Beschichtungsschäden – Schadensmechanismen und Lösungs-ansätze Lars Wolff, Michael Raupach ibac - Institut für Bauforschung RWTH Aachen Zusammenfassung Der Schutz von Betonflächen durch befahrbare starre oder rissüberbrückende polymere Beschichtungen ist heutzutage vor allem im Bereich chloridbeaufschlagter Verkehrsflächen allgemein anerkannte Regel der Technik. Schäden dieser Beschichtungen oder ein übermäßiger Verschleiß führen nicht selten zu umfangreichen Instandsetzungsmaßnahmen verbunden mit langen Sperrzeiten des Objektes. Wesentlicher Arbeitsschwerpunkt verschiedener Forschungsarbeiten am Institut für Bauforschung der RWTH Aachen, ibac war und ist daher die Untersuchung der Mechanismen typischerweise bei polymeren Beschichtungen auftretender Schadensbilder, z.B. der so genannten „osmotischen“ Blasenbildung. So konnten beispielsweise in einem durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft DFG geförderten Forschungsvorhaben die Mechanismen der „osmotischen“ Bla-senbildung detailliert beschrieben und Möglichkeiten zu deren Vermeidung entwickelt werden. In folgenden werden typische Schadensbilder bei befahrbaren Beschichtungen vorgestellt sowie deren Ursache disku-tiert. Der Schwerpunkt der Ausführungen liegt dabei auf der Beschreibung der Mechanismen der „osmotischen“ Bla-senbildung.

1. Einleitung

Die Beschichtung von Betonbauteilen ist seit Jahrzehn-ten allgemein anerkannte Regel der Technik. Ziel die-ser Maßnahme ist beispielsweise die Sicherstellung der Dauerhaftigkeit der Konstruktion gegenüber chloridin-duzierter Korrosion bei Stahlbeton oder die Erhöhung des Verschleißwiderstandes bei Industrieböden. Mitt-lerweile existieren in Abhängigkeit des Einsatzberei-ches eine Vielzahl an Regelwerken zur Planung, Aus-führung und Prüfung solcher Beschichtungsmaßnah-men. Beispielhaft seien hier die RL SIB [1] bzw. DIN V 18026:2006-06 [2], Teil 2 der DIN EN 1504:2005-1 [3], das Merkblatt „Parkhäuser und Tiefgaragen“ des Deutschen Beton- und Bautech-nikvereins DBV [4] oder der State-of-the-Art Report des RILEM Technical Committee TC 184-IFE „Indus-trial Floors“ [5] aus dem Jahre 2006 genannt.

In der Praxis können bei diesen Beschichtungen ver-schiedene Schadensbilder auftreten, die die Gebrauchs-tauglichkeit des Bauwerks sowie dessen Dauerhaftig-keit einschränken können. Im folgenden Bild ist eine Übersicht verschiedener typischerweise bei befahrba-ren polymeren Beschichtungen auftretender Schadens-bilder gezeigt. Dabei erfolgt eine Unterscheidung nach den wesentlichen Einflussfaktoren der Schäden aus der Nutzung, aus der Umwelt sowie aus dem Substrat.

Typische Schadensbilder bei befahrbarenReaktionsharzbeschichtungen auf Beton

Einflüsse aus derNutzung des Bauteils

Einflüsse aus derUmwelt

Einflüsse aus demSubstrat

Verschleiß durch Fahr-und Parkbetrieb oder

durch Reinigung

Versprödung infolgevon Umwelteinflüssen

(UV-Strahlung etc.)

Farbabweichungen /Vergilbung

Rissbildung durchRissreitenänderungen

im Substrat

"OsmotischeBlasenbildung" /Delaminationen

Chemische Beanspru-chung durch Treib-und Schmierstoffe

Bild 1: Typische Schadensbilder befahrbarer, polyme-rer Beschichtungen

Die schärfste und im wesentlichen die Dauerhaftigkeit beschränkende Beanspruchung einer befahrbaren Be-schichtung in einem Parkbau ist typischerweise die Verschleißbeanspruchung durch den Fahr- und Parkbe-trieb. Einflüsse aus der Umwelt hingegen sind bei befahrbaren Beschichtungen lediglich bei Freidecks relevant. Eine witterungsbedingte Versprödung ist allerdings nur in seltenen Fällen Ursache einer nicht mehr gegebenen Gebrauchstauglichkeit einer befahrba-ren Beschichtung.

Die so genannte osmotische Blasenbildung tritt ver-mehrt bei rissüberbrückenden, weniger bei starren Beschichtungen auf. Aufgrund der Zeitspanne zwi-schen Applikation der Beschichtung und Entstehung der Blasen können die Folgekosten einer solchen Bla-senbildung, z.B. infolge Nutzungsausfall die Kosten der Beschichtungsmaßnahme um ein Vielfaches über-schreiten.

Eine anteilige Zuordnung der Schadensbilder der typi-scherweise bei Beschichtungen von Betonbauteilen auftretenden Schäden zu den jeweiligen Ursachen nach [7] ist in Bild 2 dargestellt.

Bild 2: Anteilige Ursachen typischer Beschichtungs-schäden nach [7]

In den folgenden Kapiteln werden einige der in Bild 1 genannten Schadensbilder detailliert beschrieben sowie Möglichkeiten zur Vermeidung dieser Schadensbilder aufgezeigt.

2 Verschleißbeanspruchungen

Verschleißbeanspruchungen der Beschichtung treten bei Parkbauten verstärkt auf den Rampen sowie in Kurvenbereichen von Fahrgassen, weniger auf den Stellplätzen auf. Ein Beispiel einer Parkspindel mit deutlichen Verschleißerscheinungen der Beschichtung ist in Bild 3 dargestellt.

