Schutz für die Stahlbewehrung - Wacker Chemie AG


Schutz für die Stahlbewehrung

Streusalz, Regenwasser, Luftfeuchtigkeit und Kohlendioxid können Stahlbetonbauten schwer schädigen. Besonders bei großen Infrastruktur-Bauten wie Brücken, Autobahnen oder Straßentunnels setzten Ingenieure deshalb auf eine hydrophobierende Imprägnierung mit Silanen – so auch Kajima, der größte japanische Baukonzern.

Zu Testzwecken wird eine Silancreme im anwendungstechnischen Labor in Burghausen mit einem Pinsel auf einen Würfel aus Beton aufgetragen.

Schneebedeckt thront der Fuji über Zentraljapan. Vom Gipfel des heiligen Berges reicht der Blick über Teeplantagen und Reisfelder bis hinunter zur Pazifikküste. Wie ein grauer Drache schlängelt sich die Tomei-A utobahn durch diese Landschaft. In den nächsten Jahren wird der Bau einer parallelen Fernstraße die Hauptverkehrsader zwischen Tokio und Nagoya entlasten. Dabei verfolgt die Betreibergesellschaft NEXCO (Nippon Expressway Company) das Motto „100-jährige Straße“. Mit modernen Technologien und innovativen Schutzmaßnahmen sollen auch spätere Generationen von den lebenswichtigen Routen profitieren. In dem erdbebengefährdeten Land spielt die Sicherheit und Dauerhaftigkeit eines Bauwerks eine entscheidende Rolle. Eine zukunftssichere Konstruktion des Milliardenprojekts erfordert neben anspruchsvollen Tunnelarbeiten und kompliziertem Brückenbau deshalb auch innovative Betontechnologien.

Schäden durch Salz und Wasser

„Beton ist ein sehr vielseitiger Baustoff, hat aber zwei Erzfeinde: Chloride und Kohlendioxid, erklärt Dr. Noboru Sakata, General Manager der Kajima Corporation. Und bei der Tomei-A utobahn treten diese Gefahren gleich zweifach auf: in Form von Streusalz aus Tau- und Spritzwasser sowie durch Meersalz. Über das gesamte Jahr zieht die salzige Meeresluft vom Pazifik ins Landesinnere. Mit der Luftfeuchte und den Niederschlägen dringen die Ozeansalze auch in die poröse Struktur des Betons ein. Wenn das Salz sich einmal im Beton befindet, werden die Chloride – durch das kapillare Einsaugen von weiterem Wasser – langsam ins Innere des Baustoffs befördert. Gelangt Natriumchlorid schließlich bis zu den Stützstäben aus Stahl – der sogenannten Bewehrung –, ist es meist schon zu spät. Der Stahl beginnt zu rosten. Da die Korrosionsprodukte mehr Platz in Anspruch nehmen als das ursprüngliche Metall, dehnt der Bewehrungsstahl sich aus und sprengt mit der Zeit Teile des Betons ab.

Im Winter wiederum spritzt mit Streusalz vermischtes Wasser in großen Mengen von der Fahrbahn auf die Pfeiler und den Brückenkörper und dringt in den Beton ein. Erst sind es nur wenige Millimeter. Doch schon beim nächsten Regen zieht neue Feuchte die Salze weiter in den Kern der Konstruktion. „Die Wassermoleküle nehmen die abgelagerten Chloride huckepackartig auf und transportieren sie immer tiefer in den Beton“, erklärt Dr. Dominik Auer, der ein anwendungstechnisches Labor für Construction Chemicals bei WAC KER in Burghausen leitet. Ein schleichender Prozess, der erst nach mehreren Jahren sichtbar wird, dann aber umso eklatanter. Dazu treten die sogenannten Frost-Tauschäden auf. Gefrorenes Wasser dehnt sich in den Betonkapillaren aus und sprengt die Oberfläche ab.

„Der effizienteste Schutz für Beton ist die drastische Reduktion der Wasseraufnahme.“

Hiroshi Kanzawa Wacker Ashaikasei Silicone, Japan
Die 346,8 Kilometer lange Tōmei-Autobahn ist Teil des Asian Highway 1, der über 20.557 Kilometer von Tokio über Korea, China, Südostasien, Indien, Iran und über den Bosporus bis in die Türkei verläuft.

