Jahrbuch der Baumpflege 2021

2.4 Schwachstellen im Rohrsystem

Ein Kanalisationssystem besteht aus vielen miteinander verbundenen Rohrleitungen. Diese Verbindungen oder Anschlussstellen sind für das Eindringen von Wurzeln besonders anfällig. Es gibt derzeit kein komplettes Rohrleitungssystem, dass garantiert wurzelfest ist. Baumwurzeln sind in der Lage, alle derzeit auf dem Markt erhältlichen Rohrtypen zu durchdringen (STÅL 1995). Durchgehende Grundleitungen halten zwar die Baumwurzeln für die jeweilige Rohrlänge ab, aber sie können trotzdem durch Einstiegsschächte o. ä. in die Leitung eindringen. Es hat sich erwiesen, dass gerade Hausanschlusskanäle oder Einstiegsschächte das Eindringen von Wurzeln in das Kanalsystem begünstigen. Die Übergänge zwischen Rohrleitungen aus verschiedenen Materialien, wie PVC und Beton, sind ebenfalls sehr anfällige Bereiche im Kanalsystem und häufig Eintrittsstellen für Baumwurzeln (ORVESTEN et al. 2003).

Baumwurzeln haben eine bemerkenswerte Fähigkeit, in die kleinsten Zwischenräume vorzudringen und sie zeigen auch eine hohe Sensibilität für potenzielle Nährstoff- und Wasserquellen. Die Wurzeln „testen aus“, wo das Kanalsystem seine Schwachstellen hat und die Wurzelspitzen wachsen dann in undichte Muffenverbindungen, Risse im Rohrmaterial oder in Übergangsbereiche hinein. Mit Übergangsbereich sind sowohl Übergänge zwischen Abwasserleitung und Einstiegsschacht als auch zwischen Hausanschluss- leitung und Grundleitung gemeint.

Baumwurzeln dringen auf unterschiedliche Weise ein, je nachdem, ob die Rohrleitung Schmutzwasser oder Regenwasser führt.

Durch Schmutzwasserkanäle fließt permanent Wasser mit hohem Nährstoffgehalt; gleiches gilt auch für die mancherorts noch vorhandenen Mischwasserleitungen. Dies macht solche Kanäle für Pflanzen besonders anziehend und deshalb befindet sich in Abwasserleitungen häufig auch ein von oben herunter hängender Vorhang von Wurzeln. Wenn an einer Abwasserleitung darüber hinaus an einem Leck Schmutzwasser austritt, bildet sich unterhalb des Lecks ein anaerober Bereich (Abbildung 2), in dem keine Wurzeln wachsen, was aber zu einem vermehrten Eindringen von der Seite und von oben in das Rohr führt, ausgehend von Substrat, das wahrscheinlich entweder feucht oder gesättigt, aber aerob ist. Mit dem Schmutzwasser können ebenfalls Phosphate oder andere Nährstoffe exfiltrieren, die das Wurzelwachstum stimulieren.

Abbildung 2: Im anaeroben Milieu unterhalb des Lecks ist kein Wurzelwachstum möglich

Reine Regenwasserleitungen führen nicht ständig Wasser und können in Perioden mit geringem Niederschlag komplett austrocknen. Daher dringen die Wurzeln häufig von der Unterseite in die Regenwasserleitung ein, da hier die Wachstumsbedingungen für die Wurzeln durch die Restfeuchtigkeit besonders günstig sind.

2.5 Alte und neue Rohrleitungen

Ältere Steinzeugrohre scheinen stärker von Wurzelwachstum befallen zu sein als neuere Rohrtypen. Es ist aber schwierig, den Einfluss der Materialermüdung bzw. des Alters von dem Einfluss der unterschiedlichen Dichtungstechnik in den früher verlegten Rohrverbindungen zu unterscheiden. Umfangreiche Kanalkontrollen mittels Kanal-TV, die bis 1999 in Großbritannien durchgeführt worden sind, haben ergeben, dass 12,5 % aller in Lehmböden verlegten Abwasser rohre und 15,1 % aller in sandigen Böden verlegten Abwasserrohre Wurzeleinwuchs aufwiesen. In fast allen Fällen waren die Wurzeln durch die Rohrverbindungen eingedrungen. Die Rohre wiesen ein durchschnittliches Alter von 80 Jahren auf, wobei einige neu und andere 120 Jahre alt waren.

