01. Januar 2016

Angst vor Wasser

Sanierung_Engel-4 Ausbau und Fassade - Angst vor Wasser

Für die Qualität einer hydrophobierenden Imprägnierung ist vor allem die Sorgfalt bei der Ausführung entscheidend.

Die wasserabweisende Ausrüstung von Fassadenoberflächen durch Behandlung mit entsprechenden Imprägnierungen ist kein ­neues Thema. Seit Jahrzehnten werden Imprägniermittel auf unterschiedlicher Wirkstoffbasis dazu verwendet, mineralische Baustoffe — ­möglichst ohne ihre optische Erscheinung zu verändern — wasserabweisend auszu­rüsten. Die Praxis zeigt, dass in vielen Fällen die Diskussionen um Indikationen und Gegenindikationen einer hydrophobierenden Imprägnierung ­immer wieder aufs Neue geführt ­werden müssen.

Warum wasserabweisend ausrüsten?
Nahezu alle Mechanismen, die zu Bauschäden führen, stehen in einem ­direkten oder indirekten Zusammenhang mit Feuchtigkeit. Viele dieser Schadens­prozesse können durch eine Reduktion der Feuchteaufnahme der Baustoffe verlangsamt oder sogar unterbunden ­werden. Einige Beispiele:
• Mit veränderten Feuchtegehalten verändern sich bauphysikalische Eigenschaften. Besonders betroffen ist die Wärmeleitfähigkeit. Da Wasser eine gute Wärmeleitfähigkeit hat, bedeutet die Reduzierung des Feuchtegehaltes ­eines Baustoffes immer eine Verbesserung seiner Wärmedämmeigenschaften. Somit kann die wasserabwei­sende Ausrüstung einer beispielsweise einschaligen Ziegelfassade zu einer ­Erhöhung der innenseitigen Oberflächentempe­ratur führen, die die ­Gefahr einer Schimmelpilzbildung reduziert.
• Manche Baustoffe reagieren auf Feuchtigkeitsschwankungen mit ­Ausdehnungs- beziehungsweise Schrumpfungsprozessen, dem sogenannten ­»hygrischen Quellen und Schwinden«. Typisches Beispiel hierfür sind tonmineralhaltige Natursteine. Teile der Ton­mineralien, die sogenannten Schicht­silikate, lagern ­zwischen ihren Schichten Wasser­moleküle ein beziehungsweise geben sie bei trockenen Witterungs­bedingungen wieder ab, was zum Quellen und Schwinden der entsprechenden Steine führt. Diese Eigenschaft findet sich nicht nur bei ton­mineralhaltigen Natursteinen, sondern kann auch bei historischen, schwach gebrannten Ziegeln auftreten.
• Kaum Beachtung findet die Eigenschaft vieler Baustoffe, auf erhöhte Feuchtegehalte mit einem Verlust an Festigkeit zu reagieren.

Möglichkeiten des Feuchteschutzes
Die in Zusammenhang mit Feuchtigkeit stehenden Schadensprozesse sind sehr vielfältig und nicht auf alle Schadensmechanismen ist das Fordern einer Wasserabweisung die richtige Antwort. Wenn aber ein feuchtebedingter ­Schadensmechanismus feststeht und die ­Reduktion der kapillaren Wasserauf­nahme des Baustoffs eine ­­Lösung des Problems darstellt, muss über die Möglichkeiten des Feuchteschutzes nachgedacht werden. Bei solchen Überlegungen sollte zuerst die Möglichkeit eines konstruktiven Feuchteschutzes geprüft werden. Wenn möglich und bezüglich Aufwand, Optik und ­gegebenenfalls denkmalpflegerischen Vorstellungen vertretbar, sollten zum Beispiel Prob­lembereiche wie ­Gesimse, Mauer­kronen oder Wasserschläge konstruktiv geschützt werden. Erst wenn diese Möglichkeiten ausgeschöpft sind und eine Beschichtung nicht in ­Frage kommt, sind die Möglichkeiten ­einer hydrophobierenden Imprägnierung »auszuloten«.