Bild 3: Verschleiß einer starren Beschichtung auf einer Parkspindel

Die Wahl des geeigneten Beschichtungssystems sollte sich somit außer an das vorhandene Rissbild sowie die zu erwartenden Rissbewegungen im Substrat auch an der zu erwartenden Verschleißbeanspruchung des

Bauteils orientieren. So sollten Rampen generell nur mit starren OS-Systemen beschichtet werden. Aber auch bei Parkdecks, bei denen nur einzelne Risse vor-handen sind, kann die Wahl eines starren und gegen-über einem elastischen Oberflächenschutzsystem ver-schleißfesteren System technisch und wirtschaftlich sinnvoll sein. In diesem Fall müssen lokal vorhandene Risse allerdings zwingend durch eine angepasste Riss-behandlung dauerhaft geschlossen werden [4].

Unter anderem zur Verbesserung der Verschleißeigen-schaften starrer OS-Systeme der Klasse OS 8 ist dessen Mindestschichtdicke nach dem 2. Ergänzungsblatt (Dezember 2005) zur RL SIB, Ausgabe 2001 gegen-über der Ausgabe von 1990 um 50 % auf 1,5 mm bei reinen Schutzmaßnahmen und um 150 % auf 2,5 mm im Rahmen von Instandsetzungsmaßnahmen erhöht worden.

Vor allem bei steilen Rampen sollte das Abstreu- und Füllkorn der Beschichtung ausreichend widerstandsfä-hig sein. Eine Alternative zu üblicherweise verwende-tem Quarzsand kann beispielsweise Korund sein. We-sentliche Voraussetzung für die Wirksamkeit des Füll-korns ist dessen vollständige Einbettung in die polyme-re Matrix. Wird beispielsweise ein zu großes und nicht auf die Schichtdicke der Beschichtung verwendetes Korn verwendet, kann dieses nicht ausreichend in das Bindemittel eingebettet werden. Ein rascher Verschleiß mit Ausbrechen einzelner Körner ist die Folge. Zudem ist bei einem über die gesamte Beschichtungsdicke reichendem Größtkorn eine erhöhte Durchlässigkeit für Chloride gegeben. Im folgenden Bild ist ein solcher Fall bei einer OS 8 Beschichtung in einer Tiefgarage nach [22] gezeigt.

Bild 4: OS 8 Beschichtung mit nicht auf die Gesamt-schichtdicke abgestimmtem Größtkorn der Abstreuung [22]

Die Prüfung der Abriebfestigkeit von befahrbaren Beschichtungen erfolgt zur Zeit nach DIN EN ISO5470-1 [21] mit dem Taber-Abriebprüfgerät.

Die aufgebrachte Beanspruchung ist allerdings nur bedingt mit dem Abrieb durch ein- und ausfahrende Pkw zu vergleichen, so dass hier Bedarf nach einem wesentlich praxisnäheren Prüfverfahren besteht. In Bild 5 ist beispielsweise ein Verschleißprüfgerät der Firma Sika für befahrbare Beschichtungen gezeigt.

Bild 5: Sika Prüfverfahren für befahrbare Beschich-tungen nach [23]

Erfahrungen aus der Praxis zeigen, dass bei sorgfälti-ger Planung und Ausführung auch polymere Rampen-beschichtungen viel befahrener Parkbauten, z.B. an Flughäfen o.ä. eine Dauerhaftigkeit von deutlich über 10 bis 15 Jahren aufweisen können [22]. Zur Verbesse-rung des Verschleißwiderstandes polymere Beschich-tungen besteht weiterhin jedoch noch Forschungsbe-darf.

3 Alterung

Die Alterung polymerer Beschichtungen äußert sich i.d.R. in einem Schichtdickenabbau, einer Versprödung oder einer abnehmenden Adhäsion zum mineralischen Untergrund. Bei Parkbauten sind diese Alterungsme-chanismen üblicherweise von untergeordneter Bedeu-tung. Bei wenig befahrenen Freidecks jedoch kann eine Versprödung infolge von Umwelteinflüssen durchaus den die Gebrauchstauglichkeit einschränkenden Faktor darstellen. In Bild 6 ist eine Rissbildung in einer Be-schichtung der Klasse OS 11b eines Freidecks nach etwa 15 Jahren dargestellt. Die dargestellten Risse sind im wesentlichen auf eine Versprödung der PUR-basierten Schwimm- und Verschleißschicht zurückzu-führen.

Die Dauerhaftigkeit polymerer Beschichtungen ist in der Vergangenheit üblicherweise durch zeitintensive Freibewitterungen untersucht worden, siehe z.B. [20]. Ein Nachteil dieser Verfahrensweise ist jedoch die lange Dauer solcher Forschungsvorhaben sowie die nicht zu beeinflussende und nicht reproduzierbare natürliche Bewitterung. So wurden im Rahmen eines vom BMVBS geförderten Langzeitvorhaben polymere Beschichtungen an zwei Orten, Duisburg und Sylt, über einen Zeitraum von insgesamt 12 Jahren freibe-

wittert und die Ergebnisse mit den in der RL SIB be-schriebenen künstlichen Bewitterungsverfahren vergli-chen, siehe auch [20].

Bild 6: Rissbildung in einer 15 Jahre alten polymeren Beschichtung der Klasse OS 11b infolge Ver-sprödung der PUR-basierten Schwimm- und Verschleißschicht

Zur Zeit läuft ein Verbundforschungsvorhaben mit dem Deutschen Kunststoff-Institut DKI in Darmstadt, dem Institut für Technische und Makromolekulare Chemie ITMC und dem ibac an der RWTH Aachen. Im Rahmen dieses Forschungsprojektes wird der Ein-fluss verschiedener Bewitterungsparameter, z.B. Tem-peratur, Feuchte, UV-Strahlung etc. isoliert voneinan-der untersucht. Da die Detektion möglicher Verände-rungen nicht, wie bisher üblich im Makromaßstab (Änderung der Haftzugfestigkeit, Rissüberbrückungs-fähigkeit etc.), sondern mithilfe der NMR-Mouse® auf molekularer Ebene erfolgt, können bereits kleinste Materialveränderungen registriert und deren Auswir-kung mithilfe bereits existierender Ergebnisse aus natürlichen Bewitterungen extrapoliert werden.

