5833R international (43) Heft 10/2004

FACHBERICHTE

BBBBiiiilllldddd 1111:::: Schädigung des Werkstoffverbundes aus Stahl und Beton aufgrund zu geringer Überdeckungen

FFFFiiiigggg.... 1111:::: Damage of the concrete and steel composite by a too small concrete covering

Zementmörtelauskleidungen von Rohren aus EisenwerkstoffenTeil 1: Physikalische und korrosionschemische Aspekte

Cement-mortar linings for ferrous-material pipes Part 1: Physical and corrosion-chemical aspects

Der Einsatz von Zementmörtel als innerer Korrosionsschutz von Wasserleitungen ausGuss und Stahl ist seit mehr als 100 Jahren bekannt. Die Kombination dieser beidenWerkstoffe hat sich unter physikalischen bzw. mechanischen Gesichtpunkten, aber auchaus korrosionschemischer Sicht nicht nur im Rohrleitungsbau sondern auch im Hochbauals perfekte Paarung erwiesen. Dieser Beitrag gibt einen Überblick der in der Praxis häu-fig diskutierten Fragestellungen rund um die Einsatzmöglichkeiten und Einsatzgrenzeneiner Zementmörtelauskleidung im Trinkwasserbereich.

For more than 100 years cement mortar has been used as internal corrosion protectionfor water pipes of steel and ductile iron. The combination of these 2 components hasproved to be a perfect solution – not only regarding the physical and mechanical aspects,also with respect to the corrosion chemical side for pipelines and construction pipes.This report gives a survey on questions that are often discussed in practical use concern-ing the possibilities and limits for the use of cement mortar linings in the drinking waterarea.

Einleitung

Die Kombination von Stahl und Eisen mitzementgebundenen Werkstoffen hat sich so-wohl im Bauwesen als auch im Rohrleitungs-bau seit mehr als 100 Jahren bestens be-währt. Die fehlende Zugfestigkeit des Be-tons, die normalerweise nur etwa ein Zehntelder Druckfestigkeit beträgt, wird im Bauwe-sen häufig vom Stahl übernommen. Kon-struktionstechnisch von Bedeutung sind die

bei Stahl und zementgebundenen Werkstof-fen etwa gleichen Wärmeausdehnungskoeffi-zienten. Auch aus korrosionsschutztechni-scher Sicht stellt diese Werkstoffkombinationeine optimale Lösung dar. Die korrosions-schützende Wirkung einer Beton- oder Mör-telmatrix in Bezug auf eingelagerte Konstruk-tionselemente aus Eisenwerkstoffen beruhtim Wesentlichen auf dem alkalischen Poren-medium. Die Alkalität des Porenmediums istauf das Calciumoxid als Hauptbestandteil

des Zementes, aber insbesondere auch aufdie Nebenbestandteile, den Alkalioxiden Na-trium- und Kaliumoxid zurückzuführen. Derhohe pH-Wert innerhalb der Beton- oderMörtelmatrix begünstigt die Passivierung dervom Zementmörtel umgebenen Eisenwerk-stoffe.

Speziell diese korrosionsschützende Wir-kung wird auch in der Kombination einer Ze-mentmörtelauskleidung mit Guss- und Stahl-rohren genutzt. Dabei ergeben sich jedochgrundlegende Unterschiede für den Anwen-dungsbereich einer Kombination von Stahlund Beton im Bauwesen und der Zement-mörtelauskleidung von Guss- und Stahlrohr-leitungen. Im Bauwesen sind wechselndeBeanspruchungen durch Nass- und Trocken-phasen zu berücksichtigen, die sich in dengeforderten Mindestüberdeckungen des Be-tons nach DIN 1045 (Beton und Stahlbeton)beim Moniereisen widerspiegeln.

Dieser schwankende Gehalt an Feuchtig-keit begünstigt den Stofftransport in die po-röse Mörtel- oder Betonmatrix. Hier ist insbe-sondere das CO2 der Luft mit seiner für dasPorenmedium neutralisierenden Wirkung zuberücksichtigen, aber auch korrosionsför-dernde Komponenten wie Chloride oder derSauerstoff als korrosionsrelevanter Partnerfür die im Beton oder Mörtel gebetteten Ei-senwerkstoffe. Bei zu geringer Überdeckungheben lokal unterschiedliche Carbonatisie-rungsgrade im Bereich der eingelagertenKonstruktionselemente aus Eisen den passi-vierenden Schutz durch das alkalische Po-renmedium auf und führen zur Korrosion,die sich durch Abplatzungen aufgrund dersich bildenden voluminösen Eisenkorrosi-onsprodukte bemerkbar macht (BBBBiiiilllldddd 1111).

Eine permanent feuchte Mörtelmatrix, wiesie in zementmörtelausgekleideten Rohrlei-tungen für den Transport wässriger Medienzwangsläufig vorliegt, führt zu einer erhebli-chen Reduzierung solcher Transportvorgän-ge [1, 2]. Die für einen wirkungsvollen Korro-

Dr. Hans-Jürgen KocksRöhrenwerk Gebr. Fuchs GmbH, SiegenTel. +49(0)271/691-0E-Mail: hans-juergen.kocks@fuchsrohr.de

Dipl. Ing. Werner SiedlarekFachhochschule Südwestfalen, Labor für Korrosionsschutz-technik, Iserlohn

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sionsschutz erforderlichen Schichtdicken ei-ner Zementmörtelauskleidung sind daherdeutlich geringer.

