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TU Berlin

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WU-Beton im Erdreich (Dipl.-Ing. O. Fechner)

1. Problemstellung

Bei der Planung und Ausführung von Bauwerken aus wasserundurchlässigem Beton ist es notwendig, daß der Beton frei von durchgehenden Rissen bleibt, damit das Grundwasser nicht durch diese Risse unzulässig in das Gebäudeinnere einströmen kann. Es ist weiterhin bei der Planung zu beachten, daß selbst ein nichtgerissener Beton nur wasserundurchlässig und nicht wasserdicht ist. Das heißt, daß Bauteile aus wasserundurchlässigem Beton so konstruiert werden müssen, daß das durch sie transportierte Wasser im Rauminnern sicher und schadensfrei verdunsten kann. Wird die Verdunstung z.B. durch dampfdichte Boden- oder Wandbeläge behindert, so staut sich unter diesen Belägen das Wasser und es können Schäden entstehen. Bisher fehlten abgesicherte Erkenntnisse bezüglich der durchtretenden Wassermengen; es ließen sich nur mit Näherungsverfahren Abschätzungen der durchtretenden Wassermengen vornehmen; nach dem Fortschreiten der Berechnungsmöglichkeiten im Zuge der Entwicklung leistungsfähiger Tischrechner sind nunmehr auch Simulationsrechnungen zur Bestimmung der Wasserdurchtrittsmenge möglich.

 

Ziel der folgenden Ausführung soll es sein,

 

- an einem Schadensfall die o.g. Problematik zu verdeutlichen,

- den Stand des Wissens um den Wassertransport durch den Beton aufzuzeigen,

- einen Vergleich zwischen stationären und instationären Berechnungsweisen vorzunehmen,

- konstruktive Maßnahmen und Möglichkeiten zur Erfüllung der Gebrauchstauglichkeit von Bauwerken aus wasserundurchlässigem Beton anzugeben, die konstruktive Ausbildung der u.U. erforderlichen Wärmedämmung des Kellerbauwerkes im Grundwasserbereich zu erläutern.

2 Wassertransport durch Bauteile aus WU-Beton - Grundlagen und Berechnung

2.1 Beispielhafte Verdeutlichung des Wassertransports durch Bauteile aus WU-Beton

Der Keller eines Wohnheimes wurde aus wasserundurchlässigem Beton hergestellt, da das Bauwerk zum Teil im Grundwasser stand. Nach Fertigstellung des Gebäudes baute man bereichsweise in den Kellerräumen eine elektrische Fußbodenheizung ein, um die Nutzbarkeit der Kellerräume zu erweitern. Bald nach Inbetriebnahme der nachträglich eingebauten elektrischen Fußbodenheizung fiel diese wegen häufiger Kurzschlüsse aus. In den nichtbeheizten Kellerräumen bestand der Fußboden nur aus der 10 cm dicken Sauberkeitsschicht und aus der 26 cm dicken wasserundurchlässigen Fundamentplatte; der im Nachbarraum verlegte Heizestrich fehlte.

 

Es wurde festgestellt, daß in den beheizten Räumen der nachträglich aufgebrachte Fußbodenaufbau vollständig durchfeuchtet war, was zu den Kurzschlüssen in der elektrischen Widerstandsheizung geführt hatte. Interessant war folgende Feststellung: In einem der Keller lag auf der ansonsten "staubtrockenen" Fundamentoberfläche eine Platte aus expandiertem Polystyrol. Nur unterhalb dieser Platte war ein dünner Wasserfilm - aufgrund der behinderten Verdunstungsmöglichkeit - vorhanden, der dann nach einiger Zeit, nachdem die Platte weggenommen wurde, verdunstete (Bild 1).

 

Im Bereich der beheizten Räume ist eine Sanierung mit einem "aufgeständerten Fußboden" entsprechend Bild 2 (Bild 2a und Bild 2b) gewählt worden. Bei dieser Maßnahme ist es erforderlich, daß eine Luftzirkulation unterhalb des aufgeständerten Fußbodens entstehen kann. Bei der Sanierung wurde zur Sicherheit ein intermittierend arbeitendes Walzengebläse vorgesehen, das bei richtig geplanten Lüftungsmaßnahmen entfallen kann. Auf die Wirksamkeit und die Berechnung der Feuchtebilanz aufgeständerter Fußböden wird im folgenden noch näher eingegangen.

2.2 Wassertransportmechanismen

Durch Bauteile aus wasserundurchlässigem Beton kann Wasser in dampfförmigem und in flüssigem Zustand hindurchtreten.

 

Das Wasser in dampfförmigem Zustand wird durch folgende Vorgänge transportiert [1]:

 

Effusion

 

Bei der Effusion diffundieren Wassermoleküle in Kapillaren mit so geringem Durchmesser, daß der Weg der diffundierenden Wassermoleküle durch Zusammenstöße mit den Porenwandungen bestimmt wird (Bild 3).

