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IKT - Institut für Unterirdische Infrastruktur gGmbH

Guter Grund für gute Untergrundvorbereitung: Verbundverhalten von Schachtbeschichtungen und Kurzlinern

Beitrag vom 16. April 2019
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Zahlreiche Sanierungsverfahren fordern einen Verbund zwischen dem Untergrund des Altkanals beziehungsweise des Altschachts und dem eingesetzten Sanierungswerkstoff. Beispiele sind die Beschichtung von Schächten mit Mörtel- oder Kunststoffsystemen und die Verklebung von Kurzlinern im Altkanal. Welche Rolle spielen Verbund und Untergrundvorbereitung bei diesen Sanierungsmaßnahmen? Worauf ist zu achten? Welche Versagensmechanismen sind zu erwarten? Wie wirken Alt- und Neusubstanz zusammen?

Portrait Mann mit Brille

Prof. Dr.-Ing. habil. Bert Bosseler, Wissenschaftlicher Leiter des IKT

Von Prof. Dr.-Ing. habil. Bert Bosseler

Generell kann eine Untergrundvorbereitung in dreifacher Hinsicht wirken:

  • Sie reinigt die Oberfläche von Verschmutzungen (z.B. Fett).
  • Sie raut die Oberfläche zur Verbesserung des Verbundverhaltens auf.
  • Sie löst gegebenenfalls schadhaftes oder verbundschwächendes Material aus der Oberfläche heraus und trägt dieses ab, damit der Untergrund selbst ausreichend tragfähig ist.

Richtig strahlen

Das IKT hat Geräte zur Untergrundvorbereitung mittels Hoch­druck­wasser­strahlen bezüglich ihrer Leistungsfähigkeit untersucht [IKT2016] und dabei insgesamt 410 einzelne Strahlversuche durchgeführt, bei denen verschiedenen Parameter wie Strahlabstände, Strahlwinkel, Untergrundfestigkeiten und Materialien sowie Düsenarten variiert wurden. Dabei wurden zunächst Versuche von Hand durchgeführt, um erkennen zu können, ob und mit welchem Aufwand überhaupt eine zielführende Untergrundvorbereitung leistbar ist. Folgende Ergebnisse seien hier genannt:

Frau in gelber Arbeitskleidung mit Gesichtsschutz führt Prüfung mit Hochdruckstrahler durch

Wissenschaftlich untersucht: Wie strahlt man richtig für ein sauberes Ergebnis?

  • Unabhängig von der Betonfestigkeit waren bei händisch geführter Düse beziehungsweise Lanze die besten Ergebnisse bei einem Abstand von der Düse zur Oberfläche von 5 bis 10 cm mit einem Strahlwinkelbereich von 65° bis 90° zu erreichen.
  • Mit dem Hochdruckwasserstrahl (Geräteleistung 300 bis 500 bar) bei Verwendung von Rotations- und Flachstrahldüsen kann grundsätzlich eine Oberfläche gereinigt werden, bei Erhöhung der Bearbeitungszeiten ist darüber hinaus ein Anrauen möglich.
  • Ein großflächiger Materialabtrag ist unter praxisnahen Randbedingungen allerdings nicht zu erzielen.
  • Die vergleichsweise besten Resultate konnten mit dem leistungsstärksten Gerät (1000 bar) erzielt werden, dessen Einsetzbarkeit in Schächten allerdings nur selten gegeben ist.
  • Die Ergebnisse der Untergrundvorbereitung konnten durch den Einsatz von Druckerzeugern (400 und 500 bar) mit Zugabe von Abrasivstoffen verbessert werden. Hier sind jedoch höhere Kosten für das Strahlgut und die Entsorgung einzurechnen.

