Typische Schadensbilder bei Schwimmbädern – Ursachen und
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Typische Schadensbilder bei Schwimmbädern – Ursachen und
Typische Schadensbilder bei Schwimmbädern – Ursachen und Lösungsansätze Dr.-Ing. Lars Wolff Ingenieurbüro Raupach Bruns Wolff, Aachen, Deutschland Prof. Dr.-Ing. M. Raupach Institut für Bauforschung der RWTH Aachen, ibac, Deutschland Zusammenfassung Schwimmbäder stellen im allgemeinen Hochbau stets Sonderkonstruktionen dar. Sowohl Stahl- als auch Spannbetonkonstruktionen finden in der Ausführung der Becken Anwendung. Eine gesonderte Betrachtung der dauerhaften Sicherstellung der Standsicherheit und Gebrauchstauglichkeit solcher Konstruktionen, beispielsweise der DIN 1045, Teil 1 erfolgt jedoch nicht. Die Erfahrung zeigt allerdings, dass je nach Art der Konstruktion der Becken und der Art der Desinfektion mitunter auch bei Schwimmbädern gravierende Schäden infolge einer chloridinduzierten Korrosion auftreten können. Im folgenden Beitrag werden zunächst aus Sicht der Dauerhaftigkeit die Anforderungen an die Konstruktion von Schwimmbädern beschrieben. Zudem werden typische Verfahren zur Desinfektion von Badwasser erläutert und die sich daraus ergebenden möglichen Chloridkonzentrationen im Badwasser abgeleietet. Anschließend erfolgt anhand eigener Projekte eine Beschreibung typischer Schadensfälle bei Schwimmbädern infolge einer chloridinduzierten Korrosion sowie grundsätzlich mögliche Varianten einer Instandsetzung der Beckenkonstruktionen. Summary Swimming bathes are special constructions in the area of building constructions. Both reinforced as well as prestressed concrete structures are common for the design of the basins. A separate consideration of the durability of stability and serviceability of such constructions is nevertheless not considered in the German standard DIN 1045, part 1. The experience instead shows that depending on the type of design of the basing and the technique of disinfection also swimming bathes may show severe damage caused by chloride induced corrosion of the reinforcement. In the introduction of this paper firstly the different demands of German standards and guidelines on the durability of the construction of swimming bathes are compared. Furthermore typical techniques for the disinfection of the water are described as well as resulting chloride concentrations in the swimming water. Afterwards examples of typical damages of swimming bathes caused by chloride induced corrosion of the reinforcement are given. Finally methods for the repair of swimming bathes are described generally. 1. Einleitung Schwimmbäder, d.h. vor allem Hallen- aber auch Freibäder, zählen üblicherweise zu Bauwerken des Hochbaus und werden in den maßgebenden Regelwerken für die Bemessung und Konstruktion, z.B. der DIN 1045, Teil 1, hinsichtlich der Anforderungen zur Sicherstellung der Dauerhaftigkeit der Konstruktion (dauerhafte Sicherstellung der Standsicherheit und Gebrauchstauglichkeit) nicht gesondert betrachtet. Die Erfahrung zeigt jedoch, dass auch im Fall des „normalen“ Badwassers, d.h. keine Solewässer, je nach Art der Desinfektion des Badwassers sowie der Details der Konstruktion ein nennenswertes Risiko für eine chloridinduzierte Korrosion der Bewehrung bestehen kann. Auch Reinigungsmittel stellen in Schwimmbädern eine nicht zu vernachlässigende Beanspruchung dar, die sowohl zu einer Schädigung des Betons als auch der Bewehrung beitragen kann. Nicht zuletzt haben die klimatischen Beanspruchungen in Schwimmbädern einen nennenswerten Einfluss auf die Dauerhaftigkeit der Konstruktion und die Geschwindigkeit ablaufender Schädigungsmechanismen. 