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Die vorliegende Erfindung betrifft eine bewehrte Vorsatzschale mit verminderter Schichtdicke, insbesondere zur Sanierung von Trinkwasserbehältern.
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Früher wurden Trinkwasserbehälter in einer sehr massiven, teils komplett unbewehrten Stampfbetonbauweise ausgeführt. Eine solche Bauweise fand noch bis in die 1940er Jahre ihre Anwendung.
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Stampfbeton ist, ähnlich zu den heutigen Konstruktionsbetonen, ein Gemisch aus Gesteinskörnung, Bindemittel und Zugabewasser. Er wurde, wie auch der heutige Konstruktionsbeton, in meist hölzerne, später auch mit Stahlblechen kaschierte Schalungen eingefüllt. Unterschiede blieben jedoch in seiner Herstellung und Verarbeitung. Diese wichen aufgrund noch nicht vorhandener technischer und bauchemischer Errungenschaften stark von den heutigen ab.
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Ein entscheidender Unterschied lag in der Verdichtung, des sich nun in der Schalung befindlichen Betons. In früheren Zeiten gab es weder Innen- noch Außenrüttler. So wurde der Beton mittels Stocherlatten, hölzernen oder metallischen Stampfern verdichtet.
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Demzufolge, und das ist aus der Literatur bekennt, hing die Qualität eines Bauwerks sehr stark von den handwerklichen Fähigkeiten und der eingebrachten Sorgfalt der Handwerker ab. Hinzu kam, dass Betonrezepturen für massive Bauteile mit Wanddicken bis zu beispielsweise 2,0 m ein Größtkorn ≥ 32 mm vorsahen und auch die Zementleimanteile sehr gering ausfielen. Die mangelhafte Verdichtung resultierte in teils massiven Gefügestörungen, insbesondere Lufteinschlüssen.
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Um derart poröse Behälterwände gegen Auslaugen durch in die Porenräume eindringendes Wasser zu schützen, wurden Zementmörtelauskleidungen mit einem Glattstrich an der Oberfläche appliziert.
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In manchen Fällen kann man über Bohrkernentnahmen feststellen, dass man bei späteren Sanierungen eine zweite Zementmörtelauskleidung aufgebracht hat, ohne die darunter liegende Auskleidung zu entfernen. Dies hatte aus heutigen Gesichtspunkten zwei Gründe.
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Erstens agiert die Zementmörtelauskleidung auch als passive Abdichtung gegen von außen anstehendes Grundwasser, d. h. würde man diese Auskleidung bei einer Sanierung entfernen, müsste man enormen Aufwand in Form von Abdichtungsarbeiten betreiben. Diese waren in früheren Zeiten nur sehr schwierig bis gar nicht realisierbar. Ein weiterer Punkt für das Belassen der alten Auskleidung im Behälter stellt auch des arbeitsintensive Abstemmen der alten Auskleidung dar. Dabei muss auch die Förderung des Abbruchmaterials aus den oft nur mit kleinen Zugängen versehenen Trinkwasserbehältern bedacht werden.
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Über die Jahrzehnte wurden so die Mörtelauskleidungen teils stark durch chemische Austauschmechanismen zwischen zementgebundenem Werkstoff und Trinkwasser regelrecht ausgelaugt. Bei Zustandsanalysen der einzelnen Bauwerke muss man bei Haftzugfestigkeitsversuchen feststellen, dass in den einzelnen Schichten sowie auch in deren Grenzflächen sehr schlechte Verbundeigenschaften vorliegen. Es sind weder ausreichende Kohäsions- noch Adhäsionskräfte vorhanden, um eine neue mineralische Beschichtung und deren auftretende Kräfte kraftschlüssig in den vorhandenen, tragenden Untergrund einzuleiten.
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Diese Probleme können überraschenderweise durch die vorliegende Erfindung gelöst werden.
