Fakultät Bauingenieurwesen, Institut für Baustoffe, Prof. Dr.-Ing. Viktor Mechtcherine Modul 4-21, WS Bauen im Bestand – Instandsetzungsmethoden und -baustoffe baustoffe Teil 8: Instandsetzungsmörtel und -betone Viktor Mechtcherine Institut für Baustoffe Instandsetzungsmaßnahmen Instandsetzungsarbeiten, g , geregelt g g nach Rili DAfStb: a) Herstellung des dauerhaften Korrosionsschutzes der Bewehrung bei unzureichender Betondeckung b) Wiederherstellung des dauerhaften Korrosionsschutzes bereits korrodierter Bewehrung c) Erneuerung des Betons im oberflächennahen Bereich, wenn der Beton g Korrosion der Bewehrung g durch äußere Einflüsse oder infolge geschädigt ist d) Füllen von Rissen e) Vorbeugender zusätzlicher Schutz der Bauteile gegen das Eindringen g Stoffen von beton- und stahlangreifenden f) Erhöhung des Widertsands von Bauteiloberflächen gegen Abrieb und Verschleiß TU Dresden, Institut für Baustoffe, Viktor Mechtcherine – Bauen im Bestand -2- Instandsetzungsmaßnahmen Für die Instandsetzung von Beton kommen in Betracht: a) Ersatz der Teile von Querschnitten bzw. bzw Vervollständigen von Querschnitten mit Mörtel oder Beton b)) Ausfüllen örtlich begrenzter g Fehlstellen mit Mörtel oder Beton c) Großflächiges Auftragen von Mörtel oder Beton d)) Auftra g gen von Beschichtungen, g Imprägnierungen p g g bzw. Hydrophobierungen e) Füllen von Rissen und Hohlräumen mit Reaktionsharz, Zementleim oder Zementsuspension TU Dresden, Institut für Baustoffe, Viktor Mechtcherine – Bauen im Bestand -3- Instandsetzungsmaßnahmen – Widerherstellung des Querschnittes mit Beton bzw bzw. Mörtel – Alt Messe Alte M iin Mü München h Stütze in einem Wassertank TU Dresden, Institut für Baustoffe, Viktor Mechtcherine – Bauen im Bestand -4- Instandsetzungsmaßnahmen – Ausfüllen örtlich begrenzter Fehlstellen mit Beton bzw bzw. Mörtel – Bereiche mit Rissen und Ablösungen Fehlerhafte Instandsetzung TU Dresden, Institut für Baustoffe, Viktor Mechtcherine – Bauen im Bestand Nach Norm und Rili empfohlene Instandsetzung -5- Instandsetzungsmaßnahmen – Lokale Instandsetzung / Fehlerhafte Ausführung – Beispiel Parkdeck: Fehlerhafte Instandsetzung ((Erneutes Auftreten von Rissen in der Instandsetzungsschicht) g ) TU Dresden, Institut für Baustoffe, Viktor Mechtcherine – Bauen im Bestand -6- Instandsetzungsmaßnahmen – Lokale Instandsetzung – Zuschnitte für lokale Instandsetzung sollen so einfach wie möglich sein Grenzen von losem bzw abgeplatztem Beton bzw. Empfohlener Zuschnitt Emmons, p 143 p.143 Draufsicht D f i ht auff eine Balkonplatte Emmons (1993) TU Dresden, Institut für Baustoffe, Viktor Mechtcherine – Bauen im Bestand -7- Instandsetzungsmaßnahmen – Empfohlene Instandsetzungsgeometrien – T-Trägerprofil Stützenh itt querschnitt Platte- / Wandquerschnitt Eckprofil Emmons (2005) TU Dresden, Institut für Baustoffe, Viktor Mechtcherine – Bauen im Bestand -8- Instandsetzungsmaßnahmen – Großflächiges Auftragen von Mörtel oder Beton – Geotheanum, Dornach, CH Antoniuskirche Basel, Antoniuskirche, Basel CH TU Dresden, Institut für Baustoffe, Viktor Mechtcherine – Bauen im Bestand -9- Oberflächeninstandsetzung – Prozessverlauf • Ist Ist-Zustand Zustand • Stemmen • Vorbereitung • Materialauswahl • Verarbeitungstechnik Vaysburd (2006) TU Dresden, Institut für Baustoffe, Viktor Mechtcherine – Bauen im Bestand - 10 - Instandsetzung als Verbundsystem Vorhandene Substanz Instandsetzungsmaterial g Übergangsphase Vaysburd (2006) TU Dresden, Institut für Baustoffe, Viktor Mechtcherine – Bauen im Bestand - 11 - Instandsetzung als Verbundsystem Instandsetzungssysteme sind Materialkombinationen (z.B.: Betonsubstrat, Haftbrücke, Reparaturmörtel) Wichtig ist, Reparaturmörtel). ist dass die Systemkomponenten aufeinander abgestimmt sind und als eine Einheit wirken. E Emmons (2005) TU Dresden, Institut für Baustoffe, Viktor Mechtcherine – Bauen im Bestand - 12 - Instandsetzung als Verbundsystem Neu Instandsetzungssystem TU Dresden, Institut für Baustoffe, Viktor Mechtcherine – Bauen im Bestand Alt Altbeton - 13 - Instandsetzung als Verbundsystem Neu und Alt Wie werden sich diese beiden Materialien auf die Dauer miteinander Verhalten? TU Dresden, Institut für Baustoffe, Viktor Mechtcherine – Bauen im Bestand - 14 - Einflüsse auf die Dauerhaftigkeit von Betoninstandsetzungssystemen Belastungsbedingungen des Verbundsystems Oberflächenvorbereitung Applikationsmethode Instandsetzungsprozess Haftung Kompatibilität p des Instandsetzungs materials mit dem Untergrund Eigenschaften des InstandsetzungsInstandsetzungs materials Eigenschaften des Untergrundes Expositionsbedingungen Entwicklung des InstandInstand setzungssystems Herstellung des InstandInstand setzungssystems Dauerhaftigkeit des Systems TU Dresden, Institut für Baustoffe, Viktor Mechtcherine – Bauen im Bestand Vaysburd (2006) - 15 - Kompatibilität der Eigenschaften Kompatibiliät von Instandsetzungssystemen mit dem Untergrund Abmessungen Chemie Permeabilität Elektrochemie Aussehen Trocknungsschwinden Temperaturdehnung Kriechen E Modul ETU Dresden, Institut für Baustoffe, Viktor Mechtcherine – Bauen im Bestand - 16 - Oberflächeninstandsetzung – Ziele für eine dauerhafte Instandsetzung – • Haftverbund • keine Risse TU Dresden, Institut für Baustoffe, Viktor Mechtcherine – Bauen im Bestand - 17 - Kompabilität Instandsetzungsmaterial/Untergrund nicht kompatibel kompatibel TU Dresden, Institut für Baustoffe, Viktor Mechtcherine – Bauen im Bestand - 18 - Ursachen der Inkompatibilität – Schwinden von Instandsetzungsmörtel/ Instandsetzungsmörtel/-beton beton – V d Verdunstung t Schwinden autogene Volumenveränderung absorbiertes Wasser TU Dresden, Institut für Baustoffe, Viktor Mechtcherine – Bauen im Bestand - 19 - Ursachen der Inkompatibilität – Trocknungsschwinden / Beispiel Parkdeck – Beispiel von behindertem Trocknungsschwinden nach einer Parkdeckinstandsetzung Vaysburd (2006) TU Dresden, Institut für Baustoffe, Viktor Mechtcherine – Bauen im Bestand - 20 - Ursachen der Inkompatibilität – Unterschiedliche E-Moduln E Moduln der Materialien – Hoher EM d l E-Modul Niedriger E-Modul Niedriger Hoher E Modul E-Modul E-Modul E Modul Emmons (2005) TU Dresden, Institut für Baustoffe, Viktor Mechtcherine – Bauen im Bestand - 21 - Ursachen