Ein weiterer wesentlicher Unterschied inder Kombination von Beton und Stahl imBauwesen und den Zementmörtelausklei-dungen von Guss- und Stahlleitungsrohrenergibt sich unter statischen Erwägungen. BeiBauwerken sind Risse unter statischen Ge-sichtpunkten besonderer Aufmerksamkeit zuwidmen und in der Regel unzulässig. Im Fal-

le zementmörtelausgekleideter Rohre wirddie Statik vollständig vom Eisengrundwerk-stoff übernommen. Der Gewölbeeffekt einesRohres stützt die Mörtelauskleidung auch imgerissenen Zustand. Bei den Rissen einerZementmörtelauskleidung von Guss- undStahlrohren handelt es sich in der Regel umSchwindrisse, die insbesondere bei der La-gerung unter starker Sonneneinstrahlungdurch das Austrocknen des Mörtels auftre-ten können. Bei Kontakt der Mörtelausklei-dung mit wässrigen Medien schließen sichdiese Risse durch das Quellen des Mörtelsoder durch die Reaktion des Calciumoxidsaus der Mörtelmatrix mit dem im Wasser ge-lösten Kohlendioxid unter Bildung von Calci-umcarbonat. Aus diesem Grunde sprichtman im Falle der Zementmörtelauskleidungvon einem aktiven Schutzsystem. PassiveSchutzsysteme wie organische Beschichtun-gen können im Falle einer Rissbildung demGrundwerkstoff keinen Schutz mehr bieten.

Die Nachteile unbeschichteter aber auchbeschichteter Rohre werden heute offen-sichtlich angesichts der immer wieder auf-tretenden Diskussionen rund um die organi-sche Beschichtung als Alternative zur Ze-mentmörtelauskleidung verdrängt. Aufgrundder, in Bereichen mit unzureichenderSchichtdicke oder Poren möglichen Diffusionkorrosiv wirkender Komponenten wie bei-spielsweise der Chloride und insbesonderedes für die Korrosion in wässrigen Medienerforderlichen Sauerstoffs, können organi-sche Beschichtungen eine Zementmör-telauskleidung kaum ersetzen. Unter Ein-fluss von Temperaturdifferenzen ist die Mög-lichkeit der Permeation von Wasserdampf indie Beschichtung und daraus resultierendeine Blasenbildung zu berücksichtigen. Jenach Durchfluss und auftretenden Druck-schwankungen öffnen sich diese Blasen.Das freiliegende Grundmaterial bietet dannggf. die Angriffsfläche für Korrosion und In-krustationen. Die Herstellung beständigerBeschichtungen erfordert eine aufwändigeOberflächenvorbereitung, den Einsatz hoch-wertiger Kunstharze und eine sorgfältigSchichtdickenkontrolle. Bei Rohrleitungen imbegehbaren Bereich der Rohrdimensionensind entsprechende Kontrollen und ggf.Nacharbeiten noch realisierbar, bei nicht be-gehbaren Rohrdimensionen wirtschaftlichkaum möglich. Dieses gilt insbesondereauch für die an der Baustelle erforderlicheNachbearbeitung der Innenbeschichtung imBereich der Schweißverbindungen [3, 4].

Im Gegensatz zu den Beschichtungen isteindringende Feuchtigkeit für eine Zement-mörtelauskleidung ohne jede Bedeutung. Imfeuchten Zustand erfüllt die Zementmör-telauskleidung die gleiche passive Barriere-wirkung, wie eine organische Beschichtung.Die aktive Schutzwirkung der Zementmör-telauskleidung gewinnt bei Rissbildungen

oder aber im Falle der etwa 5 – 10 mm brei-ten Spalten der Verbindungsbereichestumpfgeschweißter Stahlrohre aufgrund derSelbstheilung und Begünstigung der Passiv-schichtbildung an Bedeutung. Hinzu kom-men die guten hygienischen Eigenschaftender Zementmörtelauskleidungen währenddes Betriebes. Aufgrund dieser Vorteile for-dert die DIN 2460 (Stahlrohre für Wasserlei-tungen) für den Einsatz im Trinkwasserbe-reich: „Rohre für Trinkwasserleitungen sindmit Zementmörtel auszukleiden“.

Historischer Rückblick

Der Einsatz von Zementmörtel als Korrosi-onsschutz in Wasserleitungsrohren aus Ei-senwerkstoffen wurde erstmalig in einer Pu-blikation der französischen Akademie derWissenschaften im Jahr 1836 beschrieben.Unter den verschiedenen dabei betrachtetenVerfahren für den Innenschutz dieser Rohrewurde eine mind. 2.5 mm dicke Zementmör-telschicht als besonders wirtschaftliche Lö-sung dargestellt, die eine gute Handhabungund Schutz gegen Korrosionen und damit In-krustationen gewährleistet. Es ist nicht aus-zuschließen, dass aufgrund dieser Publikati-on nur wenige Jahre später die ersten Ze-mentmörtelauskleidungen in den VereinigtenStaaten zum Einsatz kamen. So wurde be-reits 1845 die Verlegung zementmörtelaus-gekleideter Rohre in Jersey City, New Jerseydokumentiert. In den Vorschriften der StadtBrooklyn, des Staates New York, wird die Ze-mentmörtelauskleidung bereits 1859 er-wähnt [5].

Die frühen Verfahren zur Auskleidung vonRohren bereiteten noch außerordentlicheProbleme. So wurden beispielsweise soge-nannte Durchziehverfahren entwickelt, umZementmörtelauskleidungen mit Hilfe einesDorns zu applizieren. Die Schichtdicke derZementmörtelauskleidung unterliegt hierbeijedoch bei schlechter Zentrierung großenSchwankungen. Große Rohre wurden zurAuskleidung eingeschalt, wie dies beispiels-weise im Fall einer 10 km langen New YorkerWasserleitung mit Durchmessern von 2,9und 3,4 m praktiziert wurde. Aufgrund derguten Erfahrungen im ersten Bauabschnittdieser Leitung, der in den Jahren von 1910bis 1913 fertiggestellt wurde, folgte auch dieVollendung der Leitung in den Jahren von1922 bis 1924 mit dieser Rohrausführung.Die Schichtdicke dieser mit Hilfe von Scha-lungen hergestellten Zementmörtelausklei-dung lag im Bereich von 50 mm [5].

Die heute noch üblichen Schleuderverfah-ren wurden um 1920 entwickelt. Die Rohrewerden nach dem Einbringen des Zement-mörtels in Rotation versetzt, um glatte undgleichmäßig dicke Auskleidungen zu erzie-len.

