Feuchtetransport in historischen Mauerwerkmaterialien mit und ohne Einfluß eines Temperiersystems

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1 P 3.36 B Dominik, Koch, Dominik 1/9 A. Dominik, S. Koch, L. Dominik Feuchtetransport in historischen Mauerwerkmaterialien mit und ohne Einfluß eines Temperiersystems 1 Einleitung /1, 2, 3/ An vielen historischen Bauwerken sind im Sockelbereich des Mauerwerkes Schäden vorhanden, die auf das Vorhandensein von Feuchte und oft auch von baustoffschädlichen Salzen hindeuten. Die im Mauerwerk vorhandene Feuchte wird meist auf kapillar aus dem Fundamentmauerwerk aufsteigende Feuchte zurückgeführt. Im Zusammenhang mit der Instandsetzung solcher Schäden und im Rahmen einer Raumtemperierung werden oft spezielle Heizverfahren ( Temperier- bzw. Konditioniersysteme ) genannt, die zu einer deutlichen Verbesserung des Gesamtzustandes des Bauwerkes beitragen sollen (siehe dazu auch Bild 1). Die Wirkung von vorgenannten Heizverfahren auf die Baukonstruktion sowie auf das Raumklima insgesamt, ist noch nicht genau bekannt und wird oft kontrovers diskutiert. Innenraum T Minnen T Maußen Außenwand Sensoren Ziegelplatten Edelstahlwinkel Mörtelbett Heizsystem Sand Feuchtezone Fundament- Mauerwerk TFM innen TM innen Drain-Beton TFM außen TM außen Erdreich Bild 1: T FMinnen T FMaußen Salze. Tauwasser. Wasserdampf. Kapillarer Wassertransport. Aufbau eines Temperiersystems im Fußbodenbereich (nach Kahlert /4/) und theoretisches Wirkprinzip (nach Dominik) Es wurden mehrere Befürworter dieses Systems zur Wirkungsweise befragt. Das Heizsystem ( Temperier- bzw. Konditioniersystem ) ist angabegemäß bereits in diverse Gebäude (Neubauten, historische Bauwerke) eingebaut worden und soll zu einer positiven Wirkung geführt haben. Die genaue Wir-

2 P 3.36 B Dominik, Koch, Dominik 2/9 kungsweise in bezug auf die Bausubstanz und das Raumklima konnte keiner der Befragten erläutern. Mittels Temperier- bzw. Konditioniersystem sollen, nach Angabe der Befürworter, direkt die Fundament- und/oder Wandoberflächen, nicht aber die Raumluft beheizt werden, wobei eine indirekte Raumtemperierung mit dem Verfahren möglich sein soll. Es soll verhindert werden, dass Feuchtigkeit ins Mauerwerk eindringen bzw. aufsteigen kann und es nicht mehr zur Kondensatbildung kommt. Zur Beheizung der Wandoberflächen werden in den uns geschilderten Fällen kunststoffummantelte Kupferrohre direkt auf das Mauerwerk installiert, durch die im Vor- und Rücklauf-System aufgeheiztes Wasser geschickt wird (siehe dazu auch Bild 2). Die Rohre werden nach der Montage mit einem Mörtel verputzt, so dass die Rohre unmittelbar im Kontakt zum Mauerwerk stehen sollen (siehe dazu auch Bild 1). An die Mörteleigenschaften werden von den befragten Befürworten des Systems /4/ keine besonderen Anforderungen (z. B. bezgl. Rohdichte, Festigkeit oder Wärmeleitfähigkeit) gestellt. Durch den Einsatz eines Temperier- bzw. Konditioniersystems soll der Energiebedarf sinken und ein behaglicheres Raumklima geschaffen werden. Bild 2: An einem Pfeilerfundament verlegte und noch unvermörtelte Rohre zum späteren Betrieb eines Temperiersystems Im Rahmen der Instandsetzung der romanischen Basilika St. Ursula in Köln sollte anhand von Eignungsversuchen an Mauerwerkprüfwänden (laborähnlich), bestehend aus einem Mörtel historischer Rezeptur und verschiedenen in der Instandsetzung in der Region häufig verwendeten Natursteinarten, die Wirkungsweise der Temperier- bzw. Konditionierverfahren erforscht werden. Vor Beginn der Hauptuntersuchungen sind zunächst Voruntersuchungen an zwei, den späteren Mauerwerkprüfwänden vergleichbaren, Tuffstein- und

