Schlagregensicherheit bei Innendämmung

Altbauten verbrauchen in der Regel erheblich mehr Energie als neu errichtete Gebäude. Da sich unter diesen Bauwerken viele Ziegel-, Klinker-, Natursteinfassaden und aufwendig gestaltete Schmuckfassaden befinden, kommt eine Außendämmung häufig nicht in Frage. Folgerichtig werden in diesen Fällen zunehmend Innendämmungen zur energetischen Sanierung eingesetzt. Gelangt nun während des Winterhalbjahres Schlagregen in die innenseitig gedämmte Fassadenkonstruktion, kann die Feuchte nur unzureichend nach außen abtrocknen, da infolge der Dämmung kaum noch Wärme in die Wandkonstruktion gelangt. Dadurch steht keine ausreichende Verdunstungsenergie mehr zur Verfügung. In der Konsequenz bleiben solche Fassaden länger feucht, sättigen stärker auf und kühlen massiver ab. Damit steigt das Gefährdungspotential für Frostschäden erheblich. Vor diesem Hintergrund besteht für die meisten innen gedämmten Konstruktionen die Anforderung nach einem Schlagregenschutz, der schon bei Erstellung des energetischen Sanierungskonzepts Berücksichtigung finden sollte.

Bei gestrichenen Fassaden ist das beschriebene Problem meist von untergeordneter Bedeutung, da moderne Fassadenfarben in der Regel wasserabweisend ausgerüstet sind und somit effektiv für eine geringe Feuchteaufnahme der Wandkonstruktion sorgen.

Bei steinsichtigen Fassaden ist die Problematik grundsätzlich schwerer zu beherrschen. Zum Erzielen der Schlagregendichtheit von Ziegel-, Klinker- und teils auch Natursteinfassaden werden unterschiedliche Imprägniersysteme zum Einsatz gebracht, da sie die einzige Möglichkeit einer Wasserabweisung darstellen, die die Fassadenoptik nicht verändert. Es ist jedoch erforderlich, eine solche Maßnahme sorgfältig zu planen und auszuführen, um mögliche Folgeschäden durch Fehlstellen bzw. partiell unzureichenden Schutz sicher zu vermeiden. Dazu ist der Kontext zwischen der Struktur bzw. dem Aufbau der zu sanierenden Konstruktion, eines geeigneten Innendämmsystems sowie der einwirkenden Schlagregenbedingungen und gegebenenfalls möglichen weiteren Ursachen eines Feuchteeintrags herzustellen. Dies gilt besonders für die thermische Sanierung von sensiblen Konstruktionen, wie z.B. einschaligem Ziegelsichtmauerwerk, bei dem die Eignung eines Innendämmsystems praktisch an die Schlagregenbelastung gekoppelt ist. Der kapillare Feuchtetransport und damit das Austrocknungspotential nach innen muss in solchen Fällen in der Regel erhalten bleiben, was dazu führt, dass innenseitig keine dampfsperrende Schicht angeordnet werden darf.

Um eine solche Gebäudesituation erfassen zu können, ist es notwendig das Außenklima und insbesondere die Schlagregenbelastung am Standort des Gebäudes einschließlich dessen zeitlichen Verlaufs zu berücksichtigen. Für eine erste überschlägige Abschätzung steht in DIN 4108 eine Übersichtskarte zur Schlagregenbeanspruchung zur Verfügung. Genauere Betrachtungen erfordern den Einsatz von hygrothermischen Simulationsprogrammen wie z.B. „Delphin“ oder „WUFI“.

Steinsichtige Fassaden in Gebieten der Schlagregengruppen II und III sollten unbedingt mit einem geeigneten Schlagregenschutz versehen werden. Gebäude in Gebieten der Schlagregengruppe I sind nicht pauschal als unkritisch zu betrachten, bedürfen jedoch einer genauen Analyse hinsichtlich ihrer Exposition. Berechnungen zeigen, dass langanhaltender „Nieselregen“ – gemeinhin als eher unkritisch eingeschätzt – ggf. zu höheren Feuchtegehalten in den betroffenen Baustoffen führt, als „heftige“, d.h. von starkem Wind getriebene, aber kürzer einwirkende Schlagregenbelastungen.

