Langzeitverhalten von Kunststoff-dichtungsbahnen

Im Rahmen des Umbaus der unterirdischen Stadtbahnanlage Dortmund Hauptbahnhof (Bild 1) wurden zirka 43 Jahre alte Kunststoffdichtungsbahnen (KDB) freigelegt. Der vorliegende Beitrag stellt die Untersuchungsergebnisse zum mechanischen Verhalten der gealterten Kunststoffdichtungsbahnen vor.

1 Projektbeschreibung

Die Stadtbahnhaltestelle Hauptbahnhof ist in den 1970er Jahren als zweigeschossiges Rahmenbauwerk in offener Bauweise unterhalb der Gleise des Dortmunder Hauptbahnhofes errichtet worden. Der Baugrund setzt sich bis in einen Bereich von etwa 9 m unter der GOK, d. h. bis auf das Niveau der Zwischendecke, aus heterogenen Auffüllungsmaterial zusammen. Dies beruht darauf, dass um 1910 ein großzügiger Umbau der damaligen Bahnanlagen erfolgte und die Gleise vom Straßenniveau in die heutige Dammlage angehoben wurden. Unterhalb der Auffüllung folgt Schluff mit Torfeinlagerungen, und ungefähr im Bereich der Bauwerkssohle der Stadtbahnanlage liegt der Mergelhorizont. Die Einwirkungen aus Wasser resultieren aus Sickerwasser; das Grundwasser steht unterhalb der Bauwerkssohle an.

Die Stadtbahnanlage entspricht in verkehrlicher und baulicher Sicht nicht mehr den aktuellen Anforderungen an eine leistungsfähige, sichere und attraktive Stadtbahnanlage. Derzeit erfolgt daher der Umbau und die Erweiterung dieser Anlage. Die wesentliche Maßnahme besteht in der Verbreiterung der Seitenbahnsteige (Bild 2). Die Ausführung erfolgt in bergmännischer Bauweise um den dauerhaften Betrieb der oberhalb der Stadtbahnanlage kreuzenden DB-Gleise sicherzustellen.

Die Planung der Baumaßnahme erfolgte durch das Tiefbauamt Dortmund und das Ingenieurbüro Maidl & Maidl, Bochum. Den Auftrag für die Ausführung (Rohbauarbeiten, Stadtbahnlinie I, Baulos 20) erhielt die Wayss & Freytag Ingenieurbau AG im März 2014.

Das Stahlbetonbauwerk der Bahnsteigerweiterung wird monolithisch an den Bestand angeschlossen und als wasserundurchlässige Betonkonstruktion (WUB-KO) ausgebildet. Das bisherige Abdichtungssystem der Bestandsanlage besteht aus PVC-Kunststoffdichtungsbahnen und seitlichen Dränageleitungen. Der Einbau des Abdichtungssystems erfolgte ca. im Jahr 1973, so dass ein Alter von jetzt gut 44 Jahren vorliegt.

Zur wasserdichten Ausbildung des Anschlussbereiches wurden im oberen Bereich der Bestandswand die bestehenden Kunststoffdichtungsbahnen von außen freigelegt und mit neuen Kunststoffdichtungsbahnen verbunden (Bild 3). Der Dichtungsabschluss zur wasserundurchlässigen Betonkonstruktion des Erweiterungsbauwerkes erfolgt über ein angeschweißtes Fugenband.

2 Entnahme der Proben

Zum Anschluss des Erweiterungsbauwerkes an das Bestandsbauwerk wurde die Bohrpfahlwand mittels Seilsäge-Verfahren abgebrochen und somit die Konstruktionsbetonwand mit den außenliegenden Kunststoffdichtungsbahnen des Bestandsbauwerkes von außen freigelegt (Bild 4).

In diesen Bereichen konnte für weitere Untersuchungen umfassendes Probematerial freigelegt werden. Im Rahmen der Aushubarbeiten wurden in diesen Bereichen trockene und zum Teil auch durchfeuchtete Bodenverhältnisse angetroffen.

