Physikalische Grundlagen der Materialfeuchte

Autoren: Hans-Jürgen Schwarz, NN
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Abstract

Die Materialfeuchte gibt die Menge des in einem Feststoff enthaltenen freien Wassers an. Diese hat Auswirkungen auf Salz- und Feuchteschäden an Kulturgütern, und sollte bei Zustandsuntersuchungen immer bedacht bzw. untersucht/bestimmt werden. Um einen besseren Überblick bzw. Verständniss über die Materialfeuchte zu erlangen, sollen im Folgenden physikalische Grundlagen der Materialfeuchte aufgezeigt werden.

Gleichgewichtsfeuchte

Ähnlich wie die Gleichgewichtsfeuchte eines Salzes kann auch die Gleichgewichtsfeuchte einer Materialprobe wie folgt definiert werden:

Die Gleichgewichtsfeuchte ist die massebezogene Materialfeuchte eines Materials, bezogen auf konstante Randbedingungen, die sich mit der Zeit einstellt.

Die Probe wird dann also weder feuchter noch trockener. Es ist somit klar, dass die Ermittlung der Gleichgewichtsfeuchte wichtiger als die Ermittlung des tatsächlichen Wassergehaltes sein kann. Bei vielen Materialien bewirkt eine Feuchteänderung ein Dehnen oder Schwinden und führt so zu Schäden. Weicht die Feuchte der Umgebungsluft von der Gleichgewichtsfeuchte ab so stellt sich durch Feuchteaufnahme bzw. Feuchteabgabe die neue Gleichgewichtsfeuchte wieder ein. Die Gleichgewichtsfeuchte einer Probe nimmt mit zunehmender Temperatur ab.

Wasserdampfsorption

Wird ein getrockneter poröser Körper im Außenklima gelagert, so wird er zunächst an Masse zunehmen und nach Erreichen eines ersten Endwertes diese Masse in Abhängigkeit von der relativen Luftfeuchtigkeit verändern. Mit zunehmender Luftfeuchtigkeit nimmt auch die Masse des Körpers zu, bei abnehmender Luftfeuchte nimmt auch dessen Masse ab. Die Ursache dafür liegt in der Aufnahme bzw. Abgabe von Feuchtigkeit aus bzw. an die Umgebungsluft. Wassermoleküle werden an den inneren Oberflächen angelagert. Insbesondere in sehr kleinen Kapillaren, mit Mikroporen mit einem Durchmesser von kleiner 0,1µm, kann dieser Prozess bis zur vollständigen Wassersättigung führen (Kapillarkondensation). Neben den Materialeigenschaften spielt insbesondere der Salzgehalt einer Probe bei der Wasserdampfsorption eine große Rolle (siehe ...)

Unter Wasserdampfsorption versteht man die Aufnahme von Wasser aus der Gasphase.

Um Baustoffe bzgl. ihres Feuchteverhaltens zu charakterisieren, werden Proben bei konstanter Temperatur (d.h. isothermen Bedingungen) unter unterschiedlichen Luftfeuchtigkeiten gelagert. Diese Versuche liefern die sogenannten Sorptionsisothermen. Die Sorptionsisotherme ist die graphische Darstellung des Sorptionsverhaltens eines Materials. Sie stellt den Zusammenhang zwischen dem Wassergehalt des Materials und der relativen Luftfeuchtigkeit der Umgebungsluft (Gleichgewicht) bei einer bestimmten Temperatur dar.

Hygroskopische Feuchteaufnahme

In vielen Fällen wird der Feuchtegehalt eines Baustoffes wesentlich durch den Gehalt an hygroskopischen Salzen bestimmt. Bei der hygroskopischen Feuchtigkeitaufnahme handelt es sich um die Wasseraufnahme des Baustoffs aus der Umgebungsluft. Er nimmt dabei umso mehr Feuchtigkeit auf, je höher die relative Luftfeuchtigkeit ist und je höher der Versalzungsgrad des Baustoffs ist. Eine salzhaltige Mauer kann ein Vielfaches an Wasser aus der umgebenden Luft aufnehmen als es der sogenannten Gleichgewichtsfeuchtigkeit oder Sorptionsfeuchtigkeit des salzfreien Baustoffs entspricht.

Die hygroskopische Feuchteaufnahme bezeichnet die Aufnahme von Wasser aus der Gasphase der Luft durch ein hygroskopisches Salz.

Sorptionsisothermen

Die Sorptionsisotherme ist die graphische Darstellung des Sorptionsverhaltens eines Materials in Abhängigkeit von der relativen Luftfeuchte bei konstanter Temperatur.

In der Abbildung ist die Sorptionsisotherme einer Probe bei verschiedenen Temperaturen eingetragen. Diese Probe soll nun getrocknet werden.

Bei einem gewissen Wassergehalt ist die Probe vollständig mit Wasser gesättigt und kann kein Wasser mehr aufnehmen. Sie besitzt eine Gleichgewichtsfeuchte von 100% und selbst eine rF von 99% trocknet diese Probe. Sinkt der Wassergehalt, so ist das in der Probe verbleibende Wasser fester gebunden. Um die Probe weiter zu trocknen ist daher eine niedrigere rF erforderlich, z.B. von 50% RH. Nach der Abb. kann bei 50% RH die Probe aber nur bis 3,5g Wassergehalt trocknen. Eine weitere Wasserabgabe ist nur dann möglich, wenn die rF weiter sinkt oder die Temperatur erhöht wird. Bei 80°C wird die Probe nur noch 2g Wasser enthalten.

Die geschilderten Zusammenhänge gelten für die Desorption, die Abgabe von Wasser. Für die Wasseraufnahme (Absorption) gelten analoge Überlegungen. Hier muss die Isotherme in der Art gedeutet werden, bei welcher Luftfeuchte- bzw. Temperatur ist eine bestimmte Befeuchtung möglich. Absoptions- und Desorptionsisothermen haben den gleichen Verlauf. Die Desorptionsisotherme liegt jedoch oberhalb der Absorptionsisotherme. Dies liegt darin begründet, dass das in der Probe befindliche Wasser mit einer gewissen Energie gebunden ist. Diese wird frei, wenn das Wasser aufgenommen wird. Bei gleichem Wassergehalt wird daher leichter Wasser aufgenommen als abgegeben.

Wasseraufnahmekoeffizient

Ein Maß für die Geschwindigkeit der Wasseraufnahme eines Baustoffes ist der Wasseraufnahmekoeffizient w mit

$w={\frac {W[kg/m^{2}]}{{\sqrt {t}}[h^{0.5}]}}$

mit W = Wassermenge in [kg/m²], t = Zeit in [h]

Er gibt an wie viel kg Wasser pro Stunde von einem Quadratmeter Fläche durch kapillares Saugen aufgenommen wird.

Der Wasseraufnahmekoeffizient w ist ein Maß für die Geschwindigkeit der Wasseraufnahme eines Baustoffes.

Gängig ist folgende Einteilung des Wasseraufnahmekoeffizienten (Angaben in kg/(m2*h0,5)):

• saugend (w > 2)
• wasserhemmend (w < 2)
• wasserabweisend (w < 0,5)
• wasserundurchlässig (w < 0,001)

Die Wasseraufnahme kann mit den Prüfröhrchen nach KARSTEN oder nach MIROWSKI gemessen werden.

Literatur

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Wassergehalt, der sich in einem Material nach Lagerung bei konstanten Bedingungen ergibt (relative Luftfeuchte, Temperatur).

Beschreiben das Sorptionsverhalten eines Stoffes bei konstanter Temperatur.

relative humidity /relative Luftfeuchte