Zeit + Geld + Technik + Sorgfalt = gute Untergrundvorbereitung

Unter Berücksichtigung der Umgebungsbedingungen und Platzverhältnisse in einem Abwasserschacht (Innendurchmesser von etwa einem Meter, übliche Schachttiefen von einem bis fünf Meter) sowie der Unfallverhütungsvorschriften zeigt sich deutlich, dass eine qualitativ hochwertige und in allen (Wandungs-)Bereichen des Bauwerks gleichmäßig durchgeführte Untergrundvorbereitung von Hand kaum umsetzbar ist. Unter Einsatz maschineller Verfahren ist eine qualitativ hochwertige Untergrundvorbereitung in Schächten allerdings grundsätzlich durchführbar.

Von Seiten aller an der Schachtsanierung beteiligten Personen sollte jedoch berücksichtigt werden, dass für die Untergrundvorbereitung ein ausreichend großes Zeitfenster und Budget eingeplant wird. Welche Leistung im Einzelfall erforderlich ist, hängt stets von den jeweiligen Randbedingungen ab, wie insbesondere dem Zustand der Schachtwandungsoberfläche und der Festigkeit der Wandung.

Einfluss der Untergrundvorbereitung

Schwächen in der Untergrundvorbereitung und damit im Haftverbund zwischen Sanierungsmaterial und Altsubstanz können insbesondere dann zu Problemen führen, wenn äußere Belastungen wirken, die dieses Verbundsystem lösen können, wie zum Beispiel der Einsatz von Hochdruckstrahlen bei der Kanalreinigung oder Außenwasserdruck bei anstehendem Grundwasser.

Balkendiagramm vergleicht Werte verschiedener Produkte

Grafik 1: Ergebnisse von Untersuchungen zum Einfluss der Untergrundvorbereitung (zum Vergrößern anklicken)

Wie empfindlich der Haftverbund von Kurzlinern für Hauptkanäle gegenüber der Qualität der Untergrundvorbereitung ist, zeigte sich im Zuge eines IKT-Warentests [2011b]. Von vier untersuchten Produkten zeigten nur zwei Produkte überhaupt ein messbares Verbundverhalten, wenn das Steinzeug-Altrohr noch über eine glasierte Oberfläche verfügte und nicht vorgefräst war (s. Grafik 1). Die mittleren Haftzugfestigkeiten lagen in der Regel deutlich unter den geforderten Werten von 1,5 N/mm2.

Auf unglasierten Steinzeugrohren zeigten dagegen nahezu alle Produkte ein gutes Verbundverhalten (s. Grafik 1). Lediglich in einem Fall lagen auf fettig-feuchter Oberfläche die gemessenen Werte unter den Anforderungen. Offensichtlich ist die Untergrundvorbereitung (hier Reinigen, Fräsen) entscheidend für die Qualität des Sanierungsergebnisses.

Verbundverhalten unter Außenwasserdruck

Blase und Infiltration in blauer Schachtbeschichtung

Bild 1: Beschichtung von Abwasserschacht – Schadensbild mit Infiltration unter Außenwasserdruck

Eine besondere Rolle spielt das Verbundverhalten für Bauwerke, die unter Außenwasserdruck stehen. Mängel im Verbundverhalten können insbesondere bei Kunststoffbeschichtungen mit Blasenbildung zum Versagen der gesamten Sanierung führen, wenn das Material zum Beispiel aufreißt und so wieder Wasser infiltriert oder wenn sich große Verformungen bilden, die den Betrieb gefährden (s. Bilder 1 und 2).

Zwei Versagensmechanismen sind hier zu unterscheiden:

  • Reißen des Materials aufgrund einer Überschreitung der Zugfestigkeit: Dies ist insbesondere möglich, wenn sich im Bereich mangelnder Haftzugfestigkeit eine Blase bildet. Der Wasserdruck auf diese Blase muss dann allein durch die Zugfestigkeit des Materials am Rand der Blase abgetragen werden. Da die Haltespannungen am Umfang aber nur linear mit dem Durchmesser der Blase ansteigen, während die Kraft aus Wasserdruck quadratisch mit dem Durchmesser wächst, können insbesondere große Blasen zu einer Überlastung des Materials führen.
  • Kunststoffbeschichtung von Abwasserschacht mit extrem großen Blasen

