bruchmechanischer Kennwerte [6-5, 6-7]. An Gesteinen konnte nachgewiesen werden, dass bei der Bearbeitung mit Stemmhämmern ein Zusammenhang zwischen der Bruchenergie der Materialien und dem Abtragsfortschritt besteht. Es ist auch nachgewiesen worden, dass die für den Abtrag von Gesteinen mit Stemmwerkzeugen benötigte spezifische Energie sowie die Eindringrate mit der Druckfestigkeit korrelieren [6-8]. Bild 6.2 zeigt jedoch, dass bei Beton die Schlagfestigkeit, die der hier aufgenommenen Beanspruchung eher entspricht, anders beurteilt werden muss als die Druckfestigkeit. Als Schlagfestigkeit kann „die Beanspruchbarkeit des Betons durch eine Vielzahl gleicher Schläge mit vorgegebener Energie verstanden werden. Sie kann durch die bis zur vollständigen Zerstörung ertragene Schlagzahl verstanden werden.“ [6-9]. GREEN [6-10] fand, dass die von Betonen bei Schlagbeanspruchung absorbierte Energie mit steigender Druckfestigkeit abnimmt und die Schlagfestigkeit zunimmt. Dieses Verhalten wird durch die verwendeten Zuschlage beeinflusst. Bei gleicher Druckfestigkeit führen größere Zuschläge und Zuschläge mit niedrigem Elastizitätsmodul und geringer Querdehnzahl generell zu höheren Schlagfestigkeiten ([6-9] und [6-10]).

Bild 6.2: Abhängigkeit der Druck-, Spaltzug- und Schlagfestigkeit von Beton und Wasserzementwert; zitiert in [6-9]

6.3 Bauarten von Stemmwerkzeugen

91

6.3 Bauarten von Stemmwerkzeugen 6.3.1 Druckluftbetriebene (pneumatische) Stemmwerkzeuge Handgehaltene druckluftbetriebene Stemmhämmer werden in Gewichtsklassen (physikalisch korrekt jedoch nach ihrer Masse) eingeteilt [6-11]: ◆ sehr leichte und leichte Abbauhämmer: ◆ leichte Abbauhämmer: ◆ mittelschwere Abbauhämmer: ◆ schwere Abbauhämmer (Aufbruchhämmer): ◆ überschwere (sehr schwere) Abbauhämmer:

3…5 kg, 5…8 kg, 8…12 kg, 12…25 kg, > 25 kg.

Maschinengeführte Druckluft-Meißelhämmer werden demgegenüber nach ihrer Schlagenergie beurteilt. Typische Werte liegen zwischen 0,75 kJ und 2,8 kJ. Der grundsätzliche Aufbau eines Druckluftstemmhammers für die Betonbearbeitung ist auf Bild 6.3 wiedergegeben. Druckluftbetriebene Schlagwerke wandeln die Arbeitsfähigkeit der gespannten Luft in Bewegungsenergie eines „freifliegenden“ Kolbens um. Dieser Vorgang ist auf Bild 6.4 schematisch dargestellt. Die Umwandlung der statischen Druckenergie in kinetische Bewegungsenergie kann durch die folgende Gleichung beschrieben werden. p mK · wK2 sK · 3 · DK2 · (p1 – p2) = 05 = EE 4 2 · hK

(6.3)

Der Wert EE ist die pro Kontakt auf den Kolben übertragene Einzelschlagenergie. Beziehung (6.3) verdeutlicht, dass für die Erzeugung hoher Energiewerte eine hohe Kolbengeschwindigkeit günstiger ist als eine große Kolbenmasse. Die Kolbenmasse, d.h. der Kolbendurchmesser, wird aus Gründen der Energieübertragung gewöhnlich nach dem Einsteckwerkzeug bemessen [6-12], weshalb eine Erhöhung der Geschwindigkeit eine Vergrößerung des Kolbenhubes erfordert. Die in diesem Zusammenhang auftretenden Steuerungsprobleme sind in [6-13] beschrieben. Da die Messung der Einzelschlagenergie mit Schwierigkeiten verbunden ist, wird dieser Parameter nur von wenigen Herstellern angegeben. Wenn der Kolben das Einsteckende des Werkzeuges trifft, verwandelt sich seine kinetische Energie in Stoßenergie, die durch das Werkzeug auf die Schneide und von dort in das bearbeitende Material übertragen wird. Dieser Vorgang wiederholt sich zyklisch, so dass das Regime der Beanspruchung neben der Amplitude (Einzelschlagenergie) auch durch die Frequenz, die als Schlagzahl bezeichnet wird, gekennzeichnet ist. Die Schlagzahl fE wird als der Reziprokwert der mittleren Periodendauer verstanden. Es besteht ebenfalls ein Zusammenhang zwischen der Schlagzahl und dem Kolbenhub, der sich wiederum auf den Druckluftverbrauch auswirkt.

92

6 Untergrundvorbereitung mit Stemmwerkzeugen

Bild 6.3: Aufbau eines Drucklufthammers (Quelle: Krupp Maschinentechnik GmbH, Essen)

Die im Einsteckwerkzeug und auf das bearbeitete Material wirkende Schlagleistung berechnet sich nach Gleichung (6.1) aus dem Produkt von Einzelschlagenergie und Schlagzahl. Dieser Zusammenhang ist auf Bild 6.5 dargestellt. Drucklufthämmer decken etwa den Leistungsbereich zwischen 0,2 kW und 2,5 kW ab. Es besteht ebenfalls ein Zusammenhang zwischen Betriebsüberdruck und Einzelschlagenergie. Die Wichtung der Leistungsanteile in Gleichung (6.1) kann durch einen definierten Punkt in Bild 6.5 verkörpert werden. Im Idealfall kann jedem Wertepaar eine Bearbeitungsaufgabe oder eine Materialgruppe zugeordnet werden. Nach derzeitigem Kenntnisstand können jedoch nur grundsätzliche Zusammenhänge dargestellt werden (Abschnitt 6.5).

6.3 Bauarten von Stemmwerkzeugen

a

93

b

Bild 6.4: Funktionsschema eines Drucklufthammers. a Stellung des Steuerventils bei Beginn des Aufwärtshubes. b Stellung des Steuerventils bei Beginn des Abwärtshubes (Quelle: Krupp Maschinentechnik GmbH, Essen)

Bild 6.5: Leistungsdiagramm von Stemmwerkzeugen. h – handgehalten, m – maschinell (Quellen: Atlas Copco, Frankfurt am Main; Duss Maschinenfabrik, Neubulach; Hilti Deutschland, Düsseldorf; Ingersoll Rand, Mülheim; Kühn [6-14]; Mannesmann Demag, Essen; Robert Bosch, Leinfelden)

94

6 Untergrundvorbereitung mit Stemmwerkzeugen

6.3.2 Hydraulisch betriebene Stemmwerkzeuge Hydraulikhandhämmer werden über ihre Masse (bzw. ihr Gewicht) definiert, die in der Regel zwischen 10 kg und 25 kg liegt. Maschinengeführte Hydraulik-Meißelhämmer werden nach ihrer Eingangsschlagenergie beurteilt. Typische Bereiche sind 0,25…1,0 kJ; 1,5…3,5 kJ; 4,5…11 kJ. Die Eingangsschlagenergie in kJ berechnet sich zu [6-15] · p ·Q EE = 93 . 10 · nE

(6.4)

· Hierbei sind Q der Ölförderstrom in l/min und p der Ölbetriebsüberdruck in bar. Die Ölförderströme liegen im Bereich von 10 l/min bis 300 l/min. Der Öldruck liegt zwischen 6 und 18 MPa. Das Antriebs-, Übertragungs- und Arbeitsregime hydraulischer Werkzeuge ist dem pneumatischer Werkzeuge vergleichbar (Bild 6.6). Ein durch unter Druck gesetztes Hydrauliköl beschleunigter Kolben schlägt auf den Kopf des Einsteckwerkzeuges. Die hydraulischen Antriebe kommen aufgrund der hohen Öldrücke mit wesentlich geringeren Kolbendurchmessern aus als vergleichbare Druckluftwerkzeuge. Durch die somit nahezu gleichen Durchmes-

Bild 6.6: Aufbau eines maschinellen Hydraulikhammers (Quelle: Atlas Copco, Essen)

6.3 Bauarten von Stemmwerkzeugen

95

Tab. 6.1: Technische Kennwerte hydraulischer Handhämmer [6-14] Kennwert

Gesamtmasse in kg Kolbenmasse in kg Kolbenhub in mm Einzelschlagenergie in J Schlagzahl in min–1 Betriebsüberdruck in bar Handgriff Abmaße Einsteckende in mm

Hammertyp BBH 10

BBH 18

BBH 31

BBH 36

10 0,78 14 45 1.800 60 Einfach 25 ¥ 108

18 0,91 14 60 1.800 80 Doppelt 25 ¥ 108

30 1,6 21 115 1.000 100…130 Doppelt 32 ¥ 160

36 2,0 21 130 1.000 100…130 Doppelt 32 ¥ 160

ser von Kolben und Einsteckwerkzeug wird eine optimale Übertragung der Schlagenergie gewährleistet. Moderne Hydraulikhämmer besitzen eine automatische Anpassung von Einzelschlagenergie und Schlagzahl an das abzutragende Material. Das Gerät setzt die Werkzeuge insbesondere bei festen Betonen mit zunächst geringen Energien an, um gesicherte Werkzeugpositionen zu ermöglichen. Die eigentliche Abtragsarbeit wird mit der vollen Einzelschlagenergie verrichtet [6-14]. Kleinere Geräte arbeiten mit Leerlaufschlägen. Grundsätzlich kann zwischen maschinengeführten Werkzeugen und Handwerkzeugen unterschieden werden. Die Leistungsbereiche beider Varianten sind auf Bild 6.5 dargestellt. Handgeführte Hydraulikhämmer sind relativ leise und unempfindlich gegen Frost. Sie lassen sich an jede Baumaschine anschließen, die über einen entsprechenden Hydraulikkreislauf verfügt. In Tabelle 6.1 sind ausgewählte Kenndaten hydraulischer Handwerkzeuge wiedergegeben. Die Palette der Einsteckwerkzeuge entspricht etwa der pneumatischer Hämmer (Bild 6.9b).

6.3.3 Elektrisch betriebene Stemmwerkzeuge Elektrisch betriebene Bearbeitungswerkzeuge kommen in der Regel zum Einsatz, wenn beengte räumliche Verhältnisse vorliegen, leichte Werkzeuge gefordert sind, oder Druckluft- bzw. Hydraulikantriebe nicht zur Verfügung stehen. Auch diese Werkzeuge werden nach ihrem Gewicht (bzw. korrekt nach ihrer Masse) beurteilt. Typische Werte liegen zwischen 6 kg und 25 kg. Der Grundaufbau eines elektrischen Stemmwerkzeuges ist auf Bild 6.7 dargestellt. Die Leistungsaufnahme der Werkzeuge liegt zwischen 1,0 kW und 2,0 kW und entspricht somit den Werten für Drucklufthämmer (Bild 6.5). Tabelle 6.2 enthält ausgewählte technische Kennwerte. Als Einsteckwerkzeuge können die auf Bild 6.9c wiedergegebenen Varianten genutzt werden.

96

6 Untergrundvorbereitung mit Stemmwerkzeugen

Bild 6.7: Aufbau eines elektrischen Stemmhammers (Quelle: Hilti Deutschland GmbH, Düsseldorf)

Tab. 6.2: Kennwerte elektrischer Handhämmer (Quelle: Robert Bosch GmbH, Leinfelden) Kennwert

Hammertyp GSH 5 CE

GSH 10 C

USH 10

USH 10

Nennleistung in W

950

1.450

1.100

1.100

Leistungsabgabe in W

560

850

720

800

Schlagzahl in

min–1

1.300 … 2.600

900 …1.890

1.370

1.550

Einzelschlagenergie in J Masse in kg

2…8 5,2

6 … 23 9,9

15 10,8

18 10,9

Anwendungen

Verputz Fliesen Durchbrüche

Meißelarbeiten Durchbrüche Verputz

Meißelarbeiten Durchbrüche

Viele elektrisch betriebene Schlaghämmer sind mit Stelleinrichtungen zur Anpassung der Einzelschlagleistung an die bearbeiteten Materialien ausgestattet.

6.3.4 Benzinbetriebene Stemmwerkzeuge Mit Benzin betriebene Stemmhämmer werden in dem Gewichtsbereich (bzw. korrekt in dem Massebereich) 10 bis 30 kg angeboten. Die Aufnahmeleistung der Antriebsmotore liegt zwischen 1,5 und 2,0 kW. Bei einem Kraftstoffverbrauch von etwa 1,5 l/h kann mit einer Tankfüllung eine Stunde gearbeitet werden. Auf Bild 6.8 ist der Aufbau eines kombinierten Bohr-Aufbrechgerätes dargestellt. Unter dem Aspekt der Arbeitsleistung können die Geräte durchaus mit Druckluft- und Hydraulikhämmern dieser Klasse verglichen werden. Die Werkzeuge sind handlich und von Versorgungsaggregaten (Generator, Kompressor, Baumaschine) unabhängig. Die Palette der Einsteckwerkzeuge ist nicht ganz so breit wie bei Drucklufthämmern, deckt jedoch wichtige Bereiche der Betonbearbeitung und Bauwerksinstandsetzung ab (Bild 6.9d).

6.3 Bauarten von Stemmwerkzeugen 97

Bild 6.8: Aufbau eines benzingetriebenen Bohr-/Aufbruchhammers (Quelle: Atlas Copco, Frankfurt am Main)

98 a

6 Untergrundvorbereitung mit Stemmwerkzeugen b

c

d

Bild 6.9: Einsteckwerkzeuge für Stemmhämme. a) pneumatisch (Quelle: Ingersoll-Rand, Mülheim); b) hydraulisch (Quelle: Atlas Copco, Frankfurt am Main); c) elektrisch (Quelle: Hilti Deutschland, Düsseldorf); d) Benzin (Quelle: Atlas Copco, Frankfurt am Main)

6.4 Einsteckwerkzeuge

99

Benzinbetriebene Stemmwerkzeuge können zum Aufbrechen von Belägen sowie zum Abstemmen, Spalten und Bohren von Beton eingesetzt werden.

6.4 Einsteckwerkzeuge 6.4.1 Konventionelle Einsteckwerkzeuge Die Einsteckwerkzeuge übertragen die kinetische Energie des aufschlagenden Kolbens auf das zu bearbeitende Material. An der Werkzeugspitze verteilt sich die Schlagenergie auf die Kontaktfläche, so dass über die Gestaltung der Spitze die Energieverteilung über den beanspruchten Materialquerschnitt beeinflusst werden kann. Grundsätzlich kann davon ausgegangen werden, dass harte, feste Werkstoffe wie Beton hohe Energiedichten, also kleine Kontaktflächen erfordern (Punktlast), während weniger widerstandsfähige Werkstoffe effektiver mit großen Kontaktflächen (Linienlast) bearbeitet werden können. Darüber hinaus spielt das Bearbeitungsziel eine wichtige Rolle bei der Werkzeugauswahl. Tiefenabträge und Durchbrüche erfordern andere Werkzeuggeometrien als leichte Aufrauarbeiten oder Arbeiten im Bewehrungsbereich. Grundsätzlich können die auf Bild 6.9 dargestellten Werkzeugformen unterschieden werden, wobei für die Bearbeitung von Beton in der Regel Meißel und Aufrauköpfe zum Einsatz gelangen. In Tabelle 6.3 sind die Anwendungsbereiche verschiedener Einsteckwerkzeuge zusammengestellt. Meißelwerkzeuge werden kommerziell in Längen bis

Tab. 6.3: Anwendungsbereiche von Einsteckwerkzeugen für Druckluft-Stemmhämmer (Quelle: Atlas Copco, Essen) Einsteckwerkzeug

Anwendungen

Spitzmeißel

Betonabbruch Öffnungen in Beton, Ziegeln usw. Lockergesteinabbau

Flachmeißel

Betonabbruch, wenn eine gerichtete Spaltwirkung erwünscht ist

Breitmeißel (60 mm)

leichter Asphaltaufbruch Aufbrechen leicht gefrorener Böden

Keilmeißel

schwerer Betonabbruch Aufbrechen gefrorener, steiniger Böden Lockergesteinabbau

Spatenmeißel

Graben

verstärkter Asphaltspaten

schwerer Asphaltaufbruch

Asphaltspaten

Asphaltaufbruch

Stampffuß

Verdichten nach Auffüllarbeiten

Aufraukopf (9 bzw. 16 Punkte)

Beton aufrauen

100

6 Untergrundvorbereitung mit Stemmwerkzeugen

zu 500 mm, seltener bis zu 1.000 mm geliefert. Moderne Einsteckwerkzeuge sind aus hochwertigen Stählen geschmiedet und an den Oberflächen behandelt (geglättet). Die Einsteckenden sind vorwiegend als Sechskant- oder Kreisquerschnitt ausgebildet. Die Werkzeuge – insbesondere der Zustand der Spitzen – sollten regelmäßig überprüft werden. Stumpfe Werkzeuge reduzieren die Arbeitsleistung, führen zu einer Erhöhung des Rückstoßes und somit auch zu gesteigerter Werkstoffermüdung.

6.4.2 Stockköpfe Ein für spezielle Aufgaben, insbesondere für das Reinigen und Aufrauen von Betonflächen konzipiertes Einsteckwerkzeug ist der Stockkopf, der gelegentlich auch als Aufraukrone bezeichnet wird (Bild 6.10). In der alten RILI des DAfStb wird dieses Werkzeug als Klopfmaschine bezeichnet, der entsprechende Vorgang als Klopfen [6-16]. Es handelt sich hierbei um auf einen Stahlrohling aufgelötete Hartmetallspitzen (Rundstifte oder Formplatten) mit verschiedenen Zahnungen. Die Arbeitsflächen der Stocker erreichen Werte bis zu 40 ¥ 40 mm2, bei größeren Flächen besteht Bruchgefahr. Für die Betonbearbeitung kommen Stockköpfe mit vergleichsweise grober Zahnung zum Einsatz; bezogen auf die o.g. Fläche ist das eine Anzahl von 4 … 16 Stiften. Bild 6.11 zeigt an zwei Beispielen den Zusammenhang zwischen Bearbeitungsaufgabe und Kopfgestaltung.

Bild 6.10: Stockgerät für senkrechte Bearbeitungsflächen (Foto: Bavaria Steinmetzwerkzeuge GmbH, Landsberg)

6.4 Einsteckwerkzeuge

101

Bild 6.11: Zusammenhang zwischen Arbeitsaufgabe und Stockkopfgeometrie (Fotos: Gölz Baugeräte GmbH, Hellental)

In der alten RILI des DAfStB wird das Klopfen zum Abtragen von geschädigtem Beton und zum Freilegen der Bewehrung empfohlen. Die Vorschrift warnt jedoch vor „Erschütterungen“ und „tieferen Schädigungen“ [6-16].

6.4.3 Stahlnadeln In die Gruppe der leichten Einsteckwerkzeuge können auch die Stahlnadeln von druckluftgetriebenen Nadelpistolen eingegliedert werden. Nadelpistolen sind Geräte, bei denen spezielle Werkzeuge (Nadeln) mit hohen Frequenzen gegen Werkstoffoberflächen geschleudert werden. Bauarten sind auf Bild 6.12 dargestellt.

Bild 6.12: Ausgewählte Nadelpistolentypen (Fotos: Balduf Oberflächentechnik GmbH, Pleidelsheim)

102

6 Untergrundvorbereitung mit Stemmwerkzeugen

Die Anwendung von Nadelpistolen wird sowohl in den ZTV-ING [6-2] als auch in der RILI des DAfStb [6-17] empfohlen, und zwar für die folgenden Anwendungen: ◆ Ausarbeiten örtlicher Fehlstellen, ◆ Entfernen der Reste von Beschichtungen und Nachbehandlungsfilmen sowie von oberflächigen Verunreinigungen, ◆ Entfernen von Rostprodukten an freiliegender Bewehrung und anderen Metallteilen (jedoch nicht für zu beschichtende Bewehrungen und andere Metallteile).

6.5 Anwendung von Stemmwerkzeugen 6.5.1 Grundsätzliche Anwendungen Die Anwendung von Stemmwerkzeugen ist nicht, wie oft fälschlich vorausgesetzt, auf schwere Abbrucharbeiten beschränkt. Die Werkzeuge eignen sich ebenso zum Entfernen von Beschichtungen, zum Aufrauen und zum Freilegen von Bewehrungsstählen. Die ZTV-ING empfehlen das Stemmen für „örtliche Anwendungen und für kleinere Flächen.“ [6-2] Die Richtlinie des DAfStb empfiehlt ebenfalls eine „örtliche Anwendung“ [6-17] sowohl in „Wannenlage“ (waagerechte Flächen) als auch bei „steilen bis senkrechten“ Flächen [6-16]. Stemmwerkzeuge können eingesetzt werden zum [6-2], [6-17]: ◆ Entfernen der Reste von Beschichtungen und Nachbehandlungsfilmen sowie von oberflächigen Verunreinigungen, ◆ Entfernen von Zementschlämmen und minderfesten Schichten, ◆ Abtragen von schadhaften Beton/Betonersatz sowie Freilegen von Bewehrung, sowie zum [6-17] ◆ Ausarbeiten örtlicher Fehlstellen.

6.5.2 Auswahlkriterien Die Auswahl von Stemmwerkzeugen ist ein Gebiet, auf dem ausschließlich empirisch vorgegangen wird. Es können daher auch nur grundlegende Zusammenhänge vermittelt werden. Da die Einzelschlagenergie von Stemmwerkzeugen oft nicht bekannt ist, werden handgehaltene Stemmhämmer in der Praxis nach dem Verhältnis von Schlagleistung zu Werkzeugmasse Ps R=6 mSt

(6.4)

6.5 Anwendung von Stemmwerkzeugen

103

beurteilt. Große Werkzeugmassen sind oft identisch mit hohen Einzelschlagenergien und nach Gleichung (6.1) mit entsprechend niedrigen Schlagzahlen. Zur Beurteilung der Schlagleistung im praktischen Einsatz gilt als Grundsatz: „Wenn das Lösen des Materials mehr als 30 Sekunden dauert, ist der Hammer zu schwach. Dauert die Arbeit aber weniger als 10 Sekunden, ist der Hammer zu schwer.“ [6-11]. Unter identischen Randbedingungen stehen, wie Bild 6.13 für hydraulische und elektrische Werkzeuge zeigt, Einzelschlagenergie und Abtragsvolumen in einem linearen Zusammenhang. · VA ~ EE

(6.5)

Hierbei ist jedoch zu berücksichtigen, dass neben der Effektivität auch die Beanspruchung der bewegten Teile und somit die Standzeit eines Stemmhammers durch die Kolbengeschwindigkeit beeinflusst werden. Der Kolbendurchmesser ist die indirekte Verkörperung von Werkzeuggröße und -masse und kann gleichfalls nicht beliebig erhöht werden. Grundsätzlich kann davon ausgegangen werden, dass schwer bearbeitbares Material (fester, widerstandsfähiger Beton, Beton mit groben Zuschlägen) hohe Energiewerte, also eine große Werkzeugmasse, erfordert. Die Schlagzahl ist in diesem Fall von untergeordneter Bedeutung. Vergleichsweise leicht zu bearbeitende Materialien (gelockerter oder gerissener Beton, Mörtel und Putze) lassen sich dagegen mit leichteren, dafür aber pro Zeiteinheit öfter eingreifenden Werkzeugen effektiver bearbeiten. Verschiedene maschinengeführte hydraulische Hammertypen verfügen über eine automatische Schlagregelung: Bei einem Material mit geringer Festigkeit wird die Anzahl der Schläge erhöht und die Energie des Einzelschlages reduziert, während bei besonders festes Material mit wenigen, dafür aber energiereicheren Schlägen bearbeitet wird [6-18]. Natürlich richtet sich die Auswahl eines Stemmwerkzeuges auch nach der Bearbeitungsaufgabe. So empfehlen sich schwere Hämmer für Tiefenabträge oder Durchbrüche sowie Arbeiten an waagerechten Flächen, während leichtere Werkzeuge für das Aufrauen von Betonflächen (Stocken) oder für Arbeiten im Bewehrungsbereich und an Einbauteilen (Nadelpistolen) zum Einsatz gelangen. Auch das räumliche Umfeld (senkrechte/waagerechte Flächen, Überkopfarbeiten, Platzangebot) übt einen erheblichen Einfluss auf die Wahl eines Stemmwerkzeuges aus. Werkzeugtyp und Anzahl der Werkzeuge werden weiterhin von den Kennwerten des im Einzelfall verfügbaren Baukompressores bestimmt.

104

6 Untergrundvorbereitung mit Stemmwerkzeugen

a

b

Bild 6.13: Zusammenhang zwischen Einzelschlagenergie und Abtragsvolumen bei Stemmwerkzeugen. a) elektrische Werkzeuge; b) hydraulische Werkzeuge

6.6 Traggrundqualität

105

6.5.3 Auswahl von Einsteckwerkzeugen Für die Auswahl der Einsteckwerkzeuge gelten grundsätzlich die gleichen Zusammenhänge zwischen Arbeitsaufgabe, bearbeitetem Material, Wichtung der Leistungsanteile und Werkzeugwahl. Bei weichem, lockerem Material sorgt ein Werkzeug mit großer Kontaktfläche (z.B. Breitmeißel, Stockkopf) für eine Verteilung der Schlagenergie, während bei harten Werkstoffen eine bessere Wirkung durch konzentrierte Energien (z.B. Spitzmeißel) erzeugt werden kann. Nach Wilson [6-19] kann die Oberflächenstruktur der bearbeiteten Flächen durch die Geometrie der Einsteckwerkzeuge beeinflusst werden.

6.6 Traggrundqualität 6.6.1 Rauheit Eine quantitative Bestimmung der Rauheit hängt von der Beurteilungsmethode ab. Silverbrand [6-20] und YASUMATSU [6-21] haben jedoch gezeigt, dass mechanische Stemmwerkzeuge grundsätzlich vergleichsweise raue Oberflächen mit großen Profilschwankungen erzeugen. Ein beispielhaftes Profil ist

Bild 6.14: Oberflächenprofil einer Betonfläche nach der Bearbeitung mit einem Stemmhammer [6-20]

106

6 Untergrundvorbereitung mit Stemmwerkzeugen

auf Bild 6.14 zu sehen. Hierbei spielen jedoch Typ und Größe der Werkzeuge eine wichtige Rolle. Pneumatische Hämmer erzeugen z.B. ein weitaus gröberes Profil als elektrisch betriebene Stemmhämmer – das Verhältnis der Profile beträgt etwa 4:1 [6-21].

6.6.2 Risseintrag Dorsch [6-22] beschreibt die Instandsetzung eines Turbinenfundamentes, bei dem der geschädigte Beton auf bis zu 610 mm Tiefe abgetragen werden musste. Nachdem zunächst mit 20 leichten Stemmhämmern gearbeitet worden war, ließ der Auftraggeber Bohrkerne auf Verbund prüfen und stellte ein Versagen der Kerne im Altbeton fest. Daraufhin wurden die gestemmten Flächen zunächst mit Druckwasser (Betriebsüberdruck: 14 MPa) nachbearbeitet. Als sich das Ergebnis dadurch nicht verbesserte, wurde der Auftrag komplett mit Hochdruck-Wasserstrahlen erledigt. Die Ergebnisse verschiedene Untersuchungen ([6-23] bis [6-27]) zeigen, dass bei der Anwendung von Stemmhämmern und Stockgeräten Schädigungen, insbesondere Rissbildungen, in der geschaffenen Betonoberfläche und in der Beton-Bewehrung-Zone nicht immer vermieden werden können (Bild 6.15). Auf diesen Sachverhalt weisen die RILI des DAfStb und die ZTVING ausdrücklich hin: „Gefahr der tiefergreifenden Zerstörung des Betons.“ [6-2], [6-17].

Bild 6.15: Dünnschliff-Foto einer mit Stemmhammer bearbeiteten Betonprobe (Foto: WOMA Apparatebau GmbH, Duisburg)

6.6 Traggrundqualität

107

6.6.3 Abreißfestigkeit Die Oberflächenzugfestigkeiten gestemmter Betonflächen sind vergleichsweise niedrig. SEMET [6-28] gibt an, dass sie lediglich 60… 75% der Werte für unbearbeitete Flächen annehmen. STRÖMDAHL [6-23] berichtet von Haftzugwerten von 0,5 MPa an Bohrkernen und stellte außerdem fest, dass zahlreiche Kerne bereits während des Ziehens und des Transportes versagten. HINDO [625] berichtet von Werten zwischen 0,48 MPa und 2,07 MPa für Epoxid-modifizierte Deckschichten. Fultz [6-29] gibt für Betonersatzsysteme Werte zwischen 1,9 MPa (Nadelpistole) und 2,8 MPa (Stemmhammer) an. Jedoch scheint es, dass – zumindest bei einem Verbund mit Spritzbeton – die mit Stemmwerkzeugen zu realisierende Verbundfestigkeit signifikant vom erzeugten Oberflächenprofil beeinflusst wird: je profilierter die Oberfläche, desto höher die Verbundfestigkeit [6-30]. Darüber hinaus hängen sowohl die Zugals auch die Scherfestigkeit in einer Verbundfuge zwischen einem mit Stemmhämmern erzeugten Traggrund und einem Betonersatzsystem sehr stark vom aufgebrachten Ersatzsystem ab [6-31], [6-32]. CLELAND et al. [6-31] ermittelten z.B. hohe Verbundfestigkeiten bei Epoxidmörteln (Scherfestigkeit bis 4,8 MPa; Zugfestigkeit bis 2,0 MPa) und niedrige Verbundfestigkeiten bei Zementmörteln (Scherfestigkeit bis 2,1 MPa; Zugfestigkeit bis 0,6 MPa). Nach der mechanischen Bearbeitung haftet in der Regel abgetragenes Feinstkorn an der erzeugten Oberfläche, das als Trennschicht wirken und den Verbund beeinträchtigen kann. In den Vorschriften werden daher auch Nachbearbeitungen empfohlen, in der Regel Strahlen, Kehren, Abblasen oder Absaugen [6-2], [6-17]. Insbesondere das nachträgliche Strahlen gestemmter Betonoberflächen mit festen Strahlmitteln führt zu einer deutlichen Erhöhung der Verbundfestigkeit, die auf einen Abtrag geschädigter oberflächennaher Zonen zurückzuführen ist. So kann z.B. die Abreißfestigkeit von einem nicht zulässigen Wert von 0,87 MPa (Stemmen ohne Nachbearbeitung) auf einen Wert von 1,81 MPa (Stemmen und nachträgliches Strahlen) gesteigert werden. Der Anteil von Adhäsionsbrüchen in der Fuge zwischen Trag- und aufgebrachtem Spritzbeton erhöht sich von 10% (Stemmen ohne Nachbearbeitung) auf 70% (Stemmen und nachträgliches Strahlen), was auf eine höhere Traggrundfestigkeit schließen lässt [6-30]. Die Anwendung von Stockwerkzeugen gewährleistet eine relative Erhöhung der Abreißfestigkeit um bis zu 20% [6-28].

6.6.4 Bewehrungszustand In der RILI des DAfStb und in den ZTV-ING wird besondere Vorsicht bei Arbeiten im Bewehrungsbereich gefordert, um eine Beschädigung von Bewehrungseisen oder Spanngliedern auszuschließen: „Beschädigungen des Betonstahls sind zu vermeiden; besondere Vorsicht bei Spanngliedern.“ [6-2]. In

108

6 Untergrundvorbereitung mit Stemmwerkzeugen

der EFNARC Rili für Spritzbeton wird gewarnt: „Wird der Beton durch Aufmeißeln entfernt, können die Bewehrungsstäbe, da sich nicht sichtbar sind, leicht beschädigt werden, so dass ihr Durchmesser verringert wird. Die Verwendung von Meißeln in der Nähe oder direkt über Bewehrungsstäben sollte deshalb nicht gestattet sein“. [6-33] WOLFSEHER und HESS [6-34] begutachteten Bohrkerne aus dem Bewehrungsbereich von mit elektrischen Stemmhämmern bearbeiteten Stahlbetonbauwerken. Sie stellten fest, dass keine Verbundstörung zwischen den Bewehrungsstäben und nicht freigelegter Zone auftritt, wenn die Bewehrung zu Beginn der Abtragsarbeiten klar erkennbar ist und mit der nötigen Vorsicht gearbeitet wird. Wenn die Bewehrung nicht erkennbar ist, treten markante Verbundstörungen auf in Form von Rissen. Außerdem kann eine Querschnittsverringerung der Bewehrungsstäbe verursacht werden.

6.7 Arbeits- und Gesundheitsschutz beim Einsatz von Stemmwerkzeugen 6.7.1 Grundsätzliche Verhaltensweisen Die Bau-Berufsgenossenschaft [6-35] macht im Zusammenhang mit dem Betrieb von Schlagbohr- und Stemmgeräten auf die folgenden Verhaltensweisen aufmerksam: ◆ möglichst nur rückstoßarme und schallgedämpfte Geräte verwenden, ◆ stumpfe Meißel oder abgebrochene Werkzeuge auswechseln, ◆ bewegliche Anschlussleitungen gegen mechanische Beschädigung schützen, ◆ Schlauchverbindungen (Kupplungen) bei Druckluftgerätem gegen unbeabsichtigtes Lösen sichern, ◆ vor dem Trennen der Verbindungen von Druckluftleitungen diese drucklos machen, ◆ immer einen sicheren Standplatz wählen, Stemmarbeiten nicht von Leitern oder Hubarbeitsbühnen ausführen, ◆ Zusatzgriffe benutzen, ◆ Gehörschutz verwenden, ◆ bei Gefährdung durch abspringende Teile Augenschutz tragen, ◆ verdeckte Leitungen vor dem Bohren mit Magnet- oder Leitungssuchgerät orten, ◆ Schalterarretierung nur bei Arbeiten mit Bohrgestellen betätigen, ◆ Gerät erst nach völligem Stillstand ablegen.

6.7.2 Lärm Beim Arbeiten mit Stemmhämmern treten vergleichsweise hohe Luftschalldruckpegel am Arbeitsplatz auf. Die alte RILI des DAStb weist auf die-

6.7 Arbeits- und Gesundheitsschutz beim Einsatz von Stemmwerkzeugen

109

Tab. 6.4: Schallpegelmessungen an elektrischen Meißelhämmern [6-36] Messstelle

Keller, Arbeitsstelle Keller, Wandrückseite Keller, entfernt Erdgeschoß 2. Stock 5. Stock 4. Stock 4. Stock, entfernt

Schalldruckpegel in dB(A) Leerlauf

Lastlauf

91 57 53 48 70 58 48 47

106 89 57 58 81 70 51 47

Tab. 6.5: Zulässige Schalleistungspegel für Abbau-, Aufbruch- und Spatenhämmer [3-37] Gewicht in kg

< 20 20–35 > 35 und Geräte mit Verbrennungsmotor

Zulässiger Schallpegel in dB(A) Schalleistungspegel

Schalldruckpegel

108 111 114

80 83 86

sen Umstand ausdrücklich hin [6-16]. Einige Ergebnisse von beim Einsatz von Stemmwerkzeugen gemessenen Luftschalldruckpegeln enthält Tabelle 6.4. Die Baumaschinenlärm-Verordnung [6-37] legt für handgehaltene Hämmer die in Tabelle 6.5 aufgelisteten Grenzwerte fest. Hersteller geben auch für schallgedämpfte Werkzeuge Werte von 108 dB(A) an, womit der zulässige Grenzwert des äquivalenten Dauerschalldruckpegels erheblich überschritten wird (Bilder 6.16 und 6.17). Die Hauptquellen des Luftschalles an pneumatischen Hämmern sind: Der Schlag des Kolbens auf das Einsteckwerkzeug, der Eingriff des Einsteckwerkzeuges, die Geräusche der Abluft, die den Hammer mit hoher Geschwindigkeit verlässt [6-38]. Wesentliche Zusammenhänge zwischen Werkzeugparametern und der Schallemission sind in [6-39] untersucht worden. Gehörschutzmaßnahmen sind beim Einsatz von Stemmwerkzeugen immer zu ergreifen: siehe hierzu Regeln für den Einsatz von Gehörschützern [6-40].

6.7.3 Körperschall Bild 6.18 zeigt Messungen des durch verschiedene Stemmwerkzeuge in einem Stahlbetonhochhaus hervorgerufenen Körperschalls. Der durch Stemmhämmer erzeugte beträchtliche Körperschall, der die subjektive Toleranzgrenze z.T.

110

6 Untergrundvorbereitung mit Stemmwerkzeugen

Bild 6.16: Schalldruckpegelmessungen an einem pneumatischen Stemmhammer [6-38]

deutlich überschreitet, verhindert oft die Anwendung der Technik an bewohnten oder bewirtschafteten Gebäuden, wie z.B. Hotels, Krankenhäuser oder Bürogebäude. Während die Weiterleitung von Luftschall in Gebäuden begrenzt ist, ist der von den bearbeiteten Bauteilen abgestrahlte Körperschall selbst in weiter vom Messort liegenden Räumen wahrzunehmen [6-36].

6.7.4 Mechanische Schwingungen Ein weiterer wesentlicher ergonomischer Aspekt beim Einsatz von Stemmwerkzeugen sind die Einwirkungen der erzeugten mechanischen Schwingungen auf den Menschen. Nach der VDI-Richtlinie 2057 [6-41] kann es „bei in die Hände eingeleiteten Schwingungen zu peripheren Durchblutungsstörungen, Nervenfunktionsstörungen und Veränderungen an Knochen, Gelenken und an der Muskulatur des Hand-Arm-Systems kommen“. Diese Gesundheitsbeeinträchtigung ist dosisabhängig, weshalb vorgeschriebene Einwirkzeiten (z.B. tägliche Expositionsdauer) nicht überschritten werden dürfen. Dieser Zusammenhang ist auf Bild 6.19 wiedergegeben. Verschiedene handelsübliche Stemmhämmer dürfen oft nur bis zu drei Stunden pro Tag von einer Arbeitskraft betrieben werden. Diese Relationen können zu Leerzeiten bis zu 30% führen [6-42].

6.7 Arbeits- und Gesundheitsschutz beim Einsatz von Stemmwerkzeugen

111

a

b

Bild 6.17: Schalldruckpegelmessungen an Stemmbaustellen (Quelle: BIA-Report 2/97). a) Abstemmen von losen Betonteilen an einer Betonfassade; b) Nadeln einer Waschbetonfassade eines Hochhauses; stemmen loser Teile mit Hammer und Meißel

112

6 Untergrundvorbereitung mit Stemmwerkzeugen

Bild 6.18: Körperschallmessungen an einem Stahlbeton-Hochhaus (Quelle: Kajima Institute, Tokyo)

Bild 6.19: Tägliche Expositionszeiten für das Bewertungskriterium „Gesundheit“ [6-41]. Werte basieren auf Herstellerangaben und auf Messungen [6-43]

6.8 Effektivität und Kosten

113

6.7.5 Staubemission Die alte Richtlinie des DAfStb weist darauf hin, dass beim Abstemmen von Beton Staub erzeugt wird [6-16]. Messungen an handgehaltenen Abtragshämmern ergaben Staubwerte zwischen 0,29 und 10,3 mg/m3 [6-43], die zum Teil über den in den BGR 217 spezifizierten Grenzwert von 6 mg/m3 [6-44] liegen. Gemessene Gehalte an Quarzstaub liegen zwischen 0,01 und 1,64 mg/m3 [643]; sie überschreiten z. T. den in [6-44] festgelegten Grenzwert von 0,15 mg/ m3. Unter Umständen sind daher besondere Maßnahmen zu Reduzierung des Staubes zu ergreifen. Es sind maschinengeführte Stemmhämmer auf dem Markt, die mit einer Hochdruck-Bewässerung ausgestattet sind. Zu dem Zweck wird über eine Hochdruckpumpe (5 MPa, 60 l/ min) Wasser durch ein Düsensystem gepumpt und dort zerstäubt. Der entstehende Wassernebel vermindert die Immission von Stäuben im Arbeitsbereich [6-45]. Das Merkheft „Betonerhaltungs-, Bautenschutz-, Isolierarbeiten“ der BauBerufsgenossenschaften [6-46] legt fest: „Bei Gefährdung durch gesundheitsgefährlichen Staub geeigneten Atemschutz tragen (Partikelfilter P2 oder P3).“ Hinweise für die Auswahl von Atemschutzgeräten finden sich in [6-44].

6.8 Effektivität und Kosten 6.8.1 Effektivität Die Effektivität der Betonbearbeitung mit Stemmwerkzeugen hängt u.a. von den folgenden Einflüssen ab: ◆ Hammergröße und Meißelform, ◆ Festigkeit des abzubrechenden Materials, ◆ Erfahrung des Betreibers, ◆ Größe und Lage der bearbeiteten Fläche, ◆ Lage und Dichte vorhandener Bewehrung. Mit handgeführten Drucklufthämmern können die in Tabelle 6.6 aufgeführten Abtragleistungen erreicht werden. Bild 6.20 verdeutlicht die Abtragleistungen maschinengeführter Hydraulikhämmer als Funktion der Einzelschlagenergie. Bild 6.21 zeigt den Zusammenhang zwischen Abtragstiefe und Flächenleistung.

6.8.2 Kosten Kostenkalkulationen müssen, wie bei allen Werkzeugen für die Betonbearbeitung, am konkreten Objekt vorgenommen werden. Bild 6.22 verdeutlicht die Kostenstrukturen von handgeführten und maschinellen Stemmwerkzeugen.

114

6 Untergrundvorbereitung mit Stemmwerkzeugen

Bild 6.20: Abtragsleitungen maschineller Hydraulikhämmer (basierend auf Herstellerangaben)

Bild 6.21: Zusammenhang zwischen Abtragstiefe und Volumenleistung beim Ersatz von DruckluftHämmern (Quelle: Arrow Hammer Comp., Ltd., Northumberland)

6.8 Effektivität und Kosten

115

Tab. 6.6: Abtragleistungen von handgeführten Drucklufthämmern [6–47] Abtragleistung in m3/h

Material

Stahlbeton (je nach Armierung) Unbewehrter Beton Mauerwerk

horizontal

vertikal

0,1 … 0,3 0,2 … 0,5 0,35 … 0,6

0,05 … 0,15 0,1 … 0,25 0,18 … 0,3

a

b

Bild 6.22: Kostenstruktur von Stemmwerkzeugen [6-47], a) handgeführt; b) maschinengeführt

Die Lohnkosten tragen in beiden Fällen entscheidend zu den entstehenden Gesamtkosten bei. Absolute Kosten zeigt Bild 6.23, in dem darüber hinaus die Einflüsse von Abtragleistung und Lage der bearbeiteten Fläche verdeutlicht sind. Bei Arbeiten an vertikalen Flächen erhöhen sich die Kosten um ca. 50%. Weitere Angaben zu Kosten enthält Tabelle 6.7. Tab. 6.7: Kosten für die Betonbearbeitung mit Stemmwerkzeugen [6-47] Material

Materialstärke Anbauhammer

Handhammer

Leistung in m3/h

Kosten in DM/m3

Leistung in m3/h

Kosten in DM/m3

0,05 … 0,2

350 … 1.300

1…3

70 … 00

Stahlbeton, < 0,6 m schwach bewehrt

0,1 … 0,3

250 … 1.000

1…4

70 … 170

Beton, unwewehrt

0,2 … 0,4

180 … 500

2…6

25 … 70

Stahlbeton, stark bewehrt

< 0,6 m

0,6 … 1,0 m

116

6 Untergrundvorbereitung mit Stemmwerkzeugen

Bild 6.23: Absolute Kosten für den Betonabtrag mit Stemmwerkzeugen [6-47]

Bei einer Einsatzdauer von ca. 150 Tagen pro Jahr hat sich ein Stemmwerkzeug amortisiert. In [6-48] wird darauf hingewiesen, dass sich beim Stemmen von Stahlbetonbrücken mit Druckluftwerkzeugen bei Bearbeitungsflächen kleiner 200 m2 die spezifischen Kosten mit abnehmender Fläche überproportional erhöhen; wird dieser Flächenwert überschritten, sind die Kosten von der Größe der Bearbeitungsfläche nahezu unabhängig. Hinweise zur Instandhaltung und Wartung druckluftgetriebener Stemmwerkzeuge finden sich in [6-49].

6.9 Literatur [6-1] [6-2]

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6.9 Literatur

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6 Untergrundvorbereitung mit Stemmwerkzeugen

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6.9 Literatur

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7 Untergrundvorbereitung mit Fräswerkzeugen

7.1 Definition und Einordnung Das Fräsen ist ein Verfahren der Fertigungstechnik und ist formal in der DIN 8580 [7-1] definiert. In den TV Abbrucharbeiten [7-2] ist das Fräsen definiert als „Abschälen von Mauerwerk, Beton, Stahlbeton und bituminösen Flächen durch rotierende Fräsmeißel.“ Aus der Sicht des der Beanspruchung zugrunde liegenden Wirkmechanismusses kann das Fräsen zu den mechanischen Bearbeitungsverfahren gezählt werden. In den ZTV-ING [7-3] werden Walzen-Fräsen für die großflächige Betonabtragung auf waagerechten Oberflächen empfohlen. Die Abtragtiefe darf dabei jedoch 5 mm pro Arbeitsgang nicht überschreiben, und die Überlappung der Fräsbahnen muss < 5 cm sein. In der alten RILI des DAfStb [7-4] wird das Fräsen den schlagenden Verfahren zugeordnet und als geeignet für den Betonabtrag auf Tiefen von 3 mm bis 8 mm befunden. Alle Vorschriften betonen darüber hinaus die Eignung zum Entfernen von Beschichtungen, Verschmutzungen und minderfesten Schichten [7-3 bis 7-5].

7.2 Materialbeanspruchung und Abtragsmechanismus 7.2.1 Materialbeanspruchung Das eingreifende „Werkzeug“ von Fräsgeräten sind die auf den rotierenden Wellen aufgesetzten Fräsräder bzw. die Einzelsegmente (Zähne, Körner) oder die Einzelmeißel. Bild 7.1 zeigt diesen Vorgang stark schematisiert. Eine Prozessbetrachtung kann anhand eines einzelnen Segmentes geführt werden. Das bearbeitete Material wird durch Radial- und Tangentialkräfte beansprucht. Nach PRIMS [7-6] können zwei Mechanismen des Materialabtragens unterschieden werden: ◆ Abrieb und Abbrechen von Spänen unter der Wirkung von Tangentialkräften. Dabei kommt es zu plastischen Verformungen am Auftreffpunkt. Dieser

7.2 Materialbeanspruchung und Abtragsmechanismus

121

Bild 7.1: Schematische Darstellung des Schnittablaufes beim Schneiden von Werkstoffen mit einem Einzelsegment [7-6]

Vorgang ist bei der Bearbeitung von elastischen und duktilen Werkstoffen von Bedeutung. ◆ Herausbrechen von Materialfragmenten durch hohe Normalkräfte mit abschließendem Abtrag der Bruchstücke. Dieser Mechanismus tritt bei spröden Werkstoffen in den Vordergrund. Wie SHAFTO [7-7] im Zusammenhang mit der Gesteinsbearbeitung beobachtet hat, besteht auch eine Beziehung zwischen der Bearbeitungsgeschwindigkeit und dem Abtraggeschehen (Bild 7.2). Bei hohen Geschwindigkeiten kommt es zu einem durch Erzeugung kleiner Verschleißpartikel gekennzeichneten Abrasionsverschleiß, während der Materialabtrag bei niedrigen Geschwindigkeiten durch das Herausbrechen grober spanförmiger Partikel gekennzeichet ist.

7.2.2 Materialwiderstand Das Verhalten von Betonen im Fall einer derartigen komplexen und dynamischen Beanspruchung ist bisher offenbar noch nicht systematisch erforscht worden. Es existieren allerdings Untersuchungen aus dem Bereich des Verkehrsbaues. Die dort zur Analyse von Verschleißerscheinungen an Betonbelägen angewandten Verfahren weisen Ähnlichkeiten mit dem Fräsprozess auf.

122

7 Untergrundvorbereitung mit Fräswerkzeugen

Bild 7.2: Spanbildungsmechanismus in Abhängigkeit von Werkzeugvorschub bei der Bearbeitung von Gestein [7-7]

In einer frühen Untersuchung stellte SCHMITH [7-8] einen Zusammenhang zwischen der Betondruckfestigkeit, der Zuschlagsorte und dem Verschleißwiderstand fest (Bild 7.3). Zu dem gleichen Ergebnis kam WOODS [7-9], der verschiedene Verfahren der Verschleißmessung verglich. PRIOR [7-10] betont demgegenüber, dass die Druckfestigkeit nur im Festigkeitsbereich bis ca. 35 MPa eine Aussage über das Verschleißverhalten zulässt. Ähnliche Tendenzen weisen Ergebnisse von DHIR et al. auf [7-11]. Sie konnten darüber hinaus nachweisen, dass Betone in einem bestimmten Bereich der maximalen Zuschlagstoffkorngröße sehr schwer bearbeitbar sind (Bild 7.4). Der Einfluss verschiedener Zuschläge auf den Abrasivverschleiß ist von DAHIR und MEIER [7-12] untersucht worden (Bild 7.5). Es scheint allerdings, dass der Einfluss der Zuschläge bei hohen Betonfestigkeiten an Bedeutung verliert. FERNANDEZ und MALHOTRA [7-13] wiesen nach, dass mit Hochofenschlacken versetzte Betone dem Verschleiß durch rotierende Werkzeuge einen geringen Widerstand entgegensetzen (Bild 7.6). Übereinstimmung besteht darin, dass der Wasserze-

7.2 Materialbeanspruchung und Abtragsmechanismus

123

Bild 7.3: Zusammenhang zwischen Druckfestigkeit und Verschleißwiderstand von Beton [7-8]

Bild 7.4: Zusammenhang zwischen Zuschlaggrößtkorn und Verschleißwiderstand von Beton [7-11]

124

7 Untergrundvorbereitung mit Fräswerkzeugen

Bild 7.5: Verschleißwiderstand verschiedener Betonzuschläge [7-12]

Bild 7.6: Einfluss von Schlackenzugabe auf den Verschleiß an Betonen [7-13]

7.2 Materialbeanspruchung und Abtragsmechanismus

125

mentwert den Verschleißwiderstand beeinflusst [7-11], [7-14], [7-15]. An Mörteln und Betonen konnte festgestellt werden, dass der Verschleiß mit steigendem Wasserzementwert deutlich zunimmt (Bild 7.6). Bruchmechanische Überlegungen zum Verhalten von Betonen bei Verschleißerscheinungen sind in [7-16] angestellt worden. Einige dem Fräsen vergleichbare Untersuchungen zum spanenden Abtrag von Gesteinen und Betonen sind von Kuhnert [7-17] beschrieben. Darin wird u.a. ein Zusammenhang zwischen der Spanstärke und der spezifischen Abtragsenergie festgestellt (Bild 7.7). Barthels [7-18], der Trennversuche an Betonen mit diamantbestückten Werkzeugen vornahm, fand, dass grobe Zuschläge die Bearbeitbarkeit erleichtern, da die Betonstruktur in diesem Falle zum Ausbrechen neigt. Er stellte auch fest, dass sich die Zuschlagstoffe nach ihrer Schneidbarkeit beurteilen lassen (Bild 7.8). MARTINEK und SPANG [7-19] unterscheiden Betone nach der Bearbeitbarkeit durch Fräs- und Abtragwerkzeuge in Betone besserer Güte (> C20/25) und Betone niedrigerer Güte (< C20/25). Der wirtschaftliche Einsatz einer Fräsmaschine ist nach ihren Aussagen im Allgemeinen auf Druckfestigkeiten unter 100 MPa und Spaltzugfestigkeiten von 10% der Druckfestigkeit begrenzt. Eine Begründung dieser recht weitläufigen Grenzen wird allerdings nicht gegeben. Tabelle 7.1 beinhaltet Empfehlungen für die Herstellung von Betonen mit hohem Widerstand gegen schleifende, rollende und schlagende Beanspruchung.

Bild 7.7: Spezifischer Energieaufwand beim spanenden Abtrag von Magerbeton [7-17]

126

7 Untergrundvorbereitung mit Fräswerkzeugen

Bild 7.8: Einfluss der Zuschläge auf die Bearbeitbarkeit von Beton [7-18]

Tab. 7.1: Empfehlungen für Betone mit hohem Verschleißwiderstand (Quelle: Bauberatung Zement, Köln) Beton- und Zuschlageigenschaften

Druckfestigkeit in MPa Biegezugfestigkeit in MPa Spaltzugfestigkeit in MPa E-Modul in GPa Zementgehalt in kg/m2 Wasserzementwert Zuschlag: Härte Zähigkeit Kornoberfläche Kornzusammensetzung Größtkorn in mm Sandanteil 0/4 mm in V-%

Beanspruchung schleifend

rollend

schlagend

>> 40 ≥ 5,5 – – ≥ 350 ≤ 0,45

>> 40 ≥ 5,5 – – ≥ 350 ≤ 0,45

≥ 45 – ≥ 3,5 30…35 ≥ 400 ≤ 0,45

++ + rau nahe A oder B/U 32 *

+ ++ rau nahe A oder B/U 32 *

– ++ rau stetig ≤ 32 > 47

– keine Forderung * abhängig von der Schichtdicke. + wichtige Eigenschaft ++ sehr wichtige Eigenschaft.

7.3 Komponenten der Frästechnik

127

7.3 Komponenten der Frästechnik 7.3.1 Grundaufbau Die Palette der Frästechnik ist sehr breit. Sie reicht von Handgeräten (Masse bis ca. 7,0 kg) bis zu maschinellen Aggregaten (Masse bis ca. 1.400 kg). Der Grundaufbau ist jedoch bei allen Varianten gleich. Die Geräte bestehen aus ◆ Walzenantrieb, ◆ Walzenkörper, ◆ Werkzeughalter, ◆ Werkzeug, ◆ Absaugung.

7.3.2 Walzenantrieb und -körper Der Walzenantrieb erfolgt entweder elektrisch, pneumatisch oder hydraulisch. Elektrische Antriebe finden sich in der Regel bei Handgeräten (Bild 7.9) in Größenordnungen von 1,0 kW und bei leichten Bodenfräsen mit Antriebsleistungen bis zu 8 kW. Beide Bauarten werden auch mit pneumatischen Antrieben – Druckluftmotoren (0,4 … 0,6 MPa) – im Leistungsbereich bis ca. 5,0 kW

Bild 7.9: Elektrisch betriebene Handfräse (Quelle: Hans Sauer GmbH, Hamburg)

128

7 Untergrundvorbereitung mit Fräswerkzeugen

Bild 7.10: Aufbau eines hydraulischen Walzenantriebes für schwere Fräsen (Quelle: Wirtgen GmbH, Windhagen)

angeboten. Gelegentlich finden sich beide Antriebsarten alternativ an einem Gerät. Hydraulische Walzenantriebe sind die Regel bei Straßenfräsgeräten und Kaltfräsen. Die Fräswalzen werden in diesen Fällen durch innenliegende Hydraulikmotoren (ohne Zwischengetriebe) angetrieben (Bild 7.10). Der Walzenkörper besteht aus den Teilen Werkzeughalter und Werkzeug. Ein Werkzeughalter für leichte Bodenfräsen ist beispielhaft auf Bild 7.11a dargestellt. Bild 7.11b zeigt dagegen einen Halter für schwere Straßenfräsen. Die Länge dieser Maschinenteile legt die maximale Bearbeitungsbreite der Fräsgeräte fest. Typische Werte sind 100…350 mm für leichte Fräsen und 500…

7.3 Komponenten der Frästechnik

129

a

b

Bild 7.11: Werkzeughalter für Fräsen: a) Leichte Bodenfräse (Quelle: Schwamborn Baumaschinen GmbH, Wangen), b) Schwere Fräse (Quelle: Wirtgen GmbH, Windhagen)

3.800 mm für schwere Aggregate. Beim Einsatz von Fräsmeißeln wird die Distanz von Meißelspitze zu Meißelspitze als Linienabstand bezeichnet. Standardfräsen haben einen Linienabstand von 15 mm. Als Feinfräsen werden Maschinen mit einem Linienabstand von 8 mm bezeichnet [7-20].

7.3.3 Hartmetallwerkzeuge Die eigentlichen Werkzeuge des Fräsens können sehr verschieden ausgebildet sein. Form und Gestaltung richten sich in der Regel nach der Arbeitsaufgabe und den zu bearbeitenden Materialien, aber auch nach der Fräsengröße. Die Werkzeuge werden entweder auf die Werkzeugträger aufgeschoben oder aufgesteckt. Im letzteren Fall sind auf den Walzenmänteln Segmente mit aufgeschweißten Werkzeughaltern aufgeschraubt. Typische Werkzeuge für leichte Bodenfräsen sind die auf Bild 7.12 dargestellten Fräsräder, die als Hartmetallscheiben, mit Metallstiften oder mit Wolf-

130

7 Untergrundvorbereitung mit Fräswerkzeugen

Bild 7.12: Zusammenhang zwischen Werkzeugform und Arbeitsaufgabe (Quellen: Balduf Oberflächentechnik, Pleidelsheim; Schwamborn Baumaschinen GmbH, Wangen; Gölz GmbH, Hellental)

ramkarbid-Einsätzen angeboten werden. Die Form der Werkzeuge richtet sich nach der Arbeitsaufgabe (Bild 7.12). Die Standardwerkzeuge für schwere Fräsgeräte sind Hartmetallwendeplatten und Rundschaftmeißel (Bild 7.13). Hartmetallplatten werden oft für das Fräsen von bituminösen Fahrbahndecken verwendet, während Rundschaftmeißel für das Aufrauen und Abfräsen von Betonen zum Einsatz kommen. Auf Bild 7.14 ist eine Zuordnung von Antriebsleistung, Arbeitsaufgabe und Meißelgeometrie vorgenommen. Bei Rundschaftmeißeln wird zwischen den Formen kegelig, die oft bei weicheren Untergrundmaterialien zum Einsatz kommen, und zylindrisch unterschieden [7-20]. Ein bedeutender Zusammenhang besteht zwischen der räumlichen Anordnung der Fräswerkzeuge auf den Walzen und der Arbeitsaufgabe. Bild 7.15 zeigt z.B., dass sich bei unterschiedlichen Werkzeugabständen (auch als Linienabstand bezeichnet) verschiedene Oberflächenstrukturen erzeugen lassen. Die Linienabstände bei schweren Fräsen liegen in den Größenordnungen von 7,5 mm (Feinfräswalzen), womit sich auch Farbmarkierungen abtragen lassen, bis 15 mm (Standardfräswalzen). Die Linienabstände leichter Bodenfräsen können durch das Einschieben von Distanzscheiben fast beliebig variiert werden (Bild 7.16). Tabelle 7.2 gibt einen Überblick über wesentliche Zusammenhänge zwischen Arbeitsaufgabe und Werkzeugauswahl.

7.3 Komponenten der Frästechnik

131

a

b

Bild 7.13: Standardwerkzeug für schwere Fräsgeräte (Quelle: Wirtgen GmbH, Windhagen): a) Hartmetall-Wendeplatten, b) Rundschaftmeißel

Anschlussleistung

Bild 7.14: Beziehungen zwischen Anriebsleistung, Arbeitsaufgabe und Meißelgeometrie für schwere Fräsen (Quelle: Wirtgen GmbH, Windhagen)

132

7 Untergrundvorbereitung mit Fräswerkzeugen

Bild 7.15: Zusammenhang zwischen Werkzeugabstand und Oberflächenstruktur (Quelle: Wirtgen GmbH, Windhagen)

Bild 7.16: Anpassung der Fräswalzenbestückung an verschiedenen Arbeitsaufgaben (Quelle: Gölz GmbH, Hellental)

7.3 Komponenten der Frästechnik

133

Tab. 7.2: Zusammenhänge zwischen Arbeitsaufgabe und Werkzeugauswahl Werkzeug

Anwendung

Fräsrad mit 5 oder 8 Hartmetalleinsätzen

Aufrauen und Fräsen von Betonflächen; Abtrag von Markierungen

Strahlrad aus gehärtetem Stahl

Abtrag von Farben, Verschmutzungen und Anbackungen von Betonflächen

Sternrad aus gehärtetem Stahl

Reinigen, Aufrauen, Fugenbearbeitung

Quadratrad aus gehärtetem Stahl

Abtrag spröder Beschichtungen; Profilieren

Schälscheibe mit Hartmetallklingen

Abtrag thermoplastischer Beschichtungen; Abtrag von Polyurethan-Beschichtungen

7.3.4 Diamantwerkzeuge Diamantwerkzeuge werden im Trocken- oder Nassschnittverfahren (WasserNennförderstrom > 10 l/min) eingesetzt. Sie bestehen aus einem Grundkörper und einem aufgearbeiteten Schneidbelag (Bild 7.17). Der meist segmentierte Schneidbelag enthält Diamantkörnungen in Metallbindung. Die Diamantsegmente wiederum bestehen meist aus Metallpulvern auf Kobaltbasis, die mit der Diamantkörnung vermischt und anschließend gesintert werden. Sie sind auf den Grundkörper aufgelötet oder mittels Laser- bzw. Elektronenstrahlen aufgeschweißt (Trockenschnittwerkzeuge). Die Bindung hält die Diamantkörner solange fest, bis sie verschlissen sind. Die Bindung selbst muss also während des Einsatzes abgebaut werden. Das geschieht durch Abrasion durch die erzeugten Schneidstäube. Die verwendeten Diamanten können in natürliche und synthetische Materialien unterteilt werden, wobei für die Betonbearbeitung fast ausschließlich synthetische Diamanten zur Anwendung kommen. Wichtige Beurteilungsparameter sind Korngröße und Kornkonzentration. Für die Betonbearbeitung werden bevorzugt Korngrößen im Bereich dK > 500 µm eingesetzt. Diese vergleichsweise groben Partikel gewährleisten hohe Abtragsleistungen. Die Diamantkonzentration, die in K angegeben wird (K100 = 4,4 Ct/cm3), liegt zwischen K20 und K30 [7-21]. Bei gleicher Korngröße führt eine Erhöhung der Konzentration zu geringeren Belastungen der Einzelkörner und damit zu längeren Standzeiten. Andererseits führt die insgesamt größere Gesamtoberfläche zu höheren Reibungskräften und erfordert vergleichsweise große Antriebsleistungen (als Richtwert: K20 bis K25 verlangt ca. 45 kW Antriebsleistung [7-22]). Andere wichtige Eigenschaften von Industriediamanten sind Härte, Zähigkeit und thermische Kennwerte. Die Hersteller von Diamantkörnungen bieten eine breite Palette an abgestimmten, aufgabenbezogenen Gemischen an (Bild 7.18). Für das Fräsen und Aufrauen von Betonflächen werden die Einzelblätter auf Wellen gespannt. Somit bestehen die gleichen Variationsmöglichkeiten

134

7 Untergrundvorbereitung mit Fräswerkzeugen

Bild 7.17: Grundaufbau eines Diamantwerkzeuges (Quelle: Diamant Boart Deutschland GmbH, Haan)

wie bei den Hartmetallwerkzeugen. Die Arbeitsbreite der Wellen kann bis zu 1.000 mm betragen, die Einzelblätter weisen Durchmesser bis zu 350 mm und Breiten von ca. 9 mm auf [7-22]. Bild 7.21 zeigt eine mit Diamantscheiben bestückte Fräswelle sowie das dazugehörige Abtragsbild am Beton. Anzahl und Abstand der Scheiben können auch bei Diamantwerkzeugen durch den Einsatz von Distanzstücken variiert werden.

7.3.5 Absaugung und Entsorgung Alle modernen Hand- und leichten Bodenfräsen können mit integrierter Staubabsaugung betrieben werden. Dabei handelt es sich in der Regel um Industriestaubsauger mit Anschlussleistungen bis 2,0 kW und Luftförderströmen zwischen 3 m3/min und 7 m3/min. Voraussetzung für ein staubfreies Arbeiten sind geschlossene und abgedichtete Fräskörper. Größere Diamantfräsgeräte sind mit einer Zusatzausrüstung zum Abführen des erzeugten Schleifschlammes ausgestattet. Das Fräsgut wird durch integrierte Abstreif- und Verladeeinrichtungen aufgenommen und abgeführt (Bild 7.19).

7.3 Komponenten der Frästechnik

135

Bild 7.18: Diamant-Gemische für die Betonbearbeitung (Quelle: De Beers Industrie-Diamanten Deutschland GmbH, Düsseldorf)

Bild 7.19: Aufnahme und Abführung des Fräsgutes bei schweren Fräsgeräten (Quelle: Wirtgen GmbH, Windhagen)

136

7 Untergrundvorbereitung mit Fräswerkzeugen

7.4 Anwendung von Fräswerkzeugen 7.4.1 Grundsätzliche Anwendungen Fräsen kommen in allen Bereichen der Betonuntergrundvorbereitung zum Einsatz. Die Anwendung reicht vom Entfernen von Beschichtungen bis zum Tiefenabtrag von Beton. Die bearbeiteten Flächen weisen Größen von wenigen m2 bis zu mehreren tausend m2 auf. Die ZTV-ING und die RILI des DAfStb [7-4] empfehlen das Fräsen für die folgenden Anwendungen: ◆ Entfernen von Resten von Beschichtungen und Nachbehandlingsfilmen sowie von oberflächigen Verunreinigungen, ◆ Entfernen von Zementschlämmen und minderfesten Schichten, ◆ Abtragen von schadhaftem Beton/Betonersatz sowie Freilegen der Bewehrung, ◆ großflächige Abtragung auf waagerechten Oberflächen. Die TV Abbrucharbeiten [7-2] geben als Einsatzgebiete an: ◆ Abschälen von Mauerwerk, Beton, Stahlbeton und bituminösen Flächen, ◆ Herstellen von Längs-, Quer- bzw. Diagonalrillen in Beton- und Asphaltflächen mittels Diamantwerkzeugen und Spezielmaschinen, ◆ Abschleifen von Unebenheiten in Beton- und Asphaltflächen, ohne die Struktur der Flächen zu zerstören. Einige grundsätzliche Probleme der Anwendung von Fräsmaschinen im Verkehrsbau sind von HELFRICH [7-23] diskutiert. Ein traditionelles Einsatzgebiet von Fräswerkzeugen ist das Aufrauen von Verkehrs- und Industrieflächen. Das Schneiden von Spurrillen wird seit Jahren erfolgreich durchgeführt [7-24 bis 7-26]. Bewehrungsstähle mit Durchmessern größer als 20 mm lassen sich in der Regel nicht fräsen. Bewehrungsstähle mit Durchmessern zwischen 10 und 20 mm werden beim Fräsen zerrissen bzw. abgeschlagen. Damit sind schwingungsfreie Abbrüche nicht möglich. Probleme treten beim Fräsen von Betonen auf, die Zuschläge mit Druckfestigkeiten über 80 MPa (Granit, Basalt, Marmor) enthalten: Es kann in diesen Fällen nicht schwingungsfrei gearbeitet werden [7-27].

7.4.2 Aufrauen und Textieren Das Aufrauen und Egalisieren von Industriefußböden ist ein Gebiet, auf dem gute Erfahrungen mit diamantbestückten Fräsgeräten gesammelt worden sind [7-28], [7-29]). Durch die außerordentliche Flexibilität der Werkzeuganordnung können nahezu beliebige Oberflächentexturen realisiert werden (Bild

7.4 Anwendungen von Fräswerkzeugen

137

7.16). Eine typische Werkzeuganordnung für das Aufrauen von betonierten Industriefußböden ist eine Folge von 160 … 195 Einzelscheiben pro Meter [7-28]. PRITSCHOW und GOTTLIEB [7-24] berichten von Blattabständen von 0,5 mm, womit sehr feine Oberflächenstrukturen erzeugt werden können. Die Toleranzen bei der Nivellierung von Betonflächen können bis auf ±3 mm auf 4 m Länge reduziert werden [7-24].

7.4.3 Dekontaminieren Handgeführte und maschinelle Bodenfräsen mit integrierter Absaugung sind bereits erfolgreich zur Dekontaminierung von Betonflächen eingesetzt worden (Bild 7.20). Ein ferngesteuertes maschinelles System kam bei der Entfernung von mit Pestiziden verunreinigten Betonschichten zum Einsatz. Der Beton musste auf einer Fläche von 930 m2 bis auf eine Tiefe von ca. 5 mm abgefräst werden. Im Verlauf der Arbeiten fielen 6 m3 Trockenstaub und abgetragenes Material an, das vor Ort abgesaugt und später entsorgt wurde [7-30]. Radioaktiv verseuchte Betonböden sind mit handgeführten, staubfrei arbeitenden Bodenfräsen abgetragen worden. Der entscheidende Vorteil bestand in diesem Fall bei der Vermeidung von Mischabfall, der bei der vorher praktizierten Dekontaminierung mit Beizen anfiel [7-31]. Über 200 m2 ölverschmutzter, 15 mm dicker Zementüberzug auf einem Industriefußboden sind mit Fräsen und, im Bereich von Stahlträgern und Ka-

Bild 7.20: Maschinelles Dekontaminieren mit Fräsen

138

7 Untergrundvorbereitung mit Fräswerkzeugen

belkanälen, mit Meißelhämmern abgetragen worden. Die Fläche musste im Vorfeld teilweise abgeflammt und das Öl mit speziellen Lösungsmitteln ausgeschwemmt werden. Der anfallende Schutt (ca. 10 Tonnen) wurde als Sondermüll entsorgt [7-32].

7.4.4 Abtragen Auch das Abtragen von Beton- und Asphaltschichten von Verkehrsflächen, wie Brückenfahrbahnen, Flugplätze, Straßenbeläge, gehört zu den Einsatzbereichen von Fräsmaschinen. Über typische Fälle berichten u.a. [7-24], [7-28} und [7-33]. Einige beispielhafte Prozesskennwerte für den Tiefenabtrag von Beton sind: Anschlussleistung 296 kW, Fräswellenlänge 960 mm, Frässcheibenabstand 3 mm [7-34]. Die Tabellen 7.3 und 7.4 geben einen Überblick über Bearbeitungsmöglichkeiten und -leistungen von Fräswerkzeugen. Ungewöhnliche Einsätze, z.B. das Abtragen von Tunnelauskleidungen mit Spezialfräsen, schildern Martinek und Spang [7-35]. Die Frästiefe kann stufenlos eingestellt werden. Bei kleineren Geräten beträgt sie ca. 4 mm/Übergang, während bei großen maschinellen Straßenfräsen Tiefen bis zu 300 mm/Übergang erreicht werden können. Bei der Bearbeitung von Straßenbeton im Rahmen von Instandsetzungsarbeiten ist allerdings ein Maximalwert von 5 mm/Übergang vorgeschrieben [7-3, 7-5]. Die alte RILI des DAfStb gibt je nach Betonfestigkeit und Geräteeinstellung Frästiefen zwischen 3 mm und 8 mm pro Übergang an [7-4]. Neigungswinkel und Nivellement können bei nahezu allen modernen Geräten automatisch eingestellt und überwacht werden (Bild 7.22). Der Einsatz elektronischer Nivellierungseinrichtungen wird in den ZTV-ING [7-3] und in der RILI des DAfStb [7-5] empfohlen. Tab. 7.3: Einsatzfälle und Effektivität des Betonfräsens [7-28], [7-29], [7-33], [7-35]. Weitere Angaben: Wirtgen GmbH, Windhagen Objekt

Fläche in m2

Aufgabe

Effektivität

Autobahn Betonbelag Betonbrücke Betonfahrbahn Brückensegment Bunkerturm Flughafen Papierfabrik Rollbahnen Rollbahnen Staubecken Textilfabrik Tunnelauskleidung Warenhaus

50.000 – – 46.000 3.700 1.000 m3 16.500 400 250.000 60.000 m3 42.000 1.000 – 10.000

Abtrag, Verschleißschicht Abtrag, 15 mm Nivellieren, bis 3 mm Nivellieren Tiefenabtrag Abbruch, Wanddicke: 1,2 m Abtrag, Asphalt + Binderschicht Aufrauen Abtrag, Asphalt 12…17 cm Bituminöser Belag Abtrag, Bitumen 4 cm Aufrauen Abtrag, Spritzbeton 20 cm Aufrauen, 0,6…1,2 mm

– 2,5 m/min 37 m2/h – 3 Tage 3…4 m3/h – – 35 m2/h 100 m3/h – – 2,5 m2/h 100 h

7.4 Anwendungen von Fräswerkzeugen

139

Tab. 7.4: Effektivität und Verschleiß beim maschinellen Fräsen von Beton (Boart Longyear, Burghaun, 1998) Aufgabe

Effektivität

Verschleiß

Abfräsen einer Betonschlitzwand Abfräsen von Spritzbetonüberständen Abtrag eines Luftschutzturmes Abtrag eines Stahlbetonbunkers

1–2 m3/h 30–40 m2/h 3–4 m3/h 4–6 m3/h

ca. 1 Stück/2 m3 1 Stück/50 m2 1 Stück/m3 1–2 Stück/m3

Bild 7.21: Mit Diamantscheiben besetzte Fräswelle für Beton und Struktur einer gefrästen Betonoberfläche (Quelle: Cedima GmbH, Celle)

140

7 Untergrundvorbereitung mit Fräswerkzeugen

Bild 7.22: Schematische Darstellung der Längs- und Quernivellierung an Straßenfräsmaschinen (Quelle: Wirtgen GmbH, Windhagen)

7.4.5 Verschleiß Fräswerkzeuge unterliegen intensivem abrasiven Verschleiß. Bild 7.23 zeigt grundsätzliche Zusammenhänge beim Verschleiß von Diamantsägeblättern. Einige Hinweise zur Verschleißminimierung von Diamantscheiben finden sich in [7-29]. Dort wird u.a. darauf hingewiesen, dass Werkzeuge am Walzenrand stärker verschleißen und daher regelmäßig gegen Scheiben aus der Walzenmitte ausgetauscht werden sollten.

7.4 Anwendungen von Fräswerkzeugen

141

Bild 7.23: Verschleiß von Diamantsägeblättern bei der Betonbearbeitung [7-36]

Alarmsignale für ein erforderliches Nachschärfen von Diamantblättern sind: ◆ Funkenflug (länger andauernd), ◆ Drehzahlabfall, unregelmäßige Drehzahl, ◆ unregelmäßiger Staubauswurf, ◆ Segmentoberfläche fühlt sich glatt an (kein Schneidstoffüberstand), ◆ Überhitzung der Segmente. Rundschaftmeißel unterliegen ebenfalls erheblichem Verschleiß. Die axial rotierenden Meißel werden an den Hartmetallspitzen abgenutzt, bis diese vollständig verschlissen sind und ersetzt werden müssen. Typische Verschleißwerte bei der Bearbeitung von schwach bewehrtem Beton liegen bei 0,01 bis 0,5 Rundschaftmeißeln pro m3 [7-37]; in extremen Fällen kann der Verschleiß auf 2 Meißel pro m3 Beton steigen (Tabelle 7.4). Die Intensität des Meißelverschleißes wird insbesondere von den folgenden Faktoren bestimmt [7-20]: ◆ Härte der zu fräsenden Schicht, ◆ Mineralstoffart (Zuschlagmaterial), ◆ Umgebungstemperatur (bei Asphalt oder Bitumen), ◆ Meißeltyp, ◆ Machinenvorschub.

142

7 Untergrundvorbereitung mit Fräswerkzeugen

7.5 Traggrundqualität 7.5.1 Risseintragung Untersuchungen an einem mittels Fräsen hergestellten Betontraggrundes haben SCHWARZ und BADZONG [7-38] vorgenommen. Die in Tabelle 7.5 wiedergegenen Ergebnisse zeigen eine Abhängigkeit der Traggrundqualität von den eingesetzten Fräsentypen. In allen Fällen konnten Rissbildungen festgestellt werden (Bild 7.24), insbesondere jedoch beim Einsatz von schwerem Gerät. In den Richtlinien wird beim Einsatz von Fräsen vor Erschütterungen gewarnt: „Bei größerem Abtrag (> 5 mm) ist eine tiefgehende Zerstörung möglich“ [7-3], [7-5].

7.5.2 Abreißfestigkeit SEMET [7-40] gibt an, dass die Abreißfestigkeit von Betonoberflächen durch das Fräsen auf 55 … 80% reduziert wird. Einen Wert von 80% geben auch RECHSTEINER et al. [7-39] an. Wie Tabelle 7.5 zeigt, trifft dies jedoch nicht im-

Bild 7.24: Anschliff einer mit schweren Fräsgerät bearbeiteten Betonprobe (Pfeil kennzeichnet Rissbildung) [7-39]

7.5 Traggrundqualität

143

Tab. 7.5: Traggrundqualität beim Fräsen von Beton [7-38] Nr.

Art der Bearbeitung

Rissbildung

Abreißfestigkeit in N/mm2 Mittelwert

Standardabweichung

Fräsen ohne Nachbearbeitung 1 Fräse schwer Leichte bis stärkere Riss(Frästiefe 15 mm) bildung bis ca. 2…3 mm Tiefe

2,8

0,7

2

Fräse schwer Schlagfräse leicht

Leichte bis stärkere Rissbildung bis ca. 1…2 mm Tiefe

1,6

0,2

3

Fräse schwer, schneller Fräsgang

Leichte bis stärkere Rissbildung bis ca. 2…3 mm Tiefe

1,9

0,8

4

Schlagfräse leicht (Tiefe 5 mm), 2 Durchgänge

Leichte Rissbildung bis ca. 1 mm Tiefe

2,2

0,8

Leichte bis stärkere Rissbildung bis ca. 1…2 mm Tiefe

2,2

0,8

Vereinzelte Rissbildung bis ca. 1 mm Tiefe

2,3

0,6

2,4

0,9

Fräsen mit Nachbearbeitung 5 wie 2, Hochdruckwasserstrahlen 6

wie 4, Hochdruckwasserstrahlen

7

wie 4, HochdruckVereinzelte Rissbildung bis wasser/Sand-Strahlen ca. 0,5 mm Tiefe

mer zu. Es kann auch im Falle des Fräsens vorkommen, dass eine bereits stark geschädigte Betonschicht komplett abgefräst wird und der entstehende Traggrund trotz „Fräsrisse“ eine hohe Abreißfestigkeit aufweist [7-41]. Messungen der Bruchenergie von gefrästen Grenzflächen von Alt- und Neubetonen ergaben eine Reduzierung der Bruchenergie auf ca. 67% gegenüber der Bruchenergie unbehandelter Vergleichsflächen [7-42]. In den maßgebenden Vorschriften zur Bauwerksinstandsetzung wird eine Nachbearbeitung gefräster Betonflächen mit Strahlverfahren empfohlen. Die ZTV-ING und die RILI des DAfStb nennen etwas allgemein das Strahlen als Nachbearbeitungsverfahren; die alte RILI des DAfStb [7-4] empfiehlt Strahlen, Kehren, Abblasen oder Absaugen. Tabelle 7.5 enthält Festigkeitswerte von Betonoberflächen, die mit Fräsen und anschließendem Wasserstrahlen bearbeitet worden sind. Allerdings darf nicht angenommen werden, dass ein nachträgliches Strahlen gefräster Betonflächen einen Traggrund erzeugt, der mit einem durch Strahlen mit festen Strahlmitteln erzeugten Traggrund verglichen werden kann. Es ist an mit Portlandzementbetonen instand gesetzten Straßenbelag nachgewiesen, dass ein nachträgliches Strahlen zwar die Haftzugfestigkeit verbessert, die Haftzugfestigkeit einer gestrahlten Tragfläche jedoch nicht erreicht werden kann [7-43].

144

7 Untergrundvorbereitung mit Fräswerkzeugen

Bild 7.25: Gelockerte und verbogene Bewehrungselemente nach Fräsbearbeitung (Quelle: Aquajet A. B., Holsbybrunn, Schweden)

7.5.3 Bewehrungszustand Obgleich das Fräsen in den Vorschriften zum Freilegen der Bewehrung empfohlen wird, ist äußerste Vorsicht geraten. Die alte RILI des DAfStb warnt: „Scharfes Werkzeug“ [7-4]. Die TA Abbrucharbeiten weisen darauf hin, dass „die Frästiefe bei Beton … nur bis zu einer eventuell vorhandenen Bewehrung möglich“ ist [7-2]. Arbeiten an der Bewehrung selbst sind daher nicht zu empfehlen. Die RILI des DAfStb schreibt, dass das Fräsen nicht zum Freilegen der Bewehrung geeignet ist [7-5]. Bild 7.25 verdeutlicht, dass beim Fräsen von schlanken Stahlbetonelementen die Bewehrung verborgen und u.U. gelockert werden kann.

7.6 Arbeits- und Gesundheitsschutz beim Fräsen 7.6.1 Lärm Die Konstruktionen moderner Fräsmaschinen sowie die Kapselung der Aggregate gewährleisten eine Reduzierung des beim Einsatz emittierten Luftschalls. Der Schallpegel mittelgroßer Fräsgeräte liegt bei 90 … 93 dB(A) [7-28] und erfordert daher das Tragen persönlicher Gehörschutzmittel. WOLTER [7-27] gibt an, dass der an den Fräswerkzeugen selbst gemessene Luftschall Werte erreicht, die um 20 dB unter denen von hydraulischen Felsbrechern und Meißeln, sowie um ca. 30 dB unter denen pneumatischer Felsbrecher liegen.

7.6 Arbeits- und Gesundheitsschutz beim Fräsen

145

Bild 7.26: Schwingungsmessungen beim Fräsen von Stahlbetonkonstruktionen [7-27]

7.6.2 Mechanische Schwingungen Schwingungsmessungen an mit Meißeln bearbeiteten Bauteilen ergaben die in Bild 7.26 aufgetragenen Werte, die z.T. über dem Grenzwert für denkmalgeschützte Gebäude liegen. Allerdings lassen die geringen Schwinggeschwindigkeiten an benachbarten Gebäuden trotzdem eine Beurteilung schwingungsarmer Abbruch zu [7-27].

7.6.3 Staubemission Tabelle 7.6 enthält Ergebnisse von Staubmessungen. Fräsen und Schleifwerkzeuge ohne zusätzliche Einrichtungen zum Binden und Abführen von StäuTab. 7.6: Ergebnisse von Staubmessungen während der Betonbearbeitung mit verschiedenen Fräswerkzeugen Gerät

Staub in mg/m3

Quarzstaub in mg/m3

Quelle

Handschleifer Elektrischer Handschleifer mit Absaugung Handfräse Feuchtfräse Fräse mit Vakuumabsaugung

0,34–81 0,55–1,2 0,17–9,8 0,04 0,54

0,02–7,1 0,036–0,13 0,008–0,27 0,02 0,05

[7-45] [7-46] [7-47] [7-47] [7-47]

146

7 Untergrundvorbereitung mit Fräswerkzeugen

ben können Stäube, und insbesondere Quarzstäube, in unzulässigen Konzentrationen erzeugen. Handgeführte Fräswerkzeuge sind jedoch in aller Regel gekapselt und oft auch mit integrierten Absaug- und Filtersystemen ausgestattet. Bei schweren Fräsaggregaten ist das Besprühen der Walzenkörper mit Druckwasser möglich, womit die Staubemission reduziert, aber nicht gänzlich unterdrückt werden kann.

7.7 Entsorgung Probleme können bei der Ableitung des die Fräswerkzeuge kühlenden Wassers entstehen, das sowohl Schleifschlamm aufnehmen als auch gelöste Schadstoffe enthalten kann. Einen kritischen Fall schildert Tabelle 7.7; aus den Werten geht hervor, dass die zulässigen Grenzwerte deutlich überschritten werden und eine sichere Ableitung und Aufbereitung der Suspension erforderlich sind. In diesem speziellen Fall enthielten die im abgefrästen Beton verwendeten Zuschläge einen hohen Anteil an Kupferschlacke – die Baustelle wurde von den lokalen Behörden solange geschlossen, bis die Auftragnehmer ein Entsorgungskonzept vorgelegt hatten [7-44].

7.8 Effektivität und Kosten 7.8.1 Effektivität Die Effektivität und spezifischen Abtragsenergien von Fräswerkzeugen schwanken aufgrund der weiten Anschlussbereiche und der Vielfalt der Anwendungen Tab. 7.7: Analyse einer während des Fräsens einer Betonfahrbahn angefallenden Suspension [7-44]. Kennwert

pH-Wert Feststoffanteil Kupfer Arsen Barium Chrom Blei Silber Quecksilber

Konzentration in mg/kg (außer pH-Wert) gemessen

zulässiger Grenzwert

12,6 > 50 1.558 84,6 433 132 319 1,1 0,18

7–9 45 9,1 0,82 8,1 4,0 5,0 3,1 0,03

7.8 Effektivität und Kosten

147

Bild 7.27: Zusammenhang zwischen Betondruckfestigkeit und Effektivität (Quelle: Boart Longyear, Burghausen)

stark. Einige Anhaltswerte für maschinelle Fräsen enthalten die Tabellen 7.3 und 7.4. Die Effektivität maschineller Fräsen wird, wie Bild 7.27 verdeutlicht, von der Druckfestigkeit der bearbeiteten Betone beeinflusst. Für den Abtrag von Epoxid- und Polyurethanbeschichtungen mit staubfrei arbeitenden handgeführten Bodenfräsen können Abtragsleistungen von ca. 100 m2/h angesetzt werden [7-48]. Für druckluftgetriebene, mechanisch geführte Wandfräsen liegen die Abtragsraten beim Abfräsen von Beton in Abhängigkeit von Betonfestigkeit und Zuschlageigenschaften zwischen 2 und 8 m2/h. Als typischen Wert für den spezifischen Energiebedarf beim Abfräsen dicker Bitumbeschichtungen (4 cm) gibt MANTEL [7-49] eine Größe von ca. 25 MJ/m2 an. Die Effektivität von Fräsen ist oft vom räumlichen Umfeld abhängig. Daher wird die theoretisch mögliche Fräsleistung oft mit einem Abschlagfaktor versehen: PN = PG · AF .

(7.1)

Der Abschlagfaktor AF liegt für das Fräsen im Stadtbereich zwischen 0,4 und 0,5; für das Fräsen auf freier Strecke nimmt er Werte zwischen 0,5 und 0,7 an [7-20].

148

7 Untergrundvorbereitung mit Fräswerkzeugen

7.8.2 Kosten Tabelle 7.8 enthält typische Kosten für das maschinelle Fräsen von Beton. Die Kosten werden entscheidend von der Dichte und Geometrie der Bewehrung beeinflusst. Auf Bild 7.28 ist der Einfluss der Betondruckfestigkeit auf die Fräskosten dargestellt. Es gelten darüber hinaus die folgenden grundsätzlichen Zusammenhänge [7-27]: ◆ je größer die Fräse, desto geringer die spezifischen Kosten, ◆ je größer das Basisgerät, desto geringer die spezifischen Kosten, ◆ je höher die Druckfestigkeit des Betons, desto höher die spezifischen Kosten (vgl. Bild 7.28), ◆ je höher die Druckfestigkeit des Zuschlags, desto höher die spezifischen Kosten, ◆ je höher der Quarzgehalt des zu fräsenden Werkstoffes, desto höher der Preis, ◆ je größer der Bewehrungsanteil im Beton, desto höher die spezifischen Kosten (vgl. Tabelle 7.8). In [7-50] wird darauf hingewiesen, dass sich beim maschinellen Fräsen von Stahlbetonbrücken mit Bearbeitungsflächen kleiner 500 m2 die spezifischen Kosten mit abnehmender Fläche überproportional erhöhen; wird dieser Flächenwert überschritten, sind die Kosten von der Größe der Bearbeitungsfläche nahezu unabhängig.

Bild 7.28: Einfluss der Betondruckfestigkeit auf die Fräskosten [7-27]

7.9 Literatur

149

Tab. 7.8: Zusatzkosten beim Fräsen von bewehrten Betonen [7-27] Fräsentyp

Zulagen in DM/m3 Stahlanteil in kg/m3

BF 300 BF 600 BF 1000 BF 2000 BF 4000

0…30

30…60

60…90

90…120

120…150

150…200

80 60 40 30 0

160 120 80 60 30

– 180 120 120 60

– – 160 150 120

– – 200 180 160

– – – 220 200

Im Leitfaden für Fräsarbeiten [7-20] finden sich Kalkulationsbeispiele für Arbeiten mit Kaltfräsen.

7.9 Literatur [7-1] DIN 8580: Fertigungsverfahren – Begriffe, Einteilung. Ausgabe 1985-07, Beuth-Verlag GmbH, Berlin. [7-2] Technische Vorschriften für Abbrucharbeiten. Deutscher Abbruchverband e.V., Düsseldorf, 1997. [7-3] ZTV-ING: Zusätzliche Technische Vertragsbedingungen und Richtlinien für Ingenieurbauten. Teil 3, Abschnitt 4: Schutz und Instandsetzung von Betonbauteilen. Verkehrsblatt-Verlag, Dortmund, 2003. [7-4] Richtlinie für Schutz und Instandsetzung von Betonbauteilen. Deutscher Ausschuss für Stahlbeton, Köln, 1990. [7-5] Richtlinie für Schutz und Instandsetzung von Betonbauteilen. Deutscher Ausschuss für Stahlbeton, Köln, 2001. [7-6] PRIMS, J. F.: Wechselwirkung zwischen Diamanten und Werkstückstoffen im Einkornversuch. Diamant-Information M 24, De Beers International Diamond Division, 1976. [7-7] SHAFTO, G. R.: Syndrill*PKD-Bohranwendungen heute und morgen. Diamant-Information M42, De Beers Industrie-Diamanten, Düsseldorf, 1986, S. 2–10. [7-8] SCHMITH, F. L.: Effect of aggregate quality on resistance of concrete to abrasion. ASTM STP No. 205, ASTM, Philadelphia, 1958, S. 91–105. [7-9] WOODS, H.: Durablity of Concrete Constructions. American Concrete Institute, Detroit, 1968. [7-10] PRIOR, M. E.: Abrasion resistance. ASTM STP No. 169-A, ASTM, Philadelphia, 1966, S. 247–260.

150

7 Untergrundvorbereitung mit Fräswerkzeugen

[7-11] DHIR, R. K.; HEWLETT, P. C.; CHAN, Y. N.: Near-surface characteristics of concrete: abrasion resistance. Materials and Structures, 24 (1991), S. 122–128. [7-12] DAHIR, S. H.; MEYER, W. E.: Wear resistance and friction properties of pavement surfaces. In: GLAESER, W. A. et al. (eds.): Wear of Materials, ASME, New York, 1977, S. 420–426. [7-13] FERNANDEZ, L.; MALHOTRA, V. M.: Mechanical properties, abrasion resistance, and chloride permeability of concrete incorporating blast-furnace slag. Cement, Concrete and Aggregates, 12 (1990) No. 2, S. 87–100. [7-14] GHAFOORI, N.; SUKANDER, B. M.: Abrasion resistance of concrete block pavers. ACI Materials Journal, 92 (1995) No. 1, S. 25–36. [7-15] FWA, T. F., LOW, W.: Laboratory evaluation of wet and dry abrasion resistance of cement mortar. Cement, Concrete and Aggregates, 12 (1990), No. 2, S. 101–106. [7-16] ZHANG, X. H.; HUANG, Y.: Fundamental study on the abrasive behaviour of concrete. In: WITTMANN, F. H. (ed.): Facture Toughness and Fracture Energy of Concrete, Elsevier Sci. Publ., Amsterdam, 1986, S. 561–564. [7-17] KUHNERT, G.: Alternative Löse- und Abförderkonzepte bei der Herstellung tiefer Erdschlitze. Mitteilungen Inst. für Maschinenbau der Bergakademie Freiberg, (1992) Nr. 1, S. 39–48. [7-18] BARTHELS, W.: Einfluss der Zuschlagstoffe beim Trennen von Beton. Fortschrittliche Werkzeugtechnologie 2000/3/93, De Beers Industrie-Diamanten GmbH, Düsseldorf, 1993, S. 15-20. [7-19] MARTINEK, K., SPANG, J.: Flächiges Abtragen von Mauerwerk und Beton der Leibungen von Eisenbahntunneln und anderen Bauwerken, Teil 1. Baumaschinentechnik, (1991) Nr. 6, S. 257–263. [7-20] Leitfaden für Fräsarbeiten. Verband der Straßenfräsunternehmungen e.V., Dinslaken, 1997. [7-21] JUCHEM, H. O., WRIGHT, D. N.: Einsatz von Diamantkörnungen bei der Bearbeitung von Bauwerkstoffen. Fortschrittliche Werkzeugtechnologie 2000/3/93, De Beers Industrie-Diamanten GmbH, Düsseldorf, 1993, S. 3–7. [7-22] JUCHEM, H. O., WILSON, S. M.: Diamantschleißstoffe im Straßenbau. Fortschrittliche Werkzeugtechnologie 2000/3/93, De Beers Industrie-Diamanten GmbH, Düsseldorf, 1993, S. 3–7. [7-23] HELFRICH, H.: Fräsen von Straßenbefestigungen. s+t, 43 (1989) Nr. 10, S. 35–36. [7-24] PRITSCHOW, U., GOTTLIEB, K.: Diamantwerkzeuge im Straßen- und Flughafenbau. IDR, 17 (1983) Nr. 1, S.22–26. [7-25] KOTTE, G.: Instandsetzen von Verkehrsflächen mit Deckenfräsen. s+t, 34 (1989) Nr. 6, S. 11–12.

7.9 Literatur

151

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152

7 Untergrundvorbereitung mit Fräswerkzeugen

[7-43] WARNER, J., BHUYAN, S., SMOAK, W. G., HINDO, K. R., SPRINKEL, M. M.: Surface preparation for overlays. Concrete International (1998) 5, S. 43–46. [7-44] GOODWIN, S., ROSHECK, M. W.: Recycling project – concrete grinding residue. Transportation Research Record, No. 1345, 1992, S. 101–105. [7-45] AKBAR-KHANZADEH, F.; BRILLHART, R. I.: Respirable crystalline silica dust exposure during concrete finishing (grinding) using handheld grinders in the construction industry. Ann. Occup. Hyg., 6 (2002), S. 341–346. [7-46] ECHT, A.; SIEBER, W. K.: Control of silica exposure from hand tools in construction: grinding concrete. Appl. Occupational and Environmental Hygiene, 17 (2002), S. 457–461. [7-47] FLYNN, M. R.; SUSI, P.: Engineering controls for selected silica and dust exposures in the construction industry – a review. Appl. Occupational and Environmental Hygiene, 18 (2003), S. 268–277. [7-48] LANING, A.: Surface preparation equipment. Concrete Construction, (1993) 3, S. 193. [7-49] MANTEL, F. S.: Energiebedarf für die Instandsetzung bituminöser Fahrbahndecken. Firmenschrift Wirtgen GmbH, Windhagen, 1980. [7-50] VORSTER, M. C., MERRIGAN, J. P., LEWIS, R. W., WEYERS, R. E.: Techniques for concrete removal and bar cleaning on bridge repair rehabilitation projects. Report SHRP-S-336, National Research Council, Washington, 1992.

8 Untergrundvorbereitung durch Strahlen mit festen Strahlmitteln

8.1 Definitionen und Einordnung Das Strahlen ist nach Definition das Auftreffen eines Strahlmittels mit hoher Energie auf die vorzubereitende Oberfläche [8-1]. Eine fast gleichlautende Definition findet sich in [8-2]. Zur vollständigen Beschreibung des Strahlverfahrens sind die folgenden Angaben erforderlich: ◆ der Zwecks des Strahlens, ◆ das Strahlsystem, ◆ die Strahlmittelart. Das Strahlsystem wird nach der Methode oder dem Trägermittel bezeichnet, durch die das Strahlmittel auf die zum Strahlen notwendige Geschwindigkeit beschleunigt wird. Das geschieht entweder durch Zentrifugalkraft oder durch ein mit hoher Geschwindigkeit strömendes Medium [8-1]. Von diesem Standpunkt aus gesehen, sind die in den ZTV-ING [8-3] und der RILI des DAfStb [8-4] aufgeführten Strahlverfahren größtenteils falsch bzw. unvollständig definiert, obwohl alle in der DIN 8504-2 genannten, auf Bild 8.1 wiedergegebenen Strahlsysteme ohne weiteres auf die im Bereich der Betoninstandsetzung eingesetzten Verfahren angewendet werden könnten. Die ZTV-ING [8-3] und die RILI des DAfStb [8-4] unterscheiden zwischen: ◆ Strahlen mit festen Strahlmitteln bei gleichzeitigem Absaugen, ◆ Druckluftstrahlen mit festen Strahlmitteln, ◆ Nebelstrahlen, ◆ Druckstrahlen mit Wasser-Sand-Gemisch, ◆ Feuchtstrahlen. In der DIN 18349 [8-5] wird das Strahlen unter Vorgabe des Strahlmittels genannt.

154

8 Untergrundvorbereitung durch Strahlen mit festen Strahlmitteln

Bild 8.1: Strahlsysteme nach ISO 8504-2 [8-1]

8.2 Beurteilung fester Strahlmittel 8.2.1 Definition fester Strahlmittel Nach der ISO 8504 [8-1] ist ein Strahlmittel „ein fester Stoff, der zum Strahlen benutzt wird.“ In der BG-Vorschrift Strahlarbeiten [8-2] sind Strahlmittel definiert als „körnige Stoffe, die mit hoher Geschwindigkeit auf das Strahlgut geleitet werden, um dessen Oberflächen zu bearbeiten“. In der ISO 8504 werden feste Strahlmittel nach Werkstoff, Ursprung oder Herstellung unterteilt (Tabelle 8.1). Wichtige Kennwerte zur Beurteilung von Strahlmitteln sind Strahlmittelart und Strahlmittelsorte (Bild 8.2). Die alte RILI des DAfStb [8-6] empfiehlt zum Strahlen von Beton die folgenden Strahlmittel: Sand, Granulat, Korund, Stahlkugeln oder -schrot.

8.2.2 Strahlmittelkornform Die Strahlmittelkornform bezeichnet die geometrische Gestalt eines Strahlmittelkornes. Grundformen sind kugelig, kantig und zylindrisch (vgl. Tabelle 8.2). Verschiedentlich, insbesondere bei der Modellierung von Strahlvorgängen [8-7], werden für die Beurteilung von Strahlmitteln zwei charakteristische Kennwerte – Rundheit und Kugeligkeit – herangezogen. Die Kugeligkeit ist das Verhältnis von Partikelvolumen zum Volumen einer das Korn einschließenden Kugel. Die Rundheit kann hingegen als das Ver-

8.2 Beurteilung fester Strahlmittel

155

Bild 8.2: Strahlmittelarten nach [8-1]

Tab. 8.1: Einteilung fester Strahlmittel [8-1]

a b

Werkstoffhauptgruppe

Werkstoffgruppe

Ursprung/Herstellung

Anwendung

Metallische Strahlmittel

Eisen und Stahl

Hartguss Stahlguss Stahldrahtkorn

DLS a SRS a SRS a

Nichtmetallische Strahlmittel

NatürlichMineralisch SynthetischMineralisch

Granatsand Olivinsand Staurolith Elektrokorund Kupferhüttenschlacke Schmelzkammerschlacke Hochofenschlacke Nickelhüttenschlacke

DLS a DLS a DLS a – DLS a DLS a DLS a DLS a

Druckluftstrahlen. Schleuderstrahlen.

Tab. 8.2: Strahlmittelkornformen [8-1] Benennung

Kurzzeichen

rund unregelmäßig zylindrisch

S G Z

hältnis von größtem Kornabmaß zum Durchmesser eines eingeschriebenen Kreises definiert werden [8-7], [8-8]. Die Kombination beider Kennzahlen ergibt eine Formkennzahl. Kugeligkeit und Rundheit stehen in einem Zusammenhang mit der Korngröße.

8.2.3 Strahlmittelkorngröße Die Korngröße dP ist ein Feinheitsmerkmal mit der Dimension Länge. Bei Strahlmitteln wird darunter die Nennweite der Analysesieböffnung verstan-

156

8 Untergrundvorbereitung durch Strahlen mit festen Strahlmitteln

Tab. 8.3: Strahlmittelkorngrößen nach DIN 66100 [8-9] Norm-Bezeichnung

Handels-Bezeichnung

Korngröße dP in µm

grob mittel fein sehr fein

sehr grob grob mittel fein mikrofein

775 bis 4.450 274 bis 650 81 bis 230 6,5 bis 68 < 4,5

den, die das Strahlmittel gerade noch passieren kann. Nach der DIN 66100 [8-9] können die in Tabelle 8.3 wiedergegebenen Korngrößen unterschieden werden.

8.2.4 Korngrößenverteilungen Die Kornverteilungen lassen Rückschlüsse auf den Anteil von Korngrößen am Strahlmittelgemisch und damit auf die Frequenz der hervorgerufenen Belastung zu. Die Verteilungen können mittels Korngrößen-Verteilungsfunktionen erfasst und beschrieben werden [8-10]. Die Korngrößenverteilung gibt die durch eine Korngrößenanalyse festgestellten Mengenanteile je festgelegter Kornklasse einer Körnung an. Die Bestimmung der Korngrößenverteilung ist in [8-11] geregelt. Auf Bild 8.3 sind die Verteilungen zweier kommerzieller Strahlmittelgemische dargestellt.

8.2.5 Strahlmittelhärte Die Härte von Strahlmitteln wird nach [8-12], [8-13] bestimmt. Hersteller metallischer Strahlmittel legen in der Regel die Härten nach Rockwell oder Vickers zugrunde. Die nach den verschiedenen Verfahren ermittelten Härten lassen sich teilweise ineinander umrechnen [8-14] bzw. können mit Einschränkungen aus anderen mechanischen Kennwerten (z.B. Zugfestigkeit) abgeleitet werden. Für mineralische Werkstoffe sind diese Prüfverfahren ungeeignet. Hier werden oft die Härteskalen nach Mohs oder Knoop benutzt.

8.2.6 Strahlmitteldichte Die Dichtewerte von Strahlmitteln können nach [8-15], [8-16] bestimmt werden. Von Herstellern werden in der Regel die Schüttdichte der Körnung und die Rohdichte der Strahlmittelart angegeben (vgl. Tabelle 8.4). Die Schüttdichte ist das Verhältnis von Masse eines Korngemisches zu dem von ihm beanspruchten Volumen, sie umfasst also auch den Raum zwi-

8.2 Beurteilung fester Strahlmittel

157

Bild 8.3: Korngrößenverteilung zweier Strahlmittel: 1) Olivin (Frank & Schulte GmbH, Essen), 2) Stahlkorn (Deutsche Wheelabrator, Willich)

schen den Strahlmittelkörnern. Die Werte für die Schüttdichte einer Strahlmittelart können in Abhängigkeit von der Korngröße, der Kornform und der Korngrößenverteilung schwanken. Die Rohdichte wird als der Quotient von Kornmasse zu Kornvolumen verstanden und ist eine Materialeigenschaft der Strahlmittelart.

8.2.7 Prozessverhalten von Strahlmitteln Das Prozessverhalten von Strahlmitteln kann indirekt über eine Reihe von Kennwerten charakterisiert werden. Die Einzelpartikel treffen im Prozess mit hohen Geschwindigkeiten und somit auch hohen Energien auf Feststoffoberflächen (z.B. Fokus- und Düsenwandungen von Druckstrahlgeräten, auf Schaufelflächen von Schleuderradanlagen, auf Bearbeitungsflächen), auf Flüssigkeitsteilchen und aufeinander. Die Geschwindigkeiten erreichen oft Größenordnungen, die für eine Prallzerkleinerung ausreichend sind [5-16]. Dabei kommt es in Abhängigkeit von Belastungsintensität und Kornstruktur zur Abrasion, zum Abbröckeln von Randbereichen oder zur Zertrümmerung der Partikel [8-10]. In der Praxis werden die Strahlmittelkörner mehrfach beansprucht – ein Vorgang, der als Serienstoß oder als Rikochet-Wirkung be-

158

8 Untergrundvorbereitung durch Strahlen mit festen Strahlmitteln

Tab. 8.4: Ausgewählte Eigenschaften von Strahlmitteln. (Angaben: Frank & Schulte GmbH, Essen; Lunza-Werke GmbH, Waldshut; Quarzwerke GmbH, Frechen; Asikos Strahlmittel GmbH, Dinslaken; G. Kluyskens Europe GmbH, Hamburg; F. Brümmer GmbH, Hamburg; Würth Strahlmittel GmbH, Bad Friedrichshall)

a

Handelsname

Schüttdichtea in t/m3

Rein dichte in t/m3

Härtea–e

Schmelzpunkt in °C

Korngröße Hauptbemin–max standteil in mm in %

Abrablast

–

4,3

9b

1.900

–

Al2O3 (71,9)

Zirkonkorund

Abramax

1,0…2,0

3,95

2.200c

2.000

–

Al2O3 (99,6)

Edelkorund

Abrasit

1,1…2,3

3,96

2.100c

2.000

–

Al2O3 (96,4

Normalkorund

–

0,04…1,4

SiO2 (53,0)

AluminiumSilikat

Technische Bezeichnung

Afesikos

1,4

2,6

8b

Afesikos HS

2,83

4,1

8b

–

0,04…1,4

SiO2 (36,0)

Granatsand

9b

–

0,06…2,8

Al2O3 (99,3)

Normalkorund

–

0,06…2,8

SiO2 (51,0)

AluminiumSilikat

–

0,12…3,36 –

1.315

–

SiO2 (41,3)

Granatsand

Afesikos SK

1,8

3,96

Asilikos

1,3

2,5…2,6 7–8b

Cast Steel

–

–

Garnet

–

3,9…4,1 8…9b

Glasperlen

1,5

2,45

6b

–

0,07…0,4

SiO2 (73,0)

–

GSR

3,7…4,3

7,4

44…58d

–

0,1…2,24

–

Stahlguss

–

Diamant

60d

–

Hartguss

2,7…4,3

7,4

56…64d

–

bis 3,15

Keramikkugeln

2,3

3,8

60…65d

–

0,07…0,25 ZrO2 (67,0)

Keramik

MKE

1,75

3,92

1.800– 2.200e

–

0,001…2,8 Al2O3 (99,6)

Edelkorund

Olivin

1,7…1,9

5,3

6,5…7b

1.760

0,09…1,0

MgO (50)

–

Scorex

1,35

–

–

–

0,5…2,8

SiO2 (40,0)

Hüttenschlacke

Steel Grit

–

7,5

48…66c

–

0,2…1,7

–

–

46…51c

–

0,2…2,0

–

–

–

0,09…2,0

SiO2 (54)

Schmelzkammerschlacke

Steel Shot

–

7,3

Testra

1,2…1,4

2,5…2,7 7b

Je nach Korngröße; Härtemessung: b Mohs, c Vickers, d Rockwell, e Knoop.

zeichnet wird. Die bei der Strahlmittelzerkleinerung in Misch- und Beschleunigungsdüsen ablaufenden Prozesse sind im Detail in [8-7] diskutiert. In der Normung sind diese Vorgänge durch die Kennwerte Strahlmittelverbrauch, Strahlmittelvollverschleiß, Strahlmittel-Verbrauchsfaktor und Strahlmittel-Lebensdauer berücksichtigt. Alle diese Kennwerte sind an den jeweiligen Strahlvorgang gebunden, und es gibt momentan keine Möglichkeit, das Prozessverhalten von Strahlmitteln komplett analytisch zu erfassen. Wenn als Elementarvorgang der Beanspruchung von Strahlmitteln die Prallzerkleinerung zugrunde gelegt wird, kann das Prozessverhalten möglicherweise durch zerkleinerungstechnische Kennwerte der Materialien, bei-

8.2 Beurteilung fester Strahlmittel

159

Tab. 8.5: Betriebsverhalten metallischer Strahlmittel in Schleuderradanlagen [8-20] Strahlmittel

Härte nach Kornform Rockwell C Neuzustand

Verformung im Betrieb

Zustand nach dungsbruch Ermüd

HartgussSchrot

62…68

kugelförmig

bleibt kugelig zerfällt in Kugelsegmente mit scharfen Kanten

bleibt kantig, evtl. leichte Stauchung der Kanten

HartgussKies

62…68

kantig

bleibt kantig

bleibt kantig, evtl. leichte Stauchung der Kanten

thermisch nachbehandelter Hartguss-Schrot

45…64

kugelförmig

bleibt kugelig zerfällt in Kugelsegmente mit scharfen Kanten

bleibt kantig, je nach Härtegrad ausgeprägte Rundung der Kanten

thermisch nachbehandelter Hartguss-Kies

35…45

kantig

bleibt kantig, zerfällt in kantige je nach Härte Bruchstücke starke Rundung der Kanten

je nach Härtegrad raschere und stär-kere Rundung der Kanten

Stahl-Schrot

46…51

kugelförmig

bleibt kugelig zerfällt in Kugelsegmente

Segmente nehmen rasch Kugelform an, Betriebsgemisch daher kugelförmig

Stahl-Kies

48…52

kantig

wird rasch kugelförmig

zerfällt in kantige Bruchstücke

Segmente nehmen rasch Kugelform an, Betriebsgemisch daher kugelförmig

56…60

bleibt kantig, jedoch tritt bald starke Rundung der Kanten ein

zerfällt in kantige Bruchstücke, rascher Zerfall entsprechend der höheren Härte

bald ausgeprägte Rundungen der Kanten an den Bruchstücken

62…66

bleibt kantig, nach einiger Betriebszeit tritt Rundung der Kanten ein, höheren Härte

zerfällt in kantige Bruchstücke

Verhalten im Betriebsgemisch

die Bruchstücke weisen bald eine Rundung der Kanten auf

spielsweise durch den Arbeitsindex nach Bond [8-18] oder durch die Bruchwahrscheinlichkeit von Einzelpartikeln [8-19] beschrieben werden. Tabelle 8.5 enthält Hinweise zum Betriebsverhalten verschiedener in Schleuderradanlagen verwendeter Strahlmittel. Es muss auch betont werden, dass durch die Bildung neuer reaktionsfreudiger Oberflächen während der Beanspruchung die Verunreinigung der Partikel mit Schadstoffen begünstigt wird. Entsprechende Beobachtungen sind im

160

8 Untergrundvorbereitung durch Strahlen mit festen Strahlmitteln

Bild 8.4: Korngrößenverteilungen von Strahlmitteln nach mehrmaligem Gebrauch in Druckluftstrahlanlagen [8-20]

Zusammenhang mit dem Metallschneiden mit Wasser-Abrasivstrahlen gemacht worden [8-21]. Im Baugewerbe gelangen noch immer vorwiegend Einwegstrahlmittel zum Einsatz, die nicht wieder verwendet werden, da ein weiterer Einsatz wegen der intensiven Zerkleinerung oder starken Verunreinigung oft unwirtschaftlich ist. Bild 8.4 zeigt die Korngrößenverteilungen von Elektrokorund und Quarzsand nach mehrmaligem Gebrauch in einer Druckluftstrahlanlage.

8.2.8 Maximale Gehalte an gefährlichen Stoffen in Strahlmitteln Die BG-Vorschrift Strahlarbeiten [8-2] legt fest, dass die in Tabelle 8.6 aufgeführten Stoffe und ihre Verbindungen in der Summe oder einzeln bestimmte Werte nicht überschreiten. Sie müssen diese Grenzen soweit wie möglich unterschreiten. Metallverbindungen sind als Metalle, Chromate als Chromtrioxid zu berechnen. Strahlmittel dürfen nicht mehr als 2 M.-% an freier kristalliner Kieselsäure enthalten. Als freie Kieselsäure werden die in Tabelle 8.6 aufgelisteten SiO2-Modifikationen bezeichnet. Nach [8-2] können jedoch Strahlmittel mit

8.3 Beschleunigung fester Strahlmittel

161

Tab. 8.6: Maximal zulässige Gehalte an gefährlichen Stoffen in Strahlmitteln [8-2]) Stoff

Maximaler Gehalt in M.-%

In der Summe Antimon, Arsen, Beryllium, Blei, Cadmium, Chromate, Kobalt, Nickel, Zinn Arsen, Beryllium, Chromate, Kobalt, Nickel

2% 0,2%

Einzeln Beryllium Cadmium Chromate Kobalt

0,1% 0,1% 0,1% 0,1%

freie kristalline Kieselsäure Cristobalit Quarz Tridymit

2% 2% 2%

höheren Gehalten an freier kristalliner Kieselsäure eingesetzt werden, wenn dies unter Anwendung berufsgenossenschaftlicher oder behördlich anerkannter Arbeitsverfahren oder Geräten geschieht. Untersuchungen haben gezeigt, dass keines der sogenannten Feucht- bzw. Schlämmstrahlverfahren den gestellten Anforderungen genügt [8-22].

8.3 Beschleunigung fester Strahlmittel 8.3.1 Allgemeines Nach der DIN 8504-2 [8-1] werden Strahlsysteme nach der Methode oder dem Trägermittel bezeichnet, durch die die Strahlmittel auf die notwendigen Geschwindigkeiten beschleunigt werden, nämlich durch ◆ Gasströme, z.B. Druckluft (pneumatisch), ◆ Schleuderräder (mechanisch), ◆ Flüssigkeitsströme, z.B. Wasser (hydraulisch). Grundsätzlich muss davon ausgegangen werden, dass sich in allen Fällen Geschwindigkeitsverteilungen ergeben, deren Kennwerte von den entsprechenden Rahmenbedingungen abhängen. Die Geschwindigkeiten, die mittels Modellgleichungen ermittelt werden können, sind aus diesem Grunde auch als Mittelwerte zu betrachten, die allerdings von den meisten der Strahlmittelpartikel erreicht werden.