Die NMR-Mouse® (Nuclear Magnetic Resonance-Mobile Universal Surface Explorer) ist praktisch ein Computer-Tomograph im Taschenformat, der zerstö-rungsfrei die Untersuchung der Molekülstruktur eines Polymers erlaubt. Beispielsweise können mit der NMR-Mouse® am Bauwerk die Vernetzungsdichte des Polymers oder vom Polymer aufgenommene Feuchtig-keit detektiert werden. Ein Beispiel der NMR-Mouse® bei der Untersuchung einer Probefläche einer polyme-ren Beschichtung in einer Tiefgarage ist im folgenden Bild gezeigt.

Bild 7: Untersuchung einer Epoxidharzgrundierung

mittels NMR-Mouse und Multiring-Elektroden auf einer Probefläche in einer Tiefgarage

Zur Zeit befindet sich der Einsatz der NMR-Mouse® bei polymeren Beschichtungen noch im Versuchsstadi-um. Ziel ist es, diese Technologie dahingehend zu entwickeln, dass Alterungseffekte einer Beschichtung zerstörungsfrei direkt am Bauwerk ermittelt und darauf basierend Aussagen zu dessen Restlebensdauer getrof-fen werden können [24].

4 Farbechtheit

Die Farbechtheit bzw. eine Vergilbung einer Beschich-tung ist bei einer befahrbaren Beschichtung im Park-bauten i.d.R. nur von untergeordneter Bedeutung. Üblicherweise werden derartige Effekte bei intensiver Nutzung bereits nach kurzer Zeit durch eine Ver-schmutzung sowie Gummiabrieb der Reifen überdeckt.

Eine Beeinträchtigung der Dauerhaftigkeit infolge einer Vergilbung einer Beschichtung ist üblicherweise nicht gegeben, da die Vergilbung lediglich die Deck-versiegelung, nicht jedoch die hwO (hauptsächlich wirksame Oberflächenschutzschicht) betrifft.

Bei wenig genutzten Parkbauten allerdings kann selbst ohne eine direkte Sonnenbestrahlung eine unzurei-chende UV-Stabilität zu einer signifikanten Änderung des optischen Erscheinungsbildes führen. Im folgenden Bild ist eine starre Epoxidharzbeschichtung eines In-dustriebodens in einem überdachten Bereich darge-stellt. Selbst in diesem vor direkter Sonnenbestrahlung geschützten Bereich zeigte die nicht abgedeckte Be-schichtung gegenüber den abgedeckten Bereichen eine deutliche Vergilbung.

Bild 8: Vergilbung einer Epoxidharzbeschichtung eines Industriefußbodens infolge UV-Beanspruchung

Um die Anforderungen an die Farbe und deren Dauer-haftigkeit bei Parkbauten sicherzustellen, sollten diese bereits bei der Ausschreibung klar formuliert werden.

5 „Osmotische“ Blasenbildung / Delaminationen 5.1 Allgemeines

Das Schadensbild der so genannten „osmotischen Bla-senbildung“ ist nahezu so alt wie die Anwendung der Betonbeschichtung selber. Nach [7] tritt dieses Scha-densbild heutzutage bei etwa 3 % aller Beschichtungs-schäden auf.

Grundsätzlich lassen sich bei Reaktionsharzbeschich-tungen auf Beton zwei Arten von Blasen unterschei-den:

- Direkt während der Applikation auftretende Blasen: Diese sind häufig auf verarbeitungsbedingte Luft-einschlüsse im Beschichtungsstoff oder aus dem Untergrund entweichende Luft zurückzuführen, sie-he z.B. [9, 10].

- Zeitverzögernd auftretende Blasen: Diese Blasen treten erst deutlich nach Applikation des Beschich-tungsstoffes, d.h. wenige Wochen bis Monate, mit-unter auch Jahre später auf. Meist sind diese Blasen flüssigkeitsgefüllt.

In Bild 9 sind diese beiden unterschiedlichen Arten von Blasen beispielhaft dargestellt. Das linke Bild zeigt eine geöffnete Blase in einer PUR-Beschichtung infol-ge von Lufteinschlüssen im Beschichtungsstoff. Im rechten Bild ist der Querschnitt einer flüssig-keitsgefüllten Blase einer OS 11a Beschichtung mit Delamination zwischen Grundierung und hwO darge-stellt.

Bild 9: Verarbeitungsbedingte Blase infolge von Lufteinschlüssen im Beschichtungsstoff (links); Zeitverzögert aufgetretene flüssig-keitsgefüllte Blase mit Delamination zwischen Grundierung und hwO (rechts)

Da die erstgenannten Blasen meist auf Verarbeitungs-fehler während der Applikation zurückzuführen sind, werden im Folgenden ausschließlich die Mechanismen der zeitverzögert auftretenden Blasen betrachtet.

Bisherige Forschungsarbeiten sahen die Hauptursache der Blasenbildung in osmotischen Transportphänome-nen zwischen dem mineralischen Untergrund und ein-zelnen Lagen der Beschichtung. Die detaillierten Me-chanismen dieser Blasenbildung konnten bisher aller-dings nur ansatzweise beschrieben werden. Eine siche-re Vermeidung dieses Schadensbildes ist somit derzeit nur durch kostenintensive Zusatzmaßnahmen, z.B. die Anordnung so genannter Zwischenschichten unterhalb der polymeren Beschichtung möglich, siehe z.B. [8].

