Anforderungsprofil und Qualitätskontrolle einer hydrophobierenden Massnahme

• Forschungsstelle: ASTRA SBT
• Projektnummer: AGB1998/098
• Projekttitel Englisch: Requirements for and quality control of a water repellent treatment

Schlüsselwörter (Deutsch)

Anforderungsprofil, Qualitätskontrolle, hydrophobierende Massnahme, Hydrophobierung, Beton

Schlüsselwörter (Englisch)

Water repellent treatment, quality control

Alternative Projektnummern (Deutsch)

83/98

Kurzbeschreibung (Deutsch)

Durch das Hydrophobieren kann die Wasseraufnahme verringert und damit auch der Widerstand gegen das Eindringen betonaggressiver chemischer Verbindungen in zementgebundene Werkstoffe deutlich vergrössert werden. Damit verbunden ist auch eine Verbesserung des Frost- bzw. Frost--Tausalzwiderstandes des Betons. Die Wirkung einer Hydrophobierung hat somit auch einen direkten Einfluss auf die Dauerhaftigkeit eines Betonbauwerks und damit auf Unterhaltskosten und Nutzungsdauer. Der Erfolg einer Hydrophobierung wird direkt durch die Reduktion der Aufnahme wässriger Lösungen charakterisiert. Für eine erfolgreiche Hydrophobierung muss aber in jedem Fall das Anforderungsprofil zunächst sehr präzis definiert werden. Bei vielen in der Praxis ausgeführten Hydrophobierungen werden die Anforderungsprofile gar nicht genannt und entsprechend werden selbst Mindestanforderungen nicht erfüllt. In anderen Fällen werden die gestellten Ansprüche mehr als erfüllt. Der wechselhafte Erfolg einer hydrophobierenden Massnahme ist dabei häufig bereits durch die Ausschreibung vorprogrammiert. Die Planung einer hydrophobierenden Massnahme ist derzeit nur bedingt oder überhaupt nicht möglich. Es fehlen häufig die relevanten Angaben über notwendige Eigenschaften des Hydrophobierungsmittels, erforderliches Eindringprofil und zu dem Zustand des Untergrundes oder Daten zur Applikationstechnologie bzw. Methoden zur Qualitätskontrolle. Das Ziel dieser Forschungsarbeiten ist es daher, der projektierenden Stelle diese Daten übersichtlich und praxisgerecht zur Verfügung zu stellen, mit dessen Hilfe er die hydrophobierende Massnahme gezielt ausschreiben, die Applikation sinnvoll überwachen und den Erfolg der Ausführung durch eine angemessene Qualitätskontrolle überprüfen kann.

Kurzbeschreibung (Englisch)

So far water repellent treatment has been very controversial for practical applications. The reason for this is mainly the fact that there is no rational basis for application technologies. Within this project the rate of penetration and the corresponding penetration depth is to be studied as function of the quality of concrete. The aim of the project is to define clear requirements for the application of water repellent agents. A reliable test method is to be developed in order to be able to determine penetration profiles of water repellent agents. The obtained results are transferred to practising engineers by publications and by direct contact.

Projektziele (Deutsch)

Bereitstellen einer Basis für die ingenieurmässige Planung einer hydrophobierenden oberflächentechnologischen Massnahme und Entwickeln einer greifenden Qualitätskontrolle.

Projektziele (Englisch)

Water repellent treatment
A basis for engineering design of surface treatment with water repellent agents is to be established. At the same time a major aim is to develop a system for quality control of the treatment.

Zielerreichung (Deutsch)

Die Forschungsziele wurden weitestgehend erreicht, einige neue Fragestellungen haben sich ergeben. Die praktische Umsetzung soll durch die erwähnte Richtlinie realisiert werden.

Abstract (Deutsch)

