Christian Blatt, Wintersemester 2010/11
Der Wassergehalt von Fußbodenkonstruktionen und Bauteilen im Hochbau wird bestimmt um Schäden zu vermeiden. Nach dem zweiten Dekra-Bericht zu Baumängeln an Wohngebäuden von Januar, 2008[1] beziffert man die durchschnittlichen Mangelbeseitigungskosten von Bauschäden in Deutschland jährlich mit rund 1,4 Milliarden Euro. Nach dem 3. Bauschadensbericht vom Bundesministerium für Raumordnung, Bauwesen und Städtebau[2] liegt der prozentuale Anteil für „Fußböden" an der Gesamtheit aller Schäden bei Neubauten bei ca. 12%. Den Schadensschwerpunkt mit 60% an Fußbodenkonstruktionen (bedingt durch Feuchte und Längenänderungen) bilden Löcher, Unebenheiten, Risse und Blasenbildungen. 80% der Schäden an Estrichen treten im 1. Jahr auf. Diese Zahlen belegen die große technische und wirtschaftliche Bedeutung von mangelfreien Fußbodenkonstruktionen.
Die Belegreife eines Estrichs bestätigt seine Eignung für das Aufbringen eines bestimmten Oberbodens. Nach DIN 18356: Parkettarbeiten [3], DIN 18367: Holzpflasterarbeiten [4], DIN 18365: Bodenbelagsarbeiten [5] und DIN 18352: Fliesen- und Plattenarbeiten [6] sowie gemäß weiteren Merkblättern ([7] und [8]) muss die Belegreife des Estrichs insbesondere durch Prüfung des Wassergehalts festgestellt werden. Zur schnellen und verhältnismäßig zuverlässigen Bestimmung des Wassergehaltes auf der Baustelle wird das seit 1952 auf dem Markt erhältliche, gegenwärtig alternativlose, CM-Gerät eingesetzt. Verhältnismäßig deshalb, weil selbst bei gewissenhafter Ausführung, der Messwert ± 0,2 CM-Prozent von der Messung abweichen kann. [9] Weitere Problematiken bei diesem Gerät liegen insbesondere in der Anwendung des CM-Geräts, denn je nach Sorgfalt des Anwenders und der Auswahl der Entnahmestelle der Proben sind Abweichungen von ± 0,8 CM-Prozent möglich. [9]
Die Beurteilung der Belegreife eines Estrichs erfolgt in Merkblättern [10] und Herstellerempfehlungen nach dem Wassergehalt des Estrichs. Jedoch sind weitere chemische und physikalische Faktoren zu berücksichtigen. Darüber hinaus ist zu beachten, dass
Die Anforderungen an den maximalen Wassergehalt für den belegreifen Estrich ergeben sich gemäß dem Merkblatt Schnittstellenkoordination bei Flächenheizungen [7] sowie der gemeinsamen Erklärung des BEB und dem Merkblatt des BEB im Zentralverband des Deutschen Baugewerbes e.V., Berlin [11], in Abhängigkeit von der Art des Oberbodens für Calciumsulfatestriche, wie folgt:
Oberboden | unbeheizter Estrich | beheizter Estrich | |
---|---|---|---|
ObBo 1 | textile und elastische Beläge | 0,5 CM-% bzw. M-% | 0,3 CM-% bzw. M-% |
ObBo 2 | verklebtes Parkett, Massivdielen und Holzpflaster | 0,5 CM-% bzw. M-% | 0,3 CM-% bzw. M-% |
ObBo 3 | schwimmend verlegte Elemente wie Laminat, Parkett, Kork | 0,5 CM-% bzw. M-% | 0,3 CM-% bzw. M-% |
ObBo 4 | keramische Fliesen und Natur-/ Beton-steinwerke | 0,5 CM-% bzw. M-% | 0,3 CM-% bzw. M-% |
Tabelle 1: Anforderungen an den maximalen Wassergehalt im Estrich (CA bzw. CAF)
Trockene Luft besteht hauptsächlich aus den zwei Gasen Stickstoff und Sauerstoff. Daneben treten weitere Gase auf wie Argon, Kohlenstoffdioxid, Wasserstoff und andere Spuren von Gasen. Feuchte Luft enthält außer den zuvor erwähnten Gasen zusätzliche Anteile an Wasser in Gasform (Wasserdampf). Weiterhin sind in der Luft noch Staubpartikel und Abgase vorhanden. Im natürlichen Zustand ist die Luft unsichtbar, geruch- und geschmacklos.