BBBBiiiilllldddd 2222:::: Zementmörtelauskleidung nach Verfahren I

FFFFiiiigggg.... 2222:::: Cement mortar lining – method I

BBBBiiiilllldddd 3333:::: Zementmörtelauskleidung nach Verfahren II

FFFFiiiigggg.... 3333:::: Cement mortar lining – method II

BBBBiiiilllldddd 4444:::: Inkrustationen auf ungeschützten Rohrinnenflä-chen

FFFFiiiigggg.... 4444:::: Incrustation on inner pipe surface without protec-tion

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Prinzipiell sind zwei Verfahren zur Ausklei-dung der Rohre zu unterscheiden: ■ Beim Rotationsschleuderverfahren wird

ein wasserreicher Mörtel in das Rohr ein-gebracht und anschließend durch Rotati-on über den Rohrumfang verteilt, verdich-tet und geglättet. Bei diesem Verfahrenwird überschüssiges Wasser ausgetrie-ben. Zementmörtelauskleidungen nachdiesem Verfahren zeichnen sich durchdie Bildung einer deutlichen Schicht ausFeinanteilen aus, die im Wesentlichenaus Zement besteht (BBBBiiiilllldddd 2222).

■ Beim Anschleuderverfahren wird derMörtel in einem ersten Arbeitsgang andie Innenfläche des Rohres angeworfen.In einem zweiten Arbeitsgang folgt dasGlätten und Verdichten des Mörtels durchdie Rotation des Rohres. Je nach Rotati-onsgeschwindigkeit und Ausgangswas-sergehalt können dabei Auskleidungenmit homogener Kornverteilung herge-stellt werden (BBBBiiiilllldddd 3333).

Die Erfahrungen mit Zementmörtelaus-kleidungen waren 1933 Gegenstand einesSymposium in den Vereinigten Staaten [6].Dabei wurde über Rohrleitungen berichtet,die bereits 50 Jahre ohne Beeinträchtigun-gen betrieben wurden. Im Vordergrund stan-den dabei die guten Erfahrungen in Bezugauf eine Vermeidung von Inkrustationen, diebei innen ungeschützten oder aber mit Bitu-men oder Teerpech beschichteten Rohren jenach geförderter Wasserqualität im Laufeder Betriebsjahre unvermeidbar waren. Sol-che Inkrustationen führten zur Reduzierungder Rohrquerschnitte und erforderten zumErhalt der Durchflussmengen immer größe-rer Pumpleistungen (BBBBiiiilllldddd 4444).

Ausgehend von diesen positiven Erfahrun-gen wurde 1941 die erste Auflage der AWWAC 205 (Cement Mortar Protective Lining andCoating for Steel Water Pipe) publiziert. InDeutschland erschien 1978 das DVGW-Ar-beitsblatt W 342 (Werksseitig hergestellteZementmörtelauskleidungen für Guss- undStahlrohre) nachdem erst ab Mitte der 60erJahre Zementmörtelauskleidungen hier zuLande verstärkt zum Einsatz kamen. DiesesArbeitsblatt wurde 1986 durch das DVGW-Ar-beitsblatt W 344 (Zementmörtelauskleidun-gen von erdverlegten Guss- und Stahlrohrlei-tungen) für die Herstellung von Zementmör-telauskleidungen an den Baustellen ergänzt.1990 wurden diese DVGW-Arbeitsblätter indie heute noch gültige Fassung der DIN2614 (Zementmörtelauskleidungen für Guss-rohre, Stahlrohre und Formstücke) überführt[7].

Im Zuge der europäischen Normung lie-ßen die ersten Entwürfe der DIN EN 10298(Steel tubes and fittings for onshore and off-shore pipelines - Internal lining with cementmortar) erwarten, dass der nicht unbeträcht-liche informative Teil der DIN 2614 im Falle

eines Ersatzes durch die DIN EN 10298 ver-loren geht. Aus diesem Grunde wurde mit Er-scheinungsjahr 1999 die DIN 2880 (Anwen-dungen von Zementmörtelauskleidungen fürGussrohre, Stahlrohre und Formstücke) pu-bliziert, die den informativen Teil der DIN2614 beinhaltet [7].

Physikalische Eigenschaften der Zementmörtelauskleidung

Bei der Bewertung der physikalischen Ei-genschaften einer Zementmörtelausklei-dung für die Praxis sind vor allem Festigkei-ten, Porosität und Oberflächenrauheit zu be-rücksichtigen. Diese Eigenschaften habenbei der Qualitätskontrolle in der Produktion,bei Verlegung und Inbetriebnahme sowiewährend des Betriebes zementmörtelausge-kleideter Leitungen unterschiedliches Ge-wicht.

Mechanische Festigkeiten

Während die Druckfestigkeiten bzw. dieDruckfestigkeitsentwicklung eines Betons fürdie statische Auslegung eines Bauwerks vongravierender Bedeutung ist, spielen die me-chanischen Eigenschaften des Zementmör-tels bei den vergleichsweise dünnen Schicht-dicken in der Rohrstatik keine Rolle. TTTTaaaabbbbeeeelllllllleeee1111 gibt einen Überblick der in den Normenfestgelegten Auskleidungsschichtdicken fürGuss- und Stahlrohre.

Trotzdem ist die regelmäßige Kontrolle derDruckfestigkeit Bestandteil jeder techni-schen Lieferbedingung für Zementmör-telauskleidungen. Die hier ermittelte Druck-festigkeit hat jedoch primär in der Qualitäts-sicherung ihre Bedeutung und dient zurÜberwachung der Vormaterialien bzw. zurÜberwachung der Dosiereinrichtungen inder Produktion.

Bei der Verlegung zementmörtelausgeklei-deter Stahlrohre wird immer wieder die zu-lässige Biegung der Rohre angesprochen.Solche Rohrbiegungen sind beispielsweisefür die Pipelineverlegung (Strangverlegung)oder bei der Dimensionierung einer Startgru-be für die grabenlose Rohrverlegung vonStahlrohren mit Schweißverbindung von Be-deutung. Für einen Werkstoff St 37.0 erlaubtdie DIN 2880 einen zulässigen Biegeradiusvon etwa 500 Da. Über die zulässigen Min-destbiegeradien der Rohre aus St 37.0 infor-miert TTTTaaaabbbbeeeelllllllleeee 2222.