162

8 Untergrundvorbereitung durch Strahlen mit festen Strahlmitteln

8.3.2 Pneumatische Beschleunigung Bei der pneumatischen Beschleunigung wird das Strahlmittel durch einen mit hoher Geschwindigkeit austretenden Luftstrom beschleunigt. Die Strahlmittelförderung kann nach dem Druck-, Injektor- oder Saugkopfsystem erfolgen [8-1]. In den ZTV-ING und der RILI des DAfStb wird zwischen Druckluftstrahlen mit festen Strahlmitteln und Strahlen mit festen Strahlmitteln bei gleichzeitigem Absaugen unterschieden. Allen Variationen des Druckluftstrahlens gemeinsam ist die Erzeugung eines mit hoher Geschwindigkeit aus Düsen austretenden Luftstrahles. Die Struktur eines derartigen, oft als Freistrahl bezeichneten, Luftstrahles zeigt Bild 8.5. Der Strahl weist unmittelbar nach dem Verlassen der Düse einen Kernstrahlbereich auf, der dann mit zunehmender Strahllänge (> 6,17 · d0) im Ergebnis von Reibungs- und Turbulenzerscheinungen zerfällt. In radialer Richtung ist die Geschwindigkeit durch ein GAUSS’sches Profil gekennzeichnet. Die Luftgeschwindigkeit kann unter Zugrundelegung strömungsmechanischer Gesetzmäßigkeiten berechnet werden [8-24]. Die Berechnung der Strahlmittelgeschwindigkeit ist komplizierter – Ansätze finden sich in [8-25] bis [8-27]. Eine grafische Auswertung von Berechnungen für baupraktisch relevante Druckbereiche und unter Berücksichtigung verschiedener Düsenformen ist auf Bild 8.6a vorgenommen. Wenn die Beschleunigung des Strahlmittels nach dem Injektorsystem erfolgt, das Strahlmittel also über einen Unterdruck angesaugt und in einem Injektor mit der Druckluft vermischt wird, kann dessen Geschwindigkeit überschlägig durch die Anwendung des Impulserhaltungssatzes errechnet werden [8-26].

Bild 8.5: Aufbau eines Druckluft-Freistrahles [8-23]

8.3 Beschleunigung fester Strahlmittel

163

a

b

Bild 8.6: Theoretische Strahlmittel-Geschwindigkeiten: a) Beschleunigung durch Druckluftstrahlen [8-25], b) Beschleunigung durch Schleuderräder (berechnet nach [8-28])

164

8 Untergrundvorbereitung durch Strahlen mit festen Strahlmitteln

8.3.3 Mechanische Beschleunigung Bei der mechanischen Beschleunigung wird das Strahlmittel durch Schleuderräder beschleunigt, die mit Wurfschaufeln oder entsprechenden Einrichtungen versehen sind [8-1]. Die Grundlagen der Berechnung der Abwurfgeschwindigkeit von Schleuderrädern sind von BICKEL [8-28] geschaffen worden, der aus einer resultierenden Gleichgewichtsbedingung für die auf ein Einzelkorn wirkenden Kräfte eine Beziehung hergeleitet hat, auf deren Basis die Geschwindigkeit, die einem einzelnen Strahlmittelkorn vermittelt wird, bestimmt werden kann. Auf Bild 8.6b sind theoretische Partikelgeschwindigkeiten in Abhängigkeit von Durchmesser und Drehzahl eines Schleuderrades wiedergegeben. Eine vereinfachte Beziehung, die eine Abschätzung von Abwurfgeschwindigkeiten gestattet, ist in [8-26] hergeleitet.

8.4 Materialbeanspruchung und Abtragsmechanismus 8.4.1 Beanspruchung Typisch für alle Strahlverfahren mit festen Strahlmitteln ist das Einbringen definierter Energiebeträge in die Festkörperoberfläche. Die gesamte eingebrachte Energie kann nach der Beziehung n

EPges = Â EPi

(8.1)

i=1

als Summe der kinetischen Energien der Strahlmittelpartikel bestimmt werden. Der Elementarvorgang dieses auch Strahlverschleiß genannten Prozesses ist der Stoß eines einzelnen Strahlmittelkornes unter beliebigen Winkeln auf eine Oberfläche. Die kinetische Energie eines einzelnen runden Strahlmittelpartikels ergibt sich zu p EP = 5 rP · d P3 · w 2P . 12

(8.2)

Eine Regulierung der Belastungsintensität kann demnach über die Kennwerte Strahlmittelgeschwindigkeit, Strahlmitteldurchmesser und Strahlmitteldichte erfolgen. Beim Stoß wird der Werkstoff elastisch oder, bei Überschreitung der Elastizitätsgrenze, plastisch verformt. Ein Übergangskriterium für Gesteine und Betone ist in [8-29] hergeleitet. Für die beim Stoß eines Strahlmittels auftretenden Kräfte gehen Schätzungen bis zu einigen 103 N; bei Stoßzeiten von

8.4 Materialbeanspruchung und Abtragmechanismus

165

wenigen Mikrosekunden ergeben sich Verformungsgeschwindigkeiten bis zu 105 s–1 [8-30]. Es gelangt allerdings nur ein Bruchteil der kinetischen Energie des Strahlmittelkornes in den eigentlichen Abtragsbereich [8-30] bis [8-32]. Der zu erwartende Materialabtrag kann über Beziehung (8.3) abgeschätzt werden. MA = rm · k · E0

(8.3)

Der Parameter k berücksichtigt den Versagensmechanismus verschiedener Materialgruppen, aus dem Form und Größe der abgetragenen Materialpartikel resultieren. Die k-Werte für elastische und viskoelastische Werkstoffe (z.B. Gummiabrieb, Beschichtungen, Bitumen) sind in der Regel gering, während harte und spröde reagierende Hartstoffe (z.B. Beton) durch hohe k-Werte gekennzeichnet sind [8-31]. Verschiedentlich wird die Eindruckkörper-Theorie zur Beurteilung von Strahlverschleißvorgängen in spröden Werkstoffen herangezogen. Dabei wird der Materialabtrag als aus zwei Phasen bestehend angesehen. In einer Belastungsphase wird ein unter dem Strahlmittelkorn parallel zur Beanspruchung verlaufender Riss erzeugt. Dieser Riss schließt sich während der folgenden Entlastungsphase, und durch die Spannungsumlagerung bilden sich radial zur Beanspruchungsrichtung verlaufende Risse. Wenn diese Radialrisse die Werkstoffoberfläche erreichen, erfolgt ein Materialabtrag (vgl. Bild 6.1a). Es ist jedoch bereits bei Verschleißuntersuchungen an Gesteinen festgestellt worden, dass die Indentation-Theorie für vorgeschädigte, mit Fehlstellen behaftete Werkstoffe modifiziert werden muss [8-33]. Der ideale, zur Werkstoffoberfläche führende Rissweg wird blockiert und aktivierte Radialrisse werden abgelenkt oder arretiert. Ein vergleichbares Verhalten muss für Beton angenommen werden. Es kann weiterhin davon ausgegangen werden, dass die beiden Hauptbestandteile eines Betons – der erhärtete Zementstein und der Zuschlag – durch unterschiedlicher Mechansimen abgetragen werden. GORETTA et al. [8-34] vermuten in Zementsteinen eine lokale Erhitzung und Verdampfung des in der Struktur physikalisch gebundenen Wassers durch die beim Partikelaufschlag in der Kontaktfläche erzeugten hohen Temperaturen. Dieser Mechanismus führt zur Ausbildung eines Mikrorissnetzes. Die von den Autoren angebotene Theorie eines durch den Wasserverlust hervorgerufenen „Kurzzeitschwindens“ bedarf allerdings der Überprüfung. In Zuschlagmaterialien wird oft ein großflächiges Ausbrechen (Ausbruchdurchmesser: 50 µm für Quarzsand) beobachtet und es konnte eine gute Korrelation des Strahlwiderstandes mit der Zugfestigkeit festgestellt werden. Der konkrete Abtragmechanismus in verschiedenen Zuschlagsorten hängt von der Mikrostruktur des betrachteten Gesteins ab [8-29], [8-33].

166

8 Untergrundvorbereitung durch Strahlen mit festen Strahlmitteln

8.4.2 Materialwiderstand Die Beanspruchung ist neben den genannten Besonderheiten durch ungewöhnlich kleine Kontaktflächen gekennzeichnet, weshalb es zumindest fraglich erscheint, inwieweit die konventionellen mechanischen Eigenschaften von Baustoffen Materialreaktion und -widerstand beschreiben können. Die alte RILI des DAfStb sagte hierzu: „Leistung/Abtragtiefe ist abhängig von der Betonfestigkeit.“ [8-6]. Es sind in der Tat qualitative Zusammenhänge zwischen dem Widerstand von Betonen gegen Strahlverschleiß und der Druckfestigkeit ermittelt worden [8-35] bis [8-39]. Eine hohe Druckfestigkeit scheint grundsätzlich einen guten Widerstand gegen Strahlverschleiß zu garantieren. Demgegenüber ist jedoch eine niedrige Druckfestigkeit nicht immer gleichbedeutend mit einen geringen Abtragswiderstand (Bild 8.7b). Der Einfluss des Wasserzementwertes auf den Verschleiß von Betonen ist in [8-35], [8-38] bis [8-42] untersucht worden. Wie Bild 8.7a zeigt, steigt der Verschleiß mit zunehmendem Wasserzementwert; diese Tendenz ist aber für einen Zementstein deutlicher ausgeprägt als für einen Beton. Das Bild verdeutlicht weiterhin den Einfluss des Zuschlages auf den Verschleißwiderstand: Die Zugabe von Zuschlägen erhöht den Widerstand bedeutend, wobei der Einfluss des Zuschlages mit dem Wasserzementwert zunimmt. FERNANDEZ und MALHOTRA [8-43] fanden, dass die Abrasionsbeständigkeit von Zementmörteln mit Schlackenanteilen vergleichsweise gering ist. Nach [8-44] weisen Epoxidharz-gebundene Betone sehr hohe Widerstände gegen Partikelaufschlag auf, gefolgt von polymermodifizierten Betonen und konventionellen Zementbetonen. Entscheidend auf den Widerstand wirken sich Mikroporosität des Bindemittels und Korngröße der Zuschläge aus. Bild 8.7c verdeutlicht zum Beispiel den Zusammengang zwischen Grobzuschlaganteil und Strahlverschleiß an Betonen. ZHANG und HUANG [8-45] konnten nachweisen, dass der Abrasionswiderstand von Betonen mit zunehmender Bruchenergie steigt; eine Erkenntnis, die den Einfluss nichtlinearer Bruchvorgänge nahelegt. Einen hohen Widerstand gegen Erosion garantieren darüber hinaus hoher Zementgehalt, homogene Betonmischung und, wie Bild 8.7c zeigt, ein Minimum an feinen Anteilen. MOMBER [8-39] hat festgestellt, dass eine getrennte Betrachtung von Festigkeits- (Druckfestigkeit) und Strukturparametern (Grobzuschlaganteil) keine eindeutige Abschätzung des Strahlverschleißwiderstands von Betonen zulässt. Erst eine Kombination, zum Beispiel ausgedrückt durch das Produkt aus Druckfestigkeit und Massenanteil an Grobzuschlag, kann eindeutige Beziehungen auch für Mörtel und Leichtbetone ausdrücken (Bild 8.7d). Für elastische Materialien (Gummi) konnte ein deutlicher Einfluss der Härte auf den Widerstand gegen Partikelerosion nachgewiesen werden [8-46]. Es wurde außerdem gefunden, dass der Widerstand von spröden Beschichtungsmaterialien gegen Strahlverschleiß gut mit der spezifischen Bruchenergie korreliert [8-47].

8.4 Materialbeanspruchung und Abtragmechanismus

167

a

b

Bild 8.7: Zusammenhang zwischen Beton-Kennwerten und Verschleißverhalten [8-39]: a) Wasserzementwert, b) Druckfestigkeit

168

8 Untergrundvorbereitung durch Strahlen mit festen Strahlmitteln

c

d

Bild 8.7 (Fortsetzung) c) Grobzuschlaganteil, d) Druckfestigkeit und Grobzuschlaganteil

8.5 Einfluss wichtiger Betriebsparameter

169

In [8-29] ist ein statistisches Modell erarbeitet worden, das die Eignung von Festigkeitsverteilungen in Beton zur Beurteilung örtlich begrenzter Verschleißerscheinungen beschreibt.

8.5 Einfluss wichtiger Betriebsparameter 8.5.1 Parameterbestimmung Betriebsparameter des Strahlvorganges sind alle Größen, die die verwendete Strahlanlage und das eingesetzte Strahlmittel und seine Wirkung kennzeichnen. Zu den Betriebsparametern des Strahlens mit festen Strahlmitteln gehören (Bild 8.8): ◆ Strahlmittel-Auftreffgeschwindigkeit (wP), · ), ◆ Strahlmitteldurchsatz (m P ◆ Strahlabstand (s) ◆ Strahleinwirkdauer (t), ◆ Strahlauftreffwinkel (b), ◆ Strahlmittelkorngröße (dP), ◆ Strahlmittelkornform (Fk), ◆ Strahlmittelkornverteilung [f(dP)], ◆ Strahlmittelhärte (HP).

Bild 8.8: Einflussparameter bei der Bearbeitung mit festen Strahlmitteln

170

8 Untergrundvorbereitung durch Strahlen mit festen Strahlmitteln

8.5.2 Strahlmittel-Auftreffgeschwindigkeit Zahlreiche Untersuchungen aus dem Bereich der Verschleißtechnik zeigen, dass die Geschwindigkeit der auftreffenden Strahlmittel-Partikel einen entscheidenden Einfluss auf den Materialabtrag ausübt [8-29]. Auf der Basis von Messungen [8-48] kann die Geschwindigkeit über die Beziehung wP ~ ÷3 p0

(8.4)

abgeschätzt werden. Bild 8.9a zeigt, dass der Materialabtrag an Betonen mit dem Druck ansteigt. Die ZTV-ING sagen hierzu aus: „Der Grad des Betonabtrages ist abhängig vom Druck.“ [8-3]. Ein linearer Zusammenhang ist für Natursteine gefunden worden [8-49]. Generell kann geschrieben werden: n) MA ~ (w Pn – w G

(8.5)

Bild 8.9b verdeutlicht, dass der Exponent für den Abtrag elastischer Beschichtungen von Oberflächen den Wert n = 2 annimmt. Für Betone sind Werte zwischen n = 2,75 und n = 3,07 ermittel worden [8-29]. Die Proportionalitätsfaktoren sind Funktionen des Arbeitsabstandes. Generell kann gefolgert werden, dass eine Druckerhöhung bei vergleichsweise geringen Arbeitsabständen einen großen Effektivitätsgewinn mit sich bringt. Die zweite Konstante wG in Gleichung (8.5) beschreibt einen Grenzwert des Kompressordruckes bzw. der Strahlmittelgeschwindigkeit, der überschritten werden muss, damit ein messbarer Materialabtrag erfolgt. Für Natursteine ist z.B. ein Grenzdruck von 0,2 MPa bis 0,3 MPa ermittelt worden [8-49]. Der überragende Einfluss des Kompressordruckes und damit der Partikelgeschwindigkeit wird durch Bild 8.10 nochmals bestätigt. Das Bild zeigt aber auch, dass eine effektive Nutzung der zugeführten Energie nur unter Berücksichtigung weiterer Einflussgrößen möglich ist. Der Effektivitätsgewinn durch Druckerhöhung weist in bestimmten Bereichen der Strahlmittelkorngröße (dP = 0,3 mm – 0,6 mm) ein Maximum auf. Darüber hinaus wird der direkte Einfluss des Strahlmitteldurchmessers deutlich. Bedeutsam ist die Tatsache, dass die Geschwindigkeit der Strahlmittelkörner deren Prozessverhalten beeinflusst (Bild 8.4).

8.5.3 Strahlmitteldurchsatz Der Strahlmitteldurchsatz ist die Masse des Strahlmittels, die in der Betrachtungszeit von der Strahleinrichtung durchgesetzt wird. Für praktische Belange besser geeignet ist der auf die Zeiteinheit bezogene Strahlmitteldurchsatz (spezifischer Strahlmitteldurchsatz). Der Strahlmitteldurchsatz wird in der Regel über den Düsendurchmesser reguliert. Dieser Kennwert beschreibt indirekt

8.5 Einfluss wichtiger Betriebsparameter a

b

Bild 8.9: Zusammenhang zwischen Betriebsüberdruck und Materialabtrag: a) Beton [5-37], b) Gummi [5-46]

171

172

8 Untergrundvorbereitung durch Strahlen mit festen Strahlmitteln

Bild 8.10: Betriebsüberdruck, Strahlmittel-Korngröße und Materialabtrag an Werksandstein [8-50]

die Anzahl der per Zeiteinheit aufschlagenden Strahlmittelpartikel, also die Frequenz der Belastung. Ein größerer Durchsatz bedeutet eine höhere Zahl einzelner Beanspruchungen. Das führt, wie Strahlverschleißmessungen an verschiedenen Werkstoffen – darunter auch Zementstein und Zementmörtel – ergeben haben, zu einer linearen Zunahme der Verschleißintensität [8-34]. Die ZTV-ING sagen hierzu: „Der Grad des Betonabtrags ist abhängig von der Menge des Strahlmittels.“ [8-3]. Bild 8.11 zeigt allerdings, dass für Reinigungsvorgänge eine optimale Zugabemenge existiert, die unter gegebenen Prozessbedingungen nicht überschritten werden sollte. In diesem Falle kommt es offenbar zu Partikelkollision bzw. zu Reibungs- und Dämpfungserscheinungen. Bei Injektorsystemen muss bedacht werden, dass dem Luftstrahl nur eine begrenzte kinetische Energie zur Verfügung steht, so dass nur eine gewisse Anzahl von Partikeln hinreichend beschleunigt werden kann. Dieser Zusammenhang führt zur Abnahme der Strahlmittelgeschwindigkeit ab bestimmten Durchsätzen [8-48,] [8-51]. Darüber hinaus sollte auch berücksichtigt werden, dass die eingespeiste Strahlmittelmenge alle Gerätekomponenten durchläuft und wieder entsorgt werden muss, so dass neben bearbeitungstechnischen Grenzen auch verschleißtechnische und ökonomische Zwänge bestehen.

8.5 Einfluss wichtiger Betriebsparameter

173

Bild 8.11: Strahlmitteldurchsatz und Reinigungsleistung [8-52]

8.5.4 Strahlabstand Der Strahlabstand ist die Weglänge des Strahlmittels vom Austritt aus der Strahldüse oder dem Schleuderrad bis zum Auftreffen auf die bearbeitete Oberfläche. Auf Bild 8.12a wiedergegebene Messungen an Gesteinen zeigen, dass auch für diesen Kennwert optimale Parameter existieren. Diese Beziehungen beruhen beim Druckluftstrahlen offenbar auf der Abhängigkeit der Strahlmittelgeschwindigkeit vom Strahlabstand. An Druckluftstrahlen konnten optimale Abstandswerte nachgewiesen werden, bei denen die Partikelgeschwindigkeit maximale Werte erreicht [8-51]. In [8-48], [8-53] wurde festgestellt, dass bis zu einem Abstand von 50 cm keine nennenswerte Abnahme der Partikelgeschwindigkeit erfolgt. An Schleuderradanlagen durchgeführte Messungen ergaben, dass die kinetische Energie der Strahlmittel mit dem Strahlabstand reduziert wird (Bild 8.12b).

8.5.5 Strahleinwirkdauer Die Strahleinwirkdauer ist die Zeitspanne, in der das Strahlmittel auf eine bestimmte Stelle des Strahlgutes einwirkt. Es ist leicht zu ersehen, dass die

174

8 Untergrundvorbereitung durch Strahlen mit festen Strahlmitteln

a

b

Bild 8.12: Einfluss des Strahlabstandes: a) Strahlmittelgeschwindigkeit beim Druckluftstrahlen [8-51], b) Strahlmittelenergie beim Schleuderradstrahlen [8-54]

8.5 Einfluss wichtiger Betriebsparameter

175

Strahlzeit die Anzahl der am Prozess beteiligten Partikel bestimmt. Aus zahlreichen Untersuchungen zum Strahlverschleiß ist bekannt, dass für Werkstoffe charakteristische Inkubationszeiten bestehen, die überschritten werden müssen, um einen messbaren Abtrag zu erzielen [8-55]. In dieser Phase wird das Versagen des Strahlgutes durch eine definierte Anzahl von Einzelbelastungen „vorbereitet“, z.B. durch Mikrorissbildung in Beton oder spröden Beschichtungen oder durch Erschöpfung des Formänderungsvermögens elastischer Materialien. Nach Überschreitung der Inkubationsphase steigt der Abtrag mit der Strahleinwirkdauer sprunghaft an, um sich dann asymptotisch dem Endwert anzunähern (Bild 8.13). Es existiert demnach für jeden Prozess eine optimale Einwirkzeit, in der die pro Zeiteinheit abgetragene Materialmenge ein Maximum aufweist. Die alte RILI des DAfStb beschreibt den Sachverhalt wie folgt: „Die Leistung/Abtragtiefe ist abhängig von der Strahldauer.“ [8-6].

8.5.6 Strahlauftreffwinkel Der Strahlauftreffwinkel ist der Winkel zwischen der Strahlrichtung und der Tangentialebene an die bearbeitete Oberfläche. Es ist bekannt, dass der Materialabtrag durch Partikelstrahlen entscheidend von diesem Parameter beeinflusst wird. Bild 8.14 zeigt, dass in Abhängigkeit von grundsätzlichen Mate-

Bild 8.13: Zeitliche Entwicklung des Strahlverschleißes [8-55]

176

8 Untergrundvorbereitung durch Strahlen mit festen Strahlmitteln

Bild 8.14: Strahlmittel-Auftreffwinkel und Volumenverlust an Beton [8-35]

rialeigenschaften optimale Auftreffwinkel existieren. Für spröde Werkstoffe liegt dieser Winkel in der Regel bei 90°; es scheint jedoch, dass zusätzlich die Werkstoffstruktur und die Strahlmittelhärte den optimalen Abtragswinkel bestimmen. Zementstein reagiert praktisch nicht auf Änderungen im Anstrahlwinkel [8-34]. Dies trifft auch für Mörtel zu, wenn dieser mit Siliziumoxid bestrahlt wird. Auf die Verwendung von Aluminiumoxid – also einem wesentlich härteren Material – als Strahlmittel reagiert Mörtel jedoch mit einem deutlichen Anstieg des Verschleißes bei höheren Strahlauftreffwinkeln [8-34]. Elastische Materialien, wie Gummi oder Elastomere, erfordern einen vergleichsweise flachen Auftreffwinkel zwischen 15° und 20° [8-46]. Elastische Werkstoffe reagieren, wie bereits erwähnt, auf Prallbeanspruchung mit Verformungen und müssen deshalb über andere Mechanismen (Gleitverschleiß unter flachen Winkeln) abgetragen werden. Es bestehen zusätzliche Beziehungen zwischen dem Auftreffwinkel und der Strahlmittelkorngröße. Wichtig ist auch die Tatsache, dass die Intensität der Strahlmittelzerkleinerung vom Auftreffwinkel beeinflusst wird [8-19].

8.5.7 Strahlmittelkorngröße Zahlreiche Untersuchungen an verschiedenen Werkstoffen belegen, dass für die Korngröße des Strahlmittels optimale Werte mit hohem Abtragvermögen

8.5 Einfluss wichtiger Betriebsparameter

177

existieren. An Baustoffen (Naturstein) haben [8-49], [8-50], [8-56] derartige Beziehungen ermittelt. Bild 8.15a zeigt darüber hinaus einen deutlichen Zusammenhang zwischen der Korngröße des Strahlmittels und der Korngröße des bestrahlten mineralischen Werkstoffes. Diese Tatsache kann nach Beziehung (8.6) interpretiert werden. dm 5 = opt. = kD dP

(8.6)

Für die Konstante kD sind Werte von 1,0 ermittelt worden [8-56]. Wenn auch bedacht werden muss, dass diese Ergebnisse an Natursteinen und mit für die Betonbearbeitung unüblichen Glaskugeln ermittelt worden sind, kann doch auf eine enge Wechselbeziehung zwischen Kompressordruck (Strahlmittelgeschwindigkeit), Strahlmittelkörnung und Betonstruktur (z.B. Sieblinie des Zuschlages) geschlossen werden. PAT und REINHARDT [8-38], MOMBER [8-39] und NEVILLE [8-41) berichten, dass Betone mit grobem Zuschlag einen hohen Erosionswiderstand aufweisen. MIRZA et al. [8-44] haben eine deutliche Abhängigkeit des Erosionswiderstandes verschiedener Betone von dem in Gleichung (8.6) dargestellten Verhältnis ermittelt. Bild 8.15b zeigt den Einfluss der Strahlmittelkorngröße auf den Volumenverlust verschiedener Betone. GRIFFITH [8-52] fand den auf Bild 8.16a dargestellten Zusammenhang zwischen Korngröße und Reinigungsleistung. Bild 8.16b verdeutlicht, dass für den Abtrag von elastischen Beschichtungen die Effektivität mit der Belastungshöhe (dem Korndurchmesser) steigt. Grundsätzlich kann durch eine Änderung der Korngröße das Regime der Materialbeanspruchung variiert werden. Mit zunehmendem Durchmesser steigt die Belastungshöhe der Einzelpartikel (Gleichung (8.3), während die Belastungsfrequenz sinkt. Es besteht auch ein Zusammenhang zwischen der Korngröße und der Bruchwahrscheinlichkeit. Es kann davon ausgegangen werden, dass die Neigung zum Zerkleinern bei großen Partikeln stärker ausgeprägt ist [8-19]. Ein weiterer Aspekt ist die Abhängigkeit von Korngröße und Kornform [8-7]. In Injektoranlagen sinkt die Strahlmittelgeschwindigkeit bei größeren Korndurchmessern [8-48]. Im Zusammenhang mit Reinigungsarbeiten ist der auf Bild 8.17 dargestellte Zusammenhang von Interesse, wonach eine Beziehung zwischen der Struktur der bearbeiteten Oberflachen, der Reinigungsintensität und und der Strahlmittelgröße besteht. Wie Bild 8.18a zeigt, kann auch die Struktur der erzeugten Oberfläche über die Strahlmittelgröße variiert und somit an die Anforderungen an den Untergrund für Oberflächenschutzsysteme angepasst werden. Ähnliche Zusammenhänge gelten für die Verschleißcharakteristik von Strahldüsen.

178

8 Untergrundvorbereitung durch Strahlen mit festen Strahlmitteln

a

b

Bild 8.15: Einfluss der Strahlmittel-Größe: a) Masseverlust an Sandsteinen [8-56], b) Erosion von Beton [8-37]

8.5 Einfluss wichtiger Betriebsparameter

179

a

b

Bild 8.16: Einfluss der Strahlmittel-Korngröße auf die Reinigung: a) Oberflächenbearbeitung [8-52], b) Gummiabtrag [8-46]

180

8 Untergrundvorbereitung durch Strahlen mit festen Strahlmitteln

Bild 8.17: Strahlmittel-Korngröße, Oberflächenstruktur und Reinigungsintensität [8-57]

8.5.8 Strahlmittelkornform Die Kornform hat bei verschiedenen Strahlmittelsorten einen unterschiedlichen Einfluss auf den Bearbeitungsvorgang. Grundsätzlich erzeugen kantige Partikel höhere Spannungskonzentrationen im Material. Die scharfen Ecken führen insbesondere bei Werkstoffen mit plastischem Verformungsvermögen zu hohen Abtragsraten durch eine furchende Abrasion (Mikropflügen). Der Verschleiß von Gummi wird durch den Einsatz schaftkantiger Strahlmittel z.B. sehr begünstigt [8-46]. Es muss beachtet werden, dass die Kornform das Zerkleinerungsverhalten der Partikel beeinflusst. Da gebrochenes Korn herstellungsbedingte Fehlstellen aufweist, neigt es bei Prallbeanspruchung stark zum Zerspringen. Dieser Effekt ist bei Quarzsand oft beobachtet worden. Wohl aus diesem Grund ist bei der Bearbeitung von Gesteinen eine höhere Wirksamkeit runder Quarzkörner festgestellt worden [8-58]. Bild 8.18c verdeutlicht, dass über die Kornform die Struktur der geschaffenen Oberflächen beeinflusst werden kann. Es besteht auch ein Zusammenhang zwischen der Kornform und dem Verschleiß der Gerätekomponenten. Kantige, mineralische Strahlmittel rufen intensiven Verschleiß insbesondere an Strahldüsen und Schleuderrädern hervor, weshalb sie auch in Schleuderradanlagen in der Regel nicht zum Einsatz kommen.

8.5 Einfluss wichtiger Betriebsparameter a

b

181 c

Bild 8.18: Strahlmittel-Kenngrößen und erzeugtes Oberflächenprofil (Quelle: Balduf Oberflächentechnik GmbH, Pleidelsheim): a), b) Strahlmittel-Korngröße, c) Strahlmittel-Kornform

8.5.9 Strahlmittelkornverteilung Die Annahme durchschnittlicher Strahlmittelkorndurchmesser stellt eine Vereinfachung dar, da Strahlmittelgemische in der Regel durch Kornverteilungen gekennzeichnet sind. MARSHALL u.a. [8-59] konnten einen deutlichen Einfluss der Korngrößenverteilung auf den Materialabtrag durch Feststoffpartikel nachweisen. Bild 8.19 zeigt, dass sich die Zusammensetzung des Strahlmittels auch auf die Effektivität und Qualität von Reinigungsprozessen auswirkt. Detailliertere Untersuchungen zu diesem Punkt stehen momentan noch aus. Möglicherweise können Beziehungen zwischen dem Abtragverhalten von Strahlmittelkörnungen und charakteristischen Kornverteilungsparametern hergestellt werden [8-60].

Bild 8.19: Strahlmittelkornverteilung und Reinigungsintensität [8-20]

182

8 Untergrundvorbereitung durch Strahlen mit festen Strahlmitteln

8.5.10 Strahlmittelhärte Der Einfluss der Strahlmittelhärte auf den Abtrag verschiedener Materialien lässt sich nur schematisch darstellen. Es kann davon ausgegangen werden, dass alle praktischen Bearbeitungsprozesse in der auf Bild 8.20 dargestellten Hochlage ablaufen, d.h., die Härte des Strahlmittels übersteigt die des bearbeiteten Materials. Das Bild zeigt das Verhalten eines elastischen Werkstoffes (Gummi) und eines spröde reagierenden Materials (Schmelzbasalt), die hier als Synonyme für Beschichtungen bzw. Beton stehen sollen. Das Verhalten des spröden Materials ist eindeutig: Der Verschleiß steigt mit der Strahlmittelhärte linear an. Die erhöhte Härte bedingt eine Intensivierung des Mikrobrechens. Dieser Zusammenhang führt z.B. bei der Bearbeitung von Natursteinen zu Leistungssteigerungen bis zu 50% bei der Verwendung harter Strahlmittel [8-20]. Dies trifft auch auf Mörtel zu, allerdings nur bei sehr großen Strahlmittelauftreffwinkeln (90°). Bei kleinen Strahlmittelauftreffwinkeln (20°) ist der Verschleiß an Mörteln nahezu unabhängig von der Strahlmittelhärte [8-34]. Gummi zeigt hingegen bei hohen Strahlmittelhärten ein konstantes Verschleißniveau, während ein Verschleißmaximum bei niedrigen Härtewerten vorliegt. In diesem Falle spielen offensichtlich Einflüsse der Kornform eine Rolle. Die scharfen Kanten der Glas- bzw. Flintpartikel begünstigen den Abrasiv-Gleitverschleiß und verdrängen den Effekt der höheren Kornhärte.

Bild 8.20: Strahlmittel-Härte und Strahlverschleiß [8-32]; Strahlmittel: 1 – Kalk, 2 – Glas, 3 – Flint, 4 – Granat, 5 – Korund, 6 – Siliziumkarbid

8.6 Komponenten des Druckluftstrahlens

183

Bei mehrphasigen Werkstoffen, die wie Betone oder Reparaturmörtel aus einer weichen Matrix und harten Einschlüssen bestehen, dominiert der Einfluss der harten Komponente [8-31]. All diese Zusammenhänge sind hinsichtlich der Strahlmittelauswahl von großer praktischer Bedeutung. Die Härte der Strahlmittel beeinflusst ebenfalls den Verschleiß an den Komponenten der Strahlgeräte. Es handelt sich in diesem Fall um Gleitverschleiß, dessen Intensität ganz besonders von der Härte beeinflusst wird [8-32]. Wenn die Härten verschiedener Düsenwerkstoffe bekannt sind, kann unter Annahme von Gleichung (8.7) die Auswahl geeigneter Strahlmittel erfolgen. HG > HP > HM

(8.7)

Eine markante Erscheinung ist die starke Neigung harter mineralischer Partikel, nach wenigen Prallbeanspruchungen zu zerspringen, wodurch eine Mehrfachnutzung nahezu unmöglich wird.

8.6 Komponenten des Druckluftstrahlens 8.6.1 Definition und Bauarten In der BGV Strahlarbeiten [8-2] wird unterschieden zwischen Strahlgeräten und Strahlmaschinen. Strahlgeräte sind „Geräte zum manuellen Strahlen“, während Strahlmaschinen „Maschinen (sind), bei denen Strahleinrichtung oder Strahlgut oder beides maschinell geführt werden.“ Beide Varianten umfassen die folgenden Bestandteile: ◆ Strahlmittelbehälter, ◆ Strahleinrichtungen, ◆ Einrichtungen zum Beschleunigen des Strahlmittels, ◆ Förderleitungen ◆ (bei Strahlmittelumlauf) Einrichtungen zum Sammeln, Reinigen und Rückfördern der gebrauchten Strahlmittel. Bild 8.21 zeigt die grundsätzlichen Bauarten bzw. Arbeitsprinzipien von Druckluftstrahlgebläsen. Im Baugewerbe kommen vorzugsweise Druckstrahlgebläse zum Einsatz. Der Vorteil des Prinzips besteht in der direkten Energieumwandlung. Dem Luftstrahl wird keine zusätzliche Energie entzogen, wie das bei Injektorstrahlgeräten der Fall ist, wo ein Teil der Strahlenergie für den Transport der trockenen Strahlmittel genutzt wird. Die Entscheidung für eine Bauart wird schon von der Arbeitsaufgabe bestimmt. Felder für den Einsatz von Injektorgeräten sind das Abtragen von Farbschichten und das schonende Reinigen von Oberflächen. Darüber hinaus gelangen sie zur Anwendung, wenn leichte und bewegliche Geräte gefordert sind.

184

8 Untergrundvorbereitung durch Strahlen mit festen Strahlmitteln

a

b

c

Bild 8.21: Bauarten und Arbeitsprinzipien von Druckluftstrahlgebläsen [8-50]

8.6.2 Druckkessel Druckkessel sind die Hauptelemente von Druckluftstrahlanlagen. Den grundsätzlichen Aufbau eines Druckkessels zeigt Bild 8.22. Strahlkessel werden generell nach dem Fassungsvermögen unterschieden. Kommerzielle Kesselgrößen liegen zwischen 20 l und 500 l. Vom Kesselinhalt kann jedoch nicht eindeutig auf die verfügbare Strahlmittelmasse geschlossen werden, da die Schüttdichte der Strahlmittel kein konstanter Wert ist, sondern von Form und Verteilung der Einzelkörner bestimmt wird.

8.6 Komponenten des Druckluftstrahlens

185

Bild 8.22: Aufbau eines Druckkessels für Druckluft-Strahlarbeiten (Quelle: Airblast V.V., Beijerland)

Für die Bearbeitung großflächiger Objekte (Brücken, Behälter, Kühltürme) werden Großstrahlkessel angeboten, deren Fassungsvermögen bis zu 30.000 l beträgt und den Anschluss mehrerer Strahlgeräte (bis zu 8) gestattet. Die Kesselgröße hat keinen direkten Einfluss auf die Gebläseleistung. Es kann auch keine eindeutige Beziehung zwischen Fassungsvermögen und Strahlzeit hergestellt werden, da der Strahlmittelverbrauch vom Durchmesser der verwendeten Düsen sowie vom eingestellten Betriebsüberdruck bestimmt wird (Abschnitt 8.6.4). Strahlkessel sind heute für Betriebsdrücke bis zu 15 bar (1,5 MPa) ausgelegt. In diesem Zusammenhang ist zu beachten, dass Druckkesselkonstruktionen ein Kesselprüfattest des zuständigen TÜV aufweisen müssen. Die dem Behälter entnommene Strahlmittelmenge kann in der Regel über Dosierventile variiert werden.

186

8 Untergrundvorbereitung durch Strahlen mit festen Strahlmitteln

8.6.3 Förderleitungen Die Ausführung der Verbindungselemente zwischen den Anlagenkomponenten bestimmt ganz wesentlich Leistungsfähigkeit und Wirtschaftlichkeit von Druckluftanlagen. Grundsätzlich können unterschieden werden: ◆ Druckluftschläuche, ◆ Strahlmittelförderschläuche, ◆ Strahlschläuche. Wesentliche Forderungen an einen Druckluftschlauch sind geringer Druckverlust auf dem Weg zwischen Kompressor und Strahlkessel sowie hohe Beständigkeit gegen Öle. Typische Innendurchmesser sind 5, 10, 20 und 55 mm. Strahlmittelförderschläuche sollten ebenfalls geringe Druckverluste aufweisen, darüber hinaus besitzen sie jedoch einen großen Widerstand gegen die erosive Wirkung der transportierten Strahlmittelteilchen. Typische Innendurchmesser sind 50, 60, 80, 100 und 150 mm. Strahlschläuche, in denen Druckluft und Strahlmittel zum Verbraucher transportiert werden, müssen alle Eigenschaften kombinieren. Typische Innendurchmesser sind 15, 20, 24, 35, 40 und 50 mm. Aus der Strömungsmechanik ist bekannt, dass Druckverluste in Leitungen in zweiter Potenz mit der Strömungsgeschwindigkeit steigen. Die Strömungsgeschwindigkeit wiederum hängt vom Nennförderstrom des geförderten Mediums sowie vom inneren Durchmesser der Leitung ab. Diese Beziehungen ergeben: Dp ~ dS–5 .

(8.8)

Geringe Schlauchdurchmesser führen bei gleichem Nennförderstrom und gleicher Schlauchqualität zu überproportional höheren Druckverlusten. Das pro Zeiteinheit benötigte Druckluftvolumen, aber auch der Strahlmittelförderstrom, werden vom Querschnitt der verwendeten Strahldüse bestimmt. Somit muss zwischen Schlauchdurchmesser und Düsendurchmesser ein bestimmtes Verhältnis eingehalten werden, das von Herstellern mit Beziehung (8.9) angegeben wird [8-61], [8-62]. dS = 4 · d0

(8.9)

Tabelle 8.7 verdeutlicht den Einfluss von Nennförderstrom, Schlauchnennweite und Schlauchlänge auf den Druckverlust in Druckluftschläuchen. Zu große Nenndurchmesser bei Strahlmittelförderschläuchen können die Transportgeschwindigkeit so weit herabsetzen, dass sich Strahlmittel ablagert und den Schlauch verstopft. Strahlschläuche werden aufwendig gefertigt; in der Regel bestehen sie aus einer Mischung von Naturkautschuk und synthetischem Gummi. Sie werden nur in einigen Nennweiten geliefert, weshalb die Werte aus Beziehung (8.9)

8.6 Komponenten des Druckluftstrahlens

187

Tab. 8.7: Zusammenhang zwischen Schlauchdurchmesser, Luftförderstrom und Druckverlust. (Quelle: Clemco International) Schlauchnennweite in mm

Luftförderstrom in m3/min 0,56

1,1

2,0

3,1

3,9

Druckverlust in bar auf 15 m bei 0,5 MPa Betriebsüberdruck 12,5 19 25 31,5 37,5

0,07 0,014 – – –

0,49 0,063 0,014 – –

2,00 0,23 0,049 0,021 –

– 0,62 0,14 0,056 0,014

– – 0,27 0,07 0,021

aufgerundet werden müssen. Die Maximallängen für alle Druckluft führenden Schläuche liegen bei ca. 40 m. Wenn die Überwindung größerer Längen erforderlich wird, müssen mehrere Schlauchleitungen aneinandergekoppelt werden. Die Verbindung von Einzelschläuchen erfolgt durch spezielle Kupplungen. Kommerzielle Schnellkupplungen bestehen aus Aluminiumguss, Temperguss oder Messing. Moderne Schlauchkupplungen sind so konzipiert, dass sie von außen auf die Schläuche aufgesteckt werden können. In Schlauchkupplungen auftretenden Druckverluste sind in Tabelle 5.8 enthalten.

8.6.4 Druckluftstrahldüsen In den Strahldüsen wird die potenzielle Druckenergie der verdichteten Luft in kinetische Energie schnell bewegter Luftstrahlen umgewandelt. Dieser Vorgang wird oft mit dem nicht ganz zutreffenden Ausdruck „Entspannen“ bezeichnet. Die wichtigsten technischen Kennwerte von Strahldüsen sind ◆ Düsendurchmesser, ◆ Düsenlänge, ◆ Düsenform, ◆ Düsenwerkstoff. Über den Düsendurchmesser (d0) werden wichtige verfahrenstechnische Parameter wie Luft- und Strahlmittelförderstrom variiert. Einige Zusammenhänge sind in Tabelle 8.8 dargestellt. Deutlich wird die Tatsache, dass beide Kennwerte mit dem Düsendurchmesser überproportional zunehmen. Große Düsenöffnungen sind identisch mit hohen Strahlleistungen. Aus Sicht der Kompressorleistung sowie der Strahlmittelkosten gibt es allerdings eine Begrenzung der Düsendurchmesser. Eine untere Grenze für die Düsenöffnung ergibt sich aus den Abmessungen der verwendeten Strahlmittel. Hier gilt der Erfahrungswert d0Min = 4 · dPMax .

(8.10)

188

8 Untergrundvorbereitung durch Strahlen mit festen Strahlmitteln

Tab. 8.8: Zusammenhang zwischen Düsendurchmesser und Luftförderstrom. (Quelle: Clemco International) Düsendurchmesser

Luftförderstrom in m3/min Betriebsüberdruck in MPa

in mm

3,0 4,5 6 8 9,5 11,0 12,5

0,2

0,4

0,6

0,9

0,25 0,60 1,00 1,70 2,40 3,10 4,20

0,35 0,80 1,45 2,40 3,40 4,60 6,00

0,50 1,10 2,00 3,35 4,75 6,40 8,30

0,70 1,55 2,90 4,85 6,85 9,15 11,70

Wie im Falle der Schlauchleitungsdimensionierung muss auch in diesem Zusammenhang auf handelsübliche Durchmesserwerte aufgerundet werden. Typische Düsendurchmesser liegen zwischen 4 und 14 mm. Bei Injektoranlagen muss zwischen den Durchmessern der Luft- und der Strahldüse unterschieden werden (Bild 8.23). Verschleißangaben beziehen sich in diesem Fall in der Regel auf die vom Luft-Strahlmittel-Gemisch durchströmte Strahldüse. Das Verhältnis dieser Duchmesserwerte beträgt in vielen Fällen dSt = 2,5 · d0 .

(8.11)

Typische Angaben zum Luftbedarf von Injektordüsen finden sich in Tabelle 8.9. Die Düsenlänge richtet sich nach der Arbeitsaufgabe, ist aber auch von der Düsengeometrie abhängig. Für konventionelle gerade Düsen liegen typische Längen zwischen 80 und 100 mm, seltener bei 220 mm. Es existieren optimale Düsenlängen vom Gesichtspunkt der Energieumwandlung und der Stabilität der erzeugten Freistrahlen (Bild 8.6a). Längere Düsenkanäle führen zu höheren Ausströmgeschwindigkeiten und tragen zu einer Stabilisierung der Strö-

Bild 8.23: Düsenkombinationen bei einem Injektorstrahlkopf (Quelle: Clemco International GmbH, Siegertsbrunn)

8.6 Komponenten des Druckluftstrahlens

189

Tab. 8.9: Luftbedarf für Injektordüsen. (Quelle: Druckluftstrahlanlagen Heinrich Schlick GmbH, Greven) Luftverbrauch in m3/min

Düsendurchmesser in mm

Betriebsüberdruck Luftdüse

Strahldüse

0,6 MPa

0,8 MPa

1,5 2,0 2,5 3,0 4,0 5,0 6,0

4 5 6 7 10 12 14

0,14 0,25 0,40 0,57 1,00 1,50 2,00

0,19 0,32 0,52 0,73 1,30 1,83 2,67

mung und somit zur Erzeugung kompakter Strahlen bei. Andererseits nimmt der Druckverlust mit der Berührungsfläche und somit der Düsenlänge zu. Venturidüsen weisen aufgrund ihrer Konstruktion größere Längen auf, oft zwischen 140 und 220 mm. Von Herstellern werden lange Düsen für großflächige und schwierige Strahlarbeiten empfohlen. Dabei ist zu beachten, dass bei der Düsenauswahl der Düsenquerschnitt im Vordergrund steht und sich die Länge der ausgewählten Düse fast zwangsläufig aus den kommerziell angebotenen Bauarten ergibt. Pro Düsendurchmesser stehen oft nicht mehr als zwei Längen zur Auswahl. Der Begriff Düsenwerkstoff ist insofern irreführend, als es sich um den Werkstoff handelt, mit dem die Düsenkanäle ausgekleidet sind. Hier kann generell zwischen Gusseisen, Keramik, Wolframkarbid und Borkarbid unterschieden werden. Diese Reihenfolge kann gleichsam als „Ahnengalerie“ der Düsenwerkstoffe angesehen werden. Gusseisen und Keramik sind fast völlig zugunsten der wesentlich verschleißfesteren und leichteren gesinterten Hartmetallvariationen verdrängt. Bild 8.24 gibt einige Hinweise zu den Standzeiten verschiedener Düsenauskleidungswerkstoffe. In der betrieblichen Praxis rentieren sich teure, aber verschleißfeste Düsenwerkstoffe recht schnell. Es kann über lange Zeiträume mit definierten Prozesskennwerten (Luft- und Strahlmittelförderstrom, Betriebsüberdruck) gearbeitet werden; Stillstandszeiten durch Düsenwechsel werden reduziert. Bezüglich der Düsenform können gerade (zylindrische) Düsen und Lavaldüsen (Weithalsdüsen) unterschieden werden. Die traditionelle gerade Düsenform wird nach und nach von den am Austritt trichterförmig aufgeweiteten Lavaldüsen abgelöst. Die Ursache liegt in einer strömungsmechanischen Gesetzmäßigkeit, nach der Druckluft eine Grenzgeschwindigkeit im Bereich der Schallgeschwindigkeit nur überschreiten kann, wenn der Strömungskanal eine Erweiterung erfährt [8-24], [8-63]. Durch die Nutzung dieser Düsenform können Strahlgeschwindigkeit und Effektivität wesentlich gesteigert werden.

190

8 Untergrundvorbereitung durch Strahlen mit festen Strahlmitteln

Bild 8.24: Verschleißwiderstand verschiedener Materialien zum Auskleiden von Druckluft-Düsen (Quelle: Sintex Keramik GmbH, Buching)

Mit zum Erfolg der Lavaldüse hat zweifellos auch die Tatsache beigetragen, dass mit der Einführung der gesinterten Düsenwerkstoffe die Kanäle aus einem Stück gefertigt werden können. Den Aufbau einer kommerziellen Lavaldüse zeigt Bild 8.25. Ein grundsätzliches Problem bei den geraden Düsen, die in beengten Räumen nach wie vor zum Einsatz gelangen, ist die Gestaltung der Austrittsöffnung, die die Geschwindigkeitszahl entscheidend beeinflusst.

Bild 8.25: Kommerzielle Lavaldüse (Quelle: Clemco International GmbH, Siegertsbrunn)

8.7 Komponenten des Schleuderradstrahlens

191

8.7 Komponenten des Schleuderradstrahlens 8.7.1 Grundsätzlicher Aufbau Bild 8.26 zeigt den grundsätzlichen Aufbau einer für die Betonbearbeitung geeigneten Bodenschleuderradmaschine. Der Antrieb des Schleuderrades erfolgt in der Regel über Elektromotore; in Ausnahmefällen kommen Verbrennungsmotore zum Einsatz. Alle Geräte können aber mit Generatoren (bis ca. 75 kW) betrieben und somit im Baustellen-Bereich eingesetzt werden. Bei größeren Geräten bewegt ein separater Fahrmotor die Geräteeinheit über die zu bearbeitenden Flächen (0,5…45 m/min), kleine Maschinen (< 60 kW) können manuell geführt werden.

8.7.2 Schleuder- bzw. Schaufelrad Die wichtigste Komponente der Maschine ist das Schleuder- oder Schaufelrad. Nach [8-20] können grundsätzlich drei Schleuderrad-Bauarten unterschieden werden:

Bild 8.26: Grundaufbau einer Schleuderradstrahlmaschine (Quelle: Balduf Oberflächentechnik GmbH, Pleidelsheim)

192

8 Untergrundvorbereitung durch Strahlen mit festen Strahlmitteln

◆ direkte Zuführung des Strahlmittels zu den Wurfschaufeln nach dem Gravitationsprinzip, ◆ Schleuderräder mit pneumatischer Vorbeschleunigung des Strahlmittels und direkter Zuführung zu den Wurfschaufeln, ◆ Schleuderräder mit indirekter Einführung des Strahlmittels durch mechanische Vorbeschleunigung mittels Einlaufstück und Verteiler. Die Schleuderräder müssen eine möglichst gleichmäßige Verteilung der aufprallenden Partikel, also ein stabiles Strahlbild, gewährleisten. Auf Bild 8.27 ist die Funktionsweise eines Schleuderrades mit mechanischer Vorberschleunigung dargestellt. Das Strahlmittel gelangt durch einen Schieber im freien Fall zum Einlauf. Das Verteilerrad, das direkt mit dem Schleuderrad (in diesem Fall ein Doppelscheibenrad mit 8 Schaufeln) verbunden ist, beschleunigt das Strahlmittel auf die ungefähre Umfangsgeschwindigkeit des Schaufelrades. Erst dann trifft es, gesteuert durch ein Leithülse, auf die Schaufeln. Die Leithülse bestimmt mit ihrer Austrittsöffnung genau den Punkt, an dem das

Bild 8.27: Grundaufbau und Funktionsweise eines Schleuderrades (Quelle: Schlick-roto-jet Maschinenbau GmbH, Metelen). A – Strahlmittel, B – Muschelschieber, C – Turbineneinlauf, D – Verteilerrad, E – Doppelscheibenrad, F – Leithülse, G – Strahlmittelaustritt, H – Auftreffpunkt auf der Schaufel, K – Gehäuse, L – Auskleidung

8.7 Komponenten des Schleuderradstrahlens

193

Bild 8.28: Drehzahl, Leistung und Strahlmitteldurchsatz an Schleuderrädern [8-20]

Strahlmittel auf die Schaufeln gelangt. Damit wird der Austrittswinkel des Strahlmittels festgelegt. Drehzahl und Durchmesser des Schaufelrades bestimmen die Abwurfgeschwindigkeit des Strahlmittels (vgl. Abschnitt 8.3.3). Der Strahlmitteldurchsatz wird, wie Bild 8.28 zeigt, von der Drehzahl und der aufgenommenen Leistung bestimmt. Der maximal mögliche Strahlmitteldurchsatz wird als Schluckgrenze bezeichnet und ist ein geeigneter Kennwert, um eine Schleuderradkonstruktion zu charakterisieren (vgl. dazu [8-20]). Allerdings finden sich in den Unterlagen von Herstellern und Anbietern in der Regel nur Angaben zur Antriebsleistung, so dass ein Vergleich verschiedener Anlagen bzw. Bauarten oft nicht möglich ist.

8.7.3 Strahlmittelseparatoren Schleuderradanlagen werden fast ausnahmslos im geschlossenen Strahlmittelkreislauf gefahren. Dabei werden Strahlmittel, Staub und abgestrahlte Partikel über einen Rückprallkanal einem Separator zugeführt, in dem unverbrauchtes Strahlmittel abgetrennt und dem Kreislauf wieder zugegeben wird. Der Staub

194

8 Untergrundvorbereitung durch Strahlen mit festen Strahlmitteln

Bild 8.29: Schleuderradstrahlmaschine mit integrierter Absaugung (Quelle: Blastrac GmbH, Köln)

und die abgestrahlten Partikel werden durch einen Schlauch in die Filteranlage und von dort in einen Staubbehälter geleitet (Bild 8.29). Nach einem Strahlweg von etwa 170 m muss die Filtereinheit versetzt werden [8-64]. Um den Strahlmittel-, Schaufel- und Anlagenverschleiß gering zu halten, werden bei konventionellen Schleuderradgeräten runde Strahlmittel verwendet, weswegen das Verfahren oft als Kugelstrahlen bezeichnet wird (z.B. in [8-4]). Es ist jedoch auch möglich, mit kantigen Strahlmitteln zu strahlen, wenn besondere Schleuderradkonstruktionen eingesetzt werden.

8.8 Staubfreies Druckluftstrahlen und Strahlmittelrecycling 8.8.1 Definition Es sind bereits frühzeitig Anstrengungen unternommen worden, die beim trockenen Druckluftstrahlen auftretende Staubbelastung zu unterdrücken. Das wesentliche Merkmal des staubfreien Druckluftstrahlens ist der geschlossene Strahlmittelkreislauf. Das Strahlmittel wird innerhalb einer Abdeckung aufgestrahlt und abgesaugt. Die Vorschriften definieren das staubfreie Strahlen als „Strahlen mit festen Strahlmitteln bei gleichzeitigem Absaugen.“ [8-3], [8-4]. Das Verfahren kann geräteabhängig auf waagerechten und/oder senkrechten Flächen angewendet werden.

8.8 Staubfreies Druckluftstrahlen und Strahlmittelrecycling

195

Bild 8.30: Prinzip eines Rücksaugstrahlgerätes mit Staubabscheider (Quelle: Sapi-Drucklufttechnik GmbH, Nördlingen)

196

8 Untergrundvorbereitung durch Strahlen mit festen Strahlmitteln

8.8.2 Vacu-Blast-Verfahren Eine klassische Lösung, die auch heute noch angewendet wird, ist das VacuBlast-Verfahren. Das Strahlmittel und abgestrahlte Partikel werden durch ein Vakuum zu einer Rückgewinnungseinheit geführt, in der Staub und Grobpartikel ausgeschieden werden. Das gereinigte Strahlmittel fließt in den Behälter zurück und kann gegebenenfalls wiederverwendet werden. Am Strahlkopf selbst verhindern Dichtborsten oder elastische Formteile das Austreten von Staub. Die Borsten sind so angeordnet, dass Außenluft einströmen kann und ein Festsaugen des Kopfes verhindert wird. Die Standardbreite des Kopfes beträgt 24…30 mm [8-65]. Bild 8.30 zeigt den Aufbau eines kompletten staubfreien Druckluftstrahlgerätes. Die Flächenleistung derartiger Geräte ist vergleichsweise gering, weshalb sie im Bereich der Betoninstandsetzung nur in geringem Umfang, oft für Nacharbeiten, Anwendung finden.

8.8.3 Flächenstrahlgerät Ein staubfreies Flächenstrahlgerät, das zur Bearbeitung größerer waagerechter und senkrechter Betonflächen eingesetzt werden kann, zeigt Bild 8.31. Nach Angaben des Herstellers sind an Beton Flächenleistungen bis zu 300 m2/h erreichbar. Arbeitsbreite und Gerätevorschub können stufenlos eingestellt wer-

Bild 8.31: Druckluft-Flächenstrahlgerät mit Staubabsaugung (Quelle: Kiess GmbH & Co. KG, Mülheim)

8.9 Nassdruckluftstrahlen mit festen Strahlmitteln

197

den. Besondere Einsatzfelder sind Parkhäuser, Kühltürme, Schornsteine und Brückenflächen [8-66].

8.9 Nassdruckluftstrahlen mit festen Strahlmitteln 8.9.1 Definition und Unterteilung Das Nassdruckluftstrahlen ist ein Verfahren, bei dem Wasser, gegebenenfalls mit Reiniger- oder Inhibitorzusatz, zugeführt wird, um das Strahlen mit einem Niederdruck-Waschvorgang zu koppeln oder Staub zu binden. Von den in den ZTV-ING [8-3] für die Vorbereitung von Betonunterlagen empfohlenen Verfahren fallen das Nebelstrahlen, das Feuchtstrahlen sowie das Druckstrahlen mit Wasser-Sand-Gemisch unter diese Definition. In der RILI des DAfStb wird vom „Feuchtstrahlen mit festen Strahlmitteln“ gesprochen [8-4]. Diese Bezeichnungen orientieren sich ganz offensichtlich an den Angaben von Herstellern, die ihre Produkte unter diesen Namen auf dem Markt anbieten. Eine Möglichkeit der Untergliederung bietet sich nach dem Ort, in dem das Wasser in das Druckluft-Strahlmittel-System gelangt. Die angebotenen Verfahren können unterschieden werden nach ◆ Zugabe im Druckkessel (Schlämmstrahlen), ◆ Zugabe im Druckluft-Strahlmittelschlauch, ◆ Zugabe unmittelbar vor der Düse, ◆ Zugabe im Freistrahl (nach der Düse). Eine weitere Möglichkeit der Systematisierung besteht im Aggregatzustand des zugegebenen Mediums. Es kann flüssig, als Wasser, oder gasförmig, als Wasserdampf, eingespeist werden.

8.9.2 Zugabe im Druckkessel: Schlämmstrahlen Die ISO 8504-2 [8-1] definiert das Schlämmstrahlen wie folgt: „Eine Dispersion eines feinteiligen Strahlmittels in Wasser oder in einer anderen Flüssigkeit wird, mit oder ohne Druckluft, auf das zu reinigende Werkstück gerichtet.“ Bei dem auf Bild 8.32 dargestellten Verfahren wird nicht vorgetrocknetes Strahlmittel mit Wasser in einen Kessel gefüllt und im Verhältnis 80:20 aus dem Kessel gedrückt. In einem vom Kompressor erzeugten Druckluftstrom wird das Gemisch zur Strahldüse gefördert und ausgebracht. Die Staubbelastung kann durch den Einsatz dieser Variante nachweislich um 88% auf 0,1…0,23 mg/m3 reduziert werden [8-67]. Eine wahlweise Einstellung von Wasser, Druckluft, Druckluft-Strahlmittel oder Druckluft-Wasser ist auch hier möglich.

198

8 Untergrundvorbereitung durch Strahlen mit festen Strahlmitteln

Bild 8.32: Vornässen des Strahlmittels im Druckbehälter (Schlämmstrahlen) (Quelle: torbo Engineering Keizers GmbH, Borken)

8.9.3 Zugabe in einer Mischkammer Bei dem auf Bild 8.33 dargestellten System wird das vom Druckkessel kommende Druckluft-Strahlmittel-Gemisch in einer separaten Mischkammer über Spezialdüsen mit Wasser benetzt. Das Wasser (max. 10 l/min) wird ebenfalls über eine druckluftbetriebene Pumpe (bis 3,6 MPa) angesaugt und gefördert. Die Wasserzufuhr kann über eine Fernbedienung geregelt werden.

8.9.4 Zugabe in einem Adapter Bei der auf Bild 8.34 dargestellten Variante gelangt das Wasser unter Druck über einen Adapter, der zwischen Düsenhalter und Strahldüse geschaltet werden kann, in das Druckluft-Strahlmittel-Gemisch. Die Flüssigkeit wird über eine selbstansaugende Druckluftpumpe mit Drücken bis zu 6,8 MPa in den Adapter gedrückt und kann über ein Nadelsystem reguliert werden (11… 15 l/min). Im Inneren des Adapterkopfes wird das Wasser aus mehreren (sechs) Bohrungen gleichmäßig verteilt und mit Strahlmittel und Druckluft

8.9 Nassdruckluftstrahlen mit festen Strahlmitteln

199

Bild 8.33: Staubbindung durch Zuschaltung einer Druckwasserpumpe (Quelle: Sapi-Drucklufttechnik GmbH, Nördlingen)

Bild 8.34: Nassstrahlkopf mit angesetztem Adapter. (Quelle: Clemco International GmbH, Siegertsbrunn)

vermischt. Das Dreiphasengemisch wird durch die Strahldüse gedrückt und auf die zu bearbeitende Fläche verteilt. Die Hersteller heben die zusätzliche Reinigungswirkung des Druckwassers hervor. Dem System können Inhibitoren beigegeben werden. Es kann zusätzlich die wahlweise Entnahme von Druckluft, Druckluft-Wasser erfolgen. Ein ähnliches System wird von Rüsing [8-68] beschrieben. Hierbei wird das Wasser ebenfalls unter einem im Vergleich mit dem Luftdruck höheren Druck in einen vor der Strahldüse plazierten Adapter eingegeben. Im Ergebnis entsteht ein Wassernebel, der die Strahlmittelkörner umhüllt und den entstehenden Staub bindet. Ein wesentlicher Unterschied besteht in der vergleichsweise geringen Wassermenge (ca. 0,1 l/min). Damit kann eine geringe Rest-

200

8 Untergrundvorbereitung durch Strahlen mit festen Strahlmitteln

feuchte an bearbeiteten Oberflächen von 4% erreicht werden. Das Gewicht der Strahlmittelpartikel erhöht sich nicht nennenswert, so dass keine zusätzlichen Entsorgungskapazitäten notwendig sind. Das zugegebene Wasser leistet allerdings keine Arbeit im physikalischen Sinne.

8.9.5 Verwirbelung in der Düse Auf Bild 8.35 ist das Prinzip eines Verfahrens dargestellt, bei dem die Wasserzugabe mit einer Wirbelbildung in der Düse verbunden ist. Dem DruckluftWasser-Strahl ist ein ausgesprochen feinkörniges Strahlmittel (Durchmesser im 1/10-mm-Bereich) beigemischt, das dieses Verfahren zusammen mit den vergleichsweise geringen Luftdrücken (0,05…0,15 MPa) für die Reinigung empfindlicher Oberflächen prädestiniert. Eine in der Wirkung vergleichbare Lösung wird von PRICKARTZ und HEUSER [8-50] beschrieben; sie beruht allerdings auf dem Injektor- Prinzip und beinhaltet die Absaugung von Strahlmittel und abgestrahltem Gut.

8.9.6 Zugabe über eine Ringdüse Bild 8.36 zeigt eine technische Lösung in Form einer Ringdüse, die über die Sandstrahldüse gestülpt werden kann. Ein austretender Wasserschleier umhüllt den Druckluft-Strahlmittel-Strahl und verhindert so eine Staubbildung weitgehend.

8.9.7 Dampfeinspeisung Eine weitere Möglichkeit des Naßdruckluftstrahlens besteht in der Einspeisung von Dampf mit Temperaturen bis zu 250°C und Drücken bis zu 2,0 MPa. Der Wasserdampf kühlt sich an der Oberfläche der Strahlmittelpartikel ab und kondensiert, wobei die Körner von einem flüssigen Film benetzt werden. Ein Teil der Dampfenergie geht in Form von Wärme auf Strahlmittel und Druck-

Bild 8.35: Niederdruck-Rotationswirbel-Verfahren (Quelle: Kulba Bauchemie GmbH, Ansbach)

8.9 Nassdruckluftstrahlen mit festen Strahlmitteln

201

Bild 8.36: Ringdüse für die Zuführung von Wasser und die Erzeugung eines Wasserschleiers, (Quelle: Druckluftstrahlen Heinrich Schlick GmbH, Greven)

luft über und trägt zu einer vergleichsweise raschen Abtrocknung der bearbeiteten Oberflächen bei. Es können elektrisch beheizte Dampferzeuger (7,5 kW…40 kW) oder ölbeheizte Dampferzeuger eingesetzt werden. Der Wasserbedarf beträgt ja nach Düsengröße 0,1…0,5 l/min [8-61].

8.9.8 Wasser-Sand-Strahlen Beim Wasser-Sand-Strahlen wird ein festes Strahlmittel nach dem Injektorprinzip in eine Mischkammer gesaugt durch einen Druckwasserstrahl (Betriebsüberdruck bis zu 80 MPa, Förderstrom ca. 30 l/min) beschleunigt. Die ZTV-ING [8-3] und die RILI des DAfStb [8-4] sprechen von „Strahlen mit Wasser-Sand-Gemisch“. Das Verfahrensprinzip ist auf Bild 8.37 dargestellt. Als Strahlmittel kommen Silbersand, Kupferschlacke oder Granatsand zur Anwendung. Typische Strahlmitteldurchmesser liegen zwischen 0,5 mm und 1,5 mm; der Strahlmittelverbrauch beträgt 10…50 kg/m2 [8-69].

Bild 8.37: Aufbau eines Wasser-Sand-Strahlers (Quelle: WOMA Apparatebau GmbH, Duisburg)

202

8 Untergrundvorbereitung durch Strahlen mit festen Strahlmitteln

8.10 Anwendung des Strahlens mit festen Strahlmitteln 8.10.1 Grundsätzliche Anwendungen Die ZTV-ING und die RILI des DAfStb empfehlen das Strahlen mit festen Strahlmitteln grundsätzlich für die folgenden Anwendungen auf waagerechten und senkrechten Flächen [8-3], [8-4]: ◆ Entfernen der Reste von Beschichtungen und Nachbehandlungsfilmen sowie oberflächige Verunreinigungen, ◆ Entfernen von Zementschlämmen und minderfesten Schichten, ◆ Abtragen von schadhaften Beton/Betonersatz sowie Freilegen der Bewehrung (Einschränkung: in Abhängigkeit vom Druck und von der Art und Menge des Strahlmittels), ◆ Entfernen von Rostprodukten an freiliegender Bewehrung und anderen Metallteilen. Die alte RILI des DAfStb empfiehlt das Strahlen mit festen Strahlmittteln für die folgenden örtlichen und flächigen Anwendungen auf Flächen in Wannenlage, steil bis senkrecht und über Kopf [8-6]: ◆ Entfernen von minderfesten Schichten, Altbeschichtungen, Nachbehandlungsfilmen, Verunreinigungen, ◆ Abtragen von geschädigten Beton und Freilegen von Bewehrung, ◆ Ausarbeitung örtlicher Fehlstellen (mit Hand geführte Geräte).

8.10.2 Reinigen Beim Reinigen von Bauwerksoberflächen, d.h. das Entfernen von Schmutz, Farben u.a. Verunreinigungen, kommen kleinere Geräte, u.U. auch Injektorgeräte, zum Einsatz. Strahlmittelgröße und -sorte richten sich nach der Art der zu entfernenden Substanz. Das Abtragen von Beschichtungen und das Entfernen von Zementhaut erfordern etwas andere Bedingungen. In diesen Fällen werden leistungsstärkere Geräte, größere Düsendurchmesser und gröbere Strahlmittel verwendet (Bild 8.38). Einige Zusammenhänge sind in den Tabellen 8.10 bis 8.12 erfasst. Über einen großen Einsatz von Kugelstrahlgeräten bei der Instandsetzung eines Einkaufszentrums wird in [8-70] berichtet. Weitere großflächige Anwendungen sind z.B. die Bearbeitung von 6.500 m2 Betonfläche in einer IndoorKartbahn mit einer Flächenleistung von 320 m2/h, sowie die Untergrundvorbereitung von 120.000 m2 Industriefußboden für das Aufbringen eines Magnesit-Estrichs; hierbei betrug die Flächenleistung 100 m2/h. WERNER [8-71] legt

8.10 Anwendung des Strahlens mit festen Strahlmitteln

203

Tab. 8.10: Einstellparameter Druckluftstrahlsystem mit festem, feuchtem Strahlmittel. (Quelle: Torbo Engineering Keizers GmbH, Borken)

a b

Objekt/Aufgabe

Körnung in mm

Düsendurchmesser in mm

Strahlmittelmenge in l/min

Betriebsdruck in MPa

Betonsanierung elastische Beschichtung Bitumen Farbe auf Putz

0…2a 0…1a 0…2a 0…1b

10…14 10…12 10…12 10

4…6 3…4 3…4 1…3

0,8…0,8 0,5…0,8 0,5…0,8 0,2…0,8

Schlacke, Rheinsand, Fluss- und Grubensand, harte, grobe Granulate. Glasperlen, Silbersand, feine Granulate.

Tab. 8.11: Strahlmitteltabelle für das Niederdruck-Rotationsverfahren. (Quelle: Kulba Bauchemie GmbH, Ansbach) Material

Sandstein Kalksandstein Schilfsandstein Grauwacke Kalkstein Muschelkalk Tuffstein Travertin Mergel Marmor Trachyt Diabas Porphyr Nagelfluh Granit Gneis Agglomarmor Terazzo Sansteinimitation Marmorgips Porenbeton gefärbter Naturstein Waschbeton

Art der Verschmutzung oder Beschichtung Verkrustung

Mineralfarbe

Dispersionsfarbe

Lacke

Graffiti

1, 3, 2 1, 3, 2 1, 3, 2 1, 3, 2 1, 3, 2 1, 3, 2 1, 3, 2 1, 3, 2 1, 3, 2 2, 3, 1 1, 3, 2 3, 2, 1 1, 3, 2 1, 3 1, 3 1, 3 2, 3, 1 3, 2 1, 3, 2 2, 3 3, 2, 1 1, 3, 2 1, 3, 2

1, 3, 2 1, 3, 2 1, 3, 2 1, 3, 2 1, 3, 2 1, 3, 2 1, 3, 2 1, 3, 2 1, 3, 2 3, 2, 1 1, 3, 2 1, 3, 2 1, 3 1, 3 1, 3 1, 3, 2 3, 2 3, 2, 1 1, 3, 2 2, 3 1, 3 1, 3, 2 1, 3

1, 3, 2 1, 3, 2 1, 3, 2 1, 3, 2 1, 3, 2 1, 3, 2 1, 3, 2 1, 3, 2 1, 3, 2 3, 2, 1 1, 3, 2 1, 3, 2 1, 3 1, 3 1, 3 1, 3, 2 3, 2 3, 2, 1 1, 3, 2 2, 3 1, 3 1, 3, 2 1, 3

1, 3, 2 1, 3, 2 1, 3, 2 1, 3, 2 1, 3, 2 1, 3, 2 1, 3, 2 1, 3, 2 1, 3, 2 3, 2, 1 1, 3, 2 1, 3, 2 1, 3 1, 3 1, 3 1, 3, 2 3, 2 3, 2, 1 1, 3, 2 2, 3 1, 3 1, 3, 2 1, 3

1, 3, 2 1, 3, 2 1, 3, 2 1, 3, 2 1, 3, 2 1, 3, 2 1, 3, 2 1, 3, 2 1, 3, 2 3, 2, 1 1, 3, 2 1, 3, 2 1, 3 1, 3 1, 3 1, 3, 2 3, 2 3, 2, 1 1, 3, 2 2, 3 1, 3 1, 3, 2 1, 3

1: Glaspudermehl (Mohs-Härte 6–6,5). 2: Steinpudermehl (Mohs-Härte 3–3,5). 3: Calcidpuder (Mohs-Härte 3–3,5).

204

8 Untergrundvorbereitung durch Strahlen mit festen Strahlmitteln

Tab. 8.12: Strahlmittelanpassung bei der Betonbearbeitung mit Schleuderradgeräten. (Quelle: Weelabrator Corp., Newman, USA) Strahlmitteldurchmesser in mm

Anwendungen

0,43

Texturierung von Neubeton

0,58

Feine bis mittlere Textierung Untergrund für rutschfeste Versiegelungen Abstrahlen dünner Beschichtungen

0,71

Feine Profile auf Beton Abstrahlen dünner Anstriche Vorbereitung für Versiegelungen

0,84

Mittelgrobes Profil auf Beton Abtragen mehrlagiger Beschichtungen Abtragen dicker Polyurethan-Beschichtungen

1,00

Mittelgrobes bis grobes Profil auf Beton Abtragen mehrlagiger Beschichtungen Abstrahlen von Asphalt Epoxid-Profile

1,17

Grobes Profil auf Beton Betonabtrag zwischen 3 mm und 6 mm Strahlen von Asphalt Abstrahlen von Zementhaut auf neuen, groben Betonböden

Bild 8.38: Feuchtstrahlverfahren zur Untergrundvorbereitung in einem Klärwerk Strahlmittel: Grubensand 0...3 mm (Quelle: torbo Engineering Keizers GmbH, Borken)

eine Einsatzgrenze von Kugelstrahlgeräten bei Beschichtungsdicken von 0,5 mm bzw. bei Strahlmittelverbräuchen von 2 bis 3 kg/m2 fest. Eine interessante Entwicklung sind Strahlanlagen für senkrechte Flächen, die auf dem Prinzip der Bodenstrahlgeräte beruhen, jedoch zusätzlich mit einer Seilwinde ausgerüstet sind. Die Arbeitsbreite kann bis zu 200 mm be-

8.10 Anwendung des Strahlens mit festen Strahlmitteln

205

Bild 8.39: Bitumenabtrag von einer Staumauer mit Schleuderradstrahlen (Quelle: Blastrac, Köln)

tragen, womit Reinigungsleistungen an unstrukturierten Betonflächen bis 35 m2/h möglich sind [8-72]. Die bei den Bodengeräten standardisierte Filteranlage kann mitgeführt werden. Bild 8.39 zeigt das Verfahren beim Reinigen einer Betonfläche. Die Abstimmung von Strahlmittelsorte und -körnung auf die Arbeitsaufgabe (Oberflächenqualität, abzutragendes Material) und die eingesetzten Maschinengrößen ist eine wesentliche Voraussetzung für den erfolgreichen Einsatz von Schleuderstrahlmaschinen (vgl. Bild 8.18). Tabelle 8.12 enthält entsprechende Hinweise. Vor Bearbeitungsbeginn sollte die abzustrahlende Oberfläche sorgfältig untersucht werden, um zu gewährleisten, dass vorhandene Unebenheiten problemlos überfahren und lose aufliegende Verunreinigungen (oder Fremdkörper) entfernt werden können. Die Oberfläche muss trocken sein. Bei Regen oder hoher Luftfeuchtigkeit sollten Schleuderstrahlanlagen nicht eingesetzt werden, da die Gefahr der Strahlmittelkorrosion besteht.

8.10.3 Dekontaminieren Es sind Einsätze des Feuchtstrahlen bei der Brandsanierung bekannt. Nach dem Brand des Düsseldorfer Flughafens wurden ca. 1.200 m2 Betonteile, -decken und -wände sowie Ziegelflächen von Ruß befreit. Der Auftrag wurde in fünf Arbeitstagen erledigt. Es wurden ca. 9.120 kg (7,6 kg/m2) Strahlmittel verbraucht; der Wasserbedarf lag bei 5 l/m2 [8-73]. Eine weitere Anwendung ist die Reinigung kontaminierter Beton- und Ziegelflächen in stillglegten Hüttenwerken. Geschlossene Vakuumsysteme sind ebenfalls erfolgreich für den Abtrag bleihaltiger Beschichtungen von Betonflächen eingesetzt worden [8-74].

206

8 Untergrundvorbereitung durch Strahlen mit festen Strahlmitteln

In [8-75] wird über Erfahrungen beim Abtrag radioaktiv kontaminierter Oberflächenschutzsysteme mit Kugelstrahlgeräten berichtet. Bei einer Flächenleistung von 30 m2/h konnte die Beta-Gamma-Strahlung von 5.300 dpm/ 100 cm2 auf einen der Umgebungsstrahlung entsprechenden Wert von 1.500 dpm/100 cm2 reduziert werden.

8.10.4 Aufrauen Das Strahlen mit festen Strahlmitteln ist zum Aufrauen – d.h. zur Erhöhung der Traggrundrauheit – von Neubetonen geeignet. Die die Zuschläge verdeckende Zementhaut kann abgetragen und die Zuschlagoberflächen können freigelegt werden. Zum Aufrauen genutzter Betonflächen werden bevorzugt Wasser-SandStrahlen eingesetzt, die aufgrund der besseren Strahlfokusierung hohe Flächenleistungen und einen teilweisen Abtrag geschädigter Partien gewährleisten. Beim Aufrauen einer Kühlturmschale konnten z.B. Aufrauleistungen bis zu 14 m2/h erreicht werden. Weitere Ergebnisse enthält Tabelle 8.13. RIECHE [8-76] weist darauf hin, dass beim Einsatz von Kugelstrahlgeräten in Anhydrit-Estrichen größere Rautiefen erzeugt werden als in Beton oder Magnesia-Estrichen. Daher sollten Anhydrit-Estriche unter den folgenden Bedingungen gestrahlt werden: ◆ Verwendung eines Strahlmittels mit mittlerer Korngröße, ◆ hohe Vorschubgeschwindigkeit der Kugelstrahlmaschine, ◆ der Überlappungsbereich zwischen den einzelnen Bahnen sollte 1/2 Bahnbreite betragen.

Tab. 8.13: Effektivität der Betonbearbeitung mit Wasser-Sandstrahlen. (Quelle: WOMA Apparatebau GmbH, Duisburg) Aufgabe

Betriebsüberdruck in MPa

Strahlmittel

Effektivität in m2/h

Waschbeton egalisieren

30…35

0,2…1,2 mm

25…35

Waschbeton angebunden (mittlerer Zuschlag)

30…35

0,2…1,2 mm

4…8

Waschbeton angebunden (grober Zuschlag)

30…35

0,2…1,2 mm

4…6

Waschbeton frisch (mittlerer und grober Zuschlag)

30

Beton aufrauen

25…30

40 0,1…2,5

60…80

Beton von Stahlflächen abtragen

30

0,2…1,2

5…8

Spritzmörteloberfläche reinigen

38…40

0,5…1,0

20…30

8.11 Traggrundqualität

207

8.10.5 Entrosten der Bewehrung Das Entrosten sowohl nicht zu beschichtender als auch zu beschichtender Stahloberflächen mit trockenen oder feuchten Strahlmitteln ist in der RILI des DAfStb [8-4] empfohlen. Diese Vorschrift fordert außerdem: „Dazu (Normreinheitsgrad Sa2 1/2) ist Strahlentrostung mit trockenem oder feuchtem Strahlmittel erforderlich.“ Die erforderlichen Normreinheitsgrade St2 oder Sa2 bzw. Sa2 1/2 können in der Regel problemlos erreicht werden. Die ZTVING empfehlen jedoch, dass nach dem Einsatz von Feucht- bzw. Nebelstahlgeräten die Bewehrung gegebenenfalls trocken nachgestrahlt wird [8-3]. Eine Ausnahme stellen durch chloridinduzierte Lochfraß-Korrosion geschädigte Stähle dar, die mit Druckwasserstrahlen vorbehandelt werden sollten, um ein Zuschlagen der Rostnarben zu vermeiden.

8.11 Traggrundqualität 8.11.1 Reinheit Reinheit und Zustand gestrahlter Betonoberflächen sind u.a. mittels Kontaktwinkelmessungen beurteilt worden [8-39], [8-77]. Dabei wird davon ausgegangen, dass Verunreinigungen das Benetzungsverhalten von Oberflächen beeinflussen. Wasserabweisende Verunreinigungen (z.B. Fette, Öle) erhöhen z.B. den Kontaktwinkel gegenüber einer sauberen bzw. gereinigten Betonoberfläche. In diesem Fall kann der Reinigungseffekt durch Messungen des Kontaktwinkels vor bzw. nach dem Strahlvorgang beurteilt werden. Tabelle 8.14 enthält einige Ergebnisse: Bei den wasserabweisenden Verunreinigungen kann eine deutliche Reduzierung des Kontaktwinkels nach dem Druckluftstrahlen der Oberfläche nachgewiesen werden. Die Reinigungsqualität kann zusätzlich mittels pH-Wert-Messungen abgeschätzt werden. Ergebnisse dieser Methode finden sich ebenfalls in Tabelle 8.14.

8.11.2 Rauheit Die Rauheit von Betonoberflächen kann durch das Strahlen mit festen Strahlmitteln deutlich gesteigert werden. Dieser Aspekt ist u.a. von CLELAND u.a. [878] eingehend untersucht und dargestellt worden. Es wurde u.a. festgestellt, dass die Rauheit von der eingesetzten Strahlmittelsorte abhängig ist (Bild 8.40). SILFWERBRAND und PAULSSON [8-79] haben an Betonflächen nach dem Druckluftstrahlen mit festen Strahlmitteln eine durchschnittliche Rauheit von 0,4 mm ermittelt. Gemessen wurde hierbei der Durchschnittswert der 2fachen

208

8 Untergrundvorbereitung durch Strahlen mit festen Strahlmitteln

Tab. 8.14: Messungen von Kontaktwinkel und pH-Wert an unbehandelten und gestrahlten Betonflächen [8-77] Verunreinigung

Zementschlempe Milch Gemüseöl Oleinsäure Silikon Motoröl Fett Hydrauliköl Na2SiO3 Natriumchlorid Natriumhydroxid Schwefelsäure a

Kontaktwinkel in

pH-Wert

vorher a

gestrahlt b

vorhera

gestrahlt b

0…20 30…70 30…60 30…60 90…100 60…80 40…70 20…30 0 0…20 0 0

0 0 20…40 10…20 90…100 20…30 0…20 0 0 0 0 0

11,5 6,5 6,5 6,5 6,5 6,5 6,5 6,5 11,5 8,5 12,0 0

11,5 8,5 8,5 6,5 6,5 8,5 8,5 8,5 11,5 9,0 12,0 6,5

Einwirkdauer: 50 Tage; b Strahlmittel: Quarzsand.

Amplitude des Profils über eine Messlänge von 500 mm (siehe Bild 6.14). Beim Kugel- und Trockenstrahlen ist das Oberflächenprofil vom Strahlmitteldurchsatz unabhängig. Eine Steigerung des spezifischen Strahlmitteldurchsatzes (in kg/m2) um 500% führt lediglich zu einer Erhöhung der Rauheit um ca. 5% [8-80]. Das American Concrete Institute stellt fest, dass Kugelstrahlgeräte bei einem spezifischen Strahlmitteldurchsatz von 2,5 kg/m2 genügend Grobzuschlag freilegen, um einen ausreichenden Verbund mit kunststoffmodifizierten Betonersatzsystemen zu gewährleisten [8-81]. MOMBER [8-39], der das Sandflächenverfahren nach den ZTV-ING [8-3] anwandte, ermittelte an mit Druckluftstrahlen bearbeiteten Probeflächen Rauheitswerte zwischen Rt = 0,2 mm (Zementstein) und Rt = 0,8 mm (Mörtel). Werte für Betone mit verschiedenen Zuschlagkombinationen liegen zwischen diesen Grenzwerten [8-39], [8-82], [8-83]. Bild 8.41 zeigt mit einer Koordinatenmessmaschine ermittelte Oberflächenprofile der entsprechenden Oberflächen. MOMBER [8-39] nahm Kontaktwinkelmessungen an Zuschlagoberflächen, Zementsteinen, unbearbeiteten Betonproben und mit Druckluftstrahlsystemen profilierten Betonen vor. Originale Granitzuschlagoberflächen wiesen sehr kleine Kontaktwinkel (gegen 0°) auf, die sich nach dem Strahlen auf Werte zwischen 30° und 75° erhöhten. Der erhöhte Winkel wird darauf zurückgeführt, dass die erzeugte Mikrorauheit die radiale Ausbreitung der Messflüssigkeit verhindert. An Zementsteinproben sind jedoch andere Zusammenhänge nachgewiesen worden: Der Kontaktwinkel reduzierte sich, nachdem die oberste Zementleimschicht weggestrahlt worden war. Offensichtlich haben zu diesem Ergebnis die bei der Verdichtung oft zu beobachtenden Ent-

8.11 Traggrundqualität a

b

Bild 8.40: Bearbeitungsmethode, Traggrundart und Rauheitskennwerte an Beton [8-78]

209

210

8 Untergrundvorbereitung durch Strahlen mit festen Strahlmitteln

a

b

Bild 8.41: Oberflächenprofile nach dem Strahlen mit festen Strahlmitteln [8-39]: a) Beton, b) Mörtel

8.11 Traggrundqualität

211

c

d

Bild 8.41: Oberflächenprofile nach dem Strahlen mit festen Strahlmitteln [8-39]: c) Beton, d) Zementstein

212

8 Untergrundvorbereitung durch Strahlen mit festen Strahlmitteln

mischungserscheinungen an der Grenzfläche Probekörper-Form beigetragen. Diese oft poröse Schicht beeinträchtigt – offenbar durch die Ausbildung vertikal wirkender Kapillarkräfte – das radiale Ausbreiten der Messflüssigkeit.

8.11.3 Risseintrag Die geschaffenen Betontraggründe sind nach der Bearbeitung frei von neu erzeugten Rissen [8-84], [8-85]. Eine Beschädigung von Bewehrungsstählen und Einbauteilen ist ausgeschlossen. Der Eingriff der Strahlmittelpartikel erfolgt äußerst schonend, so dass Druckluftstrahlen mit festen Strahlmitteln auch an empfindlichen Natursteinfassaden zum Einsatz kommt (vgl. Bild 11.19).

8.11.4 Abreißfestigkeit Die Oberflächenzugfestigkeit gestrahlter Oberflächen überschreitet praktisch die in den Vorschriften geforderten Werte sicher [8-84] bis [8-88]. Auf Bild 8.42 und in Tabelle 8.15 sind entsprechende Messergebnisse wiedergegeben. Nach SEMET [8-89] kann durch das Strahlen mit festen Strahlmitteln ein Festigkeitsgewinn zwischen 10% und 30% (Trocken- und Feuchtstrahlen) erreicht werden. Der Einfluss der Strahlmittelsorte auf diese Verbundkennwerte ist noch umstritten. Während z.B. GLEUE [8-90] fand, dass Schmelzkammerschlacke sowohl beim Trocken- als auch beim Feuchtstrahlen zu höheren Haftzugfestigkeiten und häufigerem Adhäsionsversagen führt als Quarzsand (Bild 8.42), ermittelten OBLADEN und PUTZKA [8-86] praktisch identische Festigkeitswerte für Quarzsand bzw. Schlacke.

Tab. 8.15: Abreißfestigkeitsprüfungen an gestrahlten Betonflächen [8-88] (Aufgabe: Abtragen von Epoxidharz an einem Nachklärbecken, Vorbereitung für Oberflächenschutzsystem) PrüfNummer

a b

Strahlverfahren

Haftzugfestigkeit in MPa

Bruchbild

1 2 3 4 5

Feuchtstrahlen

2,45 2,90 2,96 2,14 1,61

100% Ba 100% B 100% B 100% B 100% B

6 7 8 9 10

Kugelstrahlen

4,63 4,65 4,65 3,12 3,75

100% B 100% B 80% B, 20% Kb 80% B, 20% K 100% B

B – Kohäsionsbruch im Beton. K – Kohäsionsbruch im Kleber (vergleiche S. 439).

8.11 Traggrundqualität

213

a

b

Bild 8.42: Verbundfestigkeiten von Beton und Reparaturmörteln [8-90]: a) Vergleich Trockenstrahlen – Feuchtstrahlen, b) Strahlmitteleinfluss beim Trockenstrahlen

214

8 Untergrundvorbereitung durch Strahlen mit festen Strahlmitteln

c

Bild 8.42: Verbundfestigkeiten von Beton und Reparaturmörteln [8-90]: c) Strahlmitteleinfluss beim Feuchtstrahlen

Dieselben Autoren zeigten auch, dass – bei praktisch identischen Werten für die Haftzugfestigkeit – die Strahlmittelsorte den Ort des Versagens während der Haftzugprüfung beeinflusst. Während bei Quarzsand als Strahlmittel ein hoher Prozentsatz des Bruchflächenanteils in der Haftzone und im Betonersatzsystem liegt, versagt das Betonersatzsystem beim Einsatz von Schlacke sehr selten. Dies trifft jedoch nur für kunststoffvergütete Reparaturmörtel zu [8-86]. Trockenstrahlen reduziert grundsätzlich die Wahrscheinlichkeit von Adhäsionsversagen, was auf gute Haftung zum Traggrund schließen lässt [8-91]. TRENDE und BUYUKOZTURK [8-87] fanden, dass ein Aufrauen von GranitZuschlägen mit Druckluftstrahlen die Bruchenergie im Grenzbereich Zementstein-Zuschlag deutlich erhöht. Vergleichbare Ergebnisse sind in [8-92] publiziert. Allerdings kann bei zu rauen Zuschlagoberflächen während des Verdichtens des Frischbetons Luft in die Grenzfläche zur Matrix gelangen und dort eingeschlossen werden. Diese zum Teil gegensätzlichen Aussagen sind im Wesentlichen den unterschiedlichen Versuchsbedingungen geschuldet und verdeutlichen darüber hinaus die Schwierigkeiten, die einer objektiven Beurteilung der verschiedenen Strahlverfahren und Strahlmittel entgegenstehen.

8.12 Arbeits- und Gesundheitsschutz beim Strahlen mit festen Strahlmitteln

215

8.12 Arbeits- und Gesundheitsschutz beim Strahlen mit festen Strahlmitteln 8.12.1 Allgemeine Hinweise Das Merkheft „Betonerhaltungs-, Bautenschutz-, Isolierarbeiten“ der Berufsgenossenschaften der Bauwirtschaft nennt die folgenden Gefahrenquellen bei Strahlarbeiten [8-93]: ◆ Schadstoffe in der Luft, ◆ hin- und herschlagende Druckschläuche, ◆ Schlauchbrüche, ◆ unkontrollierter Strahlmittelaustritt, ◆ hohe Lärmbelastung. In der BGV „Strahlarbeiten“ [8-2] wird grundsätzlich gefordert, dass auch nicht unmittelbar beteiligte Personen, die sich im Strahlbereich aufhalten, nicht gefährdet werden. Die Forderung zum Schutz gegen mechanische Gefahren ist z.B. erfüllt, wenn Strahlarbeiten im Freien in der Regel hinter einem mit Planen abgehängten Gerüst durchgeführt werden.

8.12.2 Lärm Das Strahlen mit festen Strahlmitteln beinhaltet zahlreiche Lärmquellen, unter anderem das Strahlkesselentlüftungsventil sowie den aus der Düse austretende Freistrahl selbst. Da in den meisten Arbeitssituationen beim Freistrahlen mit einer Geräuschbelastung oberhalb von 104 dB(A) zu rechnen ist, wird empfohlen, generell Gehörschutzstöpsel zu benutzen [8-94]. Lärmmessungen an Nassstrahlanlagen im Druckbereich von 0,4 MPa ergaben einen Beurteilungspegel von 106 dB(A) am Ohr des Bedienenden [8-95]. Bild 8.43 gibt an Freistrahlanlagen durchgeführte Messungen wieder. Mit zunehmendem Betriebsüberdruck, und somit zunehmender Relativgeschwindigkeit zwischen Freistrahl und Umgebungsluft, steigt der Schalldruckpegel linear an. Die UVV „Lärm“ [8-97] legt fest, dass der Arbeitgeber bei einem Schallpegel > 85 dB(A) persönliche Schallschutzmittel zur Verfügung zu stellen hat. Dieser Wert wird auch beim geringsten Betriebsüberdruck (0,2 MPa) überschritten. Allerdings kann durch die Verwendung höherwertiger und effektiverer Strahlmittel eine Reduzierung der Geräuschemission um etwa 5 dB erreicht werden. Bild 8.44 enthält typische, beim Einsatz von Strahlverfahren an Baustellen gemessene Lärmpegel.

216

8 Untergrundvorbereitung durch Strahlen mit festen Strahlmitteln

Bild 8.43: Ergebnisse von Lärmmessungen an Freistrahlanlagen [8-96]

a

Bild 8.44: Ergebnisse von Lärmmessungen im Baustellenbetrieb [8-98]: a) Trockenstrahlen einer Stahltragkonstruktion mit Dach

8.12 Arbeits- und Gesundheitsschutz beim Strahlen mit festen Strahlmitteln

217

b

c

Bild 8.44: Ergebnisse von Lärmmessungen im Baustellenbetrieb [8-98]: b) Feuchtstrahlen einer Sichtbetonfassade, c) Kugelstrahlen einer Stahlhochstraße

218

8 Untergrundvorbereitung durch Strahlen mit festen Strahlmitteln

8.12.3 Mechanische Schwingungen Untersuchungen zu Hand-Arm-Schwingungen sind in [8-99] publiziert. Die gemessenen Beschleunigungswerte lagen für eine 4-Stunden-Schicht bei 2,3 bis 3,5 m/s2 und für eine 7-Stunden-Schicht zwischen 3,1 und 4,6 m/s2. Maximale Werte von 10,8 m/s2 wurden an der „Düsenhand“ von Strahlern gemessen.

8.12.4 Staubemission Ein sichtbares ergonomisches Problem beim Druckluftstrahlen mit trockenen Strahlmitteln ist die Staubbildung. Die ZTV-ING und die RILI des DAfStb legen beim Strahlen mit trockenen Strahlmitteln fest, dass ein Staubschutz erforderlich ist und die Gefahrstoffverordnung beachtet werden muss [8-3], [8-4]. Entscheidend ist allerdings nicht die Menge des frei werdenden Staubes, sondern seine stoffliche und Korngrößenzusammensetzung. Besonders kritisch sind gesundheitsgefährliche mineralische Stäube: ◆ silikogener Staub, ◆ Feinstaub, der Asbest enthält. Silikogener Staub ist Feinstaub, der 1% seines Gewichts oder mehr an freier kristalliner Kieselsäre enthält. Zu den freien kristallinen Kieselsäuren wird u.a. Quarz gezählt. Als überwiegend hochquarzhaltig werden Materialien angesehen, die 50 Masse% oder mehr freie Kieselsäure aufweisen. Dazu gehören die Baustoffe Beton und Naturstein. Beim Trockenstrahlen von Beton mit Quarz muss mit einer über 800fachen Überschreitung der zulässigen maximalen Arbeitsplatzkonzentration gerechnet werden. Auch der Einsatz eines quarzfreien Strahlmittels führt zu einer beinahe 200fachen Überschreitung (Bild 8.45), wobei der Umfang der Staubbildung u.a. von den eingesetzten Strahlmitteln bestimmt wird [8-101]. Liegen diese Bedingungen vor, müssen die folgenden Schutzmaßnahmen getroffen werden: a) Für das Freistrahlen: ◆ Atemschutzgeräte für Strahlarbeiten (vgl. Bild 8.46) ◆ Schulter und Körper bedeckende Prallschutzkleidung, ◆ Schutzhandschuhe, ◆ Schutzschuhe. b) Für das Freistrahlen, wenn mindergiftige, giftige, sehr giftige, krebserzeugende, fruchtschädigende oder erbgutverändernde Stoffe freigesetzt werden können: ◆ glatte und reißfeste einteilige Schutzanzüge (Kombinationsanzüge) in Verbindung mit Atemschutzgeräten für Strahlarbeiten, – die Kombinationen müssen belüftbar sein und dürfen an der Außenseite keine Taschen haben,

8.12 Arbeits- und Gesundheitsschutz beim Strahlen mit festen Strahlmitteln

219

Bild 8.45: Staubbildung beim Druckluftstrahlen [8-100]

– die Atemluftversorgung muss so eingerichtet sein, dass eine ausreichende und zuträgliche Luftversorgung auch bei Unterbrechung der Frischluftzufuhr sichergestellt ist, ◆ Schutzhandschuhe, ◆ Schutzschuhe. Arbeitnehmer dürfen nicht länger als täglich 8 Stunden und wöchentlich nicht länger als 40 Stunden den Einwirkungen von silikogenem Staub ausgesetzt sein, unabhängig davon, ob Schutzausrüstungen benutzt werden. Beim Trockenstrahlen können bereits nach 60 Minuten die Grenzwerte für die Akkumulation von Arsen und Blei überschritten werden [8-102]. Die Staubemission kann generell durch den Einsatz sogenannter Feucht-, Nass- und Nebelstrahlgeräte reduziert werden [8-103]. Bild 8.47 zeigt entsprechende Ergebnisse von Feinstaubmessungen. Deutlich wird, dass die Feinstaubkonzentration mit der Abtragsleistung der Strahlgeräte zunimmt, in den meisten Fällen ist dieser Anstieg überproportional. Weiterhin hängt die Feinstaubbildung vom Wassergehalt der Verfahren ab. Zwar kann die Feinststaubkonzentration gegenüber dem Trockenstrahlen grundsätzlich deutlich reduziert werden, und zwar um 50 bis 69%, beim Einsatz von Schlämmstrahlen auf Beton sogar um 88% [8-67]. Daher empfehlen die ZTV-ING für das Nebelstrahlen: „Staubschutz kann entfallen“ [8-3]. Dennoch: selbst Verfahren mit einem hohen Wassergehalt (20%) führen immer noch zu einer 4fachen

220

8 Untergrundvorbereitung durch Strahlen mit festen Strahlmitteln

Bild 8.46: Sicherheitsausrüstung für Strahlarbeiten (Quelle: Clemco International GmbH, Siegertsbrunn)

(quarzfreies Strahlmittel) bzw. 135fachen Überschreitung (Quarz) der zulässigen maximalen Arbeitsplatzkonzentration. Eine „Handlungsanleitung druckluftbeschleunigter Strahlmittel“ gibt Hinweise zur Auswahl einer notwendigen persönlichen Schutzausrüstung in drei Kategorien in Abhängigkeit von folgenden Kennwerte [8-104]:

8.12 Arbeits- und Gesundheitsschutz beim Strahlen mit festen Strahlmitteln

221

Bild 8.47: Ergebnisse von Feinstaubmessungen an Feuchtstrahlgeräten [8-100], Kiesbeton C35/ 45, Quarzsand 0,6...0,8 mm

◆ verwendetes Strahlmittel, ◆ verwendetes Strahlgut, ◆ eingesetzte Strahltechnik, ◆ zu erwartende MAK-Überschreitung. Tabelle 8.16 beinhaltet die Ergebnisse von Staubmessungen an Wasser-SandStrahlern während der Bearbeitung von Beton. Es ist deutlich, dass die vorgeschriebenen Grenzwerte sicher unterschritten werden.

Tab. 8.16: Staubmessungen an Wasser-Sand-Strahlen (Quelle: MKBG, 1971) Messobjekt

Entrosten eines Bitumentanks Abtrahlen eines Betonsilos

Abrasivverbrauch in kg/min

ca. 10 ca. 10

Staubkonzentration C < 5 µm in mg/m3 gemessen

Grenzwert

0,283 0,186

2,2 2,2

Quarzanteil < 5 µm in M.-%

20 20

222

8 Untergrundvorbereitung durch Strahlen mit festen Strahlmitteln

8.12.5 Totmannschaltungen Ein weiteres Problem stellt das Verletzungspotential ungeführter Druckluftstrahlen mit festen Strahlmitteln dar, das entsteht, wenn die Düse nicht mehr fest in der Hand gehalten werden kann (z.B. unbeabsichtigtes Loslassen infolge Ohnmacht, Stolpern). Typische Verletzungen in diesem Fall sind Verlust von Hautpartien und nicht mehr zu entfernendes, durch die Haut eingedrungenes Strahlmittel [8-105], [8-106]. Darüber hinaus können Körperprellungen und Blutergüsse durch Schläge der frei beweglichen Düse auftreten. Die BGV [8-2] legt daher fest: „Der Unternehmer hat dafür zu sorgen, dass bei der Verwendung von Hand gehaltener Strahleinrichtungen kein Strahloder Druckmittel aus der Strahlmittelaustrittsdüse nach dem Loslassen der Betätigungseinrichtung austreten.“ Diese Forderung ist z.B. erfüllt, „wenn beim Loslassen die Befehlseinrichtung selbsttätig in die Ausgangsstellung zurückgeht, die Nachströmzeit auf eine Sekunde begrenzt ist und Gefahren, die bei einer Druckentlastung auftreten können, vermieden sind.“ Druckluftstrahleinrichtungen, die von Hand gehalten werden, müssen daher mit einer Betätigungseinrichtung unmittelbar an der Strahlmittelaustrittdüse ausgerüstet sein, die beim Loslassen selbständig einen weiteren Austritt von Strahlmitteln verhindern. Eine derartige Einrichtung wird in der Regel als Totmannschaltung bezeichnet und in verschiedenen Varianten auf dem Markt angeboten. Prinzipiell können elektrisch und pneumatisch angesteuerte Varianten unterschieden werden. Eine Sonderlösung besteht darin, dass eine Induktionsschleife im Handschuh des Strahlers installiert ist. Zusammen mit einem besonders präparierten Schlauchende bewirkt diese Einrichtung, dass der Strahlvorgang nur stattfindet, solange der Schlauch umfasst bleibt [8-105] bis [8-107].

8.13 Entsorgung 8.13.1 Verwertung bzw. Entsorgung von Strahlschutt Beim Strahlen mit festen Strahlmitteln fällt Strahlschutt an, der aus „durch das Strahlen unbrauchbar gewordenem Strahlmittel und den beim Strahlen abgetragenen Stoffen“ besteht [8-2]. Bezüglich der abgetragenen Stoffe wies die alte RILI des DAfStb darauf hin, dass bei „Verunreinigungen von Beton mit artfremden Stoffen ggf. das Abfallgesetz § 2 Abs. 2 zu beachten“ ist [8-6]. Der Strahlschutt muss nach Abschluss der eigentlichen Strahlarbeiten aufgesammelt und abtransportiert werden. Wie Bild 8.48 zeigt, ist dies mit einem erheblichen Zeitaufwand verbunden. Der Arbeitsschritt entfällt, wenn mit geschlossenen Verfahren gearbeitet wird. Gemäß Abfallgesetz (AbfG) [8-99] und Bundesimmisionsschutzgesetz [8107] sind Strahlschutte vorrangig zu verwerten. Zur Zeit werden für die unter-

8.13 Entsorgung

223

Bild 8.48: Aufwand für das Sammeln von festen Strahlmitteln nach dem Strahlvorgang (Quelle: WOMA GmbH, Duisburg)

schiedlichen Strahlschutte insbesondere folgende Verwendungsmöglichkeiten angewandt [8-108]: ◆ Kupferhüttenschlacke: – durch Verhüttung, sofern der Gehalt an Eisen im Strahlschutt mindestens 50% beträgt. ◆ Schmelzkammerschlacke: – durch Verwendung als Zuschlag bei Bergversatz im Salz- oder Steinkohlenbergbau, – als Zuschlagstoff für die Herstellung von Asphalttragschichten im Straßenbau, bisher jedoch in eng begrentzem Umfang (Tabelle 8.17). ◆ metallische Mehrwegstrahlmittel: – bei Strahlschutten aus metallischen Mehrwegstrahlmitteln ist bisher eine Verwertungsmöglichkeit nicht bekannt. Ist eine Verwertung nicht möglich, muss der Strahlschutt den gesetzlichen Auflagen entsprechend entsorgt werden. Die Entsorgungskosten liegen je nach Strahlmittelsorte und Kontaminationsgrad bei bis zu mehreren hundert € pro Tonne.

224

8 Untergrundvorbereitung durch Strahlen mit festen Strahlmitteln

Tab. 8.17: Grenzwerte in Strahlschutten für Zuschläge in Asphalttragschichten (Quelle: Stadt Duisburg) Kennwert/Stoff

Grenzwert

Eluat (mg/kg)

pH-Wert elektr. Leitfähigkeit Cr Fe Ni Pb Zn Phenolindex PAK (TVO) AOX

6…10 50 mS/m 1,5 20 2 7 100 0,5 0,05 1

Feststoff (mg/kg)

EOX Kohlenwasserstoff PAK (TVO)

10 100 3

8.13.2 Entsorgung von Wasser Beim Einsatz von Feucht- oder Nebelstrahlgeräten sowie von Wasser-SandStrahlern muss die ordnungsgemäße Behandlung bzw. Entsorgung des eingesetzten Wassers beachtet werden. Die alte RILI des DAfStb wies darauf hin, dass bei diesen Verfahren mit dem Anfall von Wasser und/oder Schlamm zu rechnen ist [8-6]. Tabelle 8.18 enthält Untersuchungsergebnisse eines bei der Anwendung des Niederdruckrotationswirbel-Verfahrens angefallenen Abwassers. Tab. 8.18: Abwasserprobe nach der Anwendung des Niederdruckrotationswirbel-Verfahrens. (Quelle: Inst. für Umweltschutz und Wasseruntersuchungen, Ingolstadt) Schadstoff in mg/l

Konzentration

Blei Cadmium Kupfer Nickel Quecksilber AOX 1.1.1.-Trichlorethan Trichlorethan Trichlormethan Tetrachlorethen Absetzbare Stoffea CSBa Kohlenwasserstoffea Cyanid, gesamta Phenole, gesamta

0,49 < 0,005 < 0,10 0,22 < 0,10 < 0,001 2,06 < 0,001 < 0,001 < 0,001 2,5 173,0 0,5 < 0,01 0,12

Alle Stoffe liegen unterhalb der maßgebenden Schwellwerte für eine Direkteinleitung. a Unterhalb der Richtwerte zur Direkteinleitung in öffentliche Kanalisation.

8.14 Effektivität und Kosten

225

8.14 Effektivität und Kosten 8.14.1 Effektivität Die Effektivität von Strahlverfahren ist in der Regel hoch, wenn es um das Abtragen dünner Oberflächenschutzsysteme oder das Freilegen von Zuschlägen geht. Dabei hängt die Effektivität bei Druckluftsystemen von allem von Betriebsüberdruck, Düsendurchmesser und den Kennwerten des eingesetzten Strahlmittels ab. Typische Werte liegen zwischen 10 und 35 m2/h. Auch die exakte Auslegung des Gesamtsystems (Kompressorgröße, Strahlkessel, Schlauchlänge und -durchmesser, Verbindungsarmaturen, Düsendurchmesser und -form, Strahlmittel) bestimmt die Leistungsfähigkeit der Anlage entscheidend (Bild 8.49). Für Kugelstrahlgeräte wird eine Flächenleistung von 140 m2/ h als Richtwert für Betonoberflächen angegeben [8-81]. Die Bilder 8.50 und 8.51 verdeutlichen die Abhängigkeit der Reinigungsleistungen von Strahlgeräten an Betonen von den verfahrenstechnischen Parametern der Geräte.

8.14.2 Kosten Auch für das Strahlen mit festen Strahlmitteln gilt, dass Kostenkalkulationen nur am konkreten Objekt vorgenommen werden können. Generell gilt für die Gesamtkosten von Strahlarbeiten [8-110]: KGes = K1 + K2 + K3 + K4 + K5 .

(8.12)

Eine entscheidende Rolle für die Personalkosten (K1) spielt die Objektgröße. Auch die Kosten für Einhausung/Baustelleneinrichtung (K2) werden von der Objektgröße, darüber hinaus aber auch von der Wahl des Strahlmittels bestimmt. Die Verwendung von Mehrwegstrahlmitteln kann diesen Kostenanteil wesentlich reduzieren (Bild 8.52). Die Nebenkosten für Energie und Transport (K3) betragen etwa 10% der Personalkosten (bei Einwegstrahlmitteln) bzw. 100% der Personalkosten (bei Mehrwegstrahlmitteln). Die Kosten für die Strahlmittel (K4) und für die Entsorgung (K5) ergeben sich aus Typ und Sorte des verwendeten Strahlmittels sowie aus dem Kontaminationsgrad. SINDT et al. geben als Richtwerte für die Kosten bei der Bearbeitung von Betonflächen mit Strahlverfahren an [8-111]: ◆ Trockensandstrahlen (mit Strahlmittelerfassung): ◆ Feuchtstrahlen (mit Strahlmittelerfassung): ◆ Vakuumstrahlen: ◆ Schleuderradstrahlen: (Bodengerät, große Fläche):

10…40 €/m2, 10…40 €/m2, 18 €/m2, 6…8 €/m2.

226

8 Untergrundvorbereitung durch Strahlen mit festen Strahlmitteln

Bild 8.49: Effektivität der Betonbearbeitung mit Druckluft-Anlagen [8-109]

Bild 8.50: Anschlussleistung und Reinigungseffektivität von Schleuderradanlagen (Quelle: Wheelabrator Corp., Newman, USA)

8.14 Effektivität und Kosten

227

Bild 8.51: Reinigungsleistung, Strahlmitteltyp und Strahlmittelverbrauch beim Dekontaminieren mit Vakuum-Druckluftstrahlen (Quelle: Surface Decon Corporation)

Bild 8.52: Einfluss von Objektgröße und Strahlmittel auf die Kostenstruktur beim Druckluftstrahlen [8-110]

228

8 Untergrundvorbereitung durch Strahlen mit festen Strahlmitteln

8.15 Literatur [8-1]

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9 Untergrundvorbereitung mit Druckwasserstrahlen

9.1 Definitionen und Einordnung 9.1.1 Definitionen Das Bearbeitungsverfahren Druckwasserstrahlen hat sich von einer Alternativlösung für begrenzte Aufgabenstellungen zu einem Werkzeug entwickelt, das im Bauwesen, insbesondere im Bereich der Bauwerksinstandsetzung, zum Stand der Technik gezählt wird [9-1] bis [9-3]. Die ZTV-ING [9-4] als auch die RILI des DAfStb [9-5] empfehlen das Verfahren ausdrücklich für die Vorbereitung von Betontraggründen. Der Begriff Druckwasserstrahl ist nicht exakt definiert, was durchaus zu Konflikten in der Ausschreibungspraxis führen kann. In den ZTV-ING wird als Druckwasserstrahlen das Arbeiten mit Betriebsüberdrücken ≥ 80 MPa definiert, während die RILI des DAfStb von Hochdruckwasserstrahlen dann spricht, wenn ein Betriebsüberdruck von ≥ 60 MPa eingestellt ist. Die Variante Hoch operiert mit niedrigeren Drücken! In Schrifttum und Praxis haben sich die Bezeichnungen Hochdruck-Wasserstrahl-Technik oder Jet Cutting etabliert. Der Begriff Jet Cutting bezieht sich aber zunehmend auf den Einsatz im Indoor-Betrieb, wo klassische Schneidaufgaben gelöst werden, insbesondere in der Leicht-, Fahrzeug-, Flug- und Raumfahrtindustrie sowie beim Lohnschneiden [9-6]. In der DIN 8200 [9-7] wird das Verfahren als Druckflüssigkeitsstrahlen bezeichnet, d.h. „das Strahlen geschieht mit einem Druckwasserstrahl. Der Flüssigkeit können Strahlmittel, Inhibitoren und Reinigungsmittel beigegeben werden“. MOMBER [9-1] hat als Basis für eine Unterteilung von Druckwasserstrahlen die folgenden Kriterien festgelegt (Bild 9.1): ◆ Druckbereich, ◆ Strahlmittel, ◆ Belastungsdynamik.

9.1.2 Druckbereiche Louis [9-6] hat eine Einteilung des Druckbereiches nach den Möglichkeiten der Erzeugung und den technischen Möglichkeiten der erzeugten Druckwas-

236

9 Untergrundvorbereitung mit Druckwasserstrahlen

Bild 9.1: Einteilung von Druckwasserstrahlen [9-1]

serstrahlen in Niederdruck und Hochdruck vorgeschlagen. NiederdruckWasserstrahlen werden nach dieser Definition durch Plungerpumpen, Hochdruck-Wasserstrahlen hingegen mittels Druckübersetzern erzeugt. Der Begriff Höchstdruck-Wasserstrahlen, der gerade im Bauwesen oft verwendet wird, hätte nach dieser Definition keinen technischen Sinn. Im Grunde können alle bautechnisch interessanten Druckbereiche (10…300 MPa) durch Plungerpumpen abgedeckt werden. Die folgende Einteilung hat sich im Sprachgebrauch der Anwender von Druckwasserstrahl-Technik weitgehend durchgesetzt: ◆ Niederdruck-Wasserstrahlen: ◆ Hochdruck-Wasserstrahlen: ◆ Höchstdruck-Wasserstrahlen: (Ultra-Hochdruck-Wasserstrahlen)

20…70 MPa (200…700 bar), 70…170 MPa (700…1.700 bar), > 170 MPa (1.700 bar).

Diese Druckbereiche unterscheiden sich deutlich von den in den Vorschriften definierten Werten.

9.1.3 Strahlmittel Als Strahlmittel gelangt Wasser zur Anwendung. Unter gewissen Bedingungen werden den Strahlen Zusatzmittel beigemischt. Diese Zusatzmittel können nach ihrer Löslichkeit unterschieden werden. Lösliche Zusätze werden als Additive oder Inhibitoren bezeichnet. Für Wasserstrahlen, denen feste, unlösliche Zusatzstoffe zugemischt sind, hat sich die Bezeichnung Abrasiv-Druckwasserstrahlen (ADW) eingebürgert.

9.2 Erzeugung und Aufbau von Druckwasserstrahlen

237

9.1.4 Belastungsregime Nach der Belastungsdynamik können kontinuierliche und diskontinuierliche Druckwasserstrahlen unterschieden werden [9-8]. Aus praktischer Sicht muss jeder Wasserstrahl der Gruppe der diskontinuierlichen Strahlen zugeordnet werden, da im Verlauf der Strahlerzeugung unvermeidbare Diskontinuitäten, wie Druckschwankungen und Strahlzerfall, entstehen. Es können aber alle Strahlen, die als Ergebnis gezielter technischer Manipulationen einen Werkstoff wechselnd belasten, als diskontinuierliche Druckwasserstrahlen, unbeeinflusste Strahlen hingegen als kontinuierliche Druckwasserstrahlen bezeichnet werden. Die Erzeugung und die Anwendung von Abrasiv-, Additiv- und diskontinuierlichen Wasserstrahlen im Zusammenhang mit der Bearbeitung von Beton sind in [9-1] bis [9-3], [9-9] ausführlich diskutiert.

