Neubau einer einzigartigen Forschungsanlage bei Darmstadt

Im südhessischen Darmstadt wird der Traum eines jeden Wissenschaftlers wahr: der Bau einer riesigen Anlage zur intensiven Forschung in verschiedenen multidisziplinären Spezialgebieten. Die Rede ist vom neuen Teilchenbeschleuniger FAIR, an dem seit 2017 auf einem rund 150.000 m2 großen Gelände am GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH gebaut wird. Im 1,1 km langen Beschleunigertunnel und in zahlreichen zugehörigen Gebäuden soll mithilfe eines Teilchenstrahls das Universum erforscht werden. Zur Realisierung eines der größten Bauprojekte Deutschlands trägt die Sika Deutschland GmbH mit einer umfassenden technischen Beratung und innovativen Lösungen bei den Frischbetonverbundsystemen der Betonkonstruktionen sowie den Boden- und Wandbeschichtungen für erhöhten Strahlenschutz bei.

Die Bauarbeiten an dem neuen Teilchenbeschleuniger FAIR (Facility for Antiproton and Ion Research– Anlage für die Forschung mit Antiprotonen und Ionen) sprengen so einige Dimensionen und damit ist das Projekt derzeit eines der größten Deutschlands. So werden über 3.000 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus der ganzen Welt nach Fertigstellung das gigantische „Labor zur Erforschung des Universums auf Erden“ nutzen. Doch bis es soweit ist, müssen ganz „irdische“ Probleme gelöst werden. Die Bauarbeiten sind in zwei Bauabschnitte, die Lose Nord (Beschleunigertunnel) und Süd (zugehörige Bauwerke), aufgeteilt. Unzählige Firmen sind an der Mammutaufgabe beteiligt und werden von der Architektengemeinschaft ion42 als Planer gesteuert. Insbesondere in der Vorplanungsphase erforderten die hohen Ansprüche an die Bauwerke eine umfangreiche Erarbeitung von Detaillösungen und Materialprüfungen, die durch ion42 und die STUVAtec (Studiengesellschaft für Tunnel und Verkehrsanlagen mbH, Köln) vorgegeben und geprüft wurden. Für den Neubau des bis zu 20 m tief liegenden, 1,1 km langen Beschleunigertunnels sollte die hochwertige Betonkonstruktion zusätzlich mit einer sicheren Außenabdichtung, die den hohen Drucklasten standhalten kann, versehen werden. Hier hat das innovative Frischbetonverbundsystem von Sika als zweite Abdichtungsebene zur Baukonstruktion gepaart mit der intensiven technischen Beratung den Bauherrn und die hinzugenommenen Experten von ion42 und der STUVAtec überzeugt.

Auch für die über 25 angegliederten teils unter, teils über dem Erdboden angeordneten Bauwerke punktete Sika mit einer großen Bandbreite an Beschichtungssystemen für die teils verwinkelten, labyrinthartigen und weitverzweigten Innenräume mit auf die hohen Anforderungen der Wissenschaftler/-innen zugeschnittenen Lösungen.

Konzeptionelle technische Beratung ergänzt optimal die integrierte Planung
Im Rahmen der multinationalen integrierten Bauablaufplanung, der Entwicklung und dem Bau der Beschleuniger leisteten die Fachleute von Sika bereits in der Konzeptionsphase seit den ersten Kontakten im Jahr 2013 gemeinsam mit den Planern von ion42 und dem Bauherrn umfangreiche technische Beratungsarbeit. Dabei wurden von Beginn an die Besonderheiten auch mit externen Experten der STUVAtec und der Architektengemeinschaft ion42 diskutiert und stetig weiterentwickelt. „Wir haben das gesamte Frischbetonverbundsystem SikaProof als zusätzliche Abdichtungsebene zur Betonkonstruktion vorgestellt und schrittweise sind wir alle Komponenten, den Materialaufbau und die Wirkungsweise sowie Detailausbildungen bezogen auf die Projektbesonderheiten durchgegangen. Es wurde von Sika ein ausführliches Handbuch mit zahlreichen Details und Beschreibungen inklusive umfangreicher Nachweise erstellt. Außerdem haben wir eine Vielzahl an Referenzprojekten präsentiert,“ erläutert Marco Bloch, Produktingenieur Bauwerksabdichtung, die weitreichende und über Jahre andauernde intensive Beratung und Projektweiterentwicklung durch die Sika Deutschland GmbH.

