8. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Februar 2023 79 Untersuchung der Wassertransportmechanismen in hydrophobierten mineralischen Baustoffen Dr. rer. nat. Kathrin A. Otten, M. Ed. Leibniz Universität Hannover Prof. Dr. rer. nat. Klaus Littmann Leibniz Universität Hannover Zusammenfassung Das Ziel der vorliegenden Arbeit war es, ein tieferes Verständnis des Einflusses einer Hydrophobierung auf die Wassertransportmechanismen in mineralischen Baustoffen zu erhalten. Dabei wurden zwei Hauptziele verfolgt. Für eine annähernde ganzheitliche Betrachtung der Wassertransportmechanismen standen die des kapillaren, flüssigen Wassertransportes sowie des Wasserdampftransportes im Fokus. Integrativ dazu wurden die relevanten Einflussbzw. Bedingungsfaktoren genauer untersucht. Dies war zum einen die Porengröße - dabei gelang es zu klären, auf welche Weise sich in welchen Porenbereichen der Einfluss der Hydrophobierung auf die relevanten Wassertransportmechanismen niederschlägt. Daneben wurde der Wirkstoffgehalt einer hydrophobierenden Imprägnierung als Maß für den tiefenabhängigen Gehalt eben dieser und dessen Auswirkungen auf die Wassertransportmechanismen genauer betrachtet. Jeder untersuchte Wirkstoffgehalt entsprach dabei einer Zone im Saugprofil, sodass der Wassertransport getrennt nach jeweiliger Zone untersucht werden konnte. Neben der Beschreibung der Versuche werden ausgewählte zusammenfassende Ergebnisse der Studie präsentiert und ein Abgleich mit früheren Literaturstudien vorgenommen. 1. Einführung Eine Hauptursache von Schäden an Fassaden aus mineralischen Baustoffen bildet die Wechselwirkung zwischen Baustoff und Feuchtigkeit. Mineralische Baustoffe verfügen über die Fähigkeit, bedingt durch ihr kapillarporöses System, Wasser aufzunehmen, zu speichern und zu transportieren. Der Feuchtehaushalt poröser mineralischer Baustoffe wird durch die Feuchtespeichereigenschaften sowie die im Baustoff in flüssiger und gasförmiger Phase ablaufenden Feuchtetransportvorgänge bestimmt, welche im Porenraum der mineralischen Baustoffe stattfinden. Um den Eintritt von flüssigem Wasser und die daraus resultierenden Schäden zu vermeiden, hat sich seit einigen Jahrzehnten die Maßnahme des Hydrophobierens von mineralischen Baustoffen etabliert. Als Hydrophobierung wird nach DIN EN 1504-2: 2004 [1] eine Behandlung des mineralischen Baustoffes zur Herstellung einer wasserabweisenden Oberfläche definiert. Hierzu werden seit den 90er Jahren vor allem siliciumorganische Hydrophobierungsmittel verwendet [2][3]. Eine Übersicht derzeitiger am Markt befindlicher Produkte kategorisiert nach Wirkstoffen ist in Soulios et al. [4] gegeben. Die kapillare Wasseraufnahme wird durch eine Hydrophobierung maßgeblich unterbunden, wie zahlreiche Studien mittels kapillarer Saugversuche gezeigt haben. Die Werte der relativen Wasseraufnahme im Bezug zur unbehandelten Referenz zeigen in diesen Studien große Unterschiede in Abhängigkeit vom Baustoff. Häufig wird dies auf die baustoffspezifischen Porenstrukturen zurückgeführt, welche differierende Ergebnisse der Wirksamkeit einer Hydrophobierung hervorrufen [4][5][6][7], ein systematischer Nachweis steht jedoch bisher aus. Über den Einfluss einer Hydrophobierung auf das Diffusionsverhalten in mineralischen Baustoffen differieren die Aussagen in der einschlägigen Fachliteratur teilweise erheblich. Die Aussagen reichen von keiner Verminderung der Diffusionsfähigkeit (z. B. [4]) bis zu erheblicher Verminderung (z. B. [8]) mit ebenso differierenden Aussagen zur Abhängigkeit vom jeweiligen Baustoff. Für Feuchtetransportvorgänge in der hydrophobierten Betonrandzone schlägt Gerdes ein idealisiertes Saugprofil vor (Abbildung 1). Die Betonrandzone wird in drei Bereiche gegliedert, welche sich unterschiedlichen Feuchtetransportvorgängen zuordnen lassen. Im Bereich I der hydrophobierten Randzone erfolge der Wassertransport ausschließlich über Diffusion. In Bereich II sei der Beton nur partiell hydrophobiert, wodurch neben einer diffusiven Feuchteaufnahme eine kapillare Wasseraufnahme erfolge. Eine genaue Differenzierung der Wassertransportmechanismen unter Berücksichtigung des absteigenden Gehalts der Hydrophobierung bei steigendem Abstand von der Oberfläche nimmt Gerdes nicht vor. In Bereich III liege keine Hydrophobierung mehr in den Poren vor, sodass eine ungehinderte Kapillarleitung stattfinde. 