9.2 Erzeugung und Aufbau von Druckwasserstrahlen 9.2.1 Geschwindigkeit und kinetische Energie Druckwasserstrahlen werden in Düsen erzeugt. Im Verlauf der Beschleunigung eines Flüssigkeitsvolumens wird potentielle (Strömungs-) Energie in kinetische (Strahl-)Energie umgewandelt. Durch Anwendung des Bernoullischen Energieerhaltungssatzes und die Annahme bestimmter Randbedingungen kann die Geschwindigkeit eines Wasserstrahls mittels Gleichung (9.1) errechnet werden [9-1]. w0 = mD ·

冑

94 2 · p0 93 rW

(9.1)

Die kinetische Energie eines Druckwasserstrahles ergibt sich dann zu 3 1,5 · · w 2 · t a · m3 · 3 m W 0 D ÷ 2 · p · d 0 · p0 ES = 00 = 00004 , 2 4 · ÷3 rW · v

(9.2)

mit t = v/do. Die Größe der kinetischen Energie, die als der entscheidende physikalische Kennwert eines Wasserstrahles angesehen werden muss, wird demnach von den Parametern Betriebsüberdruck (p0), Düsendurchmesser (d0) und Vorschubgeschwindigkeit (v) bestimmt. Darüber hinaus muss beachtet werden, dass die Düsengeometrie, d.h. der innere Aufbau des Düsenkörpers, Energie und Struktur von Wasserstrahlen entscheidend beeinflusst. Die Effektivitätswerte a und mD sind von den genannten Kennwerten abhängig, weshalb die Ermittlung der Strahlenergie nur überschlägig vorgenommen werden kann. Einige Beziehungen sind auf Bild 9.2 dargestellt, weitere Zusammenhänge finden sich in [9-1], [9-2].

238

9 Untergrundvorbereitung mit Druckwasserstrahlen

Bild 9.2: Staudruckverteilung als Funktion von Düsengeometrie und relativem Düsenabstand s/do [9-10]

9.2.2 Strahl-Rückstoßkräfte Die Kenntnis der wirkenden Strahlrückstoßkräfte ist notwendig, um Trägergeräte für Wasserwerkzeuge konstruktiv auslegen zu können. Darüber hinaus existieren Grenzwerte der Rückstoßkraft für handgehaltene Werkzeuge [9-11], die im Bild 9.3 wiedergegeben sind. Die Rückstoßkraft eines austretenden Hochdruck-Wasserstrahles kann unter Zugrundelegung des Impulserhaltungssatzes wie folgt überschlägig errechnet werden: · FR = 0,233 · Q · ÷3 p.

(9.3)

Für Gleichung (9.3) sind die folgenden Maßeinheiten zu verwenden: FR in N, · Q in l/min und p in bar.

9.2.3 Struktur von Flüssigkeits-Freistrahlen Aus Düsen austretende Flüssigkeitsstrahlen werden oft als Freistrahlen bezeichnet. Im vorliegenden Fall handelt es sich um in Luft austretende Wasserstrahlen – ausgesprochen instabile Gebilde, die sich in ständiger Wechselwirkung mit dem Umgebungsmedium befinden. In Abhängigkeit von der Strahl-

9.2 Erzeugung und Aufbau von Druckwasserstrahlen

239

Bild 9.3: Rückstoßkräfte von Druckwasserstrahlen [9-12]

Düse

Bild 9.4: Struktur eines in Luft austretenden Wasser-Freistrahles [9-16]. Foto: BGMR, RWTH Aachen

240

9 Untergrundvorbereitung mit Druckwasserstrahlen

geschwindigkeit können drei Zerfallsmechanismen unterschieden werden: Zertropfen, Zerwellen und Zerstäuben. Alle Annahmen über die Struktur von in Luft austretenden Wasserfreistrahlen beruhen auf den Untersuchungen von [9-13] bis [9-16]. Danach können in Strahlrichtung (axial) die auf Bild 9.4 dargestellten drei Bereiche angenommen werden. Im Kernbereich sind die Strömungsmerkmale, insbesondere der Staudruck, nahezu konstant. In einem sich anschließenden Hauptbereich bildet sich ein ausgesprägtes Staudruckprofil heraus, und es kommt zu einer Reduzierung des Staudruckes auf der Strahlachse. Dem Hauptbereich schließt sich ein technisch uninteressanter Endbereich an, in dem kein zusammenhängender Strahlanteil mehr existiert. Bemerkt werden muss weiterhin, dass sich der aus Wasser und Luft bestehende Freistrahl mit zunehmender Lauflänge radial aufweitet (Bild 9.4).

9.3 Materialbeanspruchung und Abtragsmechanismus 9.3.1 Beanspruchungsmodell Hinter jeder Beanspruchung durch einen Druckwasserstrahl verbirgt sich eine Kombination aus statischen und dynamischen Anteilen. Die Gesamtbeanspruchung muss darüber hinaus als Summe aus mehreren Einzelereignissen verstanden werden, zu denen insbesondere Tropfenschlag, Staudruckeinwirkung, Erosion, Kavitation und Abrasion gezählt werden können. Diese Mechanismen sind in [9-1], [9-17] bis [9-19] ausführlich besprochen. Die Modellvorstellung von MOMBER [9-20] bis [9-23] basiert auf vergleichenden Quecksilberporosimetriemessungen, in deren Ergebnis im Beton die schrittweise Herausbildung eines Mikrorissnetzes während der Belastung mit Wasserstrahlen festgestellt worden war. Offenbar dringt die unter hohem Druck stehende Flüssigkeit in vorhandene Fehlstellen ein, insbesondere in den Bereich zwischen Zementstein und Zuschlag. Die auf die Rissflanken wirkenden Kräfte bzw. die sich ergebenden Spannungen sind letztendlich die Ursache des lokalen Materialversagens. Erreichen z.B. die Spannungen an einer Rissspitze eine kritische Intensität, wird der entsprechende Riss aufgeweitet. Wirken diese Mechanismen hinreichend lange, so dass es zum Aufeinandertreffen mehrerer Risse kommt, brechen Betonpartikel aus der Struktur, und es ist ein erster Materialabtrag zu verzeichnen. Die Summe derartiger kleiner Abträge erscheint dann als makroskopischer, vergleichsweise großer Materialausbruch (Bild 9.5). Der Vorgang weist, wie auch das Strahlen mit festen Strahlmitteln, einen starken Zufallscharakter auf. Neuere Untersuchungen [9-21] beruhen daher auf statistischen Methoden. Eine Modellvorstellung für das Abtragen von Beschichtungen mit Wasserstrahlen ist in [9-24] entwickelt worden (Bild 9.6).

9.3 Materialbeanspruchung und Abtragsmechanismus

241

Bild 9.5: Modell des Betonabtrages mit Druckwasserstrahlen [9-21]

Bild 9.6: Modell der Wasserstrahl-Reinigung [9-24]

9.3.2 Materialwiderstand Obgleich die alte RILI des DAfStb schreibt: „Die Leistung (Abtragstiefe) ist abhängig von der Betonfestigkeit“ [9-25], lässt, wie Bild 9.7a verdeutlicht, die Standardkenngröße Druckfestigkeit keine eindeutige Beurteilung der Abtragseffektivität von Wasserstrahlen zu. WERNER [6-26] fand diesen Zusammenhang auch hinsichtlich der Zugfestigkeit. Er stellte demgegenüber fest, dass die Kerbtiefe in Betonen mit zunehmender Bruchzähigkeit linear abnimmt (Bild 9.7b). Diese Tendenz bestätigt Überlegungen von [9-20], [9-21], [9-22], wonach der Abtrag von Beton durch Druckwasserstrahlen ein bruchmechanisch determinierter Vorgang ist. In den USA gesammelte Erfahrungen weisen darauf hin, dass für den Betonabtrag ein Betriebsüberdruck eingestellt werden sollte, der etwa den 3,5fachen Wert der Betondruckfestigkeit erreichen muss [9-27]. MOMBER [9-28] und MOMBER und KOVACEVIC [9-29] haben versucht, einen Zusammenhang zwischen dem Versagen eines Betons im Zylinderdruckver-

242

9 Untergrundvorbereitung mit Druckwasserstrahlen

a

b

Bild 9.7: Widerstand von Beton gegen Druckwasserstrahlen: a) Druckfestigkeit [9-26], b) Bruchzähigkeit [9-26]

9.3 Materialbeanspruchung und Abtragsmechanismus

243

c

Bild 9.7: Widerstand von Beton gegen Druckwasserstrahlen: c) Bruchprozesszone [9-31]

such und seinem charakteristischen Verhalten beim Flüssigkeitsstrahlverschleiß herzustellen. Beim Druckversuch wurden die folgenden beiden Typen Typ 1 und Typ 2 unterschieden, die wie folgt charakterisiert werden können [9-30]: Beurteilung

Typ 1

Typ 2

Wie zerbrach der Probekörper?

langsam (Zerbröckeln)

plötzlich (Zerspringen)

Anzahl und Geometrie der Hauptbruchstücke?

zwei rotationssymmetrische Hauptkörper

mehrere, unregelmäßige Hauptkörper

Charakterisierung der Bruchstückoberfläche?

freigelegte Zuschläge

Zuschlagbruch

Verteilung und Geometrie der Nebenbruchstücke?

viel Kleingut, abgerundet, breite Verteilung

wenig Kleingut, spitz und unregelmäßig

Beide Grundtypen können für die Beurteilung des Abtraggeschehens bei der Wasserstrahl-Bearbeitung herangezogen werden.

244

9 Untergrundvorbereitung mit Druckwasserstrahlen

Ein Beton Typ 1 zeigt die folgenden Merkmale [9-28]: ◆ Vorherrschender Abtragsmechanismus ist das Herausspülen der Zementmatrix. Die Zuschläge werden kornrundend freigelegt. ◆ Die erzeugte Oberfläche ist sehr uneben; der Abtrag ist unregelmäßig. ◆ Die Oberfläche zeigt fast ausschließlich ungebrochenes, freigelegtes Zuschlagkorn. ◆ Die Verschleißpartikel sind vergleichsweise klein und regelmäßig. ◆ Die Abtragstiefe ist groß, die Abtragsrate jedoch vergleichsweise gering. ◆ Der Versatz muss klein eingestellt werden, damit keine Rippen zwischen den Abtragsnuten stehen bleiben. Ein Beton Typ 2 zeigt die folgenden Merkmale [9-28]: ◆ Vorherrschender Abtragsmechanismus ist die kornbrechende Zerstörung der Gesamtstruktur. ◆ Die Oberfläche ist vergleichsweise eben; der Abtrag erfolgt regelmäßig. ◆ Die Oberfläche zeigt fast ausschließlich gebrochenes, freigelegtes Zuschlagkorn. ◆ Die Verschleißpartikel sind groß, weniger zahlreich und unregelmäßig. ◆ Die Abtragstiefe ist gering, die Abtragsrate jedoch vergleichsweise hoch. ◆ Der Versatz kann groß eingestellt werden, da wegen der breiten Abtragsnuten keine Rippen stehen bleiben. Zu Typ 1 gehören Betone mit hohem Wasserzementwert, feinem naturgerundeten Zuschlag oder Zuschlag aus Naturkies; zu Typ 2 zählen hingegen Betone mit geringem Wasserzementwert, grobem gebrochenen Zuschlag oder Zuschlag aus Kalkstein. Ergebnisse von Werner [9-26], der den Einfluss der Zuschlag-Sieblinie auf den Betonwiderstand gegen Hochdruck-Wasserstrahlen untersuchte, führten zu vergleichbaren Resultaten: Je gröber die Kornverteilung der Zuschläge bei vergleichbarer Druckfestigkeit und identischem Zuschlagmaterial, desto höher die Abtragsrate. Lediglich bei vergleichsweise feinem Zuschlagkorn (Sieblinie A/B4) kann eine eindeutige Abhängigkeit zwischen Druckfestigkeit und Abtragsrate festgestellt werden. MOMBER [9-31] hat vorgeschlagen, die charakteristische Länge von Betonen – einen Kennwert, der proportional zur Länge der Bruchprozesszone im Beton ist, und Druckfestigkeit und Größtkorn miteinander verbindet – zur Beurteilung der Abtragseffektivität zu nutzen. Der vorgeschlagene Widerstandskennwert steht mit der Abtragsrate im folgenden Zusammenhang: 150 · dZ + 1200 · VM ~ LCH = 000 . sD0,3

(9.4)

Je geringer der Wert für LCH, desto größer der Materialwiderstand. Bei vergleichbarer Druckfestigkeit sinkt der Widerstand mit zunehmendem Größtkorn; eine Tendenz, die durch Messungen von Werner [9-26] bestätigt wird.

9.4 Einfluss wichtiger Betriebsparameter

245

Der Kennwert LCH kann vergleichsweise einfach vor Ort aus Ergebnissen von Bohrkernprüfungen und Zuschlaganalysen bestimmt werden. Gleichung (9.4) lässt auch den Fall zu, dass ein Beton mit hoher Druckfestigkeit und grobem Zuschlag und ein Beton mit geringer Druckfestigkeit und feinerem Zuschlag vergleichbare Widerstände gegen Wasserstrahlen aufweisen. Es scheint jedoch, dass diese Beziehungen nur bis zu einer Grenze von LCH ≈ 1.200 mm gilt; wird dieser Wert überschritten (z.B. bei Beton mit sehr grobem Zuschlag), tritt möglicherweise die konventionelle Druckfestigkeit in den Vordergrund. Die Ursache könnte darin liegen, dass bei Bauwerken, die aus Betonen mit sehr grobem Zuschlag errichtet sind, wie z.B. Dämme, die im Vergleich mit den Bauteilabmessungen geringe Länge der Bruchprozesszone vernachlässigt werden kann. Dieser Zusammenhang ist im Bild 9.7c dargestellt.

9.4 Einfluss wichtiger Betriebsparameter 9.4.1 Parameterbestimmung Die wesentlichen Einflussparameter unmodifizierter Druckwasserstrahlen können nach Bild 9.8 unterschieden werden: ◆ Betriebsüberdruck (p0), ◆ Düsendurchmesser (d0),

Bild 9.8: Einflussparameter bei der Betonbearbeitung

246

9 Untergrundvorbereitung mit Druckwasserstrahlen

◆ Strahlabstand (s), ◆ Vorschub (v), ◆ Strahlauftreffwinkel (b), ◆ Versatz (y). Es handelt sich um Parameter, die aus der Erzeugung der Strahlen resultieren, und um Kennwerte, die mit dem Bearbeitungsprozess zusammenhängen. Es ist wichtig zu beachten, dass eine Optimierung der Bearbeitung stets in Abhängigkeit von den gewünschten Zielparametern nach Bild 9.8 vorgenommen werden muss.

9.4.2 Betriebsüberdruck Der Einfluss des Betriebsüberdruckes auf den Abtrag von Beton und Beschichtungmaterialien ist auf Bild 9.9 dargestellt. Der Materialabtrag kann mit dem Druck linear gesteigert werden, wobei der Anstieg C den Einfluss weiterer Prozess- und Materialkennwerte erfasst. MA = C · (p0 – pG)

(9.5)

Die RILI des DAfStb und die ZTV-ING bemerken hierzu: „Grad des Betonabtrags ist druckabhängig.“ [9-4], [9-5]. WERNER [9-26] hat festgestellt, dass der Parameter C mit dem Düsendurchmesser zunimmt. Der Wert pG kann als materialabhängiger Grenzdruck interpretiert werden, der nach Gleichung (9.1) eine kritische Strahlgeschwindigkeit wG verkörpert, die offenbar überschritten werden muss, um einen messbaren Abtrag zu erzielen [9-21]. In [9-26] ist nachgewiesen, dass die Grenzdrücke stark schwanken und dass keine Beziehung zur Druckfestigkeit der bearbeiteten Betone besteht. MOMBER [9-21] geht davon aus, dass der Grenzdruck ein Wahrscheinlichkeitskennwert ist, der mit der Struktur der Betone korreliert ist. Bei Betriebsüberdrücken, die den Wert p0 = 30 · sZ

(9.6)

überschreiten, geht der Wahrscheinlichkeitscharakter verloren, und die Zugfestigkeit des Betones lässt Aussagen zum Abtragsverhalten zu. Gleichung (9.5) kann als experimentell gesichert angesehen werden, [9-32] bis [9-35], und der Grenzdruck pG kann somit mittels zweier Probeabträge ermittelt werden, wobei anstelle des Masseabtrages auch die vor Ort direkt bestimmbare Kerbtiefe gemessen werden kann. Bild 9.10 zeigt, dass zwischen dem Grenzdruck und dem energetisch günstigsten Betriebsüberdruck, bei dem der spezifische Energieaufwand ein Minimum aufweist, ein Zusammenhang besteht. MOMBER [9-1], [9-32] hat zur Beschreibung dieser Abhängigkeit die Gleichung pOPT = 3 · pG

(9.7)

9.4 Einfluss wichtiger Betriebsparameter a

b

Bild 9.9: Betriebsüberdruck und Massenabtrag: a) Beton [9-1], b) Epoxidharz [9-24]

247

248

9 Untergrundvorbereitung mit Druckwasserstrahlen

a

b

Bild 9.10: Betriebsüberdruck und spezifische Abtragsenergie: a) Beton [9-1], b) Epoxidharz [9-24]

9.4 Einfluss wichtiger Betriebsparameter

249

hergeleitet, die auch Ergebnisse anderer Autoren [9-26] hinreichend genau beschreibt. Möglicherweise wird den Strahlen im Bereich hoher Betriebsüberdrücke Energie in Form von Reibung, Dämpfung und Förderaufwand entzogen. Im Zusammenhang mit der Variation des Betriebsüberdruckes sind die folgenden Aspekte zu beachten [9-1]: ◆ höhere Betriebsüberdrücke steigern den Verschleiß an den eingesetzten Systemkomponenten (Schläuche Armaturen, Düsen u.a.), ◆ mit dem Betriebsüberdruck steigen Instandhaltungsaufwand und -kosten am Druckerzeuger überproportional an, ◆ hohe Betriebsüberdrücke verschlechtern die Energieumsetzung in den Düsen.

9.4.3 Düsendurchmesser Der Einfluss des Düsendurchmessers auf das Abtragsgeschehen muss unter dem Aspekt des eingesetzten Förderstromes gesehen werden, da generell der Zusammenhang p · Q = 4 · a · d20 · w0 4

(9.8)

gilt. Bei einer Vergrößerung des Düsendurchmessers steigt der Förderstrom · demnach um den Betrag Q ~ d02 an. Der Einfluss des Nennförderstroms auf die Abtragsrate in Betonen ist auf Bild 9.11a dargestellt. Ein durchaus mögliches Heranführen an die Abszisse, d.h. eine lineare Verlängerung der Funktion, ergibt einen unteren Durchmesserwert bzw. nach Gleichung (9.8) einen minimalen Förderstrom, der eine notwendige Voraussetzung für einen Materialabtrag ist. WERNER [9-26] hat derartige Grenzwerte an Betonen ermittelt. Sie · · liegen im Druckbereich p0 = 100…200 MPa zwischen Q = 1,0 l/min und Q = 7,0 l/min. Diese Tendenz zeigen auch Untersuchungen mit pulsierenden Wasserstrahlen [9-37], in deren Ergebnis die Notwendigkeit einer minimalen Pulslänge (= Flüssigkeitsvolumen) für den Betonabtrag nachgewiesen wurde. Ergebnisse in [9-25] deuten darauf hin, dass zumindest im Bereich hoher Betriebsüberdrücke (p0 > 100 MPa) der Wert dG vom Betriebsüberdruck unabhängig ist. Bei geringen Drücken (p0 < 75 MPa) verschieben sich die Grenzdurchmesserwerte zu vergleichsweise großen Werten, so dass ungenügende Drücke teilweise durch erhöhte Förderströme kompensiert werden können. HU u.a. [9-38] gehen davon aus, dass ein oberer Grenzwert für den Düsendurchmesser existiert, bei dessen Überschreitung ein Teil des Förderstromes in der vorgegebenen Zeit nicht in das Risssystem eindringen kann, sondern relativ wirkungslos radial abfließt und nicht primär zur Zerstörung beiträgt. Ein tendenzieller Verlauf dieser Art ist z.B. in [9-37] ermittelt worden.

250

9 Untergrundvorbereitung mit Druckwasserstrahlen

a

b

Bild 9.11: Einfluss von Düsendurchmesser und Förderstrom auf die Bearbeitungsergebnisse: a) Förderstrom und Abtragsrate [9-36], b) Düsendurchmesser, Kerbbreite und Rautiefe [9-26]

9.4 Einfluss wichtiger Betriebsparameter

251

Auch Messungen von WERNER [9-26] zeigen teilweise degressive Tendenzen, sowohl für Düsendurchmesser- als auch für Nennförderstrom-Funktionen. Die für den Betonabtrag energetisch günstigsten Durchmesserwerte liegen für hohe Betriebsüberdrücke zwischen d0 = 0,2 mm und d0 = 0,5 mm. Werden geringe Betriebsüberdrücke erzeugt (p0 < 100 MPa), nehmen die optimalen Düsendurchmesser sehr große Werte (d0 > 1,4 mm) an [9-26]. Nach Überschreiten einer Druckgrenze sind relativ große Förderströme unwirtschaftlich. Auf Bild 9.11b ist zu erkennen, dass über den Düsendurchmesser sowohl Kerbbreite als auch die Rautiefe der bearbeiteten Betonflächen beeinflusst werden können. Es muss bedacht werden, dass der Förderstrom die Rückstoßkraft von Wasserstrahlen entscheidend beeinflusst und somit nach Bild 9.3 auch aus dieser Sicht zulässige Maximalwerte existieren. Darüber hinaus ist zu beachten, dass mit zunehmendem Förderstrom die Reibungsverluste in Zuleitungen und Düse steigen. Angesichts der Schwierigkeiten, die die Entsorgung des genutzten Wasservolumens bereiten kann, werden geringe Düsendurchmesser immer dort angewendet, wo die Aufbereitung des Prozesswassers aufwendig und kostspielig ist (z.B. kontaminierte Beschichtungen).

9.4.4 Strahlabstand Bild 9.12a zeigt den Einfluss des Arbeitsabstandes auf den Massenabtrag an Betonen. Bei einem bestimmten Abstand kann ein Maximum registriert werden, das auf optimale Prozessbedingungen schließen lässt. Interessanterweise liegt dieser Bereich außerhalb der Strahlkernzone. Offenbar spielen beim Betonabtrag im Gegensatz zum Schneiden die dynamischen Beanspruchungen durch am Strahlrand abgelöste Flüssigkeitstropfen eine wesentliche Rolle. Darüber hinaus wirkt sich die radiale Aufweitung der Strahlen und die damit verbundene Zunahme der beanspruchten Betonfläche positiv aus. Eine Verallgemeinerung der Tendenz kann momentan zwar noch nicht durch Versuchsergebnisse ausreichend abgesichert werden, es ist jedoch wahrscheinlich, dass für den Betonabtrag ein auf den Düsendurchmesser bezogener optimaler Arbeitsabstand sOPT = C · d0

(9.9)

existiert. Der gleiche Zusammenhang besteht, wie Bild 9.12b verdeutlicht, beim Abtrag von Beschichtungen mit Druckwasserstrahlen.

9.4.5 Vorschub Den Einfluss der Vorschubgeschwindigkeit auf den Massenabtrag an einer Bitumenbeschichtung zeigt Bild 9.13b. Eine Erhöhung des Vorschubes führt

252

9 Untergrundvorbereitung mit Druckwasserstrahlen

a

b

Bild 9.12: Relativer Arbeitsabstand s/d0 und Massenabtrag: a) Beton [9-1], b) Epoxidharz [9-24]

9.4 Einfluss wichtiger Betriebsparameter

253

a

b

Bild 9.13: Werkzeugvorschub und Bearbeitungsergebnisse: a) Abtragsrate an Beton [9-26], b) Epoxidharz [9-24]

254

9 Untergrundvorbereitung mit Druckwasserstrahlen

demnach grundsätzlich zur Verringerung der abgetragenen Masse. Diese Relation kann mit Gleichung (9.10) beschrieben werden.

冢

冣

ln v MA = Mv=0 · – 0 + 1 ln vG

(9.10)

Die Beziehung wirkt zunächst etwas kompliziert, kann jedoch mit nur zwei Probeabträgen aufgelöst werden. Der Wert Mv=0 ist der stationäre Massenabtrag bei unbewegter Düse. Der Parameter vG verkörpert eine obere Grenzgeschwindigkeit, bei deren Überschreitung der Strahl nicht in der Lage ist, zerstörend in die beanspruchte Struktur einzudringen. Nach [9-23] hängt die Größe dieses Kennwertes von der Rissausbreitungsgeschwindigkeit des jeweiligen Materiales ab. Der Zusammenhang ist von praktischer Bedeutung beim Einsatz rotierender Werkzeuge, die diese Grenzwerte (nach [9-26]: 0,1 m/s bis 0,7 m/s) durchaus erreichen können. Kritische Drehzahlen für diese Werkzeuge können über die Beziehung vG wG = 5 R0

(9.11)

ermittelt werden. Die alte RILI des DAfStb schrieb hierzu: Die Effektivität (Abtragstiefe) ist abhängig von der Dauer. [9-25]. Für den auf die Zeit bezogenen Massenabtrag, d.h. die Abtragsrate, an Beton ergeben sich etwas andere Zusammenhänge [9-26], [9-39]. Wie Bild 9.13b zeigt, existieren optimale Vorschubgeschwindigkeiten bei vergleichsweise niedrigen Werten.

9.4.6 Strahlauftreffwinkel Durch Änderungen des Strahlauftreffwinkels können insbesondere bei Reinigungsvorgängen die Prozessbestandteile Trennen und Fördern gezielt variiert werden. Für den Betonabtrag konnte WERNER [9-26] nachweisen, dass ein nachgestellter Strahl den Abtrag positiv beeinflusst. Die Kerbe wird dadurch verschlossen, so dass sich an den Kerbwänden vergleichsweise hohe Drücke aufbauen können, die zu einem Ausbrechen grober Partikel beitragen. Der Einfluss des Winkels nimmt mit den verwendeten Düsendurchmessern zu, ein Effekt, der mit der größeren realisierten Kerbtiefe erklärt werden kann (Bild 9.14).

9.4 Einfluss wichtiger Betriebsparameter

255

Bild 9.14: Strahleinstellwinkel, Düsendurchmesser und Abtragsleistung [6-26]

9.4.7 Versatz Ein flächiger Abtrag kann formal durch das Aneinanderreihen von Kerben realisiert werden. Der als Versatz bezeichnete Abstand zwischen den Kerben ist ein wichtiger Prozessparameter. Bild 9.15a verdeutlicht, dass optimale Werte existieren. Wird der Versatz zu groß eingestellt, bleibt zwischen den Nuten ein Steg stehen, der u.U. in einem zusätzlichen Arbeitsgang herausgebrochen werden muss [9-40]. Wird der Abstand hingegen zu klein gewählt, kommt es zu unnötigem Energieverbrauch durch doppelt überfahrene Flächenanteile. Bezüglich des eingesetzten Düsendurchmessers existieren optimale Versatzwerte für die Bearbeitung von Beton bei yOPT ≈ 10 · d0 .

(9.12)

Ein bruchmechanisches Modell zur Ermittlung des Versatzes ist in [9-21] entwickelt worden und liefert die Beziehung

冤

冢 冣冥 .

p0 yOPT = K · A + B · ln 5 5

(9.13)

256 a

9 Untergrundvorbereitung mit Druckwasserstrahlen b

c

Bild 9.15: Versatz und Betonabtrag: a) spezifische Abtragsenergie [9-33]; b) Feinkornbeton [9-28]; c) Grobkornbeton [9-28]

Der optimale Versatz ist demnach eine Funktion des Betriebsüberdruckes und der materialabhängigen Konstanten K, A und B. Grundsätzlich treffen die folgenden Aussagen zu: ◆ Bei Betonen mit grober Sieblinie, gebrochenem Zuschlag, niedrigem Wasserzementwert und hoher Festigkeit kann der Versatz groß gewählt werden, da diese Betone an den Kerben seitlich ausbrechen (A, B und K weisen hohe Werte auf). ◆ Demgegenüber sollte bei Betonen mit feiner Siebline, naturgerundetem Zuschlag, hohem Wasserzementwert und geringer Festigkeit ein geringes Versatzmaß eingestellt werden (A, B und K weisen niedrige Werte auf). Entsprechende Beispiele sind auf Bild 9.15 dargestellt.

9.4.8 Luftzugabe MOMBER [9-41] stellte fest, dass die Abtragsleistung von Druckwasserstrahlen an Betonen mehr als verdoppelt werden kann, wenn das Druckwasser in einem Mischkopf mit angesaugter Luft vermischt wird. Offenbar lagert sich die Luft in den Strahl ein, implodiert später und verleiht dem Druckwasserstrahl somit eine dynamische Komponente. Dieser Effekt ist bei vergleichsweise großen Luftströmen besonders deutlich ausgeprägt. (Bild 9.16).

9.5 Komponenten der Druckwasserstrahltechnik

257

Bild 9.16: Einfluss von Luftzugabe auf den Betonabtrag [9-41]

9.5 Komponenten der Druckwasserstrahltechnik 9.5.1 Druckerzeuger In der DIN EN 1829 [9-42] sind Hochdruckwasserstrahlmaschinen definiert als „Maschinen mit Düsen oder anderen variablen Öffnungen, durch die Wasser – auch zusammen mit Beimengungen – unter hohem Druck in einem freien Strahl austreten“. Im Baugewerbe kommen ortsveränderliche Hochdruckwasserstrahlmaschinen zum Einsatz, „die für einen Wechsel des Aufstellungsortes eingerichtet und dafür mit einem Fahrwerk ausgerüstet oder auf einem Fahrzeug montiert sind“. Das wesentliche Element von Wasserstrahlgeräten sind die Druckerzeuger. Es können grundsätzlich zwei Arten kommerzieller Druckerzeuger unterschieden werden: Plungerpumpen und Druckübersetzer. Im Bereich der Betoninstandsetzung kommen fast ausschließlich oszillierende Plungerpumpen zum Einsatz. Sie sind zur Erzeugung von Betriebsüberdrücken bis zu 300 MPa geeignet. Über 80% der in der stationären Industrie eingesetzten Pumpen sind mit berührungslosen Stoffbuchsendichtungen versehen und erzeugen Betriebsüberdrücke bis zu 120 MPa [9-26]. Die Hauptbestandteile von Plungerpumpen sind (Bild 9.17): Pumpenkopf mit Ein- und Auslassmechanismen, Plungerwechselsatz, Plungertrieb, Druckregelorgane

258

9 Untergrundvorbereitung mit Druckwasserstrahlen

Bild 9.17: Aufbau einer Hochdruck-Plungerpumpe [9-12]

und Sicherheitseinrichtungen, und Pumpenantrieb. Der Antrieb erfolgt im instationären Betrieb über Dieselmotoren mit Leistungen zwischen 30 kW und mehreren 100 kW. Der Pumpenkopf besteht in der Regel aus einem Guss- oder Schmiedeteil. Zur Gewährleistung einer gleichförmigen Förderung sind die Pumpen immer mit mehreren Plungern (oft als Triplex) bestückt. Als Plungermaterialien finden legierte Stähle sowie zunehmend Keramiken Verwendung. Plungerpumpen zeichnen sich durch einen hohen Wirkungsgrad (je nach Bauart und in Abhängigkeit vom Pumpendruck 0,8…0,9) und einen robusten Aufbau aus. Die durch die ungleichmäßigen Plungerbewegungen verursachte Pulsation der Förderströme kann durch den Einbau von Druckspeichern gemindert werden. Betriebsüberdrücke über 300 MPa werden in der Regel durch Druckübersetzer erzeugt, deren Niederdruckteil ölhydraulisch (Drücke: 15…25 MPa) oder pneumatisch und deren Hochdruckteil mit Wasser arbeitet. Gebräuchliche Übersetzungsverhältnisse (Flächenverhältnis Nieder- zu Hochdruckseite) sind 1:10 bis 1:20. Druckübersetzer weisen gegenüber Plungerpumpen einen geringeren Wirkungsgrad von 0,5 bis 0,6 auf, zeichnen sich jedoch durch besseres Regelverhalten und einen gleichförmigeren Förderstrom aus. Die Einzeltypen beider Bauarten können durch Pumpenkennlinien charakterisiert werden, in denen die Beziehungen zwischen Anschlussleistung, Betriebsüberdruck und Förderstrom erfasst sind. Bild 9.18 zeigt beispielhaft die Kennlinien zweier für die Bauinstandsetzung konzipierten HochdruckPlungerpumpen. Die entscheidenden physikalischen Kennwerte einer Hochdruck-Plungerpumpe, Anschlussleistung, Betriebsüberdruck und Nennförderstrom sind in der Beziehung · PH = 0,0017 · Q · p0 (9.14)

9.5 Komponenten der Druckwasserstrahltechnik

259

a

b

Bild 9.18: Kennlinien von Hochdruck-Plungerpumpen (WOMA Apparatebau GmbH, Duisburg): a) Pumpe für den schweren Betonabtrag, b) Ultra-Hochdruck-Plungerpumpe für die Oberflächenbearbeitung

260

9 Untergrundvorbereitung mit Druckwasserstrahlen

· miteinander verknüpft. Mit Q in l/min und p in bar ergibt sich die Anschlussleistung PH in kW. Der Nennförderstrom einer Hochdruck-Plungerpumpe wird von der Geometrie des Druckraumes, der Plungeranzahl und der Drehzahl des Pumpenantriebes bestimmt: d2PI · p · Q = nA · 02 · HH · NPI 4

(9.15)

In dieser Beziehung ist nA die Antriebsdrehzahl, HH der Plungerhub, dPl der Plungerdurchmesser, und NPl die Anzahl der Plunger (in der Regel: NPl = 3). Die Strahlflüssigkeit sollte Trinkwasserqualität aufweisen. Eine direkte Entnahme aus öffentlichen Gewässern (Flüsse, Kanäle, Seen) ist nicht zu empfehlen; es sollte eine Vorfilterung erfolgen. Filterbauart und -größe sind von zahlreichen Faktoren abhängig, wie z.B. Wasserqualität, Betriebsüberdruck, verwendetes Dichtungssystem. Nach [9-26] kann als Faustregel für die Filtergröße angenommen werden: ◆ bis p0 = 100 MPa: 100 µm, ◆ bis p0 = 200 MPa: 10 µm, ◆ bis p0 = 300 MPa: 1 µm. Die alte RILI des DAfStb schrieb vor, dass „Wasser ohne betonschädliche Stoffe“ verwendet wird [9-25]. Die Lebensdauer der druckbeanspruchten Teile, insbesondere Kolbendichtungen und Ventilsitze, ist ebenfalls von der Wasserqualität und den Betriebsbedingungen abhängig. Die von Herstellern angegebenen Standzeiten können daher nur als unverbindliche Richtwerte angesehen werden und sollten darüber hinaus für den Einsatz auf Baustellen um ca. 30% reduziert werden [9-26].

9.5.2 Hochdruck-Schlauchleitungen Für den Transport des Wassers von den Druckerzeugern zu den Arbeitswerkzeugen werden Hochdruckleitungen verwendet. In der Regel kommen Schlauchleitungen zum Einsatz, die sich aus Schlauch und Schlaucharmatur zusammensetzen. Die Schläuche bestehen aus einer Schlauchseele, einem Druckträger und einer Oberdecke. Der Druckträger ist aus mehreren Stahlspiralen aufgebaut, während Seele und Decke aus Kunststoff (z.B. Polyamid) gefertigt sind. Alle Schläuche müssen auf Bersten geprüft sein, wobei der zulässige Betriebsdruck 40% des Berstdruckes nicht überschreiten darf. Zu jeder Schlauchleitung für Betriebsdrücke p0 > 25 MPa muss ein Prüfprotokoll mit den Ergebnissen der Typprüfung vorliegen. Ausgewählte Kennwerte kommerzieller Schlauchleitungen enthält Tabelle 9.1.

9.5 Komponenten der Druckwasserstrahltechnik

261

Tab. 9.1: Kennwerte handelsüblicher Hochdruck-Schlauchleitungen (Quelle: WOMA GmbH, Duisburg) Nennweite in mm

Betriebsüberdruck in MPa

Prüfdruck in MPa

Biegeradius in mm

Nennlänge in m

Spezifisches Außendurchht messer Gewich in kg/m in mm

12 20 25 32 40 50

100 90 55 44 30 25

130 110 72 80 60 33

200 280 340 460 560 710

10–40 1,2 10–40 1,6 10–40 2,0 10–40 2,5 auf Anfrage

24,4 32,0 38,7 45,4 53,5 53,5

Einzelschläuche (Lieferlänge bis ca. 300 m) müssen über standardisierte, konstruktiv passende Armature miteinander verbunden werden. In der Baupraxis sind die eigentlichen Schlauchleitungen von Sicherheitsschläuchen umhüllt, die Schutz vor mechanischen Einwirkungen bieten. Eine Erhöhung der Betriebssicherheit (z.B. beim Abreißen der Armaturen) kann durch den Einsatz von Schlauchfängern erreicht werden. Ein anwendungstechnisches Problem stellen die Druckverluste in den Schlauchleitungen dar. Hersteller von Wasserstrahl-Technik bieten Druckverlusttabellen oder -diagramme an, die eine Ermittlung der Verluste gestatten. Bild 9.19 enthält eine Zuordnung von Schlauchinnendurchmessern zu Förderstömen. Die Trennlinie zwischen den beiden Bereichen verkörpert eine Strömungsgeschwindigkeit von 5 m/s, bei deren Überschreitung, wie Erfahrungen aus der Praxis zeigen, der auftretende Druckverlust nicht mehr toleriert werden kann. Die Druckverluste in Armaturen können überschlägig nach dem folgenden Erfahrungswert ermittelt werden: Der Druckverlust in einer Armatur entspricht dem in 3 m Länge auftrenden Druckverlust einer Schlauchleitung mit identischem Innendurchmesser.

9.5.3 Arbeitswerkzeuge und Bewegungseinrichtungen Im Zusammenhang mit der Bearbeitung von Betonbauwerken werden zahlreiche Arbeitswerkzeuge angeboten (Bild 9.20), die grundsätzlich in handgeführt und maschinengeführt untergliedert werden können. Es existiert eine gesetzlich vorgeschriebene Grenze für handgeführte Werkzeuge: Deren Rückstoßkräfte dürfen in axialer Richtung einen Wert von FR = 250 N nicht überschreiten [9-11], [9-42]. Bild 9.3 und Gleichung (9.3) gestatten eine überschlägige Abschätzung der möglichen Betriebsüberdrücke und Nennförderströme. Viele Hersteller bieten aber auch Düsenflussdiagramme an, aus denen kritische Werte abgelesen werden können.

262

9 Untergrundvorbereitung mit Druckwasserstrahlen

Bild 9.19: Zusammenhang zwischen Schlauchdurchmesser und Nennförderstrom

Bild 9.20: Hochdruck-Wasserstrahl-Werkzeuge für die Betonbearbeitung (Quelle: WOMA Apparatebau GmbH, Duisburg)

9.5 Komponenten der Druckwasserstrahltechnik

263

a

b Bild 9.21: Möglichkeiten der Pistolenbestückung: a) direkt angetrieben, b) indirekt angetrieben (Quelle: WOMA Apparatebau GmbH, Duisburg)

Als handgeführte Werkzeuge haben sich Hochdruckpistolen für vertikale und geneigte Flächen weitgehend etabliert. Bild 9.21 zeigt ausgewählte Möglichkeiten der Pistolenbestückung zum Reinigen und Aufrauen von Beton, zum Freilegen von Bewehrungsstählen und zum Schneiden. Auf Bild 9.25 ist ein handgeführtes Gerät für die Bearbeitung waagerechter Flächen dargestellt. Grundsätzlich eignen sich viele kommerzielle Baumaschinen als Träger für Wasserwerkzeuge. Es werden auch komplette Betonabtraggeräte auf dem

Bild 9.22: Kommerzielles Betonabtragsystem (Quelle: Aquajet A.B., Holsbybrunn, Schweden)

264

9 Untergrundvorbereitung mit Druckwasserstrahlen

Markt angeboten, die z.T. automatisiert sind (siehe Bild 9.22). Beispiele finden sich in [9-1], [9-43] bis [9.45]. Bei Bewegungseinrichtungen handelt es sich grundsätzlich um rotierende und traversierende Systeme oder um Kombinationen. Bild 9.23a verdeutlicht, dass durch die Wahl der Bewegung spezielle Abtragbilder geschaffen werden können. Untersuchungen haben ergeben, dass rotierende Systeme die höchste Effektivität aufweisen (Bild 9.23b). Nach MOMBER [9-1] können direkt und indirekt angetriebene Bewegungseinrichtungen unterschieden werden: ◆ Bei direkt angetriebenen rotierenden Systemen, die oft bei Reinigungswerkzeugen zu finden sind, erzeugt die Rückstoßkraft der austretenden Wasserstrahlen die Bewegung (vgl. Bild 9.21a). Die durch die Rotation aufgebrauchte Energie liegt in der Größenordnung < 75 W. ◆ Indirekt angetriebene Systeme werden durch separate Mechanismen (Druckluft- oder Hydraulikmotoren, Kettenzüge) bewegt. Sie finden sich in der Regel in Geräten für den Betonabtrag und in Abrasiv-Schneidgeräten (Bild 9.21b).

9.5.4 Druckwasserstrahldüsen An moderne Druckwasserstrahldüsen werden die folgenden Anforderungen gestellt [9-1]: ◆ aufgabenbezogene Ausbildung der Strahlen, ◆ geringer Strömungswiderstand, ◆ sicheres Abdichten des Systems, ◆ ausreichende Standzeiten, ◆ schnelle Wechselmöglichkeiten. Im Baugewerbe ist grundsätzlich ein Trend nach aufgabenbezogenen Düsen zu verzeichnen. Ausgewählte Düsentypen sind in Tabelle 9.2 aufgeführt. Nach der Düsenkonstruktion können stetige und unstetige Düsen unterschieden werden. Für die Betonbearbeitung spielen die traditionellen stetigen Rundstrahldüsen (Bild 9.24a) eine herausragende Rolle. Sie haben sich im Arbeitsbereich bis p0 = 100 MPa durchgesetzt. In höheren Druckbereichen gewinnen die unstetigen Saphirdüsen (Bild 9.24b) zunehmend an Bedeutung, deren Eigenschaften den hohen Belastungen und den geringen Förderströmen entgegenkommen. Beide Düsenbauarten sind energetisch gleichwertig, erzeugen jedoch sehr unterschiedliche Strahlbilder [9-26]. Über die Düsendurchmesser kann der Volumenstrom der eingesetzten Strahlflüssigkeit beeinflusst werden (Gleichung (9.8)). Die meisten Düsenhersteller bieten Düsenflussdiagramme an, mit deren Hilfe die Auswahl von Düsengröße und -typ möglich ist. Da der Förderstrom die Größe der Strahlrückstoßkräfte entscheidend beeinflusst (Bild 9.3), sind Düsenflussbilder oft mit

a

b

Bild 9.23: Zusammenhang zwischen Relativbewegung und Abtrag: a) Abtragbild [9-26], b) Massenabtrag [9-46]

266

9 Untergrundvorbereitung mit Druckwasserstrahlen

a

b

Bild 9.24: Düsentypen und -verschleiß bei der Betonbearbeitung: a) unstetige Düse [9-26], b) stetige Düse [9-47]

9.5 Komponenten der Druckwasserstrahltechnik

267

Tab. 9.2: Düsen für den Wasserstrahl-Einsatz im Baugewerbe (Quelle: WOMA GmbH, Duisburg) Bezeichnung

Einsatzgebiete

Betriebsüberdruck in MPa

Durchmesser in mm

Anschlussmöglichkeiten

Turbodüse

Flächenbearbeitung großflächige Reinigung

75…300

0,2…1,0

Pistolen stationäre Anlagen

Rohrreinigungsdüse

Rohrreinigung und -entschichtung

bis 140

0,9…2,2

Rohr-Dreh-Reiniger

Kanal- und Rohrreinigungsdüse

Kanalreinigung Rohrreinigung

bis 30

1,5…4,2

flexible Lanzen HochdruckSchläuche

Rundstrahldüsen

Reinigen Aufrauen Abtragen Reinigen Aufrauhen Bewehrung freilegen Schneiden

bis 200

0,5…5,0

Pistolen Wasserwerkzeuge

bis 350

0,18…0,8

Pistolen Wasserwerkzeuge Abrasivschneidköpfe

Flachstrahldüsen

großflächiges Reinigen

bis 200

1,0…2,2

Pistolen Wasserwerkzeuge

Injektordüsen

Reinigen Entschichten Entrosten

40

1,2…1,5

Wasserwerkzeuge Abrasivköpfe

Reaktionskraftdiagrammen kombiniert. Sind keine Düsenflussdiagramme vorhanden, kann der eine (oder mehrere) Düsenöffnung(en) durchfließende Förderstom wie folgt errechnet werden: p · 2 · mD · QD = ND · aD · 3 · d D 4

冑

94 2 · p0 93 rW

(9.16)

· Da der von der Pumpe gelieferte Nennförderstrom Q durch Gl. (9.15) vorgegeben ist, bestimmt der Gesamtdüsenquerschnitt den unmittelbar zur Verfügung stehenden Volumenstrom. Die Ausbalancierung der Gleichungen (9.15) und (9.16) ist eine Frage der Pumpensteuerung. Moderne Hochdruck-Systeme bieten Regelmöglichkeiten, um z.B. den Druckabfall durch eine Querschnittserweiterung (durch Verschleiß) über eine on-line-Erhöhung des Nennförderstromes zu kompensieren [9-48]. Der Verschleiß von Düsen ist von zahlreichen Einflussgrößen abhängig – z.B. Betriebsüberdruck, Wasserqualität, Düsenwerkstoff – und daher analytisch nicht zu erfassen. Wie Bild 9.24a zeigt, können an unstetige Saphirdüsen drei Verschleißphasen unterschieden werden: Einlaufphase, konstante Phase, Verschleißphase. Das Verschleißverhalten stetiger Metalldüsen unterscheidet sich insofern, dass die Einlaufphase fehlt (Bild 9.24b).

268

9 Untergrundvorbereitung mit Druckwasserstrahlen

Bei Abrasivdüsen bzw. -fokussierrohren spielen die Eigenschaften der Abrasive (besonders Härte und Form) eine wichtige Rolle beim Verschleiss. Aus diesen Gründen können generelle Standzeiten nicht angegeben werden. Das Verschleißverhalten einer Düse tritt in der Regel erst im konkreten Einsatzfall zu Tage [9-49].

9.5.5 Entsorgungseinrichtungen Nachdem die Entsorgung bzw. Aufbereitung des Strahlwassers lange Zeit vernachlässigt worden war, ist dieses Problem aufgrund der zunehmend verschärften Auflagen in den Vordergrund getreten. Es werden inzwischen Zusatzsysteme angeboten, in denen Strahlflüssigkeit und Feststoffe aufgefangen, getrennt und entsorgt werden können. Bild 9.25 zeigt ein für die Reinigung von Betonflächen entwickeltes, geschlossenes Werkzeug. Strahlflüssigkeit sowie Farb- und Betonpartikel werden direkt von der Bearbeitungsfläche abgesaugt und im Entsorgungsteil getrennt. Auf Bild 9.26 ist der Aufbau und Prinzip einer mobilen Aufbereitungsanlage zu sehen, die an Wasserstrahl-Bearbeitungssysteme angeschlossen werden kann.

Bild 9.25: Emissionsfreies Werkzeug für die Betonbearbeitung (Quelle: WOMA Apparatebau GmbH, Duisburg)

9.6 Anwendung von Druckwasserstrahlen

269

Bild 9.26: Modulare Wasseraufbereitungsanlage (Quelle: WOMA Apparatebau GmbH, Duisburg)

9.6 Anwendung von Druckwasserstrahlen 9.6.1 Grundsätzliche Anwendungen Ein typisches Merkmal der Druckwasserstrahl-Technik ist die Vielfalt der Anwendungsmöglichkeiten. Die RILI des DAfStb und die ZTV-ING empfehlen die folgenden Anwendungen für waagerechte und senkrechte Flächen [9-4, 9-5]: ◆ Entfernen der Reste von Beschichtungen und Nachbehandlungsfilmen sowie von oberflächigen Verunreinigungen, ◆ Entfernen von Zementschlämmen und minderfesten Schichten, ◆ Abtragen von schadhaftem Beton/Betonersatz sowie Freilegen der Bewehrung, ◆ Entfernen von Rostprodukten an freiliegender Bewehrung und anderen Metallteilen (gegebenenfalls trocken nachstrahlen). Es muss allerdings beachtet werden, dass für jedes Bearbeitungsgebiet separate Einsatzgrundsätze gelten. Die Besonderheiten beginnen mit der Auswahl der Werkzeuge, der Berücksichtigung spezieller Randbedingungen und führen bis zur Festlegung von Zielparametern und Bearbeitungsstrategien.

9.6.2 Reinigen Auf dem Gebiet der Reinigung von Betonoberflächen gehört das Verfahren seit Jahren zum Stand der Technik. In Österreich setzten z.B. bereits 1987

270

9 Untergrundvorbereitung mit Druckwasserstrahlen

30% aller ausführenden Betriebe dieses Verfahren zum Entfernen von Belegungen ein [9-49]. Die Grundlagen des Reinigens sind in [9-1] beschrieben. Ein weites Einsatzfeld ist das Reinigen von Verkehrsbauwerken. Wichtige, in diesem Zusammenhang zu lösende Aufgaben sind Entfernen von Farbmarkierungen, Nagelkleberresten oder Gummiabrieb von Asphalt- oder Betonflächen [9-1]. Zur Lösung dieser Probleme werden spezielle Demarkierungsgeräte angeboten, die von Hand, aber auch maschinell geführt werden können. Gummiabrieb auf Asphalt- und Betonpisten kann durch den Einsatz großer maschineller Komplexe gründlich beseitigt werden [9-51] (vgl. Bild 9.27). Ein separates Problem ist das Entfernen verschlissener Vergussmaterialien aus Fugenkonstruktionen in Betondecken. Gemessen an Effektivitäts- und Qualitätskriterien stellt der Wasserstrahl hier eine Alternative zu den mecha-

a

b

Bild 9.27: Entfernen von Gummiabrieb von Beton- und Asphaltflächen (Quelle: WOMA Apparatebau GmbH, Duisburg): a) Komplettsystem, b) beispielhafte Rauheitsprofile

9.6 Anwendung von Druckwasserstrahlen

271

nischen Geräten (Reißhaken) dar; es ermöglicht zusätzlich eine gründliche Reinigung der Fugenwände als Bedingung für den Neuverguss. KARGEL und MOMBER [9-52] berichten über Reinigungsleistungen von 500 m/h. Über den Einsatz zum Reinigen einer gemischten Fassade im innerstädtischen Bereich, darunter 10.000 m2 Sichtbeton sowie Aluminium, berichtet Langer [9-53]. Die Aufgabe konnte durch den Einsatz von Handlanzen innerhalb von sieben Monaten erfüllt werden. METTLER [9-54] beschreibt den Abtrag einer Korrosionsschutzschicht an der Tragkonstruktion einer Autobahnbrücke. Bei der Verwendung von Druckluftstrahlen wären etwa 500 t zum Teil schwermetallhaltiger Sondermüll angefallen, so dass trotz höherer Kosten und längerer Arbeitszeit das Wasserstrahl-Verfahren zum Einsatz kam. MOMBER [9-55] berichtet über die Anwendung von Handgeräten bei der Entfernung von Bitumenbeschichtungen an einer Fußgängerbrücke (Bild 9.28). STRÖMDAHL [9-56] schildert u.a. das Abtragen von Bitumenbeschichtungen von 2.300 m2 Brückenfahrbahn und 250 m2 Seitenflächen mit robotergeführten Geräten. Ein extremer Einsatzfall ist der Abtrag starker Inkrustationen von Flugasche und Braunkohlenstaub an Kühltürmen bis 125 m Höhe [9-57]. Mit abrasiven Wasser-Sand-Strahlen können dicke elastische Beschichtungen zuverlässig abgetragen werden. Weitere Anwendungsfälle sind in [9-1], [9-58], [9-59] beschrieben und in Tabelle 9.3 aufgeführt.

Tab. 9.3: Reinigungsleistungen mit Hochdruck-Wasserstrahlen (Quellen: WOMA, Duisburg; Hammelmann, Oelde) Material

Tragschicht

Werkzeug

Betriebsüberdruck in MPa

Leistung in m2/h

Bitumen Bitumen Erdreich Farbmarkierung Gummiabrieb Gummibelag Kunstharz Kalkfarbe Mörtelteilchen Polyurethan Ruß Schmutz Schmutz Trennmittel Zementhaut Zementhaut Zementhaut

Beton Beton Pfahlwand Betonstraße Betonpiste Beton Beton Beton Beton Beton Tunnelwand Betonfassade Betondecke Beton Beton Beton Beton

Pistole Aquablast Drehjet Drehjet Frontreiniger Jet Mill Aquablast Wirbeldisk Drehjet rotierender Kopf Wirbeldisk Wirbeldisk Deckenreiniger Wirbeldisk Aquablast Aquablast Drehjet

80 140 75 75 42 95 140 40 75 90 40 40 40 65 85 140 100

25 40 60…100 2…3 km/h bis 1.500 200 10…13 60 300 12 70 25…30 160 60…100 70 80 80

272

9 Untergrundvorbereitung mit Druckwasserstrahlen

Bild 9.28: Bitumenabtrag von Betonflächen (Quelle: WOMA Apparatebau GmbH, Duisburg)

9.6.3 Dekontaminieren Geschlossene Hochdruckwasserstrahl-Systeme gelangen bei der Dekontaminierung von Oberflächen zum Einsatz, z.B. zum Abtragen von Asbestbeschichtungen [9-60] oder von PCB-kontaminierten Putzen. Die abgetragenen Asbestfasern bzw. Putzpartikel werden direkt abgesaugt, vom Strahlwasser getrennt und in Containern zwischengelagert (vgl. Bild 9.29). In der Literatur wird von bis zu 50fachen Abtragsleistungen bei der Asbestsanierung gegenüber konventionellen Verfahren berichtet [9-61]. Die Effektivität der Dekontaminierung PCB-verseuchter Oberflächen beträgt etwa 10 m2/h [9-62]. Auch öl- und fettverschmutzte Industriefußböden können mit geschlossenen Höchstdruckwasserstrahl-Systemen mit Betriebsüberdrücken bis p0 = 250 MPa, aber auch mit Hochdruck-Heißwassersystemen mit Betriebsüberdrücken bis p0 = 80 MPa effektiv gereinigt werden. Dekontaminierungsarbeiten an Betonwänden und -böden, die sowohl den Abtrag radioaktiv kontaminierter Beschichtungen als auch das Entfernen aktivierten Betons umfassten, sind im KKW Three Mile Island vorgenommen worden [9-63]. Die Druckfestigkeiten der zu dekontaminierenden Betone lagen zwischen 21 und 35 MPa. Bei einem Betriebsüberdruck von p0 = 193 MPa wurden Abtragsraten zwischen 0,5 und 1,1 m2/h und Dekontaminierungsgrade zwischen 80 und 90% erreicht. Das Entfernen von aktivierten Beschichtungen von Fußböden wurde mit einer Abtragsrate von 3 m2/h realisiert; der b-Dekontaminationsgrad lag bei 90%. Weitere Anwendungsfälle, unter anderem das Entölen und Entfetten von Betonoberflächen, sind in Tabelle 9.4 aufgeführt.

9.6 Anwendung von Druckwasserstrahlen

273

Bild 9.29: Emissionsfreies Abtragen PCB-kontaminierter Putze von Leichtbeton (Quelle: DWS Duisburg)

Tab. 9.4: Reinigung und Dekontaminierung von Betonflächen mit niedrigem Betriebsüberdruck (40 MPa) [9-64] Verunreinigung

Zementschlempe Milch Gemüseöl Ölsäure Silikon Motoröl Fett Hydrauliköl Na2SiO3 NaCl NaOH H2SO4 a b

Vorher

Nach HDW-Reinigung

Kontaktwinkel in ° pH-Wert

Kontaktwinkel in °

pH-Wert

0…20 30…70 30…60 30…60 90…100 60…80 40…70 20…30 0b 0…20 0b 0b

0…20 0…20 20…40 20…30 90…100 20…30 20…30 0 0 0 0 0

11,5 8,5 8,5 6,5a 6,5a 8,5 8,5 8,5 11,5 8,5 12,5 6,5

11,5 6,5 6,5 6,5 6,5 6,5 6,5 6,5 11,5 8,5 12 0

Konstanter pH-Wert verdeutlicht: keine komplette Reinigung. Hydrophobe (wasserabweisende) Materialien; Kontaktwinkel gibt keinen Aufschluss über die Reinigungsqualität.

274

9 Untergrundvorbereitung mit Druckwasserstrahlen

9.6.4 Aufrauen Das Aufrauen von Betonflächen als vorbereitender Arbeitsgang für das Aufbringen von Oberflächenschutzsystemen ist sowohl mit hand- als auch mit maschinengeführten Geräten möglich. MOMBER [9-55] beschreibt den Einsatz eines mobilen Systems (Einachsanhänger, Werkzeugsatz) für das Aufrauen einer 400 m2 großen Brückenrampe. In Japan ist ein automatisiertes System für das Aufrauen großflächiger Betonbauwerke entwickelt und eingesetzt worden, das neben Druckerzeuger und Führungssystem eine Absaugung der abgetragenen Zementleimpartikel umfasst [9-59]. Großversuche haben gezeigt, dass ein Aufrauen von Asphaltbeton-Fahrbahndecken eine Alternative zu den bisher angewandten Fräsverfahren darstellt [9-1]. Messungen mit dem Sandrauhverfahren ergaben Werte von 1,25 (Bild 9.30). Durch den Einsatz von Wasser-Sand-Strahlern können Einsatzbereich und Effektivität bedeutend erweitert werden. An einer Kühlturmschale konnten z.B. Aufrauleistungen bis zu 14 m2/h erreicht werden. Weitere Einsätze sind in [9-1], [9-27] beschrieben. Tabelle 9.5 enthält der Baupraxis entnommene Fälle.

9.6.5 Abtragen Mit Druckwasserstrahlen können auch sehr dicke Betonschichten in einem oder mehreren Arbeitsgängen abgetragen werden. Bevorzugte Objekte des Betonabtrages sind großflächige Objekte wie Brücken, Dämme oder Parkdecks (Bild 9.31). Für die Lösung derartiger Aufgaben kommen robotergeführte Maschinenkomplexe mit vergleichsweise großen Anschlussleistungen zum Einsatz (vgl. Bild 9.22). STRÖMDAHL [9-56] berichtet über einen erschütterungsfreien kombinierten Abtrag von 2.500 m2 Bitum und Beton an einer Eisenbahnbrücke. Der erfolgreiche Einsatz bei der Instandsetzung eines bis auf 61 cm Tiefe brandgeschädigten Turbinenfundamentes wird in [9-65] beschrieben. Der Abtrag erfolgte erschütterungsfrei und ohne Beschädigung der Bewehrung. REGER [9-66] schildert die Anwendung von Wasserstrahlen beim großflächigen Abtrag dicker Betonschichten an Fahrbahnen, Passstraßen, Brücken und Verladedocks. Über das erschütterungsfreie Freilegen von Anschlussbewehrungen an einer Fahrbahnplatte berichtet [9-55]. Zahlreiche Fälle – u.a. den Tiefenabtrag an einer durch Frost-Tauwechsel geschädigten Schleusenwand – schildern [9-45,] [9-58,] [9-66]. Tabelle 9.6 enthält weitere Beispiele. Einen ungewöhnlichen Einsatz, bei dem Wasserstrahlen in Kombination mit konventionellen Werkzeugen eingesetzt worden waren, beschreiben VOLLRATH und TATHOFF [9-67]. Der Asphalt auf einer mit Zick-Zack-Profilen versehenen Stahlbrücke wurde bis auf die Oberkante der Stahlprofile abge-

9.6 Anwendung von Druckwasserstrahlen

275

Bild 9.30: Aufrauen von Asphaltbeton mit Druckwasserstrahler (Quelle: WOMA Apparatebau GmbH, Duisburg); links: vorher; rechts: nachher

Tab. 9.5: Entfernen von Zementleim an einem Staudamm mit maschinellen Hochdruck-Wasserstrahl-Systemen [9-59] Druckfestigkeit in MPa

Betriebsüberdruck in MPa

Arbeitsabstand in cm

Vorschub in m/min

Leistung in m2/h

28 64 75 94 105 113

40…80 60…80 70…90 80…100 80…100 80…100

8…10 6…8 5…6 4…6 4…6 4…6

1,61 1,50 1,38 1,27 1,27 1,27

155 144 132 121 121 121

Bild 9.31: Schwerer Betonabtrag (Quelle: Aquajet A.B., Holsbybrunn, Schweden)

276

9 Untergrundvorbereitung mit Druckwasserstrahlen

Tab. 9.6: Betonabtragsraten mit maschinellen Systemen. (Quelle: WOMA, Duisburg) (Betriebs· überdruck: 85…95 MPa; Anschlussleistung: 245 kW; Förderstrom: Q =130 l/min; Werkzeugdrehzahl: 90 min–1) Düsenanzahl

2 1 1 1

Düsendurchmesser mm

Rotationsradius cm

Vorschub m/min

1,9 2,5 2,8 2,8

3/5 5 5 3

0,85 0,85 0,85 0,85

Abtragtiefe cm

5…6 6…6,5 6,5…8 7…8

Effektivität m2/h

m3/h

5,1 5,6 5,1 3,1

0,28 0,33 0,38 0,23

fräst und der Belag zwischen den Profilen mit Wasserwerkzeugen entfernt (Bild 9.32). Mit rotierenden Werkzeugen können Decken- und Wanddurchbrüche erzeugt bzw. Nuten in Wände, Decken und Böden gefräst werden. Bewehrungsstähle können vollständig freigelegt und anschließend mit Schneidbrennern oder Winkelschleifern durchgetrennt werden.

9.6.6 Entrosten der Bewehrung Nicht zu beschichtende Bewehrungsoberflächen können mit Hochdruckwasserstrahlen entrostet werden, wenn der Betriebsüberdruck den Wert von p0 = 60 MPa überschreitet (Tabelle 9.7). Der Entrostungsgrad ist einem Reinheitsgrad St2 gleichwertig, auch wenn das optische Bild nicht dem fotografischen Vergleichsmustern in ISO 8501-1 entspricht [9-5]. Bei chloridinduzierter Korrosion schrieb die alte RILI des DAfStb die Vorbehandlung der Bewehrung mit dem Hochdruckwasserstrahl-Verfahren vor: „Bei chloridinduzierter Korrosion ist mit Hochdruckwasserstrahl vorzubehandeln.“ [9-25]. Bild 9.33 verdeutlicht, dass an Stahloberflächen haftende Chloride mit Wasserstrahlen zuverlässig entfernt werden können. Zudem dringt der Wasserstrahl – im Gegensatz zu den mechanischen und Partikelstrahlverfahren – in die bei Chloridkorrosion typischen Rostnarben ein und schwemmt dort angelagerte Chloride heraus. In den Vorschriften wird darauf hingewiesen, dass nach einer Entrostung mit Druckwasserstrahlen „gegebenenfalls trocken nachzustrahlen“ ist [9-4], [9-5].

9.6.7 Trennen und Abbrechen Eine wesentliche Erweiterung hat die Anwendung der Druckwasserstrahl-Technik durch die Entwicklung von Abrasiv-Druckwasserstrahl-Geräten erfahren.

9.6 Anwendung von Druckwasserstrahlen a

277

b

Bild 9.32: Schonender Asphaltabtrag zwischen Stahlprofilen (Quelle: WOMA Apparatebau GmbH, Duisburg) Tab. 9.7: Einfluss der Bearbeitungsverfahren auf die Reinheit der Bewehrung [9-68] Vorrostungsstufe

Entrostungsverfahren

Prüfkörper A

B

C

Rostklassea

a

Leicht

1: ohne Entrostung 2: mit Stahlbürste handentrostet 3: trockengestrahlt mit Korund, unvollständig 4: trockengestrahlt mit Korund, vollständig 5: HDW-gestrahlt, 240 MPa mit Schlacke 6: HDW-gestrahlt, 120 MPa ohne Strahlmittel

3 2 1 0 0 0

4 3 1 1 1 0

4 2 2 1 0 0

Mittel

1: ohne Entrostung 2: mit Stahlbürste handentrostet 3: trockengestrahlt mit Korund, unvollständig 4: trockengestrahlt mit Korund, vollständig 5: HDW-gestrahlt, 240 MPa mit Schlacke 6: HDW-gestrahlt, 120 MPa ohne Strahlmittel

3 2 1 0 0 0

3 2 1 0 1 0

3 2 1 1 1 1

Stark

1: ohne Entrostung 2: mit Stahlbürste handentrostet 3: trockengestrahlt mit Korund, unvollständig 4: trockengestrahlt mit Korund, vollständig 5: HDW-gestrahlt, 240 MPa mit Schlacke 6: HDW-gestrahlt, 120 MPa ohne Strahlmittel

3 2 1 0 0 0

4 2 1 1 1 0

3 3 2 2 1 1

Rostklassen: 0: kein Angriff. 1: < 1 % der Fläche mit Korrosion; 2: 1…10 % der Fläche mit Korrosion; 3: 10…50 % der Fläche mit Korrosion; 4: > 50 % der Fläche mit Korrosion.

9 Untergrundvorbereitung mit Druckwasserstrahlen

Chlorid-Gehalt in mg/cm2

278

Bild 9.33: Chloridmessungen an Stählen nach der Bearbeitung mit verschiedenen Verfahren [9-69]

Mit dieser Technik können Stahlbetonkonstruktionen erschütterungs- und staubfrei und automatisiert getrennt und abgebrochen werden (Bild 9.34). Die Grundlagen dieser Technik sowie zahlreiche Anwendungsfälle sind in [9-1], [9-49], [9-70] beschrieben. Ausgewählte Leistungsangaben enthält Tabelle 9.8.

Tab. 9.8: Schneidergebnisse mit abrasiven Hochdruckwasserstrahlen (Quelle: WOMA Apparatebau GmbH, Duisburg) Betriebsüberdruck in MPa

Düsendruchmesser in mm

Abrasivmenge in kg/min

Bewehrung

Trenndicke in cm

Vorschub in m/h

130 130 200 200 200 125 200

1,3 1,3 0,8 0,8 0,8 0,9 0,8

3,6 3,6 2,6 2,6 2,5 3,7 2,5

sehr dicht sehr dicht 6 ¥ 6 mm 8 ¥ 25 mm 8 ¥ 20 mm 2 ¥ 6 mm 2 ¥ 4 mm

37…40 25 14 40 33 33 40

1,0 2,4 5,4 1,2 1,3 2,2 1,3

9.7 Traggrundqualität

279

Bild 9.34: Zerlegen von Stahlbeton mit abrasiven Hochdruck-Wasserstrahlen (Quelle: WOMA Apparatebau GmbH, Duisburg)

9.6.8 Unterwassereinsatz Mit Wasserstrahlen ist die Bearbeitung von Beton auch unter Wasser möglich. Mit speziellen rückstoßfreien Pistolen können Algenbewuchs, Muschelkrusten, aber auch verschlissene Beschichtungen entfernt werden [9-1], [9-71]. In [9-72] wird über der Einsatz eines Hochdruckwasser-Systemes zur Instandsetzung eines in 600 m Tiefe auf dem Grund der Nordsee verlegten Pipelinestranges berichtet. Der Abtrag einer 100 mm dicken Betonschicht, die mit einer 5 mm dicken Bitumenschicht überzogen war, wurde mit einem ferngesteuerten Trägersystem realisiert. Für den Abtrag des Betons auf einen Meter Länge wurden bei einem Betriebsüberdruck von p0 = 140 MPa 1,5 Stunden benötigt.

9.7 Traggrundqualität 9.7.1 Rauheit Die hohe Qualität von mit Wasserstrahlen erzeugten Betontraggrunden hat entscheidend zum Erfolg des Verfahrens beigetragen. Die Traggrundqualität ist insbesondere im deutschsprachigen Raum Gegenstand systematischer Untersuchungen gewesen. WERNER [9-26] konnte nachweisen, dass die durch Wasserstrahlen erreichbare Rauheit von Betonflächen nachhaltig vom Zuschlag beeinflusst wird. Bei Kalkstein als Zuschlag kann mit einer relativ glatten, durch hohen Korn-

280

9 Untergrundvorbereitung mit Druckwasserstrahlen

bruchanteil gekennzeichneten Oberfläche gerechnet werden. Dagegen ist bei Basaltbeton eine zerklüftete, stark unebene Oberfläche mit teilweise gebrochenem Korn zu erwarten. Kiesbeton zeigt häufiger eine Oberfläche mit gerundetem Korn; die Fläche ist nach erfolgtem Abtrag relativ uneben und besitzt einen sehr hohen Zuschlaganteil. Zu ähnlichen Ergebnissen kommt MOMBER [9-28], der bezüglich der erzeugten Traggrundstruktur zwei grundsätzliche Typen unterscheidet (siehe Abschnitt 9.3.2). SILFWERBRANDT und PAULSSON [9-73] geben eine mit Hochdruck-Wasserstrahlen erreichbare mittlere Rauheit von Betonflächen mit 7,7 mm an. Gemessen wurde hierbei der Durchschnitt des 2fachen Amplitudenwertes über eine Messlänge von 500 mm (vgl. Bild 6.14). Allerdings wies die Rauheit keinen Einfluss auf die Abreißfestigkeit auf. HINDO [9-74] fand nach der Betonbearbeitung mit HDW eine große Anzahl geöffneter Mikroporen, die zu einer Erhöhung der dem Verbund zur Verfügung stehenden Oberfläche beiträgt. YASUMATSU u.a. [9-75] haben den Zugewinn an Oberfläche nach WasserstrahlBearbeitung gemessen und Werte zwischen 20% und 60% gefunden.

9.7.2 Risseintrag Systematische Untersuchungen der Risseintragung in den Traggrund durch Wasserstrahlen sind in [9-26], [9-46] vorgenommen worden. Von WERNER [926] ausgewertete Dünnschliffe ließen kornumrundende, aber auch kornbrechende Risse im unbearbeiteten Beton erkennen – meist wenige Millimeter unter der Oberfläche. Die Risse waren unterschiedlich lang und unterschiedlich orientiert. Nach der Bearbeitung sind erheblich weniger Risse festgestellt worden, deren Größe und Ausrichtung denen der ursprünglichen Risse entsprachen. Von „praktisch rissfreiem“ Traggrund nach dem Einsatz von Wasserstrahlen (ohne jedoch eine Definition für „praktisch rissfrei“ zu geben) wird u.a. in [9-56], [9-76] gesprochen (vgl. Bild 9.35). BADZONG [9-77] beobachtete hingegen lokale Rissbildungen an maschinell bearbeiteten Betonen. KAUW [9-46] stellte in einer, allerdings im Umfang begrenzten (24 Proben), Studie Rissbildungen im Traggrund fest (Tabelle 9.9). Die Risslängen lagen überwiegend bei wenigen Millimetern, die maximale Risslänge betrug 20 mm. Die Rissbreiten bewegten sich überwiegend im Bereich unter 0,1 mm. Etwa 70% der nachgewiesenen Risse verliefen teilweise parallel zur Oberfläche. Die Mehrzahl der oberflächenparallelen Risse mit größeren Rissbreiten (> 0,1 mm) wurde in Materialvorsprüngen angetroffen; es handelte sich offenbar um bereits geschädigtes, aber nicht abgespültes Material. Diese Beobachtung bestätigt eine in [9-22], [9-78] entwickelte Vorstellung, wonach die vereinzelt im Traggrund nachgewiesene Risse darauf zurückgeführt werden, dass die vorgegebene Belastung (z.B. Betriebsüberdruck, Einwirkzeit) nicht ausreicht, um vorhandene oder neu gebildete Risse soweit aufzuweiten, dass ein Partikelabtrag erfolgen kann.

9.7 Traggrundqualität

281

Bild 9.35: Dünnschliff einer mit Hochdruck-Wasserstrahlen bearbeiteten Betonprobe (Quelle: WOMA Apparatebau GmbH, Duisburg)

Bei der üblicherweise eingesetzten Technik können Gefügestörungen auftreten, wenn versucht wird, mit großen Strahlenergien – insbesondere mit großen Förderströmen – in einem Übergang einen Tiefenabtrag zu realisieren, und dabei die Steifigkeit der Konstruktion reduziert wird [9-79]. Es sind daher auch beim Abtrag mit Handgeräten tendenziell weniger Risse nachweisbar als beim maschinellen Abtrag [9-26]. Es kann davon ausgegangen werden, dass es sich bei den nachgewiesenen Rissen um aktivierte, aber dann am Wachsen gehinderte Mikrorisse handelt. Kritische oberflächenparallele Risse dürften daher mit höherer Wahrscheinlichkeit bei Betonen mit inhomogener Festigkeitsstruktur (feiner, naturgerundeter Zuschlag, hoher Wasserzementwert, geringe Festigkeit) auftreten, da in diesem Fall die zunächst in Strahlrichtung (vertikal) wachsenden Mikrorisse an Zuschlagkörnern abgelenkt werden. Eine derartige Tendenz ist in Tabelle 9.9 zu erkennen. Systematische Untersuchungen an Hoch- und Brückenbauten ergaben, dass die Porenstruktur der bearbeiteten Betone durch die Bearbeitung mit Hochdruck-Wasserstrahlen nicht signifikant beeinflusst wird [9-79].

9.7.3 Abreißfestigkeit Nach [9-1] kann davon ausgegangen werden, dass die in den Vorschriften geforderten Oberflächenzugfestigkeiten mit Hochdruckwasserstrahlen grundsätzlich erreichbar sind. Zu diesem Ergebnis kommen auch [9-46], [9-75], [979], [9-80]. Zwischen unbehandelten und mit Wasserstrahlen auf den Druckniveaus p0 = 100 MPa und p0 = 200 MPa bearbeiteten Betonproben waren keine wesentlichen Unterschiede der Oberflächenzugfestigkeiten erkennbar. Einige Ergebnisse zeigt Bild 9.36a. Aus den Ergebnissen von TAYABJI [9-80]

282

9 Untergrundvorbereitung mit Druckwasserstrahlen

Tabelle 9.9: Rissuntersuchungen an Betonen nach Wasserstrahl-Bearbeitung [9-46] (auszugsweise) Probe

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21

Druckfestigkeit in MPa

40

45

42

47

47

49

54

Größtkorn in mm

16 16 16 16 16 16 16 16 16 16 16 16 32 32 32 16 16 16 16 16 16

Betriebsüberdruck in MPa

0 105 195 0 105 195 0 105 195 0 105 195 0 105 195 0 105 195 0 105 195

Rissanzahl Gesamt

Oberflächenparallel

0 1 0 0 0 1 0 0 2 0 4 1 0 1 1 0 2 3 0 1 1

0 1 0 0 0 1 0 0 2 0 2 1 0 0 1 0 2 2 0 0 1

kann allerdings erkannt werden, dass die Oberflächenzugfestigkeit mit zunehmender Abtragstiefe sinkt (Bild 9.36b). Diese Tendenz weisen auch Ergebnisse von Messungen der Verbundfestigkeit zwischen Traggrund und Betonersatzsystemen auf. Diese Resultate stützen die bereits oben ausgesprochene Empfehlung, dass möglichst nicht versucht werden sollte, eine große Abtragstiefe in einem Übergang zu erzeugen. YASUMATSI u.a. [9-75] geben mittlere Werte der Abreißfestigkeit von mit HDW bearbeiteten Betonoberflächen zwischen 1,6 und 2,8 MPa an, wobei die Abreißfestigkeit mit der Traggrundrauheit zunimmt und sich für hohe Rauheiten bei dem Wert von 2,8 MPa einpegelt. TALBOT u.a. [9-81] haben in einer Langzeitstudie den Verbund zwischen Spritzbeton und mit HDW erzeugten Traggründen untersucht. Die Abreißfestigkeiten wiesen in Abhängigkeit von der Spritzbetonmischung die folgenden Werte auf: 1,57 und 1,56 MPa (Normalmischung, trocken); 1,49 und 1,67 MPa (mit Silikamehl, trocken); 2,08 und 1,86 MPa (mit 48 kg/m3 Stahlfasern, trocken); 1,50 und 1,58 MPa (12% latexmodifiziert, trocken). Der erste Wert wurde nach zwei Monaten gemessen, der zweite Wert wurde nach sechs Monaten ermittelt. In [9-82] wurde die Verbundkraft zwischen Betonoberflächen und Glasfaserverkleidungen gemessen; Werte für mit HDW präparierte Oberflächen lagen zwischen 22 und 30 kN. (Zum Vergleich: Werte für mit festem Strahlmittel bearbeitete Oberflächen lagen zwischen 15 und 18 kN.)

9.7 Traggrundqualität

283

Oberflächenzugfestigkeit t in MPa

a

b

Bild 9.36: Oberflächenzugfestigkeiten an Betonflächen nach der Betonbearbeitung mit HDW: a) Generelle Werte der Abreißfestigkeit [9-46], b) Einfluss der Abtragstiefe auf die Scherfestigkeit von Verbundfugen [9-80]

284

9 Untergrundvorbereitung mit Druckwasserstrahlen

Systematische Untersuchungen an Hoch- und Brückenbauten ergaben, dass der E-Modul von Betonen durch die Bearbeitung mit Hochdruck-Wasserstrahlen nicht beeinflusst wird [9-79].

9.7.4 Bewehrungszustand Nach den bisher gesammelten Erfahrungen ist eine Beschädigung oder Lockerung der Stahlbewehrung ausgeschlossen [9-80]. Bild 9.37 zeigt, dass die Bewehrung nicht verbogen ist und sogar dünne Binde- und Rödeldrähte erhalten bleiben (vgl. auch Bild 7.25). Die RILI des DAfStb und die ZTV-ING empfehlen für das Entrosten von Bewehrungsstählen den Einsatz von Wasserstrahlen [9-4], [9-5]. Die für chloridinduzierte Korrosion charakteristischen Korrosionsnarben können dadurch gründlich gereinigt und ein „Zuschlagen“ der Korrosionsgrate kann vermieden werden. KNUFMANN und WESTENDORP [9-83] berichten zwar, dass Spanngliedhüllrohre durch die Einwirkung von Wasserstrahlen aufgerissen wurden; hierbei handelte es sich möglicherweise um bereits beschädigte oder nicht ordnungsgemäß verfüllte Hülsen. Die Spannseile selbst bleiben in jedem Falle unbeschädigt [9-84]. In [9-85] wird der Einsatz von Wasserstrahlen für den Abbruch von Stahlbeton ausdrücklich empfohlen, weil keine Gefahr der Bewehrungsschädigung besteht.

Bild 9.37: Mit Hochdruck-Wasserstrahlen freigelegte Bewehrung (Quelle: Aquajet AB, Holsbybrunn, Schweden)

9.7 Traggrundqualität

285

9.7.5 Wassereintrag Eine Diskussion wird auch um einen möglichen Eintrag von Strahlflüssigkeit in oberflächennahe Bereiche des Traggrundes geführt. Nach Untersuchungen in [9-86] kann jedoch davon ausgegangen werden, dass die Durchfeuchtung kein direktes Ergebnis der Bearbeitung ist, sondern eine Folge kapillaren Saugens nach erfolgter Bearbeitung. Feuchtigkeit im Traggrund kann durch den Einsatz von Geräten mit direkter Absaugung vermindert werden. In diesen Fällen sind, wie Bild 9.38 zeigt, in Abhängigkeit von der Betonqualität Eindringtiefen zwischen 0,4 mm und 0,6 mm gemessen worden, die denen eines starken Schlagregens entsprechen [9-86]. Der Hinweis in der alten RILI des DAfStb, dass „erforderlichenfalls“ ein Trocknen der Flächen notwendig ist, ist aus der Vorschrift entfernt worden [9-25].

9.7.6 Chloridumverteilung Nach derzeitiger Kenntnis kann davon ausgegangen werden, dass gelöste Chlorid-Ionen mit der Strahlflüssigkeit nicht in tiefer liegende Betonschichten transportiert, sondern vielmehr aus dem Beton gespült und mit dem abfließenden Prozesswasser entfernt werden. Dieser Vorgang wird durch die gerade bei

Bild 9.38: Wassereintrag in Beton nach HDW-Bearbeitung [9-86]

286

9 Untergrundvorbereitung mit Druckwasserstrahlen

Bild 9.39: Messungen an chloridgeschädigtem Betonen [9-68]

der Brückeninstandsetzung üblichen großen Förderströme unterstützt. LUKAS und KUSTERLE [9-87] haben mittels Potenzial-Messungen an Betonen mit hohen Chlorid-Gehalten einen deutlichen Abfall des Potenzials auch an mit Wasserstrahlen bearbeiteten Bauteilen nachgewiesen. Vergleichbare Ergebnisse hat Hunkeler [9-68] präsentiert (Bild 9.39).

9.7.7 Selektivität Eine außergewöhnliche verfahrenstechnische Eigenschaft des WasserstrahlVerfahrens ist die Selektivität. Beim festigkeitsbezogenen Abtrag von Beton im Sinne der Beseitigung minderfester Traggrundschichten wirkt Selektivität positiv, da Schwachstellen im Gefüge (lokale Rissnetze, Kiesnester) selbständig aufgespürt und beseitigt werden (Bild 9.40). Ein geometriebezogener Abtrag ist jedoch nicht in jedem Fall möglich, insbesondere nicht bei Bauwerken mit großen Festigkeitsunterschieden. Badzong [9-77] fand deutliche Streuungen der Abtragtiefe nach einer Bearbeitung. Dadurch lassen sich auch die Kosten für Betonersatz- bzw. Oberflächenschutzsysteme, die in der Regel Mindestdicken aufweisen müssen, nur schwer ermitteln. INGVARSSON und OLAFFSON [9-88] haben festgestellt, dass die Streuung der Abtragstiefe mit zunehmendem Betriebsüberdruck abnimmt. Durch den Einsatz sogenannter „Hydromilling“-Systeme, die Beton mit sehr hohen Betriebs-

9.8 Arbeits- und Gesundheitsschutz beim Druckwasserstrahlen

287

Bild 9.40: Selektiver Betonabtrag mit Hochdruckwasserstrahlen (Quelle: WOMA Apparatebau GmbH, Duisburg), 1 Beton der geforderten Festigkeit

überdrücken, dafür aber reduzierten Förderströmen bearbeiten, kann somit die Ebenheit des erzeugten Traggrundes erheblich verbessert werden. Die Selektivität macht den Druckwasserstrahl zu einem vielversprechenden Werkzeug beim kontrollierten Rückbau von Baukonstruktionen und beim Recycling von Bauteilen und -materialien [9-89].

9.8 Arbeits- und Gesundheitsschutz beim Druckwasserstrahlen 9.8.1 Generelle Probleme Über Unfälle und Verletzungen beim Einsatz von Hochdruckwasserstrahlen ist verschiedentlich berichtet worden [9-58], [9-90]. Die wichtigsten Gefahrenquellen sind der aus der Düse austretende Freistrahl sowie die Vielzahl der unter hohem Druck stehenden Anlagenkomponenten. Direkte, auch äußerlich nicht sichtbare Verletzungen werden als sehr gefährlich angesehen, da Infektionsgefahr besteht. Eine sofortige fachärztliche Versorgung ist daher stets notwendig (Bild 9.41). Baustellen, auf denen die Technik zum Einsatz kommt, sollten entsprechend gekennzeichnet und abgesperrt sein. Nach der UVV „Arbeiten mit Flüssigkeitsstrahlern“ können Gefährdungen entstehen [9-11] ◆ durch Rückstoß, ◆ durch Schneidwirkung des Flüssigkeitsstrahls,

288

9 Untergrundvorbereitung mit Druckwasserstrahlen

Bild 9.41: Erste-Hilfe-Karte für Betreiber von Hochdruck-Wasserstrahl-Anlagen (Quelle: WOMA Apparatebau GmbH, Duisburg)

◆ durch Schlauchlängen- und Schlauchlageänderung beim Einschalten der Pumpe, ◆ bei Arbeiten im Bereich elektrischer Anlagen und Betriebsmittel, ◆ durch unkontrolliertes Austreten von Druckflüssigkeit, ◆ durch defekte an druckführenden Teilen, z.B. beschädigte Schlauchleitungen, Verwendung von ungeeigneten Schläuchen, ◆ durch beim Flüssigkeitsstrahlen freigesetzte Gefahrenstoffe des behandelten Gegenstandes, z.B. durch asbesthaltige, silikogene oder bleihaltige Stäube, ◆ durch den Antriebsmotor, die Pumpe, den austretenden Flüssigkeitsstrahl an der Düse als Lärmgefährdung, ◆ durch das Auftreffen des Flüssigkeitsstrahls auf den zu behandelnden Gegenstand, z.B. durch den Rückprall, durch gelöste, umherfliegende Teile des zu bearbeitenden Gegenstandes, ◆ beim Umrüsten durch das Zusammenfügen von Bauteilen, die für den zulässigen Betriebsüberdruck nicht ausgelegt sind.

9.8.2 Arbeiten mit handgehaltenen Wasserwerkzeugen In [9-11] ist festgelegt, dass, soweit es betriebstechnisch möglich ist, mechanisch geführte Werkzeuge verwendet werden. Für von Hand gehaltene Werkzeuge – Lanzen, Pistolen, Handreiniger – gelten unter anderem die folgenden Einschränkungen: ◆ Sie dürfen nur dann verwendet werden, wenn sichergestellt ist, dass sie von einem sicheren Standplatz aus betätigt werden können. ◆ Mehrere Werkzeuge dürfen nur dann mit einem Druckerzeuger betrieben werden, wenn beim Öffnen oder Schließen einzelner Werkzeuge bei den übrigen keine gefährlichen Rückstoßveränderungen auftreten können.

9.8 Arbeits- und Gesundheitsschutz beim Druckwasserstrahlen

289

◆ Einstellungen am Druckerzeuger und ihre Veränderung dürfen nur nach vorheriger Verständigung mit der Person, die das Werkzeug betätigt, erfolgen. ◆ Die Größe der Düsen in den Werkzeugen und der Betriebsüberdruck müssen so aufeinander abgestimmt werden, dass der auftretende Rückstoß von der Person, die das Werkzeug betätigt, sicher beherrscht werden kann. ◆ Die aufzunehmenden Rückstoßkräfte dürfen einen Wert von FR = 250 N in der Längsachse nicht überschreiten (siehe hierzu Bild 9.3). Überschreiten die Rückstoßkräfte den Wert von FR = 150 N, dürfen nur Werkzeuge verwendet werden, bei denen durch besondere Maßnahmen sichergestellt ist, dass die Rückstoßkräfte ganz oder teilweise auf den Körper übertragen werden (z.B. Körperstütze, zweiter Handgriff). ◆ Hände oder andere Körperteile dürfen nicht vor die unter Druck stehende Düse oder in den Flüssigkeitsstrahl gebracht werden. ◆ Werkzeuge dürfen mit keinem höheren als vom Hersteller angegebenen zulässigen Betriebsüberdruck betrieben werden. Fehlt die Druckangabe, dürfen sie nur mit einem Betriebsüberdruck von nicht mehr als p0 = 25 bar (2,5 MPa) betrieben werden. ◆ Die Betätigungseinrichtung des Werkzeuges darf in der Einschaltstellung nicht festgesetzt werden. ◆ Bei Arbeitsunterbrechung oder Arbeitsende muss die Betätigungseinrichtung gegen unbeabsichtigtes Betätigen gesichert sein. Dies gilt nicht, wenn beim Loslassen der Betätigungseinrichtung der Druckerzeuger abgeschaltet wird und danach am Werkzeug kein Überdruck mehr ansteht. ◆ Der Flüssigkeitsstrahl darf nicht auf elektrische Anlagen oder Betriebsmittel gerichtet werden. Dies gilt nicht, wenn eine Gefährdung durch elektrischen Strom ausgeschlossen ist. Die Berufsgenossenschaften der Bauwirtschaft legen für Einsätze von Hochdruckreinigern weiterhin fest [9-91]: ◆ Schlauchleitungen nicht einklemmen, über scharfe Kanten führen, mit Fahrzeugen überfahren. Schlingenbildung, Zug- oder Biegebeanspruchung vermeiden. ◆ Geräte nicht mit der Schlauchleitung ziehen, ◆ Nicht von Anlegeleitern aus mit Hochdruck-Spritzeinrichtungen arbeiten, sondern z.B. von Gerüsten, ◆ Hochdruckstrahl nie auf Personen richten, ◆ bei Düsenwechsel, vor Wartungs- und Instandsetzungsarbeiten sowie nach Beendigung der Arbeiten Gerät ausschalten, Wasserzufuhr absperren und System drucklos machen, z.B. Abzugshebel der Spritzpistole betätigen, ◆ Geräte nach Bedarf, nach einer Betriebsunterbrechung von mehr als 6 Monaten, mindestens jedoch einmal jährlich durch Sachkundigen prüfen lassen. In [9-42] wird gefordert: Die Mindestlänge eines handgehaltenen Werkzeugs darf 75 cm nicht unterschreiten. Beträgt die Länge weniger als 75 cm, muss die Betätigungseinrichtung als Zweihandschaltung ausgebildet sein, die nur bei

290

9 Untergrundvorbereitung mit Druckwasserstrahlen

3

1 2

4

5

6

7 Bild 9.42: Persönliche Schutzausrüstung beim Einsatz handgeführter Hochdruck-WasserstrahlWerkzeuge: 1 Schutzhelm, 2 Schutzscheibe, 3 Gehörschutz, 4 Schutzjacke, 5 Schutzlatzhose, 6 Schutzhandschuhe, 7 Schutzstiefel (Quelle: WOMA Apparatebau GmbH, Duisburg)

gleichzeitiger Betätigung beider Stellteile betrieben werden kann. Eine entsprechende Lösung zeigt Bild 9.42.

9.8.3 Persönliche Schutzausrüstung Die UVV „Arbeiten mit Flüssigkeitsstrahlern“ [9-11] listet unter anderem folgende Anwendungsbeispiele persönlicher Schutzausrüstung auf (vgl. Bild 9.42): ◆ Beim Einsatz von Reinigungsgeräten ist in der Regel ein Schutz gegen Feuchtigkeit ausreichend, z.B. wasserdichte Spritzschutzhosen und -jacken sowie Gummistiefel und Handschuhe. Der Gesichtsschutz kann gegebenenfalls durch durchsichtige Schutzschilde am Schutzhelm sichergestellt werden. ◆ Werden Arbeiten im Lärmbereich ausgeführt, ist geeigneter Gehörschutz auszuwählen. ◆ Beim Einsatz von handgehaltenen Wasserwerkzeugen mit Betriebsüberdrücken über p0 = 25 MPa besteht eine erhöhte Gefahr von Fußverletzungen. Aus diesem Grund sind spezielle Stiefel mit zusätzlichem Mittelfußschutz erforderlich.

9.8 Arbeits- und Gesundheitsschutz beim Druckwasserstrahlen

291

Bild 9.43: Betriebsüberdruck, Düsendurchmesser und Schalldruckpegel an Wasserstrahlen [9-93]

9.8.4 Lärm Moderne Hochdruckwasserstrahl-Aggregate können soweit gedämmt werden, dass die Emission auf Schallpegel von 70…75 dB(A) reduziert werden kann. Ein größeres Problem stellt die von den Freistrahlen ausgehende Lärmemission dar. Sie entsteht durch die hohe Relativgeschwindigkeit zwischen dem Strahl und der Umgebungsluft. In [9-11] heißt es: „Beim Einsatz … ist von Lärmgefährdung auszugehen, insbesondere beim Abtrag von Beton“. In [9-92] durchgeführte Messungen wiesen hohe Pegelwerte im Frequenzbereich von 1 kHz bis 8 kHz nach. Abrasive Wasserstrahlen emittieren Luftschall im Bereich von 1 kHz bis 5 kHz. Der Schalldruckpegel nimmt mit dem Düsendurchmesser und der Strahllänge, also der Berührungsfläche StrahlLuft, zu und steigt mit dem Betriebsüberdruck fast linear an (Bild 9.43). Bei Betriebsüberdrücken über 100 MPa besteht grundsätzlich die Gefahr einer Gehörschädigung. Beim Einsatz von rotierenden Werkzeugen entsteht zusätzlicher Luftschall durch Strömungsunterbrechungen, Verwirbelungen und Resonanzen [9-1]. Bild 9.44 gibt Ergebnisse von an Wasserstrahlbaustellen vorgenommenen Lärmmessungen wieder. Es ist deutlich, dass hohe Schallpegelwerte über vergleichsweise lange Zeiträume wirken. Die UVV [9-11] schreibt daher vor, dass geeigneter Gehörschutz auszuwählen ist.

292

9 Untergrundvorbereitung mit Druckwasserstrahlen

a

b

Bild 9.44: Lärmmessungen an Wasserstrahl-Baustellen [9-94]: a) Reinigen einer Sichtbetonfassade, b) Abtragen einer Altbeschichtung an einer Hochhausfassade

9.8 Arbeits- und Gesundheitsschutz beim Druckwasserstrahlen

293

Bild 9.45: Körperschallmessungen an Fassaden [9-95]

9.8.5 Körperschall Körperschall breitet sich in festen Stoffen aus und kann insbesondere im Inneren von Gebäuden zu erheblicher Lärmbelästigung führen. Durch Hochdruck-Wasserstrahlen erzeugter Korperschall kann praktisch vernachlässigt werden. Er beträgt nur etwa 4% der an Abbruchhämmern gemessenen Werte (Bild 9.45).

9.8.6 Mechanische Schwingungen Ergebnisse von Messungen von Hand-Arm-Schwingungen während Druckwasserstrahlarbeiten mit Drücken zwischen 27 und 45 MPa finden sich in [996]; es kamen rotierende Düsenträgerköpfe zum Einsatz. Die äquivalenten Beschleunigungswerte lagen in Abhängigkeit von der Messrichtung zwischen 2,2 und 30 m/s2. Die Werte stiegen mit dem Nennförderstrom, wohingegen die Abhängigkeit vom Betriebsüberdruck keinen eindeutigen Trend zeigte.

294

9 Untergrundvorbereitung mit Druckwasserstrahlen

9.8.7 Partikelemission und Aerosole Die aus Betonstrukturen durch die Einwirkung von Hochdruckwasserstrahlen herausgebrochenen Partikel besitzen beträchtliche Energien. SACHSE [997] hat z.B. Flugweiten bis zu 14 m gemessen. Schutzbrille oder Helmvisier müssen daher fester Bestandteil der Schutzausrüstung sein. Bei maschinell geführten Werkzeugen kann ein Großteil dieser Emission durch den Einsatz von Schutzplanen im Werkzeugbereich vermieden werden. Es empfiehlt sich grundsätzlich, die entsprechenden Arbeitsbereiche durch Hinweisschilder („Hochdruckwasserstrahlarbeiten“) als Gefahrenbereiche zu kennzeichnen. Aerosolmessungen, die während des Abtragens bleihaltiger Beschichtungssysteme mit Hochdruck-Wasserstrahlen durchgeführt worden sind, ergaben, dass in dem konkreten Fall die kritische Aerosolkonzentration nicht überschritten wird [9-98]. Die Messungen sind auf Bild 9.46 auszugsweise dargestellt. Langzeituntersuchungen des Bleigehaltes im Blut von Strahlern, die annähernd 900 Stunden bleihaltige Beschichtungen mit HDW abgetragen hatten, ergaben zwar einen leichten Anstieg des Bleigehaltes (von 6,76 mg/dl auf 7,77 mg/dl), der kritische Richtwert (OSHA: 40 mg/dl) wurde jedoch weit unterschritten [9-99]. Dennoch ist dieses Problem bisher nicht hinreichend genau untersucht worden. Kann die Konzentration der entsprechenden Gefahrstoffe nicht sicher eingeschätzt werden, ist „gegen die Gefahrenstoffe ein Filter der entsprechenden Schutzklasse“ zu tragen [9-11]. Die Gefahr der Aerosolbil-

Bild 9.46: Aerosolmessungen an einer Wasserstrahl-Baustelle [9-98]

9.9 Entsorgung

295

dung kann durch den Einsatz abgedichteter und unter einem Unterdruck stehender Wasserwerkzeuge vermieden werden (vgl. Bilder 9.25, 9.29). Die UVV schreibt das Tragen eines Partikelfilters der Klasse P2 vor „beim Flüssigkeitsstrahlen von quarzhaltigen Gegenständen“ [9-11], wozu auch Beton gezählt wird.

9.9 Entsorgung 9.9.1 Generelle Probleme In der alten RILI des DAfStb wird daraufhin gewiesen, dass beim Hochdruckwasserstrahlen „Wasser und Schlamm“ anfallen [9-25]. In der Regel handelt es sich um Gemische aus: ◆ verschmutztem Strahlwasser, ◆ abgetragenem Beton verschiedener Korngröße, ◆ u.U. abgetragenen Beschichtungs- und Farbresten, ◆ u.U. chemischen Verunreinigungen, ◆ verbrauchtem Strahlmittel (beim Einsatz von Abrasiven). Das Gemisch muss mit geeigneten Methoden aufgefangen werden. Das kann z.B. mittels Auffangwannen oder -folien, direkter Absaugung mit abgedichteten Werkzeugen oder auch durch die Nutzung bereits vorhandener Wasserabflüsse (z.B. bei Brücken) geschehen.

9.9.2 Abtrennung und Behandlung des Strahlwassers Die Abfall- und Reststoffe liegen nach der Trennung auf der Baustelle in drei Fraktionen vor: Wasser, stark wasserhaltiger Schlamm (Absetzschlamm) und Betonbruchstücke. Die flüssigen und festen Phasen werden voneinander in der Regel in Absetzbecken (bei geringen Förderströmen von ca. 20 l/min) oder in Durchlaufbecken (bei hohen Förderströmen bis 300 l/min) getrennt. Vorhandene Schadstoffe setzen sich oft zusammen mit dem Feststoff in den Becken als Absetzschlamm ab, weshalb die beim Abtrag von unbeschichtetem Beton oder beim Entfernen äußerer Schmutzschichten von Beton entstehende Klarphase sehr oft nach einer Neutralisation (mit verdünnter Salzsäure oder, als umweltverträglichere Variante, mit Kohlensäure) direkt in die öffentliche Kanalisation eingespeist werden kann (Tabelle 9.10). Das betrifft auch den Einsatz von abrasiven Hochdruckwasserstrahlen [9-100]. DORNER [9-100] stellte fest, dass zahlreiche beim Betonabtrag anfallende Ablaufwässer als Anmachwasser bei der Betonherstellung zum Einsatz gelangen könnten. Die Chloridgehalte waren äußerst gering; Fette, Öle und Detergenzien waren nicht nachweisbar.

296

9 Untergrundvorbereitung mit Druckwasserstrahlen

Tabelle 9.10: Schadstoffgehalte in Ablaufwässern von Hochdruckwasserstrahl-Baustellen [9-100] Kennwert

pH-Wert Chlorid Sulfat Arsen Blei Cadmium Chrom Chromat a Kobalt Kupfer Nickel Quecksilber Silber Zinn Zink a

mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l

Baustelle

Grenzwert Stad München

Fassade

Brücke

Tiefgarage

Tunneldecke

12 0,057 0,190 < 50 < 50 < 10 23 n.n < 10 25 52 < 10 < 10 < 50 < 10

9 0,265 0,018 < 50 < 50 < 10 14 n.n < 10 < 10 < 50 < 10 < 10 < 10 < 10

12 0,085 0,172 <5 < 50 < 10 45 n.n < 10 < 10 < 10 < 10 < 10 < 10 < 50

12 0,008 0,014 <5 14 <2 22 n.n <2 <1 < 10 <5 <2 < 10 <4

6-11 kein 0,400 100 500 200 500 100 1.000 500 500 50 1.000 2.000 2.000

DIN 38405-D 24.

Handelt es sich um die Bearbeitung kontaminierter Betonflächen oder Oberflächenschutzsysteme, müssen in Abhängigkeit von Art und Grad der Kontamination die folgenden Behandlungen erfolgen (vgl. Bild 9.47): ◆ Neutralisation von alkalischen Abwässern, ◆ Schwermetallfällung, ◆ Flockung, ◆ Emulsionsspaltung, ◆ Filtration.

Bild 9.47: System zur Aufbereitung von Strahlwasser

9.10 Effektivität und Kosten

297

Bezüglich der abgetragenen Stoffe wies die alte RILI des DAfStb darauf hin, dass bei „Verunreinigungen von Beton mit artfremden Stoffen ggf. das Abfallgesetz § 2 Abs. 2 zu beachten“ ist [9-25].

9.10 Effektivität und Kosten 9.10.1 Effektivität WALLACE [9-101] sowie VORSTER u.a. [9-102] geben für den ökonomisch vertretbaren Einsatz von maschinellen Hochdruckwasserstrahl-Anlagen eine untere Grenze für den Bearbeitungsumfang von ca. 1.000 m2 an. Wird dieser Wert unterschritten, steigen die Kosten überproportional an (Bild 9.48). ANDREOU [9-103] hat den Abbruch eines schwach bewehrten Betonfundamentes untersucht und festgestellt, dass der Einsatz eines HDW-Gerätes ab einem Abtragvolumen von 20 m3 kostengünstig ist. Bild 9.49 verdeutlicht die Effektivität des maschinenllen Tiefenabtrages von Beton, gemessen an verschiedenen Baustellen. Bei diesen Einsätzen liegt die durchschnittliche Abtragsrate in der Regel zwischen 0,3 m3/h und 0,5 m3/ h. In Extremfällen können mittlere Abtragsleistungen bis zu 2,8 m3/h realisiert werden. Das Verhältnis von durchschnittlicher Nutzleistung und kurzzeitig erreichbarer maximaler Nutzleistung weist bei Wasserstrahl-Arbeiten einen Wert von etwa 0,5 auf. Es muss betont werden, dass die Abtragsleistung mit der geforderten Abtragstiefe tendentiell abnimmt.

Bild 9.48: Effektivitäts- und Kostengrenze für den maschinellen Abtrag von Stahlbeton [9-102]

298

9 Untergrundvorbereitung mit Druckwasserstrahlen

Bild 9.49: Effektivität des maschinellen Betonabtrages (nach Angaben von Aquajet A.B., Holsbybrun, Schweden)

Die Effektivität sinkt außerdem auf bis zu 60%, wenn nach der Wasserstrahl-Bearbeitung umfangreiche Reinigungsarbeiten (z.B. Aufnahme des abgetragenen Strahlgutes) erforderlich sind.

9.10.2 Kosten Detaillierte Kostenbetrachtungen können nur am jeweiligen Objekt angestellt werden. Tabelle 9.11 enthält ein Beispiel für den maschinengeführten TiefenTab. 9.11: Kosten für den maschinellen Betontiefenabtrag mit Hochdruck-Wasserstrahlen [9-104] Parameter

Nutzleistung in m2/h Abtragstiefe in cm Kosten in €/m2 Kosten in €/m3

Baustelle 1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

13,6 7,9 20 253

5,0 8,0 54 680

16,4 8,4 16 197

10,6 8,0 25 319

3,7 8,4 73 869

27,0 4,0 10 250

10,0 4,0 27 675

33,0 4,0 9 213

21,0 4,0 13 325

7,5 4,0 37 913

9.10 Effektivität und Kosten

299

abtrag. Tabelle 9.12 listet typische Werte für die Oberflächenbearbeitung mit emissionsfrei arbeitetenden handgeführten Wasserwerkzeugen auf. Bild 9.48 verdeutlicht die Abhängigkeit der Kosten vom Arbeitsumfang beim Tiefenabtrag von Stahlbeton. In Tabelle 9.13 sind exemplarisch Kostenanteile für den Betonabtrag an Stahlbetonbauwerken wiedergegeben. Tab. 9.12: Kosten für die emissionsfreie Reinigung mit Hochdruck-Wasserstrahlen [9–106] Aufgabe

Spezifische Kosten in €/m2 Lohna

a b c

Vorhaltekosten

Betriebsstoffe Wasser

Energie + Schmierstoffeb

Verschleißc Summe

Reinigen von brandverschmutztem Beton

8…12

4…6

0,2…0,3

0,4…0,6

1,7…2,6

14,3…21,5

Entfernen von Kleberresten auf Fußboden

4

2

0,1

0,2

0,9

7,2

Entfernen von Mineralfarbanstrich

12

6

0,4

0,6

2,6

21,6

Abtrag von Dispersionsoder Latexfarben von Beton

15…20

7,5…10

0,5…0,7

0,7…0,9

3,3…4,3

27…35,9

Abtrag von Dispersions- 12…15 oder Latexfarben von Putz

6…7,5

0,3…0,4

0,6…0,7

2,6…3,3

21,5…26,9

Abtrag Beton, 5 mm

15

0,7

1,4

6,5

53,6

30

Zwei Bedienpersonen. Ohne Baustrom. Gerät, Düsen, Filter, Aktivkohle + Quarzsand aus der Wasseraufbereitung.

Tab. 9.13: Kostenstruktur einer maschinellen Betonbearbeitungsanlage [9–105] Posten Anlage mit Hochdruck-Plungerpumpe, Dieselmotor und schallgekapselter Kabine – Anschlussleistung: 440 kW – Betriebsüberdruck: 93 MPa Abtragroboter Betriebsstoffe Wasser (240 l/min) Lohnkosten, 2 Arbeitskräfte Gesamt

Kostenanteil in % 33,3

20,0 19,6 10,7 16,4 100,0

300

9 Untergrundvorbereitung mit Druckwasserstrahlen

9.11 Literatur [9-1]

MOMBER, A.W.: Handbuch Druckwasserstrahl-Technik. Beton-Verlag GmbH, Düsseldorf, 1993.

[9-2]

MOMBER, A.W.: Hydrodemolition of Concrete and Reinforced Concrete Stuctures. Elsevier, Oxford, 2005.

[9-3]

MOMBER, A.W.: Water Jet Applications in Construction Engineering. A.A. Balkema, Rotterdam, 1998.

[9-4]

Zusätzliche Technische Vertragsbedingungen und Richtlinien für Ingenieurbauten, Teil 3, Abschnitt 4: Schutz und Instandsetzung von Betonbauteilen. Verkehrsblatt-Verlag, Dortmund, 2003.

[9-5]

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10 Untergrundvorbereitung mit thermischen Verfahren

10.1 Flammstrahlen 10.1.1 Definition und Einordnung Nach DIN 32539 [10-1] dient das Flammstrahlen dazu, Beton oder betonähnliche Systeme wie Zementmörtel und -estrich für die dauerhafte Aufnahme von Betonersatz- oder Oberflächenschutzsystemen vorzubereiten oder ihnen ein bestimmtes Aussehen zu verleihen. Das Verfahren umfasst grundsätzlich den thermischen und den nachfolgenden mechanischen Arbeitsgang. Bei dem thermischen Arbeitsgang wirkt eine Brenngas-Sauerstoff-Flamme mit hoher Wärmestromdichte kurzzeitig auf die Oberfläche ein (Bild 10.1). Dabei beträgt die Vorschubgeschwindigkeit des Brenners mehr als 1 m/min. Je

Bild 10.1: Flammstrahlen von Beton. Das Wirkungsprinzip des thermischen Arbeitsgangs (aus: [10-23])

308

10 Untergrundvorbereitung mit thermischen Verfahren

nach Aufgabe werden Handbrenner oder auf ein Fahrwerk montierte so genannte Maschinenbrenner eingesetzt. Wegen der unterschiedlichen Bauform und Düsenanordnung haben diese Brenner auch unterschiedliche Eigenschaften und Auswirkungen auf den Traggrund. Der Brennerübergang kann gegebenenfalls mehrfach wiederholt werden. Das Erhitzen des Traggrunds beschränkt sich im Wesentlichen auf die äußeren 1 mm bis 7 mm, da durch das Spratzen und Schmelzen der größte Teil der Energie verbraucht wird und der Beton eine verhältnismäßig geringe Wärmeleitfähigkeit aufweist [10-1]. Für den mechanischen Arbeitsgang (Bild 10.2) kommen Bürst-, Fräs- und Strahlverfahren in Betracht, die an anderer Stelle dieses Buches beschrieben werden. Da die Aufgabe des 2. Arbeitsganges im Wesentlichen darin besteht, thermisch veränderte bzw. gelöste oder gelockerten Oberflächenpartien zu entfernen, werden hier an die Intensität und an den Energieeintrag andere Anforderungen gestellt als bei alleiniger Anwendung.

Bild 10.2: Thermischer und mechanischer Arbeitsgang [Foto: Heinrich, Fa. Linde AG)

10.1 Flammstrahlen

309

10.1.2 Materialbeanspruchung und Abtragsmechanismus 10.1.2.1 Thermischer Arbeitsgang Bei der thermischen Behandlung, dem ersten Verfahrensschritt des Flammstrahlens, wirkt eine Brenngas-Sauerstoff-Flamme kurzzeitig mit hoher Wärmeenergie auf den Beton ein. Die Flammkegeltemperatur beträgt bei der Verbrennung von Acetylen zwischen 3100 und 3200°C. Dadurch wird die Betonoberfläche kurzzeitig bis auf etwa 1500°C erhitzt. Dies löst gemäß [10-2], [10-3] folgende Vorgänge aus: ◆ Schmelzen oberflächennaher Betonbestandteile, die anschließend glasartig erstarren, ◆ Sprengen (Spratzen) des Quarzes infolge Umwandlung der Kristalle, ◆ Freisetzen von Wasserdampf und Kohlendioxidgas, Aufbau eines Gasdrucks in den oberflächennahen Betonporen. Diese Effekte verbrauchen den größten Teil der thermischen Energie, so dass nur eine vergleichsweise geringe Wärmemenge in den darunter liegenden Beton und in die Bewehrung eindringt. In der Regel kommt es sowohl durch die genannten Vorgänge als auch durch die schockartige Wärmebeanspruchung zu einem flächigen Ablösen einer etwa 1 mm bis 3 mm dicken Betonschicht. In Bild 10.1 ist der erste Verfahrensschritt schematisch dargestellt. Da der größte Teil der aufgebrachten Wärmemenge für das Spratzen und Schmelzen der entfernten Betonschicht verbraucht wird, heizt sich der verbleibende Beton nur mäßig auf (s. Bild 10.3) [10-2], [10-4]. Der zeitliche Temperaturverlauf und die Abhängigkeit der Maximaltemperaturen von der Brennervorschubgeschwindigkeit sind aus den Bildern 10.4 und 10.5 ersichtlich. Wegen der bauartbedingten etwa zweimal so hohen Wärmestromdichte muss die Vorschubgeschwindigkeit des Handbrenners verdoppelt werden, um die maximalen Betontemperaturen den Verhältnissen beim Maschinenbrenner anzupassen (s. Bild 10.6) [10-4], [10-5]. 10.1.2.2 Mechanische Nachbearbeitung Der zweite Arbeitsgang soll die durch die Flamme verursachten Reaktionsprodukte, Schmelzreste und gelockerten Teile mechanisch entfernen. Bevor jedoch mit der eigentlichen Nachbearbeitung begonnen wird, ist zunächst loses Spratz- und Schmelzgut abzufegen, um den Wirkungsgrad der weiteren Bearbeitung dadurch nicht zu mindern. Die für diesen zweiten Verfahrensschritt eingesetzten Verfahren sollen einerseits möglichst wirksam sein, dürfen aber andererseits selbst keine Schädigung oder Beeinträchtigung des Untergrunds herbeiführen. Außerdem sollen sie den thermischen Arbeitsgang sinnvoll ergänzen und nicht wesentliche Vor-

310

10 Untergrundvorbereitung mit thermischen Verfahren

Bild 10.3: Maximaltemperaturen des Betons in Abhängigkeit von der Tiefe unter der Betonoberfläche nach Mess- und Literaturdaten des Instituts für Bauforschung (ibac) der RWTH Aachen, vgl. [10.2]

Bild 10.4: Temperaturverlauf in 5 mm Tiefe in Abhängigkeit von der Maschinenbrenner-Vorschubgeschwindigkeit (aus: [10-4], [10-5])

10.1 Flammstrahlen

311

Bild 10.5: Einfluss der Maschinenbrenner-Vorschubgeschwindiggkeit auf die Maximaltemperatur in verschiedenen Tiefen unter der Betonoberfläche (aus: [10-4], [10-5])

Bild 10.6: Einfluss der Handbrenner-Vorschubgeschwindigkeit auf die Maximaltemperatur in verschiedenen Tiefen unter der Betonoberfläche (aus: [10-4], [10-5])

312

10 Untergrundvorbereitung mit thermischen Verfahren

teile des Flammstrahlens aufheben. Dies betrifft die möglichst weitgehende Vermeidung von Staub- und Lärm sowie die Bereitstellung eines trockenen Untergrunds. Deshalb scheiden in der Regel Druckluftstrahlverfahren ohne Strahlmittelrückführung sowie die verschiedenen Varianten des Wasserstrahlens aus. Bis vor wenigen Jahren waren für den 2. Verfahrensschritt auf horizontalen Flächen Lamellenfräsen gebräuchlich und an vertikalen Flächen rotierende Drahtbürsten. Neuerdings werden für diese Zwecke zunehmend auch Schleuderradstrahl- bzw. staubfreie Druckluftstrahlverfahren eingesetzt, weil diese Methoden Oberflächenvertiefungen besser erfassen, und weil im Gegensatz zum Fräsen keine Beeinträchtigungen des Betongefüges befürchtet werden müssen. Es soll noch einmal betont werden, dass hinsichtlich Intensität und Abtragsleistung an die Verfahren zur Nachbearbeitung geringere Anforderungen zu stellen sind als bei alleiniger Anwendung [10-4], [10-5]. Unter diesem Aspekt kommt zumindest an vertikalen Flächen auch das Druckluftstrahlen mit Strahlmittelrückführung in Betracht, das ansonsten wegen seiner geringen Leistung verhältnismäßig selten auf Baustellen verwendet wird.

