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Kapillarität
Allgemein
"Als Kapillarität bezeichnet man das Verhalten von Flüssigkeiten in Kapillaren, auch Haarröhrchen genannt. Beim senkrechten Eintauchen eines engen Glasröhrchens in eine benetzende Flüssigkeit steigt die Flüssigkeit in dem Kapillarrohr über den äußeren Flüssigkeitsstand empor, und zwar um so mehr, je enger die Röhre ist (Kapillaraszension). Handelt es sich jedoch um eine nicht benetzende Flüssigkeit, z.B. Quecksilber so wird der Flüssigkeitsspiegel im Innern der Kapillaren gesenkt (Kapillardepression). Die Kapillarität beruht auf den zwischenmolekularen Kräften der Adhäsion und der Kohäsion. Sind die Kohäsionskräfte zwischen den Molekülen der Flüssigkeit größer als die Adhäsionskräfte zwischen Flüssigkeit und Rohrwand, so tritt Kapillardepression ein; sind dagegen die Adhäsionskräfte größer als die Kohäsionskräfte, so kommt es zu einer Kapillaraszension.
Kapillare Steighöhe h bei
a)benetzender Flüssigkeit z.B. Wasser und
b)nicht benetzender Flüssigkeit (z.B. Quecksilber)
Benetzt die aufsteigende Flüssigkeit das Kapillarrohr vollständig d.h. der Randwinkel ist gleich Null, so lässt sich aus der Kapillaren Steighöhe die Oberflächenspannung der betreffenden Flüssigkeit berechnen:
Die von der Oberflächenspannung sigma; bewirkte Kraft 2 x π x r x σ x cos δ und das Gewicht der Flüssigkeitssäule π x r2 x h x γ x g halten sich bei einer bestimmten Höhe h das Gleichgewicht.
Es ist:
2 x σ x cos δ
h = --------------------
r x γ x g
(h in m, σ in N/m, r in m, γ in kg/m3 und g in m/s2)
Bei vollkommener Benetzung ist der Randwinkel δ = 0 (z.B. zwischen Glas und Wasser).
Beispiel: In einem sauberen Glasröhrchen (Kapillare) von 0,6 mm Durchmesser steigt Wasser (σ20 = 0,073 N / m) bis zu einer Höhe h von
2 x 0,073 N x l x m3 x s3
h = -------------------------------------- = 0,05 m,
0,0003 m x 1000 kg x 0,81 m
wobei cos σ =1 wegen s =0 ist."(1)
Kapillarität bei Baustoffen
Die Kapillarität bei Gebäuden bestimmt einerseits, wie schnell ein Bauteil wie viel Wasser aufnimmt, wenn es direkt mit Feuchtigkeit in Berührung kommt (Regen, Spritzwasserser in Küche und Bad, Bodenfeuchte, Kondenswasser); andererseits bestimmt sie die Austrocknungsgeschwindigkeit neuer oder renovierter Bauteile oder von Wänden, in denen durch Diffusion transportierter Wasserdampf zu Wasser auskondensiert.
Ein brauchbares Maß für die Kapillarität von Baustoffen ist der Wasseraufnahmekoeffizient (w). Er gibt an, wie viel Wasser gemessen in Kilogramm durch einen Quadratmeter benetzter Fläche in einer bestimmten Zeit - z.B. in einer Sekunde oder einer Stunde - in das völlig trockene Material eindringt. Für viele Baustoffe mit kleinem Wasseraufnahmekoeffizient, also nur gering ausgebildeter Kapillarität, ist eine besonders hohe "Wasseraufnahme" charakteristisch.
| Gut ausgebildetes Kapillarsystem mit Kapillaren unterschiedlichen Durchmessers: Groes Wasseraufnahmevermgen, groes Feuchteabgabevermgen z.B. Ziegel, Gips Geschlossenzellige Struktur mit wenigen Kapillaren zwischen den Zellen: Groes Wasseraufnahmevermgen, geringes Feuchteabgabevermgen, z.B Gasbeton Struktur mit kleinen, abgeschlossenen Poren und Kapillaren: Geringes Wasseraufnahmevermgen, geringes Feuchteabgabevermgen, z.B. Schwerbeton, Blhton-Beton |
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Materialien mit stark ausgeprägter Kapillarität transportieren pro Quadratmeter benetzter Fläche in der ersten Stunde leicht 20 Liter und mehr (je feuchter das Material wird, desto weniger Wasser nimmt es zusätzlich auf).