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Diese betrifft eine bewehrte Vorsatzschale mit verminderter Schichtdicke, aufgebaut aus einer Bewehrungsanordnung und einer darüber applizierten Mörtelauskleidung, wobei die Bewehrungsanordnung im Wesentlichen aus einer Gitterstruktur und einer Verankerung gebildet ist, in der Gitterstruktur zur Aufnahme der Verankerung Befestigungsrinnen derart ausgebildet sind, dass die Ebene der Gitterstruktur im verankerten Zustand parallel und beabstandet zu einem Untergrund gehalten ist und die Verankerung unter oder maximal in der Ebene der Gitterstruktur liegt.
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Durch eine erfindungsgemäß zum Einsatz kommende Bewehrungsanordnung lässt sich eine erheblich verminderte Schichtdicke der Vorsatzschale erreichen. Herkömmliche Schichtdicken betragen 60 bis 70 mm. Erfindungsgemäß lässt sich die Schichtdicke auf ca. 30 mm reduzieren. Durch die verringerte Schichtdicke ergeben sich zwei wesentliche Vorteile im Vergleich zum Stand der Technik. Es resultiert eine erhebliche Materialersparnis und damit einhergehend eine verringerte Gewichtsbelastung an nicht mehr tragfähigen Substanzen/Untergründen.
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Bevorzugte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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So ist die Gitterstruktur vorzugsweise ein an sich bekanntes Punktschweißgitter und dieses vorzugsweise aus Edelstahl gefertigt. Das Punktschweißgitter hat eine Maschenweite von etwa 50,4 mm und einen Drahtdurchmesser von 1,5 mm, obwohl andere Abmessungen und andere Gitterstrukturen, beispielsweise ein Geflecht aus Draht denkbar sind. Die in der Gitterstruktur vorgesehenen Befestigungsrinnen können vertikal und/oder horizontal verlaufend angeordnet sein. Art und Weise der Anordnung der Befestigungsrinnen wird sich hauptsächlich nach der Größe bzw. den Abmessungen der anzubringenden Gitterstruktur richten. Die Befestigungsrinnen sind vorzugsweise integral, d. h. einstückig mit der Gitterstruktur ausgebildet, so dass keine Schadstellen an der Gitterstruktur auftreten können. Die Verankerung der Gitterstruktur mit dem Untergrund basiert je nach Beschaffenheit des Untergrundes vorzugsweise auf einem chemischen oder mineralischen Verankerungssystem. Es werden Nagelanker, Betonschraubanker oder dergleichen verwendet werden. Besonders vorteilhaft ist eine Verankerung, die wasserdicht in den Untergrund eingebracht werden kann. Die Mörtelauskleidung wird vorzugsweise aus zementgebundenem mineralischem Werkstoff gebildet. Sie weist eine Porositätsabstufung auf, wobei die Porosität in der Randzone geringer als im Innern der Mörtelschicht ist. Die erfindungsgemäße bewehrte Vorsatzschale dient ohne Beschränkung darauf vorzugsweise zur Sanierung des Mauerwerks von Trinkwasserbehältern.
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Bei der erfindungsgemäßen Vorsatzschale handelt es sich, wie auch bei einer einfachen, nicht bewehrten Auskleidung mit einer rein mineralischen zementgebundenen Auskleidung, um eine im Trocken- oder Nassspritzverfahren applizierte, mit einem Spezialzement an der Oberfläche abgepuderten und geglätteten Mörtelauskleidung. Eine solche Mörtelauskleidung bzw. Beschichtung für Trinkwasserspeicher ist beispielsweise in der
EP 1 686 109 A1 beschrieben. Man erzielt damit eine optimal an die Schadensmechanismen angepasste, sehr dauerhafte Oberflächenbeschaffenheit mit einem einzigartigen Porositätsgefälle.
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Das Material ist unter der Bezeichnung AQUAZEM® im Handel erhältlich und besitzt einen an den Beton optimal angepassten E-Modul von im Mittel 21.700 N/mm2 (statistischer Elastizitätsmodul). Der Widerstand des Materials gegenüber Verformung ist somit kleiner oder gleich dem des darunter liegenden Betons. Somit liegt die nachgiebigste und verformungsfreudigste Schicht wie bei einem optimalen Schichtaufbau als äußerste Schicht an.