Generell gilt zur Berechnung die Glei-chung:

wobei

da = Außendurchmesser (mm)

E = Elastizitätsmodul des Werkstoffes (N/mm2)

σb zul.= zul. Biegespannung (N/mm2)

S = Sicherheitsbeiwert der gegen die 0,2 %-Dehngrenze abgesicherten Biegespan-nung (S = 1,1)

Rmin

da

2----- E

σb zul.

------------⋅da

2----- E S⋅

Rp

----------⋅= =

TTTTaaaabbbb.... 1111:::: Schichtdicke der Werksauskleidungen für Guss- und Stahlleitungen TTTTaaaabbbb.... 1111:::: Thickness of cement mortar linings for ductile iron pipes and steel pipes

Guss (DIN EN 545) Stahl (DIN 2614) Stahl (Entwurf DIN EN 10298)

Nennweite(DN)

Nennschichtdicke(mm)

Nennweite(DN)

Nennschichtdicke(mm)

Nennweite(DN)

Nennschichtdicke(mm)

40 – 300 3,5 100 – 150 5 ≤ 250 4,5

350 – 600 5 150 – 300 6 250 < D ≤ 600 6

700 – 1200 6 300 – 600 7 600 < D ≤ 914 8

1400 – 2000 9 600 – 900 9 914 < D ≤ 1220 10

900 – 1200 13 1220 < D 14

> 1200 15

TTTTaaaabbbb.... 2222:::: Zulässige min. Biegeradius zementmörtelausgekleideter Stahlrohre (DIN 2880, St 37.0)TTTTaaaabbbb.... 2222:::: Minimum bending radius for cement mortar lined steel pipes

Nennweite (DN)

Biegeradius (m)

Nennweite(DN)

Biegeradius(m)

Nennweite(DN)

Biegeradius(m)

Nennweite(DN)

Biegeradius(m)

80 44 250 135 600 300 1200 600

100 56 300 160 700 350 1400 700

125 69 350 175 800 400 1600 800

150 83 400 200 900 450 1800 900

200 108 500 250 1000 500 2000 1000

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Rp = 0,2 %-Dehngrenze des Rohrwerkstoffes(N/mm2)

Vielfach unbekannt ist die Tatsache, dassdiese Biegeradien nicht aufgrund der Ze-mentmörtelauskleidung, sondern primär zurEinhaltung der elastischen Biegeradien desStahlrohres festgelegt sind. Eine Unter-schreitung dieser Biegeradien führt zur plas-tischen Verformung der Rohre. In Versuchenkonnte gezeigt werden, dass zementmörtel-ausgekleidete Stahlrohre bis in den plasti-schen Bereich hinein gebogen werden könn-ten, ohne dass die Zementmörtelausklei-dung dabei Schaden nimmt. BBBBiiiilllldddd 5555 zeigt ei-nen solchen Biegeversuch an einem 6 m lan-gen zementmörtelausgekleideten Stahlrohr,bei dem nach einer 4-Punkt-Biegung von200 Da lediglich im Bereich der Biegelagerumlaufende Risse in einer Breite von max.0.5 mm festgestellt wurden.

Derartige Rissbreiten liegen entsprechendden Anforderungen der DIN 2614 sogar fürden Einsatz einer Auskleidung im Abwasser-bereich noch im zulässigen Bereich. Ursa-che für die hier beobachteten Risse im Be-reich der Biegelager sind jedoch Verformun-gen aufgrund der lokal wirkenden Kräfte.Zum Biegen des 6 m langen Stahlrohresmüssen im Bereich der Biegelager erhebli-che Kräfte aufgebracht werden, die eine Ver-formung über den Rohrumfang zur Folge ha-ben. In der FEM-Berechnung werden die Wir-kung der Biegelager und damit die lokal auf-tretende Verformung des Rohres besondersdeutlich (BBBBiiiilllldddd 6666). Bei der Pipelineverlegungoder dem Einzug eines Rohres über dieStartgrube in den Bohrkanal während einerVerlegung im HDD-Verfahren treten solchepunktuell wirkenden Kräfte erst gar nicht

auf. Die hier beobachtete Rissbildung unter-bleibt.

Porosität

Die Porosität einer Zementmörtelausklei-dung macht sich insbesondere bei derDruckprobe einer Wasserleitung bemerkbar.Aus diesem Grunde existierte in der Nor-mung neben DIN 4279 Teil 1 (Innendruck-prüfung von Druckrohrleitungen für Wasser)als allgemeine Grundlage mit DIN 4279 Teil3 (Innendruckprüfung von Druckrohrleitun-gen für Wasser-Druckrohre aus duktilemGusseisen und Stahlrohre mit Zementmör-telauskleidung) ein separater Teil für dieDruckprüfung an zusätzlich mit Zementmör-tel ausgekleideten Rohrleitungen. Währendder Druckprüfung ist zu berücksichtigen,dass der Mörtel in Abhängigkeit vom Prüf-druck Wasser aufnimmt. Die NormenreiheDIN 4279 wurde teilweise durch die DIN EN805 (Anforderungen an Wasserversorgungs-systeme und deren Bauteile außerhalb vonGebäuden) ersetzt. Die auf europäischerEbene nicht berücksichtigten Aspekte wur-den im DVGW-Arbeitsblatt W 400 Teil 2(Technische Regeln Wasserverteilung – Bauund Prüfung von Wasserverteilungsanlagen)aufgenommen.