Sowohl die Dauer der Beanspruchung als auch der Zeitpunkt der Verlegung beeinflussen den Wurzeleinwuchs. Dies bezieht sich hauptsächlich auf die Entwicklung der städtebaulichen Stile (Baumstandorte), auf die verwendeten Rohrverbindungen und auf die Fachkenntnisse der Monteure vor Ort.

Bis in die 60er Jahre des 20. Jahrhunderts war das vorherrschende Verfahren der Rohrverbindung das Abdichten mit Mörtel und Teerstrick (Abbildung 3).

Abbildung 3: Muffe mit Mörtel und Teerstrickdichtung

In den 60er und 70er Jahren ging man zu Elastomerdichtungen über, anfangs mit natürlichem Gummi in Form von Kautschuk-Elastomer-Ringen (Abbildung 4). Aufgrund der begrenzten Haltbarkeit von natürlichem Kautschuk verwendete man später EPDM-Dichtungen, die leichter vor Ort zu verarbeiten waren. Üblicherweise verwendete man Lippendichtringe oder Gleitringdichtungen (Abbildung 5).

Abbildung 4: Muffe mit Gummidichtung

Abbildung 5: Gleitringdichtung bzw. Lippendichtring

Die Hauptkriterien bei der Entwicklung der Dichtungstechnik waren:

 Einfache Handhabung auf der Baustelle

 Dichtigkeit

 Biologische/Chemische Beständigkeit.

Untersuchungen über den Wurzeleinwuchs in moderne Kanalrohre aus Beton oder PVC, wie sie zuletzt in Schweden, in Großbritannien und in Deutschland durchgeführt wurden, haben nahe gelegt, dass auch diese neuen Rohrtypen nicht völlig wurzelfest sind. Diese Vermutung beruht vor allem auf den Forschungsergebnissen aus Schweden (STÅL & ROSENLÖF 1995) und Deutschland (BOERESCH 1996; BENNER-SCHEIDT & SCHMIEDENER 2004) und Dänemark (RANDRUP 2000; RANDRUP et al. 2001). Hierbei wurden Untersuchungen an neuen Kanalrohren durchgeführt, die Wurzeleinwuchs aufwiesen. Diese Ergebnisse, die das ganze Ausmaß des Problems des Wurzeleinwuchses deutlich machen, haben Zweifel daran aufkommen lassen, dass moderne Rohrleitungstypen einen effektiven Schutz gegen Baumwurzeln bieten.

3 Bewertung und Prüfung von Beton- und PVC-Rohren
3.1 Bisherige Prüfverfahren

Früher ging es den Herstellern von Rohrverbindungen darum, wasserdichte Muffen zu produzieren, um Infiltrationen und Exfiltrationen zu verhindern; über das Wachstum von Baumwurzeln oder deren Durchwuchskraft hatten sie keinerlei Erkenntnisse. Einige Hersteller haben zwar in begrenztem Umfang ihre Produkte auf Wurzeldichtheit geprüft, aber diese Tests liefen häufig nur über kurze Perioden (meist 1 Jahr), und die verwendeten Pflanzenarten verhielten sich nicht so wie die Spezies, die in der Praxis die Probleme verursachen. So wurde sehr wahrscheinlich mit Grassorten und Lupinen getestet, während die meisten Wurzelschäden auf Weiden und Pappeln zurück zu führen sind.