In der Praxis können bei der Beschichtung von Beton-bauteilen mit polymeren Oberflächenschutzsystemen verschiedenste Schadensbilder einer Ablösung einzel-ner Lagen als auch eine komplette Delamination der gesamten Beschichtung mitsamt epoxidharzbasierter Grundierung auftreten. Als Ursache dieser Schäden wurde in der Vergangenheit häufig die so genannte „osmotische Blasenbildung“ angenommen, in Einzel-fällen selbst bei einer großflächigen Delamination der gesamten Beschichtung. In Bild 10 sind Beispiele einer großflächigen Ablösung der hwO von der Grundierung sowie eine lokale Blasenbildung zwischen Grundie-rung und hwO dargestellt.

Bild 10: Großflächige Ablösung einer PUR-basierten hwO von der Grundierung (links); Lokale Blasenbildung zwischen Grundierung und hwO (rechts)

Erstmals hat Klopfer über diese Blasenbildung bei einer Schwimmbadinnenbeschichtung auf Epoxidharz-

basis berichtet. Die auf den Stahlbeton aufgetragene Beschichtung zeigte etwa 6 Monate nach Ausführung im Jahr 1969 kleine, flüssigkeitsgefüllte Blasen mit einem Durchmesser von etwa 7 mm. Als Ursache die-ser Blasenbildung wurden durch Klopfer osmotische Transportprozesse zwischen dem ungenügend ausge-härteten Epoxidharz und dem in das Epoxidharz eindif-fundierenden Wasser angenommen [6]. Seit diesem Zeitpunkt wird die zeitverzögert auftretende Blasenbil-dung mit flüssigkeitsgefüllten Blasen i.d.R. mit dem Begriff der „osmotischen Blasenbildung“ bezeichnet. Die Beschaffenheit der für diese Theorie zwingend erforderlichen, semipermeablen Membran ist dabei der in der Literatur wohl am kontroversesten diskutierte und doch bisher nur im Ansatz untersuchte Aspekt des Schadensbildes der „osmotischen Blasenbildung“.

Aus diesem Grund wurden im Rahmen eines von der Deutschen Forschungsgemeinschaft DFG geförderten Forschungsprojektes in den vergangenen Jahren am Institut für Bauforschung in Aachen, ibac umfangrei-che Untersuchungen zu den Mechanismen der Blasen-bildung von Reaktionsharzbeschichtungen auf Beton durchgeführt.

Entgegen dem bisherigen Verständnis der Mechanis-men der Blasenbildung haben die Untersuchungen dieser Forschungsarbeit grundlegend neue Erkenntnis-se im Hinblick auf deren Ursachen gebracht, siehe z.B. [11, 13, 18]:

- Osmotische Transportprozesse sind bei der Entste-hung der Blasen nicht relevant, da keine für die maßgeblichen Inhaltsstoffe der Blasenflüssigkeiten semipermeable Membran vorhanden ist.

- Eine auf Beton aufgetragene Epoxidharz-grundierung ist nicht homogen. Vielmehr können infolge physikalischer Wechselwirkungen mit dem mineralischen Untergrund Separationen innerhalb des flüssigen Epoxidharzes auftreten, die einen we-sentlichen Einfluss auf die Adhäsion zum minerali-schen Untergrund haben können.

- Ein Chromatographie-Effekt der untersuchten Epo-xidharze bei Auftrag auf ein mineralisches Substrat konnte, in Einzelfällen, lediglich für Benzylalkohol nachgewiesen werden.

- Der für eine Ablösung einer Grundierung oder Beschichtung erforderliche Druck innerhalb des Kapillarporengefüges des Betons liegt deutlich, in Einzelfällen um mehr als 90 %, unterhalb der vor-handenen Haftzugfestigkeit der jeweiligen Be-schichtungslage.

- Lokale Fehlstellen innerhalb der vernetzten Epo-xidharzgrundierung sind der wesentliche Aus-gangspunkt der Entstehung einer Blase oberhalb der Grundierung. So stellen diese Fehlstellen die er-forderliche Verbindung zwischen dem Kapillarpo-rengefüge des Betons und dem Inneren der Blase dar.

Wurde in bisherigen Arbeiten zu den Mechanismen der Blasenbildung die Haftzugfestigkeit der jeweiligen Beschichtungslage direkt in Relation zu dem für eine Ablösung der Beschichtung erforderlichen Druck ge-setzt, haben die eigenen Laborversuche und FE-Berechnungen, siehe z.B. [11, 18] gezeigt, dass die Beanspruchung des Verbundes im Randbereich einer Blase nicht direkt mit der Haftzugfestigkeit der Be-schichtung korreliert werden kann. Die bisher ange-nommene Höhe des für eine Delamination erforderli-chen Druckes von mindestens etwa 1,5 N/mm² lag somit um mehr als eine Dekade zu hoch. Sowohl die Laborversuche als auch die FE-Berechnungen haben gezeigt, dass ein lokales Adhäsionsversagen bereits bei Drücken von etwa 0,1 N/mm² auftreten kann.

Ursache dieser Differenz ist die nicht vergleichbare Beanspruchung des Verbundes einer Beschichtung durch eine uniaxiale Zugbeanspruchung bei der Be-stimmung der Haftzugfestigkeit im Gegensatz zu ei-nem dreidimensionalen Spannungszustand zwischen Beschichtung und Substrat bei Entstehung einer Blase. Die beiden grundsätzlich unterschiedlichen Span-nungszustände bei Bestimmung der Haftzugfestigkeit sowie Abschälen einer Beschichtung sind im folgenden Bild 11 nach [14] schematisch dargestellt. Bei einer sich bildenden Blase treten die dargestellten Schäl-spannung allerdings nicht nur in einer Richtung, son-dern infolge der kreisrunden Form der Blase rotations-symmetrisch auf.