Bestandteile | Symbol | Anteil Vol.-% | Anteil Gew-% | Masse [g/mol] | spez. Gaskonstante R [J/(kg∙K)] |
---|---|---|---|---|---|
Stickstoff | N2 | 78,084 | 75,490 | 28,0134 | 259,80 |
Sauerstoff | O2 | 20,942 | 23,170 | 31,9988 | 208,20 |
Argon | Ar | 0,934 | 1,290 | 39,9480 | 188,90 |
Kohlendioxid | CO2 | 0,034 | 0,040 | 44,0095 | |
weitere Edelgase u.a. | H2, Ne, He, Kr, Xe | 0,006 | 0,010 | ||
trockene Luft | 100 | 100 | 28,9636 | 287,05 | |
Wasserdampf | H2O | 0 bis 4 % | 18,0153 | 461,50 |
Tabelle 2: Die wesentlichen Anteile der Luft
Trockene Luft hat einen Anteil von 100% am Volumen und 100% am Gewichtsanteil nach Tabelle 1. Der Anteil an Wasserdampf wird hinzugerechnet. Deshalb spricht man auch von Gramm Wasserdampf pro Kilogramm trockener Luft oder von Gramm Wasserdampf pro Kubikmeter trockener Luft. Der Gesamtdruck, also der Luftdruck p oder Barometerdruck, ergibt sich nach dem Gesetz von Dalton als Summe der Partialdrücke, Teildrücke der trockenen Luft und des Wasserdampfs. Luft kann nur eine begrenzte Menge Wasserdampf aufnehmen, nämlich nur so viel, bis sie gesättigt ist. Diese Menge ist allerdings sehr stark von der Temperatur abhängig, wobei die Aufnahmefähigkeit mit der Temperatur zunimmt.
Wird einem Luftraum Wasserdampf zugeführt, so liegt naturgemäß keine trockene Luft mehr vor. Wird dieser Raum mit Wasserdampf übersättigt, wird dieser Überschuss nicht mehr in der Luft als Wasserdampf gelöst, sondern bildet feine Wassertropfen, die als Nebel oder Wolken erscheinen, oder es kommt zur Tauwasserbildung auf den raumbegrenzenden Flächen. Ist Wasserdampf in der Luft in geringerer Konzentration vorhanden, als bei der betreffenden Temperatur gespeichert werden kann, so spricht man von ungesättigter Luft. Das Verhältnis von ungesättigter Luft zu gesättigter Luft bei einer bestimmten Temperatur wird als relative Luftfeuchte \varphi bezeichnet. Weiterhin wird die relative Luftfeuchte als das Verhältnis aus Wasserdampfpartialdruck p und Wasserdampfsättigungsdruck p_s bzw. als Verhältnis der vorhandenen Wasserdampfkonzentration c im Verhältnis zur Wasserdampfsättigungskonzentration c_s bei einer bestimmten Temperatur in Prozent oder als dimensionslose Zahl angegeben.
\varphi = \frac{p}{p_s} = \frac{c}{c_s} (1)
\varphi: relative Luftfeuchte [−]
p: Wasserdampfpartialdruck [Pa]
p_s: Wasserdampfsättigungsdruck [Pa]
c: Wasserdampfkonzentration oder absolute Luftfeuchte [g/m^3]
c_s: Wasserdampfsättigungskonzentration [g/m^3]
Der Wasserdampfsättigungsdruck p_s wird nach folgenden Gleichungen berechnet:
Temperaturen 0 °C ≤ θ ≤ 30 °C:
p_s = 288,68 * (1,098 + \frac{\Theta}{100})^{8,02} (2)
Temperaturen -20 °C ≤ θ < 0 °C:
p_s = 4,689 * (1,486 + \frac{\Theta}{100})^{12,30} (3)
p_s: Wasserdampfsättigungsdruck [Pa]
\Theta: Temperatur [°C]
So ergibt sich der Wasserdampfpartialdruck [Pa] auch als p = p_s * \varphi (4)
Aus der Grafik wird deutlich, dass die Aufnahmefähigkeit der Luft für Wasserdampf mit steigender Temperatur überproportional zunimmt, wie sich auch aus den Gleichungen (2) und (3) ergibt. Der Zusammenhang zwischen der Wasserdampfsättigungskonzentration und dem Wasserdampfsättigungsdruck ergibt sich wie folgt:
c_s = \frac{p_s}{R_D * T} (5)
c_s: Wasserdampfsättigungskonzentration [g/m^3]
p_s: Wasserdampfsättigungsdruck [Pa] (1 Pa = 1 kg * m - 1 * s - 2)
R_D: spezifische Gaskonstante für Wasserdampf 461,5 [J kg^{-1} * K^{-1}] (1 J = 1 kg * m^2 * s^{-2})
T: thermodynamische Temperatur (T = \theta + 273,15) [K]
Die Wasserdampfkonzentration [\frac{g}{m^3}] ergibt sich gemäß Gleichung (1) zu c = c_s * \varphi (6)
Die in einem Baustoff enthaltene Menge an Wasser bzw. Feuchte wird als Wassergehalt bezeichnet. Dieser Wassergehalt wird als massenbezogener Wassergehalt u_m oder auch als volumenbezogener Wassergehalt u_v des Baustoffs angegeben.