Damit ein Prüfverfahren zur Produktionsnorm wird, muss es wiederholbar und einfach in der Durchführung sein. Tests auf Leckdichtigkeit sind simpel durchzuführen und können direkt gemessen werden. Tests auf biologische und chemische Beständigkeit sind schon schwieriger in der Durchführung, aber machbar. Bei Baumwurzeln allerdings gibt es einen beträchtlichen Zufallsfaktor, der eine direkte Auswertung problematisch macht (z. B. Sonnenlicht, Niederschlagsmenge, Temperatur, Stärke der Ursprungspflanze, etc.). Ein weiteres Problem ist das langsame Wachstum der Baumwurzeln.

Folglich gibt es bis heute in keiner technischen Norm für Kanalrohre einen direkten Test auf Wurzeldichtigkeit. Man verlässt sich auf Ersatzkriterien, die geeignet scheinen, um für Wurzeldichtigkeit herangezogen zu werden, hauptsächlich Dichtigkeit, Druckfestigkeit und Kontaktweite der Muffenkomponenten (Tabelle 1).

Die aktuellen technischen Anforderungen an die Druckfestigkeit von Kunststoffmuffen scheinen viel zu niedrig, um das Einwachsen von Wurzeln zu verhindern (BOERESCH 1996).

Man muss daher feststellen, dass die technische Entwicklung auch weiterhin – wie bisher – ohne hinreichende Kenntnis der biologischen Mechanismen erfolgt, die das Wurzelwachstum steuern. Im Laufe der Jahre haben mehrere Forscher nachgewiesen, dass Wurzelspitzen von Pflanzen Axialdrücke von über 2,6 MPa entwickeln können (PFEFFER 1893; TAYLOR & RATLIFF 1969; MATTHECK et al. 1996).

Tabelle 1: Druckfestigkeiten und Weiten nach verschiedenen Normen

Wurzeln sind darüber hinaus in der Lage, ihre Form zu verändern und sich radial auszubreiten, wenn sie auf Widerstand im Boden stoßen. Sie verjüngen sich dabei zunächst, um dann wieder ihre ursprüngliche Stärke zu erreichen (HETTAIRATCHI 1990). Dieses Verhalten konnte bei Versuchen mit Geotextilien als Wurzelsperre beobachtet werden (WAGAR & BAKER 1993, STÅL 1995). In diesen Versuchen reduzierten die Wurzeln ihren Durchmesser drastisch so stark, bis sie durch die feinen Poren der Geotextilien hindurch wachsen konnten, nach dem Hindernis verdickten sich die Wurzeln wieder bis fast auf ihren ursprünglichen Durchmesser. Anzumerken ist allerdings, dass die Tests der maximalen Axialdrücke von Wurzeln im Allgemeinen fast ausschließlich an den Wurzeln von einjährigen Sämlingen durchgeführt wurden und nicht an den Wurzeln erwachsener Bäume.

Es ist also von entscheidender Bedeutung, die Kenntnisse über die Mechanismen, die den Wurzeleinwuchs in Rohrleitungen steuern, zu vertiefen. Zu diesem Zweck hat der Fachbereich Landschaftspflege und Garten bau der Schwedischen Universität für Agrarwissenschaften einen Großversuch angelegt, bestehend aus Beton- und PVC-Rohren und Pappeln (Populus canadaensis var. robusta), die direkt über den Rohren gepflanzt wurden.

3.2 Ziele und Versuchsaufbau

Die Ziele dieses Versuchs waren erstens die Penetrationskräfte der Baumwurzeln zu bestimmen und zweitens wissenschaftlich zu untersuchen, wie effektiv handelsübliche Kunststoffmuffen für Abwasserrohre (aus Beton und aus PVC) einen Wurzeleinwuchs verhindern können. Im Mai 2004 wurde der Versuch beendet und die Rohrleitungen wurden ausgegraben und untersucht. Diese Arbeiten wurden gemeinsam mit Vertretern von Thames Water UK ausgeführt, und zwar im Rahmen der COST Aktion C15 „Verbesserung der Beziehungen zwischen technischer Infrastruktur und Vegetation“.

