FD-Beton zur Herstellung von WHG-Dichtflächen

Dipl.-Ing. Ahmed Salah Dipl.-Ing. Ahmed Salah Gerhart-Hauptmann-Str. 7 D-55469 Simmern Tel.: +49 (0)6761 / 918185 Fax :+49 (0) 6761 / 918186 Mobil :+49 (0)171 6212592 salah@whg-dichtbeton.de

1. Einführung Nach dem Wasserhaushaltsgesetz ( WHG § 19 g )darf, sinngemäß formuliert, keine grundwasserverunreinigende Substanz in das Erdreich gelangen. Die Dichtheit von Bauwerken , die unter dem Aspekt des Gewässerschutzes stehen, wie z.B. Auffangwannen, Abfüllflächen, Lagerhallen usw. wurde jahrelang nur durch Oberflächenschutzmaßnahme gewährleistet Erfahrungen zeigen, dass bei solchen Bauwerken leider nicht immer sachgemäß mit dem Boden verfahren wird. So können herabfallende Gegenstände oder über dem Boden geschleifte Behälter usw. zur Oberflächenbeschädigungen führen und somit zur Beeinträchtigung der geforderten Dichtheit. Vor diesem Hintergrund und mit der Zielvorstellung , Beton nach den Sicherheitsanforderungen für den Gewässerschutzbereich , ohne zusätzliche Oberflächenbeschichtung herzustellen , wurden zahlreichen Untersuchungen durchgeführt um Beton mit besonders dichtem Gefüge zu entwickeln. Dabei lag die Hauptschwierigkeit darin , dass der Beton eine poröse Struktur aufweist, die das Eindringen von Flüssigkeiten ermöglicht. Dabei ist auch zu beachten, dass sich das Eindringverhalten chemischer Medien in Beton grundsätzlich von dem des Wassers erheblich unterscheidet. Eine optimale Möglichkeit, stellt das Beimischen von speziellen Kunststoffen , wie Mowilith LDM 6880 dar , welche

bei optimierten Mischungsverhältnissen Verbesserungen im Beton hervorrufen :

• Verbesserung der Verarbeitbarkeit des Frischbetons • Reduzierung des Wasser-Zement-Wertes, • Verringerung des Blutens, • Erhöhung der Betondichtigkeit • Erhöhung der Chemikalienbeständigkeit • Steigerung der Biegezugfestigkeit, • Verringerung des Schwindens • Verbesserung der Elastizität sowie der Abriebfestigkeit

Somit kann ein flüssigkeitsdichter Beton hergestellt werden , wobei die Dichtfunktion des Bauwerks nicht nur an der Oberfläche sondern durchgehend über der gesamten Betonschicht gewährleistet ist. Desweiteren führt die Zugabe von Mowilith LDM 6880 nachweislich zu Konstruktionsvorteile insbesondere bei der statischen Bemessungen zur Durchführung der nach der DAfStb-Richtlinie geforderten Dichtheitsnachweise der baulichen Anlagen. 2. Gesetzliche Anforderung Für Anlagen zum Umgang mit wassergef. Stoffen sind bundesweit die Bestimmungen des Wasserhaushaltsgesetzes (WHG) gültig. Deshalb sind solche Anlagen so zu planen und auszuführen , dass der nach dem WHG § 19 g geforderte „ Besorgnisgrundsatz“ erfüllt wird :

1. Anlagen zum Lagern , Abfüllen , Herstellen und Behandeln wassergefährdender Stoffe .... müssen so beschaffen sein und so eingebaut, aufgestellt , unterhalten und betrieben werden , dass eine Verunreinigung der Gewässer nicht zu besorgen ist

2. Anlagen zum Umschlagen wassergefährdender Stoffe und Anlagen zum Lagern und Abfüllen von Jauche, Gülle und Silagesickersäften müssen so beschaffen sein und so eingebaut, aufgestellt , unterhalten und betrieben werden , dass der bestmögliche Schutz der Gewässer vor Verunreinigung oder sonstiger nachteiliger Veränderung ihrer Eigenschaften erreicht ist

3. Anlagen im Sinne von 1 & 2 müssen mind. Entsprechend den allgemein anerkannten Regeln der Technik beschaffen sein sowie eingebaut , aufgestellt , unterhalten und betrieben werden.

