Kapillarität

➜ Feuchtebilanz für Bauwerke
➜ Feuchtigkeit in Dämmstoffen

"Taucht man ein enges reines Glasrohr in Wasser ein, so steigt das Wasser in dem Rohr, der Schwere entgegen, um ein beträchtliches Stück in die Höhe (Abb. 7.69). Enge Rohre werden Kapillarrohre genannt, daher heißt die angegebene Erscheinung Kapillarität."(Grimsehl, Lehrbuch der Physik, Leipzig 1977)

"Taucht man zwei rechteckige Glasplatten, die an einer lotrechten Kante zusammengestoßen und an der anderen durch ein dazwischengelegtes Glasstäbchen in einem Abstand von wenigen Millimetern gehalten werden, in ein Gefäß mit Wasser so ein, daß die gemeinsame Kante lotrecht ist, so steigt das Wasser in dem Raum zwischen den beiden Glasplatten empor (Abb. 7.72). Die die Flüssigkeitsoberfläche begrenzende Kurve zwischen den Glasplatten ist eine gleichseitige Hyperbel. Hieraus folgt, daß auch in Zwischenräumen, die eben begrenzt sind, die Steighöhe dem Abstand der Platten umgekehrt proportional ist, denn für eine gleichseitige Hyperbel ist das Produkt aus den beiden auf die Asymptoten als Achsen bezogenen Koordinaten unveränderlich." (Grimsehl, Lehrbuch der Physik, Leipzig 1977)

Die Steighöhe im Kapillarrohr ist der Weite des Rohres umgekehrt proportional. Die Steighöhe an einer lotrechten, sehr spitzen Kante ist entlang der Hyperbel theoretisch unendlich.

Kapillare Steighöhe und Grobkorn

Im Bau gilt es oft, die Kapillarität von Fundament und Wänden, das Aufsteigen von Nässe des Geländes, insbesondere des Untergrundes niedrig zu halten, insbesondere die Steighöhe entweder zu begrenzen oder das verursachende Flüssigkeitsniveau herabzusetzen.
Konstruktiv wird durch einen Kapillarbruch, also weite Kapillarrohre und weite Kapillarkanten im Material, die Steighöhe begrenzt. In der Regel durch grobkörnige Schüttungen nicht wasserabsorbierender Materialien.

Gröbere Körnung hat eine kleinere Kapillarhöhe als kleinere. Körnung und Kapillarhöhe sind sogar reziprok proportional (Jurinsches Gesetz).

Grobkies 16/32 hat eine kleinere Kapillarhöhe als 8/16 und erst recht 4/8 Körnung. Eine kleine Kapillarhöhe bedeutet, weniger Aufbauhöhe ist nötig.

Glasschaumschotter, i.d.R. feinkörnig, und Kies verhalten sich bei gleicher Körnung nicht identisch, auch Schotter aus Granit, Gneis oder Kalkstein gleicher Körnung unterscheiden sich in der Kapillarhöhe; nicht erheblich, aber doch. Hauptsächlich unterschieden durch Gesteinsoberfläche und Bruchgeometrie, speziell durch Benetzbarkeit, Oberflächenrauheit, Gestalt der Körnung, Oberflächenporösität.

Was ist kapillares Kondensat?

Kondenswasser entsteht an Oberflächen, wenn deren Temperatur unter den Taupunkt der umgebenden Luft fällt. In engen Poren, engen Spalten senken gekrümmte Flüssigkeitsoberflächen den Dampfdruck, wodurch die Kondensation bereits an noch nicht vollständig gesättigter Luft erfolgt.

Adsorbierte Wasserfilme an Scheiben oder Folien
Schon bei mittlerer Luftfeuchte lagern sich einzelne Wassermoleküle an der Glas- oder Kunststoffoberfläche an. Mit steigender Luftfeuchte wächst dieser Wasserfilm allmählich. Erst wenn der Film ausreichend dick wird und Tropfen entstehen, sieht man die Kondensation.