    Bild 2: Beschichtung von Abwasserschacht – Systemversagen unter Außenwasserdruck

  • Fortschreitende Verformung durch Überschreiten der Gleichgewichtsbedingungen zwischen Haltekräften im Randbereich (Zone wirkender Haftzugfestigkeit) und der Kraft aus Wasserdruck: Die geometrischen Beziehungen, d.h. Kraftanstieg quadratisch mit dem Durchmesser und Haltekräfte nur linear, entsprechen denen beim „Reißen“, allerdings kommt es hier zu einem Überschreiten der Haftzugfestigkeit im Randbereich und in der Folge zu einem rasanten Anwachsen der Blasengröße.

Der Mechanismus fortschreitender Verformung lässt sich an folgendem Berechnungsbeispiel erläutern: Wir nehmen an, dass die Haftzugfestigkeit im Randbereich der Blase die geforderten 1,5 N/mm2 aufweist. Diese Haftzugfestigkeit wirkt in unserem Beispiel über eine Breite von 2 mm als Haltekraft, so dass sich die Blase an diesem Randbereich „aufhängen“ kann. Steht nun an dieser Blase ein Grundwasserstand von 3 m an, so wirkt auf die Blase ein Wasserdruck von 0,3 bar beziehungsweise 0,03 MPa beziehungsweise 0,03 N/mm2.

Grafik mit einer schwarzen durchgezogenen Linie und einer rot gestrichelten Linie

Grafik 2: Ablöseverhalten bei Verbundschwächen, Einfluss der Blasengröße (Beispiel)

Grafik 2 zeigt, welchen Einfluss dann die Blasengröße sowohl auf die Wasserdruckkraft F(D,p) an der Blase (rote gestrichelte Linie) als auch auf die Haltekraft F(D,h) im Randbereich der Blase (schwarze voll Linie) hat. Die Wasserdruckkraft steigt quadratisch mit dem Durchmesser, während die Haltekraft linear wächst. Bei einer kritischen Blasengröße von 200 mm Durchmesser wird das System im Beispiel instabil, das heißt die mobilisierbaren Haltekräfte reichen nicht mehr aus, um den Wasserdruck auf die Blase in den Untergrund abzutragen.

Wir sehen also: Stellenweise hohe Haftzugfestigkeit allein reicht nicht aus. Es kommt auf einen möglichst vollflächigen Haftverbund an. Dies gilt insbesondere für Kunststoffbeschichtungen, bei denen große Verformungen zu Zugkräften führen, die eine weitere Vergrößerung von Fehlstellen beschleunigen. Mörtelbeschichtungen sind demgegenüber mit Blick auf Fehlstellen relativ robust. Allerdings können sich auch hier Risse zeigen, wenn das Material schwindet und dabei größere Fehlstellen mit mangelndem Verbund überbrücken muss. Auch hier können Undichtheiten wie Feuchtefahnen oder sogar Infiltration entstehen.

Mittragwirkung von Verbundsystemen

Mann mit blauer Arbeitskleidung führt eine MAC-Prüfung an einem Schacht durch

Bild 3: Einsatz des MAC-Systems an Schachtsanierungen – Kontrolle und Steuerung des Tests

Häufig stellt sich die Frage, inwieweit die mit Beschichtungen oder Auskleidungen sanierten Schächte als statisch ertüchtigtes Bauwerk angesehen werden können. In [IKT2016] wurden erstmals die Steifigkeitszuwächse im Zuge einer Sanierung von Schächten mit einem mechanischen Prüfverfahren untersucht. Zum Einsatz kam das sogenannte MAC-Verfahren (vgl. [Thepot2012]). Beim Einsatz dieses Verfahrens wird mit einem hydraulischen Druckzylinder so viel Kraft auf die Wände des Kanals oder des Schachts aufgebracht, dass diese sich kontrolliert und zerstörungsfrei um wenige Zehntelmillimeter auseinander bewegen (Bilder 3 und 4). Feine Sensoren messen die entstehende Verformung im Bereich der Druckstempel und gegebenenfalls in einiger Entfernung davor und dahinter (Grafik 3). Die sehr geringe Verformung reicht aus, um unter Einbeziehung des Verformungsbilds und der eingesetzten Kraft den Zustand von Rohr und Boden zu errechnen.