4. Wassergefährdende Stoffe im Sinne des WHG sind feste , flüssige und gasförmige Stoffe. Das WHG enthält keine Detailanforderungen, stellt jedoch richtungweisende Grundlage für die im jeweiligen Bundesland eingeführte Ausführungsverordnung ( VAwS ) dar . In den von den jeweiligen Bundesländern bauaufsichtlich eingeführten VAwS wird auf die Verbindlichkeit der bundesweit eingeführten DAfStb-Richtlinie „ Betonbau beim Umgang mit wassergefährdenden Stoffen „ hingewiesen Die in der „ Richtlinie enthaltenen Regeln stellen den Stand der Technik dar und sind von Planenden und Ausführenden zu berücksichtigen und einzuhalten.

Grundsätzlich hat jede Fläche aus flüssigkeitsdichtem FD-Beton gemäß der DAfStb-Richtlinie unabhängig von der WGK ( Wassergefähr.-klasse ) nachweislich dicht und beständig zu sein Für die Bewertung des Gefahrenpotentials einer Fläche werden dennoch verschiedene Bereiche unterteilt und je nach Objektart, Neubau oder Bestand, entsprechend beurteilt Aufgrund der Tatsache , dass Beton nicht vollkommen dicht sein kann , sind die Dichtheitsanforderungen entsprechend formuliert . Ein Betonbauteil wird im Sinne der DAfStb-Richtlinie als dicht anerkannt , wenn die in den Beton eingedrungene Flüssigkeit mit einem Sicherheitsabstand die der Beaufschlagung

gegenüberliegende Seite in einem vorgegebenen Einwirkungszeitraum von z.B. 72 h nicht erreicht. Über die üblichen Nachweise zur Tragfähigkeit und Gebrauchstauglichkeit nach DIN 1045 hinaus sind gemäß der DAfStb-Richtlinie Nachweise zur Sicherstellung der Dichtheit zu führen. 3. Flüssigkeitsdichter-Beton ( FD-Beton ) Die Verwendbarkeit des unbeschichteten Betons als Abdichtungsmittel in LAU-Anlagen ergibt sich aus der Übereinstimmung mit den bekannt gemachten tech. Regeln ( DIBT Heft 9 ), denn der Beton ist in der Bauregelliste A Teil 1 unter Nr. 15.32 aufgeführt. Für nicht geregelte Bauprodukte, wie für Mowilith LDM 6880, ergibt sich die Verwendbarkeit aus der Übereinstimmung mit der allgemeinen Bauaufsichtlichen Zulassung. Im Teil 1 der DAfStb-Richtlinie ist der FD-Beton wie folgt beschrieben :

• FD-Beton ( flüssigkeitsdichter Beton ) ist Beton nach DIN EN 206-1 und DIN 1045-2 mit begrenzter Eindringtiefe von wassergefährdenden Stoffen. Ergänzend dazu ist gemäß Teil 2 Abs. 3.1.1. Absatz 6 die Verwendung von einer nach DIN EN 206-1 und DIN 1045-2 zugelassenen Polymerdispersion , wie Mowilith LDM 6880 , erlaubt. Demnach ist der mit Mowilith LDM 6880 modifizierte Beton ein FD-Beton.

• FDE-Beton ( flüssigkeitsdichter Beton nach Eindringprüfung ) ist Beton nach DIN EN 206-1 und DIN 1045-2 . Im Unterschied zu FD-Beton wird das Eindringverhalten wassergefährdender Stoffe stets in Eindringprüfungen als zusätzliche Anforderungen nachgewiesen

Dazu heißt im Teil 2 unter Abschnitt 3.1.1 : - FD-Beton muss einen Wasserzementwert w/z ≤ 0,50 - Der Beton muss der Festigkeitsklasse ≥ C 30/37 entsprechen. - Der Zementleimgehalt ( Wasser + Zement ) ≤ 290 l - Der Beton sollte beim Einbauen die Konsistenz F3 aufweisen. - Bei starker Säurenbeanspr. ist unlösliche Gesteinskörnung zu verwenden - Das Größtkorn beträgt 16 mm ≤ D max ≥ 32 mm. - Die Sieblinie sollte im Bereich A/B nach DIN 1045-2 liegen. FD-Beton : Rezeptur- Beispiel