 

Diffusion

 

Diffusion liegt vor, wenn die Wassermoleküle innerhalb der sie umgebenden Luft, also im Gaszustand, diffundieren. Im Gegensatz zur Effusion ist der Weg der Wassermoleküle dadurch gekennzeichnet, daß die Wassermoleküle im wesentlichen aufeinandertreffen (Bild 3). - Bei der Diffusion unterscheidet man noch die Lösungsdiffusion und Oberflächendiffusion. Die Lösungsdiffusion ist die Bewegung einzelner Teilchen in einem flüssigen oder quasi-flüssigen Medium, in dem sie gelöst sind. - Oberflächendiffusion ist die Bewegung derjenigen Wassermoleküle, die auf den inneren und äußeren Oberflächen von Festkörpern einen dünnen Wasserfilm (Adsorptionsschicht) gebildet haben (Bild 4).

 

Wasser in flüssigem Zustand wird durch folgende Vorgänge transportiert:

 

Kapillarleitung

 

Die Kapillarwirkung ist gekennzeichnet von einer spezifischen Kraftwirkung der Porenwandungen auf die Wasseroberflächen.

 

Strömung

 

Bei einer Strömung wird die Bewegung des Wassers durch einen Druckunterschied bewirkt. Voraussetzung für das Strömen ist, daß die Kapillaren und Poren vollständig oder zumindest weitgehend mit Wasser gefüllt sind, damit die Adsorptionskräfte nicht den Fließvorgang behindern.

 

Die einzelnen den Wassertransport verursachenden Mechanismen sind abhängig

 

  1. vom Wassergehalt in den Poren und
  2. von der Porengröße.

 

In Bild 5 sind in Abhängigkeit vom Feuchteangebot bzw. vom Feuchtegehalt des Betons die unterschiedlichen Transportarten dargestellt, wobei in der Reihenfolge von 1 bis 6 der Wassergehalt im Beton zunehmen soll. In einem sehr trockenen Baustoff (1) wird der in die Poren eindringende Wasserdampf an den Porenwandungen adsorbiert, so daß der eindringende Wasserdampf nicht weitergeleitet wird - er wird in den Poren gespeichert, so daß kein Wassertransport stattfindet.

 

Wenn im Fall 2 die Porenwandungen mit einem oder mehreren Molekülschichten des Wassers belegt sind, entfallen die Adsorptionskräfte und der Wasserdampf kann durch die Poren und die anschließenden Kapillaren diffundieren.

 

Bei steigendem Wasserdampfgehalt sind aufgrund der dann beginnenden Kapillarkondensation die Kapillaren mit flüssigem Wasser gefüllt, so daß in den Poren der Wassertransport einerseits durch Diffusion erfolgt, während in den Kapillaren der Wassertransport andererseits durch Kapillarkräfte geschieht (Bild 5).

 

In der Phase 4 ist die Dicke der adsorbierten Wasserschicht soweit angewachsen, daß infolge der Oberflächendiffusion ein verstärkter Wassertransport stattfindet.

 

In den Phasen 5 und 6 ist in den Poren und in den Kapillaren bereits soviel Wasser enthalten, daß das Wasser durch Kapillarkräfte oder entsprechend dem Darcy'schen Gesetz aufgrund eines hydraulischen Gefälles bewegt wird.

 

Es ist aus Bild 5 ersichtlich, daß bei relativ trockenem Beton der Transport des Wassers auf dem Wege der Diffusion stattfindet (Phase 1 und 2), die dann bei beginnender Kapillarkondensation mehr und mehr behindert wird und schließlich bei höheren Feuchtegehalten völlig unterbunden wird. Bei höheren Feuchtigkeitsgehalten im Beton wird die Diffusion durch leistungsfähigere Wassertransportmechanismen - nämlich durch Kapillarkräfte und durch Strömen - ersetzt. Es ist jedoch nicht möglich, einen bestimmten Feuchtegehalt einem speziellen Wassertransportmechanismus zuzuordnen, weil auch die Größe der Poren und die Temperatur Einfluß auf die Transportmechanismen haben.

2.3 Näherungsweise stationäre Berechnung des Wassertransportes durch ein Bauteil aus WU-Beton nach Kießl

Der Transportvorgang des Wassers durch Bauteile aus wasserundurchlässigem Beton ist von mehreren Parametern abhängig [2]:

 

- Wassergehalt des Betons

- Temperaturgradient

- Druckgradient (treibendes Potential)

- Porengröße und Porenverteilung.