Grafik Messgrößen bei MAC-Prüfung mit Schnittansicht und Draufsicht

Grafik 3: Messgrößen einer MAC-Prüfung (nach Thepot)

Im IKT-Warentest „Schachtsanierung“ [IKT2016] wurden insgesamt 13 Systeme zur Schachtsanierung in Großversuchen mit dem MAC-Verfahren getestet. Von Interesse waren insbesondere das Verhalten der beschichteten Schächte unter horizontaler (Erddruck-)Belastung und hier die Frage, inwieweit die Tragfähigkeit eines geschädigten Schachtbauwerks wiederhergestellt werden kann. Im Versuch wurde der Boden in der Umgebung der untersuchten Schachtrings gering verdichtet, um seinen Anteil an der Gesamtsteifigkeit zu minimieren.

MAC-System in Abwasserschacht

Bild 4: Einsatz des MAC-Systems an Schachtsanierungen – Druckpresse und Verformungsmessung im Schacht

Betrachtet wurden die Schachtringe direkt unter dem Konus. Diese wurden unmittelbar nach dem Versuchsaufbau zunächst einer MAC-Prüfung zur Ermittlung der Ausgangssteifigkeit (KG,0) des ungeschädigten Schachtring-Boden-Systems unterzogen. Anschließend wurde die Belastung bis zum Bruch der Beton-Schachtringe gesteigert und die Gesamtsteifigkeit des mit Rissen geschädigten Systems (KG,R) ermittelt. Abschließend wurde nach der Sanierung der Schachtbauwerke die Gesamtsteifigkeit des sanierten Systems (KG,S) ermittelt. Hierdurch konnte die Steifigkeitsänderung infolge der Sanierung quantifiziert werden. Außerdem wurden Haftzugprüfungen und stichprobenartig Lastplattendruckversuche und Rammsondierungen durchgeführt. In Grafik 4 sind die Systemsteifigkeiten vor (KG,R) und nach (KG,S) Sanierung im Verhältnis zur Ausgangssteifigkeit des jeweiligen intakten Schachts (KG,0; hier 100 %) dargestellt.

Säulengrafik Steifigkeiten vor und nach der Schachtsanierung

Grafik 4: Ergebnisse der MAC-Untersuchungen an sanierten Schächten im Rahmen des IKT-Warentests „Schachtsanierung“

Im Ergebnis konnte bei fast allen Systemen die Ausgangssteifigkeit bezogen auf den intakten Schachtring wiederhergestellt werden. Lediglich das System mit den rückverankerten GFK-Platten zeigte aufgrund der fehlenden Verfüllung des Hohlraums zwischen GFK-Platte und Schachtwand einen scheinbaren Steifigkeitsabfall.

Nach Sanierung zweieinhalbmal steifer

Erhebliche Steigerungen der Steifigkeiten von bis zu ca. 250 % konnten bei Mörtelbeschichtungen und Auskleidungssystemen mit Mörtelverfüllung des Hohlraums zwischen Auskleidung und Schachtwand festgestellt werden. Hier wird offensichtlich die Wandung des Schachts mit einem betonähnlichen Material wieder aufgebaut. Bei guter Verbundwirkung kommt es dann zur Rissüberbrückung und zum vollständigen Mittragen der Innenbeschichtung als Teil einer neuen Wandung.