Betonfestigkeit C 30/37 Wasser 139 l Flugasche 30 kg Zement ca. 330 kg Mowilith LDM 6880 30 kg w/z-Wert 0,45 Sieblinie A/B Fließmittel 1-2 %

4. Mowilith® LDM 6880 Polymer-Baustoffdispersion Mowilith LDM 6880 wird seit Anfang der 90-er Jahre als ein nach DIN 1045 zugelassener Betonzusatzstoff im Beton eingesetzt. Bei dieser Dispersion handelt es sich um ein System von fein verteilten Kunststoffpartikeln in Wasser. Als Polymer kommt ein Styrol-Acrylat zum Einsatz. Durch die günstige Filmbilde -Temperatur wird Mowilith LDM 6880 als harte Baustoffdispersion bezeichnet und hat somit zum Beispiel keine nachteiligen Einflüsse auf die Druckfestigkeit des Betons. Die Partikelgröße der Polymere beträgt etwa 0,1 bis 0,2 µm. Im Vergleich: Zement ca. 10 µm Die während der Einmischung fein verteilten Polymere lagern sich auch in die beim Abbbindeprozess entstehenden Gel- und Kapillarporen ein und erhöhen allein schon dadurch die Dichtigkeit des Feststoffgerüstes. Bei Wasserentzug infolge Zementhydration und Austrocknung verfilmen die Kunststoffpartikel partiell im ausgefüllten Porenraum. ( Zement härtet unter Wasseraufnahme die Dispersion unter Wasserabgabe ). Sind in ausreichender Menge Polymerpartikel vorhanden findet eine gegenseitige Berührung der Polymerteilchen statt, die zur Verschmelzung und zur Bildung eines zusammenhängenden Polymerfilms führen können Des weiteren verbessert sich der Verbund zwischen Zementstein und Zuschlagskörnern. Dies geschieht zum einen durch Auffüllung der im Beton vorhandenen und Hohlräume und zum anderen durch einen adhäsiven Anschluss von Polymerbrücken an der Oberfläche der Zuschläge Auf dieser Weise kann eine zweite Matrix entstehen, die zur Erhöhung der Dichtigkeit des Betongefüges maßgeblich beiträgt , die Widerstandsfähigkeit gegen betonkorrosive Stoffe erhöht und an der Lastabtragung beteiligt ist. Beim Einwirken von chemischen Medien quellen die Polymerteilchen auf und verringern somit nochmals das Porenvolumen, teilweise je nach Medium bis zum partiellen Verschluss. Dies macht sich beim Eindringverhalten im Beton , wie in der nachstehenden Tabelle eindrucksvoll bemerkbar :

Stoffgruppe Prüfmedium Eindringtiefe 144 h Nullbeton Mowilith FD

Aliph. Kohlenwasserstoffe n-Heptan 30 mm 5 mm Arom. Kohlenwasserstoffe Benzol 32 mm 2 mm halog. aliph. Kohlenwasserstoffe Methylenchlorid ° 52 mm 6 mm halog. arom. Kohlenwasserstoffe Chlorbenzol 35 mm 6 mm

Der Eindringwiderstand des Mowilith FD-Betons ist nicht nur für die hohe Sicherheit und Dauerhaftigkeit der chem. Anlage von entscheidender Bedeutung sondern auch ein Grant für eine wirtschaftliche und erfolgreiche Konstruktionsbemessung . So führt eine niedrige Eindringtiefe im Beton zur Reduzierung der nach der DAfStb-Richtlinie geforderten Druckzone beim entsprechenden Dichtheitsnachweis und somit zur Reduzierung der Bauteildicke. Auch bei dem Vorgenommenen Dichtheitsnachweis gemäß der DAfStb-Richtlinie Teil 1 Tabelle 1-6 führt eine niedrige Eindringtiefe zur Reduzierung der erforderlichen Bewehrung und zur Reduzierung der Bauteildicke.