Der massenbezogene Wassergehalt u_m eines Stoffes ist das Verhältnis der Masse des enthaltenen Wassers in dem Baustoff zu der Masse des trockenen Baustoffes.
u_m = \frac{m_w}{m_t} * \text{100%} = \frac{m_f - m_t}{m_t} * \text{100%} (7)
u_m: massenbezogener Wassergehalt in [M- \text%]
m_w: Masse des enthaltenen Wassers [g]
m_f: Masse des feuchten Baustoffes [g]
m_t: Masse des trockenen Baustoffes [g]
Der volumenbezogene Wassergehalt u_v eines Stoffes ist das Verhältnis des Volumens des enthaltenen Wassers in dem Baustoff zu dem Volumen des trockenen Baustoffes.
u_v = \frac{V_w}{V_t} * \text{100%} (8)
u_v: volumenbezogener Wassergehalt in [V - \text%]
V_w: Volumen des enthaltenen Wassers [g]
V_t: Volumen des trockenen Baustoffes [g]
Über die Rohdichte des trockenen Baustoffs \rho_t und die Dichte des Wassers \rho_w kann von dem massenbezogenen Wassergehalt u_m und volumenbezogenen Wassergehalt u_v und umgekehrt umgerechnet werden.
u_v = u_m * \frac{\rho_t}{\rho_w} * \text{100%} = \frac{m_w}{m_t} * \frac{\rho_t}{\rho_w} * \text{100%} = \frac{m_w}{m_t} * \frac{m_t / V_t}{m_w / V_w} * \text{100%} (9)
Die möglichen Wassergehalte in einem feinporigen, mineralischen Baustoff von absoluter Trockenheit bis zur völligen Porenfüllung mit Wasser sind in dem folgenden Diagramm schematisch dargestellt. Abgebildet ist die Adsorptions-Richtung, also die Anreicherung des Wassers an der inneren Oberfläche eines Baustoffes. Man kann danach drei Wassergehaltsbereiche unterscheiden: [12]
Der erste Bereich ist der hygroskopische Bereich. Die relative Luftfeuchte der umgebenden Luft bestimmt den Wassergehalt des Baustoffs. Die Temperaturabhängigkeit kann für Belange des Bauwesens außer Betracht bleiben. In diesem Bereich mit niedriger Feuchte im Baustoff finden die Diffusionsvorgänge sowie der Feuchtetransport mit den Adsorptionsvorgängen der Wasserspeicherung statt. Die obere Grenze des hygroskopischen Wassergehaltsbereichs liegt bei 95%. Es sind alle Mikroporen mit Wasser gefüllt und ein Massetransport durch Dampfdiffusion in den Poren ist nur noch mit Temperaturgefälle möglich.
Der zweite Bereich höherer Feuchte ist der Bereich der Kapillarkondensation. Hier wird der Wassertransport durch die Strömung in ungesättigten Poren bestimmt. Die Oberflächenspannung des Wassers und der dadurch bedingte Kapillardruck des Wassers wirkt sich hier entscheidend aus. Die Wasserspeicherung wird durch Füllung von Porenbereichen, beginnend bei den kleinsten Porenweiten und ansteigend zu immer größeren Porenweiten, infolge Kapillarkondensation vollzogen.
In dem überhygroskopischen Bereich ist die Gleichgewichtsfeuchte der relativen Luftfeuchte größer 95%. Es wird unterteilt in Kapillarwasserbereich, der bis zur freien Wasseraufnahme u_f reicht und dem Übersättigungsbereich, der sich von u_f bis u_{max} verlängert.
Im Übersättigungsbereich hat die relative Luftfeuchte den Wert 1, die Menisken sind entspannt und ein echter Gleichgewichtszustand zwischen Luftfeuchte- und Wassergehalt existiert nicht mehr.
Die folgenden Werte charakterisieren den Feuchtezustand eines porösen Baustoffes:
Gleichgewichtsfeuchte u_\rho: Die Gleichgewichtsfeuchte liegt im Sorptionsfeuchtebereich in Abbildung 3 vor. Die Gleichgewichtsfeuchte eines hygroskopischen Baustoffs ist dann erreicht, wenn die relative Luftfeuchte im Baustoff und die relative Luftfeuchte der Umgebung übereinstimmen. In bewohnten Räumen liegt die relative Luftfeuchte im Jahresmittel bei ca. 50%. Dies entspricht einem Wassergehalt der Baustoffe in bewohnten Räumen von u_{50}.
Freier Wassergehalt u_f: Der freie Wassergehalt stellt sich ein, wenn ein Stoff unterdrucklos in Wasser einige Zeit gelagert wird. Grobporige Stoffe durchfeuchten schnell und vollständig (u_f = u_{max}). Dagegen stellt sich bei feinporigen Baustoffen zunächst nur eine Teilbefeuchtung in den Poren ein (u_f), da die vorhandene Luft ein weiteres Eindringen von Wasser zunächst verhindert. Die eingeschlossene Luft muss sich erst im Porenwasser lösen, damit sie über die Poren entweichen kann. Dieser Vorgang kann mehrere Jahre dauern. Bei Holz entspricht u_f dem Fasersättigungspunkt (24 - 32\quad M-\text%) und ist erreicht, wenn kein freies Wasser mehr in den Poren vorhanden ist, sondern nur noch gebundenes Wasser in den Zellwänden vorliegt.