Gefahr des ewigen Verbleibs von kapillarem Kondensatwasser in Porenbaustoffen wie Beton.

Kapillarer Feuchtetransport

Ein kapillarer Transport bezieht sich auf flüssiges Wasser. Der Transport erfolgt über Kapillarröhen, enge Spalte oder spitzwinklige Berührungsflächen im Material. Es kann auch als Porenwasser im Material auftreten und über genannte Kapillarverbindungen wandern. Typische Materialien, die Porenwasser Porenwasser langfristig kapseln und durch internen kapillaren Feuchtetransport gleichverteilen, sind Beton, geschäumte Gesteine oder Glas, geschäumte Kunststoffe u.v.a.

Vereinfacht besagt das erste Ficksche Gesetz, dass die Diffusion von Wasser immer vom feuchteren zum trockeneren Bereich erfolgt. Dieses gilt auch für den horizontalen kapillaren Feuchtetransport. Beim vertikalen kapillaren Feuchtetransport wirkt hingegen die Schwerkraft des Wassers als bestimmender Faktor.

Ficksche Diffusion

Adolf Fick ging vom Ansatz aus: Bei der Diffusion wird Masse transportiert in Form von Molekülen oder Molekülclustern, aber nicht als Flüssigkeit.
Die Diffusion von Wasser geschieht also im gasförmigen Zustand, umgangssprachlich Wasserdampf.

Die eigentliche oder Ficksche Diffusion bezieht sich ausschließlich auf den Feuchtetransport über eine an sich luftdichte Austauschfläche.

Das Ficksche Diffusionsgesetz erklärt die eigentliche oder Ficksche Diffusion durch eine Membran oder eine Austauschfläche.
Berechnet wird der Diffusionsstrom V einer Gasmenge, die über eine Austauschfläche A mit der Dicke d ausgetauscht wird.
V = (P1 - P2) × (A / d) × D
P1 = Partialdruck des Gases vor dem Eintritt in die Austauschfläche
P2 = Partialdruck des Gases in der Austauschfläche
A = Austauschfläche
d = Dicke
D = gasabhängiger Diffusionskoeffizient

Der urprüngliche Ansatz von Adolf Fick war die Diffusion an einer Membran. Dieses ist weiter von großer Aktualität, sowohl in der Medizin als auch in der Lebensmittelindustrie und vielen Bereichen sehr feiner Siebe und Filter.
In der Bauphysik wird dieser Ansatz verlassen und zunächst auf Festkörpern wie Holz, Mauerwerk u.ä. erweitert. Hier wird nun die Ficksche Diffusion nicht an einer Fläche, sondern im Raum von Materialien behandelt. Insbesondere ist es interessant nicht nur Diffusion in Festkörpern, sondern auch Diffusion in Faser- und Partikelwerkstoffen zu betrachten.

Erweiterung: Diffusion in fraktalen Faserformationen

Kondensat und Taupunkt

Der Taupunkt bezeichnet die Temperatur eines feuchten Gasgemisches in einem Gleichgewichtszustand, bei dem sich Kondensieren und Verdunsten des feuchten Bestandteils genau die Waage halten. Das Gas ist mit dem Dampf dann gerade gesättigt.

Taupunkt ist ein Begriff atmosphärischer Gase oder Gasgemische. Für das Phänomen eines Taupunktes bedarf es einer atmosphärischen Umgebung. In einer atmosphärischen Umgebung gibt es Partikel oder Körper, jedoch dürfen diese keinen nennenswerten Einfluss auf die Feuchtigkeit ausüben, anderenfalls ändert sich der atmosphärische Zustand oder es kann im Fall sehr stark hydrophiler Werkstoffe nicht von einer atmosphärischen Umgebung gesprochen werden. In einem Baustoff aus benetzbaren Materialien mit einem hohen Grad an Konvektionsmöglichkeit (z.B. Mineralwolle oder Glasfaser-Dämmung) kann unter Vorbehalt der Konvektion über längere Zeiträume von einer quasi-atmosphärischen Umgebung ausgegangen werden. Es können hier also Taupunkte interpretiert werden. Sowohl an hygroskopischen als auch an porösen Materialien ist eine Taupunktberechnung physikalisch unzulässig.