der Inkompatibilität – Unterschiedlicher thermischer Ausdehnungskoeffizient – Repair Concrete S b t t Substrate r = c r > c Keine Spannungen S Rissbildung/Abplatzungen / TU Dresden, Institut für Baustoffe, Viktor Mechtcherine – Bauen im Bestand - 22 - Ursachen der Inkompatibilität – Unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten – T° Epoxidharzsystem Vorhandener Beton TU Dresden, Institut für Baustoffe, Viktor Mechtcherine – Bauen im Bestand - 23 - Kriterien zur Auswahl eines geeigneten Instandsetzungssystems Neben dem geeigneten System sind ebenfalls die dafür geeigneten Materialen Mittel und Methoden zu bestimmen Materialen, bestimmen. Eigenschaften, g , Prüfmethoden und Bewertungen g • • • • Welches Material wird für die jeweilige Instandsetzungsaufgabe benötigt? Keine leichte Entscheidung! Sachkundige Planung notwendig! Ermittlung von Ist- und Sollzustand Beurteilung der Standsicherheit Eigenschaften, Klasseneinteilung • • • • • Ermittlung der Materialeigenschaften Welche Eigenschaften werden benötigt? Welche Eigenschaften sind besonders wichtig? Wie können ggf. gegensätzliche Anforderungen bedient werden? Haftverbund, Volumenstabilität, Dauerhaftigkeit, mechanische Eigenschaften Applikation Eigenschaften, TU Dresden, Institut für Baustoffe, Viktor Mechtcherine – Bauen im Bestand - 24 - Eigen- und Zwangspannungen in Instandsetzungssystemen Ansicht von Oben xx Längsschnitt ZZ ZZ ZZ x geschwächte Zone g Ansicht im Längsschnitt Günter, Müller (2002) TU Dresden, Institut für Baustoffe, Viktor Mechtcherine – Bauen im Bestand - 25 - Materialanpassungskonzept für Instandsetzungssysteme maximale Zugspannung im Mörtel [MPa] Einaxiale Zugfestigkeit von Mörtel [MPa] 10,0 xx Messwerte 8,0 6,0 40 4,0 8,0 0,10 6,0 40 4,0 Referenz 1) 0,00 0,05 4,0 p/z-Wert [-] 8,8 13 2 13,2 Luftgehalt 0,43 0,46 0,50 w/z Wert w/z-Wert [-] [ Vol.-%] 2,0 Steuerparameter zv 3,0 20 2,0 2,0 1,0 0,0 0,0 Zugspannung im Verbund [MPa] 0,0 1) Zugspannung von PCC mit p/z = 0 Luftgehalt = 4,0 Vol.-%, w/z = 0,43 Günter, Müller (2002) TU Dresden, Institut für Baustoffe, Viktor Mechtcherine – Bauen im Bestand - 26 - Instandsetzung einer Stütze Ist das Instandsetzungssystem in der Lage, die ursprünglichen Kräfte zu übertragen? Trocknungsschwinden Emmons (2005) TU Dresden, Institut für Baustoffe, Viktor Mechtcherine – Bauen im Bestand - 27 - Kompatible Instandsetzungsmaterialien – Allgemeine Anforderungen – Eigenschaft Vergleich von Instandsetzungsmaterial (R) und Betonuntergrund (C) Trocknungsschwinden Zugfestigkeit E-Modul Bruchdehnung Thermische Ausdehnung/Kontraktion Kriechen D kf ti k it Druckfestigkeit TU Dresden, Institut für Baustoffe, Viktor Mechtcherine – Bauen im Bestand R<C R>C RC R>C RC RC RC - 28 - Kompatible Instandsetzungsmaterialien – Allgemeine Anforderungen – • Eine allgemeine Fehlkonzeption ist, dass eine höhere Festigkeit des zementbasierten Materials benötigt wird, um eine hohe Dauerhaftigkeit unter scharfen Expositionen sicherzustellen. sicherzustellen • Hohe Frühfestigkeitsentwicklung – wünschenswert für einige Ausführungen – führt zu höherer Schwindneigung und damit