Maximaler Wassergehalt u_{max}: Der maximale Wassergehalt oder Sättigungsfeuchte ist dann erreicht, wenn alle Poren bzw. alle zugänglichen Hohlräume eines Baustoffs mit Wasser gefüllt sind.
Kritischer Wassergehalt u_{kr}: Der kritische Wassergehalt ist dann erreicht, wenn ein Baustoff über die Oberfläche austrocknet und der Wassergehalt in der Nähe der Oberfläche so stark abnimmt, dass der kapillare Wassertransport abgebrochen ist und die weitere Austrocknung nur noch über Diffusion erfolgt. Die relative Luftfeuchte an der Körperoberfläche von 100% nimmt so stark und schnell ab, dass die erforderliche Menge an Wasser aus dem Baustoff über die Kapillaren nicht mehr nachgeführt werden kann und nur noch über Diffusion erfolgt. Der Wechsel der Transportarten erfolgt über den sogenannten Knickpunkt, siehe Abbildung 4. Wenn der Wechsel erreicht wird, nimmt die Austrocknungsgeschwindigkeit erheblich ab. Man kann auch sagen, dass bei steigendem Wassergehalt der kritische Wassergehalt dann erreicht wird, wenn der kapillare Wassertransport den maßgeblichen Transportmechanismus darstellt.
Die Sorptionskurve/Sorptionsisotherme: Eine Sorptionskurve oder Sorptionsisotherme beschreibt den Gleichgewichtszustand zwischen der relativen Luftfeuchte der Umgebungsluft und dem Wassergehalt in einem Stoff bei einer bestimmten Temperatur. Es gibt zwei Möglichkeiten, eine Sorptionskurve zu bestimmen: Als Adsorptionskurve und als Desorptionskurve. Die Adsorptionskurve wird an einer Reihe steigender Luftfeuchten im Gleichgewichtszustand und die Desorptionskurve an einer Reihe fallender Luftfeuchten im Gleichgewichtszustand ermittelt.
In Abbildung 5 ist der Vorgang der Adsorption und Desorption schematisch darge-stellt. In der oberen Zeile ist der Wasseranteil in der Pore zu sehen und im unteren Bereich ist der Verlauf der Sorptionsisotherme dargestellt. In der Darstellung ist zwischen Adsorption und Desorption eine Verschiebung zu sehen, die man Hysterese nennt. Die Hysterese ist bei den meisten Baustoffen so wenig ausgeprägt, dass zur Charakterisierung der Feuchtespeicherung eines Baustoffes die Desorptionsisotherme oder die Adsorptionsisotherme ausreicht. In den Teilbildern A bis C findet die Wasseraufnahme statt, dies entspricht der Adsorptionsphase. Wassermoleküle lagern sich im trockenen Baustoff an der Porenwand an. Mit zunehmendem Wassergehalt nimmt die Dicke der adsorbierten Schicht in den Poren zu. Ein Wassertransport findet nur über Diffusion in der Porenluft statt. In den Teilbildern D bis E wird die Kapillarkondensationsphase dargestellt. Der Wassertransport kann über die Kapillare erfolgen. In den Teilbildern F bis G wird die Wasserabgabe, d. h. die Desorptionsphase, dargestellt.
Feuchte- oder Wassertransportvorgänge finden in Poren statt. In der Zementchemie unterscheidet man zwischen Verdichtungsporen, Luftporen, Kapillarporen und Gelporen.
Die Transportvorgänge eines zunehmenden Wassergehalts in einem porösen Baustoff werden in sechs Stadien schematisch dargestellt. Abbildung A bis C entsprechen in etwa dem hygroskopischen Bereich und Abbildung D bis F dem überhygroskopischen Bereich.
Stadium A: In diesem Stadium wird in einem sehr trockenen Baustoff der gesamte in die Poren eindringende Wasserdampf an den Wänden absorbiert. Es wird nur Wasserdampf gespeichert, ein Wasserdampftransport findet noch nicht statt.
Stadium B: In Stadium B sind die Porenwände mit einer oder mehreren Molekülschichten belegt. Wassermoleküle können infolge von Diffusion durch die Poren hindurchtransportiert werden. Die Dicke des absorbierten Wasserfilms steht im Gleichgewicht zur relativen Luftfeuchte der Porenluft.
