Beständigkeit von Carbonbewehrungen gegen Hydrophobierungen

Stahlbeton wird im Bauwesen weltweit flächendeckend eingesetzt. Er hat aber eine entscheidende Schwäche: Seine Bewehrung kann korrodieren. Um dieses Risiko zu minimieren, wird er zuweilen durch eine Hydrophobierung geschützt. Carbonbeton hat diese Schwäche nicht – dennoch kann es sinnvoll sein, den innovativen Baustoff vor eindringendem Wasser und damit vor Frostschäden zu bewahren. Solidian hat in Zusammenarbeit mit der Panta Ingenieure GmbH untersucht, wie sich entsprechende Chemikalien auf Carbonbewehrungen auswirken.

Stahlbeton ist ein weit verbreitetes Baumaterial, das wegen seiner hohen Festigkeit und Vielseitigkeit geschätzt wird. Jedoch hat er eine Schwachstelle: Wasser kann in die Poren und Risse des Betons eindringen und beschleunigen, dass die Stahlbewehrung korrodiert. Das beeinträchtigt die Tragfähigkeit der Konstruktion, führt häufig zu kostspieligen Reparaturen oder gar zum Verlust der Standsicherheit. Um die Wasseraufnahme des Betons zu reduzieren, kann er mit wasserabweisenden Mitteln behandelt, d. h. hydrophobiert werden. Es gibt verschiedene Verfahren. Dazu gehören: die Zugabe von speziellen Mitteln bei der Betonherstellung, sowie die Imprägnierung und die Oberflächenbehandlung. Sowohl bei der Imprägnierung als auch bei der Oberflächenbehandlung werden Chemikalien wie Silane oder Siloxane verwendet (siehe Textkasten unten).

Carbonbeton

Im Gegensatz zu Stahlbeton besteht die Armierung von Carbonbeton aus Materialien, die nicht korrodieren. Dadurch ist eine minimale Betondeckung zum Schutz der Bewehrung ausreichend. Dies reduziert den Betonbedarf bei vielen Anwendungen erheblich. In Kombination mit der äußerst hohen Zugfestigkeit von Carbon sind tragende Betonbauteile mit einer Dicke ab nur 30 mm möglich. Dadurch reduziert sich der Einsatz von Zement und Zuschlägen, was zu einer besseren Umweltbilanz beiträgt.

Zudem bringt dies Vorteile bei Transport, Bauzeit, Flächennutzung und vielem mehr mit sich. Darüber hinaus ist Carbonbeton äußerst resistent gegen chemische Einflüsse, Salzwasser und Verschleiß. Er ist also bereits ohne ein Oberflächenschutzsystem sehr beständig und dauerhaft. Um sicherzustellen, dass Hydrophobierungen keine negativen Auswirkungen auf Carbonbewehrungen haben, führte Solidian in Zusammenarbeit mit der Panta Ingenieure GmbH eine Untersuchung durch.

Zugtragfähigkeit

Bei der Hydrophobierung entschieden sich die Verantwortlichen für vier unterschiedliche Imprägniersysteme führender Hersteller (siehe Textkasten unten). Um ein repräsentatives Test-ergebnis zu erhalten, führten sie die Untersuchungen an Solidian Grid (Q71-CCE‑51) durch. Diese Bewehrungsmatte ist stofflich mit anderen epoxidharzgetränkten Carbongitterbewehrungen von Solidian identisch, der wichtigste Unterschied liegt lediglich in der Geometrie.

Zu Beginn des Tests wurde die Ausgangszugfestigkeit der Carbon-Faserstränge gemäß ISO 10406-1:2015-01 bestimmt. Die Normen zur Prüfung der dauerhaften Beständigkeit von nicht metallischen Bewehrungen gegenüber verschiedenen chemischen Einwirkungen sind bisher nicht vollständig standardisiert. Die ISO 10406-1:2015-01 beschreibt neben der mechanischen Zugprüfung der Faserstränge auch ein Alterungsverfahren zur Bewertung der Beständigkeit gegenüber Alkali-Ionen im Beton.

Diesen prüftechnischen Ansatz übernahmen die Mitarbeiter der Solidian GmbH und lagerten die Faserstränge für 30 Tage bei 60 °C in den Hydrophobierungsmitteln aus.

Ablauf der Prüfungen

Hiervor fotografierten sie Prüfstücke, um eventuelle optische Veränderungen bewerten zu können. Das Einlagern in das temperierte Hydrophobierungsmittel belastet die Faserstränge stärker, als es später im tatsächlichen Bauteil der Fall sein wird, da evtl. chemische Zersetzungsvorgänge bei höheren Temperaturen beschleunigt werden. Es wird angenommen, dass eine 30-tägige beschleunigte Alterung unter diesen Bedingungen eine Lebensdauer von mehreren Jahrzehnten simuliert.

Nachdem die Labormitarbeiter die Faserstränge der Hydrophobierung entnommen hatten, spülten sie diese mit Leitungswasser ab, trockneten sie oberflächlich und lagerten diese für mindestens 48 Stunden unter Laborklima ein. Anschließend wurden die Faserstränge erneut fotografiert.

Ergebnisse

Anhand der Bilder konnten die Verantwortlichen nun einen Vorher-Nachher-Vergleich durchführen. Hierbei stellten sie fest, dass abgesehen von geringfügigen Ablagerungen auf der Oberfläche keine Anzeichen von Alterung oder Ablösung erkennbar waren. Bei Ablösungen erscheinen die sonst glänzenden Carbonstränge matt. Dies war im vorliegenden Fall nicht zu beobachten.

Die Ergebnisse zur mittleren Zugfestigkeit sowie die minimalen und maximalen Werte der jeweiligen Prüfserien sind in Abb. 1 zu sehen. Vor dem Behandeln mit der Hydrophobierung lag die mittlere Zugfestigkeit des Solidian Grids bei 3.550 MPa. Danach schwankten die mittleren Zugfestigkeiten um etwa 5 % um diesen Referenzwert. Die niedrigste mittlere Zugfestigkeit wurde mit 3.370 MPa bei dem Produkt von Wacker Chemie gemessen. Dieser Minimalwert resultiert aus einem niedrigen Einzelwert in der Prüfserie, welche je Hydrophobierung aus insgesamt fünf Versuchen bestand. Bei dem Test wies die Carbonbewehrung keine signifikanten Festigkeits- oder sichtbaren Oberflächenveränderungen auf.

Fazit

Die Untersuchung ergab, dass Hydrophobierungen keinen wesentlichen Einfluss auf die Langzeitbeständigkeit und Festigkeit von Carbonbewehrungen haben. Daher kann Beton zweifelsfrei damit behandelt werden. Es wird empfohlen, die Hinweise der Technischen Richtlinie Instandhaltung des DiBt und Schießl-Pecka/Strehlein zu Planung, Ausführung sowie zur Bauüberwachung und Qualitätssicherung zu beachten.