 

Durch das gleichzeitige Auftreten mehrerer Transportphänomene wird der Gesamtwasserdurchgang Q [g/m²d] näherungsweise anhand von experimentell zu bestimmenden Feuchteleitkoeffizienten nach [2] unter Berücksichtigung der Kapillarität des Betons, der Diffusion und des hydrostatischen Druckes wie folgt ermittelt:

 

       Q = d ÷ [FC · dc + FT · dT' + FP · dh] [g/m²d] (1)



Es bedeuten:

d
 
Bauteildicke [m]
 


Kapillarität

 

FC
Hygrischer Feuchteleitkoeffizient, der von der Theorie der kapillaren Flüssigkeitsbewegung in porösen Stoffen ausgeht [2].
FCBeton = 10-6 m²/h = 24 g/md
dc
Wassergehaltsdifferenz in den Bauteiloberflächen in m³ Wasser pro m³ Material
c1 ca. 22 [Vol.-%] gesättigter Beton
c2 ca. 5 [Vol.-%] Beton in der Ausgleichsfeuchte
dc = 17 %

 


Diffusion

FT
Thermischer Feuchteleitkoeffizient, der von einem temperaturbedingten Feuchtetransport in flüssigem und in dampfförmigem Zustand unter Berücksichtigung von Sorptionsvorgängen ausgeht und primär vom Feuchtegehalt des Baustoffes abhängt [2].
10-10 [m²/hK] = FT = 10-8 [m²/hK]
Für eine überschlägliche Berechnung des Gesamtfeuchtetransportes kann FT wie folgt angenommen werden:
FT = 10-8 [m²/hK] =0,24 [g/mdK]
bei temperaturbedingten Feuchtigkeitsanreicherungen
FT =10-12 [m²/hK] = 0 [g/mdK]
bei temperaturbedingten Austrocknungen.
dT
Temperaturdifferenz der Bauteiloberflächen [K]

 


hydrostatischer Druck

FP
Gesamtdruckbezogener Feuchteleitkoeffizient, der die Transportintensität durch ein poröses Material infolge eines Gesamtdruckgradienten beschreibt. Auch wenn ein "kompakter" Wassertransport durch die Poren eines wasserundurchlässigen Betons nicht stattfinden wird, kann näherungsweise von der materialspezifischen Durchlässigkeit nach dem Darcy'schen Gesetz ausgegangen werden.
FP ca. 10-10 [cm/s] = 0,1 [g/m²d]
dh
Gesamtdruckunterschied [m Wassersäule]

 

 

2.4 Weiterentwicklung des stationären Verfahrens nach Klopfer

Ein mit Wasser bespültes Bauteil aus Beton erscheint auf der Luftseite trocken, obwohl Beton für Wasser aufgrund seiner Porosität nachweislich durchlässig ist. Zur Klärung dieser zunächst nicht offensichtlichen Eigenschaft, werden von Klopfer in [3] die Grundlagen des Feuchtetransportes in porösen Baustoffen dargestellt. Ausgehend von einem Exponentialansatz, der die starke Abhängigkeit des Flüssigkeitsleitkoeffizienten vom lokalen Wassergehalt berücksichtigt [4], wird der durch ein Bauteil gelangende Massenstrom für stationäre Verhältnisse wie folgt ermittelt:

 

Wenn ein Betonbauteil genügend dicht ist, teilt sich der Wassertransport im Bauteil in zwei Bereiche auf:

 

Außenbereich mit Flüssigwassertransport

 

Auf der dem Wasser zugewandten Seite findet Flüssigwassertransport statt. In diesem "überhygroskopischen Bereich" herrschen höhere Wassergehalte als bei der Gleichgewichtsfeuchte, die sich bei 95% relativer Luftfeuchte im Baustoff einstellt. Die Gleichgewichtsfeuchte begrenzt den hygroskopischen Bereich nach oben.

 

Innenbereich mit Diffusion

 

Auf der dem Rauminneren zugewandten Seite findet Wasserdampfdiffusion statt. Das Wasser ist hygroskopisch an das Bauteil gebunden. Im diesem Bauteilbereich stellen sich Luftfeuchten unterhalb der Gleichgewichtsfeuchte ein.

 

Im stationären Zustand sind die Massenstromdichten in beiden Bereichen gleich groß. Man kann von der Vorstellung ausgehen, daß das im äußeren Bereich eingedrungene Wasser zum Rauminneren durch Verdampfen oder "Ablaufen" verschwindet. Bild 6 zeigt die Einteilung dieser beiden Bereiche im Bauteilquerschnitt bei einseitiger Wasserbelastung.

2.5 Numerisches instationäres Verfahren WUFI ohne Berücksichtigung des hydrostatischen Druckes

Ebenfalls ausgehend von dem Berechnungsmodell nach Kießl [4] entwickelte H.-M. Künzel ein Verfahren zur Berechnung des gekoppelten Wärme- und Feuchtetransports in mehrschichtigen Bauteilen, das mit relativ einfachen, größtenteils aus Standardstoffkennwerten ableitbaren Transport- und Speicherfunktionen auskommt [5]. Die Berechnungen erfolgen mit dem Programmpaket "WUFI"; diese Abkürzung steht für "Wärme- und Feuchtetransport instationär". Das Programm ermöglicht die Ermittlung des eindimensionalen Wärme- und Feuchtetransportes in mehrschichtigen Bauteilen mit planparalellen Schichten.