10.1.3 Einfluss wichtiger Betriebsparameter 10.1.3.1 Parameterbestimmung Die Auswirkungen der bisher systematisch untersuchten Betriebsparameter sind in Tabelle 10.1 zusammengefasst. Diese Zusammenstellung zeigt im Überblick, wie sich eine Variation der Einflüsse im Vergleich zu den Standardeinstellungen nach [10-2] auf die Maximaltemperaturen in 5 mm Tiefe unter der Traggrundoberfläche auswirkt. Die Maximaltemperatur in bestimmten Tiefen unter der Betonoberfläche kann als Maß für die „thermische Belastung“ des Traggrunds angesehen werden. Wie in den folgenden Abschnitten gezeigt wird, ist die Begrenzung des Wärmeeintrags in den verbleibenden Beton eine der wichtigsten Möglichkeiten, die erforderliche Traggrundqualität zu erreichen (s. Bild 10.9). Allerdings lässt mit abnehmendem Wärmeeintrag der Flammstrahleffekt, d.h. die Abtragsleistung, nach. Daher ist die richtige Wahl bzw. Einstellung der Betriebsparameter eine Optimierungsaufgabe, bei der es darum geht, einen vorgegebenen Betonabtrag bei möglichst geringer thermischer Belastung des Traggrunds zu erzielen. 10.1.3.2 Brennervorschubgeschwindigkeit Die Brennervorschubgeschwindigkeit übt den weitaus stärksten Effekt auf die Maximaltemperaturen im verbleibenden Beton und damit auf die thermische Belastung aus. Durch Erhöhung der Geschwindigkeit von v = 1 m/min auf v =

10.1 Flammstrahlen

313

Tab. 10.1: Maximaltemperaturen in 5 mm Tiefe unter der Betonoberfläche sowie Oberflächenzugfestigkeit in Abhängigkeit von verschiedenen Verfahrensparametern [10-4], [10-5] Verfahrensparameter

a b c d e f

Art

Einstellung

Maximaltemperatur °C

Oberflächen zugfestigkeitf N/mm2

Gasaustrittsgeschwindigkeit

195 m/s 217 m/sa 237 m/s

126 116 108

2,0 2,0 1,9

Vorschubgeschwindigkeit des Maschinenbrenners

1,0 m/mina 1,5 m/min 2,0 m/min 2,5 m/min 3,5 m/min 5,0 m/min

114 89 75 54 42 39

2,1 2,1 2,4 2,7 2,1 2,7

Vorschubgeschwindigkeit des Handbrenners

1,0 m/min 2,0 m/min 3,0 m/min

154 126 68

1,4 1,6 2,4

Anzahl der Brennerübergänge b

1 Überfahrta 2 Überfahrten 3 Überfahrten

113 129 143

1,8 1,9 1,8

Hitzeschild, Abstand zu den Düsen, ohne Kühlung

a = 60 mm a = 125 mm

133 111

1,7 1,9

Hitzeschild a = 125 mm + Kühlung mit Luft

Kühlung vorn Kühlung hinten

119 114

2,0 2,1

Kühlung mit CO2 Anordnungen vorn (v) bzw. hinten (h), Hitzeschild a = 125 mm, s. Bild 10.8)

(h) mit Hitzeschild (h) c (h) ohne Hitzeschild (v) mit Hitzeschild

118 107 91 94

2,2 2,2 2,6 2,1

Karbonatisierungszustand des Betons je nach Art der Lagerung

Normallagerunga,d 2 Monate CO2 4 Monate CO2

109 102 98

2,0 2,5 2,7

Randzoneneinfluss, Düsenposition zur Messstelle am Rand

30 Düsen (+1 Düse) 29 Düsen (±0)e 28 Düsen (–1 Düse)

116 112 108

2,2 2,1 2,5

Grundeinstellung/Referenzwerte. Zwischenzeitliche Abkühlung auf Raumtemperatur. Reihenfolge der Messstellen in Fahrtrichtung des Brenners geändert. 9 Monate Lagerung an Raumluft (ohne zwischenzeitliche CO2-Lagerung). Messstelle genau unter der Randdüse. Mittel aus 10 Einzelwerten.

5 m/min kann die Maximaltemperatur in 5 mm Tiefe um 80% auf knapp 40°C gesenkt werden (s. Bilder 10.4 und 10.5). Allerdings erscheint der Flammstrahleffekt oberhalb v = 2 m/min für einen Betonabtrag nicht mehr akzeptabel. Höhere Brennervorschubgeschwindigkeiten eignen sich allenfalls zum Säubern des Betons [10-4], [10-5], z.B. zum Entfernen von Öl, Fett und Gummiabrieb an der Oberfläche.

314

10 Untergrundvorbereitung mit thermischen Verfahren

10.1.3.3 Art des Brenners Wie bereits in Abschnitt 10.1.2.1 ausgeführt, ist die Wärmestromdichte (Energieabgabe je Zeiteinheit und Fläche) beim Handbrenner wegen der unterschiedlichen Form und Anordnung der Düsen größer als beim Maschinenbrenner und muss in der Regel durch eine etwa doppelt so hohe Vorschubgeschwindigkeit ausgeglichen werden [10-4], [10-5]. Wie Bild 10.6 zeigt, verringert sich auch bei Handbrennern die Maximaltemperatur mit zunehmender Vorschubgeschwindigkeit. 10.1.3.4 Randeinflüsse Während sich im mittleren Bereich des Brenners die von den einzelnen Flammkegeln ausgehenden Wärmeströme überlappen, geschieht dies an den Randdüsen nicht. Daher wurde vermutet, dass das Temperaturfeld über die Brennerbreite ungleichmäßig ist. Aufgrund der Untersuchungsergebnisse in [10-4], [10-5] darf man jedoch davon ausgehen, dass die Temperaturen unter dem Brennerrand sich nicht signifikant von denen unter der Brennermitte unterscheiden (s. Tabelle 10.1). 10.1.3.5 Mehrfache Brennerübergänge Mehrfache Flammstrahlübergänge bewirken steigende Temperaturen im Beton. Dies ist nicht nur auf die Tatsache zurückzuführen, dass sich mit jedem Brennerübergang die Betondeckung der Temperaturmessstelle reduziert, sondern beruht auch auf einer Verminderung des Spratzeffektes, wodurch weniger Energie zum Lösen von Betonteilchen verbraucht und mehr Wärme in den Beton eingetragen wird (s. Tabelle 10.1). 10.1.3.6 Art des Brenngases Neben Acetylen dürfen gemäß DIN 32539 auch Methylacetylen-PropadienFlüssiggas-Gemische (MPS) verwendet werden. In der Vergangenheit wurde auch hin und wieder versucht, Propan, obwohl es für diese Zwecke nicht zugelassen ist, als Brenngas einzusetzen. Flüssiggase sind in der Handhabung einfacher als Acetylen und bieten daher wirtschaftliche Vorteile. Wegen der vom Acetylen abweichenden Verbrennungseigenschaften [10-6] muss jedoch mit spezifischen Auswirkungen gerechnet werden. Wie die Untersuchungsergebnisse in [10-7] und [10-8] zeigen, können sich zur Erzielung eines vorgegebenen Flammstrahleffektes bis zu 40% höhere Maximaltemperaturen und etwa 20 bis 30% geringere Oberflächenzugfestigkeiten des Betons ergeben. Dies müsste ggf. durch höhere Brennervorschubgeschwindigkeiten und ggf. mehrfachen Brennerübergang kompensiert werden (Bild 10.7). Solche Maßnahmen gehen jedoch entweder zu Lasten des Flammstrahleffektes oder verursachen einen erhöhten Aufwand.

10.1 Flammstrahlen

315

Bild 10.7: Haftzugfestigkeit bzw. Oberflächenzugfestigkeit. (Bruch ausschl. im Beton) von EP-Harzbeschichteten Betonen in Abhängigkeit von der Art des Brenngases, der mechanischen Nachbearbeitung sowie vom Prüfstempeldurchmesser (aus: [10-7], [10–8])

10.1.3.7 Gasaustrittsgeschwindigkeit Eine Variation der Gasaustrittsgeschwindigkeit innerhalb der Grenzen von 195 bis 237 m/s hat verhältnismäßig geringe Auswirkungen auf die Maximaltemperatur im Beton. Doch ist festzustellen, dass höhere Gasaustrittsgeschwindigkeiten tendenziell günstiger sind als niedrige (s. Tabelle 10.1). 10.1.3.8 Sonstige Maßnahmen zur Verringerung der thermischen Belastung des Traggrunds Zur Steigerung der Thermoschockwirkung, zur Verbesserung des Abtragseffektes und zur Verminderung des Wärmeeintrags in den Beton wurden folgende Maßnahmen erprobt [10-4], ]10-5]: ◆ Anordnung eines Hitzeschildes für die rasche Ableitung des dem Brenner vorausgehenden Wärmeschwalls (Bild 10.8b); dadurch soll das bereits vor der eigentlichen Brennerüberfahrt auftretende unerwünschte Aufheizen des Betons vermieden werden. ◆ Luft- oder CO2-Kühlung vor dem Hitzeschild zur Erhöhung des Temperaturgradienten und zur Steigerung der Thermoschockwirkung (Bild 10.8c), ◆ nachgeschaltete Luft- oder CO2-Kühlung zur Reduzierung des Wärmestroms und der Wärmeausbreitung im Beton (s. Bild 10.8d).

316

10 Untergrundvorbereitung mit thermischen Verfahren

Bild 10.8: Modifikation des Maschinenbrenners zur Verringerung der thermischen Belastung des Traggrunds (Grafik: Firma Linde AG)

Eine dem Brenner nachgeschaltete CO2-Kühlung verringert die Maximaltemperatur. Verbesserungen sind ebenfalls mit der Kombination Hitzeschild und CO2-Kühlung vor dem Brenner erreichbar. Die Kombination Kühlung hinter dem Brenner und Hitzeschild vor dem Brenner führte hingegen zu keinem nennenswerten Erfolg. Bei der Variante Hitzeschild ohne Kühlung (Bild 10.8b) traten sogar höhere Temperaturen auf als bei Grundeinstellung. Dies ist vermutlich darauf zurückzuführen, dass sich bei Anordnung eines Hitzeschildes in einem Abstand von 60 mm vor dem Brenner ein Wärmestau bildet und eine höhere Energie in den Beton eingetragen wird. Als Konsequenz müsste ähnlich wie bei dem Handbrenner die höhere Wärmestromdichte durch eine erhöhte Vorschubgeschwindigkeit kompensiert werden. Dazu ist anzumerken, dass mit dem eigens für die Untersuchungen entwickelten Hitzeschild und mit der Kühlung noch keine Erfahrungen vorlagen und die Einstellungen zunächst weitgehend zufällig gewählt werden mussten. Falls sich jedoch obige Vermutungen und Tendenzen bei künftigen Untersuchungen bestätigen, könnten aus diesen Varianten erhebliche wirtschaftliche Vorteile gezogen werden, da bei gleichem Energieeinsatz und gleichem Abtragseffekt höhere Flächenleistungen erzielbar wären (s. Tabelle 10.1). Obwohl das Flammstrahlen eher zu den traditionellen Untergrundbearbeitungsmethoden zählt, zeigen solche Untersuchungen [10-4], [10-5], dass das Entwicklungspotenzial noch längst nicht ausgeschöpft ist.

10.1 Flammstrahlen

317

10.1.3.9 Alter des Betons bzw. Karbonatisierungszustand Es konnte nachgewiesen werden, dass karbonatisierter Beton sich durch ein günstigeres Spratzverhalten geringer aufheizt als nicht karbonatisierter Beton (s. Tabelle 10.1). Da die Untergrundbearbeitung in der Praxis normalerweise an älteren, bereits karbonatisierten Betonen erfolgt, bei Laboruntersuchungen hingegen in der Regel an jüngeren, noch nicht oder kaum karbonatisierten Betonen, können zwischen Labor und Praxis erhebliche Diskrepanzen auftreten. Versuche an praxisfremden nicht karbonatisierten Proben simulieren für das Flammstrahlen zu ungünstige Verhältnisse und müssen dementsprechend interpretiert werden. 10.1.3.10 Nachbearbeitung und Beschichtung Bei früheren Vergleichsuntersuchungen lagen die Oberflächenzugfestigkeiten geflammstrahlter Betone in der Regel deutlich unter den Werten, die mittels Druckluft und festen Strahlmitteln erreicht wurden (siehe z.B. [10-9]). Allerdings konnte in [10-4], [10-5] gezeigt werden, dass sich mit geeigneten Kombinationen von thermischer Bearbeitung, Nachbearbeitung und Reaktionsharz-Beschichtungen Haftzugfestigkeiten erzielen lassen, die signifikant über den Festigkeiten am unbeschichteten Beton liegen. Unter entsprechenden Voraussetzungen lassen sich sogar die gleichen Haftzugfestigkeiten erreichen wie bei den mit Druckluft und festen Strahlmitteln gestrahlten Referenzproben (s. Bilder 10.11 und 10.13). Zum Teil werden diese sogar noch übertroffen.

Bild 10.9: Beziehung zwischen der Oberflächenzugfestigkeit und Maximaltemperatur in 5 mm Tiefe unter der Betonoberfläche (aus: [10-4], [10-5])

318

10 Untergrundvorbereitung mit thermischen Verfahren

Bild 10.10: Auswirkungen verschiedener Parameter auf die Oberflächenzugfestigkeit im Vergleich zu den Erwartungswerten für optimal vorbereitete Betonoberflächen (aus: [10-4], [10-5])

Auch mit PCC-Mörteln können auf geflammstrahlten Untergründen hohe Haftzugfestigkeiten erreicht werden (s. Bilder 10.12 und 10.14). Tatsächlich fanden sich mehrere Kombinationen von Nachbearbeitung und Mörtelbeschichtung mit Haftzugfestigkeiten in der Größenordnung von 80 bis 90% der Vergleichswerte [10-4], [10-5].

10.1.4 Komponenten des Flammstrahlens 10.1.4.1 Geräte für den thermischen Arbeitsgang Flammstrahlbrenner sind als Hand- oder Maschinenbrenner lieferbar. Die nach dem Saugprinzip arbeitenden Brenner bestehen aus dem Griffstück nach DIN ISO 5172 und den Brennereinsätzen in T-Form je nach Verwendungszweck sowie beim Maschinenbrenner dem zugehörigen Fahrwerk. ◆ Handbrenner werden in den Standardbreiten 50 mm, 100 mm, 150 mm, 200 mm, 250 mm und 300 mm hergestellt. Die Düsen sind als Bohrungen in den Brennerkopf eingearbeitet (s. Bild 10.15). Nach dem Einstellen der Flamme wird der Brennerkopf auf die zu bearbeitende Oberfläche aufgesetzt und dann gleitend über die Oberfläche geführt. ◆ Maschinenbrenner sind mit Arbeitsbreiten von 500 mm bzw. 750 mm erhältlich. Die Auswahl richtet sich nach der Ebenheit der Betonoberfläche [10-1],

10.1 Flammstrahlen

319

Bild 10.11: Oberflächenzugfestigkeit bzw. Haftzugfestigkeit abhängig von der Nachbearbeitung und Beschichtung bezogen auf die entsprechenden Ergebnisse bei gesandstrahltem Untergrund (aus: [10-4], [10-5]), PC-Mörtel-Beschichtungen

Bild 10.12: Oberflächenzugfestigkeit bzw. Haftzugfestigkeit abhängig von der Nachbearbeitung und Beschichtung bezogen auf die entsprechenden Ergebnisse bei gesandstrahltem Untergrund (aus: [10-4], [10-5]), PCC-Mörtel-Beschichtungen

320

10 Untergrundvorbereitung mit thermischen Verfahren

Bild 10.13: Haftzugfestigkeit von PC-Mörtel-Beschichtungen in Abhängigkeit von der Untergrundbearbeitung (thermischer Arbeitsgang und verschiedene Nachbearbeitungsverfahren, aus: [10-4], [10-5])

Bild 10.14: Haftzugfestigkeit von PCC-Mörtel-Beschichtungen in Abhängigkeit von der Untergrundbearbeitung (thermischer Arbeitsgang und verschiedene Nachbearbeitungsverfahren, aus: [10-4], [10-5])

10.1 Flammstrahlen

321

Bild 10.15: Geräte für den thermischen Arbeitsgang: Handbrenner (aus: [10-1])

[10-3]. Aus wirtschaftlichen Erwägungen wäre zwar eine möglichst große Breite anzustreben, doch muss sichergestellt sein, dass die Flammkegel den Beton gleichmäßig berühren. Dazu sollen die kammartig angeordneten (angeschraubten) Einzeldüsen (s. Bild 10.16) einen Abstand von 1,5 bis 2 cm vom Beton haben. Bei rauer bzw. unebener Betonoberfläche und großen Brennerbreiten ist es problematisch, diesen Abstand einzuhalten. Die thermische Bearbeitung wird in einem oder mehreren Arbeitsgängen mit einer Vorschubgeschwindigkeit des Maschinenbrenners von > 1 m/min durchgeführt. 10.1.4.2 Gaseart, Bereitstellung der Gase, Zubehör und Hilfsmittel Zur thermischen Bearbeitung des Betons wird ähnlich wie beim Autogenschweißen von Stahl meist Acetylen- und Sauerstoffgas eingesetzt. Es kommen aber als Brenngas auch Methylacetylen-Propadien-Gemische (MPS) in Betracht. Diese Brenngasgemische sind Flüssiggase, mit anderen brenntechnischen Eigenschaften als Acetylen (vgl. Abschnitt 10.1.3.6 und [10-6], [10-7]). Auch die sicherheitstechnischen Anforderungen sind unterschiedlich (vgl. Abschnitt 10.1.7). Die Bereitstellung der Gase erfolgt durch Druckgasflaschen (Sauerstoff und Acetylen) oder Tanks (MPS). Beim Flammstrahlen mit Acetylen werden Druckgasflaschen verwendet, die je nach Größe 6…9 kg (ca. 5,5…8,2 m3) Acetylen enthalten. Die Sauerstoffflaschen enthalten je nach Größe 6 bis 10 m3 Sauerstoff [10-2], [10-22]. Für einen gebräuchlichen 500 mm breiten Brenner werden z.B. 10 m3/h Acetylen und 12,5 m3/h Sauerstoff benötigt. Während es für die Sauerstoffent-

322

10 Untergrundvorbereitung mit thermischen Verfahren

Tab. 10.3: Gasbedarf beim Flammstrahlen mit Acetylen; Richtwerte für einen Flammstrahlgang (nach: [10-2], [10-22])

a

Brennerart

Brenner-Breite Acetylen mm l/h

Hand-Brenner

50 100 150 200 250 300

1000 2000 3000 4000 5000 6000

Maschinenbrenner

500 750

5000 7600

Sauerstoff l/h

Flächenleistung a m2/h

Anzahl zu kuppelnder Acetylenflaschen

1250 2500 3750 5000 6250 7500

3 6 9 12 15 18

2 4 6 8 10

6250 10000

30 45

10 16

Rechnerische Flächenleistung beim Brennervorschub von 1 m/min. Die tatsächliche Flächenleistung ist abhängig von verschiedenen Faktoren.

Bild 10.16: Geräte für den thermischen Arbeitsgang: Maschinenbrenner (aus: [10-1])

10.1 Flammstrahlen

323

nahme keine Mengenbegrenzung gibt und jeweils aus einer Flasche gearbeitet werden kann, beträgt die im Dauerbetrieb aus einer Acetylenflasche entnehmbare Gasmenge 0,5 m3/h. Zu Sicherstellung eines kontinuierlichen Brennerbetriebs muss deshalb eine entsprechend große Anzahl von Acetylenflaschen (Flaschenbündel) vorhanden sein. Die empfohlene Anzahl von parallel zu schaltenden Acetylenflaschen geht aus Tabelle 10.3 hervor. Mit Acetylen betriebene Brenner neigen bei unzureichendem Abstand zwischen Düse und Betonoberfläche zum Abknallen. Der Ausfall einzelner Düsen zeichnet sich auf der Betonoberfläche ab und macht gegebenenfalls eine Nachbearbeitung erforderlich. Bei sehr breiten Brennern (> 750 mm) und sehr rauer bzw. unebener Betonoberfläche ist das Abknallen einzelner Düsen nur schwer unter Kontrolle zu bekommen. Bei Flüssiggasen besteht eine geringere Neigung zum Abknallen. Daher ist die Anwendung breiterer Brenner bzw. die Parallelschaltung mehrerer Brenner praktikabel. Außerdem sind keine Druckgasflaschen erforderlich; deshalb weisen die Gasflaschen ein geringeres Leergewicht auf. In einer vergleichbaren Flasche sind größere Gasvorräte enthalten. Im Gegensatz zu Acetylen ist die Entnahmegeschwindigkeit weniger begrenzt und die Flüssiggasflaschen bzw. -tanks können beim Brennerbetrieb vollständig entleert werden. Als Zubehör dienen Druckminderer gemäß DIN EN ISO 2503 sowie Schläuche gemäß DIN EN 559. Schlauchverbindungen müssen DIN EN 560 und Schlauchkupplungen DIN EN 561 entsprechen. Die Mindestlänge der Schläuche muss aus Sicherheitsgründen 5 m betragen. In Abhängigkeit von der Brennerbreite sind die in Tabelle 10.4 angegebenen Schlauchinnendurchmesser zu verwenden [10-1]. Folgende Hilfsmittel sind für den korrekten Umgang mit den Geräten z.B. bereitzustellen:

Tab. 10.3: Gasbedarf beim Flammstrahlen mit Methylacetylen-Propadien-Gemischen (MPS); Richtwerte für einen Flammstrahlgang (aus: [10-2])

a

Brennerart

Brennerbreite mm

MPS kg/h

Sauerstoff l/h

Flächenleistunga m2/h

Handbrenner

50 100 150 200 250 300

1,30 2,60 3,90 5,20 6,50 7,80

2500 5000 7500 10000 12500 15000

3 6 9 12 15 18

Maschinenbrenner

500 750

6,50 9,75

12500 18750

30 45

Rechnerische Flächenleistung beim Brennervorschub von 1 m/min. Die tatsächliche Flächenleistung ist abhängig von verschiedenen Faktoren.

324

10 Untergrundvorbereitung mit thermischen Verfahren

Tab. 10.4: Schlauchinnendurchmesser nach DIN 32539 [10-1] Brennerbreite mm

200

250

50 300

100 500

150 700

Schlauchinnendurchmesser für Sauerstoff mm

Schlauchinnendurchmesser für Acetylen oder MPS mm

6,3 10

8 12,5

◆ Schraubenschlüssel zum Anschließen von Flammstrahlbrenner und Schläuchen, ◆ Düsenreiniger des Flammstrahlbrennerherstellers zum Reinigen der Bohrungen (werden andere Geräte oder Hilfsmittel verwendet, können Beschädigungen auftreten), – Gasanzünder, – Klemmen aus Metall oder Kunststoff zur Parallelführung der Schläuche (Anordnung im Abstand von 3 m bis 5 m). 10.1.4.3 Sicherheitseinrichtung Brenngasentnahmestellen sind mit Bauart zugelassenen trockenen Gebrauchsstellenvorlagen nach DIN EN 730 auszurüsten. Die Größe der Gebrauchsstellenvorlage muss in Abhängigkeit vom Gasdurchfluss gewählt werden. Zwischen dem Sauerstoffschlauch und dem Brennergriffstück ist der Einbau eines Gasrücktrittventils erforderlich. 10.1.4.4 Geräte für den mechanischen Arbeitsgang Für den mechanischen Arbeitsgang bieten sich bei Flächen größerer Ausdehnung z. B. folgende Geräte an: ◆ mechanisches Strahlgerät (z.B. Schleuderradstrahlgerät, Druckluftstrahlgerät für feste Strahlmittel und Strahlmittelrückführung), ◆ fahrbare Klopfmaschinen (Lamellenfräsen, Antrieb elektrisch oder mit Verbrennungsmotor). Für kleine Flächen: ◆ transportable Hand-Bürstmaschine (Winkelschleifer mit Stahldrahtbürste), ◆ Nadelpistole, ◆ Hand-Stahldrahtbürste (nur für maschinell nicht zugängliche Flächen). Im Hinblick auf das gewünschte Resultat sind die vorgenannten Verfahren nicht gleichwertig. Die besten Ergebnisse lassen sich mit Strahlverfahren erzielen, wobei allerdings die Staub- und Geräuschemissionen gering sein sollten, um die Vorteile des thermischen Arbeitsganges nicht zunichte zu machen. Da diese Verfahren, wie oben erwähnt, in Kombination mit dem thermischen

10.1 Flammstrahlen

325

Arbeitsgang nicht als selbständige Verfahren dienen, sondern komplementär, kommen sogar Verfahren wie das staubfreie Druckluftstrahlen in Betracht, das für sich allein unzureichende Leistungsdaten aufweist. Zum Beseitigen von Rost, Staub oder anderen Feinstpartikeln werden folgende Hilfsgeräte empfohlen: ◆ Industriestaubsauger, ◆ Besen, ◆ weiche Handfeger.

10.1.5 Anwendung des Flammstrahlens 10.1.5.1 Allgemeines Das Flammstrahlen wird bereits seit Jahrzehnten als Traggrundvorbereitungsmethode eingesetzt. Gute Erfahrungen wurden bei der Bearbeitung von horizontalen Flächen wie Industriefußböden, Parkdecks, Betonstraßendecken, Brückendecks, Flugplätzen und Gehwegen aus Beton gemacht [10-3], [10-10], weil dort die rationell arbeitenden Maschinenbrenner eingesetzt werden können und seltener mit freiliegender Bewehrung zu rechnen ist als z.B. an Fassadenflächen im Hochbau. Freiliegende Bewehrung darf nicht flammgestrahlt werden. Das Flammstrahlen wird nicht nur zur Untergrundvorbereitung für Bauwerksschutz- und -erhaltungsmaßnahmen eingesetzt, sondern auch zum Aufrauen und Säubern direkt genutzter Oberflächen sowie für die architektonische Gestaltung von Betonsichtflächen. Die bei der werksteinmäßigen Bearbeitung mittels Flammstrahlen erzielbaren optischen Effekte werden von Architekten und Bauherrn geschätzt [10-11]. Bei entsprechender Flammstrahlintensität wird die oberste Kappe quarzitischer Zuschlagkörner abgetrennt und es entsteht eine Textur, die in der Flammstrahltechnik als Kernbeton bezeichnet wird. Dabei handelt es sich um eine sehr lebhafte Oberfläche, die stark von der Art des Zuschlags geprägt ist. Das Flammstrahlen ermöglicht Abtragstiefen bis rd. 3 mm in einem Arbeitsgang und zeichnet sich dabei durch vergleichsweise geringe Staub- und Geräuschemissionen aus. Die Leistung des thermischen Arbeitsganges ist weitgehend unabhängig von der Betonqualität. Allerdings hängt das Spratzverhalten sehr von der Art des Zuschlags, dem Karbonatisierungszustand und der Betonfeuchte ab. Im Gegensatz zu quarzitischen Zuschlägen wird Kalkstein nur angeschmolzen. Bei feuchtem Beton wird ein Teil der eingesetzten Energie für das Verdampfen des Wassers verbraucht. 10.1.5.2 Beseitigung von Verunreinigungen Das thermische Verfahren eignet sich nicht nur deshalb besonders gut zum Entfernen von organischen Substanzen wie Fett und Öl, weil eine relativ dicke

326

10 Untergrundvorbereitung mit thermischen Verfahren

Oberflächenschicht abgetragen wird, sondern auch weil Verunreinigungen in der Betonrandzone weitgehend verbrennen. Solche Substanzen im Beton würden das Eindringen von Imprägnierungen oder Grundierungen behindern und die Haftung von Oberflächenbeschichtungen beeinträchtigen. Die Tiefenwirkung des Flammstrahlens wird durch den so genannten Dochteffekt unterstützt. Die Verbesserung der Haftzugfestigkeit von Beschichtungen hängt jedoch von der Art der in den Beton eingedrungenen Substanzen ab [10-12], [10-13]. Während bei eingedrungenen tierischen Fetten und Mineralölen das Flammstrahlen deutlich bessere Ergebnisse liefert als das Druckluftstrahlen mit festen Strahlmitteln, zeigt sich bei Pflanzenölen eine weniger ausgeprägte Wirkung (Bild 10.17). Auch bei der Bearbeitung chloridbelasteter Betonbauteile bietet das Verfahren den Vorteil, dass oberflächennahe Salze verbrannt werden, was sich je nach Art des Salzes an der Farbe der Flamme erkennen lässt. Vorteilhaft ist auch, dass die Salze nicht gelöst und weitertransportiert werden. 10.1.5.3 Entfernen oder Aufrauen von Hartstoffschichten Beton- oder Estrichoberflächen mit Hartstoffzuschlägen, die bei mechanischen Untergrundbearbeitungsmethoden, einschließlich Strahlen mit festen Stoffen, zu erhöhtem Geräte- bzw. Strahlmittelverschleiß führen würden, können ohne Probleme geflammstrahlt werden. Das Verfahren bietet sich deshalb

Bild 10.17: Auswirkung der Untergrundbearbeitung bei Verunreinigung mit verschiedenen Tränksubstanzen (aus: [10-12], [10-13])

10.1 Flammstrahlen

327

besonders zur Bearbeitung von Industrieböden und Fahrbahnen mit Hartstoff-Verschleißschichten an. 10.1.5.4 Bewehrter Beton Bei Bewehrungskorrosionsschäden infolge unzureichender Betondeckung, z.B. an Fassadenflächen, wird der Einsatz des Flammstrahlens schwieriger. Einerseits soll Flammstrahlen nicht zum Freilegen des Stahles eingesetzt werden, und freiliegender Stahl soll nicht mit der Flamme in Berührung kommen, andererseits war lange Zeit nicht genau bekannt, wie dick die Betondeckung mindestens sein muss, damit keine Verbundstörungen zwischen Bewehrung und Beton auftreten. Die bis 1998 maßgebende Richtlinie DVS 0302 [10-2] sah deshalb einen verhältnismäßig großen Sicherheitsabstand von mindestens 15 mm vor, bei Spannstahl sogar 20 mm. Diese Grenzwerte beruhen auf überaus vorsichtigen Annahmen, denen jede wissenschaftliche Basis fehlte. Für die Anwendbarkeit des Flammstrahlens wirkte sich jedoch eine solche Begrenzung außerordentlich nachteilig aus. In diesem Zusammenhang sei erwähnt, dass die entsprechende Richtlinie in den Niederlanden [10-14] einen Mindestwert für die Betondeckung von 10 mm angibt. Zu weiteren Einschränkungen führten erste Untersuchungsergebnisse, die unter extremen Randbedingungen durchgeführt wurden und aus denen verhältnismäßig ungünstige Resultate und Empfehlungen resultierten [10-15]. Um Klarheit zu

Bild 10.18: Vergleich der Verbundspannungen in Abhängigkeit von der Betondeckung und Untergrundbearbeitung, unbehandelt und geflammstraht (gefl), mit Instandsetzungsmörtel (instand) und ohne (aus: [10-16], [10-17])

328

10 Untergrundvorbereitung mit thermischen Verfahren

Bild 10.19: Vergleich der Ausziehwege bei max. Verbundspannung in Abhängigkeit von der Betondeckung und Untergrundbearbeitung mit Instandsetzungsmörtel (instand) und ohne (aus; [10-16], [10-17])

schaffen, wurde in [10-16], [10-17] untersucht, ob der stark einschränkende Grenzwert der Richtlinie DVS 0302 [10-2] gerechtfertigt ist. Mit Stahl-Ausziehversuchen und mikroskopischen Gefügeuntersuchungen konnte gezeigt werden, dass ein nennenswerter Einfluss tatsächlich erst bei Betondeckungen unterhalb von 6 mm auftritt und dass sogar die bei 0 mm Abstand entstehenden Verbundstörungen durch geeignete Instandsetzungsmörtel kompensiert werden können (Bilder 10.18 und 10.19). 10.1.5.5 Umwelttechnische Aspekte (Emissionen, Schadstoffe, Entsorgung) Im Hinblick auf den Umweltschutz ist von Bedeutung, dass bei der thermischen Bearbeitung im Vergleich zu anderen Untergrundbearbeitungsverfahren verhältnismäßig geringe Staub- und Geräuschemissionen auftreten. Das erzeugte Strahlgut ist trocken und lässt sich im Allgemeinen problemlos aufkehren bzw. aufsaugen und als Bauschutt entsorgen.

10.1.6 Traggrundqualität Die Bewertung der Oberflächenbeschaffenheit bezieht sich gemäß DIN 32539 zum Beispiel auf das visuelle Erscheinungsbild, die Oberflächenzugfestigkeit, die Rautiefe, die Druckfestigkeit, die Ebenflächigkeit, die Offenporigkeit, die Alkalität und die verbleibende Schadstoffkonzentration in der Be-

10.1 Flammstrahlen

329

tonrandzone, mit dem Ziel, die Eignung für die dauerhafte Aufnahme der vorgesehenen Systeme (d.h. Betonersatz, Beschichtungen, Imprägnierungen) oder ein bestimmtes Aussehen zu erreichen. Für Betonersatzsysteme und gegebenenfalls für Beschichtungen müssen die fest eingebetteten Gesteinskörnungen sichtbar sein. Der Ausgangszustand und die Vorschädigung einer zu bearbeitenden Oberfläche bestimmen wesentlich die erreichbare Oberflächenbeschaffenheit des Betons. Im Gegensatz zu den früheren Festlegungen in [10-2] wird in der DIN 32539 darauf verzichtet, als Bearbeitungsergebnis „Kernbeton“ zu fordern. Dieser Zustand wäre nämlich stets mit einem verhältnismäßig großen Energieeintrag und einer entsprechenden thermischen Belastung des Betonuntergrunds verbunden. Vielmehr wird es für sinnvoll gehalten, die Betonrandzone nur so weit, wie für den jeweiligen Fall erforderlich, abzutragen bzw., bis eine ausreichende Oberflächenzugfestigkeit erreicht ist [10-8]. Den Vorteilen des Flammstrahlens, wie z.B. der erfolgreichen Bearbeitung auch ölverschmutzter Betonflächen, der verhältnismäßig geringen Staub- und Geräuschemission sowie der relativ großen Abtragstiefe, steht als Nachteil entgegen, dass infolge Thermoschockbeanspruchung nicht nur Oberflächenschichten abgesprengt, sondern nicht selten auch Risse im verbleibenden Beton hervorgerufen werden. Es hat sich immer wieder gezeigt, dass das Flammstrahlen, insbesondere im Vergleich zum Druckluftstrahlen mit festen Strahlmitteln (Sandstrahlen), zu Festigkeitseinbußen an der Oberfläche führt. Hinzu kommen die oben erwähnten möglichen Verbundstörungen zwischen Bewehrung und Beton. Die Wahl der Betriebsparameter und die daraus folgende thermische Belastung des verbleibenden Betons beeinflusst die Festigkeit der Betonoberfläche erheblich. Außerdem ist von Bedeutung, wie weit thermisch überbeanspruchte Zonen durch die mechanische Nachbearbeitung entfernt werden können. Die in Bild 10.9 dargestellten Untersuchungsergebnisse lassen trotz relativ starker Streuungen, einen recht deutlichen linearen Zusammenhang zwischen Maximaltemperatur in 5 mm Tiefe und Oberflächenzugfestigkeit erkennen. Daraus folgt, dass mit abnehmender thermischer Belastung, die Oberflächenzugfestigkeit steigt. Bild 10.10 zeigt den Erwartungsbereich für die Oberflächenzugfestigkeit in Abhängigkeit von der Betondruckfestigkeit bei optimaler Untergrundvorbereitung gemäß [10-18], [10-19]. Die eingetragenen Untersuchungsergebnisse verdeutlichen, dass es bei Wahl geeigneter Betriebsparameter auch mit dem Flammstrahlen möglich ist, den Erwartungsbereich für optimale Untergrundvorbereitung zu erreichen. Ausgehend von der Grundeinstellung wurde durch Änderung folgender Parameter eine Zunahme der Oberflächenzugfestigkeit erreicht: ◆ Erhöhung der Vorschubgeschwindigkeit des Maschinenbrenners auf 2 bis 5 m/min, ◆ Erhöhung der Vorschubgeschwindigkeit des Handbrenners auf 3 m/min,

330

10 Untergrundvorbereitung mit thermischen Verfahren

◆ nachgeschaltete CO2-Kühlung mit Hitzeschild, ◆ stärker karbonatisierter Beton. Folgende Parametervarianten hatten verglichen mit der Grundeinstellung deutlich erkennbare nachteilige Auswirkungen auf die Oberflächenzugfestigkeit: ◆ Einsatz eines Handbrenners mit einer Brennervorschubgeschwindigkeit von nur 1 m/min, ◆ Hitzeschild in 60 mm Abstand vom Brenner, ◆ mehrmaliger Brennerübergang mit normaler Vorschubgeschwindigkeit, ◆ Verwendung von Flüssiggasen unter gleichen Voraussetzungen wie Acetylen. Ein gut geeigneter Traggrund für Reaktionsharzbeschichtungen (PC-Systeme) mit besonders günstigen Oberflächenzugfestigkeiten ist zu erwarten, wenn nach dem Flammstrahlen zunächst eine niedrigviskose Grundierung aufgetragen wird, die sich wirkungsvoll mit dem Untergrund verklammert. Auf diese Weise werden Haftzugfestigkeiten der Beschichtungen erreicht, die denen auf druckluftgestrahlten Untergründen, in keiner Weise nachstehen [10-4], [10-5]. Die Ergebnisse umfangreicher Vergleichsuntersuchungen sind in den Bildern 10.11 bis 10.14 dargestellt. Für Reaktionsharzbeschichtungen bietet das Flammstrahlen auch deshalb einen gut geeigneten Untergrund, weil die Flächen nach der Bearbeitung trocken sind und sofort beschichtet werden können.

10.1.7 Arbeits- und Gesundheitsschutz beim Flammstrahlen 10.1.7.1 Betriebliche und personelle Voraussetzungen Im Gegensatz zu der bis 1998 maßgebenden Richtlinie DVS 0302 [10-2] beschränkt sich die DIN 32539 [10-1] auf folgende, sehr knappe Angaben zu den betrieblichen und personellen Voraussetzungen für die Durchführung von Flammstrahlarbeiten: ◆ Flammstrahlarbeiten dürfen nur von qualifizierten Firmen mit ausgebildetem Personal ausgeführt werden. ◆ Es müssen Nachweise für die Verfügbarkeit der erforderlichen betrieblichen Einrichtungen sowie für die Ausführung der Arbeiten durch geprüfte Flammstrahl-Fachkräfte erbracht werden. ◆ Für Flammstrahlarbeiten muss ausgebildetes Fachpersonal eingesetzt werden. Einzelheiten werden weiterhin in Richtlinien des Deutschen Verbandes für Schweißtechnik (DVS) geregelt. So erfolgt die Ausbildung der Flammstrahl-

10.1 Flammstrahlen

331

Fachkraft nach der Richtlinie DVS 1147 „DVS-Lehrgang Flammstrahlen“ in DVS-Ausbildungsstätten. Die erfolgreiche Teilnahme wird durch den Flammstrahlpass und ein DVS-Zeugnis bescheinigt. Diesem Lehrgang folgt eine Einweisung unter normalen Arbeitsbedingungen in der Praxis. Diese Ausbildung spiegelt nicht nur das Bemühen um eine hohe Ausführungsqualität wieder, sondern dient in erheblichem Maße auch der Vermittlung sicherheitstechnischer Kenntnisse und Fertigkeiten. 10.1.7.2 Sicherheitstechnische Aspekte Für die sicherheitsgerechte Ausführung von Flammstrahlarbeiten gelten staatliche und berufsgenossenschaftlichen Vorschriften ROTHER [10-20] setzt sich sehr ausführlich mit den möglichen Unfall- und Gesundheitsgefahren beim Flammstrahlen auseinander und zeigt Maßnahmen zu deren Verhütung auf. In seinem Resümee weist er darauf hin, dass das Flammstrahlverfahren bei der Instandsetzung von Betonbauteilen als ein bewährtes, technisch ausgereiftes und arbeitssicheres Verfahren anzusehen ist. Unfall- und Gesundheitsgefahren können jedoch durch unsachgemäße Handhabung von Brennern, Armaturen, Versorgungsanlagen und Maschinen entstehen sowie durch Gase, Dämpfe und Rauche beim Verbrennen von Altbeschichtungen. ROTHER [1020] würdigt die Flammstrahl-Lehrgänge des Deutschen Verbandes für Schweißtechnik (DVS) als wichtiges Instrument zur Gefahrenvermeidung. Nachstehend wird in Anlehnung an [10-2], [10-20], [10-22] und [10-23] ein Überblick über die Unfall- und Gesundheitsgefahren sowie Maßnahmen zu deren Verhütung gegeben. Im konkreten Anwendungsfall ist der volle Wortlaut der einschlägigen Vorschriften maßgebend: ◆ Flammstrahlgeräte Die Brenner für Acetylen und Flüssiggas dürfen nicht gegeneinander ausgetauscht oder verwechselt werden. Häufige Ursache von Störungen sind verschmutzte oder mit Ruß bedeckte Flammstrahlbrennerköpfe. Daher ist dafür zu sorgen, dass die Brenneraußenfläche stets frei von Ruß und Verschmutzungen ist. Für das Säubern der Düsen müssen passende Düsenreiniger verwendet werden. ◆ Brenngas und Sauerstoff Gefahren entstehen beim Acetylen unter Umständen durch Brände an den Armaturen sowie durch äußere Wärmeeinwirkung und Flammenrückschlag in den Gasflaschen, die zur Explosion führen können. Beim Entweichen von Acetylen, z.B. infolge von Undichtigkeiten, kann es zu explosionsfähigen Gemischen kommen. Für Abhilfe sorgt: Schutz vor Wärmeeinwirkung, ausreichende Lüftung sowie Sicherung gegen Flammenrückschlag. Außerdem müssen alle Schraubverbindungen auf Dichtheit geprüft werden. Die MPS-Flüsiggas-Gemische haben den Nachteil, im gasförmigen Zustand schwerer als Luft zu sein. Daher besteht die Gefahr, dass sie sich an tiefer ge-

332

10 Untergrundvorbereitung mit thermischen Verfahren

legenen Stellen (z.B. Kellern oder Schächten) sammeln und explosionsfähige Gas-Luft-Gemische bilden. In der Nähe der Gasversorgungsstelle (bis 1 m Umkreis) dürfen sich daher keine Vertiefungen befinden. Beim unbeabsichtigten Austritt von Sauerstoff besteht erhöhte Brandgefahr auch bei solchen Stoffen, die sonst nur als schwer entflammbar gelten. Öle und Fette entzünden sich in sauerstoffreicher Umgebung von selbst und verbrennen explosionsartig. ◆ Versorgungsanlagen Neben den Gasflaschen bzw. Gastanks (MPS) gehören zur Gasversorgung Anschlüsse, Leitungen (Schläuche), Kupplungen, Ventile, Verschlüsse, Druckminderer und Sicherheitseinrichtungen gegen Gasrücktritt und Flammendurchschlag. Als Sicherheitseinrichtung sind zwei Möglichkeiten zulässig: Einzelflaschensicherung unmittelbar hinter dem Flammstrahlbrenner oder trockene Gebrauchsstellenvorlage unmittelbar hinter dem Druckminderer. Darüber hinaus werden eine vorschriftsmäßige Kennzeichnung und eine regelmäßige Überprüfung sämtlicher Anlagenteile verlangt. Es versteht sich von selbst, dass nur zugelassene Bauteile verwendet werden dürfen. ◆ Baustelleneinrichtung und Organisation Aufgrund der Tatsache, dass das Flammstrahlen aus zwei Arbeitsgängen besteht und auf Baustellen häufig an mehreren Stellen gleichzeitig gearbeitet wird, ergibt sich ein sicherheitstechnischer Koordinierungsbedarf, der in den „Algemeinen Vorschriften“ (VBG 1) § 6 der Unfallverhütungsvorschrift geregelt ist. Insbesondere bei Arbeiten an hochgelegenen Stellen, z.B. auf Gerüsten, ist für einen wirksamen Schutz gegen herabfallendes Material – hier vor allem Funkenflug und Spratzgut – zu sorgen. ◆ Verbrennungsgefahren Durch Funkenflug, heiße Verbrennungsgase, abspratzendes Material und Berührung des heißen Flammstrahlbrenners bestehen Verbrennungsgefahren, denen durch entsprechende Schutzkleidung vorzubeugen ist. ◆ Gefahren für die Augen Die Augen sind nicht nur durch abspratzende Teile, sondern auch durch die Lichtstrahlung der Brennerflamme gefährdet. Zum Schutz gegen solche Strahlen und Fremdkörper sind Schutzbrillen mit Seitenschutz und Schweißschutzfilter zu tragen. ◆ Lärmemissionen Der Lärmpegel beim Gasaustritt aus den Düsen erfordert für Personen, die sich in unmittelbarer Nähe befinden, persönliche Schallschutzmittel. ◆ Brandgefahr Gefährdungen entstehen eher durch Funken, glühendes Spratzgut und heiße Verbrennungsgase als unmittelbar durch die Brennerflamme. Als Faustformel gilt, dass ein Bereich von 10 m vor und etwa 2 m hinter und beiderseits der Flamme brandgefährdet ist. Wenn brennbare Gegenstände nicht aus der Gefahrenzone zu entfernen sind, müssen sie durch nicht brennbare Abdeckungen geschützt werden. Zu beachten ist, dass Funken, glühendes

10.1 Flammstrahlen

333

Spratzgut oder heiße Verbrennungsgase, an Fugen, Ritzen und Öffnungen auch in Nachbarräume gelangen können. Zur frühzeitigen Brandbekämpfung müssen bei Flammstrahlarbeiten Feuerlöscheinrichtungen bereitgestellt werden. ◆ Gase, Rauche, Dämpfe Die thermische Bearbeitung von unbeschichtetem Beton ergibt keine nennenswerte Beeinträchtigung der Umwelt. Beim Verbrennen des Acetylens mit Sauerstoff wird Kohlendioxid und Wasserdampf freigesetzt. Andere Gase entstehen normalerweise nicht, es sei denn, durch die Verbrennung von Verunreinigungen und Altbeschichtungen, wobei je nach Art und Beschaffenheit gesundheitsschädliche Zersetzungsprodukte auftreten können, die ein Absaugen, Belüften und/oder Atemschutz erforderlich machen. Dazu heißt es in DIN 32539 [10-1]: „In geschlossenen oder engen Bereichen ist mit unzuträglichen Konzentrationen schädigender Gase, Dämpfe und Rauche zu rechnen. Ausreichende Schutzmaßnahmen müssen eingeplant und berücksichtigt werden. Im Freien sind nur bei bestimmten Beschichtungen, wie z.B. chlorhaltigen Beschichtungen, Schutzmaßnahmen notwendig. In Zweifelsfällen sollten Schadstoffmessungen durchgeführt werden.“ ◆ Mechanische Nachbearbeitung Der 1. Verfahrensschritt zeichnet sich insgesamt durch vergleichsweise geringe Staub- und Geräuschemissionen aus. Sinnvollerweise wird im 2. Verfahrensschritt, der mechanischen Nachbearbeitung, ein dazu passendes Verfahren (z.B. staubfreies Strahlen mit festen Strahlmitteln) gewählt, das diese Vorteile nicht zunichte macht. Die sicherheitsrelevanten Aspekte bei Anwendung solcher Verfahren werden an anderer Stelle dieses Buches beschrieben.

10.1.8 Effektivität und Kosten Das Flammstrahlen ist zwar ein universelles, bewährtes und praktikables Verfahren, doch hat sich die Anwendung auf verhältnismäßig wenige Spezialgebiete reduziert. Zu dieser Entwicklung hat u.a. beigetragen, dass es für manche der typischen Anwendungsgebiete inzwischen wirtschaftlichere Alternativen gibt. So werden Industrieböden – eine ehemalige Domäne des Flammstrahlens – heute im Allgemeinen wesentlich kostengünstiger (ca. 35%) mit dem KugelSchleuderradstrahl-Verfahren bearbeitet. Sind die Flächen jedoch z.B. mit Ölen oder Fetten kontaminiert, nimmt die Effektivität und Anwendungshäufigkeit des Flammstrahlverfahrens zu. Generell kann man sagen, dass das Flammstrahlen heute weniger im Wettbewerb zu anderen Verfahren eingesetzt wird, sondern vielmehr dort, wo Sachzwänge es als die brauchbarste technische Möglichkeit erscheinen lassen [10-21]. Dazu gehören besondere Bauteilgeometrien (z.B. Bauteilkanten) und Kontaminierungen. Ein weiteres wichtiges Argument für das Flammstrahlen ist der trockene Endzustand der Flächen,

334

10 Untergrundvorbereitung mit thermischen Verfahren

der z.B. bei Kunststoffbeschichtungen eine Rolle spielt. Auch die Zahl der Firmen, die das Flammstrahlen als Dienstleistung anbieten, ist zurückgegangen; dies jedoch nicht allein wegen der sinkenden Nachfrage, sondern weil manche Interessenten den Aufwand scheuen, der mit den betrieblichen und personellen Voraussetzungen verbunden ist.

10.2 Kaltstrahlen 10.2.1 Definition und Einordnung Zur Kategorie Kaltstrahlen gehören drei verschiedene Verfahren (s. Tabelle 10.5). Nach REBHAN [10-24] trifft die Bezeichnung Kaltstrahlen an sich nur für diejenigen Verfahren zu, bei denen das Strahlmittel sowohl mechanisch als auch thermisch wirkt. Dies ist nur beim Strahlen mit Trockeneis oder Wassereis der Fall. Im Gegensatz dazu basiert das Flüssiggas-Kaltstrahlen allein auf der thermischen Wirkung, wobei Verunreinigungen und Altbeschichtungen versprödet und durch Temperaturdehnung vom Untergrund gelöst werden. Beton oder andere mineralische Untergründe lassen sich auf diese Weise nicht abtragen. REBHAN [10-24] hält deshalb die Bezeichnungen Entschichten oder Entlacken mit Flüssiggas oder Kälte bzw. Kältetrennung für geeigneter. Aus Kostengründen kommen jedoch zurzeit alle drei Varianten nur für spezielle Anwendungen und Sonderfälle in Betracht.

10.2.2 Materialbeanspruchung und Abtragsmechanismus 10.2.2.1 Entschichten mit Flüssiggas: Kaltgasstrahlen Das Flüssiggas wird ohne nennenswerte kinetische Energie aufgesprüht; bei horizontalen Flächen genügt auch ein Fluten mit Flüssigstickstoff (Bilder 10.20 und 10.21). Insofern ist die Bezeichnung Strahlen etwas irreführend. Das Kaltgasstrahlen fällt gegenüber anderen in diesem Buch beschriebenen Verfahren schon allein deshalb aus dem Rahmen, weil es sich nicht direkt zum Abtragen des Betons einsetzen lässt. Hauptanwendungszweck ist vielmehr das Entfernen vorhandener Beschichtungen und Beläge. Hierfür sind die Perspektiven sehr günstig, weil das Verfahren ebenso wie das Trockeneisstrahlen den Belangen des Umweltschutzes in herausragender Weise gerecht wird (s. Abschnitt 10.2.7). Die guten Erfahrungen beim Entlacken von Metallen legen es nahe, diese Methode auch für das Entschichten von Beton oder anderen mineralischen Untergründen in Betracht zu ziehen. Die Wirkung des Kaltgasstrahlens basiert auf einer plötzlichen starken Abkühlung der oberflächennahen Schichten mit flüssigem Stickstoff, einem unterschiedlichen Temperaturdehnungsbestreben von Beschichtung und Untergrund sowie daraus resultierenden Spannungen, die zum Reißen der Be-

10.2 Kaltstrahlen

335

Tab. 10.5: Einteilung der Kaltstrahlverfahren Bezeichnung

Entschichten mit Flüssiggas (Kaltgasstrahlen)

Strahlen mit Trockeneis

Strahlen mit Wassereiis

Geräte

wärmeisolierter Flüssiggastank und Schläuche, Sprühdüse

wärmeisolierter Strahlmittelcontainer, Druckluftkompressor, mobile Ein- oder Zweischlauchstrahlanlage, Strahlpistole, Strahldüsen

Druckluftkompressor mobile ZweischlauchEisstrahlmaschine mit integriertem Kühlaggregat für kontinuierliche Wassereispartikelerzeugung

Strahlmittel

verflüssigter Stickstoff

pelletiertes bzw. geraspeltes Trockeneis

gefrorene Wassertropfen (Pellets)

Temperatur des Strahlmittels

–196°C

–78,5°C

Sonstige Hilfsmittel

Holzlatten o.ä zur Beunterschiedliche Strahlrandung und Abdichtung düsen je nach Aufgabe von Arbeitsbereichen beim Fluten, ggf. Gestell für Sprühdüse

< 0°C Wasser- und Stromanschluss

Wirkungsprinzip versprödend, rissfördernd und haftungsmindernd durch plötzliche unterschiedliche Temperaturdehnung von Beschichtung und Substrat, mechanische Nachbearbeitung erforderlich

versprödend, rissfördernd und haftungsmindernd durch plötzliche unterschiedliche Temperaturdehnung von Beschichtung und Substrat sowie mäßig abrasiv durch unelastischen Stoß und Sublimation der CO2-Pellets

Voraussetzungen möglichst unterschiedliche Temperaturdehnungskoeffizienten von Beschichtung und Substrat, Versprödungsneigung/ Anstieg des E-Moduls der Beschichtung bei niedrigen Temperaturen, möglichst große Temperaturdifferenz

möglichst unterschiedliche geringe Haftung der TemperaturdehnungsSchichten koeffizienten von Beggf. vorheriges chemischichtung und Substrat, sches Anlösen und AufVersprödungsneigung/ weichen der abzutraAnstieg des E-Moduls der genden Schichten Beschichtung bei niedrigen Temperaturen, möglichst große Temperaturdifferenz

Anwendungsgebiete

Entschichten (Entlacken), Reinigen

Entschichten (Entlacken)

unelastischer Stoß und Querverformung der Eispartikel beim Auftreffen, in Verbindung mit Spülwirkung hauptsächlich zur Oberflächenreinigung, aber auch zum Ablösen schwach haftender Schichten geeignet

Reinigen

schichtung und zur Verminderung der Haftung am Untergrund führen können [10-25] bis [10-32] (Bilder 10.20 bis 10.22). Da die Beschichtungsstoffe bei tiefen Temperaturen glasartig verspröden, lassen sie sich mit herkömmlichen mechanischen Bearbeitungsmethoden (z.B. Strahl- und Fräsverfahren) relativ gut entfernen, vorausgesetzt, die Nachbearbeitung erfolgt unmittelbar im Anschluss an die Kältebehandlung und nutzt den zeitlich begrenzten Versprödungseffekt (Bild 10.23).

336

10 Untergrundvorbereitung mit thermischen Verfahren

Bild 10.20: Entfernen von Fahrbahnmarkierungen (Klebereste von Markierungsknöpfen) mit flüssigem Stickstoff, mechanische Nachbearbeitung mittels Klopffräse [10-30] (Foto: REBHAN)

Bild 10.21: Fluten einer beschichteten Betonoberfläche mit flüssigem Stickstoff (s.a. [10-31])

10.2.2.2 Strahlen mit Trockeneis Durch Trockeneisstrahlen können eine Vielzahl unterschiedlicher Oberflächen gereinigt oder entschichtet werden. Verunreinigungen, Rückstände und Altbeschichtungen wie Öl, Fett, Schmutz, Ruß, Kleberreste, Bitumen und verschiedene Kunststoffbeschichtungen lassen sich lösen und rückstandsfrei entfernen ([10-24], [10-32] bis [10-50]). Ausschlaggebend für den Effekt des Trockeneis-

10.2 Kaltstrahlen

337

Bild 10.22: Epoxidharz-Beschichtung mit Rissen und schollenförmigen Ablösungen nach Fluten mit etwa 28 l/m2 Flüssigstickstoff (s.a. [10-31])

Bild 10.23: Mechanisches Entfernen der gerissenen und versprödeten Epoxidharz-Beschichtung (vgl. Bild 10.22)

strahlens ist die niedrige Temperatur und die Auftreffgeschwindigkeit des Strahlmittels [10-34]. Bei Atmosphärendruck beträgt die Temperatur der verwendeten Trockeneispartikel (Bild 10.24) –78,5°C, und die Auftreffgeschwindigkeit kann etwa Schallgeschwindigkeit erreichen. Beim Aufprall sublimiert das Trockeneis, d.h. es geht unmittelbar aus dem festen in den gasförmigen Zustand über, ohne zwischendurch den flüssigen Aggregatzustand anzunehmen

338

10 Untergrundvorbereitung mit thermischen Verfahren

Bild 10.24: Trockeneispellets, ∅ 3 mm, mittlere Länge ca. 8 mm (s.a. [10-31])

und entweicht rückstandsfrei als CO2-Gas in die Atmosphäre. Die Sublimation ist temperaturabhängig mit einer 500- bis 800fachen Volumenvergrößerung verbunden [10-33], [10-34], [10-44], [10-45]. Sie erfolgt beinahe explosionsartig und sprengt bzw. bläst – unterstützt vom Druckluftstrahl – Verunreinigungen und ggf. auch Beschichtungsbestandteile von der Oberfläche [10-37], [10-44]. Wegen der vergleichsweise geringen Härte wirken die CO2-Pellets weniger mechanisch-abrasiv als herkömmliche feste Strahlmittel (Bild 10.25), führen aber infolge schockartiger Temperaturdehnung und Versprödung zur Rissbildung und Haftungsminderung, was insbesondere das Entfernen zäher Beschichtungen erleichtert. Abgestrahlte Verunreinigungen sowie Beschichtungsreste können leicht aufgenommen und entsorgt werden. Die bei vielen Verfahren erforderliche Trennung von Strahlmittel und Strahlgut entfällt. 10.2.2.3 Strahlen mit Wassereis Das Strahlen mit Wassereispartikeln ist in dieser Reihe das jüngste Verfahren und befindet sich erst am Anfang der Entwicklung [10-24]. Die unmittelbar vor der Verwendung erzeugten Eispartikel werden in ähnlicher Weise wie beim Trockeneisstrahlen mit Druckluft beschleunigt. Aufgrund der vergleichsweise geringen Temperaturunterschiede zwischen Strahlmittel und Oberfläche beruht die Wirkung jedoch kaum auf Temperaturdehnung und Versprödung der zu entfernenden Schichten, sondern vielmehr auf dem unelastischen Stoß in Verbindung mit einer lateralen Deformation (Querverformung) der Eispartikel. Ein Teil des Eises verdampft beim Aufprall, der Rest schmilzt und spült das gelöste Strahlgut fort. Dieser Effekt wird in [10-51] etwas salopp, aber recht anschaulich, mit „Scrub and Flush“ („Schrubben und Spülen“) be-

10.2 Kaltstrahlen

339

Bild 10.25: Vergleich der Abtrageffekte beim Strahlen mit Trockeneis und Sand nach Stratford (aus [10-41])

schrieben. Das Schmelzwasser verdunstet rückstandsfrei. Da das Eis im Vergleich zu herkömmlichen festen Strahlmitteln sehr schonend abträgt, ist es z.B. für die Reinigung oder Entschichtung von sehr empfindlichen Oberflächen prädestiniert [10-24].

10.2.3 Einfluss wichtiger Betriebsparameter 10.2.3.1 Entschichten mit Flüssiggas: Kaltgasstrahlen Durch die rasche Abkühlung mit Flüssiggas wird ein steiler Temperaturgradient erzeugt, so dass die entstehenden Zwängungsspannungen nicht nur auf das materialspezifisch unterschiedliche Temperaturdehnverhalten von Beton und Kunststoff (s. Tabelle 10.6) zurückzuführen sind, sondern auch auf die großen Temperaturunterschiede zwischen den Schichten. Diese Spannungen sollen die Beschichtung bzw. den Belag aufreißen, möglichst auch ablösen. Außerdem werden die zu entfernenden Deckschichten versprödet, so dass mechanische Bearbeitungsverfahren den Untergrund mit verhältnismäßig geringem Aufwand freilegen können. Der Erfolg dieser Maßnahmen hängt u.a. von der Beschaffenheit des Untergrunds, von der Grundierung sowie von Art, Dicke, Schichtenaufbau und Vernetzungsgrad des Beschichtungswerkstoffes ab. Als weiterer Parameter ist die Zeit zwischen dem thermischen und dem nachfolgenden mechanischen Arbeitsgang zu berücksichtigen. Die mechanische Nachbearbeitung muss spätestens nach 1 bis 2 Minuten erfolgen [10-24].

340

10 Untergrundvorbereitung mit thermischen Verfahren

Tab. 10.6: Temperaturdehnzahlen und E-Moduln von Reaktionsharzsystemen im Vergleich zu Beton (aus [10-56])

a b c

Reaktionsharz

Temperaturdehnzahl a T a, b 10–6/K

E-Modul a N/mm2

UP PUR AY EP (starr) EP-Mörtel (1:3) EP-Mörtel (1:9) EP-Mörtel (1:14) EP-Mörtel (1:15) EP (flexibilisiert) Beton

55…100 120…200 80 70 – 20 12 – 120 10…12

3000…4000 1500…2500 3000 3000c 10000 25000 – 33000 – 15000…40000

Abhängig von der Temperatur und vom Vernetzungsgrad. aT im Bereich von –20°C bis +40°C. Hochvernetzt, lösemittel- und füllstofffrei.

Für einen optimalen Effekt müssen die zu entfernenden Schichten durchgekühlt werden. Die eingesetzte Kältemittelmenge ist unter gleich bleibenden Bedingungen ein Indikator für die eingestellte Temperatur. Die Einwirkungsdauer wird nach Erfahrung gewählt und beträgt z.B. bei Kleberresten von Markierungsknöpfen etwa 20 Sekunden. Da der flüssige Stickstoff verhältnismäßig schnell verdampft, werden je nach erforderlicher Einwirkungsdauer verhältnismäßig große Mengen an Flüssiggas benötigt (s. Abschnitt 10.2.5.1). Untersuchungen an Stahl und Beton haben gezeigt, dass das Aufreißen der Beschichtungen allein nicht ausreicht, um befriedigende Abtragleistungen zu erzielen [10-26], [10-31]. In jedem Fall muss mechanisch nachbearbeitet werden. Sind die Beschichtungen und Beläge bei Normaltemperatur klebrig und/oder zäh, geschieht dies am besten im versprödeten Zustand, d.h. möglichst unmittelbar nach der Flüssiggasbehandlung. Ungünstig sind dünne schlagfeste Beschichtungen und filigrane Bauteile. Bei dünnen Beschichtungen ist der Temperaturgradient zwischen Deckschicht und Untergrund weniger ausgeprägt, und die thermischen Spannungen sind geringer. Nach RICKEN [10-28] lassen sich bei Schichtdicken von 0,5 bis 3 mm auf mineralischen Untergründen die größten Ablöseerfolge erzielen. Dünne Bauteile verformen sich unter Temperatureinfluss stärker, weil der Energietransport in Längsrichtung langsamer erfolgt und dünnere Bauteile insgesamt stärker abkühlen als voluminösere [10-26]. Bei sehr langer Einwirkungsdauer steigen nicht nur die Kosten für das eingesetzte Flüssiggas, sondern es nimmt auch der Wirkungsgrad ab, weil sich die Temperaturen von Beschichtung und Untergrund immer mehr angleichen. Weitere Einflüsse auf den Bearbeitungserfolg sind gemäß [10-28]: ◆ die Zugfestigkeit der zu entfernenden Beschichtung, ◆ die Haftung der Beschichtung am Untergrund,

10.2 Kaltstrahlen

341

◆ die Temperaturdehnzahl (Je größer die Unterschiede zwischen Beschichtung und Untergrund sind, umso günstiger ist dies für den Erfolg der Maßnahme, besonders bei bindemittelreichen Beschichtungen.) ◆ der Elastizitätsmodul bei niedrigen Temperaturen (Für die vorgesehenen Zwecke wäre ein möglichst hoher E-Modul im Tieftemperaturbereich vorteilhaft.) ◆ das Alter der Beschichtung (Ältere Beschichtungen tendieren ohnehin zum Verspröden und unterliegen möglicherweise bereits Eigenspannungen, was das Ablösen der Beschichtungen erleichtert.) Gute Erfolgsaussichten bestehen beim Entfernen von Acryl- und Alkydharzlacken sowie Polyester und Vinylharz-Beschichtungen. Mit geringerer Effizienz lassen sich Epoxidharz- und Polyurethanbeschichtungen abtragen [10-32]. 10.2.3.2 Strahlen mit Trockeneis Zu den maßgebenden Faktoren für die Abtrag- bzw. Reinigungsleistung zählen die durch Komprimierung erzielte Dichte, Härte, Oberflächenbeschaffenheit und Geometrie der Trockeneispartikel [10-32], [10-41], [10-45]. Die Dichte des komprimierten Trockeneises liegt bei 1300 kg/m3 [10-35]. Die je Volumeneinheit enthaltene thermische Energie ist 3,3-mal so hoch wie bei gefrorenem Wasser. Der Strahlmitteldurchsatz und die Auftreffgeschwindigkeit lassen sich durch die üblichen Strahlparameter wie Strahldruck, Düsenform, Strahlwinkel und Düsenabstand steuern. Die Partikel sind härter und kälter als Wassereis [10-24]. Ihre Härte entspricht mit 2 bis 3 Mohs jedoch nur etwa der von Gips [10-33], [10-38], [10-45]. Im Vergleich zum Strahlmittel beim Sandstrahlen, das eine Mohshärte von etwa 7 aufweist, fehlt den Pellets außerdem die Kantenschärfe [10-31]. Die Trockeneispartikel sind somit kaum in der Lage, Beschichtungen mechanisch aufzutrennen. Das Verfahren profitiert vielmehr von dem thermisch bedingten Verformungsbestreben sowie dem Verspröden und Aufreißen der Beschichtung, wobei das Ablösen hauptsächlich durch Sublimation der Pellets erfolgt (Bild 10.25) [10-42], [10-44]. Der thermischen Wirkung wird ein Anteil von 60% am Abtragprozess zugerechnet, 40% der kinetischen Energie [10-45]. Die thermischen Effekte wie Versprödung, Temperaturdehnung und Rissbildung der zu entfernenden Schichten sind zwar geringer als beim Kaltgasstrahlen, sie werden jedoch durch die kinetische Energie und Sublimation der Teilchen beim Auftreffen mehr als ausgeglichen. Die Abtragleistung lässt sich über die Strahlmittelmenge und/oder die Geschwindigkeit der Trockeneis-Pellets regulieren [10-34]. Das Strahlmittel wird abhängig von der Kompressorleistung und der Düsenform mit Druckluft zwischen 3 und 25 bar im Extremfall bis zur doppelten Schallgeschwindigkeit beschleunigt [10-40]. Die günstigsten Strahlwinkel und Düsenabstände hängen von der Art des Beschichtungsmaterials und vom Untergrund ab. Üblicherweise liegen die Strahlwinkel zwischen 30° und 75° [10-

342

10 Untergrundvorbereitung mit thermischen Verfahren

32]. Das Bearbeitungsergebnis wird wie beim Kaltgasstrahlen in starkem Maße von der Art der zu entfernenden Materialien, deren Schichtdicke und Haftung am Untergrund beeinflusst [10-35]. Bei längerer Strahldauer verringern sich die Temperaturdifferenzen, und der Wirkungsgrad nimmt ab [10-45]. Die Bandbreite der Einstellmöglichkeiten erlaubt sogar das selektive Entfernen von Schichten auf empfindlichen Untergründen (z.B. weiche Natursteine an historischen Bauwerken). Das Trockeneisstrahlen ist nur mäßig abrasiv, so dass ein geschlossener, harter mineralischer Untergrund nicht erodiert wird. 10.2.3.3 Strahlen mit Wassereis Die schwach abrasive Wirkung des Wassereisstrahlens lässt sich ebenfalls in gewissen Grenzen durch Strahldruck, Düsenform, Strahlwinkel und Düsenabstand steuern. Die thermischen Effekte sind jedoch weitaus geringer als bei den vorgenannten Verfahren. Wegen der geräteinternen kontinuierlichen Produktion von Wassereispartikeln liegt die Verfügbarkeit des Strahlgerätes höher als beim Trockeneisstrahlen, bei dem die Beschickung diskontinuierlich erfolgt [10-51].

10.2.4 Komponenten des Kaltstrahlens 10.2.4.1 Entschichten mit Flüssiggas: Kaltgasstrahlen Der flüssige Stickstoff wird durch ein Luftzerlegungs-Verfahren großtechnisch gewonnen und in transportablen hoch wärmegedämmten Tanks zur Verfügung gestellt. Bei Atmosphärendruck weist dieses Kühlmedium eine Temperatur von –196°C auf. Der durch das Verdampfen des Gases entstehende Überdruck lässt eine Entnahme aus dem Tank ohne Hilfsenergie zu. Über wärmegedämmte Doppelmantelschläuche und Sprühvorrichtungen gelangt das Kühlmittel auf die zu bearbeitende Fläche. Sowohl beim Verdampfen als auch beim Erwärmen entzieht der Stickstoff seiner Umgebung Wärme und entweicht als geruchsloses, ungiftiges und unbrennbares Gas. Dieses immer noch sehr kalte Abgas führt zum Kondensieren der Luftfeuchte, was als Nebelbildung in Erscheinung tritt, aber keine negativen Auswirkungen hat. Hilfsmittel sind erforderlich, um das Flüssiggas möglichst zielgenau einwirken zu lassen und für eine bestimmte Zeit im Bereich der zu entfernenden Beschichtungen und Verunreinigungen festzuhalten bzw. am Abfließen zu hindern. Hauben, die anfänglich zum Entfernen von Fahrbahnmarkierungen eingesetzt wurden (s. Bild 10.20), haben sich nicht bewährt, da sie die Sicht zu stark behindern. Stattdessen werden Dreibeingestelle mit punktförmigen Sprühdüsen verwendet. Größere Flächen müssen abschnittsweise bearbeitet werden. In diesen Abschnitten werden vorübergehend mit Stickstoff gefüllte Seen angelegt. Eine derartige Segmentierung lässt sich z.B. mit Rahmen aus Holz realisieren, die mit Wasser abgedichtet werden. Bei Laborversuchen [10-28] wurde eine Vor-

10.2 Kaltstrahlen

343

richtung eingesetzt, die dem Maschinenbrenner beim Flammstrahlen ähnelt (vgl. Bild 10.16). Es ist allerdings nicht bekannt, ob ein solches Gerät auch in der Praxis den gewünschten Erfolg zeigt. 10.2.4.2 Strahlen mit Trockeneis Die schematische Darstellung in Bild 10.26 gibt einen Überblick über die Bestandteile und Funktionsweise einer CO2-Strahlanlage. CO2-Gas fällt als Nebenprodukt bei verschiedenen industriellen Prozessen an [10-45]. Es wird gereinigt, komprimiert und verflüssigt. Für die Strahlmittelherstellung wird flüssiges Kohlendioxid (CO2) in einen Pelletierer gespritzt, wobei es entspannt und zu feinpulvrigem Trockeneisschnee gefriert. Da unkomprimierter Trockeneisschnee praktisch nicht abrasiv ist und sich allenfalls zum Säubern von Oberflächen eignet, wird er komprimiert und durch Matrizen gepresst [10-32], [10-33], [10-35], [10-38]. Auf diese Weise entstehen etwa reiskorngroße Pellets von relativ gleichmäßiger Härte und Größe. Ihr Durchmesser liegt je nach Matrizenaustrittsdurchmesser zwischen 1 und 6 mm (meist 3 mm) und ihre Länge variiert zwischen 5 und 15 mm (s. Bild 10.24). Als Mittelwerte werden Längen von 8 bzw. 10 mm angegeben ([10-33] bis [10-45]). Produktion und Verwendung des Strahlmittels finden gesondert statt, was sich nach [10-34] günstig auf den Investitionsaufwand, die Kapazitätsanpassung, die Benutzerfreundlichkeit und die Systemzuverlässigkeit auswirkt. Die Trockeneispellets werden in wärmeisolierten Containern geliefert. Bei sachgemäßer Handhabung ist das Trockeneis darin bis zu einer Woche haltbar. Bei einer Variante des Verfahrens werden Trockeneisblöcke eingesetzt, die erst im Strahlgerät zerraspelt werden. Auf diese Weise entstehen unregelmäßig geformte Partikel von ungleichmäßiger Größe. Die Vorteile liegen in der ver-

Bild 10.26: Komponenten und Funktionsschema einer CO2-Strahlanlage (vgl. [10-32])

344

10 Untergrundvorbereitung mit thermischen Verfahren

gleichsweise preiswerten Herstellung der Blöcke und deren geringeren Sublimationsverlusten durch das günstigere Verhältnis Oberfläche/Volumen [1037], [10-41]. Nach dem Zerkleinern muss das zuckerkristallähnliche Granulat jedoch schnell verbraucht werden [10-37]. Trockeneispellets werden hingegen erst unmittelbar vor der Verwendung chargenweise aus dem isolierten Transportcontainer in den Vorratsbehälter (Bild 10.27) des Strahlgerätes umgefüllt. Das Fassungsvermögen reicht je nach Strahlgerät von 7 bis 50 kg, während der Verbrauch je nach Gerät und Einstellung zwischen 20 und 200 kg/h variiert. Mit Druckluft von 12 bar und einem Volumenstrom von 11 m3/min werden die festen komprimierten Trockeneispellets in der Strahldüse bis auf etwa 300 m/s [10-33], [10-38], [1042], [10-45] beschleunigt und auf die zu reinigende Oberfläche geschleudert (Bild 10.30). Bei den Einschlauchsystemen (Bilder 10.27, 10.29) ist unter gleichen Bedingungen (Druck und Volumen der eingesetzten Luft, Temperatur, Partikelgröße usw.) eine höhere Effizienz zu erwarten als bei Zweischlauchsystemen [10-37]. Dies ist darauf zurückzuführen, dass bei Zweischlauchsystemen (Bilder 10.28, 10.29) ein Teil der Energie dazu verwendet wird, die Pellets über den Förderschlauch aus dem Vorratsbehälter anzusaugen. Trotzdem werden Vorteile für das Zweischlauchsystem gesehen [10-42], weil die Pellets verhältnismäßig schonend zur Strahlpistole gefördert und erst dort in den Druckluftstrom eingemischt werden. Dabei treten wesentlich weniger Reibungs- bzw. Sublimationsverluste auf und der Trockeneisverbrauch sinkt um bis zu 20% [10-45] gegenüber dem Einschlauchverfahren, bei dem die Partikel eine erheblich größere Strecke im Druckluftstrom bei 20 bis 30 m/s zurücklegen. Erst durch die besondere Form der Düse (Bild 10.29 oben) erfährt das Strahlmittel eine Beschleunigung auf die o.g. Austrittsgeschwindigkeiten von

Bild 10.27: Funktionsprinzip eines mobilen Einschlauch-CO2-Strahlgerätes nach [10-36]

10.2 Kaltstrahlen

345

Bild 10.28: Mobiles Zweischlauch-CO2-Strahlgerät (Firma LKY)

Bild 10.29: Funktionsprinzip der Strahldüsen für Ein- und Zweischlauch-Strahlsysteme nach [10.37]

bis zu 300 m/s. Allerdings findet dabei auch eine Zerkleinerung der Ausgangspellets statt. Mit zunehmenden Anteilen an feinkörnigem Trockeneis oder Wassereiskristallen, die durch Kondensation entstehen, wird der Strahlmitteldurchsatz ungünstiger [10-37]. Deshalb sollte die Druckluft möglichst trocken sein. Für das Zweischlauchsystem spricht die Möglichkeit der Drucklufterwärmung, um derartige Kondensatbildung zu vermeiden. Im Gegensatz dazu

346

10 Untergrundvorbereitung mit thermischen Verfahren

Bild 10.30: Austrittsgeschwindigkeit der Trockeneispartikel in Abhängigkeit vom Strahldruck [10-45]

darf man die Druckluft beim Einschlauchsystem wegen der längeren Förderstrecke und der zu befürchtenden noch höheren Sublimationsverluste nicht erwärmen. Ein weiterer Nachteil des Einschlauchsystems ist die technisch aufwändigere Zuführung der Trockeneispellets in den Druckluftstrom (s. Bild 10.27), was sich auch in höheren Gerätekosten niederschlägt [10-42]. Je nach Anforderung stehen unterschiedliche Düsen zur Verfügung, die den Strahl in der gewünschten Weise fokussieren. Der Strahlmittelvorrat im Strahlgerät reicht unter günstigen Bedingungen für eine Strahldauer von etwa einer Stunde [10-33]. Die Trockeneispellets müssen so gut und so lange wie möglich vor kondensierender Luftfeuchte geschützt werden, weil sonst mit Klumpenbildung zu rechnen ist [10-37]. Die Zweischlauchanlagen sind auf einen Luftdurchsatz von 3 bis 12 m3/ min eingerichtet. In den meisten Fällen genügen 5 m3/min [10-38], [10-42]. Es werden im Minimum 20 kg/h Trockeneis benötigt. In 90% der Anwendungsfälle liegt der Verbrauch bei 30 kg/h [10-42]. Trockeneis-Strahlgeräte werden allein pneumatisch betrieben und brauchen keine Stromversorgung. 10.2.4.3 Strahlen mit Wassereis Wassereis-Strahlmaschinen benötigen zum Betrieb Druckluft, Strom und Leitungswasser. Die integrierte Kühlvorrichtung erzeugt kontinuierlich bis zu 90 kg Wassereispartikel je Stunde [10-51]. Je nach Umgebungsbedingungen kann ein Nachkühler erforderlich sein, um die Druckluft im Bereich der opti-

10.2 Kaltstrahlen

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malen Betriebstemperatur von ca. 38°C zu halten Über den Niederdruckteil des Zweischlauchsystems werden die Partikel bis zur Strahldüse (Venturiprinzip, s. Bild 10.29) gefördert und dort in den Druckluftstrom eingemischt. Sublimationsverluste wie beim Trockeneisstrahlen sind nicht zu befürchten. Mit einem Druck von bis zu 15 bar wird das Granulat auf die zu bearbeitende Fläche geschleudert [10-51]. Wegen der integrierten Strahlmittelerzeugung sind Wassereis-Strahlmaschinen weitaus teurer als Trockeneis-Strahlgeräte, die mit extern hergestelltem Strahlmittel beschickt werden. Bei der ersten Erprobung des Wassereisstrahlens in Deutschland (1993) wurden Wassertropfen mit Flüssigstickstoff zu Wassereispellets gefroren [10-24].

10.2.5 Anwendung des Kaltstrahlens 10.2.5.1 Entschichten mit Flüssiggas: Kaltgasstrahlen Das Verfahren wird zurzeit hauptsächlich zum Entlacken von Stahl eingesetzt. Bewährt haben sich stationäre Anlagen, die mit Schleuderrad-Strahlanlagen kombiniert sind [10-26], [10-27]. Kaltgasstrahlen bietet sich jedoch auch zum umweltfreundlichen Entfernen von Altbeschichtungen oder Belägen auf mineralischen Untergründen an. Ein besonderer Vorteil ist, dass auf diese Weise auch zähe, zum Verkleben oder Verschmieren neigende Beschichtungen und Beläge versprödet und anschließend mit mechanischen Verfahren problemlos entfernt werden können. Gute Erfolge wurden beim Entfernen von Fahrbahnmarkierungen und Kleberresten erzielt, weil der Abtrag im Gegensatz zum Fräsen keine Vertiefungen oder Rillen im Traggrund hervorruft [10-29], [10-30]. Trotz der genannten Vorteile wurde das Verfahren bisher nur in Einzelfällen realisiert, da es sehr teuer ist und preisgünstigere Alternativen zur Verfügung stehen. Für einen ausreichenden Effekt werden bis zu 20 l Stickstoff/m2 benötigt [10-24]. Es ist allerdings damit zu rechnen, dass steigende Umweltauflagen die Anwendung des Kaltgasstrahlens forcieren. Die Chancen für eine Anwendung steigen außerdem mit größer werdender Beschichtungsdicke und mit zunehmender Zähigkeit und Klebrigkeit des zu entfernenden Materials. Darüber hinaus nehmen die Erfolgsaussichten mit abnehmendem mineralischem Füllstoffanteil zu. Besonders geeignet ist das Verfahren zum Entfernen von bituminösen Beschichtungen [10-24]. Dies bestätigen auch Versuche an beschichteten Betonwerksteinplatten [10-31]. Ein bituminöser Schutzanstrich mit einer Schichtdicke von 1,1 mm konnte im Anschluss an die Kältebehandlung relativ gut durch Vakuum-Sandstrahlen von der Betonoberfläche entfernt werden, während ein entsprechendes Resultat ohne vorherige Behandlung mit Flüssigstickstoff etwa die 7fache Strahldauer erforderte. Epoxidharz- und Polyurethanbeschichtungen wiesen nach dem Fluten mit bis zu 28 l/m2 Flüssigstickstoff zwar deutliche Netzrisse auf (Bilder 10.21 und 10.22), die Adhäsion

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10 Untergrundvorbereitung mit thermischen Verfahren

zwischen Kunststoff und Beton war aber nicht so weit beeinträchtigt, dass Vakuum-Sandstrahlen ausgereicht hätte, um die Beschichtung in einer wirtschaftlich vertretbaren Zeit abzutragen. Für die Nachbearbeitung mittels Flachmeißel (Bild 10.23) erwiesen sich jedoch die Rissbildung und der Grad der erzielten Verbundschädigung als hilfreich. Es gelang verhältnismäßig gut, die Beschichtung schollenförmig abzutragen. Die Trennung erfolgte aber stets in der oberflächennahen Betonschicht. 10.2.5.2 Strahlen mit Trockeneis Das Verfahren dient ähnlich wie das Kaltgasstrahlen hauptsächlich zum Entschichten und Entfernen von hartnäckigen Verunreinigungen bei minimaler Umweltbelastung. Hinzu kommt ggf. die Möglichkeit des selektiven Abtrags einzelner Schichten [10-32]. Von Seiten der Anbieter werden vielfältige Einsatzmöglichkeiten genannt. Dazu gehört das Entfernen von Ölen, Fetten, Bitumen, wachsartigen Substanzen, Trennmittel, Versiegelungen, Klebstoffen, Harzen, Kunststoffresten, Silikon, PU-Schaum, organischen Substanzen, Schmutzablagerungen, Verkrustungen, Ruß und sonstigen Brandresten [1033], [10-35], [10-42], [10-46]. Anwendungsbeispiele für das Bauwesen finden sich unter anderem in den Bereichen Gebäudeaußenreinigung sowie Brandsanierung [10-44], [10-48]. Außerdem können erhärtete Betonreste von Maschinen- und Anlagenteilen entfernt werden. Da es sich um ein trockenes Verfahren handelt, sind Kurzschlüsse bei Elektroinstallationen ebenso wenig zu befürchten wie das Korrodieren von Metallen [10-37]. Mit geeigneten Düsenformen können auch schwer zugängliche Bauteiloberflächen erreicht werden [10-39, 10-42]. Anders als beim Druckluftstrahlen mit festen Strahlmitteln ist beim Trockeneisstrahlen kein Abtrag durch Partikelreflexion zu erwarten, denn die Pellets prallen nicht ab, sondern sublimieren (Bild 10.25). Vorteile gegenüber anderen Verfahren zeigen sich insbesondere beim Entfernen von klebrigen und zähen Substanzen, aber auch gummiähnlichen Stoffen, die bei Abkühlung stark verspröden. So zeigten Tastversuche [10-31] an bituminös beschichteten Betonwerksteinplatten gute bis sehr gute Abtragerfolge (Bild 10.31), während Epoxidharz- und Polyurethanbeschichtungen eine inakzeptable Strahldauer erforderten (Bild 10.32). Auch ein typischer Graffiti-Sprühlack auf Alkydharzbasis, konnte verhältnismäßig gut abgetragen werden (Bilder 10.33 und 10.34), doch war die erforderliche Bearbeitungsdauer etwa 5mal so groß wie bei dem Bitumenanstrich. Da stark abrasive Verfahren wie Druckluft- und Druckwasserstrahlen mit festen Strahlmitteln beim Entfernen von Graffiti auf der Oberfläche sichtbare Spuren hinterlassen und chemische Reinigungsmittel schwierig zu handhaben sind, zudem Personen und Umwelt gefährden [10-53], erweist sich das Trockeneisstrahlen trotz des verhältnismäßig großen Zeitaufwands in der Praxis als sehr brauchbare Alternative [1050]. Durch chemisches Anlösen und Aufweichen der zu entfernenden Schichten kann ggf. die Abtragleistung gesteigert werden. Solche Maßnahmen er-

10.2 Kaltstrahlen

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Bild 10.31: Guter Abtrageffekt bei bituminösen Beschichtungen (vgl. [10.31])

Bild 10.32: Mäßige Abtragleistung bei Epoxidharz-Beschichtungen (vgl. [10-31])

scheinen aber nur dann sinnvoll, wenn sie nicht die verfahrensspezifischen Vorteile zunichte machen. Das Trockeneisstrahlen ist auch dort von Vorteil, wo kontaminierter Staub, Abfall oder Abwasser (Schlamm) vermieden werden muss, wie z.B. bei chemisch oder radioaktiv verseuchten Bauteiloberflächen [10-32], [10-47], [10-49]. Es fällt praktisch nur unvermischtes Strahlgut an. In besonders kritischen Fällen werden ferngesteuerte Strahlgeräte eingesetzt, die das kontaminierte Strahlgut sofort absaugen [10-49].

350

10 Untergrundvorbereitung mit thermischen Verfahren

Bild 10.33: CO2-Strahlen an beschichteten Betonproben

Bild 10.34: CO2-Strahlen an einer Betonprobe mit Alkydharz-Lackspray (vgl. [10.31])

Nach den bisherigen insgesamt guten Erfahrungen ist anzunehmen, dass weitere Anwendungen folgen werden [10-33]. 10.2.5.3 Strahlen mit Wassereis Das Verfahren wurde bereits erfolgreich zur Fassadenreinigung an denkmalgeschützten Bauwerken sowie zur Reinigung von Betonreliefs und ähnlichen Kunstobjekten eingesetzt [10-24], [10-51]. Hier nutzt man den Vorteil, dass

10.2 Kaltstrahlen

351

das Verfahren praktisch nicht abrasiv wirkt und daher den Untergrund nicht angreift. Es lassen sich auch Fassadenanstriche oder -beschichtungen entfernen, wenn diese zuvor chemisch aufgeweicht werden [10-52]. Der Einsatz von Chemikalien dürfte sich allerdings negativ auf die Bewertung der Umweltverträglichkeit auswirken. Ein weiteres Anwendungsgebiet ist das Beseitigen von Kaugummiresten auf diversen Untergründen [10-24]. Eventuell anfallendes staubförmiges Strahlgut wird z.T. im schmelzenden Wasser gebunden [10-51].

10.2.6 Traggrundqualität 10.2.6.1 Entschichten mit Flüssiggas: Kaltgasstrahlen Da die Wirkung des Verfahrens im Wesentlichen auf Erzeugung thermischer Spannungen zwischen Beschichtung und Untergrund beruht, findet möglicherweise auch eine nicht zu vernachlässigende Beanspruchung des Untergrunds statt. Gelingt es bei der Nachbearbeitung nicht, alle evtl. gerissenen und gelockerten Betonpartien zu entfernen, muss mit einer Minderung der Oberflächenzugfestigkeit gerechnet werden. Ähnlich wie beim Flammstrahlen ist deshalb auf eine geeignete und sorgfältige mechanische Nachbearbeitung zu achten. Im Falle einer Neubeschichtung können niedrigviskose Grundierungen etwaige Risse verfüllen und eine mechanische Verklammerung mit dem Untergrund bewirken. 10.2.6.2 Strahlen mit Trockeneis Über die Folgen für mineralische Untergründe ist noch relativ wenig bekannt. Doch zählt das Trockeneisstrahlen zu den besonders schonenden, nur mäßig abrasiven Verfahren. Die Auswirkungen hängen nicht nur von den gewählten Einstellparametern, sondern auch von der Art des Substrates ab. So muss zum Beispiel bei der Reinigung oder Entschichtung von Holzbauteilen mit einer Aufrauung und Hervorhebung der Maserung gerechnet werden. Im Normalfall ist die Oberfläche nach der Bearbeitung trocken. Kühlt das Bauteil jedoch durch die Bearbeitung stark ab, so kann Luftfeuchte an der Oberfläche kondensieren [10-32]. 10.2.6.3 Strahlen mit Wassereis Über die Auswirkungen dieses Verfahrens auf mineralische Untergründe ist ebenso wenig bekannt wie beim Trockeneisstrahlen. Wassereisstrahlen gilt aber ebenfalls als sehr schonendes Verfahren, das im Wesentlichen reinigende Wirkung hat. Da es gemäß [20-24] bereits erfolgreich zur Oberflächenbearbeitung an historischen Bauwerken eingesetzt wurde, dürften für Beton erst recht keine nachteiligen Auswirkungen zu befürchten sein. Nur ein Teil der Eispartikel verdampft unmittelbar beim Auftreffen. Etwa die Hälfte des Strahlmittels

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10 Untergrundvorbereitung mit thermischen Verfahren

fällt als Schmelzwasser an. Insgesamt handelt es sich um verhältnismäßig geringe Wassermengen, die schnell verdunsten können.

10.2.7 Arbeits- und Umweltschutz beim Kaltstrahlen 10.2.7.1 Entschichten mit Flüssiggas: Kaltgasstrahlen Bei der Verwendung von Flüssigstickstoff besteht weder Explosions- noch Brandgefahr [10-26], [10-27]. Dies wird unter anderem durch die Tatsache verdeutlicht, dass Stickstoff z.B. auch für Lösch- und Inertisierungszwecke eingesetzt wird. Es gibt keine Auflagen seitens der Behörden. Für die Aufstellung und den Betrieb von Stickstofftankanlagen ist kein Genehmigungsverfahren vorgeschrieben. Die Anlagen werden beim Hersteller vom TÜV abgenommen. Allerdings ist der Arbeitsbereich zu belüften und es muss dafür gesorgt werden, dass der Sauerstoffpegel nicht unter 18% absinkt. Flüssigstickstoff kann bei Kontakt mit der Haut schwere Erfrierungen hervorrufen. Daher ist auf angemessene Schutzkleidung zu achten. Die Transportgefäße (Kryobehälter) müssen gegen Herabfallen, Umstürzen und Auslaufen gesichert werden. Geräteteile, die Kontakt zu Flüssigstickstoff haben, müssen aus kältebeständigem Material bestehen [10-55]. Flüssiger Stickstoff wird aus dem in der Atmosphäre enthaltenem Stickstoff-Gas gewonnen und beim Kaltgasstrahlen rein und chemisch unverändert wieder an die Atmosphäre zurückgegeben [10-26], [10-27], [10-32]. Auch die Beschichtungsstoffe werden chemisch nicht verändert. Außerdem werden keine Lösemittel oder mit anderen schädlichen Chemikalien verunreinigte Schlämme, Wässer, Dämpfe oder Gerüche produziert. Anders als beim Trockeneis- und Wassereisstrahlen treten beim Einsatz von Flüssiggas keinerlei Staubemissionen auf. Die abgetragenen Beschichtungsstoffe sind in der Regel ausgehärtet und getrocknet und können daher auf der Haus- oder Industriemülldeponie gelagert werden [10-32]. Umweltbelästigungen können ggf. durch die unverzichtbare mechanische Nachbearbeitung (s. Strahl- oder Fräsverfahren) entstehen. Sie lassen sich jedoch durch die Auswahl geeigneter Nachbearbeitungsverfahren gering halten. 10.2.7.2 Strahlen mit Trockeneis Das Trockeneisstrahlen erfordert keine problematischen Hilfsstoffe. Durch den Übergang der Trockeneis-Pellets in gasförmiges CO2 reduziert sich die Reststoffmenge ausschließlich auf die des abgestrahlten Materials. Da CO2 als industrielles Nebenprodukt anfällt [10-45] bzw. der Natur entnommen und wieder zurückgeführt wird, entsteht keine zusätzliche Belastung der Umwelt [10-32]. CO2-Gas ist zwar ungiftig, doch besteht in unzureichend belüfteten Räumen die Gefahr einer Sauerstoffverarmung [10-37], [10-42]. Deshalb ist bei nicht-prozessintegrierten stationären Anwendungen die Apparatur mit einer

10.3 Literatur

353

programmierbaren Steuerung mit Sensorüberwachung des Sauerstoffgehalts ausgestattet. Abgestrahltes Material und Staubpartikel lassen sich in vielen Fällen bequem und sicher entfernen, wenn man die Strahldüse mit einer Absaugvorrichtung nach dem Vacublast-Prinzip kombiniert. Trockeneisstrahlen verursacht Lärm. Der Geräuschpegel liegt je nach Strahldüse zwischen 85 und 130 dB. Daher sind Gehörschutzmaßnahmen zwingend erforderlich [10-42], [10-46]. Eine verfahrensbedingte Besonderheit sind elektrostatische Aufladungen, die eine Erdung des Strahlgerätes ebenso wie die des Objektes erfordern. In explosionsgefährdeten Räumen darf das Verfahren daher nicht eingesetzt werden. Das Bedienpersonal sollte entsprechend isolierte Schuhe und Handschuhe tragen. 10.2.7.3 Strahlen mit Wassereis Strahlen mit Wassereis ist aus Sicht des Arbeits- und Umweltschutzes unproblematisch bzw. im Vergleich zu anderen Verfahren sogar vorteilhaft. Das Strahlmittel besteht aus einem natürlichen Stoff, der zu ca. 50% sofort als Wasserdampf in die Umwelt zurückgeführt wird. Das verbleibende Schmelzwasser ist in der Lage, staubförmiges Strahlgut zu binden. Im Vergleich zu anderen Strahlreinigungsprozessen entsteht bis zu 95% weniger Sekundärabfall. Das heißt, es fallen weniger als 5% der Menge an flüssigem Wasser an, mit der bei Wasserstrahlverfahren gerechnet werden muss [10-51].

10.3 Literatur [10-1] [10-2] [10-3]

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10 Untergrundvorbereitung mit thermischen Verfahren

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10.1 Flammstrahlen

357

[10-52] KRUMMEN, K.; AVALOS, D.: Masonry Decontamination, Technology Summaries. Florida International University, Hemispheric Center for Environmental Technology, Miami, http://www.hcet.fiu.edu. [10-53] HERMANN, K.: Reinigung von Betonoberflächen (1) + (2). In: Cementbulletin 65(1997), Nr. 5, S. 3–7 und Nr. 6, S. 3–11. [10-54] Linde AG: Kohlendioxid (CO2). Druckschrift 8251/1 0787-0594 -6.4 ku, Höllriegelskreuth, 1994. [10-55] MUNKE, K.: Achtung: Kälte, Druck und Sauerstoffmangel. In: Linde – KowHow (1998), Nr. 3, S. 10. [10-56] Ausbildungsbeirat Verarbeiten von Kunststoffen im Betonbau beim Deutschen Beton- und Bautechnik-Verein E.V (Hrsg.).: SIVV-Handbuch; Schützen, Instandsetzen, Verbinden und Verstärken von Betonbauteilen, Stuttgart: Fraunhofer IRB Verlag, 2005.

11 Nicht-konventionelle Verfahren zur Untergrundvorbereitung

11.1 Definitionen und Einordnung In den Vorschriften zur Betoninstandsetzung werden nur Verfahren empfohlen, die sich in der Baupraxis bewährt haben und zum Stand der Technik gezählt werden können. Darüber hinaus gibt es aber auch im Bereich der Betonbearbeitung Versuche, alternative Lösungen zu entwickeln, die in Ergänzung der konventionellen Techniken angewendet werden können. Das Beispiel der Druckwasserstrahltechnik, die noch vor wenigen Jahren als Alternativlösung für begrenzte Aufgabenstellungen galt, heute aber aus der Bautechnik nicht mehr wegzudenken ist, zeigt eindrucksvoll die in diesen Entwicklungen verborgenen Potenziale. Der Großteil der nicht-konventionellen Bearbeitungsverfahren lässt sich traditionell in den Bereich der nicht-mechanischen Gesteinszerstörung einordnen [11-1]. Mit Blick auf umwelttechnische Problemstellungen sind jedoch in den letzten Jahren Verfahren entwickelt worden, die sich ausschließlich mit

Bild 11.1: Verfahren zur nicht mechanischen Gesteinszerstörung (Quelle: Studiengesellschaft für unterirdische Verkehrsanlagen, Köln)

11.2 Betonbearbeitung mit Laser

359

der Reinigung und Dekontaminierung von Betonen befassen. Einen Überblick über die entsprechenden Verfahren gibt Bild 11.1.

11.2 Betonbearbeitung mit Laser 11.2.1 Grundlagen Das Prinzip des Lasers beruht auf der Bündelung von monochromatischen (einfarbigen) Lichtstrahlen. Grundsätzlich können Gas-, Flüssigkeits- und Feststoff-Laser mit sehr unterschiedlichen Ausgangsleistungen (10 mW bis 25 kW) unterschieden werden. Bei der Betriebsart wird unterschieden zwischen Kurzpuls-Laser (Pulsdauer 10…300 ns) und Dauerstrich-Laser. Für Anwendungen, bei denen eine hohe Intensität im Vordergrund steht, sind die Kurzpuls-Laser von Bedeutung, bei denen drei Typen dominieren [11-2]: ◆ Nd:YAG-Laser (Wellenlänge: 1,06 µm), ◆ Excimerlaser (Wellenlänge: 193…308 nm), ◆ TEA-CO2-Laser (Wellenlänge 10,6 µm). Die technischen Kennwerte einger zum Reinigungen und Schneiden von Beton geeigneten Laser enthalten die Tabellen 11.1 und 11.2. TAM u.a. [11-4] geben einen Überblick über die physikalischen Grundlagen der Reinigung von Oberflächen mit Lasern.

Tab. 11.1: Kennwerte ausgewählter Reinigungslaser [11-2] Parameter

Wellenlänge in µm Pulsdauer in ns Pulsenergie in mJ Pulsspitzenleistung in W Max. Pulsfrequenz in Hz Mittlere Leistung in W Strahlquerschnitt in mm Strahlübertragung/Fokussierung Einzellinse Aufbau Kühlung durch Masse in kg

Typ Nd: YAG-Laserblast (Keilberg/el-Quantel)

Nd: YAG-Phoenix (Lynton Lasers Ltd.)

1,064 < 25 200 (50, 100 Hz) 1 · 107 25, 50, 100 10 , 20 ∆≈5 Lichtleitkabel, Gelenkarm transportabel, einteilig Leitungswasser/Luft 90, 100, 110

1,064 6 300 5 · 107 10 3 ∆≈5

einteilig –

360

11 Nicht-konventionelle Verfahren zur Untergrundvorbereitung

Tab. 11.2: Kohlendioxid-Laser für die Betonbearbeitung [11-3] Kennwert

Größe

Wellenlänge Modus Maximale Leistung Strahldurchmesser Spiegeldurchmesser Spiegelbrennweite

10,6 µm Ringwellentyp 26,5 kW 70 mm 150 mm 600 mm, 1.000 mm

11.2.2 Reinigen mit Lasern Voraussetzung für den Prozess der Laserreingung sind deutlich unterschiedliche optische bzw. thermische Eigenschaften von Verunreinigung und Untergrund (z.B. Verdampfungstemperatur, Temperatur-Ausdehnungskoeffizient, Absorptionskoeffizient). Für das Reinigen selbst können verschiedene physikalische Prozesse ausgenutzt werden: ◆ selektives Verdampfen der Verunreinigung, wenn diese einen höheren Absorptionskoeffizienten und eine niedrigere Verdampfungstemperatur aufweist, ◆ Aufheizen von Verunreinigung und Traggrundmaterial an der Grenzfläche; dies führt bei unterschiedlichen Temperatur-Ausdehnungskoeffizienten zu Scherspannungen und zum Abplatzen der Schmutzschicht. ◆ transparente (für Laserlicht) Beschichtungen können durch einen Ablationsprozess des Basisimaterials an der Grenzfläche abgetragen werden; der entstehende Druck bringt die Beschichtung zum Abplatzen. Erfahrungen mit dem Einsatz von Lasern bei der Reinigung von Natursteinfassaden liegen seit ca. 25 Jahren vor [11-5]; jedoch hat das Verfahren erst in den letzten Jahren Eingang in das Arsenal der Denkmalpfleger gefunden. WIEDEMANN u.a. [11-2], HOFMANN, SOBOTT [11-6] und GORETZKI u.a. [11-7] berichten über erfolgreiche Anwendungen beim Reinigen von Dachsteinen, Holz, Kalkstein, Marmor, Mauerziegeln, Porphyr und Sandstein. Mittels EDX-Spektralanalyse konnte nachgewiesen werden, dass es nach der Laserbehandlung zu einer Reduzierung von umweltschädigenden Elemente, wie z.B. Schwefel, an der Oberfläche kommt. Durch vergleichende Wasseraufnahmemessungen wurde weiterhin gezeigt, dass eine Porenöffnung an der Oberfläche erreicht wird. Der Laserstrahl wirk selektiv; d.h. es ist möglich, Inkrustationen gezielt abzutragen, ohne dass es zu einer Schädigung der darunter liegenden Struktur kommt.

11.2 Betonbearbeitung mit Laser

361

11.2.3 Dekontaminieren mit Lasern Untersuchungen an Betonen zeigen, dass gepulste CO2-Laser grundsätzlich auch zum Entfernen von schadstoffhaltigen Oberflächenschutzsystemen sowie von Fetten und Ölen von Oberflächen geeignet sind [11-8]. Für den Abtrag von bleihaltigen Beschichtungen mit einem 2-kW-Laser wurden Flächenleistungen zwischen 4 m2/h (Schichtdicke: 380 µm) und 10 m2/h (Schichtdicke: 100 µm) ermittelt. Mit ebenfalls gepulsten Nd:YAG-Lasern mit einer Anschlussleistung von 1,6 kW sind Zementstein- und Betoproben erfolgreich dekontaminiert worden. Die Konzentration an Caesium konnte nach Abtragen einer Schicht der Dicke von 0,6 bis 0,8 mm um bis auf das 300fache reduziert werden. Die spezifische Abtragsrate betrug 0,4 bis 0,8 mm3/Puls. Als wesentlicher Abtragsmechanismen wurden Schmelzen, Verdampfen (Zementstein) und das Herausbrechen von Zuschlägen (Beton) identifiziert. Der Anteil des Verdampfens betrug ca. 10% [11.9]. Bei Laser-Reinigungs-Systemen werden alle erzeugten Stäube und Gase direkt abgesaugt und entsorgt. Da die vom Abtragsprozess ausgehende Lärmemissionen hohe Werte aufweisen (120 dB(A)), ist das Tragen von Gehörschutz notwendig [11-8].

11.2.4 Abtragen mit Lasern Bild 11.2 zeigt eine durch einen Laser erzeugte Abtragsspur in einem hochfesten Beton. Die Spur ist 20 mm breit und 3 mm tief; sie wurde durch 20 auf-

Bild 11.2: Betonabtrag mit Laser. Lasertyp: Nd:YAG-Laser; Laserleistung: 1.600 W [11-9]

362

11 Nicht-konventionelle Verfahren zur Untergrundvorbereitung

einander folgende Einzelpulse von je 1 mm Breite erzeugt. Das Abtragen oberflächennaher Betonschichten ist ausführlich in [11-9] bis [11-12] untersucht worden. Es können, in Abhängigkeit von Energiedichte, Laserstrahldurchmesser und Vorschubrate, Abtragsraten zwischen 500 und 6.000 cm3/h realisiert werden [11-10]. Die Abtragsrate wird von den Anteilen an mineralischen Komponenten und Zuschlägen bestimmt. Wenn für einen erhärteten Zementstein ein Vergleichswert von 1,0 angenommen wird, erhöht sich der Wert auf 1,20 bei Silika-Zugabe, und bis auf 2,0 bei der Zugabe von groben Zuschlägen. Die Ursache sind die unterschiedlichen Mechanismen des Materialabtrags. Während Zementsteine vorwiegend durch Mikroschmelzen und Verdampfen abgetragen werden, setzten bei Betonen mit Grobzuschlag bereits Brüche ein, bevor die Schmelz- oder Verdampfungstemperatur erreicht wird [11-11]. Der Materialabtrag pro Einzelpuls steht in einem linearen Verhältnis zur Strahlungsdichte eines Lasers. Der lineare Anstiegsparameter ist die mittlere spezifische Abtragsenergie, die für die Betonbearbeitung mit Nd:YAG-Lasern (Strahlungsdichte zwischen 0,2 und 4,4 MW/cm2) bei einem Wert von 0,23 mg/J liegt. Dieser Wert sinkt allerdings beträchtlich, wenn die Überlappungsfläche von zwei aufeinanderfolgenden Pulsen einen Wert von 60% überschreitet [11-12].

11.2.5 Betonschneiden mit Lasern JONES und SCOTT [11-13] zeigten, dass für die Bearbeitung von Betonen Leistungen größer als 500 W notwendig sind, so dass in diesem Bereich mit Kohlendioxid (CO2)-Lasern gearbeitet werden muss. Die Wirkung des Werkzeuges besteht grundsätzlich in der Erzeugung hoher lokaler Temperaturen in den beaufschlagten Materialien. Nach [11-13] können zwei Mechanismen der Zerstörung von Betonen durch Laser unterschieden werden: ◆ lokales Aufschmelzen durch Erwärmung bei kleineren Laserleistungen, ◆ Materialaufbruch durch Temperaturspannungen bei größeren Leistungen. Die Grenze zwischen beiden Wirkungen liegt einer spezifischen Leistung von ca. 100 W/mm2. Zum Bruch und somit zum Materialabtrag kommt es letztlich, wenn die erzeugten Spannungen die örtliche Zugfestigkeit überschreiten. Nach [11.13] kann eine Leistungszahl definiert werden, die von der Materialdichte, der spezifischen Wärme, dem Elastizitätsmodul, der Wärmeleitfähigkeit und dem linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten abhängt und den Widerstand eines Materials gegen thermische Beanspruchung beschreibt. MORI u.a. [11-3] und NAKAGAWA [11-14] haben verschiedene Betone mit Kohlenstoff-Lasern im Leistungsbereich 5 kW bis 15 kW bearbeitet. Sie fanden, dass sich sowohl unbewehrte als auch bewehrte (Stäbe und Stahlfasern) Betone mit Lasern effektiv trennen lassen. Die wichtigsten Einflussparameter sind der Vorschub der Schneideinrichtung und die Ausgangsleistung des La-

11.2 Betonbearbeitung mit Laser a

363 b

Bild 11.3: Laserstrahlscheiden von Beton. a) Anschlussleistung, Vorschub und Abtragtiefe [11-3], b) Laserschnitt in 7 cm dicken Beton. Schnittlänge: 60 mm; Vorschubrate: 10 mm/min (Quelle: Fraunhofer IWS, Dresden)

sers (Bild 11.3a). Damit Beton und Stahlbewehrung gleichzeitig durchtrennt werden können, muss eine genaue Abstimmung dieser beiden Kennwerte erfolgen. Typische Trenndicken sind 30 cm für unbewehrten Beton, 25 cm für schwach bewehrten Beton (Bewehrungsdurchmesser 10 mm), und 17 cm für stark bewehrten Beton (Bewehrungsdurchmesser 41 mm) [11-14]. Ein Beispiel für ein durchtrenntes Betonelement zeigt Bild 11.3b. Die spezifische Abtragsenergie von Lasern wird für Beton zwischen 200 J/cm3 und 600 J/cm3 angesetzt [11-13]. Als Vorteile, die letztlich die Weiterentwicklung der Laser-Anwendung insbesondere im Bereich des KKW-Abbruches motivieren, werden vor allem gesehen [11-3]: ◆ Beton und Bewehrung können simultan getrennt werden, ◆ kein zusätzliches Medium erforderlich, ◆ geringe Mengen an Schmelzen und Dämpfen, ◆ gute Führungs- und Kontrollmöglichkeiten am Schneidkopf.

364

11 Nicht-konventionelle Verfahren zur Untergrundvorbereitung

11.3 Betonbearbeitung mit Mikrowellen 11.3.1 Grundlagen Als Mikrowellen werden elektromagnetische Strahlungen bezeichnet, deren Frequenzen im Bereich von 10 MHz bis 104 MHz liegen. Die Strahlung ist Träger von Energie. Bei der Bestrahlung von Beton wird ein Teil dieser Energie vom Material absorbiert. Der Feststoff wird dabei als Dielektrikum angesehen und die absorbierte Energie als dielektrischer Verlust bezeichnet. Dieser Wert, der letztlich für die Materialzerstörung zur Verfügung steht, hängt u.a. von der elektrischen Feldstärke und der induktiven Kapazität ab [11-15]. KAKIZAKI u.a. [11-15] haben für Beton unter bestimmten Bedingungen eine Leistungsdichte von 5 W/cm3 errechnet. Es können drei Schädigungsmechanismen unterschieden werden: ◆ Erhitzung und Verdampfung des Porenwassers, verbunden mit dem Absprengen oberflächennaher Bereiche durch den resultierenden Dampfdruck [11-16], ◆ lokales Erhitzen von Betonbereichen und Erzeugung von Spannungen durch die Behinderung der thermisch aktivierten Ausdehnung [11-17], [11-18], ◆ lokales Aufschmelzen bei Temperaturen bis 1.500°C [11-19]. Die Temperatur- und Spannungsverhältnisse beim lokalen Erhitzen von Betonzonen sind in [11-17] ausführlich untersucht. In Abhängigkeit von Probendicke, Abstand zur Bewehrung und Aufheizzeit können Temperaturen bis zu 500°C und Druckspannungen bis zu 50 MPa erzeugt werden. In [11-18] sind für 80 cm dicken Betonplatten bereits nach einer Einwirkzeit von 5 Minuten Spannungen sogar bis zu 70 MPa (unbewehrter Beton) bzw. bis zu 120 MPa (bewehrter Beton) errechnet worden. Der Temperaturanstieg im Beton erfolgt nahezu linear; typische Werte liegen zwischen 4 K/s und 8 K/s [11-20].

11.3.2 Betonabtrag mit Mikrowellen Untersuchungen zum Einsatz von Mikrowellen zum Dekontaminieren von Betonoberflächen sind in Japan [11-15], [11-16] durchgeführt worden. Wichtige Verfahrensparameter sind Vorschub, Abstand des Strahlungskopfes und zugeführte Leistung (Bild 11.5). Bei einer Leistung von 15 kW scheint eine Effektivitätsgrenze zu bestehen: Über diesen Wert hinaus steigt das abgetragene Volumen nicht nennenswert an. Wird der Mikrowellenkopf in einem Abstand größer 20 cm von der Betonoberfläche platziert, ist das Verfahren wirkungslos. Tabelle 11.3 enthält Angaben zu für die Betonbearbeitung geeigneten Mikrowellengeräten. Typische Leistungsbereiche sind 10 mm bis 20 mm Abtragtiefe, und 40 · 10–3 m3/h Abtragsleistung [11-16]. Staubmessungen ergaben Werte von 200 mg/m3, die durch eine direkte Absaugung auf 2 mg/m3 reduziert werden können [11-16].

11.3 Betonbearbeitung mit Mikrowellen

365

Bild 11.4: Prinzip des Betonabtrages mit Mikrowellen [11-16]

Tab. 11.3: Mikrowellengeräte zur Betonbearbeitung – Technische Kennwerte Kennwert

Anschlussleistung Frequenz Spannung Schwingungserreger

Quelle KAKIZAKI [11-15]

YASUNAKA [11-16]

30 kW 915 MHz 22 V

15 kW 2.450 MHz – Magnetron

In [11-21] wird über das Bohren von Löchern mit 2 cm Durchmesser und 2 cm Tiefe in Beton in weniger als 60 Sekunden berichtet.

11.3.3 Entschichten mit Mikrowellen Beim Entfernen von Oberflächenschutzsystemen von Betonen kann zwischen zwei Varianten unterschieden werden [11-20]: ◆ Absprengen: Der Siededruck des erhitzten Porenwassers bringt die Beschichtung selbst oder Oberflächenschichten des Betons zum Abplatzen. Die Ausbruchtiefen im Beton liegen bei ca. 5 mm. ◆ Erweichen (bei Polymerbeschichtungen): Die Erwärmung der Beschichtung bewirkt eine schnelle Plastifizierung. Als entscheidender Parameter für das Entfernen von Beschichtungen mittels Mikrowellen kann der Wassergehalt des Substrates (Beton bzw. Zement-

366

11 Nicht-konventionelle Verfahren zur Untergrundvorbereitung

a

b

Bild 11.5: Einflussparameter beim Betonabtrag mit Mikrowellen [11-15, 11-16]: a) Vorschub Strahlungskopf, b) Abstand Strahlungskopf

11.4 Betonbearbeitung durch Aufheizen der Bewehrung

367

c

Bild 11.5: Einflussparameter beim Betonabtrag mit Mikrowellen [11-15], [11-16]: c) Mikrowellenleistung Tab. 11.4: Zur abtragenden Erweichung einer Beschichtung (Epoxidharz) notwendige MikrowellenBestrahlungszeiten [11-20] Untergrundqualität

Bestrahlungzeit

C 20/25 C 35/45 ZE 30 ZE 40

Versuch nach 40 s abgebrochen 12 s 14…17 s 12…17 s

estrich) gelten, wobei höhere Wassergehalte (5…6 Masseprozent) den Abtrag begünstigen. Substrate mit niedriger Festigkeit können bei der Variante „Erweichen“ zu Problemen führen (vgl. Tabelle 11.4).