Bild 11: Vergleich einer Zugbeanspruchung (links) und Schälbeanspruchung (rechts) in einer Ver-bundfuge nach [14]

Im Beton z.B. von Günter bereits gemessene Kapillar-drücke von bis zu etwa 0,3 N/mm² [12] können, entge-gen bisheriger Erkenntnisse, somit bereits zu einem lokalen Adhäsionsversagen einer Beschichtung führen.

5.2 Einflussfaktoren einer Blasenbildung

Die im vorangegangenen Kapitel kurz beschriebenen neuen Erkenntnisse im Hinblick auf die Ursachen der Blasenbildung haben gezeigt, dass dieses Schadensbild sehr komplex ist und durch viele Parameter beeinflusst wird. Dazu zählen im Einzelnen:

- Die Beschaffenheit der Betonrandzone des zu beschichtenden Bauteils (Porenstruktur)

- Der Wassergehalt in der Randzone und im Kern-beton des zu beschichtenden Bauteils

- Die Zusammensetzung der Beschichtungsmateria-lien, vornehmlich der Epoxidharzgrundierung

- Die Art der Applikation der einzelnen Beschich-tungslagen

Die Wahrscheinlichkeit einer Blasenbildung wird so-mit sowohl durch Parameter beeinflusst, auf die das ausführende Unternehmen praktisch keinen Einfluss hat (z.B. Beschaffenheit der Betonrandzone, Zusam-mensetzung der Beschichtungsmaterialien) als auch durch Parameter, die durch den Beschichter sehr wohl bewertet werden können und müssen (z.B. Wasserge-halt in der Randzone des Beton, Art der Applikation der einzelnen Beschichtungslagen etc.).

Im folgenden werden die Auswirkungen der vorge-nannten Parameter auf die Wahrscheinlichkeit einer Blasenbildung einzeln beschrieben sowie Maßnahmen zu der Verringerung des Risikos einer Blasenbildung aufgezeigt.

Beschaffenheit der Betonrandzone

Bei Auftrag der flüssigen Epoxidharzgrundierung auf das mineralische Substrat können physikalische Wech-selwirkungen zwischen Epoxidharz und Beton zu par-tiellen Separationen und einer lokalen Fehlstellenbil-dung innerhalb der Grundierung führen. Das Ausmaß dieser Wechselwirkungen ist maßgeblich von der Be-schaffenheit des Untergrundes und der Zusammenset-zung der Epoxidharzgrundierung abhängig.

In Laborversuchen wurde das Vorhandensein dieser lokalen Fehlstellen indirekt über Diffusionsversuche von Natrium, Kalium sowie Benzylalkohol durch Freie Filme und grundierte Betonscheiben nachgewiesen. Dabei wurden neben der Zusammensetzung der Epo-xidharzgrundierung die folgenden Parameter variiert:

• Zusammensetzung des Betons (Kapillarporosität) • Zustand des Betons vor Auftrag der Grundierung

(trocken, nass) • Zusätzliche Abstreuung der Grundierung

Der Aufbau der Diffusionszellen sowie die Verfah-rensweise bei der Auswertung sind u.a. in [11] be-schrieben.

Während die Untersuchung Freier Filme der jeweiligen Epoxidharzgrundierungen in keinem Fall eine Durch-lässigkeit von Alkalien der Betonporenlösung gezeigt hat, konnten bei der Untersuchung grundierter Beton-scheiben in Abhängigkeit sowohl der Art und Beschaf-fenheit des mineralischen Substrats als auch der Zu-sammensetzung und Applikation der Epoxidharzgrun-dierung unterschiedlich stark ausgeprägte Diffusionsra-ten gemessen werden.

Untersucht wurden drei unterschiedliche, jeweils bau-aufsichtlich zugelassene Epoxidharzgrundierungen, deren genaue Zusammensetzung dem ibac in allen Fällen bekannt war. Die Zusammensetzung der beiden untersuchten Betone sowie die Gehalte nicht reaktiver Bestandteile in den jeweiligen Epoxidharzgrundierun-gen sind in den folgenden beiden Tabellen zusammen-gestellt.

In Vorversuchen wurde EP 1 als ausgeprägt blasenan-fällig bewertet, hier traten reproduzierbar Blasen bei diversen Parameterkombinationen auf. EP 2 zeigte nur sehr vereinzelt eine Blasenbildung und EP 3 wurde als blasenstabil bezeichnet. Hier wurde in keinem Fall eine Blasenbildung beobachtet.

Tabelle 1: Betonzusammensetzung

Bezeichnung des BetonsParameter Einheit

C 20/25 C 50/60

Zementart - CEM I 32,5 R

CEM I 42,5 R

Na2O-Äquivalent - 0,40 0,60 Zementgehalt kg/m³ 240 455

w/z-Wert 0,75 0,40 ßD. 28 d N/mm² 25 65

Kapillarporosität Vol.-% 8 3

Tabelle 2: Anteil an nicht reaktiven Bestandteilen der Epoxidharze bezogen auf Gesamtmasse

Bezeichnung des Epoxidharzes EP 1 EP 2 EP 3 Anteil an Anteil in M.-%

Benzylalkohol 12 - 5,5 Nonylphenol 2 3 2

Im folgenden Bild sind die differentiellen Leitfähig-keitsänderungen für die beiden Betonzusammenset-zungen sowie die drei Epoxidharzgrundierungen infol-ge einer Diffusion von Natrium und Kalium durch die Grundierung gezeigt. Je größer die differentielle Leit-fähigkeitsänderung, desto ausgeprägter ist die Bildung von Fehlstellen in der Epoxidharzgrundierung. Zudem ist der Wertebereich aus untersuchten Schadensfällen dargestellt. Hier wurde die Epoxidharzgrundierung im Bereich von Blasen zwischen Grundierung und PUR-

basierter Schwimmschicht analog zu den im Labor hergestellten Proben untersucht.