2. Regelwerke Schwimmbäder bzw. deren Beckenkonstruktionen werden in den einschlägigen Normen zur Konstruktion und Bemessung von Stahl- bzw. Spannbetonbauteilen (z.B. der aktuellen Ausgabe der DIN 1045-1:2008-08 [1]), im Gegensatz beispielsweise zu direkt befahrenen Parkdecks nicht gesondert betrachtet. So werden für Schwimmbäder ohne Solebetrieb keine besonderen Anforderungen an die Betondeckung oder Betonzusammensetzung gestellt. Auch der Bauteilkatalog der Betonmarketing Deutschland [2] führt Schwimmbäder explizit nicht auf. Betrachtet man allerdings einige weniger bekannte Regelwerke für die Planung, Konstruktion und Abdichtung von Schwimmbädern, so tauchen hier durchaus deutlich über die DIN 1045-1:2008-08 [1] hinausgehende Forderungen hinsichtlich der Sicherstellung der Dauerhaftigkeit der Konstruktion der Stahl- oder Spannbetonbecken auf: So nennt die KOK-Richtlinie [3] eine Mindestbetondeckung von 50 mm. Hierbei wird jedoch nicht zwischen cmin und nom c unterschieden. Ob dieser Wert von 50 mm somit bereits das Vorhaltemaß Δc enthält, ist nicht direkt ersichtlich. Das ZDB-Merkblatt „Abdichtung in Verbund mit Fliesen und Platten“ [4] nennt 50 mm sowie bei den Expositionsklassen XS2, XD2 sowie XA2 55 mm, jeweils inklusive des Vorhaltemaßes, welches jedoch nicht weiter spezifiziert wird. Das ZDB-Merkblatt verweist zudem auf die in den KOKRichtlinien genannte Betondeckung von 50 mm und klassifiziert diesen Wert der KOK-Richtlinien als cnom, also inklusive Vorhaltemaß. Die DIN 1045-1 hingegen fordert aufgrund der Einordnung in die Expositionsklasse XC4 lediglich eine Betondeckung von cmin = 25 mm (bei Stabdurchmessern bis 25 mm) bzw. von 30 mm (bei Stabdurchmessern von 28 mm). Das Vorhaltemaß beträgt i.d.R. 15 mm, ggf. ist eine Reduktion auf 10 mm möglich. Dies bedeutet, dass hinsichtlich der Einstufung der Betondeckung ein Unterschied zwischen der DIN 1045-1:2008-08 und weiteren einschlägigen Regelwerken von ca. 10 bis 15 mm besteht (je nach angesetztem Vorhaltemaß und Stabdurchmesser) Aufkonzentrationen an kritischen Punkten erforderlich ist. Zu gebräuchlichen Verfahren der Desinfektion zählen beispielsweise (siehe z.B. auch [5]): • • • • • Chlorgasverfahren Natriumhypochloritverfahren Calciumhypochloritverfahren Wasseraufbereitung mit Ozon Ultrafiltration Als Beispiele seien hier die Lösung von Chlorgas in Wasser (Gleichung 1) oder die Chlorung mit dem Natriumhypochloritverfahren (Gleichung 2) aufgeführt: Lösung von Chlorgas in Wasser: Cl2 + H2O → HCl + HClO Gleichung 1 Chlorung mittels Natriumhypochloritverfahren NaClO + H2O → NaOH + HClO Gleichung 2 In beiden Fällen bildet sich eine hypochlorige Säure. Diese reagiert im Schwimmbadwasser mit allen oxidierbaren organischen Substanzen und Verbindungen, wird also verbraucht. Die im Schwimmbadwasser vorhandene Chloridkonzentration hängt neben dem aus der Desinfektion resultierenden Chlorid auch von weiteren Faktoren wie z.B. dem Ausgangschloridgehalt des Badwassers, den Anreicherungen durch Verdunstung aber auch Chloriden aus dem Schweiß der Besucher ab. Typische Chloridgehalte im Badwasser von Schwimmbädern (ohne Solebäder oder Meerwasserschwimmbäder) liegen erfahrungsgemäß in der Größenordnung von 200 bis 400 mg/l, siehe z.B. [5] oder [6]. Ohne Aufkonzentrationen an kritischen Punkten stellt diese Chloridkonzentration i.d.R. keine Gefahr einer chloridinduzierten Korrosion der Bewehrung dar. Anders sieht dies jedoch an lokalen Detailpunkten aus, an denen mit der Zeit Aufkonzentrationen auftreten können oder an denen aus anderen Quellen, z.B. Putzmitteln, zusätzliche Chloride zugeführt werden. Diese Punkte werden im Folgenden weiter behandelt. 