 

Bei der Berechnung des Wärmetransportes werden folgende Transportmechanismen berücksichtigt:

 

- Wärmeleitung

- Enthalpieströme durch Dampfdiffusion mit Phasenwechsel

- kurzwellige Sonnenstrahlung

- langwellig nächtliche Abstrahlung (bei Verwendung von TRY-Wetterdaten)

 

Bei der Berechnung des Dampftransportes berücksichtigt WUFI folgende Transportmechanismen:

 

- Dampfdiffusion

- Lösungsdiffusion

 

Konvektiver Luftstrom wird bei der Ermittlung des Wärmetransportes und des Dampftransportes nicht berücksichtigt, da er nur schwer zu erfassen ist und selten eindimensional vorkommt.

 

Bei der Berechnung des Flüssigtransports wurden folgende Transportmechanismen berücksichtigt:

 

- Kapillarleitung

- Oberflächendiffusion

 

Durch die Schwerkraft bedingte Sickerströmungen, hydraulische Strömungen aufgrund von Gesamtdruckunterschieden, sowie elektrokinetische und osmotische Effekte werden nicht erfaßt.

 

Als Randbedingungen dienen meteorologische Daten (Temperatur, relative Luftfeuchte, Regen/Schlagregen, Strahlung) und Raumklimadaten (Temperatur, relative Luftfeuchte) oder frei wählbare gemessene bzw. im Labor erzeugte Randbedingungen.

 

Das Rechenergebnis enthält Verläufe, die die zeitliche Änderung von Wärmestromdichte, der Temperatur und der relativen Luftfeuchte aufzeigen. Weiterhin werden die Verläufe des mittleren Wassergehaltes der Bauteilschichten bzw. der Gesamtwassergehalt des ganzen Bauteiles ausgegeben. Außerdem können Profile, die die Verteilung der Temperatur, der relativen Luftfeuchte und die Verteilung des Wassergehaltes über dem Bauteilquerschnitt verdeutlichen, zu frei wählbaren Zeitpunkten angegeben werden.

2.6 Numerisches instationäres Verfahren mit Berücksichtigung des hydrostatischen Druckes nach Häupl/Grunewald

Vom Institut für Bauklimatik der TU Dresden sind ebenfalls thermodynamische Modelle zum gekoppelten Wärme-, Stoff- und Feuchtetransport entwickelt worden [6], [7]. Mit Hilfe von instationären Simulationsberechnungen werden die Feuchte-, Wasserdampfdruck-, Luftdruck- und Temperaturfelder in Umfassungskonstruktionen mehrdimensional ermittelt.

 

Die Berechnungen der Stoff- und Energieströme erfolgt unter natürlichen Randbedingungen. Auf der Grundlage von Stundenwerten werden als Randbedingungen Lufttemperatur, relative Luftfeuchte, direkte und diffuse kurzwellige Strahlung, langwellige Strahlung, Windrichtung, Windgeschwindigkeit, Niederschlag und Luftdruck berücksichtigt.

 

Als Materialeigenschaften gehen die kennzeichnenden Größen Dichte, spezifische Wärmekapazität, Wärmeleitfähigkeit, Wasserdampfleitfähigkeit, Luftpermeabilität, Hygroskopizität, Porenvolumen, freie Wassersättigung und Kapillarwasserleitfähigkeit in die Berechnung ein.

 

Im Unterschied zum im vorhergehenden Abschnitt beschriebenen Verfahren ist die Berücksichtigung des hydrostatischen Druckes auf Bauteile in den Berechnungsansätzen enthalten.

 

Die Berechnung liefert neben dem numerischen Ergebnis zwei- und dreidimensionale Grafiken der Temperatur- und Feuchteverteilung.

2.7 Vergleich der Verfahren zur Ermittlung des Feuchtetransportes

Um die vorgenannten Berechnungsmethoden zu vergleichen, wurde der Feuchtetransport durch ein WU-Betonbauteil unter gleichartigen stationären Randbedingungen ermittelt [8], [9]. Als Vergleichsgröße dient der Gesamtwasserdurchgang Q [g/m²d]. Für die numerischen instationären Berechnungsverfahren wurden quasistationäre Verhältnisse gewählt, da über den gesamten Berechnungszeitraum von 5 Jahren die gleichen äußeren Bedingungen angesetzt wurden.
Die Dicke des Betonbauteiles wurde für die stationären Berechnungen zwischen 0,2 m und 0,9 m variiert. Die folgende Tabelle gibt einen Überblick der ermittelten Gesamtwasserdurchgänge durch ein 0,5 m dickes WU-Betonbauteil mit 2,5 m Wasserdruckbelastung.