Bild 12: Differentielle Leitfähigkeitsänderung in Ab-

hängigkeit der Untergrundbeschaffenheit so-wie der Zusammensetzung der Epoxidharz-grundierung

Der Einfluss seitens des Substrats ist klar zu erkennen:

- Bei Auftrag der Grundierung auf einen trockenen Beton zeigen sich höhere Diffusionsraten als beim identischen, jedoch wassergesättigten Beton.

- Mit zunehmender Dichtigkeit des Porengefüges des Betons nehmen die Diffusionsraten durch die auf-getragene Grundierung ab.

Die dargestellten Ergebnisse zeigen eindeutig, dass die Kontaktzone Beton/Grundierung in Abhängigkeit so-wohl der Art und Zusammensetzung des Betons als auch der Art des Epoxidharzes für gelöste Alkalien der Betonporenlösung als permeabel angesehen werden kann.

Da es sich bei allen dargestellten Epoxidharzgrundie-rungen um bauaufsichtlich zugelassene Produkte han-delt und die Applikation im Labor entsprechend den Angaben der jeweiligen Hersteller durchgeführt wurde, ist hier eine Einflussnahme seitens des Beschichters ohne die genaue Kenntnis der Zusammensetzung kaum möglich. Ähnlich verhält es sich mit der Bewertung der Porenstruktur des Betons. Auch dieser Faktor kann durch den Beschichter kaum bewertet und schon gar nicht beeinflusst werden.

Anders sieht es bei dem Wassergehalt des Betons bei Auftrag der Grundierung aus. Entsprechend den Tech-nischen Merkblättern sowie der RL SIB /1/ muss der Beton bei Auftrag der Grundierung zumindest im ober-flächennahen Bereich trocken sein. Hierdurch wird jedoch die Wahrscheinlichkeit einer Fehlstellenbildung und somit auch einer Blasenbildung deutlich erhöht.

Zu ähnlichen Ergebnissen kamen auch Stenner et al [8]. Auch in ihren Untersuchungen zeigte ein tro-cken grundierter und beschichteter Beton eine deutlich größere Wahrscheinlichkeit einer Blasenbildung, wäh-rend ein nass beschichteter Beton praktisch keine Bla-senbildung gezeigt hat.

Da umgekehrt allerdings der Auftrag einer Grundie-rung auf einen wassergesättigten Beton je nach Epo-xidharzgrundierung zu einer ungleich größeren Scha-denswahrscheinlichkeit führen kann, sollte trotz der vorgenannten Ergebnisse weiterhin die Epoxid-harzgrundierung auf einen in der Randzone abgetrock-neten Beton aufgetragen werden.

So kann der Auftrag einer Epoxidharzgrundierung auf einen nassen Beton zu einer flächigen Delamination der gesamten Grundierung bzw. Beschichtung führen. Gemeinhin wird dieses Schadensbild mit einer schlech-ten Nasshaftung der Epoxidharzgrundierung begrün-det. Im folgenden Bild ist ein Ausschnitt einer großflä-chigen Delamination einer rissüberbrückenden Be-schichtung mitsamt Grundierung auf einem Parkdeck dargestellt.

Bild 13: Ausschnitt einer großflächigen Delamination der kompletten Beschichtung mitsamt Grun-dierung auf einem Parkdeck

Eine der Ursachen dieser schlechten Nasshaftung kann eine partielle Separation einzelner Bestandteile der Epoxidharzgrundierung bei Auftrag auf den Beton sein. Die Einflüsse seitens der Epoxidharzgrundierung sowie des mineralischen Substrats auf eine mögliche Separation wurden am ibac umfangreich untersucht. Detaillierte Ergebnisse zu diesen Untersuchungen werden u.a. in [18] veröffentlicht werden. Vor allem bei Epoxidharzgrundierungen mit einem hohen Anteil an Benzylalkohol kann diese Separation verstärkt auf-treten.

Im folgenden Bild 14 ist beispielhaft ein Ergebnis der Konfokalen Raman-Spektroskopie an EP 1, aufgetra-gen auf einen wassergesättigten Beton C 20/25 darge-stellt. Die Konfokale Raman-Spektroskopie erlaubt die dreidimensionale Untersuchung der Polymerstruktur durchscheinender Polymere, wie z.B. einer Epoxid-harzgrundierung. Neben einer Bildgebung erlaubt

dieses Verfahren auch eine qualitative sowie bei ent-sprechender Kalibrierung auch eine quantitative Ana-lyse der chemischen Zusammensetzung des Polymers. Weitere Informationen zur Funktionsweise eines kon-fokalen Raman-Mikroskops sind u.a. in [18] oder [19] enthalten.

Während an den mit Tiefe 2 bis 4 bezeichneten Punk-ten die ungestörte Bulkphase des Epoxidharzes vor-liegt, die praktisch eine zum Freien Film identische Zusammensetzung aufwies, zeigte sich im Bereich des mit Tiefe 1 gekennzeichneten Punktes eine gegenüber der Bulkphase deutliche Anreicherung von Benzylal-kohol in der Kontaktzone zum Beton.

Bild 14: Auswertung einer Messung mittels Konfoka-ler Raman-Spektroskopie der auf einen nassen Beton C 20/25 aufgetragenen EP-Grundierung EP 1

Eine Separation einzelner Bestandteile einer auf Beton aufgetragenen Epoxidharzgrundierung kann, wie im vorliegenden Fall für Benzylalkohol gezeigt, sowohl zu einer Schwächung des Verbundes zum mineralischen Substrat als auch einer geschwächten Adhäsion nach-folgender Beschichtungslagen führen. Da diese Separa-tion, je nach EP-Formulierung, sowohl bei Auftrag der Grundierung auf einen trockenen als auch einen prak-tisch wassergesättigten Beton auftreten kann, ist dieser Effekt durch den Verarbeiter kaum zu beeinflussen.