Funktion und Eigenschaften
Die Namensgebung dieser Schutzstoffe beinhaltet bereits zwei Aussagen zu ihren Eigenschaften.
Hydrophobierung: Das Wort »Phobie« kommt aus dem Griechischen und ­bedeutet Angst. Bei einer Hydrophobie wird dem Baustoff Angst gemacht — Angst vor Wasser (griechisch: Hydro).
Imprägnierung: Das Wort Imprägnierung stammt von dem lateinischen Wort »impregnare« und bedeutet durchdringen/eindringen. Hier ist ­gemeint, dass es sich um ­einen Schutzstoff handelt, der in den Untergrund eindringt. Damit ist nicht nur die Eigenschaft, sondern auch eine Anforderung verknüpft: dass der Schutzstoff möglichst tief in den Untergrund eindringt.
Die Wirkungsweise hydrophobierender Imprägnierungen lässt sich durch das Aufsetzen einzelner Wassertropfen auf die Baustoffoberfläche darstellen. In diese hydrophobiert, bleibt der Tropfen nahezu kugelig auf der Oberfläche ­»stehen«. Ist die Oberfläche hydrophil (»wasserliebend«), so spreitet der ­Wassertropfen auf der Oberfläche — er verliert seine kugelige Form und legt sich flach auf die Oberfläche. Technisch beschreibt man den Grad der Wasser­abweisung über den sich zwischen Wassertropfen und Untergrund ein­stellenden »Randwinkel« (Bilder 2 und 3). Liegt der Randwinkel zwischen 90 und 180 Grad, spricht man von einem ­hydrophoben Material; beträgt der Randwinkel zwischen 90 und 0 Grad, nennt man es hydrophiles ­Material. Um die Wirkungsweise hydrophobierender Imprägnierungen zu verstehen, ist es notwendig, nicht nur die Oberfläche des Baustoffes zu betrachten, sondern auch die oberflächennahe Zone.

Offene Porosität bleibt erhalten
Bild 4 zeigt das Gefüge eines Sanier­putzes, der werksseitig wasserab­weisend eingestellt ist. Bild 1 zeigt das Gefüge eines Natursteins, der »im Nachhinein« hydrophobierend imprägniert wurde. Auf beiden Bildern ist die, trotz Hydrophobie, offenporige Struktur des jeweiligen Baustoffes gut zu erkennen. Hier wird die besondere Eigenschaft ­hydrophobierender Imprägnierungen deutlich: Obwohl der Baustoff wasserabweisend eingestellt ist, bleibt die ­offene Porosität und somit die Diffu­sionsfähigkeit erhalten.
Um die Funktionsweise einer hydrophobierenden Imprägnierung klarer noch als am Baustoff selbst darzustellen, bietet sich ein einfaches Experiment aus dem Physikunterricht an (Bild 5): In ein ­Wasserbecken wird ein dünnes Glasröhrchen (Durchmesser zwischen 10-4 und 10-7 m) hineingestellt. Das ­Wasser steigt im Glasröhrchen nach oben. Für dieses Phänomen verantwortlich sind die sogenannten Kapillarkräfte, die auf Oberflächenspannungen der Glasrohrwandung und des Wassers zurückzuführen sind. Das Glasröhrchen steht stellvertretend für eine kapillar saugfähige Pore eines ­mineralischen Baustoffes. Wird diese Pore hydrophob ausgerüstet — symbolisiert durch die roten Punkte an der ­Porenwandung — so kehrt sich der ­Effekt um; das Wasser wird nicht länger »eingesogen«, sondern hinausgedrückt.

Unterscheidungskriterien
Nicht immer waren hydrophobierende Imprägnierungen so gut wie ­heute und nicht immer gab es diese Fülle an Auswahlmöglichkeiten. Die heute am Markt verfügbare Variationsbreite der Produkte ist jedoch Fluch und Segen zugleich. Ein Fluch, da kaum ein Planer mehr in der Lage ist, Vor- und Nachteile des jeweiligen Produktes komplett zu überblicken und Segen, da für den versierten Fachmann die Möglichkeit besteht, ein dem Untergrund angepasstes Produkt zu wählen. Ein Blick in die Entwicklungsgeschichte der Hydrophobierungsmittel hilft Vor- und Nachteile zu verstehen und die Bandbreite an Produkten zu ­erklären (Bild 6).
Beginnend mit der Nachkriegszeit, bis in die 1950er-Jahre hinein, wurden zur Hydrophobierung von Fassaden Methylsilokonate verwendet. Man kann diese Produktgruppe als »hydrophobierende Wasserglasverwandte« bezeichnen. Wassergläser werden auch heute noch im Bauwesen eingesetzt, beispielsweise als Bindemittel für Silikatfarben. Sie ­haben drei charakteristische Eigenschaften:
• Sie sind hoch alkalisch (pH-Wert>12).
• Sie haben relativ große Moleküle.
• Sie scheiden festigendes und porenverengendes Kieselgel ab.