Stadium C: Die Verbindungskanäle in Stadium C sind aufgrund der Kapillarkondensation bereits mit flüssigem Wasser gefüllt. Die Porenwände sind mit einer oder mehreren Molekülschichten belegt, währenddessen die Pore noch Luft enthält. In den Poren erfolgt wie zuvor der Wassertransport über Diffusion. In den Engpässen erfolgt der Wassertransport in flüssiger Form, d.h. Diffusion von Wasser in Wasser.
Stadium D: In diesem Stadium nimmt der Flüssigwassertransport in den Poren infolge der dicker werdenden adsorbierten Schicht weiter zu. Die Leistungsfähigkeit für den Wassertransport im Vergleich zur Wasserdampfdiffusion wird deutlich gesteigert.
Stadium E: In Stadium E ist in der Pore bereits so viel Wasser enthalten, dass eine wirksame Strömung in der ungesättigten Pore entstehen kann. In der Pore ist zwar noch eine Luftblase eingeschlossen, doch kann diese als im Wasser frei schwimmend charakterisiert werden.
Stadium F: In diesem letzten Stadium F ist die Pore vollständig mit Wasser gefüllt. Es entsteht eine Strömung, die sich aber aufgrund der unregelmäßigen Porenform infolge Querströmungen verändert.
Der Wassertransport eines Baustoffs beim Austrocknen führt über die Poren zur Oberfläche des Baustoffs. An der Oberfläche haftet dann eine wenige Millimeter dicke, mehr oder weniger ruhende, Luftschicht an. Diese Luftschicht, dargestellt in Abbildung 8, wird als Grenzschicht bezeichnet. Der Feuchtetransport durch die Grenzschicht erfolgt über Wasserdampfdiffusion. Die Grenzschicht als ruhende Luftschicht reichert sich mit Wasserdampf aus dem Baustoff an. Je geringer die Wasserdampfpartialdruckdifferenzen zwischen Baustoff pv_{Stoff} und der ruhenden Luftschicht pv_{Luft} sind, desto weniger kann der Baustoff austrocknen. Deshalb ist eine Vermischung der Grenzschicht mit der trockenen Umgebungsluft durch Konvektion für die Austrocknung des Baustoffs förderlich.
Die verdampfende Wasserdampfmenge kann über die Wasserdampf-Diffusionsstromdichte berechnet werden. Die Wasserdampf-Diffusionsstromdichte g gibt an, welche Wasserdampfmenge durch eine zur Richtung des Wasserdampf-Diffusionsstromes senkrechte Bauteilfläche stündlich transportiert wird. Der Wasserdampfdiffusionsstrom stellt sich entlang eines Wasserdampfpartialdruckgefälles ein. Hierbei diffundiert Wasserdampf vom höheren zum niedrigeren Wasserdampfpartialdruck.
g = \beta_p * \Delta p (10)
g: Wasserdampf-Diffusionsstromdichte [kg * m^{-2} * h^{-1}]
\beta_p: Wasserdampfübergangskoeffizient [kg * m^{-2} * h^{-1}* Pa^{-1}]
\Delta p: Wasserdampfdruckdifferenz [Pa]
Die nach Merkblättern von Verbänden [8] [11] [13] [14] [7] und Herstellern geforderte Baustellenprüfung zur Feuchtemessung ist die CM-Methode. Die wissenschaftlich exakte Messung wird im Labor durch Bestimmung des Wassergehaltes durch Trocknen bei erhöhter Temperatur [15] (Darrprobe, gravimetrische Methode) durchgeführt. Beide Methoden haben ihre Vor- und Nachteile, die nachfolgend aufgeführt werden.
Aufgrund von CO_2-Einsparungen veränderten sich die Zusammensetzungen bei Zementen. Weiterhin ist das Verlangen nach schnelleren Bauzeiten immer häufiger. Dafür werden oft Zusatzmittel mit dem Wunsch zur beschleunigten Austrocknung verwendet. Die Variationen und die Vielfalt der Estrichzusammensetzungen nehmen immer mehr zu. Durch diese Veränderungen sind die Grenzwerte der CM-Methode nur noch bedingt verwendbar. Demgegenüber ist die Bestimmung des Feuchtegehalts durch Trocknen bei erhöhter Temperatur (Darrprobe) nicht auf der Baustelle durchführbar und zeitaufwendiger.
Es hat sich im Laufe der letzten Jahre gezeigt, dass sich ein Aufspüren der feuchtesten Stelle einer Estrichfläche mit dem kapazitiven Messverfahren als äußerst sinnvoll ist. Um eine qualifizierte Baustellenprüfung zur Feuchtemessung nach jetzigen Erkenntnissen durchzuführen, ist unumgänglich, wegen der zuvor beschriebenen Problematiken, eine Kombination aus CM-Messung und hygrischen Messungen vor Ort durchzuführen.