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Da bei den oben geschilderten Behältern keine ausreichenden Haftzugwerte, weder in einzelnen Schichten noch in deren Grenzflächen vorliegen, muss die bewehrte Vorsatzschale als eine sich selbst tragende vorgesetzte und rückverankerte Schale agieren. Spannungen, die in der neuen Beschichtung aufgrund von Hydratationsprozessen beim Abbindevorgang des Mörtels oder durch Schwindkräfte aufgrund der Austrocknung bei Wartungsarbeiten im Behälter auftreten, könnten zur Rissbildung und Ablösung der Auskleidung vom Untergrund führen.
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Um diese entstehenden Spannungen aufzunehmen wird erfindungsgemäß ein speziell für diese Anwendung gefertigtes Gitter, insbesondere ein Punktschweißgitter aus Edelstahl (Werkstoff 1.4404 V4A, AISI 316L, hoch korrosionsbeständig) am Untergrund verankert und dann mit dem oben genannten Mörtel im Trockenspritzverfahren eingespritzt. Die Maschenweite des Gitters beträgt vorzugsweise 50,4 mm und ist quadratisch. Der Draht hat vorzugsweise einen Durchmesser von 1,5 mm.
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Werkseitig werden Befestigungsrinnen in der Gitterstruktur vorgesehen, welche eine Zunahme der Schichtstärke durch den Kopf der Verankerung verhindern sollen. Die Befestigungsrinnen geben auch eine zumindest auf einer Achse unverschiebliche Position vor.
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Durch die erfindungsgemäße Verwendung dieses Bewehrungsgitters aus Edelstahl können auch Betonüberdeckungen aufgrund von Anforderungen aus Expositionsklassen in Bezug auf die Bewehrungskorrosion reduziert werden. Mit den Reduzierungen der Schichtstärken geht eine Minderung der Belastung des Bestandes durch das Eigengewicht einher. Vor allem werden jedoch durch Schichtstärkenreduzierung auch Kosten durch Material und Arbeit eingespart.
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Die entstehenden Kräfte aus Hydratation, Schwinden und auch Eigengewicht, die zwischen 55 und 75 kg/m2 liegen können, müssen kraftschlüssig in den Untergrund eingeleitet werden. Dazu könnten beispielsweise chemische Befestigungssysteme Verwendung finden.
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Auf dem Markt sind jedoch keine solchen chemischen Befestigungssysteme vorhanden, welche Prüfzeugnisse in Bezug auf die Verträglichkeit mit Trinkwasser besitzen. Insbesondere Verankerungssysteme, die in der Trinkwasserbehältersanierung zum Einsatz kommen können, sollten somit die auf sie einwirkenden Kräfte rein mechanisch in den Untergrund einleiten. Darüber hinaus sollten aufgrund von Anforderungen an Dauerhaftigkeit und Korrosionswiderstand Edelstähle zur Anwendung kommen. Um diese Verankerung sicher und auch wirtschaftlich durchführen zu können, könnten die folgenden Verankerungssysteme verwendet werden:
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1. Nagelanker
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Hierbei handelt es sich um einen am Ende konischen gefrästen Anker der mit einer Spreizhülse versehen ist. Der Anker wird in ein zuvor gebohrtes Loch mit Hilfe eines Hammers eingeschlagen und er ”verkrallt” sich somit schon im Untergrund. Treten größere Kräfte auf, so schiebt sich die Spreizhülse mit einer einhergehenden Lageänderung des Ankers über den Konus und verspreizt sich zusätzlich im Untergrund. Nachteilig für eine Rückverankerung einer bewehrten Vorsatzschale mit einem Nagelanker erweist sich jedoch die relativ kleine Lasteinleitungsfläche. So muss man bei einer Verankerung in Stampfbeton damit rechnen, dass man das Befestungsmittel in einer Störstelle/Inhomogenität einbringt. Würde sich diese Störstelle, beispielsweise in Form eines Lufteinschlusses durch mangelnde Verdichtung, gerade im Bereich der Spreizhülse befinden und wäre deren räumliche Ausdehnung in Bezug auf die Spreizhülse gesehen ausreichend groß, so könnten in diesem Bereich auftretende Kräfte nicht kraftschlüssig in den tragenden Untergrund eingeleitet werden.