Abdichtungskonzept mit Frischbetonverbundtechnologie
Um eine größtmögliche Nutzungssicherheit zu erreichen, wurde die Betonkonstruktion mit einem außenliegenden perfekt aufeinander abgestimmten Gesamtsystem, bestehend aus dem innovativen Frischbetonverbundsystem SikaProof A-12, dem nachträglich applizierbaren Verbundsystem SikaProof P-12 und dem Fugen- und Rissabdichtungssystem Sikadur-Combiflex TF kombiniert. „Um einen Wasserfluss zwischen der massiven Betonkonstruktion mit Dicken zwischen 2,40 m und bis zu 3,50 m im Bereich der Bodenplatte und der Bauwerksabdichtung zu unterbinden, wurde das bewährte Abdichtungssystem von Sika eingebaut. Hinzu kam, dass das Frischbetonverbundsystem neben dem Wasserdruck auch extrem hohen Flächenpressungen aus dem bis zu 20 m darüberliegenden Erdreich und dem Betontunnel standhalten muss. Dies konnten wir in allen Details und für die Gesamtkonstruktion nachweisen. Insbesondere die Bewertungen und Nachweise zur Beständigkeit und Dauerhaftigkeit der Materialien waren eine Herausforderung für alle Beteiligten. Hier lieferten wir bereits im Vorfeld umfangreiche Informationen über die Beschaffenheit der Materialien, die Zusammensetzung der Rohstoffe, wie das Produkt auf die unterschiedlichen Einflüsse reagiert und vieles mehr,“ erklärt Bloch. Von der Bauherrenseite waren Physiker involviert, die sich mit den Materialien auseinandergesetzt und deren Lebensdauer sowie Beständigkeit bewertet haben. Sie legten schließlich zwei unterschiedliche Anbieter mit verschiedenen Systemen fest, die zur Realisierung des Projekts geeignet waren. Nachdem das Frischbetonverbundsystem von Sika ausgewählt wurde, mussten stetig weitere Nachweise geführt und Detailausbildungen erarbeitet oder optimiert werden. Allein von den ersten Beratungen in 2013 bis zur Probeverlegung vergingen fünf Jahre durch die sorgfältige Vorplanung. Es wurde ein umfangreicher Katalog mit verschiedenen Detaillösungen für Bohrpfahlkopfausbildungen, Höhenversprünge und zahlreiche weitere Bausituationen mit dem Frischbetonverbundsystem von Sika erstellt. Auch in dieser Phase erfolgte eine enge Zusammenarbeit mit dem Bauherrenvertreter ion42 und dem Büro für Tragwerksplanung Leonhardt, Andrä und Partner.

Druckwasserdichtes und rissüberbrückendes Frischbetonverbundsystem SikaProof A und SikaProof P
SikaProof A-12 ist ein vorzuinstallierendes Frischbetonverbundsystem (FBVS) für wasserundurchlässige Betonbauwerke mit hochwertiger Nutzung. Der mehrschichtige Aufbau aus einer 1,2 mm dicken hochflexiblen Dichtungsbahn aus FPO (Flexibles Polyolefin) und einer betonseitigen Verbundschicht stellt einen dauerhaft flächigen Verbund mit dem erhärtenden Frischbeton her und verhindert wirksam eine Hinterläufigkeit im Falle ungewollter Beschädigungen. Aufgrund der rissüberbrückenden Eigenschaften, in Kombination mit dem druckwasserdichten Hinterlaufschutz, bietet dieses Gesamtsystem optimalen Schutz und maximale Nutzungssicherheit.