In der DIN EN 805 sind die Druckprüfver-fahren zu einer einheitlichen Vorgehenswei-se unabhängig vom Rohrwerkstoff zusam-mengefasst. Auf eine Vorprüfung, die letzt-lich für eine zementmörtelausgekleidete Lei-tung aufgrund der Mörtelporosität zur Was-sersättigung generell vorzusehen ist, kannder Planer hier optional zurückgreifen. Daszukünftige DVGW-Arbeitsblatt W 400 diffe-renziert hier ähnlich der DIN 4279 in Bezugauf die verschiedenen Rohrmaterialien. Hiersind jedoch für die zementmörtelausgeklei-deten Leitungen statt der, ursprünglich inDIN 4279 Teil 3 festgelegten drei Verfahren,nur noch das „Normalverfahren“ und das„beschleunigte Normalverfahren“ aufge-nommen worden.

Beim Normalverfahren wird unter Auf-rechterhaltung des Prüfdruckes im Verlaufvon 24 Stunden der Mörtel mit Wasser gesät-tigt. Die Prüfdauer der Hauptprüfung ist ab-hängig von der Nennweite der Leitung undwird nach der üblichen Kontrolle auf Luftein-schlüsse durchgeführt. Im Falle des be-schleunigten Normalverfahrens wird die Sät-tigungsphase von 24 Stunden auf 30 Minu-ten reduziert. Je nach Dimension und Lei-tungslänge ist ein zulässiger Druckverlustfestgelegt.

Oberflächenrauheit

Die Auslegung der Pumpenleistungen fürden Betrieb einer Rohrleitung erfordert füreinen gewünschten Durchsatz die Abstim-mung von Pumpen- und Anlagenkennlinienunter Berücksichtigung der geodätischenHöhenunterschiede. Bei der Berechnung derAnlagenkennlinie sind die Rauheiten derRohrleitung zu berücksichtigen. Dazu findensich für den Betrieb von Rohrleitungen imDVGW-Arbeitsblatt W 302 (Hydraulische Be-rechnung von Rohrleitungen und Rohrnet-zen) Rauheiten, die nur bedingt von der ma-terialspezifischen Oberflächenrauheit dereingesetzten Rohrwerkstoffe bzw. Rohraus-führungen abhängen. Das DVGW-Arbeits-blatt in der Fassung vom August 1981 nenntdie folgenden Rauheiten ki:

■ ki = 0.1 (mm): Fernleitungen und Zubrin-gerleitungen mit gestreckter Leitungsfüh-rung aus Stahl- oder Gussrohren mit ZM-Auskleidung bzw. Bitumenauskleidungsowie Spannbeton- oder Asbestzement-rohren

■ ki = 0.4 (mm): Hauptleitungen mit weit-gehend gestreckter Leitungsführung ausdenselben Rohren aber auch aus Stahl-und Gussleitungen ohne Auskleidung, so-fern Wassergüte und Betriebsweise nichtzu Ablagerungen führen.

■ ki = 1.0 (mm): Neue Netze; durch denÜbergang von ki = 0.4 (mm) auf ki = 1.0

BBBBiiiilllldddd 5555:::: 4-Punkt-Biegeeinrichtung

FFFFiiiigggg.... 5555:::: Bending device

BBBBiiiilllldddd 6666:::: FEM-Analyse zur Wirkung der Biegelager

FFFFiiiigggg.... 6666:::: FEM-analysis on the effect of bending bear-ing

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FACHBERICHTE

(mm) wird der Einfluss starker Verma-schung näherungsweise berücksichtigt.

In einem Verteilungsnetz wird der Strö-mungswiderstand primär durch Abgänge,Formteile und Armaturen bestimmt. Glei-ches gilt für eine weniger gestreckte Lei-tungsführung. Für den Idealfall einer ge-streckten Leitungsführung sind in TTTTaaaabbbbeeeelllllllleeee 3333exemplarisch die Druckverlusthöhen auf1000 m Leitungslänge für zementmörtelaus-gekleidete und hydraulisch glatte Rohre ein-ander gegenübergestellt. Dabei wurde einefür Transportleitungen übliche Durchflussge-schwindigkeit von 2 m/s angenommen.

Die dabei ermittelten theoretischen Unter-schiede sind unter Berücksichtigung geodä-tischer Höhenunterschiede, dem erforderli-chen Druck am Ende der Leitung und dieStrömung beeinträchtigende Faktoren, wieUmlenkungen und Querschnittsverengungendurch Formteile und Armaturen vernachläs-sigbar. Des Weiteren gilt die üblicherweisebei Zementmörtelauskleidungen genannteSandrauheit ks = 0.1 nur für eine neue Aus-kleidung. Mit der Betriebszeit nimmt dieRauheit einer Zementmörteloberfläche auf-grund der Bildung feiner Schichten aus Ei-sen- und Manganoxiden ab. In der Praxis fin-det daher keine Differenzierung zwischenden heute üblichen Rohrmaterialien undRohrausführungen statt. Diese Vorgehens-weise wurde mit den 1985 publizierten Er-gänzungen zum DVGW-Arbeitsblatt W 302für die neu aufgenommenen Kunststoffrohrefestgelegt.

Korrosionschemische Eigenschaften der Zementmörtelauskleidung

Der Einsatz von Zementmörtelauskleidun-gen im Trinkwasserbereich ist unter korrosi-onschemischen Gesichtspunkten an Grenz-werte geknüpft, die in der DIN 2614 bzw. derDIN 2880 festgelegt sind. Diese Grenzwertebetreffen den Calciumgehalt (1 mg/l) undden Summenparameter QC aus den molarenKonzentrationen CO2, CO3

2- und HCO3-

(0,25 mmol/l) sowie den Gehalt an über-schüssiger Kohlensäure (7 mg/l) bzw. dasCalcitlösevermögen (12 mg/l CaCO3) desgeförderten Trinkwassers. Unter Berücksich-tigung dieser Grenzwerte ist die Zementmör-telauskleidung in Leitungen für den Trans-port und die Verteilung von Trinkwässern ge-nerell einsetzbar. Aggressive wässrige Medi-en wie Salzwässer, Solen oder Abwässersind unter Zusatz von Kunststoffdispersio-nen, Verflüssigern oder unter Einsatz säure-beständiger Mörteltypen beherrschbar, sindjedoch nicht Gegenstand dieses Beitrages.