Negativ ausfallendes Bild
Für die Hydrophobierung von Fassaden sind alle drei Eigenschaften nicht unbedingt vorteilhaft. Die Alkalität kann ­dazu führen, dass Bestandteile des ­Untergrundes mobilisiert werden (zum Beispiel Eisenoxide) und zu Verfärbungen führen. Die großen Moleküle bedingen ein vergleichsweise schlechtes Eindringverhalten und die Gelabscheidung erzeugt eine zumeist unerwünschte Verfestigung und Verdichtung der Oberfläche. Dieses eher negativ ausfallende Bild führte dazu, dass diese Produkt­generation mit Einführung der silikonharzbasierten Schutzstoffe für Fassadenhydrophobierungen nicht eingesetzt wurde. Schäden aufgrund einer ­Behandlung mit solchen Schutzstoffen können heute noch gesehen werden, sie sind jedoch nicht auf heutige Hydrophobierungsmittel übertragbar. Die in den 1960er-Jahren verwendeten Silikon-Harzhydrophobierungen hatten auch relativ große Moleküle und damit verbundene Nachteile beim Eindringverhalten. Gegenüber den Methylsilikonaten ­bestanden die Nachteile des hohen ­pH-Wertes und der Verfestigung der behandelten Oberflächen nicht mehr.

Silane und Siloxane
Ab Mitte der 1970er-Jahre wurden die Siliconharze durch die neu entwickelten Silane beziehungsweise Siloxane ­ersetzt. Diese Wirkstoffe reagieren mit Wasser, so dass sie zuerst nur in ­wasserfreien, lösemittelbasierten Produkten eingesetzt werden konnten. Mit steigendem Umweltbewusstsein in den 1970er- und 1980er-Jahren strebte man einen Austausch der organischen Lösemittel gegen ungefährlichere ­Trägermaterialien an. In diesem Zuge entstanden wasserbasierte Systeme. ­Silane/Siloxane, die sich als Wirkstoff bewährt hatten, wurden durch den Einsatz von Emulgatoren stabilisiert, die eine Reaktion beziehungsweise »Verklumpung« der Wirkstoffe mit dem Wasser unterbinden. Die so entstehenden »Wirkstoffblasen« haben jedoch auf Grund ihre Größe ein nachweislich schlechteres Eindringverhalten als die niedermolekularen Wirkstoffe in lösemittelhaltigen Produkten. Somit existieren bis heute beide flüssigen Produkt­varianten »lösemittelhaltig« und ­»wässrig« nebeneinander. Beide Produktvarianten werden im Niederdruckverfahren (drucklosen Airlessverfahren) verarbeitet.

Cremetechnologie
Die jüngste Entwicklung bei Hydro­phobierungsmitteln ist die so genannte Cremetechnologie. Hier werden die Wirkstoffe mittels patentierter Verfahren thixotropiert, im Prinzip »schaumig gerührt«. Das auf diese Weise pastös eingestellte Produkt verweilt über einen gegenüber flüssigen Produkten sehr viel längeren Zeitraum auf der Fassaden­oberfläche und hat so die Möglichkeit, hohe Eindringtiefen zu erreichen. Ein wesentlicher Vorteil der ­Cremetechno-logie ist die einfache, punktgenaue Verarbeitbarkeit mit der Lammfellrolle. Aufwendige Schutzmaßnahmen angrenzender Bauteile können minimiert ­werden, auch eine Applika­tion über Kopf ist problemlos möglich. Gearbeitet wird bei der Cremetechno­logie mit einer definierten Auftragsmenge zwischen zirka 150 - 300 g/m². Der Grund dafür, dass bei stark saugenden Untergründen flüssige Produkte besser abschneiden als cremeförmige: Da hier das zumeist hohe Porenvolumen vollständig gesättigt werden muss, ist eine entsprechend ­hohe Menge an Imprägniermittel notwendig, die in dieser Größenordnung nur von flüssigen Produkten zur Ver­fügung gestellt wird.