Zementgebundene Werkstoffe wie Mörtel und Beton sind nutzungsbedingt einer dauernd wachsenden Umweltbelastung ausgesetzt. Insbesondere Infrastrukturbauwerke des Strassenbaus wie Brücken oder Tunnel müssen häufig bereits nach einer kurzen Nutzungsdauer mit erheblichem Aufwand instandgesetzt werden.
Zementgebundene Werkstoffe haben ein weitverzweigtes Porensystem, welches in der Lage ist, Flüssigkeiten rasch und in beträchtlicher Menge kapillar aufzunehmen. Sämtliche wichtigen Schadensmechanismen an Stahlbetonbauwerken stehen in direktem oder indirektem Zusammenhang mit Wasser. Eine Hydrophobierung ist eine geeignete Oberflächenschutzmassnahme, um die kapillare Flüssigkeitsaufnahme durch zementgebundene Werkstoffe zu verhindern.
Das Ziel dieser Arbeit war es, die wesentlichen Einflussfaktoren auf die Wirksamkeit einer Hydrophobierung zu erkennen, zu quantifizieren und damit die Grundlagen für eine erfolgreiche Planung und Durchführungen zu schaffen. Weiter sollten die Möglichkeiten und Grenzen dieser Massnahme untersucht und aufgezeigt werden, um ein zielgerichtetes Vorgehen zu ermöglichen,
Um die wesentlichen Einflussfaktoren auf den Erfolg einer Hydrophobierung erkennen zu können, wurden an einem Praxisobjekt umfangreiche Untersuchungen durchgeführt. Dabei wurde festgestellt, dass die Betonqualität und die Feuchtigkeitsverteilung entscheidenden Einfluss haben, während das Betonalter und die Zementart eher von untergeordneter Bedeutung sind.
Eine an die Anforderungen angepasste Technik ist wesentlich für eine erfolgreiche Applikation. In einer Reihe von Experimenten wurden unterschiedliche Applikationsarten miteinander verglichen. Es stellte sich heraus, dass die in der Praxis weit verbreitete Nass-in-Nass Applikation von flüssigen Systemen in den meisten Fällen die Anforderung nicht erfüllen kann. Aufgrund dieser Ergebnisse wurden neue Methoden der Applikation entwickelt. Es konnte gezeigt werden, dass eine Vorhydrophobierung eine geeignete Massnahme der Vorbehandlung ist und damit die erzielbaren Eindringtiefen wesentlich erhöht werden können.
Durch eine Nachbehandlungsmassnahme können die wirksame Eindringtiefe und der Wirkstoffgehalt in der oberflächennahen Betonrandzone erheblich erhöht werden. Damit erhöht eine Nachbehandlung insbesondere bei dichten Betonen die Erfolgschancen einer Hydrophobierungsmassnahme entscheidend.
Mit zyklischen Belastungsversuchen mit Chloridlösung wurde der Widerstand gegen Chlorideindringung von unbehandelten und unterschiedlich hydrophobierten Versuchskörpern untersucht. Die Ergebnisse belegen, dass mit einer richtig ausgeführten Hydrophobierung eine zuverlässige Chloridbarriere erzielt werden kann. In einer weiteren Versuchsreihe wurde der Einfluss einer Hydrophobierung auf bereits korrodierende Bewehrung untersucht. Unter einer zyklischen Chloridbelastung konnte der Korrosionsstrom durch eine Hydrophobierung auf ca. 20% der unbehandelten Versuchskörpern reduziert werden.
Untersuchungen zur Beeinflussung des Feuchtigkeitshaushaltes durch eine Hydrophobierung ergaben, dass durch eine Hydrophobierung die Feuchtigkeitsaufnahme zwar sehr stark reduziert wird, dass aber die hygrischen Verformungen nur unwesentlich beeinflusst werden.
Um die Wirksamkeit einer hydrophobierenden Massnahme beurteilen zu können, wurden neue Methoden zur Qualitätsüberwachung erarbeitet. Zur Bestimmung der wirksamen Eindringtiefe ist die Aufnahme von Saugprofilen eine geeignete Methode. Im Rahmen dieser Arbeit wurde, unter Berücksichtigung der wesentlichen Transportmechanismen, ein Wirksamkeitskriterium entwickelt, welches unabhängig vom W/Z-Wert angewendet werden kann. Zur Bestimmung der Wasseraufnahmekoeffizienten einer Bauteiloberfläche wurde mit der Zweikammer-Messzelle ein Instrument entwickelt, mit welchem mit geringem Aufwand wichtige Aussagen zur Flüssigkeitsaufnahme gemacht werden können.
Mit den Ergebnissen dieser Arbeit wurden die Grundlagen für eine ingenieurmässige Anwendung der Technologie des Hydrophobierens geschaffen. Die wesentlichen Parameter für die Planung, die Ausführung und die Qualitätsüberwachung wurden untersucht und quantifiziert.

Abstract (Englisch)

It has been shown so far that the penetration depth of the water repellent treatment is most essential for a long-term performance. Sufficient penetration depth can be achieved only if the surface is in contact with the water repellent agent for a long enough period. Today there are at least 3 alternatives to achieve this aim: (a) use of a Silane cream, (2) 5-8 times spraying with an interval after the 2 first treatments, (3) application of the agent from a box attached to the surface.