Selbst bei Kunststoffbeschichtungen mit deutlich geringerem E-Modul als Beton wurden die Ausgangssteifigkeiten bezogen auf den intakten Schachtring noch übertroffen. Jedoch sind hier die Steifigkeiten mit 100 bis 125 % im Vergleich zu den Mörtelbeschichtungen deutlich geringer, da hier zwar der Riss überbrückt wird, aber aus statischer Sicht keine rechnerische Wanddickenerhöhung im ungerissenen Bereich zu verzeichnen ist.

zwei Grafiken zur Tragwirkung eines Verbundsystems aus Altrohr und Sanierungssystem

Grafik 5: Tragwirkung des Verbundsystems aus Altschacht und Sanierungssystem bei gutem Verbund nach Sanierung (links) und unter innerer Pressenlast (rechts)

In jedem Fall begrenzt bei beiden Werkstoffgruppen die Haftung der Beschichtung am Untergrund die Möglichkeit zum Gleiten der Beschichtung im Rissbereich des Betonrings. Grafik 5 zeigt, dass sich entsprechend nur ein kleiner Beschichtungsbereich unter den Zugspannungen verformen kann, so dass die zu erwartenden Dehnungen nur eine geringe Gesamtverformung zulassen. Im Ergebnis weist das Gesamtsystem dann bei Kunststoffbeschichtungen ungefähr wieder die Steifigkeit des ungerissenen Betonrings gleicher Wanddicke auf, und bei Mörtelbeschichtungen aufgrund des zusätzlichen Wandaufbaus sogar höhere Steifigkeiten.

Ein ähnliches Verbundverhalten konnte im IKT-Warentest „Kurzliner für Hausanschlüsse“ [IKT2018] auch an Kurzlinern für Hausanschlussleitungen beobachtet werden. In Labor- und In-situ-Untersuchungen wurden Proben zur Ermittlung der Haftzugfestigkeit, der Ringsteifigkeit und der Ringfestigkeit gewonnen.

Die Untersuchungen zur Ringsteifigkeit an biegeweichen Altrohren bestätigten einen Beitrag des Kurzliners zur Gesamtsteifigkeit. Alle ermittelten Ringsteifigkeiten lagen oberhalb der Aufgangssteifigkeit des im Labor untersuchten PVC-Rohrs. Traten Ablösungen infolge der Prüfbelastung auf, reduzierte sich die Gesamtsteifigkeit jedoch deutlich. Weitere Versuche zur Ringfestigkeit an biegesteifen Altrohren zeigten, dass auch durch Risse stark geschädigte Altrohre aus Steinzeug oder Beton durch eine Reparatur mittels Kurzliner ertüchtigt werden können. So konnten Rohre mit deutlichen Längsrissen nach dem Kurzliner-Einbau fast wieder die Bruchlasten von Neurohren erreichen. Wichtig ist auch hier ein flächiger Verbund des Kurzliners zum Altrohr.

Rissüberbrückung unter Zwangsverformung

Eine besondere Beachtung verdienen Risse und Rohrverbindungen des Altrohrs unter späteren Zwangsverformungen, wie sie durch Bodenbewegungen bei Bergsenkungen oder infolge der Auftriebswirkung bei Grundwasseranstieg entstehen können. Werden Risse und gelenkige Rohrverbindungen durch eine Beschichtung oder einen mit der Altrohrwandung verklebten Liner überbrückt, so können hohe Haftzugfestigkeiten beziehungsweise Schubkräfte ein Gleiten zwischen Sanierungswerkstoff und Altstruktur verhindern, wenn sich die Risse oder Verbindungen unter äußeren Zwängen weiter öffnen. Dies kann in der Folge zu übermäßigen Dehnungen im Sanierungswerkstoff und letztlich wiederum zu Schäden führen. Im IKT-Warentest „Hausanschluss-Liner“ [IKT2010] wurde dieses Verhalten an Hausanschluss-Linern beobachtet, die vollständig mit dem Altrohr verklebt waren und unter anschließendem Grundwasseranstieg und Auftrieb an den Rohrverbindungen in Bogenstücken neue Risse zeigten.

Vor diesem Hintergrund scheint es sinnvoll, den Verbund für solche Fälle so auszulegen, dass dieser unter Zwangsverformungen und hohen Schubspannungen rechtzeitig versagt und so das Gleiten des Sanierungswerkstoffs möglich macht, bevor der Sanierungswerkstoff selbst reißt.