Die in DIN 2614 bzw. DIN 2880 festgeleg-ten Einsatzgrenzen beruhen auf Praxiserfah-rungen und den Ergebnissen von For-schungsarbeiten, die mit Mitteln des Bun-desministers für Forschung und Technologie(BMFT) im Rahmen des Forschungs- undEntwicklungsprogramms „Korrosion undKorrosionsschutz“ im Verlaufe achtjährigerUntersuchungen in den unterschiedlichstenWässern des Bundesgebietes gewonnenwurden. Eine zusammenfassende Übersichtdieser Aktivitäten wurde 1990 von Holtschul-te, Heinrich und Schwenk veröffentlicht [8].Dieser Bericht wurde 1991 und 1994 durch

Beiträge ergänzt, in denen weitere Resultatedieser Forschungsaktivitäten vorgestellt wur-den [9, 10].

Neben den Untersuchungen zur Mörtelbe-ständigkeit und dem Abriebverhalten wurdein diesen Feldversuchen auch die Selbsthei-lung bzw. die Deckschichtbildung des Grund-materials in Rissen und Spalten untersucht,wie sie beispielsweise im Bereich derStumpfschweißverbindung von Stahlrohrenvorliegen. Diese Stumpfschweißverbindungfindet hauptsächlich Anwendung beim Bauvon Trinkwassertransportleitungen. Der Vor-teil dieser Verbindungstechnik liegt in der üb-lichen Montage einzelner Rohrstränge nebenoder über dem Rohrgraben, eine Bauweise,die sich außerhalb der beengten Verhältnis-se bebauter Gebiete hervorragend bewährthat. Im Rahmen der zulässigen elastischenBiegeradien werden die vorgefertigten Rohr-stränge in den Graben abgesenkt. ErfordernVerlegetiefe und Grabenprofil einen zusätzli-chen Verbau, kann dieser auf den Verbin-dungsbereich der einzelnen Rohrstränge be-grenzt werden.

Schweißtechnisch handelt es sich bei denStumpfschweißverbindungen um Fallnaht-

TTTTaaaabbbb.... 3333:::: Vergleich der Druckverlusthöhen von zementmör-telausgekleideten und hydraulisch glatten Rohrleitungenauf der Basis der materialspezifischen OberflächenrauheitTTTTaaaabbbb.... 3333:::: Pressure loss of cement mortar lined pipes and hy-draulic plained pipes

Dimensionen Druckverlusthöhe m/km

Zementmörtelaus-gekleidete Rohre

Hydraulisch glatte Rohre

DN 300 11.28 8.90

DN 400 7.95 6.47

DN 600 4.89 4.00

DN 1000 2.65 2.21

BBBBiiiilllldddd 7777:::: Stumpfschweißverbindungen nicht begehbarer Rohrdimensionen

FFFFiiiigggg.... 7777:::: Butt weld joints for small pipe diameter (type A) (type B)

∆CO2 = überschüssige Kohlensäure, Grenzwert nach DIN 2614 max. 7 mg/l

TTTTaaaabbbb.... 4444:::: Beteiligte Wasserversorgungsunternehmen nach [9, 10]TTTTaaaabbbb.... 4444:::: Involved water suppliers of the project [8, 9]

Forschungs-stelle

Wasserversorgungsunternehmen / Ort

Wasserart

DO 1 Dortmunder Stadtwerke, Villigst Trinkwasser, entsäuertpH 7.85, ∆CO2 0.6 mg/l

O2 6.5 mg/l

DO 2 Dortmunder Stadtwerke, Villigst Rohwasser, sauerpH 6.90, ∆CO2 20.6 mg/l

O2 8.0 mg/l

H Stadtwerke Hannover, FuhrbergRohwasser, sauerstofffrei,

und sauerpH 6.53, ∆CO2 57.5 mg/l

O2 < 0.1 mg/l

HI 1 Harzwasserwerke, EckerntalsperreRohwasser,

huminstoffreichpH 9.11, ∆CO2 0.0 mg/l

O2 11.5 mg/l

HI 2Harzwasserwerke, Lewerberg (Granetal-

sperre)Trinkwasser, sehr weich

pH 4.67, ∆CO2 1.8 mg/lO2 10.0 mg/l

REGZV Bayerischer Wald,Talsperre Frauenau

Rohwasser,weich und sauer

pH 6.10, ∆CO2 6.3 mg/lO2 11.0 mg/l

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schweißungen, die unter Einsatz zellulo-seumhüllter Elektroden ausgeführt werden[11]. Die Schweißnaht besteht aus der Wur-zellage, je nach Wanddicke des Rohres eineroder mehreren Zwischenlagen und der Deck-lage. Für eine einwandfreie Wurzelschwei-ßung ist die Zementmörtelauskleidung anden Rohrenden zurückgeschnitten. DieserRückschnitt beträgt bei Großrohren in derRegel etwa 20 mm. Die Verbindungsberei-che dieser begehbaren Rohrdimensionenwerden nach dem Verschweißen innen mitZementmörtel nachgearbeitet.

Im nicht begehbaren Bereich der Rohrdi-mensionen sind für den Transport von Trink-wasser oder trinkwasserähnlicher Medien inder DIN 2614 zwei Endenausführungen(Ausführung A und B) vorgesehen (BBBBiiiilllldddd 7777).Nach dem Verschweißen der Rohre verbleibtein etwa 10 mm breiter ungeschützter Be-reich, der jedoch im Falle der bereits seit

Jahrzehnten verlegten Rohrleitungen zu kei-nem Korrosionsschaden geführt hat.