In Materialien mit stark ausgeprägter Kapillaer Kapillarität wird flüssiges Wasser beliebig weit transportiert, und zwar in einem Material jeweils von den feuchteren zu den trockeneren Regionen. In Bauteilen aus Schichten mit unterschiedlicher Kapillarstruktur wandert das Wasser immer in Richtung der Schicht mit den feineren Kapillaren (bzw. mit dem höheren Wasseraufnahmekoeffizienten); Schichten mit gröberen oder unvollkommeneren Kapillaren (bzw. kleineren Werten für w) werden geradezu trockengesaugt.
Kapillartransport von Wasser gegen den Wasserdampfdiffusionsstrom kommt oft vor, im Winter ist das sogar die Regel. Wenn in einem Baustoff mit ausgeprägter Kapillarität Wasserdampf auskondensiert, beginnt im selben Moment der Transport des Kondenswassers in Richtung der geringeren Materialfeuchte, also zur wärmeren Seite der Wand, wo das Kondenswasser wieder verdunsten kann. In solchen Schichten gibt es oft auch dann keine Kondenswasserdurchfeuchtung, wenn sie rechnerisch zu erwarten wäre.
Die Kapillarkräfte wirken beim senkrechten Transport auch gegen die Schwerkraft - theoretisch zwar nicht unbegrenzt, in der Praxis kann man die Schwerkraft aber vernachlässigen. Auf diese Weise bleiben in Altbauten auch Kellermauern ausreichend trocken, die nicht gegen Erdfeuchtigkeit abgesperrt wurden.
Man darf auf keinen Fall den Kapillartransport behindern. Im Keller durch eine dichtschließende innenliegenden Feuchtigkeitssperre oder im oberirdischen Mauerbereich, wenn man die Fassade im Sockelbereich zum Schutz gegen den Regen wasserhemmend, wasserabweisend (Hydrophobierung) oder sogar wasserdicht beschichtet. Vor der Beschichtung müssen dann zunächst Fundament und Kellermauern gegen eindringende Erdfeuchtigkeit abgesperrt werden.
Beim Austrocknen von baufrischen Wänden, Böden oder Decken wird die überschüssige Feuchtigkeit zunächst nur durch Kapillartransport an die Bauteiloberflächen befördert, wo sie verdunstet. Wenn nicht mehr alle Materialporen mit Wasser gefüllt sind, beginnen die Wasserfäden in den Kapillaren zu reißen, die Trocknung verlangsamt sich, und allmählich setzt die Dampfdiffusion ein, bis das Bauteil seine praktische Feuchte (siehe unter »Tabelle 1 in Feuchtigkeit) erreicht hat. Das ist der Feuchtegehalt, der in jedem Bauwerk immer als Rest erhalten bleibt. Je nach Bauteildicke, Anfangsfeuchte, Besonnung, Durchlüftung und anderen äußeren Einflüssen dauert das mehrere Monate bis mehrere Jahre.
Am längsten dauert es bei Materialien mit schwach ausgebildeter Kapillarität und einem hohen Sättigungswassergehalt. Am raschesten geht es bei Baustoffen mit hoher Kapillarität, wie etwa »Vollziegeln. Sie haben bei mittleren Rohdichten Wasseraufnahmekoeffizienten um 20-30 kg/(m2h 0,5) gegenüber Kalksandsteinen mit 10 und Gasbeton 4-8 und Kunstharzputz mit 1. Weitere Werte unter »Baustoffkatalog.
Die Kehrseite dieser wünschenswerten Eigenschaft ist, dass solche Ziegel auch chemisch aggressive Niederschläge schneller und weiter ins Bauteil transportieren als Materialien mit geringerer Kapillarität. Sehr viel besser als Vollziegel verhalten sich Lochziegel. Bei ihnen ist die beim Kapillartransport wirksame Fläche durch die Lochung verkleinert. Hochlochklinker oder HochlochVormauerziegel sind deshalb für Sichtfassaden besonders gut geeignet. Der beste Schutz von Bauteilen aus Materialien mit hoher Wasseraufnahmefähigkeit sind hinterlüftete Verkleidungen (Holz, Schiefer) oder Fassadenbepflanzungen.
Quelle:
Eichler, Friedrich; Arndt, Horst; Bautechnischer Wärme- und Feuchtigkeitsschutz 1989; Bauverlag
Kur, Friedrich; Wohngifte, Handbuch für gesundes Bauen und Einrichtungen, 3. Aufl. Verlag Eichborn, 1993, S. 545
5/2006
Autor: Peter Rauch