3 P 3.36 B Dominik, Koch, Dominik 3/9 Mauerziegelmauerwerkprüfwänden durchgeführt worden, um die weiteren Untersuchungsmethoden, abhängig von den Ergebnissen der Voruntersuchungen, abstimmen zu können. 2 Darstellung und Beschreibung der Versuchsdurchführung /1, 2, 3/ Für die Untersuchungen zur Wirkungsweise eines Temperier- bzw. Kon- verbundenen Feuchtetransport sollten, in Abhängigkeit von den Ergebnissen ditioniersystems auf feuchte- und salzbelastetes Mauerwerk bzw. zum damit der Voruntersuchungen, drei mobile Mauerwerkwände aus unterschiedlichem Steinmaterial (Grauwacke, Römertuffstein und Mauerziegel) mit einem an historisches Mauerwerk nach historischer Rezeptur angepassten Trass- Kalk-Mörtel (TKM) errichtet werden (siehe dazu auch Bild 3). In bzw. an die Mauerwerkwände werden u. a. Feuchtemesssensoren und Messtaster eingesetzt, um den Feuchtetransport bzw. die Feuchteverteilung und die Formänderungen des Mauerwerkes während der einzelnen Untersuchungsphasen, vor und nach Aufbau eines Temperier- bzw. Konditioniersystems, erfassen zu können (siehe Bild 3). Mörtelfüllung Sensoren Bild 3: Aufbau der Mauerwerkprüfwände: Mauerverband (links), Einbau von Feuchtemesssensor und Mörteltasche (Mitte), Messtechnik (rechts) 2.1 Prüfkörper In Anlehnung an die Mauerwerkprüfwände der Hauptuntersuchungen ist eine Kleinprüfmauerwerkwand, bestehend aus Römertuffstein und einem speziel- len, für die Restaurierung von Tuffsteinmauerwerk entwickelten Trasskalk-

4 P 3.36 B Dominik, Koch, Dominik 4/9 Trasszement-Mörtel (TK-TZ-Mö) und eine Mauerziegelprüfwand, für erste Laboruntersuchungen errichtet bzw. hergestellt worden. Die Römertuffsteinwand hat eine Länge von etwa 0,4 m, eine Dicke von etwa 0,2 m und ist sechs Steinlagen hoch (etwa 0,6 m). Die Kleinprüfwand ist nach der Herstellung sieben Tage feucht nachbehandelt und anschließend unter laborklimatischen Bedingungen gelagert worden. Anschließend sind mehrere Prüfungen zum Feuchtetransport, mit und ohne Temperiersystem, an der Kleinprüfmauerwerkwand durchgeführt worden. In Ergänzung zu der Kleinprüfmauerwerkwand aus Römertuffstein ist eine Mauerwerkprüfwand, wie sie bei den Hauptversuchen eingesetzt werden soll, aus Mauerziegeln und einem Trass-Kalk-Mörtel (TKM) errichtet worden (vergleiche Bild 3). Die Maße der Prüfwand betragen etwa 1,0 m in der Länge, 0,5 m in der Dicke und 1,0 m in der Höhe. 2.2 Versuchsdurchführung Nach Herstellung und Aushärtung der Kleinprüfwand aus Römertuffstein und der Mauerwerkprüfwand aus Mauerziegel, sind die beiden Prüfwände zunächst so in eine Wanne gestellt worden, dass sie durch die Wandsohle kapillar Wasser aufnehmen konnten. Nachdem bei beiden Prüfwänden festgestellt werden konnte, dass ab einer bestimmten Höhe der Feuchtefront im Mauerwerk Feuchtigkeit offensichtlich nur noch über die Mauerwerkoberflächen (Verdunstung) abgegeben wird, nicht aber sichtbar höher in das Mauerwerk transportiert wird, sind die Prüfwände zusätzlich von oben durchfeuchtet worden. In Anlehnung an ein Temperiersystem ist dann an einer Längsseite der Tuffsteinprüfwand, unmittelbar oberhalb der Abdichtung, eine Heizanlage, bestehend aus zwei übereinanderliegenden Kupferrohren (Innendurchmesser ι = 10 mm), installiert worden. Die Prüfwand stand mehrere Wochen in Wasser, bevor die Heizung in Betrieb genommen worden ist. Es sollte ein Feuchtezustand in der Kleinprüfwand erreicht werden, wie er annähernd in einem Fundamentmauerwerk und/oder Sockelbereich gegeben ist. Die Heizanlage ist zeitabhängig mit verschiedenen Temperaturen von etwa 20, 30 und 50 C betrieben worden, während ständig eine kapillare Wasseraufnahme durch die Mauerwerksohle erfolgt ist.