zu g g Das wirkt sich negativ g auf die Dauerhaftigkeit g Rissbildungsgefahr. der Instandsetzung aus. • Eine Möglichkeit die Schwindneigung zu reduzieren ist, so viel wie g Gesteinskörnung g der Mischung g hinzuzufügen. g Damit wird möglich die Zementleimmenge reduziert. Gesteinskörnungen behindern das Schwinden. TU Dresden, Institut für Baustoffe, Viktor Mechtcherine – Bauen im Bestand - 29 - Kompatible Instandsetzungsmaterialien – Allgemeine Anforderungen – • Planung muss durch sachkundige Planer erfolgen. • Di Die ausreichenden i h d Eigenschaften Ei h ft aller ll verwendbaren db Schutz- und Instandsetzungsbaustoffe müssen durch eine i Grundprüfung G d üf nachgewiesen h i sein. i • Die erforderlichen Eigenschaften sind in der Rili in Abhängigkeit vom Anwendungsbereich stoffspezifisch aufgeführt aufgeführt. TBZ 2008 TBZ, TU Dresden, Institut für Baustoffe, Viktor Mechtcherine – Bauen im Bestand - 30 - Leistungsparameter für zementbasierte Instandsetzungsmaterialien Eigenschaft Prüfmethode Anforderung Zugfestigkeit, min CRD-C 164 400 psi E Modul max E-Modul, ASTM C 469 3 5 106 psi 3,5 Ausdehnungskoeffizient,, max CRD-C 39 7 millionths/deg gF Trocknungsschwinden, max ASTM C 157 (modifiziert) - nach 28 Tagen 0,4 * 10-3 - nach 1 Jahr 1,0 * 10-3 Behindertes Schwinden Ring-Methode - Rissbildungsbeginn < 14 days - resultierende Dehnung (1 Jahr), max 1,0 * 10-3 http://www.wes.army.mil/SL/HPMS/bulletins.htm TU Dresden, Institut für Baustoffe, Viktor Mechtcherine – Bauen im Bestand - 31 - Zusammensetzung und Eigenschaften – Zementbasierte Mörtel/Betone für Instandsetzung (CC) – Schichtdicke und Zusammensetzung Schichtdicke (mm) Zement/ Gestk. Max. Größtkorn (mm) Siebdurchgang [M.-%] 0,25 1,0 2,0 4,0 Luftgehalt (%) 8,0 16,0 < 10 1:2-2 1:2 2,5 5 2 < 14 65-75 65 75 100 - > 7,5 75 < 20 1:2,5-3 4 < 10 45-65 65-80 100 > 6,0 < 40 1:3-3,5 8 <8 30-45 45-60 65-80 100 < 80 1:3,5-4 16 <6 25-30 35-45 45-55 65-75 TU Dresden, Institut für Baustoffe, Viktor Mechtcherine – Bauen im Bestand > 5,0 100 > 4,0 - 32 - Zusammensetzung und Eigenschaften – Polymermodifizierte Mörtel/Betone zur Instandsetzung – Polymermodifizierter y Mörtel/Beton ((PCC)) - Polymere werden in Form von Dispersionen, dispergierbarem Pulver oder Emulsionen zugegeben - es werden Thermoplaste Styrol-Butadien, Polyvinyl, Acrylate usw. verwendet - außerdem kommen Duroplaste, wie Epoxydharz, zum Einsatz - Polymere führen zu einem dichteren Porensystem und können ein Traggerüst im Zementstein bilden. - Das Polymer/Zement-Verhältnis liegt zwischen 0 0,05 05 und 0 0,20. 20 Polymer-basierter Mörtel/Beton (PC) - Reaktionsharzmörtel - Polymer ist das alleinige Bindemittel - i.d.R. Verwendung von Epoxydharzen - schnellerhärtend, hohe Dichtigkeit, hohe Festigkeit, schwierige Handhabung - Das Mischungsverhältnis ist D Mi h hält i Polymer/Gesteinskörnung P l /G t i kö i t 1:4 1 4 bis bi 1:12. 