Zur Untersuchung dieser scheinbar unge-schützten Bereiche wurden in den Feldversu-chen des vom BMFT finanzierten For-schungs- und Entwicklungsprogramms ne-ben den verschiedenen Ausführungen derZementmörtelauskleidung auch blanke Ring-proben in den ausgekleideten Rohrabschnit-ten eingesetzt, um den Verbindungsbereichstumpfgeschweißter Rohre zu simulieren. Sokonnten in Abhängigkeit von der Wasserzu-sammensetzung unterschiedlicher Versor-gungsgebiete die Abtragsraten des Grund-werkstoffes in den ungeschützten Spalten ei-ner Auskleidung ermittelt werden. TTTTaaaabbbbeeeelllllllleeee 4444gibt einen Überblick der an diesen Feldver-suchen beteiligten Wasserversorgungsunter-nehmen. Das Korrosionsverhalten der Ring-proben ergab, dass in den sauerstoffhaltigenWässern unterschiedlicher Härte in jedemFall Schutzschichten gebildet werden, die dieKorrosionsgeschwindigkeit des Rohrwerk-stoffes auf vertretbare Werte begrenzen (sie-he TTTTaaaabbbbeeeelllllllleeee 5555). Die chemische Analyse derfesten Schutzschichten ergab eine Mischungaus Fe2O3, H2O, SiO2, PO4

3-, Cl-, Al2O3,SO4

2-, MnO2 und CaO. Demnach handelt essich bei diesen Deckschichten im Wesentli-chen um gealterten Rost mit Spuren vonDeckschichtbildnern wie Silikaten, Alumina-ten und Phosphaten. Nach den Befundendieser achtjährigen Feldversuche sind durch-gehende Spalte in der Auskleidung bis zu ei-nigen mm Breite zulässig. Lediglich in einemsauren, sauerstofffreien Rohwasser wurdenDurchbrüche festgestellt. In solchen Pro-blemwässern muss die Auskleidung imSchweißnahtbereich vervollständigt werden.Die Ergebnisse des BMFT-Vorhabens bilde-

ten die Basis der heute in DIN 2614 be-schriebenen Endenausführungen der Ze-mentmörtelauskleidung.

Eigene Untersuchungen an Rohrverbin-dungen aus langjährig betriebenen Rohrlei-tungen bestätigen diese Ergebnisse. TTTTaaaabbbbeeeelllllllleeee6666 gibt einen Überblick über das hier unter-suchte Rohrmaterial und die jeweils vorlie-genden Betriebsbedingungen. Die unter-suchten Rohrverbindungen wurden in wei-chen Wässern mit einem pH-Wert um 8 be-trieben.

Bei der 17 Jahre alten Rohrverbindungaus Hagen handelt es sich mit der Ausfüh-rung A um die ältere der beiden in DIN 2614beschriebenen Rohrendenausführungen(siehe Bild 7). Der etwa 2 bis 3 mm breiteSpalt in der Zementmörtelauskleidung hatsich im Laufe der Betriebszeit mit Abriebund fest haftenden Ablagerungen aus Calci-umcarbonat zum Teil geschlossen. An derdarunter liegenden Stahloberfläche zeigtsich eine rotbraune Deckschicht, die von wei-ßen Kristallen durchsetzt ist. Die Geschwin-digkeit des Korrosionsangriffs auf denGrundwerkstoff wurde durch die Bildung die-ser Deckschicht auf ein Minimum herabge-setzt. Die in den Querschliffen gefundenenMulden waren ca. 50 µm tief. Da die Rohr-verbindung bei der Verlegung weder durch-geschweißt noch einwandfrei zentriert wor-den war, ist ein leichter Rohrversatz erkenn-bar (BBBBiiiilllldddd 8888). Obwohl solche Kanten üblicher-weise bevorzugte Angriffspunkte für Korrosi-onen bilden, waren auch nach 17 jährigerBetriebszeit kaum Materialverluste an die-sem Rohrversatz erkennbar. Aufgrund derfehlenden Wurzelschweißung ist ein Spalt imVerbindungsbereich zurückgeblieben (Bild8). Auch in diesem Spalt wurden Schutz-schichten nachgewiesen. EDX-Analysen undRöntgenfeinstrukturuntersuchungen zeigen,dass die Deckschichten aus einer Mischungvon Eisenoxid/-hydroxid mit lokal unter-schiedlich hohen Anteilen von Calciumver-bindungen (Calciumkarbonat, Calciumoxid/-hydroxid, Calciumsulfat) sowie Aluminium-und Siliciumverbindungen (Al2O3, SiO2) be-stehen.

Die Rohrverbindung aus Kassel mit derEndenausführung B und damit einem Spaltvon 8 bis 10 mm Breite hatte sich in denzehn Jahren nicht geschlossen. Am Spalt-grund wurde eine Deckschicht beobachtet,deren Zusammensetzung mit der Deck-schicht aus der 17 Jahre alten Rohrverbin-dung vergleichbar ist. Entlang der Schweiß-nahtkante wurde ein muldenförmiger Angriffgefunden, deren Ausläufer bis unter die Mör-telauskleidung reichen. Im Querschliff (BBBBiiiilllldddd9999) sieht man am Rand dieser Mulde Reste ei-ner dünnen schwarzen Schicht, die teilweisedie Mulde abdeckt. EDX-Analysen zeigen,dass diese Schicht primär aus Eisenoxid(Zunder) besteht. Im Laufe der Jahre wurde

*) D = Durchbrüche

TTTTaaaabbbb.... 5555:::: Korrosion der Ringproben (Spaltproben) nach [9, 10]TTTTaaaabbbb.... 5555:::: Corrosion of the ring samples [8, 9]

Wasser DO 1 DO 2 H HI 1 HI 2 REG

ma in g/cm3 0,18 0,20 1,83 0,24 0,23 0.23 – 0.42

lmax in mm 0,60 0,65 D* 0,67 0,57 0.40 – 0.60

TTTTaaaabbbb.... 6666:::: Untersuchte Proben und EinsatzparameterTTTTaaaabbbb.... 6666:::: Pipe samples and service conditions

Versorgungsge-biet

Wasser Art der Verbindung / DN Spalt/Freiliegender Grundwerkstoffbereich

Betriebszeit

Hagen Herdeckeweich, hautsächlich

Karbonathärte(pH 8,0)

StumpfschweißnahtDN 500

Rohrendenausführung A (siehe Abb.15 A)

Spalt 2-3 mm8 bis 10 mm freiliegender

Grundwerkstoffbereich1982 bis 1999

Kasselweich, hautsächlich

Karbonathärte(pH 8,0)

StumpfschweißnahtDN 150

Rohrendenausführung B(siehe Abb.15 B)

Spalt und freiliegender Grund-werkstoffbereich

8 - 10 mm1989 bis 1999

BBBBiiiilllldddd 8888:::: Rohrversatz mit Spalt in der Schweißnaht, REM-Bild (Vergrößerung 50x)

FFFFiiiigggg.... 8888:::: Misplacement of the two butt welded pipes, REM (50x)

5893R international (43) Heft 10/2004

FACHBERICHTE

diese Zunderschicht, die vermutlich beimSchweißen entstanden ist, langsam unter-höhlt. Die entstandenen Korrosionsproduktebilden eine feste, dichte Schutzschicht, sodass auch nach zehn Jahren die Muldentiefenur etwa 1/10 der Rohrwand » 0,4 mm be-trägt.

