Grabenlose Kanalsanierung mit UV: Material, Technik und neueste Innovationen für mehr Kontrolle und Sicherheit

Grabenlose Kanalsanierung mit UV: Material, Technik und neueste Innovationen für mehr Kontrolle und Sicherheit

ProKASRO Mechatronik und NETZSCH Process Intelligence klären gemeinsam über Technik zur Sanierung von Abwasserkanälen, dem Funktionsprinzip des Härtungsmechanismus des UV-Liners sowie innovativen Technologiekonzepten für mehr Kontrolle und Sicherheit auf.

Die grabenlose Kanalsanierung ist ein Verfahren zur Erneuerung beschädigter Kanalrohre mit dem Ziel, die Dichtigkeit und Stabilität wiederherzustellen. Hierzu wird eine Kunststoffschicht, der sogenannte Liner, als neue Rohrwand eingebracht.

Der Liner besteht aus glasfaserverstärktem, Poly- oder Vinylesterharz, welches zum Zeitpunkt der Einbringung in den Kanalschacht noch nicht ausgehärtet ist, um das Handling und ein einwandfreies Anlegen der neuen Hülle an die bestehende Kanalwand zu gewährleisten. Die Aushärtung des Liners erfolgt mithilfe von UV-Lampen, welche an technologisch ausgefeilten Robotern, sogenannten Kernen oder Ketten, angebracht sind.

Nach Abschluss der Baustelle, werden Proben aus dem Randbereich entnommen und zur Ermittlung von Kennwerten in zertifizierten Prüflaboren überprüft.

Der Liner und dessen Reaktion

Der Kunststoffliner, üblicherweise styrolhaltiges Poly- oder Vinylesterharz getränktes Glasfasergewebe, wird gemäß der Anforderungen der jeweiligen Baustelle maßgetreu in Wandstärke und Länge einzelgefertigt und anschließend transportsicher verpackt an die Baustelle transferiert. Im Kanal eingebracht wird der Liner mittels UV-Lampen ausgehärtet. Der Reaktionsmechanismus ist die radikalische Polymerisation. Die Energie des UV-Lichts führt zu einem Zerfall eines Initiators in reactive Radikale. Dadurch wird eine Kettenreaktion ausgelöst, bei der die reaktiven Radikale dafür sorgen, dass sich die im Harz vorhandenen Monomore chemisch binden, was als Aushärtungs- oder Vernetzungsreaktion bezeichnet wird. Während der Vernetzungsreaktion bildet das Poly- oder Vinylesterharz langkettige Verbindungen, das Styrol sorgt für die Querverzweigung, wodurch eine sehr hohe mechanische Festigkeit erreicht wird.

Die Anlagentechnologie

Die Anlagentechnologie besteht aus einem Sanierfahrzeug, welches die Kommandozentrale für die Baustelle bildet. Ausgerüstet mit dem gesamten Equipment, um eine Baustelle fachmännisch zu bewerkstelligen, können die Fahrzeuge von 3,5t Sprintergröße bis 18t LKW reichen.

Neben der Technologie für die UV-Härtung beinhalten die Fahrzeuge auch Technologie für Arbeitsroboter, zur fräsenden Offenlegung von Zulauf-Rohrverbindungen und deren Verbindungsabdichtung sowie TV-Inspektionssysteme zur optischen Überprüfung der Sanierungsstrecke.

Der Wellenlängenbereich der UV-Lampen ist ausgelegt auf die am Markt vorhandenen Liner-Systeme.

Mythen und Aufklärung

Die UV-Strahlung kann nur wenige Millimeter in das Material eindringen, sodass dicke Liner nicht vollständig aushärten und im Bereich der ursprünglichen Kanalwand weich bleiben.
Dass die UV-Strahlung nur wenige Millimeter eindringen kann, ist vollkommen richtig. Dennoch ist die Kombination aus UV- und thermischem Energieeintrag der entscheidende Faktor für die Aushärtung von dicken Linern. Das UV-Licht dient lediglich dazu, die Radikalbildung zu initiieren und die Kettenreaktion anzustoßen. Anschließend dient erhöhte Temperatur dazu, dass die Kettenreaktion weiterläuft und die reaktiven Radikale durch den Liner wandern und für die Vernetzung sorgen. Daher sind UV-Kerne mit sehr hohen Leistungen nicht die Lösung für eine höhere Eindringtiefe des UV-Lichts, sondern sie sorgen mit der höheren Temperaturentwicklung dafür, dass die Vernetzungsreaktion auch in dicken Linern ausreichend stattfindet.

Die UV-Initiatoren einiger Liner-Hersteller sind inkompatibel mit den bestehenden Anlagentechnologien oder funktionieren nicht richtig.

Die heutzutage eingesetzten Quecksilberdampflampen decken ein sehr breites Spektrum ab und haben Hauptintensitätslinien sowohl im UV-, im sichtbaren, als auch im Infrarot-Bereich. Dadurch sind sie eine Allzweckwaffe, wenn es um die UV-Initiierung der Reaktion und den thermischen Energieeintrag zur Fortführung der Reaktion geht. Aus chemischer Sicht werden heutzutage keine kommerziellen UV-Initiatoren eingesetzt, die sich mit Quecksilberdampflampen nicht ankicken lassen.

Viel Temperatur hilft viel. Also versuchen wir, so viel Temperatur wie möglich im Kanalschacht zu erzeugen.