Vorbereitung des Betonuntergrundes

Während in Bild 12 lediglich ein nicht gestrahlter, Beton untersucht wurde, wird im folgenden der Ein-fluss einer Untergrundvorbereitung vor Auftrag der Grundierung betrachtet. Die Untergrundvorbereitung im Labor erfolgte stets durch Strahlen mit festem Strahlgut, die erzielte Rautiefe betrug etwa 0,5 mm nach Kaufmann [15].

Im folgenden Bild sind die analog zu Bild 12 ermittel-ten differentiellen Leitfähigkeitsänderungen für den Beton C 20/25 dargestellt. Die Auftragsmenge der Grundierung wurde gegenüber der in Bild 12 gezeigten Ergebnisse nicht verändert.

Bild 15: Differentielle Leitfähigkeitsänderung in Ab-

hängigkeit des Wassergehaltes des Betons, der Untergrundvorbereitung sowie der Zusam-mensetzung der Epoxidharzgrundierung

Eine Untergrundvorbereitung führt in allen Fällen zu einer deutlichen Reduktion der Fehlstellenbildung innerhalb der Grundierung. In Einzelfällen konnten die Diffusionsraten bis auf Null reduziert werden.

Einfluss einer Abstreuung der Grundierung

Ziel einer Abstreuung ist die Verbesserung der Adhä-sion zwischen Grundierung und nachfolgenden Be-schichtungslagen durch Vergrößerung der wahren Oberfläche der Grundierung. Auf diese Weise ist ne-ben einer chemischen Bindung zwischen der epoxid-harzbasierten Grundierung und der nachfolgenden Beschichtungslage auch eine mechanische Adhäsion über eine Verkrallung möglich.

Zur Untersuchung des Effekt einer Abstreuung wurde die auf den Beton aufgetragene Grundierung in fri-schen Zustand mit Quarzsand abgestreut. Nicht gebun-dener Sand wurde nach Erhärten der Grundierung entfernt. In Bild 16 ist der Einfluss der Abstreuung auf eine Fehlstellenbildung in der Grundierung anhand der ermittelten differentiellen Leitfähigkeitsänderungen dargestellt.

Auffällig ist, dass die Abstreuung je nach Substrat einen positiven oder negativen Effekt auf die Diffusi-onsraten zu haben scheint. So wurde bei allen drei untersuchten Epoxidharzen auf dem C 20/25 bei einer zusätzlichen Abstreuung eine Verringerung der Diffu-sionsraten gemessen. Bei dem C 50/60 kehrt sich die-ser Trend um, die Diffusionsraten steigen bei einer zusätzlichen Abstreuung an. Vermutlich führt die un-terschiedliche Anzahl der vorhandenen Fehlstellen in der Grundierung auf dem C 20/25 und C 50/60 vor Aufbringen der Abstreuung zu dieser gegenläufigen Tendenz:

Ausgehend von einer vergleichsweise hohen Diffusi-onsrate aufgrund einer Vielzahl an Fehlstellen in der Grundierung eines auf den C 20/25 aufgetragenen Epoxidharzes führt eine zusätzliche Abstreuung offen-

bar zu einer gewissen Abdichtung dieser Fehlstellen. Hier ist anzunehmen, dass durch die Vergrößerung der Schichtdicke der Grundierung infolge des Quarzkorns der Abstreuung zunächst vorhandene Fehlstellen im noch flüssigen Epoxidharz überdeckt und verschlossen werden, siehe auch Bild 17.

Bei Abstreuung einer Epoxidharzgrundierung auf dem vergleichsweise dichten C 50/60 ist der Ausgangspunkt ein anderer. So sind in der nicht abgestreuten Grundie-rung zunächst nur sehr wenige Fehlstellen im Epoxid-harz vorhanden. Durch die zusätzliche Abstreuung allerdings entstehen neue Fehlstellen in der Epoxid-harzgrundierung, da einzelne Quarzkörner die Grun-dierung durchdringen und lokal zu einer Perforation führen können. Zu einem ähnlichen Ergebnis kam Rheinwald bei der Betrachtung von Beschichtungs-schäden in Form von Blasen. Auch er geht von einer möglichen Perforation der Epoxidharzgrundierung durch eine Abstreuung aus [16].

Bild 16: Differentielle Leitfähigkeitsänderung in Ab-hängigkeit der Betonzusammensetzung, der Zusammensetzung der Epoxidharzgrundier-ung sowie der Abstreuung

Der Einfluss eines auf die Applikationsmenge der Grundierung abgestimmten Größtkorns auf die resul-tierende Schichtdicke ist in Bild 17 dargestellt. Die Auftragsmenge des EP-Bindemittels war in beiden Fällen identisch.

Die Bilder zeigen eindrucksvoll, dass die Schichtdicke der Grundierung durch die Abstreuung im vorliegen-den Fall mehr als verdreifacht wird. In der Grundie-rung vor Aufbringen der Abstreuung vorhandene Fehl-stellen werden durch diesen Effekt offenbar wirksam überdeckt.

Bild 17: Schichtdicke einer Grundierung ohne Ab-

streuung (links) und mit Abstreuung (rechts), jeweils mit identischer Auftragsmenge des Bindemittels

Die Praxis zeigt jedoch, dass eine Abstreuung unter Baustellenbedingungen auch einen negativen Einfluss auf die Adhäsion zwischen Grundierung und hwO haben kann. So kann sowohl eine zu geringe Abstreu-ung als auch die Verwendung einer nicht auf die Schichtdicke der Grundierung abgestimmten Körnung die Adhäsion derart negativ beeinflussen, dass sowohl eine lokale Blasenbildung als auch eine großflächige Delamination der Schwimmschicht begünstigt werden. Weiterhin muss vor Auftrag weiterer Beschichtungsla-gen überschüssiger Sand sorgfältig entfernt werden.