„Das System wird vor der Betonage auf einem geeigneten Untergrund verlegt. Nach Abschluss der Bewehrungsarbeiten erfolgt die Betonage direkt gegen beziehungsweise auf das Frischbetonverbundsystem. Aufgrund des besonderen Aufbaus der Verbundschicht entsteht mit dem Erhärten des Frischbetons ein dauerhafter Verbund mit der Betonkonstruktion, die somit auch gegen aggressives Grundwasser geschützt ist,“ erläutert Thomas Stobb, Key Account Manager Bauwerksabdichtung bei Sika, die Wirkungsweise des Systems. „SikaProof P-12 ist die perfekte Kombination zu dem SikaProof A+ Frischbetonverbundsystem und ein nachträglich zu installierendes Abdichtungssystem für Betonbauwerke. Es besteht ebenfalls aus einer hochflexiblen Dichtungsbahn auf Basis von FPO, welche vollflächig mit einem polyolefinen Kleb- und Dichtstoff beschichtet ist. Die Bahn wird flächig auf die bestehende Betonkonstruktion aufgeklebt. Dabei erfolgt die Applikation kaltselbstklebend in Kombination mit SikaProof Primer-01 und benötigt keine Hitze oder offene Flamme.“

Die Vorteile des SikaProof Frischbetonverbundsystems liegen klar auf der Hand. Neben der hohen Dichtigkeit (zugelassen für einen Druck von bis zu 20 m Wassersäule), Rissüberbrückungsfähigkeit und einem druckwasserdichten Hinterlaufschutz besticht das Material durch seine hohe Festigkeit und Dehnfähigkeit. Es ist hochflexibel und rissüberbrückend, zeigt eine hohe Kälteflexibilität und einen hohen Widerstand gegen mechanische Beanspruchung.

Verarbeitung von SikaProof A-12
Der Untergrund muss sauber, eben und ausreichend fest und stabil sein, um sämtliche Kräfte während der Verarbeitung und Betonage aufnehmen zu können. Größere Hohlstellen über 1,2 cm sind vor der Verlegung zu schließen und zu beseitigen. Die Fläche darf feucht sein, stehendes Wasser ist jedoch zu entfernen. Geeignet sind etwa Betonflächen (frei von spitzen, herausstehenden Zuschlagstoffen), Systemschalungen oder druckstabile Dämmstoffe. Raue Flächen sind ungeeignet und vor der Applikation durch Nacharbeiten, Einsatz von Schutzlagen und/oder Geotextilen bzw. partieller Egalisierung mit Sand oder mineralischen Systemen zu bearbeiten.

Fachmann Thomas Stobb beschreibt die Anwendung: „Die SikaProof A Bahn wird vor der Betonage auf der Sauberkeitsschicht oder der Schalhaut beziehungsweise lose auf dem Boden verlegt. Durch die nachfolgende Stahlbewehrung wird sie beschwert und fixiert. Um die geforderte Betonüberdeckung einzuhalten, werden geeignete Abstandhalter aus Faserzement verwendet. Im Wandbereich sind geeignete temporäre mechanische Fixierungen vorzunehmen. Die Bahn kann in ein- oder zweihäuptig geschalten Konstruktionen eingesetzt werden. Alle Nähte, längs und quer, sind ausreichend zu überlappen und anschließend sorgfältig zu fügen. Für die Nahtfügung steht verschiedenes Zubehör, wie zum Beispiel Innentapes (selbstklebende Dichtstreifen), doppelseitige Klebestreifen oder Heißklebstoffe zur Verfügung. Sollte Wasser auf der Fläche stehen, ist dies im Vorfeld zu entfernen.“ Vor der Betonage ist die Fläche optisch auf vollständige und fachgerechte Ausführung im Rahmen der Qualitätssicherung zu überprüfen. Die Betonage der verlegten Fläche sollte binnen 30 Tagen erfolgen. Verzögert sich der Bauablauf und erfolgt die Betonage der SikaProof A-12 später als einen Monat nach der Verlegung, ist die Fläche vor freier Bewitterung und UV-Strahlung zu schützen und zu verwahren. Nach dem Ausschalen ist die Fläche auf Beschädigungen zu kontrollieren und im Schadensfall zu reparieren. Spannstellen sind mit dem Sikadur-Combiflex TF Abklebesystem oder SikaProof Patch-200B Tape abzudichten. Zum Schutz des Systems gegen mechanische Beschädigung und Umwelteinflüssen wie Witterung oder UV-Strahlung ist das Bauteil schnellstmöglich, jedoch spätestens innerhalb von drei Monaten zu verwahren bzw. anzufüllen. Ein Anfüllschutz ist hier erforderlich.