Beim Freilegen der KDB konnte jeweils eine Dichtungsbahn mit einer Dicke von ca. 1,4 mm gesichtet werden. Diese KDB war beidseitig mit weiteren, jeweils ca. 1 mm dicken Kunststoffdichtungsbahn umgeben, die wahrscheinlich als Schutzbahnen vorgesehen waren. Eine Schutzschicht in Form von Vliesstoffen war nicht eingebaut. In den freigelegten Bereichen war das Abdichtungssystem augenscheinlich intakt und ohne Beschädigungen. Die Verbindung der Kunststoffdichtungsbahnen durch die Schweißnähte erbrachte bei den ausgebauten Proben in einer visuellen Überprüfung keine Beanstandungen.

Gemäß den Angaben im Bauwerksbuch aus der damaligen Zeit war für diese Bereiche als Abdichtung eine 1 mm PVC-Weichfolie „Trocal TF“ vorgesehen. Diese Abdichtung wurde eingebettet in eine jeweils 1 mm dicke PVC-Hartfolie „Trocal TS“ als äußere Schutzschicht.

Gegenüber vergleichbaren heutigen Kunststoffdichtungsbahnen aus PVC weisen die ausgebauten Proben eine geringere Flexibilität auf. Eine händische Bewegung der Folie war jedoch problemlos möglich.

3 Versuchsdurchführung und Ergebnisse

3.1 Bestimmung der
Zugeigenschaften

Insgesamt wurden aus drei unterschiedlichen Probekörpern, die an unterschiedlichen Bereichen des Bauwerks entnommen wurden, weiterführende Versuche durchgeführt.

Eine Dickenbestimmung nach DIN EN 1849-2 ergab für die Weichfolie eine Dicke von 1,49 mm, bei der Hartfolie lag dieser Wert bei 1,03 mm.

Aus den Probekörpern 1 bis 3 wurden Schulterproben (jeweils zehn Stück pro Richtung) herausgestanzt und gemäß DIN EN ISO 527 auf Zug geprüft. Die nachfolgend aufgeführten Untersuchungen
wurden an der innenliegenden KDB durchgeführt. Bei den Probekörpern konnte anhand der verlaufenden Schweißnaht die Produktionsrichtung festgestellt werden. Die Zugversuche wurden daher in MD-Richtung (Machine-Direction) und CMD-Richtung (Cross-Machine-Direction) durchgeführt. In den Tabellen 1 bis 3 sind die Ergebnisse der jeweils zehn Zugprüfungen pro Richtung dargestellt. Die dazugehörigen Kraft-Dehnungs-Diagramme einiger Schulterproben der ausgebauten Kunststoffdichtungsbahnen sind in den Bildern 5 und 6 dargestellt.

In den vorhandenen Bauakten konnten keine definierten Anforderungen an das mechanische Verhalten der KDB gefunden werden. Nachfolgend werden einzelne Anforderungen aus den jüngeren Regelwerken aufgeführt. So verlangt etwa die ZTV-Tunnel [3] aus dem Jahr 1995 Rissfestigkeiten für die KDB von ≥ 10 N/mm². Bei der Rissdehnung wird in diesem Regelwerk ein Wert von ≥ 200 % gefordert. Das derzeit aktuelle technische Regelwerk (TL/TP-ING [4]) sieht für Kunststoffdichtungsbahnen aus PVC-P eine Reißfestigkeit in Längs- und Querrichtung von ≥ 12 N/mm² vor. Die Reißdehnung in Längs- und Querrichtung soll demnach bei ≥ 250 % liegen. Diese Werte finden sich auch in den Empfehlungen zu den Dichtungssystemen im Tunnelbau der Deutschen Gesellschaft für Geotechnik [5]. Alle aus den Regelwerken vorgegebenen Werte für die Zugfestigkeit werden bei den untersuchten Proben in Längs- und Querrichtung eingehalten.