Nach dem WTA Sachstandsbericht [16] wird zwischen zwei Messmethoden zur Ermittlung der Feuchte in Baustoffen unterschieden: Die direkte Methode gibt ohne weitere Eichmessung den Wassergehalt u des Baustoffs quantitativ an. Hierzu zählen die Darrmethode und die CM-Messung. Zu den indirekten Messmethoden gehört das hygrometrische Verfahren und der Folientest. Weiterhin gibt es noch Messverfahren, die eine physikalische Eigenschaft des Baustoffs qualitativ angeben, mit der auf den Feuchtegehalt geschlossen wird. Diese werden im WTA Sachstandsbericht [16] ausführlich beschrieben.
Bei der Darrmethode wird der Quotient aus der Masse des verdampfbaren Wassers und der Masse des trockenen Baustoffes in Prozent nach DIN EN ISO 12570 [15] bestimmt:
u_m = (\frac{m_{H_2O}}{m_{trocken}} * 100) (11)
u_m: massenbezogener Wassergehalt in [M-\text%]
m_{H_2O}: m_{feucht} - m_{trocken} = Menge des in der Probe vorhandenen physikalischen gebundenen Wassers und des Anteils an freiem Wasser [g]
m_{trocken}: Masse der getrockneten Probe [g]
Jeweilige Einwaage ohne Verpackung:
u_m = (\frac{m_{feucht} - m _{trocken}}{m_{trocken}} * 100) (12)
m_{feucht}: Masse der feuchten Probe [g]
Jeweilige Einwaage mit Verpackung:
u_m = (\frac{(m_{feucht} + m_{VP_{feucht}}) - (m_{trocken} + m_{VP_{trocken}})} {(m_{trocken} + m_{VP_{trocken}}) - m_{VP_{trocken}}} * 100) (13)
m_{VP_{trocken}}: Masse des trockenen Verpackungsmaterials [g] (vorher gewogen)
m_{feucht} + m_{VP_{feucht}}: Masse der feuchten Probe einschließlich der Verpackung [g]
m_{trocken} + m_{VP_{trocken}}: Masse der getrockneten Probe einschließlich der Verpackung [g]
Für die Messung werden vor Ort ca. 100 – 200 g Prüfgut aus dem Estrich entnommen und umgehend in einem dicht schließenden, dampfdichten Behälter oder in einem dicht schließenden PE-Beutel mit geringem Luftinhalt dicht verpackt. Es ist von Vorteil, wenn das Gewicht des Behälters vorher festgestellt wurde, so kann nach der obigen Formel die Massenkonstanz leicht berechnet werden. Je nach Baustoff werden die Proben mit dem geöffneten Behälter oder Beutel bei 105 °C und bei gipshaltigen Baustoffen wie Calciumsulfatestrich bei 40 °C bis zur Massenkonstanz getrocknet. Die Massenkonstanz ist erreicht, wenn zwei Wägungen mit einem Abstand von mindestens 24 Stunden auseinanderliegen und die Massendifferenz dieser beiden Wägungen < 0,1% beträgt. Die Wägungen können jeweils erfolgen, sobald die Proben im Exsikkator abgekühlt wurden.
Die CM-Methode erfolgt durch eine Reaktion von Calciumcarbid (oder auch Calciumacetylid) (CaC_2) mit Wasser (H_2O) CaC_2 + 2H_2O \Rightarrow Ca(OH)_2 + C_2H_2. Aus der Reaktion entstehen Calciumhydroxid ((CaOH)_2) und das Gas Acetylen (C_2H_2). Das gasförmige Reaktionsprodukt Acetylen baut proportional zur umgesetzten Menge an ausgetriebenem Wasser des Baustoffs in einer Stahlflasche einen Druck auf. Der entsprechende Druck lässt sich an einem Manometer ablesen, an einer Umrechnungstabelle lässt sich der CM-Wert feststellen.
Das Prüfgut wird wie zuvor beschrieben aus dem Estrich entnommen, gewogen und unmittelbar in einen PE-Beutel gefüllt. Anschließend wird das Prüfgut mit dem Beutel in einer Stahlschale und einem Hammer fein zerkleinert. Calciumsulfatestriche werden mit 100 g und Zementestriche mit 20 g oder 50 g eingewogen. Die einzubringende Menge hängt von der Art des Estrichs ab und von seiner zu erwartenden Feuchte. Das eingewogene Prüfgut wird mit einem Trichter in die Stahlflasche mit den vier vorgesehenen Kugeln und der Carbidampulle gefüllt. Nach dem Verschließen des Gerätes wird kurz geschüttelt, bis das Manometer ansteigt. Danach muss man in kreisenden Bewegungen entsprechend der Arbeitsanweisung CM-Messung [8] weiter schütteln. Nach der vorgegebenen Zeit von zehn Minuten und zehn Sekunden wird der entsprechende CM-Wert abgelesen. Beim Entleeren des Geräts muss das Prüfgut komplett fein zerkleinert sein.