 

Verfahren

Kießl

Klopfer

WUFI

Häupl / Grunewald

Randbedingungen

stationär

instationär

2,5 m Wasserdruck

berücksichtigt

nicht berücksichtigt

nicht berücksichtigt

berücksichtigt

Gesamtwasserduchgang
[g/m²d]

5,8

ca. 4,5 bis 8

5,0

7,9

Tabelle 1: Vergleich der Gesamtwasserdurchgänge durch ein 0,5 m dickes WU-Bauteil

( Beim Verfahren nach Klopfer wurde die Dicke des betrachteten Verdunstungsbereichs zwischen 2,0% und 3,5 % der Gesamtdicke gewählt. )

 

Das Ergebnis der Berechnungen ist auf dem nebenstehenden Bild 7 aufgetragen. Die Berechnungsverfahren weisen eine gute Übereinstimmung auf.
Für die stationäre Berechnung nach Kießl [2] wurde die Wasserdruckhöhe zwischen 1 m und 10 m Meter variiert. Dieser Bereich ist schraffiert angelegt.
Beim stationären Verfahren nach Klopfer [3] ist die Wassermenge bestimmt worden, die auf dem Wege der Dampfdiffusion aufgrund des Partialdampfdruckgefälles zwischen 95% Luftfeuchtigkeit im Bauteil und der niedrigeren Luftfeuchte im Raum entweicht. Die Dicke der Verdunstungsschicht variiert hier zwischen 2% und 3,5% der Bauteildicke.

 

Für die beiden stationären Berechnungsansätze liegen die transportierten Feuchtemengen in der gleichen Größenordnung. Mit dem Verfahren Klopfer erhält man zudem Angaben über die Verteilung des Wassers im Baustoff (siehe Bild 6). Das stationäre Verfahren nach Kießl [2] liefert gegenüber der Berechnung mit Wufi geringfügig größere Werte, da der äußere Wasserdruck berücksichtigt wird. Der Unterschied zwischen den numerischen instationären Verfahren beruht in erster Linie auf den verfahrensspezifisch unterschiedlich ermittelten Materialkennwerten und der Berücksichtigung des hydraulischen Druckgefälles beim Verfahren nach Häupl/Grunewald.

 

Die überschlägige Ermittlung des Gesamtwasserdurchganges mit stationären Randbedingungen zeigt eine für die Praxis ausreichende Genauigkeit. Im tiefergelegenen Boden schwankt die Temperatur des Erdreiches im Grundwasser ohnehin nur gering. Für eine genauere Berechnung des Wassertransportes durch Bauteile aus WU-Beton mit wechselnden Randbedingungen können numerische Verfahren herangezogen werden.

3 Verdunstung und Feuchtebilanz

Mit Hilfe der in den vorhergehenden Abschnitten dargestellten Berechnungsmethoden kann die durch ein Bauteil aus wasserundurchlässigem Beton transportierte Feuchtigkeitsmenge größenordnungsmäßig ermittelt werden. Diese Feuchtigkeitsmenge muß von der inneren Bauteiloberfläche an die Luft wieder abgegeben werden können (Verdunstungsvorgang). Die Feuchtigkeit QV, die von der Luft aufgenommen werden kann, folgt zu:

 

       QV = n · mS · [(100 - phi) ÷ 100] · V · 24 [g/m²d] (2)



Es bedeuten:

 

 

QV
von der Luft aufnehmbare Feuchtigkeitsmenge [g/m²d]
n
Luftwechselzahl [1/h]
n = 0,2 bei üblichen Kellerfenstern, Keller wird nicht belüftet
n >= 0,5 für belüftete Räume
V
auf die Außenwandfläche bezogenes Raumvolumen [m³/m²]
mS
max. Wassergehalt der Luft [g/m³] (Bild 8)
phi
 
relative Luftfeuchtigkeit [%]
 

Zusammenfassend ist festzustellen, daß der Nachweis einer hinreichenden Feuchtebilanz erbracht ist, wenn folgende Gleichung erfüllt ist:

 

       QV > 1,75 · Q (3)

 

Der Faktor 1,75 ist als Sicherheitsbeiwert anzusehen. Es wird hierbei vorausgesetzt, daß die Abgabe der durch das Bauteil transportierten Feuchtigkeit an die Raumluft nicht durch eine dampfdichte Schicht - wie z.B. einem PVC-Fußbodenbelag o.ä. - behindert wird. - Bei Bauteilen aus wasserundurchlässigem Beton ist konstruktiv sicherzustellen, daß die - wenn auch nur in geringen Mengen - transportierte Feuchtigkeit an die das Bauteil umgebende Luft abgegeben werden kann.

4 Konstruktive Maßnahmen zur Vermeidung von Feuchteschäden

4.1 Belüftung von Fußböden und Wandoberflächen

Es muß gewährleistet sein, daß das durch die Fundamentplatte und durch die Kellerwände transportierte Grundwasser im Rauminnern verdunsten kann. Dazu ist es zwingend notwendig, daß die Bauteiloberflächen durch die zirkulierende Raumluft an allen Stellen bestrichen werden; wenn die Luft an Bereichen der Bauteiloberflächen nicht entlangstreichen kann, wird die Verdunstung des durchgetretenen Wassers behindert und es fällt dort Wasser an. Für den Fall, daß an der Fundamentplatte durch den Ausbau (Fußbodenbeläge o.ä.) bzw. durch die Anordnung von Lagergütern die Belüftung der Oberflächen behindert wird, besteht die Möglichkeit, einen belüfteten, aufgeständerten Fußboden entsprechend Bild 9 und Bild 10 vorzusehen.