11.4 Betonbearbeitung durch Aufheizen der Bewehrung 11.4.1 Grundlagen Das Prinzip dieser Methoden besteht in der Erzeugung von Temperaturspannungen durch die Erhitzung der Bewehrung mittels elektrischen Stromes. Die

368

11 Nicht-konventionelle Verfahren zur Untergrundvorbereitung

beträchtlichen Temperaturunterschiede zwischen erhitztem Stahl und dem umgebenden Beton erzeugen thermische Spannungen, die letzlich dazu führen, dass der Beton über den Bewehrungsstählen reißt. Dabei kann zwischen zwei Methoden unterschieden werden: ◆ direkte Erhitzung durch die unmittelbare Nutzung des Bewehrungsstahles als elektrischer Leiter ◆ indirekte Erhitzung durch das Anlegen eines Magnetfeldes. Im ersten Fall werden beide Enden des Bewehrungsstahles an eine Spannungsquelle angeschlossen. Typische Werte für Stromstärke und Spannung sind 500 bis 2.000 Ampere bei 50 Volt, was rechnerische Anschlussleistungen zwischen 25 kW und 100 kW ergibt. Die erzeugte Temperatur liegt bei 500°C [11-14], [11-22]. Die zweite Methode ist unter der Bezeichnung induktive Erhitzung bekannt. Der Bewehrungsstahl wirkt als elektrischer Leiter in einem alternierenden elektrischen Feld. Die elektrische Leistung liegt bei diesem Verfahren zwischen 100 und 250 kW; die im Bewehrungsstahl erzeugte Temperatur beträgt 400°C [11-14], [11-23].

11.4.2 Anwendungen Bild 11.6a zeigt die Temperaturentwicklung in einem direkt erhitzten Beton. In [11-22] angegebene Spannungen (200…400 V) und Stromstärken lassen auf Anschlussleistungen von 100…200 kW schließen. Tabelle 11.5 enthält Leistungsangaben sowie einen Vergleich verschiedener Verfahren. Weitere Angaben zu technischen Parametern finden sich bei NAKAGAWA [11-14]. Bild 11.6b zeigt die Temperaturentwicklung an einem indirekt erhitzten Bewehrungsstab. Die Dynamik dieses Prozesses ist von der Anschlussleistung abhängig. Der Beton zeigt deutliche Risse, platzt aber nicht völlig ab [11-23]. KASAI [11-22] berichtet über die Anwendung der direkten Erhitzung bei der Herstellung eines Durchbruchs von 7,3 m im Durchmesser in eine 1,1 m dicke Tab.11.5: Abtragergebnisse an Beton mit direkter Erhitzung der Bewehrung [11-14] Kennwert

Arbeitskräfte Dauer der Erhitzung in h Gesamtdauer in Tagen Abtragleistung in m3/d · AK* Staub- und Feinanteile * Arbeitskraft

Verfahren Erhitzen und Handhammer

Erhitzen und Hydraulikhammer

Handhammer

9 24 4 0,62 gering

2 24 1 11,2 gering

14 – 5 0,40 hoch

11.4 Betonbearbeitung durch Aufheizen der Bewehrung

369

a

b

Bild 11.6: Temperaturentwicklung in Betonen und Bewehrungsstählen [11-22], [11-23]: a) Beton bei indirekter Erhitzung, b) Bewehrungsstahl bei induktiver Erwärmung

370

11 Nicht-konventionelle Verfahren zur Untergrundvorbereitung

Stahlbetonwand. Insgesamt 189 Bewehrungsstäbe wurden fünf Nächte lang erhitzt. Im nachfolgenden mechanischen Arbeitsgang wurden in drei Tagen 41 m3 Beton abgetragen. Beide Varianten der Bewehrungserhitzung können bisher nur in Kombination mit traditionellen Abtragsverfahren effektiv angewendet werden (Tabelle 11.5). Sie dienen dabei zur Vorschädigung der abzutragenden Schichten.

11.5 Betonbearbeitung durch elektrische Durchschläge 11.5.1 Grundlagen Das Verfahren beruht auf der Einleitung von Hochspannungsimpulsen mit elektrischen Spannungen von mehreren 100 kV in Feststoffe. Der Feststoff wird dabei als elektrischer Halbleiter aufgefaßt, der dadurch gekennzeichnet ist, dass die Leitfähigkeit mit der Temperatur zunimmt. Es wird ein als Durchschlag bezeichneter Prozess des gegenseitigen Aufschaukelns in Gang gesetzt, der zum Aufbau lokaler Wärmefelder führt [11-24]. Im Ergebnis werden mechanische Spannungen erzeugt, die letztlich das Versagen des Materials hervorrufen. Beim elektro-hydraulischen Durchschlag wird der Beton mit einer Wasserschicht bedeckt [11-25], [11-26] oder ein vorher eingebrachtes Bohrloch wird teilweise mit Wasser gefüllt [11-27]. Die sich an der Grenzfläche Feststoff/ Wasser aufbauenden kurzzeitigen (10–4 s) Stoßdrücke von bis zu 103 MPa zerstören den Beton. Wenn sich die Elektroden in geringer Entfernung vom Beton befinden, kommt es zusätzlich zu Kavitationserscheinungen.

11.5.2 Anwendungen Ein zur Dekontaminierung von Betonflächen konzipiertes Gerät ist auf Bild 11.7 dargestellt. Das System arbeitet emissionsfrei und enthält eine Absaugund Trenneinrichtung für das abgetragene Material. Mit einem Prototyp sind bereits 3…5 mm dicke kontaminierte Schichten von Beton abgetragen worden [11-25]. Es können Flächenleistungen bis 0,6 m2/h bei Abtragstiefen zwischen 3,5 und 8 mm erreicht werden [11-28]. Das Abtragen oberflächennaher Bereiche ist mit Leistungen bis 1.500 cm3/min möglich, wofür spezifische Energieaufwände zwischen 50 und 1.000 J/cm3 erforderlich sind [11-29]. Pro Puls können bis zu 2 cm3 Beton abgetragen werden [11-28]. Nach derzeitigem Stand kann der elektrische Durchschlag möglicherweise als Verfahren zur Nachzerkleinerung, nicht aber als primäres Abtragsverfahren Bedeutung erlangen [11-26], [11-30]. Zum Zerkleinern von Recyclingbeton wird der Beton in einem Wasserbad einem Stromfluss von 6.000 A ausgesetzt; dies entspricht einer Energie von 0,75 kJ pro Puls. Der Stromimpuls löst

11.5 Betonbearbeitung durch elektrische Durchschläge

Bild 11.7: Auf elektrischem Durchschlag basierendes Gerät zum Dekontaminieren von Betonoberflächen [11-25] (Quelle: TEXTRON Defense Systems, Inc., Everette, WA, USA)

371

372

11 Nicht-konventionelle Verfahren zur Untergrundvorbereitung

Bild 11.8: Anschlussenergie, Bruchstückgröße und spezifische Energie bei der Betonzerkleinerung durch elektrische Durchschläge [11-30]

bei der Entladung eine Stoßwelle aus, die an den Grenzflächen zwischen Zementstein und Zuschlag angreift und das Material in die entsprechenden Bestandteile zerlegt [11-31]. Der spezifische Energieaufwand liegt bei 80 J/g [11-26]. Bild 11.8 zeigt den Zusammenhang zwischen Anschlussenergie, spezifischer Abbruchenergie und Betonzusammensetzung.

11.6 Reinigung von Betonflächen durch hochenergetische Entladungen Ein auf hochenergetischen Entladungen beruhendes System ist zum Abtragen organischer Beschichtungen entwickelt worden [11-32]. Das zugrunde liegende Verfahren beruht auf der Erzeugung von hochenergetischen XenonLampen-Blitzen (ähnlich dem photographischen Blitzlicht) in einer Frequenz von 4 bis 6 Blitzen pro Sekunde. Das Licht wird in einem Reflektor gebündelt und auf die zu bearbeitende Fläche gelenkt. Die vom abzutragenden Material absorbierte Strahlung erhitzt die Beschichtung bis zum Verdampfen. Die entstehenden feinen Partikel und das freigesetzte Gas werden direkt vor Ort abgesaugt. Die Reinigungsleistung beträgt 12…26 m2/h. Der Aufbau einer entsprechenden Anlage ist auf Bild 11.9 verdeutlicht.

11.7 Zerkleinern von Beton mittels Plasma

373

Bild 11.9: Reinigungssystem für Beton, basierend auf hochenergetischen Entladungen [11-32]

11.7 Zerkleinern von Beton mittels Plasma Als Plasma wird ein vollständig oder teilweise ionisiertes Gas bezeichnet; jeder auf eine hinreichend hohe Temperatur erhitzte Stoff geht in den Plasmazustand über. Die für die Gesteins- und Betonbearbeitung genutzte, auf der Erzeugung eines Plasmas beruhende Technik wird allerdings oft fälschlicherweise als „Plasmastrahlen“ bezeichnet. Der Aufbau eines baustellentauglichen Plasmasystems ist auf Bild 11.10 zu sehen. In einem Kapazitator ist elektrische Leistung gespeichert. Ist ein vorgegebener Leistungswert erreicht, wird das System geöffnet und die elektrische Leistung wird in ein im Bohrloch gelagertes Elektrolyt übertragen. Als Elektrolyt kann unaufbereitetes Brauchwasser verwendet werden. Durch die hohe Leistungszufuhrrate (200 MW/µs) wird das Elektrolyt zügig aufgeheizt und geht in den Plasmazustand über. Das Plasma dehnt sich explosionsartig aus und erzeugt hohe Drücke (bis 2 GPa) und Stoßwellen im Material. Mit diesem Verfahren sind unbewehrte Betonquader mit einer Masse von 1.200 kg gebrochen worden [11-33]. Die Energiezufuhr lag zwischen 60 und 100 kJ. Das Material konnte erschütterungsfrei zerkleinert werden, die erzeugten Bruchstücke flogen ca. 3 m weit. Typische Werte für die spezifische Zerkleinerungsenergie liegen zwischen 0,19 und 0,48 kWh/m3. Der spezifische Verbrauch an elektrischer Energie liegt unter 0,028 kWh/t. Die Luftschallemission betrug bei den Versuchen 150 dB(A).

374 11 Nicht-konventionelle Verfahren zur Untergrundvorbereitung

Bild 11.10: Plasmasystem für die Gesteins- und Betonbearbeitung [11-33]

11.7 Zerkleinern von Beton mittels Plasma

Bild 11.11: Elektronenstrahl-System zum Schneiden und Abtragen von Beton [11-35]

375

376

11 Nicht-konventionelle Verfahren zur Untergrundvorbereitung

In [11-34] wird über das Schneiden von Stahlbetonelementen mit einem Plasmabrenner berichtet. Platten mit Dicken bis 150 mm konnten in einem Arbeitsschritt getrennt werden.

11.8 Schneiden von Beton mit fokussierten Elektronenstrahlen Es sind in der Vergangenheit verschiedene Versuche unternommen worden, Gesteine und Betone mit fokussierten Elektronenstrahlen zu bearbeiten [11-35], [11-36]. Der Aufbau eines für den Baustellenbetrieb entwickelten Systems zeigt Bild 11.11. Es besteht im Wesentlichen aus einem Modul für die Energiezufuhr und einem Transfer- und Bündelungsmodul. Die erforderliche elektrische Leistung wird über einen Generator (200 V, 400 Hz) zugeführt. Die Energiequelle selbst befindet sich in einem gasgefüllten Tank unter Überdruck (ca. 3 bar). Der erzeugte Elektronenstrahl durchläuft mehrere Kammern; der aus einer Düse mit einem Durchmesser von 1,5 mm austretende Stahl wird – ähnlich wie bei einem Elektronenmikroskop – mittels einem Magnetfeld fokussiert und auf die Materialoberfläche gerichtet. Ein zusätzlich unter Überdruck ausströmendes Gas schützt das System vor rückprallenden Bruchstücken. Die vom Elektronenstrahl transportierte Leistung lag bei den Versuchen zur Gesteins- und Betonbearbeitung zwischen 9 kW und 24 kW; die maximale Leistungsdichte ergibt sich unter Einbeziehung des Strahl(=Düsen)-Durchmessers zu 107 kW/m2. Als wesentliche, zur Materialzerstörung beitragende Mechanismen sind das Schmelzen und Verdampfen sowie, aufgrund erzeugter Wärmespannungen, das Herausbrechen größerer Bruchstücke aus dem Gefüge identifiziert worden [11-36]. Verschiedene Versuche zum Schneiden von bewehrten und unbewehrten Betonen sind in [11-35] beschrieben. Bei einem Stahlbetonelement konnte bei einer Schnittiefe von 5 cm und einer Anschlussleistung von 9 kW eine Schnittgeschwindigkeit von 6 m/h erreicht werden. Einige Ergebnisse von Abtragsversuchen an unbewehrten Betonen sind auf Bild 11.12 dargestellt. Die spezifische Abtragsenergie liegt zwischen 450 kWh/m3 und 900 kWh/m3.

11.9 Reinigen und Dekontaminieren von Betonflächen mit Stickstoffstrahlen Bei dieser Methode wird verflüssigter Stickstoff (Temperatur: –170°C) mittels einer Vorpumpe (Druck: 100 MPa) über einen Vorkühler (Temperatur:

11.10 Betonbearbeitung mit expandierenden Mitteln

377

Bild 11.12: Abtragsergebnisse an Beton mit einem Elektronenstrahlgerät [11-35]

–195°C) in einen pneumatischen Druckübersetzer gefördert, der die Flüssigkeit auf ein Druckniveau von 400 MPa hebt. Der dabei auftretende Temperaturanstieg wird durch einen nachgeschalteten Wärmetauscher kompensiert. Der flüssige Stickstoff wird, vergleichbar der Erzeugung von Hochdruckwasserstrahlen, durch eine Düse gepresst, zu einem Strahl geformt und auf eine Geschwindigkeit von ca. 1.000 m/s beschleunigt [11.37]. Dieser Strahl dient als Abtragswerkzeug. Die Leistung beim Entschichten von Betonflächen liegt bei ca. 10 m2/h [11-38]. Das Verfahren erzeugt keinen festen oder flüssigen Sekundärabfall, da der Stickstoff nach der Verrichtung der Arbeit in die gasförmige Phase übergeht.

11.10 Betonbearbeitung mit expandierenden Mitteln 11.10.1 Grundlagen Expandierende Mittel wirken vom Grundsatz her ähnlich wie Sprengstoffe – sie erzeugen in einem Bohrloch hohe Drücke und somit Spannungen, die zum Versagen der Materialien führen. Allerdings werden die Drücke durch Volumenvergrößerung (CaO-Hydratation) erzeugt und langsam aufgebaut; die Materialzerstörung erfolgt nicht explosionsartig (Bild 11.13). Tabelle 11.6 enthält

378

11 Nicht-konventionelle Verfahren zur Untergrundvorbereitung

Bild 11.13: Druckentwicklung eines expandierenden Mittels in Beton [11-39] Tab.11.6: Chemische Zusammensetzung eines expandierenden Mittels [11-40] Komponente

Anteil in M.-%

SiO2 Fe2O3 Al2O3 CaO MgO SO3 Rest

3,83 2,94 1,02 84,36 2,27 2,72 2,86

die chemische Zusammensetzung eines typischen expandierenden Gemisches. Es kann grundsätzlich zwischen herkömmlichen expandierenden Mitteln (Expansionszeit 12…24 h) und schnell wirkenden expandierenden Mitteln (Expansionszeit ca. 3 h) unterschieden werden. SOEDA u.a. [11-41] konnten zeigen, dass die Dynamik der Druckentwicklung von Menge und Korngrößenverteilung des expandierenden Mittels, dem Bohrlochdurchmesser und der Temperatur beeinflusst wird. Wie im Falle des partiellen Sprengens bestehen auch beim Einsatz expandierender Mittel Beziehungen zwischen abzutragendem Material, „Sprengmittel“menge und Bohrlochdurchmesser bzw. -abstand, die in Tabelle 11.7 erfasst sind. Es existieren darüber hinaus Richtwerte für die Bohrlochtiefen.

11.10 Betonbearbeitung mit expandierenden Mitteln

379

Tab. 11.7: Dimensionierung für expandierende Mittel (Quelle: Bau Haag GmbH, Pforzheim) Material

Fels, weich Fels, mittelhart Fels, hart Beton, unbewehrt Beton, bewehrt a a

Verbrauch in kg/m3

3,5…5,5 4,3…8,5 7,5…11 5,6…11 21…35

Bohrlochabstand in mm 30 mm

40 mm

360…480 300…390 180…330 300…450 240…360

480…640 400…520 240…440 400…600 200…320

Bei starker Bewehrung ist ein Probeversuch zu empfehlen.

11.10.2 Anwendungen Das Verfahren arbeitet nachweislich geräuscharm und erschütterungsfrei. Es ist besonders zum Freilegen von Anschlussbewehrungen geeignet [11-42]. Im Zuge des Umbaus der Transrapid-Versuchsanlage wurden mit expandierenden Mitteln Stützenköpfe zurückgebaut, wobei die gesamte Anschlussbewehrung der Schäfte erhalten bleiben musste. Da der Bauherr eine bauwerkschonende Methode forderte, wurde ein expandierendes Mittel eingesetzt. Alle Stützen wurden innerhalb von 10 Tagen zurückgebaut [11-43]. Weitere Anwendungsfälle – u.a. der Rückbau von Stahlbetonfundamenten und Brückenwiderlagern – sind in [11-44], [11-45] dokumentiert. Unbewehrter Beton kann kontrolliert abgetragen werden, wenn das Bohrloch vor dem Einbringen des Mittels geschlitzt und somit eine Rissausbreitungsrichtung vorgegeben wird. Die Effektivität kann durch das Schlitzen außerdem um ca. 30% gesteigert werden [11-39]. Eine Kalkulation für den kombinierten Einsatz einer Diamantsäge und eines expandierendem Mittels zum Ausbauen einer bewehrten Betonwand (5.880 m3) enthält Tabelle 11.8.

Tab. 11.8: Kalkulation eines Mischverfahrens Diamantsäge/Betonamit [8-46] Kostenpunkt 2 horizontale und 3 senkrechte Schnitte 7,14 m2 Schnittfläche 4 Endbohrungen ∆100 mm 29 Helferstunden für Bohrungen ∆ 40 mm 16 Helferstunden für Verfüllen von Betonamit 29 Kompressorstunden 80 kg Betonamit Gesamtkosten

Kosten in DM

Gesamtsumme in DM

je 500,– je 105,–

3.570,– 420,–

je 65,– je 15,– je 17,– 8.710,-

2.925,– 435,– 1.360,–

380

11 Nicht-konventionelle Verfahren zur Untergrundvorbereitung

11.11 Betonbearbeitung mittels hydraulischem Spalten 11.11.1 Grundlagen Das hydraulische Spalten ist ein Verfahren, das auf der Einleitung von hydraulischen Druckimpulsen in künstlich geschaffene Hohlräume – in der Regel mit Wasser gefüllte Bohrlöcher – beruht. Die entsprechenden Impulseinleitungssysteme arbeiten mit Berstscheiben, die bei einem definierten Druck versagen und das gespeicherte Wasservolumen schlagartig freigeben (Bild 11.14). Das Wasser wird in das Bohrloch getrieben; es entsteht eine sich schnell ausbreitende, später reflektierte, Kompressionswelle mit hohen Druckgradienten. Die resultierenden Spannungen erzeugen Risse im Beton, die durch das nachströmende Flüssigkeitsvolumen aufgeweitet werden. Im Gegensatz zum hydraulischen Sprengen, das seit geraumer Zeit in der Natursteinindustrie zum Einsatz kommt [11-48], wird beim hydraulischen Spalten ein gerichteter Materialabtrag entlang einer festgelegten Bruchlinie realisiert. Größe und Geometrie der Bruchstücke und somit auch die Struktur der neu geschaffenen Materialoberfläche können gezielt beeinflusst werden (Bild 11.15). Das Verfahren umfasst die auf Bild 11.14 dargestellten Arbeitsschritte [11-47], [11-49]: ◆ Herstellen von Bohrlöchern mit konventionellen Bohrhämmern, ◆ entweder Kerbung des Bohrloches in radialer Richtung mit WasserstrahlLanzen oder Herstellen einer „Wirkfläche“ im Bohrlochtiefsten mit rotierenden Wasserstrahl-Lanzen, ◆ Einleitung eines hydraulischen Druckimpulses. Hauptbestandteil des Impulseinleitungssystems ist die im mit Wasser gefüllten Bohrloch verdämmte Berstscheibe, die bei Überschreitung eines definierten Druckniveaus versagt. Weiterhin gehören Druckerzeuger, Schlauchleitungen und ein Druckspeicher zur Gesamtanlage. Die Betriebsüberdrücke liegen im Bereich von 50 MPa bis 150 MPa und können von Plungerpumpen erzeugt

Bild 11.14: Arbeitsschritte beim hydraulischen Spalten [11-47]. 1 – Bohren; 2 – Kerben; 3 – Spalten.

11.11 Betonbearbeitung mittels hydraulischem Spalten

381

Bild 11.15: Geometrisch exakter Abtrag durch hydraulisches Spalten [11-47]

werden. Bisher konnten in Betonen Bohrlochtiefen bis zu 55 cm realisiert werden. Das Verfahren ist grundsätzlich für den mobilen Einsatz geeignet. Es arbeitet geräuscharm und erzeugt weder Steinschlag noch Staub. Die Anschlussleistung der Druckerzeuger liegt bei 150 kW.

11.11.2 Spalten von Beton Das Verfahren ist erfolgreich zur gezielten Zerlegung aber auch zum Schälen von Betonkörpern angewandt worden [11-47]. Tabelle 11.9 enthält ausgewählte Ergebnisse. Aufgrund des Sprödbruchversagens kann die geometrich exakte Bearbeitung mit vergleichsweise geringen Berstdrücken (z.B. 16,5 MPa) erfolgen. Typische Flächenverhältnisse (Verhältnis erzeugte Bruchfläche zu Kerbfläche) liegen zwischen 5,1 und 7,8.

11.11.3 Spalten von Stahlbeton Das Zerlegen bewehrter Betonelemente ist in [11-47], [11-49] untersucht worden. Es handelte sich um mit Stahldrahtmatten bewehrte Betone der Festig-

382

11 Nicht-konventionelle Verfahren zur Untergrundvorbereitung

Tab. 11.9: Betonzerstörung durch hydraulisches Spalten. (Quelle: RWTH Aachen). Beton (Bewehrung)

Erzeugte Oberfläche in cm2

Berstdruck in MPa

Pulsvolumen in ml

C 35/45 C 45/55 C 45/55 C 80/95 C 80/95 C 45/55 (5 mm Stahlplatte) C 45/55 (5 mm Stahlplatte) C 45/55 (5 mm Stahlplatte) C 45/55 (6 mm Stahlplatte) C 45/55 (Netz 1¥8 mm) C 45/55 (Netz 1¥10 mm)

60¥60 60¥60 100¥60 70¥100 200¥100 60¥60 60¥60 60¥100 60¥60 40¥40 40¥40

50 (Bruch bei 265) 50 (Bruch bei 265) 100 100 2¥100 100 78 130 100 100 165

350a 350 650b 650 2¥650 650 1500c 1500 1500 1500 1500

a

In der Hochdruck-Leitung gespeichert. Blasen-Druckspeicher mit 1,5 l Volumen (Arbeitsvolumen 375 ml). c Blasen-Druckspeicher mit 10 l Volumen (Arbeitsvolumen 5 l). b

keitsklasse B 55 (Größtkorn: 16 mm). Die Stahldrähte wiesen einen Durchmesser von 5 mm auf und waren quadratisch im Abstand von 150 mm angeordnet. Zunächst wurden die Blöcke vertikal auf die vorgesehene Scheibenstärke von 32 cm gekerbt. Der vom System aufzubringende Berstdruck lag bei 100 MPa (Tabelle 11.9). Es wurde eine komplette Abspaltung der Scheiben erreicht.

11.12 Betonbearbeitung mittels partiellem Sprengen 11.12.1 Grundlagen Das partielle Sprengen beruht auf dem räumlich konzentrierten, kontrollierten Einsatz von Sprengmitteln. Hinter der abzutragenden Schicht der gewünschten Dicke, d.h. in der vorgesehenen Trennebene, werden Bohrlöcher eingebracht und mit gestreckten Ladungen aus Sprengschnur gefüllt. Die Detonation der Ladungen bewirkt das Abreißen des Betonverbundes zwischen den Bohrlöchern. Je nach Wahl der Sprengladungen können in bewehrten Betonen zwei Versagensfälle unterschieden werden [11-50]: ◆ die Schubanker werden abgerissen und die abgetrennte Schicht wird zusammenhängend abgetrennt, ◆ die abgetrennte Schicht zerfällt in ein Bruchstückhaufwerk, wobei die Bewehrung freigelegt wird. Die Sprengstoffe werden wie beim konventionellen Sprengen in Bohrlöcher eingebracht, verdämmt und dann gezündet. Nach der Reaktionsgeschwindigkeit vR können die Sprengmittel in zwei Gruppen eingeteilt werden [11-50], [11-51]:

11.12 Betonbearbeitung mittels partiellem Sprengen

383

Tab. 11.10: Dimensionierung für partielles Sprengen [11-51]. Material

Sprengmittelverbrauch in kg/m3

Bohrlochabstand in m

Beton und Mauerwerk schlechte Qualität gute Qualität

0,15…0,40 0,30…0,40

0,70…0,80 0,60…0,70

Stahlbeton normal fest mittelfest hochfest

0,40…0,60 0,60…1,50 1,50…2,00

0,40…0,50 0,30…0,50 0,25…0,50

◆ vR ≈ 30 m/s: Langsame (nicht detonative) Sprengstoffe. Der erzeugte Druck ist vergleichsweise gering (30 – 40 MPa), steht jedoch statisch, d.h. über längere Zeiträume, an. ◆ vR = 4.000…7.000 m/s: Schnelle Sprengstoffe. In Stahlbeton wurden Explosionsspitzendrücke bis zu 100 MPa gemessen, die jedoch nach ca. 100 µs auf 30 MPa absanken. Tabelle 11.10 enthält Richtwerte für die spezifische Sprengstoffmenge und Bohrlochabstand. Typische Bohrlochdurchmesser liegen zwischen 34 mm und 40 mm [11-50].

11.12.2 Anwendungen Das Verfahren ist bereits in der Praxis erprobt bei der Instandsetzung von Wohn- und Industriebauten [11-51] sowie beim Teilabbruch von kontaminiertem Stahlbeton, [11-52] bis [11-54]. Der Lärmpegel beträgt maximal 120 dB(A). An dicht bewehrten Stahlbetonelementen gemessene Schwingungen (Beschleunigungen) weisen Werte zwischen 20 cm/s2 (Entfernung 35 m) und 200 cm/s2 (Entfernung 10 m) auf [11-54]. Detaillierte Ergebnisse sind im Bild 11.16 wiedergegeben. Die Staub- und Aerosolbildung kann durch Besprengen mit Tensiden oder das Abdecken mit Schutzmatten auf unkritische Werte reduziert werden. Bild 11.17 zeigt ein durch partielles Sprengen bearbeitetes Stahlbetonbauteil. Die Dicken der abgeschälten Betonschichten können 20 cm bis 40 cm betragen. Das Verfahren erzeugt tolerierbare Restschäden an der verbleibenden Struktur: Es bleiben Harrisse zurück; die bleibende Verformung liegt unter 0,2%. Die Effektivität des Verfahrens beträgt für das Zerlegen von massigen Stahlbetonelementen ca. 0,1 m3/h [11-54].

384

11 Nicht-konventionelle Verfahren zur Untergrundvorbereitung

Bild 11.16: Schwingungsmessungen an Stahlbeton beim partiellen Sprengen [11-52], Grenzwerte nach DIN 4150: 1 historische Gebäude, 2 Wohngebäude, 3 Industriegebäude

Bild 11.17: Betonabtrag durch partielles Sprengen (Quelle: Battelle Europe, Frankfurt am Main)

11.13 Biochemische Reinigung von Betonflächen

385

11.13 Biochemische Reinigung von Betonflächen Die biochemische Reinigung basiert auf der Einwirkung öl- und fettabbauender aktivierter Bakterienemulsionen. Das Verfahren ist bereits erfolgreich angewandt worden bei der Entfernung von Mineralölkohlenwasserstoffen, Fettsäuren, polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffen und chlorierten Kohlenwasserstoffen aus Betonflächen [11-55]. Das mit Wasser verdünnte biochemische Aktivierungsgemisch wirkt aktivierend auf Umgebungsbakterien, und es kommt zu einem Aufschluss der unerwünschten öl- und fetthaltigen Verbindungen. Die entstehende Emulsion wird mit Wasser abgespült und anschließend abgesaugt. Die Spülemulsion wird voll biologisch abgebaut [11-55]. Tabelle 11.11 enthält ausgewählte Einsatzfälle. Der gezielte Abtrag von Beton durch Mikroorganismen ist in [11-56 bis 11-58] untersucht worden. Bestimmte Mikroorganismen produzieren mineralische und organisch Säuren, die im Beton Zementstein auflösen und zerstören können. Die drei folgenden Bakteriengruppen sind dazu in der Lage [11-56]: ◆ Schwefel oxidierende Bakterien, ◆ nitrifizierte (Salpeter) Bakterien, ◆ heterotophe Bakterien. Die Einwirkzeit der Nährlösung (ca. 1 Liter für 10 m2) ist mit bis zu 10 Monaten [11-57] allerdings sehr lang, und der Dekontaminierungsfortschritt mit Werten zwischen 4 und 8 mm pro Jahr [11-58] entsprechend gering. Die Methode ist sehr umweltschonend und, über längere Zeiträume betrachtet, kostengünstig, weil kaum Personalkosten anfallen. Es wird geschätzt, dass die flächenbezogenen Kosten bei etwa 10 % der Kosten mechanischer Verfahren liegen [11-58].

Tab. 11.11: Tiefenreinigung mit biochemischem Verfahren [11-55] Problem

Verschmutzung

Umfang

Reinigen von Industriefußböden

Gewindefette Kühlschmieröle Elektrodenabrieb

825 m2

Reinigen von Betonböden

Schneidöle Walzöle

1.700 m2

Reinigen von Gipsputz und Mauerwerk

Heizöl

–

386

11 Nicht-konventionelle Verfahren zur Untergrundvorbereitung

Bild 11.18: Elektro-kinetische Reinigung von Industriefußböden [11-59]

11.14 Elektrokinetische Dekontaminierung von Betonflächen Das elektrokinetische Verfahren ist für den Austrag von Radioisotopen, Schwermetallen und organischen Schadstoffen aus Betonen entwickelt worden. Dabei wird ein elektrisches Feld erzeugt, das die Ionen zur Wanderung aus dem Beton anregt [11-59]. Das System selbst besteht, wie Bild 11.18 zeigt, im Wesentlichen aus einer Polymermatrix, einer Elektrolytlösung und einer Elektrode. Die Kontaminate werden entweder in der Elektrolytlösung oder in der Matrix gesammelt, die anschließend entsorgt werden. Erste Versuche mit einer Matrix, die teppichartig auf Böden verlegt werden kann und mit einem Vakuum fixiert ist, um mit Uran und Thorium kontaminierten Beton zu reinigen, sind erfolgreich verlaufen [11-60], [11-61]. Die Oberflächenradioaktivität konnte auf Werte bis zu 10% reduziert werden. Für Thorium konnten Dekontaminierungsraten zwischen 74 · 10 –4 und 650 · 10 –4 g/h · m2 erreicht werden [11-61].

11.15 Betonbearbeitung mittels Partikelstrahlen 11.15.1 Grundlagen Die Bezeichnung des Verfahrens bezieht sich auf die Größe der verwendeten Strahlmittel (vgl. Bild 11.19). In der Literatur werden auch die Bezeichnungen Puderreinigungsverfahren [11-62] und Feinststaubstrahlen [11-63] verwendet. Als Strahlmittel kommen runde oder gebrochene Glaspartikel mit Durchmessern zwischen 25 µm und 150 µm zur Anwendung. Zur Reduzierung der

11.15 Betonbearbeitung mittels Partikelstrahlen

387

Bild 11.19: Verfahrenseinteilung nach der Strahlmittel-Korngröße [11-63]: a) Sandstrahlen, b) Staubstrahlen, c) Feinststaubstrahlen

Staubbildung können geringe Wassermengen (5 l/h) zugegeben werden. Das Verfahren ist ursprünglich für den Einsatz an Natursteinfassaden entwickelt worden, wo es sich aufgrund der hohen Sensibilität (Druckregelung zwischen 0,01 MPa und 0,5 MPa) erfolgreich etabliert hat. Die Glaspartikel werden mit dem abgetragenen Material abgesaugt und sind bis zu 95% wiederverwendbar [11-64]. Bemerkenswert ist die Tatsache, dass der Druckluft-Strahlmittelstrahl nach dem Injektorprinzip erzeugt wird, das in der gesamten Druckluftstrahltechnik etwas in den Hintergrund getreten ist (Bild 11.20). Die geringe Leistung der Injektoranlagen erweist sich in diesem Fall als Vorteil, da dieser Umstand eine definierte und schonende Beanspruchung der Oberflächen gestattet.

11.15.2 Anwendungen bei der Fassadenreinigung PRICKARTZ und HEUSER [11-65] berichten über Einsätze des Partikelstrahlverfahrens für die Reinigung von Naturstein- und Ziegelmauerfassaden. Es kamen Glaskugeln mit Durchmessern zwischen 40 µm und 110 µm zum Einsatz. Der Betriebsüberdruck der Druckluft betrug 0,3 bis 0,4 MPa, der Düsendurchmesser 10 mm.

388

11 Nicht-konventionelle Verfahren zur Untergrundvorbereitung

Bild 11.20: Prinzip und Baustellenausrüstung des Partikelstrahlverfahrens [11-65]

Die Effektivität des Verfahrens erreichte Werte zwischen 5 m2/h (Ziegel, Sandstein) und 10 m3/h (Kalkstein). Durch Farbwertanalysen und Messungen der Wasseraufnahme konnte die hohe Qualität der Reinigung nachgewiesen werden (Bild 11.21).

11.15.3 Soda-Strahlen Diese Variante des Partikelstrahlens verwendet Natriumhydrogenkarbonat als Strahlmittel (weshalb es ab und an auch als „Backpulverstrahlen“ bezeichnet wird). Der Strahlmittelverbrauch liegt zwischen 0,4 und 0,7 kg/min. Die entsprechenden Strahlsysteme arbeiten mit Betriebsüberdrücken zwischen 0,05 MPa (Sandstein, Klinker) und 0,7 MPa (Granit, Marmor), mit Düsendurchmessern zwischen 4,5 mm und 8 mm und mit Druckluftförderströmen bis zu 10 m3/min. Das Strahlverfahren wird erfolgreich zum Entfernen von Graffiti und Kontaminaten (z.B. PCB, Kadmium) von Betonoberflächen angewandt. Es sind unter anderem ca. 1.400 m2 Industriefußboden von kadmiumhaltigen Ölen befreit worden; der Kadmiumgehalt wurde dabei um 90% reduziert. Bild 11.22 enthält Ergebnisse von PCB-Dekontaminierungsarbeiten an Betonen. Für die Reinigung von gefliesten Wänden mit dem Verfahren wir eine Flächenleistung von 25 m2/h angegeben [11-66]. In [11-67] wird über die Dekontaminierung aktivierter Betonflächen berichtet. Die a- und b-Strahlungen konnten durch den Einsatz des Soda-Strahlens um bis zu 98% reduziert werden.

11.15 Betonbearbeitung mittels Partikelstrahlen

389

Bild 11.21: Wasseraufnahmemessungen an Naturstein vor und nach der Reinigung mit Partikelstrahlen [11-65]

Bild 11.22: PCB-Dekontaminierung von Beton mit Soda-Strahl-Technik [11-66]

390

11 Nicht-konventionelle Verfahren zur Untergrundvorbereitung

Tab. 11.12: Reinigen mit Polymer-ummantelten Strahlmitteln (Sponge Jet, Inc., Eliot, ME, USA) Untergrund

Verunreinigung

Effektivität in m2/h

Beton (Industriefußboden) Putz (Innenraum) Beton (Decke), 900 m2 Ziegel

Kunststoff Bleifarbe Bleifarbe Ruß und Rauch

6…1 5,5…11 3 17…22

11.16 Betonbearbeitung mittels Strahlen mit beschichteten Strahlmitteln Dieses Strahlverfahren beruht auf dem Einsatz konventioneller (Granatsand, Stahlschrot, Aluminiumoxid), jedoch mit porösen Polymeren beschichteter Strahlmittel. Der Verbundstoff Ummantelung/Strahlmittel kann sich dadurch teilweise plastisch verformen, wodurch die Staubbildung reduziert und die Möglichkeit der Mehrfachverwendung deutlich erhöht wird. Außerdem kann die poröse Umhüllung abgetragene Schadstoffe aufnehmen und festhalten. Die Strahlmittel, besonders wenn sie mit Ölen und Fetten verunreinigt sind, können mit Heißwasser gereinigt und bis zu 4-mal wiederverwendet werden. Das Strahlmittel selbst ist in einem Behälter gelagert, von dem es über einen Vibrator in den Druckkessel gelangt. Das Volumen des Kessels reicht – je nach Strahlmitteltyp – für eine Strahldauer zwischen 0,5 und 1 Stunde. Der Betriebsüberdruck liegt zwischen 0,2 und 0,4 MPa. Einige Anwendungen des Verfahrens sind in Tabelle 11.12 aufgelistet.

11.17 Vakuum-Waschen von Betonflächen Bei diesem Verfahren wird auf der zu reinigenden Bauwerksfläche ein Vakuum aufgebaut, in das ein Wasserstrahl mit geringem Druck eingesprüht wird (Bild 11.23). Die Wassermoleküle werden im Unterdruck auf hohe Geschwindigkeiten beschleunigt und durch eine Bürstenlamelle verwirbelt [11-68]. Der Schmutz wird im Wasser gebunden und sofort abgesaugt. Die Emission von Schadstoffen wird vollständig unterbunden, wodurch das Verfahren für die Bearbeitung problematischer Oberflächen (z.B. Asbest) geeignet erscheint. Erste positive Erfahrungen sind beim Beseitigen von Algen und Moos von Betonflächen, beim Reinigen von Wellasbest und beim Entfernen von Salzen aus Putzen gesammelt worden [11-68].

11.18 Literatur

391

Bild 11.23: Aufbau und Prinzip des Vakuum-Waschens [11-68)

11.18 Literatur [11-1]

[11-2]

[11-3]

[11-4]

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392 [11-8]

[11-9]

[11-10]

[11-11]

[11-12]

[11-13]

[11-14]

[11-15]

[11-16]

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11 Nicht-konventionelle Verfahren zur Untergrundvorbereitung

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11.2 Betonbearbeitung mit Laser

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Teil III Beurteilungskriterien für einen Betonuntergrund

12 Mechanische Beschaffenheit

12.1 Die Oberflächenzugfestigkeit und alternative Prüfverfahren 12.1.1 Oberflächenzugfestigkeit – Begriffe und Definitionen Die Oberflächenzugfestigkeit ist als maximale Zugkraft (Abzug- bzw. Abreißkraft) bezogen auf die Fläche eines auf die Betonoberfläche geklebten Prüfstempels definiert (siehe Bild 12.1). Obwohl Zugbeanspruchungen senkrecht zur Oberfläche bei Ausbesserungen und Oberflächenschutzbeschichtungen nur einen geringen Teil der tatsächlich auftretenden Beanspruchungen ausmachen, ist die Oberflächenzugprüfung die bedeutendste Prüfmethode zur Beur-

Bild 12.1: Die Prüfung der Oberflächenzugfestigkeit bzw. Abreißfestigkeit (Prinzipdarstellung)

400

12 Mechanische Beschaffenheit

Bild 12.2: Die unterschiedliche Bedeutung der Begriffe Oberflächenzugfestigkeit (Abreißfestigkeit) und Haftzugfestigkeit

teilung der mechanischen Beschaffenheit oberflächennaher Betonschichten. Die Bezeichnungen Oberflächenzugprüfung, Abzugprüfung und Abreißprüfung sind Synonyme, entsprechend auch Oberflächenzugfestigkeit und Abreißfestigkeit. Hiermit wird die Kohäsion der Betonrandzone unter Zugbeanspruchung beschrieben (Bild 12.2a). Im Gegensatz dazu bezeichnet der Begriff Haftzugfestigkeit die Adhäsion oder Haftung verschiedener Schichten (Bild 12.2b). Sinngemäß wird der zugehörige Versuch Haftzugprüfung genannt, obwohl die gleichen Prüfgeräte eingesetzt werden wie bei der Oberflächenzugprüfung und auch die Versuchsdurchführung sich praktisch nicht davon unterscheidet. Das Verfahren ist baustellengerecht und hat vor allem wegen seiner einfachen Handhabung weite Verbreitung erlangt. Auch wenn vieles für diese Prüfmethode spricht, muss doch beachtet werden, dass die Ergebnisse zahlreichen Prüfeinflüssen unterworfen sind, stark streuen und nur bedingt mit den in der Praxis auftretenden, zu Schäden führenden Beanspruchungen übereinstimmen. Diese Nachteile werfen zwangsläufig die Frage nach brauchbaren Alternativen für die Beurteilung der mechanischen Beschaffenheit der Betonrandzone auf (Bild 12.3).

12.1.2 Zugversuche an Bohrkernen Vergleichbare Aussagen lassen sich im Prinzip auch mit Zugversuchen an Bohrkernen treffen (siehe Bilder 12.3b, 12.4, 12.5), doch erhöht sich der Aufwand für die Probenentnahme, Probenpräparation und Versuchsdurchführung deutlich. Hinzu kommen tiefere Bohrlöcher, die das Aussehen, die Funktion und unter Umständen auch die Standsicherheit des Bauwerks beeinträchtigen können. Zentrische Zugprüfungen erfordern stationäre Zug-

12.1 Die Oberflächenzugfestigkeit und alternative Prüfverfahren

401

Bild 12.3: Die Oberflächenzugprüfung und alternative Prüfverfahren zur Bestimmung der mechanischen Beschaffenheit des Untergrunds [12-1]

Bild 12.4: Bohrkernentnahme bzw. Vorbohren der Prüfflächen, vgl. [12.41]

prüfmaschinen. Es muss damit gerechnet werden, dass der Bruch in Bereichen des Bohrkerns auftritt, die für die Beurteilung der Betonrandzone nicht relevant sind. Wie in Abschnitt 12.6.3 erläutert wird, nimmt die Festigkeit im Allgemeinen mit zunehmender Bohrkernlänge ab. Zugprüfungen an Bohrkernen kommen aus den genannten Gründen für die Bestimmung der Oberflächenbeschaffenheit nur in Ausnahmefällen in Betracht, z.B. wenn die Witterungsbedingungen keine Oberflächenzugprüfungen am Bauwerk erlauben.

402

12 Mechanische Beschaffenheit

Bild 12.5: Vorrichtung zur Prüfung der zentrischen Zugfestigkeit an Bohrkernen aus [12-5]

12.1.3 Scherprüfung Die Verbundzone zwischen Beschichtung bzw. Belag und Untergrund wird vor allem durch Scherspannungen beansprucht. Daher liegt es eigentlich nahe, das Verbundverhalten mit Scherversuchen zu beurteilen. Leider treten bei dieser Versuchsart erhebliche prüftechnische Schwierigkeiten auf, die bisher nicht befriedigend gelöst werden konnten. Dazu gehören Spannungskonzentrationen im Lasteinleitungsbereich und unerwünschte Zusatzbeanspruchungen (z.B. Biegespannungen). Außerdem sind Scherprüfungen aufwändig und für Bauwerksuntersuchungen wenig geeignet (siehe z.B. Bild 12.3c [12-1], [12-2]).

12.1.4 Rückprallprüfung Die Rückprallprüfung hat sich als Methode zur zerstörungsfreien Bestimmung der Druckfestigkeit etabliert. „Damit wird ein Kennwert für das elastische Verhalten des Betons in oberflächennahen Schichten ermittelt, aus dem unter bestimmten Voraussetzungen auf die Druckfestigkeit geschlossen werden kann“ (DIN 1048-2 [12-3]). Dabei wirkt der Einfluss der Betonrandzone eher störend, weil das Ergebnis möglichst repräsentativ für den gesamten Querschnitt sein soll. Er wird aber als unbedeutend eingestuft, wenn man bei der Versuchsdurchführung bestimmte Regeln einhält [12-51],

12.1 Die Oberflächenzugfestigkeit und alternative Prüfverfahren

403

[12-52]. Dazu gehört, dass das Verfahren nicht angewandt wird, bei Betonflächen, die durch besondere Einwirkungen verändert sind, z.B. durch Feuer, Frost oder chemischen Angriff und bei erkennbaren Zuschlagkörnern und Fehlstellen, z.B. Grobporen, Kiesnestern, Stahleinlagen. Die Auswirkungen des Hammerschlags (stoßartige Druckbelastung, vgl. Bild 12.3d) beschränken sich nicht allein auf die Betonrandzone, sondern werden erheblich durch die elastischen Eigenschaften des Betons in größeren Tiefen beeinflusst. Wegen des nicht abschätzbaren Anteils der Betonrandzone am Ergebnis ist dieses Prüfverfahren jedoch für die Beurteilung des Beschichtungsuntergrunds ungeeignet.

12.1.5 Kugelschlagprüfung Die Kugelschlagprüfung (Bild 12.3e) diente ehemals ähnlich wie die Rückprallprüfung zur zerstörungsfreien Bestimmung der Druckfestigkeit (vgl. DIN 1048-2, Ausgabe Februar 1976). Dieses Verfahren ist inzwischen ungebräuchlich und daher in der DIN 1048-2, Ausgabe Juni 1991 [12-3] nicht mehr enthalten. Mit der Kugelschlagprüfung wird viel stärker als bei der Rückprallprüfung die Betonrandzone erfasst [12-4]. Die Messung des Kugeleindruckdurchmessers gestaltet sich jedoch umständlich und mühsam und wird von der Korngröße, der Kornzusammensetzung sowie dem Zementsteingehalt beeinflusst. Bei rauen Oberflächen ist es besonders schwierig, den Kugeleindruck auszumessen. Aus diesen Gründen wird das Verfahren zur Prüfung der Oberflächenbeschaffenheit ebenfalls selten angewandt.

12.1.6 Sonstige Prüfverfahren Weitere in Deutschland allerdings weniger gebräuchliche Prüfverfahren für die Betonrandzone sind der internal fracture test, der pull-out test (Ausziehfestigkeit [12-5]), der penetration resistance test und der break-off test (siehe [12-6]). Sie dienen vor allem der indirekten zerstörungsarmen Bestimmung der Druckfestigkeit und erfassen relativ pauschal eine dickere Schicht der Betonrandzone. Für die vorliegenden Zwecke dürfte besonders nachteilig sein, dass bei diesen Versuchen die am weitesten außen liegende Betonschicht für das Bruchverhalten eher eine untergeordnete Rolle spielt. In der Praxis ist aber gerade diese Kontaktfläche zu nachfolgenden Mörtel- oder Oberflächenschutzschichten von größter Bedeutung. Alle sonstigen Verfahren, bei denen die Betonoberfläche gerieben, geschliffen, mit dem Hammer angeschlagen oder mit spitzen Gegenständen gekratzt oder geritzt wird, vermitteln vornehmlich subjektive Eindrücke und können daher nicht zur quantitativen Bewertung herangezogen werden. Eine

404

12 Mechanische Beschaffenheit

Ausnahme stellen Schleifverschleißprüfungen dar. Diese liefern zwar quantifizierbare Resultate, sie charakterisieren jedoch Eigenschaften des Betons, die für die Beschichtungsfähigkeit weniger relevant sind.

12.1.7 Fazit Aus dieser Gegenüberstellung geht hervor, dass für die Beurteilung der mechanischen Beschaffenheit des Betonuntergrunds eigentlich nur der Oberflächenzugversuch (Abreißversuch) in Betracht kommt. Wenn mit diesem Prüfverfahren jedoch aussagekräftige und vergleichbare Resultate erzielt werden sollen, müssen alle erdenklichen Prüfeinflüsse so weit wie möglich ausgeschaltet werden. Leider werden nach den bisherigen Erfahrungen die bestehenden Vorschriften zur Versuchsdurchführung ([12-3], [12-10], [12-11], [12-17]) nicht immer genügend beachtet und präzise eingehalten, weil das Verständnis für die Festlegungen fehlt und manchmal stark vereinfachten sowie kostengünstigeren Varianten Vorrang gegeben wird. Außerdem bestehen auch bei Berücksichtigung der Vorschriften immer noch relativ große Variationsspielräume, die nennenswerte Auswirkungen auf die Ergebnisse haben können. Darüber hinaus erweist sich die Prüfmethode als außerordentlich labil und anfällig gegen Prüfeinflüsse. In ungünstigen Fällen liegen deren Auswirkungen in der Größenordnung der Messwerte und führen damit das Verfahren ad absurdum (vgl. [12-8]). In den folgenden Abschnitten soll gezeigt werden, welche Einflussfaktoren sich bisher bei der Prüfungsdurchführung als relevant erwiesen haben und daher entsprechend beachtet werden müssen.

12.2 Zweck und Zeitpunkt der Prüfungen Oberflächenzugprüfungen sind in mehreren Stadien einer Instandsetzungsmaßnahme erforderlich: (I)

Bestimmung des Ist-Zustandes bzw. Bestandsaufnahme: Der Zweck besteht darin, Daten über die mechanische Beschaffenheit und Gleichmäßigkeit der Betonoberflächen zu gewinnen, aus denen sich der erforderliche Umfang und die Intensität der Untergrundbearbeitung ergeben. (II) Nach der Untergrundbearbeitung und vor dem Beginn der Ausbesserungs-, Beschichtungs- bzw. Belagsarbeiten: Hier dienen die Prüfungen zum Nachweis des Bearbeitungserfolges und als wesentliches Kriterium für die Beurteilung und Abnahme des vorbereiteten Untergrunds (siehe Kapitel 3 dieses Buches).

12.2 Zweck und Zeitpunkt der Prüfungen

405

(III) Nach der Applikation von Betonersatzsystemen und/oder Oberflächenschutzsystemen: Im weiteren Verlauf einer Instandsetzungsmaßnahme geht es darum, festzustellen, ob der Ausbesserungsmörtel und/oder die Beschichtung am Betonuntergrund haftet und der Untergrund selbst die aus dem Verbund resultierenden Spannungen ertragen kann. Dazu werden Haftzugprüfungen durchgeführt, mit denen in erster Linie das Adhäsionsverhalten der genannten Schichten geprüft wird. Durch den Nachweis bestimmter Mindestanforderungen z.B. nach [12-10], [12-11] soll der Erfolg der Instandsetzungsmaßnahme sichergestellt werden. Zu (I): Prüfung des Ist-Zustandes – Bestandsaufnahme Genau genommen müsste die Betonoberfläche in diesem Untersuchungsstadium so wie vorgefunden geprüft werden. Dies ist jedoch wenig sinnvoll, weil bereits bei geringen Verschmutzungen durch Staub, Ruß, Algen und Schalölreste die Gefahr besteht, dass der Bruch zwischen Kleber und Oberfläche und nicht im Beton eintritt. Aussagen über den Zustand des Betons sind in solchen Fällen nicht möglich. Gemessen am prüftechnischen Aufwand wäre ein solches Resultat wenig aufschlussreich und sehr unbefriedigend. Darum empfiehlt es sich, die Betonoberfläche vor der Prüfung zumindest von den genannten artfremden Verunreinigungen und anderen trennenden Substanzen zu befreien, so wie es vor dem Auftragen von Beschichtungen grundsätzlich erforderlich ist. Aussagekräftige, für die Planung und Ausschreibung verwertbare Resultate sind erst nach der Vorbereitung der Prüfflächen zu erwarten. Durch diesen Arbeitsgang soll zumindest erreicht werden, dass die Adhäsion des aufgeklebten Prüfstempels größer als die geforderte Zugfestigkeit der Betonrandzone ist. Erst danach kann entschieden werden, ob und ggf. wie intensiv der Untergrund weiterbehandelt werden muss, um die angestrebten Eigenschaften zu erzielen. Die Zahl der Schritte, um zu praktisch verwertbaren Resultaten zu gelangen, ließe sich minimieren, wenn die Vorbereitung der Prüfflächen nach dem Prinzip von Eignungsprüfungen (Erstprüfungen) bereits in der Weise und Intensität erfolgen könnte, wie bei der in Aussicht genommenen Untergrundvorbereitung. Art und Umfang der Maßnahmen im Vorhinein abzuschätzen, setzt allerdings relativ viel Erfahrung voraus. Im Gegensatz dazu erscheint z.B. ein Anschleifen, Fräsen oder Strahlen bis zum Grobkorngefüge, wie es vielfach vorgeschlagen wird, in diesem Stadium wenig sinnvoll, da hierbei ein undifferenziert hoher Bearbeitungsaufwand vorausgesetzt wird. Eine derartige Prüfflächenvorbereitung kommt nur in solchen Fällen in Betracht, in denen der Beton offensichtlich bis in tiefere Zonen geschädigt ist.

406

12 Mechanische Beschaffenheit

Zu (II): Nach der Untergrundbearbeitung – Konformitätsprüfung Mit Prüfungen nach der Untergrundbearbeitung werden Aufschlüsse über den Erfolg der gewählten Verfahren sowie über die Sorgfalt der Ausführung erwartet. Die Resultate sollen auch Auskunft darüber geben, ob weitere Arbeitsgänge erforderlich sind und/oder ob unter Umständen sogar andere, ggf. intensivere Methoden eingesetzt werden müssen. In diesen Fällen dürfen vor der Prüfung selbstverständlich keine Veränderungen an der Oberfläche vorgenommen werden. Zu (III): Nach der Grundierung (Untergrundverfestigung) – Konformitätsprüfung Niedrigviskose Grundierungen auf Reaktionsharzbasis können den Untergrund verfestigen, wenn Poren und Risse in der Betonrandzone verfüllt werden. Der Erfolg einer solchen Bearbeitung hängt u.a. von der Viskosität des Harzes, Temperatur, Feuchte und Beschaffenheit des Untergrunds ab. Soll der Untergrund auf diese Weise verfestigt werden, so ist die Oberflächenzugfestigkeit möglichst erst nach dem Grundieren zu prüfen. Dies gilt z.B. für geflammstrahlte Betonoberflächen, die dann optimale Resultate für das Gesamtsystem erwarten lassen, wenn sie im Anschluss an die Untergrundbearbeitung mit einer penetrierfähigen niedrigviskosen Grundierung versehen werden (vgl. [12-42]). Aus diesem Grund war für die Festlegung des Prüfzeitpunktes in der DAfStb-Richtlinie [129] bzw. in den dazugehörigen Erläuterungen eine entsprechende Option vorgesehen. An Instandsetzungsmörteln und -betonen bzw. Oberflächenschutzschichten – Konformitätsprüfung Haftzugprüfungen in verschiedenen Stadien der Ausführung dienen dem Zweck, die Haftung der einzelnen Schichten eines Instandsetzungssystems am Untergrund bzw. auf der jeweils vorhergehenden Lage zu untersuchen. Auch hierfür werden Mindestanforderungen gestellt (siehe z.B. [12-10]), die jedoch sinnvollerweise nicht größer sein dürfen als für die vorhergehenden Lagen. Nach Fertigstellung – Abnahme-, Kontroll- oder Bestätigungsprüfung Haftzugprüfungen zum Abschluss einer Instandsetzungsmaßnahme sind entgegen den Erwartungen oftmals nur begrenzt aussagefähig und können sich aus folgenden Gründen unter Umständen sogar nachteilig auswirken: a)

An einem fertigen mehrschichtigen Instandsetzungssystem kann die Haftzugfestigkeit nur für diejenige Schicht angegeben werden in/an der der Bruch erfolgt. Anstriche, insbesondere flexibilisierte mit Riss überbrückenden Eigenschaften, erreichen Haftzugfestigkeiten, die oftmals

12.3 Auswahl der Prüfstellen und Prüfhäufigkeit

b)

407

deutlich unter denen der vorhergehenden Schichten liegen. Die Ergebnisse beschreiben in solchen Fällen nur die Eigenschaften der Oberflächenschutzschicht. Eine Aussage über die Qualität des Gesamtsystems ist dann kaum möglich. Bei Beschichtungen mit Reaktionsharzmörteln oder Spritzbeton erscheinen Abnahmeprüfungen am Gesamtsystem weitaus sinnvoller, weil deren Festigkeiten gewöhnlich über denen des Untergrunds liegen. Haftzugprüfungen sind nicht zerstörungsfrei. Das heißt, die Abrissstelle stellt eine lokale Störung des Systems dar, die selbst nach der Ausbesserung das Erscheinungsbild der Oberfläche beeinträchtigt und Ausgangspunkt für neue Schäden sein kann. Die Zweckmäßigkeit solcher Abnahmeprüfungen sollte in jedem Einzelfall genau abgewogen werden. Eventuell ist den Konformitätsprüfungen im Verlauf der Ausführung (oder Zwischenabnahmen) größere Bedeutung beizumessen.

12.3 Auswahl der Prüfstellen und Prüfhäufigkeit Die Kriterien für die Prüfhäufigkeit sind in den Tabellen 12.1 und 12.2 wiedergegeben. Während nach ZTV-ING [12-10] die Einzelprüfungen einer Prüfserie grundsätzlich gleichmäßig über die vorgegebene Fläche zu verteilen sind, erfolgt die Festlegung gemäß DAfStb-Richtlinie [12-10] durch den sachkundigen Planer. Die weitere Vorgehensweise ist in beiden Richtlinien nicht näher spezifiziert. Da jedoch die Auswahl der Prüfstellen (Messstellen) innerhalb dieser vorgegebenen Flächenabschnitte das Ergebnis nachhaltig beeinflussen kann, sollten folgende Gesichtspunkte beachtet werden: Innerhalb der Prüfbereiche muss die Auswahl der Prüfstellen zufällig, aber repräsentativ erfolgen. Dazu legt man zweckmäßigerweise ein geometrisch regelmäßiges Raster von Messstellen über das zu untersuchende Areal. Ein solches Auswahlkriterium reduziert die Gefahr, dass bestimmte Bereiche über- oder unterrepräsentiert werden, weil es frei von subjektiven visuellen Einflüssen ist. Dabei kann es jedoch vorkommen, dass neben systematischen Einflüssen auch zufällige örtliche Störungen erfasst werden. Große Zuschlagkörner, Oberflächenporen, Rauspitzen, Rautiefen und andere vergleichbare Inhomogenitäten können unter Umständen die Festigkeitsergebnisse signifikant herabsetzen. Die Frage, ob diese Resultate dann als Ausreißer zu behandeln sind, muss nach objektiven Kriterien mit statistischen Testverfahren (Ausreißertests) entschieden werden. Die DAfStb-Richtlinie [12-11] und die ZTV-ING [12-10] führen dazu aus: „Werden bei der Prüfung der Oberflächenzugfestigkeit Einzelwerte unterhalb des kleinsten zulässigen Einzelwertes gefunden, ist durch mindestens zwei Einzelprüfungen in örtlicher Nähe (Entfernung bis zu 1 m) festzustellen, ob es sich um Ausreißer handelt. Sind die zusätzlichen Werte einwand-

408

12 Mechanische Beschaffenheit

Tab. 12.1: Umfang und Häufigkeit der Oberflächenzugfestigkeitsprüfungen nach DAfStb-Richtlinie [12-11]

a b

Schutz- bzw. Instandsetzungsmaßnahme

Prüfung des Betonuntergrunds

Beton B II nach DIN 1045a Spritzbeton B II nach DIN 18551b, SPCC, PCC, Zementmörtel, PC und OS

> 50 m2; 3 Einzelprüfungen > 250 m2; 3 Einzelprüfungen je angefangene 250 m2

Eigenüberwachung nach DIN 1045. Eigenüberwachung nach DIN 18551.

Tab. 12.2: Umfang und Häufigkeit der Oberflächenzugfestigkeitsprüfungen nach ZTV-ING [12-10]

a

Schutz- bzw. Instandsetzungsmaßnahme

Prüfung des Betonuntergrunds

Betonfahrbahnplatten

nach Fertigstellung der Vorbereitung je angefangene 1000 m2 Einbaufläche 9 Abreißversuche, bei Vorbereitung durch Stemmen je angefangene 250 m2 Einbaufläche 6 Abreißversuche

andere Betonunterlagen

je angefangene 500 m2 Einbaufläche 6 Abreißversuche

Die Prüfung entfällt bei a

≤ 50 m2 Gesamteinbaufläche, wenn sich die Gesamteinbaufläche aus mehreren Einzelflächen zusammensetzt ≤ 250 m2 Gesamteinbaufläche von Beschichtungen Hydrophobierungen

Es sei denn, in der Leistungsbeschreibung ist etwas anderes angegeben.

frei, wird der zunächst gefundene Wert verworfen. Bleibt der Wert bestehen, ist durch ein geeignetes Flächenraster der fehlerhafte Bereich einzugrenzen“.

12.4 Beurteilungskriterien und Prüfeinflüsse 12.4.1 Bauteilsteifigkeit Die Oberflächenzugfestigkeit nimmt ab, wenn sich der Untergrund bei der Prüfung stark verformt [12-1], [12-12], [12-13], [12-14]. Dies ist auf Spannungsumlagerungen und Spannungskonzentrationen zurückzuführen. Es besteht die Gefahr, dass die Resultate unter ungünstigen Voraussetzungen überwiegend von den Steifigkeitsverhältnissen und nur wenig von eigentlich interessierenden Festigkeitseigenschaften bestimmt werden. In diesem Zusammenhang ist nicht nur die Bauteilgeomentrie, sondern auch der E-Modul des Betons zu beachten. Hinzu kommt, dass sich eine größere Bohrtiefe bei

12.4 Beurteilungskriterien und Prüfeinflüsse

409

zunehmender Verformbarkeit des Untergrunds zusätzlich negativ auf die Prüfergebnisse auswirkt [12-12]. Ein etwas zweifelhaft positiver Effekt ist, dass eine geringe Prüfstempelsteifigkeit bei verformbarerem Untergrund weniger ins Gewicht fällt [12-12], [12-15].

12.4.2 Vorbohren der Prüfflächen Es bestehen Meinungsverschiedenheiten darüber, ob die Prüfflächen mittels Kernbohrmaschine vorgebohrt werden sollen oder nicht. Durch das Vorbohren sollen definierte Beanspruchungsflächen geschaffen werden, auf die die maximale Abreißkraft bezogen werden kann. Ohne Vorbohren wird die Prüfstempelfläche als Bezugsfläche verwendet bzw. in manchen Fällen auch die jeweilige ausplanimetrierte Bruchfläche. Unabhängig von der Prüfflächenpräparation ist eine plötzliche Querschnittsaufweitung, an der der gleichmäßige Kraftfluss unterbrochen wird und in deren unmittelbarer Umgebung sich ein Störspannungszustand ausbildet, letztlich unvermeidbar (Bild 12.6). Das heißt, es treten immer Kerbwirkungen auf. Durch das Einbohren einer Ringnut wird die Störstelle in einen der Bohrtiefe entsprechenden Abstand unter die Oberfläche verlagert (siehe Bild 12.7b). Man erwartet, dass deshalb der Spannungszustand bei vorgebohrten Prüfflächen zumindest in dem interessierenden oberflächennahen Bereich genügend gleichmäßig ist und der Bruch eintreten kann, ohne dass die Kerbspannungen dafür verantwortlich sind [12-12]. Demgegenüber werden bei Kerbbruchgefahr die Materialeigenschaften in erheblichem Umfang von geometriebedingten Einflüssen überlagert. Es darf allerdings nicht unerwähnt bleiben, dass das Freibohren des Zylinderstumpfes unter Umständen auch Gefügeschädigungen hervorrufen kann, die zu einem Festigkeitsverlust führen [12-12], [12-15]. Hinzu kommt eine Querschnittsschwächung und Verformungszunahme (vgl. Abschnitt 12.4.1), die bei größeren Bohrtiefen und dünneren Bauteilen bzw. Proben bedeutsam sein kann. Da ohne Vorbohren keine definierte Bezugsfläche existiert und bereits unmittelbar an der Betonoberfläche ein stark inhomogener Spannungszustand entsteht (Bild 12.7a), empfiehlt es sich in diesem Zusammenhang, den Begriff Festigkeit zu vermeiden. Aus der Bezeichnung sollte erkennbar sein, dass es sich nur um eine Kennwertbestimmung mit vergleichendem Charakter handelt.

12.4.3 Aufkleben der Stahlplatten Eine Beurteilung des Untergrunds ist nur dann möglich, wenn der Bruch im Beton eintritt. Bei ungenügender Erhärtung des Klebers bzw. bei ungenügender Haftung am Beton oder Stahl, wird dieses Ziel nicht erreicht. Dabei sind zu beachten:

410

12 Mechanische Beschaffenheit

Bild 12.6: Auswirkungen der Prüfflächenvorbereitung auf das Bruchverhalten

Bild 12.7: Einfluss des Vorbohrens auf die Spannungsverteilung unter der Oberfläche

12.4 Beurteilungskriterien und Prüfeinflüsse

411

◆ Zustand der Kontaktflächen (möglichst fettfrei, sauber und trocken), ◆ Temperatur und Feuchte des Untergrunds sowie der Umgebungsluft, ◆ Viskosität, Reaktionsgeschwindigkeit, Feuchteempfindlichkeit, Aushärtedauer, Schichtdicke und Verformbarkeit (E-Modul) des Klebers.

12.4.4 Prüfstempel Es kommen nur zylindrische Prüfstempel mit ausreichender Steifigkeit in Betracht. Eckige Stahlplatten oder Prüfstempel mit geringer Dicke (Steifigkeit) haben andere und vor allem ungleichmäßige Spannungsverteilungen im Beton zur Folge (siehe Bild 12.8 a). Entsprechend ist die Form des Betonausbruchs bei dünnen Stempeln anders als bei ausreichend dicken. Bei erstgenannten tritt überwiegend ein kegelförmiger Bruch auf [12-16]. Wird ein anderes Material als Stahl verwendet, kann eine größere Stempeldicke notwendig sein, um die erforderliche Steifigkeit zu erreichen. Dies belegen Versuchsergebnisse von BUNGEY und MADANDOUST [12-15] (siehe Bild 12.9). Deshalb wird bei Aluminium eine um 50% größere Dicke empfohlen [12-6], [12-15] (vgl. DIN 1542 [12-17], siehe Abschnitt 12.5.1). Für Abreiß- bzw. Haftzugversuche an Betonoberflächen sind Prüfstempeldurchmesser von 50 mm üblich, obwohl wegen der Heterogenität des Betons eigentlich größere Prüfflächen wünschenswert wären. Normalerweise soll das kleinste Maß von Betonproben mindestens dem 3fachen des Größtkorndurchmessers entsprechen. Bei 32 mm Korngröße wären demnach eigentlich Prüfflächendurchmesser von rd. 100 mm erforderlich. Eine Verdoppelung des Prüfflächendurchmessers könnte zwar den Einfluss strukturbedingter Inhomogenitäten herabsetzen und die Streuungen vermindern, würde aber die Prüfungsdurchführung – vor allem unter Baustellenbedingungen – erheblich erschweren, weil die erforderliche Prüfkraft rd. 5-mal so hoch wäre und das Prüfgerät dementsprechend schwerer und unhandlicher [12-12]. Für Prüfungen an Beton kommen aber aus den vorgenannten Gründen auch keine Stempeldurchmesser unter 50 mm in Betracht. Für die Prüfung der Haftzugfestigkeit an Brückenabdichtungen wird in DIN EN 13596 [12-18] nur eine Mindestdicke von 10 mm gefordert. Die Stahlplatten dürfen rund oder rechteckig sein. Die große Verformbarkeit des Substrats rechtfertigt zwar bis zu einem gewissen Grad verminderte Anforderungen an die Steifigkeit der Prüfstempel, doch sind eckige Prüfstempelformen sehr kritisch zu sehen.

12.4.5 Lasteinleitung Die Belastungsvorrichtung soll so über dem Prüfstempel angebracht werden, dass dieser frei von Querkräften und Momenten senkrecht zur Betonoberfläche abgerissen werden kann. Dies lässt sich unter baupraktischen Verhält-

412

12 Mechanische Beschaffenheit

Bild 12.8: Einfluss der Prüfstempeldicke auf die Spannungsverteilung im Beton

Bild 12.9: Einfluss der Prüfstempeldicke und des Prüfstempelwerkstoffs auf die Oberflächenzugfestigkeit nach BUNGEY und MADANDOUST [12-15]

12.4 Beurteilungskriterien und Prüfeinflüsse

413

Bild 12.10: Ankoppeln des Prüfstempels, Lasteinleitung [12-1], [12-12]

nissen nur schwer erreichen, weil die Betonoberfläche stets mehr oder weniger rau und uneben ist. Mit Schiefstellungen der Prüfstempel bzw. des Prüfgerätes muss gerechnet werden. Wird auch in solchen Fällen versucht, das Prüfgerät senkrecht zu einem mittleren Oberflächenniveau auszurichten (siehe Bild 12.10a), sind Ausmittigkeiten und nennenswerte Zusatzbeanspruchungen zu befürchten – dies um so mehr, je tiefer vorgebohrt wird [12-12], [12-16] (vgl. [12-8]). Finite-Elemente-Berechnungen [12-12] haben ergeben, dass sich die Zusatzbeanspruchungen minimieren lassen, wenn das Prüfgerät nach der Prüfstempelachse ausgerichtet wird (Bild 12.10b). Sehr detaillierte Angaben hierzu enthält DIN EN 12636 [12-19].

12.4.6 Belastungsgeschwindigkeit Höhere Belastungsgeschwindigkeiten führen bekanntlich zu höheren Bruchspannungen. Überträgt man die bei Zugversuchen gewonnenen Erfahrungen, so kann z.B. der Festigkeitsunterschied zwischen den früher üblichen 300 N/s (Prüfstempeldurchmesser ds = 50 mm) im Vergleich zur Belastungsgeschwindigkeit nach Norm (100 N/s [12-3]) rd. 5% betragen. Bei ungeregelter diskontinuierlicher Belastung, wie bei Handkurbelgeräten (Bild 12.11), sind die Auswirkungen nicht reproduzierbar. Nach WINGES-LAU [12-20] muss bei einer Erhöhung der Belastungsgeschwindigkeit von 0,02 auf 1 N/(mm2 · s) (ent-

414

12 Mechanische Beschaffenheit

Bild 12.11: Mechanische Prüfgeräte für den Handbetrieb

sprechend 40 bis 2000 N/s bei ds = 50 mm) mit einer signifikanten Festigkeitszunahme gerechnet werden (Bild 12.12).

12.4.7 Genauigkeit der Kraftanzeige Je nach Aufgabe sind unterschiedliche Anforderungen an die Genauigkeit der Kraftanzeige zu stellen. Es ist einzusehen, dass für Vergleichsprüfungen im Rahmen der Eigenüberwachung andere Maßstäbe anzulegen sind als bei Abnahmeprüfungen oder Schiedsuntersuchungen. Wenn, wie in [12-10], [12-11] gefordert, auch bei Prüfgeräten mit einer Höchstlast von 10 kN (5 N/mm2 bei üblicher Stempelgröße) die Oberflächenzugfestigkeit auf 0,1 N/mm2 angegeben werden soll, ist eine Anzeigegenauigkeit von 2% erforderlich. Dies wird an sich nur von Maschinen mindestens der Klasse 2 erreicht.

12.5 Prüfbestimmungen

415

Bild 12.12: Einfluss der Belastungsgeschwindigkeit auf die Oberflächenzugfestigkeit nach WINGESLAU [12-20]

12.5 Prüfbestimmungen 12.5.1 Zusammenfassung der wichtigsten Prüfbestimmungen für die Ermittlung der Oberflächenzugfestigkeit Nachstehend sind die wichtigsten Voraussetzungen und Regeln zur Prüfungsdurchführung nach DIN 1048-2 [12-3] zusammengefasst (vgl. auch Bilder 12.13 bis 12.15) ◆ Bauteil- bzw. Probendicke in Kraftrichtung ≥ 2 · ds (ds = Prüfstempeldurchmesser) ◆ Abstand der Prüfflächen untereinander und vom Rand ≥ ds ◆ Abstand der Prüfflächen vom Rand bei nicht freigeschnittener Prüffläche ≥ 1,5 · ds ◆ zylindrische Prüfstempel aus Stahl mit einem Durchmesser von mindestens ds = 50 mm ◆ Prüfstempeldicke mindestens ds/2 ◆ Durchmesser der Gewindebohrung zur Aufnahme der Zugstangen ≤ ds/4 ◆ Tiefe der Gewindebohrung ≤ 0,5 · Stempeldicke = ds/4 ◆ Zugprüfmaschinen mindestens der Klasse 3 nach DIN 51220 bzw. DIN 51221-11, Prüfzeugnis für Kraftmessvorrichtung nicht älter als 2 Jahre 1

Inzwischen zurückgezogen, siehe Hinweise in [12-37] und [12-38].

416

12 Mechanische Beschaffenheit

Bild 12.13: Prüfbestimmungen nach DIN 1048-2 [12-3]: Anforderungen an die Lage der Prüfflächen

Bild 12.14: Prüfbestimmungen nach DIN 1048-2 [12-3]: Anforderungen an die Prüfstempel und Vorbereitung der Prüfflächen

12.5 Prüfbestimmungen

417

Bild 12.15: Prüfbestimmungen nach DIN 1048-2 [12-3]: Anforderungen an die Zugvorrichtung und Prüfungsdurchführung

◆ Angabe der Festigkeit auf 0,1 N/mm2 ◆ momentenfreie zentrische Krafteinleitung ◆ Justiervorrichtungen für die Zentrierung und Ausrichtung der Prüfkolbenund Prüfstempelachse auf einer Kraftwirkungslinie ◆ Prüffläche je nach Prüfzweck unbehandelt lassen oder vorbehandeln, ggf. sogar Oberflächenabtrag; im Allgemeinen ist die Prüffläche von Schmutz, losen Bestandteilen, Trennmitteln usw. zu befreien ◆ je nach Prüfzweck Einbohren einer 5 bis 10 mm tiefen Ringnut, nass oder trocken ◆ Bohrkrone und Außendurchmesser des Prüfstempels so aufeinander abgestimmt, dass die Stempel bündig auf den freigebohrten Zylinder aufgeklebt werden kann ◆ Die Klebfläche des Stempels ist ggf. zu reinigen und zu entfetten. ◆ Prüffläche (Beton) vor dem Kleben ausreichend trocknen lassen ◆ Verwendung von schnellhärtenden pastösen Reaktionsharzklebern nach Herstellerangaben (z. B. zulässige Temperatur und Feuchte) ◆ überschüssigen Kleber herausdrücken, Lufteinschlüsse vermeiden, Klebfuge möglichst gleichmäßig und dünn ◆ überstehenden bzw. in die Ringnut gelaufenen Kleber entfernen ◆ Stempelfläche im aufgeklebten Zustand parallel zur Prüffläche ◆ Belastungsgeschwindigkeit 0,05 N (mm2 · s), (entsprechend 100 N/s für ds = 50 mm), Einrichtung zur Konstanthaltung der Prüfgeschwindigkeit

418

12 Mechanische Beschaffenheit

◆ Belastung ruckfrei und stetig ◆ Haltevorrichtung zur Vermeidung von Zusatzbeanspruchungen bei Prüfung an vertikalen Flächen ◆ Angabe der Höchstkraft und errechnete Oberflächenzugfestigkeit (Einzelwerte und Mittelwert) ◆ Angabe des Verlaufs und ggf. der Art und Tiefe des Bruchs bzw. Beschreibung des Trennfalls ◆ Anzahl der Versuche je nach Anwendungsvorschrift Ergänzende Empfehlungen gemäß Anhang A der DIN 1048-2 [12-3]: ◆ Zur Vermeidung von Gefügeschäden durch das Bohren sind gut schneidende Bohrkronen mit abgerundetem Besatz zu verwenden. ◆ Entscheidung über das Vorbohren gemäß der jeweiligen Anwendungsbestimmung in Verbindung mit der zu stellenden Mindestanforderung und der notwendigen Anzahl der Versuche Die Versuchsanordnung und -durchführung gemäß ZTV-ING [12-10] weicht wie folgt davon ab bzw. enthält folgende zusätzlichen Anforderungen: ◆ transportables Zugprüfgerät mindestens der Klasse 2 nach DIN 51220 ◆ Übertragung der Zugspannung mit annähernd konstanter Lastanstiegsgeschwindigkeit, stoßfrei und senkrecht zur Prüffläche ◆ gemeinsame Kalibrierung von Gerät und Zugkolben ◆ Die zugehörige Betriebsanleitung und das Kalibrierdiagramm müssen auf der Baustelle vorliegen. ◆ Prüfstempeldurchmesser ds = 50 mm ◆ Prüfstempeldicke an jeder Stelle > 25 mm ◆ Prüfungsdurchführung gemäß DIN 1542 ◆ je Bauteil nur ein Prüfgerät und derselbe Prüfer ◆ Betonunterlagen und harte Schichten mittels Kernbohrgerät etwa 10 mm tief senkrecht zur Oberfläche nass in die Betonunterlage vorbohren ◆ Beim Bohren darf die Bewehrung darf nicht geschädigt werden. ◆ Gesamtbohrtiefe ≤ 50 mm ◆ Kraftanstiegsgeschwindigkeit bei Betonunterlagen und harten Schichten 100 N/s, bei elastischen und thermoplastischen Schichten 300 N/s ◆ Temperatur der zu prüfenden Schicht ≥ 5°C ◆ Die Temperatur ist zu messen und zu protokollieren. ◆ Abreißfestigkeit auf 0,1 N/mm2 angeben ◆ Bei wechselndem Bruchverlauf sind die Flächenanteile auf 10% genau abzuschätzen. ◆ Bei > 25% Bruchversagen in der Klebfuge und Festigkeiten unterhalb der geforderten Festigkeit wird das Prüfergebnis bei der Auswertung nicht berücksichtigt. Das in der Instandsetzungs-Richtlinie [12-11] beschriebene Prüfverfahren für die Abreißprüfung kann sowohl auf die Bestimmung der Oberflächenzugfes-

12.5 Prüfbestimmungen

419

tigkeit als auch die Prüfung der Haftzugfestigkeit angewandt werden. Dies ist sinnvoll, weil sich die Prüfprozeduren für beide Prüfzwecke sehr ähneln (vgl. Abschnitt 12.1.1). Die Angaben zum Vorbohren der Prüfflächen beziehen sich allerdings nur auf beschichteten Beton. Hier wäre eigentlich eine Differenzierung zwischen Oberflächenzug- und Haftzugprüfung erforderlich gewesen. Gegenüber DIN 1048-2 wurden folgende Verfahrensdetails geändert bzw. anders dargestellt: ◆ Mindestdicke der Prüfstempel 25 mm ◆ Prüfstempeldurchmesser ds = 50 mm ± 2 mm ◆ Restdicke unter zentrischen Bohrungen oder Ausnehmungen ≥ 15 mm (Angaben zum maximalen Durchmesser der Bohrungen oder Ausnehmungen fehlen.) ◆ Zugvorrichtungen nach EN 10 002-2 2 und EN 10 002-4 3, mindestens Klasse 2 ◆ Einleitung der Zugkraft in die Prüffläche frei von Querkräften und Momenten ◆ Zugvorrichtungen müssen so justiert werden, dass die Achse des Prüfstempels und die des Arbeitskolbens auf einer Geraden liegen. BS 1881: Part 207: 1992 [12-6] zeigt folgende Abweichungen gegenüber DIN 1048-2: ◆ Stempeldicke (Stahl) ≥ 40% des Durchmessers (≥ 20 mm bei ds = 50 mm) (eine größere Dicke kann empfehlenswert sein) ◆ Stempeldicke (Aluminium) ≥ 60 % des Durchmessers (≥ 30 mm bei ds = 50 mm) ◆ Genauigkeit der Belastungsvorrichtung 2% des Messbereichs ◆ Kraftmessvorrichtung mit Speicher für Maximallast ◆ Kalibrierung und ggf. Nachjustierung in den für Prüfmaschinen üblichen Zeiträumen ◆ Die Mitte der einzelnen Prüfstellen soll wenigstens zwei Prüfstempel- oder Bohrungsdurchmesser voneinander entfernt liegen und wenigstens einen Durchmesser vom Rand. ◆ ohne Vorbohren normale Betondeckung der Bewehrung im Bereich der Prüffläche ausreichend ◆ Wenn vorgebohrt wird, muss die Bewehrung in einem Abstand von ≥ Größtkorndurchmesser unter der Bohrtiefe liegen. ◆ je Prüfbereich mindestens 6 gültige Versuche ◆ Die erforderliche Erhärtungszeit variiert je nach Art des Klebers zwischen 1,5 h und 24 h. ◆ Belastungsgeschwindigkeit 0,05 ± 0,03 N/(mm2 · s) ◆ Sowohl die Maximallast als auch die Bruchart (Beton oder Kleber) sollen aufgezeichnet werden. 2 3

Inzwischen zurückgezogen, ersetzt durch DIN EN ISO 7500-1 [10-48]. Inzwischen zurückgezogen, ersetzt durch DIN EN ISO 9503 [10-49].

420

12 Mechanische Beschaffenheit

◆ Bei Kleberanteilen in der Bruchfläche repräsentiert die ermittelte Festigkeit nur die untere Grenze der Festigkeit.

12.5.2 Zusammenfassung der wichtigsten Prüfbestimmungen zur Ermittlung der Haftzugfestigkeit Für die Messung der Haftfestigkeit von Produkten und Systemen für den Schutz und die Instandsetzung von Betontragwerken schreibt DIN EN 1542 [12-17] folgende Ausrüstung und Vorgehensweise vor: ◆ kreisförmiger Prüfstempel mit einem Durchmesser von 50 ± 0,5 mm ◆ Mindestdicke bei Verwendung von Stahl: 20 mm ◆ Mindestdicke bei Verwendung von Aluminium: 30 mm ◆ Ebenheit der Klebfläche des Prüfstempels: Abweichungen von 0,1 mm/ 50 mm sind zulässig ◆ Vorrichtung zur Befestigung des Stempels am Prüfgerät so, dass die Last senkrecht zur Prüfoberfläche aufgebracht wird und keine Biege- oder Scherkräfte auf die Prüffläche wirken ◆ Ankopplungsvorrichtung mit kugelförmigem Auflager, das sich innerhalb des Prüfgerätes befinden muss ◆ Der Diamantkernbohrer zum Bohren eines Zylinders mit den Maßen (50 ±1,0) mm durch das Instandsetzungsprodukt oder -system soll eine Schneide aufweisen, die (1,5 ± 0,5) mm über den Zylinder hinausragt, um die auf die Prüffläche wirkenden seitlichen Kräfte zu verringern. ◆ Bohrung mit einem Achswinkel der Bohrkrone von (90 ± 1)° zur Oberfläche ◆ Bohrung durch das Instandsetzungsprodukt oder -system hindurch bis (15 ± 5) mm in das Betonsubstrat hinein ◆ Entfernen der Bohrkrone ohne den Prüfkörper zu beschädigen ◆ Prüfkörper mindestens 7 d im Normallaborklima konditionieren ◆ Für die Verklebung ist ein schnell härtender Zweikomponenten-Epoxidharzkleber oder ein vergleichbarer Kleber nach den Empfehlungen des Herstellers zu verwenden. ◆ Prüfstempel reinigen, entfetten, trocknen und so aufkleben, dass sich eine dünne gleichmäßige Schicht zwischen dem Stempel und Substrat bildet ◆ Der Prüfstempel ist mittig auf die Prüffläche aufzusetzen und anzudrücken um Luft herauszutreiben. ◆ Herausgedrückter Kleber ist sorgfältig zu entfernen. ◆ Aushärtungsdauer nach Herstellerangaben ◆ Prüfgerät für den Abreißversuch nach DIN EN 24624 4 [12-21] mit ausreichender Zugkraft bis zum Bruch des Prüfkörpers (10 kN normalerweise ausreichend) 4

Inzwischen zurückgezogen, ersetzt durch DIN EN ISO 4624 [12-21].

12.5 Prüfbestimmungen

421

◆ Messeinrichtung mit analoger oder digitaler Kraftanzeige und Maximalwertspeicher ◆ Genauigkeit des Prüfgerätes ± 2% ◆ Das Gerät ist konzentrisch über dem Stempel und (90 ± 1)° zur gebohrten Oberfläche aufzustellen. ◆ Laststeigerungsrate bis zum Bruch (0,05 ± 0,01) MPa/s Die Bestimmung der Verbundwirkung Beton – Beton ist in DIN EN 12636 [12-19] beschrieben. Im Unterschied zu DIN EN 1542 [12-17] kann der Verbund zum Substrat sowohl mit aufgeklebten Stahlstempeln als auch mit Klemmgreifern erfolgen. Klemmgreifer sollten verwendet werden, wenn die Dicke der aufbetonierten Schicht 40 mm überschreitet. Wegen der fehlenden Übertragbarkeit auf Oberflächenzugprüfungen wird auf diese Verfahrensvariante hier nicht näher eingegangen. Die Beschreibung des Verfahrens mit aufgeklebten Stahlstempeln bezieht sich weitgehend auf DIN EN 1542, zeigt jedoch im Detail folgende Abweichungen: ◆ Diamantkernbohrer mit Innendurchmesser von (51 ± 1) mm. Die Schneidkanten sollten einen Überstand von 1 mm bis 2 mm gegenüber dem Zylinder besitzen. (Auf diese Weise sollen seitliche Kräfte auf die Prüffläche vermieden werden) ◆ Zugprüfeinrichtung nach DIN EN 1542 mit einer Mindestkraft von 10 kN, ◆ die Stahlstempel mit einem Durchmesser von (50 ± 0,5) mm und einer Höhe von mindestens 25 mm dürfen auf der Seite, auf die der Kleber aufgebracht wird, Ebenheitstoleranzen von ± 0,1 mm nicht überschreiten Das Vorbohren erfolgt nach der Instandsetzungs-Richtlinie [12-11] durch die Beschichtung hindurch nur 5 bis 10 mm tief in den Untergrund. Bei weichen Beschichtungen wird gemäß [12-11] ◆ die Beschichtung nach dem Aufkleben des Prüfstempels bis zum Beton durchtrennt. ◆ Der Schnitt ist bündig mit dem Umriss des Prüfstempels zu führen. ◆ Als Schneidevorrichtung kann z.B. ein scharfes Messer dienen. ◆ Die Belastungsgeschwindigkeit soll 0,15 N/(mm2 · s) betragen, bezogen auf Prüfstempel mit 50 mm Durchmesser entspricht dies 300 N/s. Bei den besonders stark verformbaren Abdichtungssystemen für Brücken und andere Verkehrsflächen erfolgt die Prüfung der Haftzugfestigkeit nach DIN EN 13596 [12-18]. Die Prüfvorschriften weichen wie folgt von den vorgenannten Spezifikationen ab: ◆ Neben runden Stahlplatten mit ds = 50 mm sind auch rechteckige mit (50 ¥ 50) mm2 und einer Toleranz von 0,5 mm zulässig. ◆ Mindestdicke der Stahlplatte 10 mm ◆ Einschneiden der Prüfflächen bis hinunter zum Beton entlang der Prüfstempelkanten entweder vor oder nach dem Aufkleben ◆ Belastungsgeschwindigkeit 0,15 ± 0,01 N/s · mm2

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12 Mechanische Beschaffenheit

12.6 Praktische Prüfungsdurchführung 12.6.1 Allgemeines Die Begründung für eine Reihe der vorgenannten Prüfbestimmungen wurde im Abschnitt 12.4 „Prüfeinflüsse“ geliefert. Im Folgenden werden noch einige zusätzliche Erläuterungen sowie ergänzende Hinweise und Empfehlungen gegeben. Darüber hinaus wird über praktische Erfahrungen, Versuchsergebnisse und neue Erkenntnisse berichtet.

12.6.2 Bauteil- bzw. Probengeometrie und -steifigkeit Um zu verhindern, dass Durchbiegungen des Bauteils bzw. der Probe die Spannungsverteilung im Lasteinleitungsbereich beeinflussen, soll das Bauteil bzw. die Probe in Kraftrichtung wenigstens doppelt so dick sein wie der Durchmesser der Prüffläche (Dicke ≥ 2 · 50 mm ≥ 100 mm) [12-1], [12-3], [1212], [12-13]. Prüfungen an dünnwandigen Bauteilen, wie z.B. Balkonbrüstungen, schwimmendem Estrich und Gehwegplatten, sind daher problematisch. Letztere werden leider vorrangig aus praktischen Erwägungen gerne als Prüfkörper für Versuchsreihen verwendet. Auch die Dicke der Grundkörper von nur 60 mm gemäß den Technischen Prüfvorschriften TP OS [12-50] bzw. 50 mm nach DIN EN 12636 [12-19], erscheint in dieser Hinsicht ebenfalls sehr bedenklich. Das Problem entschärft sich etwas durch die aufgetragenen Mörtelschichten bzw. durch die Tatsache, dass der Beton des Grundkörpers für Versuche nach TP OS der Festigkeitsklasse B 55 (C45/55) entsprechen muss. Der hohe E-Modul solcher Betone reduziert die Verformbarkeit. Ebenfalls zur Vermeidung geometriebedingter Einflüsse sollen die Abstände der Prüfflächenränder untereinander bzw. zum Bauteilrand mindestens gleich dem Prüfflächendurchmesser sein [12-3], [12-11].

12.6.3 Vorbohren, praktische Durchführung Je nach Prüfzweck und Anforderung wird der Zugversuch entweder ohne Ringnut oder an einer durch eine Ringnut begrenzten Prüffläche durchgeführt [12-3] (siehe Bild 12.6). Die Entscheidung darüber wird den Anwendungsbestimmungen überlassen. Während nach DIN 18 551 [12-22] beide Möglichkeiten bestehen, sind nach der Richtlinie des DAfStb und der ZTV-ING [12-11], [12-10] Prüfungen an vorgebohrten Prüfflächen maßgebend. Trotzdem bleibt dieses Kriterium sehr umstritten, weil es den Versuchsaufwand erheblich steigert und bis zum Abtrocknen der nass gebohrten Prüfflächen lästige Wartezeiten in Kauf genommen werden müssen. Da die Ergeb-

12.6 Praktische Prüfungsdurchführung

423

nisse der beiden Varianten zum Teil signifikant voneinander abweichen, ist die Wahl der Vorgehensweise außerordentlich bedeutungsvoll. Angaben zur Oberflächenzugfestigkeit erfordern deshalb grundsätzlich auch Hinweise zur Art der Prüfungsdurchführung. Die Ringnutbohrung erfolgt mit diamantbesetzten Bohrkronen – in der Regel nass, selten trocken. Bei Wasserspülung werden der Beton oder andere durchbohrte Schichten weit weniger durch Reibkräfte und Erwärmung beansprucht als beim Trockenbohren. Alle Versuche mit verschiedenen Trockenbohrsystemen haben gravierende festigkeitsmindernde Einflüsse gezeigt, so dass von deren Verwendung unbedingt abgeraten werden muss. Die Einbohrtiefe soll gemäß [12-3] 1/5, mindestens jedoch 1/10 des Zylinderstumpfdurchmessers betragen. Der Bohrkroneninnendurchmesser (eigentlich: Durchmesser des freigebohrten Zylinderstumpfes) muss mit dem Prüfstempeldurchmesser übereinstimmen. Für das Bohren sind gut schneidende Bohrkronen mit abgerundetem Besatz zu verwenden, damit eine kerbfreie Ringnutwurzel entsteht. Der Zylinderstumpf darf nicht vorgeschädigt sein. Bohrmehl oder Bohrschlamm sind gründlich zu entfernen. Bis zum Aufkleben des Stempels muss die Prüffläche wegen der Empfindlichkeit der Kleber gegen Feuchte (siehe Abschnitt 12.6.4) ausreichend trocken sein. Das nasse Vorbohren der Prüfflächen ist mit im Handel erhältlichen leichten Nassbohrgeräten zwar kein technisches Problem mehr, doch wird der Aufwand für die Kühlwasserversorgung und -ableitung sowie für die Wartezeit bis zum Abtrocknen der Prüfflächen im Allgemeinen als störend und nachteilig empfunden. Überkopfbohrungen sind besonders problematisch. Von einer Beschleunigung des Abtrocknens mittels Heißluftfön oder Gasflamme muss abgeraten werden, weil thermische Spannungen das Betongefüge vorschädigen können. Das Vorbohren liefert definierte Beanspruchungsflächen. Deshalb ist das Verfahren mit eingebohrter Ringnut insbesondere in Zweifelsfällen maßgebend. Für das Verfahren ohne Vorbohren sprechen demgegenüber die einfachere Prüfungsdurchführung und ein verringerter Zeitbedarf. Vom prüftechnischen Standpunkt erscheint letzteres allein für Vorsondierungen (siehe Abschnitt 12.2) oder für gut/schlecht-Prüfungen geeignet, bei denen es nicht auf sehr differenzierte Aussagen ankommt. Grundsätzlich ist zu berücksichtigen, dass die beiden hier gegenübergestellten Verfahrensvarianten verschiedenen Einflüssen unterliegen, und dass deshalb die Ergebnisse nicht direkt vergleichbar sind. So wird z.B. beim Versuch ohne Vorbohren die Größe des Ausbruchkraters u.a. durch das Zuschlaggrößtkorn und die Betonfestigkeitsklasse bestimmt. Insbesondere bei niedrigen Betondruckfestigkeiten ist der Ausbruchkrater im Allgemeinen größer und hat eine andere Form (siehe Bilder 12.6, 12.17, 12.18), was eine entsprechend höhere Abreißkraft zur Folge hat. Besonders in kritischen Fällen ist zu beachten, dass die Ergebnisse ohne Vorbohren nicht auf der sicheren Seite liegen. Die tatsächlichen Spannungen bzw. Festigkeiten können nur mit sehr großem Aufwand, z.B. durch Ausplanimetrieren

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12 Mechanische Beschaffenheit

Bild 12.16: Beziehung zwischen den Oberflächenzugfestigkeiten ft,s bei vorgebohrten und nicht vorgebohrten Prüfflächen

der Bruchfläche, bestimmt werden. Aber selbst wenn es möglich wäre, die Abreißkraft auf die tatsächliche Bruchfläche zu beziehen, die ohne Bohrnut meist den Grundriss der aufgeklebten Stahlplatten übersteigt, stimmen die Resultate nicht mit denen bei vorgebohrten Prüfflächen überein [12-24]. Die Festigkeit liegt ohne Vorbohren tendenziell höher als mit Vorbohren [12-8], [12-12], [1215], [12-24], [12-25], [12-26], [12-27], [12-28] (siehe Bild 12.16). Auch die Bohrtiefe spielt eine nicht unbeträchtliche Rolle [12-8], [12-12], [12-15], [12-29], [12-30] (siehe Bild 12.19). Erst oberhalb 20 mm [12-12], [12-15] bzw. 30 mm [12-8] ist kaum noch eine Änderung zu erwarten. Je nach Bohrtiefe wirken sich Feuchtezustand, Zeit zwischen Vorbohren und Prüfung, Art der Krafteinleitung (Hebellänge bei Schrägzug) [12-8], [12-12] Steifigkeit des Prüfstempels und Untergrunds [12-12], [12-15] zusätzlich aus. Während im Labor keine nennenswerten Unterschiede zwischen den Standardabweichungen bei vorgebohrten und nicht vorgebohrten Proben festgestellt werden konnten, liegen nach den bisherigen Erfahrungen die Streuungen bei Bauwerksuntersuchungen ohne Vorbohren i.a. höher. Es wird vermutet, dass dabei unter anderem auch die Karbonatisierung und herstellungsbedingte Oberflächeninhomogenitäten eine Rolle spielen. Nicht vorgebohrte Prüfflächen reagieren wegen der Spannungskonzentrationen nahe dem Prüfstempelrand (siehe Bild 12.7a) besonders empfindlich auf etwaige, dort vorhandene Gefügestörungen bzw. Unstetigkeiten im Beton. Auch Fehler bzw. unzulängliche Verklebungen rufen in diesem Bereich besonders hohe Kerbspannungen hervor. Das heißt, nicht vorgebohrte Prüfflächen sind weit mehr zufälligen und mit der Geometrie zusammenhängenden Einflüssen ausgesetzt

12.6 Praktische Prüfungsdurchführung

425

Bild 12.17: Ohne Vorbohren Abweichungen der Bruchfläche von der Prüfstempelfläche

Bild 12.18: Definierte Beanspruchungsfläche durch Einbohren einer Ringnut

und hängen weit weniger von den eigentlich interessierenden Materialeigenschaften des Betons ab als vorgebohrte Prüfflächen. Da der Bruch ohne Vorbohren unabhängig von den Verhältnissen in tiefer gelegenen Zonen an der Oberfläche erzwungen bzw. zumindest initiiert wird, kann es in den Fällen, in denen die Betonrandzone fester ist als das Betoninnere zu schwerwiegenden Fehlbeurteilungen kommen. Dies gilt z.B. für

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12 Mechanische Beschaffenheit

Leichtbetone, bei denen die Betonrandzone mit gefügedichtem Mörtel angereichert ist und eine vergleichsweise geringe Porosität aufweist. Karbonatisierung reduziert den Porenraum und führt zu ähnlichen Effekten (hard shell effect [12-16]). Es wird für wenig sinnvoll gehalten, die Bohrtiefe über 10 mm hinaus zu erhöhen. Zwar liegen die Resultate tendenziell niedriger (siehe Bild 12.19) und somit noch mehr auf der sicheren Seite [12-8], doch steigt die Gefahr, dass Einflüsse aus der Prüfungsdurchführung, wie Schrägzug, wegen der ungünstig großen Hebellänge das Prüfergebnis stark verfälschen. Die Zugfestigkeit ist ähnlich wie die Druckfestigkeit bei gedrungenen Probekörpern wegen der Querdehnungsbehinderung an den Kraftübertragungsplatten höher [12-8], [12-31]. Hinzu kommt, dass bei dünneren Bauteilen oder Proben die verbleibende Restdicke so reduziert wird, dass dies bereits Auswirkungen auf die Spannungsverteilung hat. Außerdem wird der Bruch sehr häufig in Tiefen auftreten, die für die eigentliche Fragestellung bei der Instandsetzung gar nicht mehr relevant sind. Es sei daran erinnert, dass beim Untergrund für Beschichtungen in erster Linie die oberflächennahen Zonen interessieren. Die tiefer gelegenen spielen dann eine Rolle, wenn man hofft, nach dem Entfernen minderfester Randzonen auf höhere Festigkeiten zu stoßen. Selbst in diesem Fall würde erst nach dem Entfernen der minderfesten Randzonen vorgebohrt.

Bild 12.19: Der Einfluss der Bohrtiefe auf die Oberflächenzugfestigkeit (쎲 = Leichtbeton, übrige Werte Normalbeton)

12.6 Praktische Prüfungsdurchführung

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12.6.4 Aufkleben der Prüfstempel Die Prüfflächen müssen vor dem Kleben ausreichend trocken sein. Die Klebfläche des Prüfstempels ist ggf. zu reinigen und zu entfetten. Als Kleber sind im Allgemeinen schnell härtende pastöse Reaktionsharzkleber zu verwenden. Dabei ist darauf zu achten, dass während des Klebens der für den Kleber nach Herstellerangabe vorgesehene Temperaturbereich sowie die Anforderungen an den Feuchtegehalt des Betons eingehalten werden können [12-3]. Die Viskosität spielt insofern eine Rolle, als dass eine Untergrundverfestigung durch penetrierendes Harz vermieden werden muss. Bei pastösen Klebern besteht diese Gefahr nicht. Was geschieht aber mit Oberflächenporen und Unebenheiten? Dies ist eine heikle Frage. Denn sowohl das Verspachteln mit Kleber als auch das Abschleifen der Rauspitzen greift in das Gefüge bzw. in die Spannungsverteilung unter dem Prüfstempel ein und kann vorzeitiges Versagen auslösen. Insgesamt steht zu erwarten, dass die Prüfergebnisse an grobrauer Oberfläche stärker streuen und im Allgemeinen niedriger liegen als an ebener, feinrauer. Der Prüfstempel ist so aufzusetzen, dass überschüssiges Reaktionsharz aus der Klebfuge herausgedrückt und Lufteinschlüsse vermieden werden. Überstehender oder ggf. in die Ringnut gelaufener Kleber ist zu entfernen. Die Stempelfläche soll im aufgeklebten Zustand parallel zur Prüffläche liegen; die Klebfuge soll möglichst gleichmäßig und dünn sein [12-1], [12-3], [12-12], [12-13]. Bei größeren Klebschichtdicken nimmt die Verformbarkeit zu, und es finden ähnlich wie bei der Prüfung weicher Beschichtungen Spannungsumlagerungen statt, die zu einem vorzeitigen Bruch führen (vgl. [12-32]). Zur Verkürzung der Aushärtezeiten werden für das Aufkleben der Stahlscheiben üblicherweise ungesättigte Methacrylatharze (MMA) verwendet. Unter günstigen Bedingungen (trockener Beton, trockene Umgebungsluft, Temperaturen oberhalb von 10°C) kann bereits nach etwa einer halben Stunde geprüft werden. Die Topfzeit ist so gering, dass die Prüfstempel auch an vertikalen Flächen oder über Kopf manuell fixiert werden können. Die Dosierung der beiden Kleberkomponenten erfolgt nach Augenschein, so dass eine pastöse, mit dem Holzspatel gut verstreichbare Masse entsteht. Die Polymerisationsreaktion ist relativ unempfindlich gegen Dosierungsunterschiede. Die Einstellung einer geeigneten Konsistenz erfordert trotzdem einige Erfahrung. Bei zu flüssiger Konsistenz enthält die Mischung zu viel monomeres Methacrylat (flüssige Komponente), das von der Betonrandzone aufgesaugt wird und unter dem aufgesetzten Prüfstempel nur langsam verdunsten kann. In solchen Fällen bleibt die Kontaktzone Beton/Kleber durch das Monomer angelöst und erhärtet außerordentlich langsam. Diese Prüfstellen lassen sich erst nach mehreren Stunden bzw. Tagen prüfen. Ist an den abgerissenen Stempeln ein starker Geruch nach den monomeren Bestandteilen des Klebers (Flüssigkomponente) festzustellen, könnte dies ein Hinweis darauf sein, dass der Kleber noch nicht optimal ausgehärtet ist. Auf der anderen Seite führt eine zu steife

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12 Mechanische Beschaffenheit

Konsistenz, d.h. ein zu hoher Polymerisat- und Beschleunigeranteil (pulverförmige Komponente), zu einer mangelhaften Benetzung der Klebflächen und zu einer nennenswerten Reduzierung der Topfzeit. Probleme können auch bei der Durchführung von Haftzugprüfungen an Spachtel- oder Oberflächenschutzbeschichtungen auftreten, die lösemittellösliche Kunststoffe enthalten, da das Monomere z.B. Acrylatbestandteile anlöst. In solchen Fällen kann man z.B. auf lösemittelfreie Epoxidharze ausweichen, die allerdings für die vorliegenden Zwecke mehrere Nachteile zeigen: a) Bei vielen dieser Harzsysteme wird eine ausreichende Zugfestigkeit erst mehrere Stunden bis Tage nach dem Mischen erreicht. Die Vorbereitung der Klebflächen einschließlich Aufkleben einerseits und das Prüfen andererseits müssen in der Regel an verschiedenen Tagen erfolgen. Die Prüfung an vertikalen Flächen erfordert unter diesen Umständen spezielle Haltebzw. Fixiervorrichtungen für die Prüfstempel. Allerdings sind im Handel auch besonders schnell erhärtende EP-Harze erhältlich, mit denen die Prüfungen unter günstigen Witterungsbedingungen bereits etwa einen halben Tag nach dem Aufkleben durchgeführt werden können. b) EP-Harze müssen zur Erzielung optimaler Eigenschaften in einem stöchiometrischen Verhältnis gemischt werden. Das heißt, die Polyadditionsreaktion duldet praktisch keine Mischungstoleranzen. Da auf der Baustelle nur selten geeignete Waagen zur Verfügung stehen, müssen die Klebemischungen in den benötigten Mengen nach Harz und Härter getrennt im Labor vordosiert werden. Eine gewisse Vereinfachung wird mit solchen Systemen erzielt, bei denen Harz und Härter etwa im Verhältnis 1:1 zu mischen sind. Die Komponenten werden z.B. in Tuben geliefert, was die Entnahme kleinerer Mengen begünstigt. Bei derartigen Mischungsverhältnissen wirken sich kleine Dosierungenauigkeiten weniger gravierend aus, so dass Dosierungen nach Augenschein möglich sind. In [12-33] wird über einen Polyurethankleber berichtet, der ähnlich positive Erhärtungseigenschaften und Festigkeiten aufweist wie MMA-Kleber, jedoch PCC-Mörtel nicht anlöst. BUDNIK und DORNAUER [12-34] haben auch für unbeschichteten Beton gravierende Festigkeitsunterschiede abhängig vom verwendeten Kleber festgestellt. Die Mittelwerte der Oberflächenzugfestigkeiten lagen bei EP-Kleber am höchsten und erreichten bei PUR weniger als 80%, bei MMA sogar nur weniger als 50% dieser Werte. An der Allgemeingültigkeit dieser Resultate bestehen erhebliche Zweifel, weil sich in früheren Untersuchungen im Gegenteil eher MMA-Kleber als günstig erwiesen hat [12-2] (vgl. auch [12-33]). Es wäre in diesem Zusammenhang wichtig, die Anwendungsbedingungen genauer zu kennen. Aus den Angaben in [12-34] geht nicht hervor, ob der Bruch vollständig im Beton oder auch im Kleber erfolgt ist. Außerdem lassen Prüfserien mit je 15 Einzelwerten, die nur an einem Beton gewonnen wurden, noch keine zu verallgemeinernden Rückschlüsse zu. Auf gar keinen Fall

12.6 Praktische Prüfungsdurchführung

429

sollte daraus die Rechtfertigung abgeleitet werden, Prüfresultate mit MMAKleber nachträglich aufzuwerten. Nachfolgend werden einige Probleme beschrieben, die beim Kleben der Stahlstempel auftreten können: Während MMA-Kleber auch noch bei Temperaturen um den Gefrierpunkt erhärten, zeigen sie sich außerordentlich empfindlich gegen Feuchte auf den Klebflächen. Dies ist eine häufige Ursache für Fehlschläge bei der Prüfung (vgl. auch [12-33]). EP-Harze benötigen zum Erhärten eine Mindesttemperatur von +5 bis +8°C. Bei niedrigeren Temperaturen wird die Erhärtungsreaktion stark verzögert oder sogar vollständig ausgesetzt. Im Allgemeinen sind EP-Harze feuchteempfindlich. Spezielle EP-Harztypen können jedoch auch auf feuchtem Untergrund eingesetzt werden. Maßgebend sind in jedem Fall die vom Hersteller angegebenen Verarbeitungsbedingungen. Bei hohen Temperaturen wird die Topfzeit so drastisch verkürzt (etwa Verdopplung der Erhärtungsgeschwindigkeit bei Temperaturerhöhung um 10 K), dass nur wenige Klebflächen mit einer Mischung hergestellt werden können. Keinesfalls darf bereits gelierendes Harz noch verarbeitet werden, weil sich in dieser Phase die Benetzung der Klebflächen erheblich verschlechtert.

12.6.5 Zeit und Klimabedingungen zwischen Vorbohren, Kleben und Prüfen Bisher wurde angenommen, dass die Durchführung des Oberflächenzugversuchs (Abreißversuchs) nach dem Aushärten des Klebers weitgehend witterungsunabhängig ist. Es sollte nur sichergestellt sein, dass die mechanischen und elektrischen Bausteine des Prüfgerätes funktionstüchtig blieben. Zum Aufkleben der Prüfstempel müssen die oben genannten Bedingungen eingehalten werden. Durch eine Begrenzung der Temperatur des Prüfgutes auf mindestens +5°C [12-7] sollen nennenswerte thermische Einflüsse auf die Oberflächenzug- bzw. Haftzugfestigkeit vermieden werden. Im Allgemeinen ist bei niedrigeren Temperaturen mit einem Festigkeitsanstieg zu rechnen. Gleichzeitig nimmt die Verformbarkeit des Prüfguts und Klebers ab. Die Grenztemperaturen des Untergrunds für Reparaturen und Beschichtungen liegen nach [12-11] zwischen 5 und 40°C (vgl. Abschn. 3.4). Neu ist jedoch die Feststellung [12-8], dass je nach Grad der Durchfeuchtung innerhalb eines Tages zwischen Aufkleben und Prüfen Festigkeitsunterschiede bis 17% möglich sind. Während von den drei in Bild 12.20 beschriebenen Feuchtezuständen trocken und nass etwa gleich abschnitten, lieferte der Zustand feucht die besten Ergebnisse. Bekanntlich überlagern sich bei Trockenlagerung die Zugspannungen im Zugversuch ungünstig mit Schwindspannungen [12-31]. Auch der festigkeitsmindernde Einfluss einer Wassersättigung ist bekannt. So lässt sich erklären, warum der feuchte Zustand die besten Resultate liefert. Relativ

430

12 Mechanische Beschaffenheit

Bild 12.20: Einfluss des Feuchtezustandes nach dem Vorbohren auf die Oberflächenzugfestigkeit nach WINKLER und GRUNER [12-8]. (Probenalter > 1 Jahr; vor dem Bohren lagerten die Proben trocken in Kellerräumen bei weitgehend konstantem Klima)

unklar bleibt, warum eine größere Wartezeit (7 d statt 1d) bei allen drei Feuchtezuständen die Festigkeit reduziert [12-8]. BUNGEY [12-35] ging im Gegenteil davon aus, dass mit einer erhöhten Wartezeit die Festigkeit ansteigt, weil Vorbeanspruchungen, die beim Vorbohren infolge Reibung und Torsion entstehen, durch Spannungsrelaxation abgebaut werden können. BIRKHOLZ konnte dies nicht bestätigen. Nach ihren Untersuchungen [12-27] spielt es unter Standard-Klimabedingungen keine Rolle, ob die Prüfung 1,5 h oder 24 h nach dem Vorbohren erfolgt (siehe Bild 12.21), vorausgesetzt, die Prüffläche ist nach 1,5 h bereits ausreichend trocken. Über einen Einfluss der Austrocknung nach dem Vorbohren wird auch in [12-23] berichtet. Durch das Nassbohren bildet sich im Bereich der Ringnut ein Feuchtesaum, der zum Quellen des Betons und zu Eigenspannungen führt. Diese setzen die Festigkeit herab. Um das tiefe Eindringen von Feuchte zu vermeiden, wird empfohlen, das Wasser sofort nach dem Bohren aus der Ringnut zu entfernen.

12.6.6 Prüfstempel Um mögliche Einflüsse auf das Prüfergebnis auszuschließen, ist neben einer ausreichenden Dicke auch eine axialsymmetrische Stempelform anzustreben. Zylindrische Stempel mit mittiger Gewindebohrung sind gut geeignet. Wegen der Querschnittsschwächung im Bereich der Bohrung sollte die Gesamtdicke mindestens 25 mm [12-1], [12-12], [12-13] bzw. die Dicke des ungeschwäch-

12.6 Praktische Prüfungsdurchführung

431

Bild 12.21: Einfluss der Zeit zwischen Vorbohren und Prüfung auf die Oberflächenzugfestigkeit nach BIRKHOLZ [12-27]

ten Querschnitts mindestens 1/4 des Stempeldurchmessers betragen (siehe DIN 1048 [12-3]). Forderungen, die darüber hinausgehen (siehe z.B. [12-10]), sind als überzogen anzusehen.

12.6.7 Prüfgerät 12.6.7.1 Lasteinleitung Wie in Abschnitt 12.4.5 ausgeführt, lässt es die Form und Gestalt von Betonoberflächen, insbesondere nach der Untergrundbearbeitung, nicht immer zu, den Prüfstempel frei von Querkräften und Momenten senkrecht zur Betonoberfläche abzureißen. Doch können die Zusatzbeanspruchungen infolge Schiefstellungen der Prüfstempel bzw. des Prüfgerätes minimiert werden, wenn das Prüfgerät nach der Prüfstempelachse ausgerichtet wird (Bild 12.10b). Dazu muss das Prüfgerät über geeignete Justiermöglichkeiten verfügen, damit die Achsen des Prüfstempels und des Prüfgerätes in Übereinstimmung gebracht werden können. Die Zugstange wird je nach Gerätetyp entweder in die zentrische Gewindebohrung des Prüfstempels eingeschraubt oder über spezielle Schnellkupplungen mit dem Prüfstempel verbunden. Für Prüfungen an vertikalen Flächen ist eine Halterung bzw. geeignete Auflagerung erforderlich, um Zusatzbeanspruchungen zu vermeiden (Bild 12.22).

432

12 Mechanische Beschaffenheit

Bild 12.22: Transportable hydraulische Zugvorrichtung mit Haltevorrichtung für senkrechte Flächen

12.6.7.2 Belastungsvorrichtung und Kraftanzeige Nach DIN 1048-2 können die Prüfungen sowohl mit transportablen als auch mit stationären Vorrichtungen durchgeführt werden. Die stationären Prüfmaschinen müssen mindestens der Klasse 3 nach DIN 51 221-1 [12-37] 5 entsprechen, transportable müssen die in DIN 51220 [12-36] aufgeführten, für die Kraftmessung relevanten Anforderungen erfüllen und ebenfalls mindestens der Klasse 3 entsprechen. Dabei muss die Messwertanzeige eine Auflösung von 2% des jeweiligen Kraftmessbereichs aufweisen. Die in Betracht kommenden mobilen Prüfeinrichtungen bestehen meist aus einem elektromotorisch angetriebenen Hydraulikaggregat mit Einrichtungen zur Kraftsteuerung bzw. -regelung und einem über Hydraulikschläuche betriebenen Prüfzylinder (vgl. Bild 12.23). Daneben sind auch elektromechanische Prüfgeräte erhältlich, bei denen der Servomotorantrieb direkt in der Belastungsvorrichtung untergebracht ist (Bild 12.24). Bei transportablen Prüfmaschinen spielt neben der Genauigkeit und den Kosten auch die Robustheit, das Gewicht und die Handhabung eine wesentliche Rolle, da die Geräte am Bauwerk auch unter schwierigen Verhältnis5

Inzwischen zurückgezogen, ersetzt durch DIN EN ISO 7500-1 [10-48].