5 P 3.36 B Dominik, Koch, Dominik 5/9 Die Mauerwerkwand aus Mauerziegeln ist nach der vollständigen Durchfeuchtung unter raumklimatischen Bedingungen gelagert bzw. getrocknet worden. Nach einer Standzeit von etwa 0,5 Jahren und 3,5 Jahren wurden aus dieser Wand Bohrkerne trocken entnommen, um die tatsächliche Feuchteverteilung in der Wand festzustellen. Dabei wurde jeweils ein Bohrkern aus dem unteren und oberen Wandbereich entnommen. 2.3 Auswertung und Diskussion der Ergebnisse Feuchtetransportprozesse Die Untersuchungen an der Kleinprüfmauerwerkwand aus Römertuffstein und an der Mauerziegelmauerwerkwand haben u. a. gezeigt, dass der Kapillartransport in einer Mauerwerkwand von unten nach oben, abhängig von den vorherrschenden Randbedingungen, offensichtlich in der Höhe begrenzt ist. Bei den Untersuchungen wurde die dritte bzw. die zweite Steinlage von der Feuchtefront, auch nach einem Prüfzeitraum von über 30 Tagen, nicht überwunden. Erst eine zusätzliche Feuchtequelle und/oder die Abdichtung einer Mauerwerkseite sorgt offensichtlich für einen Kapillartransport über die unteren Steinlagen hinaus. D in % f Probe 1 Probe 1 Probe 2 Probe 2 A BCDE F G H Steinlage 1 Steinlage 2 Mörtel Lagerfuge Mörtel Stoßfuge Bild 4: Untersuchungsergebnisse der Mauerziegelprüfwand Durchfeuchtungsgrad D f dargestellt über die Mauerwerktiefe bzw. höhe, unterschieden nach Mörtelfuge und Steinlage nach etwa 0,5 Jahren Trocknung

6 P 3.36 B Dominik, Koch, Dominik 6/9 Für den Kapillartransport von aufsteigender Feuchte in einem Mauerwerk ist neben den vorhandenen Mauerwerkmaterialien, der Verträglichkeit der Materialien in bezug auf die Wasseraufnahme bzw. abgabe untereinander und dem Wasserangebot, offensichtlich insbesondere die Verdunstungsfläche, von großem Einfluss. Die Trocknung (Feuchteabgabe) im Mörtel verläuft über den Wandquerschnitt offensichtlich sehr langsam. Die Feuchteabgabe der verwendeten Vollmauerziegel bei der Mauerziegelprüfwand findet im Kontakt zur Umgebungsluft dagegen wesentlich schneller statt (siehe dazu auch Bild 4 und 5). Die Feuchteabgabe von Stein und Mörtel ist somit erwartungsgemäß sehr unterschiedlich, so dass sich die festgestellten Feuchtegehalte (Durchfeuchtungsgrade) in Stein und Mörtel oft deutlich unterscheiden und z. B. die Beurteilung von Feuchtegehaltsuntersuchungen an Bohrkernproben, insbesondere auch die Oberflächenmessungen u. a. mittels Elektrolytwiderstandsmessung, somit sehr kritisch bzw. mit Vorsicht vorgenommen werden müssen. Berechnungsverfahren zum Feuchtetransport in Bauteilen berücksichtigen diese ungleichmäßige (sprunghafte) Feuchteverteilung nicht, oder nur unzureichend. Offensichtlich wirkt der die Bindersteine in Wandmitte umgebende Mörtel als eine Art Trocknungsbremse und verzögert die Trocknung des Mauerziegels im Kernmauerwerk deutlich (siehe dazu auch Bild 4 und 5). Bild 5: Bohrkern aus Mauerziegelprobewand (Steinlage (1) = oben; Steinlage (2) = unten) Darstellung der visuell erkennbaren Feuchterteilung über den Mauerwerkquerschnitt: der im Mauerwerk von Mörtel umgebene Mauerstein (2) ist visuell nass, die luftseitigen Steine sind visuell trocken Die unterschiedlich schnelle und starke Feuchteabgabe (teilweise von einem Stein zum nächsten sprunghaft) führt u. a. zu hygrisch bedingten Formänderungen und damit auch zu deutlichen Formänderungs- und Spannungsunterschieden im Mauerwerk. Diese Prozesse bleiben bei der Instandsetzungs-