Wirkungsweise

hydrophobierender Imprägnierungen

Das primäre Ziel einer hydrophobierenden Imprägnierung liegt darin, einen Baustoff wasserabweisend zu machen oder seine Wasseraufnahme zumindest stark herabzusetzen. Erreicht wird dies durch eine Veränderung der Oberflächenspannung der Baustoffoberfläche sowie an den Porenoberflächen innerhalb des Baustoffs. Bei den heute überwiegend eingesetzten Schutzstoffen, Silanen und Siloxanen, legt sich nach dem Eindringen in den Baustoff eine lediglich ein Molekül dicke Schicht auf die Porenwandungen, sodass deren eigene Oberflächenspannung unwirksam wird und an deren Stelle die Oberflächenspannung des ausreagierten Schutzstoffs tritt. Eine gute Hydrophobierung zeichnet sich dadurch aus, dass der Porenquerschnitt durch den eingebrachten Schutzstoff praktisch nicht verringert wird und die Wasserdampfdiffusionsfähigkeit des Baustoffs nicht bzw. nur geringfügig beeinflusst wird.

Die Wirkung hydrophobierender Imprägnierungen lässt sich durch das Aufsetzen einzelner Wassertropfen auf die imprägnierte Baustoffoberfläche veranschaulichen. Ist diese hydrophobiert, bildet der Tropfen zur Oberfläche einen großen Randwinkel aus und bleibt nahezu kugelförmig auf der Oberfläche stehen bzw. perlt von der Oberfläche ab. Ist die Oberfläche hydrophil, so bildet der Tropfen zur Oberfläche einen kleinen Randwinkel aus, verliert seine Kugelform und spreitet, d.h., er legt sich flach auf die Oberfläche und wird, zumindest teilweise, aufgesogen.

Für die Qualität der ausgeführten Hydrophobierung hat der Abperleffekt allerdings nur eine untergeordnete Bedeutung. Von entscheidender Bedeutung ist vielmehr die Eindringtiefe des Wirkstoffs in den Untergrund:

– Alle Baustoffe reagieren auf klimatische Wechselbeanspruchungen mit Dehnungen bzw. Schrumpfungen. Am stärksten ausgeprägt sind diese Belastungen im oberflächennahen Bereich, da sich hier die größten Temperatur- und Feuchtewechsel vollziehen. Eine Hydrophobierung verändert die feuchtetechnischen Materialeigenschaften. Im Übergangsbereich von behandeltem zu unbehandeltem Material können daher Spannungsspitzen entstehen, die allerdings mit zunehmender Tiefe, d.h. mit zunehmender Eindringtiefe des Hydrophobierungsmittels, abnehmen.

– Selbst bei einer qualitativ hochwertig ausgeführten Verfugung können aufgrund der Temperaturwechselbeanspruchungen mit der Zeit Fugenflankenabrisse auftreten. Über diese Fehlstellen kann dann erneut Feuchte in die Konstruktion gelangen. Die auf diese Weise entstehenden Risse haben in der Regel einen sich mit zunehmender Tiefe verjüngenden (konischen) Verlauf. Eine hohe Eindringtiefe des Hydrophobierungsmittels reduziert daher die Gefahr eines Wassereintrags über diese Fehlstellen.