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Die kleine Lasteintragsfläche der Verankerung mittels einer Spreizhülse bietet für die Anwendung in Stampfbeton daher keine optimale Lösung. Die Befestigung mittels eines Nagelankers wurde jedoch eine sehr wirtschaftliche Variante darstellen, da außer einem Bohrhammer und einem einfachen Hammer keine weiteren Maschinen und Werkzeuge benötigt werden. Des Weiteren umfasst dieses Befestigungsverfahren lediglich drei Arbeitsschritte: Loch bohren, reinigen (Ausbürsten und Ausblasen), anschließend Nagelanker einschlagen. Somit kann auch ein im Vorhinein genau abschätzbarer, wirtschaftlicher Ablauf in der Serienbefestigung, auch bei großen Flächen von mehreren hundert Quadratmetern, bewerkstelligt werden.
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2. Betonschraubanker/Betonschraube
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Bei diesem Befestigungsmittel handelt es sich, wie auch beim Nagelanker, um ein maschinell gedrehtes Befestigungsmittel, welches je nach Anforderungen aus qualitativ unterschiedlichen Stählen gefertigt werden kann. Es handelt sich hierbei um eine/n Spezialschraube/-anker, welche/r ohne weitere Hilfsmittel, wie z. B. einem Dübel, direkt in den Beton eingedreht wird. Diese/r Schraube/Anker besitzt eine speziell auf das Eindrehen in Beton und dabei selbstständiges Schneiden eines Gewindeganges abgestimmte Gewindegeometrie. Auf Grund dieser Tatsache erzielt man sehr gute Lastkennwerte. Das Loch wird mittels eines Bohrhammers in den geforderten Durchmessern gebohrt. Der Bohrlochdurchmesser entspricht in der Regel dem Schaftdurchmesser des Schraubankers. Die Differenz der Durchmesser wird als Gewinde in die Flanken des Bohrloches geschnitten. Um eine zugelassene Rückverankerung herzustellen, muss das Bohrloch nach der Erstellung mittels Druckluft und einer Bürste gereinigt werden (herstellerabhängig). Darüber hinaus müssen einige Betonschrauben bei einer Befestigung in Betonuntergründen mittels einem Tangentialschlagschrauber eingedreht werden (herstellerabhängig). Auch diese Ausführung ist zulassungsrelevant. Je nach Untergrund ist auch das manuelle Eindrehen mittels einer Ratsche zulässig.
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Nimmt man auch bei dieser Verankerungsvariante ein Bohrloch durch eine Störzone im Stampfbeton an, so hat der Schraubanker den großen Vorteil, dass die Kräfte über die gesamte Gewindelänge in die Bohrlochflanken übertragen werden. Somit können Inhomogenitäten im Untergrund eher überbrückt werden als bei Befestigungsmitteln, die Lasten punktuell in den Untergrund eintragen.
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Trotz der zusätzlichen Arbeitsgänge des Ausblasens/Ausbürstens und des Eindrehens des Ankers mittels eines Schlagschraubers werden solche Schraubanker bei Serienbefestigungen mit großer Stückzahl angewendet. Es ist dabei zu berücksichtigen, dass Maschinenhersteller eine große Palette an akkubetriebenen Bohrhämmern und Schlagschraubern anbieten. Mit diesen sehr leistungsfähigen und leichten Maschinen können große Mengen an Befestigungen netzunabhängig und auch wirtschaftlich ausgeführt werden. Somit kann auch in diesem Fall der Aufwand für die Erstellung einer solchen Rückverankerung auch bei großen Stückzahlen genau ermittelt werden.
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Bei größeren Störstellen müssen die Längen der Verankerungsmittel dementsprechend lang gewählt werden, damit die Störstellen überbrückt werden können. Erfahrungsberichte aus der Anwenderpraxis zeigen, dass auch die Wahl eines Bohrers mit kleinerem Durchmesser (bei gefordertem Durchmesser 6 mm nur mit einem Bohrer Durchmesser 5 mm bohren) bei nicht optimalen Untergrundverhältnissen zu verbesserten Lastkennwerten führt.