3. Chloridbelastung aus dem Badwasser Die Schwimmbadtechnik hat sich hinsichtlich der Desinfektion des Badwassers in den letzten Jahrzehnten deutlich weiter entwickelt. Dennoch verfügen viele Schwimmbäder noch über vergleichsweise alte Anlagen zur Desinfektion, so dass hier stets eine Einzelfallbetrachtung hinsichtlich der tatsächlich vorhandenen Chloridkonzentrationen im Badwasser bzw. möglicher 4. Chloridbelastung aus Putzmitteln Auch aus Reinigungsmitteln kann eine Chloridbelastung resultieren. Vor allem für die Entfernung von Kalkablagerungen oder die Reinigung der Fugen der Fliesenbeläge werden von vielen Schwimmbadbetreibern gerne hochkonzentrierte Säuren eingesetzt. Zum einen kann durch diese Säuren der mineralische Baustoff angegriffen werden, was beispielsweise bei mineralischen Fugen bereits nach wenigen Jahren zu einem nennenswerten Instandsetzungsbedarf (Neuverfugung der Fliesenbereiche) führen kann. oder Spannbetonbauteile, z.B. Dachbinder, i.d.R. eine vernachlässigbare Gefahr einer chloridinduzierten Korrosion auf, siehe auch Bild 2. So wurde bei in diesem Bereich untersuchten Spannbetonbindern lediglich an der Betonoberfläche eine marginal erhöhte Chloridkonzentration festgestellt. Zum anderen kann durch den regelmäßigen Einsatz z.B. salzsäurehaltiger Reinigungsmittel auch mittelfristig eine chloridinduzierte Korrosion begünstigt werden. Vor allem bei Stützenfüßen kann, bei entsprechend geringer Betondeckung, hierdurch auch weit entfernt vom Schwimmbecken eine chloridinduzierte Korrosion auftreten. 5. Schadensbilder bei Schwimmbecken aus Stahl- und Spannbeton Wie bereits ausgeführt ist mit einer chloridinduzierten Korrosion der Bewehrung weniger an direkt mit Badwasser beaufschlagten Bauteilen sondern vor allem an lokalen Detailpunkten, an denen Aufkonzentrationen möglich sind, zu rechnen. Zu solchen kritischen Detailpunkten zählen beispielsweise Stützenfüße nahe des Schwimmbeckens, Außenseiten der Schwimmbadumfänge im Bereich von (undichten) Durchdringungen, Rissen sowie Bauteilfugen. Im folgenden Bild ist die freigelegte Bewehrung einer Stütze mit z.T. signifikanten Querschnittsverlusten infolge einer chloridinduzierten Korrosion der Bewehrung dargestellt. Die Chloridbelastung ist mit großer Wahrscheinlichkeit auf eine Kombination sowohl aus dem Badwasser als auch auf die Verwendung salzsäurehaltiger Reinigungsmittel zurückzuführen. Der Chloridgehalt betrug nach einer Standzeit von ca. 40 Jahren etwa 0,6 M.-%/Zement in einer Tiefe von 30 mm. Bild 1: Chloridinduzierte Korrosion der Bewehrung einer Stahlbetonstütze (Entfernung zum Beckenrand etwa 1 m) Im Gegensatz zu Stahlteilen weisen Stahlbetonbauteile außerhalb einer direkten Beaufschlagung mit Badwasser oder Putzmitteln nur eine sehr geringe Wahrscheinlichkeit einer chloridinduzierten Korrosion auf. Während auch im Bereich abgehängter Decken Stahlbauteile erhebliche Korrosionsschäden aufweisen können (siehe z.B. [5]), weisen vergleichbar belastete Stahl- Bild 2: Abgehängte Decke in einer Schwimmhalle mit darüber liegenden Stahlbetonbindern, hier liegt i.d.R. keine nennenswerte Gefahr einer chloridinduzierten Korrosion vor Besonders kritisch hingegen sind Bauteilfugen oder Durchdringungen. So