Bei den Bruchdehnungen lagen von 60 untersuchten Schulterproben 31 Proben bei über 200 %; bei Probekörper 3 wurde dieser Wert von allen untersuchten Proben eingehalten. Bei zwölf untersuchten Proben lag die ermittelte Bruchdehnung im Intervall von 190–200 %. Im Intervall der Bruchdehnungen von 180–190 % wurden bei den Untersuchungen fünf Werte ermittelt, in der Bandbreite 170–180 % sieben Werte. Insgesamt wurden bei fünf Proben Bruchdehnungen unter 170 % festgestellt.

Derzeit liegen keine Angaben über die vorhandenen Bruchdehnungen und Zugfestigkeiten der Kunststoffdichtungsbahnen zum Zeitpunkt des Einbaus vor; dies gilt auch für Rückstellproben zum Zeitpunkt der Produktion.

In [6] und [7] werden Untersuchungen zur tatsächlichen Beanspruchung von Kunststoffdichtungsbahnen im Tunnelbau im eingebauten Zustand geführt. Dabei wurde unter anderem der Fragestellung nachgegangen, wie in der Kombination von Tunnelinnenschale, dem Abdichtungssystem, geotextilen Schutzschichten und der Spritzbeton-Außenschale Beanspruchungen an dem Abdichtungssystem entstehen können.

Dabei zeigt sich, dass die hierbei ermittelten Dehnwerte im Regelfall wesentlich geringer sind, als die in den Regelwerken
aufgeführten Werte. An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass im Bereich lokaler Beanspruchungen des Abdichtungssystems (z. B. an Kanten, an herausstehenden Zuschlagskörnern) örtliche Spitzenbeanspruchungen an dem Abdichtungssystem auftreten können, die sehr schwer zu quantifizieren sind.

3.2 Untersuchungen zur mehraxialen
Dehnung/Wasserdichtigkeit

Neben der Bestimmung der bisher aufgeführten Eigenschaften der Kunststoffdichtungsbahnen war im Rahmen des Untersuchungsprogramms auch das Verhalten unter mehrachsiger Beanspruchung von Interesse. Hierzu wurden nacheinander mehrere Proben in einem kreisrunden Stahlbehälter (Durchmesser: 20 cm) eingebaut (Bild 7). Die fixierten Proben wurden jeweils mit einem Liter Wasser beaufschlagt, und anschließend wurde das geschlossene System unter eine Luftdruckbelastung von 1 bar gesetzt. Dieser Druck wurde über mehrere Tage gehalten. In Bild 7, rechts ist die sich eingestellte Deformation einer ausgebauten Probe erkennbar. Es konnten keine Wassereintritte in dem unteren Bereich des Stahlbehälters festgesellt werden. Die Proben haben über einen Zeitraum von mehreren Tagen die Wasserundurchlässigkeit unter den hier dargestellten Prüfbedingungen gewährleistet.

3.3 Untersuchungen durch den Hersteller

Durch die Firma Sika erfolgte eine eigene Untersuchung [8] von zur Verfügung gestellten Bahnen. Hierzu wurden die Bahnen mittels Infrarotspektroskopie (IR) sowie Röntgenfluoreszenzanalyse (RFA) analysiert. Dabei stellte sich heraus, dass die Kunststoffdichtungsbahn, die in der Mitte des Abdichtungssystems lag, mit hoher Wahrscheinlichkeit identisch zum Produkt „Trocal T“ ist. Hierbei handelt es sich um eine PVC-P Bahn. Die beiden jeweils außenliegenden Bahnen konnten bei den IR- und RFA-Verfahren mit hoher Wahrscheinlichkeit als Schutzbahn „Trocal TS“ identifiziert werden.

Durch die Bestimmung dieser Bahnen konnten entsprechende Rückstellmuster aus dem Jahr 2000 zugeordnet werden, die bei der Firma Sika vorhanden sind und wahrscheinlich vergleichbare Materialeigenschaften aufweisen. Zu Vergleichszwecken wurden die Zugeigenschaften dieser Bahnen getestet. Hierbei wurden maximale Zugfestigkeiten im Bereich von 17,96 bis 18,79 N/mm² ermittelt. Die Bruchdehnungen lagen zwischen 327,5 und 359 %. Aufgrund der unterschiedlichen Lagerungsbedingungen der eingebauten Proben und der Rückstellmuster sowie der verschiedenen Alterszustände gestaltet sich hier eine Bewertung als schwierig und wird nur als orientierend bewertet.