 

Bei der Konstruktion von Bauwerken aus wasserundurchlässigem Beton ist darauf zu achten, daß Mauerwerksinnenwände, die auf der wasserundurchlässigen Fundamentplatte aufstehen, eine horizontale Sperrschicht (Abdichtung) direkt über der Fundamentplatte erhalten, um kapillar aufsteigender Feuchte im Mauerwerk entgegenzuwirken.

 

Bild 11 zeigt die Ausbildung einer Außenwand im Grundwasserbereich eines hochwertig genutzten Kellerraumes. Durch die Anordnung einer Bewehrungsmatte vor der Innenwand konnte die Belüftung der Wandoberfläche sichergestellt werden. Die aus gestalterischen Gründen farbig gestrichene Matte verhindert ein Zustellen der Wandoberfläche.

4.2 Innenseitige Beschichtung von Betonoberflächen

Häufig wird erwogen, statt eines aufgeständerten, belüfteten Fußbodens eine Beschichtung innenseitig auf die wasserundurchlässigen Bauteile aufzubringen, um Feuchteschäden zu vermeiden. Als mögliche Wassersperren bieten sich beispielsweise Epoxidharz- oder Polyurethanbeschichtungen an. Bei der Verwendung solcher Beschichtungen treten u.a. zwei Fragestellungen auf:

  1. Widerstehen die innenseitig aufgebrachten Beschichtungen dem hydrostatischen Druck des von außen einwirkenden Wassers?
  2. Bestehen bei der Ausführung Probleme hinsichtlich der Blasenbildung sowie einer unzureichenden Adhäsion zwischen Beschichtung und Beton? 


Zu 1: Hinsichtlich des Wirkens eines hydrostatischen Druckes auf die Beschichtung

 

Das Vorhandensein eines hydrostatischen Druckes auf die Beschichtung setzt voraus, daß das Wasser durch die Kapillaren des Betons fließt und an der Beschichtung gestaut wird. Bei der Strömung des Wassers durch den Beton sind die Voraussetzungen der Fließtheorie zu beachten [1]: Eine Durchströmung setzt Druckunterschiede voraus, wobei der Widerstand des strömenden Wassers ausschließlich von der Viskosität des Wassers herrühren darf, nicht aber von der Oberflächenspannung des Wassers bezogen auf die Kapillarwandungen. Im Beton sind die Poren und Kapillaren jedoch klein und zumindest bereichsweise mit Luft gefüllt, so daß die Oberflächenspannung des Wassers ein freies Durchströmen nahezu völlig unterbindet. In weitporigen Körpern, z.B. in Kies, weist die Oberflächenspannung des Wassers bei Anwesenheit von Luft keine das Durchströmen behindernde Oberflächenspannung auf. - Da der Fließvorgang des Wassers im Betonbauteil nahezu völlig unterbunden wird, können auf Betonbauteile innenseitig Beschichtungen aufgetragen werden, um den Wasserdurchgang z.B. auf dem Wege der Diffusion zu behindern. - Zur Bestätigung dieser Überlegung wurden im Institut für Bauingenieurwesen der TU Berlin Wassereindringversuche nach DIN 1048 durchgeführt. Hierzu wurden die Probekörper aus einem gut wasserdurchlässigen Beton mit einem Wasserzementwert von 0,80 hergestellt. Die Probekörper wurden auf den vier Seitenflächen (12/20 cm) jeweils mit Epoxidharz beschichtet, so daß beim Wassereindringversuch Wasser nicht seitlich aus den Probekörpern entweichen/verdunsten konnte.

 

Bei der Nullprobe (auf seiner Oberfläche unbehandelter Beton) trat bereits nach einem Tag Wasser auf der Luftseite der Probe aus. Es bildete sich auf der Probe im Aufspannring der Versuchseinrichtung eine Wasserpfütze aus. Die Versuchskörper, die dagegen mit einem Epoxidharz, einem Polyurethan und einer mineralischen Schlämme beschichtet wurden, wiesen die in Bild 12 dargestellte Wasserdurchlässigkeit in Abhängigkeit von der Zeit auf. Es zeigte sich, daß auch bei der zweifach aufgetragenen Epoxidharzbeschichtung Wasser durch die Proben hindurchtritt - wenn auch diese Mengen sehr gering sind.

 

Es ist im Einzelfall zu prüfen, ob die durchtretende Wassermenge schädlich ist oder nicht. Mögliche Schadensbilder im Bereich der Fundamentplatten sind aufgeklebte PVC-Fußbodenplatten, bei denen das durchtretende alkalische Wasser den Dispersionskleber zum Verseifen bringt. Nach dem Abschluß der in Bild 12 aufgeführten Wassereindringversuche wurden die Beschichtungen auf Adhäsion untersucht. Dabei zeigte sich, daß die Haftzugfestigkeit der mit Epoxidharz und Polyurethan beschichteten nassen Proben keinen Festigkeitsabfall im Vergleich zu trockenen und in gleicher Weise beschichteten Proben aufwiesen. Der Bruch trat sowohl in der Beschichtung als auch zum überwiegenden Teil im Beton auf.

