Feuchtespeicherung in porösen Materialien

Autor: Dr. Andreas Nicolai

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Dieser Artikel beschreibt die Mechanismen der Feuchtespeicherung und gängige Modellansätze und Materialfunktionen, insbesondere die Sorptionsisotherme und die Feuchtespeicherfunktion (MRC).

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Einleitung

Bei porösen Baustoffen lässt sich gravimetrisch ein Zusammenhang zwischen der relativen Luftfeuchte der Umgebung und dem Gewicht einer Materialprobe bestimmen. Dieser wird auf die Einlagerung von Feuchte im Material zurückgeführt. Dampf dringt in das Material ein, lagert sich an Oberflächen an, kondensiert in Kapillaren, oder wird chemisch gebunden. In der folgenden Diskussion sollen ausschließlich physikalische Effekte der Kapillarkondensation betrachtet werden.

Definitionen

Bei der Diskussion von Feuchtespeichervorgängen wird zwischen dem hygroskopischen und überhygroskopischen Bereich unterschieden. Der hygroskopische Bereich ist der Bereich niedrigerer Feuchte, während ein Baustoff im überhygroskopischen Bereich höhere Feuchtegehalte aufweist. Eine klare Trennung beider Bereiche ist nicht möglich, liegt aber für viele Baustoffen zwischen 92% und 95% rel. Luftfeuchte.

Eine Möglichkeit der Trennung der Bereiche liegt in der Beschreibung der vorherschenden Feuchtetransportmechanismen. Im hygroskopischen Bereich überwiegt Dampfdiffusion, im überhygroskopischen Bereich überwiegt kapillarer Flüssigwassertransport. Letzterer ist insbesondere für die Umverteilung und den Transport von gelöstem Salz von Bedeutung.

Experimentell lässt sich ein Gleichgewichtszusammenhang zwischen der gravimetrisch bestimmten Feuchtemasse bzw. dem Feuchtegehalt des Baustoffes und einem Feuchtepotenzial bestimmen. Feuchtepotenziale sind hier die relative Luftfeuchte und der Flüssigwasser- bzw. Kapillardruck.

Modelle zur Beschreibung der Feuchtespeicherung

Sorptionsisotherme

Im hygroskopischen Bereich wird üblicherweise der Zusammenhang zwischen relativer Luftfeuchte und Feuchtegehalt bei konstanter Temperatur dargestellt. Diese Darstellungsform wird als Sorptionsisotherme bezeichnet, da sie experimentell über einen Sorptionsprozess bestimmt wird. In einem üblichen Versuchsaufbau wird ein Material ofengetrocknet, gewogen und dann in einer Umgebung definierter Luftfeuchte (z.B. in einem Exsikkator/Dessikator) eine zeitlange belassen. In regelmäßigen Abständen wird die Probe gewogen bis Gewichtskonstanz eintritt. Der Gleichgewichtsfeuchtegehalt $\theta _{\ell }$ ergibt zusammen mit der konstanten relativen Luftfeuchte $\phi$ im Exsikkator einen Punkt $\theta _{\ell }\left(\phi \right)$ auf der Sorptionsisotherme.

Feuchtespeicherfunktion

Der überhygroskopische Bereich beginnt meist erst bei 92% rel. Luftfeuchte. In der Darstellung der Sorptionsisotherme lassen sich keine Details des Verlaufs der Funktion $\theta _{\ell }\left(\phi \right)$ mehr ablesen. Daher wird eine andere Repräsentation gewählt, die Feuchtespeicherfunktion (engl. Moisture Retention Curve - MRC). Bei der Feuchtespeicherfunktion wird der Feuchtegehalt über dem Kapillardruck der Porenlösung aufgetragen. Bei Feuchtesättigung erreicht dieser 0 Pa, welches 100% relativer Luftfeuchte entspricht. Entwässert das Material, wird der Kapillardruck schnell größer (mit negativem Vorzeichen). Der Zusammenhang zwischen Kapillardruck $p_{c}$ und rel. Luftfeuchte ist durch die Kelvin-Gleichung gegeben:

$\phi =e^{p_{c}/\rho _{w}R_{w}T}$

Mithilfe dieser Gleichung lassen sich die beiden Darstellungen der Feuchtespeicherverhaltens eines Materials ineinander überführen und umrechnen.

Beschreiben das Sorptionsverhalten eines Stoffes bei konstanter Temperatur.

Ein üblicherweise gläsernes Gefäß mit luftdichtem Deckel, in dem Materialien/Chemikalien mit Hilfe eines Trocknungsmittels getrocknet oder befeuchtet werden können.

siehe Exsikkator