9,4

3,8

0123456789

10

Schä

digu

ngst

iefe

( m

m )

NormalbetonMowilithbeton

Weiterhin führt eine niedrige Eindringtiefe zur Vermeidung von mögl. Umläufigkeit der Gefahrstoffe im Fugenbereich.

Rem-Aufnahme Mowilith Beton Rem-Aufnahme Nullbeton An Hand von Rasterelektronenmikroskop –Aufnahmen, welche von Herrn Dr. Cordes (Wittekind Zement / Erwitte ) durchgeführt wurden , konnten die Gefügestrukturen von Modifiziertem und Nullbeton untersucht werden Die in der Festigkeitsklasse ( B 45 ) hergestellten Betonproben wurden zuerst für einen Zeitraum von 70 Tagen u.a. in Schwefelsäure ( ph 1 ) eingelagert. Die danach erfolgten REM-Aufnahmen zeigen sehr deutlich die unterschiedliche Gefügeausbildung zwischen dem Nullbeton und dem modifizierten Beton . Die angeätzten Bruchflächen zeigen im Fall des Nullbetons eine offenporige Zementsteinmatrix und freiliegende Zuschlagkörner. Andererseits bleibt beim kunststoffmodifizierten Beton das Polymergerüst auch nach der Säurebelastung erhalten. Mikroskopisch betrachtet entwickelt die Polymerdispersion im Zementstein eine eigenständige Stützmatrix durch die Filmbildung der Makromoleküle. Dabei werden die Zementbestandteile umhüllt und somit der Korrosionsfortschritt deutlich vermindert. Gleichzeitig bewirken die Makromoleküle in der Bindemittelmatrix bei Flüssigkeitszutritt durch ihre quellenden Eigenschaften, wie bereits oben erläutert einen Selbstabdichtungseffekt des Betons und somit dem Baustoff einen erhöhten Widerstand gegenüber von wassergefährdenden Stoffen ermöglicht. An der Technischen Universität Hamburg- Harburg, Bereich Bauphysik und Werkstoffe im Bauwesen wurden Untersuchungen an mit ®Mowilith LDM 6880 modifiziertem Beton zur Widerstandsfähigkeit gegen den Angriff von Schwefelsäure mit pH- Wert 2,0 über eine Einwirkungsdauer von 400 Tagen durchgeführt. Die Aggressive Lösung wurde wöchentlich durch Neue ausgetauscht. Um einen permanenten Stoffaustausch sicherzustellen wurde die Lösung ständig bewegt. Die Untersuchungen erfolgten in Anlehnung an die “Richtlinie für die Prüfung von Mörteln für den Einsatz im Sielbau”. Diese erhöhte Widerstandsfähigkeit gegenüber Säurebeanspruchung ist zusätzlich durch Ausbildung von schwer löslichen Korrosionsprodukten an der Betonoberfläche zu erklären. Diese Schutzschicht besteht überwiegend aus polykondensierter Kieselsäure und Fragmenten von Polymerstrukturen. Der chemische Angriff kann daher erfolgreich durch Schutzschichtbildung sowie durch die polymer gestützte Betonmatrix nachweislich deutlich verlangsamt werden

Darüber hinaus verbessert die Zugabe von dem Betonzusatzstoff Mowilith LDM 6880 die Biegezugfestigkeit des Betons.

Reihenuntersuchungen der Technischen Universität Darmstadt an Laborbetonen und Praxisbetonen von Freiflächen und Tankstellen ausgeführt mit Mowilith LDM 6880 modifizierten Betonen ergaben unter Einhaltung der 5 % Fraktile einen auch im Forschungsbericht 478-1 des DGMK veröffentlichten Wert für den Spannungsnachweis bei Betonflächen, der mit einer Größe von σzul = 3,68 N/mm² für die zulässige standardmäßige Biegezugfestigkeit definiert wurde. Dieser Wert liegt mit mehr als 60% deutlich über σzul = 2,21 N/mm² des konventionelle Betons und ermöglicht so problemlos den Dichtheits-Nachweis für den ungerissenen Beton. 5. Dichtheitsnachweis