80 8. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Februar 2023 Untersuchung der Wassertransportmechanismen in hydrophobierten mineralischen Baustoffen Abb. 1: Wassertransport in einem idealisierten Saugprofil für einen hydrophobierten Beton nach Gerdes [3] Aus der vorangegangenen diskursiven Gegenüberstellung wird deutlich, dass die herangezogenen Studien keine Einheitlichkeit und Eindeutigkeit bezüglich der Veränderung der Wassertransportmechanismen in hydrophobierten Baustoffen aufweisen. Ziel der vorliegenden Arbeit war daher ein tieferes Verständnis des Einflusses einer Hydrophobierung auf die Wassertransportmechanismen in mineralischen Baustoffen unter besonderer Berücksichtigung ihrer Porenstruktur zu erhalten. Für eine annähernd ganzheitliche Betrachtung der Wassertransportmechanismen stehen die des kapillaren, flüssigen Wassertransportes sowie des Wasserdampftransportes im Fokus. Dabei galt es zu klären, auf welche Weise sich in welchen Porenbereichen der Einfluss der Hydrophobierung auf die relevanten Wassertransportmechanismen niederschlägt. Um den abnehmenden Gehalt an Hydrophobierungsstoff in dem o. a. Bereich II studieren zu können, wurden daher Proben mit unterschiedlichen Wirkstoffgehalten getränkt. Jeder Wirkstoffgehalt entsprach dabei einer Zone im Bereich II des Saugprofils (Abb. 1), sodass der Wassertransport getrennt nach jeweiliger Zone untersucht werden konnte. 2. Versuchsprogramm 2.1 Übersicht Es wurden systematische Untersuchungen der relevanten Wassertransportmechanismen zum einen an realen Baustoffen und zum anderen an einem baustoffübergreifenden porösen Modellsubstrat durchgeführt. Die realen Baustoffe sollten ein unterschiedliches, differenzierbares Spektrum an Porenbereichen aufweisen und gleichzeitig repräsentativ für die Anwendung von Hydrophobierungen in der Baupraxis sein. Aus diesen Gründen wurden die Baustoffe Mörtel und Ziegel gewählt. Als geeignetes Modellsubstrat wurden Glaskugelschüttungen identifiziert. Für die systematische Untersuchung der relevanten Wassertransportmechanismen im Hinblick auf die Porenstruktur unter Einfluss des Wirkstoffgehaltes einer Hydrophobierung wurde das in Abbildung 2 dargestellte Testverfahren entwickelt. Hierbei wurden einige Versuche an aus dem in DIN EN 16581: 2015 [D13] aufgeführten Laborprüfverfahren für die Ermittlung der Wirksamkeit von wasserabweisenden Produkten übernommen. Dieses wurde an den Stellen, wo es möglich war, mit dem Modellsubstrat simultan zu den realen Baustoffen durchgeführt. In dieser Veröffentlichung wird aus Platzgründen lediglich auf ausgewählte Versuche und Ergebnisse mit den realen Baumaterialien Ziegel und Mörtel eingegangen. Abb. 2: Testprogramm für die systematische Untersuchung der Wassertransportmechanismen in hydrophobierten mineralischen Baustoffen [9] 2.2 Ziegel und Mörtel Im Rahmen des Realversuches wurden insgesamt 300 mit verschiedenen Wirkstoffgehalten hydrophobierte Prüfkörper aus Zementmörtel und Vollziegel verwendet. Hierzu wurden zunächst Mörtelplatten (Dimension: 7 cm x 23 cm x 30 cm) unter Verwendung eines chromatarmen Portlandhüttenzementes CEM II/ B-S 42,5 R (HeidelbergCement AG) nach DIN EN 480-13: 2015 [10] hergestellt. Nach DIN EN 13139: 2002 [11] wurde als Gesteinskörnung Sand der Korngruppe 0/ 4 verwendet, welcher zur Reduktion der Eigenfeuchte zuvor darrgetrocknet und anschließend auf Raumtemperatur abgekühlt wurde. Nach Herstellung der Platten in melaminharzbeschichteten Holzformen wurden diese 48 h mit PE-Folie abgedeckt, dann die Platten ausgeschalt und bis zum Alter von 28 Tagen im geschlossenen Behälter über Was- 8. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Februar 2023 81 Untersuchung der Wassertransportmechanismen in hydrophobierten mineralischen Baustoffen ser gelagert. Die eigentlichen Prüfkörper in den Dimensionen von 5 cm x 5 cm x 3 cm wurden zur Vermeidung von Randeffekten aus den Mörtelplatten unter Zuhilfenahme einer Tisch-Steinsäge (Norton Clipper CM401 Junior) zugeschnitten. Aus industriell gefertigten Vormauer-Vollziegeln (Wienerberger Pastorale, gedämpft) nach DIN EN 771-1 [12], mit einer Rohdichte von 1,8 kg/ dm³ und der Steinfestigkeitsklasse 8 N/ mm², wurden Prüfkörper analog zu denen aus Mörtel zugeschnitten. Laut Herstellerangabe handelt es sich um einen stark saugenden Handformziegel im Format NF mit einer Porosität von ≤ 15 %. 2.3 Hydrophobierung In den Hauptversuchen wurde das Hydrophobierungsmittel Isobutyltriethoxysilan mit Produktnamen Protectosil® BHN von Evonik Industries verwendet. Hierbei handelt es sich um eine lösemittelfreie hydrophobierende Imprägnierung mit einem Wirkstoffgehalt von >-98-%. Tastweise wurde mit anderen Hydrophobierungsstoffen verglichen. Isobutyltriethoxysilan gehört zu der Gruppe der Alkylalkoxysilane und weist als Alkylrest eine verzweigte Butylgruppe auf. Damit lässt es sich zu den mittleren Molekülgrößen der gängigsten Hydrophobierungsmittel auf Alkylalkoxysilanbasis zuordnen. In Vorversuchen wurde ermittelt, welche Wirkstoffkonzentrationen geeignet sind, damit vollständig durchgetränkte Probekörper aus 2.2 repräsentative Eigenschaften (Wasseraufnahme, Randwinkel) für unterschiedliche Positionen des Tiefenprofils (Abb. 1) aufweisen. Erwartungsgemäß unterschieden sich diese Konzentrationen für Mörtel und Ziegel. Als sich unter den gegebenen Bedingungen inert verhaltendes und damit geeignetes Verdünnungsmittel wurde Butan-2-on durch Vorversuche identifiziert. Ebenfalls in Vorversuchen wurde eine Tauchzeit der Probekörper im Hydrophobiermedium von 80 min ermittelt. Tabelle 1 zeigt den Faktorplan für die Hydrophobierungsversuche, Abb. 3 zeigt die Imprägnierung als Tauchversuch. Tab. 1: Faktorplan der Prüfkörper für die Wassertransportversuche an Mörtel und Ziegel Abb. 3: Imprägnieren der Prüfkörper mit Hydrophobierungsmittel. Links: Prüfkörper im Becherglas mit Zahnscheiben als Unterlage. Mitte: gestapelte Prüfkörper mit Zahnscheiben als Zwischenlage. Rechts: gestapelte Prüfkörper mit Hydrophobierungsmittel Nach 80 Minuten Tauchzeit wurden die Prüf körper der jeweiligen Hydrophobierungslösung entnommen und unter einem Abzug zunächst für zwei Stunden zur Ablüftung gelagert. Im Anschluss wurden die Prüf körper getrennt nach Wirkstoffgehalt für 7 Tage bei 85 % relativer Luftfeuchte über einer gesättigten Kaliumchloridlösung in Klimaboxen mit integrierter Luftumwälzung gelagert. 2.4 Kontaktwinkelmessung Die Kontaktwinkelmessung wurde nach dem statischen Verfahren nach DIN EN ISO 19403-2: 2020 [13] mithilfe eines Kontaktwinkelmessgerätes mit digitaler Bilderfassung und -analyse durchgeführt (OCA25, dataphysics). Der jeweilige Prüfkörper wurde mittig auf dem Probentisch positioniert. Über die automatische Dosiereinheit wurde ein Wassertropfen mit einem Volumen von 4 μl generiert, welcher sich an der Kanüle formte. Der Prüfkörper wurde durch Bewegung des Probentisches in z-Richtung an den Tropfen herangeführt. Der Tropfen wurde abgeholt, sodass dieser sich ohne Kontakt zur Kanüle auf der Prüfkörperoberfläche befand. Direkt im Anschluss wurde die Software zur Bilderfassung und -analyse des Tropfens gestartet. Die Kontaktwinkel wurden an je zehn Tropfen pro Prüfkörper über eine Zeitspanne von drei Minuten mit einem Messintervall von 10 s gemessen. Es wurde jeweils ein Prüfkörper je Baustoff und Profiltiefe im Vorhinein ausgewählt. 2.5 Porosität Daten zur Porosität der hydrophobierten und nicht hydrophobierten Materialien (nicht vollständige Faktoren) wurden unter anderem ermittelt durch • Bestimmung der Porenvolumenverteilung durch Quecksilberintrusion • Bestimmung der Sorptionsisothermen • Bestimmung der offenen Porosität durch Vakuum-Druck-Tränkung in Anlehnung an die DIN EN 1936: 2007 [14] • Bestimmung der kapillarwirksamen Porosität durch Eintauchen in Wasser bei atmosphärischem Druck in Anlehnung an DIN EN 13755: 2008 [15] • Bestimmung der Porenraumstruktur über den elektrischen Widerstand 82 8. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Februar 2023 Untersuchung der Wassertransportmechanismen in hydrophobierten mineralischen Baustoffen 2.6 Kapillare Wasseraufnahme Die Bestimmung des Wasseraufnahmekoeffizienten bei teilweisem Eintauchen wurde nach DIN- EN- ISO- 15148: 2018- [16] durchgeführt. Vor Beginn der Prüfung wurden die vier umliegenden Seiten der Prüfkörper mit einer wasser- und dampfdichten Abdichtung (lösemittelfreies Epoxidharz, MC DUR 1200 VK mit Stellmittel, Müller Bauchemie) versehen, um eine eindimensionale Wasseraufnahme zu gewährleisten. Anschließend wurden die darrtrockenen Prüfkörper auf einem inerten Auflager in einem Behälter mit ebenem Untergrund platziert. Danach wurde demineralisiertes Wasser in zeitlichen Abständen nach DIN EN ISO 15148: 2018 bis zu einem Wasserstand von 5 ± 2 mm Überdeckung der Prüfkörper eingefüllt. Die gravimetrische Bestimmung der Masse wurde in zeitlichen Abständen von 5 min, 10 min, 20 min, 30 min, 1 h, 2 h, 4 h, 8 h und 24 h durchgeführt. Aus den ermittelten Werten wurden die flächenbezogene Massenzunahme und die Wasseraufnahmekoeffizienten berechnet. 2.7 Bestimmung der Wasserdampfdiffusion Die Prüfung der Wasserdampfdurchlässigkeit wurde mittels Cup-Versuch nach an DIN EN 15803: 2010 [17] durchgeführt. Hierzu wurden die zuvor seitlich abgedichteten Prüfkörper mit lösemittelfreiem Epoxidharz (MC DUR 1200 VK mit Stellmittel, Müller Bauchemie) in Schraubdeckel eingeklebt, in welchem zuvor eine quadratische Öffnung von 52 x 52 mm 2 gefräst wurde. Die in den Deckeln eingeklebten Prüfköper wurden bis zur Massekonstanz bei 23 °C und 50 % rel. LF in einer Klimakammer gelagert, in welcher alle Folgeschritte des Versuches stattfanden. Im Anschluss wurden die Schraubdeckel auf Twist-Off- Gläsern (Ø 106 mm, Höhe 80 mm, Volumen 540 ml, Etivera) aufgeschraubt, welche mit 441 ml einer gesättigten Ammoniumdihydrogenphosphatlösung befüllt wurden. Hierdurch wurde eine relative Luftfeuchte von 93 % in der darüber befindlichen Luftschicht erreicht. Der Abstand zwischen Prüfkörperunterseite und Wasseroberfläche betrug 20 ±2 mm. Die Prüfkörper wurden mit einem weiteren Bohrloch im Schraubdeckel versehen, um gegebenenfalls gesättigte Ammoniumdihydrogenphosphatlösung im Laufe des Versuches nachzufüllen. Die Bohrlöcher wurden mit Siliconstopfen luftdicht verschlossen. Abb. 4 zeigt den Auf bau. Abb. 4: Skizze (links) und Foto (rechts) des Versuchsauf baus zur Bestimmung der Wasserdampfdiffusionsstromdichte von Mörtel und Ziegel 3. Ergebnisse 3.1 Kontaktwinkel Die gemessenen Kontaktwinkel der mit unterschiedlichen Wirkstoffgehalten hydrophobierten Prüfkörper, welche die unterschiedlichen Positionen des Tiefenprofils (Abb. 1) repräsentieren, gaben die Benetzbarkeit der Oberfläche und somit deren Hydrophobizität wieder. Abbildung 5 zeigt die gemessenen Kontaktwinkel sowie die Tropfenausprägung auf der Prüfkörperoberfläche für Mörtel (links) und Ziegel (rechts) unterschiedlicher Wirkstoffgehalte (Positionen des Tiefenprofils) direkt nach Absetzen der Tropfen auf der Prüfkörperoberfläche zum Zeitpunkt t = 0 s der Messung. Die Messergebnisse wiesen vergleichsweise starke Streuungen auf. Gründe hierfür lagen in der Rauigkeit der Oberfläche sowie in lokalen Unterschieden in der Effektivität der Hydrophobierung, was Studien von Houvenaghel und Carmeliet [18], Wenzel [19] und Zielke [20] belegen. Abb. 5: Gemessene Kontaktwinkel und Tropfenausprägung auf der Oberfläche zum Zeitpunkt t = 0 s der mit unterschiedlichen Wirkstoffgehalten getränkten und damit unterschiedliche Orte im Tiefenprofil repräsentierenden hydrophobierten Mörtel- (oben) und Ziegelprüfkörper (unten) Die zeitliche Veränderung des Randwinkels zeigt insbesondere bei Ziegel (Abb. 6), dass niedrige Randwinkel im hydrophilen Bereich nach dem Zeitpunkt t = 0 s weiter absinken und zur vollständigen Benetzung führen, während hohe Randwinkel im hydrophoben Bereich stabil bleiben. 8. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Februar 2023 83 Untersuchung der Wassertransportmechanismen in hydrophobierten mineralischen Baustoffen Abb. 6: Arithmetische Mittel der Kontaktwinkel über einen Zeitraum von 180 s der mit unterschiedlichen Wirkstoffgehalten getränkten und damit unterschiedliche Orte im Tiefenprofil repräsentierenden hydrophobierten Ziegelprüfkörper unter Angabe der des hydrophilen und hydrophoben Bereichs 3.2 Porosität Die Ergebnisse der Quecksilberintrusion zeigten erwartungsgemäß unterschiedliche Porenradienverteilungen für Mörtel und Ziegel. Während für Mörtel ein breites Spektrum von Porenvolumina im feinen sowie groben Kapillarporenbereich (0,01 bis 100 μm) festgestellt wurde, war für die Porenradienverteilung des Ziegels ein relativ schmalbandiges Maximum im Porenbereich von 1 μm bis 10 μm kennzeichnend. Die aus den Quecksilberporosimetriedaten errechnete spezifische Oberfläche der unbehandelten und hydrophobierten Mörtel und Ziegel spiegelten erwartungsgemäß die oben beschriebenen Ergebnisse wider (Tabelle 18). Tab. 2: Spezifische Oberfläche errechnet aus den Quecksilberporosimetriedaten für unbehandelten und hydrophobierten Mörtel und Ziegel Aus den Versuchsergebnissen der Quecksilberintrusion, der Vakuum-Druck-Tränkung und der Lagerung unter Wasser bei atmosphärischem Druck wurden vergleichende Porositätswerte für die in unterschiedlichen Wirkstoffgehalten hydrophobierten Mörtel und Ziegel ermittelt, welche in Tabelle 3 und Tabelle 4 dargestellt sind. Tabelle 3: Porositätswerte (arithmetisches Mittel und Standardabweichung in Klammern) ermittelt durch Quecksilberintrusion ( ф Hg), Vakuum-Druck-Tränkung ( ф oP) und Lagerung unter Wasser bei atmosphärischem Druck ( ф eff) für Mörtel, hydrophobiert mit unterschiedlichen Wirkstoffgehalten Tabelle 4: Porositätswerte (arithmetisches Mittel und Standardabweichung in Klammern) ermittelt durch Quecksilberintrusion ( ф Hg), Vakuum-Druck-Tränkung ( ф oP) und Lagerung unter Wasser bei atmosphärischem Druck ( ф eff) für Ziegel, hydrophobiert mit unterschiedlichen Wirkstoffgehalten Da bei Quecksilberintrusion ( ф Hg) und Vakuum-Druck- Tränkung ( ф oP) die jeweilige Flüssigkeit unter Druck in das Porensystem gepresst wird, deuteten die verringerten Porositätswerte der hydrophobierten Baustoffe auf einen Verschluss von Poren hin. Wie die differentielle Porenradienverteilung verdeutlicht, betraf dies maßgeblich Poren, die kleiner als 1 μm sind. Diese Annahme wird durch Studien von Carmeliet [21] gestützt, in welcher ebenfalls von einer Verschließung des Porensystems in Abhängigkeit von der Polymerkettenlänge unterschiedlich langer Siloxane ausgegangen wird. Weitere Vergleiche mit Literaturstudien lassen den eindeutigen Schluss zu, dass ein Zusammenhang zwischen der Molekülgröße der verwendeten Hydrophobierungsstoffe und dem maximalen Radius der verschlossenen Poren besteht [24]. Über die Messung des elektrischen Widerstands ließ sich in dieser Arbeit solch ein Verschluss der Poren infolge der Hydrophobierung differenzierter bestätigen. Aus den Versuchen wurden für Mörtel und Ziegel Widerstandskennlinien berechnet, welche in Abbildung 7 dargestellt sind. 84 8. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Februar 2023 Untersuchung der Wassertransportmechanismen in hydrophobierten mineralischen Baustoffen Abbildung 7: Widerstandskennlinien für 20 °C der unbehandelten sowie in unterschiedlichen Wirkstoffgehalten hydrophobierten Mörtel (oben) und Ziegel (unten) unter Angabe der Messpaare aus den Mittelwerten der gravimetrisch bestimmten Materialfeuchte und des elektrischen Widerstandes Die Ergebnisse der Widerstandsmessungen der Ziegel zeigten keinen Einfluss der Hydrophobierung auf die Leitfähigkeit, sodass die Widerstandskennlinien deckungsgleich für alle hydrophobierten sowie für den unbehandelten Ziegel waren. Zurückzuführen ist dies auf die konstanten Werte der offenen Porosität für Ziegel aller Wirkstoffgehalte (Tabelle 4), wodurch unabhängig des Wirkstoffgehaltes der Hydrophobierung stets das gesamte Porensystem für den Ladungstransport zur Verfügung stand. Mit den Überlegungen zur Veränderung der Porenraumstruktur infolge der Hydrophobierung wurde für Mörtel davon ausgegangen, dass, ausgehend von einem gleichen Sättigungsgrad bei allen Proben, eine Verschiebung des Wassers in größere Poren in Abhängigkeit vom Wirkstoffgehalt der Hydrophobierung stattgefunden hat (Abbildung 8). Bei unbehandelten Baustoffen geht Krus [22] bei einer Unterbrechung des kapillaren Saugens, wie es hier durch die sukzessive Einstellung der Sättigungsgrade erfolgt ist, von Nachsaugeffekten aus, bei denen kleinere noch nicht gefüllte Poren aufgrund ihrer höheren Saugkraft die größeren Poren entleeren. Dieser Vorgang wurde jedoch durch die Hydrophobierung unterbunden, indem kleinere Poren durch die Hydrophobierung verschlossen wurden oder für Wasser nicht mehr zugänglich waren, womit diese folglich nicht mehr zum Ladungstransport beitrugen. Das Wasser befand sich somit hauptsächlich in den größeren Poren, wodurch nach Reichling [23] mit der Erhöhung des für den Ladungstransport zur Verfügung stehenden effektiven Querschnitts in den großen Poren, der Widerstand abnimmt. Abbildung 8: Schematische Darstellung der Porenfüllgrade bei gleichem Wassersättigungsgrad von unbehandeltem Mörtel (links) und hydrophobiertem Mörtel (rechts), bei welchem die kleinen Poren durch die Hydrophobierung verschlossen bzw. nicht mehr zugänglich sind 3.3 Wasserdampfdiffusion Das dynamische Gleichgewicht des Wasserdampfstromes wurde nach 42 Tagen erreicht und die Wasserdampfdiffusionsstromdichten wurden aus den Mittelwerten der gravimetrisch bestimmten Massen der nachfolgenden 10-Tage berechnet. Die ermittelten Wasserdampfdiffusionsstromdichten unterschieden sich für die hydrophobierten und unbehandelten Mörtel- und Ziegelprüfkörper in Abhängigkeit vom Wirkstoffgehalt (Abbildung 9). Während für Mörtel eine deutliche Verringerung der Wasserdampfdiffusionsstromdichte durch die Hydrophobierung festgestellt wurde, war für Ziegel kein eindeutiger Einfluss der Hydrophobierung auf die Wasserstromdichte zu verzeichnen. Für beide Baustoffe wurden die berechneten Mittelwerte der Wasserdampfdiffusionsstromdichten durch akzeptable Streubereiche als aussagekräftig angenommen. Abbildung 9: Wasserdampfdiffusionsstromdichten von unbehandeltem und in verschiedenen Wirkstoffgehalten hydrophobiertem sowie mit Butanon (B) getränktem Mörtel (oben) und Ziegel (unten), welche in einem Cup- Versuch bei 23 °C und 50/ 93 rel. LF ermittelt wurden 8. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Februar 2023 85 Untersuchung der Wassertransportmechanismen in hydrophobierten mineralischen Baustoffen Für hydrophobierten Mörtel mit einem Wirkstoffgehalt von 1 M.-% bis 2,5 M.-% wurden nicht trennscharfe, moderat verringerte Werte der Wasserdampfdiffusionsstromdichte verzeichnet. Ab einem Wirkstoffgehalt von 5 M.-% kam es zu einer sukzessiven Verringerung der Wasserdampfdiffusionsstromdichte, welche sich schließlich bei 100 M.-% Wirkstoffgehalt um nahezu eine Zehnerpotenz verringerte im Vergleich zum unbehandelten Mörtel. Dies spiegelte sich entsprechend in einem Anstieg der Wasserdampfdiffusionswiderstandszahl bei steigendem Wirkstoffgehalt wider. Hierbei war der Wert der berechneten Wasserdampfdiffusionswiderstandszahl für unbehandelten Mörtel mit dem in DIN-EN-ISO-10456: 2010-[26] vorgeschlagenen Wert für Mörtel aus Zement und Sand vergleichbar. Hingegen war bei den Ziegelprüfkörpern kein deutlicher Einfluss der Hydrophobierung auf die Wasserdampfdiffusionsstromdichte feststellbar (Abbildung 9). Es war lediglich ein geringfügiger Abstieg der Wasserdampfdiffusionsstromdichte bei steigendem Wirkstoffgehalt zu beobachten, jedoch wiesen die Werte der Wasserdampfdiffusionsstromdichten der unbehandelten und hydrophobierten Ziegelprüfkörper keine trennscharfen Streubereiche auf, sodass wirkstoffgehaltübergreifend von einer mittleren Wasserdampfdiffusionsstromdichte von ≈ 39,1-g/ (m²∙d) ausgegangen wurde. Diese Zusammenhänge spiegelten sich wie zu erwarten in den berechneten Wasserdampfdiffusionswiderstandszahlen für die unbehandelten und hydrophobierten Ziegelprüfkörper wider. Jedoch ist zu vermerken, dass die ermittelten Wasserdampfdiffusionswiderstandszahlen über den in DIN EN ISO 10456: 2010 [26] angegebenen Bemessungswerten lagen. 