7 P 3.36 B Dominik, Koch, Dominik 7/9 maßnahme oft unberücksichtigt, so dass z. B. Risse im Putz nicht zu vermeiden sind. Die Untersuchung des Karbonatisierungsfortschrittes des Mauermörtels mittels Phenolphthalein-Test nach etwa ein bis anderthalb Jahren nach der Herstellung zeigt eine keilförmige Karbonatisierungsfront im Mauermörtel. Offensichtlich wird die Trocknung des Mörtels mit durch die Trocknung des umgebenen Steinmaterials (hier Mauerziegel) beeinflusst, so dass der Mörtel entlang der Fugenflanken deutlich tiefer karbonatisiert ist, als von der Mauerwerkoberfläche. Hier muss also auch die jeweilige Feuchtesituation im Mauerstein berücksichtigt werden. Zum Bestimmen des Feuchtezustandes bzw. des Trocknungsfortschrittes der Mauerziegelwand, ist nach etwa 0,5 Jahren (siehe dazu auch Bild 4) und nach etwa 3,5 Jahren (siehe dazu auch Bild 6) Trocknung unter raumklimatischen Bedingungen je ein Bohrkern im Trockenbohrverfahren aus unterschiedlichen Höhen entnommen worden. Wie die Untersuchungsergebnisse zeigen, ist der Mörtel im Bereich der Außen auf der Wand im unteren Bereich aufgetragenen Abdichtung auch nach 3,5 Jahren noch sehr hoch durchfeuchtet. Die Mauerziegel hingegen haben jetzt über den gesamten Mauerwerkquerschnitt, auch im abgedichteten Bereich, den Sorptionsfeuchtegehalt erreicht. D f in % 100 Mz Mö D f in % 100 Mz Mö vollständig karbonatisiert Karbotiefe: 15 Karbotiefe: 17 0 Probe Mz Bild 6: 0 Probe Mz Mö Untersuchungsergebnisse der Mauerziegelprüfwand Durchfeuchtungsgrad D f dargestellt über die Mauerwerktiefe bzw. höhe, unterschieden nach Mörtel und Stein nach etwa 3,5 Jahren Trocknung Temperiersystem Durch die Installation eines Temperiersystems können diese Prozesse, nach Auswertung der bisher vorliegenden Untersuchungen, ohne die Feuchtequelle zu entfernen und unter den gewählten Prüfbedingungen offensichtlich nicht gestoppt werden (vergleiche dazu Abschnitt 1). Die Untersuchungen zeigen