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Es muss jedoch auch damit gerechnet werden, dass man bei den Rückverankerungsarbeiten auf Störstellen im Unterrund trifft, deren räumliche Ausdehnung eine Verankerung mit den oben aufgeführten Systemen nur unter Verwendung sehr langer Anker oder gar nicht ermöglicht. In diesem Fall müsste man auf alternative Verankerungstechniken zurückgreifen.
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Diese wären einerseits chemische Dübelsysteme, die jedoch wie schon genannt keine Prüfzeugnisse im Bezug auf die Verträglichkeit mit Trinkwasser (DVGW, KTW) besitzen. Lediglich die HIT Systeme der Firma Hilti sind bei einer amerikanischen Organisation, NSF International, die sich im Wesentlichen um Gesundheitsfragen in unterschiedlichen Anwendungen kümmert, gelistet.
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Mit diesem System kann eine Innengewindehülse aus Edelstahl ”eingeklebt” werden. In diese Hülse kann dann wiederum eine handelsübliche, ebenfalls aus Edelstahl gefertigte, Schraube mit passender Unterlegscheibe eingedreht werden. Die Schraube fixiert mit der Unterlegscheibe die Bewehrungsmatte.
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Eine Möglichkeit die Oberfläche des mit Hilti HIT verfüllten Bohrloches flüssigkeitsdicht abzudichten, stellt die Verwendung eines wasserdichten Schraubankers (WDSA) von AQUAZEM dar. Es handelt sich hierbei um ein Verankerungsmittel, welches aus einem massiven Edelstahlstück gedreht wird. Zu seiner Beschreibung wird auf die
DE 10 2009 097 770 A1 verwiesen.
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Der WDSA kann mit passendem Gewinde in die im voraus ”eingeklebte” Innengewindehülse eingedreht werden. Darauf kann dann die mit Befestigungsrinnen versehene Bewehrungsmatte mit Mutter und Unterlegscheibe befestigt werden.
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Das Risiko einer Kontamination des Trinkwassers mit Restmonomeren aus der chemischen Verankerung aus oberflächenentfernteren Schichten, welche durch Feuchtigkeitstransporte an die Oberfläche der Auskleidung gelangen, wird dadurch reduziert.
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Andererseits wäre auch eine ”mineralische Verankerung” in folgender Ausführung denkbar: In ein gereinigtes, hammergebohrtes Bohrloch wird ein Mörtel mit leicht quellenden Eigenschaften injiziert. In das nun mit Mörtel ausgefüllte Loch wird ein abgewinkelter Wellenstab aus Edelstahl mit einem Durchmesser zwischen 1,5 mm und 5 mm eingebracht. Um eine bessere Verankerungswirkung im Mörtel zu erzielen, besitzt der Stab seine gewellte Form. Das weitere Vorgehen entspricht dem oben genannten Verfahren.
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Beide Verfahren haben jedoch folgende Nachteile:
- – Im Vergleich zum Nagelanker oder Schraubanker kann die Bewehrung nicht in einem Arbeitsgang angebracht werden. Die Löcher müssen zuerst angezeichnet werden.
- – Nach dem Einbringen des abgewinkelten Wellenstabes muss eine ausreichende Festigkeit des Mörtels erreicht sein, um diesen bei den Bindearbeiten der Bewehrungsmatten nicht zu lösen.
- – Um einen optimalen Haftverbund der beiden Mörtel im Bohrloch zu erzielen, muss dieses gründlich gereinigt werden.
- – Um einen zu großen Materialverlust (chemische Dübel) durch an das Bohrloch angrenzende Hohlräume zu vermeiden, müssen zusätzlich Siebhülsen verwendet werden. Diese kommen vor allem bei der Montage chemischer Dübel in Lochsteinen (z. B. HLZ) zum Einsatz.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1686109 A1 [0015]
- DE 102009097770 A1 [0032]