Oberflächenschutzsystem

Oberflächenschutzsysteme (OS) sind oft polymerhaltige Beschichtungen, die überwiegend auf Oberflächen von Stahlbetonkonstruktionen aufgetragen werden und den Stahlbeton vor äußeren Schädigungsmechanismen während seiner Nutzungsdauer schützen sollen.

Die Auswahl des Oberflächenschutzes orientiert sich zum einen an den Expositionsklassen der DIN 1045-2:2008-08 und zum anderen an den speziellen Alterungsmechanismen polymerer Werkstoffe. Von besonderer Bedeutung ist die Verhinderung der Diffusion von Kohlenstoffdioxid CO₂ in den Beton hinein sowie das Eindringen chemischer Stoffe. Weiterhin kann eine Beschichtung vor mechanischem Angriff beispielsweise durch Fahrzeugverkehr schützen.

Regelwerke und Definitionen

Folgende Richtlinien bzw. Normen sind in Deutschland und anderen europäischen Ländern in Gebrauch:

DAfStb-Richtlinie Schutz und Instandsetzung von Betonbauteilen (Instandsetzungsrichtlinie, kurz Rili-SIB), Oktober 2001
EN 1062: Beschichtungsstoffe – Beschichtungsstoffe und Beschichtungssysteme für mineralische Substrate und Beton im Außenbereich (mehrere Teile)
EN 1504-9: Produkte und Systeme für den Schutz und die Instandsetzung von Betontragwerken (mehrere Teile)
DIN 50035: Begriffe auf dem Gebiet der Alterung von Materialien – Polymere Werkstoffe
BASt Zusätzliche technische Vertragsbedingungen und Richtlinien für Ingenieurbauwerke ZTV-ING

Definitionen für die drei grundlegenden Verfahren zur Anwendung von Oberflächenschutzsystemen:

Hydrophobierung: Eine hydrophobierende Imprägnierung stellt eine wasserabweisende Beschichtung dar, welche leicht in die Oberfläche einzieht. Sie schützt nur vor dem Eindringen von Flüssigkeiten und erhöht den Diffusionswiderstand gegenüber CO₂ meist nur wenig. Sie ist besonders für Baustoffe mit einer großen Porosität geeignet, da hier ein tiefes Eindringen der Imprägnierung möglich ist. Früher wurde u. a. Testalin angewendet.
Versiegelung: Eine versiegelnde Imprägnierung liefert Schutz gegen Flüssigkeiten oder Gase und stellt eine dünne filmbildenden Schicht dar. Die Imprägnierung ist nur gering mechanisch belastbar, kann aber als Grundierung für nachfolgende Beschichtungen dienen.
Beschichtung: Beschichtungen sind stets filmbildend und bieten Schutz gegen mechanische und chemische Angriffe, Witterung und liefern je nach Elastizität einen Beitrag zur Rissüberbrückung.

Schädigungsmechanismen

Schädigungen in Anlehnung an die Expositionsklassen der DIN 1045-2:2008-08:

Chemischer Angriff (XA): Die Widerstandsfähigkeit gegen chemischen Angriff wird durch polymere Bindemittel erhöht. Da Polymere mehr oder weniger beständig gegenüber speziellen chemischen Stoffen sind, muss die Auswahl des Bindemittels nach den zu erwartenden Angriffen getroffen werden. Als schädigende Gruppen kommen in erster Linie Säuren, Laugen, Lösungsmittel und Treibstoffe in Frage.
Mechanischer Verschleiß (XM): Um einen hohen mechanischen Widerstand des Oberflächenschutzsystems zu erreichen, müssen eine ausreichende Schichtdicke und eine gewisse Elastizität (niedriger E-Modul) erreicht werden, sowie eine entsprechende Untergrundvorbereitung vorgenommen werden. Als polymere Bindemittel kommen meist EP und PUR unter Zugabe von Quarzsand zum Einsatz.
Carbonatisierung (XC): Eine Carbonatisierung des Betons durch die Aufnahme von Kohlendioxid schädigt diesen nicht unmittelbar. Durch die resultierende Reduzierung des pH-Werts kann es jedoch zur Korrosion der Bewehrung kommen. Oberflächenschutzsysteme sollten die Diffusion von CO₂ hemmen, indem die Permeabilität reduziert wird. Der Diffusionswiderstand gegenüber CO₂ wird durch die äquivalente Luftschichtdicke S_d ausgedrückt.
Chloridangriff (XS und XD): Beschichtungen, die den Diffusionswiderstand des Betons erhöhen, reduzieren auch die Aufnahme von Chloriden.