Wirkstoffe
Bei modernen Hydrophobierungsmitteln, egal ob lösemittelbasiert oder in Form einer wässrigen Emulsion, werden ­Silane/Siloxane als Wirkstoff eingesetzt. Dies sind keine gänzlich unterschied­lichen Wirkstoffarten — ein Siloxan ist nur eine etwas größere »Ansammlung« von Silanen, die bereits miteinander reagiert haben (Bild 7).
Es sind die gleichen Wirkstoffe, die sich lediglich in ihrer Molekülgröße unterscheiden. Die bewusste Kombination unterschiedlicher Molekülgrößen birgt für den Einsatz am Bauwerk Vorteile. Da die kleineren, kurzkettigeren Moleküle tiefer eindringen als die großen, langkettigen, stellt sich ein »Chromato­graphieeffekt« ein. Auf diese Weise wird in den oberflächennahen Bereichen eine höhere Wirkstoffkonzentration erzielt. Es entsteht ein kontinuierlicher Übergang von der hydrophobierten Zone zur nicht hydrophobierten, tiefer liegenden Zone.
Nach Abschluss der Reaktion der Silane und Siloxane entsteht ein Siliconharznetzwerk. Dieses Netzwerk hat die Struktur eines Spinnennetzes, es hat ­lediglich eine zwei- und keine drei­dimensionale Ausdehnung. Dies ist für die Funktionalität der Hydrophobierungen bedeutend. Da das Ergebnis eine ­lediglich einmolekular dicke Schicht auf den Porenwandungen ist, wird zwar die Oberflächenspannung verändert — der Kapillarsog wird in eine Kapillardepression umgewandelt — der für die Dampfdiffusion notwendige offene Porenquerschnitt wird jedoch nicht eingeschränkt.

Kritische Fragen
In der Praxis begegnet man häufig Zweifeln gegenüber hydrophobierenden Imprägnierungen. Diese lassen sich in drei immer wiederkehrenden Argumenten zusammenfassen:
a) Eine hundertprozentige Hydrophobierung ist nicht möglich, da immer »Löcher und Kanäle« bleiben, die Wasser in den Baustoff hineinlassen.
b) Hinter die behandelte Oberflächenschicht gelangtes Wasser kann nur ­gehemmt wieder austrocknen.
c) Die Haltbarkeit von Hydrophobierungen ist begrenzt.

Zu a) Bereits im unbehandelten Zustand schwankt die Wasseraufnahme einer steinsichtigen Fassade erheblich. Dies ist neben dem unvermeidlichen Wechsel von Stein und Fuge zumeist abhängig von natürlichen Inhomogenitäten innerhalb der verwendeten Materialien. Durch eine hydrophobierende Imprägnierung wird diese vorhandene Grundstreuung der Feuchteaufnahme der ­Materialien verändert. Dies kann dazu führen, dass sich die Streubreite der ­lokal unterschiedlichen Wasserauf­nahmekoeffizienten prozentual vergrößert, gleichzeitig wird jedoch die ­Gesamtwasseraufnahme abgesenkt. ­Eine hundertprozentige Hydrophobierung ist durchaus möglich. Was es in ­jedem ­Fall zu vermeiden gilt, sind größere »Fehlstellen«. Dies können zum Beispiel ­häufige Fugenflankenabrisse sein, die instandgesetzt werden müssen.

Zu b) Durch eine hydrophobierende­ ­Imprägnierung ändert sich die Diffu­sionsfähigkeit des behandelten Baustoffes praktisch nicht. Da die kapillare Saugfähigkeit des Baustoffes stark abgesenkt wird, wird der gegenüber der Diffusion wesentlich leistungsfähigere Feuchtetransportmechanismus unterbunden. Was im Sinne des Fassadenschutzes sinnvoll ist, kann bei einer Hinterfeuchtung der hydrophobierten Oberfläche zu Problemen führen. Diese können darin bestehen, dass sich die hydrophobierte Oberfläche vom Untergrund ablöst. Wenn so etwas passiert, ist dafür aus anderen Quellen als über die Fassade aufgenommene Feuchtigkeit verantwortlich. Ein Beispiel dafür sind Sockelzonen, die durch aufsteigende Feuchtigkeit stark belastet sind (Bild 8).
In solchen Fällen ist eine hydrophobierende Imprägnierung kontraproduktiv, da sie zu einer Erhöhung der Feuchtegehalte im Sockelmauerwerk mit entsprechenden Folgeschäden führen kann.