Benetzbarkeit durch Wasser

Glas, aber auch viele Gesteine und viele Kunststoffe besitzen eine gute Benetzbarkeit durch Wasser: Diese Stoffe haben ein hohes Adhäsionsvermögen gegenüber Wasser und ermöglichen nicht nur einen kapillaren Aufstieg, sondern auch eine Kondensation an der Oberfläche zu Ausprägung eines Feuchtefilms.

Hydrophil bedeutet, die Oberfläche wird von Wasser gut benetzt, hat einen kleinen Kontaktwinkel und mit Wasser eine starke Adhäsion. Dies ist nicht zu verwechseln mit "hygroskopisch", was die Aufnahmefähigkeit von Wasser aus der Umgebung beschreibt.
Hygroskopisch wiederum ist nicht zu verwechseln mit porös oder saugfähig. Hygroskopisch sind Stoffe, die Wasser oder Wasserdampf chemisch oder physikalisch aufnehmen. Hygroskopische Stoffe entnehmen Wasser schon aus feuchter Luft.
Porös sind Stoffe, deren Hohlräume, Poren sich mit Flüssigkeit oder Gas füllen. Diese nehmen Wasser erst bei direktem Kontakt oder Kapillarkondensation auf.

Geschichte der Erkundung von Kapillarität und Diffusion

Galileo Galilei (1564–1642) untersuchte das Schwimmen und Sinken von Körpern, legte die Grundlage für die experimentelle Untersuchung von Flüssigkeiten.

Blaise Pascal (1623–1662) erforschte den Druck in Flüssigkeiten. Nach ihm ist das Pascalsche Gesetz benannt: Der Druck, der auf eine eingeschlossene ruhende Flüssigkeit oder ein ruhendes Gas ausgeübt wird, breitet sich unverändert und gleichmäßig in alle Richtungen aus.

Isaac Newton (1642–1727) diskutierte Kohäsionskräfte zwischen Teilchen. Newton erklärte das Phänomen der Kapillarität.

Leonard Euler lieferte 1754 die mathemaischen Voraussetzungen zur Berechnung "sämtlicher" Wasserkraft-Maschinen.

Jean-André Deluc beschrieb 1772 die Anomalie des Wassers.

Pierre-Simon Laplace (1749–1827) begründete die Theorie der Oberflächenspannung, beschrieb den Zusammenhang zwischen Oberflächenspannung und Krümmung einer Flüssigkeitsoberfläche.

Michael Faraday (1791–1867) formulierte: "Kohäsion oder die Anziehung, die zwischen den Teilchen eines Körpers wirkt und sie zusammenhält." und weiter: "Wäre da nicht die Kohäsion der Flüssigkeitsteilchen, würde eine Flüssigkeit nicht zusammenhalten."

Clausius, Kelvin und Boltzmann beschrieben je verschiedene gegründet den 2. Haupsatz der Thermodynamik, wonach, einfach formuliert, Wärme nicht von einem kälteren auf einen wärmeren Körper übergehen kann.

Mit der Entwicklung der Dampfmaschinen, später der Kolbenmaschinen, insbesondere der Kolbenmaschinen chemischer Reaktionen, insbesondere Verbrennung rückte die Physik der Gase und damit die eigentliche Thermodynamik in den Mittelpunkt.

Die Physik der "einfachen Wärme", der Kapillarität von Wasser, die langsame Diffusion usw. gilt eigentlich als "Schulphysik", wird aber aus der schulischen Allgemeinbildung heute weitestgehend verdrängt. Leider. Es wäre zwingend, die Phänomene Phasenwechsel, Anomalie, Wärmekapazität usw. des Wassers in die Schulbildung, mindestens aber in die Lehre der Bauberufe wieder aufzunehmen!