8 P 3.36 B Dominik, Koch, Dominik 8/9 abhängig von den gewählten Randbedingungen sogar eine z. T. deutliche Verstärkung des Feuchtetransportes auf (siehe auch Bild 7). Inwieweit eine Beeinflussung des Feuchtetransportes durch die Beheizung bei unterschiedlichen Mauersteinarten genau gegeben ist, müssen weiterführende Untersuchungen aufzeigen. W / W V,T 20 C einseitige Feuchteabgabe einseitige Feuchteabgabe zweiseitige Feuchteabgabe 2,2 0,75 l/(lfdm d) 1,33 l/(lfdm d) 1,70 l/(lfdm d) 5,2 4,6 ohne Heizung 0,34 l/(lfdm d) 0,61 l/(lfdm d) 3,9 1,56 l/(lfdm d) 1,33 l/(lfdm d) 5,0 1,77 l/(lfdm d) versetzte Heizrohre Bild 7: 1,0 1,8 versetzte Heizrohre 20 C 30 C 50 C 3,9 T in C 50 C 50 C Raumklima Kleinprüfmauerwerkwand aus Römertuffstein, Wasseraufnahme/Verdunstung W V, T bei unterschiedlichen (Heiz-)Temperaturen bezogen auf die Wasseraufnahme/Verdunstung W 20 C bei 20 C und der abgegebenen Feuchtemenge; qualitative Darstellung bei unterschiedlichen (Heiz-)Temperaturen T Mit den zur Zeit vorliegenden Untersuchungsergebnissen muss die Anwendung von sogenannten Temperiersystemen in Hinblick auf die Instandsetzung von feuchte- und salzbelastetem Mauerwerk (historisch) als kritisch eingestuft werden. 3 Zusammenfassung Die durchgeführten und hier kurz vorgestellten Untersuchungen zum Feuchtetransport im Mauerwerk, mit und ohne Temperiersystem, zeigen, dass noch keine Grundsätzliche Aussage bezüglich der positiven Wirkung des Temperiersystems auf eine feuchte- und salzbelastete Mauerwerksubstanz gegeben werden kann. Eindeutig festgestellt werden konnte bisher, dass ohne Entfernen der Feuchtequelle (kapillar aufsteigende Feuchte) das Temperiersystem offensichtlich nicht in der Lage ist, eine Feuchtereduktion im Mauerwerk zu erreichen. Insbesondere die Feuchtetransportvorgänge der einzelnen Baumaterialien und der Materialien untereinander, müssen noch weiter untersucht werden, um

9 P 3.36 B Dominik, Koch, Dominik 9/9 die verschiedenen im Mauerwerk stattfindenden Transportprozesse besser beurteilen zu können. Dies ist insbesondere auch für die Entwicklung von Instandsetzungskonzepten und den Einsatz von neu entwickelten Methoden, wie z. B. dem Temperiersystem, von Bedeutung. Insofern sind auch viele Berechnungsmodelle, die heute vielfach zur Beurteilung von Feuchtetransportvorgängen in feuchte- und salzbelastetem Mauerwerk herangezogen werden, nur mit äußerster Vorsicht anzuwenden, da sie nicht immer den tatsächlichen Zustand darstellen. 4 Danksagung Wir bedanken uns bei der Deutschen Bundesstiftung Umwelt (DBU) in Osnabrück für die finanzielle Förderung des Projektes. 5 Literatur /1/ Dominik, A.; Koch, S.: Forschungsbericht F 1006/F-0A Kirche St. Ursula, Köln; Die Wirkung eines Heizsystemes ( Temperier- bzw. Konditioniersystem ) auf feuchte- und salzbelastetes Mauerwerk in einem temporär genutzten Gebäude; Forschungsprojekt F 1006, gefördert durch Deutsche Bundesstiftung Umwelt (DBU), Osnabrück; Dominik Ingenieurbüro, Bornheim Aachen, September 2004 /2/ Dominik, A.; Koch, S.: Forschungsbericht F 1006/F-0C Kirche St. Ursula, Köln; Die Wirkung eines Heizsystemes ( Temperier- bzw. Konditioniersystem ) auf feuchte- und salzbelastetes Mauerwerk in einem temporär genutzten Gebäude; Forschungsprojekt F 1006, gefördert durch Deutsche Bundesstiftung Umwelt (DBU), Osnabrück; Dominik Ingenieurbüro, Bornheim Aachen, November 2005 /3/ Dominik, A.; Koch, S.; Link, R.: Zum Feuchtetransport und zur Formänderung von Mauerwerk unmittelbar nach der Herstellung. Materials Science and Restorations, Werkstoffwissenschaften und Bausanierung VI, Tagungsbericht des sechsten Internationalen Kolloquiums, Karlsruhe, Sept /4/ Kahlert, G.: persönliche Mitteilung, Haltern-Hullern, ab Verfasser Dipl.-Ing. A. Dominik Dipl.-Ing. S. Koch Dipl.-Kauf. L. Dominik Dominik Ingenieurbüro, Griegstraße 16, D Bornheim-Merten Dominik Ingenieurbüro, Griegstraße 16, D Bornheim-Merten Bauunternehmung Dominik GmbH Innungsstraße 25 D Hürth-Gleuel