Von 1994 und 1997 wurden die Abwasserkanäle der Versuchsanlage mit einer Kanalfernsehanlage überprüft und die Bilder dokumentiert. Die Ergebnisse der Untersuchungen an den Dichtungen und Verbindungen wurden in zwei Kategorien aufgeteilt: eine für Betonrohre und eine für PVC-Rohre. Die Anlage wurde im April 1993 als ein geschlossenes System von 32 m Länge eingebaut. Hierbei wurden Beton- und PVC-Rohre miteinander verbunden (12 Testverbindungen pro Material). Drei PVC- und drei Betonrohrverbindungen wurden als völlig unbeschädigte und einwandfrei verlegte Testverbindungen verlegt, andere wurden bestimmten Drücken ausgesetzt oder beschädigt verlegt, um das Material unter so unterschiedlichen Bedingungen wie möglich zu testen.

Einige Verbindungen waren mit einer weiteren externen Dichtung in Form eines selbstvulkanisierenden Tapes ausgestattet. Die verschiedenen getesteten Verbindungstypen sind in Tabelle 2 dargestellt. Die 1 m langen Rohre wurden gemäß den Schwedischen Verfahrensnormen durch erfahrene Kanalbauer des Wasserverbandes Malmö verlegt. Die Pappeln (Populus canadaensis ‘Robusta’) wurden direkt über jeder Rohrverbindung in Mutterboden gepflanzt und hatten optimale Wachstumsbedingungen (Abbildung 6). Das Wasser zirkulierte in etwa 70 cm Tiefe durch die Rohrleitungen, der Grundwasserspiegel in dem Gebiet stand bei ca. 1 m Tiefe.

Tabelle 2: Testverbindungen im Versuch

Abbildung 6: Versuchsanlage des Fachbereichs Landschaftspflege und Gartenbau der Schwedischen Universität für Agrarwissenschaften in Alnarp

Während der ersten fünf Wachstumsperioden waren die Rohre zu einem Drittel mit Wasser gefüllt, das während der Vegetationsperiode permanent in dem Rohrsystem zirkulierte. Von 1998 bis zum Ende des Versuchs im Jahr 2004 floss das Wasser nicht mehr permanent und es bestand kein konstanter Wasserspiegel mehr. Während dieser Phase war die Versuchsanlage eher als Regenwasserabflusssystem mit variierenden Durchflussmengen und Wasserständen anzusehen.

3.3 TV-Inspektion der Rohrleitungen

Die ersten Kontrollen mittels Kanal-TV wurden nach zwei Wachstumsperioden durchgeführt. Anhand dieser Videoaufzeichnungen konnte nur an einer Stelle eindeutig Wurzeleinwuchs diagnostiziert werden, und zwar an der Übergangsverbindung zwischen Beton und PVC-Rohr. Spätere TV-Kontrollen zeigten Wurzeleinwuchs an verschiedenen Rohrverbindungen, am deutlichsten zu erkennen war dies bei den Verbindungen, die vor der Verlegung manipuliert worden waren, so dass Wurzeln leicht eindringen konnten. Es wurde jedoch auch in einwandfreien und drucklos verlegten Verbindungen Wurzeleinwuchs beobachtet. Dies konnte aber nicht mit 100prozentiger Sicherheit bestätigt werden, so dass diese Beobachtungen mit dem Kommentar „Wurzeleinwuchs vermutet“ dokumentiert wurden.

Ein Grund für die unsichere Diagnose besteht darin, dass bei Rohrreinigungsarbeiten, die vor den TV-Kontrollen im Jahr 1996 und 1997 notwendig geworden waren, sehr wahrscheinlich kleine Wurzeln in den Rohrverbindungen abgefräst und entfernt worden sind. Zu dem Zeitpunkt war das eingedrungene Wurzelwerk so dicht geworden, dass man die Rohre reinigen und die Wurzeln kappen musste, damit der Kameraschlitten die Rohre überhaupt passieren konnte.