Feuchteschutz an

steinsichtigen Fassaden

Die Hydrophobierung einer steinsichtigen Fassade sollte als umfassende Schutzmaßnahme immer erst nach dem Ausschöpfen möglicher anderer Feuchteschutzmaßnahmen durchgeführt werden. Zuerst sollten konstruktive Schutzmaßnahmen, die dem Regenschutz der Fassade dienen, geprüft und gegebenenfalls ausgeführt werden. Dazu gehören Dachüberstände, Abdeckungen von stark regenbelasteten Bauteilen wie Mauerkronen, Wasserschlägen oder Gesimsen etc. In einem zweiten Schritt müssen konstruktive Details geprüft und gegebenenfalls instand gesetzt werden, wie Fugenflankenabrisse, Risse, zurück- oder ausgewitterte Fugen und Ähnliches.

Neben konstruktiven Maßnahmen zum Feuchteschutz ist dafür Sorge zu tragen, dass das betreffende Mauerwerk nicht durch anderweitige Feuchtequellen als dem Regen belastet ist. Beispiele sind defekte Dachrinnen oder Fallrohre, aufsteigende Feuchte aus erdberührten Bereichen durch fehlende oder defekte Abdichtungen und Dränagen, Leckagen an den Wasser bzw. Abwasser führenden Systemen im Gebäude oder auch erhöhte Salzgehalte im Mauerwerk sein.

Erhöhte Salzgehalte

Erhöhte Salzgehalte im Mauerwerk sind praktisch nicht zu entfernen. Ab einem Gesamtsalzgehalt von ca. ein Masse-% ist eine Hydrophobierung nicht sinnvoll. Salze sind je nach Wasserlöslichkeit hygroskopisch, d.h., sie können Wasser aus der Luft einlagern. Die am stärksten hygroskopischen Salze sind Nitrate, gefolgt von Chloriden und Sulfaten. Schon bei einer relativen Luftfeuchte von etwa 50 % können Nitrate in Lösung gehen; ab 70 bis 80 % relativer Luftfeuchte gehen auch die meisten anderen bauschädlichen Salze in Lösung.

Der Salztransport erfolgt zumeist in Richtung der Verdunstungszone. Dort kommt es dann zu Salzanreicherungen. Nach einer Hydrophobierungsmaßnahme liegt diese Verdunstungszone hinter der hydrophobierten Oberfläche. Wenn bei niedriger Luftfeuchte das im Salz eingelagerte Wasser wieder abgegeben wird, kristallisieren die Salze aus. Dieser Kristallisationsvorgang bedingt eine Volumenvergrößerung der Salze im Porenraum und es kommt zu einer mechanischen Beanspruchung des Baustoffs. Bei entsprechender Luftfeuchte ist dieser Vorgang immer wiederkehrend und kann zu einer strukturellen Zerstörung des Baustoffs hinter der hydrophobierten Oberfläche führen.

Als Alternative zu einer Hydrophobierung können auch lasierende Wasser abweisende Beschichtungen eingesetzt werden. Infrage kommt eine solche Lösung, wenn sich die Fassadenbaustoffe oder ein Teil der Fassadenbaustoffe nicht mit einer Hydrophobierung schützen lassen.

Beispiel ehemalige Urbankliniken Berlin

Die historischen Backsteinbauten des ehemaligen Urbankrankenhauses in Berlin Kreuzberg sind in den letzten Jahren zu hochwertigem Wohnraum umgebaut worden. Aufgrund der Schadensbilder an den Fassaden, die sich in Form von Rissen in den Ziegeln, Abplatzungen und Putzauswaschungen darstellten, wurde im Rahmen der energetischen Sanierung eine adaptive hydrophobierende Imprägnierung geplant.