läuft in beiden Fällen stetig Wasser über die an Bauteilfugen oder Durchdringungen angrenzenden Bauteiloberflächen, verdunstet und hinterlässt Chloridablagerungen. Konzentrieren sich diese mit der Zeit auf, sind hier hohe Chloridkonzentrationen und damit eine chloridinduzierte Korrosion der Bewehrung möglich. Aufgrund der i.d.R. höheren Temperaturen in Schwimmbädern sind die dabei auftretenden Korrosionsraten häufig höher verglichen z.B. mit Parkbauten. Ebenso ist tendenziell bereits bei geringeren Chloridgehalten mit einer Imitierung einer chloridinduzierten Korrosion zu rechnen. In den folgenden beiden Bildern sind Aufnahmen der Außenseite der Beckenwände zweier Schwimmbäder unterhalb der Bauteilfugen dargestellt. In beiden Fällen ist über viele Jahre Wasser aus dem Schwimmbecken über die undichte Bauteilfuge ausgetreten und direkt über die dargestellten Wandflächen gelaufen. Die maximal ermittelten Chloridkonzentrationen betrugen im linken Bild etwa 0,6 M.-%/Zement und im rechten Bild mehr als 3 M.-%/Zement. Die Korrosion ist in beiden Fällen allerdings auf eine Kombination aus chloridinduzierter und karbonatisierungsinduzierter Korrosion zurückzuführen. Bild 3: Außenseiten der Beckenwände zweier Schwimmbecken jeweils unterhalb einer Bauteilfuge Dieses Problem tritt vor allem dann auf, wenn die Decke des Beckenumgangs direkt auf die Beckenwände aufgelagert wird. Diese Variante ist bei früheren Konstruktionen recht häufig ausgeführt worden, birgt aber das Risiko, dass bei Undichtigkeiten der Fuge Wasser direkt in den Beckenumgang eindringen kann. Im ZDB-Merkblatt „Abdichtung in Verbund mit Fliesen und Platten“ [4] werden solche Varianten nicht mehr empfohlen. Hier werden ausschließlich Varianten aufgeführt, bei denen die Fuge zwischen Beckenkonstruktion und dem übrigen Bauwerk zurückversetzt ist, siehe auch Bild 4. Bild 4: Statische Systeme und Anordnung der Bewegungsfuge zwischen Beckenkonstruktion und übrigem Bauwerk nach [4] Aus anderer Sicht kritisch sind im vorgezeigten Bild jedoch die Fälle a) und c). So ist in beiden Fällen eine dehnfähige Abdichtung der Fuge zwischen den beiden Bauteilen erforderlich. Diese Dehnungsfuge stellt jedoch i.d.R. ein Wartungsdetail dar, ggf. auftretende Schäden müssen zeitnah behoben werden, um Undichtigkeiten und im Weiteren Korrosionsschäden an den Stahlbetonbauteilen und den Installationen im Beckenumgang zu vermeiden. Im folgenden Bild ist eine derartige Bewegungsfuge dargestellt. Aufgrund von Bewegungen und Versprödung des Fugendichtstoffes kam es zu Flankenablösungen, so dass jahrelang aus dem Schwimmbecken hochspritzendes und auf den Fliesen aufstehendes Wasser durch die Fuge laufen konnte. An den Stahlbetonbauteilen unterhalb dieser Fuge wurden in einer Tiefe von 0 bis 15 mm Chloridkonzentrationen von mehr als 1 M.-%/Zement ermittelt. Auch im Bereich von Durchdringungen sind ähnliche Chloridkonzentrationen und Schadensbilder wie bei den in Bild 3 gezeigten Fällen möglich. Im folgenden Bild ist die Rückseite eines Unterwasserscheinwerfers im Beckenumgang eines Schwimmbeckens gezeigt. Hier trat über viele Jahre hinweg stets Wasser aus dem Becken aus, so dass auch hier signifikant erhöhte Chloridkonzentrationen im Bereich der Ablaufspuren auftraten. Bild 6: Rückansicht eines Unterwasserscheinwerfers mit lokalen Undichtigkeiten 6. Schadensbilder bei Beckeninnenabdichtungen Gemäß der KOK-Richtlinien für den Bäderbau [3] können Schwimmbecken sowohl als Weiße Wanne oder mit innenliegender Abdichtung ausgeführt