Umsetzung und Anwendungen (Deutsch)

Bei den Ergebnissen handelt es sich vorwiegend um wissenschaftliche Resultate. Anhand eines Beispieles wurde die praktische Umsetzung beschrieben. Um die gewonnenen Erkenntnisse der Praxis vollumfänglich zur Verfügung zu stellen, wird vorgeschlagen, ein Merkblatt oder eine Richtlinie zu verfassen. Ein entsprechender Forschungsantrag wurde eingereicht (AGB2002/029).

Umsetzung und Anwendungen (Englisch)

The project is carried out in close co-operation with several engineering companies and producers of water repellent agents. Results are transferred immediately to practical applications

Beurteilungsbericht (Deutsch)

Die Begleitkommission A (BK A) der Arbeitsgruppe Brückenforschung hat den Schlussbericht genehmigt und zu Publikation freigegeben. Die Projektziele sind erreicht worden.

Publikationen / Ergebnisse (Deutsch)

Gerdes, A., Meier, S.J. und Wittmann, F.H., A New Application Technology for Water Repellent Surface Treatment, Water Repellent Treatment of Building Materials, Proceedings of Int. Conference on Water Repellent Treatment of Building Materials, Hydrophobe II, ETH Zürich, F.H. Wittmann (ed.), Aedificatio Publishers, Freiburg, 217-230 (1998)
Meier, S.J. und Wittmann, F.H., Entwicklung einer Zweikammer-Messzelle zur Bestimmung der kapillaren Flüssigkeitsaufnahme, in Internationale Zeitschrift für Bauinstandsetzen, 5, 177-186 (1999)
Meier, S.J. und Wittmann, F.H., Notwendige Kriterien für eine Tiefenhydrophobierung, 5. Internationales Kolloquium Werkstoffwissenschaften und Bauinstandsetzen- „MSR `99“, Aedificatio Publishers, Freiburg, 751-762 (1999)
Moetsch, H.A., Meier, S.J., Gerdes, A. und Wittmann, F.H., Eindringtiefe eines Hydrophobierungsmittels als Funktion der Qualität, des Feuchtigkeitsgehaltes und des Alters des Betons, Internationale Zeitschrift für Bauinstandsetzen, 5 289-306 (1999)
Meier, S.J. und Wittmann, F.H., Influence of Quality of Concrete, Moisture Content and Age on Penetration Depth of Water Repellent Agents, Proceedings of Hydrophobe III - 3rd Int. Conference on Surface Technology with Water Repellent Agents, Hannover, K. Littmann und A.E. Charola (Editors), Aedificatio Publishers, Freiburg, 123-132 (2001)
Meier, S.J., Martinola, G. und Wittmann, F.H., An Approach for Monitoring Impregnated Reinforced Concrete Structures Exposed to Severe Chloride Exposure, Proceedings of Hydrophobe III - 3rd Int. Conference on Surface Technology with Water Repellent Agents, K. Littmann und A.E. Charola (eds.), Aedificatio Publishers, Freiburg, 143-154 (2001)
Wittmann, F.H., Meier, S.J. und Gerdes, A., Hydrophobieren von Betonoberflächen, Proceedings zu Anwender-Workshop zur Nutzung der Neutronenradiographie, Paul Scherrer Institut, Villigen (CH), 36-39 (2001)
Meier, S.J. und Wittmann, F.H., Influence of Quality, Age and Moisture Content of Concrete on the Penetration Depth of Water Repellent Agents, in Internationale Zeitschrift für Bauinstandsetzen, 8 (2002)
Meier, S.J., Grundlagen und Möglichkeiten einer Hydrophobierung von Betonbauteilen, Dissertation ETH Zürich, Diss. ETH Nr. 14811 (2002), erschienen auch als Buliding Materials Report, Nr. 21, Aedificatio Verlag Freiburg (2003)
Meier, S.J. und Wittmann, F.H., Hydrophobieren, eine Möglichkeit, die Restnutzungsdauer eines Stahlbetonbauwerks mit korrodierender Bewehrung zu verlängern, in Internationale Zeitschrift für Bauinstandsetzen, 9, erscheint demnächst
Gerdes, A., Transport und chemische Reaktion siliciumorganischer Verbindungen in der Betonrandzone, Building Materials Report, Nr. 15, Aedificatio Verlag Freiburg, erscheint demnächst

Publikationen / Ergebnisse (Englisch)

S.J. Meier, F.H. Wittmann, Notwendige Kriterien für eine Tiefenhydrophobierung, in Werkstoffwissenschaften und Bauinstandsetzen V, Aedificatio Verlag, D-Freiburg, p. 751-762 (1999)

Berichtsnummer (Deutsch)

575