Die Materialuntersuchungen am unbehandelten Vormauerziegel ergaben einen sehr hohen Wasserdampfdiffusionswiderstand für die äußere Schale, µ-Wert = 123, einen niedrigen A_ws-Wert von 2,05 kg/m²s^0,5 (= 0,034 kg/m²h^0,5) bei einer kapillaren Sättigung von 0,13 m³/m³, welche nach ca. 16 Stunden erreicht war. Wasser tritt bei diesem System verzögert ein, kann jedoch durch die dichte äußere Schicht nur über einen sehr langen Zeitraum wieder abgegeben werden. Eine Feuchteanreicherung ist die Folge. Der A_ws-Wert für sich spricht gegen eine Imprägnierung. Das Erreichen sehr hoher kapillarer Sättigungsgrade innerhalb von 24 Stunden, die vorliegenden Schadenssymptome und die erhöhten Feuchtegehalte in den entsprechenden Fassadenbereichen führten zur Notwendigkeit der Imprägnierungsmaßnahme, obwohl Berlin gemäß Übersichtskarte der DIN 4108 der Schlagregenbeanspruchungsgruppe I zuzuordnen ist. Die hydrophobierende Imprägnierung wurde mit einer Hydrophobierungscreme mit 40 % Wirkstoffgehalt ausgeführt.

Beispiel Elbphilharmonie Hamburg

Bei der Elbphilharmonie besteht eine Herausforderung darin, die etwa 30 m hohe Bestandsfassade des alten Kaispeichers zu erhalten und für die zukünftige Nutzung zu ertüchtigen. Zu diesem Zweck wurden Versuche an den Steinen der äußeren Schale durchgeführt. Im ersten Durchgang wurden die bauphysikalischen Werte der unbehandelten Bestandsziegel bestimmt. Im zweiten Durchgang wurden die Ziegel mit verschieden Imprägnierungen behandelt und erneut die Materialparameter bestimmt.

Tabelle 1 dokumentiert die bauphysikalischen Materialkennwerte (Wasseraufnahmekoeffizient: A_ws- Wert, die kapillare Sättigung: U_cap, die Sättigung bis zur Massenkonstanz: U_end, Wasserdampfdiffusionswiderstand: µ-Wert und den Zeitpunkt bei Erreichen der kapillaren Sättigung). Die Tabelle liefert die Messergebnisse von Ziegelproben der Elbphilharmonie vor und nach der Imprägnierungsmaßnahme mit unterschiedlichen Schutzstoffen und Wirkstoffkonzentrationen. Bezüglich der ermittelten A_ws- Werte kann in allen Fällen von einer Reduzierung der Wasseraufnahme gesprochen werden. In Abhängigkeit von der Imprägnierung zeigen sich jedoch deutliche Unterschiede. Hinsichtlich der kapillaren Sättigungen werden bei zwei Proben annähernd die Werte der unbehandelten Proben erreicht. Der Wasserdampfdiffusionswiderstand (µ-Wert) bleibt nahezu unverändert erhalten (s. Abbildung Arithmetrische Mittelwerte). Hier sind die Wasserdampfdiffusionswiderstände einzelner Proben aus dem Ziegelmauerwerk der Elbphilharmonie vor und nach der Behandlung mit unterschiedlichen Hydrophobierungsmitteln dargestellt. Es wird deutlich, dass eine hydrophobierende Imprägnierung keinen signifikanten Einfluss auf den Diffusionswiderstand hat.

Adaptive Hydrophobierung

Um die Auswirkung der hydrophobierenden Imprägnierung auf die Trocknungseigenschaften eines Ziegelmaterials einzuschätzen, wurden Imprägniercremes mit unterschiedlichen Wirkstoffgehalten (10 %, 30 % und 60 %) auf eine Ziegeloberfläche aufgetragen. Nach der Wassersättigung der Proben über die unbehandelte Oberfläche, wurden die Proben so abgedichtet, dass eine Verdunstung nur über die imprägnierte Oberfläche erfolgen konnte.

Anhand der Verdunstungsverläufe (s. Abbildung Verdunstungsverläufe) ist zu erkennen, dass die Imprägnierung der Probekörper Einfluss auf den Sättigungsgrad der Proben hat (Wassergehalt zum Zeitpunkt „0“). Je geringer der Wirkstoffgehalt, desto höher ist der volumetrische Sättigungsgrad zu Beginn. Bei 10 % Wirkstoff sind 0,27 m³/m³ Wasser in den Proben, bei 60 % Wirkstoff liegen 0,22 m³/m³ vor.