12.6 Praktische Prüfungsdurchführung

433

Bild 12.23: Transportable hydraulische Zugvorrichtung mit Kraftmessdose sowie zugehöriges Hydraulikaggregat mit Servoregelung und Kraftanzeige

sen (z.B. Gerüst, Hubarbeitsbühne, über Kopf) eingesetzt werden müssen. In dieser Hinsicht sind möglichst kleine, leichte und handliche Geräte erwünscht. Mehrere Hersteller bieten mechanische Prüfgeräte an, bei denen die Prüfkraft über einen handbetriebenen Kurbel/Spindelantrieb erzeugt wird. Diese Maschinen sind zwar sehr kompakt und haben ein Eigengewicht von z.T. nur etwa 2 kg, im Gegensatz zu 25 bis 30 kg bei hydraulischen Prüfgeräten, deren Prüfzylinder allein bereits ein Gewicht von 5 bis 10 kg aufweisen, doch können die Anforderungen an die Genauigkeit und Konstanthaltung der Belastungsgeschwindigkeit nicht erfüllt werden (siehe unten). Solche Prüfmaschinen haben daher allenfalls eine gewisse Berechtigung für grobe Sondierungsprüfungen (vgl. Abschnitt 12.2). Keinesfalls dürfen sie zur Grundlage für die Prüfung und Abnahme vertraglicher Leistungen gemacht werden. Dies gilt besonders dann, wenn solche Prüfvorrichtungen in Verbindung mit Kleinstprüfstempeln von nur 20 mm Durchmesser eingesetzt werden. Eine hohe Genauigkeit verteuert die Prüfeinrichtung, weil der Aufwand zur Belastungsregelung und Kraftmessung steigt. Die höchste Genauigkeit wird mit servohydraulischem oder elektromechanischem Antrieb und Regelung über elektronische Kraftmessung an der Zugstange erreicht. Ähnliche Prinzipien werden auch bei hochwertigen Laborprüfmaschinen angewandt. Bei indirekter Kraftmessung z.B. über den Öldruck besteht hingegen die Ge-

434

12 Mechanische Beschaffenheit

Bild 12.24: Akkubetriebenes Prüfgerät mit Servomotor sowie integrierter Mess- und Regelelektronik

fahr, dass Kolbenreibung das Ergebnis verfälscht. Diese Gefahr ist bei den manchmal recht unsanft behandelten Baustellengeräten besonders groß. Möglichen Fehlereinflüssen kann durch eine regelmäßige Funktionskontrolle begegnet werden. Bei der Auswahl eines solchen Gerätes ist auf Kalibriermöglichkeit und Eichfähigkeit zu achten. Die Entscheidung für einen bestimmten Gerätetyp wird wesentlich davon abhängen, welchen Ansprüchen das betreffende Gerät genügen soll. Nach DIN 1048-2 müssen die Zugvorrichtungen wenigstens der Klasse 3 nach DIN 51 220 [12-36] entsprechen. Die ZTV-ING [12-7] fordern Prüfgeräte mindestens der Klasse 2. Für wissenschaftliche Untersuchungen, amtliche Prüfungen oder Schiedsuntersuchungen kommen unter Umständen sogar Geräte der Klasse 1 in Betracht. Bei Preisvergleichen sind in jedem Fall die Kosten des Zubehörs, insbesondere der Prüfstempel, zu berücksichtigen. Wenn man bedenkt, dass die Prüfstempel im Normalfall nicht auf der Baustelle gereinigt werden können bzw. zur Dokumentation des Bruchbildes eine Zeit lang aufbewahrt werden müssen, sind stets größere Mengen an Stempeln vorzuhalten, um ein zügiges und sinnvolles Arbeiten zu ermöglichen.

12.6.7.3 Belastungsgeschwindigkeit Nach [12-3] müssen die Geräte über eine Einrichtung zur Konstanthaltung der Belastungsgeschwindigkeit verfügen. So wurde in DIN 1048-2 festgelegt, dass die Belastung bis zum Bruch ruckfrei stetig so gesteigert werden soll, dass die Zugspannung in der Prüffläche um etwa 0,05 N/(mm2 · s) zunimmt. Bei ei-

12.6 Praktische Prüfungsdurchführung

435

nem Durchmesser ds = 50 mm entspricht dies einer Kraftsteigerungsrate von etwa 100 N/s. Die Steuerung der Belastungsgeschwindigkeit erfolgt bei hydraulischen Prüfgeräten der unteren oder mittleren Preisklasse entweder über eine Schrittmacheranzeige mit manueller oder aber elektromotorischer Ventilsteuerung. Diese Steuerungen sind nicht exakt, weil sich der Öldurchfluss nicht linear mit der Ventilöffnung ändert. Die Genauigkeit der Belastungsregelung ist aber akzeptabel, wenn die Toleranzen von ± 10% gemäß DIN 51 221-3 [12-38] 6 eingehalten werden. Die o.g. Forderung lässt sich mit manuell betriebenen Geräten in der Regel nicht erfüllen. Leider arbeiten einige der handbetriebenen Prüfvorrichtungen, zu denen auch ältere hydraulische Geräte mit Handpumpe zählen, weder ruckfrei noch lässt sich die Forderung nach Einhaltung einer vorgegebenen konstanten Belastungsgeschwindigkeit erfüllen. Ein Kurbelantrieb ist in diesem Zusammenhang deutlich besser als ein Handrad (Bild 12.11), weil es bei letzterem überhaupt nicht möglich ist, die Last stetig und ruckfrei zu steigern. Im Gegensatz dazu hält GROSSMANN [12-39] aufgrund seiner Untersuchungen den Einfluss der Kraftanstiegsgeschwindigkeit für unbedeutend und gibt an, „dass auch kleinere handbetriebene Geräte in der Regel hinreichend genaue Ergebnisse liefern“. Aus diesem Grunde forderten die ZTV-SIB 90 [12-7] im Gegensatz zu der vorhergehenden Ausgabe von 1987 auch nur noch eine „annähernd“ konstante Belastungsgeschwindigkeit. Dem stehen die in [12-33] veröffentlichten Ergebnisse entgegen, die erhebliche Unterschiede zwischen Prüfgeräten mit kontinuierlichem und diskontinuierlichem Lastanstieg erkennen lassen. WINGES-LAU [12-20] untersuchte den Einfluss der Belastungsgeschwindigkeit auf die Oberflächenzugfestigkeit in einem Bereich zwischen 0,02 N/(mm2 · s) und 1 N/(mm2 · s) für unterschiedliche Betonfestigkeiten. Dabei stellte sich heraus, dass die Absolutwerte der Oberflächenzugfestigkeiten mit der Belastungsgeschwindigkeit und mit der Betongüte zunehmen. Gleichzeitig stieg der Zuschlaganteil in der Bruchfläche und die mittlere Ausbruchtiefe. Der relative Anstieg der Oberflächenzugfestigkeit war jedoch für die Mehrzahl der untersuchten Betone ähnlich und betrug bei Belastungsgeschwindigkeiten zwischen 0,05 N/(mm2 · s) und 1 N/(mm2 · s) 7,5 bis 9%. Insgesamt ist der Einfluss der Kraftanstiegsgeschwindigkeit auf die Oberflächenzugfestigkeit noch wenig erforscht [12-15]. Bei den bisherigen Festlegungen ging man von den gängigen Standards der Prüftechnik aus, wo diesem Faktor sehr wohl Bedeutung beigemessen wird. Als Anhalt für die Festlegung Belastungsgeschwindigkeit beim Abreißversuch dienten die RILEM Recommendations CPC 7 für den einachsigen Zugversuch (vgl. [12-5]). Es ist zu befürchten, dass bei Nichtbeachtung dieses Einflusses die ohnehin schon großen Streuungen noch erhöht werden. 6

Zurückgezogen, ersetzt durch DIN EN ISO 7500-1 [10-48].

436

12 Mechanische Beschaffenheit

12.6.7.4 Haltevorrichtung und Fernbedienung Um eine momentenfreie Krafteinleitung zu erreichen, muss die Belastungsvorrichtung bei Versuchen an vertikalen Flächen unterstützt bzw. durch eine geeignete Haltevorrichtung (Bild 12.22) gesichert werden. Dies empfiehlt sich auch zum Schutz gegen Herunterfallen. Solche Haltervorrichtungen sind als Zubehör im Handel erhältlich. Je nach Bauart des Gerätes ist eine Fernbedienung erforderlich, damit Prüfungen auch an vertikalen Flächen von einer Person durchgeführt werden können. Bei Verwendung einer Haltevorrichtung lässt sich der Versuch vom Hydraulikaggregat aus steuern (siehe Bilder 12.22 und 12.23). 12.6.7.5 Stichprobenumfang Mit Hilfe des in Bild 12.25 gezeigten Diagramms kann der erforderliche Stichprobenumfang n* aus der Standardabweichung s und der gewünschten Weite des Vertrauensbereiches q* abgeschätzt werden, wobei die Standardabweichung entweder aus Erfahrung bekannt sein muss oder aus Vorversuchen bestimmt wird. Dazu ein praktisches Beispiel: Nach 3 (besser 5) Versuchen innerhalb eines Prüfabschnittes wird anhand des Diagramms überprüft, ob und ggf. wie viel weitere Versuche zur Erzielung einer bestimmten Aussagesicherheit erforderlich sind. Dazu berechnet man aus den Versuchen die Standardabweichung – beispielsweise 0,4 N/mm2 – und sieht, dass bei einer gewünschten Genauigkeit von z.B. 0,25 N/mm2 insgesamt 9 Versuche benötigt werden.

Bild 12.25: Ermittlung des erforderlichen Stichprobenumfanges n* in Abhängigkeit von der Standardabweichung der Stichprobe und der gewünschten Weite des Vertrauensbereiches q* in N/mm2 [12-1], [12-12]

12.7 Auswertung der Versuchsergebnisse

437

Tab. 12.4: Faktor k in Abhängigkeit vom Stichprobenumfang

a

n

ka

n

ka

5 6 7 8 9 10

0,953 0,823 0,734 0,670 0,620 0,580

15 20 25 30 35

0,455 0,387 0,342 0,310 0,286

tn–1; 1–S k = 85 ÷3n einseitig berechnet für eine statistische Sicherheit von S = 95% (t aus Studentverteilung).

Die bis dahin durchgeführten Prüfungen können auf die Gesamtzahl angerechnet werden. Nach den 9 Versuchen ist aber eine Kontrolle notwendig [12-1], [12-12], [12-13]. Eine Abschätzung des erforderlichen Versuchsumfanges kann auch anhand der Standardabweichung der Stichprobe gemäß DIN 1048-2, Anhang A vorgenommen werden. Bei einseitigem Vertrauensbereich gilt für den gesuchten Mittelwert µ der Grundgesamtheit der Festigkeitswerte: µ ≥ ƒt,s – k · s .

(12.1)

Dabei sind ƒt,s der Mittelwert und s die Standardabweichung der Stichprobe. Der Faktor k kann in Abhängigkeit vom Stichprobenumfang n der Tabelle 12.4 entnommen werden. Beide Methoden beruhen auf den gleichen Grundlagen und führen zu übereinstimmenden Resultaten.

12.7 Auswertung der Versuchsergebnisse 12.7.1 Beurteilung des Bruchbildes Das Bruchbild liefert wichtige ergänzende Informationen zu den Festigkeitsergebnissen. Die Bruchbilder sollten in möglichst einheitlicher und abgekürzter Form nach leicht messbaren oder gut schätzbaren Kriterien (Art, Flächenanteile, Bruchtiefe) beschrieben werden. Ausführliche und freie Formulierungen erschweren die Vergleichbarkeit und Übertragbarkeit. Außerdem ist der Aufwand zur Dokumentation und zur Bewertung von ausführlichen Texten im Normalfall nicht zu rechtfertigen. Doch darf die Darstellungsform je nach Art der Aufgabe die einzelnen Brucharten auch nicht zu pauschal und zu undifferenziert charakterisieren, weil dann u.U. wichtige Informationen verloren gehen. Die nachstehenden Abkürzungen gemäß Tabelle 12.5 lassen sowohl grobe als feine Unterscheidungen zu, sollten aber zur genaueren Beurteilung des Betonuntergrunds noch ergänzt werden (Vorschläge siehe weiter unten).

438

12 Mechanische Beschaffenheit

Tab. 12.5: Beschreibung der Trennfälle nach [12-10], [12-11], [12-17] Kohäsionsversagen

Adhäsionsversagen

Kurzzeichen

Beschreibung

Kurzzeichen

Beschreibung

A B C .. Y Z

Betonsubstrat erste Schicht zweite Schicht ..te Schicht Klebeschicht (Prüfstempel)

A/B B/C C/.. ../Y Y/Z

zwischen Substrat und erster Schicht zwischen erster und zweiter Schicht zwischen zweiter und ..ter Schicht zwischen ..ter Schicht und Klebeschicht zwischen Klebeschicht und Prüfstempel

Gemäß DAfStb-Richtlinie [12-11] ist die Berechnung der Oberflächenzugfestigkeit des Betonuntergrunds nur bei der Bruchform A möglich. Bei wechselndem Bruchverlauf sind die jeweiligen Flächenanteile auf 10% abzuschätzen. Abrisse, die zu mehr als 25% in der Klebfuge erfolgen, bleiben bei der Auswertung unberücksichtigt [12-10]. Bei einer Kombination dieser Versagensarten wird der prozentuale Anteil jeder Versagensart auf 10% visuell abgeschätzt und als Verhältnis angegeben, z.B.: A:A/B:B = 40% : 10% : 50% Für die Berechnung der Haftzugfestigkeit kommen nur die Bruchformen A/B und B/C in Betracht. Die übrigen Bruchformen eignen sich allenfalls zur Abschätzung der Haftzugfestigkeit [12-11]. Für die Auswertung der Oberflächenzugversuche (Kohäsionsbruch im Beton) schlägt der Verfasser folgende Ergänzungen vor (siehe Bild 12.26): A, o A, m A, k

– Kohäsionsbruch in oberflächennaher Betonrandzone (etwa 0 bis 2 mm dick) – Bruch im mittleren Bereich innerhalb des freigebohrten Zylinderstumpfes – Bruch an der Ringnutwurzel (Kerbbruch nicht auszuschließen)

In Abhängigkeit vom Flächenanteil der charakterisierten Brucharten lassen sich ggf. folgende Rückschlüsse ziehen: a) Kohäsionsbruch im Bereich der Ringnutwurzel (A, k): Bei dieser Bruchart (Bild 12.28) ist anzunehmen, dass die tatsächliche Oberflächenzugfestigkeit größer als der Messwert ist, da die Ringnutwurzel Kerbwirkungen hervorruft und das Resultat verringert. Der Kerbeffekt ist formbedingt (z.B. durch eine scharfkantige Bohrnut) und für die Beschreibung der Materialeigenschaften unter Umständen nicht relevant. Die Prüfungen sind ggf. zu wiederholen.

12.7 Auswertung der Versuchsergebnisse

439

Bild 12.26: Bezeichnung der Bruchformen bei Kohäsionsversagen in Anlehnung an [12-10], [12-11], [12-17]

Bild 12.27: Bezeichnung der Bruchformen bei Adhäsionsversagen nach [12-10], [12-11], [12-17]

440

12 Mechanische Beschaffenheit

Bild 12.28: Kohäsionsbruch teilweise im Bereich der Ringnutwurzel (siehe Pfeil)

b) Kohäsionsbruch im mittleren Bereich des freigebohrten Zylinderstumpfes (A, m): Diese Erscheinung bedeutet, dass die Festigkeit in der äußeren Randzone sogar besser ist als in tiefer gelegenen Schichten und dass die Festigkeit kaum – höchstens durch Abarbeiten des Betons über die Bruchtiefe hinaus – noch gesteigert werden könnte (Bild 12.29, rechts). c) Kohäsionsbruch in einer dünnen Schicht unmittelbar unter der Betonoberfläche (A, o): Diese Bruchbilder (Bild 12.29, links) treten z.B. bei Zementschlämmeschichten an der Oberfläche auf und zeigen, dass die Festigkeit erforderlichenfalls durch Untergrundvorbereitung noch gesteigert werden kann. Wenn der Bruch vorwiegend in der äußersten Rand-

Bild 12.29: Kohäsionsbruch in verschiedenen Schichten unter der Betonoberfläche

12.7 Auswertung der Versuchsergebnisse

441

zone eintritt, ist die Festigkeit in den tiefer gelegen Zonen sehr wahrscheinlich größer. Diese Deutung des Bruchbildes setzt voraus, dass die Prüfflächen vorgebohrt wurden. Bei nicht vorgebohrten Proben und höheren Festigkeiten tritt der Bruch sehr häufig in einer dünnen Oberflächenschicht ein. d) Adhäsionsbruch an der Oberfläche (A/Y): Möglicherweise war die Oberfläche durch Staub, Öl, Fett oder Schalöl verschmutzt, oder der Beton war beim Aufkleben des Prüfstempels noch zu feucht. Wenn die Bruchflächen stark nach der Flüssigkomponente der Klebers riechen, kann dies ein Indiz dafür sein, dass der Kleber entweder noch nicht ausgehärtet war bzw. der Beton infolge zu flüssiger Konsistenz monomeres Methacrylat in die Kapillaren aufgesaugt hatte. Wie in Abschnitt 12.6.4 ausgeführt, kann dadurch bis zum Verdampfen der Flüssigkeit die Adhäsion des Klebers gestört werden. e) Kohäsionsbruch innerhalb der Ausbesserung bzw. Oberflächenschutzschichten (B, C, D, …): In diesen Fällen wird nur die Zugfestigkeit desjenigen Materials wiedergegeben, in dem der Bruch auftritt. Die Festigkeiten der übrigen Schichten sind größer. Stark verformbare Schichten, wie z.B. Riss überbrückende Beschichtungen lassen sich nur unter Vorbehalt prüfen, da bei Belastung erhebliche Spannungsumlagerungen und örtliche Spannungskonzentrationen auftreten. Nach [12-10] bzw. [12-11] soll dieser Einfluss durch eine höhere Belastungsgeschwindigkeit ausgeglichen werden. Die Festlegung von 300 N/s erscheint in diesem Zusammenhang allerdings recht willkürlich. f ) Bruch an den Schichtgrenzen der Ausbesserung bzw. Oberflächenschutzschichten (Adhäsionsbruch, z.B. B/C, C/D ....): Sind die Haftzugfestigkeiten zu gering, so kommen neben einer Untauglichkeit des Materials auch folgende Versagensursachen in Betracht: – mangelhafte Verträglichkeit der verbundenen Schichten – unzureichende Austrocknung der tiefer gelegenen Schicht (ggf. mangelhafte Verdunstung von Lösemitteln) – zu stark saugender Untergrund – zu glatte und/oder nicht reaktive Grenzflächen – fehlende Absandung von EP-Harz-Grundierungen bei Beschichtung in größerem Zeitabstand – fehlende Haftbrücken bei zementgebundenen Beschichtungen und Haftbrücken, bei denen nicht frisch in frisch gearbeitet wurde. Unter Umständen sind für das Adhäsionsversagen auch Entmischungserscheinungen verantwortlich, so z.B. Kunststoffanreicherungen an der Oberfläche von PCC-Systemen, die die Haftung des OS herabsetzen können.

442

12 Mechanische Beschaffenheit

12.7.2 Reproduzierbarkeit der Ergebnisse Die Zugfestigkeit von Beton streut bekanntlich stärker als die Druckfestigkeit. Ursachen dafür sind lokale Fehlstellen wie Risse, Poren und Materialfehler sowie Gefügespannungen und Einflüsse aus der Oberflächenbeschaffenheit und Form der Zuschläge, die sich unter Zugbeanspruchung stärker auswirken als bei Druckbeanspruchung. Solche Fehlstellen oder Stellen mit geringerer Zugfestigkeit sind innerhalb der Probe zufällig verteilt und hängen von der Zusammensetzung, Herstellung und Verarbeitung des jeweiligen Betons ab. Den relativ großen Streuungen beim Oberflächenzugversuch (Abreißversuch) muss durch einen angemessenen Stichprobenumfang Rechnung getragen werden (vgl. Abschnitt 12.6.7.5). Dabei ist allerdings auch zu berücksichtigen, dass dem Wunsch nach möglichst großer Genauigkeit und Aussagesicherheit zunehmende Prüfkosten gegenüberstehen. DIN 1048-2 [12-3] überlässt es den Anwendungsvorschriften (z.B. [12-10], [12-11]), den erforderlichen Stichprobenumfang und die gewünschte Aussagesicherheit festzulegen.

12.7.3 Einfluss des w/z-Wertes auf die Oberflächenzugfestigkeit Während die Druckfestigkeit von Beton bekanntlich sehr stark vom w/z-Wert beeinflusst wird, ist die Abhängigkeit zwischen w/z-Wert und Zugfestigkeit insbesondere im Bereich niedriger w/z-Werte weit weniger ausgeprägt (Bild 12.30). Die Kurven verlaufen am Anfang sehr flach. Dieses Verhalten korre-

Bild 12.30: Einfluss des w/z-Wertes auf die Oberflächenzugfestigkeit

12.7 Auswertung der Versuchsergebnisse

443

Bild 12.31: Beziehung zwischen Oberflächenzugfestigkeit und Betondruckfestigkeit (vgl. [12-1], [12-12], [12-44]) für optimal vorbereitete Betonoberflächen

spondiert sinngemäß mit dem Zusammenhang zwischen Druckfestigkeit und Oberflächenzugfestigkeit (vgl. Bild 12.31). Normalerweise spielt bei Zugbeanspruchung die Haftung zwischen Zementstein und Zuschlagkorn eine sehr wesentliche Rolle, so dass der Einfluss des w/z-Wertes von der Kornform, vom Größtkorn und der Oberflächenbeschaffenheit des Zuschlags überlagert wird. Dies war jedoch bei den Versuchen in [12-2] nicht festzustellen; die in Bild 12.30 wiedergegebenen Resultate (Geraden im oberen Teil des Bildes) sind für gesandstrahlte Betone mit Kiessand und gebrochenem Basalt beinahe identisch. Die mit CEM I 32,5 R hergestellten Betone waren zum Zeitpunkt der Prüfung 2,5 bis 3 Monate alt. Die untere Kurve in Bild 12.30 stammt aus Daten nach [12-40]. Die Oberflächenzugfestigkeiten wurden im Alter von 28 Tagen an senkrechten (geschalten) und nicht bearbeiteten Flächen gemessen. Die Unterschiede zwischen den Resultaten nach [12-2] und [12-40] dürften zum einen auf das unterschiedliche Betonalter, zum anderen auf die unterschiedliche Untergrundbearbeitung zurückzuführen sein.

12.7.4 Einfluss der Nachbehandlung und Karbonatisierung Bei frühzeitiger rascher Austrocknung z.B. durch Sonneneinstrahlung oder starken Luftzug wird dem Zement das Wasser entzogen, das er zum Erhärten benötigt. Die Hydratation erfolgt nur so lange wie freies Wasser zur Verfügung steht. Bei frühzeitigem Austrocknen (fehlende oder unzureichende Nachbehandlung) werden die ersten Hydratationsprodukte wieder zerstört und zwar umso mehr, je geringer das wirksame Alter des Betons ist und je schneller das

444

12 Mechanische Beschaffenheit

Wasser entzogen wird. Betone mit langsam erhärtenden Zementen oder erhärtungsverzögernden Zusätzen sind in dieser Hinsicht besonders empfindlich. Bei anschließender Befeuchtung kommt die Hydratation zwar wieder in Gang, doch muss mit erheblichen Festigkeitseinbußen gerechnet werden. Ähnlich nachteilig wirkt sich frühzeitige Frosteinwirkung auf die Betonoberfläche aus. Gefriert Beton im jungen Alter, kommt die begonnene Erhärtungsreaktion zum Stillstand, und wenn die Vorerhärtungszeit unzureichend war, wird das Gefüge gelockert. Die Erhärtungsreaktion setzt bei Erwärmung zwar wieder ein, doch wird die Endfestigkeit beeinträchtigt. Die Auswirkungen des frühzeitigen Austrocknens und Gefrierens machen sich vor allem in den Randzonen bemerkbar (in Extremfällen bis zu 2 cm Tiefe [12-40]), während der Beton im Inneren länger feucht bleibt und sich je nach Bauteildicke durch die Hydratationswärme mehr oder weniger aufheizt. Aus diesem Grunde wird die Oberflächenzugfestigkeit stärker als die Druckfestigkeit durch die Art und Dauer der Nachbehandlung beeinflusst [12-12], [12-40]. Schlecht nachbehandelter, absandender Beton muss vor dem Auftragen von Ausbesserungs- oder Schutzschichten so weit abgearbeitet werden, bis genügend feste Zonen erreicht werden. Die Karbonatisierung des Betons wirkt sich im Gegensatz dazu festigkeitssteigernd aus [12-41]; denn bei ordnungsgemäß nachbehandeltem Beton ist die Randzone infolge Karbonatisierung dichter und fester als der Beton im Inneren. Man muss deshalb unter Umständen damit rechnen, dass die Oberflächenzugfestigkeit abnimmt, wenn diese Schichten bei der Untergrundvorbereitung entfernt werden (vgl. Abschnitt 12.6.3).

12.7.5 Einfluss der Untergrundvorbereitung Durch Untergrundvorbereitung werden nicht nur lose anhaftende sowie minderfeste (arteigene) Betonbestandteile, Verunreinigungen und artfremde nicht fest haftende Beschichtungen, Trennmittelrückstände und Nachbehandlungsfilme entfernt, sondern – abhängig von der Art des Verfahrens – auch mehr oder weniger signifikante Einflüsse auf das Betongefüge in der Randzone ausgeübt. Schlagend wirkende oder thermische Verfahren können je nach Intensität das Gefüge des verbleibenden Betons lockern und die Festigkeit herabsetzen. Deshalb ist bei solchen Verfahren stets ein weiterer Arbeitsschritt erforderlich, bei dem die gelockerten Partikel abgetragen werden [12-2], [12-40] (vgl. auch Kapitel 10.1 dieses Buches). Wie in [12-42] gezeigt, lassen sich die entstandenen Gefügestörungen durch niedrigviskose Grundierungen, die vor dem Beschichten aufgetragen werden, ausreichend verfestigen. Nach [12-43] können mit EP-Grundierungen auch bei unbehandelten Betonen Festigkeitssteigerungen in der Größenordnung von 0,6 bis 1,3 N/mm2 erzielt werden. Allerdings hängt dieser Effekt erheblich von der Porosität des Betons ab. Bei Betonen mit Oberflächenzugfestigkeiten, die zwischen den beiden Grenzkurven in Bild 12.31 liegen, ist keine nennens-

12.7 Auswertung der Versuchsergebnisse

445

Bild 12.32: Auswirkungen verschiedener Untergrundbearbeitungen auf die Oberflächenzugfestigkeit nach STENNER [12-45]

werte Festigkeitszunahme zu erwarten. Sehr grobraue waschbetonähnliche Oberflächen, wie sie z.T. durch das Hochdruckwasserstrahlen entstehen, können sich auf die Oberflächenzugfestigkeit ungünstig auswirken. Dies ist zum einen dadurch zu erklären, dass sich die Zugspannungen an den Rauspitzen (Erhebungen) konzentrieren, zum anderen dadurch, dass ein Teil der Zuschläge nur noch unvollständig in der Matrix eingebettet ist und sich leicht herauslösen lässt. In Bild 12.32 wird ein Überblick über die Auswirkungen verschiedener Untergrundbearbeitungsmethoden im Vergleich zu einer unbehandelten, lediglich mittels Drahtbürste von Schmutz und Staub befreiten Betonoberfläche gegeben. Nähere Angaben zum Prüfumfang und zu den Prüfparametern liegen jedoch nicht vor.

12.7.6 Beziehung zwischen Oberflächenzugfestigkeit und Druckfestigkeit Da Zug- und Druckfestigkeiten zum Teil verschiedenen Einflüssen unterliegen, besteht kein linearer Zusammenhang. Bild 12.31 lässt erkennen, welche Oberflächenzugfestigkeiten unter günstigen Voraussetzungen in Abhängigkeit von der Betondruckfestigkeit zu erwarten sind. Auffallend ist, dass der Zusammenhang im Bereich höherer Festigkeiten schwächer wird. Mit der dargestellten Beziehung (vgl. [12-12], [12-13], [12-44]), lässt sich unter anderem abschätzen, ob eine Oberflächenbearbeitung überhaupt den gewünschten Erfolg haben wird. Wenn die Druckfestigkeiten unter 15 N/mm2 liegen,

446

12 Mechanische Beschaffenheit

werden mittlere Oberflächenzugfestigkeiten von 1,5 N/mm2, wie in vielen Fällen gefordert, auch bei optimaler Untergrundbearbeitung kaum zu erreichen sein. Der dargestellte Zusammenhang basiert auf einer großen Zahl von Versuchsergebnissen (> 1000) und hat sich auch bei Bauwerksuntersuchungen (Oberflächenzugfestigkeit/Bohrkerndruckfestigkeit) gemäß DIN 1048-2

Bild 12.33: Beziehung zwischen Oberflächenzugfestigkeit und Betondruckfestigkeit nach [12-16], [12-46] im Vergleich zu Bild 12.31

Bild 12.34: Beziehung zwischen Oberflächenzugfestigkeit und Betondruckfestigkeit nach [12-5] im Vergleich zu Bild 12.31

12.8 Literatur

447

immer wieder bestätigt. Auch die Untersuchungen von BUNGEY und MADANDOUST [12-15] sowie LESHCHINSKY [12-16] kommen zu ähnlichen Resultaten (siehe Bilder 12.33 und 12.34). Die Abweichungen im Bereich niedriger Druckfestigkeiten dürften auf differierende Prüfparameter zurückzuführen sein.

12.8 Literatur [12-1]

[12-2]

[12-3] [12-4]

SCHULZ, R.-R.: Mechanische Prüfverfahren zur Beurteilung des Betonuntergrunds. Aus: Handbuch Betonschutz durch Beschichtungen: Praxis und Anwendungen, Normen und Empfehlungen/Hans Schuhmann und andere – Ehningen bei Böblingen: expert-Verlag, 1992. SCHULZ, R.-R.; WESCHE, K.: Die Vorbereitung von Betonoberflächen für Beschichtungen – Bearbeitung, Beschaffenheit und Prüfung –/Bundesminister für Verkehr (Hrsg.). – Aus: Schriftenreihe Forschung, Straßenbau und Straßenverkehrstechnik 1981, Nr. 333, S. 33–111. DIN 1048-2: 1991-06 Prüfverfahren für Beton – Festbeton in Bauwerken und Bauteilen. MEYER, A.: Oberflächennahe Betonschichten. Bedeutung für die Dauerhaftigkeit. In: beton 39 (1989), Nr. 5, S. 208–210.

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[12-10] Zusätzliche Technische Vertragsbedingungen und Richtlinien für Ingenieurbauten (ZTV-ING). Hrsg.: Bundesminister für Verkehr, Abtlg. Straßenbau. Dortmund: Verkehrsblatt-Verlag Borgmann, März 2003. [12-11] DAfStb-Richtlinie Schutz und Instandsetzung von Betonbauteilen (Instandsetzungs-Richtlinie). Hrsg.: Deutscher Ausschuss für Stahlbeton (DAfStb). Berlin und Köln: Beuth Verlag, Oktober 2001.

448

12 Mechanische Beschaffenheit

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12.8 Literatur

449

[12-28] STEHNO, G.; MALL, G.: Die Verwendung eines tragbaren Zugprüfgerätes für die Qualitätskontrolle von Beton. Symposium Zerstörungsfreie Prüfung im Bauwesen ’83, Tatranska Lomnica/CSSR, 02.–04.11.83. [12-29] STEHNO, G.; BLÜMEL, O.W.: Untersuchungen über die Möglichkeit der Verwendung von Kunstharzmörteln für die Oberflächensanierung von Straßenbetondecken. Schriftenreihe „Straßenforschung“, Heft 139, Österreichisches Bundesministerium für Bauten und Technik, 1980. [12-30] PETERSEN, C. G.; DAHLBLOM, O.; WORTERS, P.: Non-D-Test of Concrete and Overlays. International Conference on Non-Destructive Testing in Civil Engineering, Liverpool, 14–16 April 1993. [12-31] WESCHE, K.: Baustoffe für tragende Bauteile/von Karlhans Wesche. – Wiesbaden; Berlin: Bauverl., 1993, Bd. 2. Beton, Mauerwerk (nichtmetallische- anorganische Stoffe): Herstellung, Eigenschaften, Verwendung, Dauerhaftigkeit/unter Mitarb. von Peter Schubert. – 3., völlig neubearb. und erw. Aufl. [12-32] HEINRICH, J.: Einfluss der Schichtdicke von rissüberbrückenden Beschichtungen auf die Haftzugfestigkeit. Diplomarbeit FH-Frankfurt am Main, Juni 1996. [12-33] HEIDRICH, G.; SAGER, H.: Einflüsse auf die Ergebnisse von Haftzugprüfungen. In: Bautenschutz + Bausanierung, 13 (1990), Nr. 2, S. 31–33. [12-34] BUDNIK, J.; DORNAUER, H.: Sichere Grundlagen für Beschichtungen. Untersuchungen über die Abreißfestigkeit von Betonen. In: beton (1993), Nr. 12, S. 650–653. [12-35] BUNGEY, J. H.: Pull-Off Testing. Persönliche Mitteilung, 1993. [12-36] DIN 51220: 2003-08 Werkstoffprüfmaschinen – Allgemeines zu Anforderungen an Werkstoffprüfmaschinen und zu deren Prüfung und Kalibrierung. [12-37] DIN 51221-1: 1976-08 Zugprüfmaschinen – Allgemeine Richtlinien (zurückgezogen, ersetzt durch DIN EN ISO 7500-1, siehe [12-48]). [12-38] DIN 51221-3: 1980-06 Zugprüfmaschinen – kleine Zugprüfmaschinen (zurückgezogen, ersetzt durch DIN EN ISO 7500-1, siehe [12-48]). [12-39] GROSSMANN, F.: Erfahrungen mit den ZTV-SIB, Vortrag: 13. Aachener Baustofftag, 10.11. 1994. [12-40] SEMET, W.: Die Bedeutung der Oberflächenfestigkeit von Beton und Zementmörtel für nachfolgende Beschichtungen. In: Bautenschutz + Bausanierung, 7 (1984), Nr. 3, S. 123–126. [12-41] BLOCK, K.; PORTH, M.: Spritzbeton auf carbonatisiertem Beton. Haftzugfestigkeit bei nachträglichem Aufspritzen. In: beton 39 (1989), Nr. 7, S. 299–302. [12-42] SCHULZ, R.-R., HEINRICH, P.: Neue Erkenntnisse über das Flammstrahlen von Beton. Bautenschutz + Bausanierung, 12 (1989), Nr. 5, S. 81–89 und In: Industriebau, 36 (1990), Nr. 1, S. ibt 2–8.

450

12 Mechanische Beschaffenheit

[12-43] SCHUHMANN, H.: Persönliche Mitteilung, 1990. [12-44] SCHULZ, R.-R.: Instandsetzungsarbeiten – Kriterien für die Planung und Ausschreibung. In: Betonwerk + Fertigteil-Technik 53 (1987), Nr. 8, S. 574–582. [12-45] STENNER, R.: Beschichtungsstoffe für Beton. VDI-Berichte, Nr. 384, 1980. [12-46] LONG, A.; MURRAY, A.: Pull-off test for in-situ concrete strength. Firmenprospekt: „a new partially destructive test“. Licensed Manufacturer: John Hind & Sons Ltd., Belfast. [12-47] WTA-Merkblatt 5-8-93 (Entwurf) „Untergrund – Anforderungen, Vorbereitung und Prüfung“. Hrsg.: WTA (Wissenschaftlich-Technischer Arbeitskreis für Denkmalpflege und Bauwerkssanierung e.V.). Hinweis in Bautenschutz + Bausanierung 16 (1993), Nr. 6, S. 42. [12-48] DIN EN ISO 7500-1: 2004-11 Metallische Werkstoffe – Prüfung von statischen einachsigen Prüfmaschinen – Teil 1: Zug- und Druckprüfmaschinen – Prüfung und Kalibrierung der Kraftmesseinrichtung. [12-49] DIN EN ISO 9513: 2003-05 Metallische Werkstoffe – Kalibrierung von Längenänderungs-Messeinrichtungen für die Prüfung mit einachsiger Beanspruchung. [12-50] Technische Prüfvorschriften für Oberflächenschutzsysteme (TP OS). Hrsg.: Bundesminister für Verkehr, Abtlg. Straßenbau. Dortmund: VerkehrsblattVerlag Borgmann, Ausg. 1996. [12-51] DIN EN 12504-2: 2001-12 Prüfung von Beton in Bauwerken – Teil 2: Zerstörungsfreie Prüfung; Bestimmung der Rückprallzahl. [12-52] E DIN EN 13791: 2003-07 Bewertung der Druckfestigkeit von Beton in Bauwerken oder in Bauwerksteilen.

13 Rauheit

13.1 Begriffe und Definitionen 13.1.1 Oberflächengestalt Die Topografie einer Betonoberfläche lässt sich mit Formulierungen wie glatt, rau, grob, mittel und fein nicht derart eindeutig und erschöpfend charakterisieren, wie es die VOB von einer Leistungsbeschreibung verlangt. Dies gilt insbesondere für Flächen wie Industrieböden, die bestimmte technische Funktionen zu erfüllen haben und/oder Nachfolgegewerken dienen [13-1]. Damit alle Bewerber für die Oberflächenbearbeitung eines Bauteils oder Bauwerks die Beschreibung im gleichen Sinne verstehen und eine nachträgliche Beurteilung möglich ist, sind nachvollziehbare und möglichst auch quantifizierbare Kriterien für die Oberflächengestalt des Betons erforderlich. Zur Beschreibung der Anforderungen an das Aussehen von Betonsichtflächen kann der Vergleich mit ausgeführten Bauten eine wertvolle Hilfe sein. Außerdem können Musterstücke vereinbart und der Ausführung zugrunde gelegt werden [13-2]. Für eine weitergehende Beschreibung lassen sich in Ermangelung geeigneter betonspezifischer Texturparameter übergeordnete, nicht materialgebundene Begriffe und Definitionen verwenden. Die DIN 4760 [13-3] legt Begriffe und ein Ordnungssystem zur Unterscheidung der verschiedenen Gestaltabweichungen einer Oberfläche fest (siehe Tabelle 13.1). Die DIN EN ISO 8785 [13-4] definiert Begriffe für Oberflächenunvollkommenheiten, die ausdrücklich für die Verwendung in technischen Schriften und wissenschaftlichen Veröffentlichungen vorgesehen sind. Sie gibt an, in welchem Maße Oberflächenunvollkommenheiten erlaubt sind und hilft bei der Spezifikation von Verfahren zur Messung von Oberflächenunvollkommenheiten. Das Ziel ist eine einheitliche Sprachregelung. Bezüglich der Definition von Rauheit oder Welligkeit der Oberfläche verweist sie auf DIN EN ISO 4287 [13-5]. Obwohl diese Begriffsdefinitionen in erster Linie relativ homogene Werkstoffe wie Metalle oder Kunststoffe betreffen, lassen sie sich mit gewissen Einschränkungen sinngemäß auch auf Betonoberflächen anwenden. Im Folgenden wird eine Auswahl der Definitionen wiedergegeben, die relativ gut übertragbar erscheinen.

452

13 Rauheit

DIN 4760 [13-3] definiert die wirkliche Oberfläche (Werkstückoberfläche nach EN ISO 4287 [13-5]) als diejenige Oberfläche, die den Gegenstand von dem ihn umgebenden Medium trennt. Darin ist die innere Oberfläche von porigen Stoffen nicht enthalten. Die Ist-Oberfläche ist das gemessene und somit nur angenäherte Abbild der wirklichen Oberfläche eines Bauteils. Abhängig vom Messverfahren können sich verschiedene Ist-Oberflächen ergeben. Die geometrische Oberfläche (Bezugsoberfläche nach DIN EN ISO 8785 [13-4]) ist eine ideale Oberfläche, deren Nennform durch die Zeichnung und/oder andere technische Unterlagen definiert wird. Gestaltabweichungen sind die Gesamtheit aller Abweichungen der Ist-Oberfläche von der geometrischen Oberfläche. Dabei ist nach DIN 4760 [13-3] zu unterscheiden zwischen Gestaltabweichungen 1. Ordnung, die nur beim Betrachten der gesamten Oberfläche in Erscheinung treten und solchen 2. bis 6. Ordnung, die innerhalb des untersuchten Flächenausschnitts erkennbar sind.

13.1.2 Oberflächentextur und Oberflächenunvollkommenheiten Unter dem Begriff Oberflächentextur sind nach DIN EN ISO 8785 [13-4] wiederholte oder zufällige Abweichungen von der geometrischen Oberfläche in dreidimensionaler Topografie der Oberfläche zu verstehen. Dieser Begriff beinhaltet Rauheit, Welligkeit, Oberflächencharakter, Oberflächenunvollkommenheiten und Formabweichungen innerhalb eines Teilbereiches der Oberfläche. Als Oberflächenunvollkommenheiten werden im Gegensatz dazu einzeln oder in Gruppen auftretende Unregelmäßigkeiten der wirklichen OberTab. 13.1: Einteilung der Gestaltabweichungen nach DIN 4760 [13-3] (vgl. Bild 13.1) Ordnungskategorie

Beschreibung

1.

Geradheits-, Ebenheits-, Rundheitsabweichungen u.a., die nur bei Betrachtung der Gesamtoberfläche eines Bauteils festgestellt werden können.

2.

Überwiegend periodisch auftretende Abweichungen der Ist-Oberfläche (Welligkeit), bei denen das Verhältnis der Wellenabstände zur Wellentiefe zwischen 1000 : 1 und 100 : 1 liegt.

3.–5.

Diese unter dem Begriff Rauheit zusammengefassten Kategorien sind solche regelmäßig oder unregelmäßig wiederkehrenden Abweichungen der Ist-Oberfläche eines Bauteils, bei denen das Verhältnis der Wellenabstände zur Wellentiefe zwischen 100 : 1 und 5 : 1 liegt. Dazu gehören Rillen, Riefen, Schuppen, Kuppen sowie Veränderungen der Gefügestruktur z.B. durch chemische Einwirkungen und Korrosionsvorgänge.

6.

Diese Abweichungen sind durch den Aufbau der Materie bedingt und können mit den zurzeit gebräuchlichen Oberflächenmessverfahren nicht erfasst werden.

13.1 Begriffe und Definitionen

453

Bild 13.1: Ordnungssystem für Gestaltabweichungen nach DIN 4760 [13-3] (Gestaltabweichungen 5. und 6. Ordnung sind nicht mehr in einfacher Weise bildlich darstellbar.)

fläche bezeichnet, die unbeabsichtigt oder zufällig durch die Bearbeitung, Lagerung oder Funktion der Oberfläche entstanden sind [13-4] (siehe Bilder 13.2 und 13.3). Außerdem werden damit solche Unregelmäßigkeiten bezeichnet, die sich wesentlich von denen unterscheiden, die eine raue Oberfläche bilden. Ihr Vorhandensein bedeutet jedoch nicht von vornherein, dass die Oberfläche für den vorgesehenen Zweck ungeeignet ist. Daher sollte man die Bezeichnung Oberflächenmangel diesem Zusammenhang vermeiden. Vielmehr kommt es darauf an, ob die Länge, Tiefe, Breite, Höhe und Anzahl der Oberflächenunvollkommenheiten je Flächeneinheit für die jeweilige Anwendung tolerierbar sind.

13.1.3 Oberflächenrauheit Der Begriff Oberflächenrauheit umfasst Oberflächenunregelmäßigkeiten (Gestaltabweichungen 3. bis 5. Ordnung, siehe Tabelle 13.1) mit relativ kleinen Abständen. In der Praxis wird die Rauheit an dem Oberflächenprofil gemessen, das sich durch den Schnitt der wirklichen Oberfläche mit einer senkrechten Ebene ergibt (Bild 13.4a). Das bedeutet, anstelle der gesamten Oberfläche werden repräsentative Profillinien bzw. Senkrechtschnitte untersucht (2D-Tastschnitte). Als Querprofile werden solche Schnittlinien bezeichnet, die senkrecht zur Rillenrichtung verlaufen (Bild 13.4c), während Längsprofile durch Schnitte parallel zur Rillenrichtung erzeugt werden (Bild 13.4d). Die Bestimmung der Gestaltabweichungen erfolgt innerhalb der Einzelmessstrecke lr, während die Profilauswertung eine oder mehrere Einzelmess-

454

13 Rauheit

Bild 13.2: Beispiele für Oberflächenunvollkommenheiten nach DIN EN ISO 8785 [13-4]

Bild 13.3: Beispiele für Oberflächenunvollkommenheiten nach DIN EN ISO 8785 [13-4]

13.1 Begriffe und Definitionen

455

Bild 13.4: Oberfläche, Profil und Bezug nach DIN 4762 (zurückgezogen), vgl. DIN EN ISO 4287 [13-5]

strecken umfassen kann. Falls nicht anders festgelegt, werden die Rauheitskenngrößen über eine Messstrecke (Auswertelänge) von ln = 5 · lr ermittelt. Da das Oberflächenprofil oft auch langwellige Profilabweichungen 1. und 2. Ordnung enthält, müssen diese Anteile zur Bestimmung des Rauheitsprofils aus dem gemessenen Profil herausgefiltert werden. Erst das gefilterte Rauheitsprofil ist nach DIN EN ISO 4287 [13-5] die Grundlage für die Ermittlung der Rauheitskenngrößen. Die Mittellinie für das Rauheitsprofil wird nach der Methode der kleinsten Abweichungsquadrate gewonnen. Sie entspricht den langwelligen Profilanteilen (W-Profil, Bild 13.5), die durch Filterung gemäß DIN EN ISO 11562 [13-6] unterdrückt werden. Bei feinrauen Oberflächen mit vereinzelten tiefen Tälern wird die Filtermethode nach DIN EN ISO 13565-1 [13-7] angewandt. Dadurch wird vermieden, dass extreme Profilvertiefungen die Referenzlinie unerwünscht beeinflussen (Bild 13.6). Oberflächenunvollkommenheiten wie Risse und Poren, die in DIN EN ISO 8785 [13-4] beschrieben sind, bleiben bei der Messung von Rauheitskenngrößen unberücksichtigt. Messungen müssen gemäß DIN EN ISO 4288 [13-9] nur in den Bereichen durchgeführt werden, in denen nach der Sichtprüfung kritische Werte zu erwarten sind. Je größer die Anzahl der Einzelmessstrecken lr innerhalb der Messstrecke ln ist und je höher die Zahl der Messstrecken ln ist, desto höher ist die Präzision des Mittelwertes der Rauheitsmesswerte und desto größer ist die Zuverlässigkeit der Bewertung. Im Hinblick auf die Dauer der Untersuchungen und die Prüfkosten muss jedoch ein Kompromiss zwischen Zuverlässigkeit und Aufwand gefunden werden. Bei Anforderungen, die durch den oberen Grenzwert einer Kenngröße festgelegt werden, wird die Oberfläche als

456

13 Rauheit

Bild 13.5: Profilfilterung nach DIN EN ISO 11562 [13-6] aus [13-10]

annehmbar betrachtet, wenn nicht mehr als 16% der gemessenen Werte den festgelegten Wert überschreiten. Entsprechendes gilt für untere Grenzwerte von Kenngrößen. Beziehen sich jedoch die Anforderungen auf den Höchstwert, so darf dieser Wert in keinem Einzelfall überschritten werden.

13.1.4 Rauheitskenngrößen 13.1.4.1 Senkrechtkenngrößen der Rauheit Allgemeines Als Senkrechtkenngrößen (Amplitudenkenngrößen) der Rauheit kommen gemäß DIN EN ISO 4287 [13-5] die Spitzenhöhen und Taltiefen sowie die Mittelwerte von Ordinaten in Betracht, als Waagerechtkenngröße nur die mittlere Rillenbreite. Darüber hinaus werden auch gemischte Kenngrößen wie Profilsteigungen und charakteristische Kurven wie die Materialanteilund Amplitudendichtekurve und daraus abgeleitete Kenngrößen verwendet. Mit Ausnahme der Gesamthöhe des Profils Rt und der aus den charakteristischen Kurven abgeleiteten Kenngrößen sind die Rauheitskenngrößen innerhalb einer Einzelmessstrecke lr definiert. Sie werden jedoch in der Regel als Mittelwert aus 5 Einzelmessstrecken lr ermittelt [13-10]. Alle Kurven und daraus abgeleitete Kennwerte liefern über die Gesamtmessstrecke ln stabilere Resultate als über die Einzelmessstrecke.

13.1 Begriffe und Definitionen

457

Bild 13.6: Filterung von Oberflächen mit tiefen Tälern nach DIN EN ISO 13565-1 [13-7]

Größte Höhe des Profils Der senkrechte Abstand vom höchsten zum tiefsten Punkt des untersuchten Rauheitsprofils Rz stellt ein Maß für die Streubreite (Spannweite) der Rauheitsordinatenwerte dar. Dabei ist die Höhe der größten Profilspitze Rp der Abstand Zp des höchsten Punktes (peak) des Profils von der Mittellinie innerhalb einer Einzelmessstrecke. Die Tiefe des größten Profiltales Rv (valley) ist analog definiert. Die größte Höhe des Profils Rz errechnet sich als die Summe der größten Profilspitze Rp und des größten Profiltales Rv (Bilder 13.7 und 13.8). In der Regel wird Rz als arithmetisches Mittel aus den maximalen Profilhöhen von 5 Einzelmessstrecken im Rauheitsprofil ermittelt (Bild 13.9).

Bild 13.7: Profilelement (Profilspitze und benachbartes Profiltal), Definition gemäß DIN EN ISO 4287 [13-5]

458

13 Rauheit

Bild 13.8: Definition der größten Höhe des Rauheitsprofils Rz nach DIN EN ISO 4287 [13-5]

Bild 13.9: Rz als arithmetisches Mittel aus den maximalen Profilhöhen Rzi von 5 Einzelmessstrecken Ir nach DIN EN ISO 4287 [13-6] entspricht der früheren gemittelten Rautiefe Rz nach DIN 4768 [13-41] (zurückgezogen)

Gesamthöhe des Profils Zur Ermittlung der Gesamthöhe des Profils Rt werden die Absolutbeträge der Höhe der größten Profilspitze Zp und der Tiefe des größten Profiltales Zv innerhalb der Messstrecke ln (i.a. ln = 5 · lr) summiert. Da Rz im Gegensatz dazu nur auf die Einzelmessstrecke bezogen ist oder als arithmetisches Mittel von 5 Einzelmessstrecken (siehe oben) bestimmt wird, gilt Rt ≥ Rz.

13.1 Begriffe und Definitionen

459

Bild 13.10: Definition der mittleren Höhe der Profilelemente Rc nach DIN EN ISO 4287 [13-5]

Mittlere Höhe der Profilelemente Die mittlere Höhe der Profilelemente Rc errechnet sich als arithmetisches Mittel der (Gesamt)Höhen der Profilelemente Zt innerhalb einer Einzelmessstrecke lr (Bild 13.10). Wobei Zt die Summe aus der Höhe der größten Profilspitze und des größten Profiltales in einem Profilelement darstellt (Bild 13.7). 1 Rc = 4 Â Zti m i=1

(13.1)

Die Bestimmung von Rc erfordert nach DIN EN ISO 4287 [13-5] die Festlegung einer vertikalen und horizontalen Zählschwelle. Falls nicht anders festgelegt, sollen die vertikale Zählschwelle 10% von Rz und die horizontale Zählschwelle 1% der Einzelmessstrecke lr betragen. Dabei müssen beide Bedingungen erfüllt sein. Arithmetischer Mittelwert der Profilordinaten Die Profilordinate Ra ist gemäß DIN EN ISO 4287 [13-5] der arithmetische Mittelwert der absoluten Werte der Profilabweichungen Z(x) innerhalb einer Einzelmessstrecke lr (Bild 13.11). 1 lr Ra = 4 Ú |Z(x)| dx lr 0

(13.2)

Dies ist gleichbedeutend mit der Höhe eines Rechtecks, dessen Länge gleich der Einzelmessstrecke lr und das flächengleich mit der Summe der zwischen Rauheitsprofil und mittlerer Linie eingeschlossenen Fläche ist. Üblicherweise wird der Ra-Wert jedoch innerhalb einer (Gesamt)Messstrecke ln ermittelt, die eine oder mehrere Einzelmessstrecken lr umfasst. Die Messstrecke ln ist die auf die mittlere Linie projizierte Länge des unmittelbar zur Auswertung benutzten Teiles des Rauheitsprofils. Aus statistischer Sicht ist Ra gleichzeitig

460

13 Rauheit

Bild 13.11: Definition des arithmetischen Mittelwertes Ra der Profilordinarten Z(x) innerhalb einer Einzelmessstrecke gemäß DIN EN ISO 4287 [13-5]

die mittlere arithmetische Abweichung der Rauheitsordinatenwerte von der Mittellinie. Obwohl Ra die bekannteste und international gebräuchlichste Kenngröße der Rauheit ist [13-10], hat sie nur mäßige Aussagekraft. Hervorzuheben ist, dass Ra unempfindlich gegenüber extremen Profilspitzen und -tälern reagiert [13-11]. Quadratischer Mittelwert der Profilordinaten Die Profilordinate Rq ist gemäß DIN EN ISO 4287 [13-5] der quadratische Mittelwert der Ordinatenwerte Z(x) innerhalb einer Einzelmessstrecke lr (Bild 13.12).

Rq =

冑

007 1 lr 2 4 Ú |Z (x)| dx lr 0

(13.3)

Bild 13.12: Definition des quadratischen Mittelwertes Rq der Profilordinarten Z(x) innerhalb einer Einzelmessstrecke gemäß DIN EN ISO 4287 [13-5]

13.1 Begriffe und Definitionen

461

Als mittlere quadratische Abweichung von der Mittellinie entspricht Rq der Standardabweichung der Profilordinaten und ist demnach statistisch wesentlich repräsentativer als Ra. Schiefe und Steilheit des Profils In DIN EN ISO 4287 [13-5] werden mit der Schiefe Rsk und Steilheit Rku zwei weitere Senkrechtkenngrößen definiert. Während Rsk die Asymmetrie der Verteilung der Ordinatenwerte beschreibt, ist Rku ein Maß für die Steilheit der Amplitudendichtekurve. Bei normal verteilten Profilordinaten ist Rsk = 0, bei asymmetrischer Verteilung mit plateauartigem Profilcharakter (vgl. Bild 13.6) erhält man hingegen für Rsk negative Werte. Ein Profil mit abgeflachten Profilspitzen hat kleinere Rku-Werte als ein Profil mit schärfer ausgeprägten Spitzen und Tälern. Beide Kennwerte werden stark von vereinzelten Spitzen und Tälern beeinflusst [13-5]. Maßzahlen für die Texturtiefe von Fahrbahnbelägen Zur Charakterisierung der Textur von Fahrbahnbelägen werden in DIN EN ISO 13473-1 [13-12] aus Profilaufnahmen abgeleitete Maßzahlen beschrieben, die sich mit den Ergebnissen des klassischen Sandfleckverfahrens (volumetrische Methode, siehe Abschnitt 13.3.4.1) vergleichen lassen und unabhängig von der verwendeten Messausrüstung sind. Diese Maßzahlen sollen im Wesentlichen die Makrotextur (Wellenlängen von 0,5 bis 50 mm und Spitze-Tal-Werte von 0,1 mm bis 20 mm) beschreiben, weshalb die Einflüsse aus der Mikro- und Megatextur signifikant reduziert werden müssen. Aus messtechnischen und praktischen Erwägungen weichen jedoch die herauszufilternden Spekralanteile mit Wellenlängen < 2,5 mm und > 100 mm vom Definitonsbereich der Makrotextur ab. Während die Begriffe Texturtiefe (TD) und mittlere Texturtiefe (MTD) mit der volumetrischen Methode korrespondieren und die Distanz zwischen der zu untersuchenden Oberfläche und einer Ebene durch die Spitzen der drei höchsten Punkte dieser Oberfläche beschreiben, beziehen sich die Profiltiefe (PD) und die mittlere Profiltiefe (MPD) entsprechend auf den zweidimensionalen Fall, der sich durch die Verwendung von Profilometer-Verfahren ergibt (siehe Bild 13.13). Die mittlere Profiltiefe (MPD) errechnet sich durch Subtraktion des durchschnittlichen Profilwertes vom Profilspitzenwert. Zur Bestimmung des durchschnittlichen Profilwertes müssen die langwelligen Anteile durch Hochpassfilterung oder durch Steigungsunterdrückung der Grundlinie eliminiert werden. Der Profilspitzenwert ist der Spitzenwert des Profils über eine Grundlinienlänge von 50 mm (vgl. Rp, Bild 13.8). Grundlinien mit 100 mm Länge sind in zwei gleiche Teile zu unterteilen. Aus den höchsten Spitzen der beiden Abschnitte wird das arithmetische Mittel gebildet. Mit der in Bild 13.13 angegebenen Transformationsgleichung kann aus der mittleren Profiltiefe eine geschätzte Texturtiefe (ETD) errechnet werden, die mit der mittleren Texturtiefe (MTD) korreliert. Für künftige Bewertungen von Fahrbahnbelägen ist jedoch gemäß [13-12] die mittlere Profiltiefe (MPD) zu bevorzugen.

462

13 Rauheit

Bild 13.13: Darstellung der Begriffe Grundlinie, Profiltiefe (PD), mittlere Profiltiefe (MPD) und geschätzte Texturtiefe nach DIN EN ISO 13473-1 [13-12]

13.1.4.2 Waagerechtkenngrößen der Rauheit Der arithmetische Mittelwert RSm der Breite der Profilelemente des Rauheitsprofils innerhalb der Einzelmessstrecke wird mit Gleichung 13.4 gemäß Bild 13.14 bestimmt. 1 RSm = 4 Â Xsi m i=1

(13.4)

Bild 13.14: Definition des Mittelwertes RSm der Rillenbreiten der Profilelemente Xs innerhalb einer Einzelmessstrecke lr gemäß DIN EN ISO 4287 [13-5]

13.2 Beurteilungskriterien und Hinweise zur Auswahl der Prüfverfahren

463

Für reproduzierbare Ergebnisse ist die Festlegung von Zählschwellen erforderlich. 13.1.4.3 Kombinierte Kenngrößen Als quadratischer Mittelwert der Profilsteigung des Profils ist RDq ein Maß für die Standardabweichung der Profilwinkel. In Verbindung mit Rq liefert RDq gute Bewertungsmöglichkeiten für die Funktion der Oberflächen, z.B. im Hinblick auf die Griffigkeit und Lichtreflexion. Die verschiedenen Materialanteilkurven und daraus abgeleiteten Kennwerte geben den Materialanteil als Funktion einer vorgegebenen Schnitthöhe c an. Sie liefern eine funktionsgerechtere Analyse der verfahrensabhängigen Profilformen und eine differenziertere Beschreibung der Oberflächengestalt als es mit den Senkrechtkenngrößen Ra, Rz oder Rt möglich ist. So lassen sich z.B. anhand der Kurven geschlossenere plateauförmige oder offenere sägezahnförmige Profile erkennen und quantitativ bewerten (siehe DIN EN ISO 13565-2 [13-8]).

13.2 Beurteilungskriterien und Hinweise zur Auswahl der Prüfverfahren 13.2.1 Allgemeines zur Verfahrensauswahl Die Palette der Untersuchungsmethoden reicht von der einfachen qualitativen Bewertung bis zur hochgenauen quantitativen Messung mit Auflösungen im Nanometerbereich bzw. sogar im Ångströmbereich (1 Å = 10–10 m bzw. 0,1 nm). Allerdings richtet sich die Verfahrensauswahl nicht allein nach der Genauigkeit, mit der Texturdetails erfasst werden, sondern nach einer Reihe von weiteren Kriterien. Zunächst ist die Frage nach dem Verwendungszweck zu stellen und danach, welche Informationen im Einzelnen benötigt werden. In der Regel steigt der Aufwand mit zunehmender Messgenauigkeit. In vielen Fällen genügen indirekte Messverfahren, die keine geometrischen Kennwerte, sondern nur Vergleichszahlen für spezielle Auswirkungen der Oberflächenrauheit liefern (z.B. Griffigkeit und Ausflusszeit). Weiterhin spielt es eine Rolle, ob die Prüfung zerstörungsfrei vor Ort erfolgen soll oder ob Proben entnommen und im Labor untersucht werden können. Im Labor sind wesentlich genauere Messmethoden anwendbar als auf der Baustelle. Für die Verfahrensauswahl ist auch die Messgeschwindigkeit von Interesse. Bauwerksuntersuchungen sind nicht nur an horizontalen Flächen durchzuführen, sondern oft auch an vertikalen Flächen und Bauwerksunterseiten (über Kopf). Manche Methoden wie das Sandfleckverfahren funktionieren nur auf horizontalen Flächen. Weitere Kriterien sind die Messbereiche in Oberflächenrichtung und senkrecht

464

13 Rauheit

dazu. Im Allgemeinen gilt: je höher die Genauigkeit, umso kleiner sind die Messstrecken. Manche Verfahren kommen nicht in Betracht, wenn die Profilabweichungen mehrere mm betragen. Meist muss ein Kompromiss zwischen Auflösung und Messbereich gesucht werden. Darüber hinaus interessiert die erforderliche laterale Auflösung. Außerdem ist zu klären, ob es genügt, Profillinien zu untersuchen oder ob das Objekt flächig abzutasten ist. Bei vielen Messverfahren ist die laterale Auflösung geringer als die Höhenauflösung. Ein flächiges Abtasten scheint verzichtbar, wenn die Oberflächentextur unregelmäßig und zufällig ist (nichtrillige Oberflächen z.B. nach dem Druckluftstrahlen mit festen Strahlmitteln). Oberflächenprofile können mittels Taststift (berührend) oder optisch (berührungslos) ermittelt werden. Beide Verfahren haben Vor- und Nachteile. So müssen die Vertikalbewegungen des Taststiftes mit einem unabhängigen Maßstab kalibriert werden. Außerdem hängt die Annäherung des Taststiftes an die wirkliche Oberfläche von seinem Durchmesser ab (Bild 13.20). Zwar gibt es solche Einschränkungen bei den berührungslosen Verfahren nicht, doch wirken hier im Gegensatz zu den mechanischen Messungen optische Materialparameter als Störfaktoren. Außerdem ist die Auflösung in Richtung der Oberfläche geringer. Hinzu kommt, dass bei manchen optischen Verfahren die Höhenunterschiede nur im Vergleich zu einer glatten Referenzfläche angegeben werden können [13-13]. Je nach Aufgabenstellung können weitere Kriterien maßgebend sein. Dazu gehören zum Beispiel Gerätekosten, Bedienungsaufwand und die erforderliche fachliche Qualifikation des Bedienpersonals.

13.2.2 Gebräuchliche Prüfverfahren nach Anwendungsgebieten und Aufgabenstellungen 13.2.2.1 Fahrbahndecken aus Beton In der Straßenbautechnik werden einfache zerstörungsfreie Prüfmethoden wie das Sandfleckverfahren (Sandflächenverfahren, volumetrisches Verfahren) Tab. 13.2: Übersicht über die wichtigsten Beurteilungs- und Auswahlkriterien Beurteilungs- bzw. Auswahlkriterium

Bewertungsmaßstab

Bewertung Messbereich Auflösung Bezug zur Geometrie Abtastrichtung Abtastverfahren Messgeschwindigkeit Ort der Anwendung Lage der Bauteiloberfläche

qualitativ/quantitativ/halbquantitativ grob/fein gering/hoch direkt/indirekt Linien (Profilschnitt)/Fläche berührend/berührungslos schnell/langsam Baustelle/Labor horizontal/beliebig

13.2 Beurteilungskriterien und Hinweise zur Auswahl der Prüfverfahren

465

bevorzugt. Die praktische Beurteilung der Rauheit und die Abnahme im Hinblick auf die Griffigkeit bei Nässe erfolgt üblicherweise indirekt mit dem Pendelgerät und dem Ausflussmesser [13-14], in manchen Fällen auch mit dem Stuttgarter Reibungsmesser [13-15]. Weitere Prüfverfahren befinden sich in Erprobung. Texturbedingte Geräuschemissionen lassen sich durch Schalldruckmessungen erfassen. Für die Beeinflussung von Rollgeräuschen und für grundlegende Untersuchungen werden jedoch auch absolute geometrische Kenngrößen benötigt. Diese lassen Zusammenhänge zwischen Oberflächenprofil und indirekten Messwerten erkennen und ermöglichen die gezielte Texturierung und Einflussnahme auf die Eigenschaften [13-16] bis [13-18] und [13-20]. Für die Untersuchung größerer Streckenabschnitte strebt man nach kontinuierlichen Messmethoden, die das Profil einer Fahrbahnoberfläche mit hoher Geschwindigkeit und hinreichender Genauigkeit abtasten. Hierfür kommen zunehmend kontaktlose elektro-optische Sensoren zum Einsatz. Aus den gemessenen Profildaten werden mathematisch definierte Maßzahlen wie z.B. die mittlere Profiltiefe (MPD) berechnet [13-12]. 13.2.2.2 Betonböden Anforderungen an die Rutschsicherheit von Böden werden durch Mindestwerte der gemittelten Rautiefen Rz ausgedrückt. Hierzu ist es erforderlich, quantifizierbare Rauheitsprofile z.B. mittels Tastschnittverfahren zu erstellen und auszuwerten. 13.2.2.3 Werksteinmäßig bearbeitete Betonflächen Die Bewertung werksteinmäßig bearbeiteter Betonflächen erfolgt im Allgemeinen nach visuellen Kriterien. Aus der Größe des freigelegten Korns lässt sich genügend genau auf die Abtragstiefe bzw. Profiltiefe schließen. 13.2.2.4 Untergrund für Schutz und Instandsetzung Die Rauheit des Untergrunds für Beschichtungen und Verklebungen wird üblicherweise mit dem Sandfleckverfahren (Sandflächenverfahren) nach KAUFMANN [13-19] bis [13-23] beurteilt. Da die Anwendung dieses Verfahrens auf horizontale Flächen beschränkt ist, werden für vertikale Bauteile und Bauteiluntersichten andere Messverfahren mit vergleichbarer Aussagekraft benötigt. Zu diesen Alternativen gehört zum Beispiel das Zementleimverfahren nach [13-24].

466

13 Rauheit

13.3 Beschreibung und Bewertung der Prüfverfahren 13.3.1 Qualitative bzw. halbquantitative Verfahren 13.3.1.1 Makroskopische visuelle Untersuchung Das ACI Committee 303 Sichtbeton [13-25] unterteilt sandgestrahlten Beton nach architektonischen Gesichtspunkten in 4 Klassen (siehe Tabelle 13.3). Sandstrahlen gemäß der Kategorie gebürstet dient dazu, den Glanz zu verringern, der von einer glatten, nicht saugfähigen Schalungshaut herrührt. Leichtes Strahlen fördert Zuschlag von 0 bis 1,6 mm ans Tageslicht bzw. hebt entsprechend die Kuppen des Grobzuschlags aus der Matrix hervor. Obwohl die Wirkung in erster Linie vom Sand ausgehen soll, erscheint das zufällige Freilegen von Grobzuschlag-Kuppen akzeptabel. Das grundsätzliche Ziel Tab. 13.3: Einteilung der Sandstrahlintensität nach visuellen Kriterien gemäß ACI Committee 303 Sichtbeton [13-25]; siehe hierzu Bild 13.15 Klasse

a

Größtkorndurchmesser der freigelegten Partikel

Beabsichtigte Wirkung

inch

mm a

gebürstet

–

–

leicht (fein)

0…1/16

0 bis 1,6

gleichmäßige Farbe und Rauheit

mittel

1/8…1/4

3,2…6,4

Hervorheben des Sandes und teilweise auch des Grobzuschlags

schwer (stark)

1/4…1/2

6,4…12,7

Hervorheben des Grobzuschlags

Verringerung des Glanzes

Umgerechnete Zahlenwerte.

Bild 13.15: Beispiele für die Klassifizierung der Sandstrahlqualität gemäß ACI Committee 303, aus [13-25]

13.3 Beschreibung und Bewertung der Prüfverfahren

467

des leichten Sandstrahlens ist eine gleichmäßige Farbe und Rauheit (Textur). Allerdings kann die Bearbeitung der Kornoberflächen andere Lichtbrechungen hervorrufen und dadurch die Betonoberfläche heller oder dunkler erscheinen lassen [13-26]. Mittel soll Partikel von 3,2 bis 6,4 mm freilegen und dabei grundsätzlich auch Grobzuschläge erfassen. Der stärkste Grad des Sandstrahlens ist schwer, wobei Partikel bis 12,7 mm bzw. ein Drittel des Größtkorndurchmessers freigelegt werden. Die Bewertung des Gesamteindrucks sollte aus einer Entfernung von rd. 6 m (20 ft.) erfolgen. KURU und HEIKKILÄ [13-27] unterscheiden nach drei Intensitätsstufen. Bei geringer Intensität wird lediglich die oberste Haut aus Zement und Sand so weit entfernt, dass die Kuppen der oberflächennächsten Grobkörner freiliegen. Zur Erzielung einer mittleren Intensität wird durch weitergehendes Entfernen von Zement und Sand das Grobkorn etwa in gleichem Maße sichtbar wie die Matrix. Bei hoher Intensität dominiert das Grobkorn im Erscheinungsbild der Oberfläche. Eine vergleichbare Einteilung verwenden GRUBE, KERN und QUITMANN [13-28] um schadhafte, instand zu setzende Betonoberflächen zunächst nach Augenschein zu prüfen und verbal zu beschreiben: 0 = keine Veränderungen, 1 = Abwitterung der Zementhaut und einer dünnen Feinmörtelschicht; sandpapierartige Oberfläche, keine merkbaren Vertiefungen, 2 = Abwitterung des Feinmörtels bis etwa 1 mm Tiefe; feine Narbung, Sandkörner z. T. freiliegend, 3 = stärkere Abwitterungen bis etwa 4 mm Tiefe; Narbung im Mörtel, grobe Sandkörner freiliegend, 4 = Abwitterungen bis etwa 10 mm Tiefe; grobe Zuschlagkörner freiliegend, Mörtel zwischen Zuschlagkörnern herausgewittert. Die visuelle Bewertung lässt sich durch Vergleichsmuster objektivieren und vereinfachen [13-29] bis [13-33]. GRUBE und RECHENBERG [13-34] vermitteln mit einem Foto eine Vorstellung von den Veränderungen der Oberfläche eines Betons mit 32 mm Größtkorn bei Abtragstiefen durch chemische Korrosion zwischen 0 und 8 mm. Bei feinrauen Oberflächen sind durch Vergleich mit Schmirgelpapierkörnungen etwas differenziertere Einteilungen möglich. Auch Technische Oberflächen von Metallen und Kunststoffen werden vorrangig durch Sichtprüfung beurteilt und nur in Ausnahmefällen gemessen [13-35]. In diese Kategorie gehört auch der Tastvergleich (Befühlen) mit OberflächenVergleichsmustern. Nur in Schiedsfällen oder bei Zweifeln am Sicht- und Tastvergleich, bzw. wenn dies vertraglich vereinbart ist, wird gemessen. 13.3.1.2 Mikroskopische visuelle Untersuchung Die Auflichtmikroskopie eignet sich ebenso wie die makroskopische visuelle Untersuchung nur zur qualitativen Bewertung von Gefügereliefs und Ober-

468

13 Rauheit

flächentopografien. Für diese Zwecke werden vor allem Stereomikroskope mit zuschaltbarer reproduzierbarer Schrägbeleuchtung eingesetzt. Diese Methode bietet im Gegensatz zur makroskopischen Untersuchung die Möglichkeit zur differenzierteren Beurteilung von fein texturierten Oberflächen. Sie kommt aber wegen des höheren Aufwands nur für die exemplarische Beurteilung kleinerer Flächenabschnitte (Probenoberflächen) in Betracht. 13.3.1.3 Abdruckverfahren Bei der Herstellung von Abdrücken (Repliken) aus Kunststoffformmassen handelt es sich nicht um eine zusätzliche Messmethode, sondern nur um eine zerstörungsfreie und rationelle Form der Probenahme. Die Messung und Bewertung der Rauheit erfolgt an dem Negativabdruck oder an einem davon hergestellten Positiv. In Betracht kommen z.B. Tastschnittverfahren oder optoelektronische Untersuchungen. Die Herstellung eines Positivs aus Gips oder Gießharz kann dann erforderlich sein, wenn die Abformmasse aus flexiblem Material wie Silicon besteht und nicht berührend untersucht werden kann. Hierbei lassen sich die Vorteile von Laborprüfungen mit denen zerstörungsfreier Prüfungen verbinden. Dazu gehören die besseren Untersuchungsbedingungen im Labor sowie der nahezu beliebig einstellbare Stichprobenumfang. Mögliche Nachteile ergeben sich durch die mehr oder weniger begrenzte Naturtreue des abgeformten Reliefs, insbesondere wenn davon ein Positivabdruck hergestellt werden muss. Je nach Viskosität und Formstabilität der Abformmasse wird das Auflösungsvermögen eingeschränkt bzw. von materialbedingten Gestaltabweichungen überlagert. Es ist damit zu rechnen, dass die Konturschärfe und die Mikrorauheit des Originals bei der Nachbildung verloren geht.

13.3.2 Indirekte quantitative Messverfahren 13.3.2.1 Reibungs- bzw. Griffigkeitsmessung Für die Griffigkeitsmessung an Straßendecken werden Fahrzeuge mit dem Stuttgarter Reibungsmesser (SRM) ausgerüstet, der nach dem in Deutschland standardisierten Verfahren des blockierten Schlepprades die Gefahrenbremsung eines Pkw bei nasser Fahrbahn simuliert. Einen anderen Ansatz zur Simulation des Griffigkeitsverhaltens verfolgt das englische SCRIM-Messsystem (Sideways-force Coefficient Routine Investigation Machine). Hier wird der Seitenreibungsbeiwert mit einem schmalen, profillosen Messreifen unter einem Schräglaufwinkel von 20° ermittelt. Dieses Messsystem eignet sich besonders für die Routineerfassung eines großen Streckennetzes bei hohen Fahrgeschwindigkeiten [13-15], [13-36], [13-37]. Ebenso wie bei dem in anderen Ländern gebräuchlichen, untersetzten Schlepprad, das kontrolliert abgebremst wird, enthalten die Messwerte jedoch Anteile an rollender Reibung.

13.3 Beschreibung und Bewertung der Prüfverfahren

469

Die Ergebnisse sind deshalb nicht ohne weiteres auf die Verhältnisse beim blockierten Schlepprad übertragbar. Neben den vorgenannten Messmethoden, die zwar wirklichkeitsnah, aber äußerst aufwendig sind, werden auch Kleingeräte verwendet, die sowohl auf der Straße als auch im Labor einfach zu handhaben sind. Das bekannteste dieser Geräte ist der Skid-Resistance-Tester (SRT) [13-14]. Bei diesem Gerät reibt der am Pendelende befindliche Gummischuh mit bekanntem Anpressdruck über die Straßen- oder Probenoberfläche. Der durch die Reibung verursachte Energieverlust ist ein Maß für die Griffigkeit. Der Beiwert m kann an einer geeichten Skala sofort abgelesen werden. Die Messgeschwindigkeiten sind naturgemäß klein (≈ 10 km/h) und die Messbedingungen mit der Wirklichkeit nicht unbedingt vergleichbar. Die SRT-Ergebnisse charakterisieren nach [13-37] die Mikrorauheit. Sämtliche Gleitbeiwerte und daraus abgeleitete Rauheitskenngrößen stellen keinen absoluten Maßstab dar, sondern gelten nur für jeweils genau definierte Versuchsbedingungen. 13.3.2.2 Geräuschmessungen Die Emission von Reifen-Fahrbahn-Geräuschen wird bei nichtporösen Oberflächen wesentlich von den Texturmerkmalen der Fahrbahndeckschicht beeinflusst. Grob texturierte Oberflächen führen im allgemeinen zu stärkeren Reifengeräuschen als fein texturierte. Bei sehr glatten Deckschichten können jedoch Reifenprofilresonanzen zu einem Anstieg des Geräuschpegels führen (siehe Bild 3.3). Die Geräuschemissionsmessungen erfolgen nach der statistischen Vorbeifahrmethode [13-16], [13-18], wobei der maximale Vorbeifahrt(schall)pegel der Fahrzeuge mit ortsfesten Mikrofonen am Straßenrand unter festgelegten Randbedingungen bestimmt wird. 13.3.2.3 Ausflussmessung Mit der Zielsetzung die hydraulische Rauheit als Sicherheitselement im Kontaktbereich zwischen Fahrzeugreifen und Fahrbahnoberfläche zu messen, wurden Ausflussmessgeräte entwickelt, die das entwässerungstechnische Fließverhalten von Wasser simulieren [13-14], [13-38]. Der verwendete Gummiauflagefuß führt in Abhängigkeit von Wasserdruck und Anpressdruck über die Ausflussleistung zu einer flächenhaften Bewertung der Fahrbahndecke. In [13-38] wird gezeigt, dass eine signifikante Unterscheidung der sehr verschiedenen Oberflächenrauheiten möglich ist. Dabei lassen sich auch die Auswirkungen des sich unter Last in die Vertiefungen eindrückenden Gummis auf die Ausflussleistung berücksichtigen. Die Messung reduziert sich unter Zugrundelegung konstanter Versuchsbedingungen auf die einfache Messung der Ausflusszeit. Angabegemäß liefert dieses Verfahren eindeutige Beurteilungs-

470

13 Rauheit

maßstäbe für die hydraulische Rauheit sämtlicher, üblicherweise vorkommender Fahrbahnoberflächen. Eine Variante des Ausflussgerätes ist seit Erscheinen der Arbeitsanweisung für kombinierte Griffigkeits- und Rauheitsmessungen mit dem Pendelgerät und dem Ausflussmesser standardisiert [13-14]. Durch diese Verfahrenskombination können indirekte Aussagen über die Makro- und die Mikrorauheit gemacht werden. Während die Ausflusszeit vor allem von der Makrorauheit geprägt wird, hängt die Griffigkeit auch sehr von der Mikrorauheit ab. Die Bedeutung dieses Prüfverfahrens für den Straßenbau wird deutlich, wenn man bedenkt, dass die geometrische Rauheit allein noch nichts darüber aussagt, ob das Wasser rasch abgeführt werden kann. Es kommt z.B. sehr darauf an, ob die Rautiefen untereinander in Verbindung stehen. Bei geriffelten Oberflächen ist dies meist nicht der Fall, obwohl mit Tastschnittgeräten recht große geometrische Rauheiten gemessen werden. 13.3.2.4 Luftstrom zwischen Dichtring und Betonoberfläche Der Luftstrom zwischen einem Dichtring und der Betonoberfläche wird bei konstantem Saugdruck von der Rauheit sowie von dem Material, der Geometrie und dem Anpressdruck des Dichtringes beeinflusst. Je größer die Rauheit umso kleiner ist der Strömungswiderstand. Bis auf das verwendete Medium (Luft statt Wasser) ähnelt das Versuchsprinzip dem oben genannten Ausflussmesser. KRESSE beschreibt in [13-40] wie mit einer derartigen Versuchsanordnung (Bild 13.16) auf der Grundlage des Hagen-Poiselle’schen Gesetzes auf die Rautiefe geschlossen werden kann. Da die Berechnung von verschiedenen idealisierenden Annahmen ausgeht, sind keine realistischen Absolutwerte zu erwarten. Zur Bestimmung von

Bild 13.16: Messung des Luftstromes zwischen Gummistopfen und Betonoberfläche zur indirekten Rauheitsbestimmung nach [13-40]

13.3 Beschreibung und Bewertung der Prüfverfahren

471

Vergleichswerten unter konstanten Versuchsbedingungen scheint das Verfahren jedoch recht brauchbar zu sein. Es wurde mit Erfolg bei der Beurteilung der witterungsabhängigen Oberflächenerosion von Betondachsteinen eingesetzt. Die geringen Abmessungen des Gummistopfens legen die Vermutung nahe, dass der beschriebene Versuchsaufbau nur für feinraue Oberflächen geeignet ist. Außerdem kommt das Verfahren in der beschriebenen Form nur für horizontale Flächen in Betracht. Wahrscheinlich könnten auch andere, an sich für Permeabilitätsmessungen konzipierte Versuchseinrichtungen (vgl. Kapitel 17) zu Rauheitsmessgeräten umfunktioniert werden, da sie nach einem ähnlichen Prinzip arbeiten.

13.3.3 Direkte quantitative Profillinienverfahren 13.3.3.1 Zerstörungsfreie Untersuchungen an repräsentativen Profillinien Tastschnitt- bzw. Taststiftverfahren Das mechanische Tastschnittverfahren nutzt einen harten Tastfühler (meist Diamant oder Hartmetall), welcher an der Spitze einer leicht biegsamen Messzunge befestigt ist und zieht diese über die zu messende Oberfläche. Die Durchbiegung der Messzunge wird induktiv oder über Widerstandsänderung erfasst. Auf diese Weise kann das Profil der gemessenen Oberfläche in sehr hoher Auflösung aufgezeichnet und gemäß Abschnitt 13.1.4 ausgewertet und beschrieben werden. Bei Taststift- bzw. Tastschnittverfahren wird das Oberflächenprofil durch gleichmäßigen Vorschub eines Tastsystems entlang einer Linie abgetastet. Für Vor-Ort-Messungen aber auch für Labormessungen zur Ermittlung der gefilterten Messgrößen Ra und Rz sind Kufensysteme üblich (Bilder 13.17a, b) bei denen nur die Bewegungen des Taststiftes relativ zu den Kufen erfasst werden. Sollen jedoch mögliche, durch Unebenheit der Prüf-

Bild 13.17: Tastsysteme nach [13-35]

472

13 Rauheit

fläche verursachte Fehler ausgeschaltet werden oder ungefilterte Messwerte ermittelt werden, dann ist das Bezugsflächentastsystem (Bild 13.17c) zu verwenden [13-35]. Tastschnittgeräte sind für die Beurteilung von metallischen WerkstückOberflächen oder von Kunststoffen gebräuchlich und in z.B. in [13-5] bis [13-9] sowie [13-42] bis [13-44] genormt. DEELMANN beschreibt die Anwendung eines Taststiftverfahrens für die Texturanalyse des Betons [13-45]. Damit soll an angeschliffenen und angeätzten Oberflächen zwischen den einzelnen Betonbestandteilen unterschieden werden können. Zuschläge erscheinen erhaben, während der Zementstein stärker erodiert wird. Poren sind noch tiefer. Mittels Taststift werden Topografie-Profile (Reliefs) bestimmt und die Bestandteile anhand von Höhenunterschieden detektiert (Bild 13.19). Das Verfahren wird für diese Zwecke als wesentlich genauer angesehen als bildanalytische Methoden. Wenngleich die Zielsetzung eine andere ist, zeigt der Beitrag, dass das bei metallischen Werkstoffen oder Kunststoffen gebräuchliche Verfahren auch für Rauheitsmessungen an Beton eingesetzt werden kann. Dabei wird eine Nadel mit einem sehr feinen Diamanten an ihrer Spitze mit konstanter Geschwindigkeit über das zu untersuchende Mikrorelief gefahren. Die vertikalen Bewegungen der Nadel werden durch den induktiven Aufnehmer in Änderungen der elektrischen Spannung umgeformt (vgl. Bilder 13.20 und 13.33). Die Geschwindigkeit des Nadelantriebs bestimmt in Verbindung mit der Geschwindigkeit des Linienschreibers die Auflösung bzw. den Vergrößerungsfaktor in horizontaler Richtung. Um Verzerrungen zu vermeiden, muss deshalb auf eine konstante Antriebsgeschwindigkeit geachtet werden. Durch elektronische Verstärkung kann das Eingangssignal in vertikaler Richtung bis zu 100000-mal vergrößert werden. Eine Kalibrierung der Messvorrichtung kann entweder anhand der genau definierten Topografie eines Kalibrierkörpers oder aber durch Vergleichsmessungen mit optischen Messmethoden vorgenommen werden. Besonders geeignet scheint in diesem Zusammenhang die Laser-Interferometrie (siehe Abschnitt 13.3.3.5). Der endliche Radius der Nadelspitze begrenzt die Auflösung, d.h. die Genauigkeit der Messmethode wird

Bild 13.18: Unterschiede zwischen kontinuierlich und diskontinuierlich ermittelten Rauheitsprofilen

13.3 Beschreibung und Bewertung der Prüfverfahren

473

Bild 13.19: Beispiel für ein mit dem Tastverfahren gemessenes Rauheitsprofil einer gesägten, polierten und angeätzten Betonoberfläche [13-45]

Bild 13.20: Abtastgenauigkeit in Abhängigkeit vom Radius der Tastspitze (Nadel)

im Wesentlichen durch den nadelförmigen Sensor bestimmt (siehe Bild 13.20 und Bild 13.33). Bei der kontinuierlichen Messung muss die Nadel eine größere Steifigkeit aufweisen und daher dicker sein als bei der diskontinuierlichen, wo nahezu beliebig spitze Nadeln eingesetzt werden können. Im Gegensatz dazu wird bei diskontinuierlichen Messungen die naturgetreue Wiedergabe des Ist-Profils, wie aus Bild 13.18 ersichtlich, durch die Größe der Messintervalle eingeschränkt. Die Schärfe, die in den Bereich der Gestaltabweichungen 5. Ordnung gehört, kann mit Tastverfahren für Beton normalerweise nicht festgestellt werden. In [13-45] wurden jedoch zu Forschungszwecken Diamantnadeln mit Spitzen von 2,5 mm Durchmesser für kontinuierliche Messungen eingesetzt. Diese wurden in einer Art Schuh geführt, der den Hauptteil der mechanischen Last übernahm. Sobald die vertikalen Ausschläge einen bestimmten Maximalwert überschreiten, weicht das aufgezeichnete Signal von der tatsächlichen Topografie ab. So können z.B. tiefe Risse nicht erfasst werden. Für übermäßig raue Oberflächen ist das Verfahren ebenfalls nicht geeignet. Da der empfindliche Aufnehmer Nadelbewegungen unabhängig von ihrer Ursache erfasst, sind Erschütterungen unbedingt zu vermeiden. Für reproduzierbare Messungen ist es wichtig, dass das Eingangssignal des Aufnehmers linear verstärkt wird und

474

13 Rauheit

dass bei Messbereichsumschaltung kein Versatz auftritt. Diese Probleme bei der mechanischen Abtastung von Oberflächen fördern das Interesse an berührungslos arbeitenden Geräten (siehe nächster Abschnitt). Damit überlagerte langwellige Anteile (Welligkeit – Gestaltabweichungen 2. Ordnung) des Ist-Profils nur teilweise oder gar nicht in das Rauheitsprofil übernommen werden, lassen sich die elektrischen Signale des Tastschnittgerätes mittels Hochpassfilter (Wellenfilter, die nach ihrer Grenzwellenlänge benannt werden) korrigieren (siehe [13-6] und [13-7]). Als maßgebende Kenngrößen dienen gemäß DIN EN ISO 4287 [13–5] die über 5 Einzelmessstrecken gemittelte größte Höhe des Profils Rz (siehe Bild 13.9), die mittlere Höhe der Profilelemente Rc, die Gesamthöhe des Profils Rt und der arithmetische Mittelwert der Profilordinaten Ra. Für die Charakterisierung der Makrotextur von Fahrbahnbelägen mit Texturprofilen werden in DIN EN ISO 13473-1 [13-12] unter anderem auch Anforderungen an Taststiftverfahren gestellt. So muss die Nadel im Bereich der Spitze auf 1 mm Länge einen Durchmesser ≤ 1 mm aufweisen. Kontaktkräfte auf die Oberfläche sind so zu begrenzen, dass die Nadel weder in die Oberflächentextur eindringt noch sie verletzt. Das bedeutet, sie darf keine deutlich sichtbare Tastspur hinterlassen. Die vertikale Auflösung der Messvorrichtung muss ≤ 0,05 mm sein, der Messbereich muss mindestens 20 mm betragen. Die horizontalen Messintervalle dürfen 1 mm nicht überschreiten. Die Messungen können entweder im Feldversuch oder an Laborproben durchgeführt werden. Bei Feldversuchen werden wenigstens 10 gleichmäßig verteilte Profile von mindestens 100 mm Länge je Versuchsabschnitt verlangt. Für Laboruntersuchungen müssen mindestens 10 rechteckige Platten, Bohrkerne oder Abdrücke (Repliken) aus der Fahrbahndecke entnommen werden. Die Proben müssen so groß sein, dass sich Messlängen von mindestens 100 mm für die Profilschnitte ergeben. Weitere Einzelheiten zur Ermittlung, Filterung und Auswertung der Messdaten sind ebenfalls der Norm zu entnehmen. Optische Triangulation mittels Laserdiode Die optoelektronische Triangulation (Lichtschnittverfahren) ist eine ausgereifte, robuste und häufig eingesetzte Abstands- und Profilmessmethode. Lasertriangulationssensoren (LTS) ermöglichen die berührungslose Abstandsmessung zwischen Messgerät und Punkten auf einer Bauteiloberfläche. Durch Bewegung des Laserlichtpunktes oder des Objektes können Oberflächenprofile mit hoher Abtastfrequenz aufgenommen werden. Der Messbereich liegt je nach LTS zwischen 0,1 mm und 10 m (meist 5 bis 200 mm). Es sind Abstandsauflösungen von 0,01% erreichbar [13-46], [13-47] (vgl. auch Tabelle 13.4). Bei diesem Verfahren wird ein fokussierter Laserstrahl vom Objekt diffus reflektiert und ein Teil dieser Streustrahlen gelangt durch die Optik des Empfängers gebündelt und scharf abgebildet auf die beleuchtungsempfindliche Fläche des Detektors (siehe Bilder 13.21 und 13.22). Abstandsänderungen be-

13.3 Beschreibung und Bewertung der Prüfverfahren

475

Bild 13.21: Messprinzip des statischen Triangulationsverfahrens nach [13-50]

Bild 13.22: Laser-Triangulationssystem. Merkmale der Messeinrichtung vgl. [13-46] bis [13-51]

einflussen die Lage des Auftreffpunktes auf dem PSD- oder CCD-Detektor. PSD-Fotodioden (Photo-Sensitive Device) erzeugen einen elektrischen Strom, der proportional zur Position des Lichtpunktes ist, während CCD-Fotodetektoren (Charged Coupled Device), die aus einer Vielzahl von aneinander gereihten Sensorelementen bestehen, ladungsgekoppelte Signale entsenden. Letztere haben den Vorteil einer zuverlässigeren und präziseren Zuord-

476

13 Rauheit

Tab. 13.4: Technische Daten nach Herstellerangaben für eine Auswahl verschiedener Laser-Abstandssensoren mit Messbereichen zwischen 20 und 100 mm Bezeichnung des Gerätes LC-ML-AT LAA

SLS-5070 Polaris

MT-600

OTM 3A

LK-081

Mittlerer Messabstand in mm

200

200

200

152

140

80

Messbereich in mm

±50

±50

Auflösung in mm Reproduzierbarkeit in mm 100

190

70

70

20…76

50

±15

17,5

1

1,3…5,1

5

3

100

±20

Messfleckgröße in mm

<4¥1

<4¥1

0,25

0,2 ¥ 0,3 0,14

Lieferfirma

Laser Components [13-46]

di-soric [13-51]

finger kg Sensorik MIT [13-53] [13-56] Instruments [13-57]

Wolf & Beck [13-54]

∆ 0,07 Keyence [13-55]

nung bei gleichzeitig höherer Auflösung. Sie sind zudem unabhängig von der Strahlungsenergieverteilung über die Lichtpunktfläche. Da jedoch CCD-Detektorzeilen seriell ausgelesen werden müssen, ist die Verarbeitungsgeschwindigkeit geringer als bei PSD-Detektoren [13-48], [13-49]. Die auf diese Weise ermittelte Position des Lichtpunktes lässt sich nach dem Triangulationsprinzip, das auf dem Vergleich ähnlicher Dreiecke beruht, geometrisch dem Abstand zwischen Objektoberfläche und Sensor zuordnen (siehe Bild 13.21). Bei der Lasertriangulation sind folgende Einschränkungen zu beachten: ◆ Die zu untersuchenden Oberflächen müssen den auftreffenden Laserlichtpunkt diffus zurückstreuen. Abweichendes Reflexionsverhalten z.B. bei glatten Oberflächen oder bei Nässe kann die Messung verfälschen [13-12], [13-48]. ◆ Es dürfen sich zwischen dem Laserspot und der Empfängeroptik keine Hindernisse (sogenannte Abschattungen) befinden. Derartige Probleme können an den Kanten schroffer Vertiefungen entstehen [13-48]. Daher ist der Winkel zwischen der optischen Achse der Strahlung auf die Oberfläche und der optischen Achse des Detektors (reflektierte Strahlung) gemäß DIN EN ISO

Bild 13.23: Aufbau und Arbeitsweise der Laser-Triangulationssysteme, vgl. [13-65]

13.3 Beschreibung und Bewertung der Prüfverfahren

477

13473-1 [13-12] auf maximal 30° zu begrenzen (siehe Bild 13.24). Bei größeren Winkeln können tiefe Texturen nicht mehr korrekt erfasst werden. Systeme mit Doppeloptik (zwei Abbildungssysteme, siehe Bild 13.25, [13-46], [13-52], [13-53]) oder Rotationslaser [13-54] können Schattenwirkungen bei steilen Objektkonturen kompensieren. Außerdem wird die laterale Empfindlichkeit verbessert. ◆ Anzustreben ist ein senkrechtes Auftreffen des Laserstrahls auf die Objektoberfläche. Weicht die Ausrichtung des Sensors davon ab, können winkelabhängige Messfehler auftreten [13-48]. ◆ Die Laserdiode muss einen möglichst kleinen Lichtpunkt mit ausreichender Intensität aussenden, der sich mit zunehmender Entfernung möglichst we-

Bild 13.24: Anforderungen bezüglich der Ausrichtung von berührungslosen Sensoren nach DIN EN ISO 13473 [13-12]

Bild 13.25: Konventionelles Triangulationssystem und System mit Doppeloptik zur Vermeidung der „Schattenwirkung“ nach [13-52]

478

13 Rauheit

nig aufweitet. Andernfalls wird die laterale Empfindlichkeit beeinträchtigt. Für die Untersuchung der Textur von Fahrbahnbelägen darf aus diesem Grunde der ausgesandte Laserspot auf der Straßenoberfläche nicht größer als 1 mm sein [13-12]. Die Genauigkeit ist von den Reflexionseigenschaften des Objektes abhängig, die in der Regel nicht oder kaum bekannt sind. Genauigkeitsangaben der Gerätehersteller beziehen sich daher meist auf ein nahezu ideales, weißes, diffus reflektierendes Material wie z.B. weiße Keramik oder Papier. Wegen der Wechselwirkung zwischen Optik und Elektronik sagt auch die Auflösung (kleinste wahrnehmbare Höhenänderung) kaum etwas über die Genauigkeit aus. Es gibt keine feste Beziehung zwischen Genauigkeit und Auflösung, somit garantiert eine große Auflösung keinesfalls eine hohe Genauigkeit [13-52]. Zur Beurteilung der Griffigkeit von Straßenoberflächen erprobt die Bundesanstalt für Straßenwesen Messsysteme, die sich besonders für die Routineerfassung eines größeren Streckennetzes bei hohen Fahrgeschwindigkeiten eignen [13-58] bis [13-61]. Eines dieser neuen Systeme ist eine Laser-Rauheitsmesssonde, die parallel zur Griffigkeitsmessung Rauheitsprofile mit einer Auflösung von 0,1 mm in der Höhe und 0,2 mm in der Fahrtrichtung ermöglicht. Hieraus soll eine zusätzliche Beurteilungsgröße für den Kraftschluss zwischen Reifen und Fahrbahn abgeleitet werden. Nach den Angaben in [1358] basiert das Messprinzip auf optischer Triangulation mit einem Messbereich von 25 mm und einem Abstand zur Fahrbahnoberfläche von 200 mm. Diese Sonde ist am Unterboden eines Messfahrzeugs befestigt, das sich mit einer Geschwindigkeit von 30 bis 80 km/h bewegt. Die Messdatenerfassung mittels Auswerteelektronik und mobilem PC ermöglicht eine Online-Darstellung der Textur und der wichtigsten Kenngrößen der Oberflächen. Das ABSSystem des Fahrzeugs liefert dafür hochgenaue Wegstreckensignale. Parallel dazu werden Vergleichsuntersuchungen mit anderen Messsystemen durchgeführt [13-61]. Das Laser Texture Meter der Technischen Universität Berlin ist ein stationäres Messgerät, bei dem der Laser-Sensor mit langsamer Vorschubgeschwindigkeit ein 2 m langes Profil abtastet. Der vertikale Messbereich beträgt ebenfalls 25 mm. Hier wird eine Auflösung von 0,006 mm erreicht, in horizontaler Richtung 0,1 mm. DIN EN ISO 13473-1 [13-12] spezifiziert die mindestens erforderlichen Genauigkeiten und Randbedingungen für die Charakterisierung von Fahrbahnbelägen. Demnach muss die vertikale Auflösung besser als 0,05 mm sein und der Messbereich mindestens 20 mm betragen. Mit Rücksicht auf die Bewegungen des Messfahrzeugs ist allerdings in der Regel ein größerer Messbereich erforderlich. Zur Erzielung einer ausreichenden Horizontalauflösung, darf der mittlere Durchmesser des Laserlichtpunktes auf der Straßenoberfläche nicht größer als 1 mm sein. Nach [13-12] können die Messungen entweder im Feldversuch oder an Laborproben durchgeführt werden. Bei Feld-

13.3 Beschreibung und Bewertung der Prüfverfahren

479

versuchen sind kontinuierliche Profilaufnahmen anzustreben. Andernfalls ist wie bei Tastschnittmessungen (siehe voriger Abschnitt) zu verfahren. 13.3.3.2 Zerstörende Untersuchung an Senkrechtschnitten Allgemeines Zu den prinzipiellen Nachteilen der in diesem Abschnitt beschriebenen Verfahren gehört die zerstörende Probenentnahme und die aufwendige Probenpräparation. Dabei spielt es keine Rolle, ob die Proben herausgesägt oder im Kernbohrverfahren entnommen werden, da in der Regel ein weiteres Zertrennen mittels Feinsäge erforderlich ist. Die nächsten Arbeitsschritte hängen davon ab, ob die Schnittflächen mittels Auflicht oder Durchlicht untersucht werden sollen (vgl. Probenpräparation in Kapitel 17). Mikroskopie Bei der Auflichtmikroskopie kommt es darauf an, die Schnittfläche des Senkrechtschnittes möglichst plan herzustellen, weil die Tiefenschärfe abhängig von der Vergrößerungsstufe begrenzt ist und das ständige Fokussieren die Arbeit erschwert. Außerdem besteht am Probenrand die Gefahr, dass durch das Nachfokussieren auch tiefer gelegene Zonen erfasst werden, wodurch das Ergebnis verfälscht wird. Deshalb empfiehlt es sich, die Betonproben in gefärbtes Kunstharz einzubetten, bevor die Feinsägeschnitte geführt werden. Zum einen schützt dies die Ränder vor Beschädigungen, zum anderen liegen nun auch die Probenränder eindeutig in der untersuchten Schnittebene. Bei genügendem Kontrast des Kunstharzes zum Beton können auch nachträglich auswertbare Fotos hergestellt werden. Häufig werden zur Kontrastverstärkung fluoreszierende Harze verwendet. Bei der Dünnschlifftechnologie (vgl. Kapitel 17) geht man den vorgenannten Schwierigkeiten von vornherein aus dem Wege. Allerdings ist die Präparationstechnik sehr viel aufwendiger und die Größe der senkrecht zur Oberfläche heraus getrennten Scheiben verfahrensbedingt stärker begrenzt. Herstellungstechnisch sind kleine Scheiben bis 20 cm2 günstig, Objektgrößen von mehr als 50 cm2 sind hingegen kaum noch mit vertretbarem Aufwand herstellbar. Andererseits wird eine Messlänge (Bezugsstrecke) von 50 mm für Beton als mindestens erforderlich angesehen. Die mikroskopische Auswertung erfolgt entweder diskontinuierlich mittels eingeblendetem Strichmaßstab – ähnlich wie bei den diskontinuierlichen Tastschnittverfahren (siehe oben) – oder aber mittels automatischer Bildanalyse. Beides ist sowohl direkt am Mikroskop oder aber anhand von Fotografien möglich. Die diskontinuierliche Auswertung erfolgt in einem vorgegebenen Rasterabstand. Sie ist sehr mühselig und sollte auf Einzelfälle beschränkt bleiben. Die Messgenauigkeit ist nahezu beliebig und hängt an sich nur von der eingestellten Vergrößerungsstufe und dem Kontrast zwischen Beton und Einbettharz ab.

480

13 Rauheit

Für die computergestützte Bildanalyse müssen die Bilder zunächst digitalisiert und manuell oder automatisch aufbereitet werden. Damit sich die Betonrandzone genügend genau anhand von Grau- oder Farbtonschwellenwerten detektieren lässt, sind ggf. Kontraste zu erhöhen und Störeinflüsse herauszufiltern. Das Ergebnis sind kontinuierliche Rauheitsprofile, aus denen mit entsprechenden Programmen die gewünschten Kenngrößen wie z.B. die größte Profilhöhe Rz und der arithmetische Mittelwert der Profilordinaten Ra direkt berechnet werden können. Scannen Handelsübliche Flachbettscanner haben beim derzeitigen Stand der Entwicklung eine optische Auflösung von bis zu 2400 ¥ 4800 dpi (Punktgröße: 10 mm ¥ 5 mm). Die Messstrecke ist praktisch nur durch das Format der Scanfläche (meist DIN A4) oder die Probengröße begrenzt. Ähnlich wie bei der mikroskopischen Ermittlung von Rauheitsprofilen im Auflichtverfahren müssen Proben senkrecht zur Oberfläche herausgetrennt werden. Bei den inzwischen ungebräuchlichen Handscannern (maximale optische Auflösung 400 ¥ 800 dpi (Punktgröße: 64 mm ¥ 32 mm) gibt es hinsichtlich der Probengröße keine Einschränkungen. Es genügt, z.B. eine Betonplatte oder einen Bohrkern längs aufzutrennen und ggf. plan zu schleifen. Als weitere Hilfsmittel werden eine dünne Glasplatte und eine Führungsschiene benötigt. Diese schützen das empfindliche Gerät vor Verschmutzungen und ermöglichen ruck- und versatzfreies Arbeiten. Die eingescannten und gespeicherten Bitmap-Bilder können mit handelsüblicher Bildbearbeitungssoftware dargestellt, aufbereitet und ausgewertet werden. Für die Erkennung mancher Betonbestandteile und Poren in Oberflächennähe sind ggf. manuelle Korrekturen und Farbzuordnungen notwendig. Bild 13.26 zeigt Beispiele für die Möglichkeiten dieser Technik. Die Auswertung der Rauheitsprofile erfolgt bei sehr starker Vergrößerung (Zoomfunktion) durch Auszählen der Pixel oder per Software. Sowohl die Hardwarevoraussetzungen als auch die Probenpräparation und

Bild 13.26: Gescannte und mittels Bildbearbeitungssoftware kontrastverstärkte Profilschnitte

13.3 Beschreibung und Bewertung der Prüfverfahren

481

die Bildauswertung erscheinen bei mittlerer Genauigkeit sehr viel einfacher und günstiger als bei der mikroskopischen Untersuchung. Digitalfotografie Digitalkameras mit Makrozoom und optischen Auflösungen von z.B. 1920 ¥ 2560 dpi (ca. 5 Megapixel) erlauben bei der Betrachtung eines Probenausschnittes von 15 mm ¥ 20 mm die Wiedergabe von Details mit einer Größe von nur 7,8 mm in beiden Koordinatenrichtungen. Da die technische Entwicklung dieser Geräte rasch voranschreitet und immer höhere Auflösungen erreicht werden, sind sie den Scannern sogar überlegen, zumal sie wesentlich flexiblere Handhabung und Einsatzmöglichkeiten bieten. Verglichen mit Scannern stehen jedoch bei entsprechender Detailwiedergabe nur kleinere Bildausschnitte zur Verfügung. Außerdem sind die Beleuchtungsverhältnisse nicht konstant.

13.3.4 Direkte quantitative topografische Messverfahren 13.3.4.1 Sandflächenverfahren nach Kaufmann Diese Methode [13-19] – auch Sandfleckmethode genannt (engl. sand patch method) – ist ein einfaches und schnell durchzuführendes Messverfahren zur Quantifizierung der Grobrauheit (Makrorauheit) bei horizontalen Oberflächen, das sich in den einschlägigen Vorschriften [13-18] sowie [13-21] und [13-22] etabliert hat. Da für die Charakterisierung der Textur von Fahrbahnbelägen neuerdings feine Glaskugeln als Ersatz für Sand verwendet werden, ist in diesem Zusammenhang die Bezeichnung volumetrisches Verfahren [1312], [13-18] zu bevorzugen. Das Messprinzip beruht auf dem Ausfüllen von Oberflächenvertiefungen mit einer vorgegebenen Menge an Sand oder Glaskugeln. Je nach Rauheit und Verbrauch wird ein mehr oder weniger großer Bereich der Oberfläche bedeckt. Dazu wird eine definierte Materialmenge so auf der zu prüfenden Oberfläche kreisförmig verteilt, dass die Vertiefungen gerade gefüllt sind (Bild 13.27). Die Rautiefe Rt ist definiert als Höhe des gedachten zylindrischen Körpers mit dem Kreisdurchmesser d und dem Sandvolumen V ([13-18] bis [1322], vgl. Bild 13.28). Sie entspricht nach [13-24] den inzwischen nicht mehr gebräuchlichen Rauheitskenngrößen Profilkuppenköhe oder Glättungstiefe gemäß der zurückgezogenen DIN 4762. DIN ISO 10844 [13-18] und DIN EN ISO 13473-1 [13-12] bezeichnen diesen Wert als mittlere Texturtiefe MTD. Die Geräteausrüstung besteht gemäß [13-21] und [13-22] aus einem Gefäß mit bekanntem Innenvolumen V (bestmöglich zwischen 25 cm3 und 50 cm3), trockenem Quarzsand der Körnung 0,1 bis 0,5 mm [13-22], einer runden Hartholzscheibe (∆ 5 cm, 1 cm dick) mit mittigem Griffzapfen an der Oberseite sowie einem Maßstab. In [13-21] wird das Größtkorn des zu verwendenden Sandes auf 0,3 mm begrenzt. DIN ISO 10844 [13-18] beschreibt eine

482

13 Rauheit

Bild 13.27: Sandflächenverfahren (volumetrische Methode)

Bild 13.28: Definition der Rautiefe Rt beim Sandflächenverfahren nach KAUFMANN aus [13-28]

Weiterentwicklung des Sandfleckverfahrens gemäß ASTM E 965-87, bei dem der Sand durch Glaskugeln ersetzt wird. Die Kugeln müssen zu 90 M.-% ein Sieb mit 0,25 mm Lochweite passieren und auf einem Sieb mit 0,18 mm Lochweite zurückgehalten werden. Auch das Werkzeug zum Verteilen der Glaskugeln ist anders als beim herkömmlichen Sandfleckverfahren spezifiziert. Demnach muss eine flache harte Scheibe von etwa 25 mm Dicke und 60 mm bis 70 mm Durchmesser verwendet werden. Die Unterseite der Scheibe muss mit einem Hartgummimaterial überzogen sein, das dem eines Eishockeypucks entspricht. An der Oberseite der Scheibe darf ein geeigneter Handgriff angebracht sein. Bei der Durchführung des Versuchs wird das Gefäß mit Quarzsand gefüllt und der Inhalt auf die trockene und saubere Oberfläche geschüttet. Der Sand ist mit der Scheibe durch spiralförmig sich erweiternde Kreisbewegungen in

13.3 Beschreibung und Bewertung der Prüfverfahren

483

Tab.13.5: Mindestdurchmesser dmin des Sandflecks in Abhängigkeit vom Sandvolumen V für eine maximale Rautiefe von 1,5 mm [13-22]

V in cm3 dmin in cm

25 15

30 16

35 17

40 18

45 20

50 21

die Vertiefungen der Oberfläche ohne Druck einzureiben bis die Vertiefungen gerade gefüllt sind. Anschließend wird der Durchmesser des Kreises auf einen Millimeter genau gemessen (Bild 13.27). Je Prüfbereich sind 3 Messstellen erforderlich (nach DIN ISO 10844 [13-18] 4 zufällig verteilte Messungen), die für den zu prüfenden Beton repräsentativ sein müssen. Zur Erhöhung der Reproduzierbarkeit wird für die Dosierung der Glaskugeln der Einsatz einer Laborwaage mit einer Empfindlichkeit von 0,1 g empfohlen. Auswertung: Die Rautiefe Rt (in mm) ergibt sich für das Sandvolumen (V in cm2) und den Durchmesser d (in cm) des etwa kreisförmig verteilten Sandes zu 40 · V Rt = 921 p · d2

(13.5)

([13-21], [13-22] und [13-28], vgl. Bild 13.28). Bei einer vorgegebenen maximalen Rautiefe von Rt = 1,5 mm darf der Durchmesser d in Abhängigkeit vom Volumen V die Angaben in Tabelle 13.5 nicht unterschreiten. Bewertung: Das Sandfleckverfahren ist eine schnelle, einfache und eingeführte Methode für die Unterscheidung von Oberflächen mit geringer und starker Rauheit. Nachteilig ist, dass das Verfahren nur auf annähernd horizontalen Flächen angewendet werden kann und dass die Resultate stark von den ausführenden Personen abhängen. Bei vertikalen Flächen oder an Bauteilunterseiten müsste der Versuch an Abdrücken (Repliken) durchgeführt werden. Außerdem wird nur die Makrotexturtiefe erfasst [13-12]. Texturdetails unterhalb der Korngröße des Sandes können nicht erfasst werden. Es sind meist mehrere Versuche erforderlich, bis ein kreisähnlicher Sandfleck entsteht, dessen Durchmesser die Berechnung der mittleren Rautiefe ermöglicht. Zur Beschleunigung des Messvorganges kann die Flächenermittlung auch mittels automatischer Bildauswertung durchgeführt werden [13-23]. Da kein kreisförmiger Sandfleck hergestellt werden braucht, verringert sich der Mess- und Auswerteaufwand auf ≤ 10 sec bei mehr als ausreichender Genauigkeit (siehe Abschnitt 13.3.3.3). Das Sandflächenverfahren ist bei horizontalen Flächen und Rautiefen zwischen 0,25 mm und 5 mm geeignet, das Drainagevermögen zu beurteilen und den Materialverbrauch für Beschichtungen abzuschätzen. Da jedoch sowohl der Reibwiderstand zwischen Reifen und Fahrbahn als auch die Adhäsion von Beschichtungen nicht allein von der Makrorauheit abhängen, sondern auch von der Mikrotextur, sind keine hinreichenden Aussagen über die zu erwarten-

484

13 Rauheit

de Griffigkeit und Haftfestigkeit möglich. Hierzu bedarf es solcher Prüfmethoden, wie sie z.B. in den Abschnitten 13.3.3.4 bis 13.3.3.6 beschrieben sind. 13.3.4.2 Zementleimverfahren Beim Zementleimverfahren [13-24] wird statt des trockenen Sandes eine Füllmasse aus 70 M.-% Zement und 30 M.-% Wasser verwendet. Dieses Gemisch haftet auch auf senkrechten Flächen. Um zu verhindern, dass die zu untersuchende Betonoberfläche dem Zementleim Wasser entzieht, muss sie vor dem Versuch leicht angenässt werden. Andernfalls verringert sich das Zementleimvolumen und das Ergebnis wird verfälscht. Für die Untersuchung ist ein genau festgelegtes Zementleimvolumen erforderlich, das komplett aufgetragen wird. Die Versuchsdurchführung und -auswertung erfolgt ansonsten analog zum Sandflächenverfahren. Weil durch den Zementleimauftrag Oberflächenporen des Betonuntergrundes verschlossen werden, können im Bereich der Prüffläche Nachteile für nachfolgende Schichten entstehen. Daher empfiehlt sich nach der Prüfung eine sofortige und gründliche Reinigung. Die Übereinstimmung der Resultate mit dem Sandflächenverfahren wird als ausreichend angesehen [13-24]. Bild 13.29 stellt die Ergebnisse des Zementleimverfahrens den Resultaten des Sandfleck- bzw. Tastschnittverfahren gegenüber. 13.3.4.3 Sandfleckmethode mit Hilfe automatischer digitaler Bildauswertung Wenn es bei der Durchführung der Sandfleckmethode nicht auf Anhieb gelingt, einen annähernd kreisförmigen Sandfleck zu erzeugen, nehmen der Un-

Bild 13.29: Vergleich von Messverfahren zur Rauheitsbestimmung, nach [13-24]

13.3 Beschreibung und Bewertung der Prüfverfahren

485

tersuchungsaufwand und die Versuchsdauer drastisch zu. Überträgt man den Umriss eines unregelmäßigen Sandflecks auf ein transparentes Medium (Plexiglasscheibe oder Transparentpapier), folgt eine zeitaufwendige und ermüdende Auswertung. Eine wesentliche Erleichterung kann bei der Auswertung unregelmäßiger Sandflecke durch die Verwendung automatischer Bildanalysegeräte erzielt werden [13-23]. Dabei wird die Kontur des Sandflecks mit einer digitalen Kamera aufgenommen und im Bild koordinatenmäßig erfasst. Nach Transformation der Bildkoordinaten in die Objektebene kann das Bild mittels PC numerisch ausgewertet werden. Wenn sich zwischen Sandfleck und Betonfläche ein ausreichender Kontrast herstellen lässt, kann der Sandfleck ohne Nachzeichnen des Umrisses direkt ausgewertet werden. Zur Kontrastverstärkung bei Bitmap-Bildern steht heute umfangreiche Bildbearbeitungssoftware zur Verfügung. Alle Komponenten der Messvorrichtung sind als Standardprodukte im Handel erhältlich. Das Verfahren hat sich als ausreichend genau, robust und zuverlässig erwiesen. Hinzu kommt, dass das Produktangebot auf dem Sektor der digitalen Bildverarbeitung stark zugenommen hat und die Preise deutlich gefallen sind, was diese Technik einem größeren Anwenderkreis erschließt. Außerdem nehmen die Qualität und Auflösung der Hardware weiterhin zu. Es können auch herkömmliche Fotos eingescannt und in entsprechender Weise ausgewertet werden, wenn ein Vergleichsmaßstab abgebildet ist. 13.3.4.4 Flächentriangulation Die Flächentriangulation arbeitet wie alle nachfolgend beschriebenen Verfahren berührungslos und eignet sich zur Messung von 3D-Koordinaten und Konturen. Dies ist an sich auch mit der herkömmlichen Triangulation von Lichtpunkten (siehe Abschnitt optische Triangulation) oder Messlinien möglich, wenn der Messkopf oder das Objekt rechnergesteuert verfahren wird und der Laserpunkt oder die Linie das Objekt flächig abtastet. Der informative Anhang A zur DIN 32877 [13-50] zeigt in einer grafischen Übersicht wie dies durch Aneinanderreihung von diskreten Messflecken bzw. -linien oder durch definiert bewegte Messflecken oder Messlinien realisiert werden kann. Effizienter ist es jedoch, statt der punktuellen Beleuchtung parallele Linienmuster mit gleichem Linienabstand auf das Objekt zu projizieren, die mittels CCD-Kamera erfasst und digitalisiert werden (siehe Bild 13.30). Durch die schräge Projektion der Lichtstrukturen auf die Objektoberfläche und durch die Beobachtung unter dem Triangulationswinkel werden vertikale Änderungen im 3D-Oberflächenprofil in laterale Auslenkungen auf dem optoelektronischen Sensor umgesetzt. Aus dem Zusammenhang zwischen den projizierten Linien und deren Auslenkung können die Höhenunterschiede errechnet werden [13-62], [13-63], [13-64], [13-78] (vgl. Abschnitt Streifen- und MoiréMessverfahren).

486

13 Rauheit

Bild 13.30: Grundverfahren der Triangulationstechnik, aus [13-62], [13-63]

13.3.4.5 Interferometrie Allgemeines Die klassische Interferometrie, aber auch die Holografie und die Speckle- sowie Streifen- und Moiré-Verfahren sind 3D-Präzisionsmesstechniken. Sie erweisen sich als sehr effiziente kontaktlose Prüfverfahren die unabhängig von der Oberflächenqualität des Materials eingesetzt werden können. Für Beton sind sie im Normalfall wegen des kleinen Messbereichs (vertikal und lateral) bei hoher Auflösung nur bedingt geeignet. Meist muss ein Kompromiss zwischen Auflösung und Messbereich geschlossen werden. Die Verwendung als Referenzmessverfahren für andere Messmethoden ist jedoch denkbar. Klassische Laser-Interferometrie Mit der Laser-Interferometrie lässt sich die Abstandsänderung von Messobjekten in Richtung des Messstrahls hochgenau bestimmen. Interferometrische Längenmessungen gehören zu den genauesten Messverfahren überhaupt. Als Messgröße und Längenmaßstab dient das Interferenzmuster zweier verschiedenphasiger Wellen. Für eine ausreichende Kohärenz zwischen dem Messund Referenzsignal wird für beide Signale die gleiche Quelle verwendet. Bei dem klassischen Verfahrensprinzip nach Michelson wird ein abgespaltener Teil des Ausgangsignals auf die Objektoberfläche gesendet und dort reflektiert. Währenddessen durchläuft der andere Teil eine bekannte Referenzstrecke. Anschließend werden die Wellen durch Spiegelung überlagert. Aus den unterschiedlichen Wegstrecken der Signale resultiert eine Phasenverschiebung, die bei Addition der Wellen zu einem Interferenzmuster führt, das sich im Abstand der Wellenlängen wiederholt. Durch Auszählen der Perioden kann zusammen mit der Wellenlänge des Lasers auf die Länge der Messstrecke geschlossen werden. Die Wellenlängen- bzw. Frequenzstabilität des Lasers beeinflusst die Messgenauigkeit [13-46], [13-65], [13-66]. Aus diesem Grunde müssen mechanische und thermische Störgrößen der Messeinrichtung kom-

13.3 Beschreibung und Bewertung der Prüfverfahren

487

pensiert werden. Auch die Aufweitung des Laserstrahls bei größeren Distanzen sowie Einflüsse aus der Umgebungsluft spielen eine Rolle. Im Prinzip sind mit dieser Methode Auflösungen bis in die Größenordnung der verwendeten Wellenlänge, d.h. bis in den Nanometer-Bereich, möglich. Dies geht jedoch zu Lasten des Messbereichs (maximale Höhendifferenzen) und zu Lasten der Messfeldgröße. Außerdem kann die hohe Genauigkeit des Messverfahrens nur mit großem technischen Aufwand realisiert werden. Die Verwendung interferometrischer Verfahren zur Topografiebestimmung rauerer Oberflächen setzt Laser-Lichtquellen mit längeren Wellenlängen voraus [13-64]. Hierfür sind besondere und sehr kostspielige Sensoren (vgl. [1346]) erforderlich. Holografische Interferometrie Die holografische Interferometrie ist ebenfalls ein hochempfindliches Messverfahren, geeignet für die berührungslose Aufnahme zeitabhängiger Verschiebungs- und Dehnungsfunktionen komplexer diffus streuender Oberflächen. Als charakteristische Größe dient die Wellenlänge des verwendeten Lasers. Je nach Aufbau der Messeinrichtung und Auswertung der Interferogramme sind Verschiebungen bzw. Oberflächenveränderungen mit einer Genauigkeit von etwa 10 nm erfassbar. Anders als bei der klassischen Interferometrie werden mit Hilfe der holografischen Interferometrie Lichtwellenmuster zweier unterschiedlicher Zeitzustände zur Interferenz gebracht. Dazu muss der dreidimensionale Ausgangszustand der betreffenden Oberfläche gespeichert werden, um ihn mit dem veränderten Zustand interferometrisch vergleichen zu können [13-67]. Mit holografischen Verfahren lassen sich Oberflächentopografien räumlich aufzeichnen. Im Gegensatz zur herkömmlichen Schwarzweiß-Fotografie, wo unterschiedliche Lichtintensität nur unterschiedliche Bildschwärzung hervorruft, werden in der Gelantineschicht einer holografischen Fotoplatte oder eines sehr feinkörnigen holografischen Films zusätzlich noch die Phasenlagen gespeichert. Mit diesen zusätzlichen Informationen können die gespeicherten Daten zu einem dreidimensionalen Bild des Objektes – dem Hologramm – rekonstruiert werden. Die ursprüngliche Oberflächentopografie erscheint bei Projektion mit dem Referenzstrahl mit all ihren räumlichen Eigenschaften wieder an der alten Stelle [13-67]. Durch optische Überlagerung verschiedener räumlicher Oberflächenzustände entsteht ein quantitativ auswertbares Interferogramm (Echtzeit- oder Realtime-Holografie [13-78]). Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Lichtwellenmuster (Bei rauen Oberflächen sind dies Granulationsmuster, so genannte Speckle Pattern, siehe nächster Abschnitt) der zu vergleichenden Bearbeitungszustände durch Doppelbelichtung auf dem gleichen Filmnegativ festzuhalten und das bei entsprechender Durchleuchtung mit Laserlicht entstehende Beugungsbild auszuwerten (Doppelbelichtungs-Holografie [13-78]). Beispiele [13-68] zeigen, dass sich mit diesem Verfahren sogar feinste Oberflächenänderungen mit hoher Ortsauflösung messen lassen, die bereits

488

13 Rauheit

bei einem Materialabtrag von wenigen mm auftreten, aber noch zu keiner signifikanten Änderung der üblichen Rauheitsparameter führen. Wegen der großen Empfindlichkeit des Verfahrens sind bereits solche Veränderungen infolge Oberflächenerosion oder -korrosion feststellbar, die noch zu keinem messbaren Massenverlust führen. Nachteilig sind bei der holografischen Interferometrie die hohen Anforderungen an das Filmmaterial, die Kohärenzstabilität des Lasers, die Schwingungsfreiheit der Messvorrichtung und der große Zeitaufwand für die Auswertung [13-69]. Laser-Speckle-Interferometrie Die Laser-Speckle-Interferometrie leitet sich aus der holografischen Interferometrie ab und basiert daher auf den gleichen physikalischen Grundlagen. Das Verfahrensprinzip stellt sich wie folgt dar: Wird eine raue Oberfläche mit einem monochromatischen kohärenten und aufgeweiteten Laserlichtstrahl beleuchtet, so kommt es zu Mikrointerferenzen der rückstreuenden Strahlen, mit Auslöschungen, die ein unregelmäßiges fleckiges Muster (Granulationsmuster), die so genannten Speckles, ergeben. Dieses Muster ist charakteristisch für den jeweiligen Oberflächenzustand. Verändert sich die Oberfläche durch Verformung oder Abrasion, so resultiert daraus bei gleicher Beleuchtung ein anderes Specklefeld. Wenn beide Muster fotografisch oder elektronisch mittels CCD-Kamera (Electronic Speckle Pattern Interferometry ESPI) gespeichert und anschließend überlagert werden, entstehen parallele dunkle Streifen (Youngschen Streifen bzw. Korrelationsstreifen), deren Abstände und Form ein Maß für die eingetretene Oberflächenveränderung sind. Zu den wesentlichen Vorteilen des ESPI-Verfahrens gehört die schnelle Datenerfassung und die rechnergestützte Auswertung. Die physikalischen Grenzen der lateralen Auflösung liegen abhängig von der Optik, Wellenlänge und Blende bei 20 mm, die der Höhenauflösung (out of plane) bei etwa 10 nm [13-70], [13-71]. Bei Messabständen von 100 mm bis 600 mm sind Messflächen bis 600 mm ¥ 450 mm möglich (optional > 1 m2). Aufgrund der kompakten Bauform eignen sich ESPI-Systeme für den Einsatz am Bauwerk [13-71], [13-72], wo bereits auch ein Teil der Auswertung mittels PC erfolgen kann (Bild 13.31). Weil die elektronische Bildverarbeitung den Messvorgang sehr beschleunigt hat, wird die Laser-Speckle-Interferometrie heute zunehmend für vielfältige Aufgaben in der Mess- und Prüftechnik eingesetzt [13-73]. Dazu gehört die berührungslose und zerstörungsfreie Bestimmung feinster Verformungen und Oberflächenveränderungen wie sie z.B. in der Bruchmechanik oder bei der Erforschung von Schadensmechanismen und Abwitterungsprozessen von Interesse sind [13-72] bis [13-79]. Auch die Angabe von Rauheitsparametern ist möglich, doch fehlen für solche flächenhaften optischen Rauheitsmessungen bislang entsprechende Regelwerke [13-70] (näheres dazu in Abschnitt 13.3.3.7). Für Rauheitsmessungen im Kontext dieses Buches stört, dass die Messvorrichtung wie bei der holografische Interferometrie zwischen den bei-

13.3 Beschreibung und Bewertung der Prüfverfahren

489

Bild 13.31: Schematische Darstellung eines Electronic Speckle Pattern Interferometers (ESPI) für out-of-plane-Messungen, vgl. [13-71] und [13-79]

den Bearbeitungszuständen ortsfest bleiben muss. Somit kommen diese Messmethoden zurzeit nur für Kalibrier- und Forschungszwecke in Betracht, nicht jedoch für die laufende Qualitätskontrolle. In [13-77] wird jedoch darüber berichtet, dass es auch durch Änderung der Beleuchtungsgeometrie oder der Laser-Wellenlänge möglich ist, Oberflächenkonturen zu messen, wodurch der genannte Nachteil behoben wäre. 13.3.4.6 Topometrie Streifen-Messverfahren Bei linienförmiger Beleuchtung in Streifenprojektionstechnik können die Streifenmuster interferometrisch interpretiert und ausgewertet werden. Dafür stehen geeignete Programme zur Verfügung, die auf interferometrischen Algorithmen basieren [13-62], [13-63]. Mittels hochauflösendem LCD-Display oder mit digital ansteuerbaren Mikrospiegeln werden rechnergesteuert Streifensysteme mit unterschiedlichen Gitterperioden erzeugt, mit denen das Messobjekt beleuchtet wird. Die Oberflächentopografie verändert die Form der Streifen. Aus den mit einer CCD-Kamera registrierten verformten Streifenmustern werden durch Vergleich mit einem Referenzmuster 3D-Koordinaten bzw. Höhenschichtlinien des Objektes mit hoher Genauigkeit bestimmt. Nach Herstellerangaben [13-63] können mit dieser topometrischen Messtechnik Objekte sekundenschnell mit einer Auflösung zwischen ≤ 0,1 und 20 mm je nach Größe des Messfeldes (max. 1 m ¥ 1 m) und mit einer hohen Informationsdichte und entsprechender lateraler

490

13 Rauheit

Bild 13.32: Prinzip der Streifenprojektion nach [13-64]

Auflösung (z.B. 1024 ¥ 1024 Pixel) erfasst und ausgewertet werden ([13-62] bis [13-64], Bild 13.32). Moiré-Messverfahren Das Moiré-Messprinzip basiert darauf, dass ein auf die zu untersuchende Fläche projiziertes Gitter mit der Spaltenstruktur einer CCD-Kamera überlagert wird. Die entstehenden Moiré-Streifen repräsentieren Höhendifferenzen. Die Höhenauflösung (das Höhenintervall zwischen den Moiré-Streifen) ist nicht konstant, sondern stellt sich als Funktion der Messfeldgröße dar. Sie kann, je nachdem, ob zusätzlich zwischen den Streifen interpoliert wird, 1/10000 bis 1/20 000 des Messfeldes betragen. Das Verfahren ist bereits ausgereift und eignet sich für diffus reflektierende Materialien mit relativ stark ausgeprägter Topografie [13-69], [13-78]. Bewertung der topometrischen Messverfahren Der wichtigste Vorteil der beiden vorgenannten topometrischen Messverfahren ist die schnelle, flächenhafte Erfassung von Oberflächentopografien im Bereich von mm2 bis m2. Die Messgenauigkeit und Höhenauflösung ist zwar geringer als bei den interferometrischen Verfahren, doch stellen Messbereiche zwischen µm bis 0,5 m, der kompakte und robuste Aufbau, die geringe Störempfindlichkeit sowie die einfache Bedienung und Handhabung bessere Voraussetzungen für den Einsatz in der industriellen Praxis dar [13-78].

13.4 Literatur

491

Bild 13.33: Mechanische und optische Antastverhältnisse bei der Rauheitsermittlung, aus [13-63]

13.3.4.7 Bestimmung von Rauheitsparametern mit optischen 3D-Messverfahren Trotz hoher Auflösung und Genauigkeit eignen sich die Ergebnisse der interferometrischen und topometrischen 3D-Messtechnik nicht ohne weiteres zur normgerechten Bestimmung von Rauheitsparametern z.B. gemäß DIN EN ISO 4287 [13-5] und DIN EN ISO 4288 [13-9]. Dies hängt unter anderem damit zusammen, dass die Anforderungen und Auswertekriterien für die Antastverhältnisse beim Taststiftverfahren aufgestellt wurden, sich stark von denjenigen bei optischen Verfahren unterscheiden (siehe Bild 13.33). Zurzeit existieren noch keine entsprechenden Prüfvorschriften und Anforderungen für optische 3D-Messverfahren [13-62], [13-63], [13-70]. Vergleichsuntersuchungen an Referenzproben haben jedoch gezeigt, dass es durch Anpassung der Messfelder und Profilhöhenauflösungen prinzipiell möglich ist, die gleichen Resultate wie bei mechanischer Antastung zu erhalten [13-63].

13.4 Literatur [13-1]

DIN 18217: 1981-12 Betonflächen und Schalungshaut.

[13-2]

PÖRSCHMANN, M.: Betonwerkstein richtig hergestellt – Gestalterische und technologische Möglichkeiten bei der Farbgebung des Betonwerksteins. In: Betonwerk + Fertigteil-Technik 56(1990), Nr. 8, S. 88–91.

[13-3]

DIN 4760: 1982-06 Gestaltabweichungen. Begriffe, Ordnungssystem.

[13-4]

DIN EN ISO 8785: 1999-10 Oberflächencharakter. Geometrische Oberflächentextur-Merkmale. Begriffe, Kurzzeichen.

492 [13-5]

[13-6]

[13-7]

[13-8]

[13-9]

[13-10] [13-11]

[13-12]

[13-13]

[13-14]

[13-15]

[13-16]

13 Rauheit DIN EN ISO 4287: 1998-10 Geometrische Produktspezifikationen (GPS) – Oberflächenbeschaffenheit: Tastschnittverfahren – Benennungen, Definitionen und Kenngrößen der Oberflächenbeschaffenheit . DIN EN ISO 11562: 1998-09 Geometrische Produktspezifikation (GPS) – Oberflächenbeschaffenheit: Tastschnittverfahren – Messtechnische Eigenschaften von phasenkorrekten Filtern. DIN EN ISO 13565-1: 1998-4 Geometrische Produktspezifikation (GPS) – Oberflächenbeschaffenheit: Tastschnittverfahren – Oberflächen mit plateauartigen funktionsrelevanten Eigenschaften, Teil 1: Filterung und allgemeine Messbedingungen. DIN EN ISO 13565-2: 1998-4 Geometrische Produktspezifikation (GPS) – Oberflächenbeschaffenheit: Tastschnittverfahren – Oberflächen mit plateauartigen funktionsrelevanten Eigenschaften, Teil 2: Beschreibung der Höhe mittels linearer Darstellung der Materialkurve. DIN EN ISO 4288: 1998-04 Geometrische Produktspezifikation (GPS) – Oberflächenbeschaffenheit: Tastschnittverfahren – Regeln und Verfahren für die Beurteilung der Oberflächenbeschaffenheit. A Guide to Surface Texture Parameters. Taylor Hobson Limited, Leicester/ England. http://www.taylor-hobson.com. STAEVES, J.: Beurteilung der Topografie von Blechen im Hinblick auf die Reibung bei der Umformung. Dissertation TU Darmstadt, 1998. DIN EN ISO 13473-1: 2004-07 Charakterisierung der Textur von Fahrbahnbelägen unter Verwendung von Oberflächenprofilen – Teil 1: Bestimmung der mittleren Profiltiefe. BENNETT, J. M.; MATTSSON, L.: Introduction to Surface Roughness and Scattering. Washington, D.C.: Optical Society of America, 1989. Forschungsgesellschaft für Straßen und Verkehrswesen: Arbeitsanweisung für kombinierte Griffigkeits- und Rauheitsmessungen mit dem Pendelgerät und dem Ausflussmesser, Ausgabe 1972. DAMES, J.: Erfassen und Beurteilen der Griffigkeit von Straßen. In: Straße und Autobahn 43 (1992), Nr. 2, S. 88–93. KRIEGER, B.; SULTEN P.: Stand der Entwicklung von lärmarmen Betondecken. In: Straße und Autobahn 50 (1999), Nr. 9, S. 479–486.

[13-17] KRIEGER, B.; KUNZ, K.; SULTEN, P. Dauerhaft griffige und geräuscharme Betonfahrbahndecken – Stand der Entwicklung. In: Straße und Autobahn 51(2000), Nr. 12, S. 753–759. [13-18] DIN ISO 10844: 1997-05 Akustik – Anforderungen an Prüfstrecken zur Geräuschmessung an Straßenfahrzeugen. [13-19] KAUFMANN, N.: Das Sandflächenverfahren. In: Straßenbautechnik 24 (1971), Nr. 3, S. 131– 135.

13.4 Literatur

493

[13-20] Merkblatt für die Herstellung von Oberflächentexturen auf Fahrbahndecken aus Beton – MOB, Ausgabe 2000. Hrsg.: Forschungsgesellschaft für Straßenund Verkehrswesen, Arbeitsgruppe Betonstraßen. Aus: Straßenbau A–Z, Lfg 6/01. [13-21] DAfStb-Richtlinie Schutz und Instandsetzung von Betonbauteilen (Instandsetzungs-Richtlinie). Hrsg.: Deutscher Ausschuss für Stahlbeton (DAfStb). Berlin und Köln: Beuth Verlag, Oktober 2000. [13-22] Zusätzliche Technische Vertragsbedingungen und Richtlinien für Ingenieurbauten (ZTV-ING). Hrsg.: Bundesminister für Verkehr, Abtlg. Straßenbau. Dortmund: Verkehrsblatt-Verlag Borgmann, März 2003. [13-23] VOEGTLE, T.; KNEPPER, S.: Bestimmung der mittleren Rauhtiefe (Sandfleckmethode) mit Hilfe automatischer digitaler Bildauswertung. In: Straße und Autobahn 41(1990), Nr. 2, S. 49–52. [13-24] BLOCK, K.; DRELL, R.: Oberflächenrauheit und Haftverbund. Spritzbetonverstärkte Bauteile. In: Beton 48 (1998), Nr. 2, S. 75–79 und Nr. 3, S. 132. [13-25] DOBROWOLSKI, J. A.: Textured Architectural Concrete. In: Concrete International 6 (1984), Nr. 1, S. 37–41. [13-26] Arbeitskreis Fassaden: Katalog für Planer mit technischen Unterlagen über die Ausführung von Fassaden aus Betonfertigteilen. Wiesbaden: Eigenverlag Dyckerhoff Weiss Marketing und Vertriebsgesellschaft, 1992. [13-27] KURU, K.; HEIKKILÄ, R.: Automatisierte Nachbehandlung von Oberflächen. In: Betonwerk + FertigteilTechnik 58(1992), Nr. 10, S. 61–70. [13-28] GRUBE, H.; KERN, E.; QUITMANN, H.-D.: Instandhaltung von Betonbauwerken. Aus: Beton-Kalender 1990. Berlin: Ernst & Sohn, 1990. [13-29] DIN EN 1370: 1997-02 Gießereiwesen – Prüfung der Oberflächenrauheit mit Hilfe von Vergleichsmustern. [13-30] DIN EN ISO 8503-1: 1995-08 Vorbereitung von Stahloberflächen vor dem Auftragen von Beschichtungsstoffen. Rauheitskenngrößen von gestrahlten Stahloberflächen – Teil 1: Anforderungen und Begriffe für ISO-Rauheitsvergleichsmuster zur Beurteilung gestrahlter Oberflächen. [13-31] DIN EN ISO 8503-2: 1995-08 Vorbereitung von Stahloberflächen vor dem Auftragen von Beschichtungsstoffen. Rauheitskenngrößen von gestrahlten Stahloberflächen – Teil 2: Verfahren zur Prüfung der Rauheit von gestrahltem Stahl, Vergleichsmusterverfahren. [13-32] DIN EN ISO 8503-3: 1995-08 Vorbereitung von Stahloberflächen vor dem Auftragen von Beschichtungsstoffen. Rauheitskenngrößen von gestrahlten Stahloberflächen – Teil 3: Verfahren zur Kalibrierung von ISO-Rauheitsvergleichsmustern und zur Bestimmung der Rauheit – Mikroskopverfahren.

494

13 Rauheit

[13-33] DIN EN ISO 8503-4: 1995-08 Vorbereitung von Stahloberflächen vor dem Auftragen von Beschichtungsstoffen. Rauheitskenngrößen von gestrahlten Stahloberflächen – Teil 4: Verfahren zur Kalibrierung von ISO-Rauheitsvergleichsmustern und zur Bestimmung der Rauheit – Tastschnittverfahren. [13-34] GRUBE, H.; RECHENBERG, W.: Betonabtrag durch chemisch angreifende saure Wässer. In: Betontechnische Berichte 24 (1986–1988), S. 117–141. [13-35] NOPPEN, G.; SIGALLA, J.: Technische Oberflächen, Teil 1: Oberflächenbeschaffenheit - Zeichnungsangaben, Erläuterungen für Konstruktion, Fertigung, Prüfung. Aus: Beuth-Kommentare. Berlin-Köln: Beuth Verlag, 1985 . [13-36] BREITENSTEIN, J.; POHLE, G.: 25 Jahre Außenstelle Inzell der Bundesanstalt für Straßenwesen (Abschnitt Messtechnik). Mitteilungen der Bundesanstalt für Straßenwesen 3/94. In: Straße und Autobahn 45(1994), Nr. 8, S. 465–466. [13-37] DAMES, J.; OERTELT, S.; SULTEN, P.; BUSCH, J.: Untersuchungen über die Wirksamkeit verschiedener Erhaltungsmaßnahmen zur Verbesserung des Zustandswertes älterer Betonfahrbahnen. In: Straße und Autobahn 41 (1990), Nr. 10, S. 483–488. [13-38] RAUE, J.: Entwicklung und Erprobung eines Messverfahrens zur Erfassung und Beschreibung der hydraulischen Rauheit von Fahrbahnoberflächen. Dissertation RWTH Aachen, 1977. [13-39] SIEBEL, E.; EICKSCHEN, E.: Lärmarme Betonfahrbahndecken – ein europäisches Forschungsprojekt. In: Straße und Autobahn 46(1995), Nr. 11, S. 658–662. [13-40] KRESSE, P.: Messung des Kapillarradius und der Oberflächenrauigkeit von Beton mittels des Hagen-Poiselle’schen Gesetzes. In: Betonwerk + Fertigteil-Technik 56(1990), Nr. 2, S. 72–78. [13-41] DIN 4768: 1990-05 (ersatzlos gestrichen) Ermittlung der Rauheitskenngrößen Ra, Rz, Rmax mit elektrischen Tastschnittgeräten; Begriffe, Messbedingungen. [13-42] DIN EN ISO 3274: 1998-04 Geometrische Produktspezifikationen (GPS) – Oberflächenbeschaffenheit: Tastschnitt-verfahren – Nenneigenschaften von Tastschnittgeräten. [13-43] DIN EN ISO 12179: 2000-11 Geometrische Produktspezifikation (GPS) – Oberflächenbeschaffenheit: Tastschnittverfahren – Kalibrierung von Tastschnittgeräten. [13-44] VDI/VDE 2602: 1983-09 Rauheitsmessung mit elektrischen Tastschnittmessungen. [13-45] DEELMANN, J. C.: Textural analysis of concrete by means of surface roughness measurements. Materials and Structures 17 (1984), No. 101, S. 359–367. [13-46] Taktil-los – Entfernungsbestimmung mit dem Laser. Laser Components GmbH. http://www.Lasercomponents.de.

13.4 Literatur

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[13-47] KEFERSTEIN, C. P.; MARXER, M.: Lasertriangulationssensorenn auf dem Prüfstand. Vergleichbare Informationen. In: Kontrolle (1997), Nr. 6, S. 62–65. [13-48] BAUMGARTNER, F.; LOHER, B.: Lasertriangulationssensor. NTB Sensordatenbank/Labor Elektronische Messsysteme, Fachhochschule Buchs/CH, http://www.ntb.ch/Pubs/sensor/demo. [13-49] Positionsmessung: PSD oder CCD? (Teil 2). Laser Components GmbH. http://www.Lasercomponents.de. [13-50] DIN 32877, Ausg.: 2000-08 Optoelektronische Abstands-, Profil- und Formmessung. [13-51] Laser-Abstandsensoren di-soric Industrie-electronic GmbH & Co, Urbach. http://www.di-soric.de. [13-52] Twin-Theorie. Betrachtung der physikalisch-optischen Gegebenheiten und Einflüsse bei Distanzmessungen mit Triangulationssensoren und deren Berücksichtigung beim Laser-Twin-Sensor. Finger GmbH & Co KG. http://www.micrometer.de. [13-53] Lieferprogramm. Finger GmbH & Co KG. http://www.micrometer.de. [13-54] WOLF & BECK: Optoelektronische Lasersensoren OTM. http://www.wolfbeck.com. [13-55] Keyence Corporation: FA Produkte – Modellreihe LK CCD-Laserwegmesssensor http://www.keyence.de. [13-56] Laser-Abstandssensor Polaris. http://www.Lap-Laser.com. [13-57] MTI Instruments, Latham, NY: Microtrak™ 7000, http://www.mtiinstruments.com. [13-58] BUSLAPS; GLATTKI, W.: Lasersystem Analyse Textur (LSAT) – System zur Messung und Analyse der Textur von Straßen. Bundesanstalt für Straßenwesen. [13-59] KEMPKENS, E.; GLATTKI, W.: Erfassung und Analyse von Rauheitsprofilen, Mitteilungen der Bundesanstalt für Straßenwesen 1/96, Abteilung S Straßenbautechnik, In: Straße und Autobahn 47(1996), Nr. 4, S. 209. [13-60] HUSCHEK, S.: Kennzeichnung der Oberflächenrauheit und deren Einfluss auf die Griffigkeit und die Reifengeräusche. In: Straße und Autobahn 47(1996), Nr. 6, S. 307–314. [13-61] Measuring System for the Evaluation of Skid Resistance and Texture. Part 1: Comparison of the repeatability standard deviations. Draft report: Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt), Bergisch Gladbach, Dienst Weg- en Waterbouwkunde (DWW) Rijkswaterstaat, (NL) Delft, Vejteknisk Institut (VI), (DK) Roskilde, March 1998. [13-62] GFM – Optisches Messen, Codieren, Analysieren: Optische 3D-Messtechnik mittels Streifenprojektion. GFMesstechnik GmbH, Teltow/Berlin, http:// www.gf-messtechnik.de. [13-63] FRANKOWSKI, G.: Optische 3D-Messtechnik für Forschung und Projektion mit digitaler Mikrospiegel-Streifenprojektion. Fachtagung „Qualitätssicherung durch Messtechnik und Bildverarbeitung“, Steyr. 1999.

496

13 Rauheit

[13-64] TIZIANI, H. J.: Optische und optoelektronische Verfahren zur dimensionellen Vermessung. Aus: Geodätische Messverfahren im Maschinenbau. Schriftenreihe des DVW. Stuttgart: Verlag Konrad Wittwer, 1992. [13-65] DONGES, A.; NOLL, R.: Lasermesstechnik, Grundlagen und Anwendungen. Heidelberg: Hüthig Verlag, 1993. [13-66] GÄCHTER, S.; TSCHIRKY, M.: Berührungslose Distanzmessung – ein Technologieüberblick, 1998, http:// www.geocities.com/stefangachter/Technology/Titel.htm. [13-67] THYEN, R.; HIEBER, H.; KUHL, G.: Verformungsmessung an oberflächenmontierten Bauelementen mittels holografischer Interferometrie. In: Verbindungstechnik in der Elektronik 1 (1989), Nr. 1, S. 37–40. [13-68] HINSCH, K.; WOLFF, K.: Eignung von laseroptischen Verfahren zur Messung von umweltbedingten Oberflächenveränderungen an Naturbausteinen. In: Bautenschutz und Bausanierung 11(1989), S. 97–102. [13-69] SCHICKERT, G.; HENSCHEN, J.; KRAUS, M.; MAIERHOFER, C.; WEISE, F.; WIGGENHAUSER, H.: BORCHARDT, K.: ZfPBau-Kompendium, BAM Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung, Berlin, 1999. http://www.bam.de. [13-70] LEOPOLD, J.; HERTWIG, M.; GÜNTHER, H.; STAEGER, B.: Three-dimensional measurement of macro- and microdomains using optical methods. In: Optics and Lasers in Engineering, 28 (1997), Nr. 1, S. 1–16. [13-71] GOM – Gesellschaft für optische Messtechnik, Braunschweig, http://www. gom.com. [13-72] HELMERS, H.; HINSCH, K.; GÜLKER, G.: Mit Mikrometerempfindlichkeit am Baudenkmal. Arbeitsgruppe Angewandte Optik, Fachbereich Physik, Carl von Ossietzky Universität Oldenburg, 05.07.01. http://www.physik.uni-oldenburg.de/Docs/holo. [13-73] SHARP, B.; KUHL, G.: Interferometrie – neue Möglichkeiten durch Bildverarbeitung. In: Feinwerk & Messtechnik 98 (1990), Nr. 4 S. 158–162. [13-74] ROSTÁSY, F. S.; LAUBE, M.: Zur laserinterferometrischen Vermessung der Rissprozesszone des Betonbruches. Exposé des Institutes für Baustoffe, Massivbau und Brandschutz, Hannover-Messe, 1990. [13-75] Newport Report: Speckle-Interferometrie – Verformungsverhalten keramischer Baustoffe. Darmstadt, Newport GmbH, Nr. 4, 1990. [13-76] JAKOBI, M.; EVANSCHITZKY, P.; KOCH, A. W.: Erosionsmessung an rauhen Oberflächen mittels Streifenkontrast in der Speckle-Interferometrie. In: tm – Technisches Messen 66 (1999), N. 4, S. 163–167. [13-77] LOHE, H.-J.: Testing & Evaluation. Centre for Structure Technologies, ETH-Zürich, CH, 26.04.01, http://www.imes.ethz.ch/st/main/Testing.htm.

13.1 Begriffe und Definitionen

497

[13-78] BREUCKMANN, B.: Bildverarbeitung und optische Messtechnik in der industriellen Praxis. München: Franzis Verlag, 1993. [13-79] FOCHT, G.; SCHIFFNER, K.: Einsatz hybrider Verfahren (numerisch/experimentell) zur Bestimmung von Eigenspannungen in Bauteilen. Institut für Mechanik und Regelungstechnik – Mechantronik IMR, Universität-Gesamthochschule Siegen.

14 Ebenheit

14.1 Begriffe und Definitionen Gemäß DIN 18201 [14-1] ist die Ebenheitstoleranz der Bereich für die zulässige Abweichung einer Fläche von der Ebene. Zur Beurteilung von Ebenheitstoleranzen wird nach dieser Norm das Stichmaß verwendet. Dieses ist der Abstand eines Punktes von einer Bezugslinie, der im Verhältnis zum Messpunktabstand bewertet wird (siehe Bild 14.1). Eine andere Bewertungsmöglichkeit basiert auf statistischen Methoden, wobei z.B. in konstanten Intervallen gemessene Profilabweichungen von einer mittleren Bezugsebene als Standardabweichung oder Varianz angegeben werden. In Anlehnung an die Begriffsdefinitionen der DIN 4760 [14-2] handelt es sich bei Ebenheitstoleranzen um Gestaltabweichungen 2. Ordnung. Während Gestaltabweichungen 1. Ordnung (z.B. Winkeltoleranzen), wie im vorigen Kapitel ausgeführt, nur bei Betrachtung des gesamten Bauteils festgestellt werden können, sind Gestaltabweichungen 2. Ordnung überwiegend periodisch auftretende Abweichungen der Ist-Oberfläche (Welligkeit), bei denen das Verhältnis der Wellenabstände zur Wellentiefe zwischen 1000 : 1 und 100 : 1 liegt. Aus der Eingrenzung des Begriffes Rauheit im Straßenbau folgt, dass sich Ebenheitstoleranzen oberhalb der Megarauheit im Wellenlängenbereich > 0,5 m bewegen (vgl. Kapitel 3 und 13). Nach DIN EN ISO 13473-1 [14-3] sind Unebenheiten als geometrische Unregelmäßigkeiten im Wellenlängenbereich von 0,5 bis 50 m definiert (siehe Bild 14.2).

Bild 14.1: Definition des Stichmaßes zur Beurteilung der Ebenheitstoleranzen nach DIN 18201 [14-1]

14.2 Beurteilungskriterien und Hinweise zur Auswahl der Prüfverfahren

499

Bild 14.2: Wellenlängenspektrum der Fahrbahnoberfläche und Auswirkungen auf die Gebrauchseigenschaften, aus: [14-24], vgl. [14-3]

14.2 Beurteilungskriterien und Hinweise zur Auswahl der Prüfverfahren 14.2.1 Allgemeines Da die Anforderungen nicht den anzustrebenden Ebenheitsgrad spezifizieren, sondern vielmehr die zulässigen Abweichungen von einer geometrischen Bezugsebene, sind für die Beurteilung eigentlich Unebenheitskriterien maßgebend [14-4]. Diese müssen von den Kriterien für die Beurteilung der profilgerechten Lage oder der Winkeltoleranzen unterschieden werden.

14.2.2 Fahrbahndeckenbau Fahrbahnunebenheiten beeinträchtigen die Verkehrssicherheit und Lebensdauer von Straßendecken. Außerdem erhöhen sie die Fahrzeug- und Ladegutbeanspruchung und führen zu erhöhtem Treibstoffverbrauch sowie vermehrten Fahrgeräuschen. Es ist davon auszugehen, dass sie sich unter Verkehrsbeanspruchung durch die Einwirkung dynamischer Radlasten weiter ausprägen

500

14 Ebenheit

[14-4]. Die Geräuschemission erhöht sich vor allem durch leichte, periodisch wiederkehrende Unebenheiten die die Reifen zu Schwingungen anregen, deren Frequenzen im hörbaren Bereich liegen. Im Gegensatz dazu wird der Fahrkomfort vor allem durch langwellige, regelmäßige Unebenheiten beeinflusst. Die Bewertung und Abnahme neu hergestellter oder instand gesetzter Fahrbahnen beschränkt sich daher nicht allein auf die Überprüfung der profilgerechten Lage, sondern umfasst auch Kriterien, die die Ebenheit betreffen. Dazu gehören Wasserabfluss, Geräuschemission und Fahrkomfort. Die Untersuchung erfolgt meist an Profilschnitten, seltener an Flächenrastern. Abweichungen von der geometrischen Oberfläche bzw. Bezugsoberfläche werden demnach in der Regel durch linienförmige Messungen angenähert (vgl. Kapitel 13). Für bestimmte Aufgabenstellungen genügt es sogar, nur eine Richtung zu untersuchen. So interessiert für den Fahrkomfort auf Straßen vor allem die Längs(un)ebenheit der Fahrbahndecken. Im Querprofil sind insbesondere die Spurrinnen von Bedeutung, die in Verbindung mit der Griffigkeit das Unfallrisiko bei Nässe beeinflussen. Schnelle und genaue Profilaufnahmen bilden auch die Grundlage für die Instandsetzungsplanung und -abnahme. Die Prüfverfahren sind beim Bau von Fahrbahndecken weitgehend vorgegeben. Während die profilgerechte Lage mittels Nivellement oder Abstandsmessung von einer gespannten Schnur bestimmt wird, ist für die Bewertung der Unebenheiten die 4-m-Richtlatte (Bilder 14.3 und 14.4) maßgebend oder deren fahrbare Variante, der Planograf (siehe Abschnitt 14.3.3). Obwohl sich beide Messmethoden äußerlich unterscheiden, liefern sie vergleichbare Ergebnisse. Umfangreiche Untersuchungen haben aber gezeigt, dass Ebenheitsabweichungen auch mit fahrbaren, berührungslos arbeitenden Lasermesssystemen (siehe Abschnitt 14.3.4) zuverlässig ermittelt werden können. Die Resultate stimmen ebenfalls weitgehend mit denen der Richtlatte überein [14-5]. Während für die Eigenüberwachung die Auswahl des Messgerätes dem Auftragnehmer überlassen bleibt, sollte für die Kontrollprüfung im Leistungsverzeichnis festgelegt werden, welches Gerät zu verwenden ist, zumal sich aus

Bild 14.3: Verwendung der Richtlatte zur Prüfung der Ebenheit nach DIN 18202 [14-8], Stichmaße und zugehörige Messpunktabstände

14.2 Beurteilungskriterien und Hinweise zur Auswahl der Prüfverfahren

501

Bild 14.4: Richtlatte mit Messkeil zur Prüfung der Ebenheit (vgl. [14-4], [14-15])

den Ergebnissen vertragsrechtliche Konsequenzen wie Abnahme und Berechnung von Abzügen ableiten. Bei Kontrollprüfungen an Messstrecken bis 100 m wird üblicherweise die Richtlatte verwendet, bei Messstrecken über 100 m kommt in der Regel noch der Planograf zum Einsatz. Dafür dürften Kostengründe sowie die positiven Erfahrungen mit diesem Gerät ausschlaggebend sein. Nach ZTV Beton-StB [14-27] wird die Längsebenheitsmessung in der Regel in der rechten Rollspur jedes Fahrstreifens bzw. in der Mittte des Standstreifens und sonstiger getrennt hergestellter Fertigungsstreifen durchgeführt. Auf diese Weise wird der Bereich der Mittellängsfuge gemieden. Auftraggeber und Auftragnehmer können sich über einen in Längsrichtung zu untersuchenden Streifen verständigen. Das heißt, unabhängig davon, aus wie viel Platten die Fahrbahn im Querschnitt besteht, braucht nur ein Streifen in Längsrichtung untersucht zu werden [14-5]. Ebenheitsprüfungen quer zur Fahrbahn erfolgen in der Regel mit der Richtlatte. Eine Überschreitung der Grenzwerte führt zu Abzügen, die nach dem in [14-27] angegebenen Schlüssel berechnet werden. Dazu sind die Grenzwertüberschreitungen in vollen Millimetern anzugeben. Die Vorgehensweise zur Ermittlung des Abzugs wird im Anhang zu [14-27] anhand eines Rechenbeispiels erläutert. Obwohl den vorgenannten Abnahmekriterien insgesamt ein recht hoher Qualitätsstandard unserer Straßen zu verdanken ist, kann es in Einzelfällen vorkommen, dass trotz bestandener Kontrollen der Fahrkomfort unzureichend ist. Eine mögliche Ursache hierfür sind z.B. innerhalb der Toleranzgrenzen liegende kurzwellige periodisch wiederkehrende Unebenheiten. Außerdem werden mit den vorgenannten Messverfahren sehr langwellige Unebenheiten (> 100 m) nicht erfasst, die aber bei hohen Fahrgeschwindigkeiten durchaus relevant sind.

502

14 Ebenheit

Die Querebenheit von Straßen wurde in Deutschland bisher nur mit stationären Messverfahren untersucht. Dazu gehört in erster Linie die 4 m oder 2 m lange Richtlatte, mit der die Spurrinnentiefe ST, horizontbezogene Spurrinnentiefe SH (fiktive Wassertiefe) und Profiltiefe PT ermittelt werden kann. Der Profilograph nach Koehler-Fuess und das Standard-Querprofil-Messgerät (SQM) sind ebenfalls statische Varianten der Richtlatte, bei denen jedoch ein Tastrad, das gesamte Profil aufnimmt und die benötigten Kennwerte aus dem Aufschrieb grafisch oder numerisch ermittelt werden. Im Gegensatz dazu handelt es sich bei dem System zur Analyse der Querebenheit (SAQ) und dem Querprofil-Aufnahmegerät (QAG) um fahrbare Balken mit Tastrad, die zusätzlich automatisch das Spurrinnenvolumen, die Flankenneigung und die Standardabweichung der Querebenheitshöhen ermitteln [14-6]. Währenddessen werden im Ausland schon seit längerer Zeit Messfahrzeuge eingesetzt, die neben der Längsebenheit und Rauheit auch die Querebenheit mit Messgeschwindigkeiten bis 80 km/h erfassen können. Dabei kommen Ultraschall- oder Lasersonden z.T. in Verbindung mit Videotechniken zum Einsatz. Solche schnell fahrenden Messgeräte werden sich wahrscheinlich auch hierzulande durchsetzen, weil berührungslose Messsysteme in Verbindung mit den heutigen Datenerfassungs- und -verarbeitungsmöglichen die Aufnahme und Analyse des gesamten Querprofils mit hoher Genauigkeit und Häufigkeit ermöglichen. Außerdem kann die routinemäßige Zustandserfassung übergeordneter Straßen ohne Fahrbahnsperrungen von im Verkehr „mitschwimmenden“ Fahrzeugen aus erfolgen, was angesichts des heutigen Verkehrsaufkommens von großem Vorteil ist [14-6].

14.2.3 Start- und Landebahnen Unebene Start- und Landebahnoberflächen rufen Flugzeugschwingungen hervor und können dadurch unter anderem die Ablesbarkeit der Cockpitinstrumente, die Reifenhaftung bei Nässe, das Flugzeugbremsverhalten und den Passagierkomfort beeinträchtigen. Obwohl aus diesen Gründen ein starkes Interesse daran bestehen muss, den Zustand des Oberflächenprofils möglichst genau und regelmäßig zu erfassen, zu dokumentieren und unzulässigen Veränderungen entgegenzuwirken, wurden bislang auf den Startbahnen in Deutschland nur dann Profilmessungen durchgeführt, wenn Pilotenbeschwerden dazu Anlass gaben. Dies lag unter anderem an den bisher verfügbaren zeitaufwendigen Messverfahren. Die Abnahme von Neubauten und Großreparaturen erfolgte nämlich meist mit dem Planografen. Dieses Gerät ist zwar in der Lage, die Tiefe von Wellentälern mit Messlängen von bis zu 8 m und einer Messgenauigkeit von ±1 mm kontinuierlich aufzuzeichnen, doch kann es nur mit Schrittgeschwindigkeit eingesetzt werden [14-7]. Unvermeidbare durch Flugbetrieb und/oder Setzungen des Untergrundes hervorgerufene Veränderungen des Oberflächenniveaus und -profils konnten

14.2 Beurteilungskriterien und Hinweise zur Auswahl der Prüfverfahren

503

im Wesentlichen nur durch Feinnivellements registriert werden. Diese erreichen zwar eine hohe Genauigkeit, sie sind aber wegen der individuellen Vermessung einzelner Punkte ausgesprochen zeitaufwändig und kostspielig und kommen daher für eine flächendeckende Profilaufaufnahme nicht in Betracht. So waren die Instandhaltungsabteilungen der Flughäfen bisher vor allem auf subjektive Indikatoren wie Pfützenbildung oder Pilotenberichte angewiesen. Langwellige Unebenheiten waren mit den bis dahin verfügbaren Untersuchungsmethoden überhaupt nicht zu erfassen. Erst 1989 wurde über Erfahrungen mit schnell fahrenden Laserprofilometern berichtet, die sich für eine regelmäßige Bestandsaufnahme und eine zuverlässige Instandhaltungsplanung von Start- und Landebahnen hervorragend eignen. Wegen des vergleichsweise geringen Zeitbedarfs sind regelmäßigere Kontrollen in kürzeren Zeitabständen möglich. Außerdem können langwellige Unebenheiten erfasst werden.

14.2.4 Hochbau und Industrieböden Während die Ebenheitstoleranz nach DIN 18202 [14-8] als zulässige Abweichung einer Fläche von der Ebene definiert ist, wobei eine Ebene nicht notwendigerweise waagerecht sein muss, beschreibt die Winkeltoleranz den Bereich der zulässigen Abweichung eines Winkels vom Nennwinkel. Nach DIN 18201 ist „die Einhaltung von Toleranzen nur zu prüfen, wenn es erforderlich ist.” Das heißt, die Abweichungen sind normalerweise nur dann zu messen, wenn die Ebenheit in Frage gestellt wird, wenn Nachweise gefordert sind oder wenn die Funktion des Bauteils bzw. damit in Zusammenhang stehender Bauteile und Einrichtungen beeinträchtigt wird. Nach DIN 18201 [14-1] bleibt die Wahl des Messverfahrens dem Prüfer überlassen. Allerdings ist das angewandte Messverfahren zusammen mit den Messunsicherheiten im Prüfbericht anzugeben und bei der Beurteilung zu berücksichtigen. Außerdem wird gefordert, dass die Prüfungen so früh wie möglich durchzuführen sind, um zeit- und lastabhängige Verformungen weitgehend auszuschalten, spätestens jedoch bei der Übernahme der Bauteile oder des Bauwerks durch den Folgeauftragnehmer bzw. spätestens bis zur Bauabnahme. Die Wahl der Messpunkte soll nach DIN 18202 [14-8] Abschnitt 6.2 erfolgen. In Einzelfällen und nach Vereinbarung kann davon abgewichen werden. Die Ebenheit einer Fläche kann entweder durch Einzelmessungen, z.B. durch Stichproben mit einer Richtlatte, oder durch ein Flächennivellement über regelmäßig verteilte und eingemessene Rasterschnittpunkte erfolgen (siehe Bilder 14.5 bis 14.7). Zu den Messaufgaben kann sowohl die Beurteilung der Ebenheit als auch der Winkelabweichung d.h. die Neigung einer Fläche aus der Horizontalen (z.B. bei Deckenober- und Unterseiten) bzw. aus der Vertikalen (bei Wänden) oder aus einer vorgegebenen Neigung (bei Ram-

504

14 Ebenheit

Bild 14.5: Prüfung der Ebenheit durch Einzelmessungen (Stichprobenprüfung) nach DIN 18202 [14-8]

Bild 14.6: Höhen von Rasterpunkten auf einer Bodenfläche [14-10]

pen) gehören. Gegebenenfalls ist auch das Niveau einer Fläche zu überprüfen [14-10]. Obwohl die Wahl des Messgerätes frei steht, sollte man sich jedoch vor Beginn der Untersuchungen auf eine Prüfmethode bzw. ein Messgerät festlegen. Die im Hochbau üblichen Verfahren (DIN 18202 [14-8]) zur Prüfung der Ebenheit werden gemäß [14-11] auch bei Industrieböden angewandt. Aller-

14.2 Beurteilungskriterien und Hinweise zur Auswahl der Prüfverfahren

a

505

b

Bild 14.7: a) Überprüfung der Ebenheit und Neigung einer Wandfläche mittels Theodolit [14-10], b) Flächennivellement

dings empfehlen sich für größere Flächen neben der 4 m-Latte auch Nivelliergeräte oder Lasersensoren, während bei kleineren Flächen (z.B. im Wohnungsbau) kürzere Richtlatten vorteilhaft sein können [14-12]. Bei der Auswahl der Messgeräte sollte auf eine ausreichende Genauigkeit geachtet werden. Als Anhaltswert für die anzustrebende Genauigkeit können 10% der zulässigen Ebenheitstoleranz in mm/m dienen. Demnach wäre z.B. bei flächenfertigen Böden und Messpunktabständen über 15 m eine Genauigkeit < 0,1 mm/m erforderlich. In den USA sind andere Messmethoden für die Bewertung der Ebenheit von Fußböden gebräuchlich. Die Richtlinie ACI 117-90 [14-9] des American Concrete Institute lässt zwar auch das Richtlatten-Verfahren zu, favorisiert jedoch eindeutig das F-Zahlen-Verfahren (siehe Abschnitt 14.3.4).

14.2.5 Betonfertigteile und Betonwerkstein Sofern sich eine Oberflächenbearbeitung von Betonfertigteilen auf die Bauteilmaße auswirkt, gelten die Grenzabmaße für Längen, Breiten- und Querschnittsmaße nach DIN 18203 [14-13] in Verbindung mit DIN 18201 [14-1]. Für die Ebenheitstoleranzen ist DIN 18202 maßgebend. Bei betonwerksteinmäßig bearbeiteten Bauteilen, sind die Maße gemäß DIN 18500 [14-14] an jeweils mindestens 3 Stellen zu bestimmen und auf 0,5 mm gerundet anzugeben. Die Ebenheitstoleranzen dieser Norm gelten jedoch nur für glatte (z.B. geschliffene) Oberflächen. Bei der Herstellung von Bodenplatten aus Betonwerkstein ist die Ebenheit im Rahmen der Eigenüberwachung einmal je Ferti-

506

14 Ebenheit

gungswoche, jedoch mindestens einmal je 10000 Stück abwechselnd bei den produzierten Formaten und Betonzusammensetzungen zu prüfen. Bei anderen Erzeugnissen einmal je Fertigungswoche, abwechselnd in den produzierten Erzeugnisgruppen.

14.2.6 Betoninstandsetzung Die anzuwendenden Kriterien und Prüfverfahren richten sich nach der Art des instand zu setzenden Bauteils (siehe vorige Abschnitte). Die Ebenheitsprüfung mit der Richtlatte ist jedoch in allen Fällen anwendbar.

14.3 Beschreibung und Bewertung der Prüfverfahren 14.3.1 Richtlatte 14.3.1.1 Prüfung an Fahrbahndecken aus Beton Die Ebenheit von Fahrbahndecken wird mit der 4 m langen Richtlatte oder einem entsprechenden Ebenheitsprüfgerät nach dem Merkblatt für Ebenheitsprüfungen [14-15] meist nur stichprobenweise geprüft. Die Messung einer kompletten Strecke erscheint nur bei Bauabschnitten bis 100 m Länge praktikabel. Aufgrund des großen Personal- und Zeitaufwandes soll dieses Messverfahren nur in vertretbarem Umfang eingesetzt werden. Gegebenenfalls sind andere Verfahren vorzuziehen. Die Messabschnitte für die Stichprobenprüfung werden nach einer gemeinsam von Auftraggeber und Auftragnehmer durchgeführten Vorprüfung, z.B. durch Befahren, festgelegt. Eine solche Vorgehensweise ist allerdings als Abnahmekriterium oder als Basis für die Berechnung von Abzügen nicht ganz unproblematisch. Die Richtlatte besteht aus Metall, Kunststoff oder aus gut abgelagertem, ast- und verwerfungsfreiem Holz mit verschleißfesten Metall-Messkanten an der Unterseite. Der Querschnitt ist üblicherweise rechteckig. Es sind aber auch andere Querschnittsformen möglich, solange diese Latten mindestens die gleiche Formstabilität aufweisen. Die Geradlinigkeit der Unterkante ist vor Beginn der Messungen zu prüfen. Zur Ablesung des Stichmaßes wird ein Messkeil mit einer von oben ablesbaren Messskala verwendet (Bild 14.4). Dieser besteht in der Regel aus Metall mit oberseitiger 1/10, 1/5 oder 1/1 mm-Teilung und hat eine Steigung zwischen 10 und 15%. Zur Kompensation des Rauheitseinflusses soll die Breite zwischen 25 und 35 mm liegen. Die Länge ist auf 300 mm begrenzt. Die Stichmaße werden nach Einschieben des Messkeils zwischen Lattenunterkante und Tiefpunkt an der Skala abgelesen und auf ganze Millimeter angegeben. Die Durchführung und Auswertung der Messungen weicht im Detail von der im Hochbau üblichen Vorgehensweise ab (vgl.

14.3 Beschreibung und Bewertung der Prüfverfahren

507

Abschnitt 14.3.1.2). Der wichtigste Unterschied ist, dass nicht nur ein Tiefpunkt zwischen zwei Hochpunkten vermessen wird, sondern zwei. Diese sind links und rechts von der Mittelmarke auf der Richtlatte zu suchen. Lässt sich aufgrund der Unebenheitscharakteristik kein zweiter Tiefpunkt finden, wird das zweite Stichmaß genau unter der Mittelmarke gemessen. Unter den auskragenden Enden der Latte darf nicht gemessen werden. In das Messprotokoll sind beide Werte mit entsprechender Kennzeichnung einzutragen und nach dem im Merkblatt [14-15] beschriebenen Verfahren auszuwerten. Das Merkblatt enthält außerdem Angaben darüber, wie sich eventuelle Preisabzüge errechnen. 14.3.1.2 Prüfungen im Hoch- und Industriebodenbau Für Ebenheitsprüfungen im Hoch- und Industriebodenbau gilt in Deutschland die Messung mit der Richtlatte als das zweckmäßigste Verfahren. Die Lattenlänge sollte je nach Flächengröße vier oder zwei Meter betragen. Zur Prüfung der Ebenheit kann man horizontale, vertikale oder schräge Oberflächen abtasten, indem man die Richtlatte in ausgewählten, kritischen Bereichen auf die Hochpunkte der Fläche auflegt. Es wäre falsch, die Richtlatte waagerecht bzw. senkrecht auszurichten. Die Ebenheitsabweichung ergibt sich aus der Höhendifferenz (Stichmaß) zwischen einem Tiefpunkt und einer Geraden, die zwei Hochpunkte verbindet. Der laterale Abstand dieser Hochpunkte ist der Messpunktabstand. Alternativ kann das Stichmaß gemäß [14-10] und [14-12] auch zwischen einem Hochpunkt und einer Geraden, die zwei Tiefpunkte verbindet, ermittelt werden. Der Messpunktabstand entspricht hierbei dem Abstand der Tiefpunkte. Wie bei Straßendecken darf auch im Hochbau nicht unter den auskragenden Enden der Latte gemessen werden. Bei Ebenheitsprüfungen wird also sowohl der laterale Abstand zwischen den Hochpunkten mittels Messband, Zollstock oder Skala auf der Richtlatte als auch das Stichmaß durch Einschieben eines Messkeils an der tiefsten Stelle zwischen Latte und Fläche (siehe Bild 14.4) gemessen. Diese Messstelle muss zwar zwischen den beiden Hochpunkten liegen, jedoch nicht zwangsläufig in der Mitte. Die genaue Lage des Tiefpunktes braucht nicht erfasst zu werden. Maßgebend ist allein der Messpunktabstand aus dem sich das zulässige Stichmaß gemäß DIN 18202 [14-8] (vgl. Abschn. 3.3) ergibt. Die genaue Lage der Auflagerpunkte ist oft schwierig zu ermitteln. Dies wird erleichtert, wenn man zwei möglichst dünne Papier- oder Folienstreifen ausgehend von dem Bereich mit der größten Spaltweite so weit nach außen in Richtung der beiden Auflagerpunkte verschiebt, bis ein weiteres Verschieben nicht mehr möglich ist. Der Abstand der Streifen-Außenkanten entspricht dem Messpunktabstand. Dabei ist der Einfluss der Papier- bzw. Foliendicke zu beachten. Da weder komplette Flächen untersucht werden müssen, noch ein bestimmtes Prüfraster vorgegeben ist, kann man sich auf die Prüfung einzelner

508

14 Ebenheit

Punkte beschränken, wenn eine Überprüfung der Gesamtfläche nicht notwendig erscheint. Die Wahl der Lattenlänge steht frei, doch ist es sinnvoll, die Entscheidung über die Lattenlänge (max. 4 m) von der Raumgröße abhängig zu machen. Für die Prüfung der Gesamtfläche, wird eine Rastereinteilung von 2 m ¥ 2 m und die Verwendung einer 4 m-Latte empfohlen, doch können auch kleinere Raster und kürzere Richtlatten verwendet werden. Der Rasterabstand sollte jedoch der halben Richtlattenlänge entsprechen [14-12]. Mit geringerem Rasterabstand erhöht sich allerdings auch der Zeitaufwand für die Messungen. Die zulässigen Stichmaße für Ebenheitstoleranzen gelten nicht für Aufschüsselungen oder Randabsenkungen. Absätze und Höhensprünge zwischen benachbarten Bauteilen sind gemäß DIN 18202 [14-8] gesondert zu regeln. Deshalb wird empfohlen, Ebenheitsmessungen im genügenden Abstand von angrenzenden Bauteilen oder Fugen durchzuführen.

14.3.2 Nivellement Die Ebenheit kann durch Einzelmessungen (z.B. Stichprobenprüfung nach Bild 14.3) oder durch ein Flächennivellement eines eingemessenen Rasters geprüft werden. Die Messpunktabstände werden nach Bild 14.5 zugeordnet. Beim Flächennivellement wird gemäß DIN 18202 [14-8] die Fläche durch ein zweckmäßiges Raster unterteilt, z.B. mit Rasterlinienabständen von 10 cm, 50 cm, 1 m und 2 m (Bild 14.6). Es kann auch ein anfänglich grobmaschig angelegtes Raster gezielt in den während des Nivellements festgestellten oder von vornherein bekannten kritischen Bereichen verdichtet werden. Auf den Rasterschnittpunkten an der Oberfläche werden dann die Höhenmessungen mit einem Nivellierinstrument oder Rotationslasernivellier vorgenommen, an vertikalen Flächen mit einem Theodolit (siehe Bild 14.7). Zu beachten ist, dass die Genauigkeit der Lasergeräte mit zunehmender Entfernung abnimmt. Für hohe Genauigkeiten empfehlen sich ein Ingenieurnivellier und eine Nivellierlatte mit Millimeterteilung. Wird ein Ingenieurnivellier mit aufgesetztem Planplattenmikrometer und zugehöriger Nivellierlatte verwendet, so lassen sich bei sorgfältiger Arbeit Genauigkeiten < 1 mm erreichen. Für rationelles Arbeiten empfiehlt sich ein Rotationslasernivellier, das sich schnell aufstellen und einrichten lässt. Dieses Gerät sendet einen rotierenden horizontalen Laserstrahl, der von einem Detektor erfasst wird. Bei einigen Bauarten kann die Laserebene auch vertikal ausgerichtet werden, so dass auch Unebenheiten an Wänden bestimmbar sind. Die Genauigkeit von Lasergeräten liegt nach Herstellerangaben zwischen 2,5 mm und 5 mm auf 100 m Distanz. Für übliche Entfernungsbereiche in Gebäuden kann man von einer Genauigkeit zwischen 1 und 2 mm ausgehen. Darin ist allerdings noch nicht der Einfluss der Detektorpositionierung berücksichtigt. Die höchsten Genauigkeiten erzielt man mit einer Feinverstelleinrichtung am Detektor [14-10]. Zur Erzielung einer noch

14.3 Beschreibung und Bewertung der Prüfverfahren

509

höheren Präzision können die Rastermessungen auch mit induktiven Wegaufnehmern durchgeführt werden, die an einem speziellen Schienengerüst angebracht sind [14-16]. Die Rastermaße lassen sich beliebig einstellen. Die Auswertung der Messergebnisse wird in DIN 18202 grafisch erläutert (siehe Bild 14.5). Danach werden die Ist-Abweichungen der Strecken 4 bis 6 an der Höhenkote Nr. 5 und der Strecken 5 bis 10 an der Höhenkote Nr. 7 bestimmt. Im ersten Beispiel wird das Stichmaß aus den Höhendifferenzen von jeweils drei benachbarten auf einer Rasterlinie liegenden Rasterpunkten errechnet. Dazu wird die Höhe des betrachteten Punktes von dem Mittelwert der Höhe seiner beiden gleichweit entfernten Nachbarn subtrahiert. Der Messpunktabstand entspricht dann dem 2fachen Rasterabstand. In dem 2. Beispiel der Norm wird zwischen den beiden höchsten (bzw. niedrigsten) Punkten einer Rasterlinie durch Interpolation die Höhe des Punktes auf der Verbindungslinie ermittelt, der genau über dem tiefsten (bzw. unter dem höchsten) Punkt liegt. Das Stichmaß ergibt sich aus der Höhendifferenz zwischen dem tiefsten (bzw. höchsten) Punkt und dem zugehörigen Punkt auf der Verbindungslinie. Der Messpunktabstand ist dann der Abstand zwischen den beiden Hochpunkten (bzw. Tiefpunkten, siehe Abschnitt 14.3.1.2).

14.3.3 Planograf Der Planograf ist im Straßen- und Flugplatzbau eine anerkannte Alternative zu der 4-m-Richtlatte (Bild 14.8). Nicht zuletzt weil damit die Messungen kostengünstig durchzuführen sind, befinden sich heute zahlreiche Geräte im Einsatz und es liegen entsprechend umfangreiche Erfahrungen vor. Bei diesem Gerät ist sozusagen die 4-m-Latte fest auf Rollen montiert, wobei die innerste vertikal beweglich ist. Die Bewegungen dieses Rades werden mechanisch oder elektronisch erfasst und aufgezeichnet. Das Verfahren ist seit etwa 50 Jahren gebräuchlich und zählt damit zu den ältesten Prüfmethoden für diese Zwecke. Sein Vorteil gegenüber der Richtlatte ist die höhere Messgeschwindigkeit bei weitgehend gleicher Aussagefähigkeit. Mit diesem Gerät wurde es möglich, die Längsebenheit größerer Straßenabschnitte kontinuierlich und mit vertretbarem Zeitaufwand zu prüfen [14-17]. Wenngleich die Ergebnisse beider Prüfverfahren sehr gut korrelieren, darf jedoch aufgrund des unterschiedlichen Messprinzips keine vollständige Übereinstimmung der Resultate erwartet werden. Die größten Abweichungen sind bei sehr unebenen Oberflächen zu befürchten. Nach Herstellerangaben liegen die Wiederholstreuungen bei Mehrfachmessungen im Bereich von ± 5%. Der 4,36 m lange Messwagen (siehe Bild 14.8) besteht aus einem Rohrrahmen, der als räumliches Fachwerk mit dreieckigem Querschnitt ausgebildet ist, einer Zugdeichsel, 10 Laufrädern mit unterschiedlichen Achsabständen, einem auf der anderen Seite des Rahmens angebrachte Stützrad und einem Messrad, das in der Spur der Laufräder in Gerätemitte an einem Hebelarm ge-

510

14 Ebenheit

Bild 14.8: Planograf (vgl. [14-5])

genüber dem Messwagen drehbar gelagert ist. Die Unterkanten der 10 Laufräder bilden eine Bezugsgerade, die gleichzeitig Nullstellung für die Unterkante des Messrades ist. Während die Laufräder einen Durchmesser von 20 cm aufweisen, ist das Messrad mit 15 cm etwas kleiner. Die normale Aufstandsbreite des Messrades von 25 mm ist bei sehr grobrauen Oberflächen auf 50 mm zu erhöhen. Die Unterkanten der Laufräder bilden für alle überfahrenen Unebenheiten eine momentane Bezugsgerade, wobei der Abstand zwischen der ersten und der letzten Radachse mit 4 m der Länge der Richtlatte entspricht. Die von den Unebenheiten hervorgerufenen relativen Vertikalbewegungen des Messrades gegenüber der Bezugsgeraden werden von einer über dem Messrad befindlichen Registriereinheit aufgezeichnet (siehe Bild 14.8). Früher geschah dies vorwiegend mechanisch, heute vermehrt elektronisch über einen induktiven Wegaufnehmer. In den Messaufschrieb werden außer den Messradbewegungen auch die Nulllinie und die Toleranzlinien eingezeichnet. Damit eine Übereinstimmung mit den Richtlattenmessungen gegeben ist, werden Überschreitungen der Bezugsgeraden nicht registriert. Das Gerät ist mit einer Wegmessvorrichtung ausgerüstet, die indirekt mit der Achse des Stützrads verbunden ist. Zu Beginn einer Messung muss das zu Transportzwecken am Rohrrahmen arretierte Messrad gelöst und gleichzeitig die Registriereinrichtung eingeschaltet werden. Auf diese Weise ist es möglich, die Lage derjenigen Bereiche einzugrenzen, in denen ggf. die Ebenheitstoleranzen überschritten werden. Dies ist unter anderem für die Berechnung der Höhe von Abzügen erforderlich. Ein Nachteil des Verfahrens ist, dass der Aufschrieb auch Rauheitsanteile enthält und längere Wellen nur mit stark exponentieller Dämpfung erfasst werden [14-18]. Tatsächlich beeinflussen bei üblichen Fahrzeuggeschwindigkeiten

14.3 Beschreibung und Bewertung der Prüfverfahren

511

auch längere Wellen das Schwingungsverhalten von Fahrzeugen, was sich auf den Fahrkomfort sowie auf das Verhalten des Ladegutes auswirken kann.

14.3.4 Floor Profiler Die Ermittlung der in den USA und Kanada gebräuchlichen F-Zahlen (Oberflächen-Profil-Kennzahlen FF und FL) wird in ASTM E1155 [14-19] beschrieben. Danach werden an verschiedenen Stellen der Oberfläche gerade Linien markiert. Jede Messlinie sollte wenigstens 11 ft (rd. 3,4 m) lang sein und an einer 1000 ft2 (93 m2) großen Fläche sollten wenigstens 34 Einzelmessungen durchgeführt werden. Die Aufteilung der einzelnen Messabschnitte erfolgt nach den Empfehlungen in [14-20]. Dabei wird die Gesamtfläche in Bahnen unterteilt, in denen parallel versetzte oder diagonal zur Längsrichtung verlaufende Messlinien angeordnet werden. Die Höhenpunkte werden entlang der Messlinien in konstanten Intervallen von 12≤ (= 1 ft. = 0,305 m) gemessen. Die Höhendifferenzen zwischen allen nebeneinander liegenden Punkten werden berechnet und eine Ausgleichsgerade für das Oberflächenprofil entlang einer Messlinie bestimmt sowie unter Berücksichtigung der visuellen Feststellungen der Oberfläche bewertet. Danach werden die arithmetischen Differenzen zwischen allen benachbarten 12≤-Intervallen sowie die Höhendifferenzen zwischen allen Punkten in Abständen von 10 ft berechnet. Eine Beurteilung der Ebenheit und Winkelabweichung (von der Horizontalen) eines jeden Fußbodenabschnittes ergibt sich aus der statistischen Analyse dieser errechneten Profilwerte. Die Auswertemethode ist durch die ASTM vorgegeben. Schließlich werden die F-Zahlen für jeden Testabschnitt kombiniert und zu einem Gesamt(F-) Kennwert für jede Testfläche zusammengefasst. Für die Ermittlung der F-Zahlen sind gemäß ASTM verschiedene Messgeräte zugelassen, einschließlich dem in den USA sehr verbreiteten, Dipstick Floor Profiler (Messstab-Fußboden-Profilmeter) [14-21]. Dieses Gerät, das in mehreren Varianten erhältlich ist, erstellt ein Punkt zu Punkt Diagramm der gemessenen Oberfläche in dem Umfang, wie es zur Ermittlung von F-Zahlen für stochastische Verkehrsbeanspruchung benötigt wird. Solche Beanspruchungsverhältnisse liegen in ca. 98% aller Anwendungsfälle vor. Die einfachere, sehr kompakte Geräteausführung (in den Versionen For Floors und For Roads) „schreitet“ entlang einer Messlinie. Das heißt, das einhändig am Knauf einer Stange geführte Gerät (siehe Bild 14.9) wird in ähnlicher Weise wie ein Stechzirkel beim Ausmessen einer gekrümmten Strecke abwechselnd um die beiden Fußpunkte gedreht und dabei vorwärts bewegt. Daher lässt sich das Gerät auch an anderen Bauteilen wie z.B. Balken anwenden und lokale, nicht unmittelbar zum Bauteil gehörende Hindernisse können „übergangen“ werden. Die Datenerfassung und Auswertung erfolgt über einen Palmtop-Computer, der die Daten für nachträgliche Auswertungen auch auf einen Standard-PC übertragen kann. Der jeweilige Höhenunterschied (das Stichmaß) zwischen beiden Fuß-

512

14 Ebenheit

a

b

c

Bild 14.9: Dipstick Floor Profiler [14-21]

punkten wird auf einem Display angezeigt. Akustische und visuelle Signale melden dem Prüfer, wenn ein Messvorgang abgeschlossen ist. Die repräsentative Aufnahme eines 10000 ft2 großen Fußbodens lässt sich so in weniger als einer 3/4 Stunde bewältigen. Eine etwas mechanisiertere und komfortablere Variante des Dipsticks ist auf Rollen montiert und kann dadurch die Messungen erheblich beschleunigen. Beide Gerätevarianten nehmen für sich in An-

14.3 Beschreibung und Bewertung der Prüfverfahren

513

spruch, einfach, schnell, von nur einer Person bedienbar zu sein und die ausgewerteten Resultate praktisch auf Tastendruck zu liefern. Falls gewünscht, können abgesehen von F-Zahlen auch andere Kenngrößen ermittelt werden. Eine Anpassung an verschiedene Vorschriften ist möglich. Es wird allerdings davon abgeraten, dieses Gerät auch für die Beurteilung von Flächen mit regelmäßiger nicht stochastischer Verkehrsbeanspruchung einzusetzen. Zu solchen Flächen mit definierter Verkehrsbeanspruchung gehören z.B. die Fahrspuren von Flurförderanlagen die nach [14-20] in die Kategorie supereben einzustufen sind. Diese müssen mit anderen Prüfgeräten, z.B. dem Profileograph [14-22], bewertet werden, dessen Funktionsweise dem Planografen ähnelt.

14.3.5 Laser-Sensoren zur Messung der Längsebenheit Seit etwa Anfang der 90er-Jahre setzt die Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) im größeren Umfange auch berührungslos arbeitende Messverfahren zur Untersuchung von Fahrbahnunebenheiten im Längsprofil ein. Tabelle 14.1 gibt einen Überblick über die erprobten Systeme. Inzwischen verfügen auch einzelne Hochschulinstitute und Dienstleistungsunternehmen über solche kostspieligen Geräte. Die umfangreichsten Erfahrungen liegen mit dem britischen High-Speed Road Monitor (HRM, Bild 14.10) vor [14-4], [14-6], [14-7], [14-18]. Bei diesem schnell fahrenden Messsystem tasten Infrarot-Laser im Abstand von 10 cm das Längsprofil der Straße ab. Unebenheiten werden auf diese Weise schnell und genau über einen großen Wellenlängenbereich erfasst. Die 4 Laser-Sensoren sind an einem starren Balken angebracht und ermitteln mit einer Frequenz Tab. 14.1: Fahrbare Messsysteme zur Kontrolle der Ebenheit [14-4], [14-6], [14-23], [14-25]

a

Messsystem

Kurzbezeichnung

Land

Sensoren/ Messprinzip

Profilaufnahme

Analyseur de profil en long

APL

F

Automatic Road Analyzer

ARAN

USA

Ultraschallsonden

(längs +) quer

Automatic Roadcondition Graduating ARGUS Unit System

D

Lasertriangulation

längs + quer

High Speed Road Monitor

HRM

GB

Lasertriangulation

längs

Laser Road Surface Tester

LRST

S

Lasertriangulation

längs + quer

Lasersystem zur Analyse der Querebenheit

LSAQ

D

Lasertriangulation

quer

längs

Profilograph (GSA)

DK

Lasertriangulation

längs + quer

System zur Inspektion, Registrierung SIRANO und Analyse Numerischer und Optischer Fahrbahneigenschaften

F

Videoaufnahmen von schräg projizierten Laserlinien a

längs + quer

Die Erfassung der Längsunebenheiten erfolgt über ein integriertes APL-System.

514

14 Ebenheit W = Anhänger-Rad A = Anhänger-Achse

Bild 14.10: Komponenten des High-Speed Road Monitors (HRM) [14-4]

von 64 Hz kontinuierlich den Abstand zur Straßenoberfläche. Durch eine spezielle Anordnung der Sensoren (symmetrisch: A, C, D, asymmetrisch: A, B, D siehe Bild 14.11) werden ähnlich wie bei einem Nivellement Höhenpunkte der Straße berechnet, wobei das symmetrische System Unebenheiten mit Wellenlängen > 10 m, das asymmetrische System Unebenheiten im Wellenlängenbereich zwischen 0,3 und 20 m erfasst. Durch Superposition erhält man ein vollständiges Straßenlängsprofil mit Höhenpunkten im Lateralabstand von 100 mm (früher 107 mm). Die neuesten Geräte sind zur kontinuierlichen Positionsbestimmung zusätzlich mit GPS ausgestattet. Ein PC im Zugfahrzeug steuert und kontrolliert die Messungen und übernimmt gleichzeitig die Speicherung und Vorauswertung der Messdaten [14-4]. Die Charakterisierung der überwiegend regellosen Unebenheitsverläufe erfolgt mit statistischen Methoden. Zu den Unebenheitskennwerten gehören die Varianz oder Standardabweichung der Unebenheitshöhen. Unebenheitswellen, die aus einem Spektrum kleiner Wellenlängen mit niedriger Amplitude und großer Wellenlängen mit hoher Amplitude bestehen, werden mit dem Verfahren der spektralen Dichte beschrieben. Dieses ermöglicht eine mathematische Weiterverarbeitung der Unebenheiten zu Fahrzeugschwingungsgrößen. Näheres hierzu enthält [14-4] und [14-18]. Auch Start- und Landebahnen lassen sich mittels HRM mit Messgeschwindigkeiten von 5 bis 80 km/h untersuchen [14-7]. Dabei ergeben sich Messpunktabstände zwischen 5 und 100 mm. Bis 10 m Messlänge liegt die

14.3 Beschreibung und Bewertung der Prüfverfahren

515

a

b

Bild 14.11: a) Anordnung der Sensoren beim HRM [14-4], b) Unebenheitsverlauf [14-4]

Messgenauigkeit für Amplituden im Bereich von 1 mm, und bei 100 m Messlänge beträgt die maximale Amplitudenabweichung gegenüber dem wirklichen Profil 37 mm. Lateral wird eine Genauigkeit von 0,3% erreicht, wobei über Bezugspunkte ggf. eine nachträgliche Korrektur auf wahre Längen möglich ist. Die von dem Messsystem erzeugte Bezugslinie wird anders als beim Messlattenverfahren nicht auf die Spitzen der Bahnoberfläche gelegt, sondern entspricht der Ausgleichsgeraden zwischen den Hoch- und Tiefpunkten. Da die HRM-Messdaten nicht direkt mit den üblichen Auswertekriterien vergleichbar sind, ist es notwendig, sie in geeigneter Weise zu interpretieren. Während bei großen Messlängen die HRM-Bezugsebene annähernd dem Mittelwert des Profils entspricht und daher die jeweiligen Höhenabweichungen zu verdoppeln sind, müssen bei geringen Messlängen je nach Verteilung der positiven und negativen Abweichungen gewichtete Größen ermittelt werden. Grafische Profilausdrucke für einstellbare gleitende Mittelungslängen erlauben einen schnellen Überblick über den Ebenheitszustand der untersuchten Bahnen. Die Auflistung der Schwellenwertüberschreitungen bezogen auf mehrere Mittelungslängen erlaubt eine dezimetergenaue Lokalisierung aller Unregelmäßigkeiten. Der Zeitbedarf für die Profilmessung auf jeweils 12 Längsspuren betrug nach den in [14-7] beschriebenen Erfahrungen durchschnittlich vier Stunden pro Start- und Landebahn. Darin waren bis zu 2,5 Stunden sicherheitsbedingte Wartezeiten enthalten. Die mit 1 mm Höhenauflösung und in Abständen von etwa 10 cm registrierten und elektronisch gespeicherten Profildaten lassen sich nach verschiedenen Verfahren und Kriterien auswerten. Sowohl das Messverfahren als auch die Auswertemethoden haben sich für die Bestandsaufnahme und Instandhaltungsplanung bewährt.

516

14 Ebenheit

Besonders hervorzuheben ist die Möglichkeit zur Analyse langwelliger Unebenheiten. Das ARGUS-System – das erste deutsche Messsystem dieser Art – verwendet zur Längsprofilaufnahme im Wellenbereich von 0,2 bis 100 m vier an einem Messfahrzeug angebrachte Laserdistanzsensoren, die das in der rechten Rollspur (siehe Bild 14.12) gemessene Höhenlängsprofil der Fahrbahn mit einer lateralen Auflösung von 10 cm und einer Vertikalauflösung von 0,025 mm erfassen [14-23].

14.3.6 Laser-Sensoren zur Messung der Querebenheit Wie aus Tabelle 14.1 hervorgeht, eignen sich mehrere der aufgeführten Messsysteme sowohl zur Längs- als auch zur Querprofilaufnahme. Dazu gehört auch das ARGUS-System, bei dem an einem Querträger 31 Laserdistanzsensoren angebracht sind, die die Fahrbahnoberfläche mit hoher Frequenz über die gesamte Breite gleichzeitig abtasten (Bild 14.13). Da bis zu 25 000 Abtastungen je Sekunde bei einer Vertikalauflösung von 0,25 mm möglich sind, können sehr detaillierte Angaben über die Spurrinnentiefe und die theoretische Wassertiefe sowie über die Querneigung gemacht werden. Ähnlich ist auch das Lasersystem zur Analyse von Querebenheiten (LSAQ) [14-6] konzipiert, das Messungen mit einer Geschwindigkeit bis zu 80 km/h erlaubt. Hierbei wurde die Stoßstange durch einen mit 32 Lasersonden bestückten Messbalken ersetzt. Die Sonden arbeiten nach dem Triangulationsprinzip (vgl. Kapitel 13) und verfügen über eine integrierte Kalibrier- und Messelektronik. Die Höhenauflösung beträgt 0,2 mm. Der Messpunktabstand quer zur Fahr-

Bild 14.12: ARGUS-Messsystem, hinten rechts am Fahrzeug Sensoren für die Längsprofilaufnahme [14-23]

14.3 Beschreibung und Bewertung der Prüfverfahren

517

Bild 14.13: ARGUS-Messsystem, vorne am Fahrzeug Querträger mit Sensoren für die Querprofilaufnahme [14-23]

trichtung ist durch die Position der Sonden auf dem Balken fest vorgegeben. Er beträgt im mittleren Bereich 10 cm, am Rand jeweils 20 cm, wobei die äußeren Sensoren zur Vergrößerung der Messbasis zusätzlich schräg gestellt sind (vgl. Profilograph, Bild 14.14). Für den Einsatz auf schmalen Straßen lassen sich die letzten vier Sonden auf jeder Seite hochklappen, wodurch sich Messkonfigurationen mit Basisbreiten von 2,30 m, 2,90 m (asymmetrisch nach links bzw. rechts verschoben) und 3,50 m ergeben. Mit je einer weiteren hochgestellten Sonde an den Balkenenden kann die Messbasis auf 4,00 m vergrößert werden. Bei Wegsteuerung lässt sich die Messfolge zwischen 1 und 100 m einstellen. Bei zeitgesteuerter Messung können in Intervallen von mindestens 10 m Sequenzen von bis zu acht Profilen aufgezeichnet werden, die bei einer Fahrtgeschwindigkeit von 80 km/h Abstände von nur etwa 20 cm haben. Um bei der Auswertung der Profildaten die absolute Lage und Querneigung der Fahrbahnoberfläche berücksichtigen zu können, werden die durch die Fahrdynamik hervorgerufenen Störfaktoren durch ein auf Fliehkraft, Wegimpuls und Masseträgheit basierendes Erfassungssystem kompensiert. Da die Profilmessdaten der Sensoren zusammen mit den Korrektursignalen laufend an einen PC weitergegeben werden, können schon während der Messfahrt sowohl das aktuelle Querprofil als auch die Querneigung grafisch angezeigt werden. Alle Messkanäle lassen sich einzeln überwachen und auf Datenträger aufzeichnen. Somit stehen sämtliche Rohdaten auch für nachträgliche Analysen zur Verfügung. Die gebräuchlichen Querprofil-Kennwerte (vgl. Abschnitt 14.2.2.) werden berechnet, gespeichert und ggf. zusammen mit den Querprofilen ausgedruckt. Vergleichsuntersuchungen ergaben eine sehr gute Übereinstimmung des LSAQ mit dem SAQ (vgl. Abschnitt 14.2.2). Für den künftigen Einsatz des LSAQ spricht der gegenüber dem SAQ auf 1/10 reduzierte Perso-

518

14 Ebenheit

Bild 14.14: Profilograph – Anordnung der Lasersensoren zur Erfassung von Querunebenheiten (nach [14-26])

nalaufwand und die verminderte Verkehrsbeeinflussung. Die verhältnismäßig geringere Höhenauflösung lässt sich in den meisten Anwendungsfällen durch eine vergleichsweise große Messhäufigkeit kompensieren. In Fällen, bei denen es auf eine sehr hohe Profilgenauigkeit ankommt kann weiterhin das SAQ verwendet werden [14-6].

14.4 Literatur [14-1] [14-2] [14-3]

[14-4]

[14-5]

[14-6]

[14-7]

DIN 18201: 1997-04 Toleranzen im Bauwesen; Begriffe Grundsätze, Anwendung, Prüfung. DIN 4760: 1982-06 Gestaltsabweichungen. Begriffe, Ordnungssystem. DIN EN ISO 13473-1: 2004-07 Charakterisierung der Textur von Fahrbahnbelägen unter Verwendung von Oberflächenprofilen – Teil 1: Bestimmung der mittleren Profiltiefe. SULTEN, P.: Erfassen und Beurteilen der Längsebenheit von Straßen. In: Straße und Autobahn 43 (1992), Nr. 2, S. 75–87. ENGELMANN, K.-H.; GRÜNING, R.; SCHUSTER, F.-O.: Zusätzliche Technische Vertragsbedingungen und Richtlinien für den Bau von Fahrbahndecken aus Beton (ZTV Beton-StB 93). Bonn: Kirschbaum Verlag, 1993. BECKER, W.: Neues „Lasersystem zur Analyse der Querebenheit (LSAQ) bei der Bundesanstalt für Straßenwesen“. In: Straße und Autobahn 44 (1993), Nr. 4, S. 226–227. HELLENBROICH, T.; SCHMIDT, G.-D.: Ebenheitsmessung von Start- und Landebahnen. Einsatz schnellfahrender Laserprofilometer für Zustandserfassung und Instandhaltungsplanung. In: Straße und Autobahn 42 (1991), Nr. 8, S. 453–460.

14.4 Literatur

519

[14-8]

DIN 18202: 1997-4 Toleranzen im Hochbau. Bauwerke.

[14-9]

Standard Specifications for Tolerances for Concrete Construction and Materials (ACI 117-90). American Concrete Institute, 1990.

[14-10] WITTE, B.; SCHMIDT, H.: Vermessungskunde und Grundlagen der Statistik für das Bauwesen. 3. neu bearb. Aufl., Stuttgart: Wittwer, 1995. [14-11] LOHMEYER, G.: Betonböden im Industriebau: Hallen- und Freiflächen. Hrsg. Bundesverband d. Dt. Zementindustrie, Köln.5. Aufl., Düsseldorf: Beton-Verlag, 1996. [14-12] Merkblatt Toleranzen im Hochbau nach DIN 18 201 und DIN 18202. Hrsg.: Zentralverband Deutsches Baugewerbe, Hauptverband Deutsche Bauindustrie, Bundesverband Deutsche Beton- und Fertigteilindustrie; August 2000. [14-13] DIN 18203-1: 1997-04 Toleranzen im Hochbau; Vorgefertigte Teile aus Beton, Stahlbeton und Spannbeton. [14-14] DIN 18500: 1991-04: Betonwerkstein. Begriffe, Anforderungen, Prüfung, Überwachung. [14-15] Merkblatt für Ebenheitsprüfungen, Ausgabe 1976; eingeführt durch den Bundesminister für Verkehr mit Rundschreiben vom 4.3.1977 -StB 9/38.56.0001/9020 Vms 77. [14-16] SCHÄPER, M.: Verbesserung der Qualität der Beschichtung von Industriefußböden durch den Einsatz eines Flächenfertigers. In: Bauingenieur 70 (1995), S. 35–39. [14-17] SCHULTE, W.: Messverfahren zur Beobachtung von Straßen in der Bundesrepublik Deutschland. In: Straße und Autobahn 28 (1977), Nr. 6, S. 215–223. [14-18] BECKER, W.: Die Spektrale Dichte – ein Maß für die Fahrbahnunebenheit im Längsprofil. In: Straße und Autobahn 46 (1995), Nr. 10, S. 583–592. [14-19] ASTM E1155M-96 10-Mar-1996: Standard Test Method for Determining Floor Flatness and Floor Levelness Numbers [Metric]. [14-20] The Face Companies: F-Number Guidance. http://www.dipstick.com/fnumber.html. [14-21] The Face Companies: The Dipstick Precision Profiler. http://www.dipstick.com/home.html und The Rolling Dipstick Pavement Profiler. http://www.dipstick.com/dipstick. html. [14-22] Face Consultants: Measurement Services – The Face Profileograph. http://www.face-consultants. com. [14-23] PÖS, J.; PFANNKUCHEN, W.; KRETZ, R.: Aktuelle Entwicklungen bei der Zustandserfassung auf hessischen Straßen. Aus Forschung und Praxis. In: VSVI Journal (1999), Nr. 2, S. 43–45. [14-24] HUSCHEK, S.: Kennzeichnung der Oberflächenrauheit und deren Einfluss auf die Griffigkeit und die Reifengeräusche. In: Straße und Autobahn 47(1996), Nr. 6, S. 307–314.

520

14 Ebenheit

[14-25] KNEPPER, S.; SULTEN, P.: Auf dem Wege zu einer systematischen Straßenerhaltung. In: Straße und Autobahn 48 (1997), Nr. 11, S. 605–614. [14-26] Gesellschaft für Straßenanalyse mbH (GSA), Kaiserslautern, Anzeige in: Straße und Autobahn 46 (1995), Nr. 10, S. 592. [14-27] Zusätzliche Technische Vertragsbedingungen und Richtlinien für den Bau von Fahrbahndecken aus Beton (ZTV-Beton – StB 01), Ausgabe 2001. Hrsg.: Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen, Arbeitsgruppe Betonstraßen. Köln: FGSV Verlag GmbH, April 2001.

15 Temperatur

15.1 Begriffe und Definitionen Der Wärmezustand eines Körpers wird durch die physikalische Größe Temperatur beschrieben. Bauteiloberflächen, die sich auf einem anderen Temperaturniveau befinden als die umgebende Luft, tauschen fortwährend Wärmeenergie mit der Luft aus. Abhängig davon, ob die Luft kälter oder wärmer ist, wird Wärme abgegeben oder aufgenommen. Wenn die Bauteiloberfläche abkühlt, entsteht ein Temperaturgefälle von innen nach außen, bei Erwärmung umgekehrt. Für Beschichtungen und Beläge auf Bauteilen ist die Temperatur in der unmittelbaren Kontaktzone meist wichtiger als die Temperatur im Bauteilinneren. Die Prüfung erfolgt daher in der Regel an der Oberfläche. Dies kann entweder berührend durch Kontaktmessungen oder aber berührungslos mittels Strahlungsthermometer geschehen. Die Trägheit mancher Messsysteme erfordert eine gewisse Wartezeit bis zur Ablesung. Diese so genannte Ansprechzeit, Einstellzeit oder Übergangszeit ist die Zeitspanne zwischen dem Zeitpunkt einer sprunghaften Änderung der Eingangsgröße (z.B. Zeitpunkt beim Aufsetzen des Fühlers) und dem Zeitpunkt, an dem die Ausgangsgröße innerhalb vorgegebener Grenzen um ihren Beharrungswert bleibt. Spezielle Einstellzeiten sind die Zeitspannen t, für die die Übergangsfunktion h(t) z.B. die Werte 0,5 oder 0,9 annimmt und die dann Halbwertzeit bzw. 9/10-Wert-Zeit genannt werden ([15-1] bis [15-6], vgl. Bilder 15.1 und 15.2).

15.2 Beurteilungskriterien und Hinweise zur Auswahl der Prüfverfahren 15.2.1 Allgemeines Für die Prüfung der Beton-Untergrundtemperatur kommen, wie oben erwähnt, entweder Tast- bzw. Oberflächenthermometer oder berührungslose Messverfahren in Betracht. Tauchthermometer wie die normalen Glas-Flüssigkeitsthermometer sind nur mit besonderen Vorkehrungen, die den Wärme-

522

15 Temperatur

Bild 15-1: Zeitverhalten von Thermometern. Übergangsfunktion zur Ermittlung der Ansprechzeit (Einstelldauer) nach [15-1], [15-4], [15-5]

Bild 15.2: Beispiele für das Zeitverhalten verschiedener Thermometer unter Praxisbedingungen

übergang verbessern, bedingt geeignet. Je nach Wärmekapazität und Eigentemperatur des Messfühlers sind unter Umständen lange Wartezeiten erforderlich. Mit abnehmender Masse des Sensors verkürzt sich die Ansprechzeit und umso schneller erfolgt die Anzeige [15-2]. Einige Typen kompensieren die Übertragungsfehler normaler Tastspitzen (Tauchthermometer) elektronisch durch Wahl der Betriebsart. Zur Verbesserung des Wärmeübergangs, insbe-

15.2 Beurteilungskriterien und Hinweise zur Auswahl der Prüfverfahren

523

sondere bei rauen Oberflächen, werden Wärmeleitpasten angeboten. Die vorgenannten Probleme lassen sich mit berührungslosen Messverfahren (Strahlungsthermometer) vermeiden. Außerdem sind damit sowohl punktuelle als auch flächige Messungen mit variabler Distanz zum Objekt möglich. Aber auch hierbei müssen eine Reihe von Einflussfaktoren und Fehlerquellen beachtet werden. Dazu gehören die Stoffabhängigkeit des Emissionskoeffizienten sowie die Auswirkungen direkter Sonneneinstrahlung oder reflektierender Umgebungsstrahlung.

15.2.2 Berührungsthermometer 15.2.2.1 Die Problematik der berührenden Oberflächentemperaturmessung Oberflächentemperaturen von Bauteilen, die an Luft grenzen, lassen sich schwieriger messen als die Temperaturen im Inneren von festen Körpern oder Flüssigkeiten, bei denen das Thermometer ausreichend tief eingetaucht werden kann. Dies gilt ganz besonders für steile Temperaturgradienten, d.h. große Temperaturunterschiede zwischen Oberfläche und Luft. Bei allen Messaufnehmern für Berührungsthermometer ist zu beachten, dass sie stets nur ihre eigene Temperatur messen. Daher muss erreicht werden, dass diese möglichst weitgehend mit der Temperatur des Messobjektes übereinstimmt [15-1]. Dies wird allerdings in der Praxis oft nicht genügend berücksichtigt. Eine fehlerhaft bestimmte Betontemperatur kann jedoch, insbesondere bei der Applikation von Kunststoffbeschichtungen, schwerwiegende Folgen haben (siehe Kapitel 3). Bei der Bestimmung der Oberflächentemperatur spielt die Art des Baustoffs sowie seine Farbe und Rauheit eine Rolle. Außerdem muss verhindert werden, dass das Thermometer bzw. der Fühler von der Luft mehr beeinflusst wird als vom Messobjekt selbst. Darüber hinaus muss für einen möglichst ungehinderten Wärmefluss zwischen Bauteiloberfläche und Thermometer (Messfühler) gesorgt werden. Oberflächenmessungen nutzen die Tatsache, dass die Wärme von festen Stoffen viel schneller geleitet wird als von Luft. 15.2.2.2 Wechselwirkung zwischen Sensor und Temperaturfeld In gleichen Abständen von der Oberfläche ist unter entsprechenden Voraussetzungen auch die Temperatur gleich (parallele Isothermen, siehe Bild 15.3a). Je größer das Temperaturgefälle, umso dichter liegen die Isothermen. Durch Auflegen oder Aufsetzen eines Thermometers wird jedoch das Temperaturfeld gestört und die Isothermen haben einen gekrümmten Verlauf (Bilder 15.3b und 15.4). Die VDI/VDE-Richtlinie 3511-1 [15-5] bezeichnet daher das Thermometer auch als „Fremdkörper im Temperaturfeld“. Der Einfluss reduziert

524

15 Temperatur

a

b

Bild 15.3: Beeinflussung des Wärmestromfeldes durch einen Thermofühler [15-2]

b

b

Bild 15.4: Auswirkungen auf das Wärmestromfeld in Abhängigkeit von der Messfühleranordnung nach [15-1]

15.2 Beurteilungskriterien und Hinweise zur Auswahl der Prüfverfahren

525

sich in dem Maße, wie das Thermometer die Oberflächentemperatur annimmt. Allerdings sinkt bei abnehmender Temperaturdifferenz auch der Wärmestrom, wodurch sich der Temperaturausgleich zwischen Messobjekt und Messinstrument verlangsamt. Die Ablesung sollte deshalb erst dann erfolgen, wenn das Thermometer bzw. der Sensor ausreichend lange ungestört am Messort war [15-2]. Um dies zu erreichen, sind unter Umständen einige Minuten Wartezeit erforderlich (siehe Bild 15.2). Dies gilt ganz besonders für schlecht wärmeleitende Oberflächen. Da die erforderliche Wartezeit von mehreren Faktoren abhängt (siehe unten), lässt sie sich nicht verallgemeinern, sondern muss für die jeweilige Konstellation durch Versuche bestimmt werden. 15.2.2.3 Zeitverhalten Das Zeitverhalten bzw. die Ansprechzeit oder Einstelldauer (z.B. t0,9 oder t0,99) – das ist diejenige Zeit bei der das Instrument mindestens einen festgelegten Prozentsatz des zu messenden Wertes anzeigt (z.B. 90 oder 99%) – wird gemäß [15-2] beim Messen von Oberflächentemperaturen beeinflusst durch: ◆ Bauart des Thermometers bzw. des Messfühlers (besonders Masse, Wärmekapazität und Isolierung gegen Luft), ◆ Wärmeübergang zwischen Thermometer oder Messfühler und Bauteiloberfläche (Rauheit der Kontaktflächen und Anpressdruck des Messfühlers), ◆ Größe der Kontaktfläche, Wärmeleitfähigkeit und Wärmekapazität des Baustoffs in Oberflächennähe, ◆ Temperaturunterschied zwischen Oberfläche und angrenzender Luft, ◆ Differenz zwischen der zu messenden Oberflächentemperatur und der Eigentemperatur des Messinstrumentes (ggf. einschließlich Zuleitungen) vor der Messung.

Bild 15.5: Messung der Oberflächentemperatur mittels Flüssigkeitsthermometer nach [15-2]

526

15 Temperatur

Bild 15.6: Bimetall-Thermometer mit Bimetallspirale [15-6], rechts: Ausführung als Auflegethermometer [15-18]

Einen Teil dieser Einflüsse kann man durch verlängerte Wartezeiten ausgleichen. Bei ungünstigen Verhältnissen (Bilder 15.5 und 15.6) sind die Wartezeiten entsprechend deutlicher zu erhöhen. Das Zeitverhalten bzw. die Ansprechzeit gehören somit zu den charakteristischen Merkmalen von Oberflächenthermometern. Manche Oberflächenmessfühler kompensieren die anfängliche Abweichung elektronisch; ihre Ansprechzeit ist besonders kurz (Sekundenthermometer). Sie sind allerdings nur für diesen Zweck bestimmt und nicht für Langzeit- und Eintauchmessungen geeignet. Die Herstellerangaben zur Ansprechzeit (t0,9 oder t0,99, vgl. Bild 15.1) beziehen sich meist auf Metalloberflächen und sind nicht auf mineralische Stoffe wie Beton übertragbar. Allgemein gilt: je schlechter die Wärme im Baustoff und zum Messfühler geleitet wird, desto länger werden die Wartezeiten [15-2] (siehe Tabelle 15.1). Tab. 15.1: Temperaturmessung an Bauteiloberflächen. Empfohlene Wartezeiten bis zur Ablesung [15-2] Bauteiloberfläche

Alle Baumetalle mit glatten Oberflächen Glatte Steinoberflächen, Fliesen, Glas, Putz, Estrich Raue Steinoberflächen, glatte Holz- u. Kunststoffoberflächen a

Mit Klebstreifen angedrückt.

Erforderliche Wartezeit bis zur Ablesung in Minuten NTC-Widerstands-Thermometer mit Oberflächenfühlerr gemäß Bild 15.3

Quecksilber-Thermometer, Anwendung nach Bild 15.5

1,5

5a

3

8a

5

10a

15.2 Beurteilungskriterien und Hinweise zur Auswahl der Prüfverfahren

527

15.2.2.4 Wärmeübergang Grundsätzlich ist ein guter Wärmeübergang zum Messobjekt – z.B. durch Anpressen – und eine geringe Wärmeleitung – z.B. durch Verwendung dünner Zuleitungen und gute Wärmeisolierung – anzustreben. Fühler für Oberflächenmessungen sollen zur Erzielung reproduzierbarer Anpresskräfte grundsätzlich gefedert sein und eine geringe Masse aufweisen. Zur Realisierung des geforderten Anpressdrucks ist aber eine entsprechende mechanische Steifigkeit vonnöten. Dies steht der Forderung nach geringer Masse entgegen. Dort, wo die Zuleitungen die Oberfläche verlassen, wird die Temperatur der Oberfläche verfälscht. Deshalb sollten die Zuleitungen auf einer möglichst weiten Strecke an der zu messenden Oberfläche anliegen (siehe Bild 15.4b [15-1], [15-9], [15-10]). Wenn die Spitze eines Tauchfühlers mit einem aufsteckbaren Fuß oder Schuh versehen wird, um den Wärmeübergang zu erhöhen, führt dies unter Umständen trotzdem zu einer Verlängerung der Wartezeiten, weil gleichzeitig die Wärmekapazität erhöht wird [15-2]. Metallplatten (z.B. aus Kupfer), die an die Spitze eines Temperaturfühlers angelötet werden, zeigen ebenfalls nicht den gewünschten Erfolg, sondern bewirken möglicherweise sogar das Gegenteil. Aufgrund der Oberflächenrauheit kommen nur wenige Prozent der Plattenfläche mit der Bauteiloberfläche in Kontakt. Der überwiegende Teil der Flächen bleibt voneinander getrennt. Das Metallplättchen erreicht schon allein deshalb nicht die Temperatur der Bauteiloberfläche, weil es durch die auf der Rückseite entlang strömende Luft beeinflusst wird. Dieser Effekt wird durch den Einfluss der Luft auf die Kabel und auf die Kabelummantelung noch verstärkt. Auch wenn das Messelement mit einer definierten Kraft auf die Messfläche gedrückt wird, führen der verhältnismäßig starke Wärmeaustausch zwischen Metall und Luft und die schwache Wärmeübertragung vom Untergrund zum Messelement zu erheblichen Messfehlern [15-10]. Im Gegensatz dazu sind aufklebbare Folien-Widerstandsfühler trägheitsärmer und speziell für schlecht wärmeleitende Oberflächen wie Glas, Holz und auch Kunststoff geeignet (vgl. [15-11]). Auch Thermoelemente mit kleiner Messspitze, dünnen Zuleitungsdrähten, die zudem noch in der Nähe der Messstelle parallel zur Oberfläche geführt sind (vgl. Bild 15.4b), liefern wesentlich genauere Resultate [15-9]. Für hochgenaue Messungen bieten viele Hersteller Fühlerspitzen mit Thermoelementband an (siehe Bilder 15.7 und 15.8), das sich besonders gut an die zu untersuchende Oberfläche anschmiegt [15-12]. Thermopaarführungen und ein Anschlag, z.B. aus Kunststoff oder Metall, schützen das empfindliche Band. Bei rauen Oberflächen wird trotz der Flexibilität des Thermoelementbandes empfohlen, Unebenheiten mit einer Siliconpaste zu egalisieren (siehe Bild 15.8). Solche Wärmeleitpasten verringern zwar den Wärmeübergangswiderstand, verschmutzen jedoch sowohl die zu untersuchende Oberfläche als auch den Messfühler. Oberflächenfeuchte kann

528

Bild 15.7: Fühler zur Messung von Oberflächentemperaturen

15 Temperatur

15.2 Beurteilungskriterien und Hinweise zur Auswahl der Prüfverfahren

529

Bild 15.8: Oberflächenfühler mit Thermoelementband. Für Anwendungen auf rauer Oberfläche wird eine Wärmeleitpaste empfohlen [15-12]

ebenfalls den Wärmeübergangswiderstand verändern und zu einem anderen Ansprechverhalten des Thermometers führen (siehe Bild 15.2). 15.2.2.5 Anwendungsmöglichkeiten und Anwendungsgrenzen Wegen der Abhängigkeit vom Oberflächenkontakt und der Beeinflussung des Temperaturfeldes an der Messstelle sowie wegen der langen Ansprechzeiten kommen Berührungsthermometer nicht für dynamische Messungen Betracht. Solche Sensoren lassen sich auch nicht mit einer akzeptablen Geschwindigkeit über das Messobjekt bewegen. Daher sind sie für linienförmige oder flächige Messungen eher ungeeignet. Im Gegensatz zur berührungslosen Temperaturmessung können aber mit Tastthermometern auch Temperaturen im Inneren von Bauteilen gemessen werden, wenn der Messfühler eingebettet wird. Ein weiterer Vorteil ist die hohe erreichbare Genauigkeit.

15.2.3 Berührungslose Temperaturmessung 15.2.3.1 Vor- und Nachteile gegenüber Berührungsthermometern Während bei den zuvor besprochenen Berührungsthermometern der Wärmeaustausch durch Wärmeleitung erfolgt, messen Strahlungsthermometer (Pyrometer, Infrarotthermometer, Thermografiesysteme) die Temperatur der

530

15 Temperatur

Oberfläche über die vom Messobjekt ausgesandte Strahlung. Für den vorliegenden Zweck hat dies entscheidende Vorteile: ◆ keine Störung des zu messenden Temperaturfeldes, weil dem Messobjekt weder Wärme entzogen noch Wärme zugeführt wird, ◆ nahezu trägheitslose, schnelle Erfassung von Temperaturänderungen mit Ansprechzeiten im Milli- oder Mikrosekundenbereich, ◆ Messung bewegter Objekte bzw. Messungen mit bewegtem Infrarotthermometer möglich, ◆ Messfleckgröße variabel durch Verwendung verschiedener Objektive oder durch Änderung des Messabstandes, ◆ linienförmige oder flächige Abtastung des Messobjektes auch mit punktförmig messenden Strahlungsthermometern problemlos möglich, ◆ mit IR-Kameras können sogar eine Vielzahl von Messpunkten gleichzeitig erfasst werden, ◆ anschauliche Darstellung von Temperaturen und Temperaturverteilungen als Farbbild. Allerdings sind folgende Einschränkungen bzw. Nachteile zu berücksichtigen: ◆ Die Genauigkeit der Messung hängt entscheidend von der Kenntnis des Emissionskoeffizienten ab. ◆ Die vom Messobjekt ausgestrahlte und vom Detektor erfasste Energiemenge muss ausreichend sein. ◆ Die Messgenauigkeit nimmt bei niedrigen Temperaturen ab. ◆ Es können ausschließlich Oberflächentemperaturen gemessen werden. ◆ Es können Störungen durch Staub, Feuchte, Dampf, Sonneneinstrahlung und reflektierte Strahlung von benachbarten Bauteilen auftreten. 15.2.3.2 Physikalische Grundlagen Oberflächen geben Strahlungswärme an kältere Flächen ab und absorbieren Wärmestrahlung, die von wärmeren Flächen ausgesandt wird. Die Intensität des Strahlungswärmeaustausches hängt vom Temperaturunterschied sowie vom Emissionsvermögen der Oberflächen ab. Diese Eigenschaft wird von der Art des Stoffes sowie vom Oberflächenzustand und vom Temperaturniveau geprägt. Der markanteste Unterschied besteht zwischen metallisch blanken und nichtmetallischen Oberflächen. Während blanke metallische Oberflächen kaum Wärmestrahlen emittieren oder absorbieren, weist ein absolut schwarzer Körper den höchsten Emissionsgrad auf. Die Strahlungszahlen der meisten nichtmetallischen Oberflächen unterscheiden sich wenig und liegen nur zwischen 2 und 15 Prozent unter denen eines absolut schwarzen Körpers. Dabei spielt die Oberflächenfarbe eine untergeordnete Rolle. Wärme- bzw. Infrarotstrahlung ist ein Teil des gesamten elektromagnetischen Spektrums. Da die Intensität der Strahlung im IR-Bereich mit der Temperatur des Körpers korreliert, kann sie zur Temperaturmessung genutzt wer-

15.3 Beschreibung und Bewertung der Prüfverfahren

531

den. Der Infrarotbereich ist dem Bereich der optischen Strahlung zugeordnet, der auch die sichtbare und die ultraviolette Strahlung umfasst (siehe Bilder 15.13 bis 15.15). Das Infrarotspektrum wird gemäß DIN 5031 [15-14] in 4 Bereiche unterteilt: nahes Infrarot mittleres Infrarot fernes Infrarot

NIR –– (IR-A) (IR-B) MIR (IR-C) FIR (IR-C)

0,78 mm bis 1,4 mm 1,4 mm bis 3 mm 3 mm bis 50 mm 50 mm bis 1 mm

In der Literatur finden sich häufig andere Unterteilungen (vgl. Bild 15.15). Für Temperaturmessungen kommt insbesondere der infrarote Wellenbereich zwischen 0,78 bis 40 mm in Betracht. Die Strahlungsdichte des schwarzen Strahlers dient als Bezugsgröße, die abweichenden Emissionskoeffizienten der zu untersuchenden grauen oder bunten Oberflächen werden durch Korrekturfaktoren berücksichtigt. Der Wärmetransport durch Strahlung ist an kein Medium gebunden und erfolgt im Vakuum ebenso wie an Luft. Die Bestandteile der Luft (auch Feuchte) können jedoch die Strahlung streuen, durch Absorption abschwächen oder durch Eigenstrahlung das Ergebnis beeinflussen. Diese Dämpfung ist wellenlängenabhängig. Daraus folgt, dass die Atmosphäre in bestimmten Wellenlängenbereichen einen hohen Transmissionsgrad und in anderen einen niedrigen aufweist. Infrarot-Messsysteme werden aus diesen Gründen überwiegend für die Wellenlängenbereiche mit hohem Transmissionsgrad ausgelegt. Dies sind die atmosphärischen Fenster 3 mm bis 5 mm und 8 mm bis 13 mm (siehe Bild 15.14). Außerdem beeinträchtigen fremde Strahlungsquellen und reflektierte Strahlung aus der Umgebung das Messergebnis. Bei Messungen im Freien spielt außerdem die kalte Himmelsstrahlung eine Rolle, deren Einfluss z.B. durch einen Schirm über dem Messort eliminiert werden kann [15-8]. Mittels Infrarotmessgeräten oder Strahlungspyrometern wird die Strahlung in elektrische Signale umgewandelt, die linearisiert, verstärkt, gespeichert und ggf. zu einem thermografischen Bild zusammengefügt werden können. Unter günstigen Bedingungen und bei Objekttemperaturen um 30°C werden mit der Infrarot-Thermografie Auflösungen von 0,1 K erreicht. Niedrigere Objekttemperaturen verringern die Empfindlichkeit.

15.3 Beschreibung und Bewertung der Prüfverfahren 15.3.1 Temperaturindikatoren 15.3.1.1 Allgemeines Temperaturmessfarben in Form von Farbstiften, selbstklebenden Folien, Messstreifen, Papieren, Anstrichen sind lediglich geeignet, Temperaturbereiche ein-

532

15 Temperatur

zugrenzen [15-2]. Bei flächigem Auftrag können grobe Aufschlüsse über Temperaturverteilungen gewonnen werden. Mit Temperaturaufklebern aus Flüssigkristallmischungen sind im Gegensatz dazu differenziertere Aussagen möglich. 15.3.1.2 Messprinzip, Geräte, Zubehör Das Messprinzip besteht darin, dass manche Pigmente oder Flüssigkristalle ihre Farbe ändern, wenn man sie erhitzt, weil sich ihr Kristallgefüge bei spezifischen Umschlagtemperaturen ändert oder das Pigment sich zersetzt und z.B. Wasser, Ammoniak oder Kohlendioxid abspaltet. Manche Farbstoffe oder Farbstoffgemische haben bis zu vier Umschlagpunkte, wodurch sie sich besonders gut zur Darstellung von Temperaturverteilungen auf Oberflächen eignen. Solche Temperaturindikatoren benötigen wenig Platz und sind daher besonders für schwer zugängliche Stellen prädestiniert [15-5]. Zu unterscheiden sind Indikatoren mit reversibler Anzeige, die beim Überschreiten der Temperaturgrenze ihre Farbe nur vorübergehend ändern und unterhalb des Grenzwertes wieder die ursprüngliche Farbe annehmen sowie Indikatoren mit irreversibler Anzeige, deren Farbänderung nach späterer Abkühlung erhalten bleibt. Während erstere wie analoge Anzeigeinstrumente zu handhaben sind, entsprechen letztere in ihrer Funktion Maximumthermometern, die lediglich erkennen lassen, dass die angezeigte Temperatur innerhalb des Messzeitraumes erreicht worden ist. 15.3.1.3 Anwendung Die Funktionsweise und Anwendungsgrenzen von Farbindikatoren gehen aus Tabelle 15.2 hervor. Die Farbstoffe sind für den Temperaturbereich von 40 bis 1350°C in Abstufungen von 10 bis 100 K erhältlich. Die Messunsicherheit beträgt 5% [15-5]. Temperaturaufkleber aus Flüssigkeitskristall sind je nach Typ für Temperaturen von –30°C bis +120°C geeignet. Sie sind für unterschiedliche Temperaturbereiche ausgelegt, innerhalb derer eine Differenzierung von 7 bzw. 16 Temperaturstufen möglich ist. Daher muss die Auswahl des Temperaturbereichs auf den jeweiligen Anwendungsfall zugeschnitten sein [15-15]. 15.3.1.4 Bewertung Die Umschlagtemperatur hängt von der Temperatur-Anstiegsgeschwindigkeit und der Einwirkungsdauer der Temperatur ab. Für die vorliegenden Zwecke stört neben der nur sehr mäßigen Genauigkeit auch die meist recht hohe Mindest-Farbumschlagtemperatur. Solche Indikatoren sind allenfalls geeignet, die zulässigen Höchsttemperaturen des Untergrunds im Sommer zu kontrollieren, die je nach Art des aufzutragenden Stoffes bei 30°C (25°C) bzw. 40°C (siehe Abschnitt 3.5) liegen darf. Allein reversible Temperaturaufkleber aus Flüssig-

15.3 Beschreibung und Bewertung der Prüfverfahren

533

Tab. 15.2: Temperaturindikatoren – Funktionsweise und minimale Farbumschlagtemperatur Bezeichnung

Beschreibung

Farbstifte

Auch auf glatten Flächen einsetzbar. Bei verzögerter Farbänderung eines schnell gezogenen Striches ist die angegebene Grenztemperatur noch nicht erreicht.

Anzeigepapier

mit Silber-Quecksilber-II-Jodid, Ag2(Hg J4) getränkt, 70 mm ¥ 70 mm

reversibel

40°C

Farbfolien

Messstreifen: 8 mm ¥ 40 mm Messpunkte: ∆ 18 mm 50 EC

reversibel

50°C 40°C

±1 K bis ±3 K

Farbfolien

Messstreifen: ab 35 mm ¥ 19 mm Messpunkte: 12 mm ¥ 12 mm

irreversibel 29°C

±1 K bis ±3 K

Farbpulver

gemischt mit spirituslöslichem Kunstharz (Anstriche), geeignet zur Erfassung von Temperaturverteilungen Aufkleber (selbstklebend) mit dreifarbiger Analoganzeige

reversibel

40°C

reversibel

–30°C bis 90°C

Flüssigkristall

Art der Anzeige

minimale GenauigFarbumkeit schlagtemperatur

Quelle

65°C

[15-2]

±1 K bis ±2 K

[15-15]

kristall decken den Temperaturbereich üblicher baupraktischer Verhältnisse ab und erreichen mit Fehlergrenzen von etwa ± 1 K brauchbare Genauigkeiten [15-8], [15-15].

15.3.2 Flüssigkeitsthermometer 15.3.2.1 Allgemeines Tauchthermometer, wie die normalen Flüssigkeitsthermometer aus Glas, kommen für die Messung von Oberflächentemperaturen allenfalls als Notbehelf in Betracht – dies auch nur, wenn Maßnahmen getroffen werden, die den Wärmeübergang verbessern. Je nach Wärmekapazität und Eigentemperatur des Messinstrumentes sind unter Umständen lange Wartezeiten (Ansprechzeiten) bis zur Ablesung erforderlich. 15.3.2.2 Messprinzip, Geräte, Zubehör Glasthermometer bestehen aus einem mit einer Flüssigkeit (meist Quecksilber, Alkohol oder Pentan) gefüllten kugel- oder zylinderförmigen Gefäß, an das sich eine nach oben geschlossene enge Röhre anschließt. Bei zunehmender

534

15 Temperatur

Temperatur dehnt sich die Flüssigkeit aus und steigt in der Röhre hoch. An einer kalibrierten oder geeichten Skala kann aus der Höhe der Flüssigkeitssäule auf die Temperatur geschlossen werden. 15.3.2.3 Anwendung Das Thermometer ist gemäß Bild 15.5 so anzuwinkeln, dass das mit Flüssigkeit gefüllte Gefäß satt an der Oberfläche anliegt. Zur Verbesserung des Kontaktes wird das Gefäß mit einem dünnen Klebstreifen auf der Betonoberfläche fixiert. Abhängig von der Masse des Thermometers verlängert oder verkürzt sich die Zeit bis zur Ablesung. Wie aus Tabelle 15.1 hervorgeht, ist auch die Art und Beschaffenheit der zu untersuchenden Oberfläche von Einfluss. 15.3.2.4 Bewertung Präzisionsgeeichte Quecksilber-Feinmessthermometer zählen immer noch zu den genauesten Temperatur-Messinstrumenten. Die zulässigen Fehlergrenzen betragen bei einer Skaleneinteilung von 0,1°C im Temperaturbereich zwischen 0°C und +50°C im günstigsten Fall ±0,15 K [15-16]. Handelsübliche Quecksilber-Laborthermometer erreichen eine Fehlergrenze von ±0,7 K; bei ungeeichten Flüssigkeitsthermometern muss mit Messfehlern von ±2 K bis ±3 K gerechnet werden [15-6], [15-17]. Bauartbedingt ist es mit Glasthermometern nur schwer möglich, einen ausreichend intensiven und verlustarmen Kontakt mit der Oberfläche herzustellen. Sie sind typische Tauchthermometer und erfordern bei Verwendung als Oberflächenthermometer besondere Vorkehrungen, wie sie z.B. in Bild 15.5 dargestellt sind. Die verhältnismäßig große Masse des Flüssigkeitsgefäßes bedeutet auch eine hohe Wärmekapazität und entsprechend große Ansprechzeit. Wegen der genannten Nachteile und angesichts zahlreicher Alternativen (siehe unten) besteht eigentlich keine Veranlassung, Glasthermometer für Temperaturmessungen an Oberflächen einzusetzen.

15.3.3 Zeigerthermometer 15.3.3.1 Allgemeines Zeigerthermometer (Auflegethermometer) die nach dem Bimetall-Messprinzip arbeiten, (Bild 15.6) erfreuen sich im Bauwesen wegen ihrer Einfachheit und Robustheit großer Beliebtheit. Unter gewissen Voraussetzungen kann man damit grobe Anhaltswerte für die Oberflächentemperatur gewinnen. Für kritische Fragestellungen und Entscheidungen im Grenzbereich reicht die Genauigkeit jedoch keineswegs aus.

15.3 Beschreibung und Bewertung der Prüfverfahren

535

15.3.3.2 Messprinzip, Geräte, Zubehör Diese einfachen und besonders handlichen Geräte enthalten als wichtigsten Bestandteil einen Bimetallstreifen dessen temperaturbedingte Krümmungen über ein Hebel- oder Zahnradsystem auf einen Zeiger übertragen werden. Auf einer kalibrierten Skala kann dann die Temperatur abgelesen werden. Manche Geräte sind mit einem Schleppzeiger ausgestattet. Es ist kein weiteres Zubehör erforderlich. 15.3.3.3 Anwendung Die Anwendung ist außerordentlich einfach. Die Messunsicherheit von Zeigerthermometern kann bis zu 5% betragen. Außerdem sollte beachtet werden, dass die Genauigkeit stark von der Oberflächenrauheit des Betons abhängt. Aufgrund der großen Ansprechzeit sollte die Ablesung erst nach einer großzügig bemessenen Wartezeit erfolgen. 15.3.3.4 Bewertung Die tellerförmige Aufstandsfläche (siehe Bild 15.6) und die relativ große Masse der Auflegethermometer beeinflussen das Temperaturfeld verhältnismäßig stark. Außerdem wirkt sich die große Bodenfläche bei sehr rauer Oberfläche nachteilig aus, weil dann der Kontakt unvollständig ist und nur über die Rauspitzen erfolgen kann. Wegen der großen Ansprechzeit und damit verbundenen Trägheit wird der Endwert spät erreicht, und die Messwerte unterliegen nicht zu vernachlässigenden Fehlereinflüssen aus der Luftbewegung. Die mäßige Genauigkeit dürfte nur für längerfristige Beobachtungen unter stationären Verhältnissen und für grobe orientierende Beurteilungen ausreichen. In kritischen Grenzfällen empfiehlt es sich jedoch, andere Verfahren heranzuziehen.

15.3.4 Elektrische Berührungsthermometer 15.3.4.1 Übersicht Die in diesem Abschnitt beschriebenen Messverfahren wandeln die nichtelektrische Größe Temperatur in eine elektrische Größe wie Strom, Spannung oder Widerstand, die sich in vielfältiger Weise weiterverarbeiten und auswerten lässt. Charakteristisch für das jeweilige Verfahren ist die Art des Temperaturaufnehmers (z.B. Widerstandsthermometer oder Thermoelement) und weniger die Art der Anzeige (z.B. Digitalthermometer) oder Messwertausgabe (z.B. Temperaturschreiber). Der Temperaturbereich, die Auflösung, die Wärmekapazität, das Ansprechverhalten, die Messgenauigkeit und der Preis werden entscheidend von der Art der Sensoren geprägt. Thermoelemente zählen

536

15 Temperatur

noch vor den Widerstandsthermometern zu den gebräuchlichsten Sensoren für die industrielle Temperaturmessung. Während früher die Messwertausgabe über galvanometrische Punktschreiber erfolgte, dominieren heute tragbare, batteriebetriebene Messgeräte mit Digitalanzeige. Präzisionsgeräte sind mit Mikroprozessoren ausgestattet, die eine digitale Linearisierung, automatische Selbstkalibrierung und in Verbindung mit Thermoelementen eine genaue Vergleichsstellenkompensation vornehmen. Auf Wunsch sind Geräte erhältlich, die mit Max-/Min-Speicher, Differenzmessung und Anschlussmöglichkeiten (Schnittstellen) für Registriergeräte wie Linienschreiber, Plotter oder PC ausgestattet sind. Komfortable Geräte verfügen über eine automatische Messstellenabfrage für mehrere Kanäle und einen batteriegepufferten Speicher für mehrere tausend Messwerte, die sich mittels Schnittstellen auf andere Geräte übertragen lassen. 15.3.4.2 Widerstandsthermometer Allgemeines Elektrische Widerstandsthermometer finden in vielen Bereichen der Technik Anwendung und sind weit verbreitet. Sie benötigen im Gegensatz zu den Thermoelementen (siehe Abschnitt 15.3.4.3) Hilfsenergie, die durch temperaturbedingte Widerstandsänderungen moduliert wird. Messprinzip, Geräte, Zubehör Das Messprinzip der Widerstandsthermometer beruht auf der temperaturabhängigen Widerstandsänderung von Metalldrähten. Die Einteilung der Widerstandsthermometer erfolgt nach ihrem Temperaturkoeffizienten. Dies ist die mittlere relative Widerstandsänderung je Kelvin Temperaturänderung im Bereich zwischen 0 und 100°C. Platin und Nickel eignen sich wegen ihres hohen Temperaturbeiwertes und großen spezifischen Widerstandes besonders gut für Widerstandsthermometer. Ihr Widerstand ist gut reproduzierbar, und durch künstliche Alterung wird eine hohe Langzeitstabilität erreicht. Da der Widerstand bei Temperaturerhöhung wächst, haben sie im Gegensatz zu manchen Halbleiterwiderständen (NTC-Widerstände, siehe unten) einen positiven Temperaturkoeffizienten (PTC = Positive Temperature Coefficient). Durch den hohen spezifischen Widerstand von Platin und Nickel ist es möglich, den Widerstandsdraht auf kleinstem Raum unterzubringen. Die Metalldrahtwicklung wird mit Anschlussdrähten aus Edelmetall verbunden und zum Schutz entweder in Glas eingeschmolzen oder in eine keramische Masse eingebettet und als Messwiderstand bezeichnet. Zum Schutz gegen mechanische und chemische Beanspruchung wird der Messwiderstand zusätzlich in Schutzrohre eingebaut. Der Nennwiderstand, das ist der Grundwiderstand bei 0°C, beträgt im Allgemeinen 100 Ω – daher bei Platin- und Nickeldrähten die Bezeichnung Pt 100 bzw. Ni100. Heute werden in verstärktem Maße auch Messwiderstände

15.3 Beschreibung und Bewertung der Prüfverfahren

537

mit höheren Nennwerten als 100 Ω (z.B. 500 und 1000) verwendet [15-17]. Der Einfluss der Zuleitungswiderstände ist hierbei um den Faktor 5 bzw. 10 kleiner, so dass in der Regel auf einen Abgleich verzichtet werden kann. Entsprechendes gilt auch für Messfehler bei Temperaturänderungen in der Zuleitung. Trotzdem wird in [15-19] für industrielle Messzwecke die Verwendung des Typs Pt 100 nach IEC 751 empfohlen, da der Pt 100-Eingang bei Anschlussgeräten wie Messumformern, Anzeigern, Punkt- oder Linienschreibern am häufigsten anzutreffen ist. Fühler mit höheren Nennwiderständen werden bevorzugt z.B. bei Haushaltsgeräten oder Heizungsregelungen dazu genutzt, den Verstärkungsaufwand zu reduzieren und den Einfluss der Zuleitung bei einfachen 2-Leiter-Anschlüssen gering zu halten. Der Trend geht zur Miniaturisierung der Messelemente. Im Extremfall werden die Drähte durch dünne Nickel- oder Platinschichten ersetzt. Diese werden auf ebene oder zylindrische Keramikträger aufgetragen und mittels Laserstrahl bearbeitet. Auf diese Weise lassen sich hochohmige Widerstände, kleine Abmessungen und gute Ansprechempfindlichkeiten realisieren. Es sei daran erinnert, dass die Sensoren umso weniger das Temperaturfeld des Messobjektes stören und umso schneller reagieren – d.h. die Temperatur des Messobjektes annehmen –, je geringer sie massebehaftet sind (Bilder 15.7 und 15.8). Die Zuordnung der Messwiderstände zu den Grundwertreihen nach IEC 751 grenzt das temperaturabhängige Verhalten der Messwiderstände ein. Damit können die gemessenen Widerstände innerhalb vorgegebener Toleranzen direkt in Temperaturen übertragen werden. Pt 100 Widerstände werden in zwei Klassen eingeteilt, wobei die hochwertigeren Typen der Klasse A engere Toleranzgrenzen einzuhalten haben als diejenigen der Klasse B: Klasse A: ±(0,15 + 0,002 · |q|) im Temperaturbereich von –200°C bis 650°C Klasse B: ±(0,30 + 0,005 · |q|) im Temperaturbereich von –200°C bis 850°C, wobei |q| der Betrag der Temperatur in °C ist. NTC-Messwiderstände (NTC = Negative Temperature Coefficient, Heißleiter) sind Halbleiter-Keramik-Widerstände, bei denen der Widerstand mit zunehmender Temperatur abnimmt [15-1], [15-20]. Diese so genannten Thermistoren bestehen hauptsächlich aus einer Mischung verschiedener Metalloxide, die bei hohen Temperaturen zu einem keramischen Körper zusammengesintert und anschließend mit einer Schutzschicht aus Glas oder Kunststoff versehen werden. Der Betrag des Temperaturkoeffizienten liegt um ein Vielfaches höher als bei Platin-Messwiderständen, doch ist der Zusammenhang zwischen Widerstand und Temperatur nichtlinear. Die Nichtlinearität kann zwar durch Kombination mit Festwiderständen und anderen Thermistoren ausgeglichen werden, doch haben solche Linearisierungsschaltungen immer einen Verlust an Empfindlichkeit zur Folge [15-1]. Gebräuchliche Thermofühler basieren auf präzisen, thermolinearen Messelementen mit gleicher Kennlinie. Dabei wird eine Genauigkeit ab 0,1 K (± 0,15 K zuzüglich Linea-

538

15 Temperatur

ritätsabweichung von 0,06 K [15-1]) bei einem maximalen Linearitätsfehler von 0,016 K gewährleistet [15-11]. Solche NTC-Fühler können ohne jeden Abgleich ausgetauscht werden, ohne dass die Messgenauigkeit dadurch beeinträchtigt [15-11] wird. Der Temperaturkoeffizient (d.h. die Auflösung, siehe oben) ist dem Betrage nach etwa 10-mal so groß wie bei Platin. Aus diesen Gründen und aufgrund der geringen Abmessungen und Kosten erfreuen sich Thermistoren großer Beliebtheit [15-1]. Die Reproduzierbarkeit und Langzeitstabilität kann je nach Temperaturbereich schlechter sein als bei Metall-Messwiderständen [15-1]. Anwendung Der Messwiderstand (Sensor) bestimmt die Richtigkeit und Zuverlässigkeit der Messung [15-9]. Je nach Messaufgabe und Messort werden unterschiedliche Sensor-Ausführungen benötigt. Für Temperaturmessungen an schlecht leitenden Oberflächen empfehlen sich z.B. Kunststofffolien, die mit sehr dünnen Pt 100 Drähten beklebt sind (siehe Bild 15.7). Die Masse und Wärmekapazität sind sehr gering und die Wärmeübertragungsfläche verhältnismäßig groß. NTC-Widerstände sind in zahlreichen verschiedenen Bauformen lieferbar. Bewertung Die Platin- und Nickel-Widerstands-Sensoren sind empfindlicher und ihre Genauigkeit ist höher als bei Thermoelementen. Allerdings ist eine aufwendigere Elektronik zur Signalaufbereitung erforderlich [15-20]. Temperaturbedingte Widerstandsänderungen der Zuleitungen, sowie hohe und nicht abgeglichene Leitungswiderstände beeinflussen das Messergebnis. Widerstandsthermometer zeichnen sich dadurch aus, dass man in einem Temperaturbereich von –200 bis +850°C eine sehr hohe Messgenauigkeit bis ±0,001 K erzielen kann (Bild 15.9). Dazu ist allerdings anzumerken, dass die Messgenauigkeit der gesamten Messkette einschließlich Verkabelung, Messumformer und Anzeigegerät diese günstigen Werte nicht erreicht. Die Systemgenauigkeit mit den am häufigsten verwendeten Pt 100 Sensoren gilt nicht für den gesamten oben genannten Temperaturbereich. Sie wird z.B. in [15-11] mit ±0,05 K für den Bereich zwischen –30°C und +60°C angegeben, nach [159] sogar nur mit rd. 0,3 K. Widerstandsfühler reagieren langsamer als Thermoelemente. Ihre Ansprechzeiten liegen 10 bis 25% über denen vergleichbar gebauter Thermoelementsensoren [15-1], [15-6]. Das Messprinzip der Widerstandsthermometer bringt es mit sich, dass jede am Messgerät festgestellte Widerstandsänderung wie eine Temperaturänderung interpretiert wird. Mit zunehmendem Zuleitungswiderstand wird deshalb das Ergebnis verfälscht. Sehr dünne und lange Zuleitungsdrähte sind daher ungeeignet. Außerdem wirken sich Temperaturänderungen auch auf den Zuleitungswiderstand aus. Konstante Einflüsse können mittels eines Abgleich-

15.3 Beschreibung und Bewertung der Prüfverfahren

539

Bild 15.9: Messbereiche für gebräuchliche Temperatursensoren nach [15-11]

widerstandes durch Justierung am Messgerät kompensiert werden. Der Fehler durch den Zuleitungswiderstand lässt sich auch durch Brückenschaltungen, die in der Nähe des Sensors untergebracht werden, wesentlich herabsetzen. Dreileiter- statt der einfachen Zweileiterschaltungen lassen Messungen über wesentlich größere Entfernungen zu und reduzieren den Temperatureinfluss der Zuleitungen um den Faktor 10 [15-1]. Optimal ist die Vierleiterschaltung, die die Einflüsse aus der Temperatur und aus den Zuleitungswiderständen vollständig eliminiert [15-1], [15-5], [15-10], [15-17], [15-23]. Halbleiter-Keramik-Widerstände (NTC) zeigen eine stärkere Temperaturabhängigkeit als Leiter wie Platin und Nickel. Ihre Empfindlichkeit wird aber mit zunehmender Temperatur immer kleiner. Daher eigenen sie sich vorrangig für einen Temperaturbereich von –50°C bis +100°C, was für die Untersuchung des Betonuntergrunds meist ausreichen dürfte. Vorteilhaft ist ihr günstiger Preis, aber nachteilig wirkt sich ihre schlechtere Reproduzierbarkeit aus, wenn keine Linearisierungsschaltung vorhanden ist und die Sensoren ausgetauscht werden müssen. Wegen ihrer geringen Masse kommen sie vor allem als schnelle Sensoren für Messungen auf Oberflächen in Betracht [15-6]. Auch bei Zweileiterschaltungen ermöglicht Ihr relativ hoher Nennwiderstand größere Leitungslängen, ohne den sonst erforderlichen Abgleich. Auch die Übergangswiderstände und Thermospannungen an nachgeschalteten Messstellenumschaltern haben praktisch keinen Einfluss auf die Messung. Der hohe Nennwiderstand und der große Temperaturkoeffizient lassen einfache elektrische Messschaltungen zu. Für Präzisionsmessungen sind allerdings Platin-Messwiderstände den NTC-Sensoren vorzuziehen.

540

15 Temperatur

15.3.4.3 Thermoelemente Allgemeines Anders als Widerstandsthermometer benötigen Thermoelemente keine zusätzliche Hilfsenergie, da sie selbst eine Spannung liefern. Trotz einfacher Handhabung sind gewisse Grundkenntnisse erforderlich, um Messunsicherheiten zu vermeiden. Messprinzip, Geräte, Zubehör Wird die Kontaktstelle zweier verschiedener metallischer Leiter bzw. Metalllegierungen oder auch Halbleiter in einem Stromkreis erwärmt, so entsteht je nach Materialzusammensetzung und Kombination der Leiter eine temperaturabhängige Thermospannung, bei geschlossenem Stromkreis ein Thermostrom (Seebeck-Effekt nach T. J. SEEBECK: thermoelektrische Erscheinung, die an der Grenzfläche zweier Leiter bei Erwärmung auftritt.). Ordnet man die Metalle danach, wie sich die Thermospannung mit der Temperatur ändert, so erhält man die thermoelektrische Spannungsreihe. Ein so genanntes Thermoelement besteht im Prinzip aus zwei Drähten verschiedenen Materials (z.B. Kupfer und Eisen), die an den Enden paarweise (Thermopaare) punktförmig verbunden sind, ggf. einschließlich schützender und isolierender Ummantelung. Temperaturmessungen sind dann möglich, wenn man die eine Verbindungsstelle auf konstanter Temperatur hält (Vergleichsstelle) und die andere an den Messort bringt (Messstelle). Das heißt, mit Thermoelementen wird der Temperaturunterschied zwischen Messstelle und Vergleichsstelle gemessen. Dabei fließt ein elektrischer Strom. Die Entfernung zwischen Messstelle und der Zone mit konstanter Temperatur (Vergleichsstelle) wird mit speziellen Leitungen (Ausgleichsleitungen) überbrückt. In Verbindung mit einem geeigneten Messinstrument stellt ein solches Thermoelement ein sehr empfindliches elektrisches Thermometer dar. Je größer die Temperaturdifferenz ist, umso größer ist die Thermospannung. Der Aufbau einer solchen Messkette ist in Bild 15.10 dargestellt. Zum Schutz gegen mechanische oder chemische Beanspruchungen und Feuchte werden die Thermoelemente auch in Mantel- oder Schutzrohren geliefert (Bild 15.11). Die Schutzarmaturen müssen den jeweiligen Betriebsbedingungen angepasst sein und sind in DIN-Vorschriften genormt. In der Standardausführung besteht eine elektrische Verbindung zum Schutzmantel (verschweißt), weil damit kürzere Ansprechzeiten erreicht werden. Wegen der eventuell auftretenden elektrischen Störungen werden auch isolierte Ausführungen angeboten, bei denen entsprechend den Widerstandsthermometern (Pt 100 oder NTC) keine elektrische Verbindung zum Schutzmantel besteht.

15.3 Beschreibung und Bewertung der Prüfverfahren

Bild 15.10: Prinzipieller Aufbau eines elektrischen Temperaturmessgerätes

Bild 15.11: Messgerät mit Thermoelementsensor

541

542

15 Temperatur

Anwendung Die Verbindung der Drähte, d.h. die Herstellung der Messstelle, erfolgt durch autogenes Schweißen ohne Fremdmetallzusatz bzw. durch Verlöten mit geeigneten Loten und/oder durch Verdrillen. Die Vergleichsstelle wird in der gleichen Weise hergestellt. Wichtigstes Ziel ist ein elektrisch gut leitender Kontakt. Um Messfehler zu vermeiden, soll die Kontaktlänge möglichst kurz sein und im Bereich einer gleichmäßigen Temperaturverteilung liegen. Die in einem Thermopaar entstehende Spannung entspricht der Temperaturdifferenz zwischen dem Messknoten und den als Anschlussstelle bezeichneten freien Enden. Um Messfehler durch Temperaturänderungen an der Anschlussstelle zu vermeiden, verlängert man das Thermopaar entweder mittels Thermoleitung oder der preiswerteren Ausgleichsleitung [15-17] bis zu einer Stelle konstanter und genau definierter Temperatur, der sogenannten Vergleichsstelle (näheres hierzu siehe [15-22]). Bei einfachen Messanordnungen wird die Ausgleichsleitung bis an die Klemmen des Anzeigeinstrumentes geführt. Ausgleichsleitungen haben bis zu einer Temperatur von 200°C die gleichen thermoelektrischen Eigenschaften wie das Thermoelement selbst. Das bedeutet, dass die beiden Leiter mit den zugehörigen Thermoschenkeln (das sind die einzelnen Leiter eines Thermopaares, siehe oben) keine Spannung liefern und die gleichen zulässigen Abweichungen wie die Thermodrähte aufweisen. Bei der Verwendung anderer Leitermaterialien ist zu beachten, dass jeder Übergang zwischen zwei Metallen ein Thermoelement bildet und das Messergebnis beeinflusst [15-23]. Die Wahl der Isolierwerkstoffe richtet sich nach der Temperatur und den Umgebungsbedingungen [15-21]. Die an der Vergleichsstelle herrschende Temperatur kann entweder einjustiert oder mittels eines Referenzthermometers gemessen und rechnerisch berücksichtigt werden. Ist keine konstante Vergleichstemperatur vorhanden, so werden thermostatisch geregelte Vergleichsstellen eingesetzt. Diese regeln die Temperatur auf einen Festwert von z.B. 30°C. Diese Vergleichsstellen werden dann durch normale Kupferleitungen mit dem Messinstrument verbunden. Eine weitere Möglichkeit zur Temperaturkompensation bietet ein Spannungsausgleicher. Der Spannungsausgleicher besteht aus einer Wheatstonemessbrücke mit konstanter Speisespannung. Mit einem oder zwei temperaturabhängigen Widerständen wird der Einfluss der sich verändernden Vergleichstemperatur durch eine Zusatzspannung beseitigt. Die Brückenschaltung ist so zu bemessen, dass bei der Bezugstemperatur keine Zusatzspannung entsteht. Bewertung Thermoelemente sprechen schneller an, erreichen aber nicht die Genauigkeit von Widerstandsfühlern. Thermoelemente sind einfach zu handhaben und können in verschiedenen Metallkombinationen über Temperaturbereiche von –250 bis über 3000 Grad Celsius eingesetzt werden. Sie sind einfach herzustel-

15.3 Beschreibung und Bewertung der Prüfverfahren

543

len, kostengünstig, zuverlässig, langzeitstabil und äußerst robust. Ihre räumliche Ausdehnung ist klein, weshalb sie sich gut für Punktmessungen eignen. Hinzu kommt eine gute Reproduzierbarkeit der Kennlinie sowie eine gute Messgenauigkeit, die bei etwa 0,5 K liegt. Form und Maße der Messfühler sind in optimaler Weise der Messaufgabe anzupassen. Andernfalls können Fehler auftreten, die sich schwer zuordnen lassen. Aus diesen Gründen stehen Temperatursensoren in zahlreichen standardisierten und speziellen Ausführungen zur Verfügung. Anzumerken ist, dass die von Herstellerseite angegebenen Ansprechzeiten nur verhältnismäßig grobe Anhaltswerte darstellen. Bereits innerhalb der Fertigungstoleranzen liegende Unterschiede im Innenaufbau der Messfühler können das Zeitverhalten stark beeinflussen. Außerdem variiert die Wärmeleitfähigkeit der Werkstoffe. Es sollten sich jedoch zumindest schnell ansprechende von herkömmlichen Bauarten unterscheiden lassen. Eine wichtige Voraussetzung für die Vergleichbarkeit ist, dass die Ansprechzeiten stets in gleicher Weise nach standardisierten Verfahren bestimmt werden. Davon abweichende Prüfverfahren führen zu anderen Ergebnissen. 15.3.4.4 Halbleitersensoren für digitale Messverfahren Eine direkte digitale Temperaturmessung ist nicht möglich. Die Temperatur muss in jedem Fall zunächst in eine andere physikalische Größe umgeformt werden, die sich dann elektrisch weiterverarbeiten lässt [15-1]. Aber anders als bei Thermoelementen und Widerstandsthermometern, die Spannungsbzw. Widerstandsänderungen hervorrufen, geben die so genannten digitalen

Tab. 15.3: Beispiele für häufig industriell eingesetzte Temperatur-Sensoren (vgl. [15-1]) Widerstandssensoren

Thermoelemente

Pt 100

NTC

NiCr-Ni (K)

Anwendungsbereich

–200°C…+850°C

–80°C…+ 250°C

Auflösung in K

0,01 (Pt 1000: 0,0001) 0,0005

0,1

Aufwand

Leitungsabgleich

stabile Spannungsquelle

Vergleichsstelle

Konstanz in K (bez. auf Industrieklasse B)

0,25 p.a.

0,1 p.a.

0,7 p.a.

erreichbare Genauigkeit

±0,02 K

0,05 K

0,1% [15-3]

Zeichen

Genauigkeit unter Praxisbedingungen

–80 EC…+1000°C

±0,25 K

Oberflächenmessung

Folienfühler

massearm

Bandfühler

Normung DIN/IEC

43760/751

Hersteller

43710/584

544

15 Temperatur

Verfahren (Quarz oder z.B. temperaturlineare Si-Fühler) Temperaturproportionale Frequenzen ab. Der Hauptvorteil besteht darin, dass die Auswertung dieser Signale durch elektronische Zählverfahren erfolgt, die in digitale Messwerte umgesetzt werden können. Durch die Digitalisierung werden Übertragungsverluste und Anpassungsschwierigkeiten weitgehend ausgeschaltet. Für Oberflächentemperaturmessungen an Baustoffen sind allerdings solche Sensoren bisher nicht gebräuchlich.

15.3.5 Strahlungsthermometer und Thermografiesysteme 15.3.5.1 Allgemeines Wie bereits in Abschnitt 15.2.3 ausgeführt, emittieren Körperoberflächen, die wärmer als –273°C sind, elektromagnetische Strahlen, die von Infrarotoptischen Geräten berührungslos erfasst werden können (Bilder 15.12 bis 15.15). Die Strahlungsleistung korreliert mit der Oberflächentemperatur. Für genaue Temperaturangaben muss der Emissionsgrad (Emissionskoeffizient) der jeweiligen Oberfläche möglichst hoch (im Idealfall = 1 Æ schwarzer Strahler) oder aber wenigstens bekannt sein, damit nur die vom Objekt abgestrahlte und nicht etwa auch die reflektierte Energie zur Temperaturbestimmung herangezogen wird. Dabei spielt auch die Rauheit der zu untersuchenden Oberfläche eine Rolle. Für viele Baustoffe, darunter auch Beton, beträgt der Emissionsgrad 0,95.

Bild 15.12: Übersicht Infrarotgeräte nach [15-1]

15.3 Beschreibung und Bewertung der Prüfverfahren

545

Bild 15.13: Der elektromagnetische Spektralbereich nach [15-30], vgl. [15-14]

Die spektrale Empfindlichkeitsverteilung ist die wichtigste Kennzeichnung eines Strahlungsthermometers [15-8]. Durch Begrenzung der spektralen Empfindlichkeit der pyroelektrischen Sensoren beeinflussen weder Licht noch Farbe des Messobjektes bzw. unterschiedliche relative Luftfeuchten das Messergebnis. Für Bauwerksuntersuchungen sind solche Systeme besonders gut geeignet, die im Wellenlängenbereich zwischen 8 und 14 mm oder Teilen davon arbeiten. Bei normalen Umgebungsbedingungen, d.h. Temperaturen unter 100°C, ergibt sich in diesem Wellenlängenbereich eine hohe thermische Auflösung, und die Reflexionseinflüsse von benachbarten heißen Körpern sind am geringsten. Für thermografische Untersuchungen sind außerdem noch die Spektralbereiche 1,1…1,7 mm, 2…2,5 mm oder 4,5…5,5 mm geeignet, die jedoch für die Messung höherer Temperaturen bevorzugt werden [15-8]. Bild 15.14 lässt erkennen, dass die Durchlässigkeit der Luft im Spektralbereich (Spektralfenster) zwischen 3 und 5 mm und 8 bis 13 mm am größten ist. In den übrigen Bereichen wird die Durchlässigkeit von Luftbestandteilen wie Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Wasserdampf und Ozon beeinträchtigt. Luftverunreinigungen durch Verbrennungsgase stören auch den Spektralbereich zwischen 3–5 mm, während zwischen 8 und 13 mm keine nachteiligen Auswirkungen zu messen sind. Je nach Art des Messsystems erfolgt die Messung punktuell, linienförmig oder flächig (Bild 15.12). Als Strahlungsthermometer, Radiometer, Strahlungspyrometer oder einfach Pyrometer werden solche Strahlungsmessgeräte bezeichnet, bei denen die mittlere Temperatur eines von der Optik erfassten Messflecks bestimmt wird. Strahlungsmessgeräte, die eine große Zahl von Messpunkten zur bildlichen Darstellung von Temperaturverteilungen zusammenfügen, bezeichnet man als Thermografiegeräte oder Thermografiesysteme.

546

15 Temperatur

Bild 15.14: Transmission der IR-Strahlung in Abhängigkeit von der Wellenlänge. Begrenzung der spektralen Empfindlichkeit der Sensoren auf Bereiche mit minimalen Transmissionsverlusten, nach [15-28], vgl. [15-8]

15.3.5.2 Messprinzip, Geräte, Zubehör Strahlungsthermometer Strahlungsthermometer messen in einem bestimmten Zeitintervall die Temperatur eines Messfleckes (Bilder 15.16 bis 15.19). Die von dem Messfleck abgestrahlte Energie wird von einer Linse gesammelt und auf einen Infrarotsensor fokussiert. Der Sensor wandelt die Energie in ein Spannungssignal, das der aufgenommenen Energie proportional ist. Die mikroprozessorgesteuerte Elektronik berechnet unter Berücksichtigung von Einstellparametern daraus die

Bild 15.15: Infrarotbereiche und Lage der bevorzugten Messbereiche für die Infrarotthermografie (vgl. [15-28], [15-29])

15.3 Beschreibung und Bewertung der Prüfverfahren

547

Bild 15.16: Infrarotthermometer (Ahlborn)

Bild 15.17: Größe des Messflecks in Abhängigkeit vom Abstand zwischen Sensor und Messobjekt, aus [15-11]

Temperatur (Bild 15.18). Es stehen Infrarot-Sensoren mit unterschiedlichen Temperaturbereichen und Optiken zur Auswahl. Die Messbereiche reichen von –50°C bis > +2000 °C bei einer Genauigkeit ab 1% und Auflösungen ab 0,1 K (siehe Tabellen 15.4 und 15.5). Liegen die zu messenden Temperaturen über 500°C, spricht man von Strahlungspyrometern. Einige Geräte verfügen über umschaltbare Infrarot-Messbereiche und sind mit Laser-Pointer oder Zielfernrohr ausgestattet, wodurch das Messfeld selbst aus Entfernungen von mehreren Metern sicher anvisiert werden kann. Unter-

548

15 Temperatur

Tab. 15.4: Messtechnische Daten für Strahlungsthermometer nach VDI/VDE 3511-6 aus [15-25] Messtechnische Daten (Bemerkungen)

Anzugebende Randbedingungen

Messbereich (Bereich in dem die Messunsicherheit eingehalten wird)

Beispielangaben

–30°C bis 350°C

Messunsicherheit

Umgebungstemperatur des Messgerätes und Messtemperatur

0,5 K bei qu von 10°C bis 50°C und Messtemperatur von 100°C oder 0,2 K ± 1% des Messwertes bei qu von 25°C und Messtemperatur von 0°C bis 100°C

Temperaturdrift

Bezugseigentemperatur des Messgerätes

0,02 K/K (25°C) oder 0,2 %/K (25°C)

Langzeitstabilität

Messtemperatur, Eigentemperatur, Einstellzeit

0,1 K/Monat bei Messtemperatur = 50°C, Eigentemperatur = 25°C und Einstellzeit = 1 s

Wiederholbarkeit

Umgebungstemperatur, Messtemperatur, Einstellzeit

0,2 K über 24 h, Umgebungstemperatur = 15°C, Messtemperatur = 50°C, Einstellzeit = 1 s

Rauschäquivalente Temperaturdifferenz (NETD) (bezogen auf den Effektivwert des Rauschens)

Messtemperatur, Einstellzeit

0,2 K (20°C, 0,25 s)

Spektralbereich

von 50% Abfall zu 50% Abfall, oder Mittenwellenlänge und Halbwertsbreite (HWB)

8 bis 14 mm oder 3,9 mm, HWB 0,15 mm

Messfeld/Messfeldgröße

prozentualer Abfall des Strahlungswertes, Entfernung oder Verhältnis Abstand zu Messfeld

5 mm ∆ (90%) bei 500 mm Abstand oder Distanzverhältnis 120:1 (95%) bei 1000 mm Abstand

Einstellzeit

Temperatursprung (Anfangs- und Endwert), relative Annäherung an den Endwert

0,5 s (25°C, 100°C, 90%)

Erfassungszeit (Messwertangabe kann zu einem anderen Zeitpunkt erfolgen

wie bei Einstellzeit

0,5 s (25°C, 100°C, 90%)

Zulässiger Umgebungstemperaturbereich (Bereich in dem das Messgerät betrieben werden darf)

10°C bis 50°C

Zulässiger Lagertemperaturbereich (Bereich in dem das Messgerät gelagert werden darf)

–20°C bis 80°C

15.3 Beschreibung und Bewertung der Prüfverfahren

549

Tab. 15.5: Messtechnische Daten nach Firmenangaben für beispielhaft ausgewählte InfrarotStrahlungsthermometer (Auswahl und Reihenfolge stellen keine Bewertung dar)

a b

Gerät/Bezeichnung

RayngerST 20

RayngerST 60/80-IS

Omega OS531.. OS534

Cyclops 3/3A/3S

Anritsu Meter AR-6500/ 6501

Quelle

[15-32], [15-24]

[15-32],

[15-15]

[15-38]

[15-31]

Messbereich in°C

–32…400

–32…600 (760)

–18…400 (870)

–50…500

–50…500

spektrale Empfindlichkeit

8…14 mm

8…14 mm

8…14 mm

8…14 mm

8…14 mm

Emissionsgrad

fest 0,95

einstellbar

einstellbar

einstellbar

0,1…1,0

Genauigkeit in % des Messwertes oder in °C in Abhängigkeit von der Messtemperatura

1% bei > 23°C ± 1°C bei > 23°C ± 2°C bei –18…23°C ± 2,5°C bei –26...< –18°C ± 3°C bei –32…< –26°C

± 2% ± 1% min 1,7°C

± 2°C bei 0…200°C ± 3°C bei < 0°C

± 2°C 0…250°C ± 3°C –50…0°C

Reproduzierbarkeita

± 1% ± 1°C

± 0,5% ± 1 °C

± 1%

0,5°C ± 0,4% (± 2°C) ± 1 digit bei 0…100°C

Anzeigenauflösung

0,2°C

0,1°C

1°C

0,1°C

0,1°C

Arbeitstemperatur (Umgebung)

0…50°C

0…50°C

0…50°C

0…50°C

0…40°C

Ansprechzeit

≤ 500 ms

≤ 500 ms

250 ms

≤ 500 ms

50 ms

min Messfleck ∆ in mm im Abstand von mm

57 600

27 600

13 76

35 10 2000 1000

15 50

Distanzverhältnis: Messabstand/Messfleck ∆

12:1

30:1 50:1

10:1 30:1

60:1 100:1

26:1

Kalibriermöglichkeit über Thermolement-Eingang

nein

ja

nein

nein

ja

Datenausgang

nein

nein

analog RS232

RS232C

analog

Laservisier

Punkt (Kreis)

Kreis

Punkt/ Kreisb

nicht vorh.

vorhanden

Preis in € o. MwSt.

169,–/

379,–/ 649,–

395,–…750,–

19 600

25 760

ja

Es gilt jeweils der größere Wert. Wahlweise.

schiede bestehen im Hinblick auf Fokussierungsmöglichkeiten z.B. durch verschiedene Objektive, Messbereichauslegung und spektrale Empfindlichkeit. Falls erforderlich, kann der Emissionswert (vgl. Abschnitt 15.2.3.2) zwischen 0,10 und 1,00 stufenlos eingestellt werden. Bei entsprechender Ausstattung können Minimal- und Maximalwerte einer Messung sowie Durchschnittstemperatur und größte Temperaturdifferenz gespeichert und per Tastendruck ab-

550

15 Temperatur

Bild 15.18: Strahlungsthermometer und zu berücksichtigende Einflüsse nach [15-31], vgl. [15-35]

Bild 15.19: Strahlungsthermometer, Anwendung und Kalibrierung mittels Berührungsthermometer, aus [15-31]

gerufen werden. Über einen Registrierausgang lassen sich die Messwerte kontinuierlich erfassen und auswerten. Einige Messgeräte verfügen über Rechenprogramme, um durch Reflexionen hervorgerufene Messwertverfälschungen (Bild 15.18) zu eliminieren. Eine andere Möglichkeit, die Genauigkeit zu erhöhen und den Einfluss des Emissionsgrades sowie reflektierter Wärmestrahlung zu eliminieren, ist die Kalibrierung des Strahlungsthermometers durch berührende Oberflächentemperaturmessung. Es sind Geräte erhältlich, die beide Messmöglichkeiten kombinieren (Bild 15.19 und Tabelle 15.5). Im Vergleich zu anderen Messverfahren zeichnen sich Strahlungsthermometer durch eine hohe Ansprechgeschwindigkeit (d.h. geringe Einstellzeit) aus, die 2 bis 3 Messungen je Sekunde ermöglicht. Die Messfeldgröße (Größe des Messflecks) hängt nach den Gesetzen der Optik vom Abstand ab (siehe

15.3 Beschreibung und Bewertung der Prüfverfahren

551

Bild 15.20: Prinzipieller Aufbau einer Infrarot-Linienkamera, nach [15-25]

z.B. Bild 15.17) und errechnet sich aus dem gerätespezifischen Distanzverhältnis, das in einem Bereich zwischen ca. 10:1 und 100:1 liegt ([15-32] bis [15-35]). Linienmessung mit Linescannern oder Linienkameras Linescanner oder Linienkameras erfassen die Temperatur in bestimmten Zeitintervallen zeilenweise. Entweder wird dabei der punktförmige Messfleck über einen Ablenkspiegel linienförmig über das Messobjekt bewegt (Linescanner) oder aber eine größere Anzahl von in einer Reihe angeordneten pyroelektrischen Elementen erfasst die Temperaturverteilung zeilenweise (Infrarot-Linien- und Kleinarraykameras, siehe Bild 15.20). Aus den Messwerten ergeben sich Temperaturprofile. Erstgenannte Geräte werden mit unterschiedlichen Scanfrequenzen und Wellenlängen zur optimalen Anpassung an das zu messende Objekt geliefert. Der Vorteil der Linienkameras mit Zeilensensor besteht darin, dass eine genaue räumliche Zuordnung der Messwerte auch bei bewegten Objekten oder bewegter Kamera möglich ist. Außerdem kann auf bewegte Gerätebauteile verzichtet werden, was nach Herstellerangaben die Lebensdauer erhöht. Solche Kameras bestehen im Wesentlichen aus folgenden Modulen: korrigiertes Infrarot-Objektiv, Chopper (Zerhacker), Zeilensensor und Signalverarbeitungseinheit mit digitalem Signalprozessor [15-25]. Flächenmessung mit Thermografiesystemen Thermografiesysteme setzen sich aus den in den Bildern 15.21 und 15.22 dargestellten Komponenten zusammen. Sie zeichnen die Temperatur in einer definierten Aufbauzeit über einer geometrisch begrenzten Fläche auf und sind

552

15 Temperatur

Bild 15.21: Übergang vom Strahlungsthermometer zum Thermografiegerät, aus [15-8]

Bild 15.22: Aufbau eines Thermografiesystems (Aufbau und Ausstattung je nach Gerätetyp unterschiedlich)

meist mit einer zweidimensionalen Ablenkvorrichtung im optischen Strahlengang ausgestattet, z.B. Schwingspiegel oder rotierende Prismen, ggf. in Kombination [15-8] (Bild 15.21). Auf diese Weise wird ein Thermobild aus vielen Einzelbildpunkten zu einem Gesamtbild zusammengesetzt. Durch die Verwendung von Multielementdetektoren (Zeilen oder Arrays) statt Einzeldetektoren wird die Leistungsfähigkeit beträchtlich gesteigert. Die im Handel angebotenen Geräte unterscheiden sich hinsichtlich Bildfolgefrequenz, Wellen-

15.3 Beschreibung und Bewertung der Prüfverfahren

553

längen, Kühlungsarten, Temperaturbereich, geometrischer und thermischer Auflösung. Weitere Optionen wie externe PC-Software, digitaler Bildspeicher, Tele-, Weitwinkel- und Mikroobjektiv, Videorecorder, Videoprinter können den Anwendungsbereich der Thermografiesysteme erheblich erweitern [15-31]. Die Leistungsfähigkeit der Systeme lässt sich nach folgenden Kriterien beurteilen [15-8], [15-31]: ◆ Spektrale Empfindlichkeit ◆ Temperaturbereich, thermische Auflösung und Messunsicherheit

Bild 15.23: Thermografiesystem VARIOSCAN 3021 ST, Hersteller Jenoptik, Vertrieb durch InfraTec [15-43]

Bild 15.24: IR-Bild der Giebelwand eines mehrgeschossigen Plattenbaus [15-43]

554

15 Temperatur

◆ Einstellzeit ◆ Art des Detektors ◆ Kühlung des Detektors ◆ Bildrasterung, Anzahl der Bildpunkte und Bildaufbauzeit bzw. Bildfolgefrequenz ◆ Bildwinkel, Messfeldgröße und geometrische Auflösung ◆ Emissionsgradkorrektion ◆ vorhandene Schnittstellen ◆ digitale Bildverarbeitung und -auswertung ◆ Bildspeichermöglichkeiten Die Auswahl des Detektors hängt von der Messaufgabe ab. Im normalen Temperaturbereich < 100°C – das betrifft die meisten Anwendungen im Bauwesen – wird der langwellige Spektralbereich (8-13 mm) bevorzugt [15-40], [15-41]. Temperaturen deutlich unterhalb des Gefrierpunktes können ohnehin nur mit langwelligen Detektoren gemessen werden. Außerdem wird mit diesen Detektoren eine bessere thermische Auflösung (0,1 K) erreicht als mit den kurzwelligen Detektoren (0,5 K). Hinzu kommt, dass viele nichtmetallische Stoffe wie Beton und Kunststoff(-Beschichtungen) im langwelligen IR-Bereich einen von der Wellenlänge nahezu unabhängigen Emissionsgrad aufweisen. Zu den entscheidenden Auswahlkriterien für ein Thermografiesystem gehören die Anzahl der Bildpunkte und die Bildfolgefrequenz. Heutige für den industriellen Bereich angebotene Systeme bieten je nach Aufbau und Ausführung zwischen 0,2 bis 60 Bilder/sek bei ca. 40000 bis 90000 Bildpunkten [15-31], [15-38], [15-42], [15-43], [15-44]. Spitzengeräte erreichen eine Auflösung von über 410 000 Pixel [15-43]. (Zum Vergleich: VHS-Videosysteme arbeiten mit 25 Bildern/sek und 144000 Bildpunkten). Bildfolgefrequenz und Anzahl der Bildpunkte beeinflussen sich gegenseitig. Aus der vorgegebenen Ansprechzeit der Detektoren, die im Bereich von 2 ms bis 15 ms liegt und aus der Anzahl der Bildpunkte ergeben sich der Zeitbedarf und die mögliche Bildfolgefrequenz. Wird die Anzahl der Bildpunkte größer, so muss die Bildfolgefrequenz automatisch kleiner werden und umgekehrt. Für die Messung von annähernd stationären Temperaturzuständen ist ein langsam abtastendes System vorzuziehen, da hierbei eine höhere Bildpunktzahl erreicht wird. Ausschlaggebend ist, dass mit der Zahl der Bildpunkte auch der Informationsumfang zunimmt und die Detailtreue der erzeugten Bilder verbessert wird. Ebenfalls von besonderem Interesse ist die nachweisbare minimale Temperaturdifferenz. Darunter versteht man denjenigen Temperaturunterschied, der auf dem Bildschirm zu einem noch visuell erkennbaren Grau- oder Farbwertunterschied hinreichend großer Flächen führt. Dieser Wert wird als Bestwert bei optimaler Geräteeinstellung unter stationären Verhältnissen bei ausreichend langer Beobachtungszeit ermittelt. Typisch sind 0,1 bis 0,3 K bei 25°C und 0,5 bis 1 K bei 0°C [15-8]. Eine hohe Temperaturauflösung ist eine wesentliche Voraussetzung für geringe Messunsicherheiten.

15.3 Beschreibung und Bewertung der Prüfverfahren

555

Der Detektor des Thermografiesystems muss auf eine definierte Arbeitstemperatur gekühlt werden, um das Eigenrauschen zu minimieren. Dieses entsteht durch Überlagerung der zu messenden IR-Strahlung mit der Strahlung aus der Eigentemperatur des Sensors. Die Kühltemperatur richtet sich nach der angestrebten thermischen und geometrischen Auflösung. Für Geräte, die im langwelligen Bereich (8–13 mm) arbeiten, wird entweder Flüssiggaskühlung eingesetzt oder ein Stirling-Kühler, bei dem es sich im Prinzip um eine Miniatur-Kältemaschine handelt. Geräte, die für den kurzwelligen Bereich (3–5 mm) ausgelegt sind, werden thermoelektrisch gekühlt. Thermoelektrische Kühlung mit Peltierelementen macht die Geräte wesentlich handlicher und flexibler als bei Flüssiggas-Kühlung [15-28], [15-31].

15.3.5.3 Anwendung Strahlungsthermometer Für den mobilen Einsatz werden netzunabhängige Geräte in pistolen- oder kameraähnlicher Form angeboten, die ausgesprochen handlich und anwendungsfreundlich sind. Die Emissionsgrade lassen sich über Einstellknöpfe oder Tasten an die vorhandenen Verhältnisse anpassen. Das Strahlungsthermometer wird auf den entsprechenden Messfleck gerichtet und nach einer sehr kurzen Ansprechzeit (< 1 s) wird die Temperatur digital angezeigt. Das Anzielen des Messflecks wird von einem Laserpointer unterstützt. Für die flächige Temperaturerfasssung lässt sich der Messpunkt gemäß Bild 15.19 in Mäanderform über die Bauteiloberfläche führen. Wenn die Messdatenerfassung (manueller Aufschrieb oder elektronische Registrierung) in konstanten Rasterabständen erfolgt und die Temperaturverhältnisse stationär sind, lassen sich aus den Messdaten sogar Temperaturprofile oder Wärmebilder erzeugen. Während der Messungen soll die Temperatur in der Umgebung der Messgeräte zwischen 0 und etwa 50 °C liegen. Innerhalb dieses Bereiches können Einflüsse aus wechselnden Umgebungstemperaturen kompensiert werden [15-37]. Die minimale und maximale Objekttemperatur darf hingegen wesentlich größer oder kleiner sein (siehe Tabellen 15.4 und 15.5), da die Messung in wählbarem Abstand berührungslos erfolgt. Von diesem Abstand und dem Distanzverhältnis der Optik hängt allerdings die geometrische Auflösung (Größe des Messflecks) ab (siehe Bild 15.17). Es dürfen keine Hindernisse im Bereich des Sensorsichtfeldes liegen. Auf dem Sensor darf nur die Strahlung des zu messenden Objektfeldes abgebildet werden. Auch Gase, Wasserdampf und Staub beeinträchtigen die Temperaturmessung. Durch Begrenzung der spektralen Empfindlichkeit der Sensoren auf 8 bis 13 mm werden die Einflüsse aus Licht, Farbe und Luftfeuchte sehr gering gehalten. Trotzdem empfiehlt es sich, den Einfluss störender Fremdstrahlung durch geeignete Wahl des Messzeitpunktes (Dunkelheit oder bedeckter Himmel) sowie der Beobachtungsrichtung (Vermeiden von Reflexionen) zu reduzieren ([15-33] bis [15-36] sowie

556

15 Temperatur

[15-39], [15-42]). Deshalb setzt die korrekte Anwendung dieses Messverfahrens einige Erfahrung voraus. Thermografiesysteme Die Handhabung von Infrarotkameras ist vergleichbar mit der von Videokameras. Üblicherweise werden die aus den Messsignalen von der Oberfläche eines Untersuchungsobjektes erzeugten Temperaturfelder auf einem angeschlossenen Monitor oder auf dem TFT- bzw. LCD-Display der Kamera farbig dargestellt (Thermografie- oder Wärmebildsysteme – Bilder 15.22 bis 15.24). Dabei symbolisieren die gewählten Farben und Abstufungen unterschiedliche Temperaturniveaus (Falschfarbendarstellung). Mit blauen Farbtönen sollen niedrige Temperaturen und mit gelben sowie roten höhere Temperaturen assoziiert werden. Durch Weiterverarbeitung der gespeicherten Messsignale mittels PC sind folgende Resultate zu erzielen [15-1], [15-31]: ◆ Emissionsgradkorrektur für Teilbilder oder das gesamte Bild, ggf. auch pixelweise ◆ Temperaturprofile über beliebige Linien ◆ Histogrammdarstellung für das Gesamtbild oder Teilbereiche ◆ Isothermendarstellung ◆ statistische Berechnungen ◆ Vergleich von aktuellen und gespeicherten Bildern (Anzeige der Differenzen) ◆ Online-Temperaturwertangabe von einzelnen Bildpunkten, mit X/T-Diagramm für mehrere Messpunkte ◆ Punktuelle Offline-Auswertung mit X/T-Diagramm ◆ Abspeichern der Bilder und Messwerte in gängigen Bildformaten ◆ Datenkomprimierung ◆ Filterung des gespeicherten Bildinhaltes ◆ gleichzeitige Darstellung mehrerer gespeicherter Bilder ◆ Bildüberlagerung ◆ Bildbeschriftung ◆ Zeichnen mehrerer Konturen beliebiger Form Je nach Entfernung vom Messobjekt und Vergrößerungsstufe des Objektives (Zoomfaktor) können einerseits sehr detaillierte Informationen von Flächenabschnitten, andererseits aber auch globale Informationen von größeren Bauwerksteilen gewonnen werden (siehe Bild 15.24). Vorzugsweise werden Falschfarbendarstellungen verwendet, weil sich damit die einzelnen Temperaturzonen kontrastreich voneinander abheben und entsprechend leicht interpretieren lassen. Mittels digitaler Bildverarbeitung können Veränderungen schnell und kontinuierlich festgestellt, gespeichert und quantifiziert werden. Die Mess- bzw. Bilddaten lassen sich im internen Speicher oder zur externen Speicherung auf Speicherkarten ablegen. Oft werden die Daten über eine Schnittstelle direkt auf einen PC übertragen. Insofern unterscheiden sich die Thermografiegeräte von den Infrarotkamera-Systemen (siehe Bild 15.12, linke

15.3 Beschreibung und Bewertung der Prüfverfahren

557

Verzweigung im Organigramm) bei denen die Temperaturfelder nur auf infrarotempfindlichen Filmen oder auf Videoband aufgezeichnet werden. 15.3.5.4 Bewertung Strahlungsthermometer, Infrarot-Linienkameras und Thermografiesysteme arbeiten berührungslos und je nach Ausführung in Temperaturbereichen von –50°C bis > +2000°C. Sie ermöglichen Oberflächen-Temperaturmessungen sogar an schwer zugänglichen Stellen, wobei Messdistanzen von mehreren Metern möglich sind. Wie beim Fotografieren können verschiedene Objektflächen von einem Standort aus erfasst werden, was sich ebenso wie die äußerst geringe Ansprechzeit günstig auf den Zeitbedarf und Prüfaufwand auswirkt. Die typischen Probleme der Berührungsthermometer, wie mangelhafter Wärmeübergang insbesondere bei rauer Oberfläche oder Störung des zu messenden Temperaturfeldes, entfallen. Da allerdings die Strahlungsleistung auch materialabhängig ist, muss für Temperaturmessungen der Emissionsgrad bekannt sein. Dieser lässt sich durch Vergleichsuntersuchungen ermitteln oder aus einschlägigen Tabellen entnehmen [15-31], [15-33]. Unter optimalen Bedingungen (Objekttemperaturen um 30°C, Schwarzkörperstrahler als Referenz) kann mit dieser Messmethode eine Auflösung von < 0,1 K erreicht werden [15-27], [15-29], [15-39]. Unter normalen Voraussetzungen ist die absolute Genauigkeit um etwa eine Zehnerpotenz geringer (siehe Tabelle 15.5). Unabhängig davon bleibt die Reproduzierbarkeit gut und die relative Genauigkeit hoch, was z.B. zur Detektion von Temperaturunterschieden in einer Messfläche genutzt werden kann [15-27], [15-35]. Allerdings nimmt die Empfindlichkeit bei tieferen Temperaturen ab. Aus der Umgebung reflektierte Wärmestrahlung, erhöhte Luftfeuchte und Windgeschwindigkeiten ≥ 2 m/s beeinträchtigen die Ergebnisse [15-39]. Während Strahlungsthermometer vergleichsweise preiswert sind, ist die Ausstattung für die flächige Bild gebende Infrarot-Thermografie sehr kostspielig. Für die Bestimmung der Untergrundtemperatur bei Ausbesserungs- und Beschichtungsarbeiten sind Strahlungsthermometer (z.B. Bild 15.16 und Tabelle 15.5) aufgrund der geschilderten Vorteile und noch vertretbaren Anschaffungskosten sehr empfehlenswert. Dies gilt insbesondere für Anwendungen bei denen berührende Messverfahren zu träge reagieren oder Messfehler aufgrund großer Oberflächenrauheit befürchtet werden müssen. Der Einsatz von Thermografiegeräten empfiehlt sich besonders für die Ermittlung von Temperaturverteilungen. Diese ermöglichen die Beurteilung der bauphysikalischen Verhältnisse in Bauwerken und Bauteilen (siehe Bild 15.24) und können außerdem zur Ortung von Leckagen oder Fehlstellen herangezogen werden (vgl. Abschnitt 16.3.9). Für die Interpretation der erzeugten Bilder sind Falschfarbendarstellungen hilfreich, weil sie Temperaturunterschiede markant hervorheben. Solche Infrarotbilder lassen sich digital weiterverarbeiten und auswerten.

558

15 Temperatur

15.4 Literatur [15-1] FISCHER, H. u. a.: Industrielle Temperatur-, Mess- und Regelungstechnik – ITM ’90. Ehningen bei Böblingen: expert-Verlag, 1990. [15-2] STAUFENBIEL, G.; WESSIG, J.: Bauphysik und Baustofflehre: eine Einführung in Experimenten. Bd. 2. Wärme, Wärmewirkungen, Wärmeschutz. Wiesbaden; Berlin: Bauverlag, 1989. [15-3] WEICHERT, L. u. a.: Temperaturmessung in der Technik. Sindelfingen: expert-Verlag, 1987. [15-4] VDI/VDE 3522: 1987-06 Zeitverhalten von Berührungsthermometern, Time response of contact thermometers. [15-5] VDI/VDE 3511: 1996-03 Technische Temperaturmessungen – Grundlagen und Übersicht über besondere Temperaturmessverfahren, Temperature measurement in industry – Principles and special methods of temperature measurement. [15-6] VDI/VDE 3511 Blatt 2: 1996-04 Technische Temperaturmessungen – Berührungsthermometer, Temperature measurement in industrry – Contact thermometers. [15-7] VDI/VDE 3511 Blatt 3: 1994-11 Technische Temperaturmessungen – Messverfahren und Messwertverarbeitung für elektrische Berührungsthermometer, Temperature measurement in industry – Measuring systems and measured quantity processing for electrical contact thermometers. [15-8] VDI/VDE 3511 Blatt 4: 1995-01 Technische Temperaturmessungen Strahlungsthermometrie, Temperature measurement in industry – Radiation thermometry. [15-9] VDI/VDE 3511 Blatt 5: 1994-11 Technische Temperaturmessungen – Einbau von Thermometern, Temperature measurement in industry – Installation of thermometers. [15-10] KÖRTVÉLYESSY, L. von: Thermoelement-Praxis. 2. Aufl. – Essen: Vulkan-Verlag, 1987. [15-11] Ahlborn Mess- und Regelungstechnik, Holzkirchen. Kataloge 1989-2004, (siehe auch http://www.ahlborn.de). [15-12] Airflow Lufttechnik GmbH, Rheinbach: Prospekte (siehe auch http://airflow. de). [15-13] Ceram-Aix, Ingenieurkeramik, Hochtemperaturtechnik, Aachen. Prospekt: Dünnfilmthermometer für Temperatur- und Wärmestrommessung. [15-14] DIN 5031-7: 1984-01 Strahlungsphysik im optischen Bereich und Lichttechnik; Benennung der Wellenlängenbereiche. [15-15] Newport Electronics GmbH: Katalog T-3 Temperaturmesstechnik. http:// www.Omega.de. [15-16] LINDORF, H.: Technische Temperaturmessungen. 4. Aufl. – Essen: Verlag W. Giradet, 1970 [15-17] Qecksilber ade, Physikalische Grundsätze der Temperaturmessung. In: Instandhaltung (1986), Nr. 12, S. 26-28.

15.4 Literatur

559

[15-18] Form + Test Prüfsysteme, Riedlingen, Katalog (siehe auch http://www.formtest.de). [15-19] WESTERFELD, P.: Thermoelemente und Widerstandsthermometer, Tabellenbuch. 2. Aufl. Hrsg.: Hartmann & Braun AG, Frankfurt: Eigenverlag, 1987. [15-20] MUTH, M.: Temperatur-Sensoren. Aus: http://www.michael-muth.de/lectures/. [15-21] Heraeus, Hanau, Prospekte: Ausgleichsleitungen, Thermoleitungen, Thermodrähte/Thermopaare, Thermoelemente für technische Messungen. http://www.heraeus-sensor-nite.de. [15-22] BAUMGARTNER, F.; LOHER, B.: PT100 – Temperatur Sensor (Sensor No. 03); Thermolelement (Sensor No. 21). NTB Sensordatenbank/Labor Elektronische Messsysteme, Fachhochschule Buchs/CH, 2001-02-16 http://www.ntb.ch/sensor/sensordatenbank_main_publik.html. [15-23] Themenspecial der RS Components GmbH (hrsg.): Sensoren. Thermistoren und Posistoren; Thermoelemente und Widerstandsthermometer. In: exkuRS (1996), Nr. 2, S. 6–7 und S. 14–15. [15-24] RS Components GmbH, Mörfelden-Walldorf, Katalog Sept. 2004 – Feb. 2005 (siehe auch http://www.rsonline.de). [15-25] NAGEL, F.; ZIMMERHACKL, M.; HOFMANN, G.; BUDZIER, H.: Berührungslose Temperaturmesstechnik für industrielle Prozesse. DIAS Angewandte Sensorik GmbH, Publikationen, Nr. 7, aus: http://www.dias-gmbh.de. [15-27] Dittié Thermografie: Physik der Thermografie. http://www.dittie.thermografie.de. [15-28] BREUCKMANN, B.: Bildverarbeitung und optische Messtechnik in der industriellen Praxis. München: Franzis Verlag, 1993. [15-29] SCHWEIGER, H.: Industriethermografie. http://www.thermografie-schweiger.de. [15-30] DELLING, T.: Grundlagen und Methoden der digitalen Satellitenfernerkundung. TU-Berlin, 1998. http://www.geog.fu-berlin.de/~jkrywkow/till/html/fern1.html. [15-31] SCHINDEL, B.: Thermografie in der Theorie und Praxis, aus: www.ebs-thermographie.de, 2004. [15-32] Raytek GmbH, Berlin, Portable Thermometer zur berührungslosen Temperaturmessung, Prospekte, (siehe auch http://www.raytek.de). [15-33] Newport Electronics GmbH, Deckenpfronn, http://www.Omega.com: Einführung in Infrarot-Pyrometer – Technische Hintergrundinformationen. http://www.Omega.de. [15-34] GLOCKMAN, W.: Kontaktlose Temperaturmessung. http://www.Omega.de. [15-35] BARRON, W. R.: Principles of Infrared Thermometry. http://www.Omega.com. [15-36] MERCHANT, J.: Merchant: Infrared Temperature Measurement Theory and Application. http://www.Omega.com.

560

15 Temperatur

[15-37] EVEREST, C. E.: Microcomputer Based IR Temperature Transducers. http://www.Omega.com. [15-38] Land Infrared, Leverkusen: Infrarot-Thermometer und Waermebildsystem. http://www.landinst.com/infr/index.html. [15-39] BUNKE, N.: Arbeitsausschuß DIN 1048: Prüfung von Beton. Empfehlungen und Hinweise als Ergänzung zu DIN 1048. Deutscher Ausschuß für Stahlbeton (Hrsg.), Heft 422, Berlin: Beuth Verlag, 1991. [15-40] SCHICKERT, G.; KRAUSE, M.; WIGGENHAUSER, H.: Dokument Nr. 1995: Infrarot-Thermografie. Schadis CD-ROM Volltextdatenbank, Ausgabe 5. Stuttgart: Fraunhofer IRB Verlag, 1999. [15-41] SCHICKERT, G.; HENSCHEN, J.; KRAUS, M.; MAIERHOFER, C.; WEISE, F.; WIGGENHAUSER, H.: BORCHARDT, K.: ZfPBau-Kompendium, BAM Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung, Berlin, 1999. http://www.bam.de. [15-42] DÖPPNER, J.: Berührungslos. Bauthermografie – ein Verfahren zum Sichtbarmachen von Bauschäden. In: Bautenschutz und Bausanierung 23 (2000), Nr. 7, S. 12–15. [15-43] InfraTec GmbH, Infrarotsensorik und Messtechnik, Dresden: Firmenprospekte (siehe auch http://www.InfraTec.de). [15-44] Flir Systems GmbH: Thermographie. http://www.Flir.de bzw. http:// www.flir.com.

16 Feuchte

16.1 Begriffe und Definitionen 16.1.1 Wasser als Betonbestandteil, Feuchteaufnahme Wasser ist ein wesentlicher Bestandteil des Betons und liegt in unterschiedlichen Bindungsformen vor: ◆ chemisch gebundenes, zur Struktur gehörendes, nicht verdampfbares Kristallwasser (bei vollständiger Aushärtung rd. 25% des Zementgewichtes), ◆ physikalisch (sorptiv) gebundenes, verdampfbares Wasser (rd. 10 bis 15% des Zementgewichtes), ◆ adhäsiv gebundenes oder freies Wasser in den Kapillar- und Makroporen. Bei der Bestimmung des Wassergehaltes im Zementstein ist eine zuverlässige Trennung zwischen chemisch gebundenem Wasser und dem adsorptiv gebundenen bisher nicht möglich. Letzteres befindet sich in den submikroskopisch kleinen Gelporen des Zementsteins, wo es an der Oberfläche der Hydratationsprodukte haftet und unter normalen Klimabedingungen nicht entweichen kann. Obwohl es im Gegensatz zum chemisch gebundenen Wasser bei scharfen Trocknungsbedingungen verdampft, geht man heute davon aus, dass zumindest ein Teil davon als Zwischenschichtwasser größerer Kristalle zur festen Phase des Zementsteins hinzuzurechnen ist [16-1]. Beton enthält bei der Herstellung in der Regel auch überschüssiges Anmachwasser, das während des Erhärtungsprozesses weder chemisch noch physikalisch gebunden wird und wassergefüllte Zwischenräume zwischen den Hydratationsprodukten bildet. Dieses Wasser kann je nach Umgebungsbedingungen teilweise verdunsten und ein räumlich vernetztes System von Kapillarporen hinterlassen. Die Kapillarporen sind im Mittel 1000-mal so groß wie die Gelporen [16-1] (vgl. Kapitel 17, Bild 17-2). Auch die Entstehung von Makroporen (Verdichtungsporen) lässt sich im Beton nicht ganz vermeiden. Je nach Feuchtezufuhr von außen (siehe Tabelle 16.1) können solche Poren ganz oder teilweise mit Wasser gefüllt sein. Außerdem findet Feuchteaustausch mit der angrenzenden Luft statt. Bei konstanten Klimaverhältnissen stellt sich ein Gleichgewichtszustand der Betonfeuchte mit der Luftfeuchte der Umgebung ein. Dieser Zusammenhang

562

16 Feuchte

Tab. 16.1: Beispiele für Feuchteeinwirkungen auf Betonbauteile Zustandsform

flüssig

Herkunft/Einwirkung Betonherstellung

Gebrauchszustand (nutzungs-, umgebungs- und klimabedinggt)

Untergrundvorbereitung für die Instandsetzung

Anmachwasser

Bodenfeuchte, Kondenswasser, Sprühnebel, Niederschläge, Spritzwasser, Sickerwasser, Stauwasser, Grundwasser, stehendes oder fließendes Wasser bei Behälter- oder Wasserbauwerken

Nassreinigung, Feuchtnebel- oder Wasserstrahlen

Nachbehandlung dampfförmig

Außenluft, erhöhte Luftfeuchte in Räumen

zwischen Luftfeuchte, Ausgleichsfeuchte und Porenradius bei konstanter Temperatur lässt sich durch Sorptionsisothermen beschreiben (siehe Bild 16.1) [16-2], [16-3], [16-4]. Der im Normalbeton enthaltene Zuschlag hat ein verhältnismäßig dichtes Gefüge und nimmt daher im Allgemeinen keine nennenswerten Mengen an Wasser auf. Im Gegensatz dazu ist bei Leichtzuschlägen und rezyklierten Zuschlägen je nach Porenstruktur und Beschaffenheit der Kornoberfläche mit einer großen Wasseraufnahme und erheblichen Mengen an Kernfeuchte im Beton zu rechnen. Einige Zuschläge für Strahlenschutzbeton enthalten hohe Anteile (> 10 M.-%) an Kristallwasser.

Bild 16.1: Sortionsisotherme für Zementmörtel nach POWERS und BROWNYARD aus [16-2]

16.1 Begriffe und Definitionen

563

16.1.2 Feuchtegehalt „Feuchte ist der Anteil an Wasser, der dem Stoff entzogen werden kann, ohne seine chemische Struktur als solche zu verändern“ [16-5]. Der Feuchtegehalt u ist eine dimensionslose Verhältniszahl, die mit 100 multipliziert in Prozenten angegeben wird. Als Bezugsgröße dient in der Regel die Trockenmasse. mh – md u = 97 · 100 md

(16.1)

wobei: u = auf die Trockenmasse des Betons bezogene Feuchte in % mh = Masse der feuchten Betonprobe (Entnahmezustand) md = Masse der bis zur Gewichtskonstanz getrockneten Betonprobe Alternativ lässt sich auch der volumenbezogene Wert (y) unter Berücksichtigung der Rohdichte des Stoffes und der Dichte des Wassers wie folgt berechnen:

rRb y = um 6 · 100 r´W

(16.2)

wobei: y = volumenbezogener Feuchtegehalt in % rRb = Betonrohdichte in kg/m3 rW = Dichte des Wassers (≈ 1000 kg/m3)

16.1.3 Mögliche Wasseraufnahme Der Baustoff Beton enthält nach vollständiger Erhärtung mindestens 10 Vol.% Poren (vgl. Tabelle 16.3). Abgesehen von 1 bis 2 Vol-% unvermeidbaren Verdichtungsporen handelt es sich im günstigsten Fall ausschließlich um wassergefüllte Gelporen. Bei Wasserzementwerten > 0,38 kommen die Kapillarporen hinzu, die ein fein verästeltes räumliches Netz bilden. Diese Kapillarporen mit Durchmessern im Mikrometerbereich (vgl. Bild 17-2) können flüssiges Wasser aufnehmen (freiwillige Wasseraufnahme ohne Druck, vgl. Kapitel 17) und aufgrund der Oberflächenspannung benetzbarer (hydrophiler) Stoffe, die größer ist als die des Wassers, in jede beliebige Richtung transportieren. Die kapillare Steighöhe h ist dem Radius r der Poren umgekehrt proportional (h ~ 1/r). Dieser Effekt ist für die Wasseraufnahme bei Niederschlägen und bei mit geringer Druckhöhe anstehendem Wasser verantwortlich. Auch Wasser, das bei der Untergrundbearbeitung durch Feucht- oder Wasserstrahlen mit relativ geringem Druck anfällt, kann auf diese Weise aufgenommen werden. Findet die Wasseraufnahme jedoch wie beim Hochdruckreinigen und Hochdruck-

564

16 Feuchte

wasserstrahlen unter erhöhtem Druck statt, können zumindest in den Randzonen auch andere offene Poren gefüllt werden.

16.1.4 Gleichgewichts- bzw. Ausgleichsfeuchte Außer flüssigem Wasser bewegt sich auch dampfförmiges Wasser durch das Porensystem. Die Porenwandungen bilden eine sehr große innere Oberfläche, die 100 bis 200 m2 je Gramm Zementstein betragen kann [16-2]. Durch Adsorption von Wassermolekülen entsteht dort zunächst eine durchgehende monomolekulare Schicht. Je geringer die Porenradien sind, um so eher kommt es schon bei verhältnismäßig niedrigen Luftfeuchten zur Wasserdampfkondensation und die Dicke der Wassermolekülschichten an den Porenwandungen nimmt zu. Daraus folgt, dass sich bei geänderter relativer Luftfeuchte und konstanter Temperatur verschiedene Ausgleichsfeuchten einstellen. Dieser Vorgang ist bei erhärtetem Beton reversibel. Allerdings kann zwischen Anfeuchten und Austrocknen eine Hysterese auftreten. In Bild 16.1 ist der Zusammenhang zwischen Porenradius, relativer Luftfeuchte und dem aufgenommenem bzw. verdampfbarem Wassergehalt dargestellt. Dieses Bild verdeutlicht, dass die Kondensationsvorgänge unterhalb des Taupunktes, also unterhalb der Wasserdampfsättigung der Luft (rel. Luftfeuchte < 100%) vor allem in den kleinsten Poren des Zementsteins, den Gelporen, stattfinden, die einen theoretischen Durchmesser von 1 bis 3 Nanometer haben. Wenngleich dieser Effekt Kapillarkondensation genannt wird, sind Kapillaren nur zu einem kleinen Teil daran beteiligt, weil deren Radius überwiegend oberhalb von 100 nm (0,1 mm) liegt (vgl. Bild 17.2). Alle mikro- und kapillarporösen Werkstoffe, dazu zählen insbesondere Holz und mineralische Baustoffe wie Beton und Mauersteine, weisen somit eine Feuchte auf, die nicht nur von der Aufnahme flüssigen Wassers abhängt, sondern auch von der relativen Luftfeuchte [16-6]. Die relative Außenluftfeuchte beträgt in Westeuropa im Jahresdurchschnitt rd. 75%. Auch an „trockenen“ Tagen sinkt sie selten unter 50%. Relative Luftfeuchten unter 30% kommen praktisch nur in gut gelüfteten beheizten Innenräumen an sehr kalten Wintertagen vor. Aus diesem Grund können feinporöse Baustoffe unter normalen Klimabedingungen nicht absolut trocken sein. Vielmehr stellt sich ein Feuchtegehalt ein, der mit der umgebenden Luftfeuchte im Gleichgewicht steht. Die Gleichgewichts- oder Ausgleichsfeuchte kann wegen der unterschiedlichen Porenstrukturen je nach Baustoff sehr verschieden sein (siehe Bild 16.2).

16.1.5 Praktischer Feuchtegehalt Durchschnittlich zusammengesetzte Normalbetone haben bei Luftlagerung im Normalklima (20°C, 65% rel. Feuchte) einen Feuchtegehalt von 3 bis 5 Vol.-%,

16.1 Begriffe und Definitionen

565

Bild 16.2: Ausgleichsfeuchten verschiedener Baustoffe (nach [16-2], [16-24]

was etwa 1,5 bis 2 M.-% entspricht [16-17]. DIN EN 12524 [16-8] gibt praktische Feuchtegehalte von Baustoffen bei einer Temperatur von 23°C und relativen Luftfeuchten von 50 bzw. 80% an. Diese Feuchtegehalte wurden nach DIN EN ISO 12570 [16-9] durch Trocknen bei erhöhter Temperatur bzw. nach DIN EN ISO 12571 [16-10] durch hygroskopische Sorption bestimmt. Eine Auswahl ist in Tabelle 16.2 wiedergegeben.

Tab. 16.2: Feuchtegehalte von Baustoffen nach DIN EN 12524 [16-8], die bei den angegebenen Klimabedingungen normalerweise nicht überschritten werden Baustoffe

Vollziegel (gebrannter Ton) Kalksandstein Beton mit nichtporigen Zuschlägen Beton mit Leichtzuschlägen

Rohdichte in kg/m2

1000…2400 900…2200 1600…2400 500…2000

Feuchtegehalt in Vol.-% bei 23°C und 50% rel. F.

bei 23 °C und 80 % rel. F.

0,7 1,2 2,5 3

1,2 2,4 4 5

566

16 Feuchte

16.1.6 Porenvolumen Dichter, gut nachbehandelter Beton ohne künstlich eingeführte Poren mit einem Wasserzementwert von 0,38 weist, wie oben erwähnt, nach seinem Erhärten eine Gesamtporosität von etwa 10 Vol.-% [16-5] auf (vgl. Tabelle 16.3). Abgesehen von etwa ein bis zwei Vol.-% Verdichtungsporen handelt es sich dabei ausschließlich um Gelporen. Nur bei extrem hohen Zementleimgehalten und Wasserzementwerten wird eine Gesamtporosität von 20 Vol.-% (vgl. [17-1]) überschritten. Nach DIN EN 206-1 und 1045 darf der Wasserzementwert für bewehrte Betonbauteile nicht über 0,75 liegen, bei Außenbauteilen nicht über 0,60. Deswegen ist es ohne luftporenbildende Zusätze bei normgerecht zusammengesetzten Normalbetonen und üblichen Zementgehalten auch bei vollständiger Wassersättigung aller Poren praktisch nicht möglich, dass die Summe der Anteile des freien und verdampfbaren Wassers 20 Vol.-% übersteigt.

16.1.7 Wasserabgabe, Austrocknungsverhalten Beim Austrocknen wird die Baustofffeuchte infolge Kapillarleitung, Wasserdampfdiffusion und Verdunstung nach außen transportiert. Ein großer Wasseraufnahmekoeffizient und ein geringer Diffusionswiderstand haben ein schnelles Austrocknen zur Folge. Bei günstigen Porenverhältnissen trocknet der Querschnitt gleichmäßig aus, bei ungünstigen (z.B. Leichtbeton) kann der Kern noch sehr feucht sein, während die Oberfläche schon trocken ist. Durch das ungleichmäßige Schwinden zwischen Rand- und Kernzonen können Eigenspannungen entstehen, die Schwindrisse zur Folge haben.

Tab.16.3: Poren im erhärteten Betona, aus [16-2] Wasserzementwert

0,40 0,50 0,60 0,70 0,80 a

Wasser kg/m3

139 152 163 172 179

Zement kg/m3

347 305 272 245 223

Poren in Vol.-% Gelporen

Kapillarporen

Verdichtungsporen

Gesamtporosität

7,2 6,3 5,6 5,0 4,5

1,3 4,3 6,5 8,3 9,8

1,5 1,5 1,5 1,5 1,5

10,0 12,1 13,6 14,8 15,9

Konstanter Zementleimgehalt von 250 l je m3 verdichteten Betons.

16.2 Beurteilungskriterien und Hinweise zur Auswahl der Prüfverfahren

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16.2 Beurteilungskriterien und Hinweise zur Auswahl der Prüfverfahren 16.2.1 Allgemeines Bei Bauteilen im Freien, die vor Niederschlagseinwirkung geschützt sind, kann die Ausgleichsfeuchte des Betons aus dem langjährigen Jahresmittel der relativen Luftfeuchten (in Deutschland rd. 70 bis 80%) mit Bild 16.2 abgeschätzt werden. Diese Näherung ist sehr grob, weil die tatsächlichen Klimaverhältnisse vom langjährigen Mittel erheblich abweichen können. Hinzu kommen materialspezifische Streuungen, die in dem genannten Diagramm nicht berücksichtigt sind. Bei jungem Beton sowie bei Feuchteeinwirkung von außen, z.B. durch Niederschläge oder aufsteigende Feuchte, aber auch im Zusammenhang mit der Untergrundbearbeitung durch Nassreinigung sowie Feucht- oder Wasserstrahlen, sind keine pauschalen Angaben möglich. In diesen Fällen muss versuchstechnisch nachgewiesen werden, ob die vorgegebenen Grenzwerte für die Applikation von Instandsetzungsstoffen eingehalten werden. Die maximale Untergrundfeuchte wird von Seiten der Materialhersteller in der Regel nur für feuchteempfindliche Kunststoffbeschichtungen bzw. -grundierungen vorgeschrieben. Bei der Applikation zementgebundener Systeme genügen im Gegensatz dazu im Allgemeinen visuelle Kriterien (z.B. mattfeuchte Oberfläche, vgl. [16-11]), um eine erforderliche Mindestfeuchte sicherzustellen. Wie eingangs erwähnt (Abschnitt 16.1), liegt Wasser im Beton in unterschiedlichen Bindungsformen vor. Für die Feuchtebestimmung ist die Art der Wasserbindung an den Stoff von herausragender Bedeutung, da die Messverfahren unterschiedlich auf die Bindungsformen reagieren. Ihre Relevanz und Aussagekraft ist daher stoffabhängig. Diesen Schwierigkeiten, die die Feuchtemessung zu einer sehr komplizierten Aufgabe machen, begegnet man jedoch meist mit pragmatischen Lösungen [16-5]. Bild 16.3 enthält eine Übersicht und Einteilung der Materialfeuchtemessverfahren, von denen aber nur ein Teil für die Feuchtemessung an Beton geeignet ist. Prüfmethoden, die sich z. B. für die Feuchtebestimmung an vergleichsweise homogenen Werkstoffen wie Holz bewährt haben, sind nicht ohne weiteres auch auf Beton anwendbar. Außerdem sollte ein sehr günstiger Preis nicht der Maßstab für die Anschaffung eines Messgerätes sein. Auf untaugliche Geräte und unbrauchbare Resultate kann man ganz verzichten und dabei noch mehr Geld sparen. Im vorliegenden Kontext sollen Feuchtemessungen vor allem diejenigen Randzonen des Betons erfassen, die für den Haftverbund der Beschichtung relevant sind. In [16-11] bis [16-14] werden Schichtdicken von rd. 2 cm genannt (vgl. Abschnitt. 3.5). Maßgebend dürfte jedoch die Eindringtiefe der Kunststoffe sein. Unbrauchbar ist die Angabe einer über die Schichtdicke gemittel-

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16 Feuchte

Bild 16.3: Einteilung der Materialfeuchtemessverfahren nach [16-16]

ten Feuchte bei steilem Feuchtegradienten, das heißt bei großen Feuchteunterschieden in der betreffenden Schicht. Mit solchen Verhältnissen ist zu rechnen, wenn durchfeuchteter Beton rasch austrocknet oder trockener Beton kurzzeitig mit Kondens- oder Niederschlagswasser beaufschlagt wird. Wegen der Inhomogenität des Betons sind solche Methoden zu bevorzugen, die den Feuchtezustand der Betonrandzone flächig erfassen.

16.2.2 Anforderungen an praxisgerechte Feuchtemessverfahren Nach [16-15], [16-16] sollen praxisgerechte Feuchtemessverfahren folgende Eigenschaften aufweisen: ◆ zerstörungsfrei ◆ schnell und kontinuierlich ◆ störungssicher und zuverlässig mit angemessener Genauigkeit ◆ unempfindlich gegen raue Einsatzbedingungen ◆ möglichst geringer Einfluss des Materialkontaktes ◆ unabhängig von Dicke, Dichte und Struktur des Materials ◆ unabhängig vom Gehalt an gelösten Salzen ◆ unabhängig von der Temperatur ◆ frei von gesundheitsschädlichen Strahlungen. Indirekte zerstörungsfreie Messmethoden eignen sich gut zur Ermittlung von Relativwerten, d.h. zur Bestimmung von Feuchteänderungen oder Feuchteverteilungen [16-17]. Sie liefern aber nur bedingt brauchbare absolute Feuchtegehalte. Um eine möglichst große Genauigkeit und Praktikabilität zu erreichen, sollten zerstörungsfreie Feuchtemessgeräte folgenden Anforderungen genügen (vgl. [16-18]):

16.2 Beurteilungskriterien und Hinweise zur Auswahl der Prüfverfahren

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◆ kleine Kontaktfläche zwischen Oberflächensensor und Betonoberfläche zur Reduzierung des Einflusses der Oberflächenstruktur ◆ Sensoren für jeden Einsatzzweck, Lange Kabel zwischen Sensor und Messgerät, für die Erreichbarkeit schlecht zugänglicher Messstellen ◆ unterschiedliche Messtiefen ◆ Begrenzung des Messvolumens (Randzone, Bewehrung) ◆ Messung in verschiedenen Schichten ◆ Schnittstelle für die Weiterverarbeitung der Messdaten ◆ einfacher Bedien- und Anzeigekomfort ◆ hohe Arbeitsgeschwindigkeit ◆ geringer Wartungsaufwand ◆ vertretbarer Preis.

16.2.3 Kalibrierung indirekter Verfahren Der Zusammenhang zwischen Referenzmessung (siehe Abschnitt 16.3.2) und indirekter Messung gehorcht keiner strengen Funktion, sondern stellt sich als Korrelation dar. In manchen Fällen ist es möglich, Temperatur- oder Dichteeinflüsse zu kompensieren. Andere Einflüsse, die mit der Beschaffenheit des Betons zusammenhängen oder aus dem Gehalt an Fremdsalzen resultieren, müssen in Kauf genommen werden und führen zu entsprechenden Streuungen (vgl. [16-5]). Beim Vergleich der verschiedenen indirekten Messmethoden mit dem Referenzprüfverfahren ist mit folgenden Beeinträchtigungen zu rechnen: ◆ Fehler bei der Probenahme: Diese liegen im Verantwortungsbereich des Anwenders und können unter Umständen größer als der Messfehler sein. ◆ Unsicherheit bei der Referenzmessung durch Darren: Sie ist im Allgemeinen gering (ca. 0,1 bis 0,2%). ◆ Systematische Fehler der Kalibrierung: Sie können durch entsprechenden Aufwand bei der Kalibrierung ausgeschaltet werden. ◆ Messgutbedingte Streuung: Diese ist abhängig von der Variationsbreite der Materialeigenschaften. Eine Kalibrierung kann nicht für jede beliebige Art oder Zusammensetzung eines Stoffes durchgeführt werden, sondern nur für eine begrenzte Auswahl [16-5].

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16 Feuchte

16.3 Beschreibung und Bewertung der Prüfverfahren 16.3.1 Prüfung nach Augenschein (visuelle Prüfmethoden) 16.3.1.1 Allgemeines Die Instandsetzungs-Richtlinie [16-11] gibt mit Anforderungen wie „trocken“, „feucht“ und „nass“ nur qualitative Bewertungskriterien vor (vgl. Kapitel 3). Hierfür reicht im Allgemeinen eine augenscheinliche Beurteilung aus. Nur bei stoffspezifisch genaueren Anforderungen (z.B. seitens des Herstellers) ist die Betonfeuchte prüftechnisch zu ermitteln. 16.3.1.2 Methode, Hilfsmittel und Durchführung Die Anforderung „trocken“ bezieht sich auf eine Tiefe von 2 cm [16-11]. Relativ einfach und rasch lässt sich durch Erwärmen der Oberfläche oder einer 2 cm tiefen frisch hergestellten Bruchfläche mit Hilfe eines Warmluftgebläses (z.B. Fön) feststellen, ob der untersuchte Bereich nennenswerte Feuchtegehalte aufweist. Feuchte Oberflächen oder Bruchflächen werden dabei heller [16-7], [16-11]. Auch das Auflegen eines saugfähigen Papierblattes (Löschoder Filterpapier) liefert erste Hinweise auf den Feuchtezustand des Betons [16-12]. Beurteilt wird, ob eine mittels Kopierstift oder wasserlöslichem Filzschreiber angebrachte Markierung verläuft [16-20]. Eine weitere Beurteilungsmöglichkeit besteht darin, dass man auf die zu beschichtende Fläche eine PE-Folie oder Glasplatte legt und rundherum abdichtet. Bei hoher Feuchte in der Betonrandzone oder bei aufsteigender Feuchte bildet sich nach einiger Zeit an der Folie oder Glasplatte Kondenswasser [16-12], bzw. der Beton unter der Abdeckung wird dunkler. Anhand dieser Merkmale lässt sich die Feuchte abschätzen. 16.3.1.3 Bewertung Zu den Vorzügen der qualitativen Feuchteprüfungen gehört, dass sie sehr einfach und ohne großen Geräteaufwand durchgeführt werden können. Leider ist deren Aussagekraft entsprechend gering und mit einigen Unsicherheiten behaftet. Deshalb hängt die Entscheidung über die Beschichtungsfähigkeit des Untergrunds sehr stark von der Erfahrung der prüfenden Person ab. In Zweifelsfällen sind quantitative Prüfungen ratsam [16-20].

16.3 Beschreibung und Bewertung der Prüfverfahren

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16.3.2 Gravimetrische Verfahren (Darrmethode) 16.3.2.1 Allgemeines Beim Trocknen bei erhöhter Temperatur ist zu beachten, dass auch Gelporenwasser verdampft, was zu höheren Resultaten führt als bei anderen Verfahren. Sieht man einmal von diesem Nachteil ab, ist die Bestimmung des Feuchtegehaltes gemäß DIN 1048-5 [16-21] (vgl. [16-22], [16-23]) die genaueste und am besten reproduzierbare Methode. Wie zuvor erwähnt, soll bei der Feuchtebestimmung die chemische Struktur des Stoffes nicht verändert werden. Obwohl dies bei gravimetrischen Verfahren versuchstechnisch nicht streng realisierbar ist (s.o.), dient der Darrversuch als Referenzverfahren für die meisten Werkstoffe, weil diese Methode der theoretischen Definition der wahren Feuchte möglichst nahe kommt. Tatsächlich unterliegt auch diese Art der Feuchtebestimmung einer Reihe von Prüfeinflüssen, so dass der Begriff Feuchte recht unscharf erscheint. In der Praxis wird dies hingenommen, weil es als Referenzverfahren keine geeignetere Alternative gibt und weil es vorrangig darauf ankommt, mit angemessenem Aufwand einheitlich zu messen [16-5]. Für die routinemäßige praktische Durchführung der Feuchtebestimmung kommt die Darrmethode wegen des großen Zeitaufwandes und der erforderlichen Laborausrüstung nicht in Betracht. Hierfür werden in-situ-Prüfverfahren bevorzugt. 16.3.2.2 Messprinzip, Geräte und Zubehör Die Probenentnahme erfolgt mittels Hammer und Meißel oder mit elektrisch bzw. pneumatisch betriebenen Meißelgeräten. Die Genauigkeit der Waage richtet sich nach dem Probengewicht oder umgekehrt – die Probemenge ist in Abhängigkeit von der zur Verfügung stehenden Waage zu wählen. Es müssen Masseänderungen von 1‰ des Probengewichtes angezeigt werden. Das heißt, bei einer Prüfgutmenge von ≥100 g muss die Ablesegenauigkeit 0,1 g betragen. Für das Trocknen bis zur Gewichtskonstanz sind Trockenschränke mit Thermostatregelung gebräuchlich, bei denen sich eine Temperatur von 105°C einstellen lässt. Zum Wiegen muss die Probe aus dem Schrank geholt werden. Alternativ ist auch eine Trocknung mit Infrarot-Feuchtewaage [16-22] möglich. Die Infrarotstrahler sind auf einen Temperaturbereich von etwa 105°C einzustellen. Von einer Trocknung mit Elektroplatte und Gasbrenner wird wegen unkontrollierbarer Probentemperaturen und möglicher substantieller Gefügeänderungen abgeraten. 16.3.2.3 Durchführung Bei der Durchführung dieses Versuchs müssen die mit Hammer und Meißel bzw. mit Meißelgeräten aus dem oberflächennahen Bereich entnommenen

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16 Feuchte

Betonbruchstücke im Labor untersucht werden. Die Probemenge sollte der Inhomogenität des Betons Rechnung tragen und genügend groß sein. Auch aus diesem Grunde dürfte die Untergrenze bei 100 g liegen [16-24]. Ein weiterer Grund ist die Genauigkeit der Waage, die Masseänderungen von 1‰ erfassen soll (s.o.). Es soll kein Bohrmehl entnommen werden, weil durch Reibungswärme und wegen der großen spezifischen Oberfläche des Bohrmehls Feuchte verloren gehen kann. Eine Probenentnahme mittels wassergekühlter Kernbohrmaschine kommt ebenfalls nicht in Betracht. Der Vorschlag, Bohrkerne mit 100 mm Durchmesser nass herauszubohren und anschließend ca. 15 bis 30 Minuten „ablüften“ zu lassen [16-14], wird kaum zu reproduzierbaren Ergebnissen führen, weil das Saugverhalten des Betons sehr stark von der Betongüte (Porosität) und dem vorhandenen Feuchtezustand abhängt. Die Proben müssen aus dem Randzonenbereich gewonnen werden, der für die Beurteilung der Beschichtungsfähigkeit des Untergrundes relevant ist. Nach [16-11] bis [16-14] sind dies die obersten 2 cm. Es wird aber gleichzeitig in [16-14] darauf hingewiesen, dass nach dem Auftragen einer Beschichtung sich die Feuchteunterschiede zwischen Kern- und Randzone egalisieren können und dann unter der Beschichtung höhere Feuchten herrschen können als zum Zeitpunkt des Auftragens. Bis zur ersten Wägung sind die Proben in geeigneten Behältern oder genügend dicken Kunststofffolien vor Feuchteaufnahme oder Feuchteverlust zu schützen, denn die Behandlung der Probe bis zur Prüfung beeinflusst in erheblichem Maße die Genauigkeit des Ergebnisses [16-24]. Große Proben sind unempfindlicher gegen Feuchteverluste während der Entnahme und beim Transport. Sie trocknen allerdings beim gewollten Darren langsamer aus. Trocknen im Wärmeschrank Das Trocknen erfolgt normalerweise im Trocken- oder Wärmeschrank, der zur Standardausrüstung eines jeden Baustofflabors gehören sollte. Durch Erhitzen auf 105°C wird das Prüfgut so lange getrocknet, bis die Masse innerhalb von 24 Stunden um nicht mehr als 1‰ abnimmt [16-21]. Aus dem Masseunterschied vor und nach dem Trocknen ergibt sich der Feuchtegehalt u in % bezogen auf die Masse des getrockneten Betons gemäß Abschnitt 16.1. Trocknung mit Infrarot-Feuchtewaage Durch Erhitzen der Betonprobe (z.B: rd. 100 g) mit Infrarotstrahlern wird auch das im Innern der Betonbruchstücke befindliche Wasser verdampft. Die Infrarotstrahler sind auf einen Temperaturbereich von etwa 105°C einzustellen. Wenn Gewichtskonstanz erreicht ist, kann der Feuchtegehalt bezogen auf die Trockenmasse direkt an der Skala abgelesen werden [16-22]. Trocknung mit Elektroplatte und Gasbrenner Diese Art der Trocknung erfolgt in Anlehnung an die Wassergehaltsbestimmung im Frischbeton, wofür eine scharfe Trocknung erforderlich ist. Beim

16.3 Beschreibung und Bewertung der Prüfverfahren

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Festbeton soll dadurch die Versuchsdauer reduziert werden. Außerdem kann die Feuchtebestimmung auf der Baustelle durchgeführt werden. 16.3.2.4 Bewertung Die Feuchtebestimmung mit der Darrmethode liefert einen mittleren Feuchtegehalt der Probe. Über die Feuchteverteilung innerhalb der Probe können nur dann Aussagen getroffen werden, wenn sich die Probe in geeigneter Weise unterteilen lässt. Weil im Prinzip mit gravimetrischen Verfahren die höchste Genauigkeit und Reproduzierbarkeit erreicht werden kann, eignet sich der Darrversuch besonders als Referenz für die Kalibrierung von Baustellenprüfmethoden [16-7]. Für den vorliegenden Zweck hat die gravimetrische Feuchtebestimmung jedoch mehrere Nachteile: ◆ Die Probenentnahme erfolgt zerstörend. ◆ Es sind nur stichprobenartige örtliche Messungen realisierbar. ◆ Bei einem Feuchtegradienten zwischen der Kern- und Randzone des Betons wird das Ergebnis von der Entnahmeschichtdicke beeinflusst. ◆ Die Prüfung kann normalerweise nicht direkt vor Ort durchgeführt werden. ◆ Etwaige Feuchteverluste während des Transports und der Zwischenlagerung verfälschen das Ergebnis. ◆ Wegen der großen Versuchsdauer können kurzfristige Feuchteänderungen, z.B. durch Untergrundbearbeitung, Niederschläge oder Wind und Sonneneinstrahlung, z.B. unmittelbar vor dem Auftragen einer Beschichtung, nicht erfasst werden. ◆ Wegen der Trocknung bei 105°C verdampft auch ein Teil des Gelporenwassers. Trocknung im Trockenschrank Das Trocknen im Trockenschrank ist ein umständliches und aufwändiges Verfahren, da die Prüfung nur im Labor erfolgen kann. Während des Probentransports können Feuchteverluste auftreten. Die Dauer bis zum Erreichen der Gewichtskonstanz beträgt im Allgemeinen mehr als 48 Stunden. Trocknung mit Infrarot-Feuchtewaage Dieses für die Bestimmung der Zuschlagfeuchte konzipierte Gerät ist etwas kompakter als übliche Trockenschränke und käme deshalb evtl. für mobile Labore (Laborwagen) in Betracht. Da die Probe ständig auf der Waage liegt, braucht der Trocknungsprozess nicht unterbrochen werden. Nicht bekannt ist, ob sich die Trocknungsdauer bis zum Erreichen der Gewichtskonstanz gegenüber dem Trockenschrank nennenswert reduziert [16-22]. Trocknung mit Elektroplatte und Gasbrenner Wegen der Gefahr der Überhitzung ist diese Trocknungsmethode für die Feuchtebestimmung an Festbeton gänzlich ungeeignet. Denn bei Temperaturen ober-

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16 Feuchte

halb von 180°C findet Gelabbau statt (1. Stufe der Dehydratation), wobei weiteres physikalisch gebundenes Wasser verdampft. Die auf diese Weise gemessene Feuchte wird demnach noch größer sein als nach dem Trocknen bei 105°C.

16.3.3 Calciumcarbid-Methode (Prüfung mit dem CM-Gerät) 16.3.3.1 Allgemeines Die Calciumcarbid-Methode ist zwar nicht genormt, doch hat sie sich für die Bestimmung der Oberflächenfeuchte von Zuschlägen schon jahrzehntelang bewährt und kann dafür quasi als Standardprüfverfahren angesehen werden. Seit der Aufnahme in die Richtlinien [16-11], [16-25] gehört sie auch zum Standard für die Bestimmung der Betonfeuchte. Tatsächlich ist diese Methode das gebräuchlichste Prüfverfahren auf der Baustelle [16-20]. Auch wenn hierfür eine gewisse Übung und Erfahrung erforderlich ist, stellt es hinsichtlich Genauigkeit und Einsetzbarkeit auf der Baustelle den besten Kompromiss zwischen den nachstehend beschriebenen indirekten Messverfahren und der Darrmethode dar. 16.3.3.2 Messprinzip, Geräte und Zubehör Die in den zerkleinerten Betonbruchstücken enthaltene Feuchte reagiert chemisch mit Calciumcarbid unter Bildung von Acetylengas. Der dabei in einer geschlossenen Stahlflasche entstehende Gasdruck ist abhängig vom Feuchtegehalt des Betons und wird an einem Manometer abgelesen (siehe Bilder 16.4 und 16.5). Aus den Tabellen in [16-11], [16-25] kann der zugehörige Feuchtegehalt in M.-% entnommen werden. Die Prüfung erfordert folgende Ausrüstung: ◆ CM-Druckflasche mit Manometer (siehe Bilder 16.4 und 16.5) ◆ elektronische Waage (Wägegenauigkeit: 0,1 g) Analysensieb mit 2 mm Maschenweite (gemäß DIN 4188/lSO 565) ◆ Mörserschale (mit Manschette gegen Wegspringen des Prüfgutes) Stahlkugeln, Calciumcarbid-Ampullen, Stoppuhr ◆ Hammer und Meißel. 16.3.3.3 Durchführung Mit Hammer und Meißel werden Bruchstücke (10 bis 50 g) aus dem zu untersuchenden Beschichtungsuntergrund bis zu einer Tiefe von 2 cm gelöst. Diese werden umgehend nach der Entnahme in einer Mörserschale zerkleinert, auf einem Maschensieb 2,0 mm abgesiebt und gewogen. Die Einwaage (siehe Tabelle 16.4) wird zusammen mit Stahlkugeln sowie mit einer Glasampulle, die 5 g Calciumcarbid enthält, in eine Druckflasche gegeben. Danach

16.3 Beschreibung und Bewertung der Prüfverfahren

Bild 16.4: CM-Gerät

Bild 16.5: Feuchtebestimmung mit der Calcium-Carbid-Methode (nach [16-26])

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16 Feuchte

Tab. 16.4: Calciumcarbid-Methode, erforderliche Einwaagen [16-11] geschätzter Feuchtegehalt

1,0% bis 2,5% 3,0% bis 5,0% 5,5% bis 7,0% über 7%

erforderliche Einwaage Größtkorn bis 4 mm

Größtkorn bis 16 mm

50 g 20 g 20 g 10 g

50 g 20 g 10 g 10 g

wird die Stahlflasche mit einem Deckel mit Manometeraufsatz verschlossen. Durch mehrmaliges Schütteln zerstören die Stahlkugeln die Glasampulle und das Prüfgut wird mit dem Calciumcarbid vermischt. Der entstehende Gasdruck ist abhängig vom Feuchtegehalt der Probe und wird am Manometer abgelesen. Die Manometerablesungen können nach [16-11], [16-25] abhängig vom Größtkorn Feuchtegehalten zugeordnet werden. 16.3.3.4 Bewertung Das Verfahren ist baustellengeeignet und zeichnet sich durch eine akzeptabel geringe Versuchsdauer (ca. 25 Minuten) aus. Es können allerdings Messungenauigkeiten durch Temperaturunterschiede zwischen Druckflasche und Umgebung entstehen. Außerdem verringert sich die Genauigkeit bei Undichtigkeiten (z.B. beschädigte Dichtung, Materialreste unter der Gummidichtung, beschädigte Calciumcabid-Ampulle). Zudem besteht eine Abhängigkeit von der Probemenge und von der Zusammensetzung (Anteil an Zementstein bzw. Zuschlagkörnern). Das Verfahren ist wie die Darrmethode nicht zerstörungsfrei und normalerweise nur für punktuelle (nicht flächige Messungen) geeignet. Es liegen nur wenig Angaben zur Genauigkeit vor. Bezweifelt wird, ob auch die Kernfeuchte der größeren Partikel innerhalb der relativ kurzen Versuchsdauer (bis 25 min) mit dem Calciumcarbid reagieren kann. Unbekannt ist, welche Feuchteverluste beim Zerkleinern des Betons auftreten. Möglicherweise waren die guten Erfahrungen bei der Bestimmung der Zuschlagfeuchte ausschlaggebend für die Aufnahme dieses Verfahrens in die Richtlinien [16-11], [16-25]. Die Prüfergebnisse des Darrversuchs stimmen wegen der bei 105°C verdampfbaren Anteile des Gelporenwassers nicht mit denen der CM-Methode überein. Die mit der CM-Methode gemessenen Werte sind in der Regel geringer. In [16-14] werden Umrechnungsfaktoren von 1,5 bzw. 2 genannt. Hinzu kommt, dass durch das Zerkleinern des Prüfgutes bei der CM-Methode mehr Wasser ungewollt verdunsten kann als bei den unzerkleinerten Proben des Darrversuchs. Eine weitere wichtige Voraussetzung für den Zusammenhang zwischen Darr- und CM-Methode ist die Entnahme aus den gleichen Tiefenla-

16.3 Beschreibung und Bewertung der Prüfverfahren

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Bild 16.6: Korrelation zuwischen den mittels CM-Gerät (uCM) und Darrversuch (uDarr) gemessenen Feuchten (Messwerte aus [16-28])

gen unter der Betonoberfläche. Die Ergebnisse von Vergleichsmessungen zwischen der Calcium-Carbid-Methode und dem Darrversuch [16-28] ergaben eine signifikante lineare Korrelation. Das Bestimmtheitsmaß betrug 67%. Bei Annahme eines logarithmischen Zusammenhanges betrug das Bestimmtheitsmaß sogar 73% (siehe Bild 16.6). Die grafische Darstellung verdeutlicht, dass die oben genannten Umrechnungsfaktoren nicht den tatsächlichen Verhältnissen entsprechen. Da der wesentliche Unterschied auf dem Anteil des im Darrversuch verdampften Gelporenwassers beruht, handelt es sich um einen annähernd konstanten Differenzbetrag, der bei niedrigen Feuchten zu einer wesentlich größeren prozentualen Abweichung zwischen den Messwerten führt als bei höheren Feuchten.

16.3.4 Feuchteausgleichsverfahren (Hygrometrische Verfahren) 16.3.4.1 Allgemeines Feuchteausgleichsverfahren unterscheiden sich vor allem dadurch von den anderen Prüfmethoden, dass sie die Feuchte nicht direkt an dem zu untersuchenden Baustoff messen, sondern indirekt über die Luft oder Stoffe, die mit dem betreffenden Baustoff in Kontakt stehen. Dabei findet solange Feuchteaustausch statt, bis das berührende Medium mit dem Baustoff ein Feuchtegleichgewicht erreicht hat. An den Kontaktpartnern kann auf relativ einfache

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16 Feuchte

Weise die erreichte Feuchte bestimmt werden. Für den Zusammenhang zwischen der Feuchte des Mediums und der Baustofffeuchte bestehen physikalische Gesetzmäßigkeiten. Voraussetzung ist, dass sich der Feuchteaustausch nur in einem begrenzten Bereich vollzieht und kein Austausch mit der weiteren Umgebung stattfindet. 16.3.4.2 Messprinzip, Geräte und Zubehör Bei dem Feuchteausgleichsverfahren mit Luft nutzt man die Tatsache, dass die Feuchte der Baustoffoberflächen mit der Feuchte der angrenzenden Umgebungsluft nach einer gewissen Zeit ein Gleichgewicht erreicht. Der Feuchteaustausch findet in einem Luftspalt, das heißt in einem begrenzten abgedichteten Oberflächenbereich oder in einem entsprechend abgedichteten Bohrloch statt. Bei einer anderen Variante des Verfahrens gibt die Luft ihre Feuchte, in ähnlicher Weise wie sie sie aufgenommen hat, an einen dritten Partner (in der Regel Holz) weiter, dessen Feuchte messtechnisch unproblematisch und zuverlässig zu bestimmen ist. Für die Feuchtemessung der Luft wird ein Luftfeuchtemessgerät kombiniert mit einem Thermometer (ThermoHygrometer) benötigt, das entweder selbst in den Luftspalt passt oder dessen Sensor in den Luftspalt bzw. in das abgedichtete Bohrloch eingebracht werden kann. Für die Feuchtemessung an Holz eignen sich elektrische Widerstandsmessgeräte (vgl. Abschnitt 16.3.5). Als Hilfsmittel für den Versuch werden luftundurchlässige Folien und Klebstreifen benötigt. Dazu ist ein begrenztes Luftvolumen (Luftspalt, Lufttasche) zu schaffen, das ausschließlich einem Feuchteaustausch mit der Baustoffoberfläche unterliegt und keinen Kontakt mit der übrigen Umgebungsluft hat. In dem so erzeugten abgeschlossenen Luftspalt muss sich auch das Luftfeuchtemessgerät (Hygrometer) bzw. dessen Sensor befinden, der über ein nach außen geführtes Kabel mit dem Messgerät in Verbindung steht. 16.3.4.3 Durchführung Zur Vorbereitung des Versuchs wird mittels Folie ein schmaler Luftraum geschaffen und gegenüber der übrigen Umgebungsluft abgedichtet. Um dies zu erreichen, wird der interessierende Bereich des Bauteils mit einem Stück luftundurchlässiger Folie abgedeckt, das Messgerät bzw. der Sensor in den abgeschlossenen Luftspalt integriert und seitlich mit Klebstreifen sorgfältig abgedichtet. An den nach außen geführten Kabelverbindungen ist ebenfalls eine sorgfältige Abdichtung vorzunehmen. Die Luft unter der Folie passt sich der Feuchte der Baustoffoberfläche an. Aus der Luftfeuchte in dem abgeschlossenen Luftspalt kann über bekannte physikalische Zusammenhänge (siehe Bilder 16.1 und 16.2) auf die Feuchte der Betonoberfläche geschlossen werden. Alternativ zur Oberflächenmessung kann der Feuchtesensor auch in ein Bohrloch eingebracht werden, das in entsprechend abgedichtet werden muss.

16.3 Beschreibung und Bewertung der Prüfverfahren

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Bei einer weiteren Verfahrensvariante wird anstelle des Sensors ein Holzstück in das Bohrloch gesteckt, das über die Luft im Bohrloch soviel Feuchte aufnimmt, bis es die Ausgleichsfeuchte zur Luft erreicht hat. Die Holzfeuchte lässt sich verhältnismäßig genau und zuverlässig mit einem elektrischen Widerstandsmessgerät bestimmen. 16.3.4.4 Bewertung Das Verfahren ist sehr einfach anzuwenden und abgesehen von den „Bohrlochvarianten“ zerstörungsfrei. Trotzdem eignet es sich nur für lokale Messungen, weil das Erreichen der Ausgleichsfeuchte bei relativ dichten Baustoffen wie Beton etwa einen halben Tag dauert [16-24]. Es brauchen oftmals keine neuen Geräte angeschafft zu werden, weil ein Luftfeuchtemessgerät zur Standardausrüstung der mit den Messungen betrauten Unternehmen gehört. Die Frage ist jedoch, ob die vorhandene Geräte sich bauartbedingt für den speziellen Zweck eignen, d. h. ob sie klein genug sind oder mit einem separaten Sensor ausgestattet sind und ob sie eine akzeptable Messgenauigkeit aufweisen. Genauigkeiten von unter ± 2 rel. F.% sind selten und werden nur bei kostspieligen Geräten erreicht. Die Brauchbarkeit der Resultate hängt außerdem entscheidend vom Erfolg der Abdichtungsmaßnahmen ab. Wie aus Bild 3.7 (Kapitel 3) hervorgeht, wird die Ausgleichsfeuchte zwischen Luft und Beton auch von der Betonfestigkeitsklasse, d. h. von der Betonzusammensetzung und von den Erhärtungsbedingungen beeinflusst. Die Verwendung eines pauschalen Zusammenhanges (Bild 16.2), der dieses nicht berücksichtigt, ist entsprechend ungenau. Bei überhygroskopischen Feuchtegehalten, d.h. bei freiem Wasser in den Poren, wird die Luft stets gesättigt sein. Ähnliches gilt, wenn sich durch Abkühlung der Außenluft unter der Folie Kondenswasser bildet. Eine Differenzierung ist dann nicht möglich. Daher ist das Verfahren nur im hygroskopischen Feuchtebereich des Betons anwendbar [16-27].

16.3.5 Elektrische Widerstandsmessverfahren 16.3.5.1 Allgemeines Gute Erfahrungen z.B. bei der Holzfeuchtebestimmung legen es nahe, das elektrische Widerstandsmessverfahren auch für andere Baustoffe zu verwenden. Reizvoll ist insbesondere die einfache Handhabung und der ausgesprochen günstige Preis. 16.3.5.2 Messprinzip, Geräte, Zubehör Die Methode gehört zu den indirekten zerstörungsfreien bzw. zerstörungsarmen Feuchtemessverfahren. Dabei wird die Leitfähigkeit bzw. der elektrische

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Bild 16.7: Elektrische Leitfähigkeitsmessung an einer Betonprobe

Widerstand des Betons zwischen zwei Elektroden gemessen (Bilder 16.7 und 16.8). Die Hersteller bieten je nach Einsatzzweck und Art des Baustoffes unterschiedliche Sonden an, die auf die Oberfläche aufgesetzt, eingestochen oder in Bohrlöcher eingebracht werden können. Für weiche Baustoffe wie Holz oder Gips kommen auch Einschlag- oder Rammelektroden in Betracht. Für Messungen an harten Baustoffen wie Beton werden die Elektroden bzw. Sonden meist in Bohrlöcher eingebracht oder in Form von Messkappen auf die Oberfläche aufgesetzt. Die Messeinrichtung besteht aus einem Widerstandsmessgerät (Ohmmeter mit spezieller Kalibrierung) das mit den Elektroden meist über Kabel verbunden ist. Bei manchen Gerätetypen befinden sich die Sonden direkt am Gerät. Die Anzeige erfolgt analog über ein Zeigerinstrument oder digital über ein LCD-Display bzw. über Leuchtdiodenreihen. Komfortable Geräte verfügen über Kalibriermöglichkeiten für verschiedene Baustoffe. Für die Herstellung einer leitfähigen Verbindung zwischen Elektroden und Beton wird ein spezielles Kontaktmedium (Knetmasse, Kontaktgel oder -paste) benötigt, das in die vorbereiteten Bohrlöcher gestopft werden kann. Chemisch oder physikalisch gebundenes Wasser wird nicht erfasst. Erst das Vorhandensein von freiem Wasser ermöglicht Ionenwanderung und damit Stromfluss zwischen den Elektroden. Mit zunehmendem Gehalt an Porenwasser und darin gelösten Ionen erhöht sich die elektrolytische Leitfähigkeit [16-29]. 16.3.5.3 Anwendung Ein besonders guter Kontakt zwischen Elektroden und Beton ist zu erwarten, wenn die Elektroden oder Sonden bereits bei der Betonherstellung einbeto-

16.3 Beschreibung und Bewertung der Prüfverfahren