Dieser Schluss lässt sich leicht vermuten, doch dem ist nicht so. Zu viel Temperatur kann den Liner schädigen, er kann spröde werden und zudem kann die Schutzfolie auf dem Liner – welche nach Beendigung der Aushärtung entnommen werden muss – zu heiß werden und dadurch am Liner festbacken. In der Kombination aus UV-Initiierung und thermischem Eintrag liegt das Geheimnis einer effizienten und den Anforderungen entsprechenden Baustelle.

Prüfung der Liner im Labor

Die Prüfung der Liner zielt grundlegend auf zwei Aspekte ab:

• Die Erreichung einer ausreichenden mechanischen Festigkeit und
• Die ökologische Unbedenklichkeit durch unausgehärtete chemische Bestandteile.

Daher sind neben vielen weiteren Parametern die Werte ‘Reststyrolgehalt’ sowie mechanischer ‘E-Modul’ von vorrangigem Interesse. Die Prüfung von verarbeiteten Linern werden von akkreditierten Prüflaboren vorgenommen, die in Deutschland in nur sehr geringer Anzahl vorhanden sind.

Prüfung der Liner auf der Baustelle

Aufgrund der klimatischen Variationen von Baustelle zu Baustelle, unterschiedlicher Liner-Hersteller sowie weiteren Faktoren wie der Feuchte im Kanal, die das Aushärteverhalten von Kunststoffen beeinflussen können, ist in den letzten 15 Jahren der Ruf nach Vor-Ort-Prüfung auf der Baustelle immer lauter geworden. Eine vielversprechende Technologie, welche sowohl hohe Sensitivität als auch einen transportablen Aufbau verspricht, ist die dielektrische Analyse (DEA). Bereits vor über zehn Jahren hat die SBKS & Co. GmbH gemeinsam mit der NETZSCH-Gerätebau GmbH, Marktführer im Bereich der thermischen und dielektrischen Analyse, Realversuche mit Einwegsensoren auf der Baustelle durchgeführt, um die Linerhärtung zu überwachen.

Das Messprinzip der dielektrischen Analyse beruht darauf, dass die zu untersuchende Probe über einen Sensor mittels Wechselspannung angeregt wird und sich das Antwortverhalten in Form eines Stromflusses und der Reaktionszeit von Anregung bis Antwort zeigt.

Gemessen wird dadurch die mikroskopische Beweglichkeit des Kunststoffes, welche sich durch die Ausrichtung von Dipolen sowie der Bewegung von kleineren Molekülgruppen ergibt. Je mehr die Aushärtung voranschreitet, desto geringer wird die Mobilität. Die so generierten Messdaten liefern einen genauen Einblick in das Materialverhalten und bislang unzugängliche Daten.

Die Vorteile der DEA mit Einwegsensoren sind der Einblick in das Materialverhalten und die Portabilität, doch es sprechen einige Faktoren gegen die Baustellentauglichkeit dieses Verfahrens:

Das Messprinzip ist darauf ausgelegt, dass das zu untersuchende Material direkt mit dem Sensor in Berührung steht. Dies bedeutet, dass

• die Sensoren entweder nur im Randbereich einer Baustelle in Armlängenreichweite in den Kanal hineinmessen können oder
• während der Liner-Herstellung eingebracht werden müssen, was den Fertigungsprozess der Liner auf den Kopf stellen würde, und
• die Sensoren lediglich punktuell messen und daher in einer Vielzahl in den Liner integriert werden müssten, um eine statistische Aussagekraft entlang der Sanierungsstrecke zu erhalten, und
• die absolut gemessenen Werte stark von der Feuchte und der Linertemperatur abhängen, was eine Datenauswertung über absolute Messwerte erschwert.

Durch den Herstellungsprozess und das Handling des Liners, ist der Randbereich nicht repräsentativ für die Sanierungsstrecke. Zudem unterscheiden sich die klimatischen Gegebenheiten im Randbereich von den Bedingungen im Kanal.

Neuartiges patentiertes Verfahren eröffnet neue Überwachungsmöglichkeiten

Aufgrund der Einschränkungen der bestehenden dielektrischen Messtechnik für den Baustelleneinsatz im Rahmen der grabenlosen Kanalsanierung, hat sich NETZSCH dazu entschieden eine neue Technologie zu entwickeln, die das Materialverhalten mit einer berührungslosen Sensorik überwacht und deren Messsignale unabhängiger von Umgebungseinflüssen sind. Gemeinsam mit der ProKASRO Mechatronik GmbH hat die NETZSCH Process Intelligence GmbH ein Verfahren patentiert, welches den Aushärtefortschritt entlang der gesamten Sanierungsstrecke im Kanal überwacht und die Informationen in Echtzeit an die Kommandozentrale sendet. Dies ermöglicht die aktive und dynamische Regelung der Zuggeschwindigkeit des Kerns basierend auf dem Aushärtefortschritt des Materials, um die höchstmögliche Zuggeschwindigkeit auszunutzen und ein Überhitzen des Liners zu vermeiden. Gleichzeitig lassen sich die im Kanal gemessenen Aushärtedaten des Liners mit Qualitätssicherungs-Daten wie dem E-Modul und dem Reststyrolgehalt korrelieren.

Hierzu werden Sensorik und Auswerteeinheit der Lösung, welche den Namen ‘sensXPERT Pipe’ trägt, direkt auf den UV-Kernen montiert und die Daten zum ‘dritten Mann’ transferiert.

Durch das Konzept, den dritten Mann als Systembestandteil auszubauen, der den Kern aktiv bremst, werden ruckartige Sprünge des Kerns deutlich verringert und das System auch

für Bestands- und Neuanlagen von ProKASRO-Wettbewerbern zugänglich.