Die schnellste Wasserabgabe weisen die Proben mit 10 % Wirkstoffgehalt auf. Bereits nach drei Tagen zeigen diese schon geringere Feuchten als die beiden anderen Proben. Der weitere Trocknungsverlauf zeigt: Je höher der Wirkstoffgehalt, desto niedriger ist der effektive Rücktransport von Wasser. Da auch bei einer gut ausgeführten hydrophobierenden Imprägnierung und einer intakten Gesamtkonstruktion der Feuchteeintrag in das Mauerwerk oft nicht vollständig ausgeschlossen werden kann, sollte die Wirksamkeit der Imprägnierung, insbesondere in kritischen Fällen, daher nicht stärker eingestellt werden als notwendig.

Langzeitkontrolle und Wartung

Aus den heutzutage in hydrophobierenden Imprägnierungen eingesetzten Wirkstoffen entstehen nach der Reaktion Polysiloxanharze. Dabei handelt es sich um extrem beständige Schutzstoffe, die außer durch die normale Baustoffverwitterung praktisch nicht zerstört werden können. Die Kontrolle der Wirksamkeit einer Behandlung durch Wasseraufnahmemessungen und gegebenenfalls eine auffrischende Behandlung sind aber dennoch anzuraten, da Fugenflankenabrisse und Feinstaubpartikel, die sich im Laufe der Zeit auf der Fassade ablagern können, die Wirkung der Imprägnierung herabsetzen können.

Infolge von Temperaturschwankungen und den daraus resultierenden, unvermeidlichen Schrumpf- und Dehnungsprozessen der Fassadenbaustoffe, sind Fugenflankenabrisse kaum zu unterbinden. Da diese Risse Fehlstellen in der Hydrophobierung darstellen können, ist ihre Entwicklung zu beobachten und gegebenenfalls eine Fugeninstandsetzung durchzuführen.

Eine ausreagierte Hydrophobierung kann zwar praktisch nicht mehr zerstört werden, im oberflächennahen Bereich aber nach und nach durch hydrophile Feinstaubpartikel überlagert werden, sodass nach einiger Zeit der Abperleffekt der frischen Hydrophobie verschwindet. Bei Beregnung kann es dann zu hohen Feuchtegehalten dieser dünnen Oberflächenzone kommen, da die hier aufgenommene Feuchte nicht an tiefere Bereiche abgegeben werden kann. Da ein Wiederherstellen des Abperleffektes durch Reinigung nicht möglich ist, empfiehlt sich – je nach Exposition – eine Auffrischung der Oberflächenhydrophobierung im Abstand von 7 bis 10 Jahren.

Bei durchschnittlicher Beanspruchung sollten Kontrollen im Abstand von ca. 5 Jahren ausreichend sein, bei starker Bewitterung können aber auch kürzere Intervalle ratsam sein. Hierfür sind Kontroll- und Wartungsverträge für die Zeit nach einer Hydrophobierungsmaßnahme zu empfehlen.

Zusammenfassung

und Schlussbetrachtung

Fassadenkonstruktionen, die auf der Innenseite gedämmt werden, zeigen im Winter deutlich niedrigere Querschnittstemperaturen als vor der Dämmmaßnahme. Zur sicheren Vermeidung einer Frostgefährdung ist der Feuchteeintrag über Regen daher zu begrenzen. Dies kann bei steinsichtigen Fassaden durch das Aufbringen einer hydrophobierenden Imprägnierung geschehen. Insbesondere bei sensiblen Konstruktionen können die Hydrophobierungsmittel in ihrem Wirkstoffgehalt auf die zu imprägnierenden Baustoffe angepasst werden. Im Rahmen einer Innendämmmaßnahme ist die Schlagregensicherheit der Fassade sorgfältig zu begutachten, in die Planung mit einzubeziehen und nach Möglichkeit über Wartungsverträge langfristig abzusichern.