Zu 3) Die Frage nach der Haltbarkeit der Hydrophobierungen wird bei fast ­jedem Bauvorhaben gestellt. Da nach einer gewissen Zeit an allen hydrophobierten Bauwerken eine nachlassende Wirkung an der Oberfläche im Sinne ­eines schwindenden Abperleffektes festzustellen ist, ist diese Frage berechtigt. Die in der Literatur zum Thema Haltbarkeit zu findenden Angaben sind sehr ­divergent. A. Boué berichtet von Objekten, an ­denen eine Lebensdauer der ­Hydrophobierung von mehr als 30 ­Jahren durch Messungen belegt werden konnte. Gleichzeitig beschreibt er ­Objekte, bei denen die Hydrophobierung bereits nach wenigen Jahren nicht mehr nachweisbar war. Grund für den nach einer gewissen Zeit nicht mehr feststellbaren Abperleffekt ist die Ablagerung hydrophiler Feinstaub- und Schmutzpartikel. Diese in die Oberflächenporosität der Fassadenbaustoffe eindringenden Partikel überlagern den wasserabweisenden Effekt des Hydrophobie­-
rungsmittels. Bei relativ ­geschlossenen Oberflächen, wie sie beispielsweise bei Farbsystemen zu finden sind, kann der Abperleffekt durch Reinigen der Oberfläche reaktiviert werden. Bei porösen Fassadenbaustoffen, wo die Schmutzpartikel tiefer in die Oberfläche ein­dringen können, ist dies nicht ohne ­Weiteres möglich.

Qualitätssicherung
Um eine hohe Qualität bei Hydrophobierungen auch an profanen Objekten zu gewährleisten, wurde von der ­Arbeitsgruppe Hydrophobierung der WTA ein neues Merkblatt zu diesem Thema erstellt, das für Planer und Ausführende eine Hilfestellung bietet.
Es liegt derzeit im Gelbdruck vor und kann in Kürze über die WTA erworben ­werden. Nach einer Hydrophobierungsmaßnahme sollte in jedem Falle die Wirksamkeit überprüft werden. Da
der sogenannte »Abperleffekt« kein ­Qualitätskriterium darstellt und die Eindringtiefe des ­Hydrophobierungsmittels nur über ­zerstörende Prüfungen ­bestimmt ­werden kann, wird man sich in der ­Regel mit einer Messung der Saugfähigkeit am Objekt begnügen müssen. Hierfür sind das sogenannte »Karstensche Prüfröhrchen« beziehungsweise Weiterentwicklungen dieses Verfahrens ­geeignet.     

Jens Engel,
Produktmanager Fassade
Remmers Baustofftechnik

Literatur
WTA Merkblatt 3-17-2009/D, ­Hydrophobierende Imprägnierung von mine­ralischen Baustoffen; Fraunhofer IRB-Verlag, Stuttgart 2009
A. Boué: Ist Hydrophobierung heute verantwortbar?, 4. Internationales Kollo­quium Werkstoffwissenschaften und Bauinstandsetzen,
Technische Akademie Esslingen,
17.-19. Dezember 1996

Abbildungen: Rokamat                                                                                                   Ausgabe: 5/2012

  1. Sanierung_Engel-1 Ausbau und Fassade - Angst vor Wasser
  2. Sanierung_Engel-2l Ausbau und Fassade - Angst vor Wasser
  3. Sanierung_Engel-3 Ausbau und Fassade - Angst vor Wasser
  4. Sanierung_Engel-4 Ausbau und Fassade - Angst vor Wasser
  5. Sanierung_Engel-5 Ausbau und Fassade - Angst vor Wasser
  6. Sanierung_Engel-6 Ausbau und Fassade - Angst vor Wasser
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