Schäden an der Beschichtung:

Versprödung des Bindemittels: UV-Strahlung, die Reaktion mit Sauerstoff sowie hohe Temperaturen können zu einer Spaltung der C-N-Bindungen führen, wodurch die Beschichtung an Elastizität verliert.
Abkreiden der Beschichtung: Die Versprödung des Bindemittels führt zu einem Substanzverlust durch Oberflächenabtrag und Abkreidung, deren Größenordnung vor allem von der Art des Polymers abhängt.

Dauerhaftigkeit der Oberflächenschutzsysteme

Die Dauerhaftigkeit von Oberflächenschutzsystemen wird vorwiegend beeinflusst von:

der Untergrundhaftung
der Polymeralterung
dem mechanischen Abrieb

Sofern die Adhäsionskraft die Beschichtung ausreichend auf dem Untergrund verankert, hängt die Lebensdauer der Beschichtung von Alterung und Abrieb des Polymers ab.

Die Dauerhaftigkeit von Oberflächenschutzsystemen lässt sich noch nicht mit ausreichender Sicherheit vorhersagen. Die Modellierung der Schädigungsmechanismen erweist sich als schwierig. Einfache probabilistische Ansätze über eine lineare Degradation im Sinne eines Widerstandsmodells lassen sich zwar relativ einfach entwickeln, spiegeln jedoch nicht die tatsächliche Verringerung der Zuverlässigkeit wider.

Die Untergrundhaftung wird überwiegend von Rautiefe und Haftzugfestigkeit der Betonoberfläche bestimmt. Gängige Prüfverfahren hierfür sind das Sandflächenverfahren und die Haftzugprüfung. Erforderliche Mindest- und Mittelwerte für die einzelnen Klassen werden in Teil 2 der Rili-SIB genannt.

Die Polymeralterung lässt sich durch eine entsprechende Schichtdicke ausgleichen. Mindest- und Maximalwerte sowie Schichtdickenzuschläge für die entsprechenden Beschichtungsklassen werden ebenfalls in der Rili-SIB angegeben.

Literatur

Rolf P. Gieler, Andrea Dimmig-Osburg: Kunststoffe für den Bautenschutz und die Betoninstandsetzung. Birkhauser Verlag, Berlin, 2006, ISBN 3-7643-6345-2.
Robert Engelfried: Über den Einfluss der Schichtdicke und der Alterung auf die Wirksamkeit von Oberflächenschutzsystemen für Betonbauteile. Dissertation, Universität Dortmund, 2000, ISBN 3-8265-8817-7.
Michael Fiebrich: Kunststoffbeschichtungen auf ständig durchfeuchtetem Beton. Beuth Verlag, Berlin 1990, ISBN 3-410-65610-3. (DAfStb Heft 410)
Michael Raupach: Erhaltung von Betonbauwerken. Vieweg + Teubner Verlag, Wiesbaden, 2008, ISBN 978-3-8351-0120-3.
Lars Wolff: Mechanismen der Blasenbildung bei Reaktionsharzbeschichtungen auf Beton. Beuth Verlag, Berlin 2009, ISBN 978-3-410-65049-2. (DAfStb Heft 576)

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