So ist beispielsweise die in Bild 10 links dargestellte großflächige Delamination der hwO primär durch eine unzureichende und ungleichmäßige Abstreuung verur-sacht worden.

In Bild 18 sind weitere Beispiele einer fehlerhaften Abstreuung dargestellt. In beiden Fällen wurden die aufgetretenen, zumeist blasenförmigen Delaminationen durch den Bauherrn zunächst unter dem Schadensbild der „osmotischen“ Blasenbildung zusammengefasst. Eine genauere Untersuchung der Kontaktzone analog der Bild 12 dargestellten Ergebnisse zeigte zunächst in allen Fällen eine Diffusion von Alkalien durch die Grundierung als Hinweis auf im Epoxidharz vorhande-ne Fehlstellen, so dass osmotische Transportprozesse bereits frühzeitig als Schadensursache ausgeschlossen werden konnten.

Bild 18: Unzureichende Abstreuung (links, Ansicht der

Unterseite der abgelösten PUR-Schwimm-schicht) und nicht auf die Applikationsmenge des EP-Bindemittels abgestimmte Körnung der Abstreuung (rechts)

In Bild 18 links ist die Unterseite der abgelösten PUR-Schwimmschicht dargestellt. Anhand der wenigen, unregelmäßigen Abdrücke der Abstreuung zeigt sich, dass diese nur in unzureichender Menge aufgebracht

wurde. In Bild 18 rechts sind im Bereich einer geöffne-ten Blase lose auf der Grundierung aufliegende Quarz-körner zu sehen. Hier wurde die geforderte Auftrags-menge der Grundierung unterschritten sowie mit einer nicht auf die Applikationsmenge des EP-Bindemittels abgestimmten Körnung abgestreut.

Einfluss unerwünschter Nebenreaktionen der PUR-Schwimmschicht

Bei Bewertung einer Delamination zwischen Grundie-rung und PUR-Schwimmschicht wurde bei Schadens-fällen häufig eine Bläschenbildung in der der Grundie-rung zugewandten Seite der PUR-Schwimmschicht vorgefunden. Diese Bläschenbildung ist im folgenden Bild beispielhaft dargestellt.

Bild 19: Schaumstruktur an der Unterseite einer PUR-Schwimmschicht im Bereich geöffneter Bla-sen

Die Ursache der Bläschenbildung ist auf eine Nebenre-aktion der Isocyanatkomponente der PUR-Beschich-tung mit Wasser, z.B. infolge einer Taupunktunter-schreitung des Substrates bei Auftrag der Schwimm-schicht zurückzuführen. Dabei reagiert die Isocyanat-komponente der PUR-Beschichtung über eine Poly-kondensation mit Feuchtigkeit unter Abspaltung von Kohlendioxid zu einer Harnstoffverbindung.

Die durch die Reaktion der Isocyanatkomponente mit Feuchtigkeit hervorgerufene Bläschenbildung führt zu einer Schwächung des Verbundes zwischen Grundie-rung und hwO, so dass bereits geringe Kapillardrücke aus dem Substrat oder auch eine mechanische Bean-spruchung durch Verkehr zu einer lokalen bis großflä-chigen Delamination der Schwimmschicht führen kön-nen.

Vermieden werden kann dieses Schadensbild durch eine sorgsame Erfassung der Lufttemperatur, Luft-feuchte sowie der Bauteiltemperatur und Einhaltung des Abstands zwischen Bauteiltemperatur und Tau-punkttemperatur von mindestens 3 K.

6 Zusammenfassung

In der vorgestellten Zusammenfassung wurden ver-schiedene bei befahrbaren Beschichtungssystemen typischerweise auftretende Schadensbilder beschrie-ben. Schwerpunktmäßig wurden Schadensbilder be-trachtetet, deren Ursache in der Vergangenheit häufig mit der so genannten „osmotischen“ Blasenbildung beschrieben wurde.

Ergebnisse eines am ibac bearbeiteten Forschungsvor-habens haben jedoch eindrucksvoll gezeigt, dass osmo-tische Transportprozesse bei Entstehung flüssigkeitsge-füllter Blasen innerhalb der polymeren Beschichtung sowie großflächigen Delaminationen einzelner Be-schichtungslagen nicht relevant sind. So lag die we-sentliche Begründung der Osmose als Schadensursache in der Annahme eines für eine Delamination erforderli-chen Druckes in der Größe der jeweiligen Haftzugfes-tigkeit der Beschichtung. Laborversuche sowie FE-Simulationen des Verbundes zwischen Beschichtung und Beton haben jedoch gezeigt, dass eine lokale De-lamination der Beschichtung bereits bei deutlich gerin-geren Drücken von maximal etwa 10 % der jeweiligen Haftzugfestigkeit der Beschichtung auftreten kann.

Die Vermeidung einer Blasenbildung durch eine sorg-fältige Applikation der Beschichtung ist nur in be-grenztem Maße möglich. Hier ist zudem eine Modifi-kation vorhandener Epoxidharzformulierungen zur Vermeidung der Entstehung lokaler Fehlstellen oder großflächiger Separationen bei Auftrag der Grundie-rung auf den Beton erforderlich.

Es ist geplant, geeignete Prüfverfahrens zu entwickeln, mit Hilfe derer die „Blasenanfälligkeit“ von Epoxid-harzgrundierungen im Labor zielsicher untersucht werden kann.

7 Danksagung

Die vorgestellten Untersuchungen wurden mit finan-zieller Unterstützung der Deutschen Forschungsge-meinschaft DFG durchgeführt. Für die Unterstützung sei an dieser Stelle gedankt.

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