Wegen fehlender Forschungsgelder konnten ab 1997 keine TV-Kontrollen mehr durchgeführt und das Leitungssystem konnte nicht mehr konstant mit Wasser geflutet werden. Dies hat wahrscheinlich dazu beigetragen, dass die Rohre anschließend bis zum Ende des Experiments für die Pappelwurzeln nicht mehr so attraktiv waren. Darüber hinaus fanden die Pappeln an ihrem Standort äußerst günstige Wachstums bedingungen mit unbegrenztem Wurzelraum und genügend Wasser und Nährstoffen vor.

3.4 Ergebnisse der Untersuchung nach Ausgrabung der Rohre

Das Ausgraben der Rohre erfolgte per Bagger, unterstützt durch Druckluft, die mittels einer Lanze in das Erdreich gepresst wurde, um die Rohrverbindungen möglichst unbeschädigt bergen zu können. Danach wurden die Rohrverbindungen numeriert und als Ganzes zur späteren Untersuchung ins Labor verbracht. Sie wurden dafür mit Schraubbolzen gesichert, damit sich die Verbindungen während des Transports nicht lösen konnten.

Alle Verbindungen, die vorher manipuliert, eingesägt oder beschädigt worden waren, zeigten Wurzeleinwuchs, was niemanden überraschte. Für die drei einwandfrei verlegten Rohrverbindungen jedes Materialtyps wurden detaillierte Protokolle angefertigt, und zwar nach der Zifferblatt-Ansicht (12.00 Uhr = oben, 6.00 Uhr = unten) aus Querschnittperspektive (Tabelle 3).

Tabelle 3: Zusammenfassung – Einwuchsstellen der Baumwurzeln

Im allgemeinen hatten die Wurzeln, die in die PVC-Rohrverbindungen eingedrungen sind, nur 0,1 bis 0,3 mm im Durchmesser, während die Wurzeln in den Betonrohren meist dicker waren, bis 3 mm im Durchmesser.

Die Rohroberflächen in der Nähe der Verbindungen wurden eingehend auf Defekte, wie z. B. Risse, untersucht, denen die Wurzeln gefolgt sein könnten. In den PVC-Rohren wurden feine Haarrisse innerhalb der Rohrmuffen gefunden, meist parallel zur Rohrachse, aber an keiner dieser Stellen waren Wurzeln eingedrungen. Alle Stellen, an denen Wurzeln eingedrungen sind, waren scheinbar unbeschädigt. Die meisten Wurzeln sind anscheinend der Muffenverbindung (Falz) gefolgt, drei von den zwölf Wurzeln, die in die Rohrverbindung der PVC-Rohre eingedrungen sind, wuchsen jedoch außerhalb der Dichtung.

Die Tatsache, dass am gesamten Rohrumfang Wurzeln eingewachsen sind, zeigt, dass Exfiltration von Abwasser keinen Einfluss auf den Wurzeleinwuchs hat. Von den 17 Einwuchsstellen befanden sich nur 5 unterhalb des Wasserstandes, d. h. in zwölf Fällen sind sie von oben bzw. von den Seiten eingedrungen. Bei der TV-Kontrolle und bei der späteren Untersuchung einiger Rohrverbindungen konnte man die feinen Wurzelhaare, die sich innerhalb und außerhalb der Muffen an die Rohroberfläche angeheftet hatten, genau erkennen. Dies unterstützt die Theorie, dass Kondensationsfeuchte ein wichtiger Faktor ist. Das Auftreten von Kondensationsfeuchte dürfte mit zunehmender Entfernung zur Rohröffnung im Inneren des Rohrs und an der Außenseite immer unwahrscheinlicher werden.

Die Nummerierung der Testverbindungen entspricht im Übrigen ihrer jeweiligen Entfernung vom Rohrende in Metern.

Abbildung 7: Wurzeleinwuchs in Testverbindung B (Beton) – unveränderte Rohrverbindung

Abbildung 8: Wurzeleintritt in Testverbindung E (Beton) – Kanalbett mittig unter der Verbindung um 5 cm angehoben

Abbildung 9: Wurzeleinwuchs in Testverbindung B (PVC-Rohr) – unveränderte Rohrverbindung