Verarbeitung von SikaProof P-12
Um die Dauerhaftigkeit und Funktionstauglichkeit dieses Abdichtungssystems gewährleisten zu können, ist eine entsprechende Untergrundvorbereitung erforderlich. Dazu sind lose Bestandteile und trennend wirkende Substanzen zu entfernen. Eventuell vorhandene Untergrundunebenheiten und Ausbrüche sind durch schleifen oder sanieren mit geeigneten Reparaturmörteln vorzubereiten. Die Fläche ist vollständig mit dem systemeigenen SikaProof Primer-01 als Haftgrund unter Berücksichtigung der Ablüftzeiten vorzubehandeln. Je nach Wasserbeanspruchung sowie Detail- und Fugenausbildung sind vorhandene Fugen durch weitere Produkte mit Verwendbarkeitsnachweis wie etwa Sikadur-Combiflex TF System, Fugenbändern, Blechen, Injektionsschläuchen usw. abzudichten. Die bewehrte Betonkonstruktion als Verlegeuntergrund muss dabei folgende Eigenschaften erfüllen:

• Wasserundurchlässigkeit, da sonst der Hinterlaufschutz nicht gewährleistet ist
• ausreichende Tragfähigkeit und Druckbelastbarkeit im Belastungszustand von mindestens 25 N/mm²
• Untergrundzugfestigkeit von mindestens 1,5 N/mm²
• Betonrestfeuchte darf 6 % nicht überschreiten.

Zudem muss der Betonuntergrund trocken, sauber und frei von haftmindernden Substanzen sein. Die Oberfläche ist von Graten, Lunkern, groben Rissen, Unebenheiten und sonstigen spitzen Stoffen zu befreien. Für ein sicheres Ergebnis empfiehlt der Abdichtungsexperte Thomas Stobb folgenden Applikationsablauf:

1. Untergrundvorbereitung der Fläche durch schleifen und gegebenenfalls sanieren von Fehlstellen mit Reparaturmörtel. Erforderliche Wartezeiten zur Aushärtung der Reparaturmörtel sind dabei zu beachten.
2. Vorhandene Kanten oder Versprünge sind abzurunden oder abzubrechen.
3. Kehlen sind durch die Herstellung einer Hohlkehle mit geeigneten mineralischen Mörteln vorzubereiten.
4. Vollflächiger Auftrag des Voranstrichs SikaProof Primer-01 unter Beachtung der Ablüftzeit.
5. Applikation von SikaProof P-12.

Bei der Applikation von SikaProof P-12 wird für den Wandbereich empfohlen, die Bahnen vertikal zu verlegen. „Grundsätzlich ist immer das Regenschirmprinzip im Bereich der Stoßausbildungen zu beachten. Die Stöße sind entsprechend der Verlegemarkierung auf den Bahnen zu überlappen. Die gesamte Fläche ist kräftig und vollflächig anzureiben. Sämtliche Detailausbildungen wie etwa Rohrdurchführungen, Ecken und so weiter sind einzudichten und zu sichern. Alle T-Stöße und freien Stöße im Randbereich müssen mit SikaProof Ex-Tape-150 durch überkleben versiegelt und gesichert werden, um eine Kapillarwirkung zu vermeiden,“ beschreibt Stobb die Anwendung.

Der Anschluss bzw. der Übergang zu einer bestehende SikaProof A+ Fläche oder Bahn erfolgt analog der Ausbildung der Stöße durch mindestens 10 cm breite verklebte Überlappung. Die bestehende SikaProof A+ ist dazu entsprechend vorzubereiten. Die Reinigung oder Säuberung von trennenden Substanzen erfolgt im Idealfall mit Sarnafil T-clean und Sarnafil T-Prep. Auch hier sind die T-Stöße entsprechend zu sichern. Nach Fertigstellung der Verlegearbeiten sind sämtliche Flächen zu verwahren und vor mechanischer Beschädigung sowie freier Bewitterung zu schützen.