 

Beim Einbau eines schwimmenden Estrichs oberhalb der dampfdichten Beschichtung (s = 1 mm, µ = 60.000) kann die Konstruktion durch die Beschichtung auf lange Sicht wirkungsvoll gegen Durchfeuchtung geschützt werden [10]. Voraussetzung ist, daß die Beschichtung rissefrei ausgeführt und an den Wänden in Höhe des Estrichs hochgezogen wird.

 

Zu 2: Ausführungsempfindlichkeit hinsichtlich Blasenbildung und mangelhafter Adhäsion

 

Die Eigenschaften der Beschichtungen auf den Beton sind von Fiebrich [11] ausführlich und gründlich untersucht worden. Es wurde gezeigt, daß die Adhäsionsfestigkeit von einer Vielzahl komplex verknüpfter Einzelparameter abhängig ist:

 

- Betonoberfläche und deren Vorbehandlung

- Chemische und physikalische Kunstharzeigenschaften

- Applikation der Kunstharzbeschichtung

- Klimatische Randbedingungen

- Betriebsbeanspruchungen.

 

Hinsichtlich der Blasenbildung wird auf [12] verwiesen, wonach u.U. dann Blasen in der Beschichtung auftreten können, wenn das Epoxidharz aufgrund der niedrigen Betontemperatur (T ca. +10 °C) nur verzögert oder ungenügend aushärtet. Dann bilden sich Blasen in der Weise, daß Wasser in die Beschichtung eindiffundiert. Durch weitere Wasseraufnahme werden die Blasen vergrößert.

 

Hinsichtlich des Vorbehaltes gegenüber innenseitige Beschichtungen kommen zwei weitere Überlegungen hinzu:

 

  1. Im Bereich von breiteren Rissen und Spalten wirkt der Wasserdruck auf die Abdichtung und kann sie unter Umständen beschädigen.
  2. Eine Epoxidharzbeschichtung ist in etwa um den Faktor 2 bis 4 teurer im Vergleich zu einem aufgeständerten Fußboden.

 

Im Fußbodenbereich können nach der "Wasserprobe" und einer möglicherweise notwendigen Verpressung wasserführender Risse statt dünner Beschichtungen Estriche aus Gußasphalt ausgeführt werden.

5 Wärmedämmung von Bauwerken im Grundwasser

Nach der Wärmeschutzverordnung müssen sowohl beheizte Keller als auch unbeheizte Keller mit nicht- bzw. gering wärmegedämmten Kellerdecken im Wandbereich und gegen das Erdreich wärmegedämmt werden. Die Ausführung wärmegedämmter Keller ist mit konstruktiven Schwierigkeiten verbunden: Wird die Dämmung auf der Außenseite der Kellerwand aufgebracht, so muß im Regelfall außenseitig vor der Wärmedämmung eine Abdichtung entsprechend DIN 18195 unter Berücksichtigung der Boden- und Wasserverhältnisse vorgesehen werden; gleichzeitig muß aber die Wärmedämmung auch zum Rauminnern hin durch eine wirksame Dampfsperre geschützt werden, um eine unzulässige Tauwasseranreicherung im Dämmstoff zu vermeiden.

 

Wird die Dämmung auf der Innenseite der Kelleraußenwand aufgebracht, so ist zwar die Wärmedämmung zunächst gegen das im Boden befindliche Wasser und ebenfalls gegen Tauwasser geschützt; gegen die in der tragenden Wand befindliche Baufeuchte ist die Dämmung jedoch nicht geschützt. In Abhängigkeit von den bauphysikalischen Kennwerten des Dämmstoffes kann es daher zu einer unzulässig hohen Feuchteanreicherung im Dämmstoff kommen. In Bild 13 ist eine Kelleraußenwand mit einer "Perimeterdämmung" dargestellt. Unter einer Perimeterdämmung wird eine Wärmedämmung verstanden, die außen vor der Abdichtung der Außenwand angeordnet ist. Hierzu ist es erforderlich, daß die Wärmedämmung weitgehend unempfindlich gegen die im Boden vorhandene Feuchtigkeit ist.

 

Als wärmedämmende Materialien im Grundwasser bieten sich Schaumgläser und auch extrudiertes Polystyrol an. In der allgemeinen bauaufsichtlichen Zulassung des Deutschen Instituts für Bautechnik [13] wird der Anwendungsbereich für Schaumglasplatten im Grundwasser wie folgt geregelt:

 

"Die Schaumglasplatten dürfen zur Wärmedämmung von erdberührten Wänden und Kellerfußböden aus mineralischen Baustoffen außerhalb der Abdichtung angewendet werden.
Die Schaumglasplatten können auch in Bereichen mit ständig oder langanhaltend drückendem Wasser (Grundwasser) verwendet werden, wobei die Platten maximal 12 m in das Wasser eintauchen dürfen."