Entsprechend Untersuchungen von Schnell[17] kann bei Zementestrichen der Wassergehalt der CM-Messung (in CM-%) in den eigentlichen Wassergehalt (in Masse-%) umgerechnet werden:
Feuchtegehalt CM-% + 1,5 % = Wassergehalt M-% (gemäß Darrmethode) (14)
Die Genauigkeit des Messergebnisses hängt sehr stark von der Durchführung und dem gut gewarteten CM-Gerät ab (Dichtigkeitsprüfung). Nähere Einzelheiten sind ausführlich im WTA Sachstandsbericht erläutert. [16]
Abbildung 10: CM-Gerät |
Bei der hygrometrischen Feuchtigkeitsmessung wird im Estrich ein Loch mit einem Durchmesser von 10 mm gebohrt. Die Tiefe des Loches sollte bis in das untere Drittel des Estrichs gebohrt werden. Die Tiefe der Bohrung entscheidet, welcher Bereich des Baustoffs gemessen werden soll (Abbildung 13). In das Bohrloch wird dann das Hygrometer, welches speziell für diese Anwendung konzipiert wurde, eingeführt. Die Randbereiche zwischen Messgerät und obere Bohrlochkante kann mit Knete abgedichtet werden. Der Sensor vom Messgerät ist an einem Datenlogger angeschlossen, der im Messgerät eingebaut ist und die Luftfeuchte und Temperatur aufzeichnet. Physikalisch gesehen wird der Gleichgewichtszustand des Wassergehalts im Bohrloch von der umgebenen Luft innerhalb der Poren des Baustoffs bestimmt. Bei diesem Messgerät, welches speziell für die hygrometrische Feuchtigkeitsmessung im Bohrloch konzipiert wurde, gibt es zwei Möglichkeiten der Datenanzeige: Die erste Möglichkeit ist die Werte direkt am Laptop oder am PDA anzeigen zu lassen (Abbildung 11). Die zweite Möglichkeit besteht darin die Werte, die im Datenlogger, welches im Messgerät eingebaut sind, später im Büro am PC auszulesen und zu verwerten (Abbildung 12, Abbildung 14).
Anhaltswerte für die Belegreife sind analog zu der CM-Messung wie folgt zu sehen: [18] [19]
≤ 0,5 Masse-% -> ≤ 75 % relative Luftfeuchte im Estrich ≤ 0,3 Masse-% -> ≤ 60 % relative Luftfeuchte im Estrich
Abbildung 11: Messgerät mit Laptop | Abbildung 12: Messgerät | Abbildung 13: Schematische Darstellung der hygrometrischen Feuchtemessung | Abbildung 14: Messprotokoll |
Der Folientest kann z.B. bei einer hoch temperierten Fußbodenheizung angewendet werden. Der Test sagt eigentlich nur aus, ob der Wassergehalt im Estrich noch sehr hoch oder hoch ist. Es wird eine dampfdichte, z. B. 0,2 mm dicke PE-Folie von 1 m x 1 m auf den Estrich gelegt und ringsum mit Klebeband verklebt. Bildet sich nach 24 Stunden Tauwasser an der Unterseite der Folie, dann ist der Estrich noch weit von der Belegreife entfernt.
Abbildung 15: Folientest |
Die kapazitive Messung oder das dielektrische Verfahren beruht auf dem Messprinzip des elektrischen Feldes. Die Permittivität \epsilon (lat.: permittere = erlauben, durchlassen), auch dielektrische Leitfähigkeit, gibt die Durchlässigkeit eines Materials für elektrische Felder an.
Von Kuchling ist folgende Formel für die Permittivität und die folgenden Permittivitätszahlen: [20]
\epsilon = \epsilon_0 * \epsilon_r (15)
\epsilon: Permittivität (Dielektrizitätskonstante)
\epsilon_0: elektrische Feldkonstante = 8,854 * 10^{-12} [\frac{C}{V * m}]
\epsilon_r: Permittivitätszahl (relative Dielektrizitätskonstante)
Permittivitätszahlen sind geeignete Größen zur Feuchtemessung. Für trockene Baustoffe gelten Werte \epsilon = 3 ... 7, z. B. Glas = 3 ... 15; Holz = 3,5 ... 5; Gips = 2,65 und für feuchte Baustoffe ist das Wasser maßgeblich mit \epsilon = 81.
Das Messfeld bildet sich zwischen dem aktiven Teil der Kugel des Messgerätes und dem Estrich. Die Veränderung des elektrischen Feldes durch Material und Feuchte wird erfasst und auf dem Messgerät angezeigt.
Zu berücksichtigen ist, dass bei der Messung das Messgerät stark von der Rohdichte des Baustoffs abhängt. Je höher die Rohdichte, desto geringer ist die Mess-tiefe, z. B. in Beton nur 2 cm – 3 cm tief. Weiterhin ist zu berücksichtigen, dass bei Stahlbeton der Armierungsstahl das Ergebnis verfälschen kann.
Abbildung 16: Gerät zur kapazitiven Messung |
Holzfeuchte wird gemessen über den Widerstand zwischen zwei Elektroden.