1 12 TU Dresden, Institut für Baustoffe, Viktor Mechtcherine – Bauen im Bestand - 33 - Instandsetzungsmörtel – Eigenschaften Materialeigenschaften Mörtel/Beton CC PCC PC Druckfestigkeit [MPa] 35-55 30-45 60-90 Biegezugfestigkeit [MPa] 5-6 6-9 20-35 E-Modul [GPa] 34-39 15-25 15-30 Therm. Ausdehnungskoeff. [10-5 /K] 1,0-1,2 1,2-1,5 2-3 Schwindmaß [mm/m] 0,5-1,2 0,5-1,5 0,03 - Die Druckfestigkeit von PCC nimmt mit steigendem Verhältnis Polymer/Zement ab, obwohl die Zugfestigkeit meist zunimmt. - Mit steigendem t i d P Polymergehalt l h lt kkann di die Ab Abnahme h d des E E-Moduls M d l und d eine i Zunahme der Kriechneigung verzeichnet werden; die Bruchdehnung nimmt zu. - Es s liegen ege keine e ee endgültigen dgü ge Ergebnisse geb sse be bezüglich üg c de der Schwindverformungen vor. - Für in Wasser gelagerten polymermodifizierten Mörtel werden sinkende Z f ti k it festgestellt. Zugfestigkeiten f t t llt TU Dresden, Institut für Baustoffe, Viktor Mechtcherine – Bauen im Bestand - 34 - Instandsetzungsmörtel – Anwendungsbereiche Z = zementgebunden RH = reaktionsharzgebunden + geeignet i t nicht geeignet Applikationsmöglichkeit TBZ, 2008 TU Dresden, Institut für Baustoffe, Viktor Mechtcherine – Bauen im Bestand - 35 - Auswahl eines Instandsetzungssystems – Vorgehen nach DIN EN 1504 – Raupach, 2007 TU Dresden, Institut für Baustoffe, Viktor Mechtcherine – Bauen im Bestand - 36 - Materialauswahl 1. Schritt – Ermitteln und Festlegen aller Instandsetzungsbedingungen 2. Schritt Festlegen der Applikationsmethode 3. Schritt 3 Auswählen der möglichen Materialien 4. Schritt Entwicklung der Materialspezifikation 5. Schritt Auswahl eines geeigneten Materials 6. Schritt Durchführung von Materialprüfungen am ausgewählten g Material Nein Hat das M t i l Material die Tests bestanden? Ja 7. Schritt Verwendung des gewählten Materials zur Instandsetzung TU Dresden, Institut für Baustoffe, Viktor Mechtcherine – Bauen im Bestand 8. Schritt Überwachung der Instandsetzungsprozesses. Wenn nötig, Verbesserung des Auswahlprozesses. - 37 - Instandsetzungsmaterial – Datenblatt Ziel Erstellen eines logisch und standardgerecht aufgebauten, informativen Datenblattes zu den jeweiligen Instandsetzungsmaterialien und -systemen Inhalt • Beschreibung des Instandsetzungsmaterials • stoffliche Zusammensetzung • physikalische Eigenschaften • Materialkennwerte • Verpackung / Lagerung • Hinweise zur Funktionsweise und Verarbeitung • Verwendungshinweise TU Dresden, Institut für Baustoffe, Viktor Mechtcherine – Bauen im Bestand - 38 - Instandsetzungsmaterial – Zusammensetzung Ausgangsmaterial – – – – Artt des A d Bi Bindemittels, d itt l mit oder ohne Füller, mit oder ohne Polymerzusatz, Ein- oder Zweikomponentensystem Prüfzeugnisse und Befunde – SO3-Gehalt im Zement – Na2O-equivalenter Alkaligehalt im Zement – Gesamtchloridgehalt g Materialeigenschaften • • • • • • • Spezifisches Gewicht/Rohdichte (Beton, Mörtel) Frischbeton- und/oder Frischmörtelrohdichte Erstarrungsbeginn/Abbindezeit Luftporengehalt Festigkeit bzw. Streckgrenze Wasseraufnahme/Permeabilität pH-Wert H W t des d erhärteten hä t t M Materials t i l TU Dresden, Institut für Baustoffe, Viktor Mechtcherine – Bauen im Bestand - 39 - Instandsetzungsmaterial – Eigenschaften • Druckfestigkeit • Biegezugfestigkeit • Zugfestigkeit • E-Modul EM d l • Haftfestigkeit • Schwindmaß • Thermischer Ausdehnungskoeffizient • Frost- bzw. Frost-TauWechselbeständigkeit g • Abrasionswiderstand • Kriechen • Chlorideindringwiderstand • Sulfatbeständigkeit S f ä • Beständigkeit gegen chemischen Angriff • Risswiderstand TU Dresden, Institut für Baustoffe, Viktor Mechtcherine – Bauen im Bestand - 40 - Materialeigenschaften – Schwinden Längenänderung C157 modifiziert – Mörtel Mö t l 40 40x40x160 40 160 mm • Normalerhärtung – entformen nach 23 1/2 h, sofortige Längenmessung • Schnellerhärtend – entformen 2 h nach Herstellung y Mörtel • Polymermodifizierter – Ablesen nach 3, 7, 14, 28 d, 2 Monaten, kontinuierlich bis 90% des Endwertes Messung des autogenen Schwinden nach Jensen TU Dresden, Institut für Baustoffe, Viktor Mechtcherine – Bauen im Bestand - 41 - Instandsetzungsmaterial – Schwinden 0.35 Sc chwindm maß, % 0.3 0.25 hohes Schwinden 02 0.2 0.15 0.1 0.05 schwindarmer Bereich Beton mäßiges Schwinden 0 -0.05 steigende Rissneigung TU Dresden, Institut für Baustoffe, Viktor Mechtcherine – Bauen im Bestand - 42 - Instandsetzungsmaterial – Risswiderstand Risswiderstand Ri id t d Ring Test nach AASHTO PP34-99 Grundplatte – Versuchsaufbau - Schema Betonring – Lagerung 3 d feucht dann 60 d Klima 23 °C; 50 % RH Stahlring – Durchführung der Messungen ermitteln des ersten Risses (Erstrissbildung) • Dehnung = Summe der Rissweiten nach 60 d/Ring • Längenänderung bezogen auf Ausgangslänge (hier Umfang) TU Dresden, Institut für Baustoffe, Viktor Mechtcherine – Bauen im Bestand Dichtung - 43 - Instandsetzungsmaterial – Verpackung und Lagerung – Produktkennzeichnung (nach ASTM C1107 Abschnitt 15) – – – – – – Name des Herstellers Datum der Herstellung Verfallsdatum / Haltbarkeitsdauer Artikelnummer (nach DIN EN 1504 Prüfzeichen) Gewicht Lagerungsbedingungen Verarbeitungshinweise – Oberflächen- / Untergrundvorbereitung – Verwendung von Haftbrücken – Verarbeitung und Nachbehandlung (Mischen (Mischen, Einbringen Einbringen, Nachbehandeln) – Maximale Wasserzugabemenge oder maximales Konsistenzmaß – Fließgrenze bei maximaler Wasserzugabemenge – Maximale Verarbeitungszeit oder Topfzeit bei entsprechender Konsistenz – Maximale und minimale Temperatur der Verarbeitung TU Dresden, Institut für Baustoffe, Viktor Mechtcherine – Bauen im Bestand - 44 - Instandsetzungsmaterial – Wichtige Schritte • Oberflächenvorbereitung bzw. Vorbereiten der Betonunterlage • Herstellen der Mischung • Verarbeiten / Auftragen • Nachbehandlung • evtl. Auftragen von Oberflächenschutzsystemen • Planung der Eigenüberwachung für höchste Leistungsfähigkeit e stu gs ä g e t u und d Dauerhaftigkeit aue a t g e t TU Dresden, Institut für Baustoffe, Viktor Mechtcherine – Bauen im Bestand - 45 - Instandsetzung – Prinzip Ursache/Wirkung Die Feststellung eines Schadens ohne Verständnis der Ursache führt unvermeidbar zu frühzeitigem Versagen der Instandsetzungsmaßnahme. Instandsetzungsmaßnahme fehlgeschlagene Instandsetzung Schadensereignis Fehlerbeseitigung; Arbeitsmittel TU Dresden, Institut für Baustoffe, Viktor Mechtcherine – Bauen im Bestand Fehlschlag - 46 -
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