Die Schaumglasplatten müssen an dem zu dämmenden Bauteil so dicht mit bituminösem Kleber befestigt werden, daß ein Hinterlaufen der Wärmedämmung mit Wasser nicht möglich ist (Bild 13). Die Schaumglasplatten können auch unter der lastabtragenden Fundamentplatte angeordnet werden (Bild 14).

Die Schaumglasplatten sind dauerhaft gegen Auftrieb zu sichern, wobei der bituminöse Kleber nicht auf Abscheren beansprucht werden darf. Zur Auftriebsicherung bieten sich stählerne Abfangkonstruktionen oder - besser - Betonkonsolen an (Bild 15).

6 Zusammenfassung

Sind WU-Betonbauteile ständig drückendem Wasser ausgesetzt, so muß die Austrocknungsmöglichkeit an der dem Druckwasser abgewandten Seite eines Bauteiles stets gegeben sein, so daß das durchdringende Wasser wieder verdunsten kann. Der rechnerische Nachweis einer ausgeglichenen Feuchtebilanz geschieht näherungsweise nach den Gleichungen (1), (2) und (3). Die ermittelten Feuchtemengen wurden durch neuere Berechnungsverfahren bestätigt.

 

Zur Ermöglichung der Verdunstung der durch die Bauteile aus wasserundurchlässigem Beton hindurch tretenden geringen Wassermengen empfiehlt es sich, belüftete Beläge entsprechend Bild 9 und Bild 10 auszuführen. Soweit Kellerbauwerke wärmegedämmt werden müssen, bietet es sich an, eine Wärmedämmung vor den Bauteilen aus wasserundurchlässigem Beton zum Erdreich hin auszuführen. Die Wärmedämmaterialien müssen den jeweiligen allgemeinen bauaufsichtlichen Zulassungen entsprechen.

7 Literatur

[1] Klopfer, H. e.a.: Lehrbuch der Bauphysik; 3. Auflage, Abschnitt Feuchte. B.G. Teubner, Stuttgart, 1985.

[2] Kießl, K., und Gertis, K.: Feuchtetransport in Baustoffen. Eine Literaturauswertung zur rechnerischen Erfassung hygrischer Transportphänomene. Forschungsbericht aus dem Fachbereich Bauwesen der Universität Essen - Gesamthochschule, Heft 13, 1980.

[3] Klopfer, H.: Wasserundurchlässiger Beton - bauphysikalisch gesehen. Ingenieur Hochbau, Berichte aus Forschung und Praxis, Festschrift zum 60. Geburtstag von Prof. Dr. E. Cziesielski, Werner Verlag, 1998.

[4] Kießl, K.,: Kapillarer und dampfförmiger Feuchtetransport in mehrschichtigen Bauteilen. Rechnerische Erfassung und bauphysikalische Anwendung. Dissertation Essen 1983.

[5] H.-M. Künzel: Verfahren zur ein- und zweidimensionalen Berechnung des gekoppelten Wärme- und Feuchtetransports in Bauteilen mit einfachen Kennwerten. Dissertation Stuttgart 1994.

[6] Häupl, P./Stopp, H.: Feuchtetransport in Baustoffen und Bauwerksteilen. Dissertation B, TU Dresden, 1987

[7] Grunewald: Documentation of the Numerical Simulation Program DIM 3.0 (Numerisches Simulationsprogramm zur Bestimmung des gekoppelten Wärme, Luft und Feuchtetransports in porösen Materialien - Programmdokumentation), Technische Universität Dresden, Fakultät Architektur, Institut für Bauklimatik, Oktober 1998.

[8] Cziesielski, E., und Friedmann, M.: Gründungsbauwerke aus wasserundurchlässigem Beton. Die Bautechnik, Heft 4, 1985.

[9] Cziesielski, E., und Friedmann, M.: Keller aus wasserundurchlässigem Beton. DAB, Heft 6, 1985.

[10] Fechner, H. u.a.: Zum Feuchtetransport in Fundamenten aus WU-Beton. Institutsmitteilung der TU Dresden, Institut für Bauklimatik, Lehrstuhl für Bauphysik, Prof. Dr.-Ing. Häupl. Dresden, August 1994

[11] Fiebrich, M.: Zur Adhäsion zwischen polymeren Bindemitteln und Beton unter besonderer Berücksichtigung von Wassereinwirkungen. Dissertation an der RWTH-Aachen, 1987.

[12] Klopfer, H.: Unterwasseranstrich in einem Schwimmbecken. Bauschädensammlung. Forum-Verlag, Stuttgart, Band 1.

[13] DIBt: Allgemeine Bauaufsichtliche Zulassung Z - 23.34-1059. Lastabtragende Dämmung unter Gründungsplatten mit Schaumglasplatten, Foamglas-Platte-F, Foamglas-Platte-S3, Foamglas-Floor-Board F, Foamglas-Floor-Board S 3.

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