werden. Beide Bauweisen haben ihre Vor- und Nachteile. Während bei WU-Konstruktionen vor allem Trennrisse zu Problemen führen können, sind die möglichen Probleme bei Verbundabdichtungen weitaus schwieriger. Dazu zählen beispielsweise: • • • • Bild 5: Flankenablösungen des Dichtstoffs in einer Bewegungsfuge Flüssigkeitsgefüllte Blasen bei polymeren Abdichtungen mit Flüssigkunststoff Ablösungen und Hinterläufigkeiten der Abdichtung Perforationen der Abdichtung z.B. durch mechanische Beanspruchung während der Bauphase oder fehlerhafte Absandung mit Quarzsand Risse durch Überschreiten der maximalen Rissüberbrückungsfähigkeit In den folgenden Bildern sind beispielhaft eine flüssigkeitsgefüllte Blase in einer Abdichtung aus PURFlüssigkunststoff (links) oder Ablösungen einer Poly- mer-Zementschlämme infolge des fehlerhaften Einbaus eines Dichtbandes (rechts) dargestellt. Bild 7: Schäden bei Verbundabdichtungen von Schwimmbecken: Flüssigkeitsgefüllte Blase (links) sowie Ablösung des fehlerhaft eingebauten Dichtbandes (rechts) Aus diesem Grund ist bei Applikation der Abdichtung in allen Phasen, d.h. bei Vorarbeiten im Bereich von Durchdringungen, bei der Untergrundvorbereitung, Bei Aufbringen der Abdichtung und beim Schutz derselben während des Aufbringens des Fliesenbelages eine hohe Sorgfalt erforderlich. In den folgenden beiden Bildern ist eine luftgefüllte Blase in einer Abdichtung auf Basis einer PolymerZementschlämme im Bereich des Beckenbodens dargestellt. Die Ursache dieser Blase waren Rückstände von Hautschutzcremes auf dem Untergrund. So befand sich in diesem Bereich während der Applikation der Abdichtung der Mischplatz. Bild 9: Erneuerung der Abdichtung in einem bestehenden Schwimmbad 7. Instandsetzung von Schwimmbädern Sind Schäden an Schwimmbädern infolge einer chloridinduzierten Korrosion wie z.B. in Bild 10 gezeigt, vorhanden, ist stets zunächst eine umfassende Untersuchung des Ist-Zustandes erforderlich. Bild 10: Beckenwand Innen unterhalb eines ehemals vorhandenen Fliesenbelages, Querschnittsverluste der Bewehrung infolge einer chloridinduzierten Korrosion Bild 8: Blase in einer Abdichtung auf Basis einer Polymer-Zementschlämme aufgrund von Verunreinigungen des Untergrundes durch Hautschutzcremes vor dem Öffnen (oben) und nach dem Öffnen (unten) Vor allem die Abdichtung bestehender Schwimmbecken stellt alle Beteiligten vor eine hohe Herausforderung. So sind häufig nicht bekannte und nicht direkt erkennbare Öffnungen im Becken vorhanden oder die Konstruktion von ggf. vorhandenen Dehnungsfugen ist unbekannt. Eine Potentialfeldmessung zur Feststellung der Korrosionswahrscheinlichkeit ist auf der Außenseite i.d.R. leicht anwendbar, da die Beckenumgänge abgesehen von lokal vorhandener Schwimmbadtechnik üblicherweise leicht zugänglich sind. Anders sieht es hingegen auf den Innenseiten aus. Hier verhindern Fliesenbelag sowie ggf. eine vorhandene Abdichtung eine umfangreiche Erfassung des Ist-Zustandes im Vorfeld der Baumaßnahme, siehe auch Bild 11. Bild 11: Betondeckungsmessungen auf der Beckeninnenseite eines Schwimmbeckens Bild 12: Reprofilierung eines runden Schwimmbeckens mit Spritzbeton Bei Schäden infolge einer chloridinduzierten Korrosion der Bewehrung bieten sich bei Schwimmbädern aufgrund der besonderen Gegebenheiten i.d.R. nicht alle Instandsetzungsprinzipien der RL SIB [7] an. 8 Zusammenfassung und Ausblick So ist das Prinzip W-Cl („Trockenlegung“) aufgrund des einseitig anstehenden Badwassers bei den Beckenwänden problematisch. Auch in anderen