Im Rahmen von weiterführenden Untersuchungen erfolgte nach einer Reinigung der ausgebauten Proben eine Verschweißung mit neuen Kunststoffdichtungsbahnen vom Typ Trocal T. Dabei wurden Schälwerte nach DIN EN 12316-2 von 415 N/50 mm ermittelt.

3.4 Untersuchungen zur Schweißeignung

Da die freigelegten Kunststoffdichtungsbahnen in das neue Abdichtungssystem integriert werden, waren im Vorfeld die grundsätzliche Machbarkeit und die optimalen Verfahrensrandbedingungen für den Schweißanschluss „Alt“ an „Neu“ zu untersuchen.

Zur Abklärung dieser Fragestellung wurden im Rahmen diverser Versuche auf der Baustelle zuerst die ausgebauten Proben gereinigt. Dies erfolgte mit einem speziellen Reiniger auf der Basis von Lösemitteln für die Nahtflächen von Kunststoffdichtungsbahnen.

Anschließend wurden die ausgebauten PVC-Kunststoffdichtungsbahnen mit einer neuen PVC-KDB (Typ Sikaplan WP 1100) händisch im Heißluftverfahren verschweißt (Bild 8). Bei der neuen KDB handelt es sich um eine PVC-P Dichtungsbahn mit einer Signalschicht.

Die Verbindung der Bahnen erfolgte durch unterschiedlich eingestellte Heißlufttemperaturen. Diese bewegten sich zwischen 280 °C und 380 °C. Dabei konnte ein Einfluss der Verbindungstemperatur auf das Schälverhalten der Bahnen festgestellt werden.

Diese Verbindungen wurden anschließend mechanisch auseinandergezogen. Bei höheren Verbindungstemperaturen wurden im Kontaktbereich der Nahtstelle diverse Oberflächenveränderungen an der KDB in Form von sehr rauen Oberflächenausbildungen festgestellt (Bild 9). Bei einer derartigen Oberflächenausbildung war auch die aufnehmbare Schälkraft gering.

Bei einem Temperaturbereich der Verbindung von ca. 300 °C war diese Oberflächenstruktur zwischen den Bahnen nicht so deutlich ausgeprägt. In diesem Temperaturbereich wurden die höchsten Verbindungsfestigkeiten zwischen den Bahnen ermittelt. Aufgrund dieser Erfahrungen wurden die Schweißverbindungen zwischen den freigelegten Bahnen und dem neuen Abdichtungssystem mit diesen Temperaturen hergestellt.

4 Zusammenfassung

Bei den durchgeführten Untersuchungen an den zum Zeitpunkt ihres Ausbaus ca. 43 Jahre alten Kunststoffdichtungsbahnen aus PVC wurden Zugfestigkeiten ermittelt, die die Forderungen der heutigen Regelwerke voll erfüllen. Bei den ermittelten Bruchdehnungen wurden von 51 % der ausgebauten Proben Dehnwerte von > 200 % erreicht, der Rest lag unter diesem Wert. Der unterste Wert der Bruchdehnung wurde hierbei als Einzelwert mit 101 % ermittelt.

Weiterhin wurde das Verhalten der KDB unter mehraxiale Beanspruchung sowie die Schweißeignung der ausgebauten Proben untersucht. Die Proben hielten über mehrere Tage einer Wasserdruckbelastung von 1 bar stand. Bei der Schweißeignung der Proben konnte ein Einfluss der Fügetemperatur auf die Verbindungsfestigkeit der Nähte festgestellt werden.

Das Abdichtungssystem war nach über vier Jahrzehnten nach dem Einbau an den freigelegten Stellen der Probenentnahme vollständig intakt und ohne Beschädigungen; das gilt auch für die Schweißnahtverbindungen der KDB.

Die Verfasser bedanken sich bei der Firma Sika für die Unterstützung bei den Baustellenversuchen sowie den eigenen durchgeführten Untersuchungen und Recherchen.