Abbildung 17: Holzfeuchte Bestimmung |
Funktionsweise der Zerstörungsfreie Holzfeuchtemessung: Das Messgerät wird auf dem zu prüfenden Objekt angedrückt und es erfolgt eine Veränderung des Messfeldes. Diese Veränderung wird vom Prozessor verarbeitet und ausgewertet. An der LCD-Anzeige erfolgt die Darstellung des Feuchtegehaltes in Prozent.
Bei der elektronischen Feuchtemessung handelt es sich um die Kapazitätsmessung eines Kondensators. Die Kapazität eines Kondensators hängt davon ab, welches Material sich zwischen den Kondensatorplatten befindet (Dielektrikum). Die Dielektrizitätskonstante gibt an wie stark das Dielektrikum den Kondensator beeinflusst. Für einen Kondensator im Vakuum gilt die Dielektrizitätskonstante 1,0. Für Wasser beträgt die Konstante 82.
Das Messgerät besteht aus einem Polymer-Kunststoff, der auf zwei Seiten mit einer Metallschicht bedampft ist. Zwischen dem Wassergehalt des Kunststoffes und der relativen Feuchte der umgebenden Luft stellt sich ein Gleichgewicht ein, so dass die Kapazität proportional zur relativen Feuchte ist. Die Genauigkeit des Verfahrens liegt bei 1% bis 5%, wobei große Unterschiede zwischen einzelnen Messgeräten aufgrund unterschiedlicher Kalibrierung auftreten können.
Das Mikrowellen-Feuchteverfahren beruht auf dem dielektrischen Messverfahren (siehe Kapitel 4.6) und gehört zur zerstörungsfreien Messmethode.
Dielektrische Messverfahren eignen sich besonders gut zum Untersuchen von Feuchteschäden. Denn das Verfahren macht sich die dielektrischen Eigenschaften des Wassers zu nutze. So beschreibt Göllner: „Wasser ist ein polares Molekül, d.h. die Ladungsschwerpunkte fallen innerhalb des Moleküls örtlich nicht zusammen. Deswegen richtet sich das Wassermolekül in einem von außen angelegten Feld in einer Vorzugsrichtung aus, es ist polarisierbar. Wird ein elektromagnetisches Wechselfeld angelegt, dann beginnen die Moleküle mit der Frequenz des Feldes zu rotieren (Orientierungspolarisation). Dieser Effekt wird makroskopisch durch die physikalische Größe Dielektrizitätskonstante \epsilon gekennzeichnet.
Der dielektrische Effekt ist bei Wasser so stark ausgeprägt, dass die relative Dielektrizitätskonstante von Wasser etwa 80 beträgt. Die relative Dielektrizitätskonstante der meisten Feststoffe, darunter auch der Baustoffe, ist wesentlich kleiner, sie liegt im Bereich 2 ... 10 und vorzugsweise zwischen 3 und 6. Gemessen wird daher der Unterschied zwischen der Dielektrizitätskonstante von Wasser und der Dielektrizitätskonstante der Baustoffe. Wegen des großen Unterschiedes zwischen diesen Werten lassen sich auch kleine Wassermengen schon gut detektieren.“ [20]
Mikrowellen sind elektromagnetische Wellen im Frequenzbereich von 300 MHz bis 30 GHz. Messsensoren arbeiten vorwiegend in Frequenzbereichen von 433 MHz bzw. 2,4 GHz. Grundsätzlich nutzt das Mikrowellenmessverfahren die Dielektrizitätskonstante des Wassers aus, um den Messwert zu bestimmen.
Die Sonde sendet in das zu messende Material ein Mikrowellensignal aus, das dessen Wassermoleküle zum Schwingen anregt. Die Unterschiede zwischen aus-gesandten und empfangenen Wellen werden gemessen. Durch Reflexion, Brechung und Streuung der hochfrequenten Wellen an den Grenzschichten des Dielektrikums und durch Absorption im Inneren des Untersuchungsmaterials ergeben sich Veränderungen von Amplitude und Phase. Diese empfangenden Wellen können dann entsprechend über integrierte Eichkurven ausgewertet werden und mittels Messraster visualisiert werden.
Ein großer Vorteil beim Mikrowellen-Messverfahren ist die große Eindringtiefe von bis zu 30 cm je nach System und zu prüfende Material. Weiterhin können Sofortaussagen am Bauwerk mittels Messfelder am PC dargestellt werden und es ist nahezu unabhängig vom Salzgehalt im Baustoff. Nachteile ergeben sich aus der relativ glatten geforderten Oberflächenbeschaffenheit. Das System ist baustoffabhängig in Bezug auf Dichte und Temperatur. Metalle und Hohlräume verfälschen die Ergebnisse. Der gemessene Feuchtegehalt ist ein gemittelter Feuchtegehalt über die gesamte Baustoffdicke und somit erhält man keine Informationen über die Feuchteverteilung im Material.