nicht direkt wasserberührten Bereichen ist dieses Verfahren aufgrund der i.d.R. dauerhaft hohen Luftfeuchte unter Umständen nicht zielführend, da aufgrund des geringen Partialdruckgefälles nicht von einer nennenswerten Austrocknung des zu schützenden Bauteils auszugehen ist. Sollte dieses Verfahren tatsächlich in Einzelfällen angewendet werden, ist hier die Installation geeigneter Sensoren zur Überprüfung der Austrocknung des Betons und damit des Erfolges der Instandsetzung zu empfehlen. Die Anwendung des Kathodischen Korrosionsschutzes ist grundsätzlich denkbar. Je nach Lage der zu schützenden Bauteile sind jedoch die Anforderungen an die Isolation der Elektroinstallationen zu beachten. Das Verfahren der Wahl ist häufig das Prinzip R-Cl, d.h. der gesamte nennenswert chloridbelastete Beton wird entfernt und das Bauteil anschließend reprofiliert. Bei komplizierten Beckengeometrien bietet sich hier vor allem die Reprofilierung mit Spritzbeton an, siehe auch Bild 12. Im vorliegenden Beitrag wurden die Anforderungen verschiedener Regelwerke an die Konstruktion von Schwimmbädern, besonders der Schwimmbecken beschrieben. Hier zeigt sich ein gewisser Widerspruch hinsichtlich der Betondeckung zwischen der DIN 1045, Teil 1 sowie einschlägigen Regelwerken, z.B. der KOK-Richtlinien. Dies sollte bei der Planung von Schwimmbädern entsprechend berücksichtigt oder kommentiert werden. Auf die außerordentlich schwierige Problematik bei Sole- und Thermalbädern wurde in diesem Beitrag nicht eingegangen, hierzu siehe beispielsweise [8]. Auch wenn die Chloridgehalte im Badwasser i.d.R. in einem für eine chloridinduzierte Korrosion der Bewehrung unkritischen Bereich liegen, so zeigt doch die Erfahrung, dass an lokalen Detailpunkten kritische Aufkonzentrationen und damit eine chloridinduzierte Korrosion der Bewehrung möglich sind. Die Abdichtung und Instandsetzung von Schwimmbädern erfordert eine hohe Sorgfalt 9 Literaturverzeichnis [1] [2] DIN 1045-1: Deutsche Norm, Tragwerke aus Beton, Stahlbeton und Spannbeton, Teil 1: Bemessung und Konstruktion, August 2008 Kampen, R. , Peck, M. , Pickhardt, R., Richter, T.: Bauteilkatalog - Planungshilfe für dauerhafte Betonbauteile. 6. überarbeitete Auflage 2009. Herausgeber: BetonMarketing Deutschland [3] [4] [5] [6] [7] [8] KOK-Richtlinien für den Bäderbau. Ausgabe 2002. Herausgeber: Deutsche Gesellschaft für das Badewesen e. V. Zentralverband des Deutschen Baugewerbes e.V.: Merkblatt „Abdichtung in Verbund mit Fliesen und Platten“ Ausgabe Juli 2008 Stichl, W. : Korrosion und Korrosionsschutz von Metallen in Schwimmhallen. In: Forschungsbericht 126 der Bundesanstalt für Materialforschung und –prüfung BAM, Berlin. 1986 Gehlen, C. , Hilbig, H. : Dauerhaftigkeit von Stahlbeton- und Spannbetonbauteilen in Schwimmbädern. In: Vortrag im Rahmen der 14. Sitzung des Arbeitskreises "Korrosion im Bauwesen" am 15.06.2010 in Helgoland Deutscher Ausschuss für Stahlbeton ; DAfStb; DAfStb-Instandsetzungs-Richtlinie: Schutz und Instandsetzung von Betonbauteilen. Teil 1: Allgemeine Regelungen und Planungsgrundsätze. Teil 2: Bauprodukte und Anwendung. Teil 3: Anforderungen an die Betriebe und Überwachung der Ausführung. Teil 4: Prüfverfahren. Ausgabe Oktober 2001. Berlin: Deutscher Ausschuss für Stahlbeton, 2001; einschließlich Berichtigungsblättern Raupach, M. : Korrosionsprobleme und Schutzmöglichkeiten bei Solebädern - Grundlagen und Praxisbeispiele In: Vortrag im Rahmen der 14. Sitzung des Arbeitskreises "Korrosion im Bauwesen" am 15.06.2010 in Helgoland