Auch Säure setzt Stahlbeton zu

Eine weitere Gefahr droht aus der Luft: die sogenannte Carbonatisierung. Hier transportieren Luftfeuchte und Regenwasser Kohlendioxid aus der Atmosphäre in die Betonporen. Es bildet sich Kohlensäure und daraus Calciumcarbonat. Der sonst alkalische Beton wird dabei von außen nach innen zunehmend saurer. Erreicht dieser Vorgang den Stahl, so verliert dieser seinen Korrosionsschutz und beginnt in Gegenwart von Feuchtigkeit und Sauerstoff zu rosten.

„So wichtig Wasser bei der Herstellung von Beton ist, so zerstörerisch kann es sich als Transportmedium auswirken“, erklärt Hiroshi Kanzawa von Wacker Ashaikasei Silicones (AWS). Denn in allen Beispielen erfolgt die Schadstoffaufnahme meist durch den Kontakt des Baustoffs mit Wasser. „Der effizienteste Schutz für Beton ist also die drastische Reduktion der Wasseraufnahme“, betont Kanzawa. Denn ohne Wasser könne Stahl auch in einem carbonatisierten Beton nicht mehr korrodieren.

Silane haben sich bewährt

Als eines der größten Bauunternehmen in Japan, ist auch die Kajima Corporation an dem neuen Autobahn-Projekt beteiligt. „Wir setzen dafür auf das Prinzip der hydrophobierenden Imprägnierung“, sagt Dr. Daisuke Hayashi, Forschungsingenieur beim Kajima Technical Research Institute. Die dabei entstehende wasserabweisende Schutzzone reduziert die Aufnahme von Schadstoffen erheblich. Als optimale Produktklasse haben sich dafür Silane mit langen Alkylketten, wie Iso-Octyl-Silane, erwiesen. Wie kaum eine andere Stoffklasse sind Silane gegen UV-Strahlung, thermische Belastung, aggressive Stoffe oder mikrobiologische Einflüsse resistent. Und obwohl sie gut in den Beton eindringen, versiegeln sie diesen nicht komplett, sondern schützen ihn nur vor äußeren Einflüssen. Der Baustoff kann weiterhin von innen heraus Wasserdampf ausscheiden und trocknen.

In seiner Wirkung bedient sich das Verfahren der Materialeigenschaften des Betons: „Die Silane bilden mit der silikatischen Matrix der Poren- und Kapillarwandung extrem stabile Bindungen“, sagt WACKER-Bautenschutzexperte Dominik Auer. Denn die schützenden Moleküle ähneln herkömmlichen Quarzmolekülen und haben zusätzlich noch einen organischen Rest. Das macht den Schutz besonders haltbar, und die hydrophobe Wirkung bleibt über Jahrzehnte bestehen.

Um ein optimales Ergebnis zu erzielen, müssen die Anwender allerdings einige Vorgaben beachten. „Vor jeder Instandsetzungsmaßnahme empfehlen wir zunächst eine genaue Zustandsanalyse des Bauwerks durch darauf spezialisierte Fachleute, etwa ein in diesem Bereich tätiges Ingenieurbüro“, sagt Dr. Auer. Mit Magneten, Ultraschall und Radar wird die Konstruktion auf Herz und Nieren geprüft. Die Temperatur und Feuchte des Betons und der umgebenden Luft, die Tiefe der Carbonatisierung und die Druckfestigkeit sowie die Tiefe des Bewehrungsstahls lassen sich so bestimmen. Bei älteren Betonobjekten wird auch der Chloridgehalt in der Tiefe bestimmt. „In besonderen Fällen kann ein entnommener Bohrkern im Labor untersucht werden“, berichtet Auer. Ist der Bauzustand genau erfasst, wird von einem Ingenieurbüro die passende Sanierungsmaßnahme geplant und in der Regel als Ausschreibung veröffentlicht.