Zentrale Erkenntnisse

Verbundsysteme, wie sie bei Schachtbeschichtungen oder der Anwendung von Kurzlinern entstehen, sind besondere statische Systeme, die in ihrem Verhalten verstanden und sachgerecht angewendet werden müssen. Dies betrifft insbesondere folgende Punkte:

  • Eine sorgfältige Untergrundvorbereitung – das Reinigen, Aufrauen und wenn nötig auch Abtragen der Oberfläche – ist eine Grundvoraussetzung für das Verbundverhalten. In Schächten empfiehlt sich insbesondere die Anwendung maschineller HD-Verfahren mit hohen Betriebsdrücken, bei Bedarf auch unter Einsatz von Strahlgut. Glasierte Steinzeugrohre sollten für Kurzliner grundsätzlich vorgefräst werden.
  • Insbesondere Kunststoffbeschichtungen können unter äußerem Wasserdruck empfindlich auf Verbundmängel reagieren, bis hin zur Instabilität. Ein durchgängiger, flächiger Verbund ist hier mindestens genauso wichtig wie hohe Haftzugfestigkeiten.
  • Sowohl Mörtel- als auch Kunststoffbeschichtungen können die horizontale Steifigkeit eines gerissenen Schachtrings durch schubfeste Rissüberbrückung nennenswert verbessern. Mörtelbeschichtungen können darüber hinaus auch zum statischen Wandaufbau beitragen.
  • Das MAC-Verfahren hat sich zur Überprüfung des statischen Tragverhaltens von Schachtsanierungen sowohl in Labor- als auch in In-situ-Maßnahmen bewährt und kann die Qualitätssicherung entsprechend unterstützen.
  • Auch Kurzliner können einen Beitrag zur Verbesserung der Gesamtsteifigkeit von geschädigten Rohren leisten. Bei gutem Verbund konnten Rohre mit Längsrissen nach dem Kurzliner-Einbau zum Teil wieder die Bruchlasten von Neurohren erreichen.
  • Sind Zwangsverformungen zu erwarten (z.B. aus Bergesenkungen, Auftrieb bei Grundwasseranstieg), können eine mangelnde Beweglichkeit der Leitung zusammen mit hohen Verbundfestigkeiten des Sanierungswerkstoffs auch zu neuen Schadensrisiken an Rohrverbindungen führen.

Ansprechpartner

Prof. Dr.-Ing. habil. Bert Bosseler
Wissenschaftlicher Leiter
Telefon: 0209 17806-0
E-Mail: info@ikt.de

 

Literatur

[IKT2010] IKT-Warentest „Hausanschluss-Liner“, IKT ‑ Institut für Unterirdische Infrastruktur gGmbH, März 2010, zur Download-Seite
[IKT2011a] Sanierung von Abwasserschächten – Untersuchung von Materialien und Systemen zur Abdichtung und Beschichtung, IKT ‑ Institut für Unterirdische Infrastruktur gGmbH, April 2011, Download des Forschungsberichts (Langfassung), Download des Kurzberichts
[IKT2011b] Untersuchungen zu Hafteigenschaften von Kurzlinern auf unterschiedlich vorbehandelten Oberflächen und Einsatz ausgewählter Reparaturverfahren unter äußerem Wasserdruck, IKT ‑ Institut für Unterirdische Infrastruktur gGmbH, September 2011, Download des Forschungsberichts
[IKT2016] IKT-Warentest „Schachtsanierung“, Vergleichende Produkt und Verfahrensbewertung von Auskleidungs- und Beschichtungssystemen zur Sanierung von Abwasserschächten, IKT ‑ Institut für Unterirdische Infrastruktur gGmbH, März 2016, zur Download-Seite
[IKT2018] Vergleichende Untersuchung von Sanierungsverfahren für Hausanschlussleitungen, Endbericht 12/2018, unveröffentlichter Entwurf.
[Thepot2012] Thépot, O.: Experimentelle Beurteilung der Standsicherheit von begehbaren Sammlern mit dem MAC-Prüfsystem. In: 3R, Nr. 3-4, 2012.

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