Das SikaProof P-12 System ist in Kombination mit SikaProof A+ und dem Sikadur-Combiflex TF System geprüft.

Sikadur-Combiflex TF System für Fugen- und Rissabdichtungen
Für nahezu alle Arten von Fugen- und Rissabdichtungen wurde das vielfältig kombinierbare und bewährte Sikadur-Combiflex TF System verwendet. Es ermöglicht die Aufnahme dreidimensionaler Fugenbewegungen und gewährleistet gleichzeitig eine druckwasserdichte Abdichtung. Das Sikadur-Combiflex TF System besteht aus verschiedenen Dichtstreifen und Fugenbandprofilen aus thermoplastischem Elastomer (TPE) sowie einem epoxidharzbasierenden Systemkleber. Somit ist ein Einsatz vor und nach der Betonage unter der Bodenplatte, an der Wand oder im Deckenbereich möglich. Damit ist das Abdichtungssystem eines der am flexibelsten einsetzbaren Abdichtungssysteme und ebenso in Kombination mit den SikaProof Systemen A und P geprüft.

Boden- und Wandbeschichtung mit aufeinander abgestimmten Systemen
Die Beschichtung der Böden besteht aus einem System aus Sikafloor-81 EpoCem, einem dreikomponentigen Epoxidharz-Zementmörtel als osmosesichere Verlaufsbeschichtung, und Sikagard WallCoat N, einer wässrigen, farbigen Versiegelung als dekontaminierbare Beschichtung. Der epoxidharzvergütete, leicht texturierte Fließmörtel auf Zementbasis bietet sich für alle Anwendungen auf zementösen, mineralischen Untergründen im Innen- und Außenbereich von Böden und Wänden an. „Die Anforderungen an die Wasserdampfdiffusionsfähigkeit im Systemaufbau von Böden und Wänden waren wegen der massigen Bauteile wie insbesondere der 2,40 m dicken Bodenplatte extrem hoch. Daher kam die patentierte Systemlösung Sikafloor-81 EpoCem zum Einsatz. Erschwerend kam hinzu, dass die Wände mit dem Sandstrahl vorbereitet werden mussten. Diese Arbeiten konnten in den Innenräumen des Strahltunnels im BA Nord nur trocken erfolgen,“ beschreibt Jacqueline Send, Key Account Managerin Industriebau bei Sika, die anspruchsvolle Ausführung der Beschichtung. Für die Wandbeschichtungen wurde der kunststoffmodifizierte Feinspachtel Sika MonoTop-723 ebenfalls in Kombination mit der dekontaminierbaren Beschichtung Sikagard WallCoat N verwendet. Mit dem Feinspachtel konnten die Betonoberflächen ausgeglichen und Lunker sowie Poren geschlossen werden. Im Bereich der Rinnen kam Sikafloor-701 mit Sika Reemat Premium als Verbundabdichtung in Kombination mit der dekontaminierbaren Beschichtung Sikafloor-390 N zum Einsatz.

Die verschieden kombinierbaren Beschichtungssysteme von Sika lassen sich in Verbindung mit Sikafloor-81 EpoCem auf Untergründen mit einem hohen Feuchtigkeitsgehalt oder frischem Beton einsetzen. Dabei wird der epoxidharzvergütete Fließmörtel mit mindestens 2,0 mm Schichtdicke aufgebracht. Das innovative Sika-Beschichtungssystem verhindert die osmotische Blasenbildung der Kunstharzbeschichtung auf feuchten Untergründen und bietet eine ausgezeichnete Haftung auf Betonuntergründen. Es zeichnet sich durch eine besonders hohe Widerstandsfähigkeit gegen zahlreiche Angriffe aus.

Einblicke in die Struktur von Materie ab 2027
Wenn der Ionenbeschleuniger FAIR in Betrieb geht, werden viele der beim Bau des neuartigen Forschungszentrums eingesetzten Materialien nicht mehr zu sehen sein. Auch wenn alle diese Stoffe ebenso unsichtbar sind wie die Atome, an denen hier geforscht wird, tragen sie wie die innovativen Lösungen von Sika maßgeblich zum Erfolg dieser ganz besonderen Einrichtung bei.