Sprühen oder fluten

Zur hydrophobierenden Imprägnierung von Beton stehen flüssige oder cremeförmige Produkte zur Verfügung. Cremes lassen sich mittels sogenannter Airless-Sprühmaschinen auftragen. Diese Geräte haben einen Saugrüssel, der sich direkt in das Produktgebinde eintauchen lässt, und ermöglichen eine exakte Dosierung des Wirkstoffs. Der größte Vorteil des Sprühauftrags von cremeförmigen Produkten ist aber, dass er in einem einzigen Arbeitsgang erfolgen kann.

Die von Kajima gebaute Toyota-Arrows-Brücke auf der Shin-Tōmei-Autobahn zwischen Tokio und Nagoya wurde 2004 mit Silanen hydrophobierend imprägniert.

Druck und Dosierung entscheiden

Flüssige Produkte werden dagegen durch „Fluten“ appliziert. Dies bedeutet, dass das Produkt unter sehr niedrigem Druck auf die Wand aufgebracht wird. Dabei läuft es von oben nach unten an der Wand ab und dringt in sie ein. Bei der Verwendung flüssiger Produkte sind oft mehrere Arbeitsgänge (zwei bis drei) notwendig, um ausreichend Material zu applizieren.

Vor der eigentlichen Applikation mittels des Airless-Verfahrens rät WACKER-Bautenschutzexperte Dominik Auer zu Sprühversuchen, um für die jeweiligen Produkt-, Umwelt- und Untergrundbedingungen den richtigen Druck beim Auftrag zu finden. Ein zu hoher Druck führt nämlich zu Vernebelung und damit zum Produktverlust, ein zu niedriger Druck zu einer unsauberen Applikation – es bilden sich dann Klumpen auf der Oberfläche.

Für die Eindringtiefe der Silane sind außer der Dosierung des Materials sowie der Konzentration des Wirkstoffs im Hydrophobierungsmittel weitere Faktoren ausschlaggebend, darunter die Witterungsbedingungen sowie die Porosität und Feuchte des zu behandelnden Betons. So darf zum Beispiel bei einer Feuchte von mehr als vier Prozent gemäß den deutschen technischen Vertragsbedingungen und den Richtlinien für Ingenieurbauwerke nicht behandelt werden, weil die Silane dann nicht ausreichend eindringen können. Auch eine zu niedrige Bauteiltemperatur von weniger als fünf Grad kann zu Problemen führen: Bei solch kühlen Temperaturen besteht die Gefahr, dass sich Kondensationsfeuchte auf dem Bauteil niederschlägt, die ein effektives Eindringen des Hydrophobierungsmittels verhindert.

Zur Qualitätskontrolle ist es in Deutschland vorgeschrieben, dass vor der Applikation Referenzflächen angelegt werden, um die Funktion der hydrophobierenden Imprägnierung auf der vorliegenden Betonqualität zu testen. Diese Testfläche wird unter anderem dazu benutzt, die erforderliche Menge an Hydrophobiermittel zu bestimmen. Meist werden zwei bis drei Versuchsflächen mit unterschiedlicher Dosierung angelegt; exakt 28 Tage später ermitteln dann die Anwendungstechniker, welche Qualität die Hydrophobierung aufweist. Erst danach entscheiden sie, welche Dosierung auf dem jeweiligen Betonbauwerk appliziert wird.

Bester Schutz auch bei extremen Bedingungen

Obwohl die Applikationsbedingungen somit je nach Standort und Klima stark variieren, ist die hydrophobierende Imprägnierung mit Silanen weltweit gefragt. „Allein in Japan sind seit der Markteinführung 125 Millionen Quadratmeter Betonoberflächen behandelt worden“, berichtet Wacker-Ashaikasei-Manager Kanzawa. Gerade bei der Ausschreibung von teuren Infrastrukturprojekten fordern die staatlichen Auftraggeber zunehmend, dass diese langlebig sein müssen – zu kurze Renovierungszyklen können hier das Aus für einen Anbieter bedeuten. Nicht umsonst hat die Betreibergesellschaft den Bau der neuen Fernstraße neben der Tomei-Autobahn unter das Motto „100-jährige Straße“ gestellt.

Doch egal ob Straßen und Autobahnbrücken in Japan, Hafenanleger in Dubai, Tunnel in Europa oder Dämme in China – die Silan-Kur von WACKER schützt selbst extrem beanspruchte Bauwerke. Und das rund um den Globus.