4 Folgerungen Bislang sind in der einschlägigen Fachliteratur lediglich baustoffspezifische sowie auf einzelne Wassertransportmechanismen beschränkte Studien zu finden, in denen der Einfluss einer Hydrophobierung auf die relevanten Wassertransportmechanismen untersucht wurde. Dieser fehlenden Einheitlich-, Eindeutig- und Ganzheitlichkeit in der Untersuchung von Wassertransportmechanismen in hydrophobierten Baustoffen wurde in der vorliegenden Arbeit mit dem hier entwickelten Testprogramm (Abbildung 2), von dem im vorliegenden Paper ausgewählte Ergebnisse präsentiert werden, begegnet. Sowohl im Realversuch als auch im hier nicht beschriebenen Modellversuch zeigte sich, dass silanbasierte Hydrophobierungen in Abhängigkeit vom eingesetzten Wirkstoffgehalt und damit auch in Abhängigkeit von der Eindringtiefe am realen Objekt differenzierbare Veränderungen in der Benetzbarkeit und Größe der Poren hervorrufen. Dabei wirken sich diese Veränderungen unterschiedlich auf die untersuchten Wassertransportmechanismen aus. Dieses Bedingungsgefüge aus Porengröße, Wirkstoffgehalt der Hydrophobierung und den daraus beeinflussten Wassertransportmechanismen wird im Folgenden durch die zwei zentralen Ergebnisse dieser Arbeit dargestellt. Unter der Voraussetzung, dass sich Porenwände optimal durch eine silanbasierte, hydrophobierende Imprägnierung belegen lassen, ist die Porengröße der entscheidende Faktor, inwieweit eine silanbasierte Hydrophobierung den Wassertransportmechanismus der Wasserdampfdiffusion beeinflusst. Neben dem vollständigen Porenverschluss wurden Porenquerschnittsänderungen infolge der silanbasierten Hydrophobierung nachgewiesen, die die Vermutungen aus der Fachliteratur (Carmeliet et al. [5][21] und Oehmichen [24]) messtechnisch bestätigen. Bei größeren Poren ist der Einfluss der Querschnittsveränderungen vernachlässigbar, wie die Diffusionsversuche an hydrophobierten Ziegeln gezeigt haben. In kleineren Poren, die unmittelbar oberhalb der Verschlussgrenze liegen, führt eine Hydrophobierung in höheren Wirkstoffgehalten zur Querschnittsänderung der Poren, die einen erheblichen Einfluss auf das Diffusionsverhalten ausübt. Für einen Vergleich der Ergebnisse aus den Diffusionsversuchen mit den zum Teil widersprüchlich erscheinenden Ergebnissen aus der Fachliteratur sind hierbei zwei Aspekte entscheidend. Erstens sind die Ergebnisse in dem Sinne baustoffspezifisch, als dass die dort untersuchten Materialen (Zementmörtel, Kalkmörtel, Beton, Ziegel) erhebliche Unterschiede in der Porosität und der Porenradienverteilung aufweisen. Zweitens müssen die Ergebnisse stets in Verbindung mit dem im jeweiligen Cup-Versuch verwendeten Luftfeuchteregime betrachtet werden, da die Wasserdampfdiffusionsstromdichte und entsprechend die Wasserdampfdiffusionswiderstandszahl abhängig von der relativen Luftfeuchte sind [25]. Die von der Tränkseite her abnehmende Belegung einer realen, hydrophobierten Baustoffpore mit Hydrophobierungsstoff lässt sich durch Herstellen mit unterschiedlichem Wirkstoffgehalt getränkter Probekörper simulieren, so dass für unterschiedliche Postitionen der Tränktiefe diskrete, vermessbare Probekörper zur Verfügung stehen. Der mit diesen Mitteln verbundene quantitative Ausprägung der Belegung der Porenwände beeinflusst maßgeblich die kapillare Wasseraufnahme und Oberflächendiffusion. Mit steigendem Wirkstoffgehalt einer silanbasierten Hydrophobierung werden immer größere Anteile der Porenwandungen mit Polysiloxanen belegt, die eine Benetzbarkeit mit Wasser verhindern. Im Falle der kapillaren Wasseraufnahme muss sich das Wasser um die hydrophoben Stellen herumwinden. Dies geht bei steigendem Wirkstoffgehalt mit einer Erniedrigung des Kapillardruckes einher, welcher schließlich bei vollständiger Belegung der Porenwände durch Polysiloxane den Wert Null annimmt, wodurch keine kapillare Wasseraufnahme mehr erfolgen kann - dies entspricht am realen Objekt der Situation nahe an der Tränkoberfläche. Im Falle der Oberflächendiffusion können an den mit Polysiloxanen belegten Stellen keine Sorbatfilme mehr ausgebildet werden, wodurch der Massestrom unterbunden wird und in den weniger effektiven Wassertransportmechanismus der Wasserdampfdiffusion übergeht. In dieser Arbeit erfolgte erstmalig eine Auseinandersetzung mit dem Mechanismus der Oberflächendiffusion in hydrophobierten Baustoffen, der bislang in der Fachliteratur nicht diskutiert worden ist. 86 8. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Februar 2023 Untersuchung der Wassertransportmechanismen in hydrophobierten mineralischen Baustoffen Zusammenfassend sind im Folgenden die oben aufgeführten zentralen Ergebnisse als phänomenologisches Modell für zwei baupraktische Szenarien zusammengefügt. Im Falle einer Wasserbeaufschlagung eines hydrophobierten Baustoffes, wie zum Beispiel bei Schlagregenbelastung einer Fassade, unter Bezugnahme auf das von Gerdes [3] vorgeschlagenen Saugprofils, ließe sich die Betrachtung der Wassertransportmechanismen, wie in Abbildung 10 dargestellt, abbilden. Hierbei wird davon ausgegangen, dass die silanbasierte Imprägnierung einseitig auf den Baustoff aufgetragen wurde und damit eine sinkende Wirkstoffverteilung in Richtung des Bauteilinneren erfolgte. Das beaufschlagte Wasser dringt in großen Poren zunächst aufgrund der vollständigen Belegung der Porenwände mit Polysiloxan nur durch Wasserdampfdiffusion in den Baustoff ein. Es folgt eine Weiterleitung der Feuchte auch durch Oberflächendiffusion und ungesättigte Kapillarleitung in den Bereichen der teilweisen Belegung der Porenwände durch Polysiloxan. Schließlich wird flüssiges Wasser in den unbehandelten Bereichen des Baustoffes durch gesättigte Kapillarleitung ins Bauteilinnere transportiert. Kleine Poren sind vollständig durch Polysiloxan verschlossen, wodurch kein Wassertransport erfolgt. Abbildung 10: Wassertransport in einer großen Pore (oben) und einer kleinen Pore (unten) eines hydrophobierten Baustoffes bei einseitiger Wasserbeaufschlagung. Der Wirkstoffgehalt der silanbasierten Hydrophobierung verringert sich von links nach rechts. Ein weiteres, baupraktisches Szenario ist die Trocknung eines hydrophobierten Betonwerkstoffes (z.-B. einer Betonsichtfassade). Unter der Annahme, dass dieser in relativ jungem Alter, wenn die Oberflächen in den ersten Millimetern bereits trocken sind, das Werkstoffinnere jedoch noch feucht aufgrund von überschüssigem Zugabewasser o.-Ä. ist, einseitig mit einer silanbasierten Imprägnierung behandelt wurde, ließe sich folgende Betrachtung der Wassertransportmechanismen darstellen (Abbildung 11). Das gleiche Szenario würde auf ein rückseitiges durchfeuchtetes Bauteil, welches von Innen mit einer hydrophobierenden Imprägnierung behandelt wurde, zutreffen. Im unbehandelten Bauteilinnern befindet sich flüssiges Wasser in den Poren, welches aufgrund des Kapillardrucks in Richtung Oberfläche transportiert wird. In den Bereichen der teilweisen Belegung der Porenwände durch Polysiloxan erfolgt zunächst eine ungesättigte Kapillarleitung, der sich ein Mischtransport aus Oberflächen- und Wasserdampfdiffusion anschließt. Abbildung 11: Wassertransport in einer großen Pore (oben) und einer kleinen Pore (unten) eines zementgebundenen Baustoffes im Trocknungsvorgang, bei welchem eine silanbasierte Imprägnierung in relativ jungem Alter aufgetragen wurde. Der Wirkstoffgehalt der silanbasierten Hydrophobierung verringert sich von links nach rechts. Wie die Fallbespiele zeigen, ermöglicht das phänomenologische Modell ein tieferes Verständnis des Einflusses des, gemäß des Saugprofils, tiefenabhängigen Wirkstoffgehalts einer Hydrophobierung auf die Wassertransportmechanismen in mineralischen Baustoffen unter besonderer Berücksichtigung ihrer Porenstruktur. Literatur [1] DIN EN 1504-2: 2004. Produkte und Systeme für den Schutz und die Instandsetzung von Betontragwerken - Definitionen, Anforderungen, Qualitäts-überwachung und Beurteilung der Konformität - Teil 2: Oberflächenschutzsysteme für Beton; Deutsche Fassung EN 1504-2: 2004. Beuth Verlag, Berlin [2] [De Vries, J., & Polder, R. B. (1997). Hydrophobic treatment of concrete. Construction and Building Materials, 11(4), 259-265 [3] Gerdes, A. H. (2002). Transport und chemische Reaktion siliciumorganischer Verbindungen in der Betonrandzone. Buliding Materials Reports No. 15. ETH Zürich. Aedificatio Verlag, Freiburg [4] Soulios, V., de Place Hansen, E. 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