Die hier untersuchten Deckschichten ent-sprechen im Wesentlichen den Analysennach [9]. Auch die gefundene Angriffstiefebis max. 0,4 mm nach zehnjähriger Be-triebszeit zeigt eine gute Übereinstimmungmit den Untersuchungsergebnissen des For-schungs- und Entwicklungsprogramms „Kor-rosion und Korrosionsschutz“ des Bundes-ministeriums für Forschung und Technologie(siehe Tabelle 5). Die Untersuchungen be-stätigen, dass im Nahbereich einer Zement-mörtelauskleidung Bedingungen vorliegen,die Bildung festhaftender Schutzschichtenbegünstigen. Diese Deckschichten sind we-nig durchlässig für Sauerstoff und Salze undbegrenzen damit die Korrosionsgeschwindig-keit des Rohrwerkstoffes auf technisch ver-tretbare Werte.

Schlussbetrachtung

Zementmörtelauskleidungen haben sichals Korrosionsschutz von Rohrleitungen fürden Transport von Trinkwasser seit Jahr-zehnten bewährt. Im vorliegenden Beitragwurde über die physikalischen und korrosi-onschemischen Aspekte einer Zementmör-telauskleidung von Rohren aus Eisenwerk-stoffen berichtet. Ein zweiter Teil, der die fürTrinkwasserleitungen so wesentlichen hygie-nischen Aspekte einer Zementmörtelausklei-dung behandelt, ist in Vorbereitung.

Die hier beschriebenen Aspekte wie dieMöglichkeiten und Grenzen der Biegbarkeiteiner zementmörtelausgekleideten Rohrlei-tung und der Einfluss der Porosität des Mör-tels auf die Vorgehensweise bei der Druck-prüfung sind in der Praxis zu berücksichti-gen und haben in den Regelwerken Einganggefunden. Es wurde gezeigt, dass die, im-mer wieder im Vergleich zum hydraulischglatten System diskutierte Rauheit einer Ze-mentmörteloberfläche mit Blick auf die Sys-temgegebenheiten nur von untergeordneterBedeutung ist. Im Regelwerk wird aus die-sem Grunde nicht zwischen den einzelnenRohrmaterialien differenziert.

Unter korrosionschemischen Gesichts-punkten sind in der DIN 2614 bzw. DIN2880 Grenzwerte für die geförderten Wässerfestgelegt. Aufgrund der Fähigkeit zur Selbst-heilung, aber auch der Begünstigung einerDeck- bzw. Passivschichtbildung freiliegen-der Grundwerkstoffbereiche ist die Zement-mörtelauskleidung als ein aktives Korrosi-onsschutzsystem einzustufen. Diese Eigen-schaften werden beim Bau von Wassertrans-portleitungen speziell im nicht begehbarenBereich der Dimensionen seit Jahrzehntengenutzt. Zementmörtelauskleidungen sinddamit organischen Beschichtungen, die injedem Fall einer Bearbeitung des Schweiß-

nahtbereiches im Rohrinneren bedürfen, un-ter technischen und wirtschaftlichen Ge-sichtspunkten weit überlegen.

Literatur

[1] Hildebrand, H.; Schulze, M.: 3R internat. 25(1986) Nr. S. 242 - 245

[2] Schwenk, W.: 3R internat. 28 (1989) Nr. , S. 666- 668

[3] Schwenk, W.: 3R internat. 17 (1978) Nr. , S. 448- 459

[4] Schwenk, W.; 3R internat. 23 (1984) Nr. , S. 320- 324

[5] Fertner, F,; Der Bauingenieur 39 (1964) Nr. ,S.138 – 148

[6] Wood, L.P.; J. Am. Water Works Assoc, 25(1933) pp. 1728 - 1780

[7] Schwenk, W.; 3R internat. 38 (1999) Nr. , S. 802– 805

[8] Holtschulte, H.; Heinrich, B.; Schwenk, W.; gwf-wasser/abwasser 131 (1990) S. 317 – 325

[9] Schwenk, W.; gwf-wasser/abwasser 132 (1991)504 – 509

[10] Gierig, M.; Schretzenmayr, G.; Schwenk, W.; gwf-wasser/abwasser 135 (1994) S. 573 - 580

[11] Igelbrink, E.A.; DVGW-Schriftenreihe Nr. 64, S.257 - 275

[12] Wasserfachliche Aussprachetagung Berlin 1989

Normative Verweise

■ DIN EN 545■ DIN 1045■ DIN 2460■ AWWA C 205■ DVGW Arbeitsblatt W 342 (zurückgezo-

gen)■ DVGW Arbeitsblatt W 344 (zurückgezo-

gen)■ DIN 2614■ DIN EN 10298 (Entwurf)■ DIN 2880■ DIN 4279 Teil 1 (ersetzt)■ DIN 4279 Teil 3 (teilweise ersetzt)■ DIN EN 805■ DVGW Arbeitsblatt W 400-2 (Entwurf)

BBBBiiiilllldddd 9999:::: Muldenkorrosion entlang der Schweißnahtkante (Vergrößerung 8x)

FFFFiiiigggg.... 9999:::: Corrosion beside the welding (8x)