Das Eindringen von Flüssigkeiten in Beton sowie die Geschwindigkeit des Stofftransports und damit der Zeitraum , für den eine Betonkonstruktion als dicht im Sinne des Wasserrechts angesehen werden kann, ist zum einen vom Kapillargefüge des Betons und zum anderen von der Viskosität -und Oberflächenspannung der Flüssigkeit (σ/η ) abhängig ist. Um nicht für jede einzelne Flüssigkeit bei der Vielzahl der in der Praxis vorhandenen Chemikalien Eindringuntersuchungen durchführen zu müssen, wurden die gewonnenen Erkenntnissen , wie bereits oben beschrieben, zur Erstellung einer Grenzlinie gemäß DAfStb-Richtlinie genützt , mit deren Hilfe die Eindringtiefe eines maßgeblichen Mediums in Beton anhand dessen σ/η Faktor ohne weitere Prüfungen ermittelt werden kann. Mit gezielt ausgewählten Prüfflüssigkeiten wird durch Laborversuche und einem speziellen Rechenverfahren gemäß DAfStb-Richtlinie die sog. Grenzlinie für die FD-Beton und für den Mowilith FD-Betone ermittelt. Auf der Grenzlinie kann sodann die Eindringtiefe im Normal FD-Beton und Mowilith FD-Beton ,anhand der σ/η-Wert einer Flüssigkeit , abgelesen werden (Bild 1), wobei für den normalen

FD-Beton gemäß der DAfStb- Richtlinie eine maximale Eindringtiefe in Höhe von 40 mm nach 72 h festgelegt ist. Dieser Wert kann angesetzt werden, wenn die physikalischen Werte der Medien nicht bekannt sind.

0 1.53.04.5

6.0 7.5

28 d 7

Normalbeton Quelle: Institut für Massivbau, TH-Dannstadt

28 d

Biegezugfestigkeiten

Mowilith-Beton

28 14 d

Grenzlinie für FD-und FDE-Beton

0

10

20

30

40

50

60

70

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

Eind

ringt

iefe

e 72,

m [

mm

] Grenzlinie aus der Richtlinie für Normalbeton

Die DAfStb-Richtlinie fordert auch den Dichtheitsnachweis der Konstruktion durch eine der nachstehenden 4 Methoden zu führen :

• Der Spannungsnachweis

Für diesen Fall darf das Bauteil keine Risse aufweisen. Dabei muss die maximal auftretende Spannung kleiner sein als die zulässige Spannung des Betons. Diese errechnet sich aus der rechnerischen Zugfestigkeit des Betons und einem Sicherheitsbeiwert. ( 1,25 ) . Dabei ist eine Plattendicke von mind. 20 cm einzuhalten. Nachweis: - Nachweis ausreichender Bauteildicke d ≥ γe * etk - Nachweis der zul. Betonzugspannungen σbM ≤ βBZ / γb d : Bauteildicke etk : charakteristische Eindringtiefe σbM : max. auftredende Spannungen aus Last & Zwang und Eigenspannungen βBZ : Zulässige Betonzugspannung γe : Sicherheitsbeiwert ( DAfStb-Richtlinie Teil 1 ) γb : Sicherheitsbeiwer ( DAfStb-Richtlinie Teil 1 )

Die Schwierigkeit bei dieser Nachweisart liegt darin, dass die Zugfestigkeit des Normalbetons begrenzt ist. Sie lässt dem Statiker oft keinen Spielraum diesen Nachweis zu führen. Dieses Problem zeigt sich insbesondere bei nicht überdachten Außenflächen. Dazu schreibt die Bauberatung Zement in ihrem Merkblatt „ Auffangbauwerke“ folgendes:

„Bemessungsbeispiele machen deutlich, dass der Nachweis des ungerissenen Betons bei schlaff bewehrter Konstruktion für besonnte Fläche n u r in Ausnahmefällen geführt werden kann. Der Nachweis gelingt z.B. für

Bauteile d < 20 cm mit geringen zusätzlichen Beanspruchungen, für Beton mit nachgewiesener hoher Zugfestigkeit ( z.B kunststoff-modifizierter Beton ) oder für vorgespannte Bauteile „

• Druckzonennachweis

Die zweite Nachweisart ist der sog. „ Druckzonennachweis „ Dieser wird dann geführt, wenn der o.g. Nachweis nicht gelingt und wenn sichergestellt ist, dass der Beton nur einseitig auf Zug beansprucht wird, jedoch dabei auf dieser Seite reißen kann. Mit dem verbleibenden ungerissenen Bereich kann der gleiche Nachweis geführt werden. -Die Mindestdruckzone x muss nachgewiesen werden aber auch folg. Kriterien erfüllen : Nachweis : X ≥ 30 mm ≥ 1.5 * etk ≥ 2 * Zuschlags-Größkorndurchm. Dmax -Bei wechselnder und risserzeugender Momente gilt : Xw ≥ 50 mm ≥ 1.5 * etk

≥ 2 x Zuschlags-Größkorndurchm. D max Xw = Dicke der vorgerissenen Druckzone

Dabei ist darauf zu achten , dass die maximale zulässige Rissbreite Wk = 0,10 mm betragen darf. Bei Beton mit zentrisch überdrückten Rissen ist die Eindringtiefe allerdings (siehe Grafik ) bis zum 2,5 fachen der normalen Werte für einen ungerissenen Beton anzusetzen.

etm

d

etm

x

• Der Rissbreitennachweis Diese Nachweisart ist dann zulässig, wenn nachgewiesen werden kann, dass die Bauteildicke größer ist als die charakeristische Eindringtiefe im Rissbereich innerhalb der geforderten Bemessungszeit und unter Berücksichtigung eines Sicherheitsbeiwertes von 1,5 . Der Nachweis ist gemäß Teil 2 der Rili-DAfStb, zu führen . Nachweis: wcal ≤ wcrit / γr γr = 1,5

d ≥ γe * wcal Das Bemessungskonzept geht davon aus , dass der Rechenwert der Rissbreite Wcal infolge einer Zugbeanspruchung ermittelt wurde und nach Auftreten der Rissbildung die Risse durch andere Beanspruchung oder Vorspannung überdrückt werden .Für diese Hilfsmaßnahme muss bereits bei der Planung vorgesorgt werden. Es hat sich in der Praxis gezeigt , dass dieser Nachweis bei flüssigen Medien nicht durchführbar ist , da bereits Risse mit einer Breite von 0,1 mm nach einer kurzen Einwirkung durchlässig sind. Dies geht aus einem Forschungsvorhaben vom DIBT hervor.

• Vereinfachter Dichtheitsnachweis

Nach der aktuellen Ausgabe der DAfStb-Richtlinie vom 2004 ist eine weitere Möglichkeit zur Durchführung des Dichtheitsnachweises erlaubt. Dabei gilt die Dichtheit als nachgewiesen, wenn Bewehrung gemäß Teil 1 Tabelle 1-6 eingelegt ist und wenn die Dichtkonstruktion den folgenden Randbedingungen entspricht :

• FD-Beton der Festigkeitskl. C 30/37 ( DIN 206-1 und DIN 1045-2 ) • Länge und Breite der Platte < 50 m • Keine Verzahnung mit dem Untergrund • Mittlere Verkehrslast < 10 kn/m² • Gleitschicht entspricht 2 Lagen PE-Folie oder gleichwertig

Dabei ist klar zu erkennen, dass die Bemessung der Betonplatte von der Eindringtiefe abhängig ist, was aus wirtschaftlicher Sicht , den Einsatz von einem mit Mowilith LDM 6880 modifizierten FD-Beton sicherlich interessant macht.

……………………………………………………………….. Die o.g. Angaben entsprechen dem heutigen Stand unserer Kenntnisse und sollen über unsere Produkte und deren Anwendungsmöglichkeiten informieren. Sie haben somit nicht die Bedeutung, bestimmte Eigenschaften der Produkte oder deren Eignung für

ewtm

d

wcal

einen konkreten Einsatzzweck zuzusichern. Etwa bestehende gewerbliche Schutzrechte sind zu berücksichtigen. Eine einwandfreie Qualität